【最强宙斯盾之眼】美海军SPY-6雷达性能解析

不知道韦恩·E·麦耶（Wayne E. Meyer，“宙斯盾之父”）有没有想到，宙斯盾军舰发展到今天，能有如此之大的规模，全世界累计生产并服役了上百艘类似的军舰。以至于美帝的潜在对手，也在大量建造拥有效仿宙斯盾系统的作战舰艇。宙斯盾系统，是一个复杂的综合指挥控制作战系统，其搭载的各类计算机和指挥网络，充分调动舰载各类传感器、武器系统，协调统一高效率的作战。在各类系统中，最吸引人眼球的莫过于其安装于舰桥四周的相控阵雷达。 

对于最早期的“提康德罗加”级巡洋舰而言，其搭载的SPY-1A无源相控阵雷达（PESA），有4面直径约为3.7米的八边形天线阵列是其引以为傲的资本，后期为了降低雷达重量，又诞生了该雷达的改型SPY-1B。而类似的，“伯克”级驱逐舰搭载的无源相控阵雷达型号为SPY-1D，其也拥有4面直径约为3.65米的八边形天线阵列。SPY-1B和SPY-1D的改型众多，尤其是后者，随着“宙斯盾”系统基线的升级，都会有大大小小的改动，以提升性能。以SPY-1D(V)为例，该雷达拥有十分强悍的作战性能。其每一个阵面上拥有约4350个天线单元，发射机输出总峰值功率为4-6MW，经过升级后的平均功率为77-111KW，且接收回路使用了基于砷化镓材料的低噪声放大器（LNA），有效降低了PESA的系统噪声（毛子的“雪豹”E PESA也是类似做法，使系统噪声介于典型的AESA和PESA之间）。对典型空中目标的最大探测距离能超过400千米，对弹道导弹目标的追踪距离可以大于300千米，能同时探测并跟踪数百个目标，有非常强的防空反导能力。 

当然了，在80年代SPY-1是傲世群雄，世界最强舰载相控阵雷达。但是毕竟40年过去了，时代正飞速变化。对美帝而言，作战环境环境和潜在威胁，以及任务需求也在飞速变化。原来的各类SPY-1雷达，越来越力不从心，面临新威胁也越来越不够用了。举几个简单例子，由于使用的是PESA体制，其在波束控制敏捷性、抗干扰能力、系统噪声、功率提升等方面均显示出不足。由于固定馈电网络的存在，其波束扫描能力取决于移相器位数、精度、馈电网络的设置等等，不如AESA体制，更能轻松灵活的进行各类波束扫描操作。由于是集中式发射机，一次只能给一面天线阵馈电，因而不能保证同时4面天线同时工作，只能时分复用，依次扫描。

虽然升级后可以一次给斜对角线上的两门天线阵同时馈电，但这依然没有解决根本问题。集中式发射机采用电真空器件，其占空比不如固态器件高，导致不易实现“低概率截获”（LPI），且开机响应速度、带宽、波形变换、抗干扰性能等等均不如使用固态器件的AESA体制。为了应对未来对隐身飞机等低RCS目标的探测，功率提升也变得尤为困难，虽然电真空器件峰值功率很高，但是真正决定雷达探测距离的平均功率，很难再取得大的突破。而使用了空间功率合成技术的AESA，相比之下更容易堆出高功率来。上个世纪90年代，大洋彼岸的TG研发了第一代实用舰载相控阵雷达（346型），采用了更为先进的AESA体制，并在诸多不利因素中取得了与SPY-1类似甚至更为优越的性能。正是因为以上其固有体制上的缺陷和面临的现实威胁，美帝也下定决心研发下一代舰载相控阵雷达。 

其实，早在上个世纪90年代，美帝就有研发“新世代巡洋舰”（CGX）的打算（那个时候TG还是弟中弟，和TG的威胁没啥关系），在该计划中，为了强大“防空反导”（BMD）设计的新型双波段相控阵雷达被提出，然而由于种种原因，该CGX项目黄了。（其中发展始末等故事可参阅张明德的《新世代宙斯盾舰完全解析》，这里不赘述）最强CGX黄了，但是威胁和需求还在啊，那就只能继续改伯克呗。于是在“伯克”Flight3的改进计划中，美帝打算给它换装宙斯盾的新眼，AMDR雷达。AMDR其实分为AMDR-S(SPY-6)和AMDR-X两款各自工作在S波段和X波段的AESA雷达，为了和SPY-1进行较为公平的对比。这里我们着重讲前者，后者我们暂时忽略。 

从官方PPT里的资料可以看到，一个RMA就是该雷达的基本构成单元（并非为传统AESA概念里的TR组件），包含24*6=144个TR模块，2个双通道转换器，频率合成器，辅助功率控制器件。其可重构性强，使用氮化镓GAN工艺，功率密度和效率极大提高，还用了第四代数字接收和发射技术。这些图文资料一切都明示了，SPY6是新一代的AESA，也即数字阵，性能进步非常明显。 

其具备非常强悍的作战能力，示意图： 

后面PPT中还介绍了其基本设计架构、组成、换装需要如何改动、成本如何控制更低，总之就是新一代的SPY-6比SPY-1更好更强更容易维护，而且成本并不那么高（233333），这里不是重点，就不放出来了。最关键的性能估算在下面： 

这张图很清晰地展示了SPY-6的可重构阵列规模的模块化特性，是未来的发展趋势。根据PPT里给出的尺寸参数和大兵身高作为参照（我们假设图中的大兵身高1.8m），那么可以很容易推算出RMA单个边长为0.6m，图示三个阵列的直径规模，分别是1.8m，4.2m，5.4m。其中图二即给伯克flight3换装的尺寸，和一些资料中给出的14英尺（约4.27m）还是很吻合的。 

然后让我们来看看官方提供的灵敏度数据，这个灵敏度，应该是这样理解。根据雷达方程： 

上文提到的灵敏度，并非常见的说接收机灵敏度-xxx dBm那个，而是指雷达作用距离方程分子上P功率、增益G、天线孔径A的乘积除以分母上的系统损耗L和最低信噪比（S/N）。公式看起来很枯燥，但如果我们把它代到官方所谓的SPY1+XXdB的说法里来，翻一下，就是说，新的SPY6雷达，在功率孔径增益积上提高了很多倍，而系统损耗和信号处理灵敏度也进步了很多倍。两者作用在一起，进步了XX分贝。 

这里我们拿37RMA的SPY6来和SPY1D做个比较，官方说法是此时它等效为SPY1+15dB（实测为+17dB）的灵敏度。那么它的这个+17dB是怎么计算出来的呢，我们不妨做个推测。通频段类似系统的灵敏度比较，不外乎就是计算其天线增益、发射平均功率以及损耗和最低信噪比。考虑到SPY1在90年代进行的LNA升级，其系统器件损耗和最小可检测信噪比已经被降低到相当的程度了，这里我们假设SPY6又压榨除了5dB的进步空间。天线孔径和单元数目有关，天线增益又和单元数目以及孔径大小有关，发射功率和TR组件数目有关（TR组件数目和天线单元数目直接挂钩）。所以问题被简化为了推算SPY6孔径大小、单元数目以及TR组件的性能。 

AESA天线单元间距一般是按工作频率对应的半波长左右来设置，以此来避免扫描过程中出现栅瓣并降低成本。单元与单元间较为常见的是按照三角栅格的形式错开组阵（可以降低单元数目降低成本），也有按照矩形栅格的形式整齐布阵的（功率稍大但是贵）。SPY1的天线就属于前者。 

而在典型的AESA系统中，一个天线单元对接一个TR组件，SPY6种也是这样。按照SPY6工作频率为3GHz进行估算，一个RMA包含144天线单元，正好对应官方PPT里一个RMA有144个TR组件的说法。37个RMA就有5328个天线单元。已知SPY1D有4350个天线单元，在相同工作频率下（即相同单元间距时）天线的增益又可以简单估算为和单元数目成正比。那么显而易见，SPY6的单元数目是SPY1D的1.225倍。阵列天线的增益又和孔径面积成正比，因此SPY6的增益也是SPY1D的1.225倍，两者相乘后，换算成分贝，就是1.76dB的优势。剩下（17-5-1.76=10.24dB）的优势即来自于发射平均功率的进步。这表明SPY6相对于SPY1而言在发射平均功率上有10.24个分贝的进步，对应即10.6倍的变化。SPY1D发射平均功率为77-111kw，对应到SPY6上就有0.81-1.2MW的发射平均功率！对于舰载多功能相控阵雷达而言，这是前所未有的数字！这个发射平均功率堪比陆基洲际导弹远程预警雷达！ 

如此高的发射功率，我们回推到单个TR组件，每个TR输出的平均功率将高达152W-225W！根据现有的资料，目前S波段的TR组件，使用GAN技术后，平均功率功率可以达到100W甚至更高的水平，再考虑美帝使用火星技术加成，单个S波段TR输出功率可以再增加一些，这样就和我们的估算基本一致。当然，如此之高的功率，也让伯克Flight3更换了发电机组，发电功率得到了相当程度的提升。 

由此可见，使用了最新GAN工艺的TR组件，能在孔径尺寸变化不大的情况下，极大增加单面天线阵的功率输出，单面就有兆瓦级的平均功率，获得更惊人的功率孔径积。加上最先进的数字阵核心设计理念，宙斯盾的新眼将拥有更强大的抗干扰性能、自由度、灵活的波束控制与波束赋形能力，在面临隐身飞机、隐身巡航导弹等低RCS目标时将更有底气，将宙斯盾系统的性能推到新高度。目前SPY6的进度非常顺利，就等平台了，等到2020年SPY-6正式服役，届时其将毫无疑问的成为世界最强舰载多功能相控阵雷达，综合性能毋庸置疑秒杀现在的SPY-1系列、346系列和某些弟弟相控阵。