采用氮化镓技术的美国最新导弹防御雷达一览

远程鉴别雷达LRDR作战场景示意图

     

     

美国正在建造（或向盟国出售）许多最新型号的的导弹防御雷达，重点是实现对东亚和太平洋方向的覆盖。这些最新的雷达都将在2到4 GHz的S波段工作，包括计划在Clear空军基地部署的远程鉴别雷达（Long Range Discrimination Radar，LRDR）、在夏威夷部署的国土防御雷达（Homeland Defense Radar – Hawaii ，HDR-H）、在太平洋部署的国土防御雷达（Homeland Defense Radar –Pacific，HDR-P）和在日本部署的洛克希德·马丁固态雷达（Solid State Radar，SSR），除此之外还有计划部署的两个陆上宙斯盾雷达以及拦截弹。这些最新的导弹预警雷达大多数采用相控阵体制，由洛克希德·马丁公司使用最新的氮化镓（GaN）技术制造。  

     

     

• 远程鉴别雷达（LRDR）

2015年10月，导弹防御局（MDA）授予洛克希德·马丁公司7.84亿美元的合同，用于开发、测试和建造LRDR，目标是到2020年使LRDR在阿拉斯加中部的Clear空军基地投入使用。建设成本预计将再增加3.29亿美元，使LRDR的总建设成本超过11亿美元。2017年9月，阿拉斯加LRDR的建设开始。截至2018年3月，LRDR预计将在2020年“首次投入使用”，并“在2022年时获得作战人员的作战准备就绪”。

远程鉴别雷达LRDR示意图

Clear空军基地的远程鉴别雷达建设现场

根据美国政府问责办公室的最新报告，目前正在阿拉斯加的Clear空军基地安装的美国空军LRDR雷达的部署推迟了大约一年。导弹防御局在今年6月份向GAO提供的信息表明，由于冠状病毒大流行，远程鉴别雷达的所有建设和整合活动已于3月停止。虽然计划于2021财年进行初始部署，并计划于2022财年移交给空军，但现在预计该部门将在2023财年末拥有作战雷达的所有权。由于COVID-19大流行，MDA停止了雷达安装工作，进入了“看守状态”。   

MDA表示：“ LRDR是一种中段弹道导弹传感器，将提高弹道导弹防御系统对目标识别能力，同时支持更有效地使用地基中段导弹防御***。”除此之外，LRDR还可以用于空间目标监视。  

LRDR将是运行在S波段（2-4 GHz）的超大型相控阵雷达，但是该雷达真实的工作频率并未公布。从原理上看使用X频段（8-12 GHz）能够实现更高的分辨能力，而采用S频段更多的应该是成本上的考虑。目前该雷达的带宽和距离分辨率虽然没有公开，但是距离分辨率实现低于0.5米的性能应该没有什么问题。LRDR也应该具备对目标的二维成像能力（ISAR），这个功能与AN/TPY-2 X波段宙斯盾AN/SPY-1雷达所具有的能力一样。LRDR使用双极化方式，这有利于获得目标的形状方面的信息，有利于进行真假弹头识别。LRDR将也将具有两个天线阵面，每个阵面具备120度的方位覆盖性能，因此雷达可能会具有约240°的方位角视场,如下图所示：

LRDR雷达阵面示意图

2017年的一篇文章曾指出，LRDR将具有两个3,000平方英尺的天线阵列（3,000平方英尺= 279 平米 ）。据洛克希德公司LRDR计划经理Chandra Marshall称，LRDR将比SPY-1天线大25倍。假设此比较适用于雷达的每个面，由于SPY-1雷达天线的孔径约为12 m ，因此LRDR 的孔径约为300 m 。因此，似乎LRDR的每个天线面都比海基X波段雷达的天线面（249 m ）大，但比已经在美国GMD国家导弹防御系统中使用升级后的预警雷达（UEWR，384-515 m ）的天线面小，或者升级版Cobra Dane雷达（660 m ）要小。使用在TR组件中使用相对较新的氮化镓（GaN）技术与目前的TPY-2等基于砷化镓（GaAs）的模块相比，该技术以较低的成本提供了更高的功率和更高的效率。洛克希德·马丁公司负责海军雷达和未来系统的副总裁卡门·瓦伦蒂诺（Carmen Valentino）表示，LRDR能够探测到数千公里，比日本的两个美国TPY-2 X波段雷达“远好几倍”。洛克希德·马丁公司（Lockheed Martin）在新泽西州的固态雷达集成站点建造了LRDR的缩小版本，见下图。

用于测试的按比例缩小的LRDR（十分之一尺寸）  

根据马歇尔的说法，该测试设施代表一个雷达阵列面板，而实际的雷达将具有十个阵列面板，见下图。在2018年10月，测试设施成功跟踪了一个卫星目标。

LRDR天线由多个独立的发射和接收单元组成，这些单元按块分组在一起。尽管这些块的大小和数量尚未公开，但LRDR将使用数千个这样的块。这种方法允许在天线的其余部分继续工作的同时，通过拆卸和更换模块来维修雷达。这种方法不仅减少了雷达的潜在停机时间，而且有助于提高LRDR技术的可扩展性。

• 国土防御雷达-夏威夷（HDR-H）
  

美国军方始终认为，夏威夷受到GMD国家导弹防御系统现有的传感器和地面***（GBI）的保护。但是，从地理位置上看，从西太平洋方向飞往夏威夷的导弹的雷达覆盖范围都将存在明显差距，而阿拉斯加和加利福尼亚的GMD系统的GBI需要飞行较长的时间进行拦截。

通过在夏威夷部署THAAD终端或将现有的路基宙斯盾系统设施转换为配备SM-3 Block IIA***的操作系统，可以在不久的将来在夏威夷部署***。但是，路基宙斯盾的SPY-1雷达不足以支持IIA块***。MDA显然也不认为THAAD的TPY-2 X波段雷达足以防御夏威夷。到目前为止，尽管2019年《导弹防御评论》确实要求对启用``宙斯盾''岸上基地运营的可行性以及制定紧急情况启动计划进行研究，但尚未做出在夏威夷部署任何拦截机的决定（或至少已公开宣布）。这样做。为了评估其未来的传感器需求，MDA进行了替代方案的传感器分析。该分析的结果已于2016年10月提交给导弹防御执行委员会。MDA局长萨缪尔·A·格雷夫斯中将说：“新闻部进行了替代方案的传感器分析，以评估最具成本效益的方案，以增强传感器的能力，以增强地面拦截机的能力，以应对未来的复杂威胁，并强调了在太平洋地区安装更多鉴别雷达的运营价值。MDA在2017财年完成了针对夏威夷国土防御雷达（HDR-H）的现场调查 。

根据MDA运营总监Gary Pennet的说法，“ HDR-H可能不会达到LRDR的规模，但肯定比萨德的AN / TPY-2雷达要多。根据MDA描述：“ HDR-H雷达将提供持久的远距离采集和辨别能力，并通过其他传感器进行增强，以减轻不断变化的威胁对弹道导弹防御系统的影响。HDR-H优化了太平洋导弹防御架构中的目标识别能力，并增强了GBI增强夏威夷防御的能力。雷达还支持其他任务区域，包括太空态势感知。”尽管对HDR-H用途的描述仅指支持GBI，但它也能够支持部署在夏威夷的任何SM-3或THAAD***。HDR-H的总成本预计约为10亿美元，其中7.63亿美元用于设计和制造雷达，3.21亿美元用于设计和建造。HDR - H是多达三部国土防御雷达中的第一部，总耗资41亿美元。第二个雷达将是价值13亿美元的HDR-P，将在下一部分中进行讨论。2018年12月，MDA授予洛克希德·马丁公司5.85亿美元的合同，用于设计和制造HDR-H。HDR0-H将是LRDR的缩小版单面阵版本。参见下图。预计HDR-H将在2023财年完成“ 弹道导弹防御系统集成、测试和运行准备工作”的“初始部署”。   

HDR-H雷达渲染图

MDA将HDR-H的部署地点缩小到了瓦胡岛西北海岸的三个可能位置。参见下面的图。其中两个地点位于美国陆军的Kahuku训练区，第三个地点位于美国空 军位于Kuaokala Ridge的Kaena Point卫星跟踪站旁边。

HDR-H的可能部署站点

• 国土防御雷达-太平洋（HDR-P）
  

在2018年12月7日，MDA授予了3家公司（洛克希德·马丁、诺斯·鲁普·格鲁曼和雷神公司）25万美元的合同，以分析HDR-P的性能要求，合同于2019年4月到期。HDR-P的可能位置已经确定，MDA表示：“ HDR-P提供持续的中段识别能力、精确跟踪和命中评估，以支持国土防御远程导弹威胁。”与LRDR和HDR-H一样，它也可以用于太空目标监视。2018年12月，日本媒体报道说，美国正在考虑从2023年开始在日本部署HDR-P。2019年1月，日本报纸上的一篇文章指出，美国政府尚未要求日本批准部署日本的雷达，它还补充说，美国打算与日本军方共享雷达提供的信息。HDR-P的价格将比HDR-H的价格更高，超过13亿美元，其中雷达为10亿美元，军事建设成本为3.21亿美元。因此，它的成本与LRDR基本上相同。  

• 日本路基宙斯盾固态雷达-SSR
  

2017年6月，日本防卫省宣布计划在日本领土上部署两个``宙斯盾''弹道导弹防御设施。美国已经在罗马尼亚部署了一个路基宙斯盾设施，正在波兰建造另一个设施，并在夏威夷拥有一个路基宙斯盾测试设施。参见下面的图。

美国在罗马尼亚部署的路基宙斯盾设施    
 

日本防卫省表示，它主要根据成本选择了陆上“宙斯盾”，而不是潜在的候补终端高空地区防御（THAAD）系统。要使日本全境覆盖朝鲜的弹道导弹，将需要两个“宙斯盾”陆上设施，每个价值约7.2亿美元（不包括SM-3 Block IIA拦截导弹），而六个萨德作战单元，每个价格为900美元（此价格似乎包括拦截弹），以达到相同的覆盖率。参见下面的图。2017年12月，日本政府正式批准购买两套路基宙斯盾系统，当时，要求两个系统的计划将在2023年底之前部署。

日本路基宙斯盾站点规划位置和覆盖范围

日本防卫省考虑为其陆上“宙斯盾”系统使用两种不同的雷达选择。其中之一是SPY-6防空导弹防御雷达（AMDR），该雷达计划于2023年开始在美国海军“宙斯盾” III驱逐舰上部署。AMDR是雷神公司生产的四面固态S波段相控阵雷达。在当前的美国宙斯盾舰上，AMDR雷达比SPY-1雷达强大得多。考虑的另一种雷达是固态雷达（SSR），这是洛克希德·马丁公司的一种雷达，它使用与LRDR相同的S波段技术，但是SSR比LRDR小得多。

2018年1月，洛克希德·马丁公司宣布已成功展示了使用LRDR技术应用与路基宙斯盾系统的方法。在同一新闻稿中，它指出：“洛克希德·马丁公司的SSR，包括日本工业界的大力参与，是日本即将推出的“宙斯盾”陆上装置的配置选择之一。”日本于2018年7月宣布已选择SSR作为路基宙斯盾系统的雷达。据报道，雷达的探测范围是选择SSR的决定性因素，尽管生命周期成本也是一个因素。据说，SSR的探测距离远远超过了1000公里。SSR可能在AMDR出现之前就可以从美国出口，这已成为雷达选择的一个可能因素。到2018年年中，日本路基宙斯盾系统设施的成本已显着增加，这主要是由于SSR相对于AMDR的成本更高。现在预计每个地点的成本约为12亿美元，其中不包括SM-3 Block IIA***及其发射器。三十年的维护和运营将为每个站点增加9亿美元。此外，由于交付雷达所需的时间，第一个路基宙斯盾的初始运行现在似乎已推迟到2025年左右。2019年1月29日，美国务院正式批准向日本出售两个路基宙斯盾系统。

• 防空与导弹防御雷达-AMDR

AMDR是一种最新的雷达系统，将于2023年左右部署在美国海军新型的Flight III Aegis驱逐舰上。AMDR由雷神公司的S波段SPY-6（V）1雷达组成，用于防空和导弹防御用于地表和地平线搜索的X波段雷达和通用控制系统。

在太平洋地区，美国“宙斯盾”驱逐舰的基地有四个：珍珠港（夏威夷），横须贺（日本），圣地亚哥（加利福尼亚）和埃弗里特（华盛顿）。像它将取代的SPY-1雷达一样，AMDR将在S波段工作（频率的精确范围尚未公开），并将具有四个天线面以提供360°覆盖范围。与SPY-1不同，SPY-1使用基于中央真空管的发射器来驱动一个或多个整个天线面，而AMDR（如LRDR和上面讨论的其他雷达）将是固态有源阵列雷达，每个天线面装有大量的发射/接收（T / R）模块。就像上面讨论的其他雷达一样，AMDR的T / R模块使用了相对较新的GaN技术。AMDR的每个天线面的直径约为14英尺（4.3 m），略大于SPY-1天线的直径（尺寸约为3.8 mx 3.7m）。尽管许多海军研究表明需要更大，更强大的雷达才能满足未来的需求，但海军得出结论，直径为14英尺的雷达是可安装在“宙斯盾”驱逐舰船体上的最大雷达。

AMDR天线是通过组合许多雷达模块组件（RMA）来构建的，雷神公司将其描述为：“每个RMA都是2'x2'x2'盒子中的独立雷达。RMA可以堆叠在一起以形成任何尺寸的阵列，以适应任何船舶的任务要求。” 如下面的图所示，AMDR使用了37个RMA。因此，单个AMDR天线的天线面积约为37 x2'x2'= 148平方英尺= 13.8 m 。（为了比较，对于在SPY-1的面天线面积为约12m ）

全尺寸AMDR雷达阵面    
 

海军将AMDR的灵敏度描述为“ SPY + 15”，这意味着AMDR的灵敏度比当前SPY-1版本（SPY-1D（V））高15分贝（dB）。由于15 dB = 32，因此AMDR通常被描述为比当前的宙斯盾SPY-1灵敏约30倍。AMDR被描述为能够以相对于当前SPY-1雷达两倍的距离探测到一半雷达横截面的目标。

最近，有迹象表明AMDR可能会稍微超过此性能水平。2019年1月的海军情况说明书说，SPY-6（V）1的灵敏度将比当前SPY-1的灵敏度高16dB（16 dB = 40）。同月，雷神公司海军雷达系统高级总监斯科特·斯彭斯（Scott Spence）表示：“它的灵敏度是当前雷达的70倍。” 2016年6月，向太平洋导弹靶场设施交付了具有生产代表性的全尺寸AMDR雷达（单面），以针对各种目标进行陆基测试。该雷达于2017年3月首次成功对弹道导弹目标进行了测试。在2019年1月31日，它完成了对弹道导弹的 15 成功测试的发展试验计划。首艘IIIFilght宙斯盾驱逐舰（DDG 125，杰克·H·路易斯号****）正在建造中，计划于2023年具备初始作战能力。此外，海军目前计划用IIA驱逐舰替换SPY-1雷达，较小版本的AMDR SPY-6（V）1。该版本命名为SPY-6（V），每12英尺雷达面将具有24 RMA，并且SPY +11的灵敏度约为当前SPY-1的13倍。目前，美国海军66艘“宙斯盾”驱逐舰中有38艘是IIAFlight，还有9艘正在建造中。

从右到左：（1）一个RMA，（2）一个九个RMA EASR天线（SPY +0），（3）一个37 RMAAMDR天线（SPY + 15），以及（4）一个69 RMA天线（SPY + 25）
企业空中监视雷达（EASR）也将使用AMDR技术，即使它可能没有任何导弹防御作用。EASR将使用9个RMA，其灵敏度大约等于当前的SPY-1雷达。EASR将有两种变体，从LHA-8（布干维尔号****）开始，将在未来的两栖攻击舰上部署名为SPY-6（V）2的单面旋转版本。从CVN-79（约翰·肯尼迪号****）开始，将在未来的****上部署一个带有三个固定面的版本，命名为SPY-6（V）3。EASR计划于2019财年第三季度开始开发测试。