【武備巡禮】國機國造新能量─主動電子掃描陣列雷達

2017年初，中科院首度對媒體展示我國自行研發的「主動電子掃描陣列」（Active Electronically Scanned Array, AESA）雷達，藉以彰顯新一代戰機的先進雷達、短場起降及空中匿蹤等3項必要條件，目前已逐步累積到「國機國造」的科技能量。本文即針對主動電子掃描陣列雷達的研發生產背景、陸海空軍廣泛運用、未來發展趨勢等範疇，依序為讀者做深入的介紹。

研發生產背景

回顧第一次世界大戰，早已在空中發生相當激烈的戰鬥，但只能依賴前線監視的地面觀察，以及飛行員在空中的目視等原始方式，才能獲得接戰的相關情資。第二次世界大戰時，因德國對英國發動猛烈的空中轟炸，促成防空雷達的加速研發。第二次世界大戰後，更發展出各種先進的雷達技術，諸如：單脈衝角度追蹤系統、脈衝都卜勒訊號系統、敵我識別雷達迴波器、高解析度合成孔徑與脈衝壓縮系統、電腦自動火控系統、地形迴避與追蹤系統，以及本文所要介紹的電子掃描陣列雷達等系統。

檢視「雷達」這個專業名詞，來自Radio Detection and Ranging英文縮寫RADAR，以及縮寫字的音譯；其功能就是使用無線電磁波來偵測目標的類型、方位、高度、距離與速度等資訊，如此才能盡早準備攻擊與反制等諸般行動。至於雷達發射電磁波的頻率範圍稱為「雷達波段」（Radar Frequency Band），其度量單位是「赫茲」（Hz）。大多數雷達運用超短波與微波等波段，頻率範圍在3MHz-300GHz、相對波長為1mm-100m之間。

簡述雷達偵測目標的流程：先由雷達天線朝向偵測目標的位置，以發射機對著目標發射無線電磁波，再由接收機回收偵測目標的反射回波信號，最後在顯示器上展現目標的相關資料以供運用。因此，傳統雷達系統的主要架構為：旋轉式雷達天線、無線電磁波發射機、無線電磁波反射回波接收機，以及目標顯示器等裝備。

對照電子掃描陣列雷達，其架構會與傳統的雷達略有差異。主要的是其雷達天線可以不旋轉，經由改變雷達天線的掃描頻率或相位，進而變更其合成波束的發射方向，所以其傑出的特性是，加快雷達天線掃描與改變波束方向的速率；因此，提升了偵測目標的精確性與對多目標的接戰能力，可以同時運用對空與對地的搜索模式，以及鎖定部分目標並持續追蹤其他目標等功能。此外，電子掃描陣列雷達的天線仍可保持機械性的旋轉，如此更可擴大其偵測範圍，並排除了旋轉式雷達天線因機械故障而影響到偵測範圍。

其次是，電子掃描陣列雷達的天線具有2種掃描模式，第一種是改變掃描的頻率，進而改變其合成波束的發射方向；然而，軍用雷達很少使用這種掃描模式，只有在早期與第2種掃描模式合併使用，也就是改變掃描的相位，進而改變其合成波束的發射方向。

諸如像是美國企業號航空母艦與長灘號飛彈巡洋艦，其艦上雷達系統對目標的追蹤功能，在偵測目標的高度時，採用變更頻率的掃描模式，而在偵測目標的方位時，則採用改變相位的掃描模式；這2種雷達天線的掃描模式，同樣都可以改變其合成波束的發射方向。

有關改變掃描相位的陣列雷達亦有2種模式，第1種是「被動相位雷達」（Passive Phased Array Radar, PPAR），意指雷達天線的陣列單元只是改變電磁波的相位，並沒有發射電磁波的能力，係依靠雷達天線後方的信號產生器，把電磁波傳給信號放大器而發射出去；至於反射回波信號的接收方式，則如前述的流程反向行之。第2種是「主動相位雷達」（Active Phased Array Radar, APAR），意指雷達天線的陣列單元，全都具備電磁波的信號產生、發射，以及接收的功能；亦即把電磁波的信號產生器、放大器和接收機等功能，完全整合在每一個陣列單元中，雷達天線即可主動發射電磁波與接收反射回波信號。

比對主動與被動相位雷達的功能差異，主動相位雷達降低了電磁波在傳送過程中的能量損失，除了可以增加工作效率與偵測距離之外，更能把雷達天線分成幾個陣列區塊，採用多工模式以同時獨自發出合成波束，據以執行不同目標的鎖定與追蹤等多重任務。因此，主動相位雷達是當前開發電子掃描陣列雷達的主流趨勢。

各軍種廣泛運用

當電子掃描陣列雷達的功能日愈成熟，全世界大多數國家在各軍種的偵測系統上廣泛運用。以在陸上的運用而言，美軍率先把較大尺寸的該型雷達運用在長程預警雷達上；比如美國在1975年為因應前蘇聯的彈道飛彈增加射程，開始研發簡稱舖路爪雷達的「相位陣列預警系統」（Phased Array Warning System, PAWS）。

自1979年起，美軍陸續在麻州、加州、喬治亞州、阿拉斯加州及德州等地建造了5座舖路爪雷達站，以反制前蘇聯的彈道飛彈威脅。隨後在「後冷戰期」，先後拆除喬治亞州與德州的雷達站，目前只部署在加州的比爾（Beale）、麻州的科德角（Cape Cod）、阿拉斯加州的科利爾（Clear）等3處空軍基地，並且在英國、格陵蘭等地區部署。2013年美國在亞洲，完成舖路爪AN／FPS-115型長程預警雷達的部署，可以偵測2000公里以外的長程彈道飛彈、低空巡弋飛彈，以及空中戰轟機等威脅目標，並因部署在高山上，同時也能俯視偵測到水面上艦艇的活動情況。

再以美海軍的「神盾戰鬥系統」（Aegis combat system）來看海上的運用。該系統的核心是AN／SPY-1 3D型相位陣列雷達，此型雷達於1965年開始發展，1974年進行海上作戰測評，1983年加入提康德羅加級飛彈巡洋艦服役，1991年加入勃克級驅逐艦服役。獲得重用的原因是，此型相位陣列雷達能以多工模式，同時偵測海面與空中的目標，並掌控多目標之火力控制系統，是神盾戰鬥系統發揮強大戰力的基石。

未來發展趨勢

整體而言，目前通稱雷達的偵測技術已不再是單一採用無線電磁波來偵測目標，更發展至採用紅外線、紫外線、雷射，以及其他光學偵測等技術的整合運用。然而，最成熟的還是傳統無線電磁波的運用，所以美國目前還正在進行「可變敏捷波束雷達」（Scalable Agile Beam Radar, SABR）的研發與展示。

這種先進的全方位射控雷達，不但具備主動電子掃描陣列雷達的多功能優點，也因為相關科技的延續應用而大幅節省研發成本。有趣的是，它的設計原本是針對F-16戰機提升的龐大市場，成果卻也適用於其他先進戰機的作戰需求，值得我們觀察其未來的發展趨勢。