原標題 :E-2D 雷達的發展——從雷達監控技術實驗雷達 RSTER 到 E-2C RMP 計劃
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E-2D 的 APY-9 雷達據報導探測性能相比舊的 APS-145 雷達是 " 兩個世代（two generation）" 的進步。在官方網站上，廠商解釋雷達探距性能的進步主要來自兩點：第一是使用 SiC 高功率固體發射機技術，功率比起 APS-145 雷達系統有瞭大幅提升；第二是采用更為靈敏的數字接收機，同樣對於雷達探距有幫助。根據相關文件，E-2D 雷達的相關技術早在 2000 年前就被大量驗證和發展，除瞭上述提的兩點和廣為人知的 STAP 技術，E-2D 雷達也具有由林肯實驗室協力發展的數字波束成型（digital beam forming）能力【1】。
E-2D 與 E-2C 的雷達覆蓋范圍對比
早在 1977 年，意識到巡航導彈帶來的威脅，美國國防高等研究計劃署（DARPA）開始與林肯實驗室團隊合作發展對抗這類目標的防空系統。一開始計劃重點是瞭解和評估美國本身不同種類的巡航導彈面對蘇聯防空系統的生存和穿透能力，1982 年空軍自 DARPA 轉接走計劃主導權後，1983 年計劃名稱定為 " 空中載具生存能力評估計劃（Air Vehicle Survivability Evaluation program，AVSE）"。經由早期研究和後來的 AVSE 計劃（1977 年 ~1984 年），大量的模擬和實際地面的實驗資料，林肯實驗室團隊瞭解到不隻是巡航導彈本身的雷達低可觀測性對於防空雷達系統是挑戰，由於巡航導彈普遍飛行在低高度，嚴重的環境雜波會更進一步使雷達偵測不到目標。在瞭解和認清這類目標為防空系統帶來的挑戰後，計劃目的之一也加入瞭設計和發展雷達或紅外系統去防禦這類威脅。
APY-9 雷達具備機械掃描和電子式掃描方式
1983 年海軍也加入瞭 AVSE 計劃，海軍加入計劃的理由與空軍不同，希望利用 AVSE 計劃累積起來的數據，協助海軍發展艦載雷達防空系統去對抗蘇聯的巡航導彈威脅。基於此目的，海軍與林肯實驗室團隊在 1984 年正式開啟瞭 " 雷達監控技術計劃（Radar Surveillance Technology program，RST program）"，一個名為 " 雷達監控技術實驗雷達（Radar Surveillance Technology Experimental Radar，RSTER）" 的電子掃描陣列（electronically scanned array）雷達因此完成。RSTER 雷達工作頻段在 UHF 波段，AVSE 計劃相關研究指出大部分巡航導彈的低可觀測雷達技術（包含外型設計和吸波塗料）在高頻的 X 波段附近較有效，在波長較長的頻段效果則不明顯，因此 UHF 波段是對抗這類目標的合適選擇之一。最初的 RSTER 天線由西屋公司（Westinghouse）發展，陣面 5 米高、10 米寬，擁有 14 排通道（每通道上擁有 24 個輻射陣子）【2】，具有極低的旁瓣特性。天線水平方向是機械轉動，利用低旁瓣來對抗雜訊幹擾；垂直方向則是電掃，采用數字自適應凋零技術（digital adaptive nulling）排除幹擾源。同時雷達功率發射機也是由西屋公司提供，是 Si 功率模塊全固態發射機，發射機由 14 個功率模塊組成，每個模塊尖峰功率 10kw，脈沖重復頻率為 300Hz（通常狀態，最高到 1200Hz），整個發射機尖峰功率為 140kw 而平均功率為 8.4kw，占空比為 6%（Pulse width 200ms 搭配 PRF 300Hz）。1991 年 RSTER 雷達原型在 Katahdin Hill 由林肯實驗室團隊組裝完成，測試表明雷達在抑制環境或人為幹擾表現上還超乎瞭當初的開發要求。1992 年 RSTER 雷達在海軍在維吉尼亞州的測試場地 Wallops Island 進型更多項目測試，包含探測、追蹤巡航導彈和試驗抗幹擾能力。RST 相關技術最終被用於提升海軍的艦載雷達性能。
還在 Katahdin Hill 時的 RSTER 雷達
雖然在 Wallops Island 時 RSTER 雷達已經多次成功展示在有人為幹擾情況下探測和追蹤具有低雷達可觀測性的巡航導彈，但這些目標和探測場景都是在中高空，位於低空飛行的巡航導彈則由於地面雷達的視界問題，探測距離無法突破地平線。因此海軍和高等研究計劃署開始研究把 RSTER 雷達相關的技術用在預警機雷達上，如此可以大幅延升對低空飛行巡航導彈的預警距離。1993 年後 RSTER 雷達開始參與瞭高等研究計劃署（APAR）的 " 山頂計劃（Mountaintop program）"，計劃許多的成果實際運用到瞭後來 E-2C 雷達的換代計劃。
RSTER 雷達在山頂計劃中一個重要貢獻是為後來耳熟能詳的 " 空 - 時自適應處理（space-time adaptive processing，STAP）" 技術蒐集瞭大量資料打下發展基礎。前面提過海軍想把 RSTER 雷達技術用在空中預警機雷達上，但是將雷達搬上空中的挑戰是十分巨大的：首先，空中雷達下視時所遇到的環境雜波反射問題將更為嚴重；在者由於機體高速移動，致使雜波譜大大擴展，導致目標更容易淹沒在雜波中；最後，在旁瓣區的幹擾源也可分析利用地型的反射或散射使幹擾能量也得以進入雷達主瓣造成幹擾。上述這些問題促使 ARPA 開始在山頂計劃裡進行大量支持 STAP 技術的實驗數據蒐集和發展。在 1993 年，RSTER 雷達從 Wallops Island 被移去瞭白沙導彈試驗場（WSMR）的 North Oscura Peak（NOR），一個海拔約 2400 米高、距離底層沙漠 1200 米的懸崖邊去模擬空中的預警機雷達。根據林肯實驗室團隊說法，此處雷達往下看時，反射回的環境雜訊非常嚴重，因此是個理想的測試地點。這時的 RSTER 天線轉瞭 90 度（變為 10 米高、5 米寬），稱為 RSTER-90，同時因為 RSTER-90 是架在地面不會移動，實驗中還會部屬一個 " 逆相位中心偏置陣列（inverse displaced-phase-center array）"，依次從其線型陣面上的輻射單源發射訊號，其制造的模擬反射雜波與移動的的機載雷達所接收的反射雜波具有相同的時、域特性，因而得以讓在地面不移動的 RSTER-90 雷達能去模擬高速移動的機載雷達遇到的情況。在一次實驗場景中，一架目標（F-5 戰機）在 RSTER-90 雷達 154 公裡遠處，由 IDPCA 陣列照射的反射雜波從同樣距 RSTER-90 雷達 154 公裡遠的 Diamond Peak 返回並被接收，結果表明如果不使用 STAP 相關技術處理，目標訊號直接被雜波訊號淹沒而無法提取檢測。【3】
左為部署在 NOR 斷崖邊的 RSTER-90。右為 IDPCA 陣面，共有 72 個單元
1993 年在 NOR 的一些實驗設備。Jammers 被用於上文中沒提到的另一次實驗
搭配 IDPCA 陣列實驗。采用瞭 STAP 相關技術後，目標訊號可以不被雜波訊號淹沒
上文中未提的一次試驗，未加入 IDPCA 陣列但有高功率幹擾機幹擾（JNR=60db）場景
整個 1993 年，RSTER 雷達在 NOR 做瞭形形色色的實驗，為發展 STAP 技術累積不少寶貴數據。1994 年後 RSTER 雷達也在夏威夷考艾島的 Makaha Ridge 和 Kokee Park 進行部署，同樣選在地勢高處來模擬空中雷達系統。與底下是沙漠的 NOR 相比，RSTER 雷達在 Makaha Ridge 和 Kokee Park 的位置底下是太平洋和海軍太平洋導彈靶場設施（Pacific Missile Range Facility，PMRF），整體環境更接近海軍預想的場景，得到的實驗數據更接近真實。在 Kokee Park 處的 RSTER 雷達於 1996 年 1 月參與瞭海軍 " 海軍巡航導彈防禦先進概念技術展示（Navy Cruise Missile Defense Advanced Concept Technology Demonstration，Navy Cruise Missile Defense ACTD）" 計劃下的一個實彈攔截試驗。在這個試驗中，RSTER 雷達部屬在一個 1160 米高的山頂上充當空中預警雷達，同時旁邊還部署瞭一個 MK-74 火控雷達系統。RSTER 雷達和 MK-74 雷達系統都借由 " 連合接戰能力（Cooperative Engagement Capability，CEC）" 系統與宙斯盾巡洋艦上的戰鬥系統相連和分享雷達數據，四架 BQM-74E 靶機分別從 PMRF 發射以不同交戰腳本進行試驗。一架以 4570 米高度飛行，其餘三架則以接近一馬赫速度在低空 15 米高度上飛行來模擬敵方襲來的巡航導彈。【4】低空飛行的靶機由於雷達視界問題沒被艦上雷達系統發現，而是由山頂上的 RSTER 雷達首先發現並引導 MK-74 雷達一起進行追蹤。其中一個交戰場景，低空飛行的 BQM-74E 飛向 RSTER 雷達所在的 Kokee site，最後由 CG-70（USS Lake Erie）宙斯盾艦上發射的修改版 SM-2 Block IIIA 擊落（下圖的 Scenario 2），整個過程 USS Lake Erie 號上的雷達系統未提供任何目標雷達資訊，所有雷達資訊包含前段的探測、追蹤和最後山頂上 MK-74 進行終端照射都經由 CEC 系統饋給 USS Lake Erie 號（但是 SM-2 的中途上鏈更新依然由 USS Lake Erie 號完成）。上述的四個實彈攔截試驗就是後來大名鼎鼎的山頂（Mountain Top）試驗，CEC 連合接戰能力系統也從此聲名大噪。
艦載雷達系同由於雷達視界問題，無法探測到還位處於遠方地平線下模擬敵方低空飛行巡航導彈的靶機。所有目標資訊由山頂上的 RSTER 雷達和 MK-74 火控雷達系統經由 CEC 連合接戰系統提供給宙斯盾巡洋艦
四個交戰的腳本場景簡圖
Scenario 2 接戰圖，目標前期由 RSTER 雷達探測跟蹤，並引導（cue）MK-74 雷達系統。【5】
在 Kokee 處進行一連串 ACTD 計劃演示，位於考艾島 Makaha Ridge 的 RSTER 雷達則同時繼續進行由林肯實驗室團隊和海軍合作的多個研究（例如繼續發展完善 STAP 技術），而其中一個值得一提的是把 RSTER 雷達與為 E-2C 雷達現代化計劃（Radar Modernization Program，RMP）發展的 ADS-18S 天線做整合測試。前面提過，APAR 的 Mountaintop program 許多成果和特征都用到瞭 E-2C 雷達的換代計劃，ADS-18S 是由諾斯諾普•格魯曼公司發展的 18 個通道（每通道所含陣子單元數未知）、能使用 STAP 技術、工作於 UHF 波段的線型電子掃描陣列天線。與 RSTER 雷達早期天線相同，水平方向 ADS-18S 是采用機械轉動，垂直方向則是電子掃描。在真正為 RMP 計劃發展的硬體設備完成前（SiC 功率模塊發射機、全數字接收機【附錄】等），ADS-18S 天線取代瞭 RSTER 雷達原本在 1997 年 ~1998 年使用的平面天線並成功完成與 RSTER 雷達的整合。天線成功測試後，RSTER 隨即被格魯曼公司完成的早期 RMP 硬體設備原型取代，最後整個完整的雷達系統由一架 C-130 進行飛行搭載測試。
E-2C RMP 計劃發展的 ADS-18S 18 通道天線，也是現在 E-2D 的雷達天線
除瞭 18 通道的 ADS-18S 天線項目，一個由海軍研究辦公室（Office of Naval Research，ONR）贊助的 54 通道環形天線—— "UHF 頻段電子掃描天線先進技術演示（UHF electronically scanned antenna Advanced Technology Demonstration，UESA ATD）" 計劃也被提出。UESA 天線項目做為一種比 ADS-18S 天線更先進的替代方案，由於是 360 ° 環形天線，相比 ADS-18S 天線，UESA 天線本身是不進行機械轉動的。
UESA 環形天線縮比模型，具有 54 通道
但是根據相關文獻，UESA 雖然天線涵蓋 360 度范圍，但實際運作時卻仍無法達到實時 360 度空域掃描。在 "Multi-Channel Electronic Scanning Module for an Ultrahigh Frequency（UHF）Circular Array" 文件中提到，UESA 在運作時是從一個由 50 到 60 個 SiC 功率模塊（單個功率模塊尖峰功率為 10kw）組成的固體發射機將射頻功率饋給由數個相鄰天線通道組成的天線子陣進行輻射和掃描（文件指出天線子陣所含的通道數量是天線總通道數量一半—— 27 個天線通道），經由數次重組天線子陣、環繞天線一圈以 6 又 2/3 度區間間隔依序分區完成 360 ° 掃描（詳細示意圖如下）。雖然曾有期刊研究文獻指出 UESA 的天線子陣應該是由 20 個天線通道組成【6】，但從一份描述 CEC 天線體積縮減和 UESA 發射機 / 接收機轉換模組設計發展（Project Title：CEC Antenna Miniaturization/UESA Switch Module Development【7】）的檔案得知，UESA 的天線子陣應該是包含瞭 27 個天線通道，並且雷達發射機的功率模塊數量是 54 個，運作時由總共 54 個 SiC 功率模塊組成的發射機（總峰值功率 540kw）輸給 27 個天線通道：
" ……為瞭使 UESA 天線擁有最好天線增益表現，天線子陣是由 27 個相鄰的天線通道組成，並會重組 54 次來達成空域 360 度掃描……借由為 UESA 計劃發展的特殊 " 發射機 / 接收機轉換模組（T/R Switch Module）" 和集合瞭 27 個轉換模組的 " 發射機 / 接收機轉換模組次系統（T/R Switch Module subsystem）"，達成瞭讓 54 個、每個尖峰功率 10kw 的發射機功率模塊將射頻能量饋向由相鄰的 27 個天線通道組成的天線子陣。……一開始，曾有個轉換架構設計使單個發射機模塊對應單個天線通道，此設計方案優點是簡單，缺點是雷達工作時，發射機的 54 個功率模塊中隨時隻有 27 個在運作，另外不運作的 27 個功率模塊相當於呆重。這對於設備重量分毫必較、搭載能力有限的預警機（E-2C）來說，此種方案的優點無法蓋過造成的缺點，沒有被接納。另一種方案是采用瞭別種轉換模組技術架構，同時發射機功率模塊數量減為 27 個（發射機總鋒值功率 270kw），借由 27 個轉換模塊將發射機射頻能量饋給任意的相鄰 27 通道天線子陣。雖然這方案將發射機能量百分之百使用，但有效輻射功率隻有原先理想將擁有 54 個功率模塊發射機能量百分之百使用的方案的一半，所以沒有成為最終 UESA 計劃的設計。…… "
除瞭上述的兩個文件，另一份 2001 年射頻功率元件技術領域相關的回憶錄裡（"SPECIAL TECHNOLOGY AREA REVIEW ON RF APPLICATIONS FOR WIDE BAND GAP TECHNOLOGY"）【8】也指出最終定型的 UESA 計劃要求搭配的發射機所含的功率模塊數量是 54 個（整個發射機是 540kw 尖峰功率），同時諾斯諾普•格魯曼公司也會為 ADS-18 項目發展一個更先進、更輕的 SiC 功率模塊，但發射機總尖峰功率一樣保持在 540kw（…… A more advanced, lightweight version will also develop 540KW for the ADS-18 program. This version will be based on 1350W transistors.）。雷達系統運作方式應為將所含功率模塊數量未知、總功率為 540kw 的發射機去輸給 18 個天線通道。【附錄】
UESA 天線局部圖（包含 15 天線通道）。假設天線子陣為 4 個相鄰天線通道所組成，天線子陣會依序由左往右重組（AAAA 變為 BBBB 再變為 CCCC 等），並且以每次間隔 6 又 2/3 度（360 度 /54）來完成 360 度空域掃描。而實際上最終定型的 UESA 是設計由 27 個天線通道來組成天線子陣
環形天線的 UESA 方案也成功發展瞭 STAP 技術，地面測試除瞭和 RSTER 雷達，UESA 還和一種縮寫名稱為 "MSSTIC"、隻部署在 Makaha Ridge 的雷達整合測試過。【9】MSSTIC 雷達是 RSTER 雷達的改進版，一樣是工作在 UHF 頻段，但固體發射機采用 SiC 功率模塊（RSTER 雷達則為 Si 功率模塊），同時還加裝瞭 RSTER 雷達所沒有的數字接收機。雖然單個功率模塊尖峰功率和占空比同為 10kw 和 6%，但 MSSTIC 雷達發射機所含的功率模塊數量為 27 個（RSTER 雷達則為 14 個）。UESA 天線在與 MSSTIC 雷達和 RSTER 雷達搭配時由於兩者發射機數目不同，因此天線子陣所含的天線通道數目也不同，在天線水平增益或波束寬度上也有不同表現。
整合瞭 UESA 天線的 MSSTIC 雷達和 RSTER 雷達性能列表。雖然同樣是 UESA 天線，但由於天線子陣所含的天線通道數量不同，兩系統的水平波束寬度有差異
雖然 UESA 完成瞭一系列地面雷達整合測試，並於 2006 年至 2007 年間集成瞭 108 個單元、工作在 L 頻段的敵我識別系統（IFF），但最後仍然被取消，E-2C RMP 選用的還是 ADS-18S 方案。
原本更強悍的 UESA 方案最終仍沒有被采用
最後，現在 E-2D 所使用的 APY-9 雷達就是源自於 E-2C RMP 計劃的結果。在雷達功率方面，UESA 發射機 / 接收機轉換模組設計發展檔案【7】裡提到過 UESA 的 540kw（峰值功率）SiC 功率模塊發射機占空比為 6%（脈沖寬度 200ms/ 脈沖重復頻率 300Hz），如果 ADS-18 計劃的指標在後來沒有發生改變，並且一直使用在 2000 年前後所發展、沒有使用後來更先進的技術，那麼相比舊有 APS-145 雷達的 4kw 平均功率，E-2D 雷達的平均功率應為 32.4kw，比起 APS-145 大幅提升。另外采用瞭更靈敏的數字接收機，更先進的後端處理器，使雷達探測性能更進一步得到提升，這也就是為何海軍總強調 E-2D 雷達相比 APS-145 是兩個世代差距。
引用文獻
【1】MIT Lincoln Laboratory - Technology in Support of National Security，page.243
【2】An Ultralow-Sidelobe Adaptive Array Antenna
【3】THE ARPA/NAVY MOUNTAINTOP PROGRAM： ADAPTIVE SIGNAL PROCESSING FOR AIRBORNE EARLY WARNING RADAR
【4】Radars for the Detection and Tracking of Cruise Missiles
【5】Mountain Top： Beyond-the-Horizon Cruise Missile Defense
【6】Circular Array STAP，Michael Zatman，Brian Freburger and Daniel Rabideau
【7】Project Title：CEC Antenna Miniaturization /UESA Switch Module Development，page. 2~14 A13、A14
【8】SPECIAL TECHNOLOGY AREA REVIEW ON RF APPLICATIONS FOR WIDE BAND GAP TECHNOLOGY，page.49
【9】Mountaintop Surveillance Sensor Test Integration Center Facility，Kauai，Hawaii
附錄
E-2C RMP 數字接收機
1990 年代中期由林肯實驗室團隊所完成瞭世界上首個 UHF 波段全數字接收機，一開始這套系統是用於取代舊有 E-2C 預警機雷達的接收機，借由使用數字接收機配合多通道天線（multichannel antennas），STAP 技術也能被用於 E-2C 雷達系統。新 UHF 波段數字接收機相比舊有使用的 UHF 波段接收機，靈敏度大幅提升，接收機動態范圍（dynamic range）提升瞭 25db 或相當於接收機能檢測到弱 25db 的訊號，增強瞭整體雷達性能。
【1】MIT Lincoln Laboratory - Technology in Support of National Security，page.475
【2】A New 3-GSPS 65-GOPS UHF Digital Radar Receiver and Its Performance Characteristics
ADS-18 計劃的 SiC 功率模塊
如同正文所述，在引用文獻【8】裡曾提到諾斯諾普•格魯曼公司為 ADS-18 計劃發展瞭功率與 UESA 計劃一樣同為 540kw 的發射機，但是用更為先進的 SiC 功率元件技術（800W transistors v.s. 1350W transistors）。ADS-18 計劃功率元件的發展需求，可能可以從描述 UESA 發射機 / 接收機轉換模組發展的引用文獻【7】裡得到解答。ADS-18 計劃由於天線需要轉動，雷達發射機 / 接收機和天線端是由 L3 科技公司發展、具有 18 個高功率 UHF 頻段傳輸通道的旋轉耦合器（18-channel rotary coupler）相連，機上 IFF 和 SATCOM 系統使用額外的 2 通道和 1 通道旋轉耦合器。至於 UESA 計劃，UESA 天線因為不進行機械轉動不使用旋轉耦合器設計，並且依據 UESA 收發模組發展文獻提及，正是沒采用旋轉耦合器設計，UESA 雷達發射機才得以實現 54 個 SiC 功率模塊組成。ADS-18 計劃由於采用重量較重的旋轉耦合器設計，能搭載的功率模塊數量可能無法達到 54 個，因此如果發射機一樣要擁有 540kw 的尖峰輸出功率，單個模塊功率須比 UESA 計劃使用的還高和整體系統重量更輕，得發展更先進的 SiC 元件技術。
圖中最右邊橫桿狀物體即為 E-2D 使用的多通道旋轉耦合器，由 L3 科技公司提供
