最终研制成功的F-2采用了单发、单垂尾、大边条、翼身融合和腹部进气道的总体布局，从外形上看几乎与F-16没有什么区别，两者的尺寸也差别不大，只是F-2的翼展和机长稍大、机高稍小。F-2战斗机以第40/42批生产的F-16C为基础，其中新研制的部分约占50%。按照日本军方的要求，F-2在设计上主要作了如下改动：
机身加长40厘米，以增加机载燃油量；
改变机头形状，以安装新型雷达设备；
加大机翼和尾翼面积，以增大有效载荷和航程，减小翼面载荷；
机翼采用先进的一体成形复合材料技术，也就是说机翼是一整块复合材料构成的，而不是象传统的设计那样由各种骨架和蒙皮构成；机身和机尾也采用了复合材料及较轻的结构设计；
采用更多的随控布局技术，具有更好的稳定性、操纵性和机动性；
换装推力更大的Fl10-GE-129发动机；
换装日本自行研制的先进火控雷达和电子战系统，性能优于美国产品；
采用新的座舱设备和两片式的加固风挡；
能够携带日本生产的AAM-3、AAM-4空空导弹和ASM-1、ASM-2反舰导弹；
在主翼前缘和其它部位使用了吸波材料，提高了隐身能力；
增设减速伞，以减小飞机的着陆距离。
总的来说，在气动外形方面F-2相对F-16改动不大。为了得到更好的机动性，原本在机头两侧会加装一对鸭式前翼，以获得直接升力、直接转向、直接偏移等主动控制能力，这将会是第一种使用主动控制技术的战斗机。但后来由于技术经费原因，这个设计被放弃了。
机翼
在制造F-2飞机的机翼时，应用了“共同固化”的先进技术，即在自动调温炉内将复合材料的成型和加工会在一起，一体完成复合材料机翼的制造。采用这一新工艺加工的机翼部件光滑无缝，有利于减小气流干扰和阻力，改善飞机的气动性能。这一技术进步有点象坦克装甲由铆接发展到焊接，再发展到铸造的过程。
该机翼展增加不多，但翼面积增加了25%，看来翼根弦长也有所加大，其前缘后掠角和根稍比随之改变。F-2还采用了控制增稳、放宽静稳定度、机动载荷控制、非藕合偏航、直接侧力控制、机动增强和直接升力控制等七种方式的随控布局技术，加上日本自行开发的四余度数字式电传操纵系统，从而为提高飞机的操稳性能提供了技术保证。
动力
对于F-2的动力装置，防卫厅先选择了两家美国公司的产品，分别为通用电气公司的F110-GB-129和普惠公司的F100-PW-229发动机，经过对比最后选中了前者，同时1990年13月第50批生产的F-16C飞机也使用了这种发动机。该发动机的全加力推力为13400公斤力，推重比大于8。若按采购130架飞机计算，加上备用，共约需要200台发动机。一开始美国通用电气公司提供了8台F110-GE-129型发动机供原型机研制使用，以后将转让技术在日本石川岛播磨公司仿制生产。
航电
与F-16相比，F-2的最大变化是在航空电子系统方面。该机采用的很多电子设备都是新研制的，其性能有不少优于F-16飞机上的设备，其中最引人注目的火控雷达。它采用了当今世界上最先进的有源相控阵技术，大约由800个3瓦砷化镑发射接收模块组成。这种雷达的特点是每个天线都可单独发射电磁波进行电子扫描，不需要机械转动天线，搜索范围大，处理速度快，可靠高。美国的F-22战斗机装的就是这种雷达。F-2的雷达由三菱电气公司研制，1991年初已将4部样机交付日本防卫厅技术研究部，以用于地面试验，适应性检查，以及可靠性和电子干扰试验。该雷达对于驱逐舰大小的目标，其作用距离为148至185千米。据介绍，日本生产的F-15J很可能将换装这种雷达。
但据日本传媒披露，F-2的有源相控阵雷达出现了一些问题。首先是某些时候探测距离极端缩短，据传目标机已进入视距在雷达上仍无显示；目标突然在屏幕上消失；准备发射导弹时，在跟踪模式下丢失目标。主要原因可能是机头的空速管干扰雷达。
F-2的综合电子战系统也由三菱电气公司研制，它包括雷达告警接收机、电子干扰机、箔条曳光弹投放器等，由专用的计算机控制器综合管理。F-2的激光惯性导航系统由日本航空电子公司研制，这种惯导系统有四个传统的两自由度陀螺仪作备份。
座舱
在座舱设计中，F-2充分利用了现代技术设计的座舱在某些方面具有相当先进的水平。象美国的F/A-18、中国台湾的IDF战斗机以及其它许多改进型的战斗机，尽管它们的座舱内都采用了两三个阴极射线管多功能显示器，但其主仪表扳上还要保传统的模拟式仪表作备份，这主要是人们对CRT显示器的可靠性还有疑虑。
而F-2飞机采用的是日本岛津公司和横河公司研制的平显仪和大型液晶显示多功能显示器，两者都安装在正中间，平显仪在上，显示器在下。平显仪的支座正好起到了遮光罩的作用，即使是在较强的光线条件下，飞行员也能看清ICD显示器上的显示。在平显仪支座下还有两个传统式的多功能显示器。除这些之外再没有什么，可以说几乎去掉了主仪表板上所有的仪表。他们之所以能这样做，主要因为CRT和LCD显示技术的可靠性大为提高，它比传统的模拟式仪表已经超出了好几个数量级，也就是说没有必要拿低可靠性的仪表来为高可靠性的显示器作备份。
而LCD又比CRT先进得多。这就是F-2飞机座舱设计的先进之处。但是，在现代的许多飞机上，这种用仪表为显示设备作备份的情况依然存在。由于传统习惯的影响，要想使人们完全改变这一不合理做法，恐怕还需要一段时间。另外，F-2的座舱采用了两片式强型风挡玻璃，其抗鸟撞性能要比F-16采用的单片式风挡好得多，这大概是考虑到日本岛国的特殊环境。
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