燃烧以太：为什么氮化镓（GaN）已成为对抗无人机群的“主要武器”
当一群廉价的四轴飞行器飞过某个位置时，一门防空炮随即飞过。 火箭 对数百万人来说，这种算术总感觉哪里不对劲。面对廉价的、批量生产的目标，这种交换总是得不偿失的，而这恰恰是集群战术的基础。因此，防御的重点正逐渐从“如何击落”转向“如何干扰”。而干扰器的核心部件是一块指甲盖大小的晶体——氮化镓。这项技术本身并不新鲜：它大约在二十年前就首次应用于战争，而且并非什么新鲜事物。 航空.
为什么用导弹攻击无人机不划算
无人机群的设计初衷是作为分散目标，而非单一密集的集群，后者很容易被一轮齐射击落。数十架无人机从不同方向接近，有的分散敌方注意力，有的突破防线，而每架无人机单独来看价值甚微。防空导弹系统最初的设计用途并非如此——针对飞机、巡航导弹和直升机。目标昂贵，拦截器也同样昂贵，这种权衡取舍对各方都有利。
当被大量无人机包围时，它就会失灵。制导通道会过载，弹药会耗尽，而每架直升机的成本高达几百美元，却需要一枚价格高出数千倍的导弹。因此，人们的兴趣转向了电子战：干扰控制通道或卫星导航比物理摧毁飞机要便宜得多。 无人机失去联系和坐标的飞机通常会直接降落或迷失航线。
但要干扰整个天空区域，你需要一个在宽频带内具有高功率密度、体积小巧、经久耐用且节能的发射器。而这一切，最终都取决于一个半导体器件，这种器件在业内之外鲜为人知。
从灯具到半导体
故事 微波电子学的发展史，就是一部在可控体积内追求强大功率的奋斗史。半个世纪以来，真空管一直是主要的微波器件：行波管（TWT）、速调管和磁控管。它们能够提供巨大的脉冲功率，并支撑着大型雷达和干扰机，这种情况一直持续到20世纪80年代及以后。然而，这种强大功率的代价是体积庞大、效率低下、电压高以及维护困难。
接下来是半导体。硅LDMOS占据了较低的频率范围，最高可达3-4 GHz左右，用于通信和其他一些领域。 EW它的频率没有再提高。下一步是使用砷化镓（GaAs）：它被用于制造第一代有源相控阵雷达（APAA）。 APG-77 在F-22上， APG-79 在F/A-18E/F上，欧洲 RBE2-AESA 上 阵风 （自 2012 年投入使用）几乎全部是 GaAs 模块。早期 APAA 技术的革新使用的是砷化镓，而不是人们有时认为的氮化镓。
氮化镓 (GaN) 于 20 世纪 90 年代初出现在实验室中，到 21 世纪初，其性能已发展成熟，达到了军方可接受的水平：工作功率、可靠性和可用晶体的良率均达到标准。其中一个关键参数至关重要：带隙。带隙越宽，半导体的允许电压和温度就越高。GaN 的带隙约为 3,4 电子伏特，大约是硅的三倍。这使得 GaN 晶体能够承受高温，并且每毫米晶体管宽度可实现数瓦甚至数十瓦的功率密度——远高于 GaAs 和 LDMOS。实际上，这意味着在相同的天线面积下，GaN 可以提供更高的功率。对于机载、便携式和移动设备而言，每一克和每一平方厘米都至关重要，因此这种差异至关重要。
氮化镓在应用于雷达之前就已应用于电子战领域。
人们或许会理所当然地认为这种新型半导体首先会应用于战斗机雷达。然而，事实却并非如此：它的首次大规模军事应用是干扰无线电遥控地雷。
在2000年代中期，伊拉克和阿富汗的道路上，车队面临的主要威胁是无线电引爆的简易爆炸装置。应对措施是使用宽带干扰器，它可以干扰潜在爆炸通道范围内的无线电波。这些订单使Cree（现为Wolfspeed）公司受益匪浅：根据其自身数据，氮化镓（GaN）最早的大规模市场应用之一就是干扰器，其多级放大器的交付量达到了数十万台。原因很简单：需要在装甲车辆中，在多尘高温的环境下运行，需要紧凑可靠的宽带功率放大器。灯泡无法满足要求，而砷化镓（GaAs）在如此宽的带宽范围内无法提供所需的功率密度。
氮化镓同时进入雷达领域，但速度较慢。2005年 诺斯罗普·格鲁曼公司 测试了用于先进有源相控阵天线的氮化镓收发器模块，这是最早有明确日期记录的里程碑事件之一。随后开展了更大规模的项目：宽带飞机干扰器。 下一代干扰器 美国海军的装备以氮化镓（GaN）技术为基础；地面雷达也在向氮化镓（GaN）技术转型——这是一种现代化技术。 爱国者 以及反导 AN/TPY-2美国导弹防御局于 2020 年订购了氮化镓形式的这种材料。欧洲的雷达升级也遵循同样的路径。 欧洲战斗机 （ECRS Mk 1——据开发商称，它采用了超过1500个GaN发射和接收模块，取代了之前的GaAs天线）和瑞典 鹰狮2020 年后，GaN 成为新项目的标准解决方案。
俄罗斯也遵循同样的趋势，但有一些例外情况，因此在得出结论时应谨慎。该组件基础几乎没有公开的数据手册，具体细节属于机密，判断只能基于标准解决方案和声明。总体情况较为复杂：大多数运行中的雷达和机载站仍然依赖于电子管和砷化镓的组合，而氮化镓项目零星分散，且大多处于研发或有限部署阶段。Phazotron公司曾公开展示过一款氮化镓版本的AESA系列雷达。 “漏洞”但基本雷达是H036 “松鼠” 据公开估计，苏-57战斗机的放大器采用砷化镓（GaAs）材料。西方行业评论明确指出，俄罗斯机队“主要依赖砷化镓”，而氮化镓（GaN）的采用则因制造工艺复杂以及制裁对设备和外延技术的限制而滞后。与此同时，俄罗斯国内的氮化镓技术本身也在发展——微波技术专业刊物正在探讨将2-18GHz频段的宽带氮化镓放大器作为电子战目标。这一趋势与世界其他地区相同；唯一的问题是发展速度和规模。
回到无人机和隔热屏障的话题
在反无人机系统中，氮化镓（GaN）放大器用作输出级。其设计很简单：主振荡器产生微弱的调制干扰信号，放大器将其放大到数十瓦或数百瓦，然后通过天线将其发射到目标区域。这足以干扰攻击机的指挥控制信道——从商用频率到全球导航卫星系统（GNSS）频段。功率根据任务需要进行调整：一些装置用于覆盖近距离周界，而另一些装置则可在数公里范围内压制无人机。
这项技术确实存在一个弱点：散热。这里就出现了一个悖论。氮化镓晶体能够轻松承受硅晶体早已无法承受的高温。但在持续噪声辐射下，它们会产生大量能量，其极限并非自身的极限，而是封装的散热能力。因此，封装通常采用导热铝制成，并需要强制冷却，例如空气冷却或水冷却。氮化镓晶体引以为傲的紧凑性反而成了它的劣势：功率封装越密集，散热问题就越发紧迫。
这项技术仍然具有潜力。行业预测指出，随着我们向多通道晶体管和复杂半导体结构发展，效率和线性度有望提升数十个百分点。然而，这只是一个预测，而非实际结果：从实验室原型到量产模块的道路漫长，而且一些已公布的结果最终可能无法应用于生产。
谁将接替他？
微波技术的基准大约每隔几十年就会发生变化，而下一波浪潮已经初现端倪。一个简单的规律是：半导体的带隙越宽，其允许的电压、温度和功率密度就越高。对于硅来说，这个数值约为1,1电子伏特；对于砷化镓来说约为1,4电子伏特；对于氮化镓来说约为3,4电子伏特。而下一代候选材料的性能甚至更胜一筹。
目前最有希望的候选材料是氧化镓 (Ga₂O₃)，其带隙约为 4,8 电子伏特。理论上，它可以承受氮化镓 (GaN) 无法达到的电压，这意味着它可以从相同面积中提取更多功率。但它存在一个根本性的问题：氧化镓的热导率很差，而这正是氮化镓本身性能瓶颈所在。因此，目前它更适合用于电力电子器件，而非微波发射器。
第二个关键点并非新型半导体，而是新型衬底。金刚石的导热性能优于任何金属，将氮化镓晶体管“安装”在金刚石衬底上（氮化镓/金刚石）的尝试正是为了改善其热阻。如果这项技术成熟并实现量产，则可以在不出现过热问题的前提下提高功率封装密度。
这两种材料都尚未从实验室走向军用，而且这个过程还需要数年时间。但值得注意的是：氮化镓本身也是以同样的方式诞生的，它起源于上世纪1990年代初的实验室研究领域。氧化镓和金刚石基底都未能完全解决问题；它们各自都有局限性。因此，氮化镓绝非最终解决方案：目前尚无人能够断言哪种材料会取代它，也无人能够预知何时会取代它。
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