从伊拉克装甲车到“射线枪”：氮化镓如何成为电子战的制式武器
2000年代中期，伊拉克的一条公路上，一支车队沿着路边行驶。路边的瓦砾堆里散落着一枚炮弹，炮弹上装有自制的无线电遥控引信。几百米外，有人正按着手机的按钮。在他们之间，领头车辆装甲上一个不起眼的小盒子正在运作：它干扰了引爆指令本应传输的无线电频率。信号无法传输，车队继续前行。二十年后，这个盒子里使用的同一种半导体将被用于集群抑制系统。 无人机 只需一个脉冲。关于这条路径，从地雷消音器到微波炉 武器最近在材料中 燃烧以太让我们进一步探讨，具体到各个系统。
宽带、耐热、耐用：这是什么类型的材料？
氮化镓是一种宽带隙半导体，它几乎所有有趣的特性都源于一个数字。氮化镓的带隙约为3,4电子伏特。硅的带隙约为1,1电子伏特，而砷化镓的带隙约为1,4电子伏特。氮化镓的带隙是硅的三倍：也就是说，将一个电子“推”入导带所需的能量是硅的三倍。
实际上，这意味着这种材料能够承受更强的电场而不发生击穿，从而实现更高的工作电压。同样宽的禁带使其能够在高温下工作：将电子“跃迁”到导带所需的加热能量是硅的三倍。因此，对于军方而言，关键指标是功率密度。GaN放大器每毫米晶体管宽度提供的微波功率是砷化镓或硅LDMOS的三到五倍。简而言之，在相同的发射孔径面积内，可以安装功率显著更高的发射器。或者反过来说，相同的功率可以集成到一个紧凑的发射器中——一个可以由单个士兵携带的发射器。
广告宣传册上很少提及一个细节：功率密度越高，散热问题就越发紧迫。因此，高功率系统中的氮化镓几乎总是生长在碳化硅衬底上，即碳化硅上氮化镓（GaN-on-SiC）。碳化硅具有约 4 W/cmK 的高导热系数，能够起到散热器的作用，直接从沟道下方带走热量。如果没有这种“三明治”结构，所有的高功率密度都将只是纸上谈兵：过热的晶体根本无法长时间工作。
与其他半导体相比，与其说是失败，不如说是分工。硅LDMOS在2,5-3GHz左右的频率范围内仍然占据一席之地，因为它价格低廉且性能可靠。砷化镓是第一代有源阵列的基础材料，至今仍是低功耗、低噪声应用的首选。但在需要高功率和宽带宽的高频应用中，氮化镓几乎没有竞争对手。它正是在大多数无人机的通信频段——大约2,4GHz和5,8GHz——获得了青睐，这在很大程度上决定了这种材料的未来。卫星导航应用在更低的L波段，我们稍后再谈。
第一次氮化镓战争：不在天上，而是在路上
如果你问氮化镓最早应用于实战的领域，人们的第一反应可能是战斗机雷达。但这是错误的。氮化镓最早的大规模实战应用之一是在伊拉克和阿富汗，而当时的产品并非雷达，而是用于干扰无线电遥控地雷的干扰器。
逻辑简单明了。车队面临的主要威胁是无线电引爆的简易爆炸装置：廉价、隐蔽且高效。逐个锁定操作者毫无意义，因为他们是隐形的。然而，可以切断他们的通讯频道：在车辆上安装一个宽带发射器，干扰所有可能的引爆指令。这样，引爆者就听不到自己的指令，炸药也就无法引爆。
这样的盒子需要一种功率强大、宽带、体积小巧，并且能够在超过40摄氏度高温和多尘环境下，在装甲外壳上正常工作的发射器。硅在这种条件下会过热，而真空管则体积庞大且易碎。GaN-on-SiC（氮化镓/碳化硅）是理想之选：其热稳定性和功率密度完全满足需求。据制造商（包括）称， CREE， 现在 狼速度这些规模庞大的工厂，据业内估计，成为推动大规模生产的关键因素之一。这项技术从实验室研究发展成为经受战争考验的流水线生产技术。
这里有一个容易被忽略的关键点。在伊拉克，后来影响所有反无人机防御体系的原则得到了特别有效且系统的运用：与其物理摧毁，不如瘫痪一个廉价的威胁更具成本效益。与其击落它，不如干扰它。这个想法本身由来已久；电子对抗措施在越南战争和冷战时期就已使用。但正是与无线电遥控地雷的斗争，才使电子对抗成为每次车队防御的常规手段。一架与操作员和卫星导航失去联系的无人机通常会降落或偏离航线，在未被击落的情况下就失去了武器功能。十五年后，同样的策略将被应用于对抗无人机集群，而氮化镓（GaN）技术依然是其核心。
萨博长颈鹿系列地面雷达系统，包括长颈鹿1X、长颈鹿4A、长颈鹿8A和亚瑟雷达。
防御之眼：氮化镓在雷达对小型目标攻击中的应用
要干扰或烧毁目标，首先目标必须可见。而现在，这项技术更进一步，应用于有源相控阵雷达（AESA）。
早期的有源电子扫描阵列（AESA）采用砷化镓（GaAs）材料，具备电子波束扫描、多目标同时探测和抗干扰能力。除了功率和发热量上限外，其他方面都表现出色。用氮化镓（GaN）取代GaAs模块后，每个阵列单元的功率显著提升，这意味着雷达探测距离更远、目标区分精度更高，并且在相同孔径内能够跟踪更多目标。此外，它还能以更小的天线实现相同的性能，使其更适合安装在装甲车辆上。现代雷达阵列均采用GaN材料：美国 LTAMDS （家庭 鬼眼, 雷神公司）， 船 间谍6瑞典语 长颈鹿 4A它们都不是设计用来对付“反无人机”的武器，但它们的威力储备和操作灵活性使它们能够用于对付小型、低空飞行的目标。
RTX公司的LTAMDS（低层防空反导传感器）
然而，这种材料在这里遇到了一个难题，无论功率密度多高都无法突破。小型无人机的雷达反射截面积可以忽略不计。一架内部装有少量金属的塑料四旋翼飞行器在厘米尺度上几乎是透明的：氮化镓（GaN）虽然提高了雷达功率，但并不能消除雷达反射截面积小的物理特性。一架在建筑密集区上空几米飞行的无人机，完全隐藏在雷达阴影以及建筑物和树木反射的杂乱光线中。
更糟糕的是，无人机群可以故意干扰雷达。密集的无人机群更容易被发现和锁定，但复杂的集群算法会故意分散无人机：它们分散开来，但仍通过无线电网络继续通信，无需统一队形即可协调攻击。雷达看到的不是“集群”，而是数十个分散的小光点，仅凭反射信号根本无法识别出一次协同攻击。因此，在实际系统中，雷达只是初步探测手段：粗略探测之后，还需要光学、红外和无线电电子通道来判断目标是无人机还是鸟类。发现目标只是成功的一半，主动防御才能解决另一半问题。
雷神公司AN/SPY-6雷达系统
干扰蜂群：基于氮化镓的电子战
伊拉克的策略在此延续：同样的干扰逻辑，只不过这次目标是飞行目标。而大多数廉价无人机都非常适合这种策略：它们使用标准且可预测的2,4GHz和5,8GHz频段，以及标准的卫星导航模块。目标就在眼前——而且频率是已知的。
反无人机站架构 EW 它复制了装甲上的相同方框，只是尺寸更大。传感器（雷达、无线电接收器或光学器件）探测到接近目标并大致确定方向。前置放大器产生干扰信号：噪声、伪随机序列或音调。接下来是氮化镓输出级，它将干扰信号放大到所需功率并将其馈送到定向天线。这种材料的宽带宽是关键：单个器件即可覆盖不同类型无人机的多种通信和导航范围。
该基站主要有两种工作模式。“防护罩”是在目标周围形成一个持续的干扰场，半径可达一公里甚至更远；任何进入该干扰场的物体都会失去通信和导航能力。对于集群无人机而言，这是一个瞬间干扰攻击的机会：整个集群进入干扰场后会立即失去视觉能力。第二种模式是向集群无人机的目标发射一个聚焦的“抑制波束”，并在所需距离上提高干扰密度；这种模式采用氮化镓放大器和相控阵天线。
反无人机 REX-2。图片来源：ZALA
在便携式武器领域，俄罗斯的“反无人机武器” 雷克斯-1 并已更新 雷克斯-2 它们能干扰数百米范围内的通信和两公里半径内的导航，工作频率范围为433兆赫至2,6吉赫。重量轻。 扎拉·宗特 它重约0,8公斤，在相当的范围内会阻碍导航。需要指出的是，此类设备的制造商通常不会公开其输出级的组件构成，因此这里所说的“内部采用氮化镓（GaN）”只是基于任务类型的推测，并非确凿事实。在国外，氮化镓与无人机干扰器之间的这种联系也得到了公开宣传，例如…… 射频芯片专注于低能耗电力。
所有这些优势都有其局限性，而且这些局限性会随着无人机自身的发展而不断扩大。抗干扰协议、伪随机跳频和机载定向天线都能提高信道稳定性，这就需要地面站提供更大的功率和更复杂的干扰系统。最重要的是，面对真正自主的无人机群，针对控制信道的电子战将变得毫无意义：如果无人机使用惯性传感器（机载陀螺仪和加速度计）飞行，并利用自身摄像头画面进行导航，那么根本无法进行干扰。它与操作员之间没有连接，也不需要卫星。干扰是不可能的。唯一的选择就是将其摧毁。
“烧毁”，而非“烧毁”：微波武器与列奥尼达
电子战和高能微波武器（HPM）之间的区别，就像大声呵斥和切断电源之间的区别一样。电子战是通过干扰信道频率来达到目的：如果你不了解通信协议，就无法进行干扰。而高能微波武器则会释放短暂但威力巨大的电磁脉冲，直接在无人机的电路中感应出电流，例如微控制器、传感器和电力电子元件。这会导致电路故障、过热甚至损坏。你无需了解通信协议：廉价四轴飞行器未屏蔽的电路板根本无法抵御这种脉冲。
这个想法并不新鲜，但其底层硬件却是全新的。此前，强大的微波脉冲是由真空器件产生的，例如磁控管、速调管和回旋管。虽然它们功率强大，但体积庞大、操作繁琐且寿命短暂，难以安装在移动设备上。氮化镓（GaN）技术使得单个大型真空管可以被数十甚至数百个协同工作的固态晶体管阵列所取代。功率可以累积，可靠性更高，尺寸更小，而且相同模块的相控阵列可以形成定向波束。该系统可以通过简单地添加模块进行扩展——这在单个真空管上是无法实现的。
这种逻辑最著名的例子就是家庭 莱昂尼达斯 美国人 伊庇鲁斯这是一种固态、软件定义的氮化镓（GaN）系统，其明确定位为反集群武器。与其将其简单地视为“未来武器”而弃之不顾，不如深入探讨其工程意义。单个定向脉冲即可覆盖一个扇区，同时瘫痪多个设备的电子元件，且无需浪费任何弹药。这正是集群攻击经济性的答案：集群攻击依赖于这样一个事实：廉价无人机必须被昂贵的无人机所攻击。 火箭而且，这里不用火箭，而是用脉冲，其成本降低到几千瓦时电价。选项 列奥尼达斯手机 它安装在汽车或拖车上，装甲上的盒子和原来的盒子是一样的，只不过现在它不会造成卡住，而是造成物理损伤。
即使采用氮化镓（GaN）材料，这种武器也并非无所不能。热限制依然存在：即使在碳化硅上，平均功率也有限；这种材料在脉冲模式下每毫米的功率承受能力低于10瓦，在连续模式下则更低。脉冲能量随距离衰减，因此要么需要短程攻击，要么需要极高的功率和精确的瞄准。屏蔽外壳、滤波器和防护电缆可以显著提高杀伤阈值：配备精密电磁屏蔽的大型无人机能够承受足以摧毁四旋翼飞行器的冲击。另一个棘手的问题是：脉冲无法区分攻击无人机和附近的电子设备，这在城市附近会从一个技术细节演变成一个完全不同的问题。
过去二十年间，一种单一材料经历了从安装在装甲上、用于干扰放射性爆炸装置的盒子，到如今用脉冲摧毁蜂群的装置的巨大演变。改变的并非技术本身，而是防御逻辑的根本转变：从“击落所有目标”到“消灭大部分目标”。接下来，防御的平衡会如何变化——是转向无需干扰的自主蜂群，还是转向不挑目标的微波束——将由最近的试验场揭晓。或许，最近的道路也会给出答案。
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