От бронемашины в Ираке до «лучевой пушки»: как нитрид галлия стал калибром радиоэлектронной войны

Иракская дорога, середина 2000-х. По обочине идёт колонна, а где-то в придорожном мусоре лежит снаряд с самодельным радиовзрывателем, и палец на кнопке мобильника в паре сотен метров. Между ними работает неприметная коробка на броне головной машины: она забивает эфир в диапазоне, на котором должна прийти команда на подрыв. Сигнал не проходит, колонна идёт дальше. Через двадцать лет тот же полупроводник, что стоял в той коробке, окажется в основе установок, гасящих рой дронов одним импульсом. Об этом пути, от глушителя фугасов до микроволнового оружия, недавно было в материале «Выжечь эфир». Попробуем пройти его дальше, до конкретных систем.

Широкозонный, горячий, живучий: что за материал

Нитрид галлия относится к широкозонным полупроводникам, и почти всё интересное вытекает из одного числа. Ширина запрещённой зоны у GaN около 3,4 электронвольта. У кремния примерно 1,1 эВ, у арсенида галлия около 1,4. Втрое больше, чем у кремния: чтобы «сорвать» электрон в зону проводимости, нужно втрое больше энергии.

На практике это значит, что материал держит гораздо более сильное электрическое поле, не срываясь в пробой, — а значит, и более высокое рабочее напряжение. Та же широкая запрещённая зона позволяет ему работать при высоких температурах: чтобы нагрев «забросил» электроны в зону проводимости, тепловой энергии нужно втрое больше, чем в кремнии. Отсюда главная цифра для военных: удельная мощность. GaN-усилитель выдаёт в три-пять раз больше СВЧ-мощности на миллиметр ширины транзистора, чем арсенид галлия или кремниевый LDMOS. Проще говоря, на той же площади передающей апертуры помещается заметно более мощный передатчик. Или, наоборот, прежнюю мощность удаётся уместить в компактный передатчик — такой, что его унесёт один боец.

Есть нюанс, о котором в рекламных проспектах говорят реже: чем выше плотность мощности, тем острее вопрос, куда девать тепло. Поэтому GaN в мощных системах почти всегда растят на подложке из карбида кремния, GaN-on-SiC. У карбида кремния высокая теплопроводность, порядка 4 Вт на сантиметр-кельвин, и он работает радиатором, снимающим жар прямо из-под канала. Без этого «бутерброда» вся плотность мощности осталась бы на бумаге: перегретый кристалл долго не проживёт.

Сравнение с другими полупроводниками честнее выглядит как разделение труда, а не как разгром. Кремниевый LDMOS до сих пор прочно держит частоты примерно до 2,5-3 ГГц, там он дёшев и отработан. Арсенид галлия был «кирпичиком» первого поколения активных решёток и остаётся в маломощных, малошумных задачах. А вот на высоких частотах, там, где нужна и мощность, и широкая полоса, GaN почти не имеет конкурентов. Как раз в диапазонах связи большинства дронов — около 2,4 и 5,8 ГГц — он и оказался востребован, что во многом определило дальнейшую судьбу материала. Спутниковая навигация сидит ниже, в L-диапазоне, но до неё мы ещё дойдём.

Первая война нитрида галлия: не в небе, а на дороге

Если спросить, где GaN впервые пошёл в бой, интуитивный ответ — радар истребителя. Ответ неверный. Одним из первых массовых боевых применений нитрида галлия стали Ирак и Афганистан, а изделием — не радар, а глушитель радиоуправляемых фугасов.

Логика была простая и жёсткая. Основной угрозой для колонн стали самодельные взрывные устройства с радиоподрывом: дёшево, скрытно, эффективно. Стрелять по каждому оператору нечем и незачем, его не видно. Зато можно лишить его канала: поставить на машину широкополосный передатчик, который забивает помехами весь диапазон возможных команд детонации. Взрыватель не слышит своей команды, заряд молчит.

Для такой коробки нужен был передатчик мощный, широкополосный, компактный и способный выживать на броне в жаре под сорок градусов и в пыли. Кремний в этих условиях перегревался, вакуумные лампы были громоздки и хрупки. GaN-on-SiC подошёл идеально: тепловая стойкость и удельная мощность, ровно то, чего требовала задача. Заказы на такие глушители, по данным производителей (среди них Cree, ныне Wolfspeed), были крупными и стали, по отраслевым оценкам, одним из ключевых стимулов развёртывания серийного производства. Технология из лабораторной превратилась в конвейерную, отработанную на войне.

Здесь важна мысль, которую легко проскочить. В Ираке особенно массово и системно сработал принцип, вокруг которого потом выстроится вся антидроновая оборона: дешёвую угрозу выгоднее лишить функции, чем физически уничтожить. Не сбить, а заглушить. Сама идея старше, радиоэлектронное подавление применяли и во Вьетнаме, и в холодную войну. Но именно борьба с радиофугасами превратила её в рутину защиты каждой колонны. Дрон, потерявший связь с оператором и спутниковую навигацию, чаще всего либо садится, либо уходит в сторону, и перестаёт быть оружием, не будучи сбитым. Через полтора десятка лет эта же формула развернётся против роёв, и снова с GaN в основе.

Семейство наземных радиолокационных систем Saab Giraffe, включающее модели Giraffe 1X, Giraffe 4A, Giraffe 8A и Arthur

Глаз обороны: GaN в радарах против малой цели

Чтобы что-то заглушить или выжечь, цель сначала нужно увидеть. И здесь материал сделал следующий шаг, в радары с активной фазированной решёткой (АФАР).

Ранние АФАР строились на арсениде галлия: электронное сканирование луча, много целей одновременно, устойчивость к помехам. Всё хорошо, кроме потолка по мощности и теплу. Замена GaAs-модулей на GaN подняла мощность каждого элемента решётки, а значит, радар видит дальше, различает точнее и ведёт больше целей на той же апертуре. Или, наоборот, обеспечивает прежние характеристики меньшей антенной, которую можно поставить на бронемашину. Именно на GaN построены решётки современных радаров: американский LTAMDS (семейство GhostEye, Raytheon), корабельный SPY-6, шведский Giraffe 4A. Ни один из них не был задуман как «противодроновый», но именно запас по мощности и гибкость режимов позволяют им работать в том числе по малым низколетящим целям.

LTAMDS (Lower Tier Air and Missile Defense Sensor) компании RTX

И вот тут материал упирается в стену, которую не пробивает никакая удельная мощность. Радиолокационная заметность малого дрона ничтожна. Пластиковый квадрокоптер с горсткой металла внутри в сантиметровом диапазоне почти прозрачен: GaN поднимает энергетику радара, но физику малой эффективной площади рассеяния не отменяет. Дрон, идущий в нескольких метрах над землёй вдоль застройки, вообще прячется в радиолокационной тени и в мешанине отражений от зданий и деревьев.

Хуже того, рой умеет играть против радара сознательно. Плотную группу и увидеть, и накрыть проще, зато развитые роевые алгоритмы намеренно рассеивают аппараты в пространстве: они разлетаются, но продолжают обмениваться данными по радиосети, координируя атаку без единого строя. Радар видит не «рой», а десятки разрозненных мелких отметок, и понять, что это единая скоординированная атака, по одним отражениям невозможно. Поэтому в реальных комплексах радар только первичный глаз: грубое обнаружение, а дальше оптика, инфракрасный и радиотехнический каналы уточняют, дрон это вообще или птица. Увидеть — половина задачи. Вторую половину решают активные средства.

Радиолокационная система Raytheon AN/SPY-6

Заглушить рой: РЭБ на нитриде галлия

Здесь иракская линия продолжается напрямую: та же логика подавления, только цель теперь летит. И большинство дешёвых дронов для этой логики удобны: они опираются на стандартные и предсказуемые каналы, 2,4 и 5,8 ГГц, обычные модули спутниковой навигации. Есть что глушить — и известно, на каких частотах.

Архитектура антидроновой станции РЭБ повторяет ту самую коробку на броне, только выросшую. Сенсор (радар, радиотехнический приёмник или оптика) засекает подлёт и грубо даёт направление. Предварительный тракт формирует сигнал помехи: шум, псевдослучайную последовательность, тон. Дальше выходной каскад на GaN, который поднимает эту помеху до нужной мощности и отдаёт на направленную антенну. Широкая полоса материала здесь ключевая: одним устройством можно перекрыть сразу несколько диапазонов связи и навигации разных типов дронов.

Работает такая станция в двух основных режимах. «Защитный купол», сплошное помеховое поле вокруг объекта, радиусом до километра и больше; всё, что в него влетает, теряет связь и навигацию. Для роя это шанс сорвать атаку разом: вся группа входит в зону и разом слепнет. Второй режим, узконаправленный «луч подавления» в сектор, где идёт рой, с повышенной плотностью помех на нужной дистанции; тут работают GaN-усилители в связке с фазированной антенной.

Антидрон REX-2. Фото ZALA

Портативный край этого спектра, российские «ружья против дронов». REX-1 и обновлённый REX-2 глушат связь на сотни метров и навигацию в радиусе до двух километров, работая на частотах от 433 МГц до 2,6 ГГц. Лёгкий Zala Zont массой около 0,8 кг давит навигацию на сопоставимую дальность. Оговорюсь: производители таких устройств элементную базу выходных каскадов, как правило, не раскрывают, так что «внутри GaN» здесь обоснованное предположение по классу задачи, а не подтверждённый факт. За рубежом ту же связь GaN и дрон-глушилок открыто продвигает, например, RFHIC, делая ставку на мощность при малом энергопотреблении.

У всей этой красоты есть предел, и он растёт вместе с самими дронами. Помехоустойчивые протоколы, перестройка частоты по псевдослучайному закону, направленные антенны на борту: всё это повышает устойчивость канала, требуя от станции больше мощности и более хитрой структуры помехи. А главное, против по-настоящему автономного роя РЭБ, бьющая по каналу управления, теряет смысл: если дрон летит по инерциальным датчикам (гироскопы и акселерометры на борту) и ориентируется по картинке с собственной камеры, глушить у него попросту нечего. Связи с оператором нет, спутник ему не нужен. Заглушить нельзя. Остаётся выжечь.

«Выжечь», а не «заглушить»: микроволновое оружие и Leonidas

Разница между РЭБ и высокоэнергетическим микроволновым оружием (HPM) примерно как между тем, чтобы перекричать собеседника, и тем, чтобы вырубить ему электричество. РЭБ создаёт помеху на частоте канала: не знаешь протокол, не заглушишь. HPM бьёт коротким, но очень мощным импульсом электромагнитной энергии, который наводит токи прямо в цепях дрона: микроконтроллерах, датчиках, силовой электронике. Пробой, перегрев, отказ. Протокол знать не надо: у неэкранированной платы дешёвого квадрокоптера против такого импульса аргументов нет.

Идея не новая, новой стала элементная база. Прежде мощный СВЧ-импульс давали вакуумные приборы: магнетроны, клистроны, гиротроны. Мощно, но громоздко, капризно и недолговечно, на мобильную установку такое ставится тяжело. GaN позволил заменить одну большую лампу массивом из десятков и сотен твердотельных транзисторов, работающих согласованно. Мощность суммируется, надёжность растёт, габариты падают, а фазированная решётка из тех же модулей формирует направленный луч. Систему можно наращивать, просто добавляя блоки, — то, что с одной вакуумной лампой невозможно в принципе.

Система Leonidas от компании Epirus, представляющая собой высокомощное микроволновое оружие (HPM) для борьбы с беспилотниками

Самый известный образец этой логики, семейство Leonidas американской Epirus: твердотельная, программно определяемая установка на GaN, прямо позиционируемая как средство против роёв. Инженерный смысл здесь стоит разобрать, а не отмахнуться ярлыком «оружие будущего». Один направленный импульс накрывает сектор и гасит электронику сразу нескольких аппаратов, не тратя ни одного снаряда. Это и есть ответ на экономику роя: рой строит расчёт на том, что по дешёвым дронам придётся стрелять дорогими ракетами, а тут вместо ракеты — импульс, себестоимость которого сводится к цене нескольких киловатт-часов электроэнергии. Вариант Leonidas Mobile ставится на автомобиль или прицеп, снова та же коробка на броне, только вместо глушения теперь физическое поражение.

Всесильным это оружие не делает даже GaN. Тепловые пределы никуда не делись: даже на карбиде кремния средняя мощность ограничена, импульсно материал держит меньше 10 Вт на миллиметр, в непрерывном режиме и того меньше. Энергия импульса убывает с расстоянием и требует либо малой дистанции, либо огромной мощности и точной наводки. Экранированный корпус, фильтры, защищённые кабели резко поднимают порог поражения: крупный дрон с продуманной электромагнитной защитой переживёт то, от чего умрёт квадрокоптер. И отдельный неудобный вопрос: импульс не разбирает, где ударный дрон, а где чужая электроника поблизости, что рядом с городом превращается из технической детали в проблему совсем иного порядка.

За двадцать лет один материал прошёл путь от коробки на броне, глушившей радиофугас, до установки, гасящей рой импульсом. Изменилась не столько техника, сколько сама логика обороны: от «сбить каждого» к «погасить многих». Куда сместится равновесие дальше, к автономным роям, которые нечего глушить, или к микроволновому лучу, которому всё равно, что глушить, покажут ближайшие полигоны. И, вероятно, ближайшие дороги.