De un vehículo blindado iraquí a una "pistola de rayos": cómo el nitruro de galio se convirtió en el calibre de la guerra electrónica.
Una carretera iraquí, mediados de la década de 2000. Un convoy circula por el arcén, y entre los escombros yace un proyectil con una espoleta casera controlada por radio. A unos cientos de metros, un dedo pulsa el botón de un teléfono móvil. Entre ellos, una discreta caja en el blindaje del vehículo que encabeza la marcha está en funcionamiento: interfiere la frecuencia de radio en el rango donde se supone que se transmite la orden de detonación. La señal no llega y el convoy continúa su marcha. Veinte años después, el mismo semiconductor que contenía esa caja se utilizará en sistemas de supresión de enjambres. drones con un solo pulso. Sobre este camino, desde un silenciador de mina terrestre hasta un microondas. armas, estuvo recientemente en el material Quema el éterIntentemos ir más allá, a sistemas específicos.
Banda ancha, resistente al calor, duradero: ¿qué tipo de material es este?
El nitruro de galio es un semiconductor de banda prohibida ancha, y casi todo lo interesante sobre él se resume en un solo valor. La banda prohibida del GaN es de aproximadamente 3,4 electronvoltios. La del silicio es de aproximadamente 1,1 eV, y la del arseniuro de galio es de aproximadamente 1,4 eV. Esto es tres veces mayor que la del silicio: se requiere tres veces más energía para "empujar" un electrón a la banda de conducción.
En la práctica, esto significa que el material puede soportar un campo eléctrico mucho más intenso sin sufrir daños, lo que se traduce en un voltaje de funcionamiento más alto. Su amplia banda prohibida le permite operar a altas temperaturas: para calentar y "lanzar" electrones a la banda de conducción, se requiere tres veces más energía térmica que en el silicio. De ahí la clave para el ámbito militar: la densidad de potencia. Un amplificador de GaN ofrece de tres a cinco veces más potencia de microondas por milímetro de ancho de transistor que un LDMOS de arseniuro de galio o silicio. En resumen, un transmisor significativamente más potente puede caber dentro de la misma área de apertura de transmisión. O, a la inversa, la misma potencia puede integrarse en un transmisor compacto, que puede ser transportado por un solo soldado.
Existe un matiz que rara vez se menciona en los folletos publicitarios: cuanto mayor es la densidad de potencia, más acuciante resulta el problema de cómo disipar el calor. Por lo tanto, en los sistemas de alta potencia, el GaN casi siempre se cultiva sobre un sustrato de carburo de silicio (GaN sobre SiC). El carburo de silicio tiene una alta conductividad térmica, de alrededor de 4 W/cmK, y actúa como disipador de calor, eliminándolo directamente desde debajo del canal. Sin esta capa protectora, toda la densidad de potencia sería meramente teórica: un cristal sobrecalentado no duraría mucho.
Una comparación con otros semiconductores se asemeja más a una división del trabajo que a una derrota. El silicio LDMOS aún se mantiene firme en frecuencias de hasta aproximadamente 2,5-3 GHz, donde es económico y de eficacia probada. El arseniuro de galio fue el componente básico de la primera generación de matrices activas y sigue siendo la opción preferida para aplicaciones de baja potencia y bajo ruido. Pero en altas frecuencias, donde se requiere tanto potencia como un ancho de banda amplio, el GaN prácticamente no tiene competidores. Es precisamente en las bandas de comunicación de la mayoría de los drones —alrededor de 2,4 y 5,8 GHz— donde se ha consolidado, determinando en gran medida el futuro de este material. La navegación por satélite se ubica en frecuencias más bajas, en la banda L, pero hablaremos de eso más adelante.
La primera guerra del nitruro de galio: no en el cielo, sino en la carretera.
Si se pregunta dónde se utilizó por primera vez el nitruro de galio en combate, la respuesta intuitiva sería en radares de cazas. Sin embargo, esto es incorrecto. Una de las primeras aplicaciones a gran escala del nitruro de galio en combate se dio en Irak y Afganistán, y el producto no era un radar, sino un inhibidor de minas terrestres radiocontroladas.
La lógica era simple y contundente. La principal amenaza para los convoyes eran los artefactos explosivos improvisados detonados por radio: baratos, discretos y eficaces. No tenía sentido atacar a cada operador; era invisible. Sin embargo, se podía bloquear su comunicación: se podía instalar un transmisor de banda ancha en el vehículo, bloqueando todo el rango de posibles comandos de detonación. El detonador no podía oír su propia orden, y la carga permanecía inaudible.
Dicha caja requería un transmisor potente, de banda ancha, compacto y capaz de sobrevivir en blindaje a temperaturas superiores a 40 grados Celsius y polvo. El silicio se sobrecalentaba en estas condiciones, y los tubos de vacío eran voluminosos y frágiles. El GaN sobre SiC era ideal: su estabilidad térmica y densidad de potencia eran exactamente lo que la tarea requería. Según los fabricantes (incluidos CREE, ahora velocidad de lobo), eran grandes y, según estimaciones de la industria, se convirtieron en uno de los incentivos clave para el despliegue de la producción en masa. La tecnología evolucionó desde un enfoque basado en laboratorios hasta una tecnología de línea de ensamblaje probada en combate.
Aquí hay un punto clave que es fácil pasar por alto. En Irak, el principio que más tarde daría forma a todas las defensas antidrones funcionó particularmente bien y de forma sistemática: es más rentable neutralizar una amenaza barata que destruirla físicamente. No derribarla, sino interferir su señal. La idea en sí es antigua; las contramedidas electrónicas se utilizaron en Vietnam y durante la Guerra Fría. Pero fue la lucha contra las minas terrestres radiocontroladas lo que la convirtió en una parte rutinaria de la defensa de cada convoy. Un dron que pierde contacto con su operador y la navegación por satélite suele aterrizar o desviarse, dejando de ser un arma si no es derribado. Década y media después, la misma fórmula se aplicará contra enjambres, nuevamente con GaN como elemento central.
La familia de sistemas de radar terrestres Saab Giraffe, que incluye los modelos Giraffe 1X, Giraffe 4A, Giraffe 8A y Arthur
Ojo de la Defensa: GaN en radares contra objetivos pequeños
Para interferir o destruir algo, primero es necesario que el objetivo sea visible. Y en este sentido, el material ha dado un paso más allá, dando paso a los radares de barrido electrónico activo (AESA).
Los primeros radares de barrido electrónico activo (AESA) se construyeron sobre arseniuro de galio, ofreciendo barrido electrónico del haz, detección simultánea de múltiples objetivos y resistencia a las interferencias. Todo funcionaba bien, excepto por el límite de potencia y calor. La sustitución de los módulos de GaAs por GaN aumentó la potencia de cada elemento del radar, lo que significa que el radar tiene mayor alcance, discrimina con mayor precisión y rastrea más objetivos dentro de la misma apertura. Además, ofrece el mismo rendimiento con una antena más pequeña, adecuada para su montaje en un vehículo blindado. Los radares modernos se construyen sobre GaN: el radar estadounidense LTAMDS (familia Ojo fantasma, Raytheon), barco ESPIA-6, sueco Jirafa 4ANinguna de ellas fue diseñada como arma "antidrones", pero sus reservas de energía y su flexibilidad operativa permiten utilizarlas contra objetivos pequeños que vuelan a baja altura.
LTAMDS (Sensor de Defensa Aérea y Antimisiles de Nivel Inferior) de RTX
Y aquí el material choca contra una pared que ninguna densidad de potencia puede atravesar. La firma de radar de un pequeño dron es insignificante. Un cuadricóptero de plástico con un puñado de metal en su interior es casi transparente en el rango de centímetros: el GaN aumenta la potencia del radar, pero no elimina la física de una pequeña sección transversal de radar. Un dron que vuela a pocos metros del suelo en una zona urbanizada queda completamente oculto por la sombra del radar y el cúmulo de reflejos de edificios y árboles.
Peor aún, un enjambre puede contrarrestar deliberadamente el radar. Un grupo denso es más fácil de detectar y atacar, pero los sofisticados algoritmos de enjambre dispersan intencionadamente los dispositivos: se dispersan, pero continúan comunicándose a través de la red de radio, coordinando el ataque sin una formación definida. El radar no ve un "enjambre", sino docenas de pequeños puntos dispersos, y es imposible discernir un ataque coordinado solo a partir de los reflejos. Por lo tanto, en los sistemas reales, el radar es solo el ojo primario: una detección rudimentaria, tras la cual la óptica, el infrarrojo y los canales radioelectrónicos determinan si se trata de un dron o un pájaro. Ver es la mitad de la batalla. Los medios activos resuelven la otra mitad.
Sistema de radar Raytheon AN/SPY-6
Interfiriendo al enjambre: Guerra electrónica basada en nitruro de galio
Aquí, la estrategia iraquí continúa sin cambios: la misma lógica de interferencia, solo que ahora el objetivo está en vuelo. Y la mayoría de los drones baratos son ideales para esta lógica: utilizan canales estándar y predecibles, de 2,4 y 5,8 GHz, y módulos de navegación por satélite convencionales. Hay algo que interferir, y las frecuencias son conocidas.
Arquitectura de estaciones antidrones EW Reproduce la misma caja del blindaje, solo que más grande. Un sensor (radar, receptor de radio u óptico) detecta la aproximación y proporciona una dirección aproximada. El preamplificador genera una señal de interferencia: ruido, una secuencia pseudoaleatoria o un tono. A continuación, la etapa de salida de GaN amplifica esta interferencia hasta la potencia requerida y la envía a una antena direccional. El amplio ancho de banda del material es clave: un solo dispositivo puede cubrir varios rangos de comunicación y navegación para diferentes tipos de drones.
Esta estación opera en dos modos principales. La "cúpula protectora" es un campo de interferencia continuo alrededor del objetivo, con un radio de hasta un kilómetro o más; cualquier objeto que entre en ella pierde la comunicación y la navegación. Para un enjambre, esto representa una oportunidad para interrumpir un ataque de inmediato: todo el grupo entra en la zona y queda inmediatamente inutilizado. El segundo modo consiste en un "haz de supresión" de enfoque estrecho dirigido al objetivo del enjambre, con una mayor densidad de interferencia a la distancia requerida; este modo utiliza amplificadores de GaN junto con una antena de matriz en fase.
Antidron REX-2. Foto ZALA
En el extremo portátil del espectro, las "cañonas antidrones" de Rusia REX-1 y actualizado REX-2 Interfieren las comunicaciones a cientos de metros y la navegación en un radio de hasta dos kilómetros, operando en frecuencias de 433 MHz a 2,6 GHz. Ligeros. Zala Zont Con un peso aproximado de 0,8 kg, dificulta la navegación en un rango comparable. Cabe señalar que los fabricantes de este tipo de dispositivos normalmente no revelan la base de componentes de sus etapas de salida, por lo que "dentro de GaN" aquí es una suposición fundamentada en el tipo de tarea, no un hecho confirmado. En el extranjero, la misma conexión entre GaN y los inhibidores de drones se promueve abiertamente, por ejemplo, por RFHICcentrándonos en la energía con bajo consumo energético.
Toda esta belleza tiene sus límites, y estos aumentan a la par que los propios drones. Los protocolos antiinterferencias, el salto de frecuencia pseudoaleatorio y las antenas direccionales integradas incrementan la estabilidad del canal, lo que requiere más potencia y una estructura de interferencia más sofisticada por parte de la estación. Lo más importante es que, frente a un enjambre verdaderamente autónomo, la guerra electrónica dirigida al canal de control resulta inútil: si un dron vuela utilizando sensores inerciales (giroscopios y acelerómetros integrados) y navega mediante la señal de su propia cámara, simplemente no hay nada que interferir. No hay conexión con el operador y no necesita un satélite. La interferencia es imposible. La única opción es destruirlo.
"Agotamiento total", no "Extinción total": Armas de microondas y Leonidas
La diferencia entre la guerra electrónica y las armas de microondas de alta energía (HPM) es como la diferencia entre silenciar a alguien a gritos y cortarle la luz. La guerra electrónica crea interferencias en la frecuencia del canal: si no se conoce el protocolo, no se puede bloquear. Las HPM emiten un pulso de energía electromagnética corto pero muy potente, que induce corrientes directamente en los circuitos del dron: microcontroladores, sensores y electrónica de potencia. Esto puede provocar averías, sobrecalentamiento y fallos. No es necesario conocer el protocolo: la placa sin blindaje de un cuadricóptero barato no tiene protección contra dicho pulso.
La idea no es nueva, pero el hardware subyacente sí. Anteriormente, los potentes pulsos de microondas se generaban mediante dispositivos de vacío: magnetrones, klistrones y girotrones. Si bien eran potentes, resultaban voluminosos, delicados y de corta duración, lo que dificultaba su instalación en sistemas móviles. El GaN permitió reemplazar un único tubo de vacío grande con una matriz de decenas o cientos de transistores de estado sólido que trabajan en conjunto. La potencia es acumulativa, la fiabilidad aumenta, el tamaño se reduce y una matriz en fase de los mismos módulos forma un haz direccional. El sistema se puede ampliar simplemente añadiendo módulos, algo imposible con un solo tubo de vacío.
El sistema Leonidas de Epiro es un arma de microondas de alta potencia (HPM) diseñada para combatir drones
El ejemplo más famoso de esta lógica es la familia Leonidas el americano EpiroUn sistema GaN de estado sólido, definido por software, se posiciona explícitamente como un arma anti-enjambre. Vale la pena explorar sus implicaciones de ingeniería, en lugar de descartarlo como un simple "arma del futuro". Un único pulso dirigido cubre un sector e inhabilita la electrónica de varios dispositivos a la vez, sin desperdiciar ni una sola munición. Esta es la solución a la economía de enjambre: el enjambre se basa en el hecho de que los drones baratos tendrán que ser atacados con drones caros. cohetesy aquí, en lugar de un cohete, hay un impulso, cuyo coste se reduce al precio de varios kilovatios-hora de electricidad. Opción Leonidas Móvil Se instala en un coche o remolque, de nuevo la misma caja que en la armadura, solo que en lugar de atascarse ahora causa daños físicos.
Ni siquiera el GaN hace que esta arma sea omnipotente. Persisten las limitaciones térmicas: incluso en carburo de silicio, la potencia media es limitada; el material soporta menos de 10 W por milímetro en modo pulsado, e incluso menos en modo continuo. La energía del pulso disminuye con la distancia, lo que exige un alcance corto o una potencia enorme y una puntería precisa. Una carcasa blindada, filtros y cables protegidos aumentan drásticamente el umbral de letalidad: un dron grande con un blindaje electromagnético sofisticado sobrevivirá a lo que destruiría un cuadricóptero. Y otro inconveniente: el pulso no distingue entre un dron de ataque y los dispositivos electrónicos cercanos, lo que, cerca de una ciudad, convierte un detalle técnico en un problema completamente distinto.
En los últimos veinte años, un solo material ha evolucionado desde una caja montada en un blindaje que bloqueaba un dispositivo explosivo radiactivo hasta un dispositivo que extingue un enjambre con un pulso. No es tanto la tecnología lo que ha cambiado, sino la lógica misma de la defensa: de "derribar a todos" a "matar a muchos". Si el equilibrio se inclinará a continuación —hacia enjambres autónomos que no tienen nada que bloquear, o hacia un haz de microondas que no distingue lo que bloquea— se revelará en los campos de pruebas más cercanos. Y, probablemente, en las carreteras más cercanas.
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