高功率微波技术的发展

近年来，无人机成了一个非常热门的话题。2022年10月，俄罗斯使用杀伤性无人机和巡航导弹对乌克兰各地的能源和电力基础设施发动了大规模攻击。尽管俄罗斯许多导弹和巡飞弹（包括伊朗提供的“沙赫德-136/-131”）的技术水平并不高，但其发射数量达到了数百枚，有时单次发射多达十几枚甚至更多，目的是靠数量压制乌克兰的防空系统。

乌军称在这些袭击中至少击落了俄方四分之三的无人机和巡航导弹。这些战果几乎完全依赖于数量有限的射频和红外制导的地空导弹，不过俄罗斯对能源基础设施25%的命中率仍然给乌克兰造成了严重问题。乌克兰用价值20万美元的地空导弹去拦截价值2万美元的无人机，会造成乌克兰成本上的失衡。但在战场上，在得到更好的武器之前，也只能使用现有的武器。

在未来冲突中，许多国家极有可能也会面临对手武器化的无人机。正如乌克兰战争所表现的那样，地空导弹和雷达制导的防空高炮系统并不能完美地解决这个问题。虽然它们具备更远的射程和更高的精度，但主要是用于攻击战斗机、轰炸机以及巡航导弹，而不是数量多、成本低的无人机。对付无人机这类目标需要能够以低成本（非动能）的方式，快速多次发射的系统，并且最好能以光速与目标交战。换言之，防空部队需要利用定向能武器来对付无人机和巡航导弹的攻击。

过去十年，美国、以色列和一些欧洲国家在定向能武器发展上取得了重大进展。与其他类型的动能和非动能武器相比，高功率微波武器具有若干优势。它通常能在不到一秒的时间内发射，而且最新型的系统拥有在短时间内多次发射的能力。高功率微波武器可以对目标产生一系列效应，包括摧毁或损坏灵敏的电子元器件、降低其性能或使其重启。高功率微波系统通过目标的射频和微波天线将射频和微波能注入到目标的处理器和其他逻辑器件中，或者注入到未采取电磁防护的线路和电路中。此外，由于高功率微波系统通过天线发射电磁波，其波束宽度可以根据天线孔径进行调整。使用小孔径的宽波束天线，高功率微波系统可同时攻击多个目标；使用大孔径的窄波束天线，可将能量集中到一个目标之上。此外，配备有源电扫阵列的高功率微波系统可以根据需求快速切换波束形状。

美国空军研究实验室“战术高功率作战响应器”（THOR）的原型样机

美国空军研究实验室的另一型高功率微波反无人机系统“相位器”（Phaser）

发展现状

高功率微波系统一般用于毁伤武器系统中脆弱的电子元器件，但针对无人机、无人机蜂群等目标，所需要的只是干扰其电子设备或使其无法工作，并不需要使用高功率超宽带脉冲将其摧毁。这意味着高功率微波系统不一定需要发射吉瓦级的功率来摧毁单个目标，功率大小只需要能使其传感器无法工作或影响导航或飞行控制系统即可。自雷声公司2006年研制出“雄鹰”（Valiant Eagle）系统以及BAE系统公司研制出“Bofors高功率微波管制”（HPM Blackout）系统以来，这种能力在过去15年里已经得到了验证。

在过去几年里，美国空军研究实验室开发和评估了至少四种高功率微波演示系统，其中包括雷声公司的“相位器”（Phaser）系统。该系统将高能射频汇聚到一部反射面天线上，其圆锥形的波束意味着单个脉冲可一次性攻击空中的多架无人机，使其非常适用于对抗无人机蜂群。

美国空军研究实验室的“战术高功率作战响应器”（THOR，简称“托尔”）系统由雷多斯公司、BAE系统公司和Verus研究公司联合研制而成。该系统已经展示了同时使100架无人机失效的能力，目前已被部署到非洲进行作战评估。空军研究实验室在“托尔”系统的基础上正在开发下一代高功率微波系统，用于使威胁军事基地的无人机蜂群失效，该系统被命名为“雷神之锤”（Mjölnir）。空军研究实验室已经授予雷多斯公司一份价值2600万美元的合同，用于开发“雷神之锤”的原型样机，并定于2024年初交付。

最后，美国空军研究实验室正与雷声公司合作开发“反电子高功率微波增程空军基地防御”（CHIMERA）系统。顾名思义，与针对近距离目标的“相位器”和“托尔”系统不同，该系统旨在攻击距离更远的空中目标。

值得注意的是，“托尔”和“相位器”等类型的高功率微波系统都使用真空管技术产生所需的辐射功率。其体积都相对较大，更适用于固定站点，例如防御军事基地免受无人机和火箭炮攻击。

美国空军研究实验室和海军研究实验室还一直在开发另一类高功率微波武器，这种武器的体积更小，专为导弹和无人机平台而设计。波音公司和空军研究实验室2012年展示的“反电子高功率微波先进导弹项目”（CHAMP），以AGM-86常规空射巡航导弹（CALCM）为载体，搭载了雷声公司研制的高功率微波有效载荷，一次任务可发射多枚高功率微波弹。作为CHAMP的后继型号，“高功率联合电磁非动能攻击武器”（HiJENKS）也采用高功率微波技术使对方的电子系统失效。HiJENKS运用了体积更小、更耐用的高功率微波技术，可以集成到更广泛的平台系统中。在空军研究实验室和海军研究办公室的共同资助下，为期五年的HiJENKS项目于2022年夏天在加利福尼亚州中国湖海军航空站完成了最终测试。

由氮化镓驱动

高功率微波技术的最新发展是使用有源相控阵和基于固态（氮化镓）的射频功率放大器来产生所需的射频功率，而不是靠真空管。一家成立于2018年的初创企业伊庇鲁斯（Epirus）独立研制了“列奥尼达斯”（Leonidas）系列高功率微波系统。

“列奥尼达斯”是该公司的可扩展高功率微波产品，最初的型号采用拖车配置，并对用于无人机的机载吊舱型进行了测试。此外，该公司在2022年10月公布了一个集成到“斯瑞克”战车上的机动型号。与有源电扫阵列系统一样，“列奥尼达斯”利用波束控制将能量集中在一个或多个目标上，同时划定一个禁飞区使己方部队能够继续作战。“列奥尼达斯”可以安装在相对较小的地面车辆上，每秒发射数千次。“列奥尼达斯”采用开放式系统架构，并依赖于基于氮化镓的现场可更换放大器组件，可迅速发射一连串独特的波形，以利用容易对无人机目标造成影响的频率。

该公司强调，“列奥尼达斯”不是通过中断无人机用于通信的卫星导航信号来干扰其数字化电子设备，而是作为一种电磁脉冲发生器，用覆盖甚低频到甚高频的电磁能“包裹”住目标。伊庇鲁斯首席产品官安德鲁·洛厄里（Andrew Lowery）称：“我们不关心无人机的工作频率，我们是一个电磁脉冲系统，所以频率并不重要。使数据链路或GPS失效相对简单，很多公司都可以做到。而我们可以从远距离覆盖目标，远超动能武器甚至‘托尔’系统的作用范围。”

该公司仅将“列奥尼达斯”的作用距离定义为“战术”距离，这通常意味着大约10公里。洛厄里称，“我们的波束实际上不是很窄，3dB波束宽度约为6度。如果我想干掉一个无人机群，会以每秒一千次的速度进行扫描，这样任何进入的无人机都会撞到一堵无形的电磁能墙。”

“我们想要形成一个巨大的电场，由于目标的空腔和其他进入点在某些频率下更容易受到攻击，因此我们创建的是能量罩而不是发射一枚‘能量子弹’，任何飞入能量罩的东西都会被破坏。即使有很小的间隙和各种其他进入点，如果在开关上施加10或20伏电压，也足以扰乱电子设备，将其关闭。这就是高功率微波的威力，它会影响计算机、相机、引擎控制或其他任何电路。”

伊庇鲁斯公司研制的“列奥尼达斯吊舱”（Leonidas Pod）高功率微波系统

“列奥尼达斯”使用该公司独有的“智能电源”（SmartPower）电源管理技术，优化了射频的性能，确保系统在不会过热的情况下产生高功率脉冲。“智能电源”是一个由硬件、软件和机器智能算法组成的专用技术平台，采用实时人工智能和机器学习，最高可降低70%的功耗，从而降低系统的功率需求和对大功率电源的需求，并且比基于真空管的系统所需要的冷却更少。

该系统采用数字技术监控能量的转换，例如从交流电到直流电。洛厄里称，“数字架构提高了功率，因为目标中的所有非线性电路都被无源网络围绕，将其置于适当的偏置条件下。它优化了非线性电路的性能，并且我们采用了一系列动态控制，因此超越了无源静态系统的能力。也就是说，我们利用机器学习，通过调节漏极、栅极和输入信号来管理电路，以优化每个转换指标。”

洛厄里称，“我们还在应用的脉宽内和上升/下降时间上面执行包络跟踪、预失真和算法。这消除了传统非线性转换中产生的大量浪费，提高了效率并减少了热量，因此所需的冷却要少得多。我们尽全力使目标的等效全向辐射功率最大化，因为每个信道都低于‘托尔’等单信道方案所需的等效全向辐射功率。”

由于该系统采用软件定义技术，可以实时修改波形的带宽和其他参数，以便在拥塞的频谱环境中瞄准特定目标，这意味着“列奥尼达斯”可以对付己方装备附近的单架敌方无人机，同时降低大规模无人机蜂群的威胁。人工智能和机器学习技术的运用也使“列奥尼达斯”系统能随着时间的推移进行学习，因为它会接触到新的目标数据。该系统可以在空中进行软件升级，以优化参数，有助于对抗新的目标。

现实问题

高功率微波技术正在迅速成熟，与1970年代和80年代一样，来自作战方面的需求正在增加，目前主要应用于防空和机载武器，用于攻击敌方传感器到射手网络中的许多非动能弱点（即未采取电磁防护的线路和未受保护的数字化组件）。

在当前的俄乌冲突中，如果乌克兰武装部队可以获得这些高功率微波系统，一定会很有帮助。俄罗斯的无人机和巡航导弹对这些系统而言是绝佳的现场测试，但这似乎不太可能发生。据报道，“托尔”和“相位器”已经被美国部署到海外地区进行作战评估，“列奥尼达斯”还没有。洛厄里表示，伊庇鲁斯公司已经研制出四种型号的“列奥尼达斯”样机，已经准备好进行低速率初始生产（LRIP），并可在2023年部署至乌克兰。

审核编辑 ：李倩