Análise técnica sobre os radares AESA e PESA e suas características

E.M.Pinto


Pioneiros na aviação, os radres britânicos AI Mk. IV equipavam as aeronaves Bristol Beaufighter e o de Havilland Mosquito.

O desenvolvimento dos radares em aeronaves de combate tem sido uma parte fundamental da evolução tecnológica da aviação militar desde a Segunda Guerra Mundial. Inicialmente, os radares eram primitivos e limitados, usados principalmente para detectar aviões inimigos à distância.

Os primeiros radares militares instalados em aviões de combate surgiram durante a Segunda Guerra Mundial, representando um avanço significativo na aviação militar. Esses sistemas permitiam a detecção de aeronaves inimigas além do alcance visual, especialmente em missões noturnas ou em condições climáticas adversas.

Os norte americanos SCR-720 equipavam os caças P-61 Black Widow a primeia aeronave dedicada especificamente para o combate noturno.

Um dos pioneiros foi o AI Mk. IV, desenvolvido pelo Reino Unido. Esse radar operava na faixa de frequência VHF (Very High Frequency), entre 193 MHz e 214 MHz, e utilizava antenas dipolo montadas no nariz de caças como o Bristol Beaufighter e o de Havilland Mosquito. O sistema era composto por dispositivos como válvulas termiônicas (tubos de vácuo) e moduladores de pulso, que geravam sinais de rádio para detectar alvos a distâncias de até 5 a 8 km.

Nos Estados Unidos, o SCR-720, uma evolução do radar britânico, foi instalado no Northrop P-61 Black Widow, o primeiro caça projetado especificamente para operações noturnas. Esse radar operava em frequências semelhantes ao AI Mk. IV, mas com melhorias na resolução e alcance, atingindo até 8 a 12 km. Ele utilizava antenas Yagi e dispositivos de processamento de sinal mais avançados para a época, como amplificadores de baixo ruído e circuitos de sincronização.

Na Alemanha, o FuG 202 Lichtenstein BC foi um dos primeiros radares aerotransportados, equipando caças noturnos como o Messerschmitt Bf 110. Esse radar operava na faixa de UHF (Ultra High Frequency), em torno de 490 MHz, e utilizava antenas dipolo dispostas em uma configuração cruciforme. O sistema era composto por osciladores de cristal, moduladores de pulso e receptores super-heteródinos, permitindo detecções a distâncias de 2 a 4 km.

Os Alemães lançaram o FuG 202 Lichtenstein BC, o radar pioneiro a embarcar nas aeronaves  Messerschmitt Bf 110.

Esses radares iniciais eram volumosos, pesados e limitados em alcance e precisão, mas estabeleceram as bases para o desenvolvimento de tecnologias mais avançadas, como os radares utilizados em aviões modernos. Eles dependiam fortemente de dispositivos analógicos, como válvulas termiônicas e circuitos de rádio-frequência, que eram sensíveis a interferências e requeriam manutenção constante. Apesar das limitações, esses sistemas foram cruciais para o sucesso de missões de interceptação e defesa aérea durante a guerra.

No contexto da 2ª guerra, os primeiros sistemas de radar em aviões eram primitivos e estavam limitados à detecção de alvos à distância, muitas vezes com precisão reduzida devido às limitações tecnológicas da época. No entanto, foi durante a década de 1950 que os radares de caças começaram a evoluir de maneira substancial, com a introdução de tecnologias mais avançadas para melhorar a precisão e a capacidade de rastreamento em condições de combate.

F-86D Sabre, dos Estados Unidos, que utilizava o radar AN/APG-36, o qual já oeprava na banda X.

Nos anos 50 e 60, a tecnologia de radares aerotransportados avançou significativamente, permitindo que caças realizassem interceptações além do alcance visual (BVR – Beyond Visual Range). Um dos primeiros caças a empregar radar foi o F-86D Sabre, dos Estados Unidos, que utilizava o radar AN/APG-36, operando na banda X (8 a 12 GHz). Esse sistema de pulso Doppler tinha um alcance de aproximadamente 30 km e foi projetado para interceptação de alvos aéreos, especialmente bombardeiros. O F-86D foi um marco por integrar um radar que permitia o uso de mísseis ar-ar, como o AIM-4 Falcon.

O MiG-17PF foi um dos primeiros jatos do pós guerra a operarem radares, no caso o RP-1 Izumrud.

Na União Soviética, o MiG-17PF foi um dos primeiros caças a incorporar radar, utilizando o sistema RP-1 Izumrud, que operava na banda S (2 a 4 GHz). Esse radar de pulso simples tinha um alcance de cerca de 10 km e permitia interceptações em condições noturnas ou de baixa visibilidade. O sucessor, o MiG-19P, equipado com o radar RP-2 Izumrud, também operando na banda S, elevou o alcance para 12 km e introduziu a tecnologia de pulso Doppler, marcando um avanço significativo em relação ao MiG-17PF.

O F-104 Starfighter, dos Estados Unidos, foi outro caça importante da época, utilizando o radar AN/ASG-14T1, que operava na banda X. Com um alcance de cerca de 20 km, esse radar de pulso simples era usado principalmente para direcionamento de mísseis e interceptação. O F-104 foi amplamente exportado e utilizado por várias forças aéreas, incluindo a Alemanha Ocidental e o Japão.

O F-4 Phantom II, também dos Estados Unidos, representou um salto tecnológico com seu radar AN/APQ-72, posteriormente atualizado para o AN/APQ-120. Esses radares de pulso Doppler, operando na banda X, tinham um alcance de até 80 km, dependendo da versão, e eram capazes de rastrear e engajar múltiplos alvos. O F-4 foi um dos caças mais versáteis da época, com um radar que oferecia maior confiabilidade e alcance.

Uma das grandes revoluções surgiu com o advento dos radares AN/APQ-120 que equipavam o Phanton II. Este radar foi um divisor de águas, inaugurando uma nova era nos combates aéreos.

No Reino Unido, o English Electric Lightning foi equipado com o radar AI.23 Airpass, que operava na banda X e tinha um alcance de cerca de 40 km. Esse radar de pulso Doppler permitia busca e rastreamento simultâneos, sendo um dos primeiros sistemas britânicos a oferecer essa capacidade. Já na França, o Dassault Mirage IIIC utilizava o radar Cyrano I-bis, também operando na banda X, com um alcance de aproximadamente 25 km. O Cyrano foi um radar pioneiro francês, utilizado em várias versões do Mirage III.

A tecnologia de radar nesse período era baseada principalmente em sistemas de pulso simples e pulso Doppler, com a maioria operando nas bandas X (8-12 GHz) e S (2-4 GHz). Essas bandas ofereciam um bom equilíbrio entre alcance e resolução.

Nos anos seguintes, o radar passou a desempenhar um papel crucial no aumento da eficácia dos caças, com inovações como a varredura mecânica das antenas, permitindo um alcance mais amplo e a detecção de alvos aéreos a longas distâncias. Na década de 1970, com o advento dos sistemas de radar de varredura eletrônica ESA (Electronically Scanned Array ), a performance dos radares se tornou mais avançada, aumentando a precisão e a capacidade de rastreamento. Isso também permitiu que os radares dos caças se integrassem melhor com outros sistemas de combate, como mísseis e sistemas de armas.

O conceito do interceptador estratégico MIG 31, revolucionou a história com adoção do Radar PESA  RP-31 Zaslon, a aeronave possuia o radar de mairo alcance ja embarcado num caça e trazia inúmeras sofisticações que tornaram o combate a longa distância uma realidade temerosa para seus adversários.

A primeira aeronave a operar um radar do tipo Electronically Scanned Array (ESA), especificamente um Passive Electronically Scanned Array (PESA), foi o MiG-31 Foxhound, desenvolvido pela União Soviética. O radar utilizado no MiG-31 é o RP-31 Zaslon, também conhecido como N007 SBI-16.

O RP-31 oeprava na Banda X (8 a 12 GHz), com o impressionante alcance de 200 km contra alvos de grande porte (como bombardeiros) e 120 km. Um feito extraordinário para a sua época.

Este radar foi um marco na tecnologia de radares militares, sendo o primeiro radar operacional do mundo a empregar um sistema de varredura eletrônica passiva.o RP-31 oeprava na Banda X (8 a 12 GHz), com o impressionante alcance de 200 km contra alvos de grande porte (como bombardeiros) e 120 km contra caças. este radar era capaz de rastrear até 10 alvos simultaneamente e engajar 4 alvos ao mesmo tempo com mísseis ar-ar. O sistema utilizava um conjunto de elementos irradiantes fixos e um sistema de alimentação centralizado para direcionar o feixe de radar eletronicamente, sem a necessidade de movimentação mecânica. O MiG-31 entrou em serviço em 1981.

O RP-31 Zaslon foi um avanço significativo em relação aos radares mecânicos anteriores, oferecendo maior velocidade de varredura, confiabilidade e capacidade de multitarefa. Embora fosse um PESA (que usa um único transmissor/receptor central), ele pavimentou o caminho para os radares Active Electronically Scanned Array (AESA)

Como funcionam os radares?

Os radares convencionais funcionam através da emissão de ondas de rádio por uma antena conectada a um transmissor potente. Quando essas ondas atingem um objeto, uma parte do sinal é refletida de volta, sendo captada por um receptor sensível. Ao medir o tempo de retorno da onda, é possível determinar a distância e a localização do objeto.

Entretanto, esse tipo de radar exige que a antena seja fisicamente movida para varrer diferentes partes do espaço, o que limita a velocidade da varredura e pode reduzir a eficácia da detecção em cenários dinâmicos.

O princípio de funcionamento de um radar convencional que opera pelo efeito Doppler.

A partir da década de 1960, o desenvolvimento de dispositivos semicondutores permitiu a criação de radares com varredura eletrônica passiva, conhecidos de Matriz de Varredura Eletrônica Passiva, PESA (Passive Electronically Scanned Array). Esse sistema revolucionou a tecnologia de radares ao substituir a movimentação mecânica por um controle eletrônico preciso da emissão do sinal.

O PESA funciona dividindo o sinal de um transmissor único em diversos caminhos, aplicando atrasos seletivos e direcionando-o para uma matriz de antenas. O controle das interferências entre os sinais permite direcionar o feixe em diferentes direções sem necessidade de movimentação física.

Os radares do tipo PESA são sistemas de radar que utilizam uma antena com uma matriz de elementos radiantes fixos, nos quais o feixe é direcionado eletronicamente por meio de mudanças na fase do sinal de rádio. Diferentemente dos radares convencionais de varredura mecânica, os PESA possuem um único transmissor de alta potência, cuja energia é distribuída para os elementos da matriz por meio de uma rede de fase. Isso permite uma varredura muito mais rápida do que os sistemas mecânicos tradicionais, além de possibilitar o rastreamento simultâneo de múltiplos alvos.

Esses radares operam em uma ampla gama de frequências, geralmente dentro das bandas X (8-12 GHz) e S (2-4 GHz), otimizadas para detecção aérea de longo alcance e alta resolução. O alcance efetivo desses radares varia conforme o modelo e o tamanho da antena, podendo superar 300 km para detecção de alvos aéreos de grande porte.

Alguns exemplos notáveis incluem o radar NIIP N011M Bars, utilizado nos caças Su-30MKI e variantes, com um alcance de até 400 km para alvos de grande RCS e capacidade de rastrear múltiplos alvos simultaneamente. Outro exemplo relevante é o RBE2 PESA, desenvolvido pela Thales para o Dassault Rafale, com boa discrição eletromagnética e capacidade de rastrear e engajar vários alvos a distâncias superiores a 140 km.

Os radares PESA representam trouxeram um enorme avanço no setor militar  pois oferecem tempos de resposta mais rápidos, melhor resistência a interferências eletrônicas e maior confiabilidade mecânica devido à ausência de partes móveis para a varredura do feixe.

No entanto, sa transição natural para os modelo AESA (Active Electronically Scanned Array) era inevitável e apenas uma questão de tempo. O AESA representa a evolução natural do PESA, trazendo avanços significativos na capacidade de rastreamento e discriminação de alvos. Diferentemente do PESA, em que todas as antenas estão conectadas a um transmissor central, no AESA cada elemento da antena possui seu próprio transmissor-receptor (TRM – Transmitter Receiver Module), permitindo maior flexibilidade na emissão e recepção dos sinais.

Os famos TRM – Transmitter Receiver Module, são ocoração da engenharia dos radares modernos e tornaram possível o desenvolvimento das tecnologias atuais.

Essa tecnologia permite que o AESA opere simultaneamente em diferentes frequências, emitindo diversos feixes em direções distintas e acompanhando um maior número de alvos ao mesmo tempo. Isso confere às forças militares uma vantagem estratégica, especialmente em aeronaves de quinta geração, bem como em navios de guerra avançados.

Ao contrário do senso comum, a tecnologia de radares AESA não são novidade, sua origem remonta à década de 1950, quando os laboratórios Bell, nos Estados Unidos, buscavam aprimorar a sensibilidade e discrição dos radares. O avanço significativo ocorreu nos anos 1980, quando a tecnologia foi miniaturizada o suficiente para ser incorporada ao nariz de caças na década de 1990.
Os radares PESA são hoje mais frequentemente vistos como representando um beco sem saída tecnológico. O primeiro radar de caça a usar a tecnologia AESA foi o Mitsubishi J/APG-1, instalado no caça tático F-2, que entrou em serviço operacional em 2000, cinco anos antes do F-22 e do F-16E/F.

O primeiro caça de 5ª Geração a incorporar um radar AESA em larga escala foi o F-22 Raptor, equipado com o N/APG-77. Essa inovação revolucionou a aviação militar, impulsionando o desenvolvimento de radares AESA em países como Rússia, China, Japão e nações europeias.

Imagem demonstrando as vantagens ds AESA frente aos radares convencionais para o Rafale, no caso a possibilidade de fuga do alvo em pontos cegos, o que não ocorre no caso dos radares AESA, sendo esta apenas uma de suas vantagens.

Para compreender as vantagens do AESA, é essencial entender o funcionamento de um radar convencional. como abordado anteriormente, um radar tradicional emite ondas de rádio em um feixe único, detectando objetos ao captar os sinais refletidos. Esse princípio básico evoluiu ao longo do século XX, permitindo medições mais precisas de altitude, velocidade e trajetória.

O radar AESA difere dos convencionais ao utilizar centenas de pequenos módulos, cada um capaz de atuar como emissor e receptor independente. Em vez de um único feixe de rádio, o AESA emite múltiplos sinais de diferentes frequências e direções, distribuídos em uma área reduzida. Essa característica oferece diversas vantagens estratégicas.

A recente revelação do radar APG-85 como substituto do já avançado APG-81 nos caças F-35 causou surpresa entre especialistas e entusiastas da aviação militar. O APG-81 já é amplamente reconhecido como um dos radares mais sofisticados do mundo, mas a Lockheed Martin e seus parceiros agora apostaram no APG-85 como um novo padrão para a versão Block 4 da aeronave, prometendo avanços ainda mais significativos na detecção e rastreamento de alvos.

A tabela apresneta as vantages  dos sistemas AESA em relação aos PESA

Característica PESA AESA
Modo de operação Um único transmissor de alta potência com distribuição de sinal para os elementos da antena. Múltiplos módulos transmissores independentes, cada um operando individualmente.
Frequência de operação Normalmente banda X (8-12 GHz) ou S (2-4 GHz). Capacidade de operar em múltiplas frequências simultaneamente (frequency hopping).
Rastreamento de alvos Pode rastrear múltiplos alvos, mas com menor flexibilidade. Melhor capacidade de rastreamento simultâneo e maior precisão.
Resistência a interferências (jamming) Moderada, pode ser alvo de guerra eletrônica devido ao uso de um único transmissor. Alta, devido ao uso de múltiplas frequências e capacidade de mudar rapidamente em caso de interferência.
Furtividade (Low Probability of Intercept – LPI) Baixa, pois emite sinais em padrões previsíveis. Alta, pois distribui emissões e alterna frequências rapidamente, dificultando a detecção.
Confiabilidade Se o transmissor falhar, o radar pode perder funcionalidade. Altamente tolerante a falhas, pois pode operar mesmo com alguns módulos defeituosos.
Tempo de resposta Mais rápido que radares mecânicos, mas inferior ao AESA. Extremamente rápido, adaptando-se dinamicamente às ameaças.
Campo de visão Cerca de 120º, podendo ser ampliado com movimentação mecânica. Similar ao PESA, mas com melhor controle do feixe e possibilidade de soluções híbridas.
Exemplos de modelos NIIP N011M Bars (Su-30MKI), RBE2 PESA (Dassault Rafale). AN/APG-77 (F-22 Raptor), AN/APG-81 (F-35 Lightning II), Zhuk-AE (MiG-35).

Do ponto de vista prático, a grande revolução promovida pelos AESA, foi a eliminação da necessidade de componentes mecânicos para direcionamento. Em um radar AESA, cada elemento da antena possui seu próprio transmissor e receptor, permitindo um controle preciso do feixe de emissão. Isso o torna ainda mais rápido na varredura mais resistência a interferências e com maior capacidade de operação multitarefa, podendo alternar rapidamente entre modos ar-ar, ar-terra e de navegação superando os PESA.

Ao que se sabe o novo APG-85, traz melhorias substanciais, possivelmente incorporando avanços em circuitos de nitreto de gálio (GaN) (serão a bordados a seguir), que aumentam a eficiência e a potência do radar. Essa evolução permitirá ao F-35 identificar ameaças a distâncias maiores, operar com menor emissão detectável por sistemas inimigos e oferecer maior confiabilidade operacional.

A tabela apresenta os principais caças, seus radares

Aeronave Radar Módulos T/R Alcance de Detecção (km) Funções Principais País de Origem
F-22 AN/APG-77 ~ 2.000 200+ Detecção de baixa assinatura, LPI, EW EUA
F-35 AN/APG-81 ~ 1.676 150+ Rastreamento simultâneo, EW, SAR EUA
F-15E AN/APG-70 N/A ~ 150 Rastreamento ar-ar e ar-terra, SAR EUA
F-15X ~ 1.500 200+ Detecção de múltiplos alvos, SAR, EW EUA
F/A-18E/F AN/APG-79 ~ 1.300 ~ 200 Rastreamento simultâneo, EW, SAR EUA
Su-57 N036 Belka ~ 1.500 200+ Rastreamento multialvo, ECM, LPI Rússia
Su-35 Irbis-E N/A 350 (alvos grandes) Rastreamento de longo alcance, SAR Rússia
J-20 KLJ-5 ~ 2.000? 200+ Rastreamento furtivo, multialvo, ECM China
J-16 KLJ-7A ~ 1.500 200+ Rastreamento de alvos aéreos e terrestres China
J-15 Tipo 1475 (provável) ~ 1.200 ~ 200 Rastreamento multialvo, operações navais China
Rafale F4 RBE2-AA ~ 1.000 200+ Rastreamento ar-ar, ar-terra, EW França
 Typhoon Tranche III CAPTOR-E ~ 1.500 200+ Rastreamento multi-alvo, SAR, ECM Reino Unido / UE

Composição dos radares AESA

Os radares de varredura eletrônica ativa (AESA) são sistemas altamente complexos, compostos por diversos módulos e subsistemas que trabalham em conjunto para fornecer alta precisão, resistência a interferências e capacidade de rastreamento simultâneo de múltiplos alvos.

Sua arquitetura é fundamentalmente diferente dos radares convencionais, pois não depende de um único transmissor central, mas sim de múltiplos módulos distribuídos, conhecidos como módulos transmissores-receptores (TRMs – Transmit/Receive Modules). A seguir, estão as principais partes físicas e componentes essenciais de um radar AESA:

Matriz de Antenas e Módulos Transmissores-Receptores (TRMs)

A antena de um radar AESA é composta por uma matriz de centenas ou milhares de módulos de transmissão e recepção individuais. Cada TRM funciona de forma independente, podendo emitir e receber ondas de rádio em diferentes frequências simultaneamente. Isso possibilita a operação multifuncional do radar, permitindo a detecção, rastreamento e mapeamento ao mesmo tempo.

Os TRMs utilizam dispositivos semicondutores de arseneto de gálio (GaAs) ou nitreto de gálio (GaN), que garantem maior potência de transmissão, eficiência energética e resistência ao calor. Diferente dos radares convencionais, onde a direção do feixe é controlada mecanicamente, no AESA o feixe é direcionado eletronicamente, mudando instantaneamente de alvo sem a necessidade de movimentação física da antena.

Painel ou Antena Planar

Nos caças modernos, a antena AESA geralmente tem formato plano e é integrada ao nariz da aeronave. Algumas variações podem incluir múltiplos painéis para ampliar o campo de visão. A antena é protegida por um radome, uma carenagem especial feita de materiais transparentes a ondas de rádio, como compósitos de fibra de vidro ou materiais cerâmicos.

Alguns radares mais avançados combinam varredura eletrônica com movimentação mecânica da antena, permitindo um campo de visão ainda maior do que os típicos 120° dos sistemas exclusivamente eletrônicos.

Gerador de Frequências e Osciladores

Responsável por produzir as frequências de transmissão utilizadas pelos módulos TRM. Os radares AESA empregam técnicas de hopping de frequência, alternando rapidamente as frequências para evitar detecção e interferência de guerra eletrônica.

Processadores de Sinais Digitais (DSP – Digital Signal Processors)

O grande volume de dados coletado pelos TRMs precisa ser processado rapidamente. Os processadores de sinais digitais (DSPs) convertem os sinais recebidos em informações úteis sobre posição, velocidade e distância dos alvos. Os DSPs utilizam algoritmos avançados de filtragem de ruído, compensação de interferências e correção de distorções atmosféricas para melhorar a precisão do radar. Esses processadores também permitem que o radar execute funções múltiplas simultaneamente, como rastreamento de alvos aéreos, mapeamento do terreno e identificação de ameaças.

Unidade de Potência e Refrigeração

Radares AESA consomem mais energia do que radares convencionais, exigindo uma fonte de alimentação robusta integrada ao sistema elétrico da aeronave. A operação contínua dos TRMs gera calor significativo, o que exige um sistema eficiente de dissipação térmica e refrigeração, geralmente utilizando trocadores de calor ou líquidos refrigerantes.

Interface de Comunicação e Sistemas de Link de Dados

Para integração com outros sistemas da aeronave e com redes de defesa aérea, o radar AESA possui interfaces que permitem a comunicação com outros radares, satélites, sistemas de controle terrestre e outras aeronaves. O Link 16 é um exemplo de protocolo usado em forças aéreas ocidentais para compartilhamento de informações em tempo real entre aeronaves equipadas com radares AESA.

Composição Física do Radar AESA

Componente Função
Módulos TRM (Transmit/Receive Modules) Emissão e recepção de sinais de forma independente, permitindo rastreamento multifuncional.
Antena Planar Direciona eletronicamente os feixes de radar, geralmente localizada no nariz da aeronave.
Gerador de Frequências Produz as frequências de transmissão do radar, com capacidade de hopping de frequência.
Processadores de Sinais Digitais (DSPs) Processam os dados capturados e extraem informações sobre alvos.
Unidade de Potência e Refrigeração Garante fornecimento elétrico e dissipação térmica para manter o radar operando corretamente.
Sistemas de Link de Dados Permitem comunicação e compartilhamento de informações com outras unidades militares.

Em resumo, o radar AESA não é apenas um sistema de detecção, mas um centro de informações multifuncional dentro da aeronave, contribuindo para a superioridade aérea ao integrar capacidades avançadas de monitoramento, rastreamento e guerra eletrônica.

 Nitreto de Gálio o futuro dos  AESA?

Cristal de GaN o qual é visto como a ova tecnologia para radares militares de alta potência, como radares AESA para defesa aérea.

A composição das antenas dos radares é algo importante e só se tornou possível devido aos extensos estudos sobre desenvolvimento de propriedades de materiais, o Salto tecnológico ocorreu com advento da tecnologia controlada do Arseneto de Gálio (GaAs), extensamente usado nos radares desde então.

Ocorre que novos materiais e propriedades foram otimizadas e uma ciência fina chegou ao ápice da tecnologia com o desenvolvimento de matrizes de Nitreto de Gálio (GaN), material semicondutor que oferece melhor desempenho elétrico, maior eficiência térmica e maior resistência a altas frequências do que o Arseneto de Gálio (GaAs). O GaN permite radares mais potentes, compactos, resistentes a interferências e com maior alcance, tornando-se essencial para aplicações militares e de defesa aérea.

O GaN é um material semicondutor de gap largo (wide bandgap semiconductor), o que significa que ele pode operar em condições extremas de tensão, corrente e temperatura sem comprometer seu desempenho. Essas características fazem do GaN um material ideal para transistores de alta potência e alta frequência, usados em radares, telecomunicações e sistemas de guerra eletrônica.

A evolução dos sistemas de radar depende diretamente dos semicondutores utilizados em seus amplificadores de potência e módulos de transmissão. Atualmente, os dois materiais que dominam a indústria de radiofrequência (RF) e micro-ondas são o Nitreto de Gálio (GaN) e o Arseneto de Gálio (GaAs).

Embora ambos sejam semicondutores compostos III-V e amplamente empregados em circuitos de alta frequência, suas propriedades elétricas, térmicas e estruturais resultam em desempenhos distintos quando aplicados em radares, principalmente nos de tecnologia de varredura eletrônica ativa (AESA).

A diferença fundamental entre o GaN e o GaAs está na sua largura de banda proibida (bandgap). O GaN possui uma bandgap de 3,4 eV, significativamente maior que a do GaAs, que é de 1,43 eV. Isso confere ao GaN maior resistência a fenômenos como ionização de impacto, que limita a tensão de operação em materiais semicondutores tradicionais.

O GaAs, por outro lado, tem maior mobilidade eletrônica (~8500 cm²/Vs, comparado aos ~1500 cm²/Vs do GaN), o que permite um melhor desempenho em aplicações que exigem alta velocidade de comutação e baixo ruído de fase, como sistemas de comunicação.

Os dispositivos de potência baseados em GaN operam em tensões superiores às dos equivalentes de GaAs, frequentemente variando entre 28V e 50V, enquanto o GaAs geralmente opera em uma faixa de 5V a 10V. Essa característica permite que o GaN forneça uma densidade de potência muito superior (>10 W/mm contra ~1 W/mm do GaAs), tornando-o ideal para radares de longo alcance e sistemas de defesa que necessitam de alta potência de transmissão para detectar alvos a grandes distâncias.

Outro fator relevante  é a eficiência energética dos transistores de GaN é notavelmente superior à dos de GaAs, frequentemente atingindo 50% ou mais, enquanto o GaAs opera na faixa de 30-40%. Essa vantagem resulta em menor dissipação de calor para uma mesma potência de saída, reduzindo a necessidade de sistemas de resfriamento complexos.

Além disso, o GaN pode ser fabricado sobre substratos de SiC (carboneto de silício), um material que melhora a dissipação térmica devido à sua alta condutividade térmica (~490 W/m·K). O GaAs, por outro lado, é geralmente cultivado em substratos de GaAs, que possuem menor condutividade térmica (~46 W/m·K), limitando sua capacidade de dissipar calor de forma eficiente.

Principais Propriedades do GaN

Propriedade Valor / Característica
Gap de banda (Bandgap) ~3,4 eV (maior que o Si e o GaAs)
Tensão de ruptura >3x maior que o GaAs
Mobilidade eletrônica ~2000 cm²/Vs (menor que GaAs, mas aceitável)
Densidade de corrente Maior que a do GaAs e do Si
Eficiência energética Superior ao GaAs e Si
Temperatura operacional Pode suportar temperaturas superiores a 250°C
Frequência máxima operacional > 100 GHz

O GaN se sobressai quando se trata de operação em largas faixas de frequência, sendo capaz de funcionar de maneira eficiente em frequências superiores a 30 GHz. Isso o torna essencial para radares de banda larga e sistemas de guerra eletrônica. O GaAs, embora ainda competitivo, apresenta limitações na largura de banda e geralmente é mais empregado em sistemas operando abaixo de 10 GHz, como radares de curto e médio alcance para controle de tráfego aéreo e aplicações marítimas.

É importante também saber que os amplificadores de GaAs oferecem um ganho significativamente maior, variando entre 15 e 20 dB, enquanto os de GaN normalmente ficam na faixa de 10 a 15 dB. Isso significa que, para certas aplicações que exigem alta amplificação de sinal com baixa distorção, o GaAs ainda se mantém como uma opção viável. No entanto, a menor linearidade do GaN pode ser compensada por circuitos de pré-distorsão digital (DPD), o que melhora sua adequação para aplicações modernas.

A Família de Radares americanos ganha agora um novo RADAR O AN/APG85 que promete ser superior atodos os sistemas desenvolvidos pelos Estados Unidos e que traz melhorias frente ao An/APG82 que equipa o F35.

Quanto à confiabilidade do GaN, ainda é uma preocupação, especialmente devido à degradação gradual sob operação intensa e efeitos de armadilhamento de elétrons (electron trapping), que podem afetar sua estabilidade a longo prazo. O GaAs, sendo uma tecnologia mais madura e bem caracterizada, apresenta maior estabilidade e menor risco de falha em aplicações de longo prazo. No entanto, os avanços no desenvolvimento do GaN vêm reduzindo essas limitações.

O custo é um fator determinante e os dispositivos GaN são consideravelmente mais caros que os de GaAs, tanto pelo custo de fabricação quanto pelo uso de substratos mais sofisticados, como SiC. O GaAs, por sua vez, tem um processo de produção consolidado e substratos mais baratos, o que reduz seu custo geral.

Por outro lado, o GaN é amplamente utilizado em radares militares de alta potência, como radares AESA para defesa aérea, radares de rastreamento de mísseis e sistemas de guerra eletrônica. Seu alto desempenho em potência e eficiência faz com que seja o material de escolha para aplicações críticas que exigem confiabilidade em ambientes extremos.

Já o GaAs continua sendo relevante para radares de curto e médio alcance, como radares meteorológicos, radares de controle de tráfego aéreo e sensores de radar para veículos autônomos, devido ao seu custo reduzido e excelente linearidade.

Tabela Comparativa: GaN vs. GaAs em Aplicações de Radares

Característica GaN (Nitreto de Gálio) GaAs (Arseneto de Gálio)
Largura de Banda Proibida (eV) 3,4 1,43
Mobilidade Eletrônica (cm²/Vs) ~1500 ~8500
Tensão de Operação (V) Alta (28V – 50V) Baixa (5V – 10V)
Densidade de Potência (W/mm) >10 ~1
Eficiência Energética (%) ~50% ~30-40%
Condutividade Térmica do Substrato (W/m·K) 490 (SiC) 46 (GaAs)
Frequência Máxima de Operação (GHz) >30 <10
Ganho (Gain, dB) 10-15 15-20
Linearidade Média Alta
Custo de Produção Alto Baixo
Confiabilidade a Longo Prazo Boa, mas sujeita à degradação sob alta potência Muito estável e bem caracterizado
Resistência a Altas Temperaturas Alta Média
Resistência a Interferências/Jamming Alta Média
Durabilidade e Manutenção Alta durabilidade, baixa necessidade de manutenção Boa, mas exige maior monitoramento
Aplicações Principais Radares AESA militares, guerra eletrônica, radares de longo alcance Radares de curto e médio alcance, controle de tráfego aéreo, radares meteorológicos

Faixa de Frequências Operacionais dos Radares AESA Baseados em GaN

Os radares militares utilizam diferentes faixas de frequência, e o GaN tem sido usado principalmente nas bandas S, C, X e Ku.

Característica GaN (Nitreto de Gálio) GaAs (Arseneto de Gálio)
Largura de Banda Proibida (eV) 3,4 1,43
Mobilidade Eletrônica (cm²/Vs) ~1500 ~8500
Tensão de Operação (V) Alta (28V – 50V) Baixa (5V – 10V)
Densidade de Potência (W/mm) >10 ~1
Eficiência Energética (%) ~50% ~30-40%
Condutividade Térmica do Substrato (W/m·K) 490 (SiC) 46 (GaAs)
Frequência Máxima de Operação (GHz) >30 <10
Ganho (Gain, dB) 10-15 15-20
Linearidade Média Alta
Custo de Produção Alto Baixo
Confiabilidade a Longo Prazo Boa, mas sujeita à degradação sob alta potência Muito estável e bem caracterizado
Resistência a Altas Temperaturas Alta Média
Resistência a Interferências/Jamming Alta Média
Durabilidade e Manutenção Alta durabilidade, baixa necessidade de manutenção Boa, mas exige maior monitoramento
Aplicações Principais Radares AESA militares, guerra eletrônica, radares de longo alcance Radares de curto e médio alcance, controle de tráfego aéreo, radares meteorológicos

Desafios e Custos

O desenvolvimento e a fabricação de radares AESA representam desafios técnicos e financeiros consideráveis, tornando essa tecnologia uma das mais caras e complexas já incorporadas em caças modernos. Apesar de seus inúmeros benefícios, a adoção do AESA exige investimentos substanciais em pesquisa, engenharia de materiais e fabricação de semicondutores avançados, tornando seu custo significativamente superior ao dos radares convencionais.

A capacidade de produção anual de TRM é um grande problema para a produção de radares AESA, esta é uma tecnologia sensível e ainda se apresneta um entrave para muitos países. Na imagem a linha de produção do AN/APG82 na Reatheon.

A capacidade produtiva de radares AESA (Active Electronically Scanned Array) e o número de dispositivos TRM (Transmit/Receive Modules) são um fator limitante para  amaioria das nações e isso inclusive limita potências industriais militares mundiais.

A capacidade de produção dos chamados TRM, varia significativamente entre os paises como Rússia, China e EUA. Esses dados são frequentemente considerados sensíveis e não são divulgados publicamente de forma detalhada. No entanto, com base em estimativas e relatórios disponíveis até outubro de 2023, é possível fornecer uma visão geral comparativa.

Não se pode esquecer porém que radares que possuem maior concentração de TRM possem capacidades superires, a diferença de módulos chega a variar de modelo para modelo numa escala de 200 a 2000 TRM por radar, isso significa que a produção de radares com menos TRM é excencialmente mais facilitada e numerosa, já os radares de maior concentração de módulos são produzidos em menor quantidade.

Tabela de dados de produção anual de TRM e estimativa de produção de radares por países.

País TRM / Radar Radares / Ano  desenvolvedores Observações sobre Produção e Investimentos
Estados Unidos 500 – 1.000 200- 300 Raytheon, Northrop Grumman, Lockheed Martin A produção anual de radares AESA é robusta, com centenas de unidades entregues anualmente. Investimentos em pesquisa e desenvolvimento (P&D) para tecnologias avançadas. Produção militar e comercial.
China 300 – 2000 100 – 300 China Electronics Technology Group, CETC A China tem investido pesadamente em radares AESA para modernizar suas forças armadas. Detalhes sobre produção são confidenciais, mas há grande foco em inovação e produção em larga escala.
Rússia 400 – 800 20 – 50 Phazotron-NIIR, Almaz-Antey, KRET A Rússia possui uma indústria de defesa em expansão. Investimentos em tecnologia de radar AESA têm sido elevados, com foco em modernização de sua frota aérea e sistemas de defesa.
Coreia do Sul 500 – 900 30 – 100 LIG Nex1, Hanwha Systems, Samsung Thales A produção de radares AESA tem sido crescente, com contratos significativos com a Raytheon. Investimentos em modernização de aeronaves e defesa aérea são frequentes.
Reino Unido 200 – 600 10 – 40 Leonardo, BAE Systems O Reino Unido possui uma capacidade de produção de radares AESA, com um foco crescente em inovação para suas aeronaves militares. A produção é limitada a contratos específicos.
Itália 200 – 500 5 – 30 Leonardo, Selex ES A Itália se destaca no desenvolvimento de radares AESA para aeronaves militares e sistemas de defesa. Investimentos em P&D são significativos, com foco em exportações e alianças internacionais.
Israel 400 – 700 10 – 50 Elta Systems, Rafael Advanced Defense Systems Israel é um dos líderes em tecnologia de radar, com sistemas AESA sendo usados tanto em defesa quanto em aviação comercial. O investimento em inovação e produção tem sido consistente.

Quem são os principais produtores de radares AESA?

Atualmente, países como os Estados Unidos, China e algumas nações europeias, Israel, Rússia e Coreia do Sul conseguiram dominar a tecnologia AESA e integrá-la às suas aeronaves de combate mais avançadas. A China, por exemplo, conseguiu incorporar radares AESA em caças de quinta geração como o Chengdu J-20, demonstrando sua capacidade de produzir semicondutores de alto desempenho para aplicações militares.

Na imagem o KLJ-7AA o RADAR que equipa o J16, a China,se tornou um dos maiores produtores mundiais de radares AESA e incorporou o que se considera a mairo antena embarcada num caça, o J20.

No entanto, outras potências, como a Rússia, ainda enfrentam dificuldades significativas para reduzir o tamanho e o peso desses radares sem comprometer sua eficiência algo que se repete em Israel, Suécia, Coreia do Sul e Turquia.

Os principais radares AESA, suas origbs e estatos de produção.

Caça/Plataforma Radar Fabricante status
F-22 Raptor AN/APG-77 Northrop Grumman Década de 1990
F-35 Lightning II AN/APG-81 Northrop Grumman Década de 2000
F-35 Block 4 APG-85 Lockheed Martin Década de 2020
F-15EX AN/APG-82 Raytheon Década de 2010
F/A-18E/F Super Hornet AN/APG-79 Raytheon Década de 2000
Su-57 N036 Belka Tikhomirov NIIP Década de 2010
J-20 KLJ-5 China Electronics Technology Group Década de 2010
J-16 KLJ-7A China Electronics Technology Group Década de 2010
J-15 Tipo 1475 China Electronics Technology Group Década de 2010
Rafale F4 RBE2-AA Thales Década de 2010
Eurofighter Typhoon Tranche III CAPTOR-E Euroradar (Consórcio Europeu) Década de 2010
Gripen E/F ES-05 Raven Leonardo Década de 2010
MiG-35 Zhuk-AE Phazotron-NIIR Década de 2010
F-16 Block 70/72 AN/APG-83 Northrop Grumman Década de 2010
F/A-18 Block III AN/APG-79(V)1 Raytheon Década de 2020
KF-21 Boramae AESA Radar (em desenvolvimento) Hanwha Systems (Coreia do Sul) Previsto para 2025
TF-X (Turquia) AESA Radar (em desenvolvimento) Aselsan (Turquia) Previsto para 2025
AMCA (Índia) AESA Radar (em desenvolvimento) DRDO (Índia) Previsto para 2025
Tempest (Reino Unido) AESA Radar (em desenvolvimento) Leonardo UK Previsto para 2025
FCAS (Europa) AESA Radar (em desenvolvimento) Indra (Espanha) e Thales (França) Previsto para 2025

A indústria russa tem buscado alternativas para adaptar sistemas AESA aos seus caças mais modernos, como o Su-57, mas enfrenta obstáculos relacionados à produção em larga escala de componentes eletrônicos de alto desempenho (TRM), bem como à confiabilidade e ao tempo de vida útil dos módulos de transmissão-recepção. Esses desafios decorrem, em parte, da dependência russa de tecnologias de semicondutores ocidentais e ou chineses, uma barreira que tem sido dificultada peas sanções econômicas e restrições comerciais impostas nos últimos anos.

N036 Belka da Tikhomirov NIIP está em desenvolvimento desde 2000. é e a aposta russa para equipar os caças SU57 e provavelmente será a matriz do caça SU75. Porém, apesar dos desenvolvimentos recentes dos últimos 5 anos, a capacidade industrial russa ainda é limitada, razão pela qual a escala de entrega dos caças Su-57 é considerada lenta, sendo aprodução do RADAR um gargalo atual da indústria segundo alguns especialistas.

Além do alto custo de desenvolvimento, a adoção da tecnologia AESA traz impactos diretos na estrutura e operação das aeronaves. O consumo energético elevado desses radares exige sistemas elétricos e de refrigeração mais eficientes, aumentando a complexidade da integração. Isso também implica modificações na fuselagem para acomodar os módulos do radar sem comprometer a aerodinâmica e a furtividade da aeronave.

Adicionalmente, a manutenção dos radares AESA é mais dispendiosa em comparação aos sistemas convencionais, pois os módulos emissores individuais podem exigir substituições periódicas devido ao desgaste operacional. Mesmo com esses desafios, o investimento na tecnologia AESA se justifica pelos benefícios estratégicos que ela oferece. Em cenários de guerra aérea moderna, a capacidade de detectar alvos a longas distâncias sem ser facilmente identificado pelo inimigo é um fator determinante para o sucesso de missões de superioridade aérea, defesa aérea e ataques de precisão.

A incorporação de radares AESA nos caças das novas gerações não apenas melhora suas capacidades furtivas, mas também redefine os paradigmas da guerra aérea ao permitir uma maior consciência situacional, integração com outras plataformas e superioridade em combate eletrônico.

No futuro, espera-se que novos avanços na miniaturização, no uso de materiais semicondutores mais eficientes, como o nitreto de gálio (GaN), e na inteligência artificial ampliem ainda mais as capacidades dos radares AESA, tornando-os ainda mais letais e versáteis no campo de batalha.


Fonte

  1. China Military Power Report, Departamento de Defesa dos Estados Unidos (DoD), https://www.defense.gov/News/Reports/China-Military-Power-Report/
  2. Military Balance, Instituto Internacional de Estudos Estratégicos (IISS), https://www.iiss.org/publications/the-military-balance
  3. Russian Defense Industry Analysis, Centro de Análise de Estratégias e Tecnologias (CAST), https://cast.ru/en/
  4. SIPRI Yearbook, Instituto Internacional de Pesquisa para a Paz de Estocolmo (SIPRI), https://www.sipri.org/yearbook
  5. Advanced Radar Systems, Northrop Grumman, https://www.northropgrumman.com/what-we-do/air/advanced-radar-systems/
  6. AESA Radar Technology, Raytheon Technologies, https://www.raytheon.com/capabilities/products/aesa-radar

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