China pronta para dominar radares de nova geração após resolver principal problema: calor desperdiçado.

O trabalho não se centra em antenas novas e vistosas ou em software capaz de “derrotar” furtividade, mas em algo muito menos fotogénico: como remover o excesso de calor dos minúsculos dispositivos de potência que estão no coração dos radares de topo.

A corrida dos radares em que o calor vence o sinal

Os radares militares modernos, regra geral, não falham por “não conseguirem ver longe o suficiente”. Batem numa parede porque sobreaquecem primeiro. Cada watt adicional injetado no transmissor de um radar traz imagens mais nítidas e maior alcance, mas também despeja mais calor num chip do tamanho de uma unha.

Dentro do cone do nariz de um caça ou do painel plano de um sistema de defesa aérea, milhares destes chips trabalham em conjunto. São construídos em nitreto de gálio (GaN), o material que substituiu o antigo arsenieto de gálio nos mais avançados radares AESA (active electronically scanned array).

O GaN é valorizado porque lida com tensões mais elevadas, comutação mais rápida e densidade de potência muito superior à dos seus antecessores. É por isso que caças chineses como o J-20 e o J-35, e os planos americanos para futuras atualizações do F‑35, giram em torno de módulos de radar baseados em GaN.

Há, contudo, um senão: o GaN aquece muito. Ao exigir mais em aplicações exigentes nas bandas X e Ka - como guiamento de mísseis, seguimento de longo alcance e comunicações por satélite - o chip começa a “cozinhar-se” a si próprio mais depressa do que o arrefecimento convencional consegue acompanhar.

Em radares de ponta, foram os limites térmicos - e não o desenho dos transístores - que, discretamente, definiram o teto de desempenho durante quase vinte anos.

Uma equipa de investigação da Universidade de Xidian, em Xi’an, afirma ter elevado agora esse teto de forma simples, mas com grande alcance: reengenheirando a camada microscópica no interior do chip que canaliza o calor para longe da região ativa.

A “camada invisível” que estrangula os radares GaN

No centro do avanço está uma pequena interface chamada camada buffer ou de ligação (bonding layer). Esta camada ultrafina “cose” diferentes materiais semicondutores dentro da pilha do dispositivo. Tradicionalmente, essa cola é feita de nitreto de alumínio.

Quando é crescida da forma habitual, esta camada não forma uma folha lisa e contínua. Em vez disso, cresce como micro-ilhas desorganizadas, um pouco como grumos de gravilha entre duas lajotas. Para o desempenho elétrico, isso pode ser tolerável; para o fluxo de calor, é um problema.

Essas estruturas irregulares dispersam fónones - os transportadores de energia térmica num cristal - e aprisionam calor. Com o tempo, a resistência térmica efetiva do dispositivo aumenta. O chip atinge um teto térmico muito antes dos limites teóricos do material.

O grupo liderado pelo investigador Zhou Hong procurou domar essa camada. Ao ajustar as condições de crescimento da interface, forçaram o material a crescer de forma mais lisa e uniforme. O resultado é uma “autoestrada térmica” contínua que transporta o calor para o substrato com muito maior eficiência.

Os primeiros resultados de testes, publicados na revista Science Advances, são impressionantes:

• resistência térmica da pilha do dispositivo reduzida em cerca de um terço
• desempenho de potência relevante para radares aumentado em cerca de 40% sem aumentar o tamanho do chip nem o consumo de energia

O avanço não depende de materiais exóticos novos; remodela a forma como as estruturas GaN existentes evacuam calor da sua região mais quente.

O que significa realmente mais 40% de potência útil

Na engenharia de radar, mais 40% de potência de saída ao nível do chip não se traduz simplesmente em “mais 40% de radar”. Os ganhos multiplicam-se ao longo dos muitos módulos de transmissão/receção da antena e alimentam várias métricas de desempenho.

As melhorias descritas pelos engenheiros chineses tipicamente permitiriam:

• maior alcance de deteção sem aumentar a matriz da antena
• discriminação mais fina entre alvos próximos a grande distância
• maior resistência a interferências (jamming), já que o radar pode “gritar” mais alto do que a interferência hostil
• atualização mais rápida e melhor seguimento de ameaças que se aproximam rapidamente

Para uma aeronave furtiva, isto significa detetar outros objetos mais cedo mantendo emissões próprias baixas, preservando a capacidade de se ocultar. Para radares de defesa aérea baseados no solo, o mesmo número de painéis pode cobrir um volume maior de céu ou seguir mais alvos em simultâneo.

Plataformas móveis, como navios ou veículos terrestres, ganham uma vantagem diferente: podem instalar radares de maior desempenho sem acrescentar sistemas de arrefecimento volumosos - uma dor de cabeça constante em cascos e torres confinados.

Zhou sublinha que o aumento de potência ocorre sem aumentar o próprio chip, uma restrição crucial nos narizes das aeronaves, onde cada milímetro conta. Aplicada a redes civis, a mesma técnica poderia estender cobertura ou taxas de dados, reduzindo simultaneamente a energia por bit - uma combinação rara na eletrónica de alta frequência.

Uma vantagem discreta na cadeia de abastecimento de semicondutores

Isto não é apenas uma curiosidade de laboratório. Assenta num benefício de matérias-primas de que a China já dispõe. O país é o maior produtor mundial de gálio, o elemento-base do GaN. Pequim já apertou os controlos de exportação de gálio para utilizadores estrangeiros de defesa e alta tecnologia.

Isso significa que qualquer avanço de gestão térmica em dispositivos GaN encaixa numa cadeia de valor que Pequim controla em grande medida - das minas às bolachas (wafers) e aos módulos de radar encapsulados. A Universidade de Xidian enquadra o trabalho como um passo em frente nos semicondutores de “terceira geração” e como ponte para materiais ainda mais exóticos de “quarta geração”, como o óxido de gálio, que tolera campos ainda mais elevados.

Material	Utilização típica	Principal ponto forte	Principal limitação
Silício	Eletrónica padrão, potência de baixa frequência	Barato, maduro, enorme ecossistema	Limitado a tensões e frequências muito elevadas
Arsenieto de gálio	Radares mais antigos, amplificadores RF	Bom desempenho em alta frequência	Menor capacidade de potência do que o GaN
Nitreto de gálio	Radares AESA modernos, estações base 5G	Elevada densidade de potência, eficiência	Desafios severos de gestão térmica

Para além dos mísseis: aplicações civis a alinhar-se

Os beneficiários imediatos de dispositivos GaN melhor arrefecidos estão na defesa. Radares de vigilância de longo alcance, sistemas de direção de tiro para mísseis superfície-ar e cabeças de busca de munições de nova geração vivem no limite das restrições térmicas.

Os mesmos blocos de construção também alimentam tecnologias não militares. Amplificadores GaN de alta potência já são usados em ligações por satélite na banda Ka, em estações base 5G avançadas e em propostas para futuras redes 6G. As gigantes das telecomunicações valorizam o GaN pela eficiência em frequências brutais, o que ajuda a manter as faturas de eletricidade sob controlo.

Investigadores chineses sinalizaram ambições mais amplas. Em dezembro, outro grupo de Xidian apresentou um protótipo de dispositivo “tipo radar” que recolhe energia micro-ondas de campos eletromagnéticos ambientais e a converte em eletricidade utilizável. Esse tipo de conceito de recolha de energia também beneficia de componentes RF mais frios e eficientes.

Melhores caminhos térmicos dentro de chips GaN podem transbordar de caças e mísseis para banda larga por satélite, ligações sem fios ultra-rápidas e até dispositivos de recolha de energia.

O que isto significa para programas dos EUA e da Europa

As forças ocidentais estão longe de ficar paradas. Os EUA trabalham há anos para reequipar a frota de F‑35 com módulos de radar baseados em GaN e integrar GaN em sistemas de defesa aérea e navais de nova geração. A Europa, com empresas como a Thales e a Leonardo, também investe fortemente em GaN para radares terrestres e aerotransportados.

Mas o controlo chinês das reservas de gálio, combinado com progressos em encapsulamento e desenho térmico, abre a porta a um cenário em que Pequim coloca em campo hardware semelhante - ou superior - com menos dores de cabeça na cadeia de abastecimento.

Num conflito de alta intensidade, isso poderia traduzir-se em navios e aeronaves chineses capazes de manter os seus radares a plena potência durante mais tempo, operar em climas mais quentes com menos limitações (derating), ou concentrar mais capacidade em plataformas mais pequenas.

Riscos, benefícios e o que pode vir a seguir

Avanços térmicos trazem oportunidades e novas tensões.

• Vantagem militar: seguimento de maior alcance e melhor resistência a interferências reforçam redes integradas de defesa aérea.
• Espaço e telecomunicações: dispositivos GaN mais compactos e frios podem reduzir tamanho e consumo de energia de cargas úteis de satélites e estações base.
• Dinâmica de corrida armamentista: à medida que os radares se tornam mais fortes, sistemas contra-furtividade e de guerra eletrónica escalam em paralelo.

Existem também ressalvas técnicas. Aproximar dispositivos GaN dos seus limites teóricos torna a fiabilidade e o envelhecimento a longo prazo mais sensíveis a pequenas falhas de fabrico. Qualquer defeito minúsculo nessa camada de interface cuidadosamente concebida pode gerar pontos quentes locais, falhas precoces ou deriva de desempenho.

Os engenheiros terão de validar estes dispositivos em condições reais de operação: ciclos térmicos rápidos em voo, sal e vibração no mar, areia e poeira em sistemas terrestres. Os resultados de laboratório parecem promissores; os sistemas no terreno impõem testes mais duros.

Termos-chave que vale a pena esclarecer

Para leitores que queiram enquadrar o tema, alguns conceitos ajudam:

• Radar AESA: em vez de orientar mecanicamente uma única antena, milhares de pequenos módulos de transmissão/receção orientam o feixe eletronicamente. Isto permite varrimento mais rápido e vários feixes em simultâneo, mas exige muitos chips RF de elevado desempenho.
• Resistência térmica: medida de quão difícil é o calor atravessar um material ou estrutura. Menor resistência térmica significa que uma dada carga térmica provoca uma menor subida de temperatura.
• Bandas X e Ka: bandas de frequência micro-ondas amplamente usadas em radares de alta resolução e comunicações por satélite. Quanto maior a frequência, mais exigente se torna o hardware.

Se a abordagem de Xidian para suavizar o caminho térmico dentro de dispositivos GaN escalar para produção em massa, poderá, discretamente, deslocar o equilíbrio em vários setores estratégicos ao mesmo tempo. Do ponto de vista de um engenheiro de radar, o prémio é simples: mais potência útil, na mesma área de chip, ao mesmo custo energético. Do ponto de vista geopolítico, isso pode ser suficiente para dar à China uma vantagem na era dos “super-radares” que veem primeiro, reagem depressa e nunca chegam bem a sobreaquecer.