Guerra Eletrônica - O Espectro Eletromagnético *189

Guerra Eletrônica - Generalidades

Denomina-se espectro eletromagnético (EEM) ao conjunto de frequências de radiação eletromagnética, utilizáveis ou não, que compõem o universo desta importante componente física. É utilizado militarmente na transmissão de informações e endereçamento de armas através de enlaces de rádio, na construção de armas de pulso eletromagnético e nas operações de sensoriamento de todos os tipos como a operação de radares e dispositivos MAGE, sendo o elemento principal na coleta de informações de combate, marcação de alvos e comunicações militares entre outros, e seu uso é vital aos sistemas de guerra modernos. Devido a sua velocidade de propagação (próxima aos 300.000 km/s – velocidade da luz) se presta a conexão instantânea ou próximo disto, aos enlaces de transmissão de informações de todos os tipos nas distâncias terrestres, e com atrasos crescentes nas distâncias extraterrestres. É o campo de batalha das operações de guerra eletrônica (EW).

Antes do advento dos “tempos modernos”, marcados pela tecnologia mais recentemente dominada nos últimos séculos, a parte do espectro utilizada pelo homem sempre foi a luz visível, embora sem se dar conta que ela era componente de um conjunto de radiações bem mais amplo. A radiação infravermelha (IR) também foi utilizada intensamente pelos séculos de forma primária, pois é através que o calor se propaga. Os gregos antigos fizeram os primeiros estudos do comportamento da luz visível e registraram as primeiras teorias, incluindo os fenômenos da refração e reflexão, comum a todos os tipos de ondas. William Herschel fez as primeiras descobertas em 1800 além da luz visível, teorizando que “raios caloríficos” não visíveis eram um tipo de luz além da luz, descobrindo a radiação infravermelha (IR) em um extremo do espectro visível. A radiação ultravioleta (UV) foi descoberta por Johann Ritter em seguida, como uma forma de “radiação química”, que induzia certas reações químicas, no outro extremo do espectro visível.

Em 1845 Michael Faraday relacionou radiação eletromagnética com eletromagnetismo, e em 1860 James Maxwell desenvolveu equações relacionais, percebendo que a radiação deslocava-se em velocidades próximas à da luz e sugerindo que a própria luz é uma forma desta radiação. Maxwell previu um número infinito de frequências e sua inserção em um coletivo maior que foi denominado espectro eletromagnético. Por volta de 1886 Heinrich Hertz descreveu as ondas de baixa frequência (rádio) e as micro-ondas situando-as abaixo do IR, e em 1895 Wilhelm Rontgen descobriu os raios-X no outro extremo do espectro, e em 1900 Paul Villard identificou os raios gama em altíssima frequência, com Willian Henry Bragg demonstrando em 1910 estes também serem radiação eletromagnética e não partículas, como sugerido.

A radiação eletromagnética viaja pelo meio através de ondas e todas estas ondas são basicamente a mesma forma de radiação. Todas elas podem transpor o espaço vazio ao contrário das ondas sonoras que são mecânicas, e deslocam-se à velocidade da luz no vácuo do espaço cósmico. A diferença básica entre os tipos de radiação são as diferentes frequências. Cada frequência tem um comprimento de onda associado. À medida que a frequência aumenta em todo o espectro, o comprimento de onda diminui. A energia transportada também aumenta com a frequência. Por esse motivo, frequências mais altas penetram na matéria mais rapidamente. A frequência é inversamente proporcional ao comprimento de onda, e qualquer forma desta radiação também pode ser representada por sua faixa de comprimentos de onda.

As ondas eletromagnéticas podem variar de comprimentos de muitos quilômetros ou até anos-luz, a tamanhos subatômicos. Quanto maior a frequência de uma onda, menor é seu comprimento e mais tecnologia é necessária para que seja utilizada e manipulada. Cada faixa de frequências é vocacionada para um conjunto de aplicações específicas, podendo estas se sobreporem com suas vantagens e desvantagens, e nominadas em 7 grandes grupos distintos, sendo que estes grupos se sobrepõem em seus extremos, que possuem características de ambos os grupos, o que torna dificílimo estabelecer um limite claro entre eles.

Estes grupos são:

1. Ondas de rádio,

2. Micro-ondas,

3. Infravermelho (IR),

4. Luz visível,

5. Ultravioleta (UV),

6. Raios X

7. Raios gama.

Ondas de Rádio

As faixas de menor frequência do espectro são as denominadas “ondas de rádio”, que podem ser recebidas e emitidas por antenas comuns, sendo a parte mais facilmente manipulável. A atmosfera é transparente a estas ondas de forma relativa, pois permite que elas viajem de uma antena a outra, porém camadas da ionosfera podem refleti-las dependendo da frequência. Esta reflexão permite que estas ondas tenham um longo alcance à custa de interferência atmosférica mais pesadas nas frequências de maior alcance, e permite transmissões como a dos radares OTH e rádio de ondas médias. Acima das ondas de rádio vem a faixa de micro-ondas que não tem a propriedade de reflexão atmosférica e viajam como a luz visível.

A faixa de frequências mais baixa do EEM é a de Ultra Baixa Frequência (ULF), que vai de 300 Hz a 3 kHz e podem viajar tanto pela atmosfera quanto pela água sem grande atenuação, penetrando inclusive camadas de terra sólida. É usada na comunicação com submarinos e dispositivos subaquáticos, na exploração de minas e possui a desvantagem de carregar pouca informação como por exemplo o código morse, sendo a largura da banda muito estreita. Antenas inseridas no solo podem ser usadas para conectar receptores em alcances limitados, como já experimentado por radioamadores, e sistemas mais modernos pode fazer o papel de “GPS” para localização e orientação dentro de ambientes confinados. Suas ondas são muito longas e exigem grandes antenas. Observou-se que grandes terremotos são precedidos por picos de emissões ULF, sendo que esta frequência poderá vir a ser utilizada também para este fim, assim que o fenômeno for melhor compreendido.

Na faixa de 3 kHz até os 30 kHz temos as chamadas Muito Baixa Frequência (VLF), também muito limitada na transmissão de informações porém com bandas mais largas, e utilizada em sistemas de navegação e comunicação submarinas com penetração de 10 a 40 m dependendo da frequência e salinidade, mas ainda muito estreita para carregar sinais de áudio, prestando-se como a anterior à transmissão de códigos. É refletida pela ionosfera e pode ser usada para conexões de grandes distâncias, em sinais de navegação e nas aplicações citadas na banda anterior como a conexão em minas e radioamadores.

Acima dos 30 kHz até os 300 kHz temos a Baixa Frequência (LF) ou “ondas longas”, banda esta que tem a propriedade de poder se propagar na atmosfera em torno do globo, por reflexão na ionosfera ou na própria superfície, assim como as VLF, podendo ser usadas nas comunicações de longa distância por transpor montanhas e seguir os contornos do globo. Está sujeita no entanto, a interferência atmosférica de forma intensa como todas aquelas que são refletidas, carregando consigo muito estática que deteriora em muito a qualidade das transmissões. Foi usada em radiofaróis (LORAN-C 100 kHz, Decca 70 e 129 kHz) e possuem a propriedade, como as bandas inferiores, de penetração submarina nas frequências abaixo dos 50 kHz, são usadas ainda pelos rádio-amadores e telemetria de GPS nos 283 e 325 kHz. Propaga-se por até 2000 km pelo solo.

Acima dos 300 kHz até os 3 MHz temos a Média Frequência (MF) ou “ondas médias” que são refletidas pela ionosfera de forma mais acanhada que as LF, porém no período noturno permite que estações de rádio (rádio AM) alcancem centenas e até milhares de km. É usada na radiodifusão AM, sinais de rádio de navegação , comunicação marítima navio-terra e controle de tráfego aéreo transoceânico. Permite a transmissão digital com qualidade semelhante ao VHF (FM).

Entre os 3 MHz até os 30 MHz temos a Alta Frequência (HF), banda também conhecida como “ondas curtas”, usada para o radiocontrole devido a possibilidade de codificar mais informações a medida que a frequência sobe. Assim como as LF e MF também são usadas na comunicação de longa distância por sua propriedade de reflexão na ionosfera.

Acima dos 30 MHz até os 300 MHz temos a Muito Alta Frequência (VHF), usadas na transmissão de rádio FM e canais de TV, comunicações militares táticas e comunicação e navegação aérea (VOR e ILS). Apresenta boa qualidade de transmissão e baixa interferência atmosférica, capaz de realizar transmissões digitais. Não pode ser refletida pela ionosfera e propaga-se em distâncias livres de obstáculos, não tendo por este motivo alcances muito longos.

Logo após temos dos 300 MHz aos 3 GHz a Ultra Alta Frequência (UHF) com as mesmas aplicações do VHF, porém com um número de canais muito maior devido à largura da banda. Usado em transmissões de rádio e TV, comunicações militares e aeronáuticas, GPS, telefonia celular entre outras.

Micro-ondas

As faixas subsequentes são as “microondas”, assim denominadas devido ao seu pequeno comprimento em relação às da primeira faixa, embora é claro, existam frequências da primeira faixa localizadas próximas a estas e que partilham de características semelhantes. Medem de 100 mm a 1 mm de comprimento são ondas de rádio muito curtas, e se propagam pela linha de visão com alcance máximo de 64 km em uma extremidade e não mais que 1 km na extremidade superior, não sendo capaz de se refletir na ionosfera, transpor montanhas ou se propagar pelo solo, sendo muito atenuadas pela umidade atmosférica e pela chuva. Convencionadas como as integrantes das faixas SHF e EHF.

SHF Super Alta Frequência (super high frequency) que comporta as bandas NATO F, G, H, I, J e K (esta última ondas milimétricas) no intervalo de 3 até 30 GHz, usadas na comunicação terrestre e com satélites, radares de todos os tipos e comunicação omnidirecional.

EHF Extra Alta Frequência (extremely high frequency) também conhecidas como “ondas milimétricas” (acima dos 20 GHz) que comporta as bandas NATO L e M no intervalo entre 30 e 300 Ghz, sendo a faixa mais altas das radiofrequências. Possuem alcance muito curto por serem altamente atenuadas pela umidade atmosférica, o que permite que sejam reutilizadas. Permite a produção de antenas muito pequenas que podem produzir feixes muito estreitos, difíceis de monitorar e com alta resolução de sinais. Existem janelas de 35, 94, 140 e 220 GHz que permitem alcances maiores.

As micro-ondas não podem ser manipuladas por antenas comuns, tendo as suas próprias, e necessitando de dispositivos denominados válvulas (válvulas termoiônicas) Krystron e Magnetron para sua utilização, que aquecem muito e demandam por consequente mais energia. Como as ondas de rádio de menores frequências podem penetrar as superfícies, embora com menor poder. Não podem ser conduzidas por fios tradicionais e utilizam dispositivos denominados guias de ondas para seu manejo. As frequências EHF ainda não são muito usadas para comunicação via rádio, devido à dificuldade tecnológica de codificar e decodificar amplitude e modulação de frequência tão altas.

Infravermelho (IR)

A faixa subsequente do espectro (infravermelho – IR) cobre as frequências de 300 GHz a 400 THz ( 1mm a 750 nm) e é separada em 3 sub-faixas: O infravermelho (IR) distante de 300 GHz a 30 THz que ainda se confunde com as micro-ondas. É uma faixa de radiação denominada terahertz ou sub-milimétrica na faixa de 100 GHz a 30 THz que engloba uma porção da faixa anterior, até então pouco utilizada, e que está sendo estudada na construção de dispositivos de incapacitação de meios eletrônicos inimigos. Esta região do espectro é fortemente atenuada pela atmosfera (que fica opaca) não se prestando a aplicações de longa distância. Algumas pequenas janelas nesta faixa permitem aplicações na astronomia por possibilitarem alguma forma de transmissão. O IR médio vai de 30 THz a 120 THz e é usada pelos irradiadores de calor, que é fortemente absorvida pelos corpos em geral e usada nos mísseis guiados pelo calor mais antigos, por exemplo. O IR próximo vai de 120 THz a 400 THz e se comporta de modo semelhante a luz visível. É usada para sensoriamento de imagens de estado sólido e na guiagem dos mísseis IR mais recentes (IIR), que trabalham com formação de imagens. Uma aplicação mais recente são os sensores IRST, que se comportam como radares passivos, já muito empregado na aviação de caça. Os FLIR trabalham com a elaboração de imagens e também atuam nesta faixa do IR.

Espectro Visível (luz)

Ocupando a próxima faixa do espectro vem a luz visível imediatamente acima da radiação IR, onde o sol atua no seu pico de potência, que também emite radiação IR em grande quantidade, entre outras. É a faixa do espectro que pode ser captada pelo olho humano, limitada em seu extremo inferior pela radiação vermelha e no superior pela radiação violeta, e ocupa a faixa dos 400 THz até os 790 THz. Como o olho humano capta toda esta faixa ao mesmo tempo, sua combinação resulta na luz branca, que é uma combinação de várias frequências luminosas. As guias de fibra ótica podem utilizar esta radiação, mas comumente usam as do IR próximo.

Radiação Ultravioleta (UV)

Acima do espetro visível a aplicação militar é pouco significativa, vem a radiação ultravioleta (UV) e que tem o poder de ionizar átomos, usada na manipulação de reações químicas. Juntamente com a radiação de raios-X e raios gama é chamada de radiação ionizante, e sua exposição pode danificar o tecido vivo. Juntamente com a luz visível provoca o fenômeno da fluorescência. A faixa intermediária da radiação UV não tem poder de ionização, mas pode quebrar ligações químicas, tornando as moléculas extraordinariamente reativas. As queimaduras solares, por exemplo, são causadas pelos efeitos perturbadores da radiação UV de médio alcance nas células da pele, que é a principal causa do câncer de pele. Os raios UV na faixa intermediária podem danificar irreparavelmente as complexas moléculas do DNA.

O Sol emite radiação UV significativa, incluindo radiação UV extremamente curta que pode potencialmente destruir a maior parte da vida. No entanto, a maioria dos comprimentos de onda UV prejudiciais do Sol é absorvida pela atmosfera antes de atingir a superfície. As faixas mais altas de energia (menor comprimento de onda) de UV (chamadas de "UV a vácuo") são absorvidas pelo nitrogênio e, em comprimentos de onda mais longos, pelo simples oxigênio diatômico no ar. A maior parte dos raios UV na faixa intermediária de energia é bloqueada pela camada de ozônio, que absorve fortemente na faixa importante de 200–315 nm, cuja parte de energia mais baixa é muito longa para o CO2 atmosférico absorver. Isso deixa menos de 3% da radiação solar ao nível do mar em UV, com tudo isso nas energias mais baixas. O restante é UV-A, junto com alguns UV-B. A faixa mais baixa de energia UV entre 315 nm e luz visível (chamada UV-A) não é bem bloqueada pela atmosfera, mas não causa queimaduras solares e menores danos biológicos. No entanto, não é inofensivo e cria radicais de oxigênio, mutações e danos à pele. 

Raios X

Acima da faixa UV temos os raios-X que podem atravessar corpos com pouca absorção, permitindo a formação de imagens, muito usados na medicina e astronomia. A atmosfera é opaca aos raios-X, devendo os telescópios que utilizam esta radiação serem colocados fora dela. Uma camada de 10 m de água é suficiente para bloquear a maior parte dos raios-X astronômicos.

Raios Gama

E na camada superior do espectro temos os raios gama (radiação ionizante), com alta capacidade de penetração e muito nocivos ao tecido vivo a aos circuitos eletrônicos. São usados na medicina e agricultura nas funções de esterilização, como por exemplo a radioterapia de tratamento do câncer. São resultantes do decaimento radiativos dos núcleos atômicos, e sub-produto de reatores nucleares e armas que utilizam a divisão do átomo, podendo ser bloqueados de forma criteriosa por materiais densos como chumbo e concreto. No campo de batalha terrestre também estão presentes de forma indesejável nas munições APFSDS feitas de urânio empobrecido, causando danos a saúde dos combatentes, e como subproduto indesejável de explosões nucleares.