What Is RF and Why Do We Use It?

Přečtěte si o elektromagnetickém záření a o tom, proč je tak užitečné pro bezdrátovou komunikaci.

Při pomyšlení na elektřinu si přirozeně představíme dráty. Od vysokonapěťových přenosových vedení až po drobné stopy na desce plošných spojů jsou dráty stále základním prostředkem přenosu elektrické energie z jednoho místa na druhé.

Historie však důsledně ukazuje, že lidé se málokdy, pokud vůbec, spokojí se základním způsobem, a tak by nás nemělo překvapit, že po rozšíření elektřiny následovala rozsáhlá snaha osvobodit elektrickou funkčnost od omezení fyzických propojení.

Existují různé způsoby, jak do elektrického systému začlenit „bezdrátovou“ funkčnost. Jedním z nich je využití elektromagnetického záření, které je základem radiofrekvenční komunikace. Je však důležité si uvědomit, že elektromagnetické záření není jedinečné ve své schopnosti rozšířit elektrické obvody do bezdrátové oblasti. Cokoli, co se může šířit nevodivým materiálem – mechanický pohyb, zvukové vlny, teplo – by mohlo být použito jako (možná hrubý) prostředek pro přeměnu elektrické energie na informaci, který není závislý na vodivých propojeních.

Důkladně manipulované sinusové napěťové (nebo proudové) signály jsou základem moderního bezdrátového věku.

S tímto vědomím si můžeme položit relevantnější otázky: Proč je elektromagnetické záření preferovanou metodou? Proč jsou ostatní typy bezdrátové komunikace tak druhořadé? Než si na tyto otázky odpovíme, ujistěme se, že rozumíme tomu, co je elektromagnetické záření.

Pole a vlny

Studiem podrobností o elektromagnetismu byste mohli strávit roky. Naštěstí k úspěšnému návrhu a realizaci VF obvodů takové znalosti nepotřebujete. Potřebujete však mít základní představu o tajemné energii vyzařované z antény vašeho zařízení.

Jak již název napovídá, elektromagnetické záření zahrnuje jak elektrické pole, tak magnetické pole. Máte-li napětí – například napětí na impedanci antény – máte elektrické pole (z matematického hlediska je elektrické pole úměrné prostorové rychlosti změny napětí). Máte-li elektrický proud – například proud procházející impedancí antény – máte magnetické pole (síla pole je úměrná velikosti proudu).

Elektrické a magnetické pole je přítomno, i když je velikost napětí nebo proudu konstantní. Tato pole by se však nešířila. Pokud chceme, aby se vlna šířila do vesmíru, potřebujeme změny napětí a proudu.

Elektrická a magnetická složka elektromagnetické vlny jsou znázorněny jako kolmé sinusoidy.

Klíčem k tomuto jevu šíření je samovolný vztah mezi elektrickou a magnetickou složkou elektromagnetického záření. Měnící se elektrické pole generuje magnetické pole a měnící se magnetické pole generuje elektrické pole. Tato vzájemná regenerace se projevuje jako samostatná entita, a to elektromagnetická vlna. Jakmile se tato vlna vygeneruje, bude se od svého zdroje šířit směrem ven a den za dnem se rychlostí světla řítit do hlubin neznáma.

Vytváření elektromagnetického záření vs. řízení elektromagnetického záření

Navrhnout celý radiofrekvenční komunikační systém není snadné. Vytvářet elektromagnetické záření (EMR) je však nesmírně snadné a ve skutečnosti ho vytváříte, i když nechcete. Jakýkoli časově proměnný signál v jakémkoli obvodu bude generovat EMR, a to včetně digitálních signálů. Ve většině případů je toto EMR prostě šum. Pokud nezpůsobuje žádné potíže, můžete jej ignorovat. V některých případech může skutečně rušit jiné obvody a v takovém případě se z něj stává EMI (elektromagnetické rušení).

Vidíme tedy, že RF design není o pouhém generování EMR; RF design je spíše umění a věda o generování a manipulaci a interpretaci EMR způsobem, který umožňuje spolehlivě přenášet smysluplné informace mezi dvěma obvody, které nemají přímé elektrické spojení.

Proč EMR?

Nyní se vraťme k otázce, proč jsou systémy založené na EMR tak rozšířené ve srovnání s jinými formami bezdrátové komunikace. Jinými slovy, proč se pod pojmem „bezdrátová“ téměř vždy rozumí RF, když různé jiné jevy mohou přenášet informace bez pomoci drátů? Existuje několik důvodů:

Agilita

EMR je přirozeným rozšířením elektrických signálů používaných v drátových obvodech. Časově proměnná napětí a proudy generují EMR, ať chcete, nebo ne, a navíc je toto EMR přesnou reprezentací střídavých složek původního signálu.

Každá část tohoto složitého průběhu QPSK přenáší dva bity digitální informace.

Uvažujme extrémní (a zcela nepraktický) protipříklad: bezdrátový komunikační systém na bázi tepla. Představte si, že místnost obsahuje dvě samostatná zařízení. Vysílací zařízení zahřeje místnost na určitou teplotu na základě zprávy, kterou chce odeslat, a přijímací zařízení měří a interpretuje okolní teplotu. Jedná se o pomalý a nepohodlný systém, protože teplota v místnosti nemůže přesně sledovat změny složitého elektrického signálu. Naproti tomu EMR reaguje velmi rychle. Přenášené RF signály mohou věrně reprodukovat i složité vysokofrekvenční průběhy používané v nejmodernějších bezdrátových systémech.

Rychlost

V systémech se střídavou vazbou závisí rychlost přenosu dat na tom, jak rychle může signál zaznamenávat změny. Jinými slovy, signál musí něco dělat – například zvyšovat a snižovat amplitudu – aby mohl přenášet informace. Ukazuje se, že EMR je praktickým komunikačním médiem i při velmi vysokých frekvencích, což znamená, že radiofrekvenční systémy mohou dosahovat extrémně vysokých rychlostí přenosu dat.

Dosah

Snaha o bezdrátovou komunikaci úzce souvisí se snahou o komunikaci na velké vzdálenosti; pokud jsou vysílač a přijímač v těsné blízkosti, je často jednodušší a cenově výhodnější použít dráty. Ačkoli síla RF signálu klesá podle zákona inverzního kvadrátu, EMR – ve spojení s modulačními technikami a důmyslnými obvody přijímače – má stále pozoruhodnou schopnost přenášet použitelné signály na velké vzdálenosti.

Intenzita EMR klesá exponenciálně s tím, jak se vyzařovaná energie šíří ven všemi směry.

Není nutná přímá viditelnost

Jediným bezdrátovým komunikačním médiem, které může konkurovat EMR, je světlo; to asi není příliš překvapivé, protože světlo je vlastně velmi vysokofrekvenční EMR. Ale povaha optického přenosu zdůrazňuje to, co je možná definitivní výhodou, kterou RF komunikace nabízí: není nutná přímá viditelnost.

Náš svět je plný pevných objektů, které blokují světlo – dokonce i velmi silné světlo. Všichni jsme zažili intenzivní jas letního slunce, avšak tuto intenzitu výrazně snižuje pouze tenký kus látky. Naproti tomu nízkofrekvenční elektromagnetické záření používané v radiofrekvenčních systémech prochází zdmi, plastovými kryty, mraky a – i když se to může zdát trochu zvláštní – každou buňkou v lidském těle. RF signály nejsou těmito materiály zcela neovlivnitelné a v některých případech může docházet k jejich výraznému útlumu. Ve srovnání se světlem se však (nízkofrekvenční) EMR dostane téměř kamkoli.

Shrnutí

• „RF“ označuje použití elektromagnetického záření pro přenos informací mezi dvěma obvody, které nemají přímé elektrické spojení.
• Časově proměnná napětí a proudy generují elektromagnetickou energii, která se šíří ve formě vln. Manipulací s těmito vlnami a jejich interpretací můžeme bezdrátově přenášet analogová a digitální data.
• EMR je dominantní formou bezdrátové komunikace. Jednou z alternativ je použití světla (například v optických vláknech), ale RF je mnohem univerzálnější, protože EMR o nižších frekvencích není blokováno neprůhlednými objekty.