Was ist RF und warum benutzen wir es?

Lernen Sie etwas über elektromagnetische Strahlung und warum sie so nützlich für die drahtlose Kommunikation ist.

Wenn wir an Elektrizität denken, denken wir natürlich an Drähte. Von Hochspannungsleitungen bis hin zu winzigen Leiterbahnen auf einer gedruckten Schaltung sind Drähte immer noch das grundlegende Mittel, um elektrische Energie von einem Ort zum anderen zu übertragen.

Die Geschichte hat jedoch immer wieder gezeigt, dass der Mensch selten, wenn überhaupt, mit der grundlegenden Art und Weise, Dinge zu tun, zufrieden ist, und so sollte es uns nicht überraschen, dass auf die Verbreitung der Elektrizität weit verbreitete Bemühungen folgten, elektrische Funktionen von den Zwängen physischer Verbindungen zu befreien.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, „drahtlose“ Funktionen in ein elektrisches System zu integrieren. Eine davon ist die Verwendung von elektromagnetischer Strahlung, die die Grundlage für die HF-Kommunikation bildet. Es ist jedoch wichtig zu wissen, dass elektromagnetische Strahlung nicht die einzige Möglichkeit ist, elektrische Schaltkreise in den drahtlosen Bereich zu erweitern. Alles, was ein nichtleitendes Material durchdringen kann – mechanische Bewegung, Schallwellen, Wärme – kann als (vielleicht grobes) Mittel zur Umwandlung von elektrischer Energie in Informationen verwendet werden, das nicht auf leitende Verbindungen angewiesen ist.

Geschickt manipulierte sinusförmige Spannungs- (oder Strom-) Signale sind die Grundlage des modernen drahtlosen Zeitalters.

Angesichts dessen können wir uns die wichtigeren Fragen stellen: Warum ist elektromagnetische Strahlung die bevorzugte Methode? Warum sind andere Arten der drahtlosen Kommunikation von so untergeordneter Bedeutung? Bevor wir diese Fragen beantworten, sollten wir uns vergewissern, dass wir verstehen, was elektromagnetische Strahlung ist.

Felder und Wellen

Man könnte Jahre damit verbringen, die Details des Elektromagnetismus zu studieren. Zum Glück braucht man diese Art von Fachwissen nicht, um erfolgreich HF-Schaltungen zu entwerfen und zu implementieren. Aber Sie müssen eine grundlegende Vorstellung von der geheimnisvollen Energie haben, die von der Antenne Ihres Geräts abgestrahlt wird.

Wie der Name schon sagt, umfasst elektromagnetische Strahlung sowohl elektrische als auch magnetische Felder. Wenn eine Spannung vorhanden ist – z. B. die Spannung an der Impedanz einer Antenne -, entsteht ein elektrisches Feld (aus mathematischer Sicht ist das elektrische Feld proportional zur räumlichen Änderungsrate der Spannung). Wenn ein elektrischer Strom fließt – z. B. der Strom, der durch die Impedanz einer Antenne fließt – entsteht ein magnetisches Feld (die Stärke des Feldes ist proportional zur Stärke des Stroms).

Die elektrischen und magnetischen Felder sind auch dann vorhanden, wenn die Stärke der Spannung oder des Stroms konstant ist. Allerdings würden sich diese Felder nicht ausbreiten. Wenn wir eine Welle wollen, die sich ins Universum ausbreitet, brauchen wir Änderungen in Spannung und Stromstärke.

Die elektrischen und magnetischen Komponenten einer elektromagnetischen Welle werden als senkrechte Sinuskurven dargestellt.

Der Schlüssel zu diesem Ausbreitungsphänomen ist die sich selbst erhaltende Beziehung zwischen den elektrischen und magnetischen Komponenten der elektromagnetischen Strahlung. Ein sich änderndes elektrisches Feld erzeugt ein magnetisches Feld, und ein sich änderndes magnetisches Feld erzeugt ein elektrisches Feld. Diese gegenseitige Regeneration manifestiert sich als eine eigenständige Einheit, nämlich als elektromagnetische Welle. Einmal erzeugt, breitet sich diese Welle von ihrer Quelle aus und rast Tag für Tag mit Lichtgeschwindigkeit in die Tiefen des Unbekannten.

Erzeugung von EMR vs. Kontrolle von EMR

Es ist nicht einfach, ein komplettes HF-Kommunikationssystem zu entwickeln. Es ist jedoch sehr einfach, elektromagnetische Strahlung (EMR) zu erzeugen, und zwar auch dann, wenn man es nicht will. Jedes zeitlich veränderliche Signal in jedem Schaltkreis erzeugt EMR, auch digitale Signale. In den meisten Fällen ist diese EMR einfach nur Rauschen. Wenn es keine Probleme verursacht, können Sie es ignorieren. In einigen Fällen kann sie andere Schaltkreise stören. In diesem Fall wird sie zu EMI (elektromagnetische Interferenz).

Wir sehen also, dass es beim HF-Design nicht nur um die Erzeugung von EMR geht; vielmehr ist HF-Design die Kunst und Wissenschaft, EMR so zu erzeugen, zu manipulieren und zu interpretieren, dass man zuverlässig sinnvolle Informationen zwischen zwei Schaltkreisen übertragen kann, die keine direkte elektrische Verbindung haben.

Warum EMR?

Zurück zu der Frage, warum EMR-basierte Systeme im Vergleich zu anderen Formen der drahtlosen Kommunikation so weit verbreitet sind. Mit anderen Worten, warum bezieht sich „drahtlos“ fast immer auf Hochfrequenz, wenn verschiedene andere Phänomene Informationen ohne die Hilfe von Drähten übertragen können? Dafür gibt es einige Gründe:

Flexibilität

EMR ist eine natürliche Erweiterung der elektrischen Signale, die in verdrahteten Schaltungen verwendet werden. Zeitlich veränderliche Spannungen und Ströme erzeugen EMR, ob man will oder nicht, und außerdem ist diese EMR eine genaue Darstellung der Wechselstromkomponenten des ursprünglichen Signals.

Jeder Teil dieser komplizierten QPSK-Wellenform überträgt zwei Bits digitaler Informationen.

Betrachten wir ein extremes (und völlig unpraktisches) Gegenbeispiel: ein drahtloses Kommunikationssystem auf Wärmebasis. Stellen Sie sich vor, dass sich in einem Raum zwei getrennte Geräte befinden. Das Sendegerät heizt den Raum je nach der zu sendenden Nachricht auf eine bestimmte Temperatur auf, und das Empfangsgerät misst und interpretiert die Umgebungstemperatur. Dies ist ein träges, umständliches System, da die Temperatur des Raumes den Schwankungen eines komplizierten elektrischen Signals nicht genau folgen kann. EMR hingegen ist sehr reaktionsschnell. Die übertragenen HF-Signale können selbst die komplexen Hochfrequenz-Wellenformen, die in modernen drahtlosen Systemen verwendet werden, getreu wiedergeben.

Geschwindigkeit

In wechselstromgekoppelten Systemen hängt die Geschwindigkeit, mit der Daten übertragen werden können, davon ab, wie schnell ein Signal Änderungen erfahren kann. Mit anderen Worten: Ein Signal muss etwas tun, z. B. seine Amplitude erhöhen und verringern, um Informationen zu übertragen. Es hat sich herausgestellt, dass EMR auch bei sehr hohen Frequenzen ein praktisches Kommunikationsmedium ist, was bedeutet, dass HF-Systeme extrem hohe Datenübertragungsraten erreichen können.

Reichweite

Das Streben nach drahtloser Kommunikation ist eng mit dem Streben nach Langstreckenkommunikation verbunden; wenn sich Sender und Empfänger in unmittelbarer Nähe befinden, ist es oft einfacher und kostengünstiger, Kabel zu verwenden. Obwohl die Stärke eines HF-Signals gemäß dem Gesetz des umgekehrten Quadrats abnimmt, verfügt die EMR – in Verbindung mit Modulationstechniken und hochentwickelten Empfängerschaltungen – immer noch über eine bemerkenswerte Fähigkeit, brauchbare Signale über große Entfernungen zu übertragen.

Die Intensität von EMR nimmt exponentiell ab, wenn sich die ausgestrahlte Energie in alle Richtungen ausbreitet.

Keine Sichtverbindung erforderlich

Das einzige drahtlose Kommunikationsmedium, das mit EMR konkurrieren kann, ist Licht; das ist vielleicht nicht allzu überraschend, denn Licht ist eigentlich EMR mit sehr hoher Frequenz. Aber die Art der optischen Übertragung macht den vielleicht entscheidenden Vorteil der HF-Kommunikation deutlich: Eine klare Sichtlinie ist nicht erforderlich.

Unsere Welt ist voller fester Objekte, die das Licht blockieren – sogar sehr starkes Licht. Wir alle haben schon einmal die intensive Helligkeit der Sommersonne erlebt, aber diese Intensität wird durch ein dünnes Stück Stoff stark reduziert. Im Gegensatz dazu durchdringt die niederfrequente EMR, die in HF-Systemen verwendet wird, Wände, Kunststoffgehäuse, Wolken und – auch wenn es etwas seltsam erscheinen mag – jede Zelle im menschlichen Körper. HF-Signale bleiben von diesen Materialien nicht völlig unbeeinflusst, und in einigen Fällen kann es zu einer erheblichen Abschwächung kommen. Aber im Vergleich zu Licht kommt (niederfrequente) EMR fast überall hin.

Zusammenfassung

• „RF“ bezieht sich auf die Verwendung elektromagnetischer Strahlung zur Übertragung von Informationen zwischen zwei Schaltkreisen, die keine direkte elektrische Verbindung haben.
• Zeitlich veränderliche Spannungen und Ströme erzeugen elektromagnetische Energie, die sich in Form von Wellen ausbreitet. Wir können analoge und digitale Daten drahtlos übertragen, indem wir diese Wellen manipulieren und interpretieren.
• EMR ist die wichtigste Form der drahtlosen Kommunikation. Eine Alternative ist die Verwendung von Licht (z. B. in der Glasfaseroptik), aber HF ist viel vielseitiger, da EMR mit niedrigeren Frequenzen nicht durch undurchsichtige Objekte blockiert wird.