Qu’est-ce que la RF et pourquoi l’utilisons-nous ?

Découvrez le rayonnement électromagnétique et pourquoi il est si utile pour la communication sans fil.

Lorsque nous pensons à l’électricité, nous pensons naturellement aux fils. Des lignes de transmission à haute tension aux minuscules traces sur une carte de circuit imprimé, les fils sont toujours le moyen fondamental de transférer l’énergie électrique d’un endroit à un autre.

Mais l’histoire a toujours démontré que les êtres humains sont rarement, voire jamais, satisfaits de la façon fondamentale de faire les choses, et nous ne devrions donc pas être surpris d’apprendre que la prolifération de l’électricité a été suivie par des efforts généralisés pour libérer la fonctionnalité électrique des contraintes des interconnexions physiques.

Il existe différentes façons d’incorporer une fonctionnalité  » sans fil  » dans un système électrique. L’une d’entre elles consiste à utiliser le rayonnement électromagnétique, qui est la base de la communication RF. Cependant, il est important de reconnaître que le rayonnement électromagnétique n’est pas unique dans sa capacité à étendre les circuits électriques dans le domaine sans fil. Tout ce qui peut se déplacer à travers un matériau non conducteur – mouvement mécanique, ondes sonores, chaleur – pourrait être utilisé comme un moyen (peut-être grossier) de convertir l’énergie électrique en informations qui ne reposent pas sur des interconnexions conductrices.

Des signaux de tension (ou de courant) sinusoïdaux soigneusement manipulés sont le fondement de l’ère moderne du sans fil.

Avec cela à l’esprit, nous pouvons nous poser des questions plus pertinentes : Pourquoi le rayonnement électromagnétique est-il la méthode privilégiée ? Pourquoi les autres types de communication sans fil ont-ils une importance aussi secondaire ? Avant de répondre à ces questions, assurons-nous de bien comprendre ce qu’est le rayonnement électromagnétique.

Champs et ondes

Vous pourriez passer des années à étudier les détails de l’électromagnétisme. Heureusement, vous n’avez pas besoin de ce genre d’expertise pour réussir à concevoir et à mettre en œuvre des circuits RF. Mais vous devez avoir une idée de base de l’énergie mystérieuse émise par l’antenne de votre appareil.

Comme son nom l’indique, le rayonnement électromagnétique implique à la fois des champs électriques et des champs magnétiques. Si vous avez une tension – comme la tension aux bornes de l’impédance d’une antenne – vous avez un champ électrique (d’un point de vue mathématique, le champ électrique est proportionnel au taux de variation spatiale de la tension). Si vous avez un courant électrique – comme le courant passant à travers l’impédance d’une antenne – vous avez un champ magnétique (l’intensité du champ est proportionnelle à la magnitude du courant).

Les champs électriques et magnétiques sont présents même si la magnitude de la tension ou du courant est constante. Cependant, ces champs ne se propageraient pas. Si nous voulons une onde qui se propage dans l’univers, nous avons besoin de changements de tension et de courant.

Les composantes électriques et magnétiques d’une onde électromagnétique sont représentées comme des sinusoïdes perpendiculaires.

La clé de ce phénomène de propagation est la relation auto-entretenue entre les composantes électriques et magnétiques du rayonnement électromagnétique. Un champ électrique changeant génère un champ magnétique, et un champ magnétique changeant génère un champ électrique. Cette régénération mutuelle se manifeste sous la forme d’une entité distincte, à savoir une onde électromagnétique. Une fois générée, cette onde va voyager vers l’extérieur à partir de sa source, caressant jour après jour, à la vitesse de la lumière, vers les profondeurs de l’inconnu.

Créer un rayonnement électromagnétique vs. contrôler un rayonnement électromagnétique

Concevoir un système de communication RF entier n’est pas facile. Cependant, il est extrêmement facile de générer des rayonnements électromagnétiques (EMR), et en fait, vous en générez même lorsque vous ne le voulez pas. Tout signal variant dans le temps dans n’importe quel circuit génère un rayonnement électromagnétique, y compris les signaux numériques. Dans la plupart des cas, ce rayonnement électromagnétique est simplement du bruit. S’il ne cause aucun problème, vous pouvez l’ignorer. Dans certains cas, il peut effectivement interférer avec d’autres circuits, auquel cas il devient une IEM (interférence électromagnétique).

Nous voyons donc que la conception RF ne consiste pas simplement à générer des DME ; la conception RF est plutôt l’art et la science de la génération, de la manipulation et de l’interprétation des DME d’une manière qui vous permet de transférer de manière fiable des informations significatives entre deux circuits qui n’ont pas de connexion électrique directe.

Pourquoi les DME ?

Revenons maintenant à la question de savoir pourquoi les systèmes basés sur les DME sont si courants par rapport aux autres formes de communication sans fil. En d’autres termes, pourquoi le terme « sans fil » fait-il presque toujours référence aux RF alors que divers autres phénomènes peuvent transférer des informations sans l’aide de fils ? Il y a quelques raisons :

Agilité

La RF est une extension naturelle des signaux électriques utilisés dans les circuits câblés. Les tensions et les courants variant dans le temps génèrent un DME, que vous le vouliez ou non, et de plus, ce DME est une représentation précise des composantes alternatives du signal original.

Chaque portion de cette forme d’onde QPSK complexe transfère deux bits d’information numérique.

Envisageons un contre-exemple extrême (et totalement impraticable) : un système de communication sans fil basé sur la chaleur. Imaginez qu’une pièce contienne deux appareils distincts. Le dispositif émetteur chauffe la pièce à une certaine température en fonction du message qu’il veut envoyer, et le dispositif récepteur mesure et interprète la température ambiante. Ce système est lent et maladroit, car la température de la pièce ne peut pas suivre précisément les variations d’un signal électrique complexe. Le DME, en revanche, est très réactif. Les signaux RF transmis peuvent reproduire fidèlement même les formes d’onde complexes à haute fréquence utilisées dans les systèmes sans fil de pointe.

Vitesse

Dans les systèmes à couplage CA, la vitesse à laquelle les données peuvent être transférées dépend de la rapidité avec laquelle un signal peut subir des variations. En d’autres termes, un signal doit faire quelque chose – comme augmenter et diminuer son amplitude – afin de transmettre des informations. Il s’avère que le DME est un moyen de communication pratique même à très haute fréquence, ce qui signifie que les systèmes RF peuvent atteindre des taux de transfert de données extrêmement élevés.

Gamme

La recherche de la communication sans fil est étroitement liée à la recherche de la communication à longue distance ; si l’émetteur et le récepteur sont à proximité immédiate, il est souvent plus simple et plus rentable d’utiliser des fils. Bien que la puissance d’un signal RF diminue selon la loi de l’inverse du carré, le DME – en conjonction avec des techniques de modulation et des circuits de réception sophistiqués – possède toujours une capacité remarquable à transférer des signaux utilisables sur de longues distances.

L’intensité des DME diminue de manière exponentielle à mesure que l’énergie émise se propage vers l’extérieur dans toutes les directions.

Pas besoin de ligne de visée

Le seul moyen de communication sans fil qui peut rivaliser avec les DME est la lumière ; cela n’est peut-être pas trop surprenant, puisque la lumière est en fait un DME à très haute fréquence. Mais la nature de la transmission optique met en évidence ce qui est peut-être l’avantage définitif offert par la communication RF : une ligne de vue claire n’est pas nécessaire.

Notre monde est rempli d’objets solides qui bloquent la lumière – même une lumière très puissante. Nous avons tous fait l’expérience de la luminosité intense du soleil d’été, et pourtant cette intensité est fortement réduite par rien de plus qu’un mince morceau de tissu. En revanche, le rayonnement électromagnétique de plus basse fréquence utilisé dans les systèmes RF traverse les murs, les boîtiers en plastique, les nuages et, bien que cela puisse paraître un peu étrange, chaque cellule du corps humain. Les signaux RF ne sont pas totalement insensibles à ces matériaux et, dans certains cas, une atténuation significative peut se produire. Mais comparé à la lumière, le rayonnement électromagnétique (de plus basse fréquence) va à peu près partout.

Sommaire

• « RF » fait référence à l’utilisation du rayonnement électromagnétique pour transférer des informations entre deux circuits qui n’ont pas de connexion électrique directe.
• Les tensions et les courants variant dans le temps génèrent de l’énergie électromagnétique qui se propage sous forme d’ondes. Nous pouvons transférer sans fil des données analogiques et numériques en manipulant et en interprétant ces ondes.
• La RME est la forme dominante de communication sans fil. Une alternative est l’utilisation de la lumière (comme dans la fibre optique), mais la RF est beaucoup plus polyvalente car les RME à basse fréquence ne sont pas bloquées par les objets opaques.