Che cos’è la radiofrequenza e perché la usiamo?

Impara la radiazione elettromagnetica e perché è così utile per la comunicazione wireless.

Quando pensiamo all’elettricità, pensiamo naturalmente ai fili. Dalle linee di trasmissione ad alta tensione alle minuscole tracce su un circuito stampato, i fili sono ancora il mezzo fondamentale per trasferire energia elettrica da un luogo all’altro.

Ma la storia ha costantemente dimostrato che gli esseri umani raramente, se non mai, sono soddisfatti del modo fondamentale di fare le cose, e quindi non dovremmo essere sorpresi di apprendere che la proliferazione dell’elettricità è stata seguita da sforzi diffusi per liberare la funzionalità elettrica dai vincoli delle interconnessioni fisiche.

Ci sono vari modi per incorporare funzionalità “wireless” in un sistema elettrico. Uno di questi è l’uso della radiazione elettromagnetica, che è la base della comunicazione RF. Tuttavia, è importante riconoscere che la radiazione elettromagnetica non è unica nella sua capacità di estendere i circuiti elettrici nel dominio wireless. Tutto ciò che può viaggiare attraverso un materiale non conduttivo – movimento meccanico, onde sonore, calore – potrebbe essere usato come un mezzo (forse rozzo) per convertire l’energia elettrica in informazioni che non si basano su interconnessioni conduttive.

Segnali sinusoidali di tensione (o corrente) accuratamente manipolati sono la base della moderna era wireless.

Con questo in mente, possiamo porci le domande più rilevanti: Perché la radiazione elettromagnetica è il metodo preferito? Perché gli altri tipi di comunicazione senza fili sono di così secondaria importanza? Prima di rispondere a queste domande, assicuriamoci di aver capito cos’è la radiazione elettromagnetica.

Campi e onde

Si potrebbero passare anni a studiare i dettagli dell’elettromagnetismo. Fortunatamente, non hai bisogno di quel tipo di esperienza per progettare e implementare con successo circuiti RF. Ma devi avere un’idea di base della misteriosa energia emessa dall’antenna del tuo dispositivo.

Come implica il nome, la radiazione elettromagnetica coinvolge sia campi elettrici che campi magnetici. Se hai una tensione, come la tensione attraverso l’impedenza di un’antenna, hai un campo elettrico (da un punto di vista matematico, il campo elettrico è proporzionale al tasso di variazione spaziale della tensione). Se hai una corrente elettrica – come la corrente che passa attraverso l’impedenza di un’antenna – hai un campo magnetico (la forza del campo è proporzionale alla grandezza della corrente).

I campi elettrici e magnetici sono presenti anche se la grandezza della tensione o della corrente è costante. Tuttavia, questi campi non si propagano. Se vogliamo un’onda che si propaghi nell’universo, abbiamo bisogno di cambiamenti nella tensione e nella corrente.

Le componenti elettriche e magnetiche di un’onda elettromagnetica sono rappresentate come sinusoidi perpendicolari.

La chiave di questo fenomeno di propagazione è la relazione autosostenuta tra le componenti elettriche e magnetiche della radiazione elettromagnetica. Un campo elettrico che cambia genera un campo magnetico, e un campo magnetico che cambia genera un campo elettrico. Questa rigenerazione reciproca si manifesta come un’entità distinta, cioè un’onda elettromagnetica. Una volta generata, quest’onda viaggerà verso l’esterno dalla sua fonte, carenando giorno dopo giorno, alla velocità della luce, verso le profondità dell’ignoto.

Creare EMR vs. Controllare EMR

Progettare un intero sistema di comunicazione RF non è facile. Tuttavia, è estremamente facile generare radiazioni elettromagnetiche (EMR), e infatti le si genera anche quando non si vuole. Qualsiasi segnale variabile nel tempo in qualsiasi circuito genererà EMR, e questo include i segnali digitali. Nella maggior parte dei casi questo EMR è semplicemente rumore. Se non sta causando alcun problema, potete ignorarlo. In alcuni casi può effettivamente interferire con altri circuiti, nel qual caso diventa EMI (interferenza elettromagnetica).

Vediamo, quindi, che la progettazione RF non riguarda semplicemente la generazione di EMR; piuttosto, la progettazione RF è l’arte e la scienza di generare, manipolare e interpretare EMR in un modo che permette di trasferire in modo affidabile informazioni significative tra due circuiti che non hanno una connessione elettrica diretta.

Perché EMR?

Ora torniamo alla questione del perché i sistemi basati su EMR sono così comuni rispetto ad altre forme di comunicazione senza fili. In altre parole, perché “senza fili” si riferisce quasi sempre alla radiofrequenza quando vari altri fenomeni possono trasferire informazioni senza l’aiuto di fili? Ci sono alcune ragioni:

Agilità

L’EMR è un’estensione naturale dei segnali elettrici usati nei circuiti cablati. Tensioni e correnti variabili nel tempo generano EMR, che lo si voglia o no, e inoltre, quell’EMR è una precisa rappresentazione delle componenti AC del segnale originale.

Ogni porzione di questa intricata forma d’onda QPSK trasferisce due bit di informazioni digitali.

Consideriamo un controesempio estremo (e completamente impraticabile): un sistema di comunicazione wireless basato sul calore. Immaginate che una stanza contenga due dispositivi separati. Il dispositivo trasmettitore riscalda la stanza a una certa temperatura in base al messaggio che vuole inviare, e il dispositivo ricevente misura e interpreta la temperatura ambientale. Questo è un sistema lento e scomodo perché la temperatura della stanza non può seguire con precisione le variazioni di un intricato segnale elettrico. L’EMR, d’altra parte, è altamente reattivo. I segnali RF trasmessi possono riprodurre fedelmente anche le forme d’onda complesse e ad alta frequenza usate nei sistemi wireless all’avanguardia.

Velocità

Nei sistemi con accoppiamento AC, la velocità con cui i dati possono essere trasferiti dipende da quanto velocemente un segnale può subire variazioni. In altre parole, un segnale deve fare qualcosa – come aumentare e diminuire l’ampiezza – per trasmettere informazioni. Si è scoperto che l’EMR è un mezzo di comunicazione pratico anche a frequenze molto alte, il che significa che i sistemi RF possono raggiungere velocità estremamente elevate di trasferimento dati.

Range

La ricerca della comunicazione senza fili è strettamente legata alla ricerca della comunicazione a lunga distanza; se il trasmettitore e il ricevitore sono in prossimità, è spesso più semplice e più conveniente utilizzare i fili. Anche se la forza di un segnale RF diminuisce secondo la legge dell’inverso del quadrato, l’EMR – insieme a tecniche di modulazione e a sofisticati circuiti di ricezione – ha ancora una notevole capacità di trasferire segnali utilizzabili su lunghe distanze.

L’intensità dell’EMR diminuisce esponenzialmente man mano che l’energia emessa si propaga verso l’esterno in tutte le direzioni.

Nessuna linea di vista necessaria

L’unico mezzo di comunicazione wireless che può competere con l’EMR è la luce; questo forse non è troppo sorprendente, poiché la luce è in realtà un EMR ad alta frequenza. Ma la natura della trasmissione ottica evidenzia quello che è forse il vantaggio definitivo offerto dalla comunicazione RF: non è richiesta una chiara linea di vista.

Il nostro mondo è pieno di oggetti solidi che bloccano la luce, anche quella molto potente. Abbiamo tutti sperimentato l’intensa luminosità del sole estivo, eppure quell’intensità è notevolmente ridotta da nient’altro che un sottile pezzo di tessuto. Al contrario, l’EMR a bassa frequenza usata nei sistemi RF passa attraverso i muri, gli involucri di plastica, le nuvole e – anche se può sembrare un po’ strano – ogni cellula del corpo umano. I segnali RF non sono completamente inalterati da questi materiali e, in alcuni casi, può verificarsi un’attenuazione significativa. Ma rispetto alla luce, la EMR (a bassa frequenza) va praticamente ovunque.

Sommario

• “RF” si riferisce all’uso della radiazione elettromagnetica per trasferire informazioni tra due circuiti che non hanno una connessione elettrica diretta.
• Tensioni e correnti variabili nel tempo generano energia elettromagnetica che si propaga sotto forma di onde. Possiamo trasferire dati analogici e digitali senza fili manipolando e interpretando queste onde.
• L’EMR è la forma dominante di comunicazione senza fili. Un’alternativa è l’uso della luce (come nelle fibre ottiche), ma la RF è molto più versatile perché la EMR a bassa frequenza non è bloccata da oggetti opachi.