What Is RF and Why Do We Use It?

11月 9, 2021admin

電磁波について学び、それがなぜ無線通信に役立つのかを理解しましょう。

高電圧の送電線からプリント回路基板の小さな痕跡まで、電線は今でも、電気エネルギーをある場所から別の場所に転送する基本的な手段です。

しかし、歴史は一貫して、人間は物事を行う基本的な方法に満足することは、たとえあるとしてもほとんどないことを示しており、したがって、電気の普及が、電気機能を物理的相互接続の制約から解放しようと広く努力したことに驚く必要はないのです。

電気システムに「無線」機能を組み込む方法はいろいろありますが、その 1 つが RF 通信の基礎となる電磁放射の使用です。しかし、電気回路をワイヤレス領域に拡張する能力において、電磁放射が特別なものではないことを認識することが重要です。非伝導性の物質 (機械的な動き、音波、熱) を通過できるものはすべて、電気エネルギーを情報に変換する (おそらく粗雑な) 手段として使用でき、伝導性の相互接続に依存しません。

慎重に操作した正弦波の電圧 (または電流) 信号が現代の無線時代の基盤となっています。なぜ、電磁波が好ましい方法なのか。なぜ、他の種類のワイヤレス通信は二の次なのでしょうか。

電磁波と波

電磁気学の詳細については、何年もかけて勉強することができます。幸い、RF 回路の設計と実装を成功させるために、そのような専門知識は必要ありません。

その名が示すように、電磁放射は電場と磁場の両方を含んでいます。

その名が示すように、電磁波には電場と磁場があります。電圧、たとえばアンテナのインピーダンスにかかる電圧があれば、電場があります (数学的見地から、電場は電圧の空間的変化率に比例しています)。

電圧や電流の大きさが一定であっても、電界と磁界は存在する。しかし、これらの場は伝搬しないでしょう。

電磁波の電気成分と磁気成分は垂直な正弦波として表されます。

この伝搬現象の鍵は、電磁波の電気成分と磁気成分の自立した関係性にあります。電界が変化すると磁界が発生し、磁界が変化すると電界が発生する。この相互の再生は、電磁波という明確な実体として現れる。

電磁波の生成と電磁波の制御

RF 通信システム全体を設計することは容易ではありません。しかし、電磁放射 (EMR) を発生させるのは非常に簡単で、実際、発生させたくなくても発生してしまうのです。どのような回路でも時間的に変化する信号は電磁波を発生させますが、これにはデジタル信号も含まれます。ほとんどの場合、この電磁波は単なるノイズです。特に問題がなければ、無視してもよい。 RF デザインとは、単に EMR を発生させることではなく、直接電気的に接続されていない 2 つの回路間で意味のある情報を確実に転送できるように EMR を発生、操作、解釈する技術および科学であることがわかります。

なぜ EMR

ここで、なぜ EMR ベースのシステムが他の無線通信の形態と比較してそれほど一般的であるのかという疑問に戻りましょう。言い換えると、他のさまざまな現象がワイヤーを介さずに情報を伝達できるのに、なぜ「ワイヤレス」はほとんど RF を指すのでしょうか。

敏捷性

EMR は、有線回路で使用されている電気信号の自然な拡張です。

この複雑な QPSK 波形の各部分は、2 ビットのデジタル情報を転送します。

極端な (そして完全に非現実的な) 反例として、熱に基づく無線通信システムを考えてみましょう。部屋に 2 つの別々のデバイスがあると想像してください。送信デバイスは、送信したいメッセージに基づいて部屋を特定の温度に加熱し、受信デバイスは周囲の温度を測定して解釈します。このシステムでは、複雑な電気信号の変化に部屋の温度が正確に追従できないため、動作が重く、ぎこちない。一方、電磁波は応答性に優れている。

速度

交流結合システムでは、データを転送する速度は、信号がどれだけ速く変動を経験できるかに依存します。言い換えれば、情報を伝達するためには、信号が振幅の増加や減少など、何かをしなければなりません。

範囲

ワイヤレス通信の追求は、長距離通信の追求と密接に結びついています。 RF信号の強度は逆2乗則に従って低下するが、電磁誘導方式は変調技術と高度な受信回路を組み合わせることで、有用な信号を長距離に伝達する驚くべき能力を持っている。

放出されたエネルギーがあらゆる方向へ伝播するにつれ、EMR の強度は指数関数的に減少します。

No Line of Sight Needed

EMRと競合できる唯一の無線通信メディアは光ですが、光が実際には非常に高い周波数のEMRなので、おそらくこれはあまり驚くことではないでしょう。しかし、光通信の性質は、RF 通信が提供するおそらく決定的な利点である、明確な視線を必要としないことを強調しています。

私たちの世界は、光 (非常に強い光でさえ) をブロックする固体オブジェクトで満たされています。

私たちの世界には、光を、それも非常に強力な光を遮る固形物がたくさんあります。一方、RFシステムで使われる低周波の電磁波は、壁やプラスチック製の筐体、雲、そしてちょっと不思議に思えるかもしれないが、人体のあらゆる細胞を通過する。 RF信号はこれらの物質の影響を全く受けないわけではなく、場合によっては大きな減衰が起こります。

光と比較すると、(低周波の) EMR はほとんどどこにでも届きます。

「RF」とは、直接電気的に接続していない 2 つの回路間で情報を伝達するための電磁放射の使用を指します。
EMR はワイヤレス通信の主要な形態です。光ファイバーなどの光を使う方法もありますが、低周波の電磁波は不透明な物体によって遮断されないため、RFの方がはるかに汎用性が高いのです。