Vad är RF och varför använder vi det?

Lär dig mer om elektromagnetisk strålning och varför den är så användbar för trådlös kommunikation.

När vi tänker på elektricitet tänker vi naturligtvis på ledningar. Från högspänningsledningar till små spår på ett kretskort är ledningar fortfarande det grundläggande sättet att överföra elektrisk energi från en plats till en annan.

Men historien har konsekvent visat att människor sällan eller aldrig är nöjda med det grundläggande sättet att göra saker och ting, och därför bör vi inte bli förvånade när vi får veta att spridningen av elektricitet följdes av omfattande ansträngningar att frigöra elektrisk funktionalitet från begränsningarna av fysiska sammankopplingar.

Det finns olika sätt att införliva ”trådlös” funktionalitet i ett elektriskt system. Ett av dessa sätt är att använda elektromagnetisk strålning, vilket är grunden för RF-kommunikation. Det är dock viktigt att inse att elektromagnetisk strålning inte är unik i sin förmåga att utvidga elektriska kretsar till det trådlösa området. Allt som kan färdas genom ett icke-ledande material – mekanisk rörelse, ljudvågor, värme – skulle kunna användas som ett (kanske grovt) sätt att omvandla elektrisk energi till information som inte är beroende av ledande sammankopplingar.

Snällt manipulerade sinusformiga spännings- (eller strömsignaler) utgör grunden för den moderna trådlösa tidsåldern.

Med detta i åtanke kan vi ställa oss de mer relevanta frågorna: Varför är elektromagnetisk strålning den föredragna metoden? Varför är andra typer av trådlös kommunikation av så underordnad betydelse? Innan vi svarar på dessa frågor ska vi se till att vi förstår vad elektromagnetisk strålning är.

Fält och vågor

Du skulle kunna ägna åratal åt att studera detaljerna i elektromagnetism. Lyckligtvis behöver du inte den typen av expertis för att framgångsrikt designa och implementera RF-kretsar. Men du behöver ha en grundläggande uppfattning om den mystiska energi som sänds ut från din enhets antenn.

Som namnet antyder involverar elektromagnetisk strålning både elektriska fält och magnetiska fält. Om du har spänning – till exempel spänningen över en antenns impedans – har du ett elektriskt fält (ur matematisk synvinkel är det elektriska fältet proportionellt mot spänningens spatiala förändringshastighet). Om du har elektrisk ström – t.ex. strömmen som passerar genom impedansen hos en antenn – har du ett magnetfält (fältets styrka är proportionell mot storleken på strömmen).

De elektriska och magnetiska fälten är närvarande även om storleken på spänningen eller strömmen är konstant. Dessa fält skulle dock inte sprida sig. Om vi vill ha en våg som sprider sig ut i universum behöver vi förändringar i spänning och ström.

De elektriska och magnetiska komponenterna i en elektromagnetisk våg representeras som vinkelräta sinusoider.

Nyckeln till detta utbredningsfenomen är det självupprätthållande förhållandet mellan de elektriska och magnetiska komponenterna i elektromagnetisk strålning. Ett förändrat elektriskt fält genererar ett magnetfält, och ett förändrat magnetfält genererar ett elektriskt fält. Denna ömsesidiga regenerering manifesteras som en distinkt enhet, nämligen en elektromagnetisk våg. När den väl har genererats kommer denna våg att färdas utåt från sin källa och karusellisera dag efter dag, med ljusets hastighet, mot det okändas djup.

Skapa EMR kontra kontrollera EMR

Det är inte lätt att utforma ett helt RF-kommunikationssystem. Det är dock extremt lätt att generera elektromagnetisk strålning (EMR), och i själva verket genererar du den även när du inte vill det. Alla tidsvarierande signaler i alla kretsar kommer att generera EMR, och det gäller även digitala signaler. I de flesta fall är denna EMR helt enkelt brus. Om det inte orsakar några problem kan du ignorera det. I vissa fall kan det faktiskt störa andra kretsar, och då blir det EMI (elektromagnetisk störning).

Vi ser alltså att RF-design inte bara handlar om att generera EMR, utan RF-design är snarare konsten och vetenskapen att generera, manipulera och tolka EMR på ett sätt som gör det möjligt att på ett tillförlitligt sätt överföra meningsfull information mellan två kretsar som inte har någon direkt elektrisk anslutning.

Varför EMR?

Nu återkommer vi till frågan om varför EMR-baserade system är så vanliga jämfört med andra former av trådlös kommunikation. Med andra ord, varför hänvisar ”trådlöst” nästan alltid till RF när olika andra fenomen kan överföra information utan hjälp av ledningar? Det finns några anledningar:

Görbarhet

EMR är en naturlig förlängning av de elektriska signaler som används i trådbundna kretsar. Tidsvarierande spänningar och strömmar genererar EMR vare sig man vill det eller inte, och dessutom är denna EMR en exakt representation av växelströmskomponenterna i den ursprungliga signalen.

Varje del av denna intrikata QPSK-vågform överför två bitar digital information.

Låt oss betrakta ett extremt (och helt opraktiskt) motexempel: ett värmebaserat trådlöst kommunikationssystem. Föreställ dig att ett rum innehåller två separata enheter. Sändarenheten värmer upp rummet till en viss temperatur baserat på det meddelande den vill skicka, och mottagarenheten mäter och tolkar omgivningstemperaturen. Detta är ett trögt och besvärligt system eftersom rummets temperatur inte exakt kan följa variationerna i en invecklad elektrisk signal. EMR, å andra sidan, är mycket lyhörd. Överförda RF-signaler kan troget återge även de komplexa, högfrekventa vågformer som används i de senaste trådlösa systemen.

Snabbhet

I växelströmskopplade system beror hastigheten med vilken data kan överföras på hur snabbt en signal kan uppleva variationer. Med andra ord måste en signal göra något – till exempel öka och minska i amplitud – för att kunna överföra information. Det visar sig att EMR är ett praktiskt kommunikationsmedium även vid mycket höga frekvenser, vilket innebär att RF-system kan uppnå extremt höga dataöverföringshastigheter.

Räckvidd

Strävan efter trådlös kommunikation är nära förknippad med strävan efter långdistanskommunikation; om sändare och mottagare befinner sig nära varandra är det ofta enklare och mer kostnadseffektivt att använda ledningar. Även om styrkan hos en RF-signal minskar enligt lagen om omvänd kvadrat, har EMR – tillsammans med modulationstekniker och sofistikerade mottagarkretsar – fortfarande en anmärkningsvärd förmåga att överföra användbara signaler över långa avstånd.

Intensiteten hos EMR minskar exponentiellt när den utsända energin fortplantar sig utåt i alla riktningar.

Ingen siktlinje behövs

Det enda trådlösa kommunikationsmedium som kan konkurrera med EMR är ljus; detta är kanske inte så förvånande, eftersom ljus faktiskt är mycket högfrekvent EMR. Men den optiska överföringens natur belyser vad som kanske är den definitiva fördelen med RF-kommunikation: det krävs ingen tydlig siktlinje.

Vår värld är fylld av fasta föremål som blockerar ljus – till och med mycket starkt ljus. Vi har alla upplevt sommarsolens intensiva ljusstyrka, men den intensiteten minskas kraftigt av inget annat än ett tunt tygstycke. Däremot passerar den lågfrekventa EMR som används i RF-system genom väggar, plasthöljen, moln och – även om det kan verka lite märkligt – varje cell i människokroppen. RF-signaler är inte helt opåverkade av dessa material och i vissa fall kan betydande dämpning förekomma. Men jämfört med ljus går (lågfrekvent) EMR nästan överallt.

Sammanfattning

• ”RF” hänvisar till användningen av elektromagnetisk strålning för att överföra information mellan två kretsar som inte har någon direkt elektrisk anslutning.
• Tidsmässigt varierande spänningar och strömmar genererar elektromagnetisk energi som fortplantar sig i form av vågor. Vi kan trådlöst överföra analoga och digitala data genom att manipulera och tolka dessa vågor.
• EMR är den dominerande formen av trådlös kommunikation. Ett alternativ är användning av ljus (t.ex. i fiberoptik), men RF är mycket mångsidigare eftersom lågfrekvent EMR inte blockeras av ogenomskinliga föremål.