What Is RF and Why Do We Use It?

Leer meer over elektromagnetische straling en waarom het zo nuttig is voor draadloze communicatie.

Wanneer we aan elektriciteit denken, denken we natuurlijk aan draden. Van hoogspanningsleidingen tot minuscule sporen op een printplaat, draden zijn nog steeds het fundamentele middel om elektrische energie van de ene plaats naar de andere over te brengen.

Maar de geschiedenis heeft consequent aangetoond dat de mens zelden of nooit tevreden is met de fundamentele manier om dingen te doen, en dus moeten we niet verbaasd zijn te vernemen dat de proliferatie van elektriciteit werd gevolgd door wijdverspreide pogingen om elektrische functionaliteit te bevrijden van de beperkingen van fysieke verbindingen.

Er zijn verschillende manieren om “draadloze” functionaliteit in een elektrisch systeem te integreren. Een daarvan is het gebruik van elektromagnetische straling, die de basis vormt voor RF-communicatie. Het is echter belangrijk te erkennen dat elektromagnetische straling niet uniek is in zijn vermogen om elektrische schakelingen uit te breiden tot het draadloze domein. Alles wat zich door een niet-geleidend materiaal kan verplaatsen – mechanische beweging, geluidsgolven, warmte – kan worden gebruikt als een (misschien ruw) middel om elektrische energie om te zetten in informatie die niet afhankelijk is van geleidende verbindingen.

Goed gemanipuleerde sinusvormige spannings- (of stroom-)signalen vormen de basis van het moderne draadloze tijdperk.

Met dit in gedachten kunnen we ons de meer relevante vragen stellen: Waarom is elektromagnetische straling de voorkeursmethode? Waarom zijn andere vormen van draadloze communicatie van zo’n ondergeschikt belang? Voordat we deze vragen beantwoorden, moeten we eerst goed begrijpen wat elektromagnetische straling is.

Velden en golven

Je zou jaren kunnen besteden aan het bestuderen van de details van het elektromagnetisme. Gelukkig heb je die kennis niet nodig om met succes RF schakelingen te ontwerpen en te implementeren. Maar je moet wel een basisidee hebben van de mysterieuze energie die door de antenne van je apparaat wordt uitgezonden.

Zoals de naam al zegt, gaat het bij elektromagnetische straling om zowel elektrische velden als magnetische velden. Als je spanning hebt – zoals de spanning over de impedantie van een antenne – heb je een elektrisch veld (wiskundig gezien is het elektrisch veld evenredig met de ruimtelijke veranderingssnelheid van de spanning). Als er elektrische stroom loopt – zoals de stroom die door de impedantie van een antenne loopt – dan heb je een magnetisch veld (de sterkte van het veld is evenredig met de grootte van de stroom).

De elektrische en magnetische velden zijn aanwezig, zelfs als de grootte van de spanning of stroom constant is. Deze velden zouden zich echter niet voortplanten. Als we een golf willen die zich in het heelal voortplant, hebben we veranderingen in spanning en stroom nodig.

De elektrische en magnetische componenten van een elektromagnetische golf worden voorgesteld als loodrechte sinusoïden.

De sleutel tot dit voortplantingsfenomeen is de zichzelf in stand houdende relatie tussen de elektrische en magnetische componenten van elektromagnetische straling. Een veranderend elektrisch veld genereert een magnetisch veld, en een veranderend magnetisch veld genereert een elektrisch veld. Deze wederzijdse regeneratie manifesteert zich als een afzonderlijke entiteit, namelijk een elektromagnetische golf. Eenmaal opgewekt, zal deze golf zich vanaf de bron naar buiten bewegen, dag na dag, met de snelheid van het licht, in de richting van de diepten van het onbekende.

Creëren van EMV vs. beheersen van EMV

Het ontwerpen van een volledig RF-communicatiesysteem is niet eenvoudig. Het is echter uiterst eenvoudig om elektromagnetische straling (EMR) te genereren, en in feite genereer je die zelfs wanneer je dat niet wilt. Elk tijdsvariërend signaal in een circuit zal EMR genereren, en dit geldt ook voor digitale signalen. In de meeste gevallen is deze EMR gewoon ruis. Als het geen problemen veroorzaakt, kun je het negeren. In sommige gevallen kan het daadwerkelijk interfereren met andere schakelingen, in welk geval het EMI (elektromagnetische interferentie) wordt.

We zien dus dat RF-ontwerp niet gaat over het louter genereren van EMR; in plaats daarvan is RF-ontwerp de kunst en wetenschap van het genereren, manipuleren en interpreteren van EMR op een manier die je in staat stelt om op betrouwbare wijze zinvolle informatie over te dragen tussen twee schakelingen die geen directe elektrische verbinding hebben.

Waarom EMR?

Nu even terug naar de vraag waarom op EMR gebaseerde systemen zo gangbaar zijn in vergelijking met andere vormen van draadloze communicatie. Met andere woorden, waarom verwijst “draadloos” bijna altijd naar RF, terwijl verschillende andere fenomenen informatie kunnen overbrengen zonder de hulp van draden? Er zijn een paar redenen:

Bruikbaarheid

EMR is een natuurlijke uitbreiding van de elektrische signalen die in bedrade circuits worden gebruikt. Tijdsafhankelijke spanningen en stromen genereren EMR, of je dat nu wilt of niet, en bovendien is die EMR een nauwkeurige weergave van de AC-componenten van het oorspronkelijke signaal.

Elk deel van deze ingewikkelde QPSK-golfvorm brengt twee bits aan digitale informatie over.

Laten we eens naar een extreem (en volstrekt onpraktisch) tegenvoorbeeld kijken: een op warmte gebaseerd draadloos communicatiesysteem. Stel u voor dat een kamer twee afzonderlijke apparaten bevat. Het zendtoestel verwarmt de kamer tot een bepaalde temperatuur op basis van de boodschap die het wil verzenden, en het ontvangtoestel meet en interpreteert de omgevingstemperatuur. Dit is een traag, onhandig systeem omdat de temperatuur van de kamer de variaties van een ingewikkeld elektrisch signaal niet precies kan volgen. EMR daarentegen is zeer responsief. Uitgezonden RF-signalen kunnen zelfs de complexe, hoogfrequente golfvormen die in de modernste draadloze systemen worden gebruikt, getrouw reproduceren.

Snelheid

In AC-gekoppelde systemen hangt de snelheid waarmee gegevens kunnen worden overgedragen af van hoe snel een signaal variaties kan ondergaan. Met andere woorden, een signaal moet iets doen – bijvoorbeeld in amplitude toenemen en afnemen – om informatie te kunnen overbrengen. Het blijkt dat EMR zelfs bij zeer hoge frequenties een praktisch communicatiemedium is, wat betekent dat RF-systemen extreem hoge snelheden van gegevensoverdracht kunnen bereiken.

Bereik

Het streven naar draadloze communicatie is nauw verbonden met het streven naar communicatie over lange afstand; als de zender en ontvanger zich in elkaars nabijheid bevinden, is het vaak eenvoudiger en kosteneffectiever om draden te gebruiken. Hoewel de sterkte van een RF-signaal afneemt volgens de omgekeerd evenredige wet, heeft EMR – in combinatie met modulatietechnieken en geavanceerde ontvangerschakelingen – nog steeds een opmerkelijk vermogen om bruikbare signalen over lange afstanden over te brengen.

De intensiteit van EMR neemt exponentieel af naarmate de uitgezonden energie zich in alle richtingen naar buiten voortplant.

Geen gezichtslijn nodig

Het enige draadloze communicatiemedium dat met EMR kan concurreren is licht; dit is misschien niet zo verwonderlijk, aangezien licht in feite zeer hoogfrequente EMR is. Maar de aard van optische transmissie benadrukt wat misschien wel het grootste voordeel van RF-communicatie is: een duidelijke zichtlijn is niet vereist.

Onze wereld is gevuld met vaste objecten die licht blokkeren – zelfs zeer krachtig licht. We hebben allemaal de intense helderheid van de zomerzon ervaren, maar die intensiteit wordt sterk verminderd door niets meer dan een dun stukje stof. De laagfrequente EMR die in RF-systemen wordt gebruikt, gaat daarentegen door muren, plastic omhulsels, wolken en – hoewel het misschien een beetje vreemd lijkt – door elke cel in het menselijk lichaam. RF-signalen worden niet volledig ongemoeid gelaten door deze materialen en in sommige gevallen kan een aanzienlijke verzwakking optreden. Maar vergeleken met licht gaat (laagfrequente) EMR zo ongeveer overal naartoe.

Samenvatting

• “RF” verwijst naar het gebruik van elektromagnetische straling voor de overdracht van informatie tussen twee circuits die geen directe elektrische verbinding hebben.
• Tijdafhankelijke spanningen en stromen wekken elektromagnetische energie op die zich voortplant in de vorm van golven. Wij kunnen analoge en digitale gegevens draadloos overdragen door deze golven te manipuleren en te interpreteren.
• EMR is de dominante vorm van draadloze communicatie. Een alternatief is het gebruik van licht (zoals in glasvezel), maar RF is veel veelzijdiger omdat EMR met een lagere frequentie niet wordt geblokkeerd door ondoorzichtige voorwerpen.