Что такое радиоволны, и почему мы их используем?
Узнайте, что такое электромагнитное излучение, и почему оно так полезно для беспроводной связи.
Когда мы говорим об электричестве, мы, естественно, думаем о проводах. От высоковольтных линий передачи до крошечных проводников на печатной плате провода по-прежнему являются основным средством передачи электрической энергии из одного места в другое.
Но история последовательно демонстрирует, что люди редко, если вообще когда-либо, бывают удовлетворены основным способом выполнения чего-либо, и поэтому мы не должны удивляться, узнав, что за распространением электричества последовало широко распространенное стремление освободить электрический функционал от ограничений физических соединений.
Существуют различные способы добавления «добавления» электрического функционала к электрическую систему. Одним из них является использование электромагнитного излучения (ЭМИ), которое является основой для радиосвязи. Однако важно признать, что электромагнитное излучение не является уникальным по своей способностей электрической схемотехники в беспроводную область. Всё, что может проходить через непроводящий материал, (механическое движение, звуковые волны, тепло) может быть использовано в качестве (возможно сырого) средства преобразования электрической энергии в информацию, которая не полагается на проводящие соединения.
С учетом вышесказанного мы можем задать себе более актуальные вопросы. Почему электромагнитное излучение (ЭМИ) является предпочтительным? Почему другие типы беспроводной связи имеют такое второстепенное значение? Прежде чем ответить на эти вопросы, давайте выясним, что такое электромагнитное излучение.
Поля и волны
Вы могли бы потратить годы на изучение деталей электромагнетизма. К счастью, вам не нужен такой опыт для успешного проектирования и реализации радиочастотных схем. Но вам нужно иметь базовое представление о таинственной энергии, излучаемой антенной вашего устройства.
Как следует из названия, электромагнитное излучение (ЭМИ) включает в себя как электрические поля, так и магнитные поля. Если у вас есть напряжение (напряжение, приложенное к импедансу антенны), то у вас есть электрическое поле (с математической точки зрения электрическое поле пропорционально пространственной скорости изменения напряжения). Если у вас есть электрический ток (ток, проходящий через импеданс антенны), то у вас есть магнитное поле (сила поля пропорциональна величине тока).
Электрическое и магнитное поля присутствуют, даже если величина напряжения или тока постоянна. Однако эти поля не будут распространяться. Если мы хотим, чтобы волна распространялась во вселенной, нам нужны изменения напряжения и тока.
Ключом к этому явлению распространения является самоподдерживающаяся связь между электрической и магнитной составляющими электромагнитного излучения (ЭМИ). Изменяющееся электрическое поле создает магнитное поле, а изменяющееся магнитное поле создает электрическое поле. Эта взаимная регенерация проявляется как отдельная сущность, а именно, как электромагнитная волна. Один раз образовавшись, эта волна будет распространяться в направлении от своего источника изо дня в день, со скоростью света, в сторону глубин неизвестного.
Создание ЭМИ и управление ЭМИ
Проектирование полной системы радиосвязи не является простым процессом. Тем не менее, очень легко создать электромагнитное излучение (ЭМИ), и на самом деле вы генерируете его, даже если не хотите этого. Любой изменяющийся во времени сигнал в любой цепи генерирует ЭМИ, это включает в себя и цифровые сигналы. В большинстве случаев это ЭМИ представляет собой просто шум. Если оно не вызывает никаких проблем, вы можете его игнорировать. В некоторых случаях оно может фактически мешать другим схемам, и в этом случае оно становится электромагнитными помехами (ЭМП).
Таким образом, мы видим, что радиочастотное проектирование заключается не только в создание ЭМИ; скорее, RF проектирование – это искусство и наука о генерации, манипуляции и интерпретации ЭМИ таким образом, чтобы можно было надежно передавать полезную информацию между двумя схемами, которые не имеют прямого электрического соединения.
Почему ЭМИ?
Теперь давайте вернемся к вопросу о том, почему системы на основе ЭМИ настолько распространены по сравнению с другими формами беспроводной связи. Другими словами, почему «беспроводная» почти всегда означает радиочастотная, когда и другие различные явления могут передавать информацию без помощи проводов. Есть несколько причин.
Гибкость
ЭМИ является естественным расширением электрических сигналов, используемых в проводных схемах. Изменяющиеся во времени напряжения и токи генерируют ЭМИ, хотите ли вы этого или нет, и, кроме того, ЭМИ является точным представлением переменных компонентов исходного сигнала.
Рассмотрим экстремальный (и совершенно непрактичный) контрпример: систему беспроводной связи на основе тепла. Представьте, что в комнате есть два отдельных устройства. Передающее устройство нагревает помещение до определенной температуры на основе сообщения, которое оно хочет отправить, а приемное устройство измеряет и интерпретирует температуру окружающей среды. Эта система будет медлительной и неудобной, потому что температура в помещении не может точно следовать изменениям сложного электрического сигнала. ЭМИ, с другой стороны, очень быстро реагирует. Передаваемые радиосигналы могут точно воспроизводить даже сложные высокочастотные сигналы, используемые в современных беспроводных системах.
Скорость
В системах со связью по переменному току скорость передачи данных зависит от того, насколько быстро может изменяться сигнал. Другими словами, чтобы передавать информацию, сигнал должен что-то делать (например, увеличивать и уменьшать амплитуду). Оказывается, что ЭМИ является практическим средством связи даже на очень высоких частотах, что означает, что радиочастотные системы могут достичь чрезвычайно высоких скоростей передачи данных.
Расстояние
Стремление к беспроводной связи тесно связано со стремлением к связи на большие расстояния; если передатчик и приемник находятся в непосредственной близости, часто проще и экономичнее использовать провода. Хотя мощность радиосигнала уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния, ЭМИ в сочетании с методами модуляции и сложной схемотехникой приемника всё еще обладает замечательной способностью передавать полезные сигналы на большие расстояния.
Не требуется прямая видимость
Единственной средой беспроводной связи, которая может конкурировать с ЭМИ, является свет; это, возможно, и не удивительно, так как свет – это очень высокочастотное ЭМИ. Но природа оптической передачи подчеркивает, возможно, решающее преимущество радиочастотной связи: для нее не требуется линия прямой видимости.
Наш мир наполнен твердыми объектами, которые блокируют свет (даже очень мощный). Мы все испытывали интенсивную яркость летнего солнца, но эта интенсивность значительно снижается простым куском тонкой ткани. Низкочастотное ЭМИ, используемое в радиочастотных системах, напротив, проходит сквозь стены, пластиковые корпуса, облака и, хотя это может показаться немного странным, сквозь каждую клетку человеческого тела. Эти радиочастотные сигналы не полностью свободны от влияния этих материалов, и в некоторых случаях может вноситься значительное затухание. Но по сравнению со светом ЭМИ (низкочастотное) проходит практически через всё.
Резюме
- «RF» («РЧ») относится к использованию электромагнитного излучения для передачи информации между двумя цепями, которые не имеют прямого электрического соединения.
- Изменяющиеся во времени напряжения и токи генерируют электромагнитную энергию, распространяющуюся в виде волн. Мы можем беспроводным образом передавать аналоговые и цифровые данные, манипулируя и интерпретируя эти волны.
- ЭМИ является доминирующей формой беспроводной связи. Одной из альтернатив является использование света (например, в оптоволоконных системах), но радиосигнал более универсален, поскольку низкочастотное ЭМИ не блокируется непрозрачными объектами.