¿Qué es RF? Guía del espectro de radiofrecuencia

Por Jeremy Cook

El espectro de radiofrecuencia (RF) está a nuestro alrededor, invisible, transmitiendo señales naturales y artificiales a una…frecuencia sorprendente. Este artículo responde a la pregunta, “¿Qué es RF?” y explora cómo los reguladores trabajan para garantizar el acceso adecuado a este recurso limitado. También abordaremos cómo encaja el 5G en este panorama.

Física de la frecuencia de radio

En su forma más básica, una señal eléctrica variable en una antena puede producir oscilaciones electromagnéticas (es decir, ondas de RF). Estas pueden ser no intencionales (potencialmente causando interferencia con otros dispositivos) o señales intencionales, cuidadosamente moduladas que pueden ser recibidas por otras antenas e interpretadas como información útil. La AM (modulación de amplitud), por ejemplo, utiliza una serie de ondas de frecuencia fija como lo que se llama una onda portadora, mientras cambia la amplitud de estas ondas en serie como una señal modulada.
 
El espectro RF puede definirse como ondas electromagnéticas que oscilan entre 3 Hz y 3.000 GHz, lo que le da una amplia gama de características y casos de uso. Considere que una portadora de 3 Hz produce tres ondas electromagnéticas completas por segundo y que la señal modulada que "viaja" en esta portadora es típicamente de una frecuencia más lenta.
 
Aunque varios factores están en juego, una tasa de datos de señal modulada usando una portadora de 3 Hz será extremadamente lenta, probablemente expresada en el rango de bits/segundo o incluso menos. En el otro extremo del espectro, una onda portadora de 3.000 GHz permitirá una señal modulada mucho más rápida, y hay una amplia gama de valores (más prácticos) en medio. Este rango permite las altas velocidades de datos con las que ahora contamos en comunicaciones WiFi y celulares, así como en la radio AM y FM tradicional.
 
Las frecuencias de radio están relacionadas con la velocidad de la luz e inversamente proporcionales a la longitud de onda, expresadas mediante la ecuación:

La velocidad de la luz (aproximadamente 3 x 10^8 m/s) nunca cambia, por lo que a medida que aumenta la longitud de onda de una señal RF, la frecuencia disminuye proporcionalmente, y viceversa. Una señal RF de frecuencia relativamente alta tiene una longitud de onda corta, y una señal RF de frecuencia más baja tiene una longitud de onda mayor.
 
La compensación para señales de alta frecuencia y tasas de datos es que, aunque pueden transmitir mucha información a corta distancia, estas señales son rápidamente absorbidas por la atmósfera y los objetos circundantes. Como ejemplo cotidiano, considere cómo las tasas de datos de WiFi de 2.4 GHz son algo más lentas que las de 5 GHz, pero pueden recibirse a una mayor distancia.
 
En el extremo de transmisiones de baja tasa de datos y larga distancia, las señales en el rango de subcien hercios se utilizan para comunicarse con submarinos, penetrando en las profundidades del océano. La principal compensación es una tasa de datos muy baja. La otra consideración es que trabajar con longitudes de onda RF más largas requiere antenas correspondientemente largas.

Señales de RF y regulación para prevenir interferencias

Dado que hay un rango de frecuencias fijo en el que las comunicaciones de RF pueden llevarse a cabo razonablemente, las ondas aéreas del mundo son, por definición, un recurso limitado. El ancho de banda finito debió parecer algo académico (si es que se consideró) para los pioneros de RF a principios del siglo XX, pero hoy en día, las RF se utilizan para una increíble variedad de tecnologías y deben asignarse cuidadosamente. Cuando las señales necesariamente se superponen (por ejemplo, el canal de radio de 97.1 MHz en la ciudad de Nueva York frente a la misma frecuencia en Austin, o los miles de millones de dispositivos Bluetooth en todo el mundo), se imponen límites de potencia para mantener la interferencia al mínimo.
 
Considera cuántos dispositivos a tu alrededor transmiten y reciben intencionalmente señales de RF. Los smartphones típicos tienen al menos cuatro modos de RF: WiFi, Bluetooth, celular y GPS. Además de eso, hay una amplia gama de transmisores de RF no intencionales, que incluyen desde bombillas hasta motores eléctricos y cableado.
 
Afortunadamente, las señales de RF del mundo generalmente se llevan bien gracias a la orientación de grupos como la Unión Internacional de Telecomunicaciones (ITU), la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) y la Administración Nacional de Telecomunicaciones e Información (NTIA). Estas organizaciones dividen el espectro en bloques utilizables. Aunque el espectro es limitado debido a nuestra masiva utilización de este recurso, recuerda que este rango se extiende de 3 Hz a 3000 GHz (3,000,000,000,000 Hz, escrito). La tabla oficial en línea de asignaciones de frecuencias de la FCC es un correspondiente masivo de 181 páginas de texto.

¿Cómo funciona el 5G con las bandas de frecuencia?

El público simplemente espera que los dispositivos RF funcionen, rara vez se involucra con sus complejidades, similar a cómo esperamos tener electricidad al enchufar un dispositivo en un tomacorriente. Sin embargo, quizás debido a la fuerte promoción del 5G en los anuncios de los operadores, RF—y específicamente el 5G—es parte de nuestra conciencia colectiva. El 5G promete mejores tasas de datos y menor latencia para la transferencia de datos celulares, pero también ha sido objeto de controversia, incluyendo temores de que podría interferir con los altímetros de radar utilizados en aviones.
 
Aparte de las preocupaciones, el 5G ahora se implementa en gran parte de EE. UU. sin problemas importantes. El 5G no utiliza una sola banda de frecuencia, sino que, como se discute aquí, opera en tres rangos de frecuencia distintos. Las frecuencias más altas se utilizan para altas tasas de datos a distancias cortas desde un transmisor, y las frecuencias más bajas transmiten a distancias más largas a menores tasas de datos.
 
El 5G tampoco es lo mismo que WiFi de 5 GHz, una tecnología RF en gran medida no relacionada con un nombre similar. Añadiendo más confusión, WiFi 5 utiliza 5 GHz para la transmisión, pero el 5 en realidad representa la quinta generación inalámbrica. Y siguen apareciendo nuevos estándares de WiFi: WiFi 6E extiende la señalización a la recién disponible banda de 6 GHz, mientras que WiFi 7 usa las mismas bandas que el 6E, pero permite operaciones de multi-enlace y velocidades de hasta 46 Gbps. Conozca más sobre las diferencias entre la tecnología 5G y 5GHz.

Rango de RF: Un recurso limitado que debe ser asignado cuidadosamente

Si bien la frecuencia RF nunca se "agotará" de la misma manera que el petróleo o los metales raros, la banda de 3 Hz a 3,000 GHz es con lo que tenemos que trabajar. Este rango era el mismo en el amanecer de la comunicación por radio a finales del siglo XIX, y a menos que haya un cambio dramático en cómo entendemos la física, será el mismo en el futuro.
Para utilizar adecuadamente este recurso, necesitamos una asignación cuidadosa de frecuencia con límites de potencia adecuados e innovación tecnológica (como la señalización QPSK) que nos permite transferir más datos sin ocupar más espacio de frecuencia.
Arrow almacena una amplia gama de productos y dispositivos de radiofrecuencia de fabricantes líderes en la industria para su próximo proyecto. Por ejemplo, la placa de desarrollo DFR0868 ESP32-C3 le permite comenzar con WiFi y Bluetooth en el mismo módulo.