Cos'è RF? Una guida allo spettro delle radiofrequenze

Di Jeremy Cook

Lo spettro delle radiofrequenze (RF) è tutto intorno a noi, invisibile, trasmette segnali naturali e artificiali a una frequenza… strabiliante. Questo articolo risponde alla domanda: “Che cos'è l'RF?” e esplora come gli enti regolatori lavorano per garantire un accesso adeguato a questa risorsa limitata. Toccheremo anche il tema di come il 5G si inserisce in questo contesto.

Fisica delle radiofrequenze

Alla sua base, un segnale elettrico variabile su un' antenna può produrre oscillazioni elettromagnetiche (cioè onde RF). Queste possono essere non intenzionali (potenzialmente causando interferenze con altri dispositivi) o segnali intenzionali, accuratamente modulati che possono essere ricevuti da altre antenne e interpretati come informazioni utilizzabili. L'AM (modulazione di ampiezza), per esempio, utilizza una serie di onde a frequenza fissa come cosiddette onde portanti, mentre cambia l'ampiezza di queste onde in serie come un segnale modulato.
 
Lo spettro RF può essere definito come onde elettromagnetiche che ciclicano tra 3 Hz e 3.000 GHz, dando luogo a un'ampia gamma di caratteristiche e casi d'uso. Considera che un'onda portante a 3 Hz produce tre onde elettromagnetiche complete al secondo e che il segnale modulato che "viaggia" su quest'onda portante è tipicamente di una frequenza più lenta.
 
Mentre sono in gioco diversi fattori, una velocità di dati di segnale modulato utilizzando un'onda portante a 3 Hz sarà estremamente lenta, probabilmente espressa nell'ordine di bit/secondo o anche meno. All'altro estremo dello spettro, un'onda portante a 3.000 GHz permetterà un segnale modulato molto più veloce, e c'è un'ampia gamma di valori (più pratici) nel mezzo. Questa gamma consente le velocità di dati elevate che ora diamo per scontato nelle comunicazioni WiFi e cellulari, nonché nella tradizionale radio AM e FM.
 
Le frequenze radio sono correlate alla velocità della luce e inversamente proporzionali alla lunghezza d'onda, espresse tramite l'equazione:

La velocità della luce (circa 3 x 10^8 m/s) non cambia mai, quindi all'aumentare della lunghezza d'onda di un segnale RF, la frequenza diminuisce proporzionalmente, e viceversa. Un segnale RF relativamente ad alta frequenza ha una lunghezza d'onda corta, mentre un segnale RF a frequenza più bassa ha una lunghezza d'onda più alta.
 
Il compromesso per segnali ad alta frequenza e velocità di trasmissione dati è che, sebbene possano trasmettere molte informazioni su una breve distanza, questi segnali vengono rapidamente assorbiti dall'atmosfera e dagli oggetti circostanti. Come esempio quotidiano, si consideri come le velocità di trasmissione dati a 2.4 GHz siano leggermente più lente dei loro omologhi a 5 GHz, ma possano essere ricevute a una distanza maggiore.
 
All'estremo delle trasmissioni a lunga distanza con pochi dati, i segnali nella gamma sotto i cento hertz vengono utilizzati per comunicare con i sottomarini, penetrando nelle profondità dell'oceano. Il principale compromesso è un tasso di dati molto basso. Un'altra considerazione è che lavorare con lunghezze d'onda RF più lunghe richiede antenne corrispondentemente lunghe.

Segnali RF e regolamentazione per prevenire interferenze

Poiché esiste un intervallo di frequenze fisso entro il quale le comunicazioni RF possono ragionevolmente avvenire, le onde radio mondiali sono, per definizione, una risorsa limitata. La larghezza di banda finita deve essere sembrata accademica (se considerata del tutto) dai pionieri delle RF all'inizio del 20º secolo, ma oggi le RF sono utilizzate per una gamma incredibile di tecnologie e devono essere allocate con attenzione. Quando i segnali si sovrappongono necessariamente (ad esempio, il canale radio 97.1 MHz a New York City rispetto alla stessa frequenza ad Austin, o i miliardi di dispositivi Bluetooth in tutto il mondo), vengono applicati limiti di potenza per mantenere al minimo le interferenze.
 
Considera quanti dispositivi intorno a te trasmettono e ricevono intenzionalmente segnali RF. Gli smartphone tipici hanno almeno quattro modalità RF: WiFi, Bluetooth, cellulare e GPS. Oltre a ciò, c'è una vasta gamma di trasmettitori RF non intenzionali, che includono tutto, dalle lampadine ai motori elettrici al cablaggio.
 
Fortunatamente, i segnali RF del mondo tipicamente coesistono grazie alla guida di gruppi come l'International Telecommunication Union (ITU), la Federal Communications Commission (FCC) e la National Telecommunications and Information Administration (NTIA). Queste organizzazioni dividono lo spettro in blocchi utilizzabili. Sebbene lo spettro sia limitato a causa del nostro massiccio utilizzo di questa risorsa, ricorda che questo intervallo si estende da 3 Hz a 3000 GHz (3.000.000.000.000 Hz, scritto per esteso). La FCC Online Table of Frequency Allocations ufficiale è un corrispondente gigantesco di 181 pagine di testo.

Come funziona il 5G con le bande di frequenza?

Il pubblico si aspetta semplicemente che i dispositivi RF funzionino, raramente impegnandosi con le loro complessità, proprio come ci aspettiamo l'energia elettrica quando inseriamo una spina in una presa. Tuttavia, forse a causa della grande pubblicità del 5G negli annunci dei vettori, RF—e in particolare il 5G—fa parte della nostra coscienza collettiva. Il 5G promette effettivamente migliori velocità di trasmissione dati e minore latenza per il trasferimento dati cellulare, ma è stato anche oggetto di controversie, inclusi timori che possa interferire con gli altimetri radar utilizzati negli aerei.
 
Superando le preoccupazioni, il 5G è ora implementato in gran parte degli Stati Uniti senza problemi significativi. Il 5G non utilizza una singola banda di frequenza, ma, come discusso qui, opera su tre distinti intervalli di frequenza. Frequenze più elevate sono utilizzate per alte velocità di trasmissione a brevi distanze dal trasmettitore, mentre frequenze più basse trasmettono a distanze maggiori a velocità inferiori.
 
Il 5G non è nemmeno lo stesso del WiFi a 5 GHz, una tecnologia RF in gran parte non correlata con un nome simile. Aggiungendo ulteriore confusione, il WiFi 5 utilizza i 5 GHz per la trasmissione, ma il 5 in realtà sta per quinta generazione wireless. E nuovi standard WiFi continuano ad arrivare: il WiFi 6E estende la trasmissione nella nuova gamma disponibile a 6 GHz, mentre il WiFi 7 utilizza le stesse bande del 6E, ma consente l'operazione multi-link e velocità fino a 46 Gbps. Scopri di più sulle differenze tra la tecnologia 5G e quella a 5 GHz.

Gamma RF: una risorsa limitata che deve essere allocata con attenzione

Sebbene la frequenza RF non si esaurirà mai nello stesso modo del petrolio o dei metalli delle terre rare, la banda da 3 Hz a 3.000 GHz è ciò con cui dobbiamo lavorare. Questo intervallo era lo stesso all'alba della comunicazione radio negli ultimi anni dell'800, e a meno che non ci sia un cambiamento drammatico nel modo in cui comprendiamo la fisica, sarà lo stesso in futuro.
Per utilizzare correttamente questa risorsa, è necessaria un'attenta allocazione delle frequenze con limiti di potenza adeguati e innovazione tecnologica (come la modulazione QPSK) che ci permetta di trasferire più dati senza occupare più spazio in frequenza.
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