Grundlegende Theorie der Hochfrequenz (RF)

1. Was ist Radiofrequenz?

Radiofrequenz, abgekürzt alsRFist die Abkürzung für hochfrequente elektromagnetische Wechselstromwellen.

Elektromagnetische Wellen sind eigentlich recht bekannte Konzepte.

Nach Maxwells elektromagnetischer Feldtheorie erzeugt ein oszillierendes elektrisches Feld ein oszillierendes Magnetfeld, und ein oszillierendes Magnetfeld erzeugt ein oszillierendes elektrisches Feld.

Elektromagnetische Felder breiten sich kontinuierlich im Raum aus und bilden elektromagnetische Wellen.

Das folgende Diagramm veranschaulicht diesen Prozess grob, wobei E das elektrische Feld und B das magnetische Feld darstellt.

Die Phase und Amplitude elektrischer und magnetischer Felder an derselben Position auf der Achse ändern sich im Laufe der Zeit.

Normalerweise ist Radiofrequenz (RF) ein Sammelbegriff für elektromagnetische Wellen mit Schwingungsfrequenzen zwischen 300 kHz und 300 GHz und wird häufig in der Radar- und drahtlosen Kommunikation verwendet.

2. Grundlegende Eigenschaften der Hochfrequenz

Um ein bestimmtes HF-Signal zu beschreiben, kann es aus vier Perspektiven betrachtet werden: Frequenz, Wellenlänge, Amplitude und Phase.

2.1 Frequenz und Wellenlänge

Die Frequenz elektromagnetischer Wellen bezieht sich auf die Frequenz elektromagnetischer Feldschwingungen.

Wellen haben eine Periode und die Frequenz (f) ist die Anzahl der Zyklen, die eine Welle innerhalb einer bestimmten Zeiteinheit auftritt, gemessen in Hertz (Hz).

Die folgende Abbildung stellt die Wellenform eines Signals mit einer Frequenz von 10 Hz pro Zeiteinheit dar.

Wellenlänge (λ) Die Entfernung, über die sich eine Welle innerhalb einer Periode ausbreitet. Bei konstanter Ausbreitungsgeschwindigkeit ist die Wellenlänge umgekehrt proportional zur Frequenz, d. h. λ =  C/f.

HF mit ähnlichen Frequenzen stören sich gegenseitig. Daher gibt es eine spezielle Organisation für die Verwaltung des Spektrums, um Frequenzbänder zuzuweisen, gegenseitige Störungen zwischen Anwendungen zu vermeiden und die Verwendung von HF zu standardisieren.

Aufgrund von Faktoren wie der Dämpfung können sich niederfrequente elektromagnetische Wellen im Allgemeinen über größere Entfernungen ausbreiten als hochfrequente elektromagnetische Wellen und werden daher häufig in Radargeräten über der Sichtlinie verwendet.

Hochfrequente elektromagnetische Wellen verfügen über eine hohe Energie, ein starkes Durchdringungsvermögen und eine höhere Bandbreite und werden mittlerweile auch in einigen Sichtlinienkommunikationen verwendet, um das Problem der Überlastung im Niederfrequenzbereich zu lindern, beispielsweise bei der mmWave-Kommunikation.

2.2 Amplitude

Das Amplitudensignal der HF ist ein Maß für die Variation der Schwingung des elektrischen Feldes innerhalb eines einzelnen Zyklus. Bei Sinuswellen kann es durch den Spitzenwert ①, den Spitze-zu-Spitze-Wert ② und den quadratischen Mittelwert ③ dargestellt werden.

2.3 Phase

Phase bezieht sich auf die Position eines einzelnen Zeitpunkts in der Wellenperiode und wird bei Sinuswellen normalerweise im Bogenmaß ausgedrückt.