Uma troca governa tudo

Frequências baixas viajam longe e carregam pouco. Frequências altas carregam quantidades enormes e param no primeiro obstáculo. Quase toda decisão de projeto em rádio, da comunicação com submarinos ao 5G, é uma posição tomada sobre essa troca.

A razão é física. Um comprimento de onda longo se difrata em volta de morros, prédios e da curvatura da Terra; um curto se comporta cada vez mais como luz, e é por isso que você vê a sombra projetada por uma parede e por que seu tem o mesmo problema. Enquanto isso, a largura de banda — o espaço disponível para carregar informação — escala com a frequência, então é nas faixas altas que mora a capacidade.

Os três modos de propagação

Quase todo o comportamento decorre de qual dos três modos domina.

A onda terrestre segue a superfície da Terra, acompanhando o terreno. Domina abaixo de cerca de 2 MHz. É por isso que emissoras AM cobrem uma região de forma confiável de dia e de noite, e por que frequências muito baixas alcançam submarinos submersos.

A onda ionosférica é a interessante. Entre cerca de 2 e 30 MHz, sinais lançados para cima são refratados pela ionosfera e curvados de volta à Terra, a centenas ou milhares de quilômetros. Podem refletir no solo e subir de novo — multi-hop — e cruzar oceanos. Isso não é metáfora: uma estação de com 100 watts numa antena de fio pode ser ouvida em outro continente, o que nenhuma potência em 2,4 GHz conseguirá.

A visada direta assume acima de aproximadamente 30 MHz. O sinal vai até onde você enxerga, limitado pelo horizonte, e é por isso que antenas de e UHF são montadas o mais alto possível e por que obstruções importam tanto.

A ionosfera não é constante, e é aí que está toda a textura da operação em HF. Ela muda entre dia e noite, com as estações do ano, e ao longo do ciclo solar de cerca de onze anos: no máximo solar a ionosfera fica mais carregada, sustenta frequências mais altas, e abrem-se caminhos de longa distância simplesmente indisponíveis no mínimo solar. Ocasionalmente o E esporádico ou o duto troposférico produzem propagação muito além das regras normais, e é por isso que operadores ainda se surpreendem.

As faixas

VLF, 3–30 kHz. Comprimentos de onda de dezenas de quilômetros. Penetra água do mar, então é usada para comunicação com submarinos submersos, além de navegação e sinais de tempo. As taxas de dados são quase cômicas — poucos caracteres por segundo — mas alcança lugares que nada mais alcança.

LF, 30–300 kHz. Onda terrestre de longa distância. Estações de sinal horário que disciplinam relógios radiocontrolados vivem aqui, junto com navegação marítima e, em partes do mundo, radiodifusão em ondas longas.

MF, 300 kHz–3 MHz. A faixa de radiodifusão AM fica aqui. Onda terrestre de dia; à noite, quando a camada D absorvente da ionosfera se dissipa, a onda ionosférica deixa emissoras AM distantes chegarem de centenas de quilômetros. Quem já pegou uma estação distante no rádio do carro à noite observou a ionosfera diretamente.

HF, 3–30 MHz. Ondas curtas. É a faixa da radiodifusão internacional, das comunicações marítimas e aeronáuticas de longa distância, e da maior parte do DX de radioamador. A onda ionosférica torna possível o contato mundial com equipamento modesto, e a desvantagem é a mesma que a vantagem: as condições variam constantemente, e a frequência que funcionou de manhã pode estar morta à tarde. Aqui também fica o CB, perto dos 27 MHz, no topo da faixa.

VHF, 30–300 MHz. Radiodifusão FM, controle de tráfego aéreo, rádio marítimo, televisão antiga e uso intenso de repetidoras de radioamador. Majoritariamente visada direta, em geral confiável, e amplamente imune ao drama ionosférico abaixo dela — embora no máximo solar as frequências mais baixas de VHF ocasionalmente propaguem a longa distância mesmo assim.

UHF, 300 MHz–3 GHz. Onde a vida moderna acontece: telefonia móvel, Wi-Fi em 2,4 GHz, Bluetooth, GPS, a maior parte da televisão, e repetidoras de radioamador. Largura de banda suficiente para taxas de dados reais, antenas pequenas, e prédios que bloqueiam sinal de forma convincente. O duto troposférico — inversões de temperatura aprisionando sinais numa camada refrativa — ocasionalmente leva UHF muito além do horizonte.

SHF, 3–30 GHz. Enlaces de satélite, radar, backhaul por micro-ondas, Wi-Fi em 5 e 6 GHz. Capacidade enorme, visada direta estrita, e a chuva começa a importar como atenuador.

, 30–300 GHz. Ondas milimétricas, incluindo as faixas altas do 5G. Capacidade extraordinária a distâncias muito curtas, bloqueada por quase tudo, inclusive folhagem e corpos humanos, e é por isso que o 5G milimétrico exige implantação densa de pequenas células em vez de torres altas.

Onde ficam as coisas familiares

As faixas ISM — industrial, científica e médica — são as alocações isentas de licença que tornaram possível o sem-fio de consumo. Wi-Fi e Bluetooth dividem 2,4 GHz com fornos de micro-ondas e muita coisa mais, e é exatamente por isso que a faixa é congestionada; as faixas de Wi-Fi em 5 e 6 GHz oferecem mais espaço e menos alcance, precisamente como a troca prevê. O faz a aposta oposta, usando alocações ISM abaixo de 1 GHz e taxas de dados muito baixas para obter quilômetros de alcance e anos de bateria de um sensor — uma escolha deliberada de alcance sobre capacidade.

O celular abrange faixas baixas para cobertura e altas para capacidade na mesma rede, que é a troca administrada em vez de resolvida: a faixa baixa alcança a borda rural, a alta atende ao quarteirão denso.

Por que vale saber disso

Se você entende a troca, quase todo comportamento de rádio deixa de ser misterioso. Seu Wi-Fi sofre com paredes porque 2,4 GHz se comporta como luz. Um radioamador em 20 metros fala com o Japão com a potência de uma lâmpada porque a ionosfera é um espelho naquela frequência. Seu telefone funciona dentro de casa numa faixa baixa e fica rápido na rua numa faixa alta. O 5G milimétrico é espantoso na esquina onde está a célula e sumiu um prédio depois.

Nada disso é arbitrário. É uma troca só, feita repetidamente, em cada faixa.