Antenna di rete 5G
I. Basic Characteristics of Radio Waves
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1.1 Definition of Radio Waves
Radio waves serve as the carrier of signals and energy, generated by the mutual coupling of oscillating electric and magnetic fields, adhering to the alternating coupling law of "electricity generates magnetism and magnetism generates electricity". During propagation, the electric and magnetic fields are always perpendicular to each other and both perpendicular to the propagation direction of the wave, making them **Transverse Electromagnetic Waves (TEM waves)**.
Their generation originates from high-frequency oscillating circuits: when the current in a circuit changes rapidly over time, an alternating electromagnetic field is excited in the surrounding space. Once this electromagnetic field detaches from the wave source, it propagates through space in the form of radio waves, without relying on any medium—they can even transmit in a vacuum.
1.2 Relationship between Wavelength, Frequency and Propagation Speed
The core formula governing the relationship between the wavelength (λ), frequency (f) of radio waves and their propagation speed (speed of light \( C \) in a vacuum, approximately \( 3×10^8 \, \text{m/s} \)) is:
\[ \lambda = \frac{C}{f} \]
**Key Conclusion**: In the same medium, frequency and wavelength are strictly inversely proportional—the higher the frequency, the shorter the wavelength. This relationship directly dictates the design dimensions of antennas: for example, the wavelength of a
2.4GHz WiFi
signal is approximately 12.5 cm, corresponding to a half-wave dipole antenna length of about 6.25 cm; for a
700MHz
low-frequency communication signal, the wavelength is approximately 42.8 cm, requiring a half-wave dipole length of 21.4 cm. Additionally, the electrical performance of an antenna (such as radiation efficiency, gain, and impedance) is directly related to its **electrical length** (the ratio of physical length to wavelength). In practical engineering, the required electrical length must be converted to the specific physical length to ensure the antenna operates properly.
1.3 Polarization of Radio Waves
Polarization refers to the variation law of the electric field direction as a radio wave propagates, determined by the spatial motion trajectory of the electric field vector, forming a complete spectrum: **Circular Polarization ← Elliptical Polarization → Linear Polarization**. The core characteristics and application scenarios of the three are as follows:
- **Polarizzazione lineare**: la direzione del campo elettrico rimane fissa, ed è la forma di polarizzazione più comunemente utilizzata. Un'onda con un campo elettrico perpendicolare al terreno è un'**onda polarizzata verticalmente**, che presenta una forte resistenza alle interferenze di riflessione del terreno ed è adatta alle comunicazioni mobili terrestri (ad esempio, le tradizionali stazioni base 2G/3G); un'onda con un campo elettrico parallelo al terreno è un'**onda polarizzata orizzontalmente**, comunemente utilizzata nelle trasmissioni radiotelevisive, nelle comunicazioni a microonde e in altri scenari.
- **Polarizzazione circolare**: la traiettoria del vettore del campo elettrico è circolare, divisa in **polarizzazione circolare sinistra** e **polarizzazione circolare destra**, che si escludono a vicenda (un'antenna sinistra può ricevere solo onde polarizzate circolarmente a sinistra e viceversa). Il suo vantaggio principale è la forte resistenza alle interferenze multipath e alla torsione di polarizzazione, che la rende ampiamente utilizzata nelle comunicazioni satellitari (ad esempio,
Beidou
,
GPS
satelliti), controllo remoto di veicoli aerei senza pilota (UAV) e altri scenari.
- **Polarizzazione ellittica**: la traiettoria del vettore del campo elettrico è ellittica, la forma generale di polarizzazione: la polarizzazione circolare si verifica quando gli assi maggiore e minore dell'ellisse sono uguali, mentre la polarizzazione lineare si verifica quando l'asse minore si avvicina allo zero. Negli ambienti di comunicazione reali, a causa di riflessioni multipath, occlusione di ostacoli e altri fattori, le onde polarizzate puramente lineari o circolari vengono spesso convertite in onde polarizzate ellitticamente.
1.4 Propagazione multipercorso
Durante la propagazione, le onde radio, oltre alle onde dirette, subiscono riflessione, diffrazione e trasmissione quando incontrano ostacoli come colline, foreste ed edifici, con il risultato che il terminale ricevente riceve simultaneamente onde radio multi-path, un fenomeno noto come **propagazione multi-path**. I suoi impatti principali includono: (1) Complicazione della distribuzione dell'intensità del segnale, causando "shadow fading" e "fast fading" e portando a gravi fluttuazioni dell'intensità del segnale all'estremità ricevente; (2) Alterazione della direzione di polarizzazione dell'onda radio, con conseguente disallineamento della polarizzazione e riduzione dell'intensità del segnale ricevuto; (3) Generazione di delay spread (la differenza di tempo tra i segnali che arrivano attraverso percorsi diversi), causando interferenza intersimbolica; (4) Causa sovrapposizione locale del segnale (potenziamento) o cancellazione (indebolimento, a seconda della relazione tra differenza di percorso e lunghezza d'onda). Ad esempio, nelle aree urbane densamente popolate, le riflessioni degli edifici generano un gran numero di segnali multi-path, portando a frequenti fluttuazioni dell'intensità del segnale ricevuto dai telefoni cellulari.
La soluzione principale a questo problema è la **tecnologia di ricezione diversity**, che riceve e combina segnali multi-percorso per mitigare le interferenze. Si divide in due categorie:
1. **Spatial Diversity**: Utilizes multiple single-polarized antennas with a reasonable spatial layout (spacing greater than 10 times the wavelength) to receive signals via different paths. Suitable for scenarios with low polarization requirements.
2. **Polarization Diversity**: Leverages the orthogonal characteristics of dual-polarized antennas to simultaneously receive two vertically polarized signals (e.g., +45°/-45°). Due to the low correlation of signals, the combined output significantly improves reception reliability, making it the mainstream solution for current
5G
base stations.
