Antena de rede 5G
I. Basic Characteristics of Radio Waves
Estimated reading time: 15 minutes
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:
**Polarização Linear**: A direção do campo elétrico permanece fixa, sendo esta a forma de polarização mais comum. Uma onda com campo elétrico perpendicular ao solo é uma **onda polarizada verticalmente**, que apresenta forte resistência à interferência por reflexão no solo e é adequada para comunicações móveis terrestres (por exemplo, estações base 2G/3G tradicionais); uma onda com campo elétrico paralelo ao solo é uma **onda polarizada horizontalmente**, comumente utilizada em transmissões de rádio e televisão, comunicações por retransmissão de micro-ondas e outros cenários.
- **Polarização Circular**: A trajetória do vetor do campo elétrico é circular, dividida em **polarização circular à esquerda** e **polarização circular à direita**, que são mutuamente exclusivas (uma antena de polarização circular à esquerda só pode receber ondas polarizadas circularmente à esquerda e vice-versa). Sua principal vantagem é a forte resistência à interferência de múltiplos caminhos e à torção de polarização, tornando-a amplamente utilizada em comunicações via satélite (por exemplo,
Beidou
,
GPS
satélites), controle remoto de veículos aéreos não tripulados (VANTs) e outros cenários.
**Polarização Elíptica**: A trajetória do vetor do campo elétrico é elíptica, sendo esta a forma geral de polarização. A polarização circular ocorre quando os eixos maior e menor da elipse são iguais, e a polarização linear ocorre quando o eixo menor tende a zero. Em ambientes de comunicação reais, devido a reflexões multicaminho, oclusão por obstáculos e outros fatores, ondas polarizadas linearmente ou circularmente puras são frequentemente convertidas em ondas polarizadas elipticamente.
1.4 Propagação por Múltiplos Caminhos
Quando as ondas de rádio se propagam, além das ondas diretas, elas sofrem reflexão, difração e transmissão ao encontrarem obstáculos como colinas, florestas e edifícios, resultando na recepção simultânea de ondas de rádio por múltiplos caminhos pelo terminal receptor — um fenômeno conhecido como propagação por múltiplos caminhos. Seus principais impactos incluem: (1) Complicar a distribuição da intensidade do sinal, causando "desvanecimento por sombra" e "desvanecimento rápido", levando a flutuações severas na intensidade do sinal no receptor; (2) Alterar a direção de polarização da onda de rádio, resultando em incompatibilidade de polarização e reduzindo a intensidade do sinal recebido; (3) Gerar dispersão de atraso (a diferença de tempo entre os sinais que chegam por diferentes caminhos), causando interferência intersimbólica; (4) Causar superposição (amplificação) ou cancelamento (enfraquecimento) local do sinal, dependendo da relação entre a diferença de caminho e o comprimento de onda. Por exemplo, em áreas urbanas densas, as reflexões dos edifícios geram um grande número de sinais de múltiplos caminhos, levando a flutuações frequentes na intensidade do sinal recebido pelos telefones celulares.
A principal solução para esse problema é a **tecnologia de recepção por diversidade**, que recebe e combina sinais de múltiplos caminhos para mitigar a interferência. Ela se divide em duas categorias:
1. **Diversidade Espacial**: Utiliza múltiplas antenas de polarização única com um espaçamento espacial adequado (maior que 10 vezes o comprimento de onda) para receber sinais por diferentes caminhos. Adequado para cenários com baixos requisitos de polarização.
2. **Diversidade de Polarização**: Aproveita as características ortogonais de antenas de dupla polarização para receber simultaneamente dois sinais polarizados verticalmente (por exemplo, +45°/-45°). Devido à baixa correlação dos sinais, a saída combinada melhora significativamente a confiabilidade da recepção, tornando-se a solução predominante atualmente.
5G
estações base.
