Antena de red 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:
- **Polarización lineal**: La dirección del campo eléctrico permanece fija, siendo esta la forma de polarización más común. Una onda con un campo eléctrico perpendicular al suelo es una **onda polarizada verticalmente**, que presenta una alta resistencia a la interferencia por reflexión del suelo y es adecuada para las comunicaciones móviles terrestres (p. ej., estaciones base 2G/3G tradicionales); una onda con un campo eléctrico paralelo al suelo es una **onda polarizada horizontalmente**, comúnmente utilizada en transmisiones de radio y televisión, comunicaciones por relé de microondas y otros escenarios.
- **Polarización Circular**: La trayectoria del vector de campo eléctrico es circular, dividida en **polarización circular levógira** y **polarización circular dextrógira**, que son mutuamente excluyentes (una antena levógira solo puede recibir ondas con polarización circular levógira, y viceversa). Su principal ventaja es su alta resistencia a la interferencia por trayectos múltiples y a la torsión de polarización, lo que la hace ampliamente utilizada en comunicaciones por satélite (p. ej.,
Beidou
,
GPS
satélites), control remoto de vehículos aéreos no tripulados (UAV) y otros escenarios.
- **Polarización Elíptica**: La trayectoria del vector de campo eléctrico es elíptica, la forma general de polarización: la polarización circular ocurre cuando los ejes mayor y menor de la elipse son iguales, y la polarización lineal cuando el eje menor tiende a cero. En entornos de comunicación reales, debido a reflexiones por trayectos múltiples, la oclusión de obstáculos y otros factores, las ondas con polarización lineal o circular pura suelen convertirse en ondas con polarización elíptica.
1.4 Propagación por trayectos múltiples
Cuando las ondas de radio se propagan, además de las ondas directas, sufren reflexión, difracción y transmisión al encontrar obstáculos como colinas, bosques y edificios. Esto provoca que el terminal receptor reciba simultáneamente ondas de radio multitrayecto, un fenómeno conocido como **propagación multitrayecto**. Sus principales consecuencias incluyen: (1) la complicación de la distribución de la intensidad de la señal, lo que provoca desvanecimientos de sombra y rápidos, lo que produce fluctuaciones importantes en la intensidad de la señal en el receptor; (2) la alteración de la dirección de polarización de la onda de radio, lo que provoca un desajuste de polarización y reduce la intensidad de la señal recibida; (3) la generación de dispersión de retardo (la diferencia de tiempo entre las señales que llegan por diferentes trayectorias), lo que causa interferencia entre símbolos; (4) la superposición (mejora) o cancelación (debilitamiento) de señales locales, según la relación entre la diferencia de trayectoria y la longitud de onda. Por ejemplo, en zonas urbanas densas, los reflejos de los edificios generan una gran cantidad de señales multitrayecto, lo que provoca fluctuaciones frecuentes en la intensidad de la señal recibida por los teléfonos móviles.
La solución principal a este problema es la **tecnología de recepción por diversidad**, que recibe y combina señales multitrayecto para mitigar las interferencias. Se divide en dos categorías:
1. **Diversidad Espacial**: Utiliza múltiples antenas monopolarizadas con una distribución espacial razonable (con una separación superior a 10 veces la longitud de onda) para recibir señales por diferentes caminos. Ideal para escenarios con bajos requisitos de polarización.
2. **Diversidad de polarización**: Aprovecha las características ortogonales de las antenas de doble polarización para recibir simultáneamente dos señales con polarización vertical (p. ej., +45°/-45°). Gracias a la baja correlación de las señales, la salida combinada mejora significativamente la fiabilidad de la recepción, lo que la convierte en la solución principal para la actualidad.
5G
estaciones base.
