Сетевая антенна 5G
I. Основные характеристики радиоволн
Примерное время чтения: 15 минут
1.1 Определение радиоволн
Радиоволны служат носителями сигналов и энергии, генерируемых взаимным взаимодействием колеблющихся электрических и магнитных полей, подчиняясь закону чередующегося взаимодействия: «электричество порождает магнетизм, а магнетизм порождает электричество». Во время распространения электрическое и магнитное поля всегда перпендикулярны друг другу и оба перпендикулярны направлению распространения волны, что делает их **поперечными электромагнитными волнами (ТЭМ-волнами)**.
Их генерация происходит в высокочастотных колебательных цепях: когда ток в цепи быстро изменяется со временем, в окружающем пространстве возбуждается переменное электромагнитное поле. Как только это электромагнитное поле отделяется от источника волн, оно распространяется в пространстве в виде радиоволн, не завися от какой-либо среды — они могут передаваться даже в вакууме.
1.2 Взаимосвязь между длиной волны, частотой и скоростью распространения
Основная формула, определяющая связь между длиной волны (λ), частотой (f) радиоволн и скоростью их распространения (скоростью света \( C \) в вакууме, приблизительно \( 3×10^8 \, \text{м/с} \)), выглядит следующим образом:
\[ \lambda = \frac{C}{f} \]
**Ключевой вывод**: В одной и той же среде частота и длина волны строго обратно пропорциональны — чем выше частота, тем короче длина волны. Эта зависимость напрямую определяет проектные размеры антенн: например, длину волны
Wi-Fi 2,4 ГГц
Длина сигнала составляет приблизительно 12,5 см, что соответствует длине полуволновой дипольной антенны около 6,25 см;
700 МГц
Низкочастотный коммуникационный сигнал имеет длину волны приблизительно 42,8 см, что требует длины полуволнового диполя 21,4 см. Кроме того, электрические характеристики антенны (такие как эффективность излучения, коэффициент усиления и импеданс) напрямую связаны с ее **электрической длиной** (отношением физической длины к длине волны). В практической инженерной практике требуемая электрическая длина должна быть преобразована в конкретную физическую длину, чтобы обеспечить правильную работу антенны.
1.3 Поляризация радиоволн
Поляризация — это закон изменения направления электрического поля по мере распространения радиоволны, определяемый пространственной траекторией движения вектора электрического поля, образующий полный спектр: **Круговая поляризация ← Эллиптическая поляризация → Линейная поляризация**. Основные характеристики и сценарии применения этих трех типов поляризации следующие:
- **Линейная поляризация**: Направление электрического поля остается фиксированным, это наиболее распространенная форма поляризации. Волна с электрическим полем, перпендикулярным земле, является **вертикально поляризованной волной**, которая обладает высокой устойчивостью к помехам от отражения от земли и подходит для наземной мобильной связи (например, традиционных базовых станций 2G/3G); волна с электрическим полем, параллельным земле, является **горизонтально поляризованной волной**, обычно используемой в радио- и телевещании, микроволновой релейной связи и других сценариях.
- **Круговая поляризация**: Траектория вектора электрического поля является круговой и делится на **левостороннюю круговую поляризацию** и **правостороннюю круговую поляризацию**, которые являются взаимоисключающими (антенна с левой поляризацией может принимать только волны с левой круговой поляризацией, и наоборот). Ее главное преимущество — высокая устойчивость к многолучевым помехам и кручению поляризации, что делает ее широко используемой в спутниковой связи (например,
Бейдоу
,
GPS
спутники), дистанционное управление беспилотными летательными аппаратами (БПЛА) и другие сценарии.
- **Эллиптическая поляризация**: Траектория вектора электрического поля имеет эллиптическую форму, это общая форма поляризации — круговая поляризация возникает, когда большая и малая оси эллипса равны, а линейная поляризация — когда малая ось стремится к нулю. В реальных условиях связи из-за многолучевых отражений, затенения препятствиями и других факторов чистые линейные или круговые поляризованные волны часто преобразуются в эллиптически поляризованные волны.
1.4 Многолучевое распространение
При распространении радиоволн, помимо прямых волн, они подвергаются отражению, дифракции и прохождению при столкновении с препятствиями, такими как холмы, леса и здания, в результате чего принимающий терминал одновременно принимает многолучевые радиоволны — явление, известное как **многолучевое распространение**. Основные последствия включают: (1) усложнение распределения мощности сигнала, вызывающее «теневое затухание» и «быстрое затухание», что приводит к сильным колебаниям мощности сигнала на принимающем конце; (2) изменение направления поляризации радиоволны, что приводит к несоответствию поляризации и снижению мощности принимаемого сигнала; (3) возникновение задержки распространения (разница во времени между сигналами, поступающими по разным путям), вызывающая межсимвольные помехи; (4) возникновение локального наложения (усиления) или подавления (ослабления) сигналов, в зависимости от соотношения разности путей и длины волны. Например, в густонаселенных городских районах отражения от зданий генерируют большое количество многолучевых сигналов, что приводит к частым колебаниям мощности сигнала, принимаемого мобильными телефонами.
Ключевым решением этой проблемы является **технология разнесенного приема**, которая принимает и объединяет многолучевые сигналы для уменьшения помех. Она делится на две категории:
1. **Пространственное разнесение**: Использует несколько однополяризационных антенн с разумным пространственным расположением (расстояние между ними более чем в 10 раз превышает длину волны) для приема сигналов по разным путям. Подходит для сценариев с низкими требованиями к поляризации.
2. **Поляризационное разнесение**: Использует ортогональные характеристики двухполяризационных антенн для одновременного приема двух вертикально поляризованных сигналов (например, +45°/-45°). Благодаря низкой корреляции сигналов, суммарный выходной сигнал значительно повышает надежность приема, что делает его основным решением на сегодняшний день.
5G
базовые станции.
