I. Basic Characteristics of Radio Waves

WWW.WHWIRELESS.COM

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:

- **Linear Polarization**: The electric field direction remains fixed, the most commonly used polarization form. A wave with an electric field perpendicular to the ground is a **vertically polarized wave**, which has strong resistance to ground reflection interference and is suitable for terrestrial mobile communications (e.g., traditional 2G/3G base stations); a wave with an electric field parallel to the ground is a **horizontally polarized wave**, commonly used in radio and television transmission, microwave relay communications, and other scenarios.

- **Kruhová polarizace**: Trajektorie vektoru elektrického pole je kruhová, rozdělená na **levou kruhovou polarizaci** a **pravou kruhovou polarizaci**, které se vzájemně vylučují (levá anténa může přijímat pouze levou kruhově polarizované vlny a naopak). Její hlavní výhodou je silná odolnost vůči vícecestnému rušení a polarizační torzi, díky čemuž se široce používá v satelitní komunikaci (např. Beidou , GPS satelity), dálkové ovládání bezpilotních letounů (UAV) a další scénáře.

- **Eliptická polarizace**: Trajektorie vektoru elektrického pole je eliptická, což je obecný typ polarizace – kruhová polarizace nastává, když jsou hlavní a vedlejší osy elipsy stejné, a lineární polarizace nastává, když se vedlejší osa blíží nule. V reálných komunikačních prostředích se v důsledku vícecestných odrazů, překážek a dalších faktorů čistě lineárně nebo kruhově polarizované vlny často převádějí na elipticky polarizované vlny.

1.4 Vícecestné šíření

Když se rádiové vlny šíří, kromě přímých vln podléhají odrazu, difrakci a přenosu při setkání s překážkami, jako jsou kopce, lesy a budovy, což má za následek, že přijímací terminál současně přijímá vícecestné rádiové vlny – jev známý jako **vícecestné šíření**. Mezi jeho hlavní dopady patří: (1) Komplikace rozložení síly signálu, způsobující „stínové blednutí“ a „rychlé blednutí“ a vedoucí k výrazným kolísáním síly signálu na přijímacím konci; (2) Změna směru polarizace rádiové vlny, což vede k nesouladu polarizace a snížení síly přijímaného signálu; (3) Generování rozptylu zpoždění (časový rozdíl mezi signály přicházejícími různými cestami), což způsobuje interferenci mezi symboly; (4) Způsobení lokální superpozice (zesílení) nebo zrušení (oslabení) signálu v závislosti na vztahu mezi rozdílem dráhy a vlnovou délkou. Například v hustě osídlených městských oblastech generují odrazy od budov velké množství vícecestných signálů, což vede k častým kolísáním síly signálu přijímaného mobilními telefony.

Základním řešením tohoto problému je **technologie diverzitního příjmu**, která přijímá a kombinuje vícecestné signály za účelem zmírnění rušení. Dělí se do dvou kategorií:

1. **Prostorová diverzita**: Využívá více antén s jednou polarizací s rozumným prostorovým uspořádáním (rozteč větší než 10násobek vlnové délky) pro příjem signálů po různých cestách. Vhodné pro scénáře s nízkými požadavky na polarizaci.

2. **Polarizační diverzita**: Využívá ortogonální charakteristiky duálně polarizovaných antén k současnému příjmu dvou vertikálně polarizovaných signálů (např. +45°/-45°). Díky nízké korelaci signálů kombinovaný výstup výrazně zlepšuje spolehlivost příjmu, což z něj činí mainstreamové řešení pro současné... 5G základnové stanice.

WWW.WHWIRELESS.COM