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:

- **Lineaire polarisatie**: De richting van het elektrische veld blijft constant, dit is de meest gebruikte polarisatievorm. Een golf met een elektrisch veld loodrecht op de grond is een **verticaal gepolariseerde golf**, die een sterke weerstand biedt tegen reflectie-interferentie van de grond en geschikt is voor mobiele communicatie op aarde (bijv. traditionele 2G/3G-basisstations); een golf met een elektrisch veld parallel aan de grond is een **horizontaal gepolariseerde golf**, die veel gebruikt wordt in radio- en televisie-uitzendingen, microgolfrelaiscommunicatie en andere toepassingen.

- **Circulaire polarisatie**: Het traject van de elektrische veldvector is circulair, verdeeld in **linksdraaiende circulaire polarisatie** en **rechtsdraaiende circulaire polarisatie**, die elkaar uitsluiten (een linksdraaiende antenne kan alleen linksdraaiend circulair gepolariseerde golven ontvangen, en omgekeerd). Het belangrijkste voordeel is de sterke weerstand tegen meerpadinterferentie en polarisatietorsie, waardoor het veelvuldig wordt gebruikt in satellietcommunicatie (bijv. Beidou , GPS satellieten), afstandsbediening van onbemande luchtvaartuigen (UAV's) en andere scenario's.

- **Elliptische polarisatie**: Het traject van de elektrische veldvector is elliptisch, de algemene vorm van polarisatie. Circulaire polarisatie treedt op wanneer de grote en kleine as van de ellips gelijk zijn, en lineaire polarisatie wanneer de kleine as nul nadert. In de praktijk worden zuiver lineair of circulair gepolariseerde golven vaak omgezet in elliptisch gepolariseerde golven als gevolg van meerpadreflecties, obstructie door obstakels en andere factoren.

1.4 Meervoudige padvoortplanting

Wanneer radiogolven zich voortplanten, ondergaan ze naast directe golven ook reflectie, diffractie en transmissie wanneer ze obstakels tegenkomen zoals heuvels, bossen en gebouwen. Hierdoor ontvangt de ontvangende terminal tegelijkertijd radiogolven via meerdere paden – een fenomeen dat bekend staat als **multipath propagatie**. De belangrijkste gevolgen hiervan zijn: (1) Het compliceren van de signaalsterkteverdeling, wat leidt tot "schaduwverzwakking" en "snelle verzwakking" en ernstige schommelingen in de signaalsterkte aan de ontvangende kant; (2) Het veranderen van de polarisatierichting van de radiogolf, wat resulteert in polarisatie-mismatch en een vermindering van de ontvangen signaalsterkte; (3) Het genereren van vertragingsspreiding (het tijdsverschil tussen signalen die via verschillende paden aankomen), wat intersymboolinterferentie veroorzaakt; (4) Het veroorzaken van lokale signaalsuperpositie (versterking) of -annulering (verzwakking), afhankelijk van de relatie tussen padlengteverschil en golflengte. In dichtbevolkte stedelijke gebieden genereren reflecties van gebouwen bijvoorbeeld een groot aantal multipath-signalen, wat leidt tot frequente schommelingen in de signaalsterkte die mobiele telefoons ontvangen.

De kernoplossing voor dit probleem is **diversiteitsontvangsttechnologie**, die signalen uit meerdere paden ontvangt en combineert om interferentie te verminderen. Deze technologie is onderverdeeld in twee categorieën:

1. **Ruimtelijke diversiteit**: Maakt gebruik van meerdere enkelvoudig gepolariseerde antennes met een redelijke ruimtelijke opstelling (afstand groter dan 10 keer de golflengte) om signalen via verschillende paden te ontvangen. Geschikt voor scenario's met lage polarisatie-eisen.

2. **Polarisatiediversiteit**: Maakt gebruik van de orthogonale eigenschappen van dubbelgepolariseerde antennes om gelijktijdig twee verticaal gepolariseerde signalen te ontvangen (bijv. +45°/-45°). Door de lage correlatie van de signalen verbetert de gecombineerde output de ontvangstbetrouwbaarheid aanzienlijk, waardoor het de gangbare oplossing is voor de huidige toepassingen. 5G basisstations.

WWW.WHWIRELESS.COM