I. Basiseigenschappen van radiogolven

WWW.WHWIRELESS.COM

Geschatte leestijd: 15 minuten

1.1 Definitie van radiogolven

Radiogolven dienen als drager van signalen en energie, gegenereerd door de wederzijdse koppeling van oscillerende elektrische en magnetische velden, volgens de wet van wisselende koppeling: "elektriciteit genereert magnetisme en magnetisme genereert elektriciteit". Tijdens de propagatie staan de elektrische en magnetische velden altijd loodrecht op elkaar en beide loodrecht op de voortplantingsrichting van de golf, waardoor ze **transversale elektromagnetische golven (TEM-golven)** worden genoemd.

Ze worden opgewekt door hoogfrequente oscillerende circuits: wanneer de stroom in een circuit snel verandert, wordt er een wisselend elektromagnetisch veld opgewekt in de omringende ruimte. Zodra dit elektromagnetische veld zich losmaakt van de golfbron, plant het zich voort door de ruimte in de vorm van radiogolven, zonder afhankelijk te zijn van een medium – ze kunnen zelfs in een vacuüm zenden.

1.2 Verband tussen golflengte, frequentie en voortplantingssnelheid

De kernformule die het verband beschrijft tussen de golflengte (λ), de frequentie (f) van radiogolven en hun voortplantingssnelheid (lichtsnelheid \( C \) in vacuüm, ongeveer \( 3×10^8 \, \text{m/s} \)) is:

\[ \lambda = \frac{C}{f} \]

**Belangrijkste conclusie**: In hetzelfde medium zijn frequentie en golflengte strikt omgekeerd evenredig: hoe hoger de frequentie, hoe korter de golflengte. Deze relatie bepaalt direct de ontwerpafmetingen van antennes: bijvoorbeeld de golflengte van een 2,4 GHz wifi Het signaal is ongeveer 12,5 cm, wat overeenkomt met een halvegolfdipoolantennelengte van ongeveer 6,25 cm; voor een 700 MHz Voor laagfrequente communicatiesignalen is de golflengte ongeveer 42,8 cm, waardoor een halve-golflengtedipool van 21,4 cm nodig is. Bovendien is de elektrische prestatie van een antenne (zoals stralingsrendement, versterking en impedantie) rechtstreeks gerelateerd aan de **elektrische lengte** (de verhouding tussen de fysieke lengte en de golflengte). In de praktijk moet de vereiste elektrische lengte worden omgerekend naar de specifieke fysieke lengte om ervoor te zorgen dat de antenne correct functioneert.

1.3 Polarisatie van radiogolven

Polarisatie verwijst naar de wetmatigheid van de variatie in de richting van het elektrische veld tijdens de voortplanting van een radiogolf, bepaald door het ruimtelijke bewegingstraject van de elektrische veldvector, waardoor een compleet spectrum ontstaat: **Circulaire polarisatie ← Elliptische polarisatie → Lineaire polarisatie**. De belangrijkste kenmerken en toepassingsscenario's van de drie zijn als volgt:

- **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