5g .antena sieciowa
I. Podstawowe cechy fal radiowych
Szacowany czas czytania: 15 minut
1.1 Definicja fal radiowych
Fale radiowe służą jako nośniki sygnałów i energii, generowane przez wzajemne sprzężenie oscylujących pól elektrycznego i magnetycznego, zgodnie z prawem sprzężenia przemiennego: „prąd elektryczny generuje magnetyzm, a magnetyzm generuje elektryczność”. Podczas propagacji pola elektryczne i magnetyczne są zawsze prostopadłe do siebie i oba prostopadłe do kierunku propagacji fali, co czyni je **poprzecznymi falami elektromagnetycznymi (falami TEM)**.
Ich generacja ma swoje źródło w obwodach oscylacyjnych o wysokiej częstotliwości: gdy prąd w obwodzie zmienia się gwałtownie w czasie, w otaczającej przestrzeni wzbudzane jest zmienne pole elektromagnetyczne. Po odłączeniu się tego pola od źródła fali, rozchodzi się ono w przestrzeni w postaci fal radiowych, niezależnie od jakiegokolwiek ośrodka – fale te mogą być transmitowane nawet w próżni.
1.2 Związek między długością fali, częstotliwością i prędkością propagacji
Podstawowy wzór opisujący zależność między długością fali (λ), częstotliwością (f) fal radiowych i ich prędkością rozchodzenia się (prędkość światła \( C \) w próżni, wynosząca w przybliżeniu \( 3×10^8 \, \text{m/s} \)) jest następujący:
\[ \lambda = \frac{C}{f} \]
**Główny wniosek**: W tym samym medium częstotliwość i długość fali są ściśle odwrotnie proporcjonalne – im wyższa częstotliwość, tym krótsza długość fali. Ta zależność bezpośrednio determinuje wymiary konstrukcyjne anten: na przykład długość fali
Wi-Fi 2,4 GHz
sygnał wynosi około 12,5 cm, co odpowiada długości anteny dipolowej półfalowej wynoszącej około 6,25 cm;
700MHz
Sygnał komunikacyjny o niskiej częstotliwości ma długość fali około 42,8 cm, co wymaga dipola półfalowego o długości 21,4 cm. Ponadto parametry elektryczne anteny (takie jak wydajność promieniowania, zysk i impedancja) są bezpośrednio związane z jej **długością elektryczną** (stosunkiem długości fizycznej do długości fali). W praktyce inżynieryjnej wymagana długość elektryczna musi zostać przeliczona na konkretną długość fizyczną, aby zapewnić prawidłowe działanie anteny.
1.3 Polaryzacja fal radiowych
Polaryzacja odnosi się do prawa zmienności kierunku pola elektrycznego podczas propagacji fali radiowej, określonego przez trajektorię ruchu przestrzennego wektora pola elektrycznego, tworzącego pełne widmo: **Polaryzacja kołowa ← Polaryzacja eliptyczna → Polaryzacja liniowa**. Podstawowe cechy i scenariusze zastosowań tych trzech typów polaryzacji są następujące:
- **Polaryzacja liniowa**: Kierunek pola elektrycznego pozostaje stały, jest to najczęściej stosowana forma polaryzacji. Fala z polem elektrycznym prostopadłym do ziemi to **fala spolaryzowana pionowo**, która charakteryzuje się dużą odpornością na zakłócenia odbite od ziemi i nadaje się do naziemnej komunikacji mobilnej (np. tradycyjnych stacji bazowych 2G/3G); fala z polem elektrycznym równoległym do ziemi to **fala spolaryzowana poziomo**, powszechnie stosowana w transmisji radiowej i telewizyjnej, mikrofalowej komunikacji przekaźnikowej i innych zastosowaniach.
- **Polaryzacja kołowa**: Trajektoria wektora pola elektrycznego jest kołowa, podzielona na **polaryzację kołową lewoskrętną** i **polaryzację kołową prawoskrętną**, które wzajemnie się wykluczają (antena lewoskrętna może odbierać tylko fale o polaryzacji kołowej lewoskrętnej i odwrotnie). Jej główną zaletą jest duża odporność na zakłócenia wielodrogowe i skręt polaryzacji, co czyni ją szeroko stosowaną w komunikacji satelitarnej (np.
Beidou
,
GPS
satelity), zdalne sterowanie bezzałogowymi statkami powietrznymi (UAV) i inne scenariusze.
- **Polaryzacja eliptyczna**: Trajektoria wektora pola elektrycznego jest eliptyczna, co stanowi ogólną postać polaryzacji – polaryzacja kołowa występuje, gdy osie główna i mała elipsy są równe, a polaryzacja liniowa, gdy oś główna zbliża się do zera. W rzeczywistych środowiskach komunikacyjnych, z powodu odbić wielodrogowych, okluzji przeszkód i innych czynników, czyste fale spolaryzowane liniowo lub kołowo są często przekształcane w fale spolaryzowane eliptycznie.
1.4 Propagacja wielodrogowa
Podczas propagacji fal radiowych, oprócz fal bezpośrednich, ulegają one odbiciu, dyfrakcji i transmisji po napotkaniu przeszkód, takich jak wzgórza, lasy i budynki, co powoduje, że terminal odbiorczy jednocześnie odbiera wielodrogowe fale radiowe – zjawisko znane jako **propagacja wielodrogowa**. Jego główne skutki obejmują: (1) Komplikację rozkładu siły sygnału, powodującą „zanikanie cienia” i „szybkie zanikanie” oraz prowadzącą do poważnych wahań siły sygnału po stronie odbiorczej; (2) Zmianę kierunku polaryzacji fali radiowej, skutkującą niedopasowaniem polaryzacji i zmniejszeniem siły odbieranego sygnału; (3) Generowanie rozproszenia opóźnionego (różnicy czasu między sygnałami docierającymi różnymi drogami), powodując interferencję międzysymbolową; (4) Lokalną superpozycję (wzmocnienie) lub eliminację (osłabienie) sygnału, w zależności od relacji między różnicą dróg a długością fali. Na przykład w gęsto zaludnionych obszarach miejskich odbicia od budynków generują dużą liczbę sygnałów wielodrogowych, co prowadzi do częstych wahań siły sygnału odbieranego przez telefony komórkowe.
Kluczowym rozwiązaniem tego problemu jest **technologia odbioru zróżnicowania**, która odbiera i łączy sygnały wielodrogowe w celu ograniczenia zakłóceń. Dzieli się ona na dwie kategorie:
1. **Różnorodność przestrzenna**: Wykorzystuje wiele anten jednopolaryzacyjnych o rozsądnym rozmieszczeniu przestrzennym (w odstępach większych niż 10-krotność długości fali) do odbioru sygnałów różnymi ścieżkami. Nadaje się do scenariuszy o niskich wymaganiach dotyczących polaryzacji.
2. **Różnorodność polaryzacji**: Wykorzystuje ortogonalne charakterystyki anten dwupolaryzacyjnych do jednoczesnego odbioru dwóch sygnałów o polaryzacji pionowej (np. +45°/-45°). Dzięki niskiej korelacji sygnałów, połączone wyjście znacząco poprawia niezawodność odbioru, co czyni je głównym rozwiązaniem dla obecnych
5G
stacje bazowe.
