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:

- **Phân cực tuyến tính**: Hướng điện trường không đổi, đây là dạng phân cực được sử dụng phổ biến nhất. Sóng có điện trường vuông góc với mặt đất là **sóng phân cực dọc**, có khả năng chống nhiễu phản xạ từ mặt đất mạnh và phù hợp với truyền thông di động mặt đất (ví dụ: các trạm gốc 2G/3G truyền thống); sóng có điện trường song song với mặt đất là **sóng phân cực ngang**, thường được sử dụng trong truyền dẫn radio và truyền hình, truyền thông chuyển tiếp vi sóng và các trường hợp khác.

- **Phân cực tròn**: Quỹ đạo của vectơ điện trường là hình tròn, được chia thành **phân cực tròn trái** và **phân cực tròn phải**, chúng loại trừ lẫn nhau (ăng-ten phân cực tròn trái chỉ có thể nhận sóng phân cực tròn trái và ngược lại). Ưu điểm cốt lõi của nó là khả năng chống nhiễu đa đường và xoắn phân cực mạnh, do đó được sử dụng rộng rãi trong truyền thông vệ tinh (ví dụ: Beidou , GPS vệ tinh), điều khiển từ xa máy bay không người lái (UAV) và các tình huống khác.

- **Phân cực elip**: Quỹ đạo của vectơ điện trường là hình elip, dạng phân cực tổng quát — phân cực tròn xảy ra khi trục chính và trục phụ của elip bằng nhau, và phân cực tuyến tính khi trục phụ tiến đến 0. Trong môi trường truyền thông thực tế, do phản xạ đa đường, vật cản che khuất và các yếu tố khác, sóng phân cực tuyến tính hoặc tròn thuần túy thường bị chuyển đổi thành sóng phân cực elip.

1.4 Sự lan truyền đa đường

Khi sóng vô tuyến lan truyền, ngoài sóng trực tiếp, chúng còn trải qua quá trình phản xạ, nhiễu xạ và truyền dẫn khi gặp các vật cản như đồi núi, rừng cây và nhà cửa, dẫn đến việc thiết bị đầu cuối thu nhận đồng thời nhiều sóng vô tuyến trên nhiều đường truyền khác nhau – hiện tượng này được gọi là **lan truyền đa đường**. Các tác động chính của nó bao gồm: (1) Làm phức tạp sự phân bố cường độ tín hiệu, gây ra hiện tượng "suy giảm bóng" và "suy giảm nhanh" dẫn đến sự dao động mạnh về cường độ tín hiệu ở đầu thu; (2) Thay đổi hướng phân cực của sóng vô tuyến, dẫn đến sự không khớp phân cực và làm giảm cường độ tín hiệu nhận được; (3) Tạo ra độ trễ lan truyền (sự khác biệt về thời gian giữa các tín hiệu đến qua các đường truyền khác nhau), gây ra nhiễu xuyên ký hiệu; (4) Gây ra sự chồng chất (tăng cường) hoặc triệt tiêu (làm suy yếu) tín hiệu cục bộ, tùy thuộc vào mối quan hệ giữa sự khác biệt đường truyền và bước sóng. Ví dụ, ở các khu vực đô thị đông đúc, sự phản xạ từ các tòa nhà tạo ra một lượng lớn tín hiệu đa đường, dẫn đến sự dao động thường xuyên về cường độ tín hiệu mà điện thoại di động nhận được.

Giải pháp cốt lõi cho vấn đề này là **công nghệ thu tín hiệu đa dạng**, công nghệ này thu và kết hợp các tín hiệu đa đường để giảm thiểu nhiễu. Nó được chia thành hai loại:

1. **Đa dạng không gian**: Sử dụng nhiều ăng-ten đơn phân cực với bố cục không gian hợp lý (khoảng cách lớn hơn 10 lần bước sóng) để thu tín hiệu qua các đường dẫn khác nhau. Thích hợp cho các trường hợp yêu cầu độ phân cực thấp.

2. **Đa dạng phân cực**: Tận dụng đặc tính trực giao của ăng-ten phân cực kép để đồng thời thu hai tín hiệu phân cực theo chiều dọc (ví dụ: +45°/-45°). Do độ tương quan tín hiệu thấp, tín hiệu đầu ra kết hợp cải thiện đáng kể độ tin cậy thu sóng, trở thành giải pháp chủ đạo hiện nay. 5G trạm gốc.

WWW.WHWIRELESS.COM