Antenne réseau 5G
I. Caractéristiques fondamentales des ondes radio
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1.1 Définition des ondes radio
Les ondes radio servent de vecteurs aux signaux et à l'énergie générés par le couplage mutuel des champs électriques et magnétiques oscillants, selon la loi de couplage alterné « l'électricité génère le magnétisme et le magnétisme génère l'électricité ». Lors de leur propagation, les champs électrique et magnétique sont toujours perpendiculaires entre eux et à la direction de propagation de l'onde, ce qui en fait des ondes électromagnétiques transversales (ondes TEM).
Leur génération provient de circuits oscillants à haute fréquence : lorsque le courant dans un circuit varie rapidement, un champ électromagnétique alternatif est généré dans l’espace environnant. Une fois détaché de la source d’ondes, ce champ électromagnétique se propage dans l’espace sous forme d’ondes radio, sans nécessiter de milieu particulier ; elles peuvent même se propager dans le vide.
1.2 Relation entre la longueur d'onde, la fréquence et la vitesse de propagation
La formule fondamentale régissant la relation entre la longueur d'onde (λ), la fréquence (f) des ondes radio et leur vitesse de propagation (vitesse de la lumière \( C \) dans le vide, approximativement \( 3×10^8 \, \text{m/s} \)) est :
\[ \lambda = \frac{C}{f} \]
**Conclusion principale** : Dans un même milieu, la fréquence et la longueur d’onde sont strictement inversement proportionnelles : plus la fréquence est élevée, plus la longueur d’onde est courte. Cette relation détermine directement les dimensions de conception des antennes : par exemple, la longueur d’onde d’une antenne…
Wi-Fi 2,4 GHz
Le signal mesure environ 12,5 cm, ce qui correspond à une antenne dipôle demi-onde d'une longueur d'environ 6,25 cm ; pour un
700 MHz
Pour un signal de communication basse fréquence, la longueur d'onde est d'environ 42,8 cm, ce qui nécessite un dipôle demi-onde de 21,4 cm. De plus, les performances électriques d'une antenne (telles que le rendement de rayonnement, le gain et l'impédance) sont directement liées à sa **longueur électrique** (le rapport entre la longueur physique et la longueur d'onde). En pratique, la longueur électrique requise doit être convertie en longueur physique spécifique pour garantir le bon fonctionnement de l'antenne.
1.3 Polarisation des ondes radio
La polarisation désigne la variation de la direction du champ électrique lors de la propagation d'une onde radio, déterminée par la trajectoire spatiale du vecteur champ électrique, formant un spectre complet : **Polarisation circulaire ← Polarisation elliptique → Polarisation linéaire**. Leurs principales caractéristiques et applications sont les suivantes :
- **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.
- **Circular Polarization**: The trajectory of the electric field vector is circular, divided into **left-hand circular polarization** and **right-hand circular polarization**, which are mutually exclusive (a left-hand antenna can only receive left-hand circularly polarized waves, and vice versa). Its core advantage is strong resistance to multipath interference and polarization torsion, making it widely used in satellite communications (e.g.,
Beidou
,
GPS
satellites), unmanned aerial vehicle (UAV) remote control, and other scenarios.
- **Elliptical Polarization**: The trajectory of the electric field vector is elliptical, the general form of polarization—circular polarization occurs when the major and minor axes of the ellipse are equal, and linear polarization when the minor axis approaches zero. In actual communication environments, due to multipath reflections, obstacle occlusion, and other factors, pure linear or circular polarized waves are often converted into elliptically polarized waves.
1.4 Multipath Propagation
When radio waves propagate, in addition to direct waves, they undergo reflection, diffraction, and transmission when encountering obstacles such as hills, forests, and buildings, resulting in the receiving terminal simultaneously receiving multi-path radio waves—a phenomenon known as **multipath propagation**. Its core impacts include: (1) Complicating the signal strength distribution, causing "shadow fading" and "fast fading" and leading to severe fluctuations in signal strength at the receiving end; (2) Altering the polarization direction of the radio wave, resulting in polarization mismatch and reducing the received signal strength; (3) Generating delay spread (the time difference between signals arriving via different paths), causing intersymbol interference; (4) Causing local signal superposition (enhancement) or cancellation (weakening, depending on the relationship between path difference and wavelength). For instance, in dense urban areas, building reflections generate a large number of multi-path signals, leading to frequent fluctuations in the signal strength received by mobile phones.
The core solution to this issue is **diversity reception technology**, which receives and combines multi-path signals to mitigate interference. It is divided into two categories:
1. **Diversité spatiale** : Utilise plusieurs antennes à polarisation unique disposées spatialement de manière optimale (espacement supérieur à 10 fois la longueur d’onde) pour recevoir les signaux par différents trajets. Convient aux environnements où les exigences en matière de polarisation sont faibles.
2. **Diversité de polarisation** : Exploite les caractéristiques orthogonales des antennes à double polarisation pour recevoir simultanément deux signaux à polarisation verticale (par exemple, +45°/-45°). Grâce à la faible corrélation des signaux, la sortie combinée améliore considérablement la fiabilité de la réception, ce qui en fait la solution privilégiée actuellement.
5G
stations de base.
