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到底頻率和穿透能力之間是什么樣的關系

iIeQ_mwrfnet ? 來源:微波射頻網 ? 作者:微波射頻網 ? 2020-10-12 15:32 ? 次閱讀

之前的5G毫米波的文章推出之后,引起了很多讀者的濃厚興趣。正如文章所說,5G毫米波的信號覆蓋能力很弱,這是它的一個重要缺陷,會制約它的后續發展。 但是,文章中關于毫米波信號覆蓋能力差的原因描述,引起了部分讀者的爭議。

其實,同樣的問題之前也有讀者提出過。關于電磁波頻率(波長)和信號覆蓋能力之間的關系,很多人都存在疑問。 有人說,電磁波的頻率越高,穿透力越弱,所以覆蓋能力差。那么就有人問,X射線和γ射線頻率高,不是用于醫學攝片和金屬設備探傷嗎? 也有人問,頻率越高,穿透能力越弱,為什么可見光的頻率那么高,卻可以穿透玻璃呢? 總而言之,眾說紛紜,誰也說不清楚,到底頻率和穿透能力之間是什么樣的關系。 今天這篇文章,我們就詳細解釋一下這個問題。 首先,我們要澄清一些基本概念。 什么是電磁波?大家可能覺得,電磁波不就是光波和電波么,扭來扭去的那種正弦圖形,就是電磁波。

電磁波 嚴格來說,電磁波是以波動形式傳播的電磁場。相同方向且相互垂直的電場和磁場,在空間中傳播的震蕩粒子波,就是電磁波。 電磁波的傳播,不依賴于介質,就算在真空中,也可以傳播。 太陽光,就是電磁波的一種可見的輻射形態。無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線,都是電磁波。它們的主要區別,就是頻率不同。

大家切記,水波、聲波不是電磁波,而是機械波。它們是需要實體介質的,一個點上下運動,帶動下一個點運動,形成了波。

機械波 所以,請不要把電磁波想象成真的有那么一個正弦曲線在空間中扭動! 電磁波的類別和用處很多,為了避免發散,我們先僅限于討論移動通信中的電磁波傳播。 也就是說,我們重點討論:電磁波信號由天線發出之后,究竟如何才能傳播更遠的距離?

電磁波的傳播,有以下幾種機制:直射、反射和衍射(繞射)。 A點到B點,如果沒有障礙物,那么就是直射。它們之間只有空氣。

現實中的環境不會那么簡單,周圍總會有一些障礙物,于是,會有一些反射。它們之間,還是空氣為主。

信號會發生疊加,產生快衰弱(瑞利衰落)

如果有障礙物,那么問題出現了,信號該怎么過去呢?

除了借助環境物體進行反射之外,就只剩兩個選擇,一個是衍射(繞射),一個是直接穿透過去! 關于衍射,如果你的物理知識還沒還給老師的話,應該記得“小孔成像”吧?

衍射,指的是波(如光波)遇到障礙物時偏離原來直線傳播的物理現象。也就是說,電磁波具備“繞開”障礙物的能力。波長越長(大于障礙物尺寸),波動性越明顯,越容易發生衍射現象。 再來看穿透。穿透這個比較麻煩。它包括了3個過程。 第一步,是障礙物表面。

電磁波從空氣到障礙物(也就是導體),需要用外面的電場和磁場感應出介質里面的電場和磁場。 基于經典電磁波理論,電磁波在不同介質的傳播速度,取決于介質(障礙物)的介電特性和介磁特性。如果介質是理想導體,導電性能特別好,那么,電場在該理想導體內部永遠為0,就不能產生電場。 所以,如果障礙物是理想導體,所有的電磁波都會反射回去。 對于非理想導體(大部分介質),電磁波在表面上分成折射和反射的兩部分。兩部分的比例跟波速、入射角有關,而波速又跟頻率有關。所以,經過介質表面時,電磁波信號就已經衰減掉一部分了。 好了,接下來是第二步,電磁波折射的一部分終于進入介質內部。 介質分為均勻介質和不均勻介質。我們先說均勻介質。 大部分介質不是理想導體或良導體,而是絕緣體或者有不同電阻率值的導體。 電磁波在絕緣體中的傳播較為順暢。像玻璃,就是一種非常典型的絕緣體。光線在玻璃中傳播時,吸收率很低,所以玻璃看著就很透明。 很多晶體,例如食鹽晶體、冰糖晶體,還有純凈的水結成的冰,都和玻璃類似。 最典型的就是光纖。光在光纖中,可以傳輸幾十公里。

光纖的纖芯 電磁波在有不同電阻率的導體中傳播,可以使用麥克斯韋方程式進行計算。具體怎么算,我就不解釋了。 我們可以簡單來理解: 電磁波是電場和磁場的傳播,波峰和波谷是電場的兩個極值。

當電磁波頻率越高,則波長越短,波峰和波谷離得越近,介質某一點附近電場的差異就越大,相應電流就越大,所以損耗在介質里的能量就越多。

所以,相同前提條件下,在有電阻率的導體中,頻率越高的電磁波,衰減得就越快。 比較典型的例子就是深海中的潛艇。潛艇都是使用長波或超長波與岸上基地進行通信的。因為無線信號的頻率很低,在水中的衰減會更小。 對于不均勻介質,這個問題就更復雜了。 電磁波在不均勻介質中傳播,等于是在不同介質之間反復地發生折射、反射、衍射。傳播的路徑更加復雜,最終射出的方向也非常復雜。過長的路徑,也會帶來更大的衰減(損耗)。

典型的例子是墻面,不管是鋼筋混凝土墻面,還是磚砌墻面,都是不均勻介質,電磁波傳播過程中,就有不同程度的衰減。 第三步,從介質到空氣,又是一波折射和反射。 綜上所述,大家應該明白,為什么頻率越高的電磁波,穿透障礙物的能力越弱了吧? 我們家里使用的Wi-Fi,現在都有2.4GHz頻段和5GHz頻段。大家用過的話,應該都知道,5GHz信號的穿墻能力明顯弱于2.4GHz信號。 還有我們昨天文章所說的毫米波,也是一樣的道理。相同條件下,毫米波信號穿透障礙物的衰減,明顯會大于Sub-6GHz的信號。 值得一提的是,不均勻介質的信號衰減程度,和介質顆粒度也有關系。如果這個顆粒打得很碎,顆粒很小,那么,對于低頻電磁波來說,由于波長遠大于顆粒尺寸,整體上電磁波的衰減會更小一些。 那么很多人會問,為什么高能射線例如X射線頻率那么高,穿透力卻很強呢? 這里面的原因很復雜。簡單來說,對于這些頻率極高的電磁波,經典的電動力學不能完全成立。

這是什么鬼理由? 這么說吧,X射線除了頻率高之外,還有一個特性,那就是能量極強。 X射線照在介質上時,僅一小部分被介質的原子“擋住”,大部分經由原子之間的縫隙“穿過”,從而表現出很強的穿透能力。

那么,為什么像鉛塊這樣的重金屬可以有效阻擋X射線呢?因為鉛塊的原子序數較高,密度大,原子結構更緊密,不容易“穿透”。

好啦,文章寫到這里,就要結束了。關于電磁波的波長頻率與穿透能力的關系,大家都搞明白了嗎?

責任編輯:xj

原文標題:關于頻率(波長)與穿透、繞射能力的關系,終于有人能說明白了

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