Почему высокочастотные волны имеют лучшее проникновение?

В свободном пространстве низкочастотные сигналы, кажется, уходят дальше, потому что сигнал либо дифрагируется землей, либо отражается верхними слоями атмосферы, что делает его на самом деле дальше.

В городских условиях, где нам нужно проникнуть сквозь стены, развивается ли 2,4 ГГц дальше, чем радио 433 МГц?

В электромагнитном спектре, имеют ли Гамма-лучи и рентгеновское излучение хорошее проникновение, потому что они имеют высокую частоту?

Это неправда, что более высокие частоты всегда проникают дальше, чем более низкие. График прозрачности различных материалов в зависимости от длины волны может быть довольно комковатым. Подумайте о цветных фильтрах, и они применимы только к узкой октаве длин волн, которую мы называем видимым светом.

То, о чем вы, очевидно, думаете, это длина волны настолько короткая, что энергия очень высокая, как у рентгеновских лучей и гамма-лучей. Они проходят через вещи исключительно из-за их высокой энергии. При более низких энергиях (более длинных длинах волн) волны взаимодействуют с материалом различными способами, так что они могут поглощаться, преломляться, отражаться и переизлучаться. Эти эффекты немонотонно меняются в зависимости от длины волны, глубины материала, его удельного сопротивления, плотности и других свойств.

Основное преимущество более высоких частот состоит в том, что им требуются более короткие антенны для достойного качества приема, и это важно для мобильных устройств. Они также обеспечивают более широкую полосу для модуляции сигналов, поэтому вы можете получить более высокую частоту передачи.

Но высокие частоты более чувствительны к отражению, поэтому им будет труднее проходить сквозь стены и препятствия в целом. В то же время они будут легче протекать через отверстия: практическое правило гласит, что если у вас есть отверстие размером с длину волны, сигнал может просочиться через него. Но в то же время, вы не можете положиться на это для хорошей передачи: поэтому я бы сказал, что предел довольно размыт.

Для получения дополнительной информации рассмотрим распространение на линии прямой видимости : микроволновая частота может преломляться меньшим объектом, чем более низкая радиочастота, поскольку она сильно зависит от длины волны. Сравнение возникает из-за того, что микроволны имеют спектр, который больше похож на оптические длины волн, поэтому они будут страдать от некоторых явлений, которые имеют место для оптики.

На самом деле более высокие частоты имеют худшие возможности проникновения. Если вы рассматриваете чисто теоретическую модель, так называемую глубину скин-слоя , которая дает толщину слоя проводника, в который электромагнитная волна данной частоты способна проникнуть через него, вы увидите, что глубина скин-слоя обратно пропорциональна с квадратным корнем частоты:

$\delta = \sqrt{\frac{2\rho}{\omega\mu}}$

$\rho$$\mu$

Это также приводит к тому, что переменные токи не используют полное поперечное сечение провода (и правильно спроектированный полый сделал бы ту же самую работу), и именно поэтому (частично) почему меньшая антенна подойдет для правильной передачи.

Но на самом деле все гораздо сложнее, чем это. Беспроводное HD-видео является серьезной инженерной проблемой (частично), потому что высокочастотные сигналы, необходимые для обеспечения соответствующей полосы пропускания, имеют тенденцию отскакивать от стен. На действительно высоких частотах (то есть ~ 60 ГГц), необходимых для таких применений, другие явления поглощения / отражения могут нарушить передачу: например, поглощение кислородом (в воздухе). Это очень сильно зависит от среды, через которую должна пройти ваша волна.

Итак, короткий ответ - нет, более высокие частоты не могут проходить сквозь стены лучше, чем низкие частоты.

«Законы физики можно изгибать, но никогда не нарушать».

То, как сигналы распространяются в атмосфере / пространстве, попадает и проходит, поглощается и отражается по отраженному пути, как показывает обсуждение, является сложным. На низких частотах длина волны длиннее, что затрудняет конструирование антенн, подходящих для небольших устройств. Сигналы распространяются дальше, что делает покрытие более простым и менее затратным. Однако это также вызывает помехи для сигналов, если сигналы, которые пересекают общую область / пространство, не дифференцируются каким-либо образом, так что мешающие сигналы могут быть отфильтрованы с использованием аналоговых средств или цифровой обработки сигналов.

На более высоких частотах длины волн становятся короче, что упрощает задачу упаковки антенн в небольшие устройства и позволяет захватывать более высокий уровень сигнала, достигающего антенны. Однако сигналы также поглощаются чаще в обычных строительных материалах, листве и других объектах. Сигналы имеют тенденцию отражаться сильнее, вызывая появление множества отраженных сигналов в областях, где сигнал не находится на линии прямой видимости (NLOS). Это важные соображения дизайна среди других.

Беспроводные технологии, включая обработку сигналов и конструкцию антенны с частичной длиной волны, все шире используются для противодействия негативным воздействиям распространения сигнала, чтобы стать практичными для связи. негативные воздействия, такие как распространение сигналов по нескольким путям, используются при обработке сигналов, так что сигналы объединяются для повышения принятого сигнала до более высокого отношения сигнал / шум, по сравнению с аналоговыми методами, которые могут пытаться отфильтровать все, кроме более сильный сигнал. Вместо использования узкополосных антенн, например, MIMO, методы сигнализации с несколькими входами, несколькими выходами принимают сигналы многолучевого распространения и дифференцируют их в пространстве-времени, аналоговую функцию, оцифровывают их и используют обработку сигналов для выравнивания для временная дифференциация, вызванная перемещением сигнала.

Вопрос о том, как сигналы распространяются, является сложным и часто должен ограничиваться прецедентом, чтобы взвесить воздействия, иначе он становится громоздким. Однако необходимо учитывать широкое обоснование как в теоретических моделях, так и в развивающихся методах противодействия или использования преимуществ, связанных с перемещением сигналов, поглощением, уменьшающим помехи, а также затрудняющим прием сигнала, и тем, как отражение может умножить ширину полосы на повторное использование нескольких частот.

Внедрение этого понимания в мир приложений требует практических соображений относительно компонентов (антенн, микросхем и т. Д.), Доступности устройств и оборудования и стоимости относительно альтернатив. И, наконец, использование методов сигнализации с несколькими несущими частотами для повышения надежности и комбинированной полосы пропускания беспроводной связи и то, как это влияет на уравнения затрат, должны учитываться в среде конкурентных приложений.

Способ взаимодействия сигналов с препятствиями более сложен, чем расчеты базовой линии: способ формирования стен или других материалов может в большей или меньшей степени препятствовать сигналам в зависимости от длины волны. На более высоких частотах длины волн уменьшаются, так что они могут проходить через отверстия или структуры решетчатого типа, тогда как низкочастотные сигналы могут поглощаться или отражаться. С другой стороны, молекулы или компонентная структура материалов могут быть резонансными для определенных частот: например, молекулы воды являются резонансными в первичных узлах вблизи 2,4 ГГц, 3,1 ГГц. Вот почему микроволновые печи обычно работают на частоте 2,4 ГГц. Это создает особый диапазон помех из-за присутствия воды в листве, дожде, снегопаде и т. Д. Некоторые могут испытать это независимо от того, знают они это или нет:

Несколько лет назад MIMO из прежнего использования в оборонных и аэрокосмических радарах и коммуникациях превратилось в полупроводники, используемые в WiFi и мобильной связи. До этого многие ведущие инженеры-проектировщики скептически относились к его преимуществам по сравнению с затратами и практичностью. Подполе беспроводной связи появилось, чтобы принести большую пользу беспроводной связи, коммерческим радарам и другим приложениям. Более высокие полосы частот оказались наиболее полезными из-за меньшего рассеяния, более прямая линия обзора обеспечивает лучшую дискриминацию / изоляцию сигнала. Это может привести к легкости и лучшим свойствам многолучевой сигнализации по сравнению с более низкими частотными диапазонами.

Тем не менее, век, в котором мы сейчас живем, - это возраст многочастотной связи, в которой лучшая полоса является наиболее гибкой и соответствует потребностям приложений.

Три вещи случаются с электромагнитным излучением, когда оно сталкивается с барьером. Он может подпрыгивать (отражающая способность или рассеяние), проходить (коэффициент пропускания) или просто останавливаться (коэффициент поглощения).

Интенсивность передаваемого излучения зависит от нескольких факторов: Длина волны излучения. Интенсивность излучения, поражающего барьер. Химический состав барьера. Физическая микроструктура барьера. Толщина барьера.

По ряду технических причин сравнение более низкой (средней частоты 433 МГц) и более высокой частоты 2,4 ГГц) сравнивается следующим образом: низкочастотные сигналы распространяются дальше, чем потому, что энергия выше и более сконцентрирована в одном устойчивом режиме, который не поглощается как легко воздухом, который состоит из большого количества влаги. Более высокая частота 2,4 ГГц способна прорезать путь сквозь молекулярную структуру многих материалов, но компромисс заключается в том, что влага в свободном воздухе имеет тенденцию ослаблять сигнал. Высокочастотные передатчики Manu также спроектированы со скачкообразной перестройкой частоты и шифрованием. Он может найти путь через частичные препятствия легче, чем с более низкой частотой, чем большие волны.