Dlaczego fale o wyższej częstotliwości mają lepszą penetrację?

W wolnej przestrzeni sygnały o niższej częstotliwości wydają się iść dalej, ponieważ sygnał jest albo dyfrakowany przez ziemię, albo odbijany przez górne warstwy atmosferyczne, co powoduje, że faktycznie idzie dalej.

Czy w warunkach miejskich, gdzie musimy penetrować ściany, 2,4 GHz podróżuje dalej niż radio 433 MHz?

Czy w spektrum elektromagnetycznym promienie gamma i rentgenowskie mają dobrą penetrację, ponieważ mają wysoką częstotliwość?

Nie jest prawdą, że wyższe częstotliwości zawsze przenikają dalej niż niższe. Wykres przezroczystości różnych materiałów w funkcji długości fali może być dość nierówny. Pomyśl o kolorowych filtrach, a te dotyczą tylko wąskiej oktawy długości fali, którą nazywamy światłem widzialnym.

Najwyraźniej myślisz o długości fali tak krótkiej, że energia jest bardzo wysoka, podobnie jak promienie x i promienie gamma. Przechodzą one przez rzeczy wyłącznie ze względu na ich wysoką energię. Przy niższych energiach (dłuższych długościach fal) fale oddziałują z materiałem na różne sposoby, aby mogły zostać pochłonięte, załamane, odbite i ponownie emitowane. Efekty te różnią się w sposób niemonotoniczny w zależności od długości fali, głębokości materiału, jego rezystywności, gęstości i innych właściwości.

Główną zaletą wyższych częstotliwości jest to, że wymagają one krótszych anten w celu uzyskania przyzwoitej jakości odbioru, a to ważne dla urządzeń mobilnych. Pozwalają również na szersze pasmo modulacji sygnałów, dzięki czemu można uzyskać transmisję o wyższej częstotliwości.

Ale wysokie częstotliwości są bardziej wrażliwe na odbicie, więc trudniej będzie im przejść przez ściany i przeszkody w ogóle. Jednocześnie łatwiej przeciekają przez otwory: ogólna zasada jest taka, że ​​jeśli masz otwór o długości fali, sygnał może przez niego przeciekać. Ale jednocześnie nie można polegać na dobrej transmisji: więc powiedziałbym, że granica jest dość rozmyta.

Aby uzyskać więcej informacji, spójrz na propagację w linii wzroku : częstotliwość mikrofalowa może być załamana przez mniejszy obiekt niż niższa częstotliwość radiowa, ponieważ jest silnie zależna od długości fali. Porównanie wynika z faktu, że mikrofale mają widmo bardziej podobne do długości fali optycznej, więc będą cierpieć z powodu niektórych zjawisk związanych z optyką.

W rzeczywistości wyższe częstotliwości mają gorsze zdolności penetracji. Jeśli weźmie się pod uwagę model czysto teoretyczny, tak zwaną głębokość skóry , która daje grubość warstwy przewodnika, do którego może przenikać fala elektromagnetyczna o danej częstotliwości, zobaczysz, że głębokość skóry jest odwrotnie proporcjonalna z pierwiastkiem kwadratowym częstotliwości:

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

$\rho$$\mu$

Wynika to również z tego, że prądy prądu przemiennego nie wykorzystują całego przekroju drutu (a odpowiednio zaprojektowany pustak wykonałby tę samą pracę) i dlatego (częściowo) mniejsza antena zrobi to dla prawidłowej transmisji.

Ale w rzeczywistości rzeczy są znacznie bardziej skomplikowane. Bezprzewodowe wideo HD jest poważnym wyzwaniem inżynieryjnym (częściowo), ponieważ sygnały o wysokiej częstotliwości niezbędne do zapewnienia odpowiedniej przepustowości zwykle odbijają się od ścian. Przy naprawdę wysokich częstotliwościach (tj. ~ 60 GHz) niezbędnych do takich zastosowań inne zjawiska absorpcji / odbicia mogą zakłócać transmisję: np. Absorpcja przez tlen (w powietrzu). Zależy to bardzo od medium, przez które musi przejść twoja fala.

Krótka odpowiedź brzmi: nie, wyższe częstotliwości nie są w stanie przejść przez ściany lepiej niż niskie częstotliwości.

„Prawa fizyki można zginać, ale nigdy nie łamać”.

Sposób, w jaki sygnały rozprzestrzeniają się w atmosferze / przestrzeni, uderzają i przechodzą, są absorbowane i odbijają się wzdłuż odbijanej ścieżki, jak ujawnia się dyskusja, jest złożony. Przy niższych częstotliwościach długość fali jest dłuższa, co utrudnia zaprojektowanie anten pasujących do małych urządzeń. Sygnały podróżują dalej, co sprawia, że ​​zasięg jest łatwiejszy i mniej kosztowny. Powoduje to jednak również zakłócanie sygnałów, chyba że sygnały przechodzące do wspólnego obszaru / przestrzeni są w pewien sposób różnicowane, tak że sygnały zakłócające mogą być filtrowane przy użyciu środków analogowych lub cyfrowego przetwarzania sygnałów.

Przy wyższych częstotliwościach długości fal stają się krótsze, co sprawia, że ​​pakowanie anten w małe urządzenia nie stanowi większego wyzwania i pozwala uchwycić wyższy poziom sygnału docierającego do anteny. Jednak sygnały są również bardziej pochłaniane przez zwykłe materiały budowlane, liście i inne przedmioty. Sygnały mają tendencję do większego odbijania, powodując występowanie wielu odbijanych sygnałów w obszarach, w których sygnał nie jest widoczny (NLOS). Są to między innymi najważniejsze kwestie projektowe.

Technologie bezprzewodowe, w tym przetwarzanie sygnału i konstrukcja anteny o ułamkowej długości fali, są coraz częściej stosowane w celu przeciwdziałania negatywnym wpływom propagacji sygnału, aby stały się praktyczne w komunikacji. negatywne oddziaływania, takie jak propagacja sygnałów na wielu ścieżkach, są wykorzystywane przez przetwarzanie sygnałów, dzięki czemu sygnały są łączone w celu podniesienia odbieranego sygnału do wyższego stosunku sygnału do szumu SNR w porównaniu do metod analogowych, które mogą próbować odfiltrować silniejszy sygnał. Zamiast używać anten wąskopasmowych, na przykład MIMO, metody wielokrotnego wejścia, wielokrotnego wyjścia, metody sygnalizacyjne odbierają sygnały wielościeżkowe i różnicują je w czasoprzestrzeni, funkcję analogową, digitalizują je i wykorzystują przetwarzanie sygnału do wyrównywania różnicowanie czasu spowodowane przemieszczaniem się sygnału.

Kwestia, w jaki sposób sygnały przemieszczają się, jest złożona i często musi ograniczać się do przypadku użycia w celu zważenia uderzeń, w przeciwnym razie stanie się nieporęczna. Jednak należy wziąć pod uwagę szerokie uziemienie zarówno w modelach teoretycznych, jak i ewoluujących metodach przeciwdziałania lub wykorzystywania sposobu przemieszczania się sygnałów, sposobu, w jaki absorpcja zmniejsza zakłócenia, a także utrudnia odbiór sygnału oraz w jaki sposób odbicie może zwielokrotnić szerokość pasma przez wielokrotne ponowne wykorzystanie częstotliwości - wszystko to należy wziąć pod uwagę.

Wprowadzenie tego zrozumienia do świata aplikacji wymaga praktycznych rozważań na temat części (anteny, układy scalone itp.), Dostępności urządzeń i wyposażenia oraz kosztów w stosunku do alternatyw. I wreszcie, stosując metody sygnalizacji nośnej o wielu częstotliwościach w celu zwiększenia niezawodności i połączonej przepustowości komunikacji bezprzewodowej oraz tego, jak wpływa to na równanie kosztów, należy wziąć pod uwagę w konkurencyjnym środowisku aplikacji.

Sposób interakcji sygnałów z przeszkodami jest bardziej złożony niż obliczenia linii bazowej: sposób, w jaki powstają ściany lub inne materiały, może utrudniać sygnały w większym / mniejszym stopniu w zależności od długości fali. Przy wyższych częstotliwościach długości fal są zmniejszane tak, że mogą przechodzić przez otwory lub struktury typu sieci, podczas gdy sygnały o niższej częstotliwości mogą być pochłaniane lub odbijane. Z drugiej strony cząsteczki lub struktura składowa materiałów mogą rezonować z określonymi częstotliwościami: na przykład cząsteczki wody są rezonansowe w głównych węzłach w pobliżu 2,4 GHz, 3,1 GHz. Właśnie dlatego kuchenki mikrofalowe zwykle działają na częstotliwości około 2,4 GHz. Wprowadza to określony zakres zakłóceń z powodu obecności wody w liściach, deszczu i śniegu itp. Niektórzy mogą mieć z tym doświadczenie, niezależnie od tego, czy wiedzą:

Kilka lat temu MIMO wyłoniło się z wcześniejszego zastosowania w radarach i łączności w lotnictwie wojskowym i kosmicznym, w produkcji półprzewodników stosowanych w WiFi i komunikacji mobilnej. Wcześniej wielu czołowych inżynierów projektowych było sceptycznie nastawionych do korzyści w stosunku do kosztów i praktyczności. Pojawiło się subpole komunikacji bezprzewodowej, które znacznie poprawia komunikację bezprzewodową, komercyjne radary i inne zastosowania. Wyższe pasma częstotliwości przyniosły największe korzyści, ponieważ mniej rozproszone, prostsza linia widzenia zapewnia lepszą dyskryminację / izolację sygnału. To więcej może zapewnić łatwość i lepsze właściwości sygnalizacji wielościeżkowej w porównaniu do pasm o niższej częstotliwości.

Jednak wiek, w którym obecnie żyjemy, to wiek komunikacji w paśmie wieloczęstotliwościowym, w którym najlepsze pasmo jest najbardziej oportunistyczne i dostosowane do potrzeb aplikacji.

Trzy rzeczy dzieją się z promieniowaniem elektromagnetycznym, gdy napotyka barierę. Może odbijać się (odbijanie lub rozpraszanie), przechodzić (transmitancja) lub po prostu zatrzymywać się (absorbancja).

Intensywność przekazywanego promieniowania zależy od kilku rzeczy: Długość fali promieniowania Intensywność promieniowania uderzającego w barierę Skład chemiczny bariery Fizyczna mikrostruktura bariery Grubość bariery

Z różnych przyczyn technicznych porównanie dolnej (środkowego zakresu 433 MHz) i wyższej częstotliwości 2,4 GHz) wygląda następująco: Sygnały o niższej częstotliwości przemieszczają się dalej niż dlatego, że energia jest wyższa i bardziej skoncentrowana w jednym stałym stopniu, który nie jest absorbowany jako łatwo drogą powietrzną, która składa się z dużej ilości wilgoci. Wyższa częstotliwość przy 2,4 GHz jest w stanie przeciąć ścieżkę przez strukturę molekularną wielu materiałów, ale kompromis polega na tym, że wilgoć w wolnym powietrzu ma tendencję do tłumienia sygnału. Przetworniki częstotliwości Manu są również zaprojektowane z pewnego rodzaju przeskokami częstotliwości i pewnego rodzaju szyfrowaniem. Duże fale potrafią znaleźć ścieżkę przez częściowe przeszkody łatwiej niż o niższej częstotliwości.