到底頻率和穿透能力之間是什么樣的關(guān)系

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(shuō)，5G毫米波的信號(hào)覆蓋能力很弱，這是它的一個(gè)重要缺陷，會(huì)制約它的后續(xù)發(fā)展。 但是，文章中關(guān)于毫米波信號(hào)覆蓋能力差的原因描述，引起了部分讀者的爭(zhēng)議。

其實(shí)，同樣的問(wèn)題之前也有讀者提出過(guò)。關(guān)于電磁波頻率（波長(zhǎng)）和信號(hào)覆蓋能力之間的關(guān)系，很多人都存在疑問(wèn)。 有人說(shuō)，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(wèn)，X射線(xiàn)和γ射線(xiàn)頻率高，不是用于醫(yī)學(xué)攝片和金屬設(shè)備探傷嗎？ 也有人問(wèn)，頻率越高，穿透能力越弱，為什么可見(jiàn)光的頻率那么高，卻可以穿透玻璃呢？ 總而言之，眾說(shuō)紛紜，誰(shuí)也說(shuō)不清楚，到底頻率和穿透能力之間是什么樣的關(guān)系。 今天這篇文章，我們就詳細(xì)解釋一下這個(gè)問(wèn)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(jué)得，電磁波不就是光波和電波么，扭來(lái)扭去的那種正弦圖形，就是電磁波。

電磁波 嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，電磁波是以波動(dòng)形式傳播的電磁場(chǎng)。相同方向且相互垂直的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，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(lài)于介質(zhì)，就算在真空中，也可以傳播。 太陽(yáng)光，就是電磁波的一種可見(jiàn)的輻射形態(tài)。無(wú)線(xiàn)電波、微波、紅外線(xiàn)、可見(jiàn)光、紫外線(xiàn)、X射線(xiàn)，都是電磁波。它們的主要區(qū)別，就是頻率不同。

大家切記，水波、聲波不是電磁波，而是機(jī)械波。它們是需要實(shí)體介質(zhì)的，一個(gè)點(diǎn)上下運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)下一個(gè)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，形成了波。

機(jī)械波 所以，請(qǐng)不要把電磁波想象成真的有那么一個(gè)正弦曲線(xiàn)在空間中扭動(dòng)！ 電磁波的類(lèi)別和用處很多，為了避免發(fā)散，我們先僅限于討論移動(dòng)通信中的電磁波傳播。 也就是說(shuō)，我們重點(diǎn)討論：電磁波信號(hào)由天線(xiàn)發(fā)出之后，究竟如何才能傳播更遠(yuǎn)的距離？

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

現(xiàn)實(shí)中的環(huán)境不會(huì)那么簡(jiǎn)單，周?chē)倳?huì)有一些障礙物，于是，會(huì)有一些反射。它們之間，還是空氣為主。

信號(hào)會(huì)發(fā)生疊加，產(chǎn)生快衰弱（瑞利衰落）

如果有障礙物，那么問(wèn)題出現(xiàn)了，信號(hào)該怎么過(guò)去呢？

除了借助環(huán)境物體進(jìn)行反射之外，就只剩兩個(gè)選擇，一個(gè)是衍射（繞射），一個(gè)是直接穿透過(guò)去！ 關(guān)于衍射，如果你的物理知識(shí)還沒(méi)還給老師的話(huà)，應(yīng)該記得“小孔成像”吧？

衍射，指的是波（如光波）遇到障礙物時(shí)偏離原來(lái)直線(xiàn)傳播的物理現(xiàn)象。也就是說(shuō)，電磁波具備“繞開(kāi)”障礙物的能力。波長(zhǎng)越長(zhǎng)（大于障礙物尺寸），波動(dòng)性越明顯，越容易發(fā)生衍射現(xiàn)象。 再來(lái)看穿透。穿透這個(gè)比較麻煩。它包括了3個(gè)過(guò)程。 第一步，是障礙物表面。

電磁波從空氣到障礙物（也就是導(dǎo)體），需要用外面的電場(chǎng)和磁場(chǎng)感應(yīng)出介質(zhì)里面的電場(chǎng)和磁場(chǎng)。 基于經(jīng)典電磁波理論，電磁波在不同介質(zhì)的傳播速度，取決于介質(zhì)（障礙物）的介電特性和介磁特性。如果介質(zhì)是理想導(dǎo)體，導(dǎo)電性能特別好，那么，電場(chǎng)在該理想導(dǎo)體內(nèi)部永遠(yuǎn)為0，就不能產(chǎn)生電場(chǎng)。 所以，如果障礙物是理想導(dǎo)體，所有的電磁波都會(huì)反射回去。 對(duì)于非理想導(dǎo)體（大部分介質(zhì)），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(guān)，而波速又跟頻率有關(guān)。所以，經(jīng)過(guò)介質(zhì)表面時(shí)，電磁波信號(hào)就已經(jīng)衰減掉一部分了。 好了，接下來(lái)是第二步，電磁波折射的一部分終于進(jìn)入介質(zhì)內(nèi)部。 介質(zhì)分為均勻介質(zhì)和不均勻介質(zhì)。我們先說(shuō)均勻介質(zhì)。 大部分介質(zhì)不是理想導(dǎo)體或良導(dǎo)體，而是絕緣體或者有不同電阻率值的導(dǎo)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(xiàn)在玻璃中傳播時(shí)，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(jié)成的冰，都和玻璃類(lèi)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(dǎo)體中傳播，可以使用麥克斯韋方程式進(jìn)行計(jì)算。具體怎么算，我就不解釋了。 我們可以簡(jiǎn)單來(lái)理解： 電磁波是電場(chǎng)和磁場(chǎng)的傳播，波峰和波谷是電場(chǎng)的兩個(gè)極值。

當(dāng)電磁波頻率越高，則波長(zhǎng)越短，波峰和波谷離得越近，介質(zhì)某一點(diǎn)附近電場(chǎng)的差異就越大，相應(yīng)電流就越大，所以損耗在介質(zhì)里的能量就越多。

所以，相同前提條件下，在有電阻率的導(dǎo)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(zhǎng)波或超長(zhǎng)波與岸上基地進(jìn)行通信的。因?yàn)闊o(wú)線(xiàn)信號(hào)的頻率很低，在水中的衰減會(huì)更小。 對(duì)于不均勻介質(zhì)，這個(gè)問(wèn)題就更復(fù)雜了。 電磁波在不均勻介質(zhì)中傳播，等于是在不同介質(zhì)之間反復(fù)地發(fā)生折射、反射、衍射。傳播的路徑更加復(fù)雜，最終射出的方向也非常復(fù)雜。過(guò)長(zhǎng)的路徑，也會(huì)帶來(lái)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(zhì)，電磁波傳播過(guò)程中，就有不同程度的衰減。 第三步，從介質(zhì)到空氣，又是一波折射和反射。 綜上所述，大家應(yīng)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(xiàn)在都有2.4GHz頻段和5GHz頻段。大家用過(guò)的話(huà)，應(yīng)該都知道，5GHz信號(hào)的穿墻能力明顯弱于2.4GHz信號(hào)。 還有我們昨天文章所說(shuō)的毫米波，也是一樣的道理。相同條件下，毫米波信號(hào)穿透障礙物的衰減，明顯會(huì)大于Sub-6GHz的信號(hào)。 值得一提的是，不均勻介質(zhì)的信號(hào)衰減程度，和介質(zhì)顆粒度也有關(guān)系。如果這個(gè)顆粒打得很碎，顆粒很小，那么，對(duì)于低頻電磁波來(lái)說(shuō)，由于波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于顆粒尺寸，整體上電磁波的衰減會(huì)更小一些。 那么很多人會(huì)問(wèn)，為什么高能射線(xiàn)例如X射線(xiàn)頻率那么高，穿透力卻很強(qiáng)呢？ 這里面的原因很復(fù)雜。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，對(duì)于這些頻率極高的電磁波，經(jīng)典的電動(dòng)力學(xué)不能完全成立。

這是什么鬼理由？ 這么說(shuō)吧，X射線(xiàn)除了頻率高之外，還有一個(gè)特性，那就是能量極強(qiáng)。 X射線(xiàn)照在介質(zhì)上時(shí)，僅一小部分被介質(zhì)的原子“擋住”，大部分經(jīng)由原子之間的縫隙“穿過(guò)”，從而表現(xiàn)出很強(qiáng)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(xiàn)呢？因?yàn)殂U塊的原子序數(shù)較高，密度大，原子結(jié)構(gòu)更緊密，不容易“穿透”。

好啦，文章寫(xiě)到這里，就要結(jié)束了。關(guān)于電磁波的波長(zhǎng)頻率與穿透能力的關(guān)系，大家都搞明白了嗎？

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：關(guān)于頻率（波長(zhǎng)）與穿透、繞射能力的關(guān)系，終于有人能說(shuō)明白了

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