Tại sao sóng tần số cao hơn có sự thâm nhập tốt hơn?

Trong không gian trống, các tín hiệu tần số thấp hơn dường như đi xa hơn vì tín hiệu bị nhiễu xạ bởi mặt đất hoặc bị phản xạ bởi các tầng khí quyển phía trên, khiến nó thực sự đi xa hơn.

Trong điều kiện đô thị, nơi chúng ta cần xuyên qua các bức tường, liệu 2.4GHz có đi xa hơn radio 433 MHz không?

Trong phổ điện từ, tia Gamma và tia X có độ xuyên thấu tốt vì chúng có tần số cao?

Không phải là tần số cao hơn luôn thâm nhập sâu hơn tần số thấp hơn. Đồ thị độ trong suốt của các vật liệu khác nhau như là một hàm của bước sóng có thể khá vón cục. Hãy nghĩ về các bộ lọc màu và những bộ lọc chỉ áp dụng cho một quãng tám bước sóng hẹp mà chúng ta gọi là ánh sáng khả kiến.

Những gì bạn dường như đang nghĩ đến là bước sóng ngắn đến mức năng lượng rất cao, như tia xrays và tia gamma. Những thứ này thông qua chỉ vì năng lượng cao của họ. Ở năng lượng thấp hơn (bước sóng dài hơn), sóng tương tác với vật liệu theo nhiều cách khác nhau để chúng có thể được hấp thụ, khúc xạ, phản xạ và phát xạ lại. Những hiệu ứng này thay đổi theo những cách không đơn điệu như là một hàm của bước sóng, độ sâu của vật liệu, đó là điện trở suất, mật độ và các tính chất khác.

Ưu điểm chính của tần số cao hơn là chúng yêu cầu ăng-ten ngắn hơn để có chất lượng thu sóng tốt và điều đó rất quan trọng đối với các thiết bị di động. Chúng cũng cho phép băng tần rộng hơn để điều chế tín hiệu, do đó bạn có thể thu được truyền tần số cao hơn.

Nhưng tần số cao nhạy hơn với sự phản xạ, vì vậy chúng sẽ có thời gian khó khăn hơn khi đi qua các bức tường và chướng ngại vật nói chung. Đồng thời, chúng sẽ dễ dàng rò rỉ qua các lỗ hơn: một nguyên tắc nhỏ là nếu bạn có một lỗ có kích thước của bước sóng, tín hiệu có thể rò rỉ qua nó. Nhưng đồng thời, bạn không thể dựa vào nó để truyền tải tốt: vì vậy tôi nói rằng giới hạn này khá mờ nhạt.

Để hiểu rõ hơn, hãy nhìn vào sự lan truyền tầm nhìn : tần số vi sóng có thể bị khúc xạ bởi vật thể nhỏ hơn tần số vô tuyến thấp hơn, vì nó phụ thuộc rất nhiều vào bước sóng. Sự so sánh phát sinh bởi thực tế là sóng vi ba có phổ gần giống với bước sóng quang hơn, vì vậy chúng sẽ chịu một số hiện tượng giữ cho quang học.

Trong thực tế tần số cao hơn có khả năng thâm nhập kém hơn . Nếu bạn xem xét một mô hình lý thuyết thuần túy, cái gọi là độ sâu của da , tạo ra độ dày của lớp dây dẫn mà sóng điện từ có tần số nhất định có thể xuyên qua nó, bạn sẽ thấy độ sâu của da tỷ lệ nghịch với nhau với căn bậc hai của tần số:

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

( là điện trở suất, tính thấm từ của vật liệu).$\rho$$\mu$

Điều này cũng là kết quả của việc dòng điện xoay chiều không sử dụng toàn bộ mặt cắt của dây (và một lỗ rỗng được thiết kế đúng sẽ làm cùng một công việc) và đó (một phần) tại sao một ăng ten nhỏ hơn sẽ làm cho việc truyền đúng.

Nhưng trong thực tế mọi thứ phức tạp hơn thế nhiều. Video HD không dây là một thách thức kỹ thuật nghiêm trọng (một phần) vì các tín hiệu tần số cao cần thiết để cung cấp băng thông thích hợp có xu hướng bật ra khỏi các bức tường. Ở tần số thực sự cao (tức là ~ 60 GHz) cần thiết cho các ứng dụng như vậy, các hiện tượng hấp thụ / phản xạ khác có thể ảnh hưởng đến việc truyền: ví dụ: hấp thụ bằng oxy (trong không khí). Điều này phụ thuộc rất nhiều vào phương tiện mà sóng của bạn cần phải đi qua.

Vì vậy, câu trả lời ngắn gọn là không, tần số cao hơn không thể đi xuyên tường tốt hơn tần số thấp.

"Các định luật vật lý có thể bị bẻ cong nhưng không bao giờ bị phá vỡ."

Cách tín hiệu truyền qua bầu khí quyển / không gian, đánh và đi qua, được hấp thụ và nảy dọc theo một đường phản xạ, như cuộc thảo luận phơi bày, rất phức tạp. Ở tần số thấp hơn, bước sóng dài hơn, khiến việc thiết kế ăng ten trở nên khó khăn hơn để phù hợp với các thiết bị nhỏ. Các tín hiệu truyền đi xa hơn giúp bảo hiểm dễ dàng hơn và ít tốn kém hơn. Tuy nhiên, điều đó cũng khiến tín hiệu bị nhiễu trừ khi tín hiệu đi vào khu vực / không gian chung được phân biệt theo một số cách để tín hiệu gây nhiễu có thể được lọc bằng cách sử dụng phương tiện tương tự hoặc xử lý tín hiệu số.

Ở tần số cao hơn, bước sóng trở nên ngắn hơn, khiến công việc đóng gói ăng-ten vào các thiết bị nhỏ ít gặp thách thức hơn và cho phép thu được mức tín hiệu cao hơn đến ăng-ten. Tuy nhiên, tín hiệu cũng được hấp thụ nhiều hơn trong các vật liệu xây dựng thông thường, tán lá và các vật thể khác. Tín hiệu có xu hướng dội lại nhiều hơn, khiến nhiều tín hiệu phản xạ xảy ra ở những khu vực mà tín hiệu không có đường ngắm (NLOS). Đây là những cân nhắc thiết kế nổi bật trong số những người khác.

Các công nghệ không dây bao gồm xử lý tín hiệu và thiết kế ăng-ten bước sóng phân đoạn đang ngày càng được sử dụng để chống lại các tác động tiêu cực của việc truyền tín hiệu để trở nên thiết thực cho truyền thông. các tác động tiêu cực, chẳng hạn như truyền tín hiệu nhiều đường được tận dụng bằng cách xử lý tín hiệu để các tín hiệu được kết hợp để nâng tín hiệu thu được lên SNR cao hơn, tỷ lệ tín hiệu thành nhiễu, so với các phương pháp tương tự có thể cố gắng lọc tất cả nhưng tín hiệu mạnh hơn. Thay vì sử dụng ăng-ten băng tần hẹp, ví dụ, MIMO, phương thức tín hiệu đa đầu vào, nhiều đầu ra, tín hiệu nhận tín hiệu đa đường và phân biệt chúng trong không gian thời gian, chức năng tương tự, số hóa chúng và sử dụng xử lý tín hiệu để căn chỉnh cho phân biệt thời gian gây ra bởi tín hiệu du lịch.

Vấn đề làm thế nào tín hiệu truyền đi là phức tạp và thường phải giới hạn trong trường hợp sử dụng để cân nhắc các tác động nếu không nó trở nên khó sử dụng. Tuy nhiên, một nền tảng rộng lớn trong cả mô hình lý thuyết và phương pháp phát triển để chống lại hoặc tận dụng cách truyền tín hiệu, cách hấp thụ làm giảm nhiễu cũng như cản trở việc thu tín hiệu và cách phản xạ có thể nhân lên băng thông bằng nhiều tần số sử dụng lại.

Mang sự hiểu biết này vào thế giới của các ứng dụng đòi hỏi phải xem xét thực tế về thành phần (ăng-ten, chip, v.v.), tính sẵn có của thiết bị và thiết bị và chi phí liên quan đến các lựa chọn thay thế. Và cuối cùng, sử dụng các phương thức báo hiệu sóng mang đa tần số để tăng độ tin cậy và băng thông kết hợp của truyền thông không dây và cách tác động của các phương trình chi phí phải được tính đến trong môi trường ứng dụng cạnh tranh.

Cách tín hiệu tương tác với chướng ngại vật phức tạp hơn so với tính toán cơ bản: Cách thức tường hoặc vật liệu khác được hình thành có thể cản trở tín hiệu ở mức độ lớn hơn / nhỏ hơn tùy thuộc vào bước sóng. Ở tần số cao hơn, các bước sóng bị giảm sao cho chúng có thể đi qua các lỗ hoặc cấu trúc kiểu mạng tinh thể trong khi tín hiệu tần số thấp hơn có thể bị hấp thụ hoặc phản xạ. Mặt khác, các phân tử hoặc cấu trúc thành phần của vật liệu có thể cộng hưởng với các tần số cụ thể: ví dụ: các phân tử nước được cộng hưởng tại các nút chính gần 2,4 GHz, 3,1 GHz. Đó là lý do tại sao lò vi sóng thường hoạt động khoảng 2,4 GHz. Điều đó giới thiệu một phạm vi can thiệp cụ thể do sự hiện diện của nước trong tán lá, mưa và tuyết rơi, v.v. Một số người có thể có kinh nghiệm với điều này cho dù họ có biết hay không:

Vài năm trước, MIMO đã nổi lên từ việc sử dụng trước trong radar quốc phòng và hàng không vũ trụ và liên lạc thành chế tạo thành chất bán dẫn được sử dụng trong WiFi và thông tin di động. Trước đó, nhiều kỹ sư thiết kế hàng đầu đã hoài nghi về lợi ích của nó so với chi phí và tính thực tế. Trường con của không dây đã xuất hiện để giúp ích rất nhiều cho truyền thông không dây, radar thương mại và các ứng dụng khác. Các dải tần số cao hơn đã được hưởng lợi nhiều nhất vì ít tán xạ hơn, đường truyền thẳng hơn giúp phân biệt / tách tín hiệu tốt hơn. Điều đó nhiều hơn có thể dẫn đến các thuộc tính tín hiệu đa đường dễ dàng và tốt hơn so với các dải tần số thấp hơn.

Tuy nhiên, thời đại chúng ta đang sống là thời đại của truyền thông băng tần đa tần số trong đó băng tần tốt nhất là cơ hội nhất và phù hợp với nhu cầu của (các) ứng dụng.

Ba điều xảy ra với bức xạ EM khi nó gặp một rào cản. Nó có thể nảy (phản xạ hoặc tán xạ), đi qua (truyền qua) hoặc chỉ dừng lại đơn giản (độ hấp thụ).

Cường độ bức xạ truyền phụ thuộc vào một số điều: Bước sóng của bức xạ Cường độ của bức xạ chạm vào hàng rào Thành phần hóa học của hàng rào Cấu trúc vật lý của hàng rào Độ dày của hàng rào

Vì nhiều lý do kỹ thuật, so sánh tần số thấp hơn (dải tần trung bình 433 MHz) và tần số cao hơn 2,4 GHz) như thế này: Các tín hiệu tần số thấp truyền đi xa hơn vì năng lượng cao hơn và tập trung hơn trong một kiểu ổn định duy nhất không được hấp thụ như dễ dàng bằng không khí, bao gồm rất nhiều độ ẩm. Tần số cao hơn ở 2,4 GHz có thể cắt một đường xuyên qua cấu trúc phân tử của nhiều vật liệu nhưng điều đáng nói là độ ẩm trong không khí tự do có xu hướng làm giảm tín hiệu. Các máy phát tần số cao hơn Manu cũng được thiết kế với một số bước nhảy và mã hóa. Nó có thể tìm thấy một con đường thông qua các vật cản một phần dễ dàng hơn tần số thấp hơn, sóng lớn có thể.