Viele Leute haben Fragen zum Zusammenhang zwischen elektromagnetischer Wellenfrequenz (Wellenlänge) und Signalabdeckung. Manche Leute sagen, je höher die Frequenz elektromagnetischer Wellen ist, desto schwächer ist die Durchdringung, also ist die Abdeckung schlecht. γ-Strahlen sind hochfrequent, werden sie nicht für medizinische Fotografien und Metallgeräte-Fehlererkennung verwendet? Einige Leute haben auch gefragt, je höher die Frequenz, desto schwächer die Eindringfähigkeit. Warum kann die Frequenz des sichtbaren Lichts so hoch sein, dass es Glas durchdringen kann? Was ist die Beziehung zwischen Frequenz und Eindringfähigkeit? In dem heutigen Artikel werden wir dieses Problem im Detail erklären.

Was sind elektromagnetische Wellen?

Sie denken vielleicht, dass elektromagnetische Wellen nicht nur Lichtwellen und elektrische Wellen sind, die verdrehten sinusförmigen Muster sind elektromagnetische Wellen. Genau genommen sind elektromagnetische Wellen elektromagnetische Felder, die sich in Form von Wellen ausbreiten. Die elektrischen und magnetischen Felder in der gleichen Richtung und senkrecht zueinander und die oszillierenden Teilchenwellen, die sich im Raum ausbreiten, sind elektromagnetische Wellen.

Was sind die Arten von elektromagnetischen Wellen?

Die Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen ist nicht vom Medium abhängig und kann sich auch im Vakuum ausbreiten. Sonnenlicht ist eine sichtbare Strahlungsform von elektromagnetischen Wellen. Radio Wellen, Mikrowellen, Infrarotstrahlen, sichtbares Licht, ultraviolette Strahlen und Röntgenstrahlen sind allesamt elektromagnetische Wellen. Der Hauptunterschied zwischen ihnen ist die Frequenz.

Bitte denken Sie daran, dass Wasserwellen und Schallwellen keine elektromagnetischen Wellen sind, sondern mechanische Wellen. Sie erfordern physische Medien. Ein Punkt bewegt sich auf und ab, um die nächste Punkt zu bewegen, Wellen zu bilden. 

Also bitte don’Es gibt viele Arten und Verwendungen von elektromagnetischen Wellen. Um Divergenzen zu vermeiden, werden wir zuerst die Diskussion über elektromagnetische Wellenausbreitung im Mobilfunk einschränken. Mit anderen Worten, wir werden uns auf die Diskussion konzentrieren: Wie kann das elektromagnetische Signal weiter weg übertragen werden, nachdem es von der Antenne gesendet wurde?

Wie verbreiten sich elektromagnetische Wellen?

Die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen hat folgende Mechanismen: direkte Strahlung, Reflexion und Beugung (Beugung), von Punkt A nach Punkt B, wenn es kein Hindernis gibt, ist es ein direkter Schuss. Es gibt nur Luft zwischen ihnen.

Die reale Umgebung ist nicht so einfach, es wird immer einige Hindernisse geben, also wird es einige Reflexionen geben.

Signale werden überlagert, was zu einem schnellen Fading (Rayleigh Fading) führt

Wenn es Hindernisse gibt, dann ist das Problem aufgetreten, wie soll das Signal passieren? 

Neben der Verwendung von Umweltobjekten zur Reflexion gibt es nur zwei Möglichkeiten, die eine ist die Beugung (Beugung) und die andere ist die direkte Penetration! Was die Beugung betrifft, sollten Sie sich an "Small Hole Imaging" erinnern, wenn Ihr Wissen über Physik nicht an den Lehrer zurückgegeben wurde?

Beugung bezieht sich auf das physikalische Phänomen, bei dem Wellen (wie Lichtwellen) sich von der ursprünglichen Geraden fortpflanzen, wenn sie auf Hindernisse stoßen. Mit anderen Worten, elektromagnetische Wellen haben die Fähigkeit, Hindernisse zu "umgehen". Je länger die Wellenlänge (größer als die Größe des Hindernisses), desto offensichtlicher ist die Flüchtigkeit und desto einfacher ist es, dass Beugung auftritt. Schauen wir uns noch einmal die Penetration an. Es ist schwieriger, diese zu durchdringen. Es umfasst 3 Prozesse.

Der erste Schritt ist die Hindernisoberfläche. 

Elektromagnetische Wellen von der Luft zu Hindernissen (d.h. Leitern) müssen die externen elektrischen und magnetischen Felder nutzen, um die elektrischen und magnetischen Felder im Medium zu induzieren. Nach der klassischen Theorie der elektromagnetischen Wellen hängt die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen in verschiedenen Medien von den dielektrischen und magnetischen Eigenschaften des Mediums (Hindernis) ab. Ist das Medium ein idealer Leiter und die Leitfähigkeit besonders gut, dann ist das elektrische Feld immer 0 innerhalb des idealen Leiters, und es kann kein elektrisches Feld erzeugt werden. Wenn das Hindernis ein idealer Leiter ist, werden alle elektromagnetischen Wellen zurückreflektiert. Bei nicht idealen Leitern (die meisten Medien) werden elektromagnetische Wellen in zwei Teile geteilt, gebrochen und an der Oberfläche reflektiert. Das Verhältnis der beiden Teile hängt mit der Wellengeschwindigkeit und dem Einfallswinkel zusammen und die Wellengeschwindigkeit hängt mit der Frequenz zusammen.

Der zweite Schritt ist die elektromagnetische Wellenbrechung gelangt schließlich in das Innere des Mediums. 

Das Medium ist unterteilt in homogenes Medium und ungleichmäßiges Medium. Sprechen wir zuerst über homogene Medien. Die meisten Dielektrika sind keine idealen oder guten Leiter, sondern Isolatoren oder Leiter mit unterschiedlichen Widerstandswerten. Die Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen im Isolator ist relativ glatt. Wie Glas ist es ein sehr typischer Isolator. Wenn sich Licht in Glas ausbreitet, ist die Absorptionsrate sehr gering, so dass das Glas sehr transparent aussieht. Viele Kristalle, wie Kochsalzkristalle, Steinzuckerkristalle und Eis aus reinem Wasser, ähneln Glas. Am typischsten sind optische Fasern. Licht kann Dutzende von Kilometern in optischen Fasern zurücklegen.

Die elektromagnetische Kernwelle der optischen Faser breitet sich in Leitern mit unterschiedlichen Widerständen aus, die mit Maxwells Gleichung berechnet werden können.’Wir können einfach verstehen: elektromagnetische Wellen sind die Ausbreitung von elektrischen und magnetischen Feldern, und die Spitzen und Täler sind die beiden Extremwerte. des elektrischen Feldes.

Wenn die Frequenz der elektromagnetischen Welle höher ist, ist die Wellenlänge kürzer und die Spitzen und Täler sind näher beieinander, je größer der Unterschied im elektrischen Feld in der Nähe eines bestimmten Punktes des Mediums und je größer der entsprechende Strom ist, desto mehr Energie geht im Medium verloren.

Unter der gleichen Prämisse, in einem Leiter mit Widerstand, je höher die Frequenz von elektromagnetischen Wellen, desto schneller die Dämpfung. Ein typisches Beispiel ist ein U-Boot in der Tiefsee. U-Boote verwenden lange Wellen oder ultralange Wellen, um mit Küstenbasen zu kommunizieren. kabellos Das Signal ist sehr gering, die Dämpfung im Wasser wird geringer sein. Bei inhomogenen Medien ist dieses Problem noch komplizierter. Die Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen in ungleichmäßigen Medien entspricht einer wiederholten Brechung, Reflexion und Beugung zwischen verschiedenen Medien. Der Ausbreitungsweg ist komplizierter und die Richtung des endgültigen Schusses ist ebenfalls sehr kompliziert. Ein zu langer Weg bringt auch eine größere Dämpfung (Verlust). Ein typisches Beispiel ist die Wand, sei es eine Stahlbetonwand oder eine Ziegelmauer, es ist ein inhomogenes Medium. Während der Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen gibt es unterschiedliche Grade der Dämpfung.

Der dritte Schritt, vom Medium zur Luft, ist eine weitere Welle der Brechung und Reflexion. 

Zusammenfassend sollte jeder verstehen, warum je höher die Frequenz der elektromagnetischen Wellen, desto schwächer die Fähigkeit, Hindernisse zu durchdringen, richtig? Wohnbereich Wenn Sie es jemals benutzt haben, sollten Sie wissen, dass die Wanddurchdringungsfähigkeit von 5 GHz-Signalen deutlich schwächer ist als die von 2,4 GHz-Signalen. Sub-6GHz Es sei erwähnt, dass der Grad der Signaldämpfung eines inhomogenen Mediums auch mit der Granularität des Mediums zusammenhängt. Wenn die Partikel gebrochen sind und die Partikel sehr klein sind, wird bei niederfrequenten elektromagnetischen Wellen, da die Wellenlänge viel größer als die Partikelgröße ist, die gesamte elektromagnetische Wellendämpfung kleiner sein.

Warum haben hochenergetische Strahlen wie Röntgenstrahlen eine so hohe Frequenz und starke Durchdringungskraft? Die Gründe dafür sind kompliziert. Einfach ausgedrückt, für diese extrem hochfrequenten elektromagnetischen Wellen kann die klassische Elektrodynamik nicht vollständig etabliert werden. Sagen wir es so, zusätzlich zur Hochfrequenz haben Röntgenstrahlen eine andere Eigenschaft, das heißt, sie sind extrem leistungsstark. Wenn Röntgenstrahlen auf das Medium eingestrahlt werden, wird nur ein kleiner Teil von den Atomen des Mediums "blockiert" und die meisten von ihnen werden durch die Lücken zwischen den Atomen "durchgelassen", was eine starke Durchdringungsfähigkeit zeigt. Warum also können Schwermetalle wie Bleiblöcke Röntgenstrahlen effektiv blockieren?Weil der Bleiblock eine höhere Ordnungszahl, eine höhere Dichte und eine engere atomare Struktur hat, ist es nicht leicht zu "durchdringen".