無線智聯-通信篇:到底頻率高穿透效果好還是頻率低穿透效果好?

在無線通信中,不同的通信頻率穿透介質的能力不一樣,也就是常說的“穿牆”。咱們買一個路由器,經過會說可不可以穿牆,可以穿幾堵牆。同一個頻率下面,一般認為天線增益越高、發射功率越大,穿牆能力越強,這個沒有問題。但不同的工作頻率下面呢,頻率高還是頻率低穿透性,或者穿牆能力哪個強?其實這個問題不僅廣大人民群眾存在爭議,就是一些專業人員可能也不能說搞得很清楚。一種常見的說法是,頻率越高,繞射能力越弱,穿透能力越強。其實,該說法不全對,當然也不全錯。對繞射能力一般沒什麼爭議,頻率越低,繞射能力越強,但對穿透能力是存在爭議的。

這是某專業論壇上關於該問題的討論:

無線智聯-通信篇:到底頻率高穿透效果好還是頻率低穿透效果好?

下面對該問題進行分析。我們先看下理論:

無線智聯-通信篇:到底頻率高穿透效果好還是頻率低穿透效果好?

第一項是衰減常數,第二項是相移常數。其中的介電常數、電導率、磁導率與介質材料有關,可以不管,重點看w, w=2*pi*f, 為電磁波的角頻率。粗略地看,位於分子的w為一次方項,位於分母的w為1/2次項,可以預計,衰減常數隨著頻率升高而加大。試著做下計算:

無線智聯-通信篇:到底頻率高穿透效果好還是頻率低穿透效果好?

算出來的結果也是這樣,頻率越高,穿透介質後衰減越大。

有一種專門用於穿透地層的設備,叫探地雷達,一般採用低頻來獲得深探測距離,利用的正是低頻下的強穿透性。

下面用電磁仿真軟件做了個全波仿真,也支持上述結論:

無線智聯-通信篇:到底頻率高穿透效果好還是頻率低穿透效果好?

那麼,為什麼說頻率越高穿透能力越強呢?記得這種說法來自於一些物理書籍,甚至一些教材。從物理角度說,該說法不算全錯,但沒說清楚前提,那就是波粒二相性。我們知道,光子能量= hv, 其中h為普朗克常數,v為頻率,顯然,頻率越高,光子能量越高,因此穿透性越強,所以伽馬射線、x光等可以很容易穿透介質甚至金屬。但是,我們說無線通信,絕大多數是工作在毫米波頻段以下的微波或電磁波,他們的頻率還沒高到把粒子性充分顯示出來,那麼,對他們的分析主要用波的方法來分析,這是頻率越高穿透越強就不對的,正確的結論是反過來,頻率越低,電磁波在介質中的衰減速度越慢,因此相同條件下,穿透介質後通信能力越強。當然,即使是毫米波以下頻段的電磁波,其表現為粒子性的那部分,也確實符合頻率越高光粒子能量越強的結論,只是這時波性為主,粒子性可以忽略。

這裡再舉一個例子,對潛通信一般用VLF頻段(khz數量級),採用長達數公里的天線,利用的這是甚低頻下超強的穿透通信能力(穿透導電的海水)。

無線智聯-通信篇:到底頻率高穿透效果好還是頻率低穿透效果好?


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