2020年04月08日 | 关于频率（波长）与穿透、绕射能力的关系讲解

5G毫米波的信号覆盖能力很弱，这是它的一个重要缺陷，会制约它的后续发展。但文章中关于毫米波信号覆盖能力差的原因描述，引起了部分读者的争议。

其实，同样的问题之前也有读者提出过。关于电磁波频率（波长）和信号覆盖能力之间的关系，很多人都存在疑问。

有人说，电磁波的频率越高，穿透力越弱，所以覆盖能力差。那么就有人问，X射线和γ射线频率高，不是用于医学摄片和金属设备探伤吗？

也有人问，频率越高，穿透能力越弱，为什么可见光的频率那么高，却可以穿透玻璃呢？

总而言之，众说纷纭，谁也说不清楚，到底频率和穿透能力之间是什么样的关系。

今天这篇文章，我们就详细解释一下这个问题。

首先，我们要澄清一些基本概念。

什么是电磁波？大家可能觉得，电磁波不就是光波和电波么，扭来扭去的那种正弦图形，就是电磁波。

电磁波

严格来说，电磁波是以波动形式传播的电磁场。相同方向且相互垂直的电场和磁场，在空间中传播的震荡粒子波，就是电磁波。

电磁波的传播，不依赖于介质，就算在真空中，也可以传播。

太阳光，就是电磁波的一种可见的辐射形态。无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线，都是电磁波。它们的主要区别，就是频率不同。

大家切记，水波、声波不是电磁波，而是机械波。它们是需要实体介质的，一个点上下运动，带动下一个点运动，形成了波。

机械波

所以，请不要把电磁波想象成真的有那么一个正弦曲线在空间中扭动！

电磁波的类别和用处很多，为了避免发散，我们先仅限于讨论移动通信中的电磁波传播。

也就是说，我们重点讨论：电磁波信号由天线发出之后，究竟如何才能传播更远的距离？

电磁波的传播，有以下几种机制：直射、反射和衍射（绕射）。

A点到B点，如果没有障碍物，那么就是直射。它们之间只有空气。

现实中的环境不会那么简单，周围总会有一些障碍物，于是，会有一些反射。它们之间，还是空气为主。

信号会发生叠加，产生快衰弱（瑞利衰落）

如果有障碍物，那么问题出现了，信号该怎么过去呢？

除了借助环境物体进行反射之外，就只剩两个选择，一个是衍射（绕射），一个是直接穿透过去！

关于衍射，如果你的物理知识还没还给老师的话，应该记得“小孔成像”吧？

衍射，指的是波（如光波）遇到障碍物时偏离原来直线传播的物理现象。也就是说，电磁波具备“绕开”障碍物的能力。波长越长（大于障碍物尺寸），波动性越明显，越容易发生衍射现象。

再来看穿透。穿透这个比较麻烦。它包括了3个过程。

第一步，是障碍物表面。

电磁波从空气到障碍物（也就是导体），需要用外面的电场和磁场感应出介质里面的电场和磁场。

基于经典电磁波理论，电磁波在不同介质的传播速度，取决于介质（障碍物）的介电特性和介磁特性。如果介质是理想导体，导电性能特别好，那么，电场在该理想导体内部永远为0，就不能产生电场。

所以，如果障碍物是理想导体，所有的电磁波都会反射回去。

对于非理想导体（大部分介质），电磁波在表面上分成折射和反射的两部分。两部分的比例跟波速、入射角有关，而波速又跟频率有关。所以，经过介质表面时，电磁波信号就已经衰减掉一部分了。

好了，接下来是第二步，电磁波折射的一部分终于进入介质内部。

介质分为均匀介质和不均匀介质。我们先说均匀介质。

大部分介质不是理想导体或良导体，而是绝缘体或者有不同电阻率值的导体。

电磁波在绝缘体中的传播较为顺畅。像玻璃，就是一种非常典型的绝缘体。光线在玻璃中传播时，吸收率很低，所以玻璃看着就很透明。

很多晶体，例如食盐晶体、冰糖晶体，还有纯净的水结成的冰，都和玻璃类似。

最典型的就是光纤。光在光纤中，可以传输几十公里。

光纤的纤芯

电磁波在有不同电阻率的导体中传播，可以使用麦克斯韦方程式进行计算。具体怎么算，我就不解释了。

我们可以简单来理解：

电磁波是电场和磁场的传播，波峰和波谷是电场的两个极值。

当电磁波频率越高，则波长越短，波峰和波谷离得越近，介质某一点附近电场的差异就越大，相应电流就越大，所以损耗在介质里的能量就越多。

所以，相同前提条件下，在有电阻率的导体中，频率越高的电磁波，衰减得就越快。

比较典型的例子就是深海中的潜艇。潜艇都是使用长波或超长波与岸上基地进行通信的。因为无线信号的频率很低，在水中的衰减会更小。

对于不均匀介质，这个问题就更复杂了。

电磁波在不均匀介质中传播，等于是在不同介质之间反复地发生折射、反射、衍射。传播的路径更加复杂，最终射出的方向也非常复杂。过长的路径，也会带来更大的衰减（损耗）。

典型的例子是墙面，不管是钢筋混凝土墙面，还是砖砌墙面，都是不均匀介质，电磁波传播过程中，就有不同程度的衰减。

第三步，从介质到空气，又是一波折射和反射。

综上所述，大家应该明白，为什么频率越高的电磁波，穿透障碍物的能力越弱了吧？

我们家里使用的Wi-Fi，现在都有2.4GHz频段和5GHz频段。大家用过的话，应该都知道，5GHz信号的穿墙能力明显弱于2.4GHz信号。

还有我们昨天文章所说的毫米波，也是一样的道理。相同条件下，毫米波信号穿透障碍物的衰减，明显会大于Sub-6GHz的信号。

值得一提的是，不均匀介质的信号衰减程度，和介质颗粒度也有关系。如果这个颗粒打得很碎，颗粒很小，那么，对于低频电磁波来说，由于波长远大于颗粒尺寸，整体上电磁波的衰减会更小一些。

那么很多人会问，为什么高能射线例如X射线频率那么高，穿透力却很强呢？

这里面的原因很复杂。简单来说，对于这些频率极高的电磁波，经典的电动力学不能完全成立。

这是什么鬼理由？

这么说吧，X射线除了频率高之外，还有一个特性，那就是能量极强。

X射线照在介质上时，仅一小部分被介质的原子“挡住”，大部分经由原子之间的缝隙“穿过”，从而表现出很强的穿透能力。

那么，为什么像铅块这样的重金属可以有效阻挡X射线呢？因为铅块的原子序数较高，密度大，原子结构更紧密，不容易“穿透”。

好啦，文章写到这里，就要结束了。关于电磁波的波长频率与穿透能力的关系，大家都搞明白了吗？