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,已知波动方程怎么求波长,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?
波长和频率之间的关系是波长和频率成反比。根据波速公式 V=λf 在同种介质中,波的传播速度相同,波长和频率的乘积不变,λ=v/f,波长和频率成反比,即频率越高,波长越短。频率v就是某一固定时间内,通过某一指定地方。
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?
波长λ等于波速u和周期T的乘积,即λ=uT。波长(wavelength)是指波在一个振动周期内传播的距离。也就是沿着波的传播方向,相邻两个振动位相相差2π的点之间的距离。同一频率的波在不同介质中以不同速度传播,所以波长也不。
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。
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。
波长=波速*波速 波长就是单位时间内波所行进的位移,有了波的传播速度和波的传播周期就可以用λ=v*t这个公式计算波长,这里的λ就是波长,而t则是周期,周期可以利用一个公式既频率是周期的倒数来计算出来,频率单位为Hz 注。
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。
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)。
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?
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。
企业回随着光谱分辨率的不断提高,光学遥感的发展过程可分为:全色(Panchromatic)→彩色(Color Photography)→多光谱(Multispectral)→高光谱(hyspectral)。 注: 全色波段(Panchromatic band),因为是单波段,在图上显示是灰度图片。全色遥。
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。
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?