Perché le onde a frequenza più elevata hanno una penetrazione migliore?

Nello spazio libero, i segnali a bassa frequenza sembrano andare più lontano perché il segnale viene o diffratto dal terreno o riflesso dagli strati atmosferici superiori, rendendolo effettivamente più lontano.

In condizioni urbane, dove dobbiamo penetrare nei muri, i 2,4 GHz viaggiano oltre la radio 433 MHz?

Nello spettro elettromagnetico, i raggi gamma e i raggi X hanno una buona penetrazione perché hanno un'alta frequenza?

Non è vero che le frequenze più alte penetrano sempre oltre quelle più basse. Il grafico della trasparenza di vari materiali in funzione della lunghezza d'onda può essere piuttosto scomodo. Pensa ai filtri colorati, e quelli si applicano solo a un'ottava stretta di lunghezze d'onda che chiamiamo luce visibile.

Ciò a cui apparentemente stai pensando sono lunghezze d'onda così brevi che l'energia è molto alta, come i raggi X e i raggi gamma. Questi passano attraverso le cose solo a causa della loro alta energia. Alle energie più basse (lunghezze d'onda più lunghe), le onde interagiscono con il materiale in vari modi in modo che possano essere assorbite, rifratte, riflesse e riemesse. Questi effetti variano in modi non monotonici in funzione della lunghezza d'onda, della profondità del materiale, della resistività, della densità e di altre proprietà.

Il vantaggio principale delle frequenze più alte è che richiedono antenne più corte per una qualità di ricezione decente, e questo è importante per i dispositivi mobili. Consentono inoltre una banda più ampia per la modulazione dei segnali, in modo da ottenere una trasmissione di frequenza più elevata.

Ma le alte frequenze sono più sensibili alla riflessione, quindi avranno difficoltà a passare attraverso i muri e gli ostacoli in generale. Allo stesso tempo, coleranno più facilmente attraverso i buchi: una regola empirica è che se si dispone di un buco della dimensione della lunghezza d'onda, il segnale può fuoriuscire attraverso di esso. Ma allo stesso tempo, non puoi fare affidamento su di esso per una buona trasmissione: quindi direi che il limite è piuttosto confuso.

Per ulteriori approfondimenti, osserva la propagazione della linea di vista : la frequenza delle microonde può essere rifratta da un oggetto più piccolo rispetto alla bassa frequenza radio, poiché dipende fortemente dalla lunghezza d'onda. Il confronto nasce dal fatto che le microonde hanno uno spettro che è più simile alle lunghezze d'onda ottiche, quindi soffriranno di alcuni dei fenomeni che valgono per l'ottica.

In effetti le frequenze più alte hanno peggiori capacità di penetrazione. Se consideri un modello puramente teorico, la cosiddetta profondità della pelle , che fornisce lo spessore dello strato di un conduttore a cui un'onda elettromagnetica di una determinata frequenza è in grado di penetrarlo, vedrai che la profondità della pelle è inversamente proporzionale con la radice quadrata della frequenza:

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

$\rho$$\mu$

Ciò ha anche come conseguenza che le correnti CA non usano l'intera sezione trasversale di un filo (e una cavità correttamente progettata farebbe lo stesso lavoro) ed è (in parte) il motivo per cui un'antenna più piccola farà per una corretta trasmissione.

Ma in realtà le cose sono molto più complicate di così. I video HD wireless rappresentano una seria sfida ingegneristica (in parte) perché i segnali ad alta frequenza necessari per fornire la larghezza di banda appropriata tendono a rimbalzare dalle pareti. Alle frequenze veramente alte (cioè ~ 60 GHz) necessarie per tali applicazioni altri fenomeni di assorbimento / riflessione possono compromettere la trasmissione: ad es. Assorbimento di ossigeno (nell'aria). Questo dipende molto dal mezzo attraverso il quale l'onda deve attraversare.

Quindi, la risposta breve è no, le frequenze più alte non sono in grado di attraversare i muri meglio delle basse frequenze.

"Le leggi della fisica possono essere piegate ma mai infrante".

Il modo in cui i segnali si propagano attraverso l'atmosfera / spazio, colpiscono e attraversano, vengono assorbiti e rimbalzano lungo un percorso riflesso, come mostra la discussione, è complesso. Alle frequenze più basse una lunghezza d'onda è più lunga, rendendo più difficile progettare antenne per adattarsi a piccoli dispositivi. I segnali viaggiano più lontano, il che rende la copertura più semplice e meno costosa. Tuttavia, ciò provoca anche l'interferenza dei segnali, a meno che i segnali che attraversano un'area / spazio comune non siano differenziati in qualche modo in modo che i segnali interferenti possano essere filtrati mediante l'uso di mezzi analogici o elaborazione di segnali digitali.

A frequenze più alte, le lunghezze d'onda si accorciano, rendendo il lavoro di imballaggio di antenne in piccoli dispositivi meno problematico e consentendo di catturare un livello più elevato del segnale che raggiunge l'antenna. Tuttavia, anche i segnali vengono assorbiti maggiormente dai materiali da costruzione, dalle foglie e da altri oggetti comuni. I segnali tendono a rimbalzare di più, causando la presenza di più segnali riflessi in aree in cui il segnale è non-line-of-sight (NLOS). Queste sono importanti considerazioni di progettazione tra le altre.

Le tecnologie wireless tra cui l'elaborazione del segnale e la progettazione di antenne a lunghezza d'onda frazionaria vengono sempre più utilizzate per contrastare gli impatti negativi della propagazione del segnale al fine di diventare pratiche per le comunicazioni. gli impatti negativi, come la propagazione di segnali a percorsi multipli, sono sfruttati dall'elaborazione del segnale in modo che i segnali siano combinati per elevare il segnale ricevuto a un SNR più elevato, rapporto segnale rumore, rispetto ai metodi analogici che potrebbero tentare di filtrare tutti tranne il segnale più forte. Anziché utilizzare antenne a banda stretta, ad esempio, i metodi di segnalazione MIMO, ingresso multiplo, uscita multipla, ricevono i segnali multi-percorso e li differenziano nello spazio-tempo, una funzione analogica, li digitalizzano e usano l'elaborazione del segnale per allinearli a differenziazione temporale causata dalla corsa del segnale.

La questione di come i segnali viaggiano è complessa e spesso deve essere limitata a un caso d'uso al fine di pesare gli impatti, altrimenti diventa ingombrante. Tuttavia, deve essere presa in considerazione un'ampia base sia nei modelli teorici che nei metodi in evoluzione per contrastare o sfruttare il modo in cui i segnali viaggiano, come l'assorbimento riduce le interferenze e impedisce la ricezione del segnale, e come il riflesso può moltiplicare la larghezza di banda per il riutilizzo di più frequenze.

Portare questa comprensione nel mondo delle applicazioni richiede considerazioni pratiche di componenti (antenne, chip, ecc.), Disponibilità di dispositivi e apparecchiature e costi relativi alle alternative. Infine, l'utilizzo di metodi di segnalazione a vettore a frequenza multipla per aumentare l'affidabilità e la larghezza di banda combinata delle comunicazioni wireless e il modo in cui ciò influisce sulle equazioni dei costi devono essere presi in considerazione in un ambiente competitivo di applicazioni.

Il modo in cui i segnali interagiscono con gli ostacoli è più complesso dei calcoli della linea di base: il modo in cui vengono formati i muri o altri materiali può impedire i segnali in misura maggiore / minore a seconda della lunghezza d'onda. Alle frequenze più alte, le lunghezze d'onda sono ridotte in modo tale da poter passare attraverso aperture o strutture di tipo reticolare mentre i segnali di frequenza più bassa possono essere assorbiti o riflessi. D'altra parte, le molecole o la struttura componente dei materiali possono risuonare a frequenze particolari: ad esempio, le molecole d'acqua risuonano su nodi primari vicino a 2,4 GHz, 3,1 GHz. Questo è il motivo per cui i forni a microonde funzionano in genere intorno a 2,4 GHz. Ciò introduce una gamma specifica di interferenze dovuta alla presenza di acqua nel fogliame, pioggia e nevicate, ecc. Alcuni potrebbero avere esperienza con questo, che lo sappiano o no:

Diversi anni fa, il MIMO stava emergendo dall'uso precedente nei radar e nelle comunicazioni della difesa e aerospaziale, fino alla fabbricazione in semiconduttori utilizzati nelle comunicazioni WiFi e mobili. Prima di allora, molti dei migliori progettisti erano scettici sui suoi vantaggi rispetto ai costi e alla praticità. Il sottosettore del wireless è emerso a beneficio delle comunicazioni wireless, dei radar commerciali e di altre applicazioni. Le bande di frequenza più elevate hanno beneficiato di più a causa della minore dispersione, una linea di vista più dritta offre una migliore discriminazione / isolamento del segnale. Ciò in più può comportare facilità e migliori proprietà di segnalazione multi-percorso rispetto alle bande di frequenza più basse.

Tuttavia, l'età in cui viviamo è l'era delle comunicazioni in banda a più frequenze in cui la migliore banda è la più opportunistica e adatta alle esigenze delle applicazioni.

Tre cose accadono alla radiazione EM quando incontra una barriera. Può rimbalzare (riflettanza o scattering), passare attraverso (trasmittanza) o semplicemente fermarsi (assorbanza).

L'intensità della radiazione trasmessa dipende da diverse cose: La lunghezza d'onda della radiazione L'intensità della radiazione che colpisce la barriera La composizione chimica della barriera La microstruttura fisica della barriera Lo spessore della barriera

Per una serie di motivi tecnici, il confronto tra frequenza inferiore (gamma media 433 MHz) e frequenza superiore 2,4 GHz) si confronta in questo modo: i segnali di frequenza inferiore viaggiano oltre perché l'energia è più alta e più concentrata in un unico modo stabile che non viene assorbito come facilmente per via aerea, che consiste in una buona dose di umidità. La frequenza più elevata a 2,4 GHz è in grado di tagliare un percorso attraverso la struttura molecolare di molti materiali, ma il suo compromesso è che l'umidità nell'aria libera tende a smorzare il segnale. I trasmettitori di frequenza superiore Manu sono inoltre progettati con salti di frequenza e crittografia di qualche tipo. Può trovare un percorso attraverso ostruzioni parziali più facilmente rispetto alla frequenza più bassa, come possono fare le onde grandi.