Warum dringen höherfrequente Wellen besser ein?

Im freien Raum scheinen niederfrequente Signale weiter zu gehen, da das Signal entweder vom Boden abgelenkt oder von den oberen atmosphärischen Schichten reflektiert wird, wodurch es tatsächlich weiter geht.

Überträgt 2,4 GHz im städtischen Umfeld, in dem Wände durchdrungen werden müssen, mehr als 433 MHz?

Haben Gammastrahlen und Röntgenstrahlen im elektromagnetischen Spektrum eine gute Durchdringung, weil sie eine hohe Frequenz haben?

Es stimmt nicht, dass höhere Frequenzen immer weiter durchdringen als niedrigere. Die Transparenzkurve verschiedener Materialien in Abhängigkeit von der Wellenlänge kann sehr unübersichtlich sein. Denken Sie an farbige Filter, die nur für eine enge Oktave von Wellenlängen gelten, die wir als sichtbares Licht bezeichnen.

Anscheinend denken Sie an Wellenlängen, die so kurz sind, dass die Energie sehr hoch ist, wie Röntgenstrahlen und Gammastrahlen. Diese gehen nur wegen ihrer hohen Energie durch die Dinge. Bei niedrigeren Energien (längeren Wellenlängen) interagieren die Wellen auf verschiedene Weise mit dem Material, so dass sie absorbiert, gebrochen, reflektiert und erneut emittiert werden können. Diese Effekte variieren nicht monoton in Abhängigkeit von der Wellenlänge, der Tiefe des Materials, dem spezifischen Widerstand, der Dichte und anderen Eigenschaften.

Der Hauptvorteil höherer Frequenzen besteht darin, dass für eine angemessene Empfangsqualität kürzere Antennen erforderlich sind, was für mobile Geräte wichtig ist. Sie ermöglichen auch ein breiteres Band für die Modulation von Signalen, sodass Sie eine Übertragung mit höherer Frequenz erzielen können.

Hohe Frequenzen reagieren jedoch empfindlicher auf Reflexionen, sodass es für sie im Allgemeinen schwieriger ist, Wände und Hindernisse zu überwinden. Gleichzeitig können sie leichter durch Löcher austreten. Als Faustregel gilt, dass das Signal durch Löcher mit der Wellenlänge austreten kann. Gleichzeitig kann man sich aber nicht auf eine gute Übertragung verlassen: Ich würde sagen, dass das Limit ziemlich verschwommen ist.

Weitere Einblicke erhalten Sie bei der Sichtlinienausbreitung : Die Mikrowellenfrequenz kann durch kleinere Objekte gebrochen werden als durch niedrigere Radiofrequenzen, da sie stark von der Wellenlänge abhängt. Der Vergleich ergibt sich aus der Tatsache, dass Mikrowellen ein Spektrum aufweisen, das den optischen Wellenlängen ähnlicher ist, so dass sie unter einigen der Phänomene leiden, die für die Optik gelten.

Tatsächlich haben höhere Frequenzen schlechtere Durchdringungsfähigkeiten. Betrachtet man ein rein theoretisches Modell, die sogenannte Hauttiefe , die die Dicke der Schicht eines Leiters angibt, in die eine elektromagnetische Welle einer bestimmten Frequenz eindringen kann, so sieht man, dass die Hauttiefe umgekehrt proportional ist mit der Quadratwurzel der Frequenz:

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

$\rho$$\mu$

Dies hat auch zur Folge, dass Wechselströme nicht den gesamten Querschnitt eines Drahts nutzen (und ein ordnungsgemäß ausgelegter Hohlraum würde die gleiche Aufgabe übernehmen), und das ist (teilweise) der Grund, warum eine kleinere Antenne für eine ordnungsgemäße Übertragung ausreicht.

Aber in Wirklichkeit sind die Dinge viel komplizierter. Drahtloses HD-Video ist (teilweise) eine große technische Herausforderung, da die für die Bereitstellung der entsprechenden Bandbreite erforderlichen Hochfrequenzsignale dazu neigen, von den Wänden zu springen. Bei wirklich hohen Frequenzen (dh ~ 60 GHz), die für solche Anwendungen erforderlich sind, können andere Absorptions- / Reflexionsphänomene die Übertragung beeinträchtigen: z. B. Absorption durch Sauerstoff (in der Luft). Dies hängt sehr stark von dem Medium ab, durch das Ihre Welle gehen muss.

Die kurze Antwort lautet also nein, höhere Frequenzen können nicht besser durch Wände gehen als niedrige Frequenzen.

"Die Gesetze der Physik können gebogen, aber niemals gebrochen werden."

Die Art und Weise, wie sich Signale durch die Atmosphäre / den Raum ausbreiten, treffen und passieren, absorbiert werden und auf einem reflektierten Pfad zurückprallen, wie die Diskussion zeigt, ist komplex. Bei niedrigeren Frequenzen ist die Wellenlänge länger, was es schwieriger macht, Antennen für kleine Geräte zu entwickeln. Die Signale wandern weiter, was die Erfassung einfacher und kostengünstiger macht. Dies führt jedoch auch zur Störung von Signalen, es sei denn, Signale, die sich in einen gemeinsamen Bereich / Raum kreuzen, werden auf irgendeine Weise differenziert, so dass die Störsignale unter Verwendung analoger Mittel oder digitaler Signalverarbeitung gefiltert werden können.

Bei höheren Frequenzen werden die Wellenlängen kürzer, was das Packen von Antennen in kleine Geräte weniger schwierig macht und das Erfassen eines höheren Pegels des die Antenne erreichenden Signals ermöglicht. Signale werden jedoch auch in üblichen Baumaterialien, Blättern und anderen Objekten stärker absorbiert. Signale neigen dazu, stärker zu reflektieren, was dazu führt, dass in Bereichen, in denen das Signal nicht in Sichtweite ist (NLOS), mehrere reflektierte Signale auftreten. Dies sind unter anderem wichtige Überlegungen zum Design.

Drahtlose Technologien, einschließlich Signalverarbeitung und Antennenentwurf mit gebrochener Wellenlänge, werden zunehmend verwendet, um den negativen Auswirkungen der Signalausbreitung entgegenzuwirken, um für die Kommunikation praktisch zu werden. Negative Einflüsse, wie die Mehrwegeausbreitung von Signalen, werden von der Signalverarbeitung ausgenutzt, so dass Signale kombiniert werden, um das empfangene Signal auf ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) anzuheben, verglichen mit analogen Verfahren, bei denen möglicherweise versucht wird, alle außer dem herauszufiltern das stärkere Signal. Anstatt Schmalbandantennen zu verwenden, empfangen beispielsweise MIMO-Signalisierungsverfahren mit mehreren Eingängen und Ausgängen die Mehrwegsignale und differenzieren sie in Zeit und Raum, eine analoge Funktion, digitalisieren sie und verwenden die Signalverarbeitung, um sie abzugleichen Zeitdifferenzierung durch Signalweg.

Die Frage, wie Signale übertragen werden, ist komplex und muss häufig auf einen Anwendungsfall beschränkt werden, um die Auswirkungen abzuwägen, da sie sonst unhandlich werden. Es muss jedoch berücksichtigt werden, dass sowohl die theoretischen Modelle als auch die sich entwickelnden Methoden eine breite Grundlage haben, um der Ausbreitung von Signalen entgegenzuwirken oder diese zu nutzen, wie die Absorption Störungen verringert und den Signalempfang behindert und wie die Reflexion die Bandbreite multipliziert, indem mehrere Frequenzen wiederverwendet werden.

Um dieses Verständnis in die Welt der Anwendungen zu bringen, sind praktische Überlegungen zur Verfügbarkeit von Komponenten (Antennen, Chips usw.), Geräten und Ausrüstungen sowie zu den Kosten im Vergleich zu Alternativen erforderlich. Und schließlich muss die Verwendung von Mehrfrequenz-Trägersignalisierungsmethoden zur Erhöhung der Zuverlässigkeit und der kombinierten Bandbreite der drahtlosen Kommunikation und der Auswirkungen auf die Kostengleichungen in einer wettbewerbsfähigen Anwendungsumgebung berücksichtigt werden.

Die Art und Weise, wie Signale mit Hindernissen interagieren, ist komplexer als die Grundlinienberechnungen: Die Art und Weise, wie Wände oder andere Materialien gebildet werden, kann die Signale je nach Wellenlänge mehr oder weniger stark beeinträchtigen. Bei höheren Frequenzen werden die Wellenlängen so reduziert, dass sie durch Öffnungen oder Strukturen vom Gittertyp gehen können, während Signale mit niedrigerer Frequenz absorbiert oder reflektiert werden können. Andererseits können Moleküle oder Komponentenstrukturen von Materialien für bestimmte Frequenzen resonant sein: Zum Beispiel sind Wassermoleküle an Primärknoten nahe 2,4 GHz, 3,1 GHz resonant. Aus diesem Grund arbeiten Mikrowellenherde normalerweise bei 2,4 GHz. Dies führt zu einer bestimmten Reihe von Störungen, die durch das Vorhandensein von Wasser in Laub, Regen und Schneefall usw. verursacht werden. Einige haben möglicherweise Erfahrung damit, unabhängig davon, ob sie es wissen oder nicht:

Vor einigen Jahren entwickelte sich MIMO aus der vorherigen Verwendung in Radargeräten für Verteidigung und Luft- und Raumfahrt und in der Kommunikation zur Herstellung von Halbleitern für WiFi und mobile Kommunikation. Davor waren viele Top-Konstrukteure skeptisch, was die Vorteile gegenüber den Kosten und der Praktikabilität angeht. Das Teilgebiet der drahtlosen Kommunikation hat sich herausgebildet, um der drahtlosen Kommunikation, kommerziellen Radaren und anderen Anwendungen einen großen Nutzen zu verschaffen. Die höheren Frequenzbänder haben am meisten von der geringeren Streuung profitiert, und eine gerade Sichtlinie bietet eine bessere Signalunterscheidung / -isolierung. Dies kann im Vergleich zu niedrigeren Frequenzbändern zu einer einfachen und besseren Signalübertragung auf mehreren Pfaden führen.

Das Zeitalter, in dem wir jetzt leben, ist jedoch das Zeitalter der Mehrfrequenzbandkommunikation, in dem das beste Band das opportunistischste ist und für die Anforderungen der Anwendung (en) geeignet ist.

Drei Dinge passieren mit EM-Strahlung, wenn sie auf eine Barriere stößt. Es kann abprallen (Reflexion oder Streuung), passieren (Transmission) oder einfach stehen bleiben (Absorption).

Die Intensität der durchgelassenen Strahlung hängt von mehreren Faktoren ab: Die Wellenlänge der Strahlung Die Intensität der Strahlung, die auf die Barriere trifft Die chemische Zusammensetzung der Barriere Die physikalische Mikrostruktur der Barriere Die Dicke der Barriere

Aus verschiedenen technischen Gründen ist der Vergleich zwischen niedrigerer (mittlerer Bereich 433 MHz) und höherer Frequenz (2,4 GHz) wie folgt: Die niederfrequenten Signale wandern weiter als weil die Energie höher und konzentrierter ist, und zwar auf eine einzige gleichmäßige Art und Weise, die nicht absorbiert wird leicht durch die luft, die aus viel feuchtigkeit besteht. Die höhere Frequenz bei 2,4 GHz ist in der Lage, einen Weg durch die Molekülstruktur vieler Materialien zu bahnen. Ein Nachteil ist jedoch, dass Feuchtigkeit in der freien Luft das Signal dämpft. Manuelle Sender mit höheren Frequenzen sind auch mit Frequenzsprung und irgendeiner Art von Verschlüsselung ausgestattet. Es kann leichter einen Weg durch partielle Hindernisse finden als bei großen Wellen mit niedrigerer Frequenz.