Por que ondas de alta frequência têm melhor penetração?

No espaço livre, os sinais de frequência mais baixa parecem ir mais longe porque o sinal é difratado pelo solo ou refletido pelas camadas atmosféricas superiores, fazendo com que ele realmente vá além.

Em condições urbanas, onde precisamos penetrar nas paredes, 2,4 GHz viaja além do rádio de 433 MHz?

No espectro eletromagnético, os raios gama e os raios X têm boa penetração porque possuem alta frequência?

Não é verdade que as frequências mais altas penetram sempre mais do que as mais baixas. O gráfico da transparência de vários materiais em função do comprimento de onda pode ser bastante irregular. Pense em filtros coloridos, e eles se aplicam apenas a uma oitava estreita de comprimentos de onda que chamamos de luz visível.

Aparentemente, você está pensando em comprimentos de onda tão curtos que a energia é muito alta, como raios X e raios gama. Estes passam pelas coisas apenas por causa de sua alta energia. Em energias mais baixas (comprimentos de onda mais longos), as ondas interagem com o material de várias maneiras, para que possam ser absorvidas, refratadas, refletidas e reemitidas. Esses efeitos variam de maneiras não monotônicas em função do comprimento de onda, da profundidade do material, da resistividade, da densidade e de outras propriedades.

A principal vantagem das frequências mais altas é que elas exigem antenas mais curtas para uma qualidade de recepção decente, e isso é importante para os dispositivos móveis. Eles também permitem uma banda mais larga para modular sinais, para que você possa obter uma transmissão de frequência mais alta.

Porém, as frequências altas são mais sensíveis à reflexão, por isso terão mais dificuldade em atravessar paredes e obstáculos em geral. Ao mesmo tempo, eles vazam mais facilmente através dos orifícios: uma regra geral é que, se você tiver um orifício do tamanho do comprimento de onda, o sinal poderá vazar através dele. Mas, ao mesmo tempo, você não pode confiar nela para uma boa transmissão: então eu diria que o limite é bastante confuso.

Para obter mais informações, veja a propagação da linha de visão : a frequência de microondas pode ser refratada por objetos menores que a frequência de rádio mais baixa, pois é fortemente dependente do comprimento de onda. A comparação surge pelo fato de as microondas terem um espectro mais semelhante aos comprimentos de onda ópticos, de modo que sofrerão com alguns dos fenômenos que se aplicam à óptica.

De fato, frequências mais altas têm piores capacidades de penetração. Se você considerar um modelo puramente teórico, a chamada profundidade da pele , que fornece a espessura da camada de um condutor à qual uma onda eletromagnética de uma determinada frequência é capaz de penetrá-la, você verá que a profundidade da pele é inversamente proporcional com a raiz quadrada da frequência:

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

$\rho$$\mu$

Isso também tem como conseqüência que as correntes CA não usem toda a seção transversal de um fio (e uma cavidade projetada adequadamente faria o mesmo trabalho) e é por isso (em parte) que uma antena menor fará uma transmissão adequada.

Mas, na realidade, as coisas são muito mais complicadas do que isso. O vídeo HD sem fio é um sério desafio de engenharia (em parte), porque os sinais de alta frequência necessários para fornecer a largura de banda apropriada tendem a ricochetear nas paredes. Em frequências realmente altas (~ 60 GHz) necessárias para tais aplicações, outros fenômenos de absorção / reflexão podem comprometer a transmissão: por exemplo, absorção por oxigênio (no ar). Isso depende muito do meio pelo qual sua onda precisa passar.

Portanto, a resposta curta é não, as frequências mais altas não conseguem passar melhor pelas paredes do que as baixas frequências.

"As leis da física podem ser dobradas, mas nunca quebradas."

A maneira como os sinais se propagam pela atmosfera / espaço, atingem e passam, são absorvidos e saltam ao longo de um caminho refletido, como expõe a discussão, é complexa. Em frequências mais baixas, o comprimento de onda é maior, tornando mais difícil projetar antenas para caber em dispositivos pequenos. Os sinais viajam mais longe, o que torna a cobertura mais fácil e menos onerosa. No entanto, isso também faz com que os sinais interfiram, a menos que os sinais que cruzam uma área / espaço comum sejam diferenciados de alguma maneira, de modo que os sinais interferentes possam ser filtrados pelo uso de meios analógicos ou processamento de sinal digital.

Em frequências mais altas, os comprimentos de onda ficam mais curtos, tornando o trabalho de empacotar antenas em pequenos dispositivos menos desafiador e permitindo capturar um nível mais alto do sinal que chega à antena. No entanto, os sinais também são absorvidos mais em materiais de construção comuns, folhagem e outros objetos. Os sinais tendem a saltar mais, causando a ocorrência de vários sinais refletidos em áreas onde o sinal não é da linha de visão (NLOS). Essas são considerações importantes de design, entre outras.

As tecnologias sem fio, incluindo processamento de sinal e design de antena de comprimento de onda fracionário, estão sendo cada vez mais usadas para combater os impactos negativos da propagação de sinal, a fim de se tornar prático para as comunicações. impactos negativos, como a propagação de sinais de múltiplos caminhos, são aproveitados pelo processamento do sinal, de modo que os sinais são combinados para elevar o sinal recebido a uma SNR mais alta, razão sinal / ruído, em comparação com métodos analógicos que podem tentar filtrar tudo, exceto o sinal mais forte. Em vez de usar antenas de banda estreita, por exemplo, os métodos de sinalização MIMO, de entrada múltipla e saída múltipla recebem os sinais de caminhos múltiplos e os diferenciam no espaço-tempo, uma função analógica, digitaliza-os e usa o processamento de sinal para alinhar diferenciação de tempo causada pelo deslocamento do sinal.

A questão de como os sinais viajam é complexa e frequentemente deve ser confinada a um caso de uso para pesar os impactos ou se tornar pesado. No entanto, uma ampla base nos modelos teóricos e nos métodos evolutivos para combater ou tirar proveito de como os sinais viajam, como a absorção reduz as interferências e impede a recepção do sinal, e como a reflexão pode multiplicar a largura de banda por várias frequências de reutilização, tudo deve ser considerado.

Trazer esse entendimento para o mundo das aplicações requer considerações práticas de componentes (antenas, chips, etc.), disponibilidade de dispositivos e equipamentos e custos relativos a alternativas. E, finalmente, o uso de métodos de sinalização de operadora de múltiplas frequências para aumentar a confiabilidade e a largura de banda combinada das comunicações sem fio e como isso afeta as equações de custo deve ser levado em consideração em um ambiente de aplicativos competitivo.

A maneira como os sinais interagem com os obstáculos é mais complexa do que os cálculos da linha de base: a forma como paredes ou outros materiais são formados pode impedir os sinais em maior ou menor grau, dependendo do comprimento de onda. Em frequências mais altas, os comprimentos de onda são reduzidos de modo que possam passar por aberturas ou estruturas do tipo retículo, enquanto os sinais de menor frequência podem ser absorvidos ou refletidos. Por outro lado, moléculas ou estrutura de componentes de materiais podem ser ressonantes para frequências específicas: por exemplo, moléculas de água são ressonantes em nós primários próximos a 2,4 GHz, 3,1 GHz. É por isso que os fornos de microondas normalmente operam em torno de 2,4 GHz. Isso introduz uma faixa específica de interferência devido à presença de água na folhagem, chuva e queda de neve, etc. Alguns podem ter experiência com isso, sabendo ou não:

Vários anos atrás, o MIMO estava emergindo do uso anterior em radares e comunicações aeroespaciais e de defesa, transformando-os em semicondutores usados ​​em Wi-Fi e comunicações móveis. Antes disso, muitos dos principais engenheiros de design eram céticos em relação a seus benefícios em relação aos custos e à praticidade. O subcampo da tecnologia sem fio surgiu para beneficiar muito as comunicações sem fio, radares comerciais e outras aplicações. As bandas de frequência mais alta se beneficiaram mais por causa da menor dispersão, a linha de visão mais reta oferece melhor discriminação / isolamento de sinal. Isso pode resultar em facilidade e melhores propriedades de sinalização de caminhos múltiplos em comparação com bandas de frequência mais baixas.

No entanto, a idade em que vivemos agora é a idade das comunicações em banda de frequência múltipla, na qual a melhor banda é a mais oportunista e adequada às necessidades do (s) aplicativo (s).

Três coisas acontecem à radiação EM quando ela encontra uma barreira. Pode saltar (refletância ou dispersão), passar através (transmitância) ou simplesmente parar (absorvância).

A intensidade da radiação transmitida depende de várias coisas: O comprimento de onda da radiação A intensidade da radiação que atinge a barreira A composição química da barreira A microestrutura física da barreira A espessura da barreira

Por uma variedade de razões técnicas, a comparação entre frequências mais baixas (faixa intermediária 433MHz) e frequências mais altas 2.4GHz) é comparada da seguinte forma: Os sinais de frequência mais baixa viajam mais do que porque a energia é maior e mais concentrada de uma maneira única e constante que não é absorvida. facilmente pelo ar, que consiste em uma grande quantidade de umidade. A frequência mais alta de 2,4 GHz é capaz de abrir caminho através da estrutura molecular de muitos materiais, mas o problema é que a umidade do ar livre tende a diminuir o sinal. Os transmissores de freqüência mais alta da Manu também são projetados com salto de freqüência e criptografia de algum tipo. Ele pode encontrar um caminho através de obstruções parciais com mais facilidade do que com frequências mais baixas, como ondas grandes podem.