¿Por qué las ondas de mayor frecuencia tienen mejor penetración?

En el espacio libre, las señales de baja frecuencia parecen ir más lejos porque la señal se difracta por el suelo o se refleja en las capas atmosféricas superiores, lo que hace que en realidad vaya más lejos.

En condiciones urbanas, donde necesitamos penetrar paredes, ¿viaja 2.4GHz más allá de la radio 433MHz?

En el espectro electromagnético, ¿los rayos gamma y los rayos X tienen buena penetración porque tienen alta frecuencia?

No es cierto que las frecuencias más altas siempre penetren más que las más bajas. El gráfico de transparencia de varios materiales en función de la longitud de onda puede ser bastante irregular. Piense en filtros de colores, y esos solo se aplican a una octava estrecha de longitudes de onda que llamamos luz visible.

Al parecer, en lo que está pensando es en longitudes de onda tan cortas que la energía es muy alta, como las radiografías y los rayos gamma. Estos pasan por cosas únicamente debido a su alta energía. A energías más bajas (longitudes de onda más largas), las ondas interactúan con el material de varias maneras para que puedan ser absorbidas, refractadas, reflejadas y reemitidas. Estos efectos varían de manera no monotónica en función de la longitud de onda, la profundidad del material, su resistividad, densidad y otras propiedades.

La principal ventaja de las frecuencias más altas es que requieren antenas más cortas para una calidad de recepción decente, y eso es importante para los dispositivos móviles. También permiten una banda más amplia para modular las señales, por lo que puede obtener una transmisión de frecuencia más alta.

Pero las frecuencias altas son más sensibles a la reflexión, por lo que les será más difícil atravesar paredes y obstáculos en general. Al mismo tiempo, se filtrarán más fácilmente a través de los agujeros: una regla general es que si tiene un agujero del tamaño de la longitud de onda, la señal puede filtrarse a través de él. Pero al mismo tiempo, no puede confiar en él para una buena transmisión: por lo tanto, diría que el límite es bastante confuso.

Para obtener más información, observe la propagación de la línea de visión : la frecuencia de microondas puede ser refractada por un objeto más pequeño que la frecuencia de radio más baja, ya que depende en gran medida de la longitud de onda. La comparación surge por el hecho de que las microondas tienen un espectro que es más similar a las longitudes de onda ópticas, por lo que sufrirán algunos de los fenómenos que tienen las ópticas.

De hecho, las frecuencias más altas tienen peores capacidades de penetración. Si considera un modelo puramente teórico, la llamada profundidad de la piel , que da el grosor de la capa de un conductor al que una onda electromagnética de una frecuencia dada puede penetrarlo, verá que la profundidad de la piel es inversamente proporcional con la raíz cuadrada de la frecuencia:

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

$\rho$$\mu$

Esto también tiene como consecuencia que las corrientes de CA no usan toda la sección transversal de un cable (y un hueco hueco diseñado adecuadamente haría el mismo trabajo) y es (en parte) por qué una antena más pequeña lo hará para una transmisión adecuada.

Pero en realidad las cosas son mucho más complicadas que eso. El video HD inalámbrico es un desafío de ingeniería serio (en parte) porque las señales de alta frecuencia necesarias para proporcionar el ancho de banda adecuado tienden a rebotar en las paredes. A frecuencias realmente altas (es decir, ~ 60 GHz) necesarias para tales aplicaciones, otros fenómenos de absorción / reflexión pueden comprometer la transmisión: por ejemplo, absorción por oxígeno (en el aire). Esto depende mucho del medio a través del cual tu ola necesita pasar.

Entonces, la respuesta corta es no, las frecuencias más altas no pueden atravesar paredes mejor que las frecuencias bajas.

"Las leyes de la física pueden doblarse pero nunca romperse".

La forma en que las señales se propagan a través de la atmósfera / espacio, golpean y pasan, son absorbidas y rebotan a lo largo de un camino reflejado, como lo expone la discusión, es compleja. A frecuencias más bajas, la longitud de onda es más larga, lo que hace que sea más difícil diseñar antenas que se ajusten a dispositivos pequeños. Las señales viajan más lejos, lo que hace que la cobertura sea más fácil y menos costosa. Sin embargo, eso también hace que las señales interfieran a menos que las señales que se cruzan en un área / espacio común se diferencien de alguna manera para que las señales interferentes puedan filtrarse mediante el uso de medios analógicos o procesamiento de señales digitales.

A frecuencias más altas, las longitudes de onda se acortan, lo que hace que el trabajo de empaquetar antenas en dispositivos pequeños sea menos difícil y permite capturar un nivel más alto de la señal que llega a la antena. Sin embargo, las señales también se absorben más en materiales de construcción comunes, follaje y otros objetos. Las señales tienden a rebotar más, lo que hace que se produzcan múltiples señales reflejadas en áreas donde la señal no es visual (NLOS). Estas son consideraciones de diseño prominentes entre otras.

Las tecnologías inalámbricas, incluido el procesamiento de señales y el diseño de antenas de longitud de onda fraccional, se utilizan cada vez más para contrarrestar los impactos negativos de la propagación de señales a fin de que sean prácticas para las comunicaciones. Los impactos negativos, como la propagación de señales de múltiples rutas, se aprovechan mediante el procesamiento de la señal de modo que las señales se combinen para elevar la señal recibida a una SNR más alta, relación señal / ruido, en comparación con los métodos analógicos que pueden intentar filtrar todo menos La señal más fuerte. En lugar de utilizar antenas de banda estrecha, por ejemplo, MIMO, los métodos de señalización de entrada múltiple y salida múltiple reciben las señales de ruta múltiple y las diferencian en el espacio de tiempo, una función analógica, las digitalizan y usan el procesamiento de señales para alinearlas. diferenciación temporal causada por el viaje de la señal.

La cuestión de cómo viajan las señales es compleja y, a menudo, debe limitarse a un caso de uso para sopesar los impactos o, de lo contrario, se vuelve difícil de manejar. Sin embargo, debe considerarse una amplia base tanto en los modelos teóricos como en los métodos en evolución para contrarrestar o aprovechar la forma en que viajan las señales, cómo la absorción reduce las interferencias e impide la recepción de la señal, y cómo la reflexión puede multiplicar el ancho de banda por la reutilización de múltiples frecuencias.

Llevar esta comprensión al mundo de las aplicaciones requiere consideraciones prácticas de componentes (antenas, chips, etc.), disponibilidad de dispositivos y equipos y costo en relación con las alternativas. Y, por último, el uso de métodos de señalización de portadora de frecuencia múltiple para aumentar la confiabilidad y el ancho de banda combinado de las comunicaciones inalámbricas y cómo eso afecta las ecuaciones de costos debe tenerse en cuenta dentro de un entorno de aplicaciones competitivo.

La forma en que las señales interactúan con los obstáculos es más compleja que los cálculos de la línea de base: la forma en que se forman las paredes u otros materiales puede impedir las señales en mayor / menor medida dependiendo de la longitud de onda. A frecuencias más altas, las longitudes de onda se reducen de modo que puedan pasar a través de aberturas o estructuras de tipo reticular, mientras que las señales de frecuencias más bajas pueden ser absorbidas o reflejadas. Por otro lado, las moléculas o la estructura de los componentes de los materiales pueden ser resonantes a frecuencias particulares: por ejemplo, las moléculas de agua resuenan en los nodos primarios cerca de 2.4 GHz, 3.1 GHz. Es por eso que los hornos de microondas generalmente operan alrededor de 2.4 GHz. Esto introduce un rango específico de interferencia debido a la presencia de agua en el follaje, la lluvia y la nieve, etc. Algunos pueden tener experiencia con esto, lo sepan o no:

Hace varios años, MIMO estaba emergiendo del uso anterior en radares y comunicaciones aeroespaciales y de defensa para convertirse en semiconductores utilizados en WiFi y comunicaciones móviles. Antes de eso, muchos de los mejores ingenieros de diseño eran escépticos sobre sus beneficios frente a los costos y la practicidad. El subcampo de la tecnología inalámbrica ha surgido para beneficiar en gran medida las comunicaciones inalámbricas, los radares comerciales y otras aplicaciones. Las bandas de frecuencia más altas se han beneficiado más debido a la menor dispersión, la línea de visión más recta permite una mejor discriminación / aislamiento de la señal. Eso más puede resultar en facilidad y mejores propiedades de señalización de múltiples rutas en comparación con las bandas de frecuencia más bajas.

Sin embargo, la era en la que vivimos ahora es la era de las comunicaciones de banda de frecuencia múltiple en la que la mejor banda es la más oportunista y se adapta a las necesidades de las aplicaciones.

Tres cosas le suceden a la radiación EM cuando encuentra una barrera. Puede rebotar (reflectancia o dispersión), pasar (transmitancia) o simplemente detenerse (absorbancia).

La intensidad de la radiación transmitida depende de varias cosas: la longitud de onda de la radiación La intensidad de la radiación que golpea la barrera La composición química de la barrera La microestructura física de la barrera El grosor de la barrera

Por una variedad de razones técnicas, la comparación de frecuencias más bajas (rango medio 433MHz) y frecuencia más alta 2.4GHz) se compara de esta manera: las señales de frecuencia más bajas viajan más que porque la energía es más alta y más concentrada de una manera constante que no se absorbe como fácilmente por aire, que consiste en una buena cantidad de humedad. La frecuencia más alta a 2.4 GHz es capaz de cortar un camino a través de la estructura molecular de muchos materiales, pero su compensación es que la humedad en el aire libre tiende a amortiguar la señal. Los transmisores Manu de mayor frecuencia también están diseñados con salto de frecuencia y encriptación de algún tipo. Puede encontrar un camino a través de obstrucciones parciales más fácilmente que las frecuencias más bajas, pueden hacerlo las olas grandes.