昨天那篇5G毫米波的文章推出之后，引起了很多讀者的濃厚興趣。正如文章所說，5G毫米波的信號覆蓋能力很弱，這是它的一個(gè)重要缺陷，會制約它的后續(xù)發(fā)展。
但是，文章中關(guān)于毫米波信號覆蓋能力差的原因描述，引起了部分讀者的爭議。
其實(shí)，同樣的問題之前也有讀者提出過。關(guān)于電磁波頻率（波長）和信號覆蓋能力之間的關(guān)系，很多人都存在疑問。
有人說，電磁波的頻率越高，穿透力越弱，所以覆蓋能力差。那么就有人問，X射線和γ射線頻率高，不是用于醫(yī)學(xué)攝片和金屬設(shè)備探傷嗎？
也有人問，頻率越高，穿透能力越弱，為什么可見光的頻率那么高，卻可以穿透玻璃呢？
總而言之，眾說紛紜，誰也說不清楚，到底頻率和穿透能力之間是什么樣的關(guān)系。
今天這篇文章，我們就詳細(xì)解釋一下這個(gè)問題。
什么是電磁波？大家可能覺得，電磁波不就是光波和電波么，扭來扭去的那種正弦圖形，就是電磁波。
嚴(yán)格來說，電磁波是以波動形式傳播的電磁場。相同方向且相互垂直的電場和磁場，在空間中傳播的震蕩粒子波，就是電磁波。
電磁波的傳播，不依賴于介質(zhì)，就算在真空中，也可以傳播。
太陽光，就是電磁波的一種可見的輻射形態(tài)。無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線，都是電磁波。它們的主要區(qū)別，就是頻率不同。
大家切記，水波、聲波不是電磁波，而是機(jī)械波。它們是需要實(shí)體介質(zhì)的，一個(gè)點(diǎn)上下運(yùn)動，帶動下一個(gè)點(diǎn)運(yùn)動，形成了波。
所以，請不要把電磁波想象成真的有那么一個(gè)正弦曲線在空間中扭動！
電磁波的類別和用處很多，為了避免發(fā)散，我們先僅限于討論移動通信中的電磁波傳播。
也就是說，我們重點(diǎn)討論：電磁波信號由天線發(fā)出之后，究竟如何才能傳播更遠(yuǎn)的距離？
電磁波的傳播，有以下幾種機(jī)制：直射、反射和衍射（繞射）。
A點(diǎn)到B點(diǎn)，如果沒有障礙物，那么就是直射。它們之間只有空氣。
現(xiàn)實(shí)中的環(huán)境不會那么簡單，周圍總會有一些障礙物，于是，會有一些反射。它們之間，還是空氣為主。
信號會發(fā)生疊加，產(chǎn)生快衰弱（瑞利衰落）
如果有障礙物，那么問題出現(xiàn)了，信號該怎么過去呢？
除了借助環(huán)境物體進(jìn)行反射之外，就只剩兩個(gè)選擇，一個(gè)是衍射（繞射），一個(gè)是直接穿透過去！
關(guān)于衍射，如果你的物理知識還沒還給老師的話，應(yīng)該記得“小孔成像”吧？
衍射，指的是波（如光波）遇到障礙物時(shí)偏離原來直線傳播的物理現(xiàn)象。也就是說，電磁波具備“繞開”障礙物的能力。波長越長（大于障礙物尺寸），波動性越明顯，越容易發(fā)生衍射現(xiàn)象。
再來看穿透。穿透這個(gè)比較麻煩。它包括了3個(gè)過程。
電磁波從空氣到障礙物（也就是導(dǎo)體），需要用外面的電場和磁場感應(yīng)出介質(zhì)里面的電場和磁場。
基于經(jīng)典電磁波理論，電磁波在不同介質(zhì)的傳播速度，取決于介質(zhì)（障礙物）的介電特性和介磁特性。如果介質(zhì)是理想導(dǎo)體，導(dǎo)電性能特別好，那么，電場在該理想導(dǎo)體內(nèi)部永遠(yuǎn)為0，就不能產(chǎn)生電場。
所以，如果障礙物是理想導(dǎo)體，所有的電磁波都會反射回去。
對于非理想導(dǎo)體（大部分介質(zhì)），電磁波在表面上分成折射和反射的兩部分。兩部分的比例跟波速、入射角有關(guān)，而波速又跟頻率有關(guān)。所以，經(jīng)過介質(zhì)表面時(shí)，電磁波信號就已經(jīng)衰減掉一部分了。
好了，接下來是第二步，電磁波折射的一部分終于進(jìn)入介質(zhì)內(nèi)部。
介質(zhì)分為均勻介質(zhì)和不均勻介質(zhì)。我們先說均勻介質(zhì)。
大部分介質(zhì)不是理想導(dǎo)體或良導(dǎo)體，而是絕緣體或者有不同電阻率值的導(dǎo)體。
電磁波在絕緣體中的傳播較為順暢。像玻璃，就是一種非常典型的絕緣體。光線在玻璃中傳播時(shí)，吸收率很低，所以玻璃看著就很透明。
很多晶體，例如食鹽晶體、冰糖晶體，還有純凈的水結(jié)成的冰，都和玻璃類似。
電磁波在有不同電阻率的導(dǎo)體中傳播，可以使用麥克斯韋方程式進(jìn)行計(jì)算。具體怎么算，我就不解釋了。
電磁波是電場和磁場的傳播，波峰和波谷是電場的兩個(gè)極值。
當(dāng)電磁波頻率越高，則波長越短，波峰和波谷離得越近，介質(zhì)某一點(diǎn)附近電場的差異就越大，相應(yīng)電流就越大，所以損耗在介質(zhì)里的能量就越多。
所以，相同前提條件下，在有電阻率的導(dǎo)體中，頻率越高的電磁波，衰減得就越快。
比較典型的例子就是深海中的潛艇。潛艇都是使用長波或超長波與岸上基地進(jìn)行通信的。因?yàn)闊o線信號的頻率很低，在水中的衰減會更小。
對于不均勻介質(zhì)，這個(gè)問題就更復(fù)雜了。
電磁波在不均勻介質(zhì)中傳播，等于是在不同介質(zhì)之間反復(fù)地發(fā)生折射、反射、衍射。傳播的路徑更加復(fù)雜，最終射出的方向也非常復(fù)雜。過長的路徑，也會帶來更大的衰減（損耗）。
典型的例子是墻面，不管是鋼筋混凝土墻面，還是磚砌墻面，都是不均勻介質(zhì)，電磁波傳播過程中，就有不同程度的衰減。
第三步，從介質(zhì)到空氣，又是一波折射和反射。
綜上所述，大家應(yīng)該明白，為什么頻率越高的電磁波，穿透障礙物的能力越弱了吧？
我們家里使用的Wi-Fi，現(xiàn)在都有2.4GHz頻段和5GHz頻段。大家用過的話，應(yīng)該都知道，5GHz信號的穿墻能力明顯弱于2.4GHz信號。
還有我們昨天文章所說的毫米波，也是一樣的道理。相同條件下，毫米波信號穿透障礙物的衰減，明顯會大于Sub-6GHz的信號。
值得一提的是，不均勻介質(zhì)的信號衰減程度，和介質(zhì)顆粒度也有關(guān)系。如果這個(gè)顆粒打得很碎，顆粒很小，那么，對于低頻電磁波來說，由于波長遠(yuǎn)大于顆粒尺寸，整體上電磁波的衰減會更小一些。
那么很多人會問，為什么高能射線例如X射線頻率那么高，穿透力卻很強(qiáng)呢？
這里面的原因很復(fù)雜。簡單來說，對于這些頻率極高的電磁波，經(jīng)典的電動力學(xué)不能完全成立。
這么說吧，X射線除了頻率高之外，還有一個(gè)特性，那就是能量極強(qiáng)。
X射線照在介質(zhì)上時(shí)，僅一小部分被介質(zhì)的原子“擋住”，大部分經(jīng)由原子之間的縫隙“穿過”，從而表現(xiàn)出很強(qiáng)的穿透能力。
那么，為什么像鉛塊這樣的重金屬可以有效阻擋X射線呢？因?yàn)殂U塊的原子序數(shù)較高，密度大，原子結(jié)構(gòu)更緊密，不容易“穿透”。
好啦，文章寫到這里，就要結(jié)束了。關(guān)于電磁波的波長頻率與穿透能力的關(guān)系，大家都搞明白了嗎？
1、https://www.zhihu.com/question/51073615/answer/124484551 知乎，靈劍
2、https://www.zhihu.com/question/330291086/answer/725442889 知乎，一頭大考拉
3、《X射線穿透能力為什么這么強(qiáng)？》，無損檢測站
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