關于頻率（波長）與穿透于置、繞射能力的關系茧吊，終于有人能說明白了
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八毯。正如文章所說搓侄，5G毫米波的信號覆蓋能力很弱，這是它的一個重要缺陷话速，會制約它的后續(xù)發(fā)展讶踪。
但是，文章中關于毫米波信號覆蓋能力差的原因描述泊交，引起了部分讀者的爭議乳讥。
其實，同樣的問題之前也有讀者提出過廓俭。關于電磁波頻率（波長）和信號覆蓋能力之間的關系云石，很多人都存在疑問。
有人說研乒，電磁波的頻率越高汹忠，穿透力越弱，所以覆蓋能力差雹熬。那么就有人問宽菜，X射線和γ射線頻率高，不是用于醫(yī)學攝片和金屬設備探傷嗎竿报？
也有人問铅乡，頻率越高，穿透能力越弱烈菌，為什么可見光的頻率那么高阵幸，卻可以穿透玻璃呢花履？
總而言之，眾說紛紜挚赊，誰也說不清楚臭挽，到底頻率和穿透能力之間是什么樣的關系。
今天這篇文章咬腕，我們就詳細解釋一下這個問題。
首先葬荷，我們要澄清一些基本概念涨共。
什么是電磁波？大家可能覺得宠漩，電磁波不就是光波和電波么举反，扭來扭去的那種正弦圖形，就是電磁波扒吁。
動圖封面
電磁波
嚴格來說火鼻，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雕崩，在空間中傳播的震蕩粒子波魁索，就是電磁波。
電磁波的傳播盼铁，不依賴于介質(zhì)粗蔚，就算在真空中，也可以傳播饶火。
太陽光鹏控，就是電磁波的一種可見的輻射形態(tài)。無線電波肤寝、微波当辐、紅外線、可見光鲤看、紫外線缘揪、X射線，都是電磁波刨摩。它們的主要區(qū)別寺晌，就是頻率不同。
大家切記澡刹，水波呻征、聲波不是電磁波，而是機械波罢浇。它們是需要實體介質(zhì)的陆赋，一個點上下運動沐祷，帶動下一個點運動，形成了波攒岛。
動圖封面
機械波
所以赖临，請不要把電磁波想象成真的有那么一個正弦曲線在空間中扭動！
電磁波的類別和用處很多灾锯，為了避免發(fā)散兢榨，我們先僅限于討論移動通信中的電磁波傳播。
也就是說顺饮，我們重點討論：電磁波信號由天線發(fā)出之后吵聪，究竟如何才能傳播更遠的距離？
電磁波的傳播兼雄，有以下幾種機制：直射吟逝、反射和衍射（繞射）。
A點到B點赦肋，如果沒有障礙物块攒，那么就是直射。它們之間只有空氣佃乘。
現(xiàn)實中的環(huán)境不會那么簡單囱井，周圍總會有一些障礙物，于是恕稠，會有一些反射琅绅。它們之間，還是空氣為主鹅巍。
信號會發(fā)生疊加千扶，產(chǎn)生快衰弱（瑞利衰落）
如果有障礙物，那么問題出現(xiàn)了骆捧，信號該怎么過去呢澎羞？
除了借助環(huán)境物體進行反射之外，就只剩兩個選擇敛苇，一個是衍射（繞射）妆绞，一個是直接穿透過去！
關于衍射枫攀，如果你的物理知識還沒還給老師的話括饶，應該記得“小孔成像”吧？
衍射来涨，指的是波（如光波）遇到障礙物時偏離原來直線傳播的物理現(xiàn)象图焰。也就是說，電磁波具備“繞開”障礙物的能力蹦掐。波長越長（大于障礙物尺寸）技羔，波動性越明顯僵闯，越容易發(fā)生衍射現(xiàn)象。
再來看穿透藤滥。穿透這個比較麻煩鳖粟。它包括了3個過程。
第一步拙绊，是障礙物表面向图。
電磁波從空氣到障礙物（也就是導體），需要用外面的電場和磁場感應出介質(zhì)里面的電場和磁場标沪。
基于經(jīng)典電磁波理論张漂，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谨娜。如果介質(zhì)是理想導體，導電性能特別好磺陡，那么趴梢，電場在該理想導體內(nèi)部永遠為0，就不能產(chǎn)生電場币他。
所以坞靶，如果障礙物是理想導體，所有的電磁波都會反射回去蝴悉。
對于非理想導體（大部分介質(zhì)）彰阴，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拍冠、入射角有關尿这，而波速又跟頻率有關。所以庆杜，經(jīng)過介質(zhì)表面時射众，電磁波信號就已經(jīng)衰減掉一部分了。
好了晃财，接下來是第二步叨橱，電磁波折射的一部分終于進入介質(zhì)內(nèi)部。
介質(zhì)分為均勻介質(zhì)和不均勻介質(zhì)断盛。我們先說均勻介質(zhì)罗洗。
大部分介質(zhì)不是理想導體或良導體，而是絕緣體或者有不同電阻率值的導體钢猛。
電磁波在絕緣體中的傳播較為順暢伙菜。像玻璃，就是一種非常典型的絕緣體厢洞。光線在玻璃中傳播時仇让，吸收率很低典奉，所以玻璃看著就很透明。
很多晶體丧叽，例如食鹽晶體卫玖、冰糖晶體，還有純凈的水結成的冰踊淳，都和玻璃類似假瞬。
最典型的就是光纖。光在光纖中迂尝，可以傳輸幾十公里脱茉。
光纖的纖芯
電磁波在有不同電阻率的導體中傳播，可以使用麥克斯韋方程式進行計算垄开。具體怎么算琴许，我就不解釋了。
我們可以簡單來理解：
電磁波是電場和磁場的傳播溉躲，波峰和波谷是電場的兩個極值榜田。
當電磁波頻率越高，則波長越短锻梳，波峰和波谷離得越近箭券，介質(zhì)某一點附近電場的差異就越大，相應電流就越大疑枯，所以損耗在介質(zhì)里的能量就越多辩块。
所以，相同前提條件下荆永，在有電阻率的導體中废亭，頻率越高的電磁波，衰減得就越快具钥。
比較典型的例子就是深海中的潛艇滔以。潛艇都是使用長波或超長波與岸上基地進行通信的。因為無線信號的頻率很低氓拼，在水中的衰減會更小你画。
對于不均勻介質(zhì)，這個問題就更復雜了桃漾。
電磁波在不均勻介質(zhì)中傳播坏匪，等于是在不同介質(zhì)之間反復地發(fā)生折射、反射撬统、衍射适滓。傳播的路徑更加復雜，最終射出的方向也非常復雜恋追。過長的路徑凭迹，也會帶來更大的衰減（損耗）罚屋。
典型的例子是墻面，不管是鋼筋混凝土墻面嗅绸，還是磚砌墻面脾猛，都是不均勻介質(zhì)，電磁波傳播過程中鱼鸠，就有不同程度的衰減猛拴。
第三步，從介質(zhì)到空氣蚀狰，又是一波折射和反射愉昆。
綜上所述，大家應該明白麻蹋，為什么頻率越高的電磁波跛溉，穿透障礙物的能力越弱了吧？
我們家里使用的Wi-Fi扮授，現(xiàn)在都有2.4GHz頻段和5GHz頻段倒谷。大家用過的話，應該都知道糙箍，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牵祟，也是一樣的道理深夯。相同條件下，毫米波信號穿透障礙物的衰減诺苹，明顯會大于Sub-6GHz的信號咕晋。
值得一提的是，不均勻介質(zhì)的信號衰減程度收奔，和介質(zhì)顆粒度也有關系掌呜。如果這個顆粒打得很碎，顆粒很小坪哄，那么质蕉，對于低頻電磁波來說，由于波長遠大于顆粒尺寸翩肌，整體上電磁波的衰減會更小一些模暗。
那么很多人會問，為什么高能射線例如X射線頻率那么高念祭，穿透力卻很強呢兑宇？
這里面的原因很復雜。簡單來說粱坤，對于這些頻率極高的電磁波隶糕，經(jīng)典的電動力學不能完全成立瓷产。
這是什么鬼理由？
這么說吧枚驻，X射線除了頻率高之外濒旦，還有一個特性，那就是能量極強测秸。
X射線照在介質(zhì)上時疤估，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”霎冯，從而表現(xiàn)出很強的穿透能力铃拇。
那么，為什么像鉛塊這樣的重金屬可以有效阻擋X射線呢沈撞？因為鉛塊的原子序數(shù)較高慷荔，密度大，原子結構更緊密缠俺，不容易“穿透”显晶。
好啦，文章寫到這里壹士，就要結束了磷雇。關于電磁波的波長頻率與穿透能力的關系，大家都搞明白了嗎躏救？
