關于頻率（波長）與穿透、繞射能力的關系，終于有人能說明白了
大家好，我是小棗君。
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，這是它的一個重要缺陷，會制約它的后續發展。
但是，文章中關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，同樣的問題之前也有讀者提出過。關于電磁波頻率(波長)和信號覆蓋能力之間的關系，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，不是用于醫學攝片和金屬設備探傷嗎?
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系。
今天這篇文章，我們就詳細解釋一下這個問題。
首先，我們要澄清一些基本概念。
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。
電磁波
嚴格來說，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，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。無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線，都是電磁波。它們的主要區別，就是頻率不同。
大家切記，水波、聲波不是電磁波，而是機械波。它們是需要實體介質的，一個點上下運動，帶動下一個點運動，形成了波。
機械波
所以，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，為了避免發散，我們先僅限于討論移動通信中的電磁波傳播。
也就是說，我們重點討論：電磁波信號由天線發出之后，究竟如何才能傳播更遠的距離?
電磁波的傳播，有以下幾種機制：直射、反射和衍射(繞射)。
A點到B點，如果沒有障礙物，那么就是直射。它們之間只有空氣。
現實中的環境不會那么簡單，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。
信號會發生疊加，產生快衰弱(瑞利衰落)
如果有障礙物，那么問題出現了，信號該怎么過去呢?
除了借助環境物體進行反射之外，就只剩兩個選擇，一個是衍射(繞射)，一個是直接穿透過去!
關于衍射，如果你的物理知識還沒還給老師的話，應該記得“小孔成像”吧?
衍射，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，越容易發生衍射現象。
再來看穿透。穿透這個比較麻煩。它包括了3個過程。
第一步，是障礙物表面。
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里面的電場和磁場。
基于經典電磁波理論，電磁波在不同介質的傳播速度，取決于介質(障礙物)的介電特性和介磁特性。如果介質是理想導體，導電性能特別好，那么，電場在該理想導體內部永遠為0，就不能產生電場。
所以，如果障礙物是理想導體，所有的電磁波都會反射回去。
對于非理想導體(大部分介質)，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，而波速又跟頻率有關。所以，經過介質表面時，電磁波信號就已經衰減掉一部分了。
好了，接下來是第二步，電磁波折射的一部分終于進入介質內部。
介質分為均勻介質和不均勻介質。我們先說均勻介質。
大部分介質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。
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，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，還有純凈的水結成的冰，都和玻璃類似。
最典型的就是光纖。光在光纖中，可以傳輸幾十公里。
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。具體怎么算，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，波峰和波谷是電場的兩個極值。
當電磁波頻率越高，則波長越短，波峰和波谷離得越近，介質某一點附近電場的差異就越大，相應電流就越大，所以損耗在介質里的能量就越多。
所以，相同前提條件下，在有電阻率的導體中，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行通信的。因為無線信號的頻率很低，在水中的衰減會更小。
對于不均勻介質，這個問題就更復雜了。
電磁波在不均勻介質中傳播，等于是在不同介質之間反復地發生折射、反射、衍射。傳播的路徑更加復雜，最終射出的方向也非常復雜。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，電磁波傳播過程中，就有不同程度的衰減。
第三步，從介質到空氣，又是一波折射和反射。
綜上所述，大家應該明白，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，現在都有2.4GHz頻段和5GHz頻段。大家用過的話，應該都知道，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，不均勻介質的信號衰減程度，和介質顆粒度也有關系。如果這個顆粒打得很碎，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，穿透力卻很強呢?
這里面的原因很復雜。簡單來說，對于這些頻率極高的電磁波，經典的電動力學不能完全成立。
這是什么鬼理由?
這么說吧，X射線除了頻率高之外，還有一個特性，那就是能量極強。
X射線照在介質上時，僅一小部分被介質的原子“擋住”，大部分經由原子之間的縫隙“穿過”，從而表現出很強的穿透能力。
那么，為什么像鉛塊這樣的重金屬可以有效阻擋X射線呢?因為鉛塊的原子序數較高，密度大，原子結構更緊密，不容易“穿透”。
好啦，文章寫到這里，就要結束了。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?
感謝大家的耐心觀看，我們下期再見!
參考文獻：
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?》，無損檢測站
