Pourquoi les ondes de fréquence plus élevée ont-elles une meilleure pénétration?

Dans l'espace libre, les signaux de basse fréquence semblent aller plus loin car le signal est soit diffracté par le sol, soit réfléchi par les couches atmosphériques supérieures, ce qui le fait aller plus loin.

En conditions urbaines, où nous devons pénétrer les murs, la fréquence 2,4 GHz se déplace-t-elle plus loin que la radio 433 MHz?

Dans le spectre électromagnétique, les rayons gamma et les rayons X ont-ils une bonne pénétration car ils sont à haute fréquence?

Il n'est pas vrai que les fréquences plus élevées pénètrent toujours plus loin que les fréquences plus basses. Le graphique de transparence de divers matériaux en fonction de la longueur d'onde peut être assez grumeleux. Pensez aux filtres colorés, et ceux-ci ne s'appliquent qu'à une octave étroite de longueurs d'onde que nous appelons lumière visible.

Vous pensez apparemment à des longueurs d'onde si courtes que l'énergie est très élevée, comme les rayons X et les rayons gamma. Ceux-ci traversent les choses uniquement en raison de leur énergie élevée. Aux énergies plus faibles (longueurs d'onde plus longues), les ondes interagissent avec le matériau de diverses manières afin qu'elles puissent être absorbées, réfractées, réfléchies et réémises. Ces effets varient de manière non monotone en fonction de la longueur d'onde, de la profondeur du matériau, de sa résistivité, de sa densité et d'autres propriétés.

Le principal avantage des fréquences plus élevées est qu'elles nécessitent des antennes plus courtes pour une qualité de réception décente, ce qui est important pour les appareils mobiles. Ils permettent également une bande plus large pour moduler les signaux, afin que vous puissiez obtenir une transmission de fréquence plus élevée.

Mais les hautes fréquences sont plus sensibles à la réflexion, elles auront donc plus de mal à traverser les murs et les obstacles en général. En même temps, ils fuiront plus facilement à travers les trous: une règle de base est que si vous avez un trou de la taille de la longueur d'onde, le signal peut le traverser. Mais en même temps, vous ne pouvez pas vous y fier pour une bonne transmission: je dirais donc que la limite est assez floue.

Pour plus d'informations, regardez la propagation en ligne de vue : la fréquence micro-ondes peut être réfractée par un objet plus petit que la fréquence radio inférieure, car elle dépend fortement de la longueur d'onde. La comparaison résulte du fait que les micro-ondes ont un spectre qui est plus similaire aux longueurs d'onde optiques, de sorte qu'ils souffriront de certains des phénomènes qui s'appliquent à l'optique.

En fait, les fréquences plus élevées ont de moins bonnes capacités de pénétration. Si vous considérez un modèle purement théorique, le soi-disant profondeur de peau , qui donne l'épaisseur de la couche d'un conducteur à laquelle une onde électromagnétique d'une fréquence donnée est capable de la pénétrer, vous verrez que la profondeur de peau est inversement proportionnelle avec la racine carrée de la fréquence:

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

$\rho$$\mu$

Cela a également pour conséquence que les courants alternatifs n'utilisent pas toute la section d'un fil (et qu'un fil correctement conçu ferait le même travail) et c'est (en partie) pourquoi une antenne plus petite fera l'affaire pour une bonne transmission.

Mais en réalité, les choses sont beaucoup plus compliquées que cela. La vidéo HD sans fil est un défi d'ingénierie sérieux (en partie) car les signaux haute fréquence nécessaires pour fournir la bande passante appropriée ont tendance à rebondir sur les murs. À des fréquences très élevées (c'est-à-dire ~ 60 GHz) nécessaires pour de telles applications, d'autres phénomènes d'absorption / réflexion peuvent compromettre la transmission: par exemple, l'absorption par l'oxygène (dans l'air). Cela dépend beaucoup du support par lequel votre onde doit passer.

Donc, la réponse courte est non, les fréquences plus élevées ne peuvent pas mieux traverser les murs que les basses fréquences.

"Les lois de la physique peuvent être courbées mais jamais brisées."

La façon dont les signaux se propagent à travers l'atmosphère / l'espace, frappent et traversent, sont absorbés et rebondissent le long d'un chemin réfléchi, comme l'expose la discussion, est complexe. À des fréquences plus basses, une longueur d'onde est plus longue, ce qui rend plus difficile la conception d'antennes pouvant s'adapter à de petits appareils. Les signaux voyagent plus loin, ce qui rend la couverture plus facile et moins coûteuse. Cependant, cela provoque également des interférences de signaux, à moins que les signaux qui traversent une zone / un espace commun ne soient différenciés d'une certaine manière, de sorte que les signaux parasites peuvent être filtrés en utilisant des moyens analogiques ou un traitement numérique des signaux.

À des fréquences plus élevées, les longueurs d'onde deviennent plus courtes, ce qui rend le travail d'emballage des antennes dans de petits appareils moins difficile et permet de capturer un niveau plus élevé du signal atteignant l'antenne. Cependant, les signaux sont également plus absorbés par les matériaux de construction courants, le feuillage et d'autres objets. Les signaux ont tendance à rebondir davantage, provoquant l'apparition de plusieurs signaux réfléchis dans les zones où le signal n'est pas en visibilité directe (NLOS). Ce sont des considérations de conception importantes entre autres.

Les technologies sans fil, y compris le traitement du signal et la conception d'antennes à longueur d'onde fractionnée, sont de plus en plus utilisées pour contrer les impacts négatifs de la propagation du signal afin de devenir pratiques pour les communications. les impacts négatifs, tels que la propagation de signaux sur plusieurs chemins, sont exploités par le traitement du signal afin que les signaux soient combinés pour augmenter le signal reçu à un rapport signal / bruit plus élevé, par rapport aux méthodes analogiques qui peuvent essayer de filtrer tout sauf le signal le plus fort. Plutôt que d'utiliser des antennes à bande étroite, par exemple, les méthodes de signalisation MIMO, à entrées multiples et à sorties multiples, reçoivent les signaux multivoies et les différencient dans l'espace-temps, une fonction analogique, les numérisent et utilisent le traitement du signal pour s'aligner pour différenciation temporelle causée par le déplacement du signal.

La question de savoir comment les signaux voyagent est complexe et doit souvent être confinée à un cas d'utilisation afin de peser les impacts, sinon elle devient difficile à manier. Cependant, une large base à la fois dans les modèles théoriques et dans les méthodes évolutives pour contrer ou tirer parti de la façon dont les signaux voyagent, de la façon dont l'absorption réduit les interférences et entrave la réception du signal, et de la façon dont la réflexion peut multiplier la bande passante par la réutilisation de fréquences multiples, tout doit être pris en considération.

Faire entrer cette compréhension dans le monde des applications nécessite des considérations pratiques sur les composants (antennes, puces, etc.), la disponibilité des appareils et des équipements et le coût par rapport aux alternatives. Enfin, l'utilisation de méthodes de signalisation à porteuses multifréquences pour augmenter la fiabilité et la bande passante combinée des communications sans fil et la manière dont cela affecte les équations de coûts doivent être prises en compte dans un environnement d'applications concurrentielles.

La façon dont les signaux interagissent avec les obstacles est plus complexe que les calculs de base: la façon dont les murs ou autres matériaux sont formés peut gêner les signaux dans une plus ou moins grande mesure en fonction de la longueur d'onde. À des fréquences plus élevées, les longueurs d'onde sont réduites de sorte qu'elles peuvent traverser des ouvertures ou des structures de type réseau tandis que des signaux de fréquence inférieure peuvent être absorbés ou réfléchis. D'un autre côté, les molécules ou la structure des composants des matériaux peuvent résonner à des fréquences particulières: par exemple, les molécules d'eau résonnent aux nœuds primaires près de 2,4 GHz, 3,1 GHz. C'est pourquoi les fours à micro-ondes fonctionnent généralement autour de 2,4 GHz. Cela introduit une gamme spécifique d'interférences dues à la présence d'eau dans le feuillage, la pluie et les chutes de neige, etc. Certains peuvent en avoir l'expérience, qu'ils le sachent ou non:

Il y a plusieurs années, MIMO est passé d'une utilisation antérieure dans les radars de défense et aérospatiale et les communications à la fabrication de semi-conducteurs utilisés dans les communications WiFi et mobiles. Avant cela, de nombreux ingénieurs de conception de haut niveau étaient sceptiques quant à ses avantages par rapport aux coûts et à l'aspect pratique. Le sous-domaine du sans fil a émergé au profit des communications sans fil, des radars commerciaux et d'autres applications. Les bandes de fréquences les plus élevées ont été les plus avantageuses en raison de la moindre diffusion, la ligne de visée plus droite offre une meilleure discrimination / isolation du signal. Cela peut se traduire par une facilité et de meilleures propriétés de signalisation multivoies par rapport aux bandes de fréquences plus basses.

Cependant, l'âge dans lequel nous vivons actuellement est celui des communications à bandes multifréquences dans lesquelles la meilleure bande est la plus opportuniste et adaptée aux besoins de la ou des applications.

Trois choses arrivent au rayonnement EM lorsqu'il rencontre une barrière. Il peut rebondir (réflectance ou diffusion), passer à travers (transmittance) ou simplement s'arrêter (absorbance).

L'intensité du rayonnement transmis dépend de plusieurs choses: La longueur d'onde du rayonnement L'intensité du rayonnement frappant la barrière La composition chimique de la barrière La microstructure physique de la barrière L'épaisseur de la barrière

Pour diverses raisons techniques, la comparaison de fréquences inférieures (moyenne gamme 433 MHz) et de fréquences supérieures 2,4 GHz) se compare comme ceci: les signaux de fréquences inférieures voyagent plus loin que parce que l'énergie est plus élevée et plus concentrée d'une seule manière stable qui n'est pas absorbée comme facilement par l'air, qui se compose d'une bonne quantité d'humidité. La fréquence plus élevée à 2,4 GHz est capable de couper un chemin à travers la structure moléculaire de nombreux matériaux, mais son compromis est que l'humidité dans l'air libre a tendance à amortir le signal. Les émetteurs haute fréquence Manu sont également conçus avec des sauts de fréquence et un cryptage quelconque. Il peut trouver un chemin à travers des obstructions partielles plus facilement que les basses fréquences, les grosses vagues le peuvent.