¿Por qué las ondas de mayor frecuencia penetran mejor?

Question

En el espacio libre, las señales de baja frecuencia parecen llegar más lejos porque la señal es difractada por el suelo o reflejada por las capas atmosféricas superiores, lo que hace que llegue más lejos.

En condiciones urbanas, en las que hay que atravesar paredes, ¿los 2,4 GHz llegan más lejos que los 433 MHz?

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

Answer 1

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

Lo que aparentemente está pensando es en longitudes de onda tan cortas que la energía es muy alta, como los rayos X y los rayos gamma. Estos atraviesan las cosas únicamente por su alta energía. A energías más bajas (longitudes de onda más largas), las ondas interactúan con el material de diversas maneras, de modo que pueden ser absorbidas, refractadas, reflejadas y reemitidas. Estos efectos varían de forma no monótona en función de la longitud de onda, la profundidad del material, su resistividad, densidad y otras propiedades.

Answer 2

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 se puede obtener una mayor frecuencia de transmisión.

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

Para más información, consulte propagación en la línea de visión La frecuencia de microondas puede ser refractada por objetos más pequeños 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 más parecido a las longitudes de onda ópticas, por lo que sufrirán algunos de los fenómenos que se dan en la óptica.

Answer 3

De hecho, las frecuencias más altas tienen peor capacidad de penetración. Si se considera un modelo puramente teórico, el llamado profundidad de la piel que da el grosor de la capa de un conductor hasta la que es capaz de penetrar una onda electromagnética de una frecuencia determinada, verás que la profundidad de la piel es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la frecuencia:

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

( \$\rho\$ es la resistividad, \$\mu\$ la permeabilidad magnética del material).

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

Pero en realidad las cosas son mucho más complicadas que eso. El vídeo HD inalámbrico es un serio reto de ingeniería (en parte) porque las señales de alta frecuencia necesarias para proporcionar el ancho de banda adecuado tienden a rebotar en las paredes. En las frecuencias realmente altas (es decir, ~60 GHz) necesarias para estas aplicaciones, otros fenómenos de absorción/reflexión pueden comprometer la transmisión: por ejemplo, la absorción por el oxígeno (en el aire). Esto depende en gran medida del medio que debe atravesar la onda.

Así que la respuesta corta es que no, las frecuencias más altas no son capaces de atravesar mejor las paredes que las frecuencias bajas.

Answer 4

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

La forma en que las señales se propagan a través de la atmósfera/espacio, chocan y atraviesan, son absorbidas y rebotan a lo largo de una trayectoria reflejada, como expone la discusión, es compleja. En las frecuencias más bajas la longitud de onda es mayor, lo que hace más difícil diseñar antenas que quepan en 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 que interfieren puedan ser filtradas mediante el uso de medios analógicos o el procesamiento de señales digitales.

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

Las tecnologías inalámbricas, como el procesamiento de señales y el diseño de antenas de longitud de onda fraccionaria, se utilizan cada vez más para contrarrestar los impactos negativos de la propagación de la señal con el fin de resultar prácticas para las comunicaciones. Los impactos negativos, como la propagación de múltiples trayectorias de las señales, son aprovechados por el procesamiento de señales, de modo que éstas se combinan para elevar la señal recibida a una mayor SNR, relación señal/ruido, en comparación con los métodos analógicos que pueden tratar de filtrar todo menos la señal más fuerte. En lugar de utilizar antenas de banda estrecha, por ejemplo, los métodos de señalización MIMO, de múltiples entradas y múltiples salidas, reciben las señales de múltiples trayectorias y las diferencian en el tiempo-espacio, una función analógica, las digitalizan y utilizan el procesamiento de la señal para alinear la diferenciación temporal causada por el recorrido de la señal.

La cuestión de cómo se desplazan las señales es compleja y a menudo hay que circunscribirla a un caso de uso para sopesar las repercusiones, pues de lo contrario se vuelve inabarcable. Sin embargo, hay que tener en cuenta los modelos teóricos y los métodos en evolución para contrarrestar o aprovechar la forma en que viajan las señales, cómo la absorción reduce las interferencias y dificulta la recepción de la señal, y cómo la reflexión puede multiplicar el ancho de banda por múltiples frecuencias.

Llevar este conocimiento al mundo de las aplicaciones requiere consideraciones prácticas sobre los componentes (antenas, chips, etc.), la disponibilidad de dispositivos y equipos y el coste en relación con las alternativas. Y, por último, hay que tener en cuenta la utilización de métodos de señalización de múltiples frecuencias y portadoras para aumentar la fiabilidad y el ancho de banda combinado de las comunicaciones inalámbricas, y cómo ello repercute en las ecuaciones de costes dentro de un entorno de aplicaciones competitivo.

Answer 5

La forma en que las señales interactúan con los obstáculos es más compleja que los cálculos básicos: La forma de las paredes u otros materiales puede obstaculizar las señales en mayor o menor medida en función de la longitud de onda. En las frecuencias más altas, las longitudes de onda se reducen de forma que pueden pasar a través de aberturas o estructuras de tipo reticular, mientras que las señales de menor frecuencia pueden ser absorbidas o reflejadas. Por otra parte, las moléculas o la estructura de los componentes de los materiales pueden ser resonantes a determinadas frecuencias: por ejemplo, las moléculas de agua son resonantes en nodos primarios cercanos a 2,4 GHz, 3,1 GHz. Por eso los hornos de microondas suelen funcionar en torno a los 2,4 GHz. Eso 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: Las señales WiFi pueden viajar fuera de un edificio en un rango más corto cuando está lloviendo porque las señales son absorbidas en el follaje húmedo, las paredes y el espacio aéreo.

Hace varios años, la tecnología MIMO pasó de utilizarse en radares y comunicaciones de defensa y aeroespaciales a fabricarse en los semiconductores utilizados en las comunicaciones WiFi y móviles. Antes de eso, muchos ingenieros de diseño de alto nivel se mostraban escépticos sobre sus beneficios frente a los costes y la viabilidad. 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 frecuencias más altas son las más beneficiadas, ya que la menor dispersión y la línea de visión más recta permiten una mejor discriminación y aislamiento de la señal. Esto puede facilitar y mejorar las propiedades de la señalización multitrayecto en comparación con las bandas de frecuencia más bajas.

Sin embargo, la época en la que vivimos ahora es la de las comunicaciones en múltiples bandas de frecuencias en las que la mejor banda es la más oportuna y adecuada a las necesidades de la(s) aplicación(es).