Warum haben sehr hohe Frequenzen (UKW) Funkwellen eine begrenzte Reichweite?

Warum haben Ultrahochfrequenz-Radiowellen (z. B. 2,4 GHz oder 5 GHz) eine begrenzte Reichweite? Hat es mit Absorption zu tun? Wenn ja, wie werden diese Wellen absorbiert, wenn die ELF-Wellen nicht und auf der anderen Seite des Spektrums kosmisch sind? Strahlen und UV-Strahlen haben eine hohe Durchdringungskraft, aber sind sie auch in ihrer Reichweite begrenzt?

Die Wechselwirkung von Photonen mit Materie hängt stark von der Frequenz des Photons und den erlaubten Übergängen der Materie ab. Es sollte nicht erwartet werden, dass sich alle Photonen über viele Größenordnungen der Photonenenergie gleich verhalten.

Antworten (1)

Die Reichweite elektromagnetischer Strahlung ist eine Funktion mehrerer Faktoren:

  1. Gesetz des umgekehrten Quadrats: Wenn Sie Ihre Quelle als Punkt betrachten können (gute Annäherung, wenn Sie um ein Vielfaches weiter entfernt sind als die Größe der Quelle), dann fällt die Intensität (Energie pro Flächeneinheit) mit dem umgekehrten Quadrat der Entfernung. In der Einstellung eines Heim-WLAN macht dies das Signal "oben" gegenüber "direkt neben dem Router" um ein Vielfaches schwächer.
  2. Dämpfung: Bestimmte Frequenzen interagieren mit Materie und werden gedämpft. Die Dämpfung ist material- und frequenzabhängig
  3. Reflexion: Bei einer Änderung des Brechungsindex (dielektrische Eigenschaften) des übertragenden Mediums (z. B. einer Wand) wird ein großer Teil des Signals reflektiert.
  4. Beugung: Wenn sich zwischen Quelle und Empfänger ein Hindernis befindet, können sich Wellen an diesen Hindernissen „umbiegen“. Die Fresnel-Beugungsgleichungen beinhalten unter anderem die Wellenlänge: Wenn es aufgrund des "längeren Wegs" eine große zusätzliche Phasendifferenz gibt, gibt es grundsätzlich weniger gebeugtes Signal. Je kürzer die Wellenlänge, desto größer die zusätzliche Weglänge aufgrund einer gewissen zusätzlichen Weglänge.
  5. Dämpfungslänge: Bei bestimmten Materialien wird die Dämpfung oft als "Dämpfung pro Wellenlänge" ausgedrückt; Wenn die Wellenlänge kürzer ist, bedeutet dies, dass Sie für eine bestimmte Pfadlänge eine größere Gesamtdämpfung erhalten (weil mehr Wellenlängen).

Diese Dinge wurden ausgiebig gemessen und charakterisiert – siehe zum Beispiel dieses Papier zu Ausbreitungsverlusten in Baumaterialien. Dies zeigt, dass in Baumaterialien typischerweise 1 dB zusätzlicher Verlust für 5-GHz- gegenüber 2,4-GHz-Signalen auftritt – aber in beiden Fällen beträgt die Dicke dieser Materialien eine oder mehrere Wellenlängen; im Gegensatz dazu haben längerwellige Signale (z. B. FM-Radio) eine viel geringere Dämpfung pro Längeneinheit (weil dieselbe Wand "in Wellenlängeneinheiten" eine geringere Dicke darstellt). Im Gegensatz dazu repräsentiert eine Wand für Licht und dergleichen "viele Wellenlängen" - was sie im Wesentlichen vollständig undurchsichtig macht.

Beachten Sie auch, dass es bestimmte Frequenzen gibt, bei denen die Dämpfung der EM-Strahlung aufgrund von Resonanzeffekten besonders stark sein kann; aber soweit ich weiß (und der Gizmodo-Artikel unten scheint dies zu unterstützen) gibt es keine besonders starke Resonanz für Wasser bei 2,45 GHz. Es gibt jedoch eine starke dielektrische Absorption aufgrund der Tatsache, dass die polaren Wassermoleküle langsam auf das sich schnell ändernde elektrische Feld reagieren. Dies bildet die Grundlage dieser früheren Antwort von mir über Mikrowellenwechselwirkungen mit Wasser und Eis.

Ein paar weitere hilfreiche Links:
Gizmodo-Erklärung, warum „alles 2,4 GHz ist – im Gespräch über das unlizenzierte Spektrum, das um die Verwendung von Mikrowellenöfen bei 2,45 GHz gewachsen ist
„Ausbreitungsverluste durch gängige Baumaterialien“

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