各位朋友大家好，我是你们的向导小枣君。
自从我们之前发布了关于5G毫米波特性的文章以来，收到了大量读者的积极反馈和深入探讨。确实，正如我们当时所分析的，5G毫米波信号在覆盖范围上存在明显短板，这无疑对其未来的广泛应用构成了挑战。
不过，文章中对于导致毫米波信号覆盖能力不足的成因阐述，也引发了一些读者朋友的不同看法和讨论。
实际上，类似的问题之前也时有读者提出。关于电磁波的频率（即波长）与其信号传播覆盖能力之间的内在联系，许多人都感到困惑不解。
有人认为，电磁波的频率越高，其穿透能力就越差，因此覆盖范围受限。但是，随即就会有人提出疑问：既然如此，X射线和γ射线频率那么高，为何它们能够被广泛应用于医学影像拍摄以及金属材料的探伤检测呢？
又有人进一步发问：频率越高穿透力越弱，那为何可见光的频率相对较高，却依然能够轻松穿透玻璃呢？
总而言之，各种观点层出不穷，众说纷纭，对于频率与穿透能力之间究竟是怎样的关联，似乎并没有一个清晰统一的答案。
今天，我们就将通过这篇文章，为大家详细剖析并解答这个看似复杂却至关重要的问题。
首先，我们需要明确几个基础性的概念。
什么是电磁波？或许在大家的印象中，电磁波就是那些扭来扭去、呈现正弦波形的光波和电波的结合体。
电磁波
从科学上严格定义来说，电磁波是指以波动形式在空间中传播的电磁场。它是由相互垂直、且沿着相同方向振动的电场和磁场组成的震荡粒子波。
电磁波的传播过程并不依赖于任何物质介质，即使在真空中也能够自由传播。
我们日常所接触到的太阳光，就是电磁波的一种可见辐射形式。此外，无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线等，都属于电磁波的范畴。它们之间的主要区别在于频率的不同。
大家务必牢记，水波和声波并不属于电磁波，而是典型的机械波。机械波需要依赖实体介质来传播，其形成机制是一个点上下振动带动邻近点运动，如此依次传递能量，形成波动现象。
机械波
因此，请千万不要将电磁波错误地想象成空间中真的存在某种正弦曲线在扭动！
电磁波的种类繁多，应用广泛，为了避免讨论过于发散，我们在此将重点局限于移动通信领域中的电磁波传播现象。
也就是说，我们将着重探讨：电磁波信号在从天线发射出去之后，究竟是通过何种方式实现远距离传播的？
电磁波的传播主要涉及以下几种机制：直射传播、反射传播以及衍射（绕射）传播。
A点到B点之间，如果不存在任何障碍物阻隔，那么信号将主要依靠直线直射的方式传播。它们传播的介质主要是空气。
然而，现实世界中的环境远比理想模型复杂，各种建筑物、树木等障碍物普遍存在，这就导致了信号传播过程中会出现反射现象。传播介质仍然以空气为主，但信号的路径变得更加曲折。
信号在传播过程中会发生叠加，从而产生快速衰弱的现象（即瑞利衰落）
当遇到障碍物时，信号传播面临新的挑战。除了借助障碍物进行反射传播之外，电磁波还可以选择两种途径：一是发生衍射（绕射），二是尝试穿透障碍物！
关于衍射现象，如果你的物理学知识还记忆犹新，应该会联想到“小孔成像”这一经典实验吧？
衍射，是指波（例如光波）在遇到障碍物时，其传播方向发生偏离的物理现象。换句话说，电磁波具备“绕过”障碍物继续传播的能力。当波长相对于障碍物的尺寸足够长时（大于障碍物尺寸），波的波动性表现得更为显著，衍射现象也就更容易发生。
接下来，我们再来看一看穿透这个更为复杂的过程。穿透现象主要涉及以下三个步骤。
第一步，是电磁波与障碍物表面的相互作用。
电磁波从空气进入障碍物（通常为导体），需要依靠外部电场和磁场在介质内部感应出相应的电场和磁场。
根据经典的电磁波理论，电磁波在不同介质中的传播速度，主要取决于该介质的介电特性以及介磁特性。如果介质是理想导体，其导电性能极其优异，那么电场在该理想导体内部将始终为零，无法有效感应出内部电场。
因此，如果障碍物是理想导体，所有射向它的电磁波都会被完全反射回去。
对于非理想导体（即大多数实际介质），电磁波在表面会同时发生折射和反射两种现象。这两部分能量的比例与波的传播速度以及入射角度密切相关，而波的传播速度又与频率紧密相连。所以，在穿过介质表面这一过程中，电磁波信号就已经损失了一部分能量，强度有所衰减。
接下来是第二步，进入介质内部的电磁波。
介质可以分为均匀介质和非均匀介质。我们先来讨论均匀介质的情况。
大部分介质既不是理想导体，也不是良导体，它们往往是绝缘体，或者具有不同电阻率的导体。
电磁波在绝缘体中的传播相对顺畅。以玻璃为例，它是一种非常典型的绝缘体。光线在玻璃中传播时，其能量吸收率很低，这正是玻璃看起来透明的根本原因。
许多晶体，例如食盐晶体、冰糖晶体，以及纯净的水凝结成的冰，都和玻璃具有类似的性质。
光纤就是最典型的应用实例。光在光纤中，可以传输数十公里之遥。
光纤的纤芯
对于电磁波在有不同电阻率的导体中传播的情况，可以使用麦克斯韦方程组进行精确计算。具体的计算过程较为复杂，在此不再详细展开。
我们可以从宏观角度进行简化理解：
电磁波本质上是电场和磁场的传播，其波峰和波谷对应着电场的两个极值状态。
当电磁波的频率越高，其波长就越短，波峰和波谷在空间中的距离就越近，导致介质中某一点附近电场的极值差异增大，从而产生更大的感应电流，因此能量在介质中的损耗也就越多。
所以，在相同条件下，对于具有电阻率的导体而言，频率越高的电磁波，其衰减速度就越快。
一个典型的例证就是深海中的潜艇通信。潜艇通常采用长波或超长波与岸上基地进行联络。这是因为低频无线信号的衰减较小，在水下环境中能够传播得更远。
对于非均匀介质，电磁波的传播过程则更为复杂。
电磁波在不均匀介质中传播，相当于在不同性质介质的边界处反复经历折射、反射和衍射现象。其传播路径变得异常曲折复杂，最终射出的方向也难以预测。过长的传播路径同样会导致更大的能量衰减（损耗）。
以我们日常接触的墙壁为例，无论是钢筋混凝土结构，还是传统的砖砌墙体，都属于非均匀介质。电磁波在穿过这些墙体时，都会遭受不同程度的衰减。
第三步，电磁波从介质内部再次进入空气。
综上所述，各位朋友应该已经明白，为什么频率越高的电磁波，其穿透障碍物的能力会相对较弱了吧？
以我们家庭中广泛使用的Wi-Fi为例，目前普遍支持2.4GHz和5GHz两个频段。如果您有实际使用经验，应该能够感受到：5GHz频段的信号在穿墙方面的表现，明显不如2.4GHz频段。
同样地，我们之前文章中提到的毫米波，也遵循同样的规律。在相同条件下，毫米波信号在穿透障碍物时产生的衰减，通常会显著大于Sub-6GHz频段的信号。
值得一提的是，非均匀介质的信号衰减程度，还与介质内部颗粒的大小密切相关。如果构成介质的颗粒非常细小，那么对于低频电磁波而言，由于其波长远大于颗粒尺寸，整体上电磁波的衰减将会相对较小。
那么，接下来就有人要问了，为什么像X射线这样具有极高频率的高能射线，穿透能力却非常强呢？
这个问题背后的原因相当复杂。简单来说，对于这些频率极端高的电磁波，经典的电动力学理论已经无法完全解释其行为。
这是什么原因呢？
这么说吧，X射线除了频率极高之外，还具有一个非常突出的特性，那就是其携带的能量极为强大。
X射线照射到介质表面时，只有极小一部分会被介质的原子所“阻挡”，而绝大部分则能够顺利穿过原子之间的间隙，从而展现出强大的穿透能力。
那么，为什么像铅块这样的重金属能够有效阻挡X射线呢？这是因为铅块中的原子序数较高，密度大，原子结构更为紧密，使得X射线难以穿透。
好啦，关于这篇文章的内容，我们就先介绍到这里。关于电磁波的波长频率与穿透能力之间究竟存在着怎样的复杂关系，相信大家现在已经有了一个更加清晰的认识了吧？
感谢各位朋友的耐心阅读与关注，我们下期再见！
参考资料：
1、https://www.zhihu.com/question/51073615/answer/124484551 知乎平台，灵剑的回答
2、https://www.zhihu.com/question/330291086/answer/725442889 知乎平台，一头大考拉的回答
3、《X射线穿透能力为什么这么强？》，无损检测站网站文章