光和WiFi信號都是電磁波,光可以用凸透鏡聚焦,WIFI信號可以嗎?

2021-01-07 騰訊網

光是一種電磁波這個概念很多人應該都知道,我們平時說的光其實指的就是某一段特殊的電磁波,由於我們眼睛中的視錐細胞只能感受到這一段頻率的電磁波,因此,這部分電磁波能夠被我們的人眼所見到,於是我們稱之為「可見光」,而人類所看見的光僅僅只是電磁波中的一小部分。

光是電磁波,WIFI同樣也是電磁波,它們的屬性是一樣的,那麼既然可見光能夠被凸透鏡聚焦,WIFI能被聚焦嗎?理論上可以,但這個凸透鏡需要很大,並且很厚。之所以會這麼說,主要基於下面兩個原因。

1.WIFI信號發射的電磁波波長較長,玻璃對此的折射率較低,因此,在聚焦點不至於離得太遠的情況下,需要做的更厚,對光線形成更大的偏折角

可見光對應的電磁波段頻率還是比較大的,波長也非常短,屬於納米級別,而我們常使用的無線電的波長對應的一般是釐米至千米級的波長,我國的wifi信號在一般在2.4GHz頻段,通過計算可以知道它的波長大約在12.5cm左右。

同樣的一塊玻璃對於不同波長的電磁波折射率是不一樣的,這也正是我們通過三稜鏡能夠散射出紅橙黃綠青藍紫七種顏色的原因,因為不同顏色的色光波長不一樣,導致折射角度不一樣。

從三稜鏡的這個散射規律我們就能看出,頻率越小(波長越長)的電磁波偏折角度越小(光譜中紅光波長最長,折射角度最小,處於最上方,而紫光處於最下方)。那麼對於WIFI發出的電磁波波長就更長了,大約是可見紅光波長的幾十萬倍,因此,折射角度就更小了,如果想要在較短的距離內將WIFI電磁波匯聚在一點,就需要增大圓弧面切角(增大鏡面曲率),也就是需要增厚鏡片。

2.由於WIFI信號電磁波波長較長,如果凸透鏡尺寸較小會發生衍射現象,導致電磁波直接繞過凸透鏡進行傳播,不能起到聚焦作用,所以需要將凸透鏡尺寸做得很大。

什麼是衍射?

衍射,又稱繞射,是指波遇到障礙物時偏離原來直線傳播的物理現象。這是波的一個特有性質。當然波在什麼情況下會發生衍射是有條件的,當波的波長遠大於障礙物尺寸或者波長相近的時候,最容易發生衍射現象。我們可以以水波為例解釋這種衍射現象,當一個水波向外傳播時,如果遇到較小的障礙物,水波很容易就能夠繞過這個障礙物繼續傳播,而當障礙物很大時(遠大於水波波長),水波的傳播就會被障礙物阻擋住。

那麼如果要對發射過來的WIFI電磁波進行凸透鏡聚焦,就不能讓電磁波直接繞過凸透鏡(也就是不能讓電磁波發生衍射),而是讓它們穿過凸透鏡從而發生折射,因此,凸透鏡的尺寸需要遠大於WIFI電磁波的波長,否則這些電磁波會直接繞過凸透鏡傳播,也就起不到聚焦的作用,WIFI電磁波的波長大約就有十幾釐米,因此凸透鏡想要起到較好的作用需要比波長大幾個數量級。

總結

所以說凸透鏡想要聚焦WIFI電磁波是可以實現的,但是,對凸透鏡本身的大小和結構要求與我們普通使用的凸透鏡不一樣,因此需要做的又大又厚,同時不同波長對應的需要不同的結構,這種做法完全不適于波長大、頻率範圍又廣的無線電波,針對這些無線電磁波一般是使用金屬面板來對電磁波進行反射匯聚(比如我們常見的衛星信號接收器、中國的著名的射電望遠鏡天眼FAST等),增強信號,因為即使是不同頻率的電磁波,都會遵循同樣的反射規律,從而匯聚到同一點進行信號增強,而基本不會使用光學器件。

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