更高的频率一定意味着更多的传播损耗和更小的通信范围吗？ - 通信人家园

时间: 2020-5-8 22:26

作者: donnar 标题: 更高的频率一定意味着更多的传播损耗和更小的通信范围吗？

更高的频率一定意味着更多的传播损耗和更小的通信范围吗？如果低频信号是在沟渠里平滑流动的清水的话，难道高频信号就是粘粘糊糊的胶水？理论上，在真空或者自由空间场景，传播的路径损耗与频率无关，因为所有频率的无线电波在真空或者自由空间中的传播速率都是光速。

在不考虑任何干扰和障碍的自由空间传播场景中，传播损耗随无线信号频率的提高而增加的前提是发射天线和接收天线的增益(antenna gain)保持不变。天线增益不变意味着天线有效口径随着频率的增加而减少——由于天线有效口径Ae = Gλ2/4π，天线增益保持不变等于说是天线有效口径（Ae）和波长λ的平方成正比，或者说天线有效口径与频率f的平方成反比。

但是，如果通信链路两端有一个天线的有效口径保持不变，不随频率而变化，那么自由空间的传播损耗就与频率无关。更进一步地，如果通信链路两端天线的有效口径都保持不变，不随频率而变化，那么自由空间的传播损耗反而会因为频率的增加而减少。当天线的有效口径保持不变时，天线增益随频率的增加而增加。

从理论上来说，计算无线信号的传播时必须排除天线的因素，因此理想化的点状天线的自由空间传播公式是PR=PT/4πd2 ，传播损耗只取决于距离d，而与频率无关。实际上，研究无线信号传播时，天线是无法回避的。考虑了天线因素之后，点状天线的自由空间传播公式变成了PR=PT Gλ2/(4πd)2——这个公式显示，传播损耗随频率的增加而增加。显然，有些传播损耗由路径传播引起，有些传播损耗由天线引起。由于Ae = Gλ2/4π，公式PR=PTGλ2/(4πd)2可以变换成PR=PTAe/4πd2，而有效口径Ae就是传播损耗中的天线因素。

因此，在5G NR系统中，虽然随着频率的增加，单个天线单元的尺寸和有效口径会减少，但只要充分运用多天线技术增加天线单元的数量，保持接收天线总的有效口径不变，理论上系统不会因为频率的增加而减少通信范围。如果也进一步在发射天线端也增加有效口径，那么通信范围反而会随着频率的增加而增加。

当然，上述的讨论仅仅是理想情况。在实际的5G系统部署中，高频覆盖依然会遇到很多挑战，比如更大的空气穿损、更少折射导致的非直视环境下的覆盖降低等等，因此高频5G系统的覆盖范围将显著地少于理论值，需要在接收端和发射端使用更有力的多天线定向技术。