wifi基础(一)：无线电波与WIFI信号干扰、衰减

liwen01 2024.08.18

前言

无论是在产品开发还是在日常生活中，在使用无线网络的时候，都会经常遇到一些信号不好的问题，也会产生不少疑问：

1. 为什么我们在高速移动的高铁上网络会变慢？
2. 为什么 5G WiFi 的穿墙能力没有 2.4G 的好？
3. 为什么在对 WiFi 进行 iperf 拉距测试的时候，每次测试数据都会有差异？
4. 为什么在路由器很多的环境，WiFi网络会变慢？
5. 为什么在有些大型体育馆，人少的时候网络信号好，人多的时候网络信号很差？
6. 为什么路由器放置在客厅上，远离客厅的房间会信号不好？
7. 为什么蓝牙，WiFi，微波炉之间会相互干扰？

要比较深入地去回答上面的这些问题，我们需要先回顾一下中学的物理知识，然后再对这些问题做解答。

(一)光的认识历史

人类对自然光的认识历史是一个循序渐进的过程，涉及哲学、物理学和人类科学技术的发展。

(1) 公元前后

• 毕达哥拉斯学派 (约公元前500年) 认为光是从眼睛中发射出来的，照亮了周围的物体。
• 柏拉图和亚里士多德 (公元前4世纪) 提出了不同的光学理论，亚里士多德认为光是由物体发出的影响，通过某种媒介传播到眼睛。
• 伊本·海赛姆(Alhazen, 公元965-1040年) 在他的《光学书》中提出光是以直线传播的，并首次用实验方法研究了光的反射和折射现象，奠定了光学的科学基础。

(2) 光的本质争论

• 笛卡尔 (René Descartes, 1637年) 在《屈光学》中提出光的波动理论，认为光是通过“以太”这一假想介质传播的。
• 惠更斯 (Christiaan Huygens, 1678年) 提出了著名的波动理论，认为光是波动，并提出了惠更斯原理，用来解释光的反射、折射和衍射现象。
• 牛顿 (Isaac Newton, 1704年) 提出了粒子理论，认为光是由微小的粒子组成的，光速在密度大的介质中更快。他的理论成功解释了直线传播、反射和折射等现象，并通过棱镜实验发现了白光的色散现象。

(3) 波动理论与粒子理论的争论

• 托马斯·杨 (Thomas Young, 1801年) 通过双缝干涉实验证明了光的波动性，解释了光的干涉现象，为波动理论提供了有力支持。
• 菲涅尔 (Augustin-Jean Fresnel, 1818年) 进一步发展了光的波动理论，提出了光的衍射和偏振理论。
• 麦克斯韦 (James Clerk Maxwell, 1864年) 通过麦克斯韦方程组，预言了电磁波的存在，并证明光是一种电磁波，具有波动性质。这一理论统一了光学和电磁学，彻底确认了光的波动本质。

(4) 光的双重性

• 爱因斯坦 (Albert Einstein, 1905年) 通过研究光电效应，提出光子理论，认为光既具有波动性，又具有粒子性(光子)，并成功解释了光电效应。这为光的量子理论奠定了基础，并帮助他获得了诺贝尔奖。
• 德布罗意 (Louis de Broglie, 1924年) 提出了波粒二象性，认为不仅光，所有的粒子都具有波动性和粒子性。这一理论进一步深化了对光的认识。

(5) 现代光学

• 量子电动力学(QED): 20世纪中期，量子电动力学理论的发展(由理查德·费曼、朱利安·施温格、朝永振一郎等人推动)成功解释了光与物质的相互作用，彻底统一了光的波粒二象性。
• 激光的发明: 1960年，西奥多·梅曼(Theodore Maiman)成功发明了第一台激光器，激光器利用了光的相干性，是光学史上的一个重要里程碑。
• 光学技术的发展: 现代光学广泛应用于通信(如光纤)、医疗(如激光手术)、工业(如精密切割)、科学研究(如天文观测)等各个领域。

从上面人类对光的认识历史过程中我们可以知道：光是一种电磁波，它具有波粒二象性、直射、反射、折射、干涉、衍射、偏振、色散等特性

(二)电磁波的认识历史

对电磁波的认识，可以拆开成 电 、 磁 、电磁波 三个方面来看

(1) 磁

• 公元前1000年的中国人知道了天然磁石的吸铁特性，并将它用于指南针的制造，这应该是最早对磁性的认识和使用。

(2) 电

• 18世纪本杰明·富兰克林对电的本质进行了实验和研究，提出了“正电”和“负电”的概念。
• 1831年迈克尔·法拉第通过实验发现了电磁感应现象，即变化的磁场可以产生电流。这一发现进一步统一了电和磁的概念。

(3) 电磁波

• 1864年詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell)提出了麦克斯韦方程组，从理论上系统地描述了电磁场的性质，预言了电磁波的存在。
• 1887年德国物理学家海因里希·赫兹(Heinrich Hertz)通过实验首次产生并检测到了无线电波，验证了麦克斯韦的理论，并证实了电磁波的存在。

(三)电磁波的特性

电磁波是由变化的电场和磁场相互垂直并相互作用而产生的波动现象。它具有以下几个重要的特性：

(1) 波动性

• 电磁波是横波: 电磁波的传播方向与电场和磁场的振动方向相互垂直。在自由空间中，电场和磁场彼此垂直，且都垂直于传播方向。

(2) 光速

• 在真空中的传播速度: 电磁波在真空中的传播速度是恒定的，即光速

(3) 能量携带

• 波的能量与频率相关: 电磁波携带能量，且能量与频率成正比。高频电磁波(如X射线、γ射线)携带的能量更高，低频电磁波(如无线电波、微波)携带的能量较低。
• 波的强度: 电磁波的强度与电场和磁场振幅的平方成正比。

(4) 不需要介质

• 真空中传播: 电磁波不需要介质即可传播，这与声波等机械波不同。因此，电磁波可以在真空中传播，像光、无线电波等都能够穿越太空。

(5) 偏振性

• 线偏振、圆偏振和椭圆偏振: 电磁波可以表现出不同的偏振形式，意味着电场的振动方向可以固定在某一方向(线偏振)，或在传播过程中旋转(圆偏振或椭圆偏振)。

(6) 反射、折射和衍射

• 反射: 当电磁波遇到不同介质的界面时，部分电磁波会反射回去。反射角等于入射角。
• 折射: 电磁波从一种介质进入另一种介质时会发生速度变化，导致传播方向发生改变，这种现象称为折射。
• 衍射: 当电磁波遇到障碍物或通过狭缝时，波会发生弯曲，这就是衍射现象。

(7) 干涉

• 电磁波的叠加效应: 两个或多个电磁波可以相互叠加，形成干涉图样。根据波的相位不同，干涉可以是相长干涉(增强)或相消干涉(减弱)。

(8) 谱的广泛性

• 电磁波谱: 电磁波涵盖了从低频到高频的一系列波长和频率，形成电磁波谱。包括无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线等。

(9).量子特性

• 光子: 在微观层面，电磁波表现出粒子性，可以被看作是光子流。每个光子的能量

这些特性使得电磁波在自然界和技术应用中具有广泛的作用，从无线通信到医疗成像，从照明到能量传输，电磁波无处不在。

(四)电磁波的表示

1.电磁波的数学表示

周期 (Period): 周期是指电磁波中一个完整波动循环所需的时间，通常用符号