CN1460338A - 用于在封闭空间内通信的激励器***和方法 - Google Patents
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Abstract
用于方便在封闭空间(12)内的电磁通信的激励器***(10)。***(10)包括激励器(26),根据相关建筑物的大小和所需工作能量,可以是三维半球形激励器(28),或是二维平面扇形激励器(30)。激励器***(10)与集线器/控制器网络(44)连接工作。激励器***(10)适合在空间内引入一个类—静态渐消失场(20),从而可以以空间特征所确定的工作频率范围内的频率使用渐消失场(20)来进行通信。激励器(26)安装在与封闭空间内传导框架(18)的某部分相对的位置,并与其分离。工作中,激励器(26)和具有中心连接体(50)的集线器/控制器网络(44)通过同轴连接器(48)连接,其中心连接体(50)用于连接激励器(26)和馈电点(66),而屏蔽连接体(52)连接到相对的传导框架(18)。在某些实施例中,立柱(40)作为遮蔽体起到在较低频率增强性能的作用。
Description
可参照的相关专利申请
本申请是一件部分继续专利申请,并且本申请人要求在本专利申请中的和在1999年6月25日日提交的美国申请号为No.09/340218的发明名称为Electromagnetic Communication System for Wireless Networks的母专利申请中的所有主题的优先权权益。
本申请还涉及与本专利申请同时提交的申请的名称为Hu and ProbeSystem and Method的美国专利申请。
技术领域
本发明总体上涉及无线通信,更具体地涉及用于在建筑物内的内部通信***,特别是0.5到100MHz频率范围的通信。
背景技术
在建筑物和其它封闭空间内的通信长期存在着问题。如局域网络的通信线路虽然有效但具有安装成本高、受到连接位置的限制以及需要随技术进步周期性地更新等问题。金属结构部件、内部设备、配管***和电线都可能干扰常规无线通信。除了这些干扰,如银河星系射电噪声及人为产生的电磁源也不断地干扰建筑物内通信的质量和效率。
如在本发明者的在先申请中所描述的,至少从通信利用的观点看,在电磁频谱中被忽视的频带是0.5-100MHz这一范围。传统认为这一频带范围可用性较少,因此,政府部门对其的控制较少。在美国的一个例子是此范围适用的FCC法规的15部分。这一范围未被广泛使用的一个原因是波形过长,而使得发射与接收受到结构的干扰的影响。然而,使用发明者的技术就可以利用这一频率范围,将不利因素转变为有利因素。
一个传统上很少被了解及应用的电磁现象领域是对渐消失(非传播)波的处理。很少有对这些现象的商业应用。这一现象通常被在波导技术中所了解和观察,通常是不利的妨碍因素,并限制在靠近称为“截止”处的结构应用。
对于在中空管波导的常规传播中,当中空管波导的尺寸小于工作频率的波长的一半(1/2)时发生截止。当发生此情况时,传输损失非常高,但不是无限地高。方程式1,表达了在理想波导中出现截止时的衰减,可写作:
(1)
其中:
γ=衰减
λC=截止波长
f=工作频率
fC=截止处工作频率
其中波长、f大约等于11.8/f(GHz)英寸。
当(f/fC)2<<1时,随着f减少低于fC,γ从近似于0的值增加,向常数2π/λC接近。
衰减的数量仅由波导的截止波长所决定,该数量通常与波导的横断面尺寸成比例,因此可通过选择低截止波长(小尺寸管)得到大小令人满意的γ的数值。由于(1)式适合任意波导形状中的任意波,,对波的型式和波导形状所作的选择不会影响衰减常数,除非它们固定了截止波长λC 1。
波的运动成为物理学诸多科目的核心,教科书中重要的(各学科间的)论是2。在对传统的波运动作详细(充分的理由)讨论的同时,仅顺便提及渐消失波理论。
这样少的论述决非证明:渐消失波-被认为最初是作为方便的数学工具来采用,并不被认为有实用价值34-在过去十年已渐成熟为令人关注的科目,在基础、研究和工业上都有不断增加的应用。任何传播波当到达传统禁区(低于截止),转变为渐消失波。
1 “现代无线电的场和波”,作者Sinon Ramo和John Whinnery,1956年5月,386-387页
2 “论渐消失波”作者A.Stahlhofen和H.Druxes,Koblenz大学,f.Pbysik研究所,Rheinau 1,D-56075Koblenz,德国
3 Bryndahl,O.的“光学成像中的渐消失波”,在光学进步(美国Elsevier出版公司,纽约1973),169-221页
4 Hupert,J.J.,Appl,Phys.6,131-149页(1975)
在此情况下,当工作在这一区域时(上述截止作用),波矢量的至少一部分变成虚数或一个复值,该波经历指数律衰减。这些波在许多包含波导文章中用作诊断工具;应用的范围包含固态物理的不同领域及微波技术。明确的实例表示渐消失波在微波、光学和量子力学中起到十分重要的作用。尽管所有这些***遵循不同的波动方程、不同的色散律、不同的能量状态及完全不同的结构和尺寸,但在各个***中波的运动都要考虑到渐消失波。
说明渐消失波存在的典型机理是:1)在有损媒介中转换成能量的其它形式,2)在无损媒介中反射方向中的截止模式,3)从某些传导结构中能量逐渐泄漏,4)通过设置障碍或改变传导结构使模式发生转变。
渐消失波具有某些有时不易观察的奇特的特性。作为典型的例子是所提到:它们工作在禁止区域(低于截止)并成指数级衰减。使用微波可容易地用电磁波演示波的运动(包括渐消失波)。很多有关包括渐消失波的实验的指导可由PIRA提供,PIRA表示“物理教学资源协会”,网址是http://www.physics.umd.edu/deptinto/facilities/lecdem。此处可提供关于渐消失波的简单介绍以及更复杂的实验内容,以便于查阅。
已经知道,可以通过使用低于截止的渐消失非传播波或高于截止频率的传播波来实现电磁连接性。必须发展一套方法,可以将电流注入结构的金属构件中,来在截止区域产生渐消失波。对于高于截止区域频率,可更多地使用传统的天线技术。
尽管已经了解了关于渐消失波的现象或其它产生于低于或邻近截止区域波的特性,但至今没有实质性的商业应用。通常,这些现象被认为是障碍和不利因素,而不是用于实际增强通信的机会。就此而论,如本发明和发明者相关的发明所指出的,仍存在着许多应用和发展的机会。
发明内容
因此,本发明的一个目的是使用在可产生渐消失波的频率和邻近截止频率中的电磁能量的特性,以提供用于在建筑内有效通信的传导介质。
本发明的另一个目的是提供结构上被包含的无线通信***,该***中结构所需外部能量最小。
本发明的又一个目的是提供能适合用于目前常规建筑的容易安装和使用的激励器装置。
本发明的另一个目的是提供激励器的结构和***,它们可适用于不同类型和尺寸的建筑结构。
本发明的另一个目的是提供一种配置,用于使在建筑结构内产生的微弱信号通过建筑的传导框架传输到可接收和处理这些信号的地方。
简单地讲,本发明的一个优选实施例是与无线网络的电磁场通信***一起激励和工作的激励器***。这是个可在建筑结构内进行无线通信的无线电技术方案。在典型的住宅、商业和工业建筑中,激励器执行激励传导框架的功能,该传导框架是由建筑结构墙壁内的金属部件形成的,可以是电线、金属壁、配管以及其任意组合。这一无线***,由集线器和控制器网络进行初始化,其中该控制器网络连接到激励器并驱动激励器。激励器激励建筑物墙壁内的传导框架,以便建筑物内的任意数量的远端无线接收器接收信号。另外,激励器的配置允许接收由建筑物内其它设备产生的信号,即使对于常规无法接收的微弱信号,激励器具有传导框架增强通信的独特特性。该技术的基础披露和包含在本发明者的1999年6月25日提交的申请号为09/340,218名称为用于无线网络的电磁场通信***的美国专利申请说明书中。集线器和控制器网络与激励器一同使用,可实现建筑物内运行的完全的无线电***,这在其他情况中则无法实现。该技术使用墙壁内金属部件来产生渐消失模式,该模式还可阻止向建筑外的辐射,并防止银河星系射电噪声向建筑内的渗入。
已经知道,可以通过使用低于截止的渐消失非传播波或高于截止频率的传播波实现电磁连接性。发明者的技术可以将电流注入结构的导性金属构件中,来在截止区域产生渐消失波。对于高于截止区域频率,可更多地使用传统的天线技术。
发明者所作的观察和测量符合对激励器发明用来在激励建筑物内产生渐消失波的非传播“场”这一方面工作的观点。该场在特定频率范围内的一个或多个频率下工作,所有这些频率均处在或低于为封闭空间所建立的截止频率。该场而后起到以模拟量方式载波的作用,也可进行调制处理,以便在整个建筑内以这些频率传输信号。
各优选实施例包括适合实现宽带和与进入结构的能量耦合恰当匹配的特殊激励器实例。第一个优选实施例适用于大的商业或工业建筑,而第二个优选实施例适用于一般的住宅。激励器装置的特殊位置和安装,(在较小程度上的)为了用于特殊结构的激励器的设计都对于此结构的特性有是唯一的,至少在一定程度上必须由经验确定。为加快有效设计可以遵照一些设计原则。激励器需具有:1)小于λ/8(在最高工作频率)的直径2)安装在距传导墙部件小于λ/8(在最高工作频率)的位置,3)大约位于地面与天花板中间的位置。激励器必须具有足够的尺寸以安置与输入传输线路并联的可测量的电抗(即最多为传输线路阻抗特性的25%)。这一逻辑应用在频带的渐消失部分。
一旦选定了合理的激励器尺寸和设计并在给定的建筑内加以安装,则该激励器由集线控制器网络进行控制,在一频率范围受到激励,相应地在传导框架中建立信号波形。位于与建筑内传导框架合理位置附近任何一点上的的接收器或探测器可以用无线的方式通过所建立的信号波形接收通信信息。
本发明的一个优点是提供了一种方式启动了有效通信汽泡(communicationbubble),使得受外部的干扰(例如银河星系射电噪声)最小化。
另一优点是激励器具有足够的可控制带宽,因此可用来使各种网络段之间的干扰最小化。
本发明的又一优点是可以提供从0.5MHz到由建筑结构或房间所决定的截止频率的用于渐消失波的连续带宽,并提供另外达到和超过100MHz的用于传播波的连续带宽。
本发明的另一优点是利用结构的尺寸以消除对大型天线的需要。
***的另一优点是可以使用低能耗远端装置“探测器”与建筑物的传导框架相耦合,以便将信号传输回中央集线器***,由于激励器***与传导框架独特的相互关系使得可接收如此微弱的信号。
本发明的另一优点是激励器装置可以起的多种功能,并消除了对分开的类似天线设备的需要。
本发明的另一优点是激励器所具有的紧凑物理结构,易安装,运行迅速。
由于对目前所知最佳发明的实施模式所作的描述,和参照附图对在工业应用的优选实施例进行的陈述,那些熟悉本技术领域的人员会对本发明的上述及其它目的和优点有一清楚的理解。
附图说明
图1是根据发明者的技术可运行的通信***的典型结构简图,其中包括有根据本发明的激励器***;
图2是理想化的半球形激励器的侧视图,显示为被安装结构墙的剖开部分;
图3是半球形激励器的垂直剖面图;
图4是图3所示半球形激励器的透视图;
图5是平面扇形激励器的平面顶视图,表示安装在配管上;
图6是图5所示平面扇形激励器的侧视图;
图7是对通过使用本激励器发明在建筑物中感应渐消失波波型的说明;
图8是代表激励效率的图表,表示在半球形激励器结构附加遮蔽体部件的效果;
图9是代表测量结果的图表,表示在具有相对尺寸较小房间的建筑内使用半球形激励器的效果;和
图10是说明在小空间使用实际平面扇形激励器的激励效率的图表。
具体实施方式
本发明适合产生某些环境,在该环境下可使George G.Chadwick的09/09/340218号申请所描述的发明有效地工作。本发明适合在封闭的空间内的工作,以及适合于与同时提交的伴随申请集线控制器网络和探测器***相结合下工作。在PCT/US00/11886中的在先申请中披露的内容、文本和附图与此直接相关。另外,本发明与同时提交的申请的名称为“集线器和探测器***及方法”的申请中所描述和表示的集线控制器网络密切相关并与其结合工作。
目前发明的优选实施例是一种激励器设备,和在方便及优化任意不同的封闭空间内无线通信的整个***中使用激励器的方法。本发明的优选实施例适合在以上所参考的较先申请中陈述的用于无线网络的电磁场通信***内工作及增强效率,当前所参考的优选实施例是用于在封闭空间方便电磁通信的***(激励器***),在此称为总的标号10。图1描述了在典型建筑内包括激励器***10的无线网络的全部工作。
激励器***10适合在封闭空间12内工作,该空间可认为是小的空间14,如房间或小型建筑,也可是大的空间16,如商业办公建筑或生产区域。封闭空间12可大可小,但为了适用,必须包括某些不同的传导框架18,该结构18可以将注入传导框架18的能量进行传导性的“输送”,使其遍布到整个封闭空间12的传导框架18,以产生一个遍布封闭空间12的类似静态的电磁场20。传导框架18可以是单一路径、回旋路径或不同的传导部件,所有这些共同作用形成电磁虚拟空间,即发明者称为汽泡22的近似的“法拉第笼”。典型地,传导框架18可以由电线、建筑配管***、金属梁、纵梁或上述部件的组合所构成。
汽泡22的性质总体上类似于用于束缚电磁波的笼子或网,就像类似于一个约束物理结构的笼子,该物理结构过大以至无法用栅栏容纳。在此情况,传导框架18为电磁波形成带有缺口24的虚拟栅栏,在缺口24形成于没有传导框架18的部件的地方。只要传导框架18的缺口小于电磁场20的有效容积,电磁场就被“圈闭”在汽泡22内,不对外部产生影响。这点对于某些用途尤其重要,例如敏感的通信以及为遵守政府的各种法规,如FCC规定。汽泡22可实际包括数个半独立的小空间(房间),每一小空间在一定程度上起到分离的“笼子”的功能,但又通过延伸遍布建筑物的传导框架18互相连接实现相互关连。
使传导框架18受到激励而产生汽泡22并提供无线通信基础的装置是激励器26。在特殊封闭空间12内的激励器26起到多个功能。其中一个主要功能,并因其使装置命名的功能是感应波形进入汽泡22的功能。在此描述的各类型的激励器26在较先申请说明书中作为相关部分有简单的陈述。
在实际建筑物内的实施所获得的结果是可证明的,并且***10表示在多个环境下所起的有效功能。为方便描述的目的,激励器26和激励器***10在此描述为激励建筑物,因此在频率范围内的任意所期望的频率建立非传播场,而此非传播场作用提供“载体”,在该载体上可建立通信。另外,激励器26的特性是,当在建筑物12内适当安装后,与建筑物的传导框架18产生特殊耦合,以便使被感应进入在建筑物12内的远端位置的传导框架18的信号可由激励器装置接收到,并具有足够的强度以供使用,其前提是这些信号也在频率范围内。在此方式中,相同的激励器装置起到“激励器”和“收听器”的双重功能。
每一激励器26是同一类型,但为特殊目的可选择在尺寸、材料和包装不同的激励器。附图所示的相同优选实施例的两个特殊实例在此描述,但是根据应用,配置可有很大的变化。在图2、3和4中特别表示了半球形激励器28(也称3-D激励器),而在图5和图6中表示了平面扇形激励器30(也称2-D激励器)。半球形3-D激励器28满足较大的商业或工业建筑(大空间16)的需要,而较小的平面扇形2-D激励器30能足够满足典型住宅。较大的商业建筑可具有1860m2(20,000平方英尺)以上的面积,而典型的住宅的尺寸小于465m2(5,000平方英尺)。为了提供较宽的频率带宽,半球形激励器28具有较大的尺寸和表面积,这是为了用适当的频率传输足够能量到大空间16的更大空间所需要的,而2-D激励器30可足够在小空间14内工作。
建立通信所需的功率与所需的信号质量相关,并与建筑的容积成比例,而产生渐消失波的最重要尺寸是到建筑物的每一房间内的相对传导表面之间的最小轴向距离。当激励器工作时,局部尺寸决定了建筑(和房间)的恰当截止频率,并决定能否在该房间内建立渐消失波。
图2、3和4表示了半球形激励器28的结构,图2、3描述了3-D激励器28在建筑12内安装使用。半球形激励器28靠物理支撑结构32固定。为达到理想效果,激励器26需安装在特殊封闭空间12内,最好与内部墙壁32并置。激励器26最好安装在地面36与天花板38大约中间的位置,并使方向与传导框架18的某一部件相对。在此实例中物理支撑结构具有两个组件,由立柱40提供对3-D激励器28的垂直支撑,而由与附近墙壁34连接的间隔器42提供隔离和附加支撑。
立柱40和间隔器42均由导电材料构成。还有,立柱40不仅是物理支撑结构32的一部分,还有功能目的。为了避免在激励器28和建筑物的地电位造成导电通路,立柱40和间隔器42均在某一位置提供有电绝缘体43(在此实施例中,对于立柱40是在邻近地面位置,对于间隔器42是在与激励器28的连接点上)。在优选实施例中,立柱40是中空的由导电的金属制成,间隔器42是为强度而设的常规金属托架。
与激励器26的布置和尺寸相关的空间尺寸对其工作也是重要的。为有效地工作,激励器26需安装在距传导墙部件18少于λ/8(在最高工作频率)的位置。在图2所示的用于大空间16(工业建筑)分开的距离是0.59m(23.5英寸)。在安装3-D激励器28的房间内,天花板大约5.1m(17英尺)高,立柱40具有足够的长度以便使激励器28的中心高于地面36大约2.55m(8英尺6英寸)。在优选实施例中3-D激励器28的直径为0.6m(2英尺),比直径的限制小λ/8(在最高工作频率),在此例中频率为62.5MHz(波长4.8m)。立柱40也称遮蔽体40,直径是0.088m(3.5英寸)。
激励器26由集线控制器网络***44控制和提供能源(见图1)。为了使激励器26工作,集线器***44在期望的频率范围内向激励器提供能量。而后激励器26如在先申请中所描述的激励传导框架18,以便使位于汽泡22(见图1)内的多个探测器或接收器46中的任意一个对由集线控制器网络44所产生的调制信号进行接收、解码和使用。另外,在“收听”模式,激励器26起接收由远端探测器产生的信号和将信号传导给集线器***44的作用。可同时工作在两种模式。由集线器***产生的并通过激励器26传输的信号与在远端位置产生的并通过传导框架18返回到激励器26而后到达集线器***44的信号具有不同的频率。一个可选实施例是通过分时传输,使由集线器***和远端位置产生信号在相同频率下工作。
为了“激励”建筑物(传导框架18),由集线控制器44将电磁能注入具有中心导线50和屏蔽层52的同轴电缆48。中心导线50与半球形3-D激励器28接触,而屏蔽层52与间隔器42、传导框架18和墙壁34电连接。如图3和图4所示,屏蔽层52直接与墙壁34内的金属结构电连接。通过中心导线50传输的能量不会以普通方式进行辐射。半球两英尺直径的3-D激励器28太小,以至于不能在低于54MHz频率下辐射。然而,激励器结构在此频率范围表现出明显的中断。耦合进入中心导线50的能量几乎完全被反射,但是处于屏蔽层52内的能量与墙壁34相连接,为渐消失波形成基础。由于注入中心导线50的能量返回,反射波代表了输入能量的百分之五十(50%)。然而,反射损失与频率保持一致,因为余留的能量几乎全部从外屏蔽层52传输到墙壁34的结构中。
半球形激励器28的精确结构不是关键因素,只要具有小于λ/8(在最高工作频率)的有效直径,并具有足够的尺寸在输入传输线并联可测量电抗。不应超过传输线特性阻抗的25%。取决于几个经验因素,不同的结构和激励器的位置将在不同的建筑物内或其它封闭空间12内具有较好的效果。在图2、3和4所示实施例中使用的特殊3-D激励器28具有中空半球部分54,也称为反射罩54。反射罩54由导电金属制作,在边处具有外缘56。在此实施例传导立柱40直接与反射罩54连接(焊接)。一对导电的夹角形成的扇形部件58(尤其见图3和4)从反射罩54向外和向前延伸,该扇形部件58在顶点汇合,并沿周边与外缘56连接。非导电丙烯酸隔板60在反射罩54的中空内侧62内横向延伸,并紧靠着扇形部件58的内侧表面,结构上提供支撑,并将中空内侧62分成上下两部分。
匹配电路块64安装在中空内侧62并位于丙烯酸隔板60表面。匹配电路块64与沿间隔器42延伸的同轴电缆48连接。同轴电缆48的另一端与集线控制器网络44连接,并传输激励电流到激励器28,直接传输给匹配电路块64。中心导线50,或其延伸线路,延伸到扇形部件58的顶点处的馈电点66,以便从集线器网络44传输电信号到激励器28(和从激励器26的“收听”功能传输信号返回集线器44)。传输到馈电点66的能量激发激励器,扇形部件58和半球形反射罩54的传导部分,其方式是激励导电体以“试图”发射穿过传输信号的有效带宽。在选定频率下的激励器26的特性,根据同轴电缆屏蔽层与地和墙壁34内的金属架68的进一步连接,不会允许正常传播性的辐射,但是最终效果是在传导框架18内产生汽泡22或渐消失波和邻近渐消失波,如在此所述。
3-D激励器适合在大空间16内使用,并具有足够的直径和三维表面面积以激励大的空间及与空间相联系的延展性传导框架18。然而对于较小空间14,而则无需这样大的面积。2-D平面扇形激励器30足够这样的容积。在图5的顶视图和图6的剖视图分别说明优选平面扇形激励器30的结构。
可以看出平面扇形激励器30仅有两个有效的尺寸,如图5所示,在形状上与半球形激励28的剖视图相似。即包括导电的宽轨迹70,其形状对应于沿隔板60平面所取的3-D激励器28的反射罩54的剖面部分和扇形58的剖面部分。导电轨迹70布置在由非导电材料制作的平面结构板72上,该平面结构板72起到支撑和使轨迹70绝缘的作用。处于导电轨迹70内部的中心区域4,可是空的,也可以是结构板72的非导电材料的又一部分,起所需的支撑功能。结构板72由间隔器42支撑,方式与3-D激励器28的情况相似,与墙壁34保持所期望的距离。
平面扇形激励器30的电结构与半球形激励器28的相似,其中包括安装在结构板72上的匹配电路块64,从同轴电缆48的中心导线50传输能量到馈电点66,而屏蔽层52沿间隔器42与位于墙壁34内的传导框架18电连接。如图5和6所示,配管管道76形成传导框架18的工作部分。
图7说明由激励器26(在此处是半球形激励器28)建立的渐消失波,如以上所述该渐消失波由远端无线接收器或探测器48使用。用图解简单说明渐消失波的强度曲线是为了表示能级ε与相应的离开墙壁34内传导框架18的距离d的相互关系。注意图7所示的激励器26已经调准并邻近于传导框架18,还与之进行了电连接。
在说明中,框架18部分是金属梁68与图3表示的相似。传导框架18的另一部件是电线,该线路可位于墙壁34内。附图中的这点用于说明,即使电线没有被激励器26直接激励,仍然参与了将该波形分布于整个汽泡22中的过程。建筑中的电线不与配管连接当然是所希望的,但两者仍然在起作用,至少在某些位置,假设分离的传导通路合理地相互邻近以便使直接引入到某个部分中的渐消失波通过其它分立的传导部件以类似感应的方式传输给结构的其它部件。
普通的应用无需精确匹配的激励器26。在多数常规***中,反射损失保持在1dB以下。然而,在激励器26的情况,3到6dB是合理的,因为在频率低于100MHz时的传输损失并不严重。
在半球形激励器3-D激励器28的情况,支撑金属立柱40起另一作用。最好立柱40具有0.088m(3.5英寸)的直径,长度(高度)在2.55m(102英寸)和距激励墙壁34有大约0.65m(26英寸)的间隔。在此立柱40构成便利支撑的同时,还起更加实用的功能。激励器26的不连续效应取决于最低工作频率。如果激励器26的尺寸不是波长的至少百分之五(5%),则不连续太小。例如,当物理尺寸相对大时,2英尺直径的半球形激励器28的界线是60米(100英尺)波长(频率10MHz)。要使工作频率延伸到此频率以下需要比半球形激励器28本身更大的结构。这一情况由增加不连续性和使工作频率延伸到更低的垂直金属立柱40或“遮蔽体”来实现。注意,通过与半球形反射罩54直接接触,立柱40在导电性上已成为了激励器28的一部分(见图2、3和4)。
图8以图表说明了尺寸对不连续性的影响。此图表作为单纯的半球形激励器28和配置了附加作为遮蔽体的立柱40的相同激励器的频率的函数的传输效率。带有遮蔽体40的半球形激励器28在3MHz以上效率至少在50%。当把遮蔽体去除时,因为不连续性相对于工作频率太小,而使效率显著下降。
然而,当频率增加且波长缩短时,便存在激励器尺寸的上限。例如,在0.5到54MHz范围,渐消失特性在低于大约35MHz占主导地位。注意,此效果是在大空间16内测量的,房间尺寸较小则具有不同的特性。在较高频率,即使在较小的封闭空间,因为较短波长和传播方式占主导地位,使截止效应最终消失。在50MHz,波长大约6m(20英尺),为保持低于八分之一(1/8)波长的性能界限,激励器的尺寸需不超过0.75m(30英寸)。
图9表示的实例是在20,000平方英尺单层商业建筑内获得的测量结果。30dBm强度源注入激励器28,在位于遍布商业建筑的四个不同地点对能量数值进行测量,并用图表描述。在同一商业建筑内八个地点也获得相似的结果。
图10与图8相似,表示对安装在小空间14内的平面扇形激励器30激励效率进行的测量,此情况中住宅面积小于5000平方英尺。可看出,甚至没有遮蔽体40,频率在15MHz以上的效率也是足够的。
建筑物的特征各不相同,为了适当地放置和安装激励器26,需要对每一封闭空间作出经验上的调整。然而,对于大多数的建筑物,或甚至其它类型的建筑物,该建筑是相对选定频率波的有效封闭空间12,在此所述的激励器结构将有效地激励并产生汽泡22效应。发明者已成功地在运行于每秒11兆比特(11Mbps)的数据链路上传输视频流。
在提出的参数中,激励器的精确物理形状和尺寸是可变化的,而使用不同的材料仍可达到功能的操作。激励器装置与传导框架的间隔可在能接受的范围改变,向激励器输送能量的方式也可变化。本技术领域的人员确信无需大量的实验便可对相关结构与应用加以发展。
除了上述实例,各种其它变型以及对***和方法做出的代替均没有脱离本发明。相应地,以上所作的披露不应认为是对发明的限制,发明的精神和所包括的范围由所附权利要求书进行限定。
工业实用性
本发明的激励器***10具有工业和商业的可实施性,主要与发明者的用于无线网络的电磁场通信***相联系。这是可在建筑物内进行无线通信的无线电技术方案。在典型的住宅、商业或工业建筑物内,激励器26执行激励墙壁的金属部件(传导框架18)的功能,金属部件可以是电线、金属壁、配管或它们的任意组合。此无线***10由与激励器连接的集线控制器网络44进行初始化。接着激励器对封闭空间12的墙壁内的传导框架进行激励,以便用于一个或多个远端无线接收器46。申请日期是1999年6月25日,名为用于无线网络的电磁场通信***的美国专利申请MGC9901中对该技术有全面地陈述。网络与激励器一起可使完整的无线***在建筑物内工作,在其他情况下,这是不可能的。该技术使用墙壁内的金属部件产生渐消失模式,这还可以防止从建筑内向外辐射,并阻止银河星系射电噪声对建筑物的渗透。
该激励器起到激励建筑物的作用,该建筑物允许实施所参照的网络。在较低频率段的常规传播受到建筑物中截止效应的严重限制,为实现有效的无线网络必须发展其它的网络连接方法。此连接方法使用渐消失模式(波)。激励器允许常规、渐消失的并存和常规传播。当工作频率和结构尺寸使得无法实现常规传播时,则产生非传播渐消失模式。
建筑的金属构造或传导框架18可以包括配管、线路、金属导管或任意其它类型的金属零件。在典型的住宅、商业或工业建筑物之间仅在尺寸和建筑内金属部件的类型有所不同。在所有以上实例中,低于20MHz的频率是低于截止的,并极少或不在建筑内发生常规传播。某些其它用于建筑内无线连接的连接RF能量的方法必须加以发展。此替代方法使用渐消失波。在最简单的描述中,如果能量耦合进入金属边界内,不能辐射(如在截止情况),将建立电磁场。这些场称作渐消失场,其工作如以上描述。
当与集线器***44和远端设备探测器46连接使用时,激励器***10在这些装置之间提供通信路径的重要部分。典型的集线器***可能希望发出能被一个或多个远端设备所接收和解释的信号。集线***然后将以选定的第一频率向激励器26传输信号,该第一频率是在用于建筑物的渐消失频率范围之内。这将使激励器26“激励”传导框架,其方式是在第一频率下产生遍布建筑物的渐消失波场(见图7),在任何接近传导框架18的部位观察具有相似的效果。任何邻近传导框架18的远端探测器46将调谐到选定的第一频率,然后与场耦合并接收选定的信息。
在“收听”模式远端探测器46将以第二选定频率产生信号。此信号将由传导框架18传输。随着对发明的了解,由于激励器的结构和布置,激励器具有与范围内频率耦合的特殊能力。因此,如果第二选定频率在期望范围之内,激励器26起了接收器的作用,并以足够使集线网络进行接收及处理的强度来传输信号(否则该信号对于普通接收太微弱)。
一旦安装后,根据其它与此安装的装置,激励器***10可被以广泛不同的方式使用。激励器***10是主要通道和促进设施,用于在任何与集线器网络44相连接的装置与任何所期望的类型的远端设备和探测器46之间进行通信。这种变化描述在伴随的申请中。这提供了用于不同通信方案以及不同型式的封闭空间(从简陋小屋到远洋班轮)的几乎无限变化的使用方法。
由于以上的和其它的理由,预期本发明的激励器***10将得到广泛的工业应用。因而,预期本发明的商业应用将是广泛与长期的。
Claims (20)
1.一种用于在具有传导框架的封闭建筑物内感应渐消失波的激励器***,包括:
一个激励器,该激励器被设置在建筑物之内,靠近传导框架部分,该激励器朝向传导框架的所述部分;用于在某频率激励所述激励器的装置,以便在传导框架中感应渐消失波。
2.如权利要求1所述的激励器***,其中所述激励器与所述传导框架部分相距小于λ/8的距离,此处λ是所述激励装置准备进行所述激励的最高频率所对应的波长。
3.如权利要求1所述的激励器***,其中所述激励器具有小于λ/8的传导部分的有效直径,此处λ是准备进行激励的最高频率所对应的波长。
4.如权利要求1所述的激励器***,其中与所述激励器相对的所述传导框架部分与建筑物的墙壁相连,所述激励器被安装在相关的地面与天花板的大约中间的位置。
5.如权利要求1所述的激励器***,其中是通过同轴电缆向所述激励器传输能量,所述同轴电缆的中心导线与所述激励器电连接,而所述同轴电缆的屏蔽层通过所述传导框架部分与地电连接。
6.如权利要求1所述的激励器***,其中所述激励器是半球形激励器装置,包括导电反射罩部分,及一个或多个夹角形成的扇形部分。
7.如权利要求6所述的激励器***,其中至少提供两个所述夹角形成的扇形部分,每个所述夹角形成的扇形部分与所述导电反射罩沿其边缘进行电连接,所有所述夹角形成的扇形部分在大致位于所述半球形激励器的轴上的公共馈电点处相交;和
通过同轴电缆向所述激励器传输能量,所述同轴电缆的中心导线与所述馈电点电连接,而所述同轴电缆的屏蔽层通过所述传导框架部分与地电连接。
8.如权利要求1所述的激励器***,还包括与所述激励器导电接触的遮蔽体部分,用于有效地增加尺寸和加强在低频的性能。
9.如权利要求1所述的激励器***,其中所述传导框架的导电部件位于封闭空间的墙壁中;
所述激励器通过隔离器保持处于与所述导电部件分离位置;和
所述激励器的激励能是沿电路的一部分提供的,而所述电路的第二部分连接到位于所述激励器对面的所述导电部件上。
10.一种用于在封闭建筑物内的传导框架中感应渐消失波的方法,包括:
在建筑物墙壁内定位传导框架的一个部分,选择位于所述墙壁上下范围内大约中间的一段;
将激励器安装在与所述段相对的位置,并与其保持一分开距离;和
在频率范围内以一个频率或多个频率上激励所述激励器,所述频率范围的特征是该范围的上限具有一个波长,该波长大于为特定封闭空间确定的截止波长。
11.如权利要求10所述的方法,其中所述分开距离小于λ/8,此处λ是与所述频率范围的最高频率相对应的波长。
12.如权利要求10所述的方法,其中所述激励器具有小于λ/8的传导部分的有效直径,此处λ是与所述频率范围的最高频率相对应的波长。
13.如权利要求10所述的方法,其中使在传导框架内感应的渐消失波被调谐到所述频率范围内一个选定频率上,以便在其上传输信息给调谐到所述选定频率的设备。
14.如权利要求10所述的方法,其中通过向所述激励器输送激励能量而对其进行激励,激励能量的大小是为了特定封闭空间而确定的,以便在整个空间内都能检测到可使用的渐消失波。
15.一种在封闭空间内用于与传导框架结合使用的激励器,包括:
一个具有半圆形的横剖面的传导部件,它具有外缘部分,所述半圆形部件的开口侧朝向所述传导框架一部分;
有倾角的导电体,该导电体从所述外缘部分向位于所述传导部件和所述传导框架中间的馈电点延伸;和
信号电路,其一侧连接到所述馈电点,另一侧连接到所述传导框架。
16.如权利要求15所述的激励器,其中所述传导部件是半球形导电体形状,所述倾角导电体是一对夹角形成的扇形。
17.如权利要求15所述的激励器,其中所述传导部件和所述倾角导电体是排列在平面导电轨迹的方式。
18.如权利要求15所述的激励器,还包括传导遮蔽体,与所述传导部件导电接触,以增加其有效尺寸和增强在较低频率的效率。
19.如权利要求15所述的激励器,还包括间隔器,与激励器绝缘,用于支撑激励器保持与所述传导框架有一分开距离,为优化激励器与所述传导框架之间的敏感关系对所述分开距离进行选择,以使电磁波形在封闭空间的大小所确定的频率范围内在激励器与传导框架之间进行择优地交换。
20.如权利要求19所述的激励器,其中当所述信号电路用于输送激励电流到激励器,以便在所述传导框架中感应波形时,激励器工作在激励器模式;和
当在所述由空间大小确定的频率范围内被所述传导框架运载的信号波形由激励器通过所述信号电路进行传输时,激励器工作在收听器模式。
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