FI127914B - Sähkömagneettisia aaltoja ohjaava laite ja menetelmä - Google Patents

Abstract

Nyt esillä oleva keksintö kohdistuu laitteeseen (10) sähkömagneettisten signaalien vastaanottamiseksi ja edelleen säteilemiseksi. Laite (10) käsittää ainakin aaltoputken (11), joka käsittää ensimmäisen rakosäteilijäjoukon (20) sähkömagneettisten signaalien vastaanottamiseksi, ja toisen rakosäteilijäjoukon (22) vastaanotettujen sähkömagneettisten signaaleiden perusteella aaltoputkessa (11) muodostettujen sähkömagneettisten signaaleiden lähettämiseksi. Ensimmäinen rakosäteilijäjoukko (20) koostuu yhdestä tai useammasta rakosäteilijästä (21), ja toinen rakosäteilijäjoukko (22) koostuu yhdestä tai useammasta rakosäteilijästä (23). Keksintö kohdistuu lisäksi menetelmään sähkömagneettisten signaalien vastaanottamiseksi ja edelleen säteilemiseksi laitteella (10), joka käsittää ainakin aaltoputken (11), sekä laitteen (10) käyttöön sähkömagneettisten signaalien toistimena, sähkömagneettisten signaalien välittämisenä rakenteen läpi ja/tai rakennustarvikkeena (70).

Description

Sähkömagneettisia aaltoja ohjaava laite ja menetelmä

Keksinnön kohde

Nyt esillä oleva keksintö kohdistuu sähkömagneettisia aaltoja ohjaavaan laitteeseen, joka käsittää ainakin aaltoputken. Keksintö kohdistuu lisäksi menetelmään vastaanotettujen sähkömagneettisten signaalien edelleen säteilemiseksi aaltoputkella. Keksintö kohdistuu myös sähkömagneettisia aaltoja ohjaavan rakenteen käyttöön sähkömagneettisten signaalien välittämiseksi 10 katvealueelle.

Keksinnön taustaa

Rakennusteollisuuden tavoitteet kohti passiivi- ja nollaenergiataloja on joh15 tamassa tilanteeseen, jossa tehokkaat lämpöeristeet vaimentavat voimakkaasti matkapuhelinten ja muiden langattomien järjestelmien signaaleja, jolloin rakennuksen sisällä voi olla jopa mahdotonta käyttää matkapuhelinta. Syitä vaimennukseen on monia, mutta yhdeksi syyksi on havaittu ns. selektiivilasien käyttö, jossa ikkunoita on pinnoitettu sähköisesti johtavalla pinnoitteella.

Tavanomaisesti langattomien järjestelmien signaalit voivat päästä sisään rakennusten ikkunoista, mutta sähköä johtavat pinnoitteet voivat aiheuttaa jopa kymmenien desibelien vaimennuksen taajuusalueesta riippuen. Ikkunoiden lisäksi sähkömagneettinen signaalit ovat aiemmin kyenneet tunkeutumaan 25 rakennusten seinien läpi, mutta seinissä nykyisin usein käytettävät alumiinipinnoitteiset lämpöeristelevyt estävät tehokkaasti signaalien pääsyn rakennukseen. Myös betonirakenteissa olevat raudoitukset voivat vaimentaa sähkömagneettisia signaaleja, jolloin myös tällaisen rakenteen läpi kulkiessaan signaalinvoimakkuus voi heikentyä liikaa, jotta rakenteen toisella puolella olisi 30 esim, matkapuhelimen käyttämiseen riittävä signaalinvoimakkuus.

Tätä ongelmaa on pyritty ratkaisemaan esimerkiksi sellaisen passiivisen antennijärjestelmän avulla, joka käsittää kaksi erillistä antennia ja siirtojohdon, joka yhdistää nämä kaksi antennia. Lisäksi tällaisessa rakenteessa tulee olla 35 siirtymäkohta molemmista antenneista siirtojohtoon. Kuvassa 1 on esitetty eräs esimerkki tällaisesta rakenteesta. Ensimmäinen antenni 1 voi olla esi2

20145734 prh 19 -03- 2018 merkiksi rakennuksen ulkopuolelle asennettu voimakkaasti suuntaava yagiantenni. Tästä antennista löytyy siirtymä kaapeliin 2, joka on esim, kaapelin keskijohtimen juotos antennin säteilevään elementtiin. Oleellista tässä siirtymäkohdassa on sähkömagneettisen kenttäjakauman muutos. Kaapelissa 5 kulkee TEM-aaltomuoto ja kaapelin virrat ovat balansoimattomia. Yagin virtajakauma taas on balansoitu. Usein tässä siirtymäkohdassa käytetään lisäksi ns. symmetriamuuntajaa (balun). Kaapelin toisessa päässä on vastaavanlainen siirtymäalue, jossa kaapeli on juotettu esimerkiksi patch-tyyppiseen rakennuksen sisälle asennettuun toiseen antenniin 3. Tällaisen järjestelyn epä10 kohtana on mm. se, että ulkoantennin sijoittaminen voi olla hankalaa ja voi olla myös esteettinen, visuaalinen haitta. Nämä epäkohdat korostuvat, mikäli riittävän signaalinvoimakkuuden aikaansaamiseksi tarvitaan useita antenneja esim, rakennuksen katolle. Kyseessä on aktiivinen järjestelmä, jos laitteistossa on vielä vahvistin 4 sekä jännitteensyöttö 5 vahvistinta varten.

Tunnetaan myös muita ratkaisuja, joissa on identifioitavissa ainakin kaksi erillistä antennia, siirtymäkohdat antennista siirtolinjaan ja antenneja yhdistävä siirtolinja. Esimerkiksi kansainvälinen patenttihakemus WO 01/45303 A1 esittää moduulia, jonka vastakkaisiin pintoihin on integroitu antennit ja mo20 duulin sisään on sijoitettu siirtojohto, jolla ensimmäisellä antennilla vastaanotettuja sähkömagneettisia signaaleja välitetään toiseen antenniin. Tällainen moduuli voidaan esimerkiksi muurata tiiliseinään tavanomaisen tiilen sijaan. Epäkohtana tässäkin ratkaisussa on mm. se, että sovitus antennien ja siirtojohdon välillä ei ole häviötön. Myös siirtolinjassa tapahtuu signaalin vaime25 nemista.

Julkaisu JP2010159564 esittää pilvenpiirtäjän pystysuuntaista ilmastointikanavaa, johon on kunkin kerroksen kohdalle muodostettu putkimainen säteilijä, joka on tarkoitettu toimimaan radiosignaalien välittäjänä huoneen ja 30 ilmastointikanavan välillä. Tällöin kun ilmastointikanavan yhteen päähän sijoitetaan antenni, eli aktiivinen elementti, saadaan signaali kulkemaan ilmastointikanavassa antennista eri kerroksiin.

Julkaisu JP2008028549 esittää julkaisun JP2010159564 kanssa jonkin verran 35 samankaltaista aaltoputkijärjestelyä, jossa esim. LAN-tukiaseman antenni voidaan sijoittaa aaltoputkeen ja langattomat päätelaitteet voivat lähettää ja

20145734 prh 19 -03- 2018 vastaanottaa aaltoputkeen muodostettujen aukkojen kautta. Jokaisessa suoritusmuodossa on esitetty aaltoputkeen sijoitettu tukiaseman antenni, joka toimii siis aktiivisena elementtinä. Aaltoputkessa on lisäksi yksi tai useampi putkimainen aaltojohde, jotka toimivat säteilijöinä päätelaitteita varten.

Keksinnön lyhyt yhteenveto

Nyt esillä olevan keksinnön eräänä tarkoituksena on nostaa alalla vallitsevaa tekniikan tasoa ja aikaansaada ominaisuuksiltaan parannettu rakenne säh10 kömagneettisten signaalien välittämiseksi rakenteen läpi. Nyt esillä olevan keksinnön mukaisessa ratkaisussa ei ole kahta erillistä antennia eikä vastaanotettua signaalia siirretä siirtojohtoa pitkin vastaanottimelle tai toiselle antennille, vaan rakosäteilijöiden ja aaltoputken avulla. Tämän keksinnön mukaiseen rakenteeseen saapuva sähkömagneettinen aalto muodostaa ra15 kenteen metallipinnoille pintavirtoja, jotka saadaan välittömästi säteilemään haluttuun suuntaan. Rakenteena toimii resonoiva ontelo, joka voi olla valmistettu esimerkiksi suorakulmaisesta aaltoputkesta. Tällaisen rakenteen yksi seinämä käsittää yhden rakosäteilijän tai useammasta kuin yhdestä rakosäteilijästä muodostetun joukon. Tämä seinämä on suunnattuna signaalin 20 tulosuuntaan (ulos talosta, erimerkiksi kohti tukiasemaa). Rakenteen toinen seinämä käsittää myös vähintään yhden rakosäteilijän, josta rakenteessa muodostunut kenttäjakauma säteilee haluttuun suuntaan. Edellä mainitut rakosäteilijät suunnitellaan edullisesti siten, että ne leikkaavat rakenteessa muodostuneen kenttäjakauman (moodin) aiheuttamia pintavirtoja ontelon 25 ulkoseinämillä. Kyseiset moodit riippuvat mm. käytetystä taajuusalueesta ja ontelon dimensioista. Tavanomainen aaltoputkiantenneissa käytetty moodi on TE10, joka herää matalimmalla taajuudella. Rakenteen toiminta ei rajoitu vain TE10-moodiin, vaan myös ylimoodattua aaltoputkirakennetta voidaan käyttää (TE10 + TE20 + TE20, jne). Myös TM-moodeja voidaan käyttää.

Täsmällisemmin ilmaistuna nyt esillä olevan keksinnön mukaiselle aallonohjaimelle on pääasiassa tunnusomaista se, että aaltoputki käsittää ensimmäisen rakosäteilijäjoukon sähkömagneettisten signaalien vastaanottamiseksi, joka koostuu yhdestä tai useammasta rakosäteilijästä, ja toisen rakosäteilijä35 joukon, joka koostuu kahdesta tai useammasta rakosäteilijästä vastaanotettujen sähkömagneettisten signaaleiden perusteella aaltoputkessa muodostet4

20145734 prh 19 -03- 2018 tujen sähkömagneettisten signaaleiden lähettämiseksi. Nyt esillä olevan keksinnön mukaiselle menetelmälle on pääasiassa tunnusomaista se, että menetelmässä vastaanotetaan sähkömagneettisia signaaleja yhdestä tai useammasta rakosäteilijästä koostuvalla ensimmäisellä rakosäteilijäjoukolla, ja 5 lähetetään vastaanotettujen sähkömagneettisten signaaleiden perusteella aaltoputkessa generoituja sähkömagneettisia signaaleja kahdesta tai useammasta rakosäteilijästä koostuvalla toisella rakosäteilijäjoukolla. Nyt esillä olevan keksinnön mukaiselle aallonohjaimen ensimmäiselle käytölle on pääasiassa tunnusomaista se, että aallonohjainta käytetään sähkömagneettisten 10 signaalien toistimena. Nyt esillä olevan keksinnön mukaiselle aallonohjaimen toiselle käytölle on pääasiassa tunnusomaista se, että aallonohjainta käytetään sähkömagneettisten signaalien välittämiseen sähkömagneettisia signaaleja vaimentavan rakenteen läpi. Nyt esillä olevan keksinnön mukaiselle aallonohjaimen kolmannelle käytölle on pääasiassa tunnusomaista se, että 15 aallonohjainta käytetään rakennustarvikkeena.

Keksinnön eräitä edullisia suoritusmuotoja on esitetty epäitsenäisissä patenttivaatimuksissa.

Nyt esillä olevalla keksinnöllä saavutetaan joitakin etuja tunnetun tekniikan mukaisiin ratkaisuihin verrattuna. Keksinnön mukaisella passiivisella aallonohjaimella voidaan parantaa joidenkin sähkömagneettisten signaalien pääsyä tällaisia signaaleja merkittävästi vaimentavan rakenteen läpi, joten näiden sähkömagneettisten signaalien vastaanottaminen on paremmin aikaansaata25 vissa sellaisissakin tiloissa, joissa sähkömagneettiset signaalit eivät muutoin olisi vastaanotettavissa. Lisäksi keksinnön mukaisella aallonohjaimella signaalien kuuluvuutta voidaan parantaa muunkinlaisilla katvealueilla. Keksinnön mukainen aallonohjain on toimintaperiaatteeltaan passiivinen aallonohjain, jolloin ei tarvita ulkopuolista energia lähdettä eikä aktiivisia signaalinvah30 vistimia. Lisäksi aallonohjaimeen ei tarvitse liittää syöttökaapelia, mikä myös yksinkertaistaa laitteen rakennetta ja käyttöä. Koska syöttökaapelia ei tarvita, tunnetun tekniikan mukaisissa ratkaisuissa ilmeneviä syöttökaapelin ja antennin liitoshäviöitä ei myöskään synny.

Keksinnön mukaisen aallonohjaimen avulla voidaan siis sähkömagneettinen signaali tuoda katvealueille, joissa kentänvoimakkuus muuten on vaimentunut.

20145734 prh 19 -03- 2018

Aallonohjaimella voidaan ohjata sähkömagneettinen aalto haluttuun suuntaan, joka riippuu mm. aallonohjaimen suunnittelusta ja rakenteesta.

Aallonohjaimella saavutettavat pienemmät RF-häviöt, jotka ovat seurausta 5 mm. siitä, että kaapelia ei tarvita, aikaansaavat paremman hyötysuhteen ja siten suuremman kuuluvuusalueen kuin kaapelilla toteutetulla järjestelmällä.

Keksinnön erään edullisen suoritusmuodon mukaisen rakenteen valmistusmateriaali on rakennuksissa käytettävä alumiinipintainen lämpöeristelevy. 10 Tästä syystä keksinnön tämän suoritusmuodon mukainen aallonohjain voi lisäksi edistää rakennuksen lämpöeristystä seinän sisään asennettuna, joten sillä on myös ei-sähkömagneettinen toiminnallisuus.

Keksinnön mukaisen aallonohjaimen rakenne on yksinkertaisempi tavan15 omaiseen passiiviseen antennitoistinjärjestelmään verraten. Lisäksi rakenne voidaan piilottaa rakennuksen seinän sisään, jolloin sillä ei ole tavanomaisten suurten harava-antennien tapaista visuaalista haittaa. Rakenteita on mahdollista järjestää seinän sisälle useita kappaleita, jolloin niiden yhteistoiminta korostuu ja signaalin sieppauspinta-ala kasvaa. Rakenteessa ei tarvita siir20 tymäkohtaa antennista siirtojohtoon, mikä tuo merkittäviä valmistuskustannusten säästöjä. Esimerkiksi siirtymäelementti aaltoputkesta koaksiaalikaapeliin voi maksaa satoja euroja. Nyt esillä olevan keksinnön mukaisessa rakenteetta tällaista siirtymäkohtaa ei ole. Erillisten osien tarpeettomuus myös parantaa rakenteen luotettavuutta, koska hajoavia osia ei ole.

Piirustusten kuvaus

Nyt esillä olevaa keksintöä selostetaan seuraavassa tarkemmin viitaten samalla oheisiin piirustuksiin, joissa kuva 1 esittää erästä tunnetun tekniikan mukaista ratkaisua passiivisen toistimen toteuttamiseksi, kuva 2 esittää keksinnön mukaisen sähkömagneettisia aaltoja ohjaavan 35 laitteen toimintaperiaatetta pelkistetysti,

20145734 prh 19 -03- 2018 kuvat 3a ja 3b esittävät eräitä esimerkkejä aaltojohtimen rakosäteilijöistä ja niiden sähköisistä vastinkytkennöistä, kuva 4a esittää periaatekuvana keksinnön erään suoritusmuodon mukaisen laitteen rakennetta, kuva 4b esittää pelkistetysti kuvan 4a mukaisen laitteen säteilykuvioita, kuvat 5a—5f esittävät keksinnön erään edullisen suoritusmuodon mukaista laitetta eri suunnista tarkasteltuna, kuvat 6a—6e esittävät eräitä mahdollisia rakosäteilijöiden geometrioita, kuva 7 esittää periaatekuvana erästä esimerkkiä kuvan 4a mukaisen laitteen sijoittamista rakennuksen yhteyteen, kuva 8 esittää periaatekuvana erästä toista esimerkkiä keksinnön mukaisen laitteen sijoittamista rakennuksen yhteyteen, kuvat 9a ja 9b esittävät erästä esimerkkiä keksinnön mukaisen laitteen käsittä25 västä rakennuselementistä, kuva 10 esittää periaatekuvana erästä kolmatta esimerkkiä keksinnön mukaisen laitteen sijoittamista rakennuksen yhteyteen, ja kuva 11 esittää periaatekuvana erästä neljättä esimerkkiä keksinnön mukaisen laitteen sijoittamista rakennuksen yhteyteen, ja kuvat 12a—12c esittävät vielä eräitä esimerkkejä keksinnön mukaisen aallon35 ohjaimen sovellusmahdollisuuksista.

20145734 prh 19 -03- 2018

Keksinnön yksityiskohtainen kuvaus

Määritellään selvyyden vuoksi tässä selityksessä käytettäviä termejä. Aallonohjaimella tarkoitetaan sähköä johtavaa rakennetta, joka pystyy vastaanot5 tamaan sähkömagneettista säteilyä ja edelleen säteilemään tätä vastaanotettua sähkömagneettista säteilyä. Aaltoputki on erityisesti suurtaajuisten (UHF, mikroaaltoalue) sähkömagneettisten signaalien siirtämiseen tarkoitettu putkimainen, sähköä johtavaa materiaalia oleva rakenne tai sähköä johtavalla materiaalilla pinnoitettu rakenne. Aaltoputken poikkileikkausmuoto voi olla 10 suorakaide, neliö, kolmio, monikulmio, ympyrä tai jokin muu tarkoitukseen soveltuva poikkileikkausmuoto. Onteloresonaattorilla tarkoitetaan rakennetta, jossa sähkömagneettisten signaalien edetessä muodostuu seisovia aaltoja jollakin onteloresonaattorille ominaisella taajuudella, eli resonanssitaajuudella, tai sen monikerroilla. Jotta tällainen on mahdollista, on onteloresonaattorissa 15 sähkömagneettista säteilyä takaisinpäin heijastava pinta, kuten onteloresonaattorin pääty tai päädyt. Onteloresonaattori on siis aaltoputki, jonka ainakin yhdessä päädyssä on oikosulkurakenne. Rakosäteilijällä tarkoitetaan sähköä johtavassa pinnassa olevia sähköä olennaisesti johtamattomia epäjatkuvuuskohtia, josta sähkövirta ei pääse suoraan etenemään, vaan 20 joutuu kiertämään tämän kohdan. Tällöin tällaisen epäjatkuvuuskohdan yli muodostuu sähkö- ja magneettikenttä, joiden suuruuteen ja suuntaan vaikuttaa mm. aukon geometria. Rakosäteilijän muoto on edullisesti pitkänomainen, rakomainen aukko, eli aukon dimensio yhdessä suunnassa on selvästi suurempi kuin aukon dimensio jossakin toisessa suunnassa, mutta voi olla 25 myös esim, ympyrämäinen. Rakosäteilijästä voidaan käyttää myös nimitystä aukkosäteilijä.

Kuvassa 2 on esitetty nyt esillä olevan keksinnön mukaisen aallonohjaimen 10 toimintaperiaatetta pelkistetysti ja kuvassa 4a on esitetty periaatekuvana 30 keksinnön erään suoritusmuodon mukaisen aallonohjaimen 10 rakennetta ja kuvassa 4b on esitetty pelkistetysti kuvan 4a mukaisen aallonohjaimen 10 säteilykuvioita 18, 19. Aallonohjaimen 10 aaltoputki 11 käsittää ensimmäisen rakosäteilijäjoukon 20 sähkömagneettisten signaalien vastaanottamiseksi ja toisen rakosäteilijäjoukon 22 vastaanotettujen sähkömagneettisten signaalien 35 edelleen säteilemiseksi. Ensimmäisen rakosäteilijäjoukon 20 rakosäteilijät vastaanottavat sähkömagneettisia signaaleja 6. Nämä sähkömagneettiset

20145734 prh 19 -03- 2018 signaalit eivät välttämättä siirry kokonaisuudessaan aallonohjaimeen 10, vaan osa signaaleista heijastuu 7 menemättä aallonohjaimeen 10. Myös aallonohjaimessa 10 voi tapahtua häviöitä 8 erinäisistä syistä johtuen, joten vastaanotetut sähkömagneettiset signaalit voivat jossain määrin vaimentua keksin5 nönkin mukaisessa aallonohjaimessa. Vaimeneminen johtuu pääasiassa metallin johdehäviöistä, sekä eristemateriaalin sähköisistä häviöistä, jotka kuitenkin ovat huomattavasti pienempiä häviöitä verrattuna esimerkiksi koaksiaalikaapelissa tapahtuviin häviöihin nähden. Toisen rakosäteilijäjoukon 22 avulla voidaan vastaanotettuja sähkömagneettisia signaaleja lähettää 10 edelleen, eli aallonohjain 10 säteilee 9 vastaanottamiaan sähkömagneettisia signaaleja. Aallonohjain 10 toimii siis eräänlaisena passiivisena toistimena sähkömagneettisille signaaleille. Näiden edelleenlähetettyjen signaalien suunta voi poiketa vastaanotettujen signaalien suunnasta, kuten jäljempänä tässä selityksessä kuvataan.

Kuvassa 4b on viitenumerolla 18 merkityllä katkoviivalla havainnollistettu ensimmäisen rakosäteilijäjoukon 20 erästä mahdollista säteilykuviota ja vastaavasti viitenumerolla 19 merkityllä katkoviivalla on havainnollistettu toisen rakosäteilijäjoukon 22 erästä mahdollista säteilykuviota.

Aallonohjaimen 10 aaltoputken 11 materiaalina käytetään edullisesti sähköä johtavaa materiaalia, kuten metallilevyä, sähköä johtavaa muovia tms. Metallilevynä voidaan käyttää esim, alumiini- tai kuparilevyä. Eräänä toisena mahdollisuutena on käyttää jotakin sähköä huonommin johtavaa materiaalia 25 tai sähköistä eristettä, joka käsitellään sähköä johtavaksi esim, pinnoittamalla materiaali sähköä johtavalla pinnoitteella.

Aallonohjain 10 muodostaa resonoivan rakenteen, eräänlaisen onteloresonaattorin, jonka resonanssitaajuus riippuu mm. rakenteen dimensioista sekä 30 aukkoresonaattoreiden muodoista ja sijoittelusta. Resonanssitaajuus pyritään valitsemaan sellaiseksi, että se on lähellä aallonohjaimelle 10 ajateltua taajuusaluetta. Esimerkiksi haluttaessa parantaa 900 MHz:n taajuusalueella toimivien matkapuhelinverkon tukiasemien signaaleiden pääsyä jonkin rakenteen, kuten rakennuksen ulkoseinän, läpi, pyritään resonanssitaajuus 35 asettamaan lähelle 900 MHz:ä. Tämä on vain eräs ei-rajoittava esimerkki taajuusalueesta, jolla keksintöä voidaan soveltaa. Muita radiotaajuisessa

20145734 prh 19 -03- 2018 viestinnässä yleisesti käytettäviä taajuusalueita ovat 800 MHz, 1800 MHz, 1900 MHz, 2,1 GHz, 2,4 GHz, 2,6 GHz ja 5 GHz. Joissakin tapauksissa aallonohjain 10 voi toimia useammallakin taajuusalueella, esimerkiksi jonkin perustaajuuden kerrannaisella (esim. 900 MHz ja 1800 MHz). Tällöin toiminta5 moodi näillä eri taajuusalueilla voi kuitenkin olla erilainen, esim, perustaajuudella toimintamoodina voi olla TE10 kun taas ensimmäisellä kerrannaisella toimintamoodi voi olla TE20.

Aallonohjaimen 10 ensimmäisen rakosäteilijäjoukon 20 rakosäteilijät on edul10 lisesti sijoitettu onteloresonaattorin yhdelle pinnalle. Ne ovat aallonohjaimen tason suuntaiselta muodoltaan sopivimmin sellaisia, että aukon läpimitta jossakin suunnassa on erilainen kuin aukon läpimitta jossakin toisessa suunnassa. Toisin sanoen aukkojen muoto ei ole ympyrä. Eräitä edullisia muotoja ovat suorakaide ja soikio, mutta myös muita muotoja voidaan käyttää. En15 simmäisessä rakosäteilijäjoukossa 20 on sopivimmin ainakin kaksi rakosäteilijää 21, jotta aikaansaadaan jonkinlainen vahvistus vastaanotettaville signaaleille verrattuna yhden aukon tilanteeseen. Rakosäteilijät 21 voivat olla yhdessä rivissä tai useammassa rivissä, esim, matriisimuodossa. Toisaalta jos rakosäteilijöitä 21 on kahdessa tai useammassa rivissä, vierekkäisten rivien 20 rakosäteilijät 21 eivät välttämättä ole samassa kohdassa, jotta rakosäteilijöiden 21 aiheuttamat sähkö- ja/tai magneettikentät eivät kumoaisi toisiaan.

Rakosäteilijöiden 21 lukumäärällä ja keskinäisellä sijoittelulla voidaan vaikuttaa mm. suuntakuvioon, eli siihen, mistä suunnasta saapuvia signaaleja vastaanotetaan tehokkaimmin.

Aallonohjaimen 10 toisen rakosäteilijäjoukon 22 rakosäteilijät on myös sijoitettu onteloresonaattorin yhdelle pinnalle, joka ei välttämättä ole sama pinta kuin se pinta, jossa ensimmäisen rakosäteilijäjoukon 20 rakosäteilijät ovat. Toisen rakosäteilijäjoukon 22 sijoittamiseen vaikuttaa mm. se, mihin suuntaan 30 aallonohjaimen 10 vastaanottamat ja edelleen lähetettävät sähkömagneettiset signaalit on tarkoitus suunnata. Joissakin tapauksissa ensimmäinen rakosäteilijäjoukko 20 ja toinen rakosäteilijäjoukko 22 ovat onteloresonaattorin vastakkaisilla pinnoilla. Myöhemmin tässä selityksessä kuvataan tarkemmin erilaisia rakosäteilijäryhmien 20, 22 sijoittelumahdollisuuksia.

20145734 prh 19 -03- 2018

Toisessa rakosäteilijäjoukossa 22 rakosäteilijöitä voi olla esim, vain yksi tai useampia kuin yksi. Myös tämän toisen rakosäteilijäjoukon rakosäteilijät ovat aallonohjaimen 10 tason suuntaiselta muodoltaan sopivimmin sellaisia, että aukon läpimitta jossakin suunnassa on erilainen kuin aukon läpimitta jossakin 5 toisessa suunnassa. Eräitä edullisia muotoja ovat suorakaide ja soikio, mutta myös muita muotoja voidaan käyttää. Toisessa rakosäteilijäjoukossa 22 on sopivimmin ainakin kaksi rakosäteilijää 23, jotta aikaansaadaan jonkinlainen vahvistus vastaanotettaville signaaleille verrattuna yhden aukon tilanteeseen. Rakosäteilijät 23 voivat olla yhdessä rivissä tai useammassa rivissä, esim. 10 matriisimuodossa. Toisaalta jos rakosäteilijöitä 23 on kahdessa tai useammassa rivissä, vierekkäisten rivien rakosäteilijät 23 eivät välttämättä ole samassa kohdassa, jotta rakosäteilijöiden 23 aiheuttamat sähkö ja/tai magneettikentät eivät kumoaisi toisiaan. Rakosäteilijöiden 23 lukumäärällä ja keskinäisellä sijoittelulla voidaan vaikuttaa mm. suuntakuvioon, eli siihen, 15 mihin suuntaan aallonohjain 10 säteilee sähkömagneettisia signaaleja tehokkaimmin.

Joissakin tapauksissa on edullista, että toisen rakosäteilijäjoukon 22 suuntakuvio on suhteellisen laaja, jotta aallonohjaimen 10 edelleen säteilemät sig20 naalit ovat suhteellisen laajalla alueella vastaanotettavissa. Tällöin toisessa rakosäteilijäjoukossa 22 on edullisesti vain yksi, kaksi tai muutamia rakosäteilijöitä 23. Tällainen tilanne voi olla esimerkiksi silloin kun halutaan välittää sähkömagneettisia signaaleja seinän läpi huoneeseen, mahdollisimman laajalle alueelle ao. huoneessa.

Selostetaan seuraavaksi hieman keksinnön mukaisen aallonohjaimen 10 teoreettista taustaa.

Aaltoputki on yhdestä johtimesta koostuva siirtolinja, jonka metalliset reuna30 ehdot, geometriset mitat ja tarkasteltava taajuusalue määräävät sen sisälle muodostuvan kenttäkuvion. Kenttäkuviot, eli moodit, heräävät taajuuden kasvaessa ja kyseisen moodin katkoaaltotaajuuden ylittyessä. Yleisimmin hyödynnetty moodi suorakulmaisella aaltoputkella on TE10 (Transverse Electric), mutta myös muut moodit ovat hyödynnettävissä toistinkäyttöön. TE- ja TM 35 moodit luetellaan poikkipinta-alan dimensioihin mahtuvien puolikkaiden aallonpituuksien mukaan. TE-moodissa sähkökenttä värähtelee sähkömagneet11

20145734 prh 19 -03- 2018 tisen signaalin etenemissuuntaan nähden kohtisuorassa suunnassa ja vastaavasti TM-moodissa magneettikenttä värähtelee sähkömagneettisen signaalin etenemissuuntaan nähden kohtisuorassa suunnassa, mutta sähkökenttään nähden ortogonaalisessa suunnassa. TE10-moodia hyödynnetään 5 sen yksinkertaisuuden vuoksi. Ns. ylimoodatuissa aaltoputkissa kenttäjakauma on usean eri moodin superpositio. Pitkillä aaltoputkirakenteilla TE10moodin etuna korostuu sen pienet häviöt korkeampiin moodeihin nähden. Rakenteen säteily ei kuitenkaan rajoitu vain ensimmäiseen moodiin.

Aaltoputkesta muodostuu onteloresonaattori, kun vähintään sen toinen pää oikosuljetaan. Tällöin oikosuljetusta päästä heijastuva aalto muodostaa aaltoputkeen seisovan aallon kuvion. Eri moodien kentänvoimakkuuteen voi vaikuttaa onteloresonaattorin pituutta säätämällä ja siten oikosulkujen paikoilla. Eri moodien aallonpituudet eroavat toisistaan, joten onteloresonaattorissa on 15 mahdollista korostaa vain haluttujen moodien seisovan aallon voimakkuutta.

Lisäksi, ottamalla huomioon eri moodien pintavirtojen maksimit aaltoputken poikkileikkausprojektiossa, moodien voimakkuuteen voidaan myös vaikuttaa oikosulun paikkaa siirtämällä. Toisin sanoen, aaltoputken päädyn oikosulun ei ole välttämätöntä peittää koko poikkileikkauskuviota.

Aaltoputkessa resonoiva sähkö- ja magneettikenttä luovat ontelon sähköä johtaville pinnoille pintavirtoja, jotka noudattavat Maxwellin yhtälöissä kuvattuja yhtälöitä. Sähkökentän tangentiaalinen komponentti olennaisesti häviää hyvän johteen pinnoilla ja sähkökenttä asettuu johtavilla pinnoilla pinnan 25 normaalin suuntaiseksi. Magneettikentällä taas säilyy tangentiaalikomponentti, joka on olennaisesti yhtä suuri pinnalle muodostuneen pintavirran kanssa. Tarkasteltaessa yhtä moodia kerrallaan, seisovan aaltokuvion maksimit toistuvat puolen aallon välein. Tässä tapauksessa tarkoitetaan aallonpituutta aaltoputkessa, joka on vapaan tilan aallonpituutta suurempi. Kun näitä 30 pinnalle muodostuneita virtakuvioita häiritään erinäisin leikkauksin, kuten viilloin, alkavat raot säteillä niitä kiertävien virtojen ansiosta. Säteilevissä raoissa on myös tunnistettavissa raon kahden vierekkäisen reunan välille syntyvä potentiaaliero niitä kiertävien virtojen aiheuttamana. Raon säteily tehostuu, kun se saatetaan resonanssiin halutulla käyttötaajuudella.

20145734 prh 19 -03- 2018

Useampia rakoja voidaan sijoittaa riviin, kun huomioidaan kaikkien heränneiden aaltoputkimoodien kenttäkuviot ja niistä aiheutuneet pintavirrat. Riviin asetettuna säteilevät resonoivat raot toimivat antenniryhmän tavoin, joten niiden muodostamaa säteilykuviota voidaan tarkastella tunnettujen antenni5 ryhmien suunnittelusääntöjen mukaisesti. Näistä tärkeimpiin lukeutuvat ryhmä- ja elementtikertoimien määrittäminen. Ylimoodatuilla aaltoputkilla taajuuden kasvaessa uusi herännyt moodi vaikuttaa rakenteen säteilyominaisuuksiin. Rakenteeseen leikatuissa rakosäteilijöissä saattavat kahden eri moodin virrat joko kumota tai vahvistaa toisiaan. Virtojen muuttuminen vai10 kuttaa siten myös eri moodeilla syntyviin säteilykuvioihin.

Tavanomaisella suorakulmaisella aaltoputkiantenniryhmällä on tunnettua, että TE10-moodissa voidaan saada aikaan vaakapolarisoitua säteilyä rakenteen leveämpää seinämää leikkaamalla. Pystypolarisoitua säteilyä tavallisesti 15 aikaansaadaan rakenteen kapeampaa seinämää leikkaamalla. Ylimoodatuissa aaltoputkissa monimutkainen virtakuvio jokaisella pinnalla sallii molempien polarisaatioiden säteilemisen rakenteen leveämmältä seinältä.

Passiivinen aaltoputkitoistin on toiminnaltaan lineaarinen ja resiprookkinen. 20 Säteilevän raon ominaisuudet ovat samanlaiset sekä lähetyksessä että vastaanotossa. Tämä koskee myös raoista muodostettua ryhmää (joukkoa). Kun onteloresonaattoriin muodostetaan säteileviä rakoja kahteen erilliseen alueeseen siten, että yksi joukko rakosäteilijöitä näkee saapuvan hyötysignaalin ja toinen joukko näkee katvealueen, tapahtuu seuraavaa. Rakenteeseen saa25 puva sähkömagneettinen aalto kohtaa resonoivat rakosäteilijät. Saapuva sähkökenttä sovittuu rakosäteilijän dimensioihin ja muodostaa raon kahden vierekkäisen reunan väliin aiemmin kuvatusta potentiaalierosta johtuvan sähkömotorisen voiman. Tämä saa aikaan rakoa kiertävän virtakuvion, joka vastaa lähetystilanteessa muodostuvaa virtakuviota. Pintavirrat herättävät 30 onteloresonaattorin sisään resonoivan aaltokuvion, joka on voimakkain niillä moodeilla, joiden toiminnalle rakojen asettelu ja dimensiot on suunniteltu. Rakenteessa värähtelevä kenttäkuvio muodostaa johtaville seinämille pintavirtakuvion Maxwellin yhtälöiden mukaisesti.

Rakenteeseen muodostunut virtakuvio kiertää onteloresonaattorin jokaista johtavaa pintaa. Kun muodostuneet pintavirrat kohtaavat uuden raon, alkaa se

20145734 prh 19 -03- 2018 säteillä, mikäli rako leikkaa virran kulkureittiä. Sijoitettaessa tämä uusi aukko katvealueelle, voidaan passiivisesti siirtää sähkömagneettista energiaa hyvän signaalitason alueelta katvealueelle uudelleensäteilevän rakosäteilijän avulla. Rakosäteilijöitä voi olla yksi tai useampia. Useamman rakosäteilijän asettelu 5 peräjälkeen voi vahvistaa halutusta suunnasta saapuvaa signaalia voimakkaasti. Tällä vahvistuksen kasvattamisella rakenteen hyötysuhde halutuista suunnista saapuville signaaleille voi kasvaa huomattavasti. Ilman vahvistuksen kasvattamista hyötysuhde voi jäädä niin pieneksi, että passiivisesta toistimesta ei ole saatavissa käytännön hyötyä signaalien saattamisessa 10 katvealueille. Tavanomaisin etäisyys TE10-moodin aaltoputkessa rakosäteilijöiden etäisyydelle on puolikas aallonpituus. Ylimoodatuissa aaltoputkissa rinnakkaisia rakosäteilijöitä voidaan käyttää rakenteen säteilyhyötysuhteen kasvattamiseksi.

Tavallisilla passiivisilla antennitoistinrakenteilla on tunnetusti matala hyötysuhde. Kahden antennin väliin kytkettävä kaapeli vaimentaa usein signaalia niin paljon, että kaapelilla toisiinsa kytketyistä passiivitoistimista on saatavissa vain marginaalista hyötyä. Uudelleensäteilevän aallonohjaimen etuna on se, että signaalia ei kuljeteta erillisellä kaapelilla pitkiä matkoja, vaan raken20 teeseen saapuva energia säteilee olennaisesti välittömästi uudelleen samasta onkalosta, joka vastaanottaa saapuvan hyötysignaalin. Tämä tuo huomattavia etuja rakenteen häviöiden minimoinnissa.

Vertikaalisessa suunnassa jonoon asetetut rakosäteilijät kaventavat toistinra25 kenteen säteilykeilaa vertikaalisessa suunnassa. Tällä aikaansaadaan laaja viuhkamainen horisontin kattava säteilykuvio. Tämä voi olla hyödyllistä uudelleensäteilevän aallonohjaimen tapauksessa, koska valtaosa hyötysignaalista, kuten tukiaseman signaalista, todennäköisesti saapuu horisontin suunnasta. Viuhkamaisen horisontin kattavan keilan etuna on se, että se vastaan30 ottaa tehokkaasti oletetusta pystykulmasta saapuvan signaalin, joten tästä suunnasta saapuvan signaalin tapauksessa rakenteen hyötysuhde oleellisesti kasvaa. Kun uudelleensäteilevän aallonohjaimen suuntaavuus horisontaalitasossa voi olla yli 10 dB seinän tai muun esteen ulkopuolella, rakenteen matala hyötysuhde kompensoituu suurella vahvistuksella. On tavanomaista, 35 että rakennuksen seinän yhteyteen asennettavan suuntauselementin fyysiset mitat mahdollistavat 10-20 desibelin suuntaavuuden hyötysignaalin suuntaan.

20145734 prh 19 -03- 2018

Kuten jo edellä on todettu, aukkojen etäisyys toisistaan, niiden suunta ja dimensiot vaikuttavat rakosäteilijöiden säteilyominaisuuksiin, kuten suuntaavuuteen ja polarisaatioon sekä taajuusalueeseen, jolla aallonohjain 10 on tarkoitettu toimivaksi. Nyt esillä olevan keksinnön mukaisessa aallonohjai5 messa 10 aukkojen keskinäinen etäisyys on sopivimmin puoli aallonpituutta (λ/2). Aallonpituus määräytyy siis halutun taajuusalueen mukaan. Mitoitusaallonpituudeksi voidaan valita esimerkiksi halutun taajuusalueen alinta taajuutta vastaava aallonpituus. Aukkojen pituus vastaa esimerkiksi vapaan tilan puolta aallonpituutta.

Kuvat 3a ja 3b esittävät eräitä esimerkkejä aaltojohtimen rakosäteilijöistä ja niiden sähköisistä vastinkytkennöistä.

Katvealueelle säteilevä rakosäteilijäjoukko on mahdollista muokata sen mu15 kaan, halutaanko kattaa laaja viuhkamainen alue katvealueen sisällä, vai halutaanko suunnata säteilyä kynämäisessä keilassa esimerkiksi kapeahkoa käytävää pitkin. Katvealueen rakosäteilijöiden sijoittelulla voidaan tavanomaisesti muodostaa n. 10-20 desibelin suuntaavuus myös katvealueen keilalle. Harvalukuisemmalla rakosäteilijöiden määrällä voidaan pyrkiä esim. n. 5-10 20 desibelin suuntaavuuteen.

Kuvat 5a—5f esittävät keksinnön erään edullisen suoritusmuodon mukaista aallonohjainta 10 eri suunnista tarkasteltuna. Kuvassa 5a on esitetty aallonohjain 10 edestäpäin katsottuna, jolla tässä tapauksessa tarkoitetaan sitä 25 sivua 12, johon ensimmäinen rakosäteilijäjoukko 20 on muodostettu. Kuva 5b esittää aallonohjainta 10 vastakkaisesta suunnasta, eli takaa päin kuvattuna.

Tässä suoritusmuodossa toinen rakosäteilijäjoukko 22 on muodostettu tähän takaseinämään 13. Kuva 5c esittää rakosäteilijän 10 ensimmäistä sivua 14, kuva 5d esittää rakosäteilijän 10 toista sivua 15, kuva 5e esittää rakosäteilijän 30 10 ensimmäistä päätyä 16 ja kuva 5f esittää rakosäteilijän 10 toista päätyä 17.

Tässä suoritusmuodossa aallonohjaimen 10 poikkileikkaus on siis suorakaide, mutta myös muita poikkileikkausmuotoja voidaan käyttää.

Kuvien 5a—5f esimerkissä ensimmäinen rakosäteilijäjoukko käsittää 4 rako35 säteilijää ja toinen rakosäteilijäjoukko käsittää yhden rakosäteilijän, eli tätä voidaan kuvata merkinnällä 4x1. Tämä on vain eräs esimerkki rakosäteilijöiden

20145734 prh 19 -03- 2018 lukumääristä. Muina ei-rajoittavia esimerkkeinä mainittakoon 4x2, 5x2, 9x1, 9x2, 8x6, jne.

Kuvissa 6a—6e on esitetty eräitä mahdollisia rakosäteilijöiden geometrioita.

Kuvassa 6b rakosäteiIijät ovat suorakaiteen muotoista, kun taas kuvissa 6a ja 6c on esitetty rakosäteilijöitä, joissa aukot muodostavat n. 90 asteen kulman. Kuvissa 6d ja 6e on esitetty päistään pyöristettyjä rakosäteilijämuotoja.

Kuvassa 7 on esitetty periaatekuvana erästä esimerkkiä kuvan 4a mukaisen 10 aallonohjaimen 10 sijoittamisesta rakennuksen 30 yhteyteen. Aallonohjain on sijoitettu rakennuksen yhden ulkoseinän 31 sisään siten, että ensimmäinen rakosäteilijäjoukko 20 on suunnattu rakennuksesta 30 ulospäin ja toinen rakosäteilijäjoukko 22 on suunnattu rakennuksen sisätilaan 32 päin. Se, mihin seinään aallonohjain 30 sijoitetaan, voi riippua mm. siitä, mistä suunnasta 15 tulevia signaaleja halutaan välittää rakennuksen sisään. Kuvassa 7 tätä on havainnollistettu tukiasemalla 40, joka on siis em. ulkoseinän 31 suunnassa.

Rakennuksen 30 sisällä aallonohjaimen 10 säteilemiä signaaleja voidaan vastaanottaa esimerkiksi matkapuhelimella 61 tai muulla laitteella, jossa on välineet aallonohjaimen säteilemien signaalien taajuusalueella olevien signaa20 lien vastaanottamiseksi.

Joissakin tapauksissa tällaisia aallonohjaimia voidaan sijoittaa useammallekin kuin yhdelle seinälle, mikäli on tarve johtaa eri suunnista saapuvia signaaleja rakennuksen sisätiloihin. Lisäksi keksinnön mukaisia aallonohjaimia 10 25 voidaan samalle seinälle sijoittaa useampiakin kuin yksi esimerkiksi haluttaessa vielä tehokkaampaa signaalien vastaanottoa tai haluttaessa vastaanottaa useampien eri taajuusalueiden signaaleja samalta suunnalta.

Kuva 8 esittää periaatekuvana erästä toista esimerkkiä keksinnön mukaisen 30 aallonohjaimen 10 sijoittamista rakennuksen yhteyteen. Tässä esimerkissä ensimmäinen rakosäteilijäjoukko 20 on suunnattu rakennuksesta 30 ulospäin kohti tukiasemaa 40 ja toinen rakosäteilijäjoukko 22 on suunnattu rakennuksen kellaritilaan 33. Tällöin aallonohjain 10 voi korkeussuunnassa ulottua kahden kerroksen kohdalle, tässä esimerkissä siis maan tasalla olevan huoneen ja 35 kellarin kohdalle. Tämä voi mahdollistaa esimerkiksi televisiomastosta 41

20145734 prh 19 -03- 2018 lähetettävän televisiosignaalin vastaanottamisen kellariin 33 sijoitetulla TVvastaanottimella 34.

Kuvassa 10 on esitetty periaatekuvana tilanne, jossa keksinnön mukainen 5 aallonohjain 10 on sijoitettu rakennuksen kattorakenteisiin 34 satelliitista 50 lähetettyjen signaalien välittämiseksi rakennuksen 30 sisään.

Kuvassa 11 on esitetty eräs neljäs esimerkki keksinnön mukaisen aallonohjaimen 10 sijoittamista rakennuksen yhteyteen. Tässä esimerkissä rakennuk10 sen ulkoseinään sijoitetulla aallonohjaimella 10 välitetään signaaleja huonetilaan, jossa signaaleja vastaanotetaan wlan-reitittimellä 60, reitittimenä toimivalla matkapuhelimella, tms. Tällöin aallonohjaimen 10 toisen rakosäteilijäjoukon 22 säteilykeila 19 on suunnattu kohti wlan-reititintä, jolloin wlan-reitittimelle pystytään kohdistamaan voimakkaampi signaali. Wlan-reititin muo15 dostaa langattoman sisäverkon (wlan) ja välittää vastaanottamiaan signaaleja tässä langattomassa sisäverkossa. Tässä kuvan 11 esimerkissä käytetään vielä toista aallonohjainta 10’, joka on mitoitettu wlan-reitittimen lähettämien signaalien taajuusalueen mukaan. Tämä toinen aallonohjain 10’ on sijoitettu lattiaan, jolloin Tämä toinen aallonohjain 10’ avulla voidaan laajentaa/parantaa 20 wlan-sisäverkon kuuluvuutta myös rakennuksen 30 kellariin 33.

Kuvan 11 tilanteessa ulkoseinän yhteyteen sijoitettu aallonohjain 10 voi olla sellainen, jossa toisen rakosäteilijäjoukon 22 säteilemien signaalinen voimakkuuden ei tarvitse olla suuri laajalla alueella, vaan riittää, että se on riittä25 vän voimakas wlan-reitittimen läheisyydessä.

Keksinnön mukaisella aallonohjaimella 10 pyritään siis muodostamaan riittävän suuri signaalinvoimakkuus katvealueelle/-alueille, jotta signaalien vastaanotto olisi mahdollista myös tällaisella alueella/alueilla.

Katvealueen rakosäteilijäjoukon suunnittelulla voidaan myös muodostaa alue, jossa paikallinen signaalin voimakkuus ylittää ulkoisesta kentästä vastaanotetun kentänvoimakkuuden. Tämä tilanne saavutetaan, kun katvealueen ulkopuolella käytetään suhteellisesti enemmän rakosäteilijöitä kuin kat35 vealueen sisäpuolella. Vastaanotettu hyötysignaalin energia uudelleensäteillään haluttuun suuntaan. Teho jakautuu jokaiselle uudelleensäteilevälle rako17

20145734 prh 19 -03- 2018 säteilijäelementille. Rakosäteilijälle jakautuva teho riippuu sen mitoista ja suhteellisesta paikasta johtavalla pinnalla. Tätä kuvataan rakosäteilijän konduktanssilla. Käytettäessä harvalukuista rakosäteilijäkeskittymää katvealueella, jakautuu vastaanotettu ja vahvistettu teho vain pienelle määrälle uu5 delleensäteileviä rakosäteilijöitä, jolloin niiden lähellä uudelleensäteillyt teho voi ylittää ulkoisen kentän tehotiheyden.

Uudelleensäteilevän aallonohjaimen etuna on lisäksi se, että niitä voidaan sijoittaa rakennusten jokaiseen seinään ilman visuaalisia ongelmia. Kattamalla 10 useita seiniä ja eri huoneita ei ole tarpeellista tietää signaalin tulosuuntaa.

Uudelleensäteilevä aallonohjain on luontevaa valmistaa rakennuksen lämmöneristyslevyyn, jolloin usean uudelleensäteilevän aallonohjaimen käyttö rakennuksen ulkoseinillä on luontevaa. Rakennuksen usealle seinälle sijoitettuna, leveillä viuhkamaisilla säteilykeiloilla varustetut uudelleensäteilyele15 mentit kattavat laajan alueen rakennusta ympäröivästä signaaliympäristöstä.

Tällä varmistetaan tehokas signaalin vastaanotto, vaikka tarkkaa tulosuuntaa hyötysignaalille ei tiedettäsikään.

Sen lisäksi, että uudelleensäteilevää aallonohjainta voidaan käyttää raken20 nuksen seinän yhteydessä seinän sisään sijoitettuna, sitä voidaan käyttää myös rakennuksen sisäpuoliselle seinälle tai vastaavaan kiinnitykseen ripustettuna, esim, tauluelementtinä. Tässä tapauksessa rakennuksen seinän ei tule sisältää signaalia voimakkaasti vaimentavia kerroksia. Kun uudelleensäteilijän hyötysignaalin suuntaisella seinämällä käytetään signaalia voimak25 kaasti vahvistavaa rakosäteilijäsijoittelua ja vastakkaisella puolella harvalukuista rakosäteilijäkeskittymää, voidaan uudelleensäteilijää käyttää vahvistamaan esimerkiksi langattoman laajakaistan modeemin vastaanottamaa signaalia. Tällöin modeemi tai sen ulkoinen antennielementti tuodaan harvalukuisen rakosäteilijäkeskittymän välittömään läheisyyteen. Vahvistetussa ken30 tässä on mahdollista parantaa huomattavasti vastaanotetun signaalin laatua ja siten mobiililaajakaistan datanopeutta.

Uudelleensäteilevän aallonohjaimen eräs ilmentymä on rakennusten alumiinipintaisiin lämpöeristelevyihin suunniteltuna, mutta toiminta ei rajoitu vain 35 kuvattuihin kohteisiin. Kuvattua tapaa vahvistaa vastaanottosignaalia voidaan

20145734 prh 19 -03- 2018 hyödyntää myös muissa sähköä johtavilla pinnoilla varustetuissa onteloresonaattoreissa, kuten energiaa säästävissä ikkunoissa, huonekaluissa yms.

Vaikka edellä on kuvattu sähkömagneettisten signaalien vastaanottamista ja 5 välittämistä katvealueelle, keksinnön mukainen aallonohjain 10 voi samalla toimia myös toisinpäin, eli vastaanottaa sähkömagneettisia signaaleja toisella rakosäteilijäjoukolla 22 ja säteillä niitä edelleen ensimmäisellä rakosäteilijäjoukolla 20. Tämä voi olla tarpeen erityisesti kaksisuuntaisessa langattomassa kommunikoinnissa, kuten viestittäessä matkapuhelimella. Näin ollen tuki10 asemasignaaleja voidaan välittää rakenteen läpi matkapuhelimella vastaanotettavaksi ja välittää matkapuhelimen muodostamia signaaleja rakenteen läpi lähetettäväksi tukiasemalle.

Selostetaan seuraavassa keksinnön erään edullisen suoritusmuodon mukai15 sen aallonohjaimen 10 toteutusta rakennustarvikkeen 70 yhteyteen viitaten samalla kuviin 9a ja 9b. Tässä esimerkissä käytettävänä rakennustarvikkeena 70 on lämpöeristelevy, jonka molemmat pinnat on päällystetty sähköä johtavalla pinnoitteella, kuten alumiinifoliolla 71, 72. Tähän pinnoitteeseen voidaan tehdä aukkoja, jotka toimivat rakosäteilijöinä. Aukkojen lukumäärä, 20 muoto, sijoittelu ja koko valitaan käyttötarkoituksen mukaan siten, että saavutetaan haluttu resonanssitaajuus ja suuntakuvio. Ensimmäiseen alumiinifolioon 71 tehdään aukotus, joka muodostaa aallonohjaimen ensimmäisen rakosäteilijäjoukon 20 ja toiseen alumiinifolioon 72 tehdään aukotus, joka muodostaa aallonohjaimen toisen rakosäteilijäjoukon 22. Jotta rakenteesta saa25 daan onteloresonaattori, on ainakin kaksi sivua 73, 74 pinnoitettava sähköä johtavaksi esimerkiksi kiinnittämällä näille sivuille 73, 74 alumiiniteippiä, ellei lämpöeristelevyn reunoja ole pinnoitettu sähköä johtavaksi jo valmistusvaiheessa. Sopivimmin alumiiniteippiä kiinnitetään jokaiselle neljälle sivulle 73— 76. Tämän jälkeen rakennustarvike 70 voidaan asentaa rakennuksen seinän 30 sisään muiden lämpöeristelevyjen tavoin ja pinnoittaa seinä molemmilta puolilta.

Tällaisen lämpöeristelevyyn toteutetun aallonohjaimen eräänä etuna on se, että se saadaan piilotettua seinän sisään ja lämpöeristelevy toimii lisäksi 35 lämpöeristeenä, jolloin aallonohjain ei olennaisesti heikennä seinän lämmöneristävyyttä.

20145734 prh 19 -03- 2018

Joissakin tapauksissa edellä kuvatun kaltaisia lämpöeristelevyjä voidaan sijoittaa useampiakin rakennuksen yhdelle ja/tai useammalle seinälle.

Jotta lämpöeristelevyyn tehtävien aukkojen muoto, dimensiot ja sijainnit saa5 daan työmaaolosuhteissa halutuiksi, voidaan työmaalle toimittaa esimerkiksi malline tai mallineita, joita käyttämällä alumiinifolioon saadaan tehtyä tarvittavat aukotukset.

Keksinnön mukaisen aallonohjaimen käsittävä lämpöeristelevy voidaan val10 mistaa jo tehtaallakin, jossa lämpöeristelevyjä valmistetaan. Tällöin saattaa olla tarve valmistaa sähkömagneettisilta ominaisuuksiltaan erilaisia lämpöeristelevyjä, jotta rakennukselle voidaan hankkia kulloistakin tarvetta vastaava aallonohjaimen käsittävä lämpöeristelevy/-levyjä.

Rakennusten alumiinipintaisissa lämpöeristelevyissä ei usein ole perusteltua käyttää liian kapeita lämpöeristelevyjä, joten ylimoodatut aaltoputket voivat soveltua toistimiksi niiden suunnitteluhaasteista huolimatta.

Keksinnön mukaisia aallonohjaimia voi olla mahdollista kerrostaa myös pääl20 lekkäin, esimerkiksi kaksi tai useampia edellä kuvatun kaltaisia lämpöeristelevyjä voidaan asettaa päällekkäin, jolloin muodostuu paksumpi rakenne. Tällaisessa rakenteessa resonoivan moodin herääminen ohuimman dimension suunnassa on estetty. Sen sijaan jos käytettäisiin vain yhtä, mutta paksumpaa aallonohjaimeksi muodostettua lämpöeristelevyä, saattaisi olla 25 mahdollista, että resonoiva moodi heräisi myös levyn ohuimman dimension suunnassa, eli paksuussunnassa. Eräänä ei-rajoittavana numeerisena esimerkkinä mainittakoon lämpöeristelevy, jonka paksuus on 10 cm. Tällöin asettamalla kaksi tällaista 10 cm paksua lämpöeristelevyä päällekkäin yhden 20 cm paksun lämpöeristelevyn sijaan, saadaan aallonohjaimen dimensio 30 ohuimmassa suunnassa pidettyä 10 cm:ssä 20 cm:n sijaan.

Edellä kuvatun aallonohjaimen mukaisen rakenteen eräs käyttökohde on rakennuksen seinän sisällä, mutta sen ei ole välttämätöntä olla seinän sisällä toimiakseen. Keksintöä on kuitenkin mahdollista hyödyntää myös muissa 35 onkalomaisissa rakenteissa, kuten esimerkiksi ikkunoissa, joissa on sähköä johtava pinnoite. Tällöin ikkuna muodostetaan sopivimmin jo valmistusvai20

20145734 prh 19 -03- 2018 heessa sellaiseksi, että lasin pintaan tehdään sähköä johtamattomia kohtia (aukkoja), eli jätetään pinnoittamatta sellaisista kohdista, joihin on tarkoitus muodostaa rakosäteilijät. Lisäksi tällaisessa ikkunassa on kaksi tai useampia laseja, ja että kahteen lasiin on muodostettu edellä esitetyn kaltainen pinnoite.

Lasin kehys on sopivimmin sähköä johtavaa ainetta, mikä aikaansaa sen, että pinnoitetut lasit sekä kehys voivat muodostaa onteloresonaattorin.

Eräinä esimerkkeinä keksinnön mukaisen aallonohjaimen muista sovellusmahdollisuuksista mainittakoon huonekalut. Keksinnön mukainen aallonohjain 10 voidaan toteuttaa esimerkiksi kirjahyllyn, seinän tai pöydän jalan yhteydessä, joista eräitä esimerkkejä on esitetty kuvissa 12a, 12b ja 12c. Kuvan 12a esimerkissä kirjahyllyn 80 yksi sivuseinämä 81 on muodostettu aallonohjaimeksi siten, että sivuseinämän 81 ulkopinnassa on ensimmäisen rakosäteilijäjoukon 20 rakosäteilijöitä 21 ja tähän pintaan nähden vastakkaisessa 15 pinnassa on toisen rakosäteilijäjoukon 22 rakosäteilijöitä 23. Lisäksi sivuseinämän 81 kapeampaan reunaan on muodostettu vielä kolmas rakosäteilijäjoukko 22’. Tämän suoritusmuodon mukainen aallonohjain toimii seuraavasti. Ensimmäisen rakosäteilijäjoukon 20 rakosäteilijöillä 21 vastaanotetaan esimerkiksi matkapuhelinverkon tukiaseman 40 lähettämiä signaaleita 6 (esim. 20 3G, 4G, LTE). Näitä signaaleita välitetään aallonohjaimessa toisen rakosäteilijäjoukon 22 rakosäteilijöille 23 lähetettäväksi 9 ympäristöön (huonetilaan, jossa kirjahylly on). Kuvan 12a esimerkissä näitä signaaleita vastaanotetaan wlan-reitittimellä 60, joka muuntaa matkapuhelinverkosta vastaanotettua informaatiota wlan-verkossa välitettäväksi informaatioksi ja lähettää sitä wlan25 verkon signaaleina 6’. Näitä wlan-verkon signaaleita vastaanotetaan toisen rakosäteilijäjoukon rakosäteilijöillä. Aallonohjaimessa 10 kolmannen rakosäteilijäjoukon 22' rakosäteilijät 23’ lähettävät näitä wlan-signaaleja 9’ eteenpäin huonetilaan, jolloin ne ovat huoneessa olevien wlan-kommunikointia käyttävien laitteiden vastaanotettavissa. Vastaavasti toiseen suuntaan tie30 toa siirrettäessä (eli wlan-kommunikointia käyttävistä laitteista tukiasemalle) aallonohjain toimii päinvastaiseen suuntaan. Kyseinen ratkaisu siis parantaa tukiaseman 40 signaalien kuuluvuutta wlan-reitittimessä ja wlan-reitittimen signaalien kuuluvuutta huoneessa ja mahdollisesti myös viereisissä huoneissa.

20145734 prh 19 -03- 2018

Vastaava toiminnallinen, kahteen eri tiedonsiirtojärjestelmään liittyvä aallonohjain voidaan toteuttaa myös rakennuksen seinien yhteydessä esim, kuvassa 12b esitetyllä tavalla. Myös kuvan 12b mukainen seinän 82 yhteydessä toteutettu aallonohjain käsittää ensimmäisen rakosäteilijäjoukon 20 rakosätei5 lijöitä 21, toisen rakosäteilijäjoukon 22 rakosäteilijöitä 23 sekä kolmannen rakosäteilijäjoukon 22’ rakosäteilijöitä 23’. Ensimmäisen rakosäteilijäjoukon 20 rakosäteilijöillä 21 vastaanotetaan esimerkiksi matkapuhelinverkon tukiaseman 40 lähettämiä signaaleita 6 (esim. 3G, 4G, LTE), joita välitetään aallonohjaimessa toisen rakosäteilijäjoukon 22 rakosäteilijöille 23 lähetettä10 väksi seinän toiselle puolelle. Kuvan 12b esimerkissä näitä signaaleita 9 vastaanotetaan wlan-reitittimellä 60, joka muuntaa matkapuhelinverkosta vastaanotettua informaatiota wlan-verkossa välitettäväksi informaatioksi ja lähettää sitä wlan-verkon signaaleina 6’. Näitä wlan-verkon signaaleita vastaanotetaan toisen rakosäteilijäjoukon rakosäteilijöillä. Aallonohjaimessa 15 10 kolmannen rakosäteilijäjoukon 22' rakosäteilijät 23’ lähettävät 9’ näitä wlansignaaleja eteenpäin huonetilaan, jolloin ne ovat huoneessa olevien wlankommunikointia käyttävien laitteiden, kuten matkapuhelimen 61, kannettavan tietokoneen 62 yms. vastaanotettavissa. Vastaavasti toiseen suuntaan tietoa siirrettäessä (eli wlan-kommunikointia käyttävistä laitteista tukiasemalle) 20 aallonohjain toimii päinvastaiseen suuntaan.

Kuvassa 12c on esitetty vielä pöydänjalan yhteydessä toteutettu aallonohjain

10. Pöydänjalkaan 83, joka toimii aaltoputkena, on muodostettu ensimmäisen rakosäteilijäjoukon 20 rakosäteilijät 21. Pöydänjalan 83 pöytälevyn 84 25 puoleisen pään yhteyteen on muodostettu toinen rakosäteilijäjoukko 22, joka käsittää yhden tai useamman rakosäteilijän. Tällöin toinen rakosäteilijäjoukko 22 säteilee 9 ensimmäisellä rakosäteilijäjoukolla 20 vastaanotettuja signaaleita 6 pöytälevyn yläpuolelle. Tämä merkitsee sitä, että pöytälevyn 83 päällä kentänvoimakkuus voi olla suurempi kuin suoraan tulevan signaalin 6 30 kentänvoimakkuus.

Edellä kuvattujen aallonohjaimien 10 rakenne on mahdollista saada toimimaan suunnitellulla taajuusalueella riippumatta siitä, mitä radiojärjestelmää käytetään. Tällöin aallonohjainta voidaan käyttää mm. seuraavankaltaisten järjes35 telmien signaalien välittämiseen: langaton lähiverkko (wlan), erilaiset matkapuhelinjärjestelmät (kuten GSM, 3G, LTE), satelliittipaikannus, kuten GPS,

20145734 prh 19 -03- 2018 digitaaliset maanpäälliset ja satelliittitelevisiolähetykset (esim. DVB-T, DVBS), jne.

Yhteenvetona edellä olevasta voidaan todeta seuraavaa. Keksinnön mukaisen 5 aallonohjaimen rakenteessa on käyttötaajuusalueellaan resonoiva suljettu ontelo. Koska kyseessä on resonoiva rakenne, rakenteen mitat ovat sopivimmin olennaisesti suunnitellun aallonpituuden neljänneksen kerrannaisia. Rakenne on myös suljettu, eli rakenteen ulkoreunoilla käytetään sähköisesti johtavaa pinnoitetta tai rakenne valmistetaan sähköä johtavasta materiaalista, 10 joka sulkee sähkömagneettisen kentän sisäänsä. Pinnoite/materiaali voi olla mitä vain sähköisesti johtavaa, kuten alumiinia. Pinnoite voi olla myös esim, ikkunoissa käytettävää johtavaa pinnoitetta, kuten titaanioksidipinnoite TO2. Rakenne on esimerkiksi suorakulmaisen aaltoputken muotoinen, mutta muitakin muotoja voidaan käyttää. Sähköisesti johtavat pinnoitteet luovat 15 reunaehdot, jotka määräävät rakenteen sisään syntyvän kenttäjakauman.

Rakenteen toiminta suunnitellaan syntyneiden kenttäjakaumien mukaan.

Rakenteen yhdelle pinnalle suunnitellaan rakosäteilijöistä koostuva joukko.

Rakenteen samalle tai jollekin toiselle pinnalle suunnitellaan myös rakosätei20 lijäjoukko, joka minimissään käsittää yhden rakosäteilijän, mutta niitä voi olla myös useampia. Ensimmäisen ja toisen rakosäteilijäjoukon erottaa mm. siitä, että ensimmäinen joukko on tarkoitus suunnata siten, että se ’’näkee” hyvän signaalin (kuten tukiaseman). Toisen rakosäteilijäjoukon on tarkoitus säteillä vastaanotettu energia katvealueelle. Katvealue voi olla seinän sisäpuolinen 25 tila, tai vaikka esimerkiksi kellari. Ensimmäinen ja toinen rakosäteilijäjoukko voivat toimia samalla pinnalla, jos ne ovat fyysisesti sijoitettuna eri tiloihin siten, että toinen joukko näkee katvealueen.

Rakosäteilijöiden koko määräytyy käytettävän taajuusalueen mukaan. Riittä30 vän tehokas toiminta voi vaatia resonoivan raon tai toimintataajuuden tulisi olla lähellä resonanssia.

Keksinnön mukaisessa aallonohjaimessa sähkömagneettista energiaa ei siirretä mihinkään erilliseen siirtojohtoon tai toiseen antenniin, vaan saapuvan 35 sähkömagneettisen kentän muodostamat virrat säteilevät samasta rakenteesta toiseen ennalta määrättyyn suuntaan.

Nyt esillä olevaa keksintöä ei ole rajoitettu edellä esitettyihin suoritusmuotoihin, vaan sitä voidaan muunnella oheisten patenttivaatimusten puitteissa.

Claims (20)

1. Patenttivaatimukset:

   1. Laite (10) sähkömagneettisten signaalien vastaanottamiseksi ja edelleen säteilemiseksi, joka laite (10) käsittää ainakin aaltoputken (11), tunnettu siitä,

   5 että aaltoputki (11) käsittää:

   ensimmäisen rakosäteilijäjoukon (20) sähkömagneettisten signaalien vastaanottamiseksi, joka koostuu yhdestä tai useammasta rakosäteilijästä (21), ja toisen rakosäteilijäjoukon (22), joka koostuu kahdesta tai useammasta 10 rakosäteilijästä (23) vastaanotettujen sähkömagneettisten signaaleiden perusteella aaltoputkessa (11) muodostettujen sähkömagneettisten signaaleiden lähettämiseksi.
2. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, tunnettu siitä, että aaltoputki (11) 15 käsittää ainakin ensimmäisen päädyn (16) ja toisen päädyn (17), ja että aal- toputki (11) on muodostettu onteloresonaattoriksi oikosulkemalla aaltoputken ainakin ensimmäinen pääty (16).
3. 3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen laite, tunnettu siitä, että ensimmäinen 20 rakosäteilijäjoukko (20) käsittää kaksi, kolme, neljä tai useampia aukkoja, jotka on sijoitettu rivimuotoon tai matriisimuotoon.
4. 4. Jonkin patenttivaatimuksen 1—3 mukainen laite, tunnettu siitä, että ensimmäinen rakosäteilijäjoukko (20) on järjestetty muodostamaan vastaanotet-

   25 tavasta sähkömagneettisesta signaalista sähkömotorinen voima, joka saa aikaan rakosäteilijöitä kiertävän sähkövirran, jolloin aaltoputki (11) on järjestetty muodostamaan aaltoputken (11) sisään resonoivan aaltokuvion, ja että toinen rakosäteilijäjoukko (22) on järjestetty generoimaan mainitun resonoivan aaltokuvion johdosta sähkömagneettista energiaa.
5. 5. Jonkin patenttivaatimuksen 1—4 mukainen laite, tunnettu siitä, että aaltoputki (11) on poikkileikkaukseltaan olennaisesti suorakaiteen muotoinen, jolloin aaltoputki (11) käsittää ensimmäisen seinämän (12), ensimmäiseen seinämään (12) nähden vastakkaisen, etäisyyden päässä olevan ja olennaisesti

   35 yhdensuuntaisen toisen seinämän (13), ensimmäisen sivun (14), ja ensim

   20145734 prh 19 -03- 2018 maiseen sivuun (14) nähden vastakkaisen, etäisyyden päässä olevan ja olennaisesti yhdensuuntaisen toisen sivun (15).
6. 6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen laite, tunnettu siitä, että ensimmäinen

   5 rakosäteilijäjoukko (20) on muodostettu ensimmäiseen seinämään (12) ja että toinen rakosäteilijäjoukko (20) on muodostettu toiseen seinämään (13).
7. 7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen laite, tunnettu siitä, että sekä ensimmäinen rakosäteilijäjoukko (20) että toinen rakosäteilijäjoukko (20) on muodos-

   10 tettu ensimmäiseen seinämään (12).
8. 8. Jonkin patenttivaatimuksen 1—7 mukainen laite, tunnettu siitä, että aaltoputki (11) käsittää lisäksi kolmannen rakosäteilijäjoukon (22’) sähkömagneettisten signaalien lähettämiseksi, joka koostuu yhdestä tai useammasta

   15 rakosäteilijästä (23’), jolloin ensimmäinen rakosäteilijäjoukko (20) on järjestetty vastaanottamaan ensimmäisen taajuusalueen sähkömagneettisia signaaleita, toinen rakosäteilijäjoukko (22) on järjestetty lähettämään edelleen ensimmäisen taajuusalueen sähkömagneettisia signaaleita ja vastaanottamaan toisen taajuusalueen sähkömagneettisia signaaleita, ja kolmas rakosä20 teilijäjoukko (22’) on järjestetty lähettämään edelleen toisen taajuusalueen sähkömagneettisia signaaleita.
9. 9. Jonkin patenttivaatimuksen 1—8 mukainen laite, tunnettu siitä, että aaltoputki (11) on metallia tai että aaltoputki (11) on pinnoitettu sähköä johtavalla

   25 pinnoitteella.
10. 10. Jonkin patenttivaatimuksen 1—9 mukainen laite, tunnettu siitä, että aaltoputki (11) on muodostettu johonkin seuraavista:

    rakennustarvikkeen (70) yhteyteen,

    30 huonekalun (80) yhteyteen.
11. 11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen laite, tunnettu siitä, että rakennustarvike (70) on lämpöeristelevy.

    35
12. 12. Patenttivaatimuksen 10 mukainen laite, tunnettu siitä, että huonekalu (80) on jokin seuraavista:

    20145734 prh 19 -03- 2018 kirjahylly, pöytä.
13. 13. Menetelmä sähkömagneettisten signaalien vastaanottamiseksi ja edelleen säteilemiseksi laitteella (10), joka käsittää ainakin aaltoputken (11), tunnettu siitä, että menetelmässä:

    vastaanotetaan sähkömagneettisia signaaleja yhdestä tai useammasta rakosäteilijästä (21) koostuvalla ensimmäisellä rakosäteilijäjoukolla (20), ja lähetetään vastaanotettujen sähkömagneettisten signaaleiden perusteella aaltoputkessa (11) generoituja sähkömagneettisia signaaleja kahdesta tai useammasta rakosäteilijästä (23) koostuvalla toisella rakosäteilijäjoukolla (22).
14. 14. Patenttivaatimuksen 13 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että menetelmässä aaltoputkea (11) käytetään onteloresonaattorina, jolloin aaltoputken (11) ainakin ensimmäinen pääty (16) on oikosuljettu.
15. 15. Patenttivaatimuksen 13 tai 14 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että vastaanotettavasta sähkömagneettisesta signaalista muodostetaan ensimmäisellä rakosäteilijäjoukolla (20) sähkömotorinen voima, joka saa aikaan rakosäteilijöitä kiertävän sähkövirran, jolloin aaltoputkeen (11) muodostetaan resonoiva aaltokuvio oikosulkemalla aaltoputken (11) ainakin ensimmäinen pääty (16), ja toisessa rakosäteilijäjoukossa (22) muodostetaan mainitun resonoivan aaltokuvion johdosta sähkömagneettista energiaa.
16. 16. Jonkin patenttivaatimuksen 1—12 mukaisen laitteen (10) käyttö sähkömagneettisten signaalien toistimena.
17. 17. Jonkin patenttivaatimuksen 1—12 mukaisen laitteen (10) käyttö sähkömagneettisten signaalien välittämisenä sähkömagneettisia signaaleja vaimentavan rakenteen läpi.
18. 18. Jonkin patenttivaatimuksen 1—11 mukaisen laitteen (10) käyttö rakennustarvikkeena (70).
19. 19. Rakennustarvike (70), tunnettu siitä, että se käsittää jonkin patenttivaatimuksen 1—10 mukaisen laitteen (10).
20. 20. Patenttivaatimuksen 19 mukainen rakennustarvike, tunnettu siitä, että se 5 on lämpöeristelevy.