無線網絡通信系統的電磁場的製作方法
2023-05-12 04:43:56 2
專利名稱：無線網絡通信系統的電磁場的製作方法
技術範圍本發明包括能提供無線通信系統的方法和裝置。更具體而言，本發明的優選實施方案應用高頻，甚高頻和超高頻的低端(HF，VHF和UHF)頻段，在建築物或結構中產生電磁場。建築物或結構中的導體被用做激勵器來產生本地的準靜態電磁場，利用該電磁場可以無線方式連接各種裝置並能不受外界噪聲的過度幹擾。
電信業的許多專家相信，這場通信革命的更新而且更激動人心的階段將要展開。儘管成千上萬臺新增的個人計算機將加入到網際網路上，而許多新的電子裝置將要首次被廣泛地連接到網絡中。KevinKelly在他1998年的名為《新經濟的新規則》的書中估計，世界上目前有六十億隻「晶片在物體中」而不是在計算機中運行。電視，家用電器和照明元器件，加熱和製冷系統，安全報警和辦公設備均能被通過網絡傳輸的信號控制和監視。即使那些使用簡單，單用途晶片的最平常的器具也能由網絡信號監視或控制。
試圖用常規的硬體把許多裝置連接在網絡中的最嚴重的缺陷之一是需要電纜、接口設備和連接端子。在內部建築完成之後才增加電線的情況下，電線暴露在居住或工作地點的內壁，情形更是如此。大量的電線從桌子上垂下來並在地板上亂作一團，有時會危及安全。
最近一項進展是引入了有限數量的包含無線發射和接收機的裝置。許多印表機、膝上型計算機、個人數字助理使用紅外口與計算機系統交換數據。這些紅外裝置具有非常有限的範圍，並且一般需要目標在視線之內。
許多新公司正在嘗試開發無線網絡系統。一個名為0penSkyTM的新公司已由3ComTM和Aether TechnologiesTM組成。BluetoothTM是幾家電信公司尋求在2.45GHz頻段建立連接標準的合作努力的結果。Home RFTM是MicrosoftTM提供的建議的無線網絡系統。Home WirelessNetworksTM也計劃提供無線網絡產品。
在美國，當無線電波被用來連接裝置時，該無線裝置的生產廠商必須保證使之工作於聯邦無線委員會(FCC)規定的特定的頻段和功率限制範圍。FCC分配和協調射頻(RF)波段的使用以保證頻譜的許多不同的使用者之間的幹擾降到最小。FCC分配的某些頻率位於「非執照」頻段，這意味著使用這些頻率不需要從FCC獲得正式的執照許可。聯邦規定碼(Code of the Federal Regulations)的第15部分包含允許無執照的無線發射的條款，如果該發射滿足許多有關功率水平、天線尺寸、距離和其它參數的指導方針。
這些繁雜的政府規章在各種新無線網絡的開發中表現出嚴重的障礙。一個無線網絡不能運行於已把執照發給其他使用者的頻段，而且不能運行於非執照頻段，除非它符合第15部分的嚴格要求。
提供一個高速，易於擴展和靈活的網絡用於連接許多不同的裝置和器具的問題，已經為通信工業的工程師和技術員提出了主要的挑戰。對能夠簡便地連接許多不同的裝置，用相對低的成本，不需電線並且對無線頻譜的其他使用者不產生幹擾的方法和裝置的開發，將會構成電信領域的一個主要技術進展，並將滿足電子和計算機工業的長遠需要。
由於以下原因引起的問題，HF頻段過去未被開發用於通信網絡，1)大氣和人為的高噪聲以及2)該頻譜區域的天線的大尺寸。本發明解決了這些問題，並使該HF頻段能夠用於建築物或住宅內的相互通信。
建築物或住宅相對於在HF到UHF的低端中波長來說是大的。於是電磁場實際上被激勵，由此解決了通常使用的「大天線」的問題。被激勵的接地系統的結構(或管道設備或結構或噴水滅火裝置)組成了屏蔽人為噪聲和銀河噪聲的籠狀物。這種結構包含RF能量。該激勵器建立起來的電磁場不是通常意義上的傳播波。該場不以散射為特徵，而且一般不受非金屬牆或人體的影響。現在整個建築物被激勵並作為無線連接該區域裝置的理想介質。
與上述情形相反的是通常使用FCC的15部分的頻率，2400-2483.5MHz或5727到5850MHz，其中花費數百百萬美元開發建築物或住宅的基礎結構通信系統。這些頻率最低的相應的波長小於5英寸。這樣結構就很大以至於能量以通常的輻射方式傳播。這些頻段的特徵在於導致盲區的散射(scatter)和多路傳播。而且，信號不容易穿過牆壁，並且因人的存在受到嚴重影響。
這些問題通常由在結構中配置許多天線來解決。因而得到的RF環境的特徵在於存在具有接近相同幅度的天線產生的信號空白或零位的幹擾區域。同軸電纜必須布線於整個結構中。這樣「無線」這個詞就變的有爭議了，因為儘管最後的連接是無線的，安裝的電纜卻不是。工作在2400MHz以上得到的益處是天線的小尺寸，通常小於2英寸。因此為此小天線的方便付出了高代價。
在本發明的一個首選實施方案中，射頻信號一般局限於3-30MHz的高頻(HF)，或30-300MHz的甚高頻(VHF)，和300-3000MHz的超高頻(UHF)頻段的低端。這種選擇的結果是以高頻(HF)頻段的100米到10米，以及甚高頻(VHF)頻段的10米到1米的波長。在本發明的一個首選實施方案中，使用的波長應當與在其中產生電磁場的建築物或住宅的尺寸的數量級相當。
該電磁場是非傳播、準靜態型的電磁能量，該能量一般局限於產生它的結構中。與具有使能量從天線向外輻射和傳播的傳播波的常規的無線電不同，本發明建立了一個空間區域或體積，其特徵在於電磁電壓場具有在輸入的無線電信號的頻率上發生變化的幅度。該電磁場一般不與結構外部的無線電裝置產生幹擾。
本發明可用於在一建築物或住宅內建立高速區域網。許多種不同的裝置包括計算機、蜂窩電話、個人數字助理、常規電話、電視、收音機、安全報警器、辦公設備、照明器件、加熱和製冷系統以及許多其他器具可以應用本發明產生的電磁場用無線方式連接起來。任何具有產生信息和受控能力的裝置能夠無線連接到被開發用於以處理這種信息或控制這種功能的企業網上。
通信工業已經認識到住宅或商務建築物內的可連接性是其將來業務增長的關鍵。自1998年初，主要的公司已經日益著手拓展這一市場作為其增長的關鍵。這些公司如IntelTM，Cisco SystemsTM，MicrosoftTM和Sun MicrosystemsTM，與其它許多公司一樣，已經公布了滲透到住宅和建築物內通信市場的計劃。本發明提供了達到此目的的無縫寬帶方案。
可以通過研究優選實施方案和其它實施方案的說明，以及通過參照附圖，以達到對本發明的其它目的和目標的了解以及對本發明的全面和徹底理解。
圖2是諧振腔狀電磁場的示意圖。
圖3是一個典型的牆中有導體的房屋的剖面圖。一個射頻信號發生器與牆內導體耦合以建立房屋內的電磁場。
圖4是本發明的一個實施方案的電路圖。
圖5用圖表示一個典型的房屋裡的不同裝置可以用本發明方法無線連接起來。
圖1提供了常規無線電臺RS的簡化示意圖。包含欲傳送給聽眾的信息的無線電信號通過電纜CBL被饋至高的金屬發射塔T上。該塔由產生無線電波W的導電金屬組成。該場通過空氣傳送或傳輸很長距離，直至到達如圖1房屋H中所畫的一臺無線接收機R。該接收機R檢測信號，並轉換成聽眾能聽到的語音或音樂。
圖1中應用的常規無線電波產生一個被稱為「遠場」的場，因為該無線電波自天線塔向外運動並離開塔，並使遠距離的無線電接收機工作。傳播波依照眾所周知的電磁傳播理論運動，但是，在常人看來，就象平靜的池水中擲入石子後表面的漣漪。常規的無線電設備用可以傳播很遠距離的波向遠處的接收機發射電磁能量。
圖2是特別不同的電磁場的示意圖。這個場是電磁場。為產生這種電磁場，信號S通過與圖2所示的矩形金屬殼體E連接的導體傳送。在殼體內部，所產生的場與圖1所示的「遠場」完全不同。圖2所示的金屬盒中沒有傳播。在其中，包含在盒中的每一點與能量水平或電平大小有關。這些逐點的電平隨激勵盒體的輸入信號頻率和盒體的大小而變化。由於它不能為遠處的接收機產生傳播波，這種電磁場可以稱為「準靜態」場。
如圖2所示，置於盒體內部的接收機能夠探測到信號S，但是，與常規無線電不同，該接收機處在準靜態非傳播波「內部」。更常見的用於激勵產生限定於其壁內的電磁波的導電殼體的技術術語是「諧振腔」。II.本發明的一個優選實施方案本發明應用圖2所示電磁場現象在殼體內產生一個區域或「泡」。該場用於無線連接許多不同的裝置，而更重要的是，不對其它常規的無線電裝置產生幹擾。在本發明的一個優選實施方案中，信號產生於頻率範圍3到30MHz的高頻段(HF)。在本發明的另一個實施方案中，信號產生於頻率範圍30到300MHz的甚高頻段(VHF)。場也可以在UHF頻段(至少到400MHz)的低端產生。
選擇這些特別的頻率範圍很重要，因為，與這些頻率相關的波長一般在其中產生場的結構的尺寸大小的數量級內。這種關係很重要，因為如果結構變的太大，它就變成產生遠場的天線，散射和多路徑因而開始出現。
高頻和甚高頻段對本發明的實現特別有用，因為，常規射頻的用戶通常避而不用它們。事實如此，由於以這些頻率傳播的信號會受到許多不同類型的自然大氣層的人為噪聲的幹擾。
圖3描繪了具有牆體的一個結構或建築物10，該牆體包括通常的金屬導體14，如電接地屏蔽，電線，噴水滅火裝置，水管或建築構件。通過從信號發生器16引入信號，這些導體14被激活或激勵，所述信號發生器通過導線18與導體14的一個或多個相連。在本發明的另一個實施方案中，通過用從信號發生器16發出的電磁能量來激勵導體14，導線18可以去掉。
本發明應用已存在於幾乎所有的建築物和房屋中的金屬部件14作為腔天線以便在建築物或房屋中產生電磁場20。包含接收機的各種裝置22就能以無線方式連成區域網。這個區域網，又可以連接到公用或私用電話線，衛星收發機，或者與外部世界的其它接口上去。
圖4是本發明的一個實施方案的電路圖。該系統有一控制器，它可以是PC裡的一塊卡或一獨立的基站。這個終端被連接到房屋地線系統(或結構或管道等等)用以激勵該空間。許多裝置在此空間內發射並因此與網絡相連。它們的信號被控制器接收。該控制器，它在本發明的一個實施方案中包括一個路由器，分離各自不同的帶寬和/或調製格式的信號，並把它們送到其所編址的目標。如果裝置正受監視，該目標可以是處理器本身，或者是遠端裝置如正從VCR或TV上接收數據的視頻接收機。該目標還可以是正在改變設置的遠端裝置。當頻率小於300MHz時，發射機，接收機和所有其它硬體可以數位化實現。事實上，該系統的一個主要優點是本發明所述的頻率下的硬體要比2400MHz頻段以上的硬體便宜很多。
在本發明的一個實施方案中，與所述空間內導體的連接是通過經由匹配部分然後經由同軸電纜完成的。同軸電纜的輸出與導體相連，留下其屏蔽地不終結。當RF能量被接至一端子(terminal)時，部分能量按期望傳輸，部分被反射。反射的發生是由於激勵器與發生器的阻抗不相等，並且，前者隨頻率而變化，而發生器的阻抗不變化。反射的能量表明效率的損失而應當減少到最低。所述匹配部分轉換激勵器阻抗以在工作頻段內達到最小反射。通常，激勵器須在真實地(trueground)上以0.1到0.4倍波長被連接以達到合理匹配。這限制給定的裝置(attachment)頻段到400％-足以滿足要求。
圖5用繪圖表示應用本發明可以無線方式連接的典型房屋內的各種裝置。
依照本發明的第一方面，本發明提供了一種方法用於產生饋至結構10內導體14的射頻信號。一個準靜態非傳播電磁場20產生於該結構內，並被用來傳送射頻信號至位於結構10裡的接收機22。許多不同的信號可以同時饋至導體，使能多個信號的傳輸。在本發明的一個實施方案中，只要採用合適的濾波以保證合適的信號分離，信號可以用HF，VHF和UHF的低端頻段進行同時傳送。
在本發明的一個實施方案中，本發明可以通過把通常的三插針的電插頭插入到常規的三插槽的電插座中來實現。該插頭具有帶電的第一和第二插針，以及接地的第三插針。信號通過插頭上的接地插針被饋至結構中的電系統的地線上。對接地插針的使用是實現本發明的一種特別方法，但是，對建築物內的水管和導電構件如鋼梁的使用也具有非常重要的優勢，因為它們通常沒有電噪聲。在某些情況下，有可能在頂棚或地板下增加導體14以增強該電磁場。
在本發明的另一個實施方案中，本發明提供了用於建築結構10的信號傳輸系統。這一實施方案應用一射頻發生器16，22以及一個或多個射頻信號接收機，其特徵在於發生器16，22被安排提供其信號到導體14上，並且，響應於該信號，導體被安排在該結構內產生一個準靜態非傳播的電磁場20。
在本發明的一個優選方案中，優選的信號頻率基本上是30MHz，但可以位於3到400MHz範圍的任何位置，優選地是在5到100MHz範圍內，而最好在15到60MHz範圍內。III.無幹擾無線運行選擇高頻，甚高頻和超高頻的低端頻段為本發明的實施提供了兩個重要的優勢。第一，由於其它多數無線服務避免採用這些具有大氣和人為噪聲的頻段，這些頻率一般可用於類似本發明提供的革命性的新服務。第二，這些頻段需要大天線。在30MHz，合適的常規天線尺寸是50英尺，而一個150英尺的常規天線會更適合於10MHz。這些尺寸對這一頻段很合適。對於一個50寬150英尺長20英尺高的建築物來說，該建築物是0.2×1.0×0.2倍30MHz的波長，或是0.1×0.5×0.4倍15MHz的波長。
當電磁場系統工作時，結構內的導電體形成了的一小的柵格組，該柵格相對於HF波長較小，並」阻斷」了源自外界的輻射，大大地減少了大氣和人為噪聲的影響。當柵格小到低於0.5倍波長時，此柵格允當阻止能量穿透的屏蔽。其衰減隨著柵格尺寸(對于波長)的減小而迅速降低。側面有25英尺的柵格開口對30MHz，已足以適合地小而且容易在任何結構中實現。
在VHF和UHF低端頻段，當波長的大小變小時，柵格防護能力慢慢消失。幸而，但是，人為和銀河噪聲減少得更快。後一幹擾通常低於大約40MHz接收機的噪聲。在這些上部頻段，噪聲的屏蔽不是最重要的，而且建築物的激勵可以如上所述繼續工作。然而，當頻率增加時，能量則開始傳播到結構外部。
已經作了從3到30MHz，140到150MHz以及從390到400MHz的實驗性工作。這一實驗證實了上述學說。該實驗被用於在一個商業建築物(100英尺寬200英尺長)和一個兩層樓的住宅裡發射視頻和音頻數據。只要使用濾波，非常有可能在同一個結構中運行多個HF，VHF和UHF頻段。
由於所述電磁場的特殊性質，困擾常規無線通信的許多缺陷，如散射、盲點和多路幹擾被避免。一些更高一點的頻率不能穿過牆體，而且受到人體的嚴重影響。由於HF和VHF波很大，這些問題一般會通過本發明避免。IV.術語在以下說明書和權利要求中，術語「導體」用於描述一種材料，其特徵在於具有傳送和傳輸電流的能力。然而，該術語的使用並不限於典型的導體諸如金屬線、電纜和管道。用於實現本發明的導體可以包括任何物質，其中電子或其它電荷通常自由運動以形成電流，並因此產生場。
類似地，術語「結構」並不意味著限於任何特殊形式地建築物。當被用於本說明書和以下權利要求中時，術語「結構」包括任何完整或部分殼體，或結構的一個部件，包括但不限於構成諧振腔的牆體，隔斷，地面，窗，天棚或屋頂。工業應用本發明的優選實施方案應用高頻，甚高頻和超高頻的低端(HF，VHF和UHF)頻段在一建築物或結構內產生電磁場。該建築物或結構內的導體被用作激勵器以產生一個本地的準靜態電磁場，該電磁場可用於無線連接各種不同的裝置而不受到外部噪聲的過度幹擾。本發明將可以適於各種各樣的用途，包括本地的商業或住宅無線網絡的建立。結論儘管參照特定優選實施方案對本發明進行了詳細敘述，本發明所屬行業的具有一般知識的人員將意識到，在不脫離以下權利要求的實質和範圍的情況下，可以製造不同的改動或增強。上述公開的方法和裝置意欲教給讀者首選實施方案，而不是意欲約束本發明的限制或權利要求的範圍。
參考字母表圖1CBL電纜H 房屋R 無線電RS 無線電臺T 發射塔W 無線電波圖2E 殼體圖310 結構或殼體12 牆體14 導體16 信號發生器18 從信號到導體的連接20 電磁場22 具有接收機的裝置
權利要求
1.一種方法，包括步驟產生射頻信號；以及把上述射頻信號饋至一導體(14)；該導體通常在一結構(10)中；特徵在於本方法還包括步驟在上述結構內產生一個準靜態非傳播電磁場(20)；以及利用該電磁場來傳送所述射頻信號至通常位於該結構內的接收機(22)。
2.如權利要求1所述的方法，其中，所述射頻信號利用高頻頻段產生。
3.如權利要求1所述的方法，其中，所述射頻信號用甚高頻頻段產生。
4.如權利要求1所述的方法，其中，所述射頻信號通常用超高頻的低端頻段產生。
5.如權利要求1所述的方法，其中，所述射頻信號利用一種頻段產生，該頻段的特徵在于波長，以使該結構(10)具有一最大尺寸，該最大尺寸在任何維度上通常小於10倍波長。
6.如權利要求1所述的方法，其中，所述射頻信號利用一種頻段產生，該頻段通常不在HF頻段對所述結構外部產生幹擾。
7.如任一前述權利要求所述的方法，其中，所述射頻信號被利用直接的、硬線連接(18)饋至所述導體(14)。
8.如權利要求1到6任何一個所述的方法，其中，通過利用發射的射頻能量激勵所述導體將所述射頻信號饋至所述導體(14)。
9.如上述任一權利要求所述的方法，其中，所述導體(14)是一電線。
10.如上述任一權利要求所述的方法，其中，所述導體(14)是一水管。
11.如上述任一權利要求所述的方法，其中，所述導體(14)是一建築構件。
12.如上述任一權利要求所述的方法，包括附加步驟利用多個連接，允許在HF，VHF和UHF的低頻段同時運行；以及對所述多個連接進行濾波以保證信號分離。
13.如上述任一權利要求所述的方法，包括附加步驟通過把具有第一和第二電插針，以及第三接地插針的電插頭插入到電插座中來安裝所述接收機；以及通過所述插頭上的第三接地插針把信號饋至所述導體(14)。
14.一種用於其中具有一個或多個導體(14)的建築物結構內的信號傳輸系統，該系統包括一個射頻信號發生器(16，22)，以及一個或多個射頻接收機(22，16)，其特徵在於發生器(16，22)被安排提供其信號到導體(14)上，並且，響應於所述信號，導體被安排在該結構內產生一個準靜態非傳播的電磁場(20)。
全文摘要
本發明用於在建築物或結構(10)中產生電磁場(20)。建築物或結構(10)中的導體(14)被用作一個激勵器以產生一準靜態的電磁場(20),該電磁場可用於無線連接多種不同的裝置而不受外部噪聲的過度幹擾。
文檔編號H04B3/54GK1358341SQ00809509
公開日2002年7月10日 申請日期2000年6月21日 優先權日1999年6月25日
發明者G·G·查德維克 申請人:株式會社科科莫Mb通訊