УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ВОЛНЫ, ЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО И СИСТЕМА
WAVE FORMATION DEVICE, ELECTRONIC DEVICE AND SYSTEM

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устройству формирования волны, электронному устройству, осуществляющему связь с устройством формирования волны посредством пилотного сигнала, и к системе, содержащей такое устройство формирования волны и такое электронное устройство.
Уровень техники
Более конкретно, изобретение относится к устройству формирования волны, содержащему:
- поверхность, которая взаимодействует (отражает или передает) с волной, причем упомянутая поверхность содержит несколько настраиваемых элементов для изменения импеданса упомянутой поверхности и способа, которым волна отражается и/или передается упомянутой поверхностью, и
- контроллер, соединенный с поверхностью для управления каждым настраиваемым элементом.
В патенте США №6538621 описана поверхность с настраиваемым импедансом для управления или фокусировки радиочастотного луча. Она содержит, например, плоский рефлектор, несколько элементов антенной решетки на малом расстоянии от плоского рефлектора и настраиваемые конденсаторы, расположенные между смежными элементами антенной решетки.
В патенте США №7245269 описано применение этой поверхности с настраиваемым импедансом в сочетании с рупорным облучателем для формирования антенны беспроводной сети связи, которая является направленной, то есть можно управлять направлением передачи и/или приема антенны беспроводной сети связи.
Эти устройства являются удовлетворительными.
Раскрытие изобретения
Цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить другие приложения вышеупомянутой поверхности с настраиваемым импедансом.
Изобретение относится к устройству формирования волны вышеуказанного типа, которое отличается тем, что также содержит модуль передачи, который соединен с контроллером, и который принимает пилотный сигнал, и тем, что контроллер управляет настраиваемыми элементами в соответствии с пилотным сигналом, принятым модулем передачи.
Посредством этого контролер может управлять модификацией импеданса поверхности, исходя из информации, содержащейся в пилотном сигнале, принятом модулем передачи.
Устройство формирования волны не зависит от источника, который отправил волну (первичную волну). Например, оно может управляться удаленно (с близкого расстояния) другим электронным устройством, таким как переносное устройство (телефон, устройство доступа к Интернет), которое позволяет модифицировать отражение и/или передачу сигнала, исходя из локальной информации от электронного устройства (т.е. информации из местоположения вблизи от устройства формирования сигнала).
Поверхность с настраиваемым импедансом не соединена с передающей антенной сети. Она может быть расположена на расстоянии от источника волны (сетевой антенны), то есть у пользователя (например, у него дома).
Существует множество применений устройства формирования волны этого типа. Таким образом, можно:
1) улучшить прием волны самим устройством формирования волны, если пилотный сигнал представляет собой принятую волну, либо электронным устройством возле устройства формирования волны; или
2) свести на нет какой-либо прием волны и, таким образом, защитить пространство вокруг определенного местоположения (местоположения устройства формирования волны или местоположения электронного устройства); или
3) блокировать или свести на нет передачу волны, передаваемой передатчиком, создающим помеху, который расположен, например, возле устройства формирования волны.
Волны, принятые и отраженные или переданные поверхностью, могут представлять собой радиоволны (например, от мобильной телефонии) или акустические волны. В первом случае поверхность представляет собой электромагнитную поверхность, как в патенте США №6538621. Во втором случае поверхность представляет собой акустическую поверхность, обладающую управляемым импедансом.
В первом применении импеданс поверхности изменяют для улучшения и точной настройки приема электронным устройством (напр., мобильным телефоном), когда прием затруднен. Часто это происходит из-за сложностей окружающей среды, которые создают множественные электромагнитные отражения и производят существенные локализованные усиления или затухания радиоволны и/или значительные сдвиги по фазе.
Антенну сотовой сети, расположенную на большом расстоянии от электронного устройства, нельзя просто приспособить к такой специфичной обстановке, даже если использовать направленную антенну. Более того, такая направленная антенна сети увеличивает мощность передачи в области, окружающей электронное устройство, не решая вышеупомянутые трудности.
В таком применении изобретение позволяет улучшить прием радиоволн в окрестности электронного устройства связи (переносного устройства, такого как мобильный телефон или устройство подключения к Интернет).
Во втором применении импеданс поверхности изменяют для того, чтобы свести на нет прием электронным устройством. Тогда прием радиоволн в области, окружающей электронное устройство, становится очень слабым.
В таком применении изобретение, наоборот, подавляет всякий прием и, таким образом, защищает эту область (например, если волны считаются вредоносными). Если сигнал представляет собой акустические волны, то этот принцип дает эффект формирования области тишины в шумном окружении на улице или внутри помещения.
В третьем применении изобретение позволяет свести на нет или блокировать передачи от передатчика, создающего помехи, например, передачи от электронного устройства (мобильного телефона) в помещении, в котором расположено устройство формирования сигнала.
В различных вариантах осуществления устройства формирования волны в соответствии с изобретением может использоваться одна или несколько из следующих схем.
В одном аспекте изобретения каждый настраиваемый элемент имеет только два состояния, а состояния всех настраиваемых элементов определяют импеданс поверхности.
В одном аспекте изобретения два состояния соответствуют модулю или фазовым сдвигам.
В одном аспекте изобретения настраиваемые элементы взаимодействуют с волной, распространяющейся в первом канале распространения, а модуль передачи принимает пилотный сигнал, распространяющийся во втором канале распространения, причем второй канал распространения отличается от первого канала распространения.
В одном аспекте изобретения настраиваемые элементы представляют собой электромагнитные элементы, обладающие настраиваемыми электромагнитными свойствами.
В одном аспекте изобретения настраиваемые элементы представляют собой акустические элементы, обладающие настраиваемыми акустическими свойствами.
В одном аспекте изобретения модуль передачи приспособлен для приема только беспроводных передач на близкие расстояния, например, при беспрепятственной дальности передачи менее 100 метров.
В одном аспекте изобретения модуль передачи приспособлен для приема пилотного сигнала от беспроводного подключения к локальной сети, такого как, подключение WiFi, Bluetooth или NFC.
В одном аспекте изобретения модуль передачи приспособлен для приема пилотного сигнала от акустического подключения, которое может быть неслышным, например, в ультразвуковой полосе частот.
В одном аспекте изобретения модуль передачи интегрирован в поверхность.
В одном аспекте изобретения поверхность интегрирована в элемент, выбранный из списка, содержащего следующее:
- элементы конструкции здания, например, бетонный блок, кирпич, изоляция, теплоизоляционная плита, гипсокартон, и
- декоративные элементы здания, такие как деревянный настил пола, ковровое покрытие, плиточное покрытие пола, панель, перегородка, потолок, панель подвесного потолка, и
- мебель, например, письменный стол, шкаф, книжная полка, зеркало, декоративный стол, лампа.
В одном аспекте изобретения устройство формирования волны также содержит активный элемент, соединенный с поверхностью, причем упомянутый активный элемент приспособлен для выделения некоторого количества энергии из волны, принятой поверхностью.
В одном аспекте изобретения устройство формирования волны также содержит активный элемент, соединенный с фотоэлементом, причем упомянутый активный элемент приспособлен для выделения некоторого количества энергии из света.
В одном аспекте изобретения:
- модуль передачи беспроводным образом соединен с электронным устройством посредством пилотного сигнала, при этом упомянутый пилотный сигнал содержит данные от упомянутого электронного устройства, и
- контроллер содержит модуль оптимизации, который минимизирует или максимизирует значение, чтобы определить параметры, причем упомянутое значение определяют, исходя из упомянутых данных, которые являются функцией волны, принятой электронным устройством, и
контроллер управляет настраиваемыми элементами, исходя из упомянутых параметров.
В одном аспекте изобретения значение выбирают из следующего: амплитуда, уровень мощности или показатель качества сигнала, принятого электронным устройством. В одном аспекте изобретения:
- модуль передачи беспроводным образом соединен с электронным устройством посредством пилотного сигнала, при этом пилотный сигнал содержит данные от упомянутого электронного устройства, при этом упомянутые данные являются функцией волны, принятой электронным устройством, и
- контроллер определяет параметры, исходя из упомянутых данных, и управляет настраиваемыми элементами на основе этих параметров.
В одном аспекте изобретения данные представляют собой параметры для непосредственного управления настраиваемыми элементами, а электронное устройство содержит модуль оптимизации, который минимизирует или максимизирует значение, чтобы определить параметры, причем упомянутое значение определяют, исходя из упомянутых данных, которые являются функцией волны, принятой электронным устройством.
В одном аспекте изобретения значение выбирают из следующего: амплитуда, уровень мощности и показатель качества волны, принятой электронным устройством.
В одном аспекте изобретения пилотный сигнал представляет собой волну, принимаемую поверхностью, при этом модуль передачи приспособлен для приема упомянутой волны, а
контроллер содержит:
- модуль контроля, который определяет значение, которое является функцией принятого модулем передачи,
- модуль оптимизации, который максимизирует или минимизирует значение для того, чтобы определить параметры, и
при этом контроллер управляет настраиваемыми элементами, исходя из упомянутых параметров.
В одном аспекте изобретения значение выбирают из следующего: амплитуда, уровень мощности и показатель качества волны, принятой электронным устройством.
Изобретение также относится к электронному устройству, содержащему:
- блок обработки,
- приемный блок, соединенный с процессором и приспособленный для приема сигнала, и
- блок передачи, соединенный с процессором и осуществляющий связь с устройством формирования волны посредством передачи пилотного сигнала.
Электронное устройство содержит модуль мониторинга, который определяет по меньшей мере одно значение, являющееся функцией волны, принятой приемным блоком, и передает данные, которые являются функцией упомянутого значения, на устройство формирования волны.
В различных вариантах осуществления электронного устройства в соответствии с изобретением может опционально использоваться одна или несколько из следующих схем.
В одном аспекте изобретения значение выбирают из амплитуды, уровня мощности или показателя качества волны, принятой приемным блоком.
В одном аспекте изобретения данные содержат упомянутое значение.
В одном аспекте изобретения процессор дополнительно содержит модуль оптимизации, который максимизирует или минимизирует значение, чтобы определить параметры, причем упомянутые параметры передают в данных.
В одном аспекте изобретения:
- блок обработки расположен внутри первого корпуса, а
- модуль передачи расположен внутри второго корпуса, причем первый и второй корпусы соединены друг к другом с возможностью отсоединения для подключения процессора к блоку передачи.
Изобретение также относится к системе, содержащей:
- устройство формирования волны для взаимодействия с волной, как описано выше, и
- электронное устройство, как описано выше,
при этом блок передачи электронного устройства совместим с модулем передачи устройства формирования волны, так что электронное устройство передает пилотный сигнал на устройство формирования волны посредством упомянутого блока передачи и модуля передачи, причем упомянутый пилотный сигнал содержит данные.
Электронное устройство содержит модуль контроля, который определяет по меньшей мере одно значение, являющееся функцией волны, принятой приемным блоком, и передает на устройство формирования волны данные, которые являются функцией упомянутого значения.
В различных вариантах осуществления системы в соответствии с изобретением может опционально использоваться одна или несколько из следующих схем.
В одном аспекте изобретения значение выбирают из амплитуды, уровня мощности или показателя качества волны, принятой приемным блоком.
В одном аспекте изобретения данные содержат упомянутое значение.
В одном аспекте изобретения процессор содержит модуль оптимизации, который максимизирует или минимизирует значение, чтобы определить параметры, причем упомянутые параметры передают в данных.
Краткое описание чертежей
Другие признаки и преимущества изобретения станут очевидны из последующего описания одного из вариантов его осуществления, данного в виде неограничивающего примера со ссылкой на прилагаемые чертежи.
На чертежах:
на фиг. 1 приведен общий схематический вид сети мобильной телефонной связи, содержащей устройство формирования волны в соответствии с изобретением;
на фиг. 2 приведен вид первого варианта осуществления изобретения, показанного на фиг. 1;
на фиг. 3 приведен вид второго варианта осуществления изобретения, показанного на фиг. 1;
на фиг. 4 приведен вид третьего варианта осуществления изобретения, показанного на фиг. 1;
фиг. 5 приведен схематический вид в перспективе офисного помещения, которое использовалось в качестве экспериментального помещения для испытания устройства формирования волны в соответствии с изобретением;
на фиг. 6 приведен вид резонансного настраиваемого элемента устройства формирования сигнала, показанного на фиг. 5;
на фиг. 7 приведен график спектральной передачи между излучающей антенной и приемной антенной в присутствии устройства формирования сигнала, показанного на фиг. 5;
на фиг. 8-11 показаны графики, соответствующие экспериментам усиления принятого сигнала на приемной антенне;
на фиг. 8 приведен график, показывающий значение эффективности в зависимости от числа итераций оптимизации;
на фиг. 9 показан график, отображающий спектр в местоположении приемной антенны в начальном состоянии и в оптимизированном состоянии (после максимизации);
на фиг. 10 и 11 показаны карты амплитуды принятого сигнала вокруг местоположения приемной антенны в начальном состоянии и в оптимизированном состоянии;
на фиг. 12-15 показаны графики, соответствующие экспериментам сведения на нет принятого сигнала на приемной антенне;
на фиг. 12 приведен график, показывающий значение эффективности в зависимости от числа итераций оптимизации;
на фиг. 13 показан график, отображающий спектр в местоположении приемной антенны в начальном состоянии и в оптимизированном состоянии (после минимизации);
на фиг. 14 и 15 показаны карты амплитуды принятого сигнала вокруг местоположения приемной антенны в начальном состоянии и в оптимизированном состоянии;
на фиг. 16 приведена карта, показывающая эффективность усиления принятого сигнала, которую можно получить для различных размеров устройства формирования волны, как функцию различных размеров помещений; и
на фиг. 17 приведена карта, показывающая эффективность нейтрализации принятого сигнала, которую можно получить для различных размеров устройства формирования волны, как функцию различных размеров помещений.
На различных чертежах одинаковые ссылочные позиции используются для обозначения идентичных или аналогичных элементов.
Осуществление изобретения
Изобретение относится к устройству формирования волны. Волна представляет собой основную или первичную волну, которая может иметь электромагнитную, акустическую или вибрационную природу.
Для простоты будем описывать изобретение в основном в контексте его приложения к электромагнитной волне, в частности, для использования в мобильной телефонии. Тем не менее, изобретение применимо к волне любой частотной области.
На фиг. 1 приведен схематический вид, показывающий сотовую сеть связи, которая содержит:
- сетевую станцию 30, отвечающую за передачу и прием радиопередач в первом канале C1 связи (первичный канал распространения волны), например, соответствующую мобильной телефонной станции или устройству подключения к интернет, раздающему интернет внутри здания через WiFi, и
- электронное устройство 20, например, соответствующее мобильному телефону, ноутбуку, оборудованному модулем мобильной телефонии или WiFi-модулем, или любое устройство, оснащенное таким модулем телефонии или WiFi-модулем.
Электронное устройство 20 является мобильным или перемещаемым из одного места в другое. Его питание осуществляют через электрическую розетку или посредством внутренней батареи. Электронное устройство 20 может не быть мобильным, и местоположение электронного устройства 20 можно определить, исходя из различных оснований, которые учитывают качество радиоприема от сетевой станции 30.
В соответствии с изобретением, эта сеть связи дополнительно содержит устройство 10 формирования волны, расположенное на небольшом или на близком расстоянии от подвижного электронного устройства 20. Цель этого устройства 10 формирования волны, например, заключается в том, чтобы улучшить прием электронного устройства 20 в области, охватывающей электронное устройство, и в окрестности устройства 10 формирования волны. Это устройство 10 формирования волны, например, применимо в условиях, в которых происходит много и/или сложные отражения электромагнитных волн, где эти отражения создают помехи приему электромагнитного устройства 20. Устройство 10 формирования волны генерирует другое отражение и/или передачу, которой управляют так, чтобы, например, улучшить прием электронного устройства 20.
Сетевая станция 30 для мобильной телефонии содержит:
- блок 31 связи, который принимает сообщение, которое надо передать на электронное устройство 20 (мобильный телефон),
- сетевую антенну 32, которая передает сообщение посредством передачи радиоволны 40, которая распространяется в первом канале C1 связи.
Первый канал C1 связи представляет собой канал связи, пригодный для мобильной телефонии, например, GSM или UMTS, либо пригодный для вычислительной сети, например, WiFi, Bluetooth или NFC.
Электронное устройство 20 содержит по меньшей мере:
- антенну 22 (или приемное устройство) для приема и передачи радиоволны 43 в первом канале C1 связи, и
- процессор 21, соединенный с упомянутой антенной 22, предназначенный для обработки сигналов от антенны 22 и к ней.
Обычно электронное устройство 20 принимает радиоволну (не показана) от сетевой антенны 32 либо непосредственно, либо опосредовано как отражение от элементов окружающей среды. В контексте настоящего изобретения оно также принимает модифицированную радиоволну 43, возникающую из (отраженной или переданной) модифицированной волны 42, исходящей от устройства 10 формирования волны.
Преимущественно, электронное устройство 20 также содержит блок 23 передачи для беспроводной связи по второму каналу С2 связи.
Устройство 10 формирования волны содержит
- (электромагнитную) поверхность 11, которая отражает и/или передает падающую радиоволну 41 в виде (отраженной или переданной) модифицированной волны 42, причем упомянутые волны распространяются в первом канале C1 связи, и
- контроллер 12, соединенный с электромагнитной поверхностью 11 для управления упомянутой электромагнитной поверхностью 11, в частности, чтобы изменять электромагнитный импеданс, тем самым изменяя то, как падающая волна 41 будет отражаться и/или передаваться в виде модифицированной волны 42.
Это устройство 10 формирования волны преимущественно расположено в местах трудного приема для электромагнитных устройств 20. Поэтому оно находится на небольшом расстоянии от электромагнитного устройства 20. Оно отражает и/или передает падающую волну 41, излучаемую сетевой станцией 30, или отраженную другим элементом окружающей среды или другим устройством формирования волны. Очень упрощенно, модифицированная волна 42 также распространяется затем в первом канале C1 связи, например, к электронному устройству 20 (мобильному устройству).
В патенте США №6538621 показан один тип электромагнитной поверхности, импеданс которой можно адаптировать или модифицировать, которую можно использовать в устройстве формирования волны в соответствии с изобретением. Эта электромагнитная поверхность содержит несколько резонансных элементов, причем каждый резонансный элемент является настраиваемым. Электромагнитная поверхность из этого патента содержит элементы антенной решетки, расположенные на расстоянии от плоского рефлектора, причем смежные элементы антенной решетки соединены друг с другом схемой с переменной емкостью, причем управление каждым переменным конденсатором осуществляют с помощью управляющего потенциала. Соответственно изменяется импеданс электромагнитной поверхности, например, чтобы сфокусировать модифицированную волну или задать направление модифицированной волны.
1
2
2
2
1
Как вариант, электромагнитная поверхность 11 в соответствии с изобретением состоит из нескольких ячеек (настраиваемых элементов, представленных на фиг. 6), при этом каждая ячейка содержит два отдельных резонансных элемента. Первый резонансный элемент резонирует на первой частоте ƒ, а второй резонансный элемент резонирует на второй частоте ƒ, которая отличается от первой частоты, при этом упомянутая вторая частота ƒ также является настраиваемой с помощью переменного конденсатора или с помощью переменного диода. Такая ячейка позволяет отражать падающую волну 41 с положительным знаком или с отрицательным знаком в зависимости от того, близка ли вторая частота ƒ к первой частоте ƒ или нет. Множество ячеек электромагнитной поверхности 11 позволяет получить высокоэффективные модификации импеданса упомянутой поверхности.
Как вариант, множество ячеек (настраиваемых элементов 14) электромагнитной поверхности 11 в соответствии с изобретением имеет один тип поляризации или два типа поляризации. Во втором случае электромагнитная поверхность 11 содержит резонансные элементы первого и второго типа поляризации. Резонансные элементы каждого типа преимущественно распределены по всей поверхности, например, с чередованием. Тогда электромагнитная поверхность 11 обеспечивает управление падающей волной 41 независимо от ее типа поляризации.
Как вариант, множество резонансных или настраиваемых элементов электромагнитной поверхности 11 имеет одну резонансную частоту или две или несколько резонансных частот. Тогда электромагнитная поверхность 11 позволяет управлять диапазоном частот или полосой частот, или несколькими полосами частот в зависимости от близости нескольких частот. Тогда электромагнитная поверхность 11 позволяет управлять падающей волной 41 в заданной полосе частот, которая может быть широкой полосой частот, если множество резонансных элементов покрывает эту полосу частот.
Множество настраиваемых элементов может содержать только два состояния. Поэтому настраиваемый элемент 14 является бинарным элементом. Все состояния настраиваемых элементов задают специфический импеданс для электромагнитной поверхности 11. Два состояния могут представлять собой фазовый сдвиг модифицированной волны относительно падающей волны, или может представлять собой сдвиг амплитуды модифицированной волны относительно падающей волны. Благодаря только этим двум состояниям каждого резонансного настраиваемого элемента 14, число комбинаций сокращается, но его достаточно для процесса оптимизации.
В случае фазового сдвига каждый настраиваемый элемент 14 может отражать или передавать падающую волну в виде модифицированной волны, имеющей сдвиг по фазе относительно падающей волны, причем упомянутый сдвиг по фазе предпочтительно равен ноль радиан для первого состояния (то есть у модифицированной волны фаза не изменилась) и π радиан для второго состояния (то есть модифицированная волна сдвинута по фазе на π радиан, т.е. представляет собой противоположную волну).
Как вариант, фазовый сдвиг равен альфа радиан для первого состояния (где альфа - это угол от нуля до π) и альфа + π радиан для второго состояния.
В случае сдвига амплитуды каждый настраиваемый элемент 14 может отражать или передавать падающую волну в виде модифицированной волны, имеющей сдвиг амплитуды относительно падающей волны (коэффициент усиления), причем упомянутый сдвиг амплитуды предпочтительно равен нулю для первого состояния (то есть модифицированная волна равна нулю) и единице для второго состояния (то есть модифицированная волна идентична падающей волне).
Кроме того, для большей гибкости также можно использовать более двух состояний.
Контроллер 12 устройства 10 формирования волны в соответствии с изобретением управляет, например, всеми настраиваемыми элементами (переменными конденсаторами или диодами) электромагнитной поверхности 11, тем самым, модифицируя импеданс самого настраиваемого элемента и модифицируя импеданс поверхности 11. Эта модификация намного сложнее, чем фокусировка или пространственная направленность. Она меняет пространственное распределение радиоволны в первом канале C1 связи внутри области вокруг устройства 10 формирования волны.
В соответствии с изобретением, устройство 10 формирования волны содержит модуль 13 передачи, соединенный с контроллером. Модуль 13 передачи по сути предназначен для приема волны (приемное устройство) и преобразования ее в пилотный сигнал. Этот пилотный сигнал либо представляет волну (основную или первичную волну), распространяющуюся в первом канале C1 связи, либо другую волну, распространяющуюся во втором канале С2 связи (который отличается от первого канала связи). В некоторых случаях модуль 13 передачи может, как вариант, отправлять информацию на электронное устройство 20.
В первом случае модуль 13 передачи представляет собой передающую антенну, приспособленную для первого канала C1 связи, например, телефонного канала.
Во втором случае модуль 13 передачи представляет собой передающую антенну для второго канала С2 связи, который преимущественно представляет собой канал для связи в ближнем диапазоне, напр., на расстоянии менее 100 метров в области, не содержащей препятствий. На него воздействует меньше или мало помех от элементов окружающей среды.
В первом варианте модуль 13 передачи представляет собой, например, электромагнитную антенну для беспроводной передачи данных, например, WiFi или Bluetooth, а второй канал С2 связи - это электромагнитный канал.
Во втором варианте модуль 13 передачи представляет собой, например, акустический преобразователь, такой как громкоговоритель и/или микрофон или их сочетание, а второй канал С2 связи является акустическим. В этом случае второй канал С2 связи преимущественно находится в неслышимой полосе частот, например, ультразвуковой. Таким образом, мобильное электронное устройство 20 может передавать данные на устройство 10 формирования волны без передачи данных, воспринимаемой пользователем.
Возможны другие варианты модуля 13 передачи. Например, модуль 13 передачи представляет собой оптический преобразователь (ультрафиолетовый или лазер).
Данные, передаваемые во втором канале С2 связи между электронным устройством 20 и устройством 10 формирования волны, могут быть различных типов в зависимости от распределения программных модулей или функций между электронным устройством 20 и устройством 10 формирования волны.
Контроллер 12 модифицирует настраиваемые элементы электромагнитной поверхности 11 в соответствии с пилотным сигналом, принятым модулем 13 передачи, тем самым модифицируя импеданс поверхности 11.
Посредством пилотного сигнала контроллер 12 управляет модификациями импеданса электромагнитной поверхности 11, исходя из информации о волне, принятой либо непосредственно устройством 10 формирования волны (автономная работа), либо посредством электронного устройства 20 (управляемая работа). Так как электронное устройство 20 находится на близком расстоянии от устройства 10 формирования волны, контроллер 12 модифицирует импеданс поверхности 11 на основе информации о волне, принятой возле устройства 10 формирования волны. Поэтому модификацию волны, принятой электронным устройством 20 вблизи или на близком расстоянии от устройства 10 формирования волны, можно лучше настроить или приспособить, чем какую-либо модификацию волны, излучаемой сетевой станцией 30. Таким образом, устройство 10 формирования волны не имеет проводного подключения к сетевой станции 30, и сетевая станция 30 им не управляет. Другими словами, устройство 10 формирования волны, таким образом, не обладает информацией об источнике волны (электромагнитная, акустическая или вибрационная).
В соответствии с первым вариантом осуществления изобретения, представленным на фиг. 2, электронное устройство 20 содержит блок 21а мониторинга, который определяет по меньшей мере одно значение, соответствующее:
- уровню сигнала, принятого антенной 22 (уровню мощности или амплитуде радиосигнала, принятого в течение первого заданного периода времени), или
- показателю качества принятой радиоволны (например, частоте ошибок связи в первом канале связи).
Тогда, электронное устройство 20 передает это значение на устройство 10 формирования волны с помощью блока 23 передачи такого же типа, что и модуль 13 передачи устройства 10 формирования волны (совместимого с ним). Это значение может быть включено в набор данных, переданный блоком 23 передачи электронного устройства 20 на модуль 13 передачи устройства 10 формирования волны. Блок 23 передачи электронного устройства 20, таким образом, излучает волну 50, которая распространяется во втором канале С2 связи к устройству 10 формирования волны в виде волны 51, представляющей собой или называемой "пилотным сигналом". В этом случае второй канал С2 связи отличается от первого канала C1 связи. В этом втором канале С2 имеется меньше помех, чем в первом, и устройство 10 формирования волны легче подключается к электронному устройству 20 для модификации импеданса электромагнитной поверхности 11.
Устройство 10 формирования волны принимает значение с помощью своего модуля 13 передачи, который передает его контроллеру 12.
Контроллер 12 устройства 10 формирования волны содержит:
- модуль 12b оптимизации, который принимает упомянутое значение от модуля 13 передачи и определяет управляющие параметры для электромагнитной поверхности 11, и
- управляющий модуль 12а, соединенный с электромагнитной поверхностью 11, причем упомянутый управляющий модуль 12а применяет управляющие параметры к электромагнитной поверхности, чтобы модифицировать ее импеданс.
Модуль 12b оптимизации выполняет алгоритм оптимизации, исходя из набора (временного) предыдущих параметров, предыдущих значений и текущего значения, предоставленного электронному устройству 20.
Алгоритм оптимизации может представлять собой максимизацию или минимизацию значения. Например, если требуется увеличить интенсивность сигнала, принятого электронным устройством 20, то алгоритм оптимизации ищет максимум. Наоборот, если требуется сократить интенсивность сигнала, принятого электронным устройством 20, то алгоритм оптимизации ищет минимум. За несколько последовательных шагов алгоритм оптимизации предоставляет оптимальный набор параметров.
Затем, управляющий блок 12а контроллера 12 применяет набор параметров, определенных модулем 12b оптимизации, и управляет настраиваемыми резонансными элементами электромагнитной поверхности 11. Это определяет отдельное состояние электромагнитной поверхности 11, которая модифицирует радиоволну 42, отраженную или переданную упомянутой электромагнитной поверхностью 11.
Радиоволна 43, принятая электронным устройством 20, представляет собой сочетание этой отраженной и/или переданной модифицированной радиоволны 42 и радиоволны от сетевой антенны 32. Состояние электромагнитной поверхности 11, таким образом, модифицирует прием радиоволны 43, принимаемой электронным устройством 20.
За несколько последовательных шагов, во время которых контроллер 12 применяет управляющие параметры для электромагнитной поверхности 11, а блок 12а мониторинга электронного устройства 20 получает значения, алгоритм модуля 12b оптимизации, реализуемый контроллером 12, находит набор оптимальных управляющих параметров, соответствующих требуемой цели (критерию оптимизации).
Существует множество известных алгоритмов оптимизации, которые можно применять: LMS (алгоритм минимальной среднеквадратичной ошибки), генетический алгоритм, симплекс метод и т.д.
Как вариант, по завершении оптимизации устройство 10 формирования волны с помощью модуля 13 передачи может передать на электронное устройство информацию, касающуюся выполненной оптимизации, его состояние и производительность.
Электронное устройство 20 не зависит от устройства 10 формирования волны: оно может сообщаться по первому каналу C1 связи даже до того, как будет выполнен или завершен процесс оптимизации импеданса электромагнитной поверхности 11.
В соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения, представленным на фиг. 3, электронное устройство 20 содержит:
- блок 21а контроля, соединенный с блоком 23 передачи, который аналогичен или идентичен такому блоку в первом варианте осуществления, и
- блок 2lb оптимизации, который эквивалентен модулю 12b оптимизации первого варианта осуществления.
Этот блок 2lb оптимизации теперь реализован внутри электронного устройства 20, и оно передает набор параметров на устройство 10 формирования волны с помощью блока 23 передачи. Этот набор параметров может быть включен в набор данных, переданный блоком 23 передачи электронного устройства 20 на модуль 13 передачи устройство 10 формирования волны. Блок 23 передачи электронного устройства 20, таким образом, излучает волну 50, которая распространяется во втором канале С2 связи к устройству 10 формирования волны в пилотном сигнале 51. Второй канал С2 связи отличается от первого канала C1 связи меньшим количеством помех, и электронное устройство 20 легко подключается к устройству 10 формирования волны для модификации импеданса электромагнитной поверхности 11.
Устройство 10 формирования волны принимает набор параметров с помощью своего модуля 13 передачи, а контроллер 12, который содержит только управляющий модуль 12а, применяет этот набор управляющих параметров к электромагнитной поверхности 11, чтобы изменить ее импеданс.
Тогда, устройство 10 формирования волны второго варианта осуществления работает как и в первом варианте осуществления.
В третьем варианте осуществления, показанном на фиг. 4, устройство 10 формирования волны является автономным и содержит модуль 13 передачи, который представляет собой, например, микрофон.
Устройство 10 формирования волны содержит
- модуль 12с контроля, соединенный с модулем 13 передачи, причем упомянутый модуль 12с контроля эквивалентен (аналогичен или идентичен) блоку 21а контроля, реализованному внутри электронного устройства в первом и втором вариантах осуществления,
- модуль 12b оптимизации, который принимает значение от модуля 12с контроля и определяет управляющие параметры, и
- управляющий модуль 12а, соединенный с электромагнитной поверхностью 11, причем упомянутый управляющий модуль 12а применяет управляющие параметры к электромагнитной поверхности, чтобы модифицировать ее импеданс.
Модуль 12b оптимизации, интегрированный в контроллер 12 устройства 10 формирования волны, минимизирует или максимизирует значение, такое как уровень приема акустической волны 51, принимаемой микрофоном 13 и исходящей от неизвестного источника звука. Устройство 10 формирования волны третьего варианта осуществления является автономным.
Тогда, устройство 10 формирования волны третьего варианта осуществления работает как и в одном из предыдущих вариантов осуществления.
Устройство 10 формирования волны является управляемым пассивным устройством, которое потребляет очень мало энергии. Само оно не способно излучать акустическую волну без падающей акустической волны 41.
Во всех вариантах осуществления изобретения устройство 10 формирования волны является устройством, зависящим от сетевой станции 30 и ее антенны. Устройство 10 формирования волны является автономным и отвечает электронному устройству 20, чтобы оптимизировать (максимизировать или минимизировать) прием упомянутого электронного устройства 20.
Устройство 10 формирования волны может принимать вид панели, например, установленной на стене некоторого пространства, помещения, дома или области, которую надо контролировать.
Электронное устройство 20, которое попадает в зону действия этого устройства 10 формирования волны, и которое содержит, например, программный модуль для соединения с помощью своего блока 23 передачи с упомянутым устройством 10 формирования волны, может автоматически запрашивать модификации импеданса электромагнитной поверхности 11 устройства 10 формирования волны.
Электронное устройство 20 может, как вариант, подключаться к нескольким устройствам 10 формирования волны для обеспечения более хорошего контроля за определенной областью пространства.
Устройство 10 формирования волны, как вариант, может подключаться к нескольким электронным устройствам 20, чтобы модифицировать импеданс электромагнитной поверхности 11 в соответствии с несколькими целями каждого электронного устройства. Например, можно модифицировать импеданс электромагнитной поверхности 11 для усиления или увеличения приема на двух электронных устройствах 20. Также можно модифицировать импеданс электромагнитной поверхности 11, чтобы увеличить прием в первой пространственной области вокруг первого электронного устройства и одновременно свести на нет или сократить прием во второй пространственной области вокруг второго электронного устройства.
В первом варианте осуществления каждое устройство 10 формирования волны будет оптимизировать свой набор параметров. Все устройства 10 формирования волны преимущественно идентичны, а электронные устройства 20 выполняют очень небольшой объем обработки и вычислений.
Во втором варианте осуществления электронное устройство 20 может определить наборы параметров для каждого устройства 10 формирования волны, учитывая сочетания, которые могут обеспечить более хорошую электромагнитную настройку и более хороший контроль за областью. Все устройства 10 формирования волны упрощены и предпочтительно идентичны. Тем не менее, электронное устройство 20 будет выполнять больший объем вычислений и больше обработки для определения наборов параметров для всех устройств 10 формирования волны.
Следует отметить, что электромагнитная поверхность 11 представляет собой пассивное устройство, которое потребляет очень мало энергии. Это устройство не испускает дополнительного электромагнитного излучения. Оно модифицирует локальное электромагнитное поле путем перемещения узлов (минимумов) и антиузлов (максимумов) электромагнитного поля. Поэтому это устройство не является усилителем или повторителем волны. Оно потребляет энергию, в основном, из-за контроллера 12 и его модуля 13 передачи на короткие расстояния.
Поэтому устройство 10 формирования волны может представлять собой автономное устройство, питание которого при необходимости происходит от перезаряжаемой батареи.
Устройство 10 формирования волны также может содержать источник электропитания, который может быть соединен с электромагнитной поверхностью 11 для получения некоторого количества энергии из падающей волны. Получаемого количества энергии достаточно для питания устройства 10 формирования волны.
Устройство 10 формирования волны также может содержать источник электропитания, который может быть соединен с фотоэлементом для получения некоторого количества энергии, например, от солнечного света или окружающего света.
Кроме того, устройство 10 формирования волны может содержать средство для подачи энергии на электронное устройство 20. Например, устройство 10 формирования волны включает в себя коннектор для подключения электронного устройства 20 и для зарядки его батареи.
Следует отметить, что местоположение устройства 10 формирования волны в обрабатываемой области важно для его эффективности. Поэтому предпочтителен предварительный этап определения его местоположения. Устройство 10 формирования волны и/или электронное устройство 20 может включать в себя программный модуль для определения упомянутого местоположения.
Кроме того, модуль 13 передачи может состоять из одного преобразователя или из нескольких преобразователей, распределенных в пространстве. В случае третьего применения (блокировки создающего помехи передатчика) эти преобразователи будут распределены так, чтобы сводить на нет излучения на дальние расстояния такого создающего помехи передатчика. Более того, преобразователь или преобразователи модуля 13 передачи могут быть интегрированы и/или распределены на электромагнитной поверхности 11, чтобы образовать одно интегрированное устройство.
Наконец, в случае устройства 10 формирования волны, которое содержит широкополосную электромагнитную поверхность 11 (например, с резонансными элементами с несколькими резонансными частотами), модули 12b, 2lb могут выполнять оптимизацию:
- либо для каждой частоты независимо от другой частоты (в этом случае каждая частота отраженной волны может иметь любую фазу);
- либо для всех частот синхронно. В этом случае каждая частота (отраженной и/или переданной) модифицированной волны может иметь заданную фазу относительно другой частоты. Тогда можно поправить фазу всех частот друг относительно друга для выполнения широкополосной фокусировки.
Кроме того, в различных вариантах осуществления электронное устройство 20 может состоять из двух частей: первой, имеющей первый корпус, включающий в себя по меньшей мере процессор 21, и второй, имеющей второй корпус, включающий в себя по меньшей мере блок 23 передачи.
Первый и второй корпуса присоединены друг к другу с возможностью отсоединения для подключения процессора 21 с блоком 23 передачи. Корпуса могут иметь стыкующиеся формы для крепления, например, упругие зажимы.
Процессор 21 соединен с блоком 23 передачи посредством проводного или беспроводного соединения. Например, они соединены друг с другом через USB-порт.
Благодаря этим признакам, первая часть может представлять собой обычный мобильный телефон, а вторая часть может добавлять к мобильному телефону аппаратные и программные возможности, так чтобы можно было управлять устройством 10 формирования волны.
Устройство 10 формирования волны в соответствии с изобретением имеет множество возможных применений: улучшение приема мобильного телефона в области, где имеются помехи, сведение на нет приема мобильного телефона в определенной области, где мобильные телефоны запрещены, или чтобы защитить от радиоволн, свести на нет прием беспроводных передач, таких как WiFi, в определенной области.
Например, можно разместить электронное устройство 20 над детской кроваткой, а устройство 10 формирования волны внутри детской комнаты. Электронное устройство 20 управляет устройством 10 формирования волны, чтобы исключить какие-либо радиоволны (от сотовых телефонов или WiFi) в области кроватки, не удаляя упомянутые волны во всем доме.
Наконец, модуль оптимизации представляет собой программный модуль, который можно легко реализовать, добавить и обновить в электронном устройстве 20 или устройстве 10 формирования волны. В частности, модуль оптимизации можно легко загрузить через сеть первого канала C1 связи или через сеть второго канала С2 связи.
Различные варианты осуществления изобретения также можно применить к области акустики, в которой первичная волна (источник) представляет собой акустическую волну.
Тогда, устройство 10 формирования волны содержит несколько акустических резонансных элементов, имеющих настраиваемый участок для изменения их импеданса. Эти резонансные элементы, например, представляют собой резонаторы Гельмгольца, содержащие полость и трубку, соединяющую полость с пространством снаружи. Например, полость или труба имеют настраиваемые размерные характеристики. Резонансный элемент также может представлять собой электромагнитный привод, перемещающий мембрану и имеющий подвижную массу. В нем также может использоваться активная мембрана, такая как мембрана из электроактивного полимера.
Это акустическое устройство 10 формирования волны может отражать и/или передавать падающую акустическую волну 41 в виде модифицированной акустической волны 42. Тогда, первый канал C1 распространения является акустическим каналом.
Устройство 10 формирования волны также содержит контроллер 12 того же типа, что уже был описан.
В первом и втором вариантах осуществления, показанных на фиг. 2 и 3, устройство 10 формирования волны имеет беспроводное соединение с электронным устройством 20 для того, чтобы управлять модификациями акустического импеданса устройства 10 формирования волны как функцией волны 43, принятой приемным блоком 22 (микрофоном) электронного устройства 20.
Модуль 12b оптимизации, интегрированный в контроллер 12, либо модуль 12b оптимизации, интегрированный в электронное устройство, позволяет минимизировать или максимизировать, например, уровень приема принятой акустической волны 43.
Наконец, устройство 10 формирования волны или только поверхность 11 может быть непосредственно интегрировано в конструктивный элемент здания: бетонный блок, кирпич, изоляцию, теплоизоляционную плиту, гипсокартон, или любой другой элемент.
Устройство 10 формирования волны или только поверхность 11 может быть непосредственно интегрировано в декоративные элементы здания: деревянный настил пола, ковровое покрытие, плиточное покрытие пола, панель, перегородка, потолок, панель подвесного потолка, или другой элемент.
Устройство 10 формирования волны или только поверхность 11 может быть непосредственно интегрировано в мебель: письменный стол, шкаф, книжную полку, зеркало, декоративный стол и лампу.
Этот элемент содержит по меньшей мере поверхность 11 устройства формирования сигнала или все устройство 10 формирования волны целиком. Питание может осуществляться извне, либо оно может содержать батарею, либо питание может осуществляться удаленно посредством индукции, которая возможно является непрерывной.
Экспериментальные результаты
Проводились экспериментальные испытания электромагнитной поверхности 11 (также называемой настраиваемой метаповерхностью). Способ оптимизации устройства 10 формирования волны или электронного устройства 20 или системы в соответствии с изобретением также тестировался следующим образом. Была создана поверхность 11, которая покрывала одну небольшую часть стен обычного офисного помещения, как показано на фиг. 5.
Электромагнитная поверхность 11, например, состояла из двух панелей Па, lib, каждая из которых содержит массив или решетку настраиваемых резонансных элементов (также называемых единичными ячейками).
ref
ref
0
0
Каждый настраиваемый резонансный элемент 14, например, представляет собой плоский резонатор, как показано на фиг. 6, и может отражать волны с контролируемым сдвигом по фазе. Было принято решение работать с резонаторами, которые находятся на плоском рефлекторе, так как они все равно будут размещены на стенах, которые являются плоскими рефлекторами, хотя и плохими. Для простоты и быстрой сходимости оптимизации был выбран простейший случай бинарной фазовой модуляции, то есть резонатор с двумя состояниями, который отражает волны либо положительно, либо отрицательно; он аналогичен бинарной амплитудной модуляции, реализованной в оптике. Для этого был выбран резонатор с резонансной частотой ƒ, которую можно сдвинуть с применением электронной схемы. Если резонансная частота ƒ установлена так, что она соответствует рабочей частоте ƒ, то резонатор отражает волны на этой частоте со сдвигом по фазе на π. Теперь, если резонансную частоту сдвинуть от ƒ, то резонатор будет прозрачным, и плоский рефлектор будет отражать волны со сдвигом по фазе, равным 0.
ref
0
par
0
1
par
1
ref
par
0
0
0
Была выбрана немного более сложная конструкция, которая состоит из двух сильно связанных или скрещенных резонаторов, как показано на фиг. 6. Первый резонатор 14а называют отражающим резонатором, и он поляризован вдоль своей короткой оси, а его резонансная частота ƒ установлена равной рабочей частоте ƒ, в то время как второй резонатор 14b представляет собой пассивный полосковый резонатор, резонансную частоту которого ƒ можно настраивать от рабочей частоты ƒ до более высокой частоты ƒ с использованием диода 14с. При таком подходе, если резонансная частота ƒ установлена равной более высокой частоте ƒ, резонансная частота ƒ рефлектора не меняется, и он отражает волны с фазовым сдвигом на π (π--состояние). Наоборот, если резонансная частота ƒ сдвинута к рабочей частоте ƒ, то два резонатора скрещиваются, и создается регулятор, дающий две резонансные частоты ƒ- и ƒ+ вокруг ƒ. В этом состоянии на рабочей частоте ƒ, регулятор снова является прозрачным, и волны отражаются плоским рефлектором с нулевым сдвигом по фазе (0-состояние).
Эта конструкция дает значимые преимущества: отражательные свойства резонансного элемента 14 нечувствительны ни к потерям, ни к изменениям импеданса электронных компонентов, а также к припою, размещенному только на пассивном резонаторе.
2
0
Электромагнитная поверхность 11 представляет собой пространственный микроволновой модулятор SMM, имеющий площадь приблизительно 0,4 м, содержащий 102 настраиваемых резонансных элемента, расположенных друг о друга на расстоянии, равном половине длины волны на рабочей частоте ƒ=2,47 ГГц, то есть 6 см. Эта настраиваемая метаповерхность, толщиной 1,5 мм, представляет собой интеллектуальную стену.
3
Экспериментальная установка офисного помещения схематично показана на фиг. 5. Управление 102 резонансными элементами осуществлялось с использованием двух контроллеров Arduino, каждый из которых имеет 54 цифровых выходных канала. Для измерения передачи между излучающей антенной S и приемной антенной R использовался сетевой анализатор Agilent. Приемная антенна R представляет собой обычную несимметричную антенну или электрооптический датчик, если реализовано пространственное сканирование. Использовались коммерческие несимметричные Wi-Fi антенны, поляризованные вдоль той же оси, что и резонансные элементы 14 электромагнитной поверхности 11. Излучающая антенна S размещена далеко вне видимости и приемной антенны R, и электромагнитной поверхности 11, внутри меблированного и, следовательно, рассеивающего офисного помещения (фиг. 5), имеющего размеры 3×3×4 м, тем самым, создавая во всем помещении и, в частности, на интеллектуальных стенах случайное микроволновое поле. Приемная антенна R размещена, например, на расстоянии один метр от электромагнитной поверхности 11.
0
Для начала охарактеризуем электромагнитную поверхность 11. Для этого измеряет резонансную частоту каждого резонансного элемента 14 массива в 0- и π- состояниях, используя датчики поля в ближней зоне. Гистограмма резонансных частот показывает, что распределение в π-состоянии является сравнительно узким и центрированным на рабочей частоте ƒ, в то время как распределение в 0-состоянии несколько шире из-за электронных компонентов, но все еще перекрывается с распределением в π-состоянии.
102
Также оцениваем полосу частот (см. фиг. 7) электромагнитной поверхности 11, отображая 11000 случайных конфигураций (из 2 сочетаний 102 резонансных элементов решетки электромагнитной поверхности) и измеряя стандартное отклонение передачи между излучающей антенной S и приемной антенной R. Это выполняют для 10 различных положений излучающей антенны S для усреднения. Это действие сглаживает спектральные вариации передачи, возникающие из-за помещения, и дает оценку эффективности электромагнитной поверхности 11 как функцию частоты. Мы измеряем полосу частот вокруг 100 МГц, которую можно приписать к полосе частот каждого резонансного элемента и распределению их размеров из-за погрешностей изготовления.
В экспериментах использовался SMM для оптимизации многократно рассеянных волн, имеющихся в офисном помещении, и использования их для различных целей. Для простоты эксперимента источник микроволн представляет собой сетевой анализатор, соединенный с излучающей антенной S. Он дает случайное поле, аналогичное полю, создаваемому любым беспроводным источником, таким как базовая станция или Wi-Fi. Более того, так как используемая обратная связь не является когерентной, то оптимизация этого электромагнитного поля или любого другого поля строго эквивалентны.
1) Применение для улучшения беспроводного приема сигнала:
Теперь используем напряженность как механизм обратной связи, чтобы пассивно оптимизировать отражение многократно рассеянных волн от электромагнитной поверхности 11, так чтобы они фокусировались на приемной антенне R. А именно, начнем с равномерно отражающей электромагнитной поверхности 11 (все пиксели находятся в 0-состоянии). Затем, многократно переключаем каждый пиксель массива в π-состояние и для каждого измеряем напряженность, принятую на приемной антенне R, используя сетевой анализатор. Эту энергетическую обратную связь с помощью компьютера подают на электромагнитную поверхность 11, то есть, если принятая энергия выше, то пиксель остается в π-состоянии, в противном случае его переключают обратно в 0-состояние. При реальном применении приемная антенна R может представлять собой смартфон, который использует приложение, измеряющее в режиме реального времени число бинарных ошибок осуществляемой связи, которое отправляет бинарную обратную связь, основанную на этой оценке, на электромагнитную поверхность 11, например, используя низкочастотный ультразвук. Для усреднения выполнялось 30 оптимизаций. Для каждой итерации сканировали микроволновое поле до и после оптимизации с использованием невозмущающего электрооптического датчика.
На фиг. 8 показана эффективность η для напряженности, полученной с использованием оптимизации, заданной как отношение между напряженностями, измеренными после и перед максимизацией. На фиг. 9 показан соответствующий спектр напряженности передачи между излучающей антенной S и приемной антенной R до максимизации (непрерывная линия) и после максимизации (пунктирная линия). На фиг. 9 показаны карты напряженности поля вокруг приемной антенны R, расположенной в точке с координатами (0,0) до максимизации, а на фиг. 10 - после максимизации. Ясно видно, что хотя излучающая антенна S находится вне зоны видимости как приемной антенны R, так и электромагнитной поверхности 11, электромагнитная поверхность 11 может пассивно фокусировать многократно рассеянные волны на приемной антенне R в фокусном пятне, ширина которого равна половине длины волны. Это буквально превращает случайное волновое поле в сфокусированное, тем самым, обеспечивая на приемной антенне R полный коэффициент усиления 8,5 дБ, почти десяток. Соответствующий спектр подтверждает это заключение и показывает, что эффект остается на полосе частот приблизительно 30 МГц, ограниченной корреляционной частотой офисного помещения. На вставке на фиг. 8 показана фазовая маска, полученная в конце оптимизации. Черный квадрат в сетке показывает фазу 0 резонансного элемента, а белый квадрат в сетке показывает фазу π резонансного элемента. Это снова доказывает, что поле электромагнитной поверхности 11 является случайным.
Вышеприведенные эксперименты также были проведены для 30 реализаций. Данные были нормализованы измеренной средней напряженностью до оптимизации. Это показывает, что средняя полученная эффективность η равна 8,5 дБ с минимумом 5 дБ для напряженности, которая была сравнительно высокой до оптимизации, и максимумом 35 дБ, более чем на три порядка величины, для очень низкой начальной напряженности. В пространстве в среднем поле плотно сфокусировано вокруг приемной антенны R, в фокусном пятне, ширина которого равна половине длины волны. Спектр средней напряженности, который до оптимизации является почти плоским, что означает, что 30 реализаций почти стерли эффект рассеяния и реверберации, ясно показывает пик на частот 2,47 ГГц после оптимизации как признак эффекта фокусировки.
2
3
Также были выполнены эксперименты, когда и приемная антенна R, и излучающая антенна S находятся вне зоны видимости друг друга и электромагнитной поверхности 11, причем три части находятся друг от друга на расстоянии около 3 метров. Результат доказывает, что даже в худшем случае реализуема эффективность η от 1,5 дБ до 6 дБ со средним 2,5 дБ. Стоит отметить, что используемая электромагнитная поверхность 11 имеет площадь всего 0,4 м по сравнению с общей площадью стен офисного помещения, имеющее размер 3×3×4 м. При использовании большего SMM (электромагнитной поверхности 11) эффективность подхода существенно увеличивается.
2) Применение для защиты объемов от проникновения микроволн:
Теперь используем обратную связь о напряженности, чтобы устранить электромагнитное поле в заданном объеме с помощью интерференции.
Чтобы продемонстрировать это, применим такую же процедуру оптимизации, что и раньше, но при этом цель заключается в минимизации энергии. Минимизируют прием на приемной антенне R, которая снова расположена в положении (0,0), а для сканирования поля до и после минимизации без его возмущения использовался электрооптический датчик. Было выполнено 30 измерений, чтобы их усреднить, и опять во время процедур обратная связь об энергии передавалась компьютером на электромагнитную поверхность 11. В практическом применении можно использовать пассивный микроволновой приемник для измерения электромагнитной энергии на наборе датчиков и отправки обратной связи на электромагнитную поверхность 11, чтобы, например, защитить заданный объем от проникновения микроволн Wi-Fi.
Аналогично максимизации, результаты одной реализации минимизации представлены на фиг. 12-15, включая измеренный спектр напряженности и карты до и после оптимизации, а также спад эффективности η (отношения напряженности до и после минимизации) как функции числа итераций. Они доказывают, что оптимизированная случайная фазовая маска, в отличие от голой стены, позволяет снизить электрическое поле на приемной антенне R примерно на 25 дБ. Пространственное сканирование и спектр напряженности также подтверждают, что поле было локально устранено на частоте около 2,47 ГГц.
0
Результаты 30 реализаций показывают, что усреднение было выполнено корректно, так как средняя напряженность поля является почти константой при начальном пространственном сканировании, и усредненный начальный спектр является почти плоским на рассматриваемой полосе. 30 измерений доказывают, что поле действительно можно устранить в желаемом месте вокруг рабочей полосы ƒ в объеме около половины длины волны в кубе до уровня, который в данном случае ограничен шумом измерений примерно -28 дБ. Очевидно, что более высокие начальные напряженности приводят к большей эффективности η около 35 дБ, в то время как более низкие начальные напряженности приводят к падению напряженности около 20 дБ, причем все реализации сходятся к уровню экспериментального шума.
Теоретический анализ
0
После этих экспериментов необходимо численно оценить возможную выгоду, которую может дать этот подход с точки зрения экономии энергии для беспроводной связи или с точки зрения электромагнитной защиты. Для начала, применяемый способ представляет собой формирование фронта волны внутри реверберирующей среды и использование электромагнитной поверхности 11. Типичное внутреннее помещение представляет собой полость для электромагнитных волн, хотя и пропускающую. Измерение отдачи интеллектуальных стен состоит в оценке числа и пространственных мод, управление которым осуществляют с помощью электромагнитной поверхности 11 относительно общего числа пространственных мод Ν, которые задействованы в волновом поле в заданном помещении на рабочей частоте ƒ. Это позволяет вычислить коэффициенты η средней эффективности или падения напряженности, которые можно достичь для данной электромагнитной поверхности 11 в данном помещении.
R
H
coor
В модели для простоты поле является скалярным, резонансный элемент 14, принадлежащий электромагнитной поверхности 11, отражает волны изотропично, и помещение аппроксимировано кубической полостью объема V, при этом часть его стен покрыта электромагнитной поверхностью 11, имеющей площадь S. Рассматриваем полость правильной формы, хотя помещения могут иметь неправильную форму и обычно являются меблированными и, следовательно, неупорядоченными, но последние служат для вычисления модальной плотности, которая в среднем равна для правильных и случайных полостей. Полость можно описать двумя характеристическими значениями времени. Первое - время t реверберации - представляет собой среднее время, которое фотон проводит в полости: формально оно эквивалентно времени Таулесса в неупорядоченной среде. Второе - время τ Гейзенберга - представляет собой время, которое требуется фотону для распространения внутри полости для разложения на все свои дискретные собственные моды. Величина, обратная времени реверберации, представляет собой частоту ƒ корреляции среды:
coor
Частота ƒ корреляции соответствует полосе частот, в которой моды полости являются спектрально когерентными. Для оценки общего числа пространственных мод N, нам надо вычислить число собственных мод полости, которые перекрываются на одной частоте корреляции полости. Это число приблизительно задано временем Гейзенберга, которое равно модальной плотности полости, умноженной на частоту корреляции среды:
H
corr
N=τƒ.
0
Для кубического объема V на рабочей частоте ƒ, если с - скорость света, оно равно:
Что касается числа n мод, управляемых электромагнитной поверхностью 11, оно задано отношением между ее площадью и площадью корреляции поля в помещении, которое в нашем случае равно площади резонансного элемента 14:
Когда электромагнитная поверхность 11 не оптимизирована, она ведет себя как обычная стена. В любом месте в помещении поле представляет собой некогерентную сумму N пространственных мод: следовательно, изменение его нормы сопоставимо со случайным блужданием: . Цель оптимизации заключается в сложении фаз n мод, управляемых с помощью электромагнитной поверхности 11, чтобы максимизировать поле или свести его норму к нулю. Поле после оптимизации представляет собой некогерентную сумму неуправляемых N-n мод плюс или минус когерентная сумма n управляемых мод. Следовательно, можно записать коэффициенты эффективности или падения напряженности, даваемые электромагнитной поверхностью 11, следующим образом:
где
+ соответствует максимизации поля при условии n≤N, а
- представляет минимизацию, которая действительна только .
Наконец, это позволяет количественно определить коэффициенты эффективности и падения напряженности как функцию параметров интеллектуальных стен и помещения на рабочей частоте:
что можно аппроксимировать следующим образом
если n<<N.
Вышеприведенное уравнение дает средний коэффициент усиления, получаемый с использованием интеллектуальных стен в помещении, или площадь электромагнитной поверхности 11, требуемую для локального усиления или устранения электромагнитного поля.
0
2
3
2
3
2
3
2
На фиг. 16 и 17 показана эффективность (увеличение и падение напряженности) как функция объема V помещения и площади S электромагнитной поверхности для частоты корреляции 30 МГц, как было оценено экспериментально, и для рабочей частоты ƒ, равной 2,47 ГГц. На фиг. 16 получено среднее усиление 20 дБ беспроводного приема с площадью электромагнитной поверхности 11, равной 2,5 м, в помещении объемом 40 м. В этой конфигурации система позволит снизить мощность излучения беспроводных источников, будь то базовые станции или Wi-Fi устройства, в 100 раз, не нарушая качество приема. На фиг. 17 электромагнитное поле в заданных местах было устранено с использованием небольшой электромагнитной поверхности 11. Например, электромагнитная поверхность 11, имеющая площадь 0,3 м, полностью устраняет поле в любом месте помещения, имеющего объем 40 м. Конечно, для защиты больших объемов от проникновения микроволн требуется интеллектуальные поверхности большего размера. Наконец, используя эту модель и учитывая только бинарную фазовую модуляцию, получено среднее усиление 4,9 дБ для изготовленной электромагнитной поверхности площадью 0,4 м, которую применяли в экспериментальном офисном помещении 3×3×4 м, как раз между лучшим и худшим измеренными случаями, а для локального устранения поля, согласно проведенным экспериментам, минимальная необходимая площадь электромагнитной поверхности 11 равна 0,45 м. Это свидетельствует о том, что модель точно предсказывает действенность нашего подхода.