УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ПРИЕМА И РЕТРАНСЛЯЦИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ СИГНАЛОВ
APPARATUS AND METHOD OF RECEIVING AND RELAYING ELECTROMAGNETIC SIGNALS

Область техники
Изобретение относится к устройству для приема и ретрансляции электромагнитных сигналов через энергоэффективные структуры окон или стен. Изобретение относится также к способу приема и ретрансляции электромагнитных сигналов.
Уровень техники
В задачи строительной промышленности входит возведение зданий, пассивных в энергетическом отношении и не излучающих энергии. Это приводит к тому, что эффективная теплоизоляция сильно ослабляет сигналы мобильных телефонов и других беспроводных систем, так что может даже оказаться невозможным использовать мобильный телефон внутри здания. Существует много причин ослабления сигнала, причем, как было установлено, одной из них является использование так называемых селективных (селективно пропускающих) стеклянных панелей, т.е. окон, ламинированных электропроводным покрытием.
Один из трендов в энергоэффективном строительстве направлен на уменьшение потерь энергии, расходуемой на нагревание зданий. В зависимости от географической зоны, обеспечение энергоэффективности концентрируется либо на поддержании зданий теплыми в зимнее время, либо на поддержании температуры охлаждаемого воздуха в более теплых регионах. В каждом из этих случаев интерес представляет управление потоками теплого и холодного воздуха. Отмеченный тренд энергоэффективного строительства приводит к ситуациям, когда электромагнитные сигналы не могут проникать внутрь зданий без значительного ослабления. Мобильные телефоны, планшеты, датчики Интернета вещей (IоТ) и многие другие беспроводные устройства используют сотовую связь, и повышенное ослабление сигнала может ограничить применимость подобных устройств и их скорость передачи данных.
Может оказаться необходимым предотвратить слишком сильное ослабление не только сигналов сетей мобильной коммуникации, но также и сигналов других беспроводных сетей, которые могут быть использованы для коммуникации между внутренним объемом здания и наружным пространством. Например, в будущем могут стать более популярными различные типы коммуникации на основе беспроводных локальных сетей (WLAN), например в варианте голосовой связи. Таким образом, уменьшение ослабления сигналов при конструировании и строительстве зданий может становиться все более и более важным.
Здания, изготовленные из железобетона, также могут характеризоваться весьма сильным ослаблением электромагнитных сигналов вследствие присутствия армирующих стальных решеток и/или балок, приводящих к значительному ослаблению интенсивности сигналов внутри здания.
Еще одной причиной ослабления сигнала является использование так называемых селективных стеклянных панелей, т.е. окон, ламинированных электропроводными покрытиями с целью улучшить энергоэффективность. Как правило, сигналы беспроводных систем могут проходить в здания через окна, но электропроводные покрытия могут вызывать, в зависимости от частотного диапазона, ослабление вплоть до десятков децибел. Ранее электромагнитные сигналы, в дополнение к окнам, были способны проходить через стены здания, но теплоизоляционные листы с покрытием из алюминия, которые в настоящее время часто применяются в стенах, эффективно предотвращают проникновение сигналов в здания. Электромагнитные сигналы могут также ослабляться материалом бетона и армированием внутри бетонной структуры. В результате, при прохождении сквозь такую структуру интенсивность сигнала может быть уменьшена столь сильно, что окажется недостаточной для использования, например, мобильного телефона по другую сторон стены.
Энергосберегающие окна используют покрытие, которое ослабляет прохождение электромагнитного сигнала сквозь окно. Это создает трудности для функционирования внутри современного здания мобильных устройств, таких как мобильные телефоны или планшеты, без снижения скорости беспроводной передачи данных. Ослабление сигнала может соответствовать, например, интервалу 20-40 децибел, что может приводить к значительному снижению реальной скорости передачи данных мобильными устройствами, такими как мобильные телефоны, планшеты или датчики IоТ.
Не только энергоэффективные окна являются объектами, которые существенно препятствуют проникновению электромагнитного сигнала внутрь здания. Так называемые смарт-окна или смарт-стекла могут содержать такие средства, как солнечные панели или электрохромные поверхности. Солнечные панели могут быть использованы для получения электрической энергии, которая может храниться или использоваться аппаратурой; альтернативно, она может подаваться в электрическую сеть. С другой стороны, поведение электрохромного стекла может быть модифицировано путем электрического, светового или теплового управления. Такое стекло может быть, например, частично или полностью прозрачным; альтернативно, оно может быть сделано изменяющим цвет.Как солнечные панели, так и электрохромные стекла имеют проводящие или полупроводящие слои, которые дополнительно уменьшают прохождение электромагнитных сигналов сквозь соответствующие окна.
Предпринимались попытки решить эту проблему посредством, например, пассивной антенной системы, которая содержит две отдельные антенны и линию передачи, соединяющую эти антенны. Однако такая линия передачи создает холодный мостик сквозь стену. Холодные (тепловые) мостики уменьшают энергоэффективность стен, но, что еще более важно, они могут также приводить к конденсации влаги внутри стены и, следовательно, создавать проблемы, связанные с увлажнением и плесенью. Холодный мостик формируется в структуре стены, когда теплопроводность среды значительно отличается от теплопроводности ее окружения. Примером холодного мостика может служить гвоздь, проходящий через твердую теплоизолирующую панель из полиуретана.
Другие попытки включают удаление частей поверхностей селективного стекла, чтобы сделать возможным прохождение электромагнитного сигнала. Однако подобные способы ухудшают теплоизоляционные свойства окон, а также создают визуально наблюдаемые дефекты отражения от поверхности стекла. Другими словами, на поверхности стекла появляются визуально наблюдаемые царапины. Кроме того, подобные решения могут приводить к постепенному ухудшению характеристик в случае применения на окнах металлических штор. Уровень техники в данной области представлен международной заявкой WO 2013/121103 А1. Согласно предлагаемому в ней подходу на каждом селективно пропускающем стекле некоторые участки поверхности остаются непокрытыми.
Раскрытие изобретения
Изобретение направлено на повышение уровня техники путем разработки устройства для конструкционного компонента, которое обладает улучшенными свойствами и предназначено для переноса электромагнитных сигналов между пространствами, находящимися на обеих сторонах структуры стены или окна здания. Решаемая изобретением задача состоит в формировании пути (туннеля) для распространения электромагнитной энергии, непосредственно проходящего сквозь структуры стен и окон. Изобретение способно обеспечить, без необходимости во внешнем питании или в обслуживании, улучшенные отношения сигнал/шум для беспроводных радиоустройств, функционирующих внутри здания, а также повышенные скорости передачи данных по сравнению с ситуациями, в которых оно отсутствует.Согласно варианту изобретения устройство содержит по меньшей мере одну "электрически плавающую" группу резонансных ретранслирующих (переизлучающих) секций. Решение согласно изобретению не требует наличия двух отдельных антенн, причем принимаемый сигнал передается приемнику или другой антенне не по линии передачи, а посредством группы излучателей и/или отражателей. Кроме того, структура устройства не допускает формирования холодных мостиков посредством резонансных секций.
Более конкретно, устройство согласно изобретению характеризуется, в первую очередь, тем, что содержит "электромагнитно плавающую" группу резонансных секций, формирующих путь, направляющий распространение электромагнитной энергии электромагнитных сигналов от одной стороны конструкционного компонента к другой его стороне. При этом данная группа резонансных секций содержит по меньшей мере первую резонансную секцию и вторую резонансную секцию, находящуюся в ближнем поле смежной с ней первой резонансной секции и смещенную вдоль пути распространения сигналов. Способ согласно изобретению, в первую очередь, характеризуется тем, что включает: прием электромагнитных сигналов электромагнитно плавающей группой резонансных секций, формирующих путь распространения излучения, и использование электромагнитно плавающей группы резонансных секций для того, чтобы направлять электромагнитную энергию электромагнитных сигналов от одной стороны конструкционного компонента к другой его стороне. При этом первая резонансная секция переносит электромагнитную энергию ко второй резонансной секции, находящейся в ближнем поле смежной с ней первой резонансной секции и смещенной относительно нее вдоль пути распространения сигналов.
Некоторые предпочтительные варианты изобретения охарактеризованы в зависимых пунктах формулы.
В соответствии с одним вариантом устройство представляет собой пассивную электромагнитную систему повторителей, размещенную в конструкционном компоненте, интегрированном в структуру окна, оконной рамы или стены. Группа плавающих резонансных/резонирующих (далее - резонансных) секций образует сборку с конструкционным компонентом, способную направлять электромагнитную энергию сквозь среду, ослабляющую сигналы.
Изобретение обладает определенными преимуществами по сравнению с известными решениями. Устройство согласно изобретению не создает никаких холодных мостиков или визуально наблюдаемых дефектов поверхности стекла или стен здания. Кроме того, на функционирование изобретения не влияют металлические шторы. По сравнению с обычными энергосберегающими окнами, имеющими селективные поверхности стекла, увеличение пропускания электромагнитных сигналов через оконный проем, обеспечиваемое устройством согласно варианту изобретения, может составлять 10-30 дБ.
Устройство согласно изобретению может быть использовано для улучшения прохождения некоторых электромагнитных сигналов сквозь структуру, которая существенно ослабляет такие сигналы. Благодаря этому прием этих сигналов может осуществляться даже в пространствах, в которых прием электромагнитных сигналов иным способом невозможен. Кроме того, устройство согласно изобретению может быть использовано, чтобы улучшить прием сигналов и в случае иных типов затенения сигналов. По своему принципу действия устройство согласно изобретению является пассивным устройством, так что оно не нуждается во внешнем источнике энергии или в активных усилителях сигнала. Нет также необходимости в подсоединении к устройству питающего кабеля, что дополнительно упрощает конструкцию и использование устройства. Поскольку не требуется никакого питающего кабеля, отсутствуют какие-либо потери в соединениях или имеющиеся в известных решениях потери на стыке между питающим кабелем и антенной.
Таким образом, посредством устройства согласно изобретению электромагнитный сигнал может быть доставлен в затененные области, в которых при применении других способов поле оказывается демпфированным. Данное устройство может быть использовано для проведения электромагнитной волны в желательном направлении, определяемом, например, конструкцией и структурой устройства.
Обеспечиваемое устройством снижение радиочастотных потерь, например, в связи с отсутствием потребности в кабеле, приводит к улучшенной эффективности и, тем самым, к большей приемной области, чем в системах, использующих кабель.
Конструкция устройства согласно изобретению является простой по сравнению с известной системой пассивных повторителей. Кроме того, эта конструкция может быть спрятана внутри стены здания, т.е. она, в отличие от традиционных крупных рейковых антенн, не является визуально неэстетичной. Некоторые варианты конструкции могут быть встроены в стену, что позволит увеличить эффективность их работы и расширить охватываемую область. В конструкции отсутствует необходимость в точке стыковки антенны и линии передачи, что приводит к значительному снижению производственных затрат.
Краткое описание чертежей
Далее изобретение будет описано более подробно, со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг. 1 представлена схема одного из вариантов устройства согласно изобретению.
На фиг. 2 представлена схема варианта изобретения с коннектором внешней антенны.
На фиг. 3 представлен вариант, в котором устройство встроено в конструкцию окна.
Фиг. 4 схематично иллюстрирует конструкцию устройства согласно варианту изобретения.
На фиг. 5 схематично изображена подгруппа смежных резонансных секций согласно варианту изобретения.
На фиг. 6 представлена схема траекторий распространения сигнала сквозь единственную подгруппу смежных секций согласно варианту изобретения.
На фиг. 7 представлена схема, в которой несколько подгрупп смежных секций образуют паттерн в виде нескольких рядов, согласованных по вертикали, с целью улучшить функционирование.
На фиг. 8а представлен пример регулировки ширины пучка в вертикальной плоскости.
На фиг. 8b представлен пример регулировки ширины пучка в азимутальной плоскости.
На фиг. 9 представлен пример использования неоднородности пространства за счет применения составных конфигураций пассивного повторителя.
На фиг. 10а-10е представлены примеры различных профилей резонансных секций.
На фиг. 11а и 11b представлены примеры использования межэлементных регулировочных компонентов.
На фиг. 12а представлен другой пример использования межэлементных регулировочных компонентов.
На фиг. 12b представлена частотная характеристика варианта по фиг. 12а.
На фиг. 13 представлен пример связи резонансных секций с антенной конфигурацией.
На фиг. 14 представлены резонансные секции, связанные с антенной конфигурацией, встроенной в селективную поверхность стекла окна
Фиг. 15а и 15b иллюстрируют пример интегрирования конфигурации пассивного повторителя с оконным блоком.
Фиг. 16а и 16b иллюстрируют другой пример интегрирования конфигурации пассивного повторителя с оконным блоком.
Фиг. 17 иллюстрирует пример, в котором два пассивных повторителя установлены горизонтально над окном.
На фиг. 18а и 18b представлен другой пример интеграции, в котором используется продолжение конфигурации пассивного повторителя.
На фиг. 18с и 18d представлен еще один пример интеграции, в котором конфигурация пассивного повторителя выступает из стороны стены.
Фиг. 19 иллюстрирует пример формирования конфигурации пассивного повторителя на поверхности стекла окна в виде группы щелевых излучателей.
На фиг. 20 представлен пример, в котором одна или более подгрупп резонансных секций сформированы таким образом, что смежные секции не являются параллельными
На фиг. 21 представлен пример, в котором конфигурация пассивного повторителя установлена в шве между двумя изоляционными панелями.
На фиг. 22 представлен пример, в котором пассивный повторитель установлен на поверхности несущей стойки стены здания.
На фиг. 23 представлен пример, в котором пассивный повторитель установлен на поверхности края одной из изоляционных панелей стены здания.
Фиг. 24а иллюстрирует пример, в котором резонансные секции ламинированы на жесткую изоляционную панель.
На фиг. 24b представлен пример, в котором резонансные секции 503 ламинированы на поверхность ламинированной жесткой изоляционной панели.
На фиг. 25а и 25b представлен еще один вариант прикрепления устройства 501 к оконному блоку.
Осуществление изобретения
Согласно первой функциональности изобретения устройство 501 может действовать как пассивный повторитель, содержащий электрически плавающую группу резонансных секций. Соответственно, в таком случае устройство 501 может также именоваться конфигурацией пассивного повторителя. Резонансные секции собраны в группу, чтобы усилить эффективность прохождения сигнала сквозь конструкционный компонент, такой как энергосберегающее окно, или рядом с ним. Резонансные секции в составе группы позиционированы таким образом, что каждый элемент (каждая секция) находится в ближнем электромагнитном поле смежных элементов. В этой связи следует отметить, что резонансные секции необязательно должны быть гальванически отделены друг от друга, но могут быть сформированы так, чтобы один соответствующим образом сконструированный переизлучатель (ретранслятор) содержал две или более резонансных секций. При этом устройство 501 может содержать один или более таких переизлучателей.
Оконные рамы могут быть изготовлены с использованием различных материалов, таких как дерево, алюминий, пластик, стеклопластик или другие композитные материалы. Наружные оконные рамы часто изготавливаются с использованием алюминия. Конструкция по изобретению может быть интегрирована с частью боковой стойки рамы, которая может быть изготовлена из неметаллического материала и также может быть интегрирована непосредственно в часть стены или в несущую структуру окна, образуя таким образом независимый модуль, не прикрепленный к окну. Чтобы повысить эффективность изобретения, часть наружной алюминиевой рамы окна может быть заменена неметаллическим материалом. Широко используемым пластиковым материалом оконных рам является поливинилхлорид (ПВХ), который может также именоваться винилом. Предпочтительным для оконных рам является (благодаря своей жесткости) непластифицированный ПВХ (НПВХ).
Чтобы дополнительно повысить эффективность излучателей в отношении приема электромагнитных сигналов от сотовых базовых станций, первый излучатель может быть интегрирован непосредственно в наружную часть рамы, изготовленную из пластика, стеклопластика или схожего неэлектропроводного материала. Это может устранить или ослабить эффект затенения, вызываемый алюминиевыми частями наружной рамы. Чтобы направлять электромагнитные сигналы во внутренние пространства зданий, не требуется, чтобы все алюминиевые части были заменены пластиковыми рамами. Один предпочтительный (но не ограничивающий изобретение) вариант состоит в выполнении неметаллическими тех частей рамы, которые несут конфигурацию пассивного повторителя и которые могут прикрепляться к оконным рамам непосредственно в месте изготовления окна. Другая реализуемая модификация данного варианта состоит в использовании металлических частей, которые введены внутрь пластиковой части рамы, чтобы обеспечить физическую прочность рамы.
В некоторых зданиях окно заглублено в полость стены, так что части стены на каждой стороне окна относительно далеко выступают за структуру окна. Как следствие, оконные рамы могут выступать от наружной поверхности стены на десятки сантиметров. Такое затенение может срезать почти половину пространства в горизонтальном направлении, которое может быть видно из каждой вертикальной оконной рамы и из которого она может эффективно принимать сигналы базовой станции. Чтобы улучшить прием сигнала в таких ситуациях, в боковые стороны стены рядом с оконной рамой может быть интегрирована выступающая часть конфигурации пассивного повторителя.
Конфигурация пассивного повторителя содержит электрически плавающую группу резонансных секций. Каждая из резонансных секций может быть сконфигурирована для функционирования либо в единственном частотном интервале, либо одновременно в нескольких частотных полосах. Кроме того, конфигурация пассивного повторителя может содержать группы резонансных секций, первая из которых сконфигурирована для функционирования в первом частотном интервале, а вторая - для функционирования во втором частотном интервале.
Простейшей физической формой резонансной секции является полоса из электропроводного материала, такого как алюминий. Полоса характеризуется первой резонансной частотой, для которой длина полосы равна половине длины волны. Резонансные полосы более высокого порядка имеют место на частотах, кратных первой резонансной частоте. Чтобы получить больше резонансных частот с целью покрыть различные частотные полосы сотовой связи или чтобы получить увеличенную ширину полосы, форма резонансной секции может быть модифицирована соответствующим образом. Один способ создания дополнительных резонансных частот состоит в создании в металлической полосе отверстий, прорезей и зазоров. Такие элементы могут быть сформированы в наружных краях полосы или выполнены как отверстия, не соединенные с наружными краями металлической полосы. Второй способ создания дополнительных резонансов состоит в том, чтобы придать металлической полосе форму с изгибами. Группы могут также содержать пары резонансных элементов, имеющих неравные длины, чтобы получить параллельные резонансы для отдельных металлических полос. Кроме того, резонансные элементы могут иметь также формы кругов, треугольников или квадратов.
Другая функциональность устройства согласно изобретению состоит в действии в качестве внешней антенны для радиоприемников. В таком варианте часть конструкционного компонента сконфигурирована для приема электромагнитных сигналов от внешних передатчиков, таких как базовые станции, и для обеспечения повышенного уровня сигналов, которые могут быть использованы беспроводными радиоустройствами внутри здания.
Далее будут более подробно рассмотрены технические свойства различных вариантов. Для наглядности, на некоторых чертежах показаны также координатные оси 801 (х, у и/или z), к которым можно обращаться при рассмотрении ориентаций различных элементов. Если не оговорено обратное, электромагнитные волны распространяются в плоскости, содержащей Z-координату; стена соответствует плоскости XY, электромагнитная энергия проходит в плоскости YZ сквозь конструкционный компонент, такой как стена и/или окно. В соответствии с одним вариантом устройство 501, с одной стороны, может иметь форму в виде узкой (насколько возможно) апертуры в плоскости XY, а, с другой стороны, это устройство может быть сконфигурировано так, чтобы каждая резонансная секция 503 имела малый размер по координате X, в то время как, с целью обеспечить требуемое усиление, могут иметься дополнительные элементы со смещением по координате Y.
Следует также отметить, что в дальнейшем описании используются термины вертикальный/вертикально и горизонтальный/горизонтально, чтобы охарактеризовать некоторые возможные альтернативные варианты установки устройства. Однако эти термины связаны только с неограничивающими примерами, и устройство может быть также установлено в положение, которое является невертикальным и негоризонтальным, т.е. промежуточным между вертикальным и горизонтальным положениями. Например, если окно не является прямоугольным, а имеет иную форму, например треугольную, оконная рама также является треугольной. Соответственно, устройство может быть установлено на секцию рамы окна, наклонную по отношению к горизонтальному направлению.
На фиг. 1 представлена схема устройства 501 согласно варианту изобретения. Согласно варианту изобретения устройство 501 обладает функциональностью, соответствующей формированию конфигурации пассивного повторителя посредством группы 502 резонансных секций 503 (см., например, фиг. 4), которые используются, чтобы направлять электромагнитную энергию сквозь конструкционный компонент 90, которым может являться, например, структура здания, стена или окно. Удаленное радиопередающее устройство или базовая станция (не изображено/изображена) расположено/расположена в пространстве 80, из которого поступает падающее электромагнитное излучение. Это пространство, по существу, изолировано от пространства 81, в котором находится целевое радиоприемное устройство, вследствие большого ослабления, создаваемого конструкционным компонентом 90. Типичное ослабление, вносимое конструкционным компонентом, может быть порядка 20-40 дБ.
Согласно варианту изобретения конфигурация 501 пассивного повторителя встроена в конструкционный компонент 90 или прикреплена к нему с целью создать туннель для распространения электромагнитной энергии с малым ослаблением. Цель при этом состоит в том, чтобы переизлучать доставленную падающим электромагнитным излучением 601 энергию и направлять ее в форме электромагнитного излучения 603 в целевое пространство 81. Направляемая электромагнитная энергия 602 переносится конфигурацией 501 пассивного повторителя.
В дополнение, изобретение обладает дополнительной функциональностью, проиллюстрированной на фиг. 2. Эта функциональность относится к решению, состоящему в использовании части конструкционного компонента как антенны, чтобы обеспечить повышенные уровни сигнала для электрических радиоприемников. Антенная конфигурация 701 интегрирована в конструкционный компонент 90, чтобы перехватывать часть направляемой электромагнитной энергии 602. Перехваченная электромагнитная энергия 700 может быть направлена внешним радиоустройствам, таким как роутеры беспроводной локальной сети (WLAN) или активные сотовые повторители. Количество энергии, принимаемой антенной конфигурацией 701, меньше, чем полная направляемая электромагнитная энергия 602.
Антенная конфигурация 701 связана с группой 502 резонансных секций посредством сопрягающих электромагнитных средств. Для эффективного функционирования желательно, чтобы антенная конфигурация 701 находилась в ближнем поле резонансной секции 503, так что конфигурация 501 пассивного повторителя может быть использована, чтобы эффективно связать антенную конфигурацию 701 с пространством 80 падающей электромагнитной волны.
На фиг. 3 представлен, на виде спереди, вариант, в котором устройство 501, функционирующее как конфигурация пассивного повторителя, связана с окном 200. На фиг. 4 представлен, на виде сбоку, вариант по фиг. 3; показан также вариант резонансных секций. Окно 200 может представлять собой, например, энергосберегающий оконный блок. Конфигурация 501 пассивного повторителя образована посредством группы 502 резонансных секций 503, которые используются, чтобы направлять электромагнитную энергию сквозь конструкционный компонент 90 или в обход его.
Оконный блок 200 может иметь много различных форм. В качестве неограничивающего примера выбрано типичное выполнение окна, которое может открываться. Фиксированные рамы 201 и элементы подъемной рамы ("саша") 401 оконного блока 200 могут быть изготовлены из дерева, алюминия, пластика, стеклопластика или других композитных материалов, но варианты изобретения не ограничиваются этими материалами. Оконный блок 200 зафиксирован в стене 100, которая может быть изготовлена из обычных строительных материалов, например из бетона, железобетона, дерева, камня и/или некоторых других материалов. Оконный блок 200 расположен в предусмотренном в стене отверстии (в оконном проеме) 101.
Обычно между краем проема 101 в стене и оконной рамой 201 существует зазор, составляющий примерно 1-2 см. Этот технологический зазор 102 может быть загерметизирован с использованием пенополиуретана или другого теплоизолирующего материала. Рама 201 состоит из стоек (косяков) 202 по боковым сторонам рамы, а также нижнего бруска 203 и верхнего бруска 204 на ее нижней и верхней сторонах. Оконный блок 200 содержит также саш 401, находящийся внутри рамы 201. Саш 401 удерживает стекло 301. Оконный блок 200 может иметь панели из одного или более слоев стекла 301. Типичный вариант содержит 3-4 панели, причем между смежными стеклянными панелями может находиться теплоизолирующий газ. При этом поверхность (поверхности) одного или более стекол может (могут) иметь селективное покрытие и/или покрытие иного типа.
В этом иллюстративном примере конфигурация 501 пассивного повторителя интегрирована со стойкой 202 оконного блока 200. Данная конфигурация может быть частично или полностью встроена в стойку 202. Она может быть также интегрирована с другими частями рамы 201. В данном примере конфигурация 501 пассивного повторителя использует часть монтажного зазора 102 на боковой стороне рамы 201. Она может быть также интегрирована с внутренней поверхностью стойки 202. Кроме того, пассивный повторитель может быть непосредственно прикреплен к краю стены 100 в монтажном зазоре 102 окна. Оконный блок 200 может также иметь внутренний каркас 205, для которого могут быть использованы (не ограничиваясь ими) дерево, стеклопластик или пластик. С целью защиты оконной рамы 201 от погодных условий может быть использована наружная оболочка 206, плакированная алюминием. В этом примере конфигурация 501 пассивного повторителя прикреплена к стойке 202 окна.
Конфигурация 501 пассивного повторителя согласно этому варианту содержит группу 502 резонансных секций 503, которые размещены таким образом, что каждая резонансная секция расположена в ближнем поле смежной резонансной секции. Первая резонансная секция 503' каждой подгруппы смежных секций в составе группы 502 принимает часть падающего электромагнитного излучения 601. Как будет подробно пояснено далее, эти первые резонансные секции 503' переизлучают электромагнитную энергию в пределах группы 502 резонансных секций.
Конфигурация 501 пассивного повторителя используется для передачи падающего электромагнитного излучения 601, поступающего из пространства 80, соответствующего падающей электромагнитной волне, сквозь конструкционный компонент 90, т.е. для переноса этой энергии в форме испускаемого электромагнитного излучения 603 в пространство 81 расположения целевого радиоустройства. В этом иллюстративном примере конструкционный компонент 90 соответствует оконному блоку 200, в который была установлена конфигурация 501 пассивного повторителя.
На фиг. 5 схематично представлена подгруппа 505 смежных резонансных секций, служащая для пояснения функциональности соответствующего варианта изобретения. Для обеспечения эффективного функционирования применено более одной такой подгруппы 505 с взаимным смещением подгрупп в вертикальном направлении, чтобы сформировать эффективно работающую группу 502 резонансных секций, как это будет также пояснено далее. Однако сначала будет рассмотрено функционирование единственной подгруппы смежных секций.
Первая резонансная секция 503' находится у той стороны конструкционного компонента 90, которая расположена ближе к пространству 80 падающей электромагнитной волны. Падающее электромагнитное излучение 601 индуцирует токи в первой резонансной секции 503', которая является первым элементом, взаимодействующим с падающим электромагнитным излучением 601. Токи, возникающие в первой резонансной секции 503', осциллируют на частоте падающего электромагнитного излучения. Осциллирующие токи, текущие в первой резонансной секции 503', действуют как источник излучаемой электромагнитной энергии. Эта излучаемая электромагнитная энергия переносится электромагнитными средствами во вторую резонансную секцию 503'', которая позиционирована в ближнем электромагнитном поле первой резонансной секции 503'. Вторая резонансная секция 503'' смещена в горизонтальном направлении относительно первой резонансной секции 503' и находится в ближнем поле этой секции. Это означает, что электромагнитная энергия направленно переносится, в пределах короткого расстояния, сквозь конструкционный компонент 90 без создания тепловых мостиков.
Резонансные секции 503 сконфигурированы в подгруппах смежных секций по итеративному принципу, чтобы сформировать вытянутый в горизонтальном направлении комплект резонансных секций. Индуцированные токи во второй резонансной секции 503'' действуют как источник излучения, который связан электромагнитными средствами с третьей резонансной секцией 503''', находящейся в ближнем электромагнитном поле второй резонансной секции 503''.
В результате формирования резонансных секций в составе подгруппы смежных секций, взаимно смещенных в горизонтальном направлении, образуется направляющий путь для распространения электромагнитной энергии сквозь конструкционный компонент 90 в резонансном частотном интервале резонансных секций 503, 503', 503'', 503'''. Эта направляемая электромагнитная энергия 602 распространяется между резонансными секциями 503, 503', 503'', 503''' в результате связи через ближнее поле.
В этом схематичном примере третья резонансная секция 503''' расположена вблизи пространства 81 целевого радиоустройства. Токи, индуцированные в третьей резонансной секции 503''', действуют как источник электромагнитного излучения. Испускаемое электромагнитное излучение 603 может быть использовано беспроводным радиооборудованием, расположенным в пространстве 81 целевого радиоустройства.
На фиг. 6 представлена схема распространения сигнала через единственную подгруппу 505 смежных секций. На фиг. 6 показаны четыре резонансные секции; очевидно, однако, что в практических вариантах количество резонансных секций 503 может отличаться от четырех. Например, устройство 501 может содержать две, три или более четырех резонансных секций 503.
Далее будет пояснен принцип действия конфигурации 501 пассивного повторителя. Удаленный источник электромагнитного поля генерирует излучаемый электромагнитный сигнал, который рассматривается как источник дальнего поля для конфигурации 501 пассивного повторителя. Падающее электромагнитное излучение 601 индуцирует осциллирующие токи 605 в первой резонансной секции 503' конфигурации 501 пассивного повторителя. Падающее электромагнитное излучение 601 содержит компонент 604 электрического поля, который может иметь произвольную ориентацию поляризации на частоте функционирования. Эта поляризация сначала определяется характеристиками пропускания антенны в пространстве 80 падающей электромагнитной волны, но в большей степени зависит от эффектов многопутевого распространения после того, как волна достигнет конфигурации 501 пассивного повторителя. Компонент 604 электрического поля электромагнитной волны индуцирует ток 605 в первой резонансной секции 503', который осциллирует на той же частоте, что и падающая волна. Такие осциллирующие токи 605 действуют как новый источник излучения, который облегчает электромагнитную связь 606.
Одно из свойств резонансной секции 503 состоит в том, что она является "электрически плавающей", так что принятая ею электромагнитная энергия не поступает ни никакую внешнюю электрическую нагрузку, такую как входной контур радиоприемника. Как следствие закона сохранения энергии, при осцилляции индуцированных токов в "плавающем" элементе с низкими потерями, принятая электромагнитная энергия эффективно излучается электрически плавающей резонансной секцией 503'. Источниками потерь являются резистивные потери в резонансной секции 503', диэлектрические потери в окружающих неэлектропроводных материалах и потери энергии вследствие излучения. При этом изобретение направлено на максимизацию излучаемой энергии.
Вторая плавающая резонансная секция 503'' расположена в ближнем электромагнитном поле первой резонансной секции 503'. Электромагнитная связь 606 между резонансными секциями индуцирует токи 607 во второй резонансной секции 503''. Вторая резонансная секция 503'' также выполнена электрически плавающей, чтобы эффективно переизлучать полученную электромагнитную энергию следующей резонансной секции.
Локализация второй резонансной секции 503'' в ближнем поле первой резонансной секции 503' обеспечивает возможность формирования подгруппы 505 смежных резонансных секций. Эта подгруппа начинается у одной стороны структуры стены или окна и продолжается сквозь эту структуру вплоть до другой ее стороны. Точнее, резонансные секции 503 сконфигурированы итеративным образом в виде подгрупп смежных секций так, чтобы сформировать вытянутый в горизонтальном направлении комплект резонансных секций, способный направлять электромагнитную энергию. Подгруппы смежных секций могут быть взаимно смещены в вертикальных направлениях с формированием зигзагообразных путей распространения электромагнитной энергии. Однако доминирующее направление протяженности каждой подгруппы смежных секций должно обеспечивать распространение энергии сквозь конструкционный компонент по кратчайшему возможному пути.
При этом подгруппа 505 смежных секций может удлиняться итеративным образом (например путем включения в нее элемента 503''') до тех пор, пока не будет сформирована заключительная резонансная секция 503''''.
Заключительная секция 503'''' подгруппы 505 смежных секций действует как излучатель, который испускает направляемую электромагнитную энергию 602 в пространство, находящееся за структурой стены или окна. Испускаемое электромагнитное излучение 603 содержит компонент электрического поля 608, ориентация которого задается позиционированием заключительной резонансной секции 503''''. При этом ориентация компонента электрического поля излучаемой электромагнитной волны может не быть одной и той же для каждой рабочей частоты.
Приведенный пример не ограничивает количество резонансных секций 503 в подгруппе 505 смежных секций, которая проходит через стену, поскольку оно зависит как от характеристик конфигурации стены или окна, так и от рабочей частоты секции 503. В качестве практического, но неограничивающего примера можно рассмотреть оконную раму толщиной 200 мм, применительно к которой подгруппа смежных секций предпочтительно содержит по меньшей мере от 3 до 5 элементов.
Расстояние между элементами (секциями) в подгруппе 505 смежных резонансных секций 503 предпочтительно составляет от одной десятой до одной четвертой длины волны. Однако эти пределы не являются строго обязательными: например, данное расстояние может быть сделано намного меньшим. Резонансные секции 503 могут быть сконфигурированы с возможностью функционировать в реактивном ближнем поле смежной резонансной секции. В результате может быть создана сильная электромагнитная связь 606, которая требуется, чтобы эффективно направлять электромагнитную энергию 602 сквозь структуру стены или окна. Расстояние между элементами в группе 502 резонансных секций может быть неоднородным и зависеть от локализации элемента 503 в этой группе. Элементы 503 могут быть также сделаны переплетенными, чтобы усилить электромагнитную связь 606 между смежными элементами. Задача может состоять также в перекрытии нескольких рабочих частотных интервалов посредством единственной резонансной секции 503. Это означает, что подбор определенных межэлементных расстояний для конкретных длин волн может стать довольно произвольным. По этой причине сильная связь в ближнем поле позволяет более точно задать расстояние между элементами, чем расчет расстояния в длинах волн.
Первая резонансная секция 503' может быть сконфигурирована для приема вертикально или горизонтально поляризованной компоненты 604 электрического поля или любой суперпозиции вертикально и горизонтально поляризованных компонент. Аналогично, заключительная резонансная секция 503'''' может быть сконфигурирована для приема и/или передачи вертикально или горизонтально поляризованной компоненты 604 электрического поля или любой суперпозиции вертикально и горизонтально поляризованных компонент. Угол поляризации падающей электромагнитной волны 604 может не совпадать с углом поляризации излучаемой электромагнитной волны 608.
На фиг. 7 представлена схема, в которой, с целью улучшить функционирование, несколько подгрупп 505', 505'', 505''' смежных секций собраны в виде нескольких рядов, согласованных по вертикали. При этом изобретение не ограничено количеством подгрупп смежных секций, представленных в этом примере, демонстрирующем согласование различных подгрупп смежных секций по вертикали. Первая подгруппа 505' смежных резонансных секций сконфигурирована в конструкционном компоненте 90 таким образом, чтобы образовать туннель для распространения электромагнитной энергии, полученной от падающего электромагнитного излучения 601.
Вторая подгруппа 505'' смежных резонансных секций образует в конструкционном компоненте 90 конфигурацию, в которой эта подгруппа смещена в вертикальном направлении относительно положения первой подгруппы 505' смежных резонансных секций. Вертикально согласованная конфигурация двух подгрупп смежных секций образует группу, построенную таким образом, чтобы улучшить функционирование. Третья подгруппа 505''' смежных резонансных секций сконфигурирована в конструкционном компоненте 90 таким образом, что эта подгруппа смещена в вертикальном направлении относительно положения второй подгруппы 505" смежных резонансных секций. Каждая из подгрупп 505', 505'', 505''' смежных секций формирует туннель для распространения электромагнитной энергии и переносит направляемую электромагнитную энергию 602', 602'', 602''', которая получена из падающего электромагнитного излучения 601. Каждая подгруппа 505', 505", 505"' смежных резонансных секций действует как источник испускаемого электромагнитного излучения 603', 603'', 603''' для пространства 81 целевого радиоустройства. При правильно выбранных конструкции и позиционировании подгрупп 505', 505", 505"' смежных секций эти пространственно разделенные источники испускаемого электромагнитного излучения 603', 603'', 603''' вносят свой вклад в конструктивную интерференцию внутри пространства 81 целевого радиоустройства. В результате излученные электромагнитные волны суммируются по фазе, причем может быть получен паттерн излучения с контролируемой направленностью. Максимальная направленность этого паттерна излучения может задаваться на базе правил конструирования антенной решетки.
Может быть поставлена задача согласовать максимальную направленность с направлением, перпендикулярным поверхности стены 100. В результате максимальная дистанция коммуникации, обеспечиваемая конфигурацией 501 пассивного повторителя, может быть достигнута с обеих сторон стены 100.
В дополнение к улучшению паттерна излучения, использование нескольких подгрупп 505 смежных секций может увеличить общее количество электромагнитной энергии, которая переносится из пространства 80 падающей электромагнитной волны в пространство 81 целевого радиоустройства.
Фиг. 8а и 8b иллюстрируют возможность максимизировать эффективность путем настройки паттернов излучения, формируемых повторителем. На фиг. 8а представлен пример вертикального пучка с регулировкой ширины, а на фиг. 8b - пример горизонтального пучка с регулировкой ширины.
Одна из задач, решаемых изобретением, состоит в приеме электромагнитного излучения, исходящего от базовой станции или от эквивалентной точки радиоконтакта и в переизлучении этой принятой электромагнитной энергии в пространство, где находится целевое радиоустройство. Наиболее вероятный вертикальный угол (угол в вертикальной плоскости), под которым поступают электромагнитные сигналы от сотовых базовых станций, а также от других наземных радиостанций, по отношению к стене здания может быть небольшим, причем он может соответствовать области выше и ниже горизонта. При этом задача состоит в том, чтобы максимизировать для этого наиболее вероятного направления поступления прием падающего электромагнитного излучения 601 в пределах вертикальных углов, которые сконцентрированы вокруг линии горизонта.
Вертикальный угол главного лепестка 609 диаграммы направленности характеризует ширину пучка в вертикальной плоскости, в пределах которой конфигурация 501 пассивного повторителя имеет наибольшую направленность, а эффективность приема и испускания излучения электромагнитной энергии является максимальной. Через 609' обозначен вертикальный угол главного лепестка в пространстве 80 падающей электромагнитной волны, а через 609" - вертикальный угол главного лепестка в пространстве 81 целевого радиоустройства. Связанные с излучением характеристики конфигурации пассивного повторителя могут быть реверсивными. Это означает, что распространение электромагнитного сигнала происходит аналогичным образом в обоих направлениях.
Далее будет рассмотрена функциональность конфигурации 501 пассивного повторителя с бистатическим и моностатическим эффективными площадями рассеяния (radar cross sections). Привлечение эффективных площадей рассеяния при анализе конфигурации пассивного повторителя может быть полезным, поскольку для облучения структуры используется не реальная антенна или набор коннекторов, подводящих электромагнитную энергию к системе, но, скорее, плоская волна далекого поля.
Применительно к моностатической эффективной площади рассеяния вертикальный угол главного лепестка 601' падающего излучения определяет ширину пучка электромагнитного сигнала при минимальном обратном рассеянии, которая может также интерпретироваться как целевая минимальная зона моностатической эффективной площади рассеяния, когда падающее электромагнитное излучение 601 поступает в пространство 80 падающей электромагнитной волны. Применительно к бистатической эффективной площади рассеяния вертикальный угол главного лепестка 601'' определяет ширину пучка целевой максимальной бистатической эффективной площади рассеяния, когда падающее электромагнитное излучение 601 поступает в пространство 80 падающей электромагнитной волны, а испускаемое электромагнитное излучение 603 интерпретируется, как рассеянная электромагнитная волна.
Малая ширина пучка в вертикальной плоскости достигается увеличением размера группы 502 резонансных секций в вертикальном направлении. Управление пучком производится согласно хорошо известным правилам конструирования антенной решетки.
Азимутальный угол, под которым распространяется падающее электромагнитное излучение 601, может быть любым в пределах полусферы, задаваемой стеной 100. В связи с этим ставится задача максимизировать азимутальный угол 610 главного лепестка. Ширина пучка в азимутальной плоскости может быть максимизирована, если ширина конфигурации пассивного повторителя сделана малой. Это означает, что группа 502 резонансных секций 503 должна представлять собой узкую и вытянутую в вертикальном направлении группу таких секций. Горизонтальное протяжение данной группы в плоскости, параллельной стене 100 или конструкционному компоненту 90, предпочтительно должно быть меньше одной десятой длины волны.
Следует подчеркнуть, что группа 502 резонансных секций имеет свою главную протяженность в горизонтальной плоскости в направлении, перпендикулярном плоскости стены 100 или конструкционного компонента 90. Эта протяженность не увеличивает ширину пучка в азимутальной плоскости, но способствует направленности электромагнитной энергии 602, проходящей сквозь конструкционный компонент 90.
Азимутальный угол 610' главного лепестка определяет ширину пучка в пространстве 80 падающей электромагнитной волны. Она также может анализироваться с использованием моностатической эффективной площади рассеяния аналогично тому, как это было сделано в отношении вертикального угла 601'. Азимутальный угол 610" главного лепестка определяет ширину пучка в пространстве 81 целевого радиоустройства. Она также может анализироваться с использованием бистатической эффективной площади рассеяния аналогично тому, как это было сделано в отношении вертикального угла.
На фиг. 9 иллюстрируется возможность использования неоднородности пространства за счет применения составных конфигураций пассивного повторителя. Такие составные конфигурации пассивных повторителей могут быть использованы для получения пучка 610, протяженного в азимутальном направлении, и для увеличения общего количества направляемой электромагнитной энергии 602 и пространственной неоднородности для пространства 81 и для антенной конфигурации 701. На фиг. 9 показаны первая и вторая конфигурации 501', 501'' пассивного повторителя, сформированные в различных частях конструкционного компонента 90. В варианте по фиг. 9 оконный проем в стене 100 частично перекрыт защитными листами 211, которые могут быть выполнены из металла или из другого материала, стойкого в отношении погодных условий.
У некоторых оконных проемов в стенах имеются внешние откосы 108, наличие которых может приводить к появлению "слепых углов" в азимутальной плоскости. Чтобы преодолеть этот эффект затенения, конфигурации пассивных повторителей могут быть встроены в различные стойки 202 одного и того же окна 200. При наличии наружной оболочки 206 оконного блока 200 с алюминиевым покрытием эффективность конфигурации пассивного повторителя может быть ухудшена как следствие затенения металлических частей. Чтобы преодолеть его, в некоторых или во всех зонах наружной оболочки 208 вокруг оконной рамы могут быть использованы неэлектропроводные части. Материалом таких частей может служить пластик, такой как поливинилхлорид (ПВХ) или непластифицированный поливинилхлорид (НПВХ), стеклопластик или любой другой композитный или неэлектропроводный материал, пригодный для использования в наружной поверхности конструкционного компонента. Альтернативно, неэлектропроводной может являться вся рама.
В соответствии с одним вариантом внешний откос 108 может быть частично покрыт электропроводным, например металлическим, листом. Это может уменьшить возможное ослабляющее воздействие стены на сигнал.
Чтобы еще больше повысить эффективность, резонансная секция 503' может быть интегрирована с наружной оболочкой 208. Кроме того, можно увеличить азимутальную ширину пучка, если первый элемент виден под большим углом относительно горизонта.
Кроме того, при наличии антенной конфигурации 701 пространственная неоднородность, которая обеспечивается использованием нескольких конфигураций пассивных повторителей, может быть использована, чтобы улучшить качество сигнала для имеющихся радиоприемников. Применение в конструкционных компонентах 90 антенн, использующих технологию MIMO (multiple-input-multiple-output, множественный ввод, множественный вывод), может обеспечить повышение скорости передачи данных по сравнению с использованием единственной антенной конфигурации 701.
На фиг. 10а-10е представлены примеры различных профилей резонансных секций, чтобы показать возможность применения резонансных секций 503, отличающихся своей формой от рассмотренных примеров. Среди критериев, учитываемых при конструировании резонансных секций 503, можно отметить, что они должны быть электропроводными, иметь форму, обеспечивающую их резонанс на желательной частоте (на желательных частотах), и не образовывать холодный мостик между наружной и внутренней поверхностями стены или конструкционного компонента (т.е. между наружным пространством и комнатой). Кроме того, из этих примеров можно видеть, что резонансные секции 503 могут образовывать один или более переизлучателей 514. Например, в варианте по фиг. 10b имеются восемь переизлучателей 514, каждый из которых содержит две или более резонансных секций 503.
Согласно одному варианту частотными характеристиками конфигурации 501 пассивного повторителя можно управлять, например, используя межэлементные регулировочные компоненты. Этот подход может быть особенно полезен в случае, когда для единственной резонансной секции 503 предусмотрено несколько рабочих частотных интервалов. Примеры такого варианта иллюстрируются фиг. 11а и 11b. В примере по фиг. 11а регулировочные компоненты обеспечивают регулировку по вертикали, а в варианте по фиг. 11b - регулировку по горизонтали. Следует отметить, что может оказаться возможным использовать регулировочные компоненты 504 ("между одной секцией 503 и другой секцией 503"), встроенные в группу 502 резонансных секций, даже при отсутствии каких-либо внешних электрических нагрузок, к которым должна направляться электромагнитная энергия.
Межэлементный регулировочный компонент 504 является пассивным точечным или распределенным компонентом, служащим для настройки электромагнитных характеристик резонансной секции 503 или группы таких секций. Данный компонент может представлять собой индуктор или конденсатор, или комбинацию этих элементов. Регулировочные компоненты 504 могут быть использованы для подбора импеданса резонансной секции 503 с целью улучшить перенос падающего электромагнитного излучения 601 в первую резонансную секцию 503'. Регулировочные компоненты 504 могут быть использованы также для регулировки частотных характеристик резонансов более высоких порядков единственной резонансной секции. В практическом, но не ограничивающем примере резонансная секция сконфигурирована для функционирования на своей низшей резонансной частоте, близкой к 900 МГц, а межэлементные регулировочные компоненты использованы для конфигурирования того же элемента 503 для эффективного резонирования также в частотных интервалах у 1800 МГц и у 2100 МГц. В дополнение к предыдущему примеру, возможны также ситуации, в которых межэлементные регулировочные компоненты 504 используются, чтобы усилить электромагнитную связь 606 между резонансными секциями 503.
На фиг. 12а представлен пример, в котором используются регулировочные компоненты для регулировки и по горизонтали, и по вертикали. Для упрощения конструкции в этом примере все резонансные секции 506, 507, 508 имеют равные длины, хотя допустимы и неравные длины. В этом примере секции обозначены, как 506-508, а не как 503, чтобы подчеркнуть различия их частотных характеристик, когда эти элементы скомбинированы с согласующими межэлементными компонентами. Все элементы 506, 507, 508 резонируют в частотном интервале А, обозначенном на графике, приведенном на фиг.12b, как 509. На том же графике с кривой 509 ассоциирован пропускающий канал для частотного интервала А. Этот интервал принимается соответствующим рабочему частотному интервалу, т.е. каналу пропускания в частотном диапазоне для каждого индивидуального элемента 506, 507, и 508. Кривая 510 иллюстрирует частотный отклик пропускающего канала в частотном интервале В (В<А), который является пропускающим каналом в частотном диапазоне для комбинации элементов 506 и 507. Кривая 511 иллюстрирует пропускающий канал в частотном интервале С (С<В), который является пропускающим каналом в частотном диапазоне для комбинации элементов 506, 507 и 508. Регулировочный компонент 504' является фильтром нижних частот с частотой 512' отсечки, включенным между взаимно смещенными в вертикальном направлении элементами 506 и 507. Частота отсечки является более низкой, чем рабочий частотный интервал 509, и более высокой, чем рабочий частотный интервал В (510). Поэтому элементы 506 и 507 электрически соединены с фильтром 504' нижних частот и формируют новый пропускающий канал В в частотном интервале 510, соответствующем более низким частотам, чем частотный интервал А. Аналогично, регулировочный компонент 504" является фильтром нижних частот с частотой 512'' отсечки, более низкой, чем рабочий частотный интервал В (510). При этом комбинация всех взаимно смещенных по вертикали элементов (506, 507 и 508) в этом примере задает третью рабочую полосу частот С (511), более низких, чем в частотной полосе 510.
На этом примере проиллюстрирован один вариант образования электрической связи между резонансными секциями с формированием дополнительных рабочих частотных полос без изменения форм индивидуальных резонансных секций. При этом различные резонансные секции сами могут иметь более одного рабочего резонансного частотного интервала. При этом эти интервалы могут модифицироваться с применением соответствующих межэлементных регулировочных компонентов.
Приведенные примеры не ограничивают возможные комбинации различных контуров фильтрации. Различные части группы 502 резонансных секций могут содержать различные комбинации согласующих межэлементных компонентов. В дополнение к способу электрического увеличения длины пространственно разделенных резонансных секций, далее рассматривается, в качестве другого примера, еще один способ. Так, между горизонтальными парами резонансных секций могут быть включены конденсаторы 504. Это соответствует одному из вариантов усиления электромагнитной связи между смежными элементами и, тем самым, улучшения способности структуры направлять электромагнитную энергию 602 сквозь устройство 501. Используя конденсатор с соответствующими параметрами, можно уменьшить импеданс резонансных секций при пропускании к смежной резонансной секции. Это обусловлено повышением эффективности электромагнитной связи.
Устройство 501 согласно изобретению может иметь также дополнительную функциональность, согласно которой часть конструкционного компонента 90 сконфигурирована для приема электромагнитных сигналов от внешних базовых станций или от другого беспроводного коммуникационного оборудования и для обеспечения повышенного уровня сигнала, который может быть использован беспроводными радиоустройствами.
Дополнительная функциональность относится к конфигурации, предназначенной для использования части конструкционного компонента как антенны, чтобы обеспечить повышенные уровни сигнала для электрических радиоприемников. На фиг. 13 представлен пример связи резонансных секций 503 с антенной конфигурацией 701. Эта конфигурация интегрирована с конструкционным компонентом 90, которым может являться, например, часть оконной рамы, жесткая изолирующая панель (например из полиуретана) или деревянная стойка, поддерживающая стену. Антенная конфигурация 701 может быть использована для захвата части направляемой электромагнитной энергии 602. Принятая электромагнитная энергия 700 может быть направлена к внешним радиоустройствам, таким как роутеры беспроводной локальной сети (WLAN) или активные сотовые повторители. Количество энергии, принятой антенной конфигурацией 701, меньше, чем суммарная направляемая электромагнитная энергия 602. Антенная конфигурация 701 связана с группой 502 резонансных секций посредством сопрягающих электромагнитных средств. Чтобы обеспечить эффективное функционирование, желательно локализовать антенную конфигурацию 701 в ближнем поле резонансной секции 503 таким образом, чтобы конфигурация 501 пассивного повторителя могла быть использована для эффективной связи антенной конфигурации 701 с пространством 80 падающей электромагнитной волны. При этом часть электромагнитной энергии падающего электромагнитного излучения 601 может быть подведена к антенному коннектору 702 с помощью сопрягающего средства 703, такого как коаксиальный кабель или контактные пружины. В этой конфигурации первые элементы 503' принимают и переизлучают падающее электромагнитное излучение 601. Стрелки 602 иллюстрируют направляемую электромагнитную энергию, а стрелка 700 - часть принятой электромагнитной энергии, которая направляется к антенному коннектору 702.
На фиг. 14 представлены резонансные секции 503', связанные с антенной конфигурацией 701, причем антенна встроена в селективную поверхность стекла окна. Более конкретно, антенная конфигурация 701 встроена непосредственно в электропроводную селективную поверхность стекла 301. Поверхность 302 стекла, не имеющая покрытия, использована, чтобы сформировать излучатели антенны. Путем прецизионного удаления конструкционных паттернов с поверхности селективного покрытия, в поверхности 302 стекла могут быть сформированы щелевые антенные излучатели. Главный излучатель 704 используется, чтобы направлять принятую электромагнитную энергию к антенному коннектору 702 через антенное сопрягающее средство 703. Для этой цели могут быть использованы, например, сопрягающие пружины в поверхности 302 стекла или элемент, обеспечивающий бесконтактную электромагнитную связь. Вблизи главного излучателя 704 может быть сконфигурирован паразитный излучатель 705, чтобы создать дополнительную рабочую частотную область для главного излучателя 704 или чтобы расширить его рабочую частотную полосу.
Фиг. 15а и 15b иллюстрируют пример интегрирования конфигурации пассивного повторителя с оконным блоком 200. Конфигурация 501 пассивного повторителя интегрирована с внешней стороной стойки 202. Чтобы обеспечить механическую защиту от абразивного износа или факторов окружающей среды, например влаги, к структуре может быть добавлена защитная накладка 513. Конфигурация пассивного повторителя может быть интегрирована с внутренней стороной стойки 202, если она занимает более заметное положение, так что защитная накладка 513 становится визуально наблюдаемой поверхностью. Накладка 513 может быть выполнена из любого неэлектропроводного материала, такого как дерево, пластик, стеклопластик или любой другой композитный материал. Альтернативно, она может представлять собой слой краски или лака. Этот пример иллюстрирует также возможность использования неэлектропроводной части наружной оболочки 208 для размещения первых элементов 503' группы 502 резонансных секций. Эта часть наружной оболочки может также обеспечивать механическую защиту и защиту конфигурации пассивного повторителя от природных факторов (например от дождя и УФ излучения). В данном примере первые элементы 503' перед сборкой размещают на физически отдельном носителе. Альтернативный способ состоит в использовании широкого материала-носителя, такого как гибкий неэлектропроводный лист, в котором вытравливаются элементы 503. Такой широкий лист может быть прикреплен к боковым стойкам 202, а затем загнут, чтобы поместить первые элементы 503' под неэлектропроводной частью наружной оболочки 208 (для получения варианта, аналогичного представленному на фиг. 15b).
В соответствии с другим вариантом защитная накладка 513 может быть электропроводной, например выполненной в виде металлической сетки.
Фиг. 16а и 16b иллюстрируют пример, в котором резонансные секции 503 встроены внутрь оконной рамы. Оконная рама 201 или ее часть, такая как стойка 202, может быть изготовлена из неэлектропроводных материалов, таких как стеклопластик, или НПВХ, или из другого подходящего материала. Во многих случаях, чтобы улучшить энергоэффективность оконной рамы, внутри рамы формируются теплоизолирующие полости 209. Эти полости могут быть заполнены воздухом, газом или какими-то другими изоляционными материалами с низкой теплопроводностью, например пенополиуретаном или полиизоциануратом. Теплоизолирующие полости 209 удобны для локализации резонансных секций, и эти полости могут быть использованы, чтобы сконфигурировать часть оконного блока 200 для функционирования в качестве конфигурации 501 пассивного повторителя. Элементы 503 могут быть вырезаны из металла, но их можно изготовить также из любого другого электропроводного материала, такого как углеволокно. На фиг. 16а верхний брусок (т.е. верхняя часть окна) имеет обозначение 204, стена - обозначение 100, а неэлектропроводная часть наружной оболочки - обозначение 208.
На фиг. 17 представлен пример, в котором два пассивных повторителя 501 установлены горизонтально над стеклом 301 окна, а два пассивных повторителя 501 установлены вертикально, рядом с окном.
На фиг. 18а и 18b представлен другой пример интеграции, в котором может использоваться продолжение конфигурации 501 пассивного повторителя. Продолжение 501' может быть прикреплено, например, к внешней боковой стойке 207. В соответствии с данным вариантом между продолжением 501' и стеной 100 может быть установлена электропроводная полоска 210, как это показано на фиг. 18b. Эта полоска может уменьшить или даже исключить потери, которые может создать для электромагнитного сигнала стена 100, особенно если она является бетонной.
На фиг. 18с и 18d представлен еще один пример интеграции, в котором конфигурация 501 пассивного повторителя выступает из стороны стены (фиг. 18с и 18d соответствуют виду стены 100 у края окна сверху и сбоку, в сечении). Снаружи структуры стены находится по меньшей мере одна резонансная секция 503'. В этом случае наружная оболочка 206 может быть электропроводной. При этом в другом варианте, если наружная оболочка 206 является электропроводной, некоторые резонансные секции 503' могут быть сформированы в ней, например, как щелевые излучатели (не изображены).
Фиг. 19 иллюстрирует пример формирования конфигурации 501 пассивного повторителя на поверхности стекла 301 окна в виде группы щелевых излучателей 302'. В этом случае наружная оболочка 206 может быть выполнена из алюминия.
На фиг. 20 представлен пример, в котором одна или более подгрупп 505 резонансных секций сформированы таким образом, что смежные секции не являются параллельными, так что расстояния между двумя смежными резонансными секциями у их различных концов являются различными. Конфигурация такого типа может быть использована при формировании паттерна излучения по меньшей мере одной стороной пассивного повторителя, которая обращена вверх или вниз, как это проиллюстрировано стрелками 601. Таким образом, пассивный повторитель становится способным принимать сигналы, например, от неба лучше, чем в ситуации, когда паттерн излучения ориентирован в горизонтальном направлении. Такая конфигурация может быть полезна в случае приема сигналов от спутников, таких как сигналы от спутников в составе спутниковой навигационной системы, например GPS, GLONASS, GALILEO, Beidou, а также от спутниковых систем связи, таких как Iridium, Inmarsat, Globalstar, OneWeb или SpaceX.
На фиг. 21 представлен пример, в котором конфигурация 501 пассивного повторителя установлена в шве между двумя изоляционными панелями 103 с покрытием из алюминия. Например, конфигурация 501 пассивного повторителя может быть установлена на поверхности несущей стойки 107 стены здания (как это показано на фиг. 22), на поверхности края одной из изоляционных панелей 106 стены здания (как это показано на фиг. 23) или интегрирована в отдельную изоляционную панель, которая может быть введена в шов между двумя изоляционными панелями 103.
Существует много возможных способов изготовления пассивного повторителя 501. Например, резонансные секции 503 могут быть установлены между деревянными, пластиковыми и/или стеклопластиковыми частями. Другая опция состоит в использовании печати (или другого аддитивного способа изготовления) или травления, чтобы сформировать желательные паттерны электропроводного материала на подложке. Затем пассивный повторитель 501 может быть закреплен на поверхности конструкционного компонента, например, используя адгезив или другое подходящее средство. В некоторых вариантах пассивный повторитель 501 может быть интегрирован в конструкционный компонент. После того как пассивный повторитель 501 будет прикреплен к поверхности конструкционного компонента, он может быть защищен путем накрывания пассивного повторителя 501 листом из пластика, деревянной планкой и т.д. или, например, накладыванием лака на поверхность пассивного повторителя 501.
Фиг. 24а иллюстрирует пример, в котором резонансные секции 503 ламинированы на жесткую изоляционную панель 103. На обе поверхности изоляционной панели 103 может быть наложена покрышка 104, так что пассивный повторитель 501 будет расположен между одной поверхностью изоляционной панели 103 и покрышкой 104, закрывающей эту поверхность.
Фиг. 24b иллюстрирует пример, в котором резонансные секции 503 также ламинированы на поверхность ламинированной жесткой изоляционной панели 103. На обе поверхности изоляционной панели 103 наложена покрышка 104, так что пассивный повторитель 501 будет расположен над этой покрышкой. Может иметься также дополнительная покрышка 105, под которой расположен пассивный повторитель 501.
На фиг. 25а и 25b представлен еще один вариант прикрепления устройства 501 к оконному блоку 200. Устройство 501 установлено на поверхность наружной стороны стойки 202. Чтобы обеспечить механическую защиту от абразивного износа или факторов окружающей среды, например влаги, к структуре может быть добавлена защитная накладка 513. В этом варианте защитная накладка 513 является электропроводной или имеет электропроводное покрытие. Защитная накладка 513 содержит один или более резонансных элементов 503', таких как щелевые излучатели. Эти резонансные элементы 503' могут быть использованы для ретрансляции (переноса) электромагнитных сигналов между внешним пространством и устройством 501. Защитная накладка 513 такого типа может также улучшить распространение сигнала, если наружная оболочка 206 выполнена из алюминия или другого электропроводного материала.
В соответствии с другим вариантом резонансные секции 503 могут быть сформированы на поверхности гибкой подложки (например пластиковой), которая покрыта слоем другого гибкого материала. В этом случае устройство 501 содержит первый слой в качестве подложки, второй слой, содержащий резонансные секции 503, и третий слой, служащий покрышкой. Устройство 501 этого типа может быть сформировано использованием так называемого "процесса из рулона в рулон", в котором подложка и покрышка сматываются с базового валика, после чего на подложку наносятся резонансные секции 503 и другие возможные элементы, а покрышка накладывается поверх структуры, чтобы сформировать полотно, несущее устройство 501. После этого полотно может быть подано на приемный валик. Устройства 501 могут быть затем вырезаны из полотна. Устройства 501 данного типа могут прикрепляться к конструкционному компоненту, например, посредством адгезива.
Материалом оконной рамы может быть дерево, пластик (ПВХ, НПВХ и другие пластиковые материалы), стеклопластик или другой композитный материал. Окна многих типов представляют комбинацию различных материалов, например дерева и алюминия, дерева и НПВХ, ПВХ и дерева или стеклопластика и дерева.
Материалом, используемым для изготовления резонансных секций 503, предпочтительно является электропроводный материал, например металлический лист или электропроводный пластик. Используемый металлический лист может быть, например, алюминиевым или медным. Другая возможность состоит в использовании менее электропроводного или изоляционного материала, который обрабатывают, чтобы сделать его электропроводным, например путем нанесения на него электропроводного покрытия.
Далее будет рассмотрено еще несколько примеров
Согласно первому примеру предлагается устройство 501 для приема и ретрансляции электромагнитных сигналов, выполненное с возможностью прикрепления к конструкционному компоненту 90 и характеризующееся тем, что содержит:
электромагнитно плавающую группу 502 резонансных секций 503, формирующих путь, направляющий распространение электромагнитной энергии электромагнитных сигналов с одной стороны конструкционного компонента 90 к другой его стороне.
При этом электромагнитно плавающая группа 502 резонансных секций 503 содержит по меньшей мере первую резонансную секцию 503' и вторую резонансную секцию 503'', находящуюся в ближнем поле смежной с ней первой резонансной электропроводной секции 503' и смещенную относительно нее вдоль пути распространения сигналов.
В соответствии с вариантом устройства 501 электромагнитно плавающая группа 502 содержит резонансные секции 503, размещенные вдоль пути распространения сигналов в виде по меньшей мере двух рядов.
В соответствии с конкретным вариантом устройства 501 каждый ряд содержит две или более резонансных секций 503.
В соответствии с другим вариантом устройство 501 содержит по меньшей мере один ретранслятор (переизлучатель) 514, содержащий две или более указанных резонансных секций 503.
В соответствии еще с одним вариантом устройства 501 электромагнитно плавающая группа 502 сформирована из двух или более резонансных электропроводных секций 503, расположенных последовательно вдоль направления, перпендикулярного пути распространения сигналов.
В соответствии с другим вариантом устройства 501 электромагнитно плавающая группа 502 сформирована из резонансных электропроводных секций 503, позиционированных в соответствии с зигзагообразным паттерном, имеющим протяженность по меньшей мере в одном из следующих направлений:
- вдоль пути распространения излучения;
- перпендикулярно пути распространения излучения.
Согласно одному варианту устройство 501 выполнено с возможностью установки в раму 201 окна 200.
В соответствии с вариантом устройства 501 по меньшей мере одна резонансная секция 503 выполнена с возможностью быть установленной вне конструкционного компонента 90.
Согласно варианту устройства 501 резонансные секции 503 являются электропроводными.
В соответствии с вариантом устройства 501 резонансные секции 503 имеют один или более из следующих профилей:
- прямоугольный;
- в виде ломаной линии;
- круглый;
- треугольный.
В соответствии с другим вариантом устройства 501 электромагнитно плавающая группа 502 содержит первый комплект резонансных секций 503, выполненный с возможностью функционировать в первом частотном интервале, и второй комплект резонансных секций 503, выполненный с возможностью функционировать во втором частотном интервале.
Согласно варианту изобретения устройство 501 дополнительно содержит антенну 701 и средства 702, 703 для переноса части электромагнитной энергии посредством антенны 701.
В соответствии с вариантом устройства 501 антенна 701 выполнена имеющей электромагнитную связь по меньшей мере с одной резонансной электропроводной секцией 503.
Согласно варианту устройства 501 по меньшей мере одна резонансная секция 503 выполнена с возможностью расширить паттерн излучения антенны 701 по меньшей мере в одном направлении.
Согласно другому варианту устройство 501 дополнительно содержит средство 504 подбора импеданса одной или более резонансных электропроводных секций для управления частотными характеристиками устройства 501.
Согласно второму аспекту изобретения предложен способ приема и ретрансляции электромагнитных сигналов посредством устройства 501, прикрепленного к конструкционному компоненту 90, характеризующийся тем, что включает следующие операции:
обеспечивают прием электромагнитных сигналов электромагнитно плавающей группой 502 резонансных секций 503, формирующих путь распространения излучения;
направляют, посредством указанной группы 502 резонансных секций 503, электромагнитную энергию электромагнитных сигналов от одной стороны конструкционного компонента 90 к другой его стороне;
при этом обеспечивают перенос электромагнитной энергии посредством первой резонансной электропроводной секции 503' ко второй резонансной секции 503", находящейся в ближнем поле смежной с ней первой резонансной электропроводной секции 503' и смещенной относительно нее вдоль пути распространения сигналов.
В соответствии с вариантом способа используют электромагнитно плавающую группу 502, содержащую резонансные электропроводные секции 503, размещенные вдоль пути распространения сигналов в виде по меньшей мере двух рядов. При этом электромагнитная энергия переносится каждым рядом резонансных электропроводных секций 503.
Согласно одному варианту способа используют электромагнитно плавающую группу 502, содержащую первый комплект резонансных секций 503, выполненный с возможностью функционировать в первом частотном интервале, и второй комплект резонансных электропроводных секций 503, выполненный с возможностью функционировать во втором частотном интервале. При этом электромагнитную энергию, соответствующую первому частотному интервалу, переносят посредством первого из указанных комплектов, а электромагнитную энергию, соответствующую второму частотному интервалу, переносят посредством второго из указанных комплектов.
В соответствии с другим вариантом способа устройство 501 дополнительно содержит антенну 701, при этом часть электромагнитной энергии переносят посредством данной антенны.
Согласно варианту способа в качестве антенны функционирует часть окна, обеспечивающая перенос электромагнитной энергии к одному или более резонансных секций 503 или от них.
Согласно другому варианту способа используют антенну в виде одного или более из следующих объектов:
- металлической оконной рамы;
- металлической подъемной рамы;
- электропроводной поверхности панели окна.
В соответствии с третьим аспектом предлагается конструкционный компонент, содержащий устройство 501 согласно любому из п.п. 1-14 прилагаемой формулы.
В одном варианте конструкционный компонент выполнен в виде изолирующей доски или планки, при этом указанное устройство 501 ламинировано на указанную изолирующую доску или планку.
В соответствии с четвертым аспектом предлагается система повторителей сигнала, содержащая устройство 501 согласно любому из рассмотренных вариантов, образующее с оконной рамой сборку, способную направлять электромагнитную энергию через часть оконной рамы, в обход остекления окна.
Изобретение не ограничено описанными вариантами и может быть модифицировано без выхода за пределы объема прилагаемой формулы.