CN101536347B - 用于传送波的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种用于聚焦电磁波或声波在一焦点的方法，在所述点附近有一个或多个传播器，所述步骤包括一学习步骤，在所述学习步骤中获得所述聚焦点和网络的每根天线(2)之间的脉冲响应h_ij(t)聚焦电磁波或声波在一点的方法，该点附近放置一个或多个传播器包括一步骤，其中在所述聚焦点和网络的每根天线(2)之间的脉冲响应h_ij(t)被确定。然后，通过所述网络中的所述多根天线(2)，发射相对与多个信号相应的电磁波可以被从所述网络的所述多根天线(2)发射，式中S_i(t)是一时间函数，且h_ij(-t)是所述脉冲响应h_ij(t)的时域反转函数。

Description

用于传送波的方法及其装置

本发明涉及电磁波或声波传送的方法以及装置。

更具体地，本发明涉及一种用于传送被选定的电磁波或者声波的方法，为了将一个波长为λ的波(波长与波的中心频率相一致)聚焦在至少一个索引为i的焦点上，所述波由属于第一阵列的索引为j的多根天线所发射。

文件EP-A-0803 991描述了这种的方法的一个例子，在点i上该例子具有很好的聚焦。

特别地，本发明的目的在于改进这类方法，以改善在点i处聚焦的精确度。

为此目的，根据本发明的一种解决此类问题的方法，其特征在于，使用至少一个针对所述波的扩散器(它本身也可以是一天线)，所述扩散器接近所述焦点i，所述扩散器和所述焦点之间的距离小于一预定距离，所述预定距离至多等于λ/10。

由于这些设计，通过执行一种方法可获得高精确的聚焦，例如该方法具体包括：

-在点i处生成一瞬逝波，以便一个或多个扩散器将所述瞬逝波转换成一传播波，所述传播波直接传播至第一阵列的多根天线；

-根据索引为j的多根天线接收到的信号，确定在所述点i和所述索引为j的多根天线间的脉冲响应h_ij(t)；以及

-通过所述第一阵列中的索引为j的多根天线发射对应于信号 $S_{\mathrm{ji}}\left(t\right)=S_i\left(t\right)\⊗h_{\mathrm{ij}}(-t)$ 的波，其中S_i(t)是一时间函数，h_ij(-t)是脉冲响应h_ij(t)的一时间翻转函数；然后，所述一个或多个扩散器根据接收到的传播波，重新生成多个瞬逝波，并且这些瞬逝波可以高精确地聚焦于所述点i，所形成的焦点与所述信号的波长相比尺寸十分小。例如，所述焦点的宽度可以是λ/30左右。

在根据本发明的方法的多个实施例中，可以选择性地采用如下一个或者多个步骤：

-所述方法至少包括：

(a)一学习步骤，根据所述第一阵列中索引为j的天线和属于第二阵列中位于所述焦点i处的至少一个天线之间交换的信号，确定所述焦点i与所述第一阵列中索引为j的每个天线之间的脉冲响应h_ij(t)(可选地，所述第二阵列可以是单一天线)；以及

(b)一聚焦步骤，通过所述第一阵列中索引为j的天线，发射对应于信号 $S_{\mathrm{ji}}\left(t\right)=S_i\left(t\right)\⊗h_{\mathrm{ij}}(-t)$ 的波，其中S_i(t)是时间函数，h_ij(-t)是所述焦点i与所述索引为j的天线(2)之间的脉冲响应h_ij(t)的时间翻转函数，并且在所述聚焦步骤中，在所述焦点i的周围至少存在多个所述扩散器(则在点i处所接收到的信号接近于S_i(t))。需要注意的是，在所述聚焦步骤中，在某些情况下，需要忽略位于点i处的天线，例如，当将所述点i周围作为一个区域来处理时；

-在所述学习步骤中：

·通过位于所述第二阵列中位于焦点i处的天线，发射对应于一预定信号的波；

·在所述第一阵列中索引为j的多根天线上，采集由对应于所述预定信号的波所产生的多个信号；以及

·根据所采集到的信号，确定在所述焦点i和所述第一阵列中每根索引为j的天线之间的脉冲响应h_ij(t)；

-在聚焦步骤中，在所述焦点i处放置所述第二阵列的天线，以及在所述被放置的第二阵列的天线和所述第一阵列的索引为j的多根天线之间建立通信；

-针对多个焦点i执行所述学习步骤，其中所述第二阵列的多个天线被分别放置在所述多个焦点i处，且每一根天线周围都至少有一个所述扩散器，且所述扩散器与对应的所述焦点i之间的距离小于所述预定距离，以及，在所述聚焦步骤中，所述第一阵列中的每一天线j发射与信号 $S_{\mathrm{ji}}\left(t\right)=S_i\left(t\right)\⊗h_{\mathrm{ij}}(-t)$ 中至少一个相对应的波，其中i是目标焦点之一的索引。

-在聚焦步骤中，通过所述第一阵列中的每个天线j发射对应于一叠加信号的波，所述叠加信号为对于不同的i得到信号 $S_{\mathrm{ji}}\left(t\right)=S_i\left(t\right)\⊗h_{\mathrm{ij}}(-t)$ 的叠加；

-在所述聚焦步骤中，所述第二阵列中的多根天线位于所述焦点i处；并且在所述聚焦步骤中，在所述第一阵列中的索引为j的多根天线与所述第二阵列的至少特定数量的所述天线之间建立选择性通信；

-使用多个扩散器，优选地，至少为10个，所述扩散器与所述焦点i之间的距离小于所述预定距离；

-所述预定距离至多等于λ/50；

-所述波为电磁波；

-所述波的频率(中心频率)介于0.7至50GHz之间；

-用于目标焦点处的所述第二阵列的天线具有一阻抗，该阻抗的虚部比实部大，以便必然产生一个反应场；

-所述第二阵列的天线的阻抗的虚部比所述实部大50倍；

-使用多个金属扩散器。

除此之外，本发明的目的还包括一种用于在至少一个索引为i的点处接收波长为λ的电磁波的装置，该装置包括至少一个用于所述电磁波的金属扩散器，所述金属扩散器与所述点i之间的距离小于一预定距离，所述预定距离至多等于λ/10，其中λ是所述电磁波的波长。

在根据本发明的所述装置的多个实施例中，

-所述装置包括多个扩散器，优选地，至少为10个，所述金属扩散器与所述点i之间的距离小于所述预定距离；

-所述预定距离至多等于λ/50；

-在点i处，所述装置包括一属于第二阵列的天线(可选地，所述第二阵列可以为单天线)；

-所述第二阵列的天线具有一阻抗，所述阻抗的虚部比实部大，以便必然产生一瞬逝场；

-所述阻抗的虚部比所述实部大50倍；

-所述装置包括多个属于第一阵列的索引为j的多个天线，和用于控制所述第一阵列的索引为j的多个天线的一电子中央处理单元，以使得在所述第一线阵列中的索引为j的多个天线上发射对应于信号 $S_{\mathrm{ji}}\left(t\right)=S_i\left(t\right)\⊗h_{\mathrm{ij}}(-t)$ 的电磁波，其中S_i(t)是一时间函数，h_ij(-t)是所述点i和所述第一阵列中的每根天线j之间的脉冲响应h_ij(t)的时间翻转函数；

-所述第二阵列包括位于多个索引为i的点处的多个天线，并且所述多个天线被多个金属扩散器包围，所述多个金属扩散器与对应的点i之间的距离分别小于所述预定距离；并且所述电子中央处理单元，让所述第一阵列中的每个天线j发射至少与信号 $S_{\mathrm{ji}}\left(t\right)=S_i\left(t\right)\⊗h_{\mathrm{ij}}(-t)$ 中的至少一个相对应的电磁波；以及

-所述电子中央处理单元(3)，通过所述第一阵列中的每个天线j发射对应于一叠加信号的波，所述叠加信号为对于不同的i得到信号 $S_{\mathrm{ji}}\left(t\right)=S_i\left(t\right)\⊗h_{\mathrm{ij}}(-t)$ 的叠加。

通过阅读参照以下附图，以及对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征和优点将会变得更明显。

在附图中：

-图1示出了采用根据本发明的一个实施例的聚焦方法的装置原理图；

-图2示出了属于图1所示的装置的一个天线阵列中并被金属扩散器包围的天线俯视图；以及

-图3示出了一个示例性实施例的图2中的天线与金属扩散器的透视图。

在这些不同的图中，同样的标号表示相同或者相似的元件。

具体实施方式

图1示出了一用于收发电磁波的无线通讯装置，所述电磁波的中心频率通常在0.7到50GHz之间，例如在2.45GHz左右(相应的波长为12.25cm)。该装置包括天线2的第一阵列1，所述第一阵列与一第一电子中央处理单元3(CPU1)相连接，和天线5的第二阵列4，所述第二阵列与一第二电子中央处理单元6(CPU2)相连接。

在此，对于每个阵列1、4，所述天线2、5的天线数量是8个，但是它们的天线个数可以不相同。特别地，所述第二阵列4可以只包括单天线5。

所述第二阵列中的多个天线5，彼此之间都有一个间距L(这个间距可能是相同的，也可能是不同的，取决天线5的对数)，所述L小于所述电磁波的波长λ。例如，L可以取4mm左右，即比λ/30小一点。

但是，所述第一阵列和第二阵列1、4之间彼此分隔，其间距相较于λ大，所述间距通常大于3λ。

如图2所示，所述第二阵列的每个天线5，被多个金属扩散器7所包围，所述金属扩散器被置于距离所述天线5的半径为R的范围内。所述半径R小于λ/2，优选地，小于λ/10，特别地，可以小于λ/50。

每个天线5是感应类型天线。也即，天线阻抗的虚部是不可忽略的，以使得当天线5收到电子信号时，可产生一瞬逝场。

优选地，所述感应天线阻抗的虚部大于其实部。

例如，其阻抗的虚部比其实部大50倍。

在此所考虑的一个特例中，其阻抗的实部是10Ω，而其虚部是100Ω。

这样，当所述感应天线5接收到一电子信号时，必然会产生一反应场；因此随后只在所述感应天线的周围产生瞬逝场(与传播波不同，传播波会传播至相对于所述天线5周围较远的距离)。在所述半径R的范围内，所述金属扩散器7的数量大于10，例如大于20。

例如，这些金属扩散器是简单的导电元件，比如铜线。

众所周知，当这些扩散器接收到来自感应天线5的电磁瞬逝波时，它们会将该电磁瞬逝波转换成传播波。相反地，当它们接收到电磁传播波时，这些扩散器7会将所述传播波转换成一瞬逝波。

为了给出一个非限制实施例，图3示出了感应天线5和感应扩散器7的一个实施例。在这个例子中，例如所述感应天线5包括，一同轴电缆，其芯8以及绝缘体12穿过一树脂盘10，该树脂盘的下面有一与所述同轴电缆的壳9电连接的金属层11，所述芯8从所述金属盘10伸出很短距离e，例如2mm左右。

优选地，所述距离e小于所述波长λ。所述芯8因此可以通过从所述金属盘10伸出的很短的一部分，来发射或接收电磁波。

其中，所述金属扩散器7可以是，例如，优质铜线的形式，所有铜线之间都相互平行的，并与上述芯8平行。这些铜线长度l，例如，可以为约4到5cm，并且可以被固定至所述盘10，如通过树脂形成所述盘并包覆这些铜线。

在所述实例中，所述第一阵列1中的天线2是常规天线，同所述第二阵列4中的天线相比，其间的距离相对较大，但是，所述第一阵列1当然也可以和所述第二阵列4一致或者相似。

上述描述的所述装置也可以被用在，例如使得所述第一阵列1与所述第二阵列4的每根天线5进行选择性通讯(即时或者其它形式)。

为此目的，在初始学习步骤中，每根感应天线5被用于连续发射与脉冲信号相对应的一电磁波，所述脉冲信号具有，例如10ns的持续时间。

该电磁波被所述第一阵列1中的不同天线2接收。因此，被所述天线2接收的信号分别对应于，在所述发射信号的感应天线5与所述第一阵列的每个天线2之间的脉冲响应h_ij(t)，其中i表示所述反应天线5的索引，且j是表示所述天线2的索引。

需要注意的是，所述脉冲响应h_ij(t)可以通过不同方法确定，例如，通过使所述第一阵列的多个天线j发射多个预定信号，通过采集所述第二阵列的多根天线i上接收到的信号，通过发射在所述第一中央处理单元处被采集的多个信号(这样的传输可以通过有线，无线通讯或者其他方式)，并通过处理这些被采集的信号。这类方法在文档WO-A-2004/086557中已有举例。

所述第一中央处理单元3，然后对这些脉冲响应进行时域反转，以获得信号h_ij(-t)。

这个时域反转的步骤的实现，可以参考例如由Lerosey et al等发表的论文(Physical Review Letters，May 14，2004，The American PhysicalSociety，Vol.92，No.19，pages 193904-1 to 193904-3)中的相关描述。

因此，如果希望传送信号S(t)至索引为i的多个感应天线5之一，则所述第一中央处理单元3使索引为j中的每个天线2发射信号 $S_{\mathrm{ji}}\left(t\right)=S_i\left(t\right)\⊗h_{\mathrm{ij}}(-t).$

需要注意的是，在该方式下，所述第一个中央处理单元3可以以并行的方式、有选择地传送多个S_i(t)信号，分别至索引为i₁、i₂、i₃等的多个感应天线5。

在该方式下，在所述聚焦步骤中，对于i的不同取值，所述第一阵列中的每根天线j被用来发射对应于叠加信号S_ji(t)的波(在索引j中的每根天线发射所述波之前，将对应于不同感应天线i的信号S_ji(t)相加求和)。

需要注意的是，如果在学习步骤中，通过使每个天线2发射一脉冲信号来执行初始化学习步骤，以便随后计算在索引为j中的每个天线2和索引为i的每个天线5之间的脉冲响应h_ji(t)，则所述中央处理单元3和6之间的双向通信会得到进一步的改善。在该种情况下，所述第二中央处理单元6也被设计成能计算并在内存中存储这些脉冲响应的时域反转函数h_ji(-t)。这样，当所述第二中央处理单元6需要发射信号S_j(t)给所述第一阵列1的天线2_j时，它使得索引为i中的所有感应天线5发射信号 $S_{\mathrm{ij}}\left(t\right)=S_j\left(t\right)\⊗h_{\mathrm{ji}}(-t).$

如上所述，这些信号S_ij(t)可以根据不同的j的数值，有选择地叠加，以使得从所述第一中央处理单元6、以不同的并行消息发送至不同的天线2。

举例来说，电子装置部件，例如微电脑或之类的设备，可以通过上述描述的装置，在一间房间或一栋大楼范围里进行相互通信，或者在同一电子装置中的不同电路之间进行相互通信，却不需要在这些电路之间间存在物理连接。

应当指出的是，在通信应用中，上述聚焦方法可由一种基于相互关联的方法，或一种使用记录的方法以及转换矩阵的倒置来替代，以便把一信号有选择性地传送给所述感应天线5之一。

而且，本发明还可以用来使电磁波聚集在一个焦点上以实现处理放在此焦点上的物质的目的。在这样的情况下，可选地，可在所述聚焦步骤中移除所述感应天线5，但仍然保留所述感应扩散器。

最后，本发明不限于电磁波，还能用来传输超声波。

Claims (21)

1.一种用于传送电磁波的方法，为了将一个波长为λ的波聚焦在至少一个索引为i的焦点上，所述波由属于第一阵列(1)的索引为j的多根天线(2)所发射，且被发射至属于第二阵列(4)并位于所述焦点i处的至少一个天线(5)，其特征在于，

-所述属于第二阵列(4)并位于所述焦点i处的天线(5)为感应类型，以便产生瞬逝场；以及

-使用至少一个针对所述波的扩散器(7)，所述扩散器接近所述焦点i，所述扩散器和所述焦点之间的距离(R)小于一预定距离，所述预定距离至多等于λ/10。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法至少包括：

-一学习步骤，根据所述第一阵列中索引为j的天线(2)和所述属于第二阵列(4)的至少一个天线(5)之间交换的信号，确定所述焦点i与所述第一阵列中索引为j的每个天线(2)之间的脉冲响应h_ij(t)；以及

-一聚焦步骤，通过所述第一阵列中索引为j的天线(2)，发射对应于信号

的波，其中S_i(t)是时间函数，h_ij(-t)是所述焦点i与所述索引为j的天线(2)之间的脉冲响应h_ij(t)的时间翻转函数，并且在所述聚焦步骤中，在所述焦点i的周围至少存在多个所述扩散器(7)。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述学习步骤中：

-通过位于所述第二阵列中位于焦点i处的天线(5)，发射对应于一预定信号的波；

-在所述第一阵列(1)中索引为j的多根天线(2)上，采集由对应于所述预定信号的波所产生的多个信号；以及

-根据所采集到的信号，确定在所述焦点i和所述第一阵列中每根索引为j的天线(2)之间的脉冲响应h_ij(t)。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述聚焦步骤中，在所述焦点i处放置所述第二阵列的天线(5)，以及在所述被放置的第二阵列的天线(5)和所述第一阵列的索引为j的多根天线(2)之间建立通信。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，针对多个焦点i执行所述学习步骤，其中所述第二阵列的多个天线被分别放置在所述多个焦点i处，且每一根天线周围都至少有一个所述扩散器，且所述扩散器与对应的所述焦点i之间的距离小于所述预定距离，以及，在所述聚焦步骤中，所述第一阵列中的每一天线j发射与信号

中至少一个相对应的波，其中i是目标焦点之一的索引。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述聚焦步骤中，通过所述第一阵列中的每个天线j发射对应于一叠加信号的波，所述叠加信号为对于不同的i得到信号的叠加。

7.根据权利要求5～6任一所述的方法，其特征在于，在所述聚焦步骤中，所述第二阵列中的多根天线(5)位于所述焦点i处；并且在所述聚焦步骤中，在所述第一阵列中的索引为j的多根天线(2)与所述第二阵列的至少特定数量的所述天线(5)之间建立选择性通信。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用多个所述扩散器，至少为10个，所述扩散器与所述焦点i之间的距离小于所述预定距离。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预定距离(R)至多等于λ/50。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述波的频率介于0.7-50GHz之间。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，用于所述焦点处的第二阵列的天线(5)具有一阻抗，该阻抗的虚部比实部大，以便必然产生一个瞬逝场。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第二阵列的天线(5)的阻抗的虚部比所述实部大50倍。

13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，使用多个金属扩散器。

14.一种用于在至少一个索引为i的点处接收波长为λ的电磁波的装置，该装置包括：

-天线(5)，其属于第二阵列(4)并位于所述焦点i处，且为感应类型，以便产生瞬逝场；

-至少一个用于所述电磁波的金属扩散器(7)，所述金属扩散器与所述点i之间的距离小于一预定距离(R)，所述预定距离至多等于λ/10，其中λ是所述电磁波的波长。

15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述装置包括多个扩散器(7)，至少为10个，所述金属扩散器与所述点i之间的距离小于所述预定距离(R)。

16.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述预定距离(R)至多等于λ/50。

17.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述第二阵列的天线(5)具有一阻抗，所述阻抗的虚部比实部大，以便必然产生一瞬逝场。

18.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述阻抗的虚部比所述实部大50倍。

19.根据权利要求14至18中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置包括属于第一阵列(1)的索引为j的多个天线(2)，和用于控制所述第一阵列的索引为j的多个天线(2)的一电子中央处理单元(3)，以使得在所述第一阵列中的索引为j的多个天线上发射对应于信号的电磁波，其中S_i(t)是一时间函数，h_ij(-t)是所述点i和所述第一阵列中的每根天线j之间的脉冲响应h_ij(t)的时间翻转函数。

20.根据权利要求19所述的装置，其特征在于，所述第二阵列包括位于多个索引为i的点处的并且被多个金属扩散器包围的多个天线(5)，所述多个金属扩散器(7)与对应的点i之间的距离分别小于所述预定距离；并且所述电子中央处理单元，让所述第一阵列中的每个天线j(2)发射与信号

中的至少一个相对应的电磁波。

21.根据权利要求20所述的装置，其特征在于，所述电子中央处理单元(3)，通过所述第一阵列中的每个天线j发射对应于一叠加信号的波，所述叠加信号为对于不同的i得到信号

的叠加。

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