CN105745786B - 一种包括波整形设备和电子设备的系统 - Google Patents

Abstract

一种波整形设备(10)，其包括可调谐阻抗表面(11)以及控制器(12)，所述控制器连接到所述表面从而控制其阻抗。整形设备进一步包括接收导频信号的传输模块(13)，所述导频信号用于控制所述表面的阻抗。

Description

一种包括波整形设备和电子设备的系统

技术领域

本发明涉及到一种波整形设备、一种通过导频信号与整形设备通信的电子设备，以及一种包括该整形设备和该电子设备的系统。

背景技术

更具体而言，本发明涉及到一种整形设备，包括：

-表面，与波相互作用(反射或发射所述波)，所述表面包括多个可调谐元件，所述可调谐元件用于改变所述表面的阻抗以及所述表面反射和/或发射波的方式，以及，

-控制器，连接至该表面从而控制每个可调谐元件。

美国专利6538621公开了一种可调谐阻抗表面，用于控制或聚焦射频波束。例如，它包括一个接地面、离接地面很近的多个阵元、以及在这些相邻阵元之间设置的可调电容器。

美国专利7245269描述了这种可调谐阻抗表面的使用，该可调谐阻抗表面与馈电喇叭共同形成定向型的无线通信网络天线，意即无线通信网络天线发送和/或接受的方向是可以控制的。

这些是令人满意的装置。

发明内容

本发明的目的是提供上述可调谐阻抗表面的其它用途。

本发明涉及到上述类型的一种整形设备，其特征在于它进一步包括传输模块，该传输模块连接到控制器并接收导频信号，其特征还在于控制器通过由传输模块接收的导频信号控制可调谐元件。

通过这些设置，控制器可以根据传输模块所接收的导频信号内所包含的信息命令表面阻抗的修改。

整形设备独立于发射波(初波)的源。例如，可以通过另一个电子设备(在短程距离内)对其进行遥控，比如通过一个移动装置(电话、上网盒)，能够根据来自电子设备的本地信息(即来自整形设备附近的位点的信息)改变波的反射和/或发射。

可调谐阻抗表面未连接到网络的发射天线。可将其放置或设置在远离波源(网络天线)的位置，即放在使用者处(例如放在使用者家中)。

这个类型的波整形设备具有很多用途。从而能够：

1)如果导频信号是接收波，则可以通过整形设备本身改进波的接收，或者通过整形设备附近的电子设备改进波的接收；或者，

2)抵消任何波的接收，并因此保护确定位点(整形设备的位点或者电子设备的位点)周围的空间区域；或者，

3)干扰或抵消由干扰发射机所发射的波的发射，例如，该干扰发射机位于整形设备附近。

通过表面接收和反射或发射的波可以是无线电波(例如，来自移动电话的无线电波)或者声波。在第一种情况下，该表面是电磁表面，比如在美国专利6538621中的电磁表面。在第二种情况下，该表面是具有可控阻抗的声表面。

在第一种应用中，修改表面的阻抗，以便在难以接收的环境中改进并准确地调谐电子设备(例如，移动电话)的接收。这通常是因为环境的复杂性，造成多个电磁反射，并产生无线电波的明显局部放大或衰减和/或明显相移。

在距离电子设备很远处的蜂窝网络天线不能轻易地适用于这种特殊环境，即使采用定向天线亦是如此。此外，这种定向网络天线增加了电子设备周围区域的发射功率，而不会解决上述的复杂性的问题。

在该应用中，本发明能够改进电子通信设备(移动装置，比如移动电话或上网盒)附近的无线电波的接收。

在第二种应用中，修改表面的阻抗，以便抵消电子设备的接收。于是，在电子设备周围的区域内的无线电波的接收便非常弱。

通过这种用途，本发明逆向地抑制任何接收，从而保护该区域(例如，如果认为波是有害的)。如果该波是声波，这一原理的效果便是在喧闹的室外或室内环境中形成一个无声区域。

在第三种应用中，本发明能够抵消或干扰来自干扰发射器的发射，例如来自整形设备所在房间内的电子设备(移动电话)的发射。

在本发明的整形设备的各个实施例中，可利用如下的一项或多项设置。

在本发明的一个方面，每个可调谐元件都只包括两种状态，所有可调谐元件的状态界定了表面的阻抗。

在本发明的一个方面，两种状态对应于模块或相移。

在本发明的一个方面，可调谐元件与在第一传播信道中传播的波相互作用，传输模块接收在第二传播信道中传播的导频信号，第二传播信道与第一传播信道不同。

在本发明的一个方面，可调谐元件是具有电磁可调谐特征的电磁元件。

在本发明的一个方面，可调谐元件是具有声学可调谐特征的声学元件。

在本发明的一个方面，传输模块适合仅接收短程无线传输，例如小于100米的无阻传输距离范围。

在本发明的一个方面，传输模块适合从连接到局域网的无线连接中接收导频信号，例如WiFi、蓝牙或近场通讯连接。

在本发明的一个方面，传输模块适合接收来自音频连接的无声导频信号，例如在一个超声频段之内。

在本发明的一个方面，传输模块与表面集成在一起。

在本发明的一个方面，表面与从一个列表中选出的元件集成在一起，该列表包括：

-建筑物的结构元件，比如混凝土砌块、砖、绝缘材料、绝缘板、石膏板，以及，

-建筑物的装饰元件，比如木地板、地毯、瓷砖地板、装饰板、隔墙、天花板、吊顶板，以及，

-家具，比如桌子、橱柜、书柜、镜子、装饰台、灯具。

在本发明的一个方面，整形设备进一步包括连接到表面的功率器件，所述功率器件适合于从表面所接收的波中恢复能量。

在本发明的一个方面，整形设备进一步包括连接到光电池的一个功率器件，所述功率器件适合恢复来自光的能量。

在本发明的一个方面：

-传输模块通过导频信号无线连接到电子设备，所述导频信号包含来自所述电子设备的数据，以及，

-控制器包括优化模块，该优化模块使数值最大化或最小化以便确定参数，所述数值是基于所述数据而确定，所述数据是电子设备所接收的波的函数，以及，

控制器基于所述参数控制可调谐元件。

在本发明的一个方面，数值选自电子设备所接收的波的振幅、功率级和质量指数。

在本发明的一个方面：

-传输模块通过导频信号无线连接到电子设备，所述导频信号包含来自所述电子设备的数据，所述数据是电子设备所接收的波的函数，以及，

-控制器根据所述数据确定参数，并根据所述参数控制可调谐元件。

在本发明的一个方面，数据是用于直接控制可调谐元件的参数，而且，电子设备包括优化模块，该优化模块使数值最大化或最小化从而确定参数，所述数值是基于所述数据确定的，所述数据是电子设备接收的波的函数。

在本发明的一个方面，数值选自电子设备所接收的波的振幅、功率级和质量指数。

在本发明的一个方面，导频信号是表面所接收的波，传输模块适合接收所述波，以及，

控制器包括：

-监测模块，用于确定数值，所述数值是传输模块所接收的波的函数，

-优化模块，使数值最大化或最小化从而确定参数，而且其中，

控制器根据所述参数控制可调谐元件。

在本发明的一个方面，数值选自电子设备所接收的波的振幅、功率级和质量指数。

本发明还涉及一种电子设备，其包括：

-处理单元，

-接收单元，连接到处理单元，并且适合接收波，以及，

-传输单元，连接到处理单元，并且通过发射导频信号与整形设备通信。

电子设备包括一个监测模块，该监测模块确定至少一个数值，所述数值是由接收单元接收的波的函数，并且把作为所述数值的函数的数据传输到整形设备。

根据本发明的电子设备的多个实施例可选择性地利用以下一项或多项设置。

在本发明的一个方面，数值选自接收单元所接收的波的振幅、功率级和质量指数。

在本发明的一个方面，数据包括所述数值。

在本发明的一个方面，处理单元进一步包括优化模块，该优化模块使数值最大化或最小化从而确定参数，在数据中传输所述参数。

在本发明的一个方面：

-处理单元包含在第一外壳内，而且，

-传输单元包含在一个第二外壳内，第一外壳和第二外壳以可拆卸的方式彼此连接，以便把处理单元连接到传输单元。

本发明还涉及一种系统，包括：

-如上所述的与波相互作用的整形设备，以及，

-如上所述的电子设备，

电子设备的传输单元与整形设备的传输模块相配，以便电子设备经由所述传输单元和传输模块将导频信号发射到整形设备，所述导频信号包括数据。

电子设备包括监测模块，该监测模块确定至少一个数值，该数值是由接收单元接收的波的函数，并且把数据传输到整形设备，所述数据是所述数值的函数。

根据本发明的系统的多个实施例可选择性地使用以下一项或多项设置。

在本发明的一个方面，数值选自接收单元所接收的波的振幅、功率级和质量指数。

在本发明的一个方面，数据包括所述数值。

在本发明的一个方面，处理单元包括优化模块，该优化模块使数值最大化或最小化从而确定参数，以数据传输所述参数。

附图说明

通过作为非限制性实例给出的本发明实施例中的一个实施例的如下描述，并参考附图，本发明的其它特征和优点将显而易见。

在附图中：

-图1是包括本发明的整形设备的移动电话通信网络的总体示意图；

-图2是图1中本发明的第一个实施例的示意图；

-图3是图1中本发明的第二个实施例的示意图；

-图4是图1中本发明的第三个实施例的示意图；

-图5是用作对根据本发明的整形设备进行实验的实验室的办公室的示意性透视图；

-图6是图5中整形设备的谐振可调谐元件的示意图；

-图7是在图5的整形设备中的介于源天线和接收天线之间的光谱透射图；

-图8至图11是与增强接收天线的接收信号的实验相对应的图；

-图8是显示了效率值与优化迭代关系的绘图；

-图9是显示了在接收天线位置的初始状态和优化状态(最大化之后)的光谱绘图；

-图10和图11是在接收天线位置周围的初始状态和优化状态的接收信号振幅的图像；

-图12至图15是与抵消接收天线处的接收信号的实验相对应的图；

-图12是显示了效率值与优化迭代关系的绘图；

-图13是显示了在接收天线位置的初始状态和优化状态(最大化之后)的光谱绘图；

-图14和图15是在接收天线位置周围的初始状态和优化状态的接收信号振幅的图像；

-图16是显示了增强接收信号的效率的图像，针对不同尺寸房间的不同大小的整形设备能获得所述效率；以及

-图17是显示了抵消接收信号的效率的图像，针对不同尺寸房间的不同大小的整形设备能获得所述效率。

在不同附图中，相同的数字标记用于表示相同或相似的元件。

具体实施方式

本发明涉及到一种波整形设备。所述波是主波或初波，本质上可以是电磁波、声波或振动波。

为简单起见，主要是在将本发明用于电磁波的情况下，尤其是用于移动电话的情况下，对本发明进行描述。当然，本发明适用于任何的波频域。

图1是一幅示意图，显示了一个蜂窝通信网络，已知该蜂窝通信网络包括：

-网络站30，负责发送和接收无线电通信至第一通信信道C1(初波传播信道)上，例如，对应于移动电话站或上网盒，所述上网盒在建筑物中通过WiFi传播互联网，以及，

-电子设备20，例如，对应于移动电话、装有移动电话模块或WiFi模块的笔记本电脑或者装有这种移动电话或WiFi模块的任何装置。

电子设备20是移动装置，或者能够从一个位置移动到另一个位置。通过电插头或者通过内置电池供电。电子设备20可以不是移动的，可以通过考虑从网络站30接收无线电的质量的多种因素来确定电子设备20的位置。

根据本发明，该通信网络进一步包括整形设备10，该整形设备放置在距离移动电子设备20很近的地方，或者距离移动电子设备20范围较近的地方。例如，该整形设备10的目的是为了改进在电子设备的周围区域内以及在靠近整形设备10的电子设备20的接收。例如，该整形设备10可用于引起很多和/或复杂的电磁波反射的环境中，这些反射干扰了电子设备20的接收。整形设备10产生另一种受控的反射和/或发射，例如以便改进电子设备20的接收。

用于移动电话的网络站30包括：

-通信单元31，接收待发送到电子设备20(移动电话)的通信，

-网络天线32，通过传输无线电波40传输通信，所述传输无线电波40传播到第一通信信道C1中。

第一通信信道C1是适合于移动电话的通信信道，例如GSM或UMTS，或者适合于计算机网络，例如WiFi、蓝牙或近场通讯。

电子设备20至少包括：

-天线22(或接收装置)，用于接收和发射第一通信信道C1中的一个无线电波43，以及

-处理单元21，连接到所述天线22，用于处理来自天线22的信号以及发送到天线22的信号。

电子设备20通常直接或间接通过关于环境要素的反射来接收来自网络天线32的无线电波(未显示)。在本发明的情况下，还可以接收源自(反射或发射的)修正波42的修正无线电波43，所述(反射或发射的)修正波42源自整形设备10。

有利的是，电子设备20还包括传输单元23，用于通过第二通信信道C2进行无线通信。

整形设备10包括

-(电磁)表面11，该表面把入射无线电波41作为(反射或发射的)修正波42进行反射和/或发射，所述波传播到第一通信信道C1中，以及，

-控制器12，连接到电磁表面11，以便控制所述电磁表面11，尤其是为了改变电磁阻抗，因此改变把入射波41作为修正波42进行反射和/或发射的方式。

有利的是，该整形设备10位于电子设备20难以接收的位置。因此，它距离电子设备20很近。它反射和/或发射由网络站30发出的，或由另一个环境设备或另一个整形设备反射的入射波41。以一种非常简化的方式，修正波42也传播到第一通信信道C1中，例如朝向电子设备20(移动装置)。

美国专利6538621显示了一种电磁表面，其阻抗是可适应性的或者是可更改的从而可以用于根据本发明的整形设备。该电磁表面包括多个谐振元件，每个谐振元件都是可调谐的。该专利的电磁表面包括与地面相隔一定距离的阵元，相邻的阵元通过可变电容器连接在一起，可以通过控制电势控制每个可变电容器。相应地，修改电磁表面的阻抗，以便例如聚焦修正波或者给修正波定向。

可选择地，本发明的电磁表面11是由多个元件(图6中所示的可调谐元件)构成，每个元件都包括两个单独的谐振器元件。第一个谐振器在第一频率f1产生共振，第二谐振器在与第一频率不同的第二频率f2产生共振，所述第二频率f2也是可以通过可变电容器或通过可变二极管可调谐。这种元件能够通过正号或负号反射入射波41，这取决于第二频率f2是否接近或远离第一频率f1。电磁表面11的一整套元件能够实现对所述表面阻抗的高效修改。

可选择地，本发明的电磁表面11的一整套元件(可调谐元件14)具有单一偏振类型或双偏振类型。在第二种情况下，电磁表面11包括第一偏振类型和第二偏振类型的谐振器元件。每个类型的谐振器元件都有利地分布在整个表面上，例如交替地分布。然后，电磁表面11控制入射波41，无论其偏振类型如何。

可选择地，电磁表面11的一整套谐振器或可调谐元件具有单一谐振频率或者两个或多个谐振频率。于是，电磁表面11能够控制频率范围或频带，或者取决于多个频率接近度的多个频带。然后，电磁表面11能够在预定频带控制入射波41，如果一整套谐振器元件覆盖该频带，那么所述频带则可以是一个宽频带。

一整套可调谐元件可以只包括两种不同的状态。因此，可调谐元件14是一个二进制元件。所有可调谐元件状态界定了电磁表面11的特定阻抗。两种状态可以是关于入射波的一个修正波的相移，或者可以是关于入射波的修正波的振幅改变。由于每个谐振器的可调谐元件14只有这两种状态，所以组合的数量减少了，但是对于优化过程而言是足够的。

如果发生相移，每个可调谐元件14可以把入射波反射或发射为一个修正波，所述修正波相对于入射波有一个相移，优选地，对于第一种状态，所述相移是零弧度(意即修正波没有修改其相位)，对于第二种状态而言，所述相移则是π弧度(意即修正波使其相位移动π弧度，也就是说修正波为反向波)。

可选择地，对于第一种状态而言，相移是阿尔法弧度(阿尔法是零与π之间的一个角度值)，对于第二种状态而言，则是阿尔法+π弧度，

如果发生振幅改变，每个可调谐元件14都可以把入射波反射或发射为一个修正波中，所述修正波相对于入射波(放大系数)具有一个振幅改变，优选地，对于第一种状态而言，所述振幅改变是零(意即修正波是零)，而对于第二种状态而言，则振幅改变是一(意即修正波与入射波相同)。

此外，为了具有更好的灵活性，也可以采用两种以上的状态。

例如，根据本发明的整形设备10的控制器12控制电磁表面11的所有可调谐元件(可变电容器或二极管)，因此修改可调谐元件本身的阻抗，并修改表面11的阻抗。如此修改比聚焦或空间定向复杂得多。它把无线电波的空间分布改变到整形设备10周围区域内的第一通信信道C1中。

根据本发明，整形设备10包括连接到控制器12的传输模块13。该传输模块13本质上是用于接收波(接收装置)并将其转换为导频信号的工具。该导频信号代表传播到第一通信信道C1中的波(主波或初波)或者传播到第二通信信道C2(与第一通信信道不同)中的另一个波。在某些情况下，传输模块13可选择性地把信息发送至电子设备20。

在第一种情况下，传输模块13是适合于第一通信信道C1的无线电传输天线，例如该第一通信信道C1是一个电话信道。

在第二种情况下，传输模块13是第二通信信道C2的传输天线，有利的是，该第二通信信道C2是用于短程通信的信道，例如，所述短程为无阻领域中小于100米的距离。它经历较少或很少来自环境要素的干扰。

在第一个变体中，例如，传输模块13是用于无线数据传输的电磁天线，例如WiFi或蓝牙，第二通信信道C2是电磁信道。

在第二个变体中，例如，传输模块13是一个声学传感器，例如扬声器和/或麦克风或这两者的组合，第二通信信道C2是声信道。在这种情况下，第二通信信道C2可有利地处于无声频带，例如超声频带。因此，移动电子设备20可以在用户不可察觉的传输情况下，把数据传输到整形设备10。

传输模块13的其它变体也是可能的。例如，传输模块13是一个光传感器(紫外线或激光)。

传输到电子设备20与整形设备10之间的第二通信信道C2的数据可以是不同类型的数据，这取决于电子设备20与整形设备10之间软件模块或功能的分布。

控制器12根据传输模块13接收的导频信号修改电磁表面11的可调谐元件，因此修改表面11的阻抗。

通过导频信号，控制器12基于整形设备10(自动操作)直接接收或电子设备20(受控操作)接收的波的信息下令修改电磁表面11的阻抗。因为电子设备20距离整形设备10很近，控制器12根据在整形设备10附近的位置接收的波的信息修改表面11的阻抗。因此，与网络站30发出的波的修改相比，由在整形设备10附近或离整形设备10很近的电子设备20处接收到的波的修改可以得到更好地调谐或使其适用性更佳。通过这种方式，整形设备10到网络站30没有有线连接，而且也不受网络站30控制。换言之，整形设备10因此不具有关于波源(电磁波源、声波源或振动波源)的信息。

根据本发明的第一个实施例，如图2所示，电子设备20包括监测单元21a，该监测单元确定与下面数值相对应的至少一个数值：

-由天线22接收的信号的强度(在预定时间段内接收的无线电信号的功率级别或振幅)，或，

-所接收的无线电波的质量指数(例如，进入第一通信信道的通信误码率)。

然后，电子设备20通过传输单元23把该数值发送到整形设备10，所述传输单元23与整形设备10的传输模块13的类型相同(相匹配)。该数值可包含在一组数据内，所述一组数据由电子设备20的传输单元23发送到整形设备10的传输模块13。因此，电子设备20的传输单元23发出波50，该波传播到朝向整形设备10的第二通信信道C2中，以代表或者也被称为“导频信号”的波51的形式。在这种情况下，第二通信信道C2与第一通信信道C1不同。第二信道C2比第一信道干扰少，而且整形设备10易于连接到电子设备20，从而修改电磁表面11的阻抗。

整形设备10通过其传输模块13接收数值，传输模块将其提供给控制器12。

整形设备10的控制器12包括：

-优化模块12b，从传输模块13接收所述数值，并确定电磁表面11的控制参数，以及，

-控制模块12a，连接到电磁表面11，所述控制模块12a把控制参数应用到电磁表面11，从而修改其阻抗。

优化模块12b根据一整套(临时)电子设备20提供的先前参数、先前数值以及当前数值来执行优化算法。

优化算法可以是数值的最大化或最小化。例如，如果预期目的是为了增加电子设备20接收的信号强度，那么优化算法则会寻求一个最大值。相反，如果预期目的是为了降低电子设备20接收的信号强度，那么优化算法则会寻求一个最小值。通过几个连续的步骤，优化算法提供一套最佳的参数。

然后，控制器12的控制单元12a应用由优化模块12b确定的参数组并控制电磁表面11的可调谐谐振器元件。这样确定电磁表面11的特定状态，由此修改被所述电磁表面11反射或发射的无线电波42。

电子设备20所接收的无线电波43是该被反射和/或发射的经修改的无线电波42与来自网络天线32的无线电波的组合。因此，电磁表面11的状态修改了由电子设备20所收到的无线电波43的接收。

在几个连续的步骤期间，控制器12应用关于电磁表面11的控制参数，并且电子设备20的监测单元21a得到数值，控制器12中执行的优化模块12b的算法找出与预期目的(优化判据)相对应的一组最佳控制参数。

可以采用多种已知的优化算法：LMS(最小均方算法)、遗传算法(genetic)、单纯形算法(simplex)等。

可选择地，一旦进行了优化，整形设备10便可以把信息经由传输模块13发射到电子设备，所述信息关于所执行的优化、优化状态及优化性能。

电子设备20独立于整形设备10：它可以通过第一通信信道C1进行通信，即使在执行或完成了电磁表面11阻抗的优化步骤之前，亦可如此。

根据本发明的第二个实施例，如图3所示，电子设备20包括：

-监测单元21a，连接到传输单元23，并且监测单元与第一个实施例的监测单元相似或相同，以及，

-优化单元21b，等同于第一个实施例的优化模块12b。

现在优化单元21b在电子设备20中执行，而且后者将参数组经由传输单元23发送到整形设备10。该参数组可以包含在由电子设备20的传输单元23发送到整形设备10的传输模块13的一组数据中。因此，电子设备20的传输单元23发出一个波50，该波以导频信号51的形式传播到朝向整形设备10的第二通信信道C2中。第二通信信道C2与第一通信信道C1不同，其干扰较少，而且电子设备20易于连接到整形设备10，从而修改电磁表面11的阻抗。

整形设备10通过其传输模块13接收参数组，仅包括控制模块12a的控制器12把这组控制参数应用到电磁表面11，从而改变其阻抗。

然后，第二个实施例的整形设备10如同第一个实施例一样运作。

在第三个实施例中，如图4所示，整形设备10是自主装置，并且包括传输模块13，例如所述传输模块是一个麦克风。

整形设备10包括：

-监测模块12c，连接到传输模块13，所述监测模块12c等同于在第一个实施例和第二个实施例中的电子设备内实施的监测单元21a(与其相似或相同)，

-优化模块12b，接收来自监测模块12c的数值，并确定控制参数，以及，

-控制模块12a，连接到电磁表面11，所述控制模块12a把控制参数应用到电磁表面11，从而修改其阻抗。

集成于整形设备10的控制器12中的优化模块12b使数值最小化或最大化，该数值比如是由麦克风13接收的或者源于未知声源的声波51的接收等级。因此，第三个实施例的整形设备10是自主装置。

然后，第三个实施例的整形设备10像前述实施例一样运作。

整形设备10是消耗能量非常少的一个可控被动元件。在没有入射声波41的情况下，它本身不能发出声波。

在本发明的所有实施例中，整形设备10是独立于网络站30及其天线的装置。整形设备10是自主装置，并且响应与电子设备20，从而优化(最大化或最小化)所述电子设备20的接收。

整形设备10可采用面板的形式，例如安装在受控的空间、房间、房屋或区域的墙壁上。

电子设备20位于该整形设备10范围内，并且包括例如用于通过其传输单元23连接到所述整形设备10的软件模块，该电子设备可以自动地请求对整形设备10的电磁表面11的阻抗进行修改。

电子设备20可选择性地连接到多个整形设备10，以便更好地控制一个特定的空间区域。

整形设备10可选择性地连接到多个电子设备20，以便根据每个电子设备的多个目标修改电磁表面11的阻抗。例如，可以修改电磁表面11的阻抗，以增强或减弱两个电子设备20的接收。还可以修改电磁表面11的阻抗，从而增加进入在第一电子设备周围的第一空间区域中的接收，并同时抵消或减少在第二电子设备周围的第二空间区域中的接收。

在第一个实施例中，每个整形设备10都会优化其参数组。有利地，所有整形设备10可以是相同的，从而电子设备20进行很少的处理和计算。

在第二个实施例中，电子设备20可以确定各个整形设备10的参数组，同时将其组合考虑在内，从而能够为该区域进行更好的电磁处理和更好的控制。所有整形设备10是简化的，并且优选是相同的。然而，电子设备20要进行更多计算和处理，以便确定所有整形设备10的参数组。

应注意到电磁表面11是耗电量很少的一个被动元件。该装置不会发出额外的电磁辐射。它通过移动电磁场的节点(极小值)和反节点(极大值)修改局部电磁场。因此，该装置并非是波的放大器或转发器。其能量消耗主要是由于控制器12及其短程传输模块13。

因此，整形设备10是自主装置，在适用的情况下，通过一个可充电电池为其供电。

整形设备10还可以包括供电组件，所述供电组件可连接到电磁表面11，以重新获取来自入射波的一些能量。这些获取的能量足以为整形设备10供电。

整形设备10还可以包括供电组件，所述供电组件可连接到一个光电池，以重获取能量，例如来自阳光或环境光的能量。

此外，整形设备10可包括为电子设备20提供能量的装置。例如，整形设备10包含连接器，用于连接电子设备20以及为其电池重新充电。

应注意的是，整形设备10在处理区域内的位置对于其有效性而言十分重要。因此，最好采取一个确定该位置的优先步骤。整形设备10和/或电子设备20可包括用于确定所述位置的软件模块。

此外，传输模块13可由单个传感器构成或者在空间中分布的多个传感器构成。在第三种应用的情况下(对干扰发射机进行干扰)，这些传感器的分布应该能够抵消这种干扰发射机的远场发射。而且，传感器或传感器的传输模块13可以集成在和/或分布在电磁表面11上，从而形成单个集成器件。

最后，如果整形设备10包括宽频带的电磁表面11(例如具有处于多个谐振频率的谐振器元件)，那么可以优化优化模块12b、21b：

-或者每个频率与另一个频率无关(在这种情况下，反射波的每个频率都可具有任何相位)；

-或者同时考虑所有频率。在这种情况下，(被反射和/或发射的)修正波的每个频率相对于另一频率而言可具有一个预定相位。然后，可以相对彼此调整所有频率的相位，从而执行宽带聚焦。

此外，在各个实施例中，电子设备20可由两部分组成：第一部分以及第二部分，第一部分具有至少包含处理单元21的第一外壳，第二部分具有至少包含传输单元23的第二外壳。

第一外壳和第二外壳以可拆卸地方式彼此附接，从而把处理单元21连接到传输单元23。这些外壳可包括用于附接的互补形状，例如弹性夹。

处理单元21通过有线或无线连接到传输单元23。例如，通过USB接口将其连接在一起。

由于这些特征，第一部分可以是传统的移动电话，第二部分可以将硬件或软件功能添加到移动电话上，因此能够控制整形设备10。

根据本发明的整形设备10具有多种合理用途：在有干扰的区域内改善移动电话的接收，在被禁止的特定区域内抵消移动电话的接收，或者为了免受无线电波侵害，在一个特定区域内抵消比如WiFi这样的无线传输的接收。

例如，可以把电子设备20放在婴儿床上方，把整形设备10放在婴儿房内。电子设备20控制整形设备10，以便在婴儿床处抵消(移动电话或WiFi的)任何无线电波，而无需抵消穿过整个房间的所述波。

最后，优化模块可以是一个软件模块，其可在电子设备20或整形设备10中被容易地执行、添加和更新。尤其是，这个优化模块易于通过第一通信信道C1的网络或第二通信信道C2的网络被下载。

本发明的各个实施例还可以用于声学领域，其中，初波(波源)是声波。

因此，整形设备10包括多个声谐振器元件，所述声谐振器元件具有一个用于修改其阻抗的可调谐部分。例如，这些谐振器元件是赫姆霍兹谐振器，其包括一个空腔以及把该空腔连接到外界的管子。例如，空腔或管子具有可调谐的尺寸特性。谐振器元件也可以是一个电磁驱动器，其移动膜且具有移动质量。谐振器元件还可以采用活性膜，比如电活性聚合物膜。

该声学整形设备10能够将入射声波41进行反射和/或发射，作为修改过的声波42。因此，第一传播信道C1是一个声信道。

整形设备10进一步包括与前述类型相同控制器12。

在图2和图3的第一个实施例和第二个实施例中，整形设备10与电子设备20为无线连接，以便根据由电子设备20的接收单元22(麦克风)所接收的波43引导修改整形设备10的声阻抗。

例如，与控制器12集成的优化模块12b或者与电子设备20集成的优化模块12b能够使例如所接收声波43的接收等级最大化或最小化。

最后，整形设备10或者仅表面11能够直接集成于建筑物的结构元件中，所述建筑物的结构元件为：混凝土砌块、砖、绝缘材料、绝缘板、石膏板或任何其它元件。

整形设备10或者仅表面11能够直接集成于建筑物的装饰元件中，所述建筑物的装饰元件为：木地板、地毯、瓷砖地板、装饰板、隔墙、天花板、吊顶板或任何其它元件。

整形设备10或者仅表面11能够直接集成于家具中，所述家具为：桌子、橱柜、书柜、镜子、装饰台和灯具。

该元件至少包括整形设备的表面11或整个整形设备10。可以通过外部为其供电，或者它包括电池，或者可以通过可能是持续的感应为其远程供电。

试验结果

对电磁表面11(也称为可调谐超材料表面)进行试验性测试。在下文中，也对根据本发明的整形设备10或电子设备20或系统的优化方法进行了测试。创设表面11，并且该表面11覆盖了图5所示的典型办公室的墙壁的一小部分。

例如，电磁表面11是由两个面板11a、11b构成的，每个面板都包括一列可调谐谐振元件(也被称为单元光电元件)或者可调谐谐振元件的一个矩阵。

例如，每个可调谐谐振元件14都是图6所示的一个平面谐振器，并且能够通过可控相移反射波。我们选择位于地面上的谐振器进行试验，因为将通过任何方式将其放在墙壁上，尽管它们是较差的接地面。为了优化能够简单、快速的收敛起见，我们选择最简单的二进制相位调制的情况，即积极或消极地反射波的一个双态谐振器；它与通过光学实现的二进制调幅相似。为此，一个选择是选用显示谐振频率f_ref的一个谐振器，可以利用电路改变所述谐振频率f_ref。如果谐振频率f_ref的设置使其与工作频率f₀相对应，那么谐振器则以具有π相移的频率反射波。现在当其谐振频率偏离f₀时，谐振器则是可透射的，而且接地面以0相移反射波。

我们选择一个稍微复杂一点的设计，该设计包括图6所示的两个强耦合谐振器或混合谐振器。第一个谐振器14a被称为反射谐振器，并沿着其短轴偏振，其谐振频率f_ref被设置为工作频率f₀，而第二谐振器14b则是寄生带状谐振器(parasitic strip resonator)，可以利用二极管14c通过电子的方式将其谐振频率f_par从工作频率f₀调到一个较高的频率f₁。通过这样做，当谐振频率f_par设为较高频率f₁时，反射或谐振频率f_ref不变，而且以一个π相移(π-态)反射波。相反，当谐振频率f_par转变为工作频率f₀时，两个谐振器混合，并且产生一个调光器(dimmer)，该调光器呈现f₀周围的两个谐振频率f_-和f₊。在这种情况下，处于工作频率f₀时，调光器再次成为可透射的，并且由地面通过一个0相移(0-态)反射波。

该设计显示了显著的优点：谐振元件14的反射性能对于电子部件的损耗和阻抗变化以及仅位于寄生谐振器上的焊接都不敏感。

电磁表面11是一个空间微波调制器SMM，面积约为0.4m²，包括102个可调谐谐振元件，在工作频率f₀＝2.47GHz时，间隔半个波长，即6cm。该可调谐超材料表面是一种智能墙，厚度为1.5mm。

办公室的试验装置如图5所示。我们利用两个Arduino控制器控制102个谐振元件，每个都具有54个数码输出信道。采用Agilent网络分析仪测量源天线S与接收天线R之间的传输。接收天线R是普通的单极天线，或者在实现空间扫描的情况下，则是电光探针。我们采用沿着与电磁表面11的谐振元件14相同的轴极化的商业单极Wi-Fi天线。源天线S放置在具有装饰的3×3×4m³的办公室内(图5)从而在其中发散，其远离并且处于看不见接收天线R和电磁表面11的地方，因此在整个房间内以及显著地在智能墙上创建一个随机微波场。接收天线R例如放置在离电磁表面11一米远的地方。

我们首先描述电磁表面11的特征。为此，我们利用近场探针测量处于0态和π态的阵列中每一个谐振元件14的谐振频率。谐振频率直方图显示出π-态分布是相当狭窄的，并且集中在工作频率f₀，而0-态分布由于电子部件而则稍宽一点，但仍未与π-态分布重叠。

通过显示11000个随机配置(处于电磁表面阵列的102个谐振元件的2¹⁰²种组合的范围以外)以及测量源天线S与接收天线R之间传输的标准差，我们还计算了电磁表面11的频带宽度(见图7)。我们针对源天线S的10个不同位置进行了这样的计算，以便平均化无序值。这样使得由于房间产生的传输的光谱变化变得平滑，而且这样能够根据频率估算电磁表面11的效率。我们测量约为100MHz的一个频带宽度，并且该频带宽度归因于每个谐振元件的频带宽度及其由于制备的不确定性而产生的尺寸分布。

在试验中，我们采用SMM以优化办公室中存在的多重散射波，并且为了各种目的使其循环。为了试验简便起见，微波源是连接到源天线S的网络分析仪。其产生了一个与通过任何远程无线源创建的随机波场相似的随机波场，所述远程无线源比如为一个基站或Wi-Fi盒子。此外，因为所采用的反馈是不连贯的，所以优化该电磁场或任何其它磁场是完全等同的。

1)用于改进无线信号的接收：

现在，我们利用强度反馈装置以被动地优化离开电磁表面11的多重散射波的反射，从而使其集中在接收天线R。换言之，我们从一个均匀反射电磁表面11(处于0-态的所有像素点)入手。然后，我们把阵列中的每个像素点迭代地转换到π-态，并且我们利用网络分析仪为每个像素点测量在接收天线R上接收的强度。通过计算机把该能量反馈提供给电磁表面11，也就是，如果接收能力较高，则把像素点保持在π-态，否则，则将其转换回0-态。在一个实际的应用场合中，接收天线R可以是智能电话，该智能电话使用一个实时测量持续通信的二进制误码率的应用程序，并且基于电磁表面11的估算发送二进制的反馈，例如利用低频超声波发送。我们进行30次优化以便平均化无序。对于每次优化，我们在优化之前和之后都使用一个非扰乱性电光探针扫描微波场。

图8显示了使用该优化所得到强度的效率η，被定义为最大化之后和之前所测得的强度之间的比率。图9显示了最大化之前(实线)和最大化之后(虚线)源天线S和接收天线R之间传输的相应强度光谱。图9显示了最大化之前位于点坐标(0，0)的接收天线R周围的场强的图像，图10则显示了最大化之后的图像。很明显，即使源天线S在远离接收天线R和电磁表面11的地方，电磁表面11仍能够被动地把多重散射波聚焦到位于半波宽焦点上的接收天线R。这样准确地将随机波场变为聚集波场，因此在接收天线R上得到8.5dB的总增益，几乎增长十倍。相应的光谱证实了这一结论，且表明受到办公室相关频率的限制，在频带宽度约为30MHz的范围内效应继续存在。图8的插图显示了在优化结束时得到的相位掩膜。阵列中的一个黑方块显示了谐振元件的一个0相态，阵列中的一个白方块显示了谐振元件的一个p-相态。这再次证明电磁表面11上的场是随机的。

针对30次无序的实现，也进行了上述试验。通过优化前测得的平均强度使数据标准化。据显示得到的平均效率η约为8.5dB，对于优化前相当高的强度而言，最小值为5dB，而且，对于非常低的初始强度而言，最大值为35dB，其值超出三个数量级。在空间上，平均而言，场集中聚焦在接收天线R周围，并再次聚焦到在半波宽的焦点上。在优化前几乎为平的平均强度谱，意味着30次实现几乎已经消除了散射和混响的效果，该平均强度谱清楚地显示了最大化之后的一个2.47GHz的峰值，作为聚焦效应的信号。

我们还对彼此远离并且远离电磁表面11的接收天线R和源天线S进行了试验，这三个装置彼此间隔约为3米。结果证明即使在最坏情况下，也能达到1.5dB至6dB的效率η，平均值为2.5dB。值得注意的是与3x3x4m³的办公室的整个墙壁面积相比，所采用的电磁表面11面积仅为0.4m²。采用更大的SMM(电磁表面11)能明显增强该方法的性能。

2)用于保护体积免受微波穿透：

现在我们利用强度反馈消除由于干扰而存在于给定体积内的电磁场。

为了演示这一点，我们采用与之前相同的优化程序，尽管目的是使能量最低化。使接收天线R的接收减少到最少，接收天线R仍位于位置(0，0)，并且在最小化之前和之后，在不扰乱场的情况下，采用电光探针扫描场。我们进行了30次测量，以便取无序的平均值，而且仍旧在各程序期间通过计算机把能量反馈发射到电磁表面11。在实际应用中，可利用被动微波接收器测量一组传感器的电磁能量，并将反馈发送给电磁表面11，从而例如保护给定体积免受Wi-Fi微波穿透。

和最大化一样，在图12-15中显示了单次实现最小化的结果，包括最小化之前和之后测得的强度光谱和图像，以及根据迭代次数的效率(最小化之前和之后的强度比率)的降低。它证明了与裸墙相反，优化随机相位掩膜能够把接收天线R的电场降低约25dB。空间扫描和强度光谱进一步确定了已经局部消除了约为2.47GHz的场。

30次无序实现的结果显示已经准确地进行了平均化，因为平均场强在初始空间扫描时几乎不变，而且平均的初始光谱在所考虑的频带宽度上几乎为平的。30次测量证明确实可以在工作频率f₀周围的预定位置消除场，该预定位置约为半波长立方体的体积，将场降低至在此我们测量到的受限的约为-28dB的噪声水平。显然，较高的初始强度导致约为35dB的较高效率η，同时，较低的初始强度则导致约为20dB的强度下降，所有实现过程将强度汇聚到实验噪声水平。

理论分析

进行这些试验之后，必须在数量上计算在无线通信的能量节省方面或在电磁保护方面能够引入该方法的可能的利益。首先，所使用的方法相当于在反响介质内的波前整形并使用电磁表面11。一个典型的室内房间是一个电磁波的空腔，即使是有漏洞的空腔。量化智能墙的结果包括估算通过电磁表面11进行控制的空间模式的数量n，其相对于在工作频率f₀参与给定房间中波场的空间模式的总数量N。这样使得我们能够计算针对给定房间内的一个给定电磁表面11上实现的平均效率或强度下降系数η。

在为了简单起见的模型中，场是标量场，属于电磁表面11的谐振元件14各向同性地反射波，而且一个房间约等于体积为V的长方体空腔，其一部分墙壁被面积为S的电磁表面11所覆盖。我们考虑的是一个规则的空腔，尽管房间可以是不规则的，而且通常因为备有家具而无序，但是后者仅供我们计算模态密度，对于规则空腔和随机空腔而言，其平均值是相等的。可以通过两个特征时间对一个空腔进行描述。第一个特征时间是混响时间(reverberation time)τ_R，代表一个光子在空腔中所花的平均时间：其在形式上等于无序介质中的索利斯时间(Thouless time)。第二个特征时间是海森堡时间τ_H，代表一个光子在空腔内传播以分辨其所有离散本征模所需要的时间。混响时间的倒数是介质的相关频率f_coor：

相关频率f_coor相当于频带宽度，空腔的模式在该频带宽度上是光谱一致的。为了估算空间模式N的总数，我们必须确定在空腔的一个相关频率上重叠的空腔本征模的数量。通过海森堡时间近似地给定该数量，等于空腔的模态密度，乘以介质的相关频率：

N＝τ_Hf_corr。

对于体积为V、工作频率为f₀、光速为c的一个长方体而言，则：

对于受电磁表面11控制的模式的数量n，则是通过其面积与房间内场的相关面积之间的比率给出，在我们的示例中该面积等于谐振元件14的面积：

在电磁表面11未优化的情况下，它仅表现为一面普通的墙壁。在房间的任何位置，场都是N个空间模式的非相干总和：因此，其范数的方差尺度确定为随机漫步：√N。优化的目的在于在相位中加入n个通过电磁表面11受控的模式，以便使场最大化或者将其范数趋近零。优化之后的场是不受控的N-n个模式的不非相干总和加上或减去n个受控模式的相干总和。因为，我们可以把电磁表面11导致的效率或强度下降系数写作：

其中

+与n≤N的情况下场的最大化相对应，以及，

-代表仅针对时有效的最小化。

这样使我们最终能够根据智能墙以及房间的参数量化处于工作频率的效率和强度下降系数：

如果n＜＜N，则该式近似于

上式给出了使用房间中的智能墙所得到的平均增益或者为了改进或消除局部电磁场所需的电磁表面11的面积。

图16和图17显示了根据房间体积V和电磁表面面积S，针对作为试验性估算的30MHz的相关频率以及我们的2.47GHz工作频率f0的效率(增益或强度下降)。在图16中，通过体积为40m³的房间内的一个2.5m²的电磁表面11得到无线接收期间平均为20dB的增益。在这个配置中，系统允许在不破坏接收质量的情况下，按照因数100降低无线源发射的功率，无论无线源是基站或Wi-Fi盒子。在图17中，利用一个较小的电磁表面11消除了给定位置的电磁场。例如，面积为0.3m²的电磁表面11完全消除了体积为40m³的房间内任何位置的场。当然，保护较大体积免受微波穿透需要较大的智能墙。最后，利用该模型，并且仅针对二进制相位调制进行修正，我们发现在试验的3x3x4m³的办公室内采用的0.4m²的装配式电磁表面的平均增益为4.9dB，恰好在最佳案例和最差案例中测得的平均值之间，并且发现局部地消除场所需的最小电磁表面面积为0.45m²，这与我们的试验相符。这可以表明模型准确地预测了我们的方法的性能。

Claims (23)

1.一种包括电子设备(20)和整形设备(10)的系统，

整形设备(10)包括：

-表面(11)，其与初波相互作用，所述表面包括多个可调谐元件，所述可调谐元件用于改变所述表面的阻抗以及改变通过所述表面反射和/或发射初波的方式，以及，

-控制器(12)，其连接到表面，从而控制每一个可调谐元件，

-传输模块(13)，该传输模块连接到控制器(12)，

电子设备(20)包括：

-处理单元(21)，

-接收单元(22)，其连接到处理单元，并且适于接收初波，

-监测模块(21a)，所述监测模块确定数据，所述数据包括至少一个数值，所述数值是由接收单元所接收的初波的函数，以及

-传输单元(23)，其连接到处理单元并且无线连接整形设备的传输模块(13)，所述传输单元与所述整形设备中的传输模块相匹配，以便电子设备经由所述传输单元和所述传输模块把导频信号发送到整形设备，所述导频信号包括所述数据，

所述整形设备的控制器(12)根据传输模块(13)所接收的导频信号控制可调谐元件，以便优化作为电子设备所接收到的初波的函数的所述数值。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，每个可调谐元件都只包括两种状态，所有可调谐元件的状态界定了表面(11)的阻抗。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述两种状态与振幅改变或相移相对应。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述可调谐元件与在第一传播信道中传播的初波相互作用，传输模块(13)接收在第二传播信道中传播的导频信号，第二传播信道与第一传播信道不同。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述可调谐元件是具有电磁可调谐特征的电磁元件。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述可调谐元件是具有声学可调谐特征的声学元件。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述传输模块(13)适用于仅接收短程无线传输。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述传输模块(13)适用于接收从无线连接到局域网的导频信号。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述传输模块(13)适用于接收来自音频连接的无声导频信号。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，传输模块(13)集成在所述表面(11)内。

11.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述表面(11)集成于从列表中选出的元件内，该列表包括：

-建筑物的结构元件，以及，

-建筑物的装饰元件，以及，

-家具。

12.根据权利要求1所述的系统，进一步包括连接到表面(11)的功率器件，所述功率器件适合于从所述表面(11)所接收的初波中恢复能量。

13.根据权利要求1所述的系统，进一步包括连接到光电池的功率器件，所述功率器件适用于从光中恢复能量。

14.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：

-所述传输模块(13)通过导频信号无线连接到电子设备(20)，所述导频信号包含来自所述电子设备的数据，而且，

-所述控制器(12)包括优化模块(12b)，该优化模块使数值最大化或最小化从而确定参数，所述数值是基于所述数据确定，所述数据是由电子设备所接收的初波的函数，而且，

其特征在于，控制器根据所述参数控制可调谐元件。

15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述数值选自由电子设备所接收的初波的振幅、功率等级和质量指数。

16.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：

-所述传输模块(13)通过导频信号无线连接到电子设备(20)，所述导频信号包含来自所述电子设备的数据，而且所述数据是由电子设备所接收的初波的函数，而且，

-所述控制器(12)根据所述数据确定参数，并根据所述参数控制可调谐元件。

17.根据权利要求16所述的系统，其特征在于，所述数据是用于直接控制可调谐元件的参数，而且，电子设备包括优化模块，所述优化模块使数值最大化或最小化从而确定参数，所述数值基于所述数据确定，所述数据是由电子设备所接收的初波的函数。

18.根据权利要求17所述的系统，其特征在于，所述数值选自由电子设备所接收的初波的振幅、功率等级和质量指数。

19.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，导频信号是由表面所接收的初波，所述传输模块(13)适用于接收所述初波，并且其中，所述控制器(12)包括：

-监测模块(12c)，其确定数值，所述数值是由传输模块所接收的初波的函数，

-优化模块(12b)，其最大化或最小化数值从而确定参数，且其中，所述控制器基于所述参数控制可调谐元件。

20.根据权利要求19所述的系统，其特征在于，所述数值选自由电子设备所接收的初波的振幅、功率等级和质量指数。

21.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数值选自由接收单元(22)所接收的初波的振幅、功率等级和质量指数。

22.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述处理单元(21)进一步包括优化模块(21b)，所述优化模块使数值最大化或最小化从而确定参数，所述参数在所述数据中传输。

23.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：

-所述处理单元(21)包含在第一外壳内，而且，

-所述传输单元(23)包含在第二外壳内，第一外壳和第二外壳以可拆卸的方式彼此连接，以便将处理单元连接到传输单元。