DE60019792T2

DE60019792T2 - Elektromagnetisches feld in einem kommunikationssystem für drahtlose netzwerke

Info

Publication number: DE60019792T2
Application number: DE60019792T
Authority: DE
Inventors: George G. Chadwick
Original assignee: Cocomo MB Communications Inc
Current assignee: Cocomo MB Communications Inc
Priority date: 1999-06-25
Filing date: 2000-06-21
Publication date: 2006-01-26
Anticipated expiration: 2020-06-22
Also published as: CN1213512C; HK1048020A1; IL146666A; JP4208224B2; CN1358341A; KR100716862B1; DE60019792D1; JP2003512748A; ES2241622T3; US20030143945A1; US20040266334A1; ATE294454T1; IL146666A0; EP1234353A1; KR20020022060A; US6917785B2; EP1596467A1; EP1234353B1; WO2001001516A1; US7099621B1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung schließt Verfahren und Vorrichtungen zum Schaffen eines drahtlosen Kommunikationssystems ein. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung wenden insbesondere das Hochfrequenzband, das sehr hohe Frequenzband und das untere Ende des Ultra-Hochfrequenzbandes (HF, VHF und UHF) an, um elektromagnetische Felder innerhalb eines Gebäudes oder einer Struktur zu erzeugen. Innerhalb des Gebäudes oder der Struktur werden Leiter als ein Anreger zur Erzeugung eines lokalisierten quasistatischen elektromagnetischen Feldes benutzt, das eingesetzt werden kann, um eine große Vielzahl an Vorrichtungen drahtlos und ohne einen Nachteil an unnötiger Interferenz von externem Rauschen zu verbinden.
Stand der Technik
Über die letzten beiden Jahrzehnte hat der kometenhafte Anstieg an Personalcomputern die Welt verändert. Ein kürzlicher Bericht in der Zeitschrift Forbes hält fest, dass allein im Jahre 1998 über 100 Millionen Personalcomputer verkauft wurden. Gerade in den letzten wenigen Jahren hat die Möglichkeit zur Verbindung aller dieser Millionen von Computern, die über den gesamten Globus verteilt sind, mittels des World Wide Web einen gewaltigen Anstieg in der Menge an Information gezündet, die übermittelt wird, und von Geschäften, die online durchgeführt werden. Eine kürzlich von der Universität von Texas durchgeführte und in Zeitschrift Fortune veröffentlichte Studie weist daraufhin, dass die Internetindustrie in den USA insgesamt 300 Mrd. Dollar an Umsätzen im Jahre 1998 eingenommen hat, fast so viel wie die amerikanische Automobilindustrie.
Viele Fachleute im gewerblichen Bereich der Telekommunikation glauben, dass eine neue und noch dramatischere Phase dieser Kommunikationsrevolution dabei ist, sich zu entfalten. Obwohl Millionen von zusätzlichen Personalcomputern auch weiterhin dem Internet zugefügt werden, werden viele neue elektronische Geräte bald zum ersten mal in extensiven Netzwerken verbunden sein. In seinem 1998 erschienenen Buch mit dem Titel "New Rules for the New Economy" hat Kevin Kelly geschätzt, dass gegenwärtig etwa 6 Milliarden "Chips in Gegenständen" enthalten sind, die keine Computer sind, und gegenwärtig über die Welt verteilt in Betrieb sind. Fernseher, Haushaltsgeräte und Beleuchtungskomponenten, Heizungs- und Kühlanlagen, Alarmanlagen und Büroeinrichtungen sind alle in der Lage, mittels Signalen gesteuert oder überwacht zu werden, die über Netzwerkverbindungen übertragen werden. Selbst die prosaischsten Anlagen, die einfache nur für einen Zweck eingerichtete Chips einsetzen, können über Netzwerksignale überwacht oder gesteuert werden.
Einer der ernstesten Nachteile beim Versuch, viele Geräte in einem Netzwerk unter Verwendung konventioneller Hardware zu verbinden, ist das Erfordernis für Kabel, Anschlussadapter und Verbindungsstecker. Dies trifft ganz besonders in Situationen zu, bei denen Leitungen in Wohnungsinnenräumen oder Arbeitsbereichen freiliegen, weil diese nachträglich hinzugefügt werden, nachdem der Aufbau der Innenräume bereits fertiggestellt ist. Ein Gewirr von Leitungen, die von einem Schreibtisch herabhängen und sich auf dem Fußboden kringeln tut in den Augen weh und ist in einigen Fällen auch ein Sicherheitsrisiko.
Eine kürzliche Verbesserung ist die Einführung einer begrenzten Anzahl von Geräten, die drahtlose Sender und Empfänger einschließen. Viele Drucker, Laptopcomputer und persönliche digitale Hilfsgeräte (PDA, Personal Digital Assistants) verwenden Infrarotanschlüsse, um Daten mit Computersystemen auszutauschen. Diese Infraroteinheiten haben einen sehr begrenzten Bereich und benötigen im Allgemeinen eine direkte Sichtlinie zu ihren Zielen.
Eine Reihe von neuen Firmen versucht, drahtlose Netzwerksysteme zu entwickeln. Ein neuer Versuch mit dem Namen Open Sky^TM wurde von 3 Com^TM und Aether Technologies^TM gebildet. Bluetooth^TM ist eine gemeinsame Anstrengung von mehreren Telekommunikationsunternehmen, die versuchen, einen Standard für drahtlose Verbindungen im 2,45 GHz Band zu setzen. Home RF^TM ist ein vorgeschlagenes drahtloses System, das von Microsoft^TM angeboten wird. Home Wireless Networks^TM plant ebenfalls, drahtlose Netzwerkprodukte anzubieten.
Wenn in den Vereinigten Staaten Radiowellen zum Verbinden von Geräten eingesetzt werden, muss der Hersteller der Radiogeräte sicher sein, dass er innerhalb spezieller Frequenzbänder und Leistungsgrenzen arbeitet, die von der Federal Communications Commision (FCC) vorgeschrieben werden. Die FCC ordnet und koordiniert die Verwendung der Radiofrequenz (RF) Bänder, um sicherzustellen, dass eine Interferenz zwischen vielen unterschiedlichen Verwendern des Spektrums auf ein Minimum begrenzt bleibt. Einige der von der FCC zugeordneten Frequenzen sind in "unlizenzierten" Bändern angeordnet, was bedeutet, dass die Verwendung von diesen Frequenzen keine formelle Erteilung einer Lizenz von der FCC erfordert. Teil 15 des Code of Federal Regulations enthält Bestimmungen, die eine unlizenzierte Radioübertragung erlaubt, wenn die Übertragungen vielen Richtlinien entsprechen, die sich auf die Leistungsniveaus, die Antennengröße, den Abstand und andere Faktoren beziehen.
Diese komplizierten gesetzlichen Bestimmungen stellen ein ernsthaftes Hindernis bei der Entwicklung eines jeden Typs von neuem drahtlosen Netzwerk dar. Ein drahtloses Netzwerk darf nicht in Frequenzbändern betrieben werden, die bereits an andere Benutzer lizenziert sind, und es darf nicht in einem unlizenzierten Band betrieben werden, außer es hält die strengen Bestimmungen von Teil 15 ein.
Das Problem des Schaffens eines hochgeschwindigkeits-, leicht erweiterbaren und flexiblen Netzwerks zum Verbinden vieler unterschiedlicher Geräte und Anwendungen stellt eine größere Herausforderung an die Ingenieure und Techniker in der Kommunikationsindustrie dar. Die Entwicklung von Verfahren und Vorrichtungen, die leicht mehrere verschiedene Geräte einfach und bei relativ niedrigen Kosten, ohne Leitungen und ohne das Verursachen von Interferenz mit anderen Verwendern des Radiospektrums verbinden, würde einen größeren technischen Fortschritt in der Telekommunikationsindustrie darstellen und würde ein seit langem gespürtes Bedürfnis innerhalb der Elektronik- und Computerunternehmen befriedigen.
Offenbarung der Erfindung
Ein Electromagnetic Field Communications System for Wireless Networks schlägt Verfahren und Vorrichtungen für drahtlos miteinander verbundene Radiofrequenzgeräte innerhalb eines quasistatischen elektromagnetischen Feldes vor. Das Feld wird erzeugt durch das Zuführen eines Radiofrequenzsignals zu einem Leiter innerhalb einer Struktur. In einem typischen Wohn-, Handels- oder Gewerbegebäude kann der Leiter ein Draht oder ein Erdungsschirm in den elektrischen Versorgungen, eine Wasserleitung oder ein Strukturelement sein. Durch das Einführen des Radiofrequenzsignals in die Leiter innerhalb eines Gebäudes wird das Gebäude selbst der Anreger für das System.
Das HF-Band ist in der Vergangenheit noch nicht für Kommunikationsnetzwerke ausgenutzt worden, aufgrund von Problemen, die von 1.) dem beträchtlichen atmosphärischen und von Menschen stammenden Rauschen und 2.) der erheblichen Größe der Antennen für diesen Bereich des Frequenzspektrums stammen. Die vorliegende Erfindung löst diese Probleme und erlaubt es dem HF-Band, für Intrakommunikationen innerhalb eines Gebäudes oder einer Wohnung genutzt zu werden.
Ein Gebäude oder eine Wohnung ist groß relativ zu den Wellenlängen in der Hochfrequenz bis zu den unteren UHF-Bereichen. Die elektromagnetischen Felder sind so praktisch anzuregen, wodurch sie das Problem der normalerweise verwendeten "großen Antennen" lösen. Die Struktur des angeregten Basissystems (oder der Sanitäranlagen oder der Struktur oder der Sprinkler) bildet einen Käfig, der gegen von Menschen erzeugtes und galaktisches Rauschen abschirmt. Diese Struktur enthält RF-Energie. Das durch den Anreger hergestellte elektromagnetische Feld ist keine sich in normalem Sinne fortpflanzende Welle. Das Feld zeichnet sich nicht durch Streuung aus und wird im allgemeinen nicht durch nichtmetallische Wände oder durch Personen beeinträchtigt. Das gesamte Gebäude ist nunmehr aktiv und dient als ein ideales Medium für das drahtlose Verbinden von Geräten im Raum.
Man vergleiche den vorgenannten Satz an Umständen mit den normalerweise verwendeten Frequenzen aus Teil 15 des FCC von 2400 bis 2483,5 MHz oder von 5725 bis 5850 MHz, für die hunderte von Millionen von Dollar ausgegeben werden, um Kommunikationssysteme für die Infrastruktur in Gebäuden und Wohnungen zu entwickeln. Die entsprechenden Wellenlängen sind weniger als 5 Zoll (13 cm) bei der geringsten von diesen Frequenzen. Die Strukturen sind nunmehr so groß, dass sich die Energie in der normalen Strahlungsform fortsetzt. Diese Bänder zeichnen sich durch Streuung und mehrere Wege aus, was zu toten Punkten führt. Außerdem treten die Signale nicht einfach durch Wände hindurch und werden durch das Vorhandensein von Personen nennenswert beeinträchtigt.
Diese Probleme werden üblicherweise durch die Verteilung einer Anzahl von Antennen über die gesamte Struktur gelöst. Die sich daraus ergebende RF-Umgebung zeichnet sich durch Interferenzzonen aus, in denen zwei Antennen mit nahezu gleichen Amplituden Signalauslöschungen oder Nullen erzeugen. Koaxialkabel müssen außerdem durch die gesamte Struktur gelegt werden. Der Begriff "drahtlos" wird dadurch zweifelhaft, da zwar die letztendliche Verbindung drahtlos ist, die installierten Leitungen jedoch nicht. Der durch den Betrieb oberhalb von 2400 MHz erzielte Vorteil liegt in der kleinen Größe der Antenne, typischerweise weniger als 2 Zoll (5 cm). Für die Bequemlichkeit von dieser kleinen Antenne wird jedoch ein hoher Preis bezahlt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Radiofrequenzsignal im Allgemeinen beschränkt auf die Hochfrequenz (HF) von 3 bis 30 MHz, oder die sehr hohe Frequenz (VHF) von 30 bis 300 MHz, und auf das untere Ende des ultrahohen Frequenzbandes (UHF) im 300 bis 3000 MHz Band. Diese Auswahl führt zu einer Wellenlänge von 100 bis 10 m im Hochfrequenz-(HF)-Band und von 10 m bis 1 m für das Band mit den sehr hohen Frequenzen (VHF). In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die eingesetzte Wellenlänge in der Größenordnung der Dimension des Gebäudes oder der Wohnung, in der das elektromagnetische Feld erzeugt wird.
Das elektromagnetische Feld ist ein sich nicht fortpflanzendes, quasistatisches Herrschaftsgebiet der elektromagnetischen Energie, die im Wesentlichen auf die Struktur beschränkt ist, in der sie erzeugt wird. Anders als bei herkömmlichem Radio, das sich fortpflanzende Wellen einsetzt, die die Energie veranlassen, abzustrahlen und sich von der Antenne fortzubewegen, setzt die vorliegende Erfindung einen räumlichen Bereich oder ein Volumen fest, das sich durch elektromagnetische Spannungsfelder auszeichnet, welche Größen besitzen, die mit der Frequenz des Eingangsradiosignals sich verändern. Das elektromagnetische Feld erzeugt im Allgemeinen keine Interferenz mit Radiogeräten außerhalb der Struktur.
Die vorliegende Erfindung kann verwendet werden, um ein lokales Hochgeschwindigkeitsnetzwerk innerhalb eines Gebäudes oder einer Wohnung zu erzeugen. Eine große Vielzahl an Geräten, einschließlich Computern, Mobiltelefonen, persönlichen digitalen Assistenten (PDAs), herkömmlichen Telefonen, Fernsehern, Radios, Alarmanlagen, Büroeinrichtungen, Beleuchtungskomponenten, Heizungs- und Kühlungsanlagen und vielen anderen Anwendungen können drahtlos unter Verwendung des durch die Erfindung erzeugten elektromagnetischen Feldes miteinander verbunden werden. Jedes Gerät mit der Fähigkeit zur Erzeugung von Informationen oder der Fähigkeit, gesteuert zu werden, kann drahtlos mit der entwickelten Unternehmung verbunden werden, um diese Informationen zu verarbeiten oder die Funktionen zu steuern.
Die Kommunikationsunternehmen haben realisiert, dass die Verbindbarkeit in Wohnungen und Gewerbegebäuden der Schlüssel zu ihrem zukünftigen Geschäftswachstum ist. Zunehmend haben seit dem Beginn im Jahre 1998 größere Unternehmen zugegeben, dass sie diesen Markt als Schlüssel zu ihrem Wachstum erweitern wollen. Diese Unternehmen wie Intel^TM, Cisco Systems^TM, Microsoft^TM und Sun Microsystems^TM neben vielen anderen haben Pläne angekündigt, um den Marktbereich der Wohnungs- und Gebäudeintrakommunikation zu erobern. Die vorgeschlagene Erfindung schafft eine nahtlose Breitbandmethode zur Erreichung dieses Ziels.
Ein Zugang zu weiteren Zielen und Aufgaben der vorliegenden Erfindung und einem vollständigeren und durchgehenderen Verständnis der Erfindung kann, durch die Durchsicht der folgenden Beschreibung von bevorzugten und alternativen Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erhalten werden.
Eine kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Strahlungsfeldes, welches eine Fortpflanzung von Radiowellen und eine Bewegung der Radiowellen weg von der Antenne verursacht.
2 ist eine schematische Darstellung eines hohlraumähnlichen elektromagnetischen Feldes.
3 ist eine bildhafte, teilweise aufgeschnittene Sicht eines typischen Hauses, welches Leiter innerhalb seiner Wände einschließt. Ein Generator für Radiofrequenzsignale wird mit einem Leiter innerhalb der Wände verbunden, um ein elektromagnetisches Feld innerhalb des Hauses aufzubauen.
4 ist ein Schaltkreisdiagramm einer Ausführungsform der Erfindung.
5 ist eine bildhafte Darstellung von verschiedenen Geräten in einem typischen Haus, die drahtlos unter Verwendung der vorliegenden Erfindung miteinander verbunden werden können.
Beste Ausführungsform zur Durchführung der Erfindung
1. Elektromagnetische Wellen
Wenn eine Radiofrequenzenergie mit einem Hohlraum verbunden wird, wird innerhalb des Hohlraumes ein elektromagnetisches Feld erzeugt. Dieser Hohlraum kann aus festen metallischen Oberflächen oder auch aus einem Drahtgitter aufgebaut sein. Der Koppler oder Anreger stellt in den Wänden Ströme her, die ihrerseits ein inneres elektromagnetisches Feld einrichten. Diese Feldverteilung ist invariant zu der Größe der Spannungskomponente des Feldes und schwankt nur mit der Trägerrate der Anregungsfrequenz.
1 liefert eine vereinfachte schematische Abbildung einer herkömmlichen Radiostation RS. Information enthaltende Radiosignale werden an Hörer gesendet und einem großen metallischen Sendemast oder -turm T über ein Kabel CBL zugeführt. Der Turm ist aus leitfähigem Metall aufgebaut, das ein Feld von Radiowellen W erzeugt. Diese Felder pflanzen sich fort oder überwinden große Distanzen durch die Luft, bis sie einen Radioempfänger R wie denjenigen erreichen, der in dem Haus H in der 1 abgebildet ist. Das Radio R detektiert das Signal und wandelt es in hörbare Sprache oder Musik für einen Hörer um, um diesen zu erfreuen.
Die in der 1 eingesetzten herkömmlichen Radiowellen erzeugen ein Feld, das als ein "Fernfeld" benannt wird, weil die Radiowellen von dem Antennenturm ausgehen und sich von ihm fortbewegen und den Betrieb eines Radioempfängers ermöglichen, der weit weg ist. Die sich bewegenden Wellen bewegen sich in Überseinstimmung mit einer gutverstandenen elektromagnetischen Theorie der Fortpflanzung, aber aus der Sicht des Laien scheinen sie wie kleine Kräuselwellen auf der Oberfläche eines ruhigen Sees, der durch einen in das Wasser geworfenen Stein gestört worden ist. Herkömmliche Radioausrüstung überträgt elektromagnetische Energie an entfernte Empfänger unter Verwendung von Wellen, die über große Distanzen reisen können.
2 bietet eine Abbildung einer sehr unterschiedlichen Art eines elektromagnetischen Feldes. Dieses Feld ist elektromagnetisch. Um ein derartiges elektromagnetisches Feld zu erzeugen, wird ein Signal S über einen Leiter übertragen, der mit einem rechtwinkligen metallischen geschlossenen Raumes E verbunden ist, der in 2 gezeigt ist. Innerhalb des geschlossenen Raumes wird ein Feld erzeugt, das gegenüber dem in 1 abgebildeten "Fernfeld" sehr unterschiedlich ist. Hier gibt es keine sich fortpflanzenden, wandernden Wellen innerhalb des in 2 gezeigten Metallkastens. Jeder in dem Kasten eingeschlossene Punkt ist einem Energie- oder Spannungsniveau zugeordnet. Diese Punkt-zu-Punkt-Spannungsniveaus verändern sich entsprechend der Frequenz eines Eingangssignals, das den Kasten mit Energie versorgt, und der Größe des Kastens. Das elektromagnetische Feld kann als "quasistatisches" Feld bezeichnet werden, weil es keine wandernden Wellen für entfernte Empfänger erzeugt.
Ein innerhalb des in 2 abgebildeten Kastens angeordneter Empfänger kann das Signal S detektieren, aber anders als ein herkömmliches Radio, wäre der Empfänger "innerhalb" einer quasistatischen, sich nicht fortpflanzenden Welle. Ein gebräuchlicherer technischer Ausdruck für einen leitfähigen, geschlossenen Raum, der mit Energie versorgt wird, um ein beschränktes elektromagnetisches Feld innerhalb seiner Wände zu erzeugen, ist ein "Hohlraumresonator".
II. Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
Die vorliegende Erfindung verwendet das in der 2 herausgestellte elektromagnetische Feldphänomen, um einen Bereich oder eine "Blase" innerhalb eines geschlossenen Raumes zu erzeugen. Das Feld wird verwendet, um viele unterschiedliche Geräte drahtlos, und noch wichtiger, ohne Interferenz mit anderen herkömmlichen Radiogeräten, zu verbinden. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden Signale im Hochfrequenz-(HF)-Band erzeugt, das die Frequenzen von 3 bis 30 MHz umfasst. In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung werden Signale im Band mit sehr hohen Frequenzen (VHF) erzeugt, das die Frequenzen von 30 bis 300 MHz umfasst. Es können Felder auch im unteren Bereich des UHF-Bandes erzeugt werden (wenigstens bis hin zu 400 MHz).
Die Auswahl dieser besonderen Frequenzbereiche ist wichtig, weil die diesen Frequenzen zugeordneten Wellenlängen im Allgemeinen innerhalb einer Größenordnung in der Größe der Dimensionen der Strukturen liegen, in denen das Feld erzeugt wird. Diese Beziehung ist wichtig, weil dann, wenn die Struktur zu groß wird, sie eine Antenne für die Erzeugung eines Fernfeldes wird und damit sowohl Streuung als auch Mehrfachwege aufzutreten beginnen.
Die Bänder mit hohen und sehr hohen Frequenzen sind besonders nützlich für das Implementieren der vorliegenden Erfindung, weil sie im Allgemeinen von anderen Benutzern herkömmlicher Radiofrequenzen gemieden werden. Dies liegt daran, dass Signale, die sich mit diesen Frequenzen fortpflanzen, von vielen unterschiedlichen Arten natürlichen atmosphärischen oder von menschlichen Quellen stammenden Rauschens geplagt werden.
3 zeigt eine Struktur oder ein Gebäude 10 mit Wänden 12, die gemeinsame metallische Leiter 14 wie beispielsweise elektrische Erdungsschirme, Drähte, Sprinklerleitungen, Wasserleitungen oder Strukturelemente einschließen. Diese Leiter 14 werden durch das Einführen eines Signals von einem Signalgenerator 16 aktiviert oder mit Energie versorgt, der an einem oder mehreren der Leiter 14 mittels einer Leitung 18 angebracht ist. In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann die Leitung 18 fortgelassen werden durch das Versorgen der Leiter 14 mit Energie mittels elektromagnetischer Energie, die von dem Signalgenerator 18 emittiert wird.
Die vorliegende Erfindung setzt metallische Elemente 14 ein, die bereits in praktisch allen Gebäuden und Häusern vorhanden sind, als eine Hohlraumantenne, zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes 20 innerhalb des Gebäudes oder Hauses. Verschiedene Geräte 22, die Empfänger einschließen, sind dann in der Lage drahtlos mit einem lokalen Netzwerk (LAN) verbunden zu werden. Dieses lokale Netzwerk kann dann seinerseits mit öffentlichen oder privaten Telefonleitungen, mit einem Satellitenempfänger, oder mit anderen Anschlüssen zur Außenwelt verbunden werden.
4 ist ein Schaltkreisdiagramm einer Ausführungsform der Erfindung. Das System besitzt eine Steuerung, die eine Karte in einem PC oder eine separate Basisstation sein kann. Dieser Anschluss ist verbunden mit dem Haus-Grund-System (oder einer Struktur oder sanitären Anlage, etc) um das Volumen anzuregen. Zahlreiche Geräte übertragen innerhalb des Raumes und sind somit mit dem Netzwerk verbunden. Ihre Signale werden von der Steuerung aufgenommen. Diese Steuerung, die einen Router in einer Ausführungsform der Erfindung einschließt, trennt die individuellen Signale der unterschiedlichen Bandbreiten und/oder Modulationsformen und routet sie zu ihrem adressierten Ziel. Dieses Ziel kann der Prozessor selbst sein, falls die Geräte überwacht werden sollen, oder eine entfernte Einrichtung, wie beispielsweise ein Videoempfänger, der Daten von einem Videorecorder oder Fernseher empfängt. Das Ziel kann auch ein entferntes sein, für das entsprechende Einstellungen geändert werden können. Für Frequenzen unterhalb von 300 MHz können der Sender, der Empfänger und die gesamte weitere Hardware digital implementiert werden. In der Tat liegt ein größerer Vorteil des Systems darin, dass die Hardware für die Frequenzen in dieser Erfindung wesentlich billiger ist als bei Bändern oberhalb von 2400 MHz.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird die Verbindung zu den Leitern in dem Raum mittels eines passenden Abschnittes und dann durch ein Koaxialkabel hergestellt. Der Ausgang des Koaxialkabels wird mit dem Leiter verbunden, was den Erdungsschirm unabgeschlossen lässt. Wenn die RF-Energie mit dem Anschluss verbunden wird, wird ein Teil der Energie wie gewünscht gesendet, und ein Teil wird reflektiert. Diese Reflektion entsteht, weil die Impedanz des Anregers nicht die gleiche ist wie die des Generators und darüber hinaus sich auch mit der Frequenz ändert, während dies beim Generator nicht geschieht. Die reflektierte Energie stellt einen Verlust an Effektivität dar und sollte so klein wie möglich gehalten werden. Der Anpassabschnitt formt die Anregerimpedanz um, um eine minimale Reflektion über den Betriebsbereich zu erzielen. Im Allgemeinen sollte der Anreger zwischen etwa 0,1 und 0,4 Wellenlängen oberhalb der wahren Erde verbunden werden, um eine vernünftige Anpassung zu erzielen. Dies beschränkt die Bandbreite für eine gegebene Anordnung auf 400%, mehr als hinreichend für die beabsichtigten Zwecke.
5 ist eine bildhafte Darstellung von verschiedenen Geräten in einem typischen Haus, die drahtlos unter Verwendung der vorliegenden Erfindung angeschlossen werden können.
Nach einem ersten Aspekt der Erfindung schafft die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung eines Radiofrequenzsignals, das einem Leiter 14 innerhalb einer Struktur 10 zugeführt wird. Ein quasistatisches, sich nicht fortpflanzendes elektromagnetisches Feld 20 wird innerhalb der Struktur erzeugt und es wird verwendet, um das Radiofrequenzsignal an einen Empfänger 22 zu übermitteln, der innerhalb der Struktur 10 angeordnet ist. Eine Zahl von unterschiedlichen Signalen kann dem Leiter gleichzeitig zugeführt werden, was die Übertragung von multiplen Signalen ermöglicht. In einer Ausführungsform der Erfindung können die Signale unter Verwendung von HF, VHF und unteren UHF-Bändern gleichzeitig übermittelt werden, solange eine geeignete Filterung durchgeführt wird, um adäquate Signaltrennungen sicherzustellen.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann die Erfindung durch das Einfügen eines gemeinsamen 3-stiftigen elektrischen Steckers in einer herkömmlichen 3-schlitzigen elektrischen Steckdose installiert werden. Der Stecker besitzt erste und zweite Leistung übertragende Stifte und einen dritten Stift für die Erdungsverbindung. Das Signal wird dem Erdungsdraht des elektrischen Systems der Struktur über den Erdungsstift des Steckers zugeführt. Die Verwendung des Erdungsstiftes ist ein spezielles Verfahren zum Implementieren der Erfindung, aber die alternative Verwendung von Wasserleitungen und leitfähigen Strukturelementen des Gebäudes wie beispielsweise von Stahlträgern schafft bedeutende Vorteile, da diese im Allgemeinen frei von elektrischem Rauschen sind. In einigen Situationen kann es möglich sein, Leiter 14 der Decke oder unter dem Fußboden hinzuzufügen, um das elektromagnetische Feld zu verbessern.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung schafft die Erfindung ein Signalsystem zur Verwendung in einer Gebäudestruktur 10. Diese Ausführungsform setzt einen Radiofrequenzsignalgenerator 16, 22 und einen oder mehrere Radiofrequenzsignalempfänger ein, die sich dadurch auszeichnen, dass der Generator 16, 22 so angeordnet ist, dass er seine Signale den Leitern 14 zuführt, und der oder die Leiter ist oder sind so angeordnet, dass sie in Abhängigkeit von diesen Signalen ein quasistatisches, nicht fortpflanzendes elektromagnetisches Feld 20 innerhalb dieser Struktur erzeugen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die bevorzugte Signalfrequenz im Wesentlichen 30 MHz, kann aber irgendwo in dem Bereich von 3 bis 400 MHz liegen, vorzugsweise in dem Bereich von 5 bis 100 MHz, und ganz besonders bevorzugt in dem Bereich von 15 bis 60 MHz.
III. Drahtloser Betrieb ohne Inferferenz
Die Auswahl von hohen Frequenzen (HF), sehr hohen Frequenzen (VHF) und dem unteren Ende des Bandes mit ultrahohen Frequenzen (UHF) bietet 2 wesentliche Vorteile bei der Implementierung der Erfindung. Da die meisten anderen Radiodienste diese Bänder aufgrund des atmosphärischen und auf den Menschen zurückgehenden Rauschens vermeiden, sind zunächst diese Frequenzen im Allgemeinen für einen revolutionären neuen Dienst wie den von der vorliegenden Erfindung angebotenen verfügbar. Als zweites benötigen diese Frequenzbänder große Antennen. Bei 30 MHz ist eine passende herkömmliche Antennengröße etwa 50 Fuß (15 m), während eine 150 Fuß (50 m) große herkömmliche Antenne für 10 MHz bevorzugt wäre. Diese Dimensionen sind sehr geeignet für dieses Frequenzband. Für ein Gebäude, das 50 × 100 Fuß und 20 Fuß groß ist (15 m × 30 m × 6 m), ist das Gebäude 0,2 × 1,0 × 0,2 Wellenlängen bei 30 MHz oder 0,1 × 0,5 × 0,4 Wellenlängen bei 15 MHz groß.
Wenn das elektromagnetische Feldsystem in Betrieb ist, bilden die elektrischen Leiter in der Struktur einen kleinen Satz an Gittern, die klein sind, relativ zu den HF-Wellenlängen, und Strahlung von äußeren Quellen "abschneiden", was die Effekte von atmosphärischem und auf den Menschen zurückgehenden Rauschen erheblich reduziert. Dieses Gitter wirkt als ein Schirm, der Energie daran hindert, durchzudringen, wenn die Gittergröße unter 0,5 Wellenlängen fällt. Die Dämpfung steigt rapide an, wenn die Gittergröße (in Wellenlängen) abnimmt. Eine Gitteröffnung von 25 Fuß (8 m) auf einer Seite ist mehr als hinreichend klein bei 30 MHz und kann in jeder Struktur leicht realisiert werden.
In dem VHF und unteren UHF-Bändern verschwindet der Gitterschutz langsam mit der Größe der kleiner werdenden Wellenlängen. Glücklicherweise allerdings verschwinden die auf den Menschen zurückgehenden und galaktischen Rauschen noch schneller. Diese letztere Interferenz fällt üblicherweise bei ungefähr 40 MHz unter das Empfängerrauschen. In diesen oberen Bändern ist die Rauschabschirmung nicht übermäßig wichtig und die Gebäudeanregung kann fortsetzen zu arbeiten wie vorbeschrieben. Wenn allerdings die Frequenz zunimmt, beginnt die Energie sich außerhalb der Struktur fortzupflanzen.
Experimentelle Arbeit wurde von 3 bis 30 MHz, 140 bis 150 MHz und von 390 bis 400 MHz durchgeführt. Diese Experimente haben die vorstehenden Lehren unterstützt. Die Experimente wurden verwendet, um Video- und Audiodaten sowohl einem gewerblich genutzten Gebäude (100 Fuß × 200 Fuß entsprechend 30 m × 60 m) als auch in einem 2-stöckigen Wohnhaus zu übertragen. Es ist gut möglich, mit mehrfachen HF, VHF und UHF-Bändern in der gleichen Struktur zu arbeiten, solange wie eine Filterung verwendet wird.
Aufgrund der einheitlichen Eigenschaften des elektromagnetischen Feldes können viele Nachteile, die bei bekannten Radioübertragungen eine Plage darstellen, wie beispielsweise Streuung, tote Punkte oder Mehrfachwegeinterferenz, vermieden werden. Einige höhere Frequenzen können nicht durch Wände hindurchlaufen und sind ernsthaft durch die Anwesenheit menschlicher Körper beeinträchtigt. Da HF und VHF-Wellen so groß sind, können diese Probleme im Allgemeinen durch die vorliegende Erfindung vermieden werden.
IV. Terminologie
In dieser Beschreibung und in den folgenden Ansprüchen ist der Begriff "Leiter" verwendet worden, um einen Materialtyp zu beschreiben, der sich durch die Fähigkeit auszeichnet, elektrischen Strom zu übermitteln oder zu transportieren. Diese Verwendung des Begriffes ist nicht auf typische Leiter wie beispielsweise Metalldrähte, Kabel oder Rohre beschränkt. Der zur Implementierung der Erfindung eingesetzte Leiter kann eine beliebige Substanz aufweisen, in der Elektronen oder andere Ladungen im Allgemeinen frei zur Bewegung zur Bildung eines Stromes und dementsprechend zur Erzeugung eines Feldes sind.
In ähnlicher Form ist der Begriff "Struktur" nicht beabsichtigt, auf eine spezifische Art eines Gebäudes beschränkt zu sein. Wenn er in dieser Beschreibung und in den folgenden Ansprüchen verwendet wird, umschreibt der Begriff "Struktur" jeden vollständig oder teilweise umschlossenen Raum oder Elemente einer Struktur, einschließlich aber nicht begrenzt auf Wände, Zwischenwände, Decken, Fenster, Dächer, die einen Hohlraumresonator bilden.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung verwenden die Hochfrequenz, sehr hohe Frequenz und das untere Ende des Ultrahochfrequenzbandes (HF, VHF und UHF), um innerhalb eines Gebäudes oder einer Struktur elektromagnetische Felder zu erzeugen. Leiter innerhalb des Gebäudes oder der Struktur werden als Anreger zur Erzeugung eines ortsgebundenen quasi statischen elektromagnetischen Feldes eingesetzt, das verwendet wird, um eine große Vielzahl von Geräten anzuschließen, drahtlos und ohne einen Nachteil aufgrund unnötiger Interferenz mit äußerem Rauschen. Die vorliegende Erfindung wird in der Lage sein, in einem gewaltigen Gebiet von Anwendungen benutzt zu werden, einschließlich der Erzeugung von ortsgebundenen gewerblichen und wohnungsmäßigen drahtlosen Netzwerken.
Bezugszeichenliste
1

CBL Kabel
H Haus
R Radio
RS Radiostation
T Sendeturm
W Radiowellen

2

E geschlossener Raum

3

10: Struktur oder geschlossener Raum
12: Wände
14: Leiter
16: Signalgenerator
18: Verbindung von Signalgenerator zum Leiter
20: elektromagnetisches Feld
22: Gerät mit Empfänger

Claims

Verfahren mit folgenden Schritten: – ein Erzeugen eines Radiofrequenzsignals mit einer Wellenlänge L; – ein Zuführen des Radiofrequenzsignals zu einer untereinander verbundenen Anordnung von vorhandenen Leitern (14), die sich durch eine Gebäudestruktur (10) erstrecken und durch Abmessungen von weniger als L voneinander getrennt sind, wodurch ein quasistatisches sich nicht ausbreitendes elektromagnetisches Feld innerhalb der Struktur ausgebildet wird, und – eine Verwendung des elektromagnetischen Feldes zum Transportieren des Radiofrequenzsignals zu einem innerhalb der Struktur angeordneten Empfänger (22).
Verfahren nach Anspruch 1, in welchem das Radiofrequenzsignal unter Verwendung des Hochfrequenzbandes erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, in welchem das Radiofrequenzsignal unter Verwendung des sehr hohen Frequenzbandes (VHF, Very High Frequency) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, in welchem das Radiofrequenzsignal unter Verwendung des unteren Bereiches des Ultra-Hochfrequenz-Bandes (UHF) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, in welchem das Radiofrequenzsignal unter Verwendung eines Frequenzbandes erzeugt wird, das durch eine derartige Wellenlänge gekennzeichnet ist, das die Struktur (10) eine maximale Abmessung besitzt, die im Wesentlichen kleiner als 10 Wellenlängen in jeder Dimension ist.
Verfahren nach Anspruch 1, in welchem das Radiofrequenzsignal unter Verwendung eines Frequenzbandes erzeugt wird, welches nicht grundsätzlich Interferenz außerhalb der Struktur in dem HF-Band verursacht.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, in welchem das Radiofrequenzsignal den Leitern (14) unter Verwendung von direkten, festverdrahteten Verbindungen (18) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, in welchem das Radiofrequenzsignal den Leitern (14) durch Anregung der Leiter mit übertragener Radiofrequenzenergie zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, in welchem die Leiter (14) elektrische Kabel sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, in welchem die Leiter (14) Wasserleitungsrohre sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, in welchem die Leiter (14) Strukturelemente sind.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit folgenden zusätzlichen Schritten: – Erlauben eines gleichzeitigen Betriebes in dem HF, VHF und unteren UHF-Band mit mehrfacher Verbindung; und – Filtern der mehrfachen Verbindungen, um eine Signaltrennung sicherzustellen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit folgenden zusätzlichen Schritten: – Installieren des Empfängers durch Einführen eines elektrischen Steckers, der erste und zweite Netzsteckerstifte und einen dritten Erdungsstift besitzt, in eine elektrische Steckdose; und – Zuführen des Signals zu den Leitern (14) über den dritten Erdungsstift auf dem Stecker.
Signalisierungssystem für Signale mit einer Wellenlänge L zur Verwendung in einer Gebäudestruktur (10), die eine untereinander verbundene Anordnung von Leitern (14) besitzt, die sich durch ihren Baukörper erstrecken und voneinander durch Abmessungen von weniger als L getrennt sind, wobei das System einen Radiofrequenzsignalgenerator (16, 22) und ein oder mehrere Radiofrequenzsignalempfänger (22, 16) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator 16, 22 so angeordnet ist, dass er seine Signale den Leitern (14) zuführt, und dass die Leiter so angeordnet sind, dass sie in Abhängigkeit von den Signalen ein quasistatisches sich nicht ausbreitendes elektromagnetisches Feld (20) innerhalb der Struktur erzeugen.
Elektromagnetisches Feldsystem, aufweisend: – eine Gebäudestruktur einschließlich eines elektrisch leitfähigen Gitterfeldes aus vorhandenen Leitern (14) mit einer Gitteröffnungsgröße; und – eine Einrichtung zum Erzeugen eines quasistatischen sich nicht ausbreitenden elektromagnetischen Feldes innerhalb der Struktur durch Zuführen eines Radiofrequenzsignals in das elektrisch leitfähige Gitterfeld; wobei die Frequenz des Frequenzsignals so ausgewählt ist, dass die Abmessung der Gitteröffnungsgröße klein relativ zur Wellenlänge des Frequenzsignals ist.
Elektromagnetisches Feldsystem nach Anspruch 15, in welchem die Frequenz des Frequenzsignals so ausgewählt ist, dass die Wellenlänge mehr als doppelt so groß ist wie die Abmessung der Gitteröffnungsgröße.