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Technisches
Gebiet
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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.
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Stand der
Technik
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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.
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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.
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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.
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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.
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Eine
Reihe von neuen Firmen versucht, drahtlose Netzwerksysteme zu entwickeln.
Ein neuer Versuch mit dem Namen Open SkyTM wurde
von 3 ComTM und Aether TechnologiesTM gebildet. BluetoothTM ist
eine gemeinsame Anstrengung von mehreren Telekommunikationsunternehmen,
die versuchen, einen Standard für
drahtlose Verbindungen im 2,45 GHz Band zu setzen. Home RFTM ist ein vorgeschlagenes drahtloses System,
das von MicrosoftTM angeboten wird. Home
Wireless NetworksTM plant ebenfalls, drahtlose
Netzwerkprodukte anzubieten.
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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.
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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.
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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.
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Offenbarung
der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 IntelTM, Cisco
SystemsTM, MicrosoftTM und Sun
MicrosystemsTM 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.
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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.
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Eine kurze
Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Strahlungsfeldes,
welches eine Fortpflanzung von Radiowellen und eine Bewegung der
Radiowellen weg von der Antenne verursacht.
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2 ist
eine schematische Darstellung eines hohlraumähnlichen elektromagnetischen
Feldes.
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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.
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4 ist
ein Schaltkreisdiagramm einer Ausführungsform der Erfindung.
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5 ist
eine bildhafte Darstellung von verschiedenen Geräten in einem typischen Haus,
die drahtlos unter Verwendung der vorliegenden Erfindung miteinander
verbunden werden können.
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Beste Ausführungsform
zur Durchführung
der Erfindung
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1. Elektromagnetische
Wellen
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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.
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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.
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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.
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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.
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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".
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II. Bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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5 ist
eine bildhafte Darstellung von verschiedenen Geräten in einem typischen Haus,
die drahtlos unter Verwendung der vorliegenden Erfindung angeschlossen
werden können.
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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.
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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.
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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.
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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.
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III. Drahtloser Betrieb
ohne Inferferenz
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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IV. Terminologie
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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.
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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.
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Gewerbliche
Anwendbarkeit
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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.
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Bezugszeichenliste
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1
-
- CBL Kabel
- H Haus
- R Radio
- RS Radiostation
- T Sendeturm
- W Radiowellen
-
2
-
-
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