JP2004523175A - 囲われた空間内の励振器システムと通信方法 - Google Patents

Abstract

励振器システム（１０）は、囲われた空間（１２）内で電磁的通信を容易化するのに使用するために提供される。本システム（１０）は、関連する構造物の大きさと必要とする出力に基いて、３次元の半球状励振器（２８）もしくは２次元の平面状扇型励振器（３０）という形状をなす励振器を含む。この励振器システム（１０）は、ハブ／コントローラ・ネットワーク（４４）と一緒に作用する。この励振器システム（１０）は、空間内に準静的微弱電界（２０）を誘発するように改善され、空間の特性により決定された使用周波数内の周波数で微弱界（２０）を用いた通信を可能にする。励振器（２６）は、囲われた空間内で導電性骨組み（１８）の一部分に対向して取り付けられ、それから隔離される。使用時は、同軸コネクター（４８）が励振器（２６）をハブ／コントローラ・ネットワーク（４４）に中心導体（５０）で接続し、中心導体（５０）は、励振器（２６）への供給ポイント（６６）で接続され、シールド導体（５２）は、対向する導電性骨組み（１８）に接続される。ある実施実施形態では、支柱（４０）は低い周波数の性能を高めるためのカーテンとしての役割を果たす。

Description

【０００１】
【親出願との関係】
本願は、特許出願の一部継続出願であり、発明者は本出願と、１９９９年６月２５日に出願され、譲渡された出願番号０９／３４０，２１８の親特許出願「ワイヤレスネットワークのための電磁界通信システム」とにおいて共通に開示された全課題に対する優先権を主張する。本願は、本出願と同時に提出された「ハブとプローブのシステムおよび方法」と称するアメリカ特許出願と関連がある。
【０００２】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的には無線通信に関し、特に０．５から１００ＭＨｚの周波数範囲での、構造物内の屋内通信のためのシステム関する。
【０００３】
【背景技術】
ビル及びその他の囲われた空間内での通信は、長い間の懸案を抱えている。ＬＡＮのような通信配線は効果的であるが、配線コストの問題、接続場所の制限、技術が進歩する時々にアップグレードする必要性に悩まされている。金属構造部材、インテリア家具、鉛管、電線全てが在来の無線通信を妨害する性向がある。宇宙のノイズのような屋外からの妨害や人為的な電磁的発信源もまた、しばしばビル内通信の品質及び効率に影響を及ぼしている。
【０００４】
発明者の先の出願に記述されているように、少なくとも通信利用の見地から電磁波スペクトラム中のなおざりにされている周波数帯は、０．５から１００ＭＨｚの範囲の周波数帯域である。この周波数範囲の大部分が、伝統的に利用できないものと考えられており、従って政府から余り規制を受けていない。合衆国におけるこの例は、ＦＣＣ規則のパート１５がこの周波数範囲に適用しているものである。この周波数範囲が余り利用されない１つの理由は、波形が充分な長さの波長を持っているので、構造物による干渉が送受信に影響を与えるためである。しかしながら、発明者の技術によって、この周波数範囲の利用を可能とし、これまで邪魔になっていた要素を利益に変わえることを可能にする。
【０００５】
今までほとんど理解されず、伝統的にほとんど利用されてこなかった電磁現象の領域は、微弱波（非伝播波）を処理する領域である。これらの現象の商業利用はまれであった。この現象は、導波管技術において知られ、観察されるが、普通は、厄介者であり、“遮断”として知られている近傍での構造物の利用を限定している。
【０００６】
遮断は、円形導波管のサイズが使用する周波数帯における波長の半分（１／２）未満の場合に、円形導波管内の普通の伝播波に対して起きる。この状況下では、伝送損失は非常に高くなるが、無限ではない。理想的な導波管での遮断以下での減衰は、以下の等式１で表すことができる。
【０００７】
【数１】

【０００８】
ここで、波長は、１１．８／ｆ（ＧＨｚ）インチにおよそ等しい。
（ｆ／ｆｃ）^２＜＜１の場合は、ｆがｆｃ未満に減少すると、γは０から増加して定数２π／λｃに近づく。
【０００９】
減衰量は、導波管の遮断波長だけで決定され、その遮断波長は、導波管の横幅と一般に比例関係にあるので、γの値は、低い遮断波長あるいは高い遮断周波数（小さな径の円形導波管）を選択することによりほとんど好みの大きさにすることができる。
【００１０】
式（１）は、いかなる波、いかなる形状の導波管に対しても適用されるから、遮断波長λｃを固定する限り、波のタイプや導波管の形状の選択は、減衰定数に影響を与えることができない（ “Ｆｉｅｌｄ ａｎｄ Ｗａｖｅ ｉｎ Ｍｏｄｅｒｎ Ｒａｄｉｏ”Ｓｉｍｏｎ Ｒａｍｏ ａｎｄ Ｊｏｈｎ Ｗｈｉｎｎｅｒｙ，ｐｇ３８６−３８９，ｄａｔｅｄ Ｍａｙ１９５６）。
【００１１】
物理学において多くの課題の中心となる波動は、多くの教科書でも重要な（学際的な）題目である。伝統的な波動は、しばしば（もっともな理由で）たくさん取り扱われているが、微弱電波の理論はついでに言及されるに過ぎない（“ＯＮ ＥＶＡＮＥＳＣＥＮＴ ＷＡＶＥＳ”Ａ．Ｓｔａｌｈｏｆｅｎ ａｎｄ Ｈ．Ｄｒｕｘｅｓ，Ｕｎｉｖ．Ｋｏｂｌｅｎｚ，Ｉｎｓｔ．ｆ．Ｐｈｙｓｉｋ，Ｒｈｅｉｎａｕ１，Ｄ−５６０７５ Ｋｏｂｌｅｎｚ，Ｇｅｒｍａｎｙ）。
【００１２】
この小さな取扱いは決して、妥当ではない。微弱電波は、実際、元来は応用例が記憶にない便利な数学のツールとして紹介されたものであるが（Ｂｒｙｎｄｈｌ，Ｏ．、“Ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔ ｗａｖｅｓ ｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｉｍａｇｉｎｇ”，ｉｎ Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｎ Ｏｐｔｉｃｓ；Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ Ｃｏ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ １９７３；ｐｐ１６９−２２１）、（Ｈｕｐｅｒｔ，Ｊ．Ｊ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．６，１３１−１４９：１９７５）、ここ数十年のうちに成熟し、それ自身が本来の興味の対象になっており、基礎研究及び応用研究及び産業での応用例は着実に増えている。
【００１３】
いかなる伝播波も、古典的な禁断領域（遮断未満）に打ち当たると微弱電波になる。この場合、少なくとも波のベクトルの１つの要素が想像的な又は複雑な値となり、その波はこの領域（上述した遮断効果）で使用すると指数的減衰を呈する。そのような波は、導波管を含む多くの関連分野において診断ツールとして使われ、その応用は、固体物理学の多様な分野からマイクロ波技術にまでに及ぶ。明白な例は、微弱電波がマイクロ波、光学、及び量子力学で重要な役割を果たしていることを示す。これらシステムの全ては、異なる波動方程式、異なる伝播則、異なるエネルギー法則、全く異なった構造物及びサイズによって支配されているという事実にもかかわらず、考慮の対象となるそれぞれのシステムでの波動はしばしば微弱波を含む。
【００１４】
微弱波の存在を証明する典型的なメカニズムは、１）伝送損失の多い媒体におけるエネルギーの他の実施形態への変換、２）伝送損失のない媒体中の反射により生じる、ある方向での遮断モード、３）ある導波構造物からエネルギ−のゆるやかなリーク、及び４）障害物により、又は導波構造物の変更により引き起こされるモード変換である。
【００１５】
微弱波は、直感的洞察をしばしば否定する特有な特性を持っている。典型的な例として、禁断領域（遮断未満）で使用すると、指数的な減衰を経験するという事実をあげることができる。微弱波を含む波動は、マイクロ波を用いる電磁波で簡単に証明できる。微弱波を含む多くの実験の案内書が、ＰＩＲＡ（物理教育リソース協会）から得ることができる。そのホームページのアドレスは“ ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｐｙｓｉｃｓ．ｕｍｄ．ｅｄｕ／ｄｅｐｔｉｎｆｏ／ｆａｃｉｌｉｔｉｅｓ／ｌｅｃｄｅｍ．”である。このソースは、簡単にアクセス可能な文献について詳細に述べ、微弱波の実地実験、及びより洗練された実験について、簡単に記述している。
【００１６】
遮断以下の微弱非伝播波の使用又は遮断周波数を越える伝播波の使用により、電磁結合が達成されることが今や立証されている。遮断領域で微弱波を生成させるために構造物の金属要素中に電流を注入することができる方法論を開発しなければならない。遮断領域を越える周波数に対しては、より伝統的なアンテナ技術を使用することができる。
【００１７】
微弱波に関する現象と遮断領域以下またはその近傍の波長で起こるその他の波の特徴は知られているが、それらは今まで商業的には余り利用されていなかった。一般的に、これらの現象は、実際に通信を高めるというよりむしろ邪魔物及び厄介物と考えられた。この見地からすると、本願発明と発明者の関連発明によって提言される利用と改善の機会は多く残されている。
【００１８】
【発明の開示】
従って、構造物内での効果的な通信用媒体を提供するため、微弱波を生み出す周波数、および遮断周波数近傍における電磁エネルギーの性質を利用することが本願発明の目的である。
【００１９】
外部から構造物への外部からのエネルギーが最小になる、構造的に囲われた無線通信システムを提供するのが本願発明の他の目的である。
【００２０】
現存する伝統的構造物内で使用するのに適している、設置および使用が容易な励振器構成を提供するのが、本出願発明の更なる目的である。
【００２１】
タイプや大きさが異なる構造物にふさわしい励振器構造と励振器システムを提供することが本願発明の別の更なる目的である。
【００２２】
本願発明の別の目的は、構造物内で生成された微弱信号が、受信され、処理される位置まで、構造物内の導電性骨組を介して運ぶことができる構成を提供することである。
【００２３】
簡単に言えば、本願発明の好ましい実施形態は、「ワイヤレスネットワークのための電磁界通信システム」にエネルギーを与え、使用するための励振器システである。これは、構造物内で無線通信を可能にする無線技術体系である。典型的な住居、商業ビル又は産業ビルにおいては、それらが電線、金属壁、鉛管、又はそれらの組み合わせであれ、励振器は、構造物の壁内にある金属要素で形成された導電性骨組を励起する機能を有する。この無線システムは、励振器に接続され、励振器を励起させるハブとコントローラ・ネットワークにより始まる。その励振器は、構造物内にある多数の遠隔無線受信機による使用のため、ビルの壁内にある導電性の骨組みに次々にエネルギーを与える。更に、その励振器の配置が、ビル内の他の装置によって生成された信号の受信を可能にする。仮に、そのような信号が他の方法では通常の受信にとってあまりにも微弱過ぎるとしても、導電性骨組みについての励振器の特有の性質が通信を容易化する。この技術の根拠は、１９９９年６月２５日に出願され、出願番号０９／３４０，２１８「ワイヤレスネットワークのための電磁界通信システム」と称する発明者の合衆国出願に開示され、包含されている。励振器と共にそのハブとコントローラ・ネットワークは、別の方法では不可能である、構造物内での完全な無線通信システムの利用を実現する。
【００２４】
本技術は、構造物内から構造物外への放射を抑制し、宇宙ノイズの構造物内への侵入を防ぐ微弱モードを創生するために、壁内の金属要素を利用する。
【００２５】
電磁結合は、遮断周波数未満の微弱非伝播波あるいは遮断周波数を越える伝播波の利用により実現し得ることが確証されている。発明者の方法論は、遮断領域で微弱波が生成されるように構造物内の導電性の金属要素に電流を注入する。遮断領域を越える周波数に対して、より伝統的なアンテナ技術を利用することができる。
【００２６】
本発明者によってなされた観察及び測定は、励起されたビルの構造物のいたるところに微弱波の非伝播“電界”を創生する励振器の発明の利用の１面と一致する。この電界は、その空間に対応して定まる遮断周波数以下の、特定範囲内のひとつないしはそれ以上の周波数を使用する。この電界は、ある意味では搬送波に似た振る舞いをし、そしてそのような周波数の信号をビル中にくまなく伝えることができる。
【００２７】
より好ましい実施形態は、ブロードバンドを成就するために、および構造物内へのエネルギー結合をおおむね調和させるために改善された特別な励振器の例を含む。
【００２８】
第１の好ましい実施形態は、より大きな商業用叉は産業用構造物向けに改善され、第２の好ましい実施形態は、典型的な住居用に改善されたものである。その励振器の構成要素の特別な位置および据付、並びに特別な構造物用励振器のより小さなクラスまでの設計は、その構造物の特徴に合わせた独特のものであり、少なくともある程度までは経験的に決めねばならない。効率的な設計を促進するために守る必要がある設計のガイドラインがいくつかある。その励振器は、１）直径がλ／８より小さく（一番高い使用周波数で）、２）壁の導電性要素から（一番高い使用周波数で）λ／８より近くに取り付けられ、そして３）床と天井の間の概ね中央に配置されなければならない。励振器は、入力伝送路に対する測定可能な分流リアクタンスを確立するのに十分なサイズを持たねばならない（すなわち、伝送路の特性インピーダンスのほぼ２５％）。この論理は、周波数帯域の微弱波部分にも当てはまる。
【００２９】
一旦、適当な励振器の大きさとデザインが選ばれ、構造物内に取り付けられると、その励振器は、周波数範囲にわたり励起され、導電性骨組み内に波を供給するようにハブのコントローラ・ネットワークにより制御される。受信機もしくは構造物内の導電性骨組みに合理的に接近する何れかのポイントに配置されたプローブは、その骨組み内に供給された波を媒介として、無線風に通知を受ける。
【００３０】
本願発明の利点は、宇宙ノイズなど、屋外発信源からの妨害を最小にするバブルを、効果的通信の活性化手段にすることである。
【００３１】
本願発明の他の利点は、励振器が、色々なネットワーク・セグメント相互間の干渉を最小にするために使用し得る、充分制御可能な帯域を有することである。
【００３２】
本願システムの更なる利点は、励振器が、０．５ＭＨｚから、ビルの構造もしくは部屋によって定義される遮断周波数までの連続する帯域を提供し、１００ＭＨｚまでおよびそれを越える伝播波の連続する帯域を提供することができるということである。
【００３３】
本願発明のもうひとつの利点は、構造物の大きさを利用し、非常に大きなアンテナの必要性を排除していることである。
【００３４】
本出願システムの更に別の利点は、中央のハブシステムまで信号を送り返すために、ビルの導電性骨組みと結合する低出力の遠隔ユニット“プローブ”が使用され、その導電性骨組みに対する励振器システムの特有の関係によってそのような微弱信号の受信を許容しているという点である。
【００３５】
本願発明の更なる利点は、励振器の構成要素が複合機能を担い、アンテナ様の要素を分離する必要性をなくしている点である。
【００３６】
本願発明の他の利点は、励振器の構成要素が構造上物理的に小さくて、設置がしやすく、すぐに使用できる点である。
【００３７】
本願発明を実現する現在知られた最良の実施形態の記載や、ここに記述され、そしていくつかの図面で説明された好ましい実施形態の産業上の利用性の記載に鑑み、本技術に熟練すれば、本願発明の他の目的や利点についても明らかとなる。
【００３８】
【発明を実施するための最良の実施形態】
本願発明は、出願番号０９／０９／３４０２１８ジョージＧ．チャドウイックによる先の出願に記述された発明を効率的に利用する条件を創出するために改善されたものである。それは、囲われた空間で使用し、同時に提出され、関連出願中に記述された、ハブコントローラ・ネットワークとプローブシステムとともに使用するために改善されている。ＰＣＴ／ＵＳ００／１１８８６で発行された、先の優先権のある出願の、開示、明細書および図面が、これに直接関係がある。更に、本願発明は、同時に提出した“ハブとプローブシステムと方法”と称する出願に記述され、示された、ハブとプローブネットワークと親密な関係があり、それと一緒に使用する。
【００３９】
発明の現在の好ましい実施形態は、色々な囲われた空間内で無線通信を容易にし、最適化するオーバーオールのシステムにおける、励振装置やその励振装置を使用する方法である。本願発明の好ましい実施形態は、上記先の出願で開示された「ワイヤレスネットワークのための電磁界通信システム」内で助けとなり、うまくゆくように改善される。現行の好ましい実施形態は、囲われた空間内で電磁的通信を容易にするためのシステム（励振器システム）に属するものであり、励振器システムは、通常の引用符号１０で指定される。
【００４０】
図１は、典型的なビルの励振器システム１０を含むワイヤレスネットワークの全般的利用を示す図である。
【００４１】
励振器システム１０は、家や小さなビルなどの小空間１４、あるいは商用オフィスビルもしくは工業用地区などの大空間１６などのいずれかと見なすことができる囲われた空間１２で使用するために改善される。どちらのタイプの囲われた空間１２にも適用可能とするには、囲われた空間１２を介して準静的電磁界２０を生起するため、囲われた空間１２を介して導電性骨組み１８に注入されたエネルギーを導電的に“配達できる”色々な導電性骨組み１８を含んでいなければならない。その骨組み１８は、シングルパス、うず巻き状のパス、もしくは色々な導電性要素であってもよく、一緒に作用する骨組み１８のどれもが、本発明者によりバブル２２とみなされる「ファラデーの籠」に類似する電磁的仮想空間を形成する。典型的には、導電性骨組み１８は、電線、ビル鉛管システム、金属梁と金属けた、及びこれらの要素の組み合わせで構成される。
【００４２】
バブル２２の性質は、概略、バーの間に適合するにはあまりにも大きすぎる構造物を、物理的に籠が防止するように、電磁波を防止する籠もしくは網に似ている。このケースでは、導電性骨組み１８は、その導電性骨組み１８の要素がない場所に存在する隙間２４を持った、仮想上の、波に対するバーを形成する。導電性骨組み１８の隙間が電界２０の実効寸法より小さければ、その電界はバブル２２に“捕まえられる”が、実効寸法より大きければほとんど効果がない。これは、機密性の高い通信のような目的や、ＦＣＣ規制などの色々な政府の規則を遵守するためにも特に重要である。そのバブル２２は、実際に、その各々が分離した“籠”としてある程度機能する、半独立のより小さな空間（部屋）を含むことができるが、その部屋は、ビル中にくまなく張り渡され相互に連絡された導電性骨組み１８により関係づけられる。
【００４３】
バブル２２を創出し無線通信のために根拠を用意するという方法でその導電性骨組み１８にエネルギーを与える構成要素が、励振器２６である。特別に囲われた空間１２における励振器２６は、複合機能を有する。主要な機能の１つであり、構成要素にちなんで名づけられたその機能は、バブル２２内にその波を引き起こす機能である。ここに述べたタイプの励振器２６は、図示されており、整合部として先の出願で説明されている。
【００４４】
実際のビルで得た結果が証明可能であり、多様な環境内で効率的に機能する本システム１０が示されている。図解のために、ここでは励振器２６と励振器システム１０がビルを励起し、与えられた周波数の範囲内における要求されたどのような周波数に対しても非伝播の電界を供給し、その非伝播の電界は、通信を可能にする“搬送波”を提供するために作用する。更に、ビル１２内に適切に設置されたときの励振器２６の性質は、決められた周波数範囲内で準備され、ビル内の遠い位置にある導電性骨組み１８に誘導した信号が、励振器の構成要素によって充分活用できる強さで受信されるように、ビルのその導電性骨組み１８と特殊な結合を創出する。この方法で、同様な、励振器の構成要素は、“励振器”と“聴取者”の両方の機能を果たすことができる。
【００４５】
各励振器２６は、同じ種類であるが、特別目的で選ばれたものは寸法、材料と全体像に関し多くの変形を有する。同等に好ましい実施形態に関する２つの特別な実施例を図示し、ここで説明するが、その配置は広範に変えることが可能でありこれに限定されない。半球状の励振器（３次元励振器として参照される）が図２、３および４に特別に示されており、平面状扇型励振器（２次元励振器として参照される）が図５、６に特別に示されている。半球状の３次元励振器２８は、大きな商業用もしくは産業用ビル用（大空間１６）であり、小さな平面状扇型２次元励振器３０は典型的な住居用として十二分である。大きな商業用ビルは１８６０平方メートル（２０、０００平方フィート）以上の大きさを有しており、一方典型的な住居は４６５平方メートル（５，０００平方フィート）未満の大きさである。半球状の励振器２８は、より大きな空間１６のより大きな体積に適当な周波数の十分なエネルギーを届けるために必要である、より大きな放射周波数帯域を提供するためにより大きな寸法と表面積を有する、一方、２次元励振器３０は、小さな空間１４内で使用するのに十分である。
【００４６】
通信を行なうのに必要な出力は、要求される信号の品質と関連し、構造物の全体積に比例する、一方微弱波の生成にとって最も重要な寸法は、構造物の各部屋内の導電性の向かい合わせの面間の最小軸の距離である。部分的な寸法が、ビル（及び部屋）に対する適切な遮断周波数を定義し、そして励振器の機能が発揮されるときにその部屋内で微弱波が創生されるかどうか決定づける。
【００４７】
半球状の励振器２８の構造は、図２、３および４に示され、図２よび３は、構造物１２内で使用するため設置される３次元励振器を示している。
【００４８】
半球状の励振器２８は、物理的な支持体１２により姿勢が保持される。最適な効果のため、励振器２６は、特別に囲われた空間１２の内部に設置されなければならないが、内壁３４に並置するのが好ましい。その励振器２６は、床３６と天井３８のほぼ真中に取り付けるのが好ましく、導電性骨組み１８の構成要素と直接対向させて取り付けるのが好ましい。この例で物理的な支持体は、２つの構成要素を有し、３次元励振器２８は、縦の支持は支柱４０により与えられ、分離と追加的支持は、近くの壁３４に接続されたスペーサ４２で与えられる。
【００４９】
柱４０とスペーサ４２は、共に導電性物質で構成される。更に支柱４０は物理的な支持体３２の一部分である以上の機能的目的を果す。支柱４０とスペーサ４２は、励振器とビルの電気用アースとの間が導電路となるのを避けるため、ある場所（本実施形態では、支柱４０の場合は床に隣接する場所、そしてスペーサ４２を励振器２８に接続するポイント）に、誘電体の絶縁物４３が備えられる。好ましい実施形態において、支柱４０は、中空で、導電体で構成され、スペーサ４２は、強度増強のため公知の金属ブラケットである。
【００５０】
励振器２６の据付場所と大きさに関する空間的寸法は、使用のためにも重要である。能率的な使用のためには、励振器２６は、壁の導電性要素１８からλ／８（一番高い使用周波数で）より近くに取り付けなければならない。
【００５１】
図２において、大きな空間１６（産業用ビル）で使用するための分離は、０．９５ｍ（２３．５インチ）である。図示された３次元励振器２８が取り付けられた部屋では、天井の高さが約５．１ｍ（１７フィート）で、励振器２８の中心が床３６から２．５５ｍ（８フィート６インチ）の間隔を保つ様に、支柱４０は、充分な長さを持っている。好ましい実施形態において、３次元励振器２８は、周波数６２．５ＭＨｚ（波長４．８ｍ）の場合に、λ／８（一番高い運用周波数で）以下の直径の制約より小さい０．６ｍ（２フィート）の直径を有する。カーテン４０と見なされる支柱４０は、０．０８８ｍ（３．５インチ）の直径を有する。
【００５２】
励振器２６は、ハブのコントローラネットワークシステム４４により制御され、パワーが与えられる（図１参照）。そのハブシステム４４は、励振器２６を活性化するために必要な周波数範囲内のエネルギーを与える。それから励振器２６は、ハブコントローラ・ネットワーク４４によって生成された変調信号が、そのバブル内２２に配置されたいくつかのプローブもしくは受信機４６のいずれかにより、受信され、変換され、使用されるように、先の出願中に記述された導電性骨組み１８にエネルギーを与える（図１参照）。更に、“聴取”モードにおいて、励振器２６は、遠隔プローブにより創出された信号を受信し、そのハブシステム４４に誘導する。両モードは同時に作用することができる。そのハブシステムにより生成され、その励振器２６を介して送られる信号は、遠い場所で生成された信号とは別の周波数であり、導電性骨組み１８を介してその励振器２６へ、それからそのハブシステム４４に送り返される。これに代わる実施形態は、そのハブシステムにより生成された信号用であり、時分割伝送により、遠い場所に同じ周波数を使用するためのものである。
【００５３】
ビル（導電性骨組み１８）を“励振する”ために、電磁エネルギーが、ハブコントローラ４４により中心導体５０とシールド５２を持つ同軸ケーブル４８に注入される。その中心導体５０は、半球状の３次元励振器２８に取り付けられ、シールド５２は、スペーサ４２、導電性骨組み１８および壁３４に電気的に接続される。図３および４に見られる様に、そのシールド５２は、壁３４内の金属構造物に電気的に直接接続される。中心導体５０により届けられたエネルギーは、通常の型では放射しない。直径２フィートの半球状の３次元励振器２８は、５４ＭＨｚ未満の周波数で放射するには余りにも小さすぎる。しかしながら、励振器の構造は、この周波数範囲で意味のある不連続を表す。中心導体５０に注入されたエネルギーはほとんど反射するが、シールド５２に存在していたエネルギーは、微弱波の根拠を成す壁３４に接続されている。中心導体５０に注入されたエネルギーは、発信源に戻されるので、反射波は、入力の５０パーセント（５０％）に当たる。しかしながら、残存エネルギは、外部シールド５２から構造物の壁３４にほとんど全て転送されるので、この反射ロスは、周波数に対して実質的に一定である。
【００５４】
半球状励振器２８が、λ／８（一番高い使用周波数で）未満の実効的直径を持ち、入力伝送路に対して測定可能な分流リアクタンスを形成するのに十分な大きさであれば、その厳密な構造は重要ではない。これは、伝送路の特性インピーダンスの２５％を超えてはならない。多数の経験的な要因によれば、構造物の相違と励振器配置の相違は、異なるビルあるいは他の囲われた空間１２内でより良い効果を生む。図２、３および４に示された実施形態で使用される特別な３次元励振器２８は、中空の半球状部分５４を持ち、またおわん５４と見なされる。おわん５４は、伝導体で形成され、エッジにリム部５６を有する。導電性支柱４０は、実施形態では、おわん５４に直接接続（溶接）されている。一組の、所定の角度を有する導電性の扇形部材５８が、おわん５４から外側、前方へ広がり、その尖端で出会い、そして周囲のエッジに沿ってリム５６に接続されている（特に図３および４を参照）。アクリル樹脂からなる非導電性の隔壁６０は、おわん５４の中空の室内６２内側を横に広がり、そして扇型部材５８の内側表面に接触し、そこを構造的に支持するとともに、中空の室内６２を上半分と下半分に分離している。
【００５５】
中空の室内６２の内側でアクリル樹脂の隔壁６０の表面には整合用回路ブロック６４が取り付けられている。その整合用回路ブロック６４は、スペーサ４２に沿って張られた同軸ケーブル４８に接続される。その同軸ケーブル４８は、他端にハブのコントローラ・ネットワーク４４が接続され、励振器２８にそして整合回路６４に直接励振電流を運ぶ。
【００５６】
中心導体５０、あるいはその延長は、ハブのネットワーク４４から励振器２８まで（そして励振器２８の“聴取”機能からハブ４４へ信号を送り返すまで）導電体を用いて電気信号を運ぶために、扇型部材５８の尖端に位する供給ポイント６６まで張りわたす。供給ポイント６６まで届けられたエネルギーは、届けられた信号の実効帯域を横断して放射するように“ねらう”ために導体を励起させる方法でもって、励振器の導電部分、扇型部材５８および半球状のおわん５４を励起させる。同軸ケーブルのシールドの、アースおよび壁３４内の金属骨組み６８への接続に照らせば、選択された周波数での励振器の２８性質は、通常の伝播性放射は許さず、そして前述したように、バブル２２の生成あるいは導電性骨組み内の微弱および近微弱波の生成が正味の効果である。
【００５７】
３次元励振器は、大空間で使用するために改善され、そしてそのような大空間及びそれと関連する導電性骨組み１８を励振するのに充分な直径と３次元の表面を有している。しかしながら、小空間１４にはそのように大きな表面積は必要としない。そのような体積には、２次元の平面状扇型３０で十分である。
【００５８】
好ましい平面状扇型の励振器３０は、図５および６にそれぞれ正面図および側面図が示されている。
【００５９】
平面状扇型の励振器３０は、実質的には２次元であり、図５に特に示したように半球状励振器２８の断面に形状が似ている。即ち、３次元励振器２８のおわん５４部分および扇型部材５８の、隔壁６０の平面に沿った断面に形が一致する広い導電性トレース７０を含んでいる。その導電性トレース７０は、そのトレース７０を支持し、電気的に絶縁するため、非導電性物質で形成される平面状の構造板７２の上に配置される。導電性トレース７０の内側にある中心ゾーン７４は、なにもない空間あるいは物理的支持のために必要とされる構造板７２としての非伝導性物質の延長部分である。構造板７２は、３次元励振器２８と同様のやり方でスペーサ４２によって支持され、壁３４からの所望の離隔を保っている。
【００６０】
平面状扇型励振器３０の電気的構造は、それが構造板７２の上に取り付けられた整合用回路ブロック６４を含み、そして同軸ケーブル４８の中心導体５０から供給ポイント６６にエネルギーを運ぶ一方、シールド５２が、スペーサ４２に沿って壁３４にある導電性骨組み１８に電気的に接続されるという点で半球状の励振器２８に類似している。
【００６１】
図５および６において、鉛管７６が導電性骨組み１８の作用部分を構成する。
【００６２】
図７は、上述した遠隔無線受信機またはプローブ４８による使用のため励振器２６（この場合は半球状の励振器２８）により創生された微弱波を示す。微弱波の強さのパターンは、壁３４内の導電性骨組み１８からの距離ｄに相当する、エネルギーレベルεの関係を示すために図及びグラフで示される。図７の図解は、一列に並べられて、導電性骨組み１８の一部分の近くにあり、それに電気的に接続される励振器２６を示している。
【００６３】
図解中の、骨組み１８の部分は、図３の図解のそれと似た金属梁６８である。図示されている導電性骨組み１８の他の構成部分は、壁３４内にある電線である。図面の外観は、たとえ電線が励振器２６により直接励振されることはなくとも、電線は、それでも、その構造物のバブル２２中をくまなく分布している波と関係していることを示すために、この状態の図が用いられる。ビル内の電線が、配列する鉛管に接続されていないことが望ましいが、誘導と似た方法で他の独立の導電性部分によって構造物の他の要素に運ばれるように、少なくともある場所では、分離された導電路が適当に接近しているという仮定のもとでは、それでもなお電線と鉛管の双方が活動する。
【００６４】
共通の応用例は、正確に整合された励振器２６を必要としない。多くの月並みなシステムでは、反射損失は１ｄＢ未満に保たれる。しかしながら、１００ＭＨｚ未満の周波数での伝送損失は重大ではないので、励振器２６の場合には、３から６ｄＢの損失が適当である。
【００６５】
金属の支柱４０は、半球状の３次元励振器２８の場合には、別の目的を果す。好ましい支柱４０は、直径が０．０８８ｍ（３．５インチ）、長さ（高さ）が２．５５ｍ（１０２インチ）、励起された壁３４から約０．６５ｍ（２６インチ）離されている。この支柱部材４０は、都合のよい支持部を構成するから、より実用的な機能を発揮する。励振器２６の不連続効果は、最低の使用周波数に依存する。もし、励振器２６の大きさが、波長の５パーセント（％）に満たなければ、この不連続は小さすぎる。例えば、直径２フィートの半球状励振器２８は、物理的には比較的大きいが、６０ｍ（１００フィート）の波長（周波数１０ＭＨｚ）でボーダーラインである。この周波数未満での利用周波数範囲を拡大するには、その半球状励振器２８そのものよりも大きな構造のものが必要である。その不連続を増やし、ずっと低い周波数まで動作を広げるのは、金属の縦の支柱４０あるいは“カーテン”により実現される。支柱４０は、半球状のおわん５４に直接に接続されることにより、電気的に励振器２８の一部分であることに注目する必要がある（図２、３および４参照）。
【００６６】
この不連続の大きさの衝撃は、図８においてグラフで説明している。
このグラフは、単純な半球状の励振器２８とそれにカーテンとしての縦の支柱部材４０を追加した構成の同じ励振器の双方に対し、周波数の関数として伝送効率をプロットしている。カーテン４０の付いた半球状の励振器２８は、３ＭＨｚより上では少なくても５０％の効率を有する。カーテンを取り除くと、その不連続は、使用する周波数に比べて小さすぎるから、効率は顕著に落ちる。
【００６７】
しかしながら、周波数が増し、波長が減少すると、励振器の大きさの上限がある。例えば、０．５から５４ＭＨｚの範囲では、およそ３５ＭＨｚ未満で微弱波の特色が優勢となる。この効果は大空間１６で測定され、部屋の大きさがより小さな場合は、その特色が異なることに注意が必要である。より高い周波数で、また、より小さな囲われた空間においても、より小さな波長ゆえ、遮断効果は最終的には排除され、伝播の方法論が優勢となる。波長が約６ｍ（２０フィート）である５０ＭＨｚでは、波長の８分の１（１／８）という実効限界未満に維持するために、励振器の大きさは０．７５ｍ（３０インチ）を超えてはならない。
【００６８】
２０，０００平方フィートの１階建ての商業用ビルで得られた測定結果の例が図９に示されている。励振器２８に３０ｄＢｍの発信源を注入し、商業用ビルの４つの別々の場所でエネルギー量が測定され、グラフで描かれている。同様の結果が、商業用ビル内の８つの場所で得られた。
【００６９】
図１０は、図８に類似しており、小空間１４、この場合は５０００平方フィートより大きさが小さい住居内に取り付けられた平面状の扇型励振器３０の測定された励振効率を示している。この効率は、たとえカーテン４０がなくても、１５ＭＨｚを越える周波数には適当であると考えられる。
【００７０】
ビルの特性は異なり、囲われた各空間に励振器２６を適当に配置し、取り付けるためには多少の経験による調整が必要となる。しかしながら、ほとんどのビル、あるいは選択された周波数の波に関して効果的に囲われた空間１２である同じような他の種類の構造物にとって、ここで説明する励振器構造は、エネルギーを与えバブル２２効果を発生させる上では有効なものとなる。本発明者は、秒当たり１１メガビット（１１Ｍｂｐｓ）で動作するデータリンク上を動く映像を伝送するのに成功した。
【００７１】
説明したパラメータ内で、励振器の正確な物理的形状と寸法は変えることができるし、機能を維持する限り異なる材料を使用することも可能である。励振器の構成要素と導電性骨組みとの間隔は、許容範囲内で変えることができし、励振器にエネルギーを送る方法も変えることができる。この技術の熟練者は明らかに過度の実験をすることなく関連構造を開発し、利用することができる。
【００７２】
上述した例に加えて、本システムと方法の他の色々な修正と改善が本発明から逸脱することなしになし得る。従って、上記開示は、限定的なものと考えるべきではなく、従属請求項は、本発明の全ての精神と範囲を網羅するものと解すべきである。
【００７３】
【産業上の利用可能性】
本願発明の励振器システム１０は、本発明者の「ワイヤレスネットワークのための電磁界通信システム」と本質的に間連して、産業上も商業上も応用可能である。これは、構造物内での無線通信を可能にする無線技術体系である。典型的な住居用、商業用、もしくは産業用ビルでは、励振器２６は、それらが電線、金属壁、鉛管叉はその組み合わせある、壁の金属要素（導電性骨組み１８）を励振する機能を果たす。この無線システム１０は、励振器に接続されるハブのコントローラ・ネットワーク４４により始められる。その励振器は、今度はひとつ以上の遠隔無線受信機４６による使用のため、囲まれた空間１２の壁内の導電性骨組みに次々にエネルギーを与える。本技術の全貌については、１９９９年６月２５日付け「ワイヤレスネットワークのための電磁界通信システム」と称する米国特許出願ＭＧＣ９９０１で記述されている。励振器を伴うネットワークは、他の方法では実現不可能な、構造物内で使用する完全な無線システムを可能にする。本技術は、構造物の内側から外側への放射を防ぎ、宇宙ノイズが構造物に侵入するのを防ぐ微弱モードを発生させるために壁内の金属要素を利用する。
【００７４】
励振器は、参照ネットワークを構築することが可能な構造物を励振する目的を果たす。より低い周波数帯域における月並みな伝播は、構造物内の遮断効果により厳しく制限され、効率的な無線ネットワークを構築するには他の接続方法が開発されなければならない。本接続方法は、微弱モード（波）を利用する。励振器は、月並みな微弱波と月並みな伝播波の共存を可能にする。使用する周波数と構造物の大きさが月並みな伝播が存在しないような大きさであるときは、非伝播の微弱モードが発生する。
【００７５】
金属の建造物あるいは構造物の導電性骨組み１８は、鉛管、電線、金属ダクト、又はその他の金属要素を含んでいる。典型的な住居用、商業用、もしくは産業用構造物の唯一の違いは、構造物内の金属要素の大きさと種類である。上記の全ての例における２０ＭＨｚ未満の周波数は、遮断周波数未満であり、構造物内では、わずか、ないしは全く伝播波が存在しない。構造物内の無線接続のために、ＲＦエネルギを結合する別な方法を開発すべきである。この代替的な方法は微弱波を利用する。最も簡単な記述では、もしエネルギーが金属の境界に注入され、それが分散することができなれば（遮断の場合でも）、電磁界が成立する。
この電磁界は、微弱界と見なされ、その作用は上述されている。
【００７６】
ハブシステム４４と遠隔装置プローブ４６とをともに使用したときに、励振器システム１０は、これら要素間の通信路の重要な部分を提供する。典型的には、ハブシステムは、ひとつ以上の遠隔装置により、受信され、判断される信号を送る。そのハブシステムは、そのビルに対して微弱周波数範囲内の選択された最初の周波数で励振器に信号を送る。これは、ビル中くまなく最初の周波数の微弱波の界（図７参照）を生成するやり方で、導電性骨組みのいかなる部分の近くでも観測される同様の効果を伴って、エクサイタ２６に、導電性骨組みを“励起”させる。導電性骨組み１８の近くに配置され、最初に選択された周波数に同調した何れの遠隔プローブ４６もその電界に結合し選択された情報を受信する。
【００７７】
“聴取”モードでは、遠隔プローブ４６は、第２の選択周波数の信号を生成する。この信号は、導電性骨組み１８により運ばれる。本発明が現在理解されている様に、構造と場所に基いて、励振器は、その範囲内の周波数に所定の結合を持つ。このように、もし第２の選択周波数が要求範囲内にあれば、励振器２６は、受信機として働き、ハブネットワーク内で受取と処理を行なうのに十分な信号強度で（他のやり方では普通の受信には弱過ぎる）信号を運ぶ。
【００７８】
一旦取り付けられると、励振器システム１０は、一緒に取り付けられた他の構成要素に依存して、多用な方法を利用することができる。励振器システム１０は、元来導管であり、そしてハブのネットトワーク４に接続されたどんなものであれ、所望の、どのような種類の遠隔ユニットやプローブ４６との間の通信を容易にするものである。この多様性についてはハブのアプリケーションでも記述した。小屋から定期航路船に至るまで、多様な通信体系や異なる種類の囲われた空間において、ほとんど無限の利用可能性を与える。
【００７９】
上記及びその他の理由で、本願発明の励振器システム１０は、産業上利用性が広がることが期待される。それゆえに、本願発明の商業的利用は拡大し長続きするものと思われる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明による励振器システムを含む、発明者の技術による実用的通信システムを有する典型的な構造物の図解である。
【図２】
構造物の壁の切断部に取り付けたものとして示した、典型的な半球状の励振器の側面図である。
【図３】
半球状の励振器の縦断面図である。
【図４】
図３の半球状の励振器の斜視図である。
【図５】
鉛管に取り付けたものとして示した、平面状扇型励振器の平面図である。
【図６】
図５の平面状扇型励振器の側面図である。
【図７】
励振器の発明品を用いることにより構造物に誘発された微弱波パターンの図解である。
【図８】
半球状の励振器構造物にカーテンを追加した効果を示す、励振効果を表すグラフである。
【図９】
比較的小さなビル内に最小部屋用寸法の半球状励振器を用いた測定結果を表すグラフである。
【図１０】
小空間内で実際の平面状扇型の励振効果を表すグラフである。

Claims (20)

1. 導電性骨組みを含む囲われた構造物内に微弱波を誘発する励振器システムであって、
   前記導電性骨組みの部分に向け、前記構造物に取りつけられ、該導電性骨組みの該部分に接近させて配置された励振器の仕掛けと、
   前記導電性骨組み内に微弱波を誘発するために前記励振器をある周波数で励起させる手段とを備えた励振器システム。
2. 請求項１記載の励振器システムにおいて、λが、エネルギを付与するために前記手段により意図的に励起される、最高の励起周波数に相当する波長であるときに、前記励振器が、λ／８より小さい距離だけ前記導電性骨組みの前記部分から隔離されていることを特徴とする励振器システム。
3. 請求項１記載の励振器システムにおいて、λが、意図的に励起される、最高の励起周波数に相当する波長であるときに、前記励振器が、λ／８より小さい実効直径の導電部分を有することを特徴とする励振器システム。
4. 請求項１記載の励振器システムにおいて、前記励振器に対向する前記導電性骨組みの前記部分は、構造物の壁と組み合わされ、該励振器は、その組み合わされた床と天井からほぼ等間隔に置かれていることを特徴とする励振器システム。
5. 請求項１記載の励振器システムにおいて、前記励振器に電気的に接続されている同軸ケーブルの中心導体および前記導電性骨組みの前記部分を介してアースに電気的に接続されている該同軸ケーブルのシールド部分を用いて、該同軸ケーブルから該励振器にエネルギーが運ばれるものであることを特徴とする励振器システム。
6. 請求項１記載の励振器システムにおいて、前記励振器は、導電性のおわん部分と、１つ以上の、所定の角度を有する扇型部分とを備えた半球状の励振器のユニットであることを特徴とする励振器システム。
7. 請求項６記載の励振器システムにおいて、前記所定の角度を有する扇型部分を少なくとも２つ有し、該所定の角度を有する扇型部材各々は、前記導電性のおわんに、該おわんのリムに沿って電気的に接続され、該所定の角度を有する扇状部材全ては、前記半球状の励振器のほぼ軸上に位置する共通の供給ポイントで接合され、
   前記供給ポイントに電気的に接続された同軸ケーブルの中心導体および前記導電性骨組みの前記部分を介してアースに電気的に接続された該同軸ケーブルのシールド部分を用いて該同軸ケーブルから該励振器にエネルギーが運ばれるものであることを特徴とする励振器システム。
8. 前記励振器の大きさを実質的に拡大し、低周波数での作用を増強する、前記励振器に導電的に取り付けられたカーテン部材を備えたことを特徴とする請求項１記載の励振器システム。
9. 前記導電性骨組みの導電体が、前記囲われた空間の壁内に配置され、
   前記励振器は、スペーサにより前記導体から隔離された位置に維持され、励振エネルギは、電気回路の第１端子から該励振器に運ばれる一方、該電気回路の第２端子は、前記励振器に対向配置された前記導電体に接続されるものであることを特徴とする請求項１記載の励振器システム。
10. 囲われた空間内の導電性骨組みに微弱波を誘発する方法であって、
    前記構造物の壁内に、前記導電性骨組みの一部分を配置し、該壁の上限と下限のほぼ真中に位置するセグメントを選択し、
    前記セグメントに対向する位置に励振器を取り付け、その取りつけた位置から離隔距離だけ隔離し、
    その上限が前記個別に囲われた空間に対し決定された遮断波長より大きい波長を有するように特色づけられた周波数範囲のうちの、単一の周波数もしくは複合周波数で前記励振器を励起することを特徴とする方法。
11. 請求項１０記載の方法において、λが、前記周波数範囲のうちの最高周波数に相当する波長であるときに、前記離隔距離が、λ／８より小さいことを特徴とする方法。
12. 請求項１０記載の方法において、λが、前記周波数範囲のうちの最高周波数に相当する波長であるときに、前記励振器が、λ／８より小さい実効直径の導電性部分を有することを特徴とする方法。
13. 請求項１０記載の方法において、前記導電性骨組みに誘発した微弱波は、前記選択された周波数に同調した装置まで情報を運ぶために、前記周波数範囲のうちの選択された周波数で変調されることを特徴とする方法。
14. 請求項１０記載の方法において、前記囲われた空間内でくまなく、利用可能なレベルで前記微弱波が検出されるように、個別に囲われた空間に定められた量の励起エネルギーを届けることにより、前記励振器を励起させることを特徴とする方法。
15. 囲われた空間の導電性骨組みと一緒に使用する励振器であって、
    半円形の断面を有し、前記導電性骨組みの一部分に対面する該半円形の部材の開口端にリム部を具備する導電体と、
    前記リム部から、前記導電体と前記導電性骨組みとの中間に位置する供給ポイントへと延びる所定の角度を有する導体と、
    第１端子が前記供給ポイントに接続され、第２端子が前記導電性骨組みに接続された信号回路とを備えたことを特徴とする励振器。
16. 請求項１５記載の励振器において、前記導体は、半球導体の形状をなし、前記所定の角度を有する導体は、１組の、所定の角度を有する扇形状をなすものであることを特徴とする励振器。
17. 請求項１５記載の励振器において、前記導電体および前記所定の角度をなす導体は、平らな表面に配置された導電性トレースの形状をなすものであることを特徴とする励振器。
18. 請求項１５記載の励振器において、前記導電体の実質的大きさを拡大し、低周波数での効果を強めるため、該導電体に導電的に取り付けられた導電性カーテンを備えたことを特徴とする励振器。
19. 前記励振器と前記導電性骨組みとの間で前記囲われた空間に適する所定周波数範囲内の電磁波が選択的に交換されるように、前記励振器と前記導電性骨組み相互の感度の最適条件として選択された前記導電性骨組みからの離隔距離に該励振器を保持する、該励振器と電気的に絶縁されたスペーサを備えたことを特徴とする請求項１５記載の励振器。
20. 請求項１９記載の励振器において、
    前記信号回路が前記導電性骨組み内に波を誘発するように前記励振器に励起電流を送るとき、前記励振器は、励振器モードで動作し、
    該導電性骨組み内に送られた前記所定周波数範囲内の波の信号が該励振器により該信号回路を介して運ばれるとき、前記励振器は、聴取者モードで動作するものであることを特徴とする励振器。

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