Способ фокусировки электромагнитного излучения в нескольких областях помещения Российский патент 2023 года по МПК H01Q21/29 H04B7/426 H04B17/318 

Предлагаемое изобретение относится к радиотехнике, и может быть использовано для формирования пространственных областей с наличием беспроводных телекоммуникационных сетей и областей, где беспроводных телекоммуникационные сети отсутствуют.

Известен способ контроля диаграммы направленности активной фазированной антенной решетки (патент RU 2691378C1 «Способ контроля диаграммы направленности активной фазированной антенной решетки»). В указанном способе производится расчет фазовых сдвигов, которые необходимо задать для каждого из элементов антенной решетки для ее фокусировки в необходимой точке.

Однако в указанном способе описывается способ контроля диаграммы направленности, затрагивающий вопросы фокусировки антенной решетки на конечное расстояние, в данном способе фокусировка возможна только в одной области пространства. Производится управление только начальными фазами сигналов.

Кроме того, известен способ фокусирования антенной решетки на конечное расстояние (патент SU 1679417A1 «Способ фокусировки фазированной антенной решетки»), являющийся прототипом предлагаемого изобретения. В указанном способе предлагается итерационно изменять фазовый сдвиг, вносимый управляемыми фазовращателями, контролируя при этом мощность в желаемой точке фокусировки. При определенном оптимальном фазовом сдвиге на каждом из фазовращателей наблюдается максимум мощности в требуемой точке.

Однако в указанном способе описывается итерационный способ фазировки излучателей антенной решетки. Фокусировка электромагнитного поля возможно только в одной области пространства. Управление амплитудами сигналов в данном способе не производится.

Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является получение в пространстве помещения нескольких заданных областей максимума и минимума электромагнитного поля. Тем самым, например, может быть обеспечена пространственная селекция устройств-абонентов беспроводных телекоммуникационных сетей.

Поставленная задача достигается тем, что для каждого излучателя антенной решетки аналитически определяют амплитуды и фазы излучаемых сигналов, обеспечивающих в совокупности требуемое распределение амплитуды напряженности электрического поля в пределах заданной области пространства, отличающийся от известного способа тем, что сначала задают конфигурацию излучающих антенн, их количество и местоположение на каждой из стен помещения, задают требуемое распределение амплитуды напряженности электрического поля в помещении, формируют вектор-столбец выходного воздействия, формируют характеристическую матрицу помещения, по характеристической матрице и вектору-столбцу выходного воздействия формируют систему линейных алгебраических уравнений, решая которую определяют амплитуды и фазы электромагнитных волн, излучаемых антеннами, расположенными по периметру помещения. Помимо управления начальными фазами сигналов, производится управление амплитудами сигналов, подводимых к излучающим антеннам.

На Фиг. 1. приведена рассматриваемая конфигурация антенн в помещении, реализующая предлагаемый способ, где 1...N - это излучающие антенны; 1…M - это точки приема (фокусировки). Фокусировкой излучения в точках приема можно обеспечить максимум или минимум напряженности электрического поля; на Фиг. 2. показано схематичное представление системы в виде абстрактного многополюсника; на Фиг. 3. показаны результаты моделирования электрического поля.

Рассматриваемая конфигурация (Фиг. 1) содержит N передающих антенн и M точек приема. Количество передающих антенн на каждой стене помещения должно быть равным. Расположение антенн на каждой стене помещения должно быть эквидистантно.

Способ осуществляется следующим образом:

1. Задают конфигурацию излучающих антенн (их количество и местоположение на каждой из стен помещения).

2. Задают требуемое распределение амплитуды напряженности электрического поля в точках помещения, формируют по (4) вектор-столбец.

3. По выражениям (6) формируют характеристическую матрицу помещения, определяя ее элементы по выражению (7).

4. По характеристической матрице (6) и вектору-столбцу (4) формируют систему из линейных алгебраических уравнений с неизвестными.

5. Решение сформированной системы линейных алгебраических уравнений определяет амплитуды и фазы электромагнитных волн, излучаемых антеннами, расположенными по периметру помещения.

Рассмотрим теоретическую часть предлагаемого способа. Предположим, что, управляя амплитудами и фазами сигналов, подводимыми к антеннам, расположенным по периметру помещения, можно задавать зоны максимумов и минимумов электромагнитного поля. Обозначим комплексные амплитуды излучаемых сигналов:

(1)

где: - амплитуда сигнала, излучаемого из -й точки; - начальная фаза сигнала, излучаемого из -й точки; j - мнимая единица.

Комплексная амплитуда сигнала в точках приема:

(2)

где: - амплитуда сигнала в -й точке; - фаза сигнала в -й точке.

Совокупность комплексных амплитуд излучаемых и принимаемых в точках фокусировки образуют вектор излучаемых сигналов и вектор принимаемых сигналов соответственно.

Помещение, показанное на фиг. 1, можно представить в виде абстрактного многополюсника СВЧ с входами. При этом точкам, из которых излучаются электромагнитные волны (антенны по периметру помещения на фиг. 1), соответствуют входы многополюсника с номерами 1 по . Точки приема соответствуют входам многополюсника с номерами от по . Схематичное представление системы в виде абстрактного многополюсника показано на фиг. 2. Фактически, введенный абстрактный многополюсник характеризует среду распространения электромагнитных волн в рассматриваемом помещении.

Такой подход позволяет задачу определения параметров излучаемых сигналов, обеспечивающих фокусировку излучения беспроводных сетей передачи данных в заданных точках помещения, рассматривать как задачу определения входных сигналов многополюсника при заданных его выходных сигналах. С учетом линейности среды распространения запишем характеристическое уравнение многополюсника на основе матрицы рассеяния:

, (3)

где: - вектор-столбец, составленный из комплексных амплитуд выходных электромагнитных волн многополюсника (вектор отраженных (рассеянных) электромагнитных волн) размерностью [N+M строк; 1 столбец]; - вектор-столбец, составленный из комплексных амплитуд входных (излучаемых) электромагнитных волн (вектор падающих электромагнитных волн) размерностью [N+M строк; 1 столбец]; - характеристическая матрица многополюсника (матрица рассеяния) размерностью [N+M строк; N+M столбцов].

Рассмотрим характеристическую матрицу и вектора падающих и рассеянных волн.

Вектор комплексных выходных сигналов определяет результирующую напряженность электромагнитного поля в каждой из рассматриваемых точек, показанных на Фиг. 1. Первые элементов вектора характеризуют результирующую напряженность поля в точках расположения излучателей. Так как фокусировать излучение требуется внутри помещения, а не на его стенах (см. Фиг. 1), можно наложить условие равенства нулю рассеянных волн в этих точках. Следующие элементов - комплексные амплитуды напряженности электрического поля в точках приема. Их величины определяются требуемыми амплитудами и фазами напряженности поля в каждой из приемных точек (). С учетом этого, вектор-столбец выходных электромагнитных волн будет иметь следующий вид:

. (4)

Вектор-столбец излучаемых электромагнитных волн так же составлен из двух частей. Элементы с 1 по представляют собой комплексные амплитуды электромагнитных волн, падающих на соответствующие входы абстрактного многополюсника. Фактически, это комплексные амплитуды электромагнитных волн, излучаемых в помещение. Элементы с по являются комплексными амплитудами электромагнитных волн, излучаемых из точек приема. Очевидно, что они равны нулю. С учетом этого вектор-столбец комплексных амплитуд излучаемых электромагнитных волн имеет вид:

. (5)

Рассмотрим характеристическую матрицу абстрактного многополюсника - матрицу рассеяния. В общем виде для многополюсника с входами ее можно записать:

.(6)

Для матрицы рассеяния ее диагональные элементы определяют коэффициенты отражения от каждого из входов. Применительно к рассматриваемой задаче фокусировки излучения в заданных точках, диагональные элементы характеристической матрицы будут определяться качеством согласования антенны, расположенной в соответствующей номеру элемента точке излучения с питающим трактом.

Все диагональные элементы характеристической матрицы являются комплексными коэффициентами передачи между соответствующими входами многополюсника. С учетом того, что абстрактный многополюсник представляет собой среду распространения электромагнитных волн между всеми точками рассматриваемой на фиг. 1 конфигурации, можно записать выражение, определяющее вне диагональные элементы характеристической матрицы (без учета переотражений электромагнитных волн внутри помещения):

, (7)

где - расстояние от точки, соответствующей -му входу многополюсника до точки, соответствующей -му входу многополюсника; - коэффициент фазы; - элементы матрицы, содержащей коэффициенты усиления по полю антенны, установленной в точке, соответствующей входу в направлении точки, соответствующей входу ; сомножитель определяет уменьшение амплитуды напряженности электромагнитной волны при распространении от точки, соответствующей входу многополюсника к точке, соответствующей входу многополюсника . При фокусировке электромагнитного поля в ближней зоне , в дальней - .

С учетом введенной на Фиг. 1 системы координат, расстояние между каждой из рассматриваемых точек можно определить:

, (8)

где - декартовы координаты -й точки.

Таким образом, в выражении (3), связывающем входные и выходные воздействия, определен вектор комплексных амплитуд выходных электромагнитных волн и характеристическая матрица рассеяния . Искомым является вектор комплексных амплитуд излучаемых электромагнитных волн , при котором обеспечивается требуемое распределение напряженности электрического поля в пределах помещения. Выражение (3) является матричной формой записи системы линейных уравнений. Решая ее любым известным образом, можно определить вектор .

В качестве примера рассмотрим формирование 4 зон максимума электрического поля в помещении размерами 840х840 мм. На каждой из стен помещения эквидистантно размещено 14 излучающих антенн, расстояние между антеннами 60 мм.

Произведя последовательно действия по пунктам 1-5, получены значения амплитуд и начальных фаз сигналов, подводимых к антеннам, показанные в таблице 1.

Таблица 1 Номер антенны Амплитуда Фаза, град. Номер антенны Амплитуда Фаза, град. 1 0.2646 145.87 29 0.2646 145.87 2 0.2569 52.76 30 0.2569 52.76 3 0.3257 2.43 31 0.3257 2.43 4 0.5511 -44.58 32 0.5511 -44.58 5 0.3647 -54.36 33 0.3647 -54.36 6 0.3671 14.3 34 0.3671 14.3 7 0.4207 165.79 35 0.4207 165.79 8 0.4207 165.79 36 0.4207 165.79 9 0.3671 14.3 37 0.3671 14.3 10 0.3647 -54.36 38 0.3647 -54.36 11 0.5511 -44.58 39 0.5511 -44.58 12 0.3257 2.43 40 0.3257 2.43 13 0.2569 52.76 41 0.2569 52.76 14 0.2646 145.87 42 0.2646 145.87 15 0.2646 145.87 43 0.2646 145.87 16 0.2569 52.76 44 0.2569 52.76 17 0.3257 2.43 45 0.3257 2.43 18 0.5511 -44.58 46 0.5511 -44.58 19 0.3647 -54.36 47 0.3647 -54.36 20 0.3671 14.3 48 0.3671 14.3 21 0.4207 165.79 49 0.4207 165.79 22 0.4207 165.79 50 0.4207 165.79 23 0.3671 14.3 51 0.3671 14.3 24 0.3647 -54.36 52 0.3647 -54.36 25 0.5511 -44.58 53 0.5511 -44.58 26 0.3257 2.43 54 0.3257 2.43 27 0.2569 52.76 55 0.5269 52.76 28 0.2646 145.87 56 0.2646 145.87

На Фиг. 3. представлены результаты моделирования электрического поля для помещения, рассматриваемого в примере. В точках под номерами 57, 59, 63, 65, которые расположены в углах помещения, находятся зоны максимума. Разница между точками максимума под 57, 59, 63, 65 и точками минимума под номерами 58, 60, 61, 62, 64 составляет 19,8 дБ. Представленный пример не исчерпывает варианты реализации способа и не ограничивает объем заявленного способа.

Техническим результатом предлагаемого с фокусировки электромагнитного излучения в нескольких областях помещения является возможность формирования локальных максимумов и минимумов напряженности электрического поля в пределах помещения. Тем самым, например, может быть обеспечена пространственная селекция устройств-абонентов беспроводных телекоммуникационных сетей. Отличительными особенностями от известного способа являются:

1. Аналитический, а не итерационный способ определения фазировки излучателей антенной решетки.

2. Производится управление амплитудами сигналов, подводимых к каждой из излучающих антенн.

3. Возможность обеспечения фокусировки (обеспечение максимума или минимума мощности электромагнитного поля) в нескольких областях пространства.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для формирования пространственных областей с наличием беспроводных телекоммуникационных сетей и областей, где такие сети отсутствуют. Техническим результатом является получение в пространстве помещения нескольких заданных областей максимума и минимума электромагнитного поля, тем самым может быть обеспечена пространственная селекция устройств-абонентов беспроводных телекоммуникационных сетей. Предложен способ фокусировки электромагнитного излучения в нескольких областях пространства, состоящий в том, что для каждого излучателя антенной решетки определяют амплитуды и фазы излучаемых сигналов, обеспечивающих в совокупности требуемое распределение амплитуды напряженности электрического поля в пределах заданной области пространства, при этом сначала задают конфигурацию излучающих антенн, их количество и местоположение на каждой из стен помещения, задают требуемое распределение амплитуды напряженности электрического поля в помещении, формируют вектор-столбец выходного воздействия, формируют характеристическую матрицу помещения, по характеристической матрице и вектору-столбцу выходного воздействия формируют систему линейных алгебраических уравнений, решая которую определяют амплитуды и фазы электромагнитных волн, излучаемых антеннами, расположенными по периметру помещения. 3 ил., 1 табл.

Способ фокусировки электромагнитного излучения в нескольких областях пространства, состоящий в том, что для каждого излучателя антенной решетки определяются амплитуды и фазы излучаемых сигналов N, обеспечивающих в совокупности требуемое распределение амплитуды напряженности электрического поля в М заданных точках, отличающийся тем, что задают конфигурацию излучающих антенн, их количество N и местоположение на каждой из стен помещения, задают требуемое распределение амплитуды напряженности электрического поля в М точках, расположенных в помещении, по стенам которого размещены антенны, формируют вектор-столбец выходного воздействия из (M+N) элементов, определяющих формируемые напряженности электрического поля во всех рассматриваемых точках в помещении и в местах расположения антенн, формируют квадратную характеристическую матрицу помещения размером M+N строк на M+N столбцов, диагональные элементы которой определяются качеством согласования с питающим трактом антенны, расположенной в соответствующей номеру точке, а вне диагональные элементы являются комплексными коэффициентами передачи между соответствующими входами многополюсника и определяются исходя из местоположения излучающих антенн и точек, в которых обеспечивается заданный уровень напряженности электрического поля, по характеристической матрице и вектору-столбцу выходного воздействия формируют систему из M+N линейных алгебраических уравнений, записанную в матричном виде , где: - вектор-столбец, составленный из комплексных амплитуд выходных электромагнитных волн многополюсника (вектор отраженных (рассеянных) электромагнитных волн) размерностью [N+M строк; 1 столбец]; - вектор-столбец, составленный из комплексных амплитуд входных (излучаемых) электромагнитных волн (вектор падающих электромагнитных волн) размерностью [N+M строк; 1 столбец]; - характеристическая матрица многополюсника (матрица рассеяния) размерностью [N+M строк; N+M столбцов], где по результатам решения находят вектор комплексных амплитуд излучаемых электромагнитных волн , при котором обеспечивается требуемое распределение напряженности электрического поля в пределах помещения.