Способ установки модуля антенной решетки Российский патент 2024 года по МПК B63B25/00 H01Q1/22 H01Q1/34 H01Q9/04 H01Q25/00 H01Q21/20 

Область техники

[0001] Настоящее изобретение в целом относится к области антенных систем для использования в системе контроля товаров.

Уровень техники

[0002] В настоящее время подавляющее большинство несыпучих грузов во всем мире перевозится контейнеровозами, т.е. грузовыми судами, которые перевозят весь свой груз в контейнерах стандартных размеров. Их можно загружать и разгружать, штабелировать, эффективно транспортировать на большие расстояния и перегружать с одного вида транспорта на другой (например, не только контейнеровозами, но также по железной дороге или с помощью грузовиков и т.д.) без вскрытия.

[0003] Контейнеровозы существуют различных размеров, самый большой из которых имеет длину около 400 м и вместимость намного более 10000 TEU (двадцатифутовых эквивалентных единиц). Типичные загрузки представляют собой сочетание 20-футовых и 40-футовых контейнеров стандарта ISO, причем последние являются преобладающими. Контейнеровоз обычно имеет один или большее количество подпалубных грузовых трюмов. Грузовые трюмы для специализированных контейнеровозов сконструированы специально для ускорения погрузки и разгрузки, а также для эффективной защиты контейнеров в море. В грузовых трюмах устанавливаются направляющие ячеек, т.е. прочные вертикальные металлические конструкции, направляющие контейнеры в четкие ряды в процессе погрузки и обеспечивающие некоторую поддержку контейнеров от качки судна в море. Грузовые трюмы закрываются люковыми крышками, на которые можно штабелировать большее количество контейнеров.

[0004] Были разработаны системы для контроля за транспортируемым грузом без какой-либо необходимости в ручных процедурах. Такие системы предшествующего уровня техники используют простые антенны в качестве базовых станций для системы связи. Например, в US 2004/246104 А1 описано решение, в котором каждый контейнер снабжен транспондером, который установлен, например, на гофрированной наружной стенке контейнера посредством поддерживающего элемента типа пластиката или тканевого кармана. Транспондеры содержат следующие структурные блоки, соединенных между собой системой коммуникационных шин:

- модуль быстрого приема и другой модуль приема/передачи с соответствующими антеннами,

- модуль процессора и модуль памяти,

- интерфейсный модуль для подключения датчиков

- блок питания с аккумуляторной батареей.

Связь с транспондером может быть организована таким образом, что модуль быстрого приема выводит транспондер из спящего режима с помощью соответствующего сигнала. Транспондер содержит второй модуль передачи/приема, работающий на частоте, например, в диапазоне 868 МГц.

[0005] Транспондеры позволяют осуществлять двустороннюю связь с блоком связи, расположенным на палубе судна. Опыт в этой области, однако, показывает, что часто бывает сложно получить в конфигурации, как описано выше, приемлемый уровень качества линии связи для связи между блоком связи и транспондерами, особенно если транспондеры расположены глубоко в грузовых трюмах.

[0006] Патентная заявка US 2008/231459 А1 относится к системе контроля грузовых контейнеров. Система включает в себя компоненты, расположенные на грузовом судне, для сбора информации о статусе грузовых контейнеров для множества грузовых контейнеров. Указанные компоненты включают в себя по меньшей мере одно комбинированное устройство регистрации и шлюза данных. Указанное комбинированное устройство включает в себя первую антенну и вторую антенну. Первая антенна содержится в устройстве регистрации данных или может быть установлена на защитном корпусе устройства регистрации данных. Эта первая антенна принимает и/или передает сигналы беспроводной связи от и/или к меткам, обеспеченным на контейнерах. Никаких дополнительных подробностей о первой антенне не предоставлено. Вторая антенна выполнена для связи со спутниками.

[0007] US 2009/016308 А1 раскрывает антенну в системе контроля грузовых контейнеров. Антенная система включает в себя связанные с каждым контейнером приемопередающее устройство беспроводной связи короткого диапазона и по меньшей мере одно устройство связи дальнего диапазона, элемент GPS и антенную систему, интегрированную в конструкцию стенки, двери или крыши каждого контейнера. Антенная система содержит антенну, выполненную для связи Bluetooth или WiFi, и антенну для спутниковой связи.

[0008] В US 2007/188386 представлена сплошная плоская антенна, включающая в себя отражающий блок, первый излучающий блок, второй излучающий блок и в некоторых конфигурациях третий излучающий блок (для формирования треугольной опорной стойки) и четвертый излучающий блок (для формирования квадратной опорной стойки).

[0009] Патенты и патентные заявки, такие как US 10025960 B1, US 2013/229262 А1 и US 2008/211630 А1, раскрывают антенные конструкции с рядом антенн в компоновке с круговой решеткой.

[0010] WO 2014/086452 относится к всенаправленной антенне с двойной поляризацией, в которой ряд антенных элементов уложен друг на друга, образуя антенную колонну. Антенные элементы расположены со смещением относительно друг друга вдоль центральной оси указанных секторных антенн, при этом секторные антенны охватывают разные сектора в азимутальной плоскости.

[0011] В US 2005/248454 представлена система безопасности и отслеживания морских активов. Он раскрывает несколько считывателей RFID меток на борту грузового судна с контейнерами.

[0012] Учитывая постоянно увеличивающийся размер современных контейнеровозов, существует потребность в модуле антенной решетки, который обеспечивает хорошее качество линии связи для связи между палубой и транспондерами, размещенными в фиксированном положении внутри или на судне или подключенными к контейнерам.

Сущность изобретения

[0013] Целью вариантов осуществления настоящего изобретения является предоставление модуля антенной решетки для связи на борту грузового судна между блоком связи и транспондерами, обеспеченными внутри судна или на нем и/или обеспеченными на предметах, перевозимых с помощью этого судна.

[0014] Вышеупомянутая цель достигается решением согласно настоящему изобретению.

[0015] В первом аспекте изобретение относится к модулю антенной решетки для системы связи на грузовом судне. Модуль содержит по меньшей мере первый, второй и третий антенные элементы, каждый из которых содержит антенный фидер. Первый и второй антенные элементы выполнены с возможностью излучения в основном в направлении первого пути, а третий антенный элемент выполнен с возможностью излучения в основном в направлении второго пути, противоположного первому пути. Первый антенный элемент наклонен относительно второго антенного элемента.

[0016] Предлагаемое решение действительно позволяет установить линию связи приемлемого качества. Два антенных элемента, наклоненных друг относительно друга, в основном излучают в направлении, определяемом диаграммой направленности этих антенных элементов. Применение определенного угла наклона между первым и вторым антенными элементами позволяет получить результирующую диаграмму излучения, которая может охватывать путь, включающий самые глубокие и/или самые удаленные части грузового отсека, где хранятся товары. Третий антенный элемент расположен так, что он в основном излучает в направлении противоположной стороны, следовательно, по существу в противоположном направлении. Предлагаемый модуль антенной решетки, таким образом, в основном действует как секторная антенная решетка, в результате чего каждый из первого и второго антенных элементов, с одной стороны, и третьего антенного элемента в основном излучают в направлении различных секторов.

[0017] В предпочтительных вариантах осуществления по меньшей мере один из антенных элементов представляет собой патч-антенну. Это дает преимущество меньшего размера по сравнению с другими типами антенн. Патч-антенны просты в реализации и имеют низкую стоимость. Они также способны поддерживать несколько частотных диапазонов.

[0018] Первый антенный элемент наклонен по отношению ко второму антенному элементу на угол, который позволяет также достигать контейнеров глубоко в грузовом отсеке и/или располагаться в оконечностях судна. Предпочтительно первый и второй антенные элементы наклонены друг относительно друга на угол в диапазоне от 3° до 80° или в диапазоне от 5° до 70°, или в диапазоне от 10° до 60°, или около 45°.

[0019] В вариантах осуществления настоящего изобретения по меньшей мере один из антенных элементов выполнен с возможностью излучения с круговой поляризацией. Использование круговой поляризации может быть выгодным из-за ее свойств с точки зрения, например, отражения и поглощения. Кроме того, когда путь прямой видимости нарушен, круговая поляризация может быть более эффективной, чем, например, линейная поляризация. В одном варианте осуществления по меньшей мере один антенный элемент снабжен устройствами возмущения для возбуждения двух ортогональных мод излучения для применения круговой поляризации.

[0020] В вариантах осуществления настоящего изобретения антенные элементы выполнены на подложке из диэлектрического материала. В предпочтительном варианте в качестве диэлектрика используется воздух.

[0021] В предпочтительных вариантах осуществления модуль антенной решетки содержит три антенных элемента, то есть две антенны, наклоненные под определенным углом по отношению друг к другу и выполненные с возможностью излучения в основном в направлении первого пути, и третью антенну, выполненную с возможностью излучения в основном во втором направлении, противоположному указанному первому пути.

[0022] В одном варианте осуществления модуль антенной решетки содержит делитель/сумматор мощности, выполненный с возможностью разделения сигнала, подлежащего передаче через по меньшей мере три антенных элемента, и для объединения сигналов, принятых по меньшей мере от трех антенных элементов.

[0023] Предпочтительно первый антенный элемент при установке наклонен относительно вертикальной плоскости, в которой расположен второй антенный элемент, так что улучшается направленность в вертикальном направлении. В предпочтительных вариантах осуществления модуль антенной решетки образуется при установке стека антенных элементов. Если не считать наклонного антенного элемента, стек является по существу вертикальным.

[0024] В предпочтительном варианте осуществления антенные элементы изготовлены по печатной технологии, так как это позволяет использовать антенные элементы небольших размеров.

[0025] В другом варианте осуществления модуль антенной решетки содержит корпус для антенных элементов. Этот вариант осуществления является предпочтительным, поскольку модуль антенной решетки предназначен для использования в суровых условиях, например, в открытом море.

[0026] В одном варианте осуществления третий антенный элемент не наклонен по отношению ко второму антенному элементу.

[0027] В другом аспекте изобретение относится к способу установки модуля антенной решетки на грузовом судне. Способ включает:

- взятие модуля антенной решетки, как описано ранее,

- монтаж модуля антенной решетки на платформе на мостике грузового судна, при этом указанный мостик расположен таким образом, чтобы разделить грузовое судно вдоль его продольной оси на более длинную часть и более короткую часть, при этом первый антенный элемент наклонен по отношению ко второму антенному элементу и первый и второй антенные элементы расположены таким образом, что главный лепесток их диаграммы направленности обращен в направлении первого пути, соответствующего более длинной части, а третий антенный элемент расположен так, чтобы излучать в основном в направлении второго пути, противоположного первому пути.

[0028] Другими словами, в этом аспекте изобретение относится к способу установки модуля антенной решетки на грузовом судне, при этом способ включает:

- взятие модуля антенной решетки для системы связи на грузовом судне, при этом указанный модуль антенной решетки содержит по меньшей мере первый, второй и третий антенные элементы, каждый из которых содержит антенный фидер,

- монтаж модуля антенной решетки на мостике указанного грузового судна, при этом указанный мостик расположен таким образом, чтобы разделить грузовое судно вдоль его продольной оси на более длинную часть и более короткую часть, при этом первый антенный элемент наклонен по отношению ко второму антенному элементу и первый и второй антенные элементы расположены таким образом, что главный лепесток их диаграммы направленности обращен в направлении первого пути, соответствующего более длинной части, а третий антенный элемент расположен так, чтобы излучать в основном в направлении второго пути, противоположного первому пути.

[0029] Преимущественно множество модулей антенной решетки установлено на мостике.

[0030] В предпочтительных вариантах осуществления модуль антенной решетки монтируется на стороне мостика, где имеется прямая видимость в направлении более длинной части.

[0031] В целях обобщения настоящего изобретения и преимуществ, достигнутых по сравнению с предшествующим уровнем техники, в настоящем документе выше были описаны некоторые цели и преимущества изобретения. Конечно, следует понимать, что не обязательно все такие цели или преимущества могут быть достигнуты в соответствии с любым конкретным вариантом осуществления настоящего изобретения. Таким образом, например, специалистам в данной области техники будет понятно, что изобретение может быть осуществлено или реализовано таким образом, что достигается или оптимизируется одно преимущество или группа преимуществ, описанных в настоящем документе, без обязательного достижения других целей или преимуществ, которые могут быть объяснены или предложены в настоящем документе.

[0032] Вышеупомянутые и другие аспекты настоящего изобретения будут очевидны и пояснены со ссылкой на варианты осуществления, описанные в настоящем документе далее.

Краткое описание графических материалов

[0033] Изобретение будет описано далее в качестве примера со ссылкой на прилагаемые графические материалы, на которых одинаковые ссылочные позиции относятся к одинаковым элементам на различных фигурах.

[0034] Фиг. 1 иллюстрирует на виде в перспективе вариант осуществления антенного элемента модуля антенной решетки согласно настоящего изобретения.

[0035] Фиг. 2 иллюстрирует вариант осуществления антенного элемента в соответствии с фиг.1 на виде сверху и на виде сбоку.

[0036] Фиг. 3 иллюстрирует схему грузового судна с указанием мостика, который делит судно вдоль продольной оси на две части.

[0037] Фиг. 4 иллюстрирует вариант осуществления модуля антенной решетки с двумя антенными элементами для излучения в направлении более длинной части судна и одним антенным элементом для излучения в направлении более короткой части.

[0038] Фиг. 5 иллюстрирует некоторые диаграммы излучения, полученные при разных углах наклона.

[0039] Фиг. 6 иллюстрирует вычисление ширины луча антенны как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскости.

[0040] Фиг. 7 иллюстрирует вариант осуществления модуля антенной решетки согласно настоящего изобретения.

[0041] Фиг. 8 иллюстрирует эффект изменения угла наклона для модуля антенной решетки в соответствии с фиг.7.

[0042] Фиг. 9 иллюстрирует различные механизмы излучения для двух путей.

[0043] Фиг. 10 иллюстрирует пример обтекателя, используемого для защиты антенны (7), а также механической опоры (8) для фиксации антенны к судну.

Подробное описание иллюстративных вариантов осуществления

[0044] Настоящее изобретение будет описано в отношении конкретных вариантов осуществления и со ссылкой на некоторые графические материалы, но изобретение не ограничивается ими, а ограничивается только формулой изобретения.

[0045] Кроме того, термины «первый», «второй» и т.п. в описании и в формуле изобретения используются для различения сходных элементов и не обязательно для описания последовательности во времени, пространстве, ранжировании или любым другим образом. Следует понимать, что термины, используемые таким образом, являются взаимозаменяемыми при соответствующих обстоятельствах, и что описанные в настоящем документе варианты осуществления изобретения могут работать в других последовательностях, отличных от описанных или проиллюстрированных в настоящем документе.

[0046] Следует отметить, что термин «содержащий», используемый в формуле изобретения, не следует интерпретировать как ограничивающий перечисленными ниже средствами; он не исключает других элементов или этапов. Таким образом, его следует интерпретировать как указание на наличие указанных признаков, целых чисел, этапов или компонентов, как указано, но не исключающее наличие или добавление одного или большего количества других признаков, целых чисел, этапов или компонентов или их групп. Таким образом, объем выражения «устройство, содержащее средства А и В» не должен ограничиваться устройствами, состоящими только из компонентов А и В. Это означает, что в отношении настоящего изобретения единственными релевантными компонентами устройства являются А и В.

[0047] Ссылка во всей спецификации на «один вариант осуществления» или «вариант осуществления» означает, что конкретный признак, структура или характеристика, описанные в связи с вариантом осуществления, включены в по меньшей мере один вариант осуществления настоящего изобретения. Таким образом, появление фраз «в одном варианте осуществления» или «в варианте осуществления» в различных местах во всей спецификации не обязательно относятся к одному и тому же варианту осуществления, но могут относиться к нему. Кроме того, конкретные признаки, структуры или характеристики могут быть объединены любым подходящим образом, как это будет очевидно специалисту в данной области техники из настоящего раскрытия, в одном или большем количестве вариантов осуществления.

[0048] Аналогичным образом следует понимать, что в описании представленных в качестве примера вариантов осуществления изобретения различные признаки изобретения иногда группируются вместе в одном варианте осуществления, фигуре или его описании с целью упорядочения раскрытия и облегчения понимания одного или большего количества различных аспектов изобретения. Однако этот способ раскрытия не следует интерпретировать как отражающий намерение о том, что заявленное изобретение требует большего количества признаков, чем прямо указано в каждом пункте формулы изобретения. Скорее, как отражено в следующей формуле изобретения, аспекты изобретения заключаются не во всех признаках одного вышеизложенного раскрытого варианта осуществления. Таким образом, формула изобретения, следующая за подробным описанием, тем самым явным образом включена в это подробное описание, при этом каждый пункт формулы изобретения представляет собой отдельный вариант осуществления настоящего изобретения.

[0049] Кроме того, в то время как некоторые варианты осуществления, описанные в настоящем документе, включают в себя некоторые, но не другие признаки, включенные в другие варианты осуществления, предполагается, что комбинации признаков различных вариантов осуществления находятся в пределах объема изобретения и формируют разные варианты осуществления, как будет понятно специалистам в данной области. Например, в следующей формуле изобретения любой из заявленных вариантов осуществления можно использовать в любой комбинации.

[0050] Следует отметить, что использование конкретной терминологии при описании определенных признаков или аспектов изобретения не следует понимать как означающее, что терминология переопределяется в настоящем документе, чтобы ограничиться включением каких-либо конкретных характеристик признаков или аспектов изобретения, с которым связана эта терминология.

[0051] В представленном в настоящем документе описании изложены многочисленные конкретные детали. Однако понятно, что варианты осуществления изобретения могут быть осуществлены на практике без этих конкретных подробностей. В других случаях хорошо известные способы, конструкции и методики не показаны подробно, чтобы не затруднить понимание этого описания.

[0052] Настоящее изобретение предлагает в первом аспекте модуль антенной решетки, выполненный с возможностью установления связи между датчиками, установленными на грузовом судне, например, на контейнерах, расположенных на верхней части палубы или в грузовом трюме под палубой контейнеровоза, и блок связи, обычно расположенный на мостике судна.

[0053] Современные грузовые суда обычно имеют длину, которая может составлять от 300 до 400 метров и более, и ширину, например, 50-60 метров. Грузовой трюм может находиться на глубине 25 метров и более под палубой. Модуль антенной решетки в соответствии с настоящим изобретением сконструирован таким образом, что его антенные элементы могут работать с этими огромными размерами для обеспечения общего хорошего покрытия. Антенные элементы сконструированы для удержания излучения в вертикальной плоскости и покрытия всей ширины судна.

[0054] Предлагаемый модуль антенной решетки содержит три или большее количество антенных элементов. Вариант осуществления одного антенного элемента показан на фиг. 1. Антенный элемент на фиг. 1 реализован в виде микрополосковой патч-антенны. В других вариантах осуществления антенный элемент может быть, например, антенной-монополем, антенной-диполем, щелевой антенной или другим элементарным типом антенны, хорошо известным специалистам в данной области техники. В некоторых вариантах осуществления один или большее количество антенных элементов модуля могут быть реализованы сами по себе как небольшая подрешетка антенн, например, решетка из 2×2 слотов.

[0055] В частности, на фиг.1 показан вариант осуществления микрополосковой патч-антенны (т.е. антенны, изготовленной по микрополосковой технологии) с круговой поляризацией. Микрополосковые патч-антенны сами по себе хорошо известны в этой области технике уже много лет. Микрополосковые патч-антенны стали очень популярными для применения в системах беспроводной связи, поскольку они предлагают привлекательные преимущества, такие как низкий профиль, малая масса, компактность, простота изготовления и т.д.

[0056] Микрополосковая патч-антенна (1), показанная на фиг. 1, содержит экран (2), металлизацию (4) (т.е. металлический слой), далее именуемую излучателем, поверх подложки из диэлектрического материала (3). Излучатель на фиг. 1 имеет по существу прямоугольную форму. В других вариантах осуществления излучатель может иметь другую форму, например круглую или кольцевую. Диэлектрическим материалом может быть непосредственно воздух или любая коммерчески доступная подложка, например тефлон, PVC, полипропилен, FR4 и т.д. В предпочтительном варианте осуществления диэлектрическим материалом является воздух.

[0057] Как известно, поляризация описывает ориентацию вектора напряженности электрического поля электромагнитной волны. В варианте осуществления антенного элемента, показанного на фиг.1, по существу прямоугольный излучатель снабжен несколькими устройствами возмущения (5) которые обеспечивают круговую поляризацию. В других вариантах осуществления могут использоваться другие способы получения круговой поляризации, например, путем использования двух портов на антенну и 90° гибрида для их питания. Круговая поляризация представляет собой частный случай эллиптической поляризации (т.е. когда вершина вектора электрического поля описывает эллипс в любой фиксированной плоскости, пересекающейся и перпендикулярной направлению распространения). Кроме того, в других вариантах осуществления антенный элемент может быть выполнен с возможностью использования эллиптической поляризации. Эллиптически поляризованная волна может быть разделена на две линейно поляризованные волны в фазовой квадратуре с плоскостями их поляризации под перпендикулярными углами друг к другу. В еще других вариантах осуществления антенный элемент выполнен для линейной поляризации, например, вертикальной или горизонтальной, или повернут на 45°.

[0058] Антенный элемент (1) питается за счет емкостного соединения, реализуемого небольшой металлической частью (6), также называемой питанием излучателя, на том же слое, что и излучатель. Коаксиальный разъем может быть обеспечен для питания патч-антенны, которая подключается к экрану (2) и к малой металлизации (6). В других вариантах осуществления патч-антенна может быть запитана непосредственно от коаксиального соединителя, по микрополосковой линии передачи или через отверстие в экране. Также может быть предусмотрен вариант осуществления с питающим элементом поверх подложки.

[0059] На фиг. 2 представлен вид сверху и вид сбоку антенного элемента, уже показанного на фиг. 1.

[0060] Модуль антенной решетки преимущественно устанавливается высоко на судне, на мостике или рядом с ним, откуда осуществляется управление судном. Предпочтительно, чтобы модуль располагался на верхнем мостике, то есть на самой высокой навигационной платформе на мостике, так что для контейнеров на палубе или под ней было доступно множество путей прямой видимости. В большинстве случаев мостик грузового судна расположен ближе к одному концу судна, чем к другому, как показано на фиг. 3. В таком случае можно указать более длинную часть (20) и более короткую часть (30) судна, если рассматривать вдоль его продольной оси. Эта терминология будет использоваться в остальной части этого описания. Обратите внимание, что если бы мостик был прямо посередине, то все равно было бы две части (20, 30), которые тогда были бы одинаковой длины. Концептуально это не имеет значения для дальнейшего описания, данного ниже.

[0061] Улучшенная направленность в направлении более длинную часть судна достигается для модуля антенной решетки за счет обеспечения по меньшей мере двух антенных элементов (11, 12), наклоненных по отношению друг к другу, которые в основном излучают в направлении пути, покрывающего указанную более длинную часть судна по всей ширине. На фиг. 4 предоставлен такой модуль антенной решетки. В варианте осуществления в соответствии с фиг. 4 антенный элемент (11) наклонен относительно вертикальной плоскости, образованной двумя другими антенными элементами. Радиопокрытие в направлении более короткой части судна обеспечивается модулем антенной решетки, содержащим по меньшей мере третий антенный элемент (16), направленный на противоположную сторону стороны, на которую обращены по меньшей мере два антенных элемента, закрывающих более длинную часть.

[0062] В предпочтительных вариантах осуществления модуль антенной решетки образуется при установке стека антенных элементов. Если не считать наклонного антенного элемента, стек является по существу вертикальным. Различные антенные элементы могут быть соединены между собой посредством делителя/сумматора мощности. Антенные элементы в некоторых вариантах осуществления могут быть реализованы на одной и той же печатной плате (РСВ), которая предпочтительно также включает в себя делитель/сумматор мощности и питающие линии.

[0063] В предпочтительном варианте осуществления модуль антенной решетки в соответствии с настоящим изобретением содержит два антенных элемента (11, 12), обращенных на один и тот же борт судна, которые работают вместе как одна антенна, излучая в основном в направлении более длинной части судна. Очевидно, что также может быть один или большее количество меньших боковых лепестков, обращенных по существу в противоположном направлении, но они далее в данном случае не рассматриваются. Один (11) из двух антенных элементов наклонен по отношению к другому на угол а, при этом угол берется между наклоненным антенным элементом (11) и продолжением другого антенного элемента (12). Поскольку антенные элементы, отличные от наклонного антенного элемента, предпочтительно образуют вертикальный стек, угол а представляет собой угол между наклонным антенным элементом и указанным вертикальным стеком. Таким образом, угол а составляет менее 90°, предпочтительно менее 80° или менее 70°, так что два антенных элемента создают диаграмму излучения с главным лепестком, направленным в одну и ту же сторону, когда они испускают излучение (или, другими словами, когда два антенных элемента находятся на одной стороне по отношению к их экрану). За счет такого наклона хороший уровень сигнала может быть обеспечен в контейнерах, расположенных в вертикальном направлении по отношению к положению антенны, в том числе в контейнерах, расположенных почти под антенной, вплотную к мостику судна.

[0064] Оптимальный угол наклона а первого антенного элемента по отношению ко второму антенному элементу зависит, среди прочего, от размеров судна, в частности от высоты штабелей контейнеров: цель должна состоять в том, чтобы обеспечить связь как с контейнерами на вершине штабелей или рядом с ними (обычно, но не обязательно над палубой), так и с контейнерами, расположенными очень глубоко в грузовом трюме. Наклонный антенный элемент образует с другим антенным элементом угол, который предпочтительно составляет от 3° до 80°. В более предпочтительном варианте угол находится в диапазоне от 5° до 70°. В наиболее предпочтительных вариантах осуществления угол составляет 45°. Решетка антенных элементов должна быть установлена на мостике или рядом с ним таким образом, чтобы они могли обеспечить распространение по линии прямой видимости (т.е. электромагнитные волны распространяются по прямому пути от передающего источника к приемнику) в направлении самой длинной части судна, если смотреть от мостика (см. фиг. 3).

[0065] Оптимальный угол наклона, очевидно, также зависит от количества антенных элементов в модуле антенной решетки. Например, при наличии дополнительного антенного элемента, обращенного в сторону самой длинной части судна (как в вариантах осуществления, дополнительно описанных ниже), наилучший угол а может отличаться от угла в варианте осуществления только с двумя антенными элементами.

[0066] В то время как соответствующий угол наклона важен для получения хорошего покрытия в вертикальной плоскости, не менее важно иметь хорошее покрытие в горизонтальной плоскости. Таким образом, модуль антенной решетки спроектирован таким образом, чтобы обеспечить диаграмму излучения в горизонтальной плоскости, при которой покрывается вся ширина судна.

[0067] На фиг. 5 показаны диаграммы направленности, чтобы проиллюстрировать влияние угла а для варианта осуществления в соответствии с фиг. 4. Угол наклона равен α=0° на фиг. 5А, α=30° на фиг. 5В, α=40° на фиг. 5С и α=60° на фиг. 5D. Когда наклон одного антенного элемента (11) по отношению к другому (12) увеличивается, диаграмма излучения становится менее направленной, а направление максимального излучения смещается вниз по отношению к горизонтальному направлению. Это позволяет также добраться до контейнеров в самой глубокой части грузового трюма, которые находятся ниже антенны.

[0068] Фиг. 6 иллюстрирует пример того, как ширина луча антенны вычисляется для решетки антенных элементов. На указанной фигуре h_a обозначает высоту (относительно днища судна) антенного элемента модуля антенной решетки, расположенного на мостике или рядом с ним. Высота ближайшего контейнера (в худшем случае) составляет h₁. Расстояние между мостиком и указанным ближайшим контейнером составляет d₁. Высота самого дальнего контейнера (в худшем случае) составляет h₂, а расстояние до него от мостика обозначено d₂. Затем угол θ_v, который должен покрываться модулем антенной решетки, можно рассчитать как

Точно так же для угла θ_h можно написать следующее выражение:

В качестве иллюстрации следующие значения: h_a=62, h₁=3, d₁=5, h₂=40 и d₂=100 дают

[0069] В предпочтительных вариантах осуществления модуля антенной решетки в модуле присутствует более двух антенных элементов, ориентированных в направлении более длинного пути. Наличие более двух антенных элементов с одинаковой ориентацией дополнительно улучшает направленность. Как уже упоминалось, на оптимальный выбор угла наклона а может повлиять и факт наличия более двух антенных элементов. На фиг. 7 показана установка с тремя антенными элементами, обращенными на более длинный путь. На фиг. 8 показана такая диаграмма направленности для этой установки, полученная при разных углах наклона (α=0° на фиг. 8А, α=30° на фиг. 8В, α=45° на фиг. 8С и α=60° на фиг. 8D). Когда наклон одного антенного элемента (11) по отношению к другим (12, 17) увеличивается, диаграмма излучения становится менее направленной, а направление максимального излучения смещается вниз по отношению к горизонтальному направлению. В других вариантах осуществления также может быть, что третий антенный элемент (17) также наклонен по отношению к антенному элементу (12). Это зависит от конкретного случая, в частности от размеров сосуда. Наличие дополнительного наклонного антенного элемента может быть полезным для достижения хорошего покрытия.

[0070] Возвращаясь теперь к минимальной конфигурации с тремя антенными элементами, показанной на фиг.4, этот вариант осуществления модуля антенной решетки содержит, помимо двух антенных элементов (11, 12), которые покрывают более длинную часть судна как обсуждалось выше, дополнительно также антенный элемент (16), который ориентирован в направлении стороны, противоположной стороне, на которую обращены два других антенных элемента, т.е. наклонный антенный элемент и соседний с ним антенный элемент. Если последнее называется прямым направлением (соответствующим более длинной части), то можно сказать, что указанный антенный элемент на противоположной стороне обращен в обратном направлении (соответствующем более короткой части). Третий антенный элемент излучает в основном в направлении второго пути, противоположного пути, на который в основном излучают первый и второй антенные элементы. Однако это не обязательно следует истолковывать так, как если бы между первым и вторым путем была разница в 180°. Из-за угла наклона между первым и вторым антенными элементами разница не составляет 180°. Однако два пути всегда обращены на разные стороны судна, а это означает, что их разница превышает 90°. Каждый из антенных элементов (11, 12, 16) может быть реализован в вариантах осуществления модуля как антенный элемент (1) на фиг. 1.

[0071] Варианты осуществления модуля антенной решетки настоящего изобретения имеют преимущество в том, что существенно улучшается радиопокрытие более короткой части судна (см. фиг. 3). Следует отметить, что в этом обратном направлении основной механизм излучения не такой, как для других антенных элементов. В то время как эти другие антенные элементы используют распространение по прямой видимости, антенный элемент, ориентированный в обратном направлении, зависит от дифракции сигнала на горизонтальном крае. Из-за ширины верхнего мостика, где модуль антенной решетки обычно устанавливается на одном из поручней, отсутствует прямая видимость с большинства позиций контейнеров, где необходимо установить связь на короткой стороне судна. Излучаемые волны видят край верхнего мостика как металлическое препятствие, которое будет вызывать дифракцию, что способствует получению покрытия в области тени (т.е. на более коротком пути). Из полевых испытаний радио покрытия, проведенных на судах, и анализа мощности принимаемого сигнала был сделан вывод, что один или большее количество антенных элементов, расположенных на высоте над поручнями, где крепится антенная решетка, позволяют получить хорошее покрытие на более короткой части судна. В предпочтительных вариантах осуществления антенный элемент, направленный в обратном направлении, не наклонен. В случае, если имеется более одного такого антенного элемента, в предпочтительных вариантах осуществления они вертикально размещены друг над другом. Фиг. 9 иллюстрирует разные типы распространения по двум путям.

[0072] В других вариантах осуществления модуль антенной решетки может содержать четыре антенных элемента, по два антенных элемента в каждом направлении. Два антенных элемента наклонены по отношению друг к другу. Предпочтительно один из антенных элементов расположен в вертикальной плоскости. Два других антенных элемента обращены в обратном направлении. Опять же, один или большее количество антенных элементов, предпочтительно все, в одном варианте осуществления могут быть реализованы как антенный элемент (1) на фиг. 1.

[0073] Поскольку модуль антенной решетки обычно размещают на верхнем мостике судна, антенные элементы модуля должны быть защищены от суровых условий, которые могут возникнуть в открытом море. Поэтому модуль антенной решетки предпочтительно содержит корпус или обтекатель (7), как показано на фиг. 10. Кроме того, на этой фигуре также показаны опоры (8), с помощью которых модуль антенной решетки крепится к поручням верхнего мостика.

[0074] Корпус или обтекатель (7) проектируют для минимизации габаритных размеров антенной решетки, а также для уменьшения ветровой нагрузки, создаваемой на поверхность конструкции антенной решетки, особенно при плохих погодных условиях, таких как сильный ветер, и особенно когда судно находится в открытом море. Внутренняя конструкция или рама поддерживает и распределяет внешние воздействия, такие как ветер, качка судна, удары, вибрации и т.д., при которых вся конструкция подвергается механическим нагрузкам. Эта внутренняя структура также содержит различные антенные элементы, делитель/сумматор мощности, кабели для подключения антенных элементов к делителю/сумматору мощности и кабель для подключения делителя/сумматора мощности к внешнему интерфейсу антенны. В зависимости от варианта осуществления модуля антенной решетки (например, вариант осуществления с двумя элементами, обращенными в переднем направлении, один из которых наклонен по отношению к другому, и третий элемент, обращенный в заднем направлении, вариант осуществления с большим количеством элементов, обращенных в заднем направлении, …), внутренняя конструкция может незначительно отличаться по форме и/или размерам, при этом корпус (7) и опоры (8) остаются одинаковыми независимо от количества антенных элементов.

[0075] Товары, хранящиеся в грузовом трюме, например, контейнеры, могут быть оснащены транспондером или меткой, которая обеспечивает двустороннюю связь с блоком связи, расположенным, например, на верхнем мостике, через модуль антенной решетки по настоящему изобретению. Товары, например, контейнеры дополнительно снабжены одним или большим количеством датчиков для отслеживания одного или большего количества параметров, указывающих на условия окружающей среды внутри контейнера или снаружи по соседству с ним. На судне могут быть предусмотрены дополнительные транспондеры, снабженные датчиками, так что даже при отсутствии груза возможна связь, например, связанная с условиями в грузовом трюме. Можно обмениваться командами между транспондером контейнера (или другого хранимого товара) или расположенным на самом судне и блоком связи для запроса и передачи, например, одной или большего количества из следующих данных:

- идентификация контейнера,

- температура в контейнере или снаружи контейнера,

- влажность воздуха,

- ионизирующее излучение,

- химический состав окружающего воздуха,

- электромагнитное поле, воспринимаемое контейнером,

- удар, толчок или вибрация, которым подвергся контейнер,

- обмен информацией (например, рабочими показателями), необходимой для удаленной обработки на транспондере (например, включение/выключение, обновление микропрограммы путем отправки команды (команд) на транспондер, и загрузка транспондером необходимых файлов для выполнения обновления, …).

[0076] Транспондер может в основном иметь такие же или подобные структурные блоки, как, например, в US 2004/246104. Транспондер содержит модуль, предназначенный для приема команд от блока связи, например, запросы на отправку своих идентификационных данных или данных по одному или большему количеству параметров. Антенна в модуле ретранслятора адаптирована для взаимодействия с модулем антенной решетки, как указано выше. В частности, антенна в модуле транспондера удовлетворяет ограничениям, например, в отношении размера, аккумуляторной батареи и массы. Учитывая, что контейнеры являются металлическими, то и в плане расположения антенны есть ограничения. Маленькие печатные антенны являются наиболее предпочтительными для рассматриваемого приложения.

[0077] Транспондер также выполнен с возможностью передачи запрошенной информации обратно в блок связи. Это можно организовать несколькими способами. В одном варианте осуществления связь от транспондера к блоку связи может использовать ту же частоту, что и в обратном направлении, полудуплексным способом. В другом варианте осуществления для связи, идущей к блоку связи, используется выделенная частота в том же частотном диапазоне, который отличается от частоты, используемой в направлении к транспондеру.

[0078] Для экономии энергии система связи может преимущественно иметь режим пониженного энергопотребления, в котором транспондеры контейнеров остаются в спящем режиме до тех пор, пока не будет принят сигнал пробуждения. Сигнал пробуждения может быть для конкретного транспондера, для набора транспондеров или для всех транспондеров. Способ пробуждения транспондера может зависеть от протоколов, применяемых на уровнях выше физического уровня. Поведение транспондера обычно программируется, например, пробуждение каждые X минут/часов/дней, выполнение определенного набора действий, сообщение о результате одного или большего количества из этих действий, а затем возвращение в сон.

[0079] Модуль антенной решетки согласно изобретению предпочтительно выполнен с возможностью работы на определенной частоте, например, 433 МГц или 868 МГц, или 915 МГц. В некоторых вариантах осуществления множество решеток антенных модулей, каждая из которых работает на разной частоте, размещены рядом друг с другом. Например, могут быть предусмотрены три антенных модуля, как описано выше, один для работы на частоте 433 МГц, один на 868 МГц и один на 915 МГц. В некоторых вариантах осуществления только один из трех может работать в заданный момент времени. Используемая частота может быть автоматически выбрана блоком связи или вручную удаленным оператором.

[0080] В некоторых вариантах осуществления модуль антенной решетки может быть выполнен с возможностью переключения между двумя или большим количеством частот.

[0081] Блок связи в предпочтительных вариантах осуществления системы связи, содержащей модуль антенной решетки, реализован как часть шлюза, т.е. сетевого аппаратного устройства, которое обеспечивает связь и взаимодействие между, например, хост-сетью и удаленной сетью. Шлюз служит точкой входа и выхода из сети. Шлюз обеспечивает мост между отдельными частями сети, т.е. устройствами на судне, облаком, инфраструктурой на суше.

[0082] Когда часть информации от транспондеров одного или большего количества контейнеров принимается через модуль антенной решетки в блоке связи (например, шлюзе), блок связи может работать заранее заданным образом. Блок связи (например, шлюз или бортовое центральное оборудование), к которому подключен/подключены модуль(и) антенной решетки, содержит механизм информирования, позволяющий узнать, какие сети доступны для передачи информации, поступающей от датчиков или контейнеров на борту, к наземной инфраструктуре (или наоборот: собирать удаленные команды, ретранслировать их на соответствующие датчики или контейнеры на борту). Используемые сети, а также схемы подключения к сети зависят от конкретной реализации этого типа шлюзов. В одном примере может быть, что шлюз/центральное оборудование выполнено для наземной сотовой и спутниковой связи, и в зависимости от конструкции (связанной или не связанной с доступностью сети, связанными затратами на трафик/услуги и т.д.) устройство связи может выбрать сначала проверку сотовой связи и только при отсутствии доступной наземной сотовой сети, проверку спутниковой сети. В другом случае может быть как раз наоборот. Антенны создают своего рода локальную сеть Wi-Fi на борту, то есть какой-то «внутренний» или «локальный» сетевой интерфейс, в то время как наземная сотовая, спутниковая или другая связь находится на стороне «внешнего» сетевого интерфейса.

[0083] В другом аспекте изобретение относится к способу установки модуля антенной решетки на грузовом судне. Способ включает предоставление модуля антенной решетки, как было представлено ранее. Далее модуль антенной решетки монтируется на поручни платформы на мостике грузового судна. Чтобы максимально использовать эффект угла наклона и распространения прямой видимости в направлении более длинной стороны судна, модуль антенной решетки наиболее предпочтительно устанавливать на поручнях, расположенных сбоку от установочной палубы (обычно это верхний мостик), которые обращены на более длинную сторону судна. Как уже упоминалось ранее, мостик грузового судна обычно расположен таким образом, что он делит судно вдоль его продольной оси на более длинную и более короткую части. Первый (11) антенный элемент наклонен относительно второго (12) антенного элемента. Эти антенные элементы расположены таким образом, что главный лепесток их диаграммы направленности обращен в направлении первого пути, соответствующего более длинной части. Третий (16) антенный элемент расположен таким образом, чтобы излучать в основном в направлении второго пути, противоположного первому пути.

[0084] Несмотря на то, что изобретение было проиллюстрировано и подробно описано на графических материалах и в предшествующем описании, такие иллюстрации и описание следует считать иллюстративными или представленными в качестве примера, а не ограничивающими. В приведенном выше описании подробно описаны некоторые варианты осуществления настоящего изобретения. Однако следует понимать, что независимо от того, насколько подробно все вышеизложенное представлено в тексте, изобретение может быть реализовано многими способами. Изобретение не ограничено раскрытыми вариантами осуществления.

[0085] Другие варианты раскрытых вариантов осуществления могут быть поняты и осуществлены специалистами в данной области техники при практическом применении заявленного изобретения из изучения графических материалов, описания и прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения слово «содержащий» не исключает другие элементы или этапы, а неопределенный артикль «а» или «an» не исключает множественности. Один процессор или другое устройство может выполнять функции нескольких элементов, указанных в формуле изобретения. Тот факт, что определенные меры указаны во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что комбинация этих мер не может быть использована с пользой. Компьютерная программа может храниться/распространяться на подходящем носителе, таком как оптический носитель данных или твердотельный носитель, поставляемый вместе с другим оборудованием или как его часть, но также может распространяться в других формах, например, через Интернет или другие проводные или беспроводные телекоммуникационные системы. Любые ссылочные позиции в формуле изобретения не следует рассматривать как ограничивающие объем.

Изобретение в целом относится к области антенных систем для использования в системе контроля товаров. Модуль антенной решетки для системы связи на борту грузового судна содержит по меньшей мере первый (11), второй (12) и третий (16) антенные элементы, каждый из которых смонтирован на экране и содержит антенный фидер. Первый (11) антенный элемент наклонен по отношению ко второму (12) антенному элементу. Первый и второй антенные элементы расположены таким образом, что главный лепесток их диаграммы направленности обращен в направлении первого пути, соответствующего более длинной части, а третий (16) антенный элемент расположен так, чтобы излучать в основном в направлении второго пути, противоположного первому пути. 13 з.п. ф-лы, 16 ил.

1. Способ установки модуля антенной решетки на грузовом судне, включающий:

- взятие модуля антенной решетки для системы связи на указанном грузовом судне, причем указанный модуль антенной решетки содержит по меньшей мере первый (11), второй (12) и третий (16) антенные элементы, каждый из которых содержит антенный фидер,

- монтаж указанного модуля антенной решетки на мостике указанного грузового судна, причем указанный мостик расположен таким образом, чтобы разделять указанное грузовое судно вдоль его продольной оси на более длинную часть и более короткую часть, при этом указанный первый (11) антенный элемент наклонен по отношению к указанному второму (12) антенному элементу, причем указанный первый и указанный второй антенные элементы расположены таким образом, что главный лепесток их диаграммы направленности обращен в направлении первого пути, соответствующего указанной более длинной части, а указанный третий (16) антенный элемент расположен так, чтобы излучать в основном в направлении второго пути, противоположного указанному первому пути.

2. Способ установки по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере один из указанных антенных элементов представляет собой патч-антенну.

3. Способ установки по п. 1 или 2, отличающийся тем, что первый и второй антенные элементы наклонены по отношению друг к другу на угол в диапазоне от 5° до 70°.

4. Способ установки по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что по меньшей мере один из указанных антенных элементов выполнен с возможностью излучения с круговой поляризацией.

5. Способ установки по п. 4, отличающийся тем, что указанный по меньшей мере один антенный элемент обеспечен устройствами возмущения для возбуждения двух ортогональных мод излучения.

6. Способ установки по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что указанные антенные элементы выполнены на подложке из диэлектрического материала.

7. Способ установки по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что указанный модуль антенной решетки содержит делитель/сумматор мощности, выполненный с возможностью разделения сигнала, подлежащего передаче через указанные по меньшей мере три антенных элемента, и объединения сигналов, принятых от по меньшей мере трех антенных элементов.

8. Способ установки по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что указанный первый антенный элемент при установке наклонен по отношению к вертикальной плоскости, при этом указанный второй антенный элемент расположен для улучшения направленности в вертикальном направлении.

9. Способ установки по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что указанные по меньшей мере три антенных элемента образуют по существу вертикальный стек.

10. Способ установки по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что указанные антенные элементы изготовлены по печатной технологии.

11. Способ установки по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что указанный модуль антенной решетки содержит корпус для указанных антенных элементов.

12. Способ установки по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что указанный третий антенный элемент не наклонен по отношению к указанному второму антенному элементу.

13. Способ установки по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что множество указанных модулей антенной решетки смонтировано на указанном мостике.

14. Способ установки по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что указанный модуль антенной решетки смонтирован на стороне указанного мостика, где имеется прямая видимость в направлении указанной более длинной части.