DE2104467B2

DE2104467B2 - Hochfrequente elektrische nachrichtenanlage

Info

Publication number: DE2104467B2
Application number: DE19712104467
Authority: DE
Inventors: Paul Brüssel Delogne
Original assignee: Institut National des Industries Extractives, Lüttich (Belgien)
Priority date: 1970-02-18
Filing date: 1971-02-01
Publication date: 1973-04-05
Also published as: NL149047B; NL7101966A; DE2104467A1; LU62476A1; BE746177A; JPS553855B1; DE2104467C3; FR2080581B1; ZA71950B; CA931238A; FR2080581A1; GB1327864A

Description

Die vorliegende hrlindung betrüTt eine hochfrequente elektrische Nachrichteiianlage. insbesondere zur Verwendung in abgeschlossenen Räumen, bestehend aus einem oder mehreren Koaxialkabeln sowie Sendern und oder Empfänge 1, von denen zumindest einer galvanisch nicht mit dem oder den Kabeln verbunden ist.

Das Interesse an radioelektrischen Übertragungsnihtein in unterirdischen Räumen Wie Ciruhen und Steinbrüchen und bei unterirdischen Bauarbeiten der öffentlichen Hand od. dgl. ist ständig gestiegen, und der Einsatz ist heutzutage aus Gründen der Produktivitätssteigerung, der Sicherheit oder auch einfach der Bequemlichkeit zu einer Notwendigkeit geworden. Da die klassischen nicht drahtlosen übertragungsmittel eine physikalische Verbindung der Gerate mit dem nur schlecht anpassungsfähigen Trägerkabel erforderlich, machten, wurde versucht, radioelektrische Verbindungen herzustellen. Es ist jedoch bekannt, daß sich radioelektrische Wellen in einem umschlossenen Raum nicht frei fortpflanzen können. es sei denn bei höheren Frequenzen, wobei sie jedoch eine beträchtliche Dämpfung erfahren.

Die bisher ins Auge gefaßten Lösungen bestanden darin, in Stollen oder Schächten isolierte oder auch nichtisolierle Leiter zu verlege¹!, die als Wellenfüllrung dienten. Bei diesen Systemen befindet sich der Raum für die Ausbreitung der Welle zwischen den Leitern und den Stollenwändcn. Da es im allgemeinen erforderlich ist, die Sende- und Empfangsgeräte an jeder beliebigen Stelle des Stollenquerschnitts vorzusehen, muß das elektromagnetische Fe¹.' verhältnismäßig stark sein, um bis an die Stollenwändc zu reichen. Da der Querschnitt eines Stollens Unregelmäßigkeiten und unterschiedliche Größen sowie Hindernisse aufweisen kann, die Wände darüber hinaus wegen mangelnder Lcit- bzw. Isolierfähigkeit einen nachteiligen Einfluß ausüben, ist die Wellendämpfung in derartigen Systemen so hoch, daß bereits die Überwindung einiger hundert Meter Entfernung außerordentlich schwierig ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine insbesondere für umschlossene Räume geeignete N;«^-tirichterianlage zu schaffen, bei der zur Ausbreitung der elektromagnetischen Energie ein Koaxialkabel verwendet wird.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der äußere Leiter des Koaxialkabels quer zur Kabelrichtung verlaufende, kurze Unterbrechungen hervorrufende Einschnitte aufweis', die einen Austausch elektromagnetischer Energie .'.wischen innen und außen vom Kabel ermöglichen.

Die im Inneren eines Koaxialkabels vorhandenen Wellenarten sind bekannt. Am Kabeläußeren können Wellen vorhanden sein, die sich von den sie erregenden Quellen in radialer Richtung ausbreiten; diese Wellen werden hier Strahlungsfelder genannt. Es simi aber auch von dem Kabelmantel geleitete Wellen bekannt. Diese Wellen werden hier geleitete Felder genannt. Wenn der äußere Leiter eine Isolierung aufweist, sind diese Wellen Goubau-Wellen. Deren Länge liegt etwas unterhalb der Fortpilanzungslänge in der Luft, wobei die Verkürzung der Wellenlänge sowie die Konzentration dieser Wellen um das Kabel herum mit der Stärke der Isolierschicht zunehmen.

Die beiden Arten von äußeren Feldern, nämlich Strahkings- und geleitete Felder, können mit den Antennen von Sciice- oder Empfangsgeräten gekoppelt werden, unterliegen jedoch so allen Nachteilen der Wellenausbreitung in umschlossenen Räumen, denen die Ausbreitung der inneren Felder eines Koaxialkabels nicht unterworfen wird. Der Austausch zwischen innen und außen muß sich den besonderen Einsatzbedingungen anpassen. Es ergibt sich daher die Notwendigkeit einer einfachen, robusten, preiswerten, wenig Platz in Anspruch nehmenden Strahiungsviüiid'hi'ig, die jedoch gä~z bcftirnnite technische Leistungen erbringt und die leicht zu handhaben ist.

7.Li diesem Zweck wird der äußere Leiter des oder der Trägerkabel mit in Querrichtung verlaufenden Einschnitten versehen, die kurze Unterbrechungen ausmacheil, einen Austausch elektromagnetischer Energie zwischen innen und außen vom Kabel ermöglichen und nach Art einer Antenne mit einem erhöhten Richtgewinn in nahe der Kabelachse gelegenen Richtungen arbeiten.

Es ist vorteilhaft, wenn für die Einschnitte Impedanzanpassungselemcntc verwendet werden zur Verminderung von Reflexionsfaktor unc' Übertragungsmaß.

An Hand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise erläutert. Es zeigt

F i g. 1 in schematischer Darstellung eine Nachrichteiianlage.

F i g. 2 ein durch eine Unterbrechung in dem äußeren Leiter eines Koaxialkabels hervorgerufene? elektromagnetisches Strahlungsdiagramm.

F i g. 3 ein Schema entsprechend einem Einschnitt am äußeren Kabel mit Hinsicht auf die Fortpflanzung im Inneren des Kabels.

Fi g. 4 im Schnitt eine Vorrichtung zur Verminde-. rung des Übertragungsmaßes und

Fig. 5 das erfindungsgemäße Übertragungssystem ohne Verstärkung und ohne Frequenzänderung.

Das crfindungsgeniiäße System besteht aus einem Koaxialkabel mit einem inneren fortlaufenden Leiter 1 und einem äußeren, "nit quer verlaufenden Einschnitten 3 versehenen Leiter 2 (Fig. 1). Das Kabel kann mit einer nicht dargestellten Isolierung versehen sein.

Der Austausch von innen nach außen entspricht

dem Austausch in umgekehrter Richtung gemäß dem Reziprozitätsgesetz, so daß die Beschreibung des ersteren Austausches ausreichend ist.

um die durch den Einschnitt hervorgerufenen Auswirkungen auf eine sich im Inneren des Kabels in der Zeichnung z. B. von links nach rechts fortpflanzende Welle zu bestimmeil, wurden iheoietisch·· Studien und praktische Versuche durchgeführt Diese Welle wird im folgenden als einfallende Welle bezeichnet. Die Auswirkungen der Untersuchungen sind folgende: iu ;,i Ein Teil der einfallenden Welle läuft im Inneren des Kabeis nach links zurück: es wurde also ein Reflexionsfaktor festgestellt.

hl Hün Teil der einfallenden Welle wird im Inneren des Kabels über den Einschnitt hinweg nach rechts übertragen: es wurde also ein Übertraüiuiüstaktor festgestellt oder — in seiner praktischen .Auswirkung ---- ein Übertragungsmaß, das durch den Einschnitt hervorgerufen wird und sich au! die Übertragung des Koaxialkabels aus- ^2u wirkt.

c) Hin Teil der einfallenden Welle wird in zwei geleitete beider gleicher Amplitude konvertiert, die von dem Einschnitt an erregt werden und sich nach links und rechts ausbreiten. "^J

u! Hün Teil der eir.fallenden Welle wird nacn der Außenseite des Kabels, und zwar in radialer Richtung von dem Einschnitt ab ausgestrahlt, wie dies bei einer Antenne der Fall wäre-. Die -_lc räumliche Verteilung der ausgestrahlten Leistung bestimmt sich durch einen von dem Winkel (■> abhängigen Richlgewinn D.
In großen Zügen laufen die Schlußfolgerungen der Untersuchungen auf folgendes hinaus:

a) Vorausgesetzt, daß die Länge des Einschnittes 3 Heiner ist als der Durchmesser 4 des Kabels, bleibt sie ohne Auswirkungen. Es wäre daher illusorisch, durch Verringerung der Einschnittslänge das Übertragungsmaß reduzieren zu wollen. Einschnitte, die etwas länger sind als der Durchmesser des Kabels, können auch noch ohne Schwierigkeiten verwendet iverden.

IV) Die Stärke der Isolierung hat praktisch einen F.influß weder auf den Reflexionsfaktor noch auf das Ciberiragungsmaß. d. h. auf die die Fortpflanzung der Welle in dem Kabel bestimmenden Größen: sie bettinimt jedoch die Verteilung der aus dem Einschnitt luistretenden Leistung auf die geleiteten Wellen und llic Strahlungsfeld". Eine dicke Isolierung verstärkt tlie geleiteter; Wellen auf Kosten der ausgestrahlten Wellen. Letztere weisen ein Strahlungsdiagramm gemäß F i g. 2 auf. das für die Verwendung in Stollen völlig ausreichend ist. Bei Einern Winkel ß,.„„_v zur Achse 5 des Kabels von e gen Graden, beträgt der Richtgewinn D_1111n. zwischen 5 und 1OdB. Bei Verstärkung der Isolierung erhöht sich (-K_1111x. während /),„„_v sich verringert.

c) Die Auswirkungen der gewählten Frequenz sind nicht so groß, wie von vornherein anzunehmen war. Bei Frequenzen einer Größenordnung von 30 MHz verteilt sich die Leitung der einfallenden Welle wie folgt:

75% werden nach links reflektiert,
2% werden räch rechts übertragen (Übertragungsmaß: 17 dB),

23% werden nach der Außenseite des Kabels übertragen.

Bei 300 MlIz verschieben sich die Werte wie folgt:

61,5" 1, werden nach links reflektiert,
7,5" 0 werden übertragen

(Übertragungsmaß: 1 1,2 dB).
31,0" 11 werden auf das Kabeläußere übertragen.

Diese tvpischcn Werte zeigen, daß die Höhe der gewählten Frequenz nur einen sehr langsamen Einillll.i ausübt. Uni das Übertragungsmaß auf 2 Ins 3 dB zu verringern, müßten Frequenzen von mehreren GHz erreicht werden. Schließlich isi der Einfluß der Frequenz auf den Richtgewinn noch geringer.

Eine einfache Unierbrechunü des äußeren kabelleiicrs ergibt also eine gute Slrahliingsvorrichtung hinsichtlich der Verteilung der durch den Einschnitt austretenden Leistung, ist jedoch in bezug auf die Übertragung in dem Kabel unzureichend. Jedoch haben die I'niersuchunücn uezeigt. daß in diese:' letzteren Hinsicht der Hinsei..:itt einer in dem äußeren Heiter in Serie !Schalteten In.pedan/ ii (Fig. 3) entspricht, wobei dessen erhöhter Wert erklärt, daß cm bedeutender Teil der Hinfallsleisuiiig :".'lleklierl v. ird.

Durch I linzul'üüun» geeigneter Impedanz-,\iipassungselcmentc in dem Einschnitt ist die Konstruktion von Strahlungsvorricluungen möglich, die einen vorbestimmten Gebrauch der Heistunn der einfallenden Welle machen.

Zum Beispiel kann bei den im folgenden beschriebenen Anwendungen eine Vorrichtung mit verringertem Übertragungsmaß verwendet werden, bei der eine zusätzliche Kapazität in dem Einschnitt vorgesehen wird. Die Vorrichtung, kann als eine Art koaxiales Übergangsstück ausgebildet sein, wobei die zusätzliche Kapazität durch eine Teilüberdeck ι ;·ι der beiden Abschnitte 7 und S (Fig. 4) des äußeren Leiters erzielt Werden kann. Bei Verwendung einer zusätzlichen Kapazität von ίί() pF bei 6!) MHz beispielsweise verteilt sich die Einfallsleistunsi wie folgt:

5,5 "11 werden nach links reflektiert.
91,5" 11 werden nach rechts über;ragen

(Übertragungsmaß: 0,3S dB).
3,0" η werden nach der Außenseite des Kabels

übertragen.

Bei Verwendung von längs einem in einem Stollen verlegten Kabel oder längs einer anderen, in einem abgeschlossenen Raum befindlichen Übertragungsachse mehr oder weniger regelmäßig verteilten Strahlungsvorricluungen ist es möglich, die Ausbreitiaigsschwierickeiten von elektromagnetischen Wellen in dieser Umgebung auszuräumen. Hin neben einer Strahlungsvorrichtung 10 vorgesehener Sender '■) (F i c 5)"erregt über"die Strahlungsvorrichtung zwei sich im !"Vieren des Kabc's vom Sender entfernend!.· Wellen. Bei jeder Strahiungsvorrichtung wird ein kleiner Teil dieser Wellen freigesetzt, der dann, von einem im Aktivbereich dicer Vorrichtung gelegenen Empfänger 11 erfaßt wird. Unter »Aktivbereich'; versteht man die Zone, in der diese Wellen noch nicht zu sehr abgeschwächt sind. Wenn sich die Wirkungsbereiche überlappen, entstehen ununterbrochene Verbindungen entlang dem gesamten Kabel. Diese Verbindungen wirken wechselseitig.

Durch dieses System können Strecken von mehreren hundert Metern unter außerordentlich schwierigen Bedingungen bezüglich der Ausbreitung überbrückt werden. Tn großen Stollen sind auf diese Weise

Reichweiten von mehreren Kilometern erreicht worden. Bei längeren Distanzen ist der Nachteil des Systems darin zu sehen, daß jede Verbindung in Kaskadenschaltung zwei radioelektrische Verbindungen aufweist: eine zwischen Sender und einer Vorrichtung, die andere zwischen einer Vorrichtung und dem Empfänger, wobei jede der Verbindungen einen Verlust von etwa 40 dB für eine Strecke von 10 bis 20 m darstellt. Verluste des Koaxialkabels können durch Verstärker ausgeglichen werden.

Die neue Nachrichtenanlage kann auch über der Erde verwendet werden, um Wellen entlang einer Achse, beispielsweise eines Transportweges, zu führen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Hochfrequente elektrische Nachrich^nanlagc. insbesondere zur Verwendung in ahgeschlossenen Räumen, bestehend aus einem oder mehreren Koaxialkabeln sowie Send'·'·; und/oder Empfängern, von denen zumindest einer galvanisch nicht mit dem oder den Kabeln verbunden ist.

d udurcli g e k e n η ζ e i c Ii η e t. daß der äußere Leiter (2) des Koaxialkabels quer zur Kabeliiehtung verlaufende, kurze Unterbrechungen hervorrufende Einschnitte (3) aufweist, die einen Austausch elektromagnetischer Energie zwischen innen und außen vom Kabel ermögliehen.

2. Anlage ; ich Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß !ür die Einschnitte (3) Impedanzanpassungselemenie verwendet werden zur Verminderung von Reflexionsfaktor und Überiraiuinüsmaß.