DE2104467C3 - Elektrische Nachrichtenanlage zur Übertragung hochfrequenter Signale - Google Patents

Description

zufriedenstellende Abstrahlung kann nur innerhalb der Körperöffnung erfolgen, da dazu das den Stabstrahler umgebende Gewebe unbedingt erforderlich ist Auch dieser Stabstrahler ist nur zur Abstrahlung von Energie und nicht zur Weiterleitung geeignet

Aus der Zeitschrift ELECTRONICS LETTERS, 1968, Seiten 557 bis 559, ist ein Obergangsstück für einen Wellenleiter bekannt, dessen Aufgabe darin besteht, elektromagnetische Wellen auf den Wellenleiter — ein spezieller Leiter, auf dem sich Goubau- Wellen ausbilden 1 ο — zu übertragen. Dieses Übergangsstück weist eine Reihe von beispielsweise zwölf, im Abstand einer viertel Wellenlänge angeordnete ringförmige Schlitze auf. Mit der dort beschriebenen Anordnung wird das sonst übliche konische Obergangsstück für eine Goubau-Leitung ersetzt Da die Dimensionierung der Abstände sich an der Wellenlänge des zu übertragenden Signals orientiert, kann auch dieses Obergangsstück nicht für breitbandige Anwendungen geeignet sein. Die Überleitung der elektromagnetischen Wellen auf die Goubau-Leitung soll möglichst vollständig erfolgen. Eine Abstrahlung von Energie durch die Schlitze ist unerwünscht

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 sind aber auch von dem Kabelmantel geleitete Wellen bekannt Diese Wellen werden hier geleitete Felder genannt Wenn der jo äußere Leiter eine Isolierung aufweist, sind diese Wellen Goubau-Wellen. Deren Länge liegt etwas unterhalb der Fortpflanzungslänge 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 Strahlungs- und geleitete Felder, können mit den Antennen von Sende- 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.

An Hand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise erläutert Es zeigt

Fig. 1 in schematischer Darstellung einen Kabelabschnitt einer Nachrichtenanlage,

Fig.2 ein durch ein Unterbrechung in dem äußeren to Leiter eines Koaxialkabels hervorgerufenes elektromagnetisches Strahlungsdiagramm,

Fig.3 ein Ersatzschaltbild entsprechend einem Einschnitt am äußeren Leiter des Kabels mit Hinsicht auf die Fortpflanzung im Inneren des Kabels,

F i g. 4 im Schnitt eine besondere Ausgestaltung eines Schlitzes, durch die eine Impedanzanpassung zur Verminderung der Einfügungsdämpfung ohne zusätzliche Elemente erreicht wird und

F i g. 5 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Übertragungssystems.

Das erfindungsgemäße System besteht aus einem Koaxialkabel mit einem inneren fortlaufenden Leiter 1 und einem äußeren, mit quer verlaufenden Einschnitten 3 versehenen Leiter 2 (F ig. 1). Das Kabel kann mit einer e> nicht dargestellten Isolierung versehen sein.

Der Austausch von innen nach außen entspricht dem Austausch in umgekehrter Richtung gemäß dem Reziprozita: igesetz, so daß die Beschreibung des ersterei, 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 bestimmen, wurden theoretische Studien und praktische Versuche durchgeführt Diese Welle wird im folgenden als einfallende Welle bezeichnet Die Ergebnisse der Untersuchungen sind folgende:

a) Ein Teil der einfallenden Welle läuft im Inneren des Kabels nach links zurück; es wurde also ein Reflexionsfaktor festgestellt

b) Ein Teil der einfallenden Welle wird im Inneren des Kabels über den Einschnitt hinweg nach rechts übertragen; es wurde also ein Übertragungsfaktor festgestellt oder — in seiner praktischen Auswirkung — eine Einfügungsdämpfung, die durch den Einschnitt hervorgerufen wird und sich auf die Übertragung des Koaxialkabels auswirkt

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

d) Ein Teil der einfallenden Welle wird nach der Außenseite des Kabels, und zwar in radialer Richtung von dem Einschnitt ab ausgestrahlt, wie dies bei einer Antenne der Fall wäre. Die räumliche Verteilung der ausgestrahlten Leistung bestimmt sich durch einen von dem Winkel θ abhängigen Richtgewinn D.

In großen Zügen laufen die Schlußfolgerungen der Untersuchungen auf folgendes hinaus:

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

b) Die Stärke der Isolierung hat praktisch einen Einfluß weder auf den Reflexionsfaktor noch auf die Einfügungsdämpfung, d. h. auf die die Fortpflanzung der Welle in dem Kabel bestimmenden Größen; sie bestimmt jedoch die Verteilung der aus dem Einschnitt austretenden Leistung auf die geleiteten Wellen und die Strahlungsfelder. Eine dicke Isolierung verstärkt die geleiteten 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 einem Winkel Bnax zur Achse 5 des Kabels von einigen Graden, beträgt der Richtgewinn D_m„ zwischen 5 und 10 dB. Bei Verstärkung der Isolierung erhöht sich 9_m„, während D₁^_x 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 Energie der einfallenden Weile wie folgt:

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

23% werden nach der Außenseite des Kabels übertragen.

Bei 300 MHz verschieben sich die Werte wie folgt:

61,5% werden nach links reflektiert,
7,5% werden übertragen (Einfügungsdämpfung: IUdB),
31,0% werden auf das Kabeläußere übertragen.

Diese typischen Werte zeigen, daß die Höhe der gewählten Frequenz nur einen sehr geringen Einfluß ausübt Um die Einfügungsdämpfung auf 2 bis 3 dB zu verringern, müßten Frequenzen von mehreren GHz verwendet werden. Schließlich ist der Einfluß der Frequenz auf den Richtgewinn noch geringer.

Eine einfache Unterbrechung des äußeren Kabelleiters ergibt also eine gute Strahlungsvorrichtung hinsichtlich der Verteilung der durch den Einschnitt austretenden Leistung, ist jedoch in bezug auf die Übertragung in dem Kabel unzureichend, jedoch haben die Untersuchungen gezeigt, daß in dieser letzteren Hinsicht der Einschnitt einer in dem äußeren Leiter in Serie geschalteten Impedanz 6 (Fig.3) entspricht. Deren Wert ist so groß, daß ein bedeutender Teil der Einfallsleistung reflektiert wird.

Durch Hinzufügung geeigneter Impedanz-Anpassungselemente in dem Einschnitt ist eine vorbestimmte Leistungsverteilung der einfallenden Welle möglich.

Zum Beispiel kann bei den im folgenden beschriebenen Anwendungen eine Vorrichtung mit verringerter Einfügungsdämpfung 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 Teilüberdeckung der beiden Abschnitte 7 und 8 (F i g. 4) des äußeren Leiters erzielt werden kann. Bei Verwendung einer zusätzlichen Kapazität von 60 pF bei 60 MHz beispielsweise verteilt sich die Einfallsleistung wie folgt:

5,5% werden nach links reflektiert,
91^% werden nach rechts übertragen (Einfügungsdämpfung: 038 dB),

3,0% werden nach der Außenseite des Kabels
übertragen.

Bei Verwendung eines Kabels, das längs einem Stollen oder einer anderen, in einem abgeschlossenen Raum befindlichen Übertragungsstrecke verlegt ist, mit mehr oder weniger regelmäßig verteilten Strahlungsvorrichtungen ist es möglich, die Ausbreitungsschwierigkeiten von elektromagnetischen Wellen in dieser

to Umgebung auszuräumen. Ein neben einer Strahlungsvorrichtung 10 vorgesehener Sender 9 (Fig.5) erregt über die Strahlungsvorrichtung zwei sich im Inneren des Kabels vom Sender entfernende Wellen. Bei jeder Strahlungsvorrichtung wird ein kleiner Teil dieser Wellen freigesetzt, der dann von einem im Aktivbereich dieser 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 mehrerer hundert Metern unter außerordentlich schwierigen Bedingungen bezüglich der Ausbreitung überbrückt werden. In großen Stollen sind auf diese Weise Reichweiten von mehreren Kilometern erreicht worden. Bei längeren Distanzen ist der Nachteil des System: 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 füi eine Strecke von 10 bis 20 m darstellt Verluste des Koaxialkabels können durch Verstärker ausgeglicher werden.

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

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Ii ί

   davon (deutsches Gebrauchsmuster 67 52 758) erstrek-

   Patentanspruch: ken. Es sind die verschiedensten Formen für die Schlitze

   bekanntgeworden. In IEEE Transactions on Vehicular

   Elektrische Nachrichtenanlage, zur Übertragung Technology, August 1969, S. 66—69, sind Schlitze

   hochfrequenter Signale, insbesondere zur Verwen- 5 beschrieben, die außer einem longitudinal verlaufenden

   dung in abgeschlossenen Räumen, bestehend aus Anteil j»uch einen transversal zur Kabelachse verlaufen-

   einem oder mehreren Koaxialkabeln, deren Außen- den Anteil aufweisen, mit dem die Abstrahlung der

   leiter mit Durchbrachen versehen sind, sowie elektromagnetischen Energie verbessert werden solL

   Sendern und Empfängern, von denen zumindest Die Schlitze sind so ausgestaltet, daß sie sich nur Ober

   einer nur durch Strahlungskopplung mit dem oder 10 einen Teil des Kabelumfangs erstrecken und niemals

   den Kabeln verbunden ist, dadurch gekenn- eine vollständige Unterbrechung des Außenleiters

   zeichnet, daß der äußere Leiter (2) des bewirken. Es hat sich gezeigt, daß mit derartigen Kabeln

   Koaxialkabels quer zur Kabelrichtung verlaufende, eine zufriedenstellende Übertragung nur mit relativ

   kurze vollständige Unterbrechungen hervorrufende hochfrequenten Signalen möglich ist Außerdem sind die

   ringförmige Einschnitte (3) aufweist und daß für die is Übertragungseigenschaften dieser Kabel stark von den

   Einschnitte (3) Impedanzanpassungselemente zur Gegebeneheiten in der Umgebung abhängig, da in der

   Verminderung von Reflektionsfaktor und Einfü- Nachbarschaft des Kabels vorhandene Wände und

   gungsdämpfung verwendet werden. Gegenstände an dem Abstrahlvorgang mitwirken.

   Diese Nachteile der Strahlungskabel haben zur Folge,

   20 daß eine Verwendung für die Übertragung elektromag-

   netischer Signale über längere Strecken ohne den

   Einsatz von zwischengeschalteten Verstärkern häufig

   Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische nicht in Betracht kommt

   j Nachrichtenanlage zur Übertragung hochfrequenter Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe

   Signale, insbesondere zur Verwendung in abgeschlosse- 25 zugrunde, eine elektrische Nachrichtenanlage der oben

   nen Räumen, bestehend aus einem oder mehreren genannten Art zu erstellen, mit der auch niederfrequen-

   Ü Koaxialkabeln, deren Außenleiter mit Durchbrüchen tere Signale übertragbar sind und die eine Übertragung

   versehen sind, sowie Sendern und Empfängern, von über längere Strecken erlaubt

   denen zumindest einer nur durch Strahlungskopplung Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch f mit dem oder den Kabeln verbunden ist 30 gelöst, daß der äußere Leiter des Koaxialkabels quer zur '{ Das Interesse an radioelektrischen Übertragungsmit- Kabelrichtung verlaufende, kurze vollständige Unter- ; teln in unterirdischen Räumen wie Gruben und brechungen hervorrufende ringförmige Einschnitte ί Steinbrüchen und bei unterirdischen Bauarbeiten der aufweist, die einen Austausch elektromagnetischer öffentlichen Hand od. dgl. ist ständig gestiegen, und der Energie zwischen innen und außen vom Kabel Einsatz ist heutzutage aus Gründen der Produktivitäts- η ermöglichen, und daß für die Einschnitte Impedanzan-J steigerung, der Sicherheit oder auch einfach der passungselemente zur Verminderung von Reflektions-Bequemlichkeit zu einer Notwendigkeit geworden. Da faktor und Einfügungsdämpfung verwendet werden.
   : die klassischen nicht drahtlosen Übertragungsmittel Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der j eine physikalische Verbindung der Gsräte mit dem nur Nachrichtenanlage können einfache, robuste, preiswer-■f schlecht anpassungsfähigen Trägerkabel erforderlich 40 te und wenig Platz in Anspruch nehmende Strahlungs-■ machten, wurde versucht, radioelektrische Verbindun- vorrichtungen aufgebaut werden. Die Übertragungseigen herzustellen. Es ist jedoch bekannt, daß sich genschaften der Nachrichtenanlage sind weit weniger radioelektrische Wellen in einem umschlossenen Raum von der Umgebung der Kabel abhängig als dies bei den nicht frei fortpflanzen können, es sei denn bei höheren bekannten Strahlungskabeln der Fall war. Ihr Einsatz ist Frequenzen, wobei sie jedoch eine beträchtliche 45 daher auch unter schwierigsten Bedingungen möglich. Dämpfung erfahren. Falls erforderlich, können auch in ein verlegtes Kabel Die bisher ins Auge gefaßten Lösungen bestanden zusätzliche erfindungsgemäße Schlitze eingefügt werdarin, in Stollen oder Schächten isolierte oder auch den, was einen erheblichen Vorteil beim Einsatz der nichtisolierte Leiter zu verlegen, die als Wellenführung Nachrichtenanlage darstellt

   dienten. Bei diesen Systemen befindet sich der Raum für 50 Ringförmige Einschnitte sind zum Zwecke der die Ausbreitung der Welle zwischen den Leitern und Abstrahlung von elektromagnetischer Energie an sich ';. den Stollenwänden. Da es im allgemeinen erforderlich bekannt Auf Seite 309 des Buches von Silver .( ist, die Sende- und Empfangsgeräte an jeder beliebigen »Microwave Antenna Theory and Design« Verlag Mc Stelle des Stollenquerschnitts vorzusehen, muß das Graw-Hill Book Company, Ina, 1949, ist ein Antennenelektromagnetische Feld verhältnismäßig stark sein, um 55 element beschrieben, das einen ringförmigen Einschnitt bis an die Stollenwände zu reichen. Da der Querschnitt aufweist Dieses Element erlaubt eine gute Radialsymeines Stollens Unregelmäßigkeiten und unterschiedliche metrie der ausgestrahlten Wellen, ist aber wegen der bei Größen sowie Hindernisse aufweisen kann, die Wände diesen Antennen notwendigen λ/4-Anpassung höchst darüber hinaus wegen mangelnder Leit- bzw. Isolierfä- frequenzempfindlich. Es eignet sich daher nur zur higkeit einen nachteiligen Einfluß ausüben, ist die 60 Abstrahlung von elektromagnetischen Wellen in einem Wellendämpfung in derartigen Systemen so hoch, daß schmalen Frequenzbereich. Für eine Weiterleitung von bereits die Überwindung einiger hundert Meter elektromagnetischer Energie über den Schlitz hinaus ist Entfernung außerordentlich schwierig ist. dieses Element nicht vorgesehen.

   Es ist eine Vielzahl von Ausführungsformen von Die deutsche Auslegeschrift 11 30 534 befaßt sich mit Strahlungskabeln bekanntgeworden. Diese weisen in 65 einem Stabstrahler mit mehreren ringförmigen EinLängsrichtung des Kabels verlaufende Schlitze auf, die schnitten für medizinische Zwecke. Zur dielektrischen sich über die gesamte Länge des Kabels (deutsche Erwärmung von Organen oder Geweben wird dieser Auslegeschrift 1044 199) oder nur über Teilabschnitte Stabstrahler in Körperöffnungen eingeführt Eine