DE2618772A1

DE2618772A1 - Nachrichtenuebertragungssystem

Info

Publication number: DE2618772A1
Application number: DE19762618772
Authority: DE
Inventors: Paul Delogne
Original assignee: INST NAT DES IND EXTRACTIVES I
Current assignee: INST NAT DES IND EXTRACTIVES I
Priority date: 1975-10-07
Filing date: 1976-04-29
Publication date: 1977-04-21
Also published as: JPS588253U; FR2327686B1; DE2618772C2; US4152648A; JPS6016131Y2; BE834291A; GB1541278A; JPS5246712A; CA1088202A; FR2327686A1

Description

Schriftquellenverzeichnis

1. A.G. Emslie, R.L. Lagace & P.F. Strong, "Theory of the propagation of UHF radio waves in coal mine tunnels", Proc. Through-the-Earth Electromagnetics Workshop Colorado School of Mines, Golden, Colo., Aug. 15-17, 1973, verfügbar vom Nat.Techn. Inform. Service, Alexandria Va., USA.

2. S.F. Mahmoud & J.R. Wait, "Geometrical optical approach for electromagnetic wave propagation in rectangular mine tunnels", Radio Science, USA, vol. 9, No. 12, pp. 1147-1158,

3. P. Delogne, "Les telecommunications par radio en milieu souterrain", Revue HF, BeIg., vol. IX, No. 2, pp. 18-26, 1973.

4. J.R. Wait & D.A. Hill, "Guided electromagnetic waves along an axial conductor in a circular tunnel", IEEE Trans., USA, vol. AP-22, No. 4, pp 627-630, 1974.

5. L. Derycfc, "Control of mode conversion on bifilar line in tunnels",The Radio and Electronic Eng.., UK, vol. 45, No. 5 PP 241-247, 1975.

6. D.J. Cree & L.J. Giles , "Practical performance of radiating cables", id., pp. 215-223.

7· K. Mikoshiba & Y. Nurita, "Guided radiation by coaxial cable for train wireless systems in tunnels", IEEE Trans., USA, vol. VT-18, pp. 66-69, 1969.

8. J. Fontaine, B. Demoulin, P. Degauque & R. Gabillard, "Feasibility of a radiocommunication in mine galleries by means of a coaxial cable having a high coupling impedance",

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Proc. Through-the-Earth Electromagnetics Workshop, Colorado School of Mines, Golden, Colo., Aug. 15-17* 1975 verfügbar vom Nat. Techn. Inform. Service, Alexandria, Va., USA.

9· L. Krügel, "AbSchirmwirkung von Außenleitern flexibler Koaxialkabel", Telefunken-Z., BRD, vol. 29, P 114, 1956.

10. P. Delogne, "Electromagnetic theory of the leaky coaxial cable". The Radio and Electronic Eng., UK, vol. 45, No. 5, pp. 223-240, 1975.

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PATKNTANWALTE * * ' '.

DIPL.-ING. ALEX STENGER

D-4000 DÜSSELDORF 1 ^ DIPL.-ING. WOLFRAM WATZKE

Malkastenstraße 2 DIPL.-ING. HEINZ J. RING

Unser Zeichen: 17 I9O Datum: 26. April I9j6

INSTITUT NATIONAL DES INDUSTRIES EXTRACTIVES, Bois du VaI Benott, rue de Chera, 4000 Lidge/Belglen

Nachrichtenübertragungssystem

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Nachrichtenübertragungssystem, das in besonderer Weise zur Herstellung funkelektrischer (radioelektrischer) Verbindungen mit längs einer Achse fortbeweglichen Objekten, speziell in Untertage-Abbaustrecken oder -Stollen,geeignet ist.

Wegen der hiermit verbundenen größeren Produktivität, Sicherheit und Bequemlichkeit rückt der Einsatz funkelektrischer Übertragungseinrichtungen in Untertageräumen, Steinbrüchen , Tiefbauten usw. immer mehr in den Mittelpunkt des Interesses. Außerdem stellen sich gleichartige technische Probleme, die unter Anwendung gleicher Techniken gelöst werden, wo immer der Versuch unternommen wird, funkelektrische Wellen über eine Oberflächenachse, im allgemeinen ein Transportgleis, eine Straße oder eine Bahngleisanlage ₉ zu leiten·

Es gibt zur Zeit zwar eine gewisse Anzahl möglicher Lösungen für diese Art von Problem, doch bietet keine von ihnen solche Vorteile und Merkmale, die allen derartigen Situationen gerecht würden. Eine Untertagestrecke verhält sich hinsichtlich der Ausbreitung von Wellen wie ein Wellenhohlleiter, wobei je nach den Querabmessungen der Strecke die kritische Frequenz zwischen 10 und 50 MHz schwankt. Unterhalb dieser Frequenz können sich die Wellen nicht fortpflanzen,während oberhalb derselben ihre Ausbreitung bei einer Dämpfung oder Abschwächung möglich ist, die mit zunehmender Frequenz abnimmt und erst bei einigen hundert MHz annehmbar wird: bei diesen Frequenzen jedoch unterbrechen jedes optische Hindernis und insbesondere Krümmungen oder Richtungsänderungen die Verbindung.

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Damit ist die natürliche Portpflanzung nur über sehr geringe Reichweiten hinweg gewährleistet. Diese natürliche Ausbreitung läßt sich sowohl nach dem Wellenleitertyp, den die Strecke darstellt, als auch nach den Von den Wänden abgestrahlten flachen Wellen interpretieren. Diesbezüglich wird auf die Veröffentlichungen Nr. 1 und 2 des Schriftquellenverzeichnisses verwiesen.

Elektromagnetisch lassen sich die Eigenschaften von Untertagestrecken weitgehend verändern und beeinflussen, indem in Längsrichtung ein isolierter Leiter aufgehängt wird. Außer den Wellenleitertypen, deren Existenz hiervon kaum berührt wird, ergibt sich eine neue als monofile Wellenform bezeichnete Art der Wellenfortpflanzung, die bei Koaxialkabeln,wie sie ein solcher Leiter mit der Untertagestrecke bildet,vorherrschend ist. Bei dieser Wellenform mit Stromspeisung über den isolierten Leiter und Stromrückführung über die Wandung gibt es keine Grenz- oder kritische Frequenz, so daß sie bei jeder beliebigen Frequenz eingesetzt werden kann. Die Dämpfung wächst mit der Frequenz und umgekehrt proportional zum Abstand zwischen dem isolierten Leiter und der Wand,der auch die Verteilung der Feldlinien im Streckenquerschnitt beeinflusst. Krümmungen bzw. Rlchtungsänderungen haben bei diesem Wellentyp praktisch keinen Einfluß. Da die Antennen der in der Strecke befindlichen Empfangsgeräte mit den Feldlinien gekoppelt sind, könnte man glauben, daß dieses Verfahren die Lösung aller Probleme darstellt,sofern nur mit einer Frequenz gearbeitet werden kann, die niedrig genug ist, um die Dämpfung auf einen annehmbaren Wert zu reduzieren: dies ist jedoch nicht der Fall, da berücksichtigt werden muß,daß die Leistungsfähigkeit nicht stationärer Antennen sehr schnell mit der Frequenz abnimmt.Der bei Frequenzen von einigen MHz bestmögliche Kompromiß ergibt Reichweiten in Kilometergrößenordnung. An der Oberfläche ermöglicht ein isolierter Leiter eine derartige Wellenführung entlang einer Achse, doch ist aufgrund der FrequenzZuteilungen dieses Verfahren nur selten realisierbar. Technische Daten über die monofile Wellenform sind in den Veröffentlichungen Nr. 5 und K des Schriftquellenverzeichnisses enthalten.

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Es sind dies die Gründe, warum oft Zuflucht zu fortschrittlicheren technischen Lösungen genommen und statt eines einzelnen isolierten Leiters längs der Strecke oder des Iransportgleises eine Übertragungsleitung installiert wird. Diese Leitung kann bifilar oder koaxial ausgeführt sein, wobei im letzteren Falle darauf zu achten ist, dass der Aussenleiter Öffnungen aufw.eist, die einen Energieaustausch zwischen dem Kabelinnern und dem Kabeläussern ermöglichen. Die beiden Drähte der bifilaren Leitung bzw. der Aussenleiter des Koaxialkabels übernehmen die !Funktion des isolierten Leiters, der die monofile Wellenform ermöglicht. Bei diesen Systemen ist die Grundidee die, dass eine Übertragungsleitung zur Verfugung steht, welche die elektromagnetische Energie mit einer solchen Dämpfung zu leiten vermag, die deutlich unter der Abschwächung der Strecken- bzw. Stollen-Wellenform liegt und gleichzeitig einen geringen Energieanteil zur Kopplung mit den Antennen der nichtstationären Empfangsgeräte abstrahlt. Je nach dem speziellen Anwendungsfall bezeichnet der Begriff "Abstrahlung" ("Strahlung") hier die Umwandlung der von der Übertragungsleitung geführten Energie in die monofile Wellenform, in leitende Wellenformen oder aber bei oberirdischen Anlagen in Strahlung im herkömmlichen Sinne.

Hinsichtlich der bifilaren Leitung ist bekannt, dass die Strahlung bedingt ist durch asymmetrischen Verlauf der Leitung relativ zur Wandung (Veröffentlichung Nr. 5) sowie durch Leitungsträger. Es handelt sich hier um einen Mechanismus, der ebensowenig fassbar ist wie seine Ursachen. Abhilfe wurde dadurch geschaffen, dass in unter dem Aspekt der Abschwächung äusserer Wellen mehr oder weniger regelmäissg gewählten Abständen Wellenumformer in die Leitung eingeschaltet wurden, mit denen die Abstrahlung gesteuert werden konnte. Dennoch bleibt festzustellen, dass wegen ihrer Empfindlichkeit gegen äussere Einflüsse wie beispielsweise Feuchtigkeit die bifilare Leitung ziemlich wenig benutzt wird.

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Auch sind verschiedene Arten von Koaxialkabeln bekannt, deren Aussenleiter mit öffnungen wie beispielsweise einem Längsschlitz über die gesamte Kabellänge hinweg und gar einer grösseren Zahl sehr nahe beieinander liegender Löcher versehen ist. Darüberhinaus gelangen Koaxialkabel mit lockerer Umklöppelung zum Einsatz. Solche Kabel sowie Versuche, denen sie systematisch unterzogen wurden, sind in der Veröffentlichung Ur. 6 beschrieben. Trotz der unterschiedlichen Ausbildung der öffnungen verhalten sich diese Kabel sehr ähnlich, doch hat man bis jetzt nur zum Teil eine Erklärung gefunden, warum sie abstrahlen. Die diesbezüglich durchgeführten Untersuchungen sind weitgehendst rein experimenteller Natur; es wurde auf diese Weise festgestellt, dass eine Vergrösserung der öffnungen zum Zwecke einer stärkeren Abstrählung zu einer grösseren Beeinträchtigung der !fortpflanzung führt, wobei unter vorgegebenen Versuchsbedingungen beobachtet werden konnte, dass gegenüber einem Kabel ohne derartige öffnungen diese Beeinträchtigung doppelt so gross sein kann. Dieser erste Nachteil ist auch der grösste, da er die Reichweite deutlich verringert. Ein zweiter nicht viel weniger ernster Nachteil ist darin zu sehen, dass das abgestrahlte Feld über die Länge des Kabels hinweg grosse Veränderungen bzw. Schwankungen im Verhalten der stark zufälligen stehenden Wellen bewirkt: aufgrund dieser Tatsache ist in den Rechnungen eine Sicherheitsspanne von ca. 20 dB zu berücksicl^igen, die ebenfalls die Reichweite beeinträchtigt. Schliesslich wurde festgestellt, dass die Stärke der Abstrahlung (Strahlung) sowie die Dämpfung der Fortpflanzung im Kabel Innern von den jeweiligen Einbaubedingungen abhängig sind; dies kann die Sicherheit bzw. Zuverlässigkeit des Systems je nach Entwicklung des Montageortes nachteilig beeinflussen. Eine der Zielsetzungen der vorliegenden Erfindung besteht darin, diese Mangel auszuschalten.

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Es gibt auch ein Koaxialkabel, dessen Leiter mit spiralförmig oder treppenartig angeordneten Schlitzen versehen ist, wobei diese Anordnung dafür gedacht ist, dass diese Schlitze zwecks Erregung und Abstrahlung den Stromfluss durch den äusseren Leiter mindestens teilweise unterbrechen. Bei einem Längsschlitz ist trotz des scheinbaren Gegenteils bei den im voraufgehenden Absatz erwähnten Zabeln eine Abstrahlung prinzipiell nicMt möglich. Die in den Zabeln des vorstehenden Absatzes und den hier behandelten Kabeln verwirklichten Prinzipien sind völlig verschieden: um jegliche Verwechslung auszuschliessen, sei an dieser Stelle ausdrücklich darauf hingewiesen, dass der Begriff "abstrahlendes Kabel" wie nachfolgend benutzt sich ausschliesslich auf die Kabelkategorie gemäss dem vorstehenden Absatz bezieht. Das Kabel mit spiralförmig oder treppenartig angeordneten Schlitzen gemäss Veröffentlichung Kr. 7 kann seinem Prinzip nach nur dann ordnungsgemäss funktionieren, wenn die J?req.uenz mehrere hundert MHz und der Zabeldurchmesser mindestens einige Zentimeter betragen. Es handelt sich also um eine zwar wertvolle_? aber auch teure Konstruktion. Die vorliegende Erfindung bezieht sich nicht auf Kabel dieser Art₀

Schliesslich umfasst der Stand der TeehLik noch ein Koaxialkabel, dessen Aussenleiter von einem völlig geschlossenen Mantel (einer völlig geschlossenen Panzerung) gebildet wird, wobei die Abstrahlung unter Anwendung des Prinzips der vollständigen Unterbrechung des äusseren Leiters sowie des Einsatzes von Schaltelementen erzielt wirdι dieses System ist beispielsweise in der Veröffentlichung ETr. beschrieben. Diese abstrahlenden Elemente sind in mehr oder weniger regelmässigen Abständen je nach Dämpfung der Wellen an der Kabelaussenseite angeordnet. Durch dieses System konnten zahlreiche schwierige Probleme zwar gelöst

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werden, doch sind in so lchen Fällen, da aufgrund der Einbaubedingungen oder der gegebenen Frequenz die Dämpfung der Wellen ausserhalb des Kabels sehr gross ist, eine grosse Zahl abstrahlender Elemente erforderlich, was die Kosten erhöht und die Betriebssicherheit verringert. Die vorliegende Erfindung bezweckt die Lösung dieses Problems gewissennassen durch eine Kombination dieses Systems mit abstrahlenden Kabeln=

Erfindungsgemäss wird ein Koaxialkabel eingesetzt, dessen Aussenleiter ein völlig geschlossener Mantel (eine völlig geschlossene Panzerung) ist mit Ausnahme bestimmter Abschnitte von vorbestimmter Länge, die hinsichtlich des äusseren Leiters aus abstrahlenden Kabeln bestehen und sich in mehr, oder weniger regelmässigen Abständen je nach Dämpfung bzw. Abschwächung der Wellen an der Kabelaussenseite wiederholen. Erfindungsgemäss wird die Länge dieser Abschnitte so berechnet, dass die stehenden Wellen an der Aussenseite des Kabels reduziert werden. In einer Abwandlung der Erfindung wird eine gemantelte (gepanzerte) bifilare Leitung eingesetzt, bei welcher der Mantel (die Panzerung) im Bereich von Abschnitten mit vorgegebener Länge weggelassen ist bzw. so verändert wurde, dass die monofile Wellen form (Welle) erzeugt wird.

Zum besseren Verständnis der Erfindung sei diese nunmehr auf der Basis der (mit Bezug auf die) lediglich als Beispiel anzusehenden beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Hierin bedeutet:

Fig. 1 eine idealisierte Schemaansicht des Querschnitts einer Untertagestrecke, in welcher ein abstrahlendes Kabel installiert ist;

Fig. 2 eine Zusammenfassung der zur Untersuchung der Funktionsweise eines aus einem abstrahlenden Kabel gebildeten Abschnitts und insbesondere zur Berechnung der monofilen Wellenform herangezogenen Grossen;

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Figur 3 eine zusammenfassende Darstellung der zur Berechnung des Abstrahlungsdiagramms (Strahlungsdiagramms) herangezogenen Grossen;

Figur 4 eine Darstellung von zwei Anordnungen einer bifilaren Leitung in Wandnähe j und

Figur 5a, 5b und 5c jeweils die Darstellung eines Systems mit einem gemantelten (gepanzerten) bifilaren Leitungsabschnitt zur Erzeugung der monofilen Wellenform.

Um das funktioneile Verhalten eines in ein nicht abstrahlendes Kabel eingeschalteten strahlenden Kabelabschnitts verstehen zu können, bedarf es einer physikalisch exakten Erklärung der Funktionsweise abstrahlender Kabel im allgemeinen. Zunächst sei einmal der Fall eines abstrahlenden Kabels untersucht, das in einer Untertagestrecke installiert ist und mit einer Frequenz betrieben wird, die unterhalb der kritischen Frequenz liegt. Figur 1 zeigt den Querschnitt der Strecke 1, in welcher das aus einem nicht geschlossenen Aussenleiter 2, einem Nichtleiter 3 mit der Dielektrizitätskonstante ξ und einem Innenleiter 4 bestehende Koaxialkabel montiert ist. Der Abstand zwischen dem Messpunkt P und dem Mittelpunkt des Innenleiters ist mit ft bezeichnet.

Gemäss einer ersten Möglichkeit zur Lösung des Problems
bedient man sich der Theorie der gekoppelten Leitungen
(Veröffentlichung Nr. 8), wonach es zwei über im Aussenleiter eines Koaxialkabels vorhandene Öffnungen gekoppelte
"Übertragungs"-Wellenformen (leitungsgebundene Wellenformen) gibt. Es handelt sich hierbei*"1eitungsgebundene" *um Übertragungen in dem Sinne, dass sie durch Spannungen
und Stromstärken (Ströme) und nicht durch elektromagnetische Felder bestimmt sind. Die erste dieser Wellenformen, koaxiale Wellenform genannt, ist dadurch gekennzeichnet,

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AA

dass die Stromzuführung über den Innen- und die Stromrückführung über den Aussenleiter erfolgt und dass Spannung zwischen diesen beiden Leitern vorhanden ist. Die zweite als monofil "bezeichnete Wellenform weist als besondere Merkmale die Stromzufuhr über die Streckenwandung und die Stromrückführung ebenfalls über den Aussenleiter des Kabels und das Vorhandensein von Spannung zwischen Wand und Aussenleiter auf. Die Kombination dieser beiden Wellenformen ergibt sich über eine gegenseitige Induktivität pro Längeneinheit, die mit m bezeichnet ist und Übertragungsinduktivität des Aussenleiters genannt wird. In Veröffentlichung Nr. 9 ist ein klassisches Verfahren zur Messung dieses Parameters beschrieben. Nach dieser Theorie finden die Wechsel zwischen den beiden Wellenformen über die gesamte Kabellänge hinweg und pseudoperiodisch statt. Im Nachfolgenden werden diese beiden Wellenformen als "unrein" bezeichnet, da sie aufgrund ihrer Kopplung nicht jede für sich bestehen können.

Nach einer alternativen Theorie gemäss Druckschrift Nr. bedient man sich ebenfalls zwei' er Wellenformen, die hier jedoch als elektromagnetische Felder definiert sind. Diese Wellenformen sind zur Unterscheidung von den erstgenannten als reine koaxiale und reine monofile Wellenform bezeichnet, denn sie sind nicht kombiniert (gekoppelt) und hängen hinsichtlich ihrer Existenz einzig und allein von den an beiden Leitungsenden herrschenden Bedingungen ab. Die reine koaxiale Wellenform verteilt den Grosstel ihrer Energie zwischen dta Innen- und Aussenleiter, besitzt jedoch auch Streufelder

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ausserhalb des Kabels. Die reine monofile Wellenform dagegen gibt den grössten Teil der Energie nach aussen, besitzt jedoch auch Streufelder im Kabelinnern. Hieraus ergibt sich, dass ein mit dem Zabel verbundener Generator oder eine im Querschnitt der TJntertagestrecke installierte Antenne notwendigerweise zur Erregung der beiden reinen Wellenformen führen muss, die sich jedoch völlig unabhängig voneinander ausbreiten, soweit keine Sprungstelle wie beispielsweise eine Veränderung der Kabellage im Streckenquerschnitt oder am Kabelende ins Spiel kommt.

Die Veröffentlichung Nr. 10 zeigt, dass die Theorie der gekoppelten Leitungen und die Theorie der reinen Wellenformen gleichwertig sind, doch während die erste gut für eine rechnerische Bestimmung geeignet ist, gibt sie keinen Aufschluss über fundamentale physikalische Phänomene wie dies die zweite tut. Mit der letztgenannten Theorie lässt sich der Mechanismus der Verbindung zwischen einem mit einem Koaxialkabel verbundenen Sende r und einem innerhalb der Strecke beweglichen Empfänger erklären und können Schlussfolgerungen gezogen werden, welche die vorliegende Erfindung rechtfertigen. Ein solcher Sender erzeugt hauptsächlich die reine koaxiale Wellenform, aberauch die reine monofile Wellenform, wenngleich mit geringerem Energiepegel. Die Verteilung der Felder dieser Wellenformen auf beiden Seiten des Kabelaussenleiters ist jedoch sehr unterschiedlich, so dass im geringen Abstand vom Sender die Streufelder der reinen koaxialen Wellenform und die Hauptfelder der reinen monofilen Wellenform in Grössenordnungen an einem im Querschnitt der Strecke gelegenen Punkt anstehen können, die nahe beeinander liegen. Diese beiden Wellenformen besitzen Phasaigeschwindigkeiten von unterschiedlicher Höhe, und zwar in etwa gleich Lichtgeschwindigkeit im Nichtleiter J> des Kabels bzw. in Luft, so dass bei Verschiebung

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des Punktes P parallel zur Streckenachse Phasengleichen und G-egenphasen zu beobachten sind, bei denen es sich also um stehende Wellen handelt, die nach der Theorie der kombinierten oder gekoppelten Wellenformen irrtümlich als wechselweiser Energieaustausch interpretiert worden sind. Mit fortschreitender Entfernung zwischen Messpunkt und Sender jedoch schwächt sich die reine
monofile Wellenform sehr schnell ab, weil ein starker Stromfluss in der Streckenwandung induziert wird, die eine nur geringe Leitfähigkeit hat. Das Profil der
stehenden Wellen ist deshalb schnell verschwunden und es sind bald nur noch die Streufelder der reinen koaxialen Wellenform übrig, die weit weniger abgeschwächt wird. Hierau s kann geschlossen werden, dass abstrahlende
Kabel weitgehend die reine koaxiale Wellenform führen und Streufelder aufweisen und bei ihnen weit weniger die reine monofile Wellenform zu verzeichnen ist, wenn sie mit Frequenzen unterhalb der kritischen Frequenz der
Strecke eingesetzt sind.

Hieraus ergibt sich bei abstrahlenden Kabeln ein grosser Nachteil, nämlich eine Zunahme der spezifischen Dämpfung des Kabels: durch Vergrösserung der Abstrahlung eines solchen Kabels nämlich, indem die Abmessungen der Öffnungen des Aussenleiters vergrössert werden, ergibt sich eine Verstärkung der Streufelder der reinen koaxialen Wellenform, die notwendigerweise Ströme in der Wandung der Strecke mit sich bringt, so dass hieraus resultierend eine zunehmende Dämpfung oder Abschwächung dieser
Wellenform zu verzeichnen ist.

Zur Ausschaltung dieses Effekts wird erfindungsgemäss eine monofile Wellenform eingesetzt, die sich an der
Aussenseite eines mit einer entsprechenden Mantelung
(Panzerung) versehenen Koaxialkabels ausbreitet, und
werden abstrahlende Kabelabschnitte zur Erzeugung dieser

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Wellenform benutzt. Hinsichtlich Einschaltung eines abstrahlenden Abschnitts in ein nicht abstrahlendes Koaxialkabel wird auf Figur 2 verwiesen, in welcher die Längskoordinate mit dem Bezugszeichen z_ bezeichnet und der abstrahlende Abschnitt zwischen die Abszissen ζ ss 0 und z=L eingeschaltet ist. Es wird angenommen, dass ein Signalgeber bei ζ \ 0 an das Kabelinnere angeschlossen ist. Die Berechnung dieser Konstruktion lässt sich mit Hilfe der unreinen Wellenformen und Anwendung hierauf der Theorie der gekoppelten Leitungen für O\z^L erstellen. Die Rechenergebnisse werden als Wellen (deren Modulquadrat die Leistung darstellt) der unreinen koaxialen und monofilen Wellenform ausgedrückt. Die sich in Richtung £ positiv fortpflanzenden Wellen sind mit A(s) und A_m(z) und die sich in Richtung ζ negativ ausbreitenden mit B (z) und B_m(z) bezeichnet; der Generator liefert die Welle A_(0), die als Einheit (mit Eins) angenommen wird. Es bedeuten weiterhin: 1 , 1 = die spezifischen Induktivitäten der beiden Wellenformen;

jp t ft = die ]?ortpflanzungsmasse der beiden Wellenformen; A ft =s die Phasenmasse der beiden Wellenformen; m = die Übertragungsinduktivität des Aussenleiters im abstrahlenden Abschnitt;

£, = die Dielektrizitätskonstante des Nichtleiters des Kabels.

Durch Bestimmung der beiden Kopplungskoeffizienten:

(2)

1/4

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erhält man die Formeln der monofilen Wellenformen progressiv und regressiv entlang des Streu(feld)abschnitte, d.h. für o4z4L: _ », -

V Vi

—Λ Z —Λ Z I

c ml ι η \ e - e J (3)

^Bm^{(z) β C}2 L^e " ^e

Denkt man an den Einsatz der vorbekannten abstrahlenden Kabel, in welehem Falle L unendlich ist, so lässt sich ohne weiteres feststellen, dass der Übergang vom völlig gescMossen ummantelten Kabel zum abstrahlenden Kabel über dessen Länge die Welle (3) sowie das erste Glied der Welle (4) erzeugt; die in diesen Formeln erscheinenden Koeffizienten ermöglichen hier die Differenzierung der reinen Wellenformf eider. Wie ersichtlich, erfolgt die Erregung der Streufelder der reinen koaxialen Wellenform

ρ ρ

mit einer Leistung (O₁ + C₀) und der Hauptfelder der

2 reinen monofilen Wellenform mit einer Leistung C-,. Da Cp viel kleiner ist als G*_t wie später noch zu sehen sein wird, werden diese beiden Feldtypen am Anfang eines abstrahlenden Kabels mit weitgehend gleichen Stärken erzeugt, wie dies auf Seite 9 bereits dargelegt wurde.

Zurückkommend auf den Fall eines abstrahlenden Abschnitts von geringer Länge kann man nunmehr die Abschwächungen bzw. Dämpfungen der beiden Wellenformen entlang demselben vernachlässigen und die Formeln (3) und (4) wie folgt schreiben:

[x -

Man beachte, dass entlang dem Kabel rechts vom abstrahlenden Abschnitt (z^L) erzeugte monofile Wellen nach der Formel

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bestimmt sind, weil sie nicht mehr nut der koaxialen Wellenform gekoppelt sind. In gleicher Weise ergeben sich die links vom abstrahlenden Abschnitt (z-\0) erzeugten Wellen aus der Gleichung:

^Bm^{(z) = B}m <^{0) e} <⁸⁾

Unter Nichtberücksichtigung der Phasen ergibt sich als effektives Ergebnis dieser Untersuchung also, dass ein abstrahlender Abschnitt nach rechts eine monofile felle mit der Amplitude:

A_m = 2C₁ sin(f _m-/*_c)L/2 (9)

und nach links eine solche mit der Amplitude:

B_m= 2C₂ sin φ _m+P_c)V2 (10)

erzeugt.

Die Prüfung von (1) und (2) zeigt, dass der Koeffizient (das Mass) C. viel grosser als C₂ werden kann, wenn ein Kabel mit einer Isolierung, deren Dielektrizitätskonstante niedrig ist, benutzt wird. Der abstrahlende Abschnitt wirkt dann als Richtungskoppler, der hauptsächlich die monofile Welle vom Sender aus stromabwärts erzeugt. Diese Eigenschaft ist wesentlich, denn sie verhindert, dass die im bestimmten Abstand voneinander in das Kabel eingeschalteten beiden abstrahlenden Abschnitte monofile Wellen mit wenig unterschiedlichen Amplituden gegeneinander aussenden, was stehende Wellen hervorrufen würde, deren Vorhandensein die Berücksichtigung einer Spanne von ca. 2OdB in der Berechnung der Yerbindung erforderlich machen würde. Ausserdem muss darauf geachtet werden, dass die in den Formeln (9) und (10) ausgewiesenen Sinus-

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faktoren diesen Richtungseffekt nicht zu mindern vermochten. Diesbezüglich mass die Länge L in Abhängigkeit von der Arbeitsfrequenz gewählt werden, um zu erhalten;

Praktisch ist die Länge L gegeben als Funktion der Wellenlänge im freien Raum A₀ durch die Formel:

Wie ersichtlich ist der Durchlassbereich mit 3dB dieser Richtungskopplung eine Oktave.

Unter diesen Bedingungen ergibt sich die Amplitude der in Strömungsrichtung unterhalb des abstrahlenden Abschnitts erzeugten monofilen Welle aus der Formel:

= 2C₁ = ^₇S=. ^ -~ (13)

d.h. mit 6 dB über dem Pegel, den die Streufelder der am Eingangsende eines abstrahlenden Kabels von unendlicher Länge in der üblichen Form erzeugten reinen koaxialen
Wellenform hätten. Der durch Einschalten eines abstrahlenden Abschnitts in ein normales Kabel zur Fortpflanzung im Innern desselben bedingte Verlust beträgtί

ρ = 10 log (1 -4-G^ - 4Cg) (^B) (14)

Dieser Verlust ist im "wesentlichen vernachlässigbar gering, Man beachte, dass die vorbeschriebene Theorie für die
Anwendung eines solchen Systems in einer Untertagestrecke für den Einsatz der monofilen Wellenform Gültigkeit besitzt, wenn ein solches System längs der Achse einer
Oberfläche, beispielsweise entlang einem Transpo.rtgleis, angeordnet ist.

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Die Figur 3 macht deutlich, warum und unter welchea Umständen ein erfindungsgemäss mit abstrahlenden Abschnitten versehenes nicht abstrahlendes Kabel gegenüber einem auf seine gesamte Länge abstrahlenden Kabel entsprechend dem Stand der Technik vorteilhaft ist. Diese Figur zeigt ein Diagramm der Leistungen in logarithmischen Einheiten als Funktion des Abstandes vom Sender· Die Gerade 5 stellt den Leistungspegel im Innern des nicht abstrahlenden Kabels dar, die Gerade 6 den Leistungspegel im Innern eines auf seine gesamte Länge abstrahlenden Kabels. Die Gerade 7 steht für den Leistungspegel einer monofilen Wellenform, die sich entlang einem erfindungsgemäss bei 9 mit abstrahlenden Kabelabschnitten versehenen nicht abstrahlenden Kabel fortpflanzt. Diese Figur berücksichtigt, dass ein auf gesamte Länge abstrahlendes Kabel eine Dämpfung aufweist, die grosser ist als bei einem nicht abstrahlenden Kabel« Liegt der für den Empfang durch die beweglichen Empfangsgeräte erforderliche minimale Pegel niedriger als der der Geraden 10, so hat das erfindungsgemässe System eine viel grössere Reichweite als ein dem Stand der Technik entsprechendes abstrahlendes Kabel. Die Schaffung dieser Bedingung richtet sich nach den Verhältnissen des jeweiligen Anwendungsfalles.

Die vorstehende Theorie hat Gültigkeit, wenn das Kabel unterhalb der kritischen Frequenz der jeweiligen Untertagestrecke benutzt wird. Oberhalb der kritischen Frequenz führt die Verwendung von abstrahlenden Abschnitten gemäss der vorliegenden Erfindung wegen der grossen Anzahl leitender Wellenformen, die sich fortpflanzen können, zu komplexen Phänomenen. Wie man sehen wird, ist diese Anwendungsform nichtsdestoweniger sehr interessant.

Der Einfachheit halber stelle man sich zunächst vor, dass das Kabel im freien Raum geführt ist. In dieser theoretischen Situation kann ein abstrahlendes und über seine gesamte Länge gleichartiges Kabel von unendlicher Länge zwei leitungsgebundene Wellen führen, die beide den Charakter einer Oberflächenwelle .(Bodenwelle) haben. Bei

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der ersten handelt es sich um. die klassische koaxiale Wellenform mit Streufeldern. Ihre Phasengeschwindigkeit wird von den Streufeidern nur wenig beeinflusst. Bei der zweiten Welle haben wir es mit einer Goubau¹ sehen Welle mit Streufeldern im Kabelinnern und dem grössten !eil der Energie ausserhalb des Kabels zu tunj ihre Phasengeschwindigkeit hängt im wesentlichen von der Art des äusseren Mantels des Kabelaussenleiters ab. Wenn das Phasenmass dieser 1eitangsgebundenen Wellen mit h bezeichnet ist, umfassen die Felder ausserhalfc &^ves Kabels zylindrische Harmonische, die von der Entfernung ρ von der Kabelachse entsprechend den Funktionen nach Bessel in der zweiten modifizierten Form K_n^ uf), und zwar ent- (?) sprechend:

abhängig sind,

wobei A₈ die Wellenlänge in luft bezeichnet. Auch ist bekannt, dass diese funktionen sich verhalten nach

-up

wenn f zu Unendlich tendiert. Eine solche leitungsgebundene Welle besitzt also Felder, die sich theoretisch bis ins Unendliche ausbreiten, bei denen aber der grösste Teil auf das Innere eines Zylinders beschränkt ist mit dem Radius:

0 1 K 1

¹ u 21 VWk

u 21L yth/kj^ - 1 Grundradius genannt. (rayon d'encombrement) ?

Bei der koaxialen Wellenform entspricht das Verhältnis (h/k₀) etwa der Dielektrizitätskonstante £ des inneren Nichtleiters (der inneren Isolierung) des Kabels und ist der Grundradius ein kleiner Teil der Wellenlänge.

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Bei der Goubau'sehen Wellenform sind die plastischen Aussenmäntel gewöhnlicher koaxialer Kabel so beschaffen, dass dieses Verhältnis im VHP- und UHF-Prequenzbereich in der Grössenordnung von 1.01 liegen kann; der Grundradius beträgt also mehrere Wellenlängen. Beispielsweise können diese Grundradien bei 450 MHz 15 cm bzw. 15 m ausmachen. Hierbei wäre zu bemerken, dass ein Kabel dieses Typs keine sich radial ausbreitenden Wellen abstrahlt, wenn keine Diskontinuitäten vorhanden sind, von denen die Wellen ausgehen könnten. Kabelanfang und Kabelende selbst bilden abstrahlende Diskontinuitäten.

Pur den nächsten Schritt der Beweisführung wird ein solches abstrahlendes Kabel in einer Untertagestrecke installiert. Bei Frequenzen unter 1 GHz, die für den Einsatz dieser Systeme üblich sind, ist der Grundradius der Goubau'sehen Welle stets grosser als die Querabmessungen der Strecke. Es versteht sich, dass diese Welle unter diesen Umständen die vorstehend betrachtete monofile Form aufweist; die Abschwächung ihrer Ausbreitung infolge der Wand (durch die wand bedingt) ist wegen der hohen Frequenz hier jedoch äusserst stark. Die gleiche Situation ergibt sich übrigens hinsichtlich der radialen Abstrahlung im Bereich der Diskontinuitäten, welche Kabelanfang und Kabelende bilden. Bleibt also nur die Betrachtung der koaxialen Wellenform. Beträgt der Abstand zwischen wand und Kabelaufhängepunkt mehr als der Grundradius der koaxialen Wellenform, so bleibt die wandung praktisch ohne Einfluss; es muss jedoch ergänzend bemerkt werden, dass ein ausserhalb des Grundradius befindlicher Empfänger nur ein äusserst schwaches Signal empfangen wird. Dies erklärt eine experimentelle Peststellung, gemäss welcher ein sogenanntes abstrahlendes Kabel bei 450 MHz scheinbar nicht mehr abstrahlte* wenn es mehr als 20 cm von der Wand aufgehängt war. Wenn der Abstand zwischen Kabel und Wand dagegen kleiner wird als der

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XÄ

Grundradius der koaxialen Wellenform, so bilden die zahlreichen Unebenheiten der Wand ebensoviele Diskontinuitäten., die zu einer radialen Abstrahlung führen. Gerade unter diesen Bedingungen verdient ein abstrahlendes Kabel wirklich seinen Namen. Selbst bei Aufhängung des Kabels weit von der Wand weg können die Kabelaufhängevorrichtungen den gleichen Effekt erzeugen.

Es ist klar, dass diese Brechung der Streufelder der koaxialen Wellenform durch die Wandunregelmässigkeiten Hand in Hand mit einem sehr schlechten Wirkungsgrad geht. Die Wandung absorbiert eine umso grössere Energie, je näher das Kabel an die Wand herangelegt wird bzw. je grosser die Abmessungen der im Aussenleiter ausgebildeten Öffnungen gewählt werden, um diesen Ablauf zu begünstigen. )ie starke Wechselwirkung, die so zwischen der Wand und den Feldern der koaxialen Wellenform erforderlich ist, stellt den Hauptgrund dar, warum die Dämpfung des Kabels stark zunimmt, wenn es Abstrahlungsbedlngungen ausgesetzt ist. Der zweite grossen Nachteil der vorbekannten abstrahlenden Kabel ist das Vorhandensein zahlreicher Strahlungsquellen, die sehr grosse (starke) stehende Wellen hervorrufen .

Erfindungsgemäss werden diese Einflüsse noch weiter reduziert durch Verwendung eines Koaxialkabels, dessen Mantel ausser im Bereich von Abschnitten von vorbestimmter Länge völlig geschlossen ist. Bei Anordnung des Kabels in einer Untertagestrecke und Einsatz desselben oberhalb der kritischen Frequenz derselben. x-'ird die monofile Wellenform zwar sicherlich noch erzeugt, doch braucht sie aufgrund der Tatsache, dass ihre Dämpfung oder Abschwächung bei hohen Frequenzen sehr stark ist, in der Praxis nicht besonders berücksichtigt zu werden. Zur Herstellung von Verbindungen mit mobilen Empfangsgeräten wird die radiale

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Strahlung des abstrahlenden Abschnitts herangezogen. Man beachte, dass diese Strahlung auf den Wandoberflächen reflektiert wird und dass das Gesamtfeld als aus leitenden wellenformen bestehend angesehen werden kann Für die Praxis Is t es jedoch zweckmässiger., jeden abstrahlenden Abschnitt als eine Antenne zu betrachten, deren Strahlung unter N:chtberücksichtigung (des Vorhandenseins) der Strecke untersucht werden kann; das Kabel darf jedoch nicht ausser Acht gelassen werden. Deshalb ist es zweckmässlg, die Strahlung eines abstrahlenden Kabelabschnitte zu untersuchen, der in ein im freien Raum angenommen installiertes Kabel von unendlicher Länge eingeschaltet ist. Es sind ausschliesslich die Ergebnisse dieser Untersuchung nachstehend wiedergegeben.

Das Kabel ist sehematisch in Fig. 4 dargestellt. Lässt man die Feinstruktur in unmittelbarer Nähe des Kabels unberücksichtigt, so sind die Felder umlaufsymmetrisch. Das auf grosse Entfernung R in einer vom Winkel 5 bestimmten Richtung abgestrahlte Feld besitzt eine geradlinige Polarisation entsprechend dem Vektor u_ß. Unter Einsatz der folgenden Parameter;
f = Arbeitsfrequenz
2a = Kabeldurehmesser

I = von der Seele des Koaxialkabels geführte Stromstärke h = Phasenmass der Goubau'sehen Welle, die sich aussen

am Kabel fortpflanzen kann
u = eine nach Formel (15) für die Goubau'sehe Welle

gegebene Veränderliche
C = (₁₇)

ι^^ug^a'

wobei die K-Funktionen die Funktionen nach Bessel in der zweiten modifizierten Form sind

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- 30 -

h = k^Vc = Phasenmass der koaxialen Wellenform c oit

H = Hankel-Funktion

lässt sich darstellen, dass das vom abstrahlenden Kabelabschnitt auf grossen Entfernung abgestrahlte Feld die folgende Stärke besitzt;

= (2fmk alL)

k_o asinQH_o ^{K J} (k_Q asin9) + CH₁ ^v '(k_Qasin0)

sin Γ (h -k cosO)L/27

-LJ- (18)

(h -k_Q cosO)L/2

Das Strahlungsdiagramm ist umlaufsymmetrisch und ergibt sich aus den beiden letzten Faktoren der Gleichung (l8). Der erste dieser Faktoren ist abhängig von den Parametern der Goubau'sehen Welle über den Faktor C, doch zeigen die durchgeführten numerischen Berechnungen, dass es bei den äusseren plastischen Mänteln der unterschiedlichsten Koaxialkabel sowie bei Frequenzen zwischen ^O und 500 MHz nur sehr wenig Änderungen in den einschlägigen Strahlungsdiagrammen gibt. Dieser Faktor gibt stets Anlass zu Strahlendiagrammen der Art wie durch die Kurve 11 dargestellt, wobei die Strahlungswinkel 0 _ov zwischen 7 und

in 3.x

10 Grad variieren. Der letzte Faktor gemäss Formel (18) ermöglicht durch sorgfältige Wahl der Länge L die Erstellung eines Strahlungsdiagramms, das etwa Herzform besitzt, wie dies die Kurve 12 ausweist; auf diese Weise lässt sich der Hinterlappen des zweiten Faktors gemäss (l8) sehr stark verringern und von der Form der Kurve ausgehend ein Strahlungsdiagramm erstellen. Hierbei ist L so anzunehmen, dass (h + k )l/2 nahe bei Tt- liegt,

Cm· \J

was den Hinterlappen stark reduziert und die Strahlung nach vorne maximiert. Andere Werte können jedoch für L eingesetzt werden, wenn andere Richtcharakteristiken

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(Richtungseinflüsse) untersucht werden sollen. Eine nähere Prüfung von (l8) zeigt, dass eine niedrige Dielektrizitätskonstante C der inneren Isolierung des Kabels zweckmässig ist.

Die soeben beschriebene Richtcharakteristik bietet die Föglichkeit, ein gegengerichtetes Abstrahlen der erfindungsgemäss in ein Kabel eingeschalteten abstrahlenden Abschnitte zu verhindern und die in der Strecke vorhandenen stehenden Wellen zu reduzieren, was gegenüber den vorbekannten abstrahlenden Kabeln einen wesentlichen Vorteil darstellt. Ausserdem erfolgt hier die Abstrahlung ohne unnütze Verluste, weil sich eine gewollte und kontrollierte Wirkung einstellt und diese nicht durch das Vorhandensein einer Wand bedingt ist. Dies ist ein weiterer Grund, warum sich das erfindungsgemässe System auch für oberirdische Einsätze eignet.

Die praktische Ausführung der Erfindung kann in verschiedenen Formen erfolgen. Zur Herstellung der abstrahlenden Abschnitte kann jede beliebige Art von abstrahlendem Kabel verwendet werden, wobei jedoch vorausgesetzt ist, dass zur Verhinderung eines übermässigen Energieverlustes die jeweiligen abstrahlenden Kabelabschnitte zweckmässigerweise den gleichen Wellenwiderstand wie das die Wellen leitende (führende) Kabel haben sollen. Unter Einsatz von Verbindern lassen sich die abstrahlenden Abschnitte in ein normales Kabel einschalten. Auch besteht die Möglichkeit, im Zuge der Herstellung bereits die abstrahlenden Abschnitte im Kabel auszubilden, indem an den jeweils gewünschten Stellen Öffnungen im Aussenleiter hergestellt werden.

Bisher wurde das Erfindungsprinzip ausschliesslich mit Bezug auf koaxiale Kabel beschrieben, doch gilt es gleichermassen auch für ein Kabel, das aus einer gemantelten bifilaren Leitung besteht. Diesbezüglich zeigt die Figur 5 zwei

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Ausführungen, die jedoch keinerlei Einschränkung darstellen sollen. Die Figuren 5a und 5b zeigen einen durch vollständige Wegnahme des Mantels hergestellten abstrahlenden Abschnitt; durch Anordnung der Leitung asymmetrisch zur Wand wie aus Figur 5a ersichtlich wird im Bereich des abstrahlenden Abschnitts die monofile Wellenform erzeugt, denn da die beiden Leiter sich asymmetrisch zur Wand befinden, erfolgt die Übertragung der entgegengerichteten Ströme mit Hilfe einer unreinen Wellenform. Wählt man dagegen eine symmetrische Lage wie in Figur 5t> dargestellt, so erhält man eine reine Wellenform und wird der monofile Wellentyp nicht erzeugt. Figur 5c zeigt den Querschnitt einer weiteren möglichen Ausfuhrungsform eines abstrahlenden Kabelabschnitts, bei welcher der Mantel auf einem Teil des Kabelumfangs weggelassen ist in der Weise, dass der restliche Mantel 14 eine Asymmetrie bildet; hier ergibt sich auch, eine unreine ^T>Tellenform für die Übertragung der entgegengerichteten Ströme durch die beiden Leiter, so dass der monofile Wellentyp entsteht. Man kann sich ohne weiteres auch andere Anordnungen vorstellen, durch welche eine Asymmetrie zwischen den beiden Leitungsdrähten hergestellt wird, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE:

/ l.jNachrichtenübertragungssystem, das in besonderer Weise zur Herstellung funkelektrischer Verbindungen mit oder zwischen in Untertagestrecken oder entlang einer oberirdischen Achse wie zum Beispiel eines Transportgleises beweglichen Sendern-Empfängern geeignet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die funkelektrischen Signale eine Übertragungsleitung aus gemanteltem Kabel mit abstrahlenden Abschnitten durchlaufen, deren Länge als Punktion (in Abhängigkeit von) der Wellenlänge gewählt ist, um ihrer radialen Strahlung (Abstrahlung) eine bestimmte Richtcharakteristik zu verleihen bzw. die Erzeugung der monofilen Wellenform stromabwärts zum Sender zu maximieren.
2. Nachrichtenübertragungssystem gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Übertragungsleitung um ein Koaxialkrbel handelt, in dem die abstrahlenden Abschnitte dadurch hergestellt sind, dass sich über die gesamte Länge des jeweiligen Abschnitts im Kabelaussenleiters eine durchgehende Öffnung oder eine Anzahl von als solche wirkenden nahe beeinander liegenden Öffnungen befinden.
5· Nachrichtenübertragungssystem gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsleitung eine gemantelte bifilare Leitung ist, bei welcher die abstrahlenden Abschnitte durch völlige oder teilweise Weglassung des Mantels, jedoch asymmetrisch zu den beiden Leitungsdrähten, ausgebildet sind.
4. Nachrichtenübertragungssystem gemäss Anspruch 1 bis ;5, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierung der Übertragungsleitung eine niedrige Dielektrizitätskonstante aufweist.

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