DE602006000193T2

DE602006000193T2 - Abstrahlendes Koaxialkabel

Info

Publication number: DE602006000193T2
Application number: DE602006000193T
Authority: DE
Inventors: Willy Pirard
Original assignee: Institut Scientifique de Service Public
Current assignee: Institut Scientifique de Service Public
Priority date: 2005-06-30
Filing date: 2006-02-15
Publication date: 2008-08-21
Anticipated expiration: 2026-02-16
Also published as: EP1742298A1; ATE377263T1; DE602006000193D1; ES2296262T3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen ein abstrahlendes Koaxialkabel, und im Besonderen ein abstrahlendes Koaxialkabel, welches gleichbleibend beabstandete Gruppen von Öffnungen zum Erzeugen elektromagnetischer Wellen aufweist.
Abstrahlende Koaxialkabel sind besonders geeignet, Funkkommunikationsverbindungen mit Mobilfunkgeräten in Innenräumen, wie etwa Tunnels, Bergwerken, U-Bahnanlagen und Gebäuden zu erlauben.
Das Verwenden abstrahlender Koaxialkabel in diesen Umgebungen ist besonders als Resultat der Entwicklung von Mobilkommunikationssystemen (Funkverbindungen, Mobiltelefon, Schnurlostelefon, drahtloses Computernetzwerk usw.) bedeutend.

Gegenwärtig arbeiten diese Mobilkommunikationssysteme in einem sehr breiten Spektrum, dessen Frequenzen auf internationaler Ebene zugewiesen sind. Beginnend mit den niedrigen Frequenzen sind die Bänder wie folgt zugeordnet (diese Zahlen haben reinen Beispielcharakter und können je nach Land variieren):

– 74 bis 87 MHz:	privater Mobilfunk;
– 88 bis 108 MHz:	FM-Rundfunk;
– 145 bis 175 MHz:	privater Mobilfunk;
– um 225 MHz:	digitaler Hörrundfunk (DAB);
– 380 bis 470 MHz:	private Mobilfunk- und TETRA-Netze;
– 824 bis 894 MHz:	TDMA-IS-54- und CDMA-IS-95-Mobilkommunikationsnetze;
– 870 bis 960 MHz:	GSM-900-, GSM-R- und TETRA-Mobilkommunikationsnetze;
– 1710 bis 1880 MHz:	GSM-1800-Netze;
– 1885 bis 2200 MHz:	UMTS-Netze.

Außerdem können derartige abstrahlende Koaxialkabel auch im Freien oder in Innenräumen verwendet werden, um die Funkversorgung in einem in Querrichtung schmalen Korridor entlang einer Achse einzugrenzen, z. B. einer Transportroute, einer Bahnstrecke, einem definierten Weg in einem Arbeitsbereich usw. Eingrenzen der Funkversorgung in einer gewissen Breite kann erforderlich sein, um Interferenz mit benachbarten Sendern, welche bei derselben Funkfrequenz arbeiten, zu vermeiden.
Verschiedene Arten abstrahlender Kabel sind bekannt; sie bestehen aus einem Koaxialkabel, welches einen Innenleiter umfasst, welcher von einem Dielektrikum umgeben ist, und einen Außenleiter in Rohrform. Der Außenleiter weist Öffnungen auf, welche eine elektromagnetische Strahlung erzeugen. Der Außenleiter ist von einem isolierenden Außenmantel umgeben.
Die Öffnungen in dem Außenleiter können von verschiedener Art sein, zum Beispiel ein Längsschlitz über die gesamte Länge des Kabels, oder zahlreiche kleine Löcher sehr nahe beieinander. Es gibt auch Kabel, in welchen der Außenleiter aus einem losen Geflecht besteht, oder manchmal aus einer Lage von Drähten, in einer Spirale um das Dielektrikum gewunden. Das gemeinsame Kennzeichen dieser Kabel ist, dass die gesamte Länge des Außenleiters Öffnungen aufweist, welche durch eine Distanz getrennt sind, welche beträchtlich kürzer ist als die Wellenlänge des abgestrahlten Signals. Alle diese Kabel arbeiten in einem Modus, bekannt als "gekoppelter Modus", und die abgestrahlte Energie breitet sich in einer Richtung parallel zu dem Kabel aus. Bei diesen Kabeln fällt das Signal, welches von der Empfangsantenne empfangen wird, rasch ab, wenn die Distanz zwischen der Antenne und dem Kabel steigt. Außerdem schwankt das empfangene Signal stark, wenn die Empfangsantenne entlang einem Weg parallel zu dem Kabel bewegt wird.
Eine neuere Technik schlägt Kabel vor, bekannt als "Kabel des abstrahlenden Modus", in welchen der Außenleiter Gruppen von Öffnungen aufweist, welche in einem konstanten Abstand s wiederkehrend sind, wobei dieser Abstand von derselben Größenordnung ist wie die Wellenlänge des abzustrahlenden Signals. Die von den Kabeln des abstrahlenden Modus erzeugte Strahlung breitet sich in einer radialen Richtung (1) aus, wobei sie einen Winkel ⊝1 mit der Kabelachse bildet, welcher zwischen 0° und 180° liegt.
Es ist in Fachkreisen bekannt, dass ein Kabel des abstrahlenden Modus einen Hauptmodus erzeugt, welcher sich in einer Richtung ausbreitet, welche einen Winkel ⊝1 mit der Achse des Kabels bildet; dieser Winkel ist gegeben durch die Formel
wobei:

s:: Abstand der Öffnungsgruppen (in Metern);
λ:: Wellenlänge des Signals in der Luft (in Metern);
εr:: relative Dielektrizitätskonstante des Kabels (Koeffizient).

Hier kann angemerkt werden, dass für praktische Zwecke die Ausdrücke Wellenlänge "in der Luft" und Wellenlänge "im freien Raum" als Synonyme erachtet werden können.
In dem obigen Ausdruck ist die Bezugsrichtung zum Messen von ⊝1 die Richtung des Kabelendes, welches von dem Hochfrequenzgenerator gespeist wird, wie durch die beiliegende 1 illustriert.
Ein Kabel des abstrahlenden Modus arbeitet auf diese Weise in einem Band von λStart bis λEnde, wobei λStart und λEnde jeweils ⊝1 = 0 und 180° entsprechen. Diese Wellenlängen (in der Luft) λStart und λEnde sind jeweils mit den Frequenzen fStart und fEnde (in MHz) verbunden, durch
Es ist in Fachkreisen bekannt, dass das Verhältnis fEnde/fStart gegeben ist durch
Bei dem gewöhnlich zwischen dem Innen- und Außenleiter verwendeten Dielektrikum liegt
im Allgemeinen zwischen ≅ 1,1 und ≅ 1,15.
Folglich variiert fEnde/fStart zwischen ≅ 14 und ≅ 21.
Im hier Folgenden sind die meisten Berechnungen für
= 1,136 durchgeführt, was der häufigste Wert bei gegenwärtig verwendeten Dielektrika ist. Es wäre allerdings hervorzuheben, dass die Schlüsse, die zu ziehen sind, im Allgemeinen auch gültig sind, wenn
nicht gleich diesem konkreten Wert ist.
Die beiliegende 1 zeigt die graphische Darstellung von ⊝1 in Gegenüberstellung zu f/fStart, berechnet für
= 1,136. Diese Figur zeigt, dass ⊝1 bei 0° beginnt, wo f gleich fStart ist. Danach steigt ⊝1 mit f bis auf 180° an, wo f = fEnde, was gleich 15,71 fStart ist. Unterhalb von fStart und oberhalb von fEnde arbeitet das Kabel in gekoppeltem Modus.
Verglichen mit Kabeln des gekoppelten Modus sind die Hauptvorteile der Kabel des abstrahlenden Modus:

– eine niedrigere Kopplungsdämpfung;
– eine Kopplungsdämpfung, welche in der radialen Richtung weniger rasch ansteigt;
– ein Feld, welches bei Bewegen parallel zu der Achse des Kabels weniger schwankt.

Allerdings ist es in Fachkreisen auch bekannt, dass der dritte obige Vorteil abhanden kommt, wenn die Frequenz 2 fStart erreicht, wenn einige Vorkehrungen nicht getroffen sind, da ein Modus zweiter Ordnung auftritt, welcher sich in einer Richtung ⊝2 ausbreitet, die anders ist als ⊝1, und welcher mit dem Hauptmodus interferiert. Entsprechend der Beziehung (1), ist ⊝1 ≅ 94° (für
= 1,136), wenn f = 2 fStart. Wenn f weiter ansteigt, tritt ein dritter Modus auf, wenn f = 3 fStart, und so weiter, für alle Vielfachen von fStart. Als Folge sind, je höher die Frequenz, desto zahlreicher die sekundären Moden, welche sich alle in unterschiedlichen Richtungen ⊝i ausbreiten. Diese Interferenzen zwischen dem Hauptmodus und den sekundären Moden führen zu ziemlich großen Feldstärkeschwankungen entlang dem Kabel.
Betrachten wir zuerst den Fall schmalbandiger abstrahlender Kabel, d. h. der Kabel, welche nur bei einer Frequenz oder bei mehreren sehr nahe beieinander gelegenen Frequenzen verwendet werden (das ist der Fall, wenn das Kabel nur für eine der oben aufgelisteten Funkkommunikationsverbindungen verwendet wird), so wurden Kabel des Standes der Technik im Allgemeinen gestaltet, den Winkel ⊝1 sehr nahe an 90° aufzuweisen, in dem Frequenzband, für welches das Kabel beabsichtigt ist. Die Hauptgründe liegen im Vermeiden des sekundären Modus, welcher für ⊝1 höher als etwa 94° auftritt, und auch darin, dass, bei den meisten Öffnungsarten die Strahlung in den Richtungen beinahe parallel zu der Kabelachse absinkt (d. h. bei ⊝1 nahe bei 0° oder 180°).
Formel (1) gibt an, dass Wählen eines Abstands s ≅ λ bewirkt, dass ⊝1 90°, wenn
≅ 1. Das ist der Grund dafür, dass schmalbandige abstrahlende Kabel des Standes der Technik mit dem Abstand der Öffnungsgruppen annähernd gleich der Wellenlänge (in der Luft), für welche das Kabel beabsichtigt ist, gestaltet sind.
Die beiliegende 2 illustriert eine spezifische Ausführungsform derartiger schmalbandiger abstrahlender Kabel; in dieser Ausführungsform weist jede Öffnungsgruppe zwei in entgegengesetzte Richtungen geneigte Schlitze auf, und der Gruppenabstand ist annähernd gleich der Wellenlänge.
Betrachten wir nun den Fall breitbandiger abstrahlender Kabel, das heißt Kabel, welche zufrieden stellende Leistungen in dem Frequenzband bringen müssen, welches mehreren Mobilkommunikationsanwendungen zugewiesen ist, so besteht das zu lösende Hauptproblem in den Feldschwankungen auf Grund der Interferenz, welche durch die an früherer Stelle beschriebenen sekundären Moden herbeigeführt wird. Mehrere Lösungen sind vorgeschlagen worden, um die sekundären Moden zu unterdrücken oder ihre Intensität auf ein akzeptables Maß zu reduzieren, wenigstens auf einem Frequenzband von 2 fStart bis k × fStart, wobei k von der Effizienz der Lösung abhängt. Im Allgemeinen variiert k von 3 bis 5 oder sogar 7, bei den besten Lösungen. Nehmen wir Bezug auf 1, so bedeutet das, dass die Leistungen sich verschlechtern (dass es große Feldstärkeschwankungen entlang dem Kabel gibt), wenn ⊝1 115°, 135° oder 145° übersteigt, bei k jeweils gleich 3, 5 und 7 und bei
= 1,136.
Es ist zu erwähnen, dass, wenn
≅ 1,1, die Werte ⊝1, welche k gleich 3, 5 und 7 entsprechen, jeweils 114°, 133° und 143° sind; diese Werte liegen nahe an jenen, welche erhalten werden für
= 1,136. Ähnliche Schlüsse gelten, wenn
= 1,2.
Die beiliegende 1 zeigt auch, dass ⊝1 sehr rasch von 0° auf 35° ansteigt, wenn f von fStart auf 1,1 fStart ansteigt. Dieses Band ist zu schmal, um in der Praxis von irgendeinem Interesse zu sein, und das führt dazu, dass breitbandige abstrahlende Kabel des Standes der Technik im Allgemeinen gestaltet sind, ⊝1 zwischen ≅ 35° und einem Winkel ⊝max gelegen aufzuweisen, welcher in einem Bereich zwischen 115° und 145° liegt (⊝max hängt von der Effizienz der Lösung ab, die verwendet wird, um die sekundären Moden zu unterdrücken oder abzuschwächen), in den Frequenzbändern, für welche sie beabsichtigt sind. Das bedeutet auch, dass (im besten Fall) die Richtung ⊝1, in welcher sich die von dem abstrahlenden Kabel erzeugte Welle ausbreitet, innerhalb eines Winkels von etwa 110° liegt, mit Zentrum auf der Richtung normal zu der Kabelachse.
Als eine Folge sind breitbandige abstrahlende Kabel des Standes der Technik gestaltet durch Wählen des Abstands s der Öffnungsgruppen, um ⊝1 zwischen ≅ 35° und ⊝max gelegen aufzuweisen, in den Frequenzbändern, für welche das Kabel beabsichtigt ist. Derartige Kabel können bei Frequenzen verwendet werden, wo ⊝1 > ⊝max, doch die Leistungen verschlechtern sich, auf Grund von Interferenzen zwischen dem Hauptmodus und unzureichend abgeschwächten sekundären Moden.
Die folgenden spezifischen Dokumente illustrieren den Stand der Technik, auf welchen im hier Vorstehenden Bezug genommen ist.
DE-A-2 812 523 beschreibt ein Muster, welches, mit dem Ziel, ein periodisches Profil in der Richtung der Achse des abstrahlenden Kabels herzustellen, aus Öffnungen derselben Größe und derselben Form besteht, deren Dichte periodisch entlang dem Kabel variiert. Wie der Inhaber dieses Patents angibt, besteht der Zweck eines derartigen Musters darin, ein periodisches Profil der Strahlungsintensität in der Richtung der Achse des Kabels herzustellen. Ferner gibt dieses Dokument nicht die Ausdehnung des Frequenzbands an, in welchem die sekundären Moden abgeschwächt sind.
GB-A-1 481 485 beschreibt ein periodisches Muster, welches aus zwei Hauptschlitzen und vier Nebenschlitzen besteht. Die Nebenschlitze sind an beiden Seiten jedes Hauptschlitzes angebracht. In dieser Vorrichtung sind die sekundärem Moden, welche bei den Frequenzen auftreten, welche zwischen fStart und 5 fStart liegen, vernachlässigbar und nahezu null. Ferner würde ein größeres Muster zehn Schlitze aufweisen und wäre folglich in der Praxis schwierig herzustellen, da die Gesamtlänge der Schlitze so wäre, dass sie die mechanische Festigkeit des Außenleiters schwächen würde.
FR-A-2 685 549 beschreibt ein Muster, umfassend N Öffnungen, deren nutzbares Frequenzband zwischen fStart und N × fStart liegt.
Die in diesen letzten zwei Dokumenten beschriebenen Muster weisen den Nachteil auf, dass die Öffnungen beinahe über die gesamte Länge des Kabels vorhanden sind, was die Auswirkung hat, die mechanische Festigkeit zu reduzieren. Es ist in der Tat wohl bekannt, dass Verformungen des Kabels oder der Öffnungen in dem Außenleiter die erhaltenen Leistungen stark beeinträchtigen können. Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Lösungen besteht in der Schwierigkeit, lange, geneigte Schlitze mit unterschiedlichen Neigungen an gewissen Arten von Kabelkonstruktionen herzustellen.
DE-G-9 318 420 beschreibt eine Lösung, welche einen gewellten Außenleiter verwendet. Nicht erwähnt ist das Eliminieren sekundärer Moden.
EP 0 765 002 A2 beschreibt eine Lösung für ein schmalbandiges Kabel, welches ein periodisches Muster verwendet, welches aus zwei komplementären Schlitzen besteht, langgestreckt in der axialen Richtung. Der Musterabstand ist annähernd gleich einer Wellenlänge, um in einer Richtung ⊝1 nahe 90° abzustrahlen.
US 6,292,072 B1 beschreibt eine Lösung für ein breitbandiges Kabel des gekoppelten Modus, welches Gruppen von Öffnungen verwendet, welche durch einen Abstand getrennt sind, welcher zwischen 8 und 10 m variiert. Eine derartige Ausführungsform weist die Nachteile eines Kabels des gekoppelten Modus auf.
WO 99/17401 beschreibt eine Lösung für ein Kabel des abstrahlenden Modus, welches auf einem Prinzip beruht, ähnlich dem in 2 gezeigten, in welchem jedoch jeder geneigte Schlitz durch eine Gruppe runder oder langgestreckter Löcher ersetzt ist.
BE 1 010 528 ( US 5,705,967 A ) beschreibt ein abstrahlendes Kabel, welches in radialer Richtung für ein spezifisches Frequenzband arbeitet, welches einen Außenleiter umfasst, versehen mit einem periodischen Muster von Öffnungsgruppen, mit einem Abstand p gleich
wobei λ die Wellenlänge der niedrigsten Frequenz ist, bei welcher das Kabel in abstrahlendem Modus arbeitet, und εr die Dielektrizitätskonstante des Kabels ist. Die Länge des periodischen Musters ist gleich p/2, und die Anzahl an Öffnungen in jeder Gruppe liegt in einem Bereich von 1 bis hin zu 12.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes schmalbandiges abstrahlendes Kabel vorzulegen, welches eine geringe Kopplungsdämpfung über ein Frequenzband von etwa einer Oktave zeigt.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes schmalbandiges abstrahlendes Kabel vorzulegen, welches geringe Feldstärkeschwankungen über ein Frequenzband von etwa einer Oktave zeigt und daher das Erreichen niedriger Bitfehlerraten erlaubt, wenn es für digitale Kommunikationen verwendet wird, und Verzerrungen minimiert, wenn es für analoge Kommunikationen verwendet wird.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein breitbandiges abstrahlendes Kabel vorzulegen, welches ein großes Band vorsieht, in welchem die Leistungen vergleichbar sind mit breitbandigen Kabeln des Standes der Technik, und ein Band, dessen Ausdehnung etwa eine Oktave beträgt, in welchem das Kabel eine niedrigere Kopplungsdämpfung und geringere Feldstärkeschwankungen bringt.
Es hat sich in der Tat überraschenderweise gezeigt, dass, gemäß der vorliegenden Erfindung, die vorgenannten Ziele erreicht werden können durch Vorlegen eines abstrahlenden Koaxialkabels, welches eine Reihe von Öffnungen aufweist, wiederholt in einem konstanten Abstand s, sehr spezifisch auf eine solche Weise ausgewählt, dass ⊝1 in dem Intervall zwischen etwa 150° und 180° variiert, in dem höchsten Frequenzband, für welches das Kabel beabsichtigt ist.
Für die ausführliche Beschreibung der Öffnungsmuster beziehen sich die Ausdrücke "axiale Richtung" und "Querrichtung", wie in diesem Kontext verwendet, jeweils auf die Richtung parallel und normal zu der Kabelachse.
Der Ausdruck "Reihe von Öffnungen", wie in diesem Zusammenhang verwendet, bezieht sich auf jegliches periodische Muster von Öffnungen, welches n identische oder ähnliche einzelne Öffnungen umfasst, wiederholt entlang der Länge des Außenleiters, oder welches n identische oder ähnliche Öffnungssätze umfasst, wiederholt entlang der Länge des Außenleiters, wobei ein Öffnungssatz identische oder unterschiedliche Öffnungen (nicht notwendigerweise in der axialen Richtung oder Querrichtung ausgerichtet, wie zum Beispiel illustriert in den 6 bis 9, beiliegend diesem Text der Spezifikation) umfassen kann, welche sich kollektiv, für die Zwecke dieser Erfindung, wie eine einzelne Öffnung verhalten, und welche, in weiterer Folge in diesem Text als "Öffnungssätze" bezeichnet sind.
Diese Erfindung legt also ein Koaxialkabel des abstrahlenden Modus vor, wie definiert in Anspruch 1, umfassend einen Außenleiter, welcher mit einer periodischen Öffnungsreihe versehen ist, umfassend mehrere (n) Öffnungen oder Öffnungssätze, wiederholt entlang der Länge des Außenleiters, wobei ein konstanter Abstand s das linke Ende der ersten Öffnung einer Reihe und das linke Ende der ersten Öffnung einer nächsten Reihe trennt, wobei jede Reihe wenigstens 10 Öffnungen oder Öffnungssätze umfasst, wobei die (globale) Länge L (in mm) der Öffnungen oder Öffnungssätze größer ist als (10 D/n)1/2, wobei D der Durchmesser des Kabels (in mm) ist, und wobei der Öffnungsabstand d größer ist als 1,5 w, wobei w die Breite der Öffnungen oder Öffnungssätze ist, und wobei der Abstand s zwischen aufeinander folgenden Reihen so ausgewählt ist, dass
wobei λopt.1 und λopt.2 die obere und die untere Grenze des optimalen Wellenlängenbereichs darstellen, für welchen das Koaxialkabel des abgestrahlten Modus gestaltet ist, und wobei εr die relative Dielektrizitätskonstante des abstrahlenden Kabels ist.
Die Länge L von Öffnungen, wie in diesem Kontext verwendet, bezieht sich auf den Fall, in welchem die Reihe n einzelne Öffnungen aufweist, und wird in der Querrichtung gemessen und entspricht der Länge des Kreisbogens, wobei die "globale" Länge L der Öffnungen sich auf den Fall bezieht, in welchem die Reihe n Öffnungssätze aufweist, und definiert ist durch: L = Σ Li wobei Li die Länge des Kreisbogens, in der Querrichtung, der Öffnungsanzahl i in einem Satz ist.
Die "Öffnungsbreite w'', wie in diesem Kontext verwendet, wird in der axialen Richtung gemessen und entspricht der größten Breite der einzelnen Öffnung oder der Breite der breitesten Öffnung in einem Satz.
Der "Öffnungsabstand d'', wie in diesem Kontext verwendet, wird in der axialen Richtung gemessen und entspricht der Distanz zwischen der Querachse zweier aufeinander folgender Öffnungen oder Öffnungssätze.
Die beiliegenden 4 bis 9 zeigen, wie diese unterschiedlichen Größen gemessen werden, Bezug nehmend auf einige spezifische Ausführungsformen von einzelnen Öffnungen und Öffnungssätzen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Öffnungsabstand d konkreter gleich s/2n ± 20%.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der optimale Wellenlängenbereich, für welchen das Koaxialkabel des abstrahlenden Modus gestaltet ist, am geeignetsten im Wesentlichen einer Frequenzoktave entsprechen (mit λopt.2 = λopt.1/2), wobei s annähernd gleich 3,7 λopt.1 ist.
Entsprechend einem weiteren bevorzugten Kennzeichen der Erfindung kann die Reihe von Öffnungen konkreter eine Anzahl (n) an Öffnungen oder Öffnungssätzen von wenigstens 14 beinhalten.
Weitere Ausführungsformen und weitere Details der Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung deutlich, Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen, dabei illustrieren:
1 eine graphische Darstellung des Winkels ⊝1 in Gegenüberstellung zu f/fStart, berechnet für
= 1,136;
2 einen Öffnungsgruppenabstand gemäß dem Stand der Technik;
3 eine bevorzugte Ausführungsform des Abstands zwischen zwei aufeinander folgenden Reihen von Öffnungen gemäß der Erfindung;
4 bis 5 zwei bevorzugte Ausführungsformen von Öffnungsreihen, umfassend einzelne Öffnungen gemäß der Erfindung;
6 bis 9 mehrere bevorzugte Ausführungsformen umfassend Öffnungssätze gemäß der Erfindung.
1 illustriert die Tatsache, dass das Frequenzband für ⊝1, variierend von 150° bis 180°, annähernd einer Oktave entspricht (d. h. von etwa 7,9 fStart bis 15,71 fStart, wenn
= 1,136).
Die Ausdehnung des Bandes, in welchem ⊝1 von 150° bis 180° variiert, hängt ab von
Für den niedrigsten Wert von
d. h. ≌ 1,1, ist das Band leicht größer als eine Oktave; das Verhältnis der Grenzen dieses Bands beträgt ≅ 2,3. In der Beschreibung der Erfindung sei angenommen, dass dieses Band einer Oktave entspricht, selbst wenn es tatsächlich leicht größer ist, wenn
≅ 1,1 beträgt.
Es hat sich herausgestellt, dass, an dem unteren Ende der oben erwähnten Oktave (d. h. für ⊝1 ≅ 150°) die Kopplungsdämpfung 6 dB niedriger ist als für ein abstrahlendes Koaxialkabel des Standes der Technik, welches gestaltet ist, ⊝1 ≌ 90° aufzuweisen und dieselbe Längsabschwächung zu bringen. Die Kopplungsdämpfung sinkt weiter, wenn ⊝1 ansteigt, und der Gewinn entspricht 10 dB, mit ⊝1 ≅ 161°; die niedrigste Kopplungsdämpfung wird erhalten, wenn ⊝1 zwischen 170° und 180° liegt.
Ferner hat sich gezeigt, dass, für ⊝1 = 150°, die Feldstärkeschwankungen von Spitze zu Spitze typischerweise weniger als 3 dB betragen, wenn die Empfangsantenne für maximale Empfindlichkeit ausgerichtet ist.
Gestalten eines abstrahlenden Kabels, welches mit ⊝1 in dem Intervall zwischen etwa 150° und 180° arbeitet, erfordert ein exzellentes Unterdrücken oder Abschwächen sekundärer Moden bis hin zu der Frequenz ≅ 15,71 fStart mit
= 1,136 und bis hin zu ≅ 21 fStart mit
= 1,1.
Ein Abfall der Strahlungsintensität in der Richtung ⊝1 bei Annäherung an 180° ist auf Grund der Tatsache vermieden, dass die n Öffnungen oder Öffnungssätze vorzugsweise eine globale Länge L aufweisen müssen, welche die folgende Bedingung erfüllt: L > (10 D/n)1/2 (7)wobei D der Durchmesser des Kabels ist. In diesem Ausdruck sind L und D in mm ausgedrückt.
Um ein Beispiel zu nennen, beträgt, für ein Standardkabel, dessen Durchmesser 1 ¼'' ist (d. h. ≌ 33 mm), mit einer Reihe von 12 Öffnungen, die minimale Öffnungslänge etwa 5,25 mm, was 16% des Kabeldurchmessers entspricht.
Ein abstrahlendes Kabel gemäß der vorliegenden Erfindung kann auch bei niedrigeren Frequenzen (was ⊝1 < 150° entspricht) verwendet werden, jedoch sind die Leistungen leicht beeinträchtigt (höhere Kopplungsdämpfung und größere Feldstärkeschwankungen, verglichen mit den Ergebnissen bei ⊝1 = 150°). Folglich sieht ein breitbandiges abstrahlendes Koaxialkabel gemäß der vorliegenden Erfindung ein größeres Frequenzband vor als breitbandige Kabel des Standes der Technik.
Die beiliegende 3 zeigt eine der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Sie weist Reihen von n Queröffnungen auf, oder Schlitzen (mit n größer als 10 und vorzugsweise gleich oder größer als 14), wiederkehrend in einem konstanten Abstand s, gemessen zwischen dem linken Ende zweier aufeinander folgender Schlitzreihen. Der Schlitzabstand d ist gleich s/2n ± Δ (wobei Δ etwa 20% von s/2n darstellt), wie gezeigt in der beiliegenden 4. Es ergibt sich, dass die Distanz zwischen dem linken Ende des ersten Schlitzes und dem linken Ende des letzten Schlitzes, welche eine Reihe ausmachen, gleich (n – 1)s/2n ist. Die Reihe von Schlitzen ist gefolgt von einem Abschnitt ohne jeglichen Schlitz, wobei die Länge desselben gleich ist (n + 1)s/2n, wenn zwischen dem linken Ende des letzten Schlitzes einer Reihe und dem linken Ende des ersten Schlitzes der nächsten Reihe gemessen.
Die n Querschlitze müssen eine minimale Länge L (in mm) gleich (10 D/n)1/2 aufweisen, wobei D der Durchmesser des Kabels (in mm) ist, und der Schlitzabstand d größer als 1,5 w sein muss, wobei w die Breite der Öffnungen oder Öffnungssätze ist.
Der Abstand s muss so gewählt sein, dass ⊝1 ≌ 150°, an dem unteren Ende der Oktave, in welcher die Leistungen optimiert sein müssen; diese Oktave ist abgegrenzt durch die Frequenzen (in MHz) fopt und 2 fopt, welche jeweils den Wellenlängen (in der Luft) λopt und λopt/2 entsprechen.
λopt ist verbunden mit fopt durch den Ausdruck
Die Bedingung ⊝1 ≌ 150° bei Frequenz fopt kann, wenn wir Ausdruck (1) betrachten, geschrieben werden
Bei cos 150° = –0,866 und für
= 1,136 erhalten wir die folgende Bedingung:
Grundsätzlich sollte, wenn anders ist als 1,136, die Bedingung 10 neu berechnet werden. In der Praxis, allerdings, hat ein derartiger Unterschied nur geringe Auswirkung; in der Tat bewirkt ein Wählen von s ≌ 3,7 λopt bei
≌ 1,1, dass ⊝1 ≌ 146° beträgt, was weniger als 3% von dem Zielwert weg ist.
Es gibt eine zweite Bedingung, welche vorschreibt, dass ⊝1 = 180°, am oberen Ende des Frequenzbands, in welchem Leistungsoptimierung erforderlich ist, d. h. für λ = λopt/2. Aus 1 ist offensichtlich, dass diese Bedingung immer erfüllt ist, wenn s gemäß dem Ausdruck (10) gewählt ist.
Ein abstrahlendes Koaxialkabel gemäß der vorliegenden Erfindung, mit einem Abstand s gegeben durch den Ausdruck (10), sieht eine niedrige Kopplungsdämpfung und geringe Feldstärkeschwankungen vor, in der Oktave zwischen λopt und λopt/2.
Wenn die Optimierung auf einem Frequenzband erforderlich ist, welches weniger als eine Oktave beträgt, zum Beispiel zwischen der Wellenlänge λopt.1 und λopt.2 (mit λopt.2 > λopt.1/2), wird die Bedingung (10) zu s > oder = 3,7 λopt.1 (11)
Die zweite Bedingung, welche vorschreibt, dass ⊝1 < oder = 180°, ist erfüllt, wenn
Bei cos 180° = –1 erhalten wir für = 1,136
Wenn
≌ 1,1, dann ist diese Bedingung:
Für
= 1,136 ist der Abstand s innerhalb des Intervalls [≌ 3,7 λopt.1; ≌ 7,3 λopt.2] gewählt;
für
≌ 1,1 ist der Abstand s innerhalb des Intervalls [≌ 3,7 λopt.1; ≌ 10 λopt.2] gewählt.
Da diese Intervalle groß sind, ist s gewählt, um zu vermeiden, Resonanzfrequenzen in den Frequenzbändern von Interesse zu bekommen.
Als ein erstes Beispiel betrachten wir ein abstrahlendes Kabel, optimiert für das Frequenzband, welches den TETRA-Kommunikationsstandards und privaten Mobilfunksystemen (PMR) zugewiesen ist. Dieses Frequenzband erstreckt sich von 380 bis 470 MHz. Die Wellenlängen in der Luft, λopt.1 und λopt.2 sind jeweils gleich 79 und 64 cm. Wir nehmen an, dass
= 1,136. Um die Bedingungen (11) und (13) zu erfüllen, ist die Länge des Abstands s innerhalb des Intervalls [292 cm; 467 cm] gewählt, und, um zu vermeiden, Resonanzfrequenzen in den Frequenzbändern von Interesse zu bekommen.
Zum Beispiel bedeutet ein Abstand s = 350 cm, dass ⊝1 von 155,6° bis 162,6° in dem Frequenzband von 380 bis 470 MHz variiert.
Ein abstrahlendes Kabel gemäß der vorliegenden Erfindung und mit einem Abstand s gewählt innerhalb des Intervalls [292 cm; 467 cm] funktioniert auch, mit niedrigeren Leistungen, bei Frequenzen außerhalb des 380-bis-470-MHz-Bands und kann als ein breitbandiges Kabel verwendet werden. Zum Beispiel arbeitet, mit s = 350 cm, das Kabel in abstrahlendem Modus, mit zufrieden stellenden Leistungen zwischen etwa 40 und 600 MHz.
Als ein zweites Beispiel betrachten wir ein abstrahlendes Kabel, optimiert für die TDMA-IS-54-, CDMA-IS-95- und GSM-900-Mobilkommunikationsstandars, deren Frequenzband sich von 824 bis 960 MHz erstreckt. Die Wellenlängen in der Luft, λopt.1 und λopt.2 sind jeweils gleich 36 und 31 cm. Wir nehmen an, dass
= 1,136. Um die Bedingungen (10) und (12) zu erfüllen, ist der Abstand s innerhalb des Intervalls [135 cm; 226 cm] gewählt, und, um zu vermeiden, Resonanzfrequenzen in den Frequenzbändern von Interesse zu bekommen.
Ein abstrahlendes Kabel gemäß der vorliegenden Erfindung und mit einem Abstand s gewählt innerhalb des Intervalls [135 cm; 226 cm] funktioniert auch, mit niedrigeren Leistungen, bei Frequenzen außerhalb des 870-bis-960-MHz-Bands und kann als ein breitbandiges Kabel verwendet werden. Zum Beispiel arbeitet, mit s = 200 cm, das Kabel in abstrahlendem Modus, mit zufrieden stellenden Leistungen zwischen etwa 70 und 1050 MHz.
Als ein drittes Beispiel betrachten wir ein abstrahlendes Kabel, optimiert für das Frequenzband, welches Wireless Local Area Network (WLAN) zugewiesen ist, welches oberhalb von 5 GHz arbeitet. Das präzise Frequenzband erstreckt sich von 5150 bis 5850 MHz. Die Wellenlängen in der Luft, λopt.1 und λopt.2 sind jeweils gleich etwa 6 und 5 cm. Wir nehmen an, dass
= 1,136. Um die Bedingungen (11) und (13) zu erfüllen, ist der Abstand s innerhalb des Intervalls [22 cm; 36 cm] gewählt, und, um zu vermeiden, Resonanzfrequenzen in den Frequenzbändern von Interesse zu bekommen.
Zum Beispiel bedeutet ein Abstand s gleich 32 cm, dass ⊝1 von 162,6° bis 167,5° in dem Frequenzband von 5150 bis 5850 MHz variiert.
Ein abstrahlendes Kabel gemäß der vorliegenden Erfindung und mit einem Abstand s gewählt innerhalb des Intervalls [22 cm; 36 cm] funktioniert auch, mit niedrigeren Leistungen, bei Frequenzen außerhalb des 5150-bis-5850-MHz-Bands und kann als ein breitbandiges Kabel verwendet werden. Zum Beispiel würde, mit s = 32 cm, das Kabel in abstrahlendem Modus arbeiten, mit zufrieden stellenden Leistungen zwischen etwa 440 und 6500 MHz.
Die rechteckigen Schlitze normal zu der Kabelachse, wie gezeigt in 4, sind eine der bevorzugten Ausführungsformen. Die Schlitzgrößen sind gewählt, die Kopplungsdämpfung zu kontrollieren, mit einer minimalen Länge L gleich (10 D/n)1/2, wobei D der Durchmesser des Kabels ist. Der Schlitzabstand d ist gleich s/2n ± Δ und muss größer als 1,5 w sein, wobei w die Breite der Öffnungen oder Öffnungssätze ist.
Andere Ausführungsformen erlauben, denselben Effekt zu erreichen. Zum Beispiel kann der Schlitz, bezogen auf die Kabelachse, geneigt sein, wie gezeigt in 5.
Der Schlitz kann auch runde Ecken aufweisen. Die einzelne Öffnung kann auch eine elliptische oder ovale Form aufweisen, wobei die Hauptachse entweder normal, parallel oder geneigt ist, bezogen auf die Kabelachse. Die Öffnung kann auch kreisförmig sein.
Die einzelne Öffnung kann auch ersetzt sein durch einen Öffnungssatz, welcher mehrere kleinere identische Öffnungen aufweist, entweder in Querrichtung ausgerichtet, wie illustriert in der beiliegenden 6, oder nicht, wie gezeigt in der beiliegenden 7.
Die Öffnungen in einem Satz können unterschiedlich sein, und zwei aufeinander folgende Sätze sind nicht notwendigerweise identisch, vorausgesetzt, dass alle Sätze annähernd gleiche Strahlungseigenschaften aufweisen, wie gezeigt in der beiliegenden 8 und 9.
In den konkreten Ausführungsformen, gezeigt in den beiliegenden 6 bis 9, muss die globale Länge L der Öffnungen größer sein als (10 D/n)1/2. Der Öffnungsabstand d, gleich s/2n ± Δ, muss größer sein als 1,5 w, wobei w die Breite einer Öffnung oder eines Öffnungssatzes ist.

Claims

Koaxialkabel des abstrahlenden Modus, umfassend einen Außenleiter, welcher periodisch mit Öffnungsreihen versehen ist, umfassend n Öffnungen oder Öffnungssätze, wiederholt entlang der Länge des Außenleiters, wobei ein konstanter Abstand s das linke Ende der ersten Öffnung einer Reihe und das linke Ende der ersten Öffnung einer nächsten Reihe trennt, wobei n wenigstens 10 beträgt, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand s zwischen aufeinander folgenden Öffnungsreihen so ausgewählt ist, dass λopt.1 /(√εr – 0,866) < s < λopt.2/(√εr – 1),wobei λopt.1 und λopt.2 jeweils die obere und die untere Grenze des Wellenlängenbereichs sind, für welchen das Koaxialkabel des abgestrahlten Modus gestaltet ist, mit λopt.2 ≥ λopt.1/2, und wobei εr die relative Dielektrizitätskonstante des abstrahlenden Kabels darstellt, wobei jede Öffnung oder jeder Öffnungssatz eine Längsausdehnung L aufweist, jeweils eine globale Längsausdehnung L, entsprechend der Summe ΣLi der Längsausdehnungen Li der Öffnungen in jedem Satz, in der Richtung quer zur Kabelachse, ausgedrückt in mm, welche einen Wert aufweist, gleich dem oder größer als der Wert der Formel (10 D/n)1/2, wobei D der Wert des Durchmessers des Kabels ist, ausgedrückt in mm, und wobei der Abstand d, in der Richtung der Kabelachse, welcher die Symmetrieachsen zweier aufeinander folgender Öffnungen oder Öffnungssätze trennt, größer ist als 1,5 w, wobei w die größte Breite der Öffnungen ist, jeweils die Breite der breitesten Öffnung der Öffnungssätze, in der Richtung der Kabelachse.
Abstrahlendes Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand d, welcher die Symmetrieachsen zweier aufeinander folgender Öffnungen oder Öffnungssätze trennt, gleich ist s/2n ± 20%.
Abstrahlendes Kabel nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenlängenbereich, für welchen das Koaxialkabel des abgestrahlten Modus gestaltet ist, im Wesentlichen einer Oktave (mit λopt.2 = λopt.1/2) entspricht, wobei s im Wesentlichen gleich 3,7 λopt.1 ist.
Abstrahlendes Kabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass n wenigstens 14 beträgt.
Abstrahlendes Kabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand s innerhalb des Intervalls von 292 cm bis 467 cm gewählt ist, für Wellenlängen in der Luft λopt.1 und λopt.2 von jeweils 79 und 64 cm.
Abstrahlendes Kabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand s innerhalb des Intervalls von 135 cm bis 226 cm gewählt ist, für Wellenlängen in der Luft λopt.1 und λopt.2 von jeweils 36 und 31 cm.
Abstrahlendes Kabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand s innerhalb des Intervalls von 22 cm bis 36 cm gewählt ist, für Wellenlängen in der Luft λopt.1 und λopt.2 von jeweils 6 und 5 cm.