DE69214408T2

DE69214408T2 - Strahlende Hochfrequenzleitung

Info

Publication number: DE69214408T2
Application number: DE69214408T
Authority: DE
Inventors: Andre Levisse
Original assignee: Alcatel Cable SA
Current assignee: Nexans France SAS
Priority date: 1991-12-19
Filing date: 1992-12-16
Publication date: 1997-02-20
Anticipated expiration: 2012-12-17
Also published as: AU658028B2; AU2999892A; EP0547574B1; FR2685549B1; FI925725A0; EP0547574A1; BR9205051A; FR2685549A1; DE69214408D1; US5291164A; JPH06125219A; FI925725A; JP2561786B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine strahlende Hochfrequenzleitung. Man bezeichnet als strahlende Hochfrequenzleitung eine Leitung, die aus einem Kabel oder Wellenleiter besteht und einen Teil der übertragenen elektromagnetischen Energie nach außen abstrahlt. Hier stehen insbesondere strahlende Kabel im Vordergrund.
Die strahlenden Kabel werden als Übertragungselemente von Hochfrequenzsignalen zwischen einem Sender und einem Empfänger unter Bedingungen eingesetzt, bei denen diese von einer punktförmigen Quelle ausgehenden Signale schnell gedämpft werden.
Diese Kabel werden im allgemeinen von einem Koaxialkabel mit einer leitenden Seele, einer Zwischenisolierung beispielsweise aus einem dielektrischen Material, einem äußeren, mit Öffnungen oder Schlitzen in gleichmäßigen Abständen versehenen Leiter für den Durchlaß der elektromagnetischen Strahlung und einer äußeren isolierenden Schutzhülle gebildet. Durch die im äußeren Leiter vorgesehenen Öffnungen wird ein Teil der im Kabel übertragenen und von einer sendenden Quelle ausgehenden Leistung nach außen gekoppelt. Das Kabel wirkt dann wie eine Antenne, und die nach außen gekoppelte Leistung wird abgestrahlte Leistung genannt.
Eines der von einem strahlenden Kabel geforderten Merkmale ist es, in einem gegebenen Abstand von seiner Längsachse eine bestimmte minimale Strahlungsleistung zu gewährleisten, die vom Benutzer vorgegeben wird.
Wenn sich die Schlitze gemäß einer angepaßten Periode periodisch wiederholen, sind sie in Phase, was eine gute Stabilität der abgestrahlten Leistung in großer Entfernung vom Kabel ergibt, und zwar in einem Frequenzband, das als Frequenzband des Hauptstrahlungsmodus bezeichnet wird und das durch eine untere und eine obere Grenzfrequenz begrenzt ist. Die Stabilität ermöglicht es, ganz sicher die geforderten Mindestleistungen für die Verwendung des Kabels zu erfüllen. Wenn die Stabilität nicht gewährleistet ist, ergeben sich erhebliche Leistungsschwankungen der abgestrahlten Leistung abhängig vom Empfangspunkt entlang des Kabels, so daß es schwer ist, einen Mindestleistungswert in einem gegebenen Abstand vom Kabel zu gewährleisten. Diese Schwankungen erfordern im übrigen Empfänger mit großer Dynamik, die sehr teuer sind.
Wenn die Betriebsfrequenz des Kabels unterhalb der unteren Grenzfrequenz liegt, ist ein gekoppelter Modus vorherrschend und breitet sich in Richtung der Längsachse des Kabels aus, wobei die vom Kabel abgestrahlte Leistung dann exponentiell mit dem Abstand zur Längsachse abnimmt. In diesem Fall kann der vom Benutzer für eine bestimmte Entfernung geforderte Mindestleistungswert nur durch deutliche Anhebung der Sendeleistung der Quelle garantiert werden. Außerdem führen die Anschlußorgane oder Befestigungsschellen auf dem Kabel zu Beugungen des gekoppelten Modus, die selbst, wenn sie die mittlere gekoppelte Leistung erhöhen würden, dieser Leistung ein zufälliges Verhalten verleihen, das die geforderte Mindestleistung in einem gegebenen Abstand nicht mit Sicherheit zu garantieren erlaubt.
Wenn die Betriebsfrequenz des Kabels zwischen den beiden Grenzfrequenzen liegt, beobachtet man die Ausbreitung eines vorherrschenden Strahlungsmodus, der Hauptmodus genannt wird. Die abgestrahlten Leistung pflanzt sich radial fort und nimmt mit dem Abstand vom Kabel nur wenig ab. Außerdem bleibt sie, abgesehen von der Längsdämpfung des Kabels, die gleiche für jeden Empfangspunkt entlang des Kabels. Daher verwendet man im allgemeinen ein strahlendes Kabel in diesem Frequenzband, um die gestellten Forderungen zu erfüllen.
Wenn die Betriebsfrequenz des Kabels über der oberen Grenzfrequenz liegt, ergeben sich neue Abstrahlungsmodi, die Sekundärmodi genannt werden und mit dem Hauptstrahlungsmodus interferieren. In diesem Fall beobachtet man periodische Schwankungen der vom Kabel abgestrahlten Leistung. Je höher die Frequenz ansteigt, umso mehr Sekundärmodi treten auf, die miteinander interferieren. Die Instabilität der abgestrahlten Leistung erlaubt es nicht, mit Sicherheit die für einen gegebenen Abstand geforderte Mindestleistung zu garantieren, was dazu führt, daß die Sendeleistung der Quelle erhöht werden muß, um den Nutzungserfordernissen Rechnung zu tragen.
Um die Verwendungsmöglichkeiten eines abstrahlenden Kabels zu erweitern, muß man daher soweit wie möglich die Bandbreite des Hauptstrahlungsmodus vergrößern. Wenn man dieses Nutzfrequenzband vergrößert, kann die Menge der übertragenen Informationen vergrößert werden, was einen derzeit nicht unerheblichen Vorteil darstellt.
Eine Vergrößerung der Bandbreite des Hauptabstrahlungsmodus ist aber mit der periodischen Wiederholung eines einzigen Schlitzes nicht möglich.
Um die Bandbreite des Hauptmodus zu vergrößern, schlägt das Patent GB-1 481 485 ein strahlendes Kabel vor, in dem die Öffnungen nach entlang des Kabels periodisch wiederholten Motiven angeordnet sind. Eine Ansicht dieses Kabels ist in Figur 1 dargestellt, wobei die äußere Schutzhülle entfernt wurde, um die Anordnung der Schlitze des Motivs zu zeigen. In dieser Figur enthält der äußere Leiter 2 des strahlenden Kabels 1 Schlitze, die in Motiven angeordnet sind. Jedes Motiv M besitzt zwei Hauptschlitze F und F' und vier Hilfsschlitze Fa, Fb, F'a und F'b, nämlich je einen Hilfsschlitz auf jeder Seite jedes Hauptschlitzes. Aufgrund der Wiederholung des Motivs M sind die Sekundärmodi, die bei den Frequenzen zwischen 200 und 1000 MHz (anstatt von 200 bis 400 MHz für ein Kabel mit periodischer Wiederholung von einfachen Schlitzen) vernachlässigbar und praktisch null. In diesem Patent wird erläutert, daß die Wiederholung des Motivs M die Eliminierung der drei ersten Sekundärmodi erlaubt.
Außerdem wird in diesem Patent ausgeführt, daß es in der Praxis schwer ist, Motive mit mehr als sechs Schlitzen zu realisieren. Ein größeres Motiv würde nach diesem Patent nämlich 10 Schlitze enthalten mit zwei Hauptschlitzen und je zwei Hilfsschlitzen zu beiden Seiten jedes Hauptschlitzes. Da die Länge eines Motivs, d.h. der Abstand zwischen einem Schlitz eines gegebenen Motivs und dem entsprechenden Schlitz des nächstfolgenden Motivs oder des vorhergehenden Motivs bei sonst gleichen Verhältnissen umgekehrt proportional zum gewünschten Wert der unteren Grenzfrequenz ist, müßte man entweder die untere Grenzfrequenz erniedrigen, um die Länge des Motivs zu vergrößern, was im allgemeinen wenig sinnvoll ist, oder zehn Schlitze in einem Intervall der gleichen Länge anordnen, in dem man vorher sechs Schlitze angeordnet hat. Dabei würde sich aber der Abstand zwischen den Schlitzen eines Motivs und den Schlitzen in benachbarten Motiven verringern, was sich auf die mechanische Stabilität des äußeren Leiters nachteilig auswirkt.
Außerdem ergeben sich bei einer Annäherung der Schlitze und Vergrößerung ihrer Zahl gekoppelte Modi und damit eine Vergrößerung der Verluste durch die Signaldämpfung entlang des Kabels und eine Instabilität der abgestrahlten Leistung (die gekoppelten Modi beginnen mit dem Hauptstrahlungsmodus zu interferieren und tragen zu dessen Schwund bei).
Daher stellt die in dem Patent GB-1 481 485 vorgeschlagene Struktur nicht zufrieden, da das Frequenzband des Hauptmodus so nur begrenzt erweitert werden kann.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein strahlendes Kabel anzugeben, das in einem weiten Frequenzband betrieben werden kann und doch die Forderungen hinsichtlich der in einem gegebenen Abstand vom Kabel abgestrahlten Mindestleistung zu erfüllen erlaubt.
Ein anderes Ziel der Erfindung ist es, bei identischem Frequenzband des Hauptmodus die Anzahl der je Motiv erforderlichen Schlitze im Vergleich zu den bekannten strahlenden Kabeln zu verringern.
Hierzu ist Gegenstand der Erfindung eine strahlende Hochfrequenzleitung, die eine elektromagnetische Energie in einem Frequenzband abstrahlen soll und mindestens einen rohrförmigen Leiter mit einer Längsachse und mit mehreren in periodisch mit einer Periode P wiederholten Motiven zusammengefaßten Öffnungen entlang der Leitung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß für ein Frequenzband des Typs [fr, (N+1)fr], wobei fr eine gegebene Frequenz und N eine ganze Zahl größer als 1 ist, jedes der Motive N Öffnungen besitzt, die von 0 bis N-1 gezählt werden und die folgenden Gleichungen erfüllen:
wobei gilt:
- der Index k ist eine ganze Zahl zwischen 1 und N-1 (Grenzen eingeschlossen) und bezieht sich auf die k-te Öffnung eines der Motive,
- zk ist der Abstand zwischen der k-ten Öffnung und der ersten Öffnung (FO) des Motivs, wobei der Abstand zwischen der Projektion des Mittelpunkts einer Symmetrieachse der ersten Öffnung auf die Längsachse und der Projektion des Mittelpunkts einer Symmetrieachse entsprechend der k-ten Öffnung auf die Längsachse gerechnet ist,
- ak ist die Polarisierbarkeit der k-ten Öffnung,
- a&sub0; ist die Polarisierbarkeit der ersten Öffnung,
- p' = E((N+2)/4) oder p' = E((N+2)/4)+1
- p" = E(3(N+2)/4) oder p" = E(3(N+2)/4)+1
wobei E(x) den ganzzahligen Teil von x bedeutet,
- pk ist eine ganze Zahl zwischen 1 und N+1 (Grenzen eingeschlossen), wobei diese ganzen Zahlen pk sich paarweise voneinander unterscheiden, so daß gilt pk < pk+1, und pk sich von p' und p" unterscheidet.
Die erfindungsgemäße Leitung kann in einem Frequenzband einer beliebigen Breite mit der periodischen Wiederholung eines Motivs mit einer optimalen Anzahl von Schlitzen verwendet werden. Das Anwendungsgebiet der bekannten Leitungen wird so gegenüber dem Stand der Technik erweitert, wobei im Anwendungsbereich garantierte Leistungen hinsichtlich der geforderten Mindestleistung garantiert werden.
Die Öffnungen können beispielsweise elliptisch oder rechteckig sein.
Wenn die Öffnungen rechteckig sind und ihre Länge größer als ihre Breite ist, besitzt die erste Öffnung eines Motivs eine Längsachse, die vorzugsweise mit der Längsachse der Leitung absolut gesehen einen Winkel zwischen 5º und 90º einschließt. Die Länge dieses Schlitzes wird L genannt. Der Winkel einer Öffnung mit der Längsachse bezeichnet den Winkel, den die Projektion dieser Öffnung in eine die Längsachse enthaltende und zur Projektionsrichtung senkrechte Ebene mit der Längsachse einschließt.
Gemäß einer ersten Ausführungsform gilt N = 3 und die Öffnungen sind folgendermaßen angeordnet:
- die zweite Öffnung liegt in einem Abstand von P/5 von der ersten Öffnung, hat die gleiche Länge wie die erste Öffnung und schließt mit der Längsachse den gleichen Winkel wie die erste Öffnung ein,
- die dritte Öffnung liegt in einem Abstand von 3P/5 von der ersten Öffnung, hat eine Länge von im wesentlichen 3L/4 und schließt mit der Längsachse einen entgegengesetzt gerichteten Winkel im Vergleich zur ersten Öffnung ein.
In einer zweiten Ausführungsform gilt N = 4 und die Öffnungen sind folgendermaßen angeordnet:
- die zweite Öffnung liegt in einem Abstand von P/6 von der ersten Öffnung, hat die gleiche Länge wie die erste Öffnung und schließt mit der Längsachse den gleichen Winkel wie die erste Öffnung ein,
- die dritte Öffnung liegt in einem Abstand von P/2 von der ersten Öffnung, hat die gleiche Länge wie die erste Öffnung und schließt mit der Längsachse einen Winkel ein, der dem Winkel der ersten Öffnung entgegengesetzt ist,
- die vierte Öffnung hat die gleiche Länge wie die erste Öffnung und schließt mit der Längsachse einen Winkel ein, der dem der ersten Öffnung entgegengesetzt ist.
In einer dritten Ausführungsform gilt N = 5 und die Öffnungen sind folgendermaßen angeordnet:
- die zweite Öffnung liegt in einem Abstand von P/7 von der ersten Öffnung, hat eine Länge von im wesentlichen gleich 5L/6 und schließt mit der Längsachse den gleichen Winkel wie die erste Öffnung ein,
- die dritte Öffnung liegt in einem Abstand von 3P/7 von der ersten Öffnung, hat eine Länge von im wesentlichen gleich 7L/9 und schließt mit der Längsachse einen Winkel ein, der dem der ersten Öffnung entgegengesetzt ist,
- die vierte Öffnung liegt in einem Abstand von 4P/7 von der ersten Öffnung, hat eine Länge von im wesentlichen gleich 7L/9 und schließt mit der Längsachse einen Winkel ein, der dem der ersten Öffnung entgegengesetzt ist,
- die fünfte Öffnung liegt in einem Abstand von 6P/7 von der ersten Öffnung, hat die gleiche Länge wie die erste Öffnung und schließt mit der Längsachse den gleichen Winkel wie die erste Öffnung ein.
Gemäß einer ersten Anwendung der Erfindung ist der rohrförmige Leiter zylindrisch und enthält einen zentralen Leiter, der von einer Umhüllung aus einem dielektrischen Material umgeben ist, die sowohl mit dem zentralen Leiter als auch dem rohrförmigen Leiter in Berührung steht, und daß eine äußere Schutzhülle vorgesehen ist, so daß die Leitung die Struktur eines strahlenden Kabels bekommt.
Gemäß einer zweiten Anwendung der Erfindung ist der rohrförmige Leiter leer, so daß die Leitung die Struktur eines strahlenden Wellenleiters bekommt.
Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nun anhand eines die Erfindung nicht einschränkenden Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen strahlenden Kabels und der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Figur 1 zeigt das strahlende Kabel, das in dem Patent GB-1 481 485 beschrieben ist.
Figur 2 zeigt in Perspektive und schichtweise freigelegt ein erfindungsgemäßes strahlendes Kabel.
Figur 3 zeigt ein erstes strahlendes Kabel gemäß Figur 2, dessen äußere Schutzhülle entfernt wurde, um die Anordnung der Schlitze zu zeigen.
Figur 4 zeigt ein zweites strahlendes Kabel gemäß Figur 2, dessen äußere Schutzhülle entfernt wurde, um die Anordnung der Schlitze zu zeigen.
Figur 5 zeigt ein drittes strahlendes Kabel gemäß Figur 2, dessen äußere Schutzhülle entfernt wurde, um die Anordnung der Schlitze zu zeigen.
Figur 6 zeigt eine Kurve bezüglich der Kopplung eines Kabels gemäß Figur 3.
Figur 7 zeigt eine Kurve bezüglich der Kopplung eines Kabels gemäß Figur 4.
Figur 8 zeigt eine Kurve bezüglich der Kopplung eines erfindungsgemäßen Kabels mit sechs Schlitzen.
Figur 9 zeigt eine Kurve bezüglich der Kopplung eines bekannten Kabels, wie es in Figur 1 gezeigt ist.
Figur 10 zeigt eine Kurve bezüglich der Kopplung eines bekannten Kabels mit einer einfachen Wiederholung von Schlitzen.
Die Figur 1 wurde bereits anhand der Darstellung des Stands der Technik beschrieben.
In den Figuren 2 bis 5 wurden gleiche Bezugszeichen für gleiche Elemente verwendet.
In Figur 2 ist ein erfindungsgemäßes strahlendes Kabel 20 in Perspektive mit stufenweise entfernten Schichten gezeigt. Das Kabel 20 enthält koaxial von innen nach außen:
- eine leitende Seele 21 aus Kupfer oder Aluminium,
- eine Umhüllung 22 aus einem dielektrischen Material wie z.B. Polyäthylen,
- einen Außenleiter 23, der Öffnungen oder Schlitze 25 besitzt (nur ein Schlitz ist in Figur 2 zu sehen), die in periodisch entlang des Kabels 20 wiederholten Motiven zusammengefaßt sind,
- eine äußere Schutzhülle 24 aus isolierendem Material.
Nun wird die Methode beschrieben, nach der man die Anordnung und die Anzahl der Schlitze in den Motiven eines erfindungsgemäßen Kabels bestimmt.
An erster Stelle wird die untere Grenzfrequenz (fr) des Hauptstrahlungsmodus im allgemeinen durch die Spezifikationen des Verwenders des Kabels vorgegeben. Diese Frequenz bestimmt in bekannter Weise die Länge P der Motive (d.h. den Abstand zwischen einem bestimmten Schlitz eines Motivs und dem entsprechenden Schlitz eines unmittelbar benachbarten Motivs) gemäß folgender Formel:
fr = c/(1+ &epsi;)P
Hierbei ist c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum und &epsi; die Dielektrizitätskonstante der Umhüllung 22 des Kabels.
Ziel der Erfindung ist es, die Zahl Nf und die Anordnung der Schlitze in einem Motiv zu bestimmen, wenn das Frequenzband des Modus die Form (fr, (N+1) fr] besitzt, wobei N eine ganze Zahl größer als 1 ist (für N = 1 handelt es sich um das klassische Problem und ergibt ein Motiv mit nur einem Schlitz). Die Längen und die Neigungen der verschiedenen Schlitze des Motivs werden abhängig von der Länge und der Neigung des ersten Schlitzes mit Hilfe von dem Fachmann bekannten Modellen gewählt, auf die später im einzelnen noch eingegangen wird.
Durch eine Berechnung im Nahfeld bestimmt man den Ausdruck des von einem Kabel abgestrahlten Felds, dessen Leiter eine Folge von identischen Motiven mit je Nf Schlitzen besitzt, die mit einer Periodizität von P wiederholt werden. Man kann dann zeigen, daß es genügt, wenn Nf = N gilt, d.h. wenn es N Schlitze im Motiv gibt, um die N-1 Sekundärmodi zu annulieren, die im Frequenzband [fr, (N+1)fr] auftreten (es sei daran erinnert, daß ein Sekundärmodus bei jeder Frequenz der Form mfr überwiegt, wobei m eine ganze positive Zahl ist). So ergibt sich das folgende Gleichungssystem:
A&sub1;e2jΨ1 + A&sub2;e2jΨ2 + ... + AN-1e2jΨN-l = -1
A&sub1;e3jΨ1 + A&sub2;e3jΨ2 + ... + AN-1e3jΨN-l = -1
.
.
A&sub1;e(N-1)jΨ1 + A&sub2;e(N-1)jΨ2 + ... + AN-1e(N-1)jΨN-1 = -1
Hierbei gilt für jedes k im weitesten Sinn zwischen 1 und N-1:
- A/k = ak/a&sub0;
ak ist hier die Polarisierbarkeit des k-ten Schlitzes und der Index 0 steht für den ersten Schlitz des Motivs als Bezugswert. Die Polarisierbarkeit eines Schlitzes kann als die Eigenschaft dieses Schlitzes als eine Strahlungsquelle interpretiert werden. Hinsichtlich weiterer Einzelheiten zur Polarisierbarkeit wird auf das Buch "Leaky feeders and subsurface radio communications" von P. Delogne verwiesen, das in der Sammlung Peter Peregrinus Ltd erschienen ist.
- ψk = 2π(zk-z&sub0;)/P
zk ist hier der Abstand zwischen der senkrechten Projektion der Mitte des k-ten Schlitzes (oder eines beliebigen anderen Punkts, der zu einer Symmetrieachse dieses Schlitzes gehört) auf die Längsachse des Kabels und der senkrechten Projektion der Mitte des Bezugsschlitzes (oder eines beliebigen anderen zu einer Symmetrieachse dieses Schlitzes gehörenden Punkts), dessen Abszissenwert z&sub0; als Anfangspunkt genommen wird (die Abszissenwerte werden auf der Längsachse X des Kabels 20 berechnet).
Die Lösungen dieses Gleichungssystems sind für alle k, die im weitesten Sinn zwischen 1 und N-1 liegen, wie folgt:
Hierbei ist Pk eine positive ganze Zahl zwischen 1 und N+1, wobei die Zahlen pk sich paarweise unterscheiden und so gewählt sind, daß pk < pk+1 gilt. p' und p" sind zwei ganze Zahlen zwischen 1 und N+1. Weiter unten wird erläutert, wie sie bestimmt werden.
Sobald die Länge und die Neigung des ersten Schlitzes so gewählt wurden, daß sie mit dem Durchmesser des Kabels kompatibel sind und daß der Winkel (in Absolutwerten) zwischen der Längsachse des Kabels und dem ersten Schlitz zwischen 5º und 90º liegt, bestimmt man mit Hilfe der obigen Beziehungen die Länge, Lage und Neigung der anderen Schlitze des Motivs. Es sei hier betont, daß man in der ganzen nachfolgenden Beschreibung unter der Neigung eines Schlitzes den Winkel versteht, den die Längsachse des Kabels mit der Projektion der Schlitzachse in einer Richtung senkrecht zur Längsachse des Kabels in eine Ebene einschließt, die die Längsachse enthält und senkrecht zur Projektionsrichtung verläuft.
Die Neigung des ersten Schlitzes wird vorzugsweise in dem oben angegebenen Bereich gewählt, da bekanntlich der Anteil der Strahlung eines Schlitzes parallel zur Längsachse des Kabels null ist. Daher ist es günstig, eine relativ weit von 0º entfernte Neigung zu wählen. Andererseits weiß der Fachmann auch, daß der Anteil eines Schlitzes an der Abstrahlungsleistung mit seiner Länge zunimmt. Um also eine große Auswahl von Schlitzlängen zur Verfügung zu haben, ohne durch Herstellungsgesichtspunkte begrenzt zu sein, die durch den vorgegebenen Außendurchmesser des Kabels bedingt werden, ist es günstig, wenn die Neigung der Schlitze einen vorbestimmten Wert nicht überschreitet, der vom Außendurchmesser des Kabels abhängt. Im vorliegenden Fall beträgt für ein Kabel eines Außendurchmessers von 25 mm und für Schlitze einer Länge von 150 mm die obere Grenze für den bevorzugten Neigungswinkel 30º, wobei ein Wert zwischen 15 und 25º bevorzugt wird.
Ein üblicherweise verwendetes Modell erlaubt es, aus dem Wert der Polarisierbarkeit des k-ten Schlitzes die Neigung und Länge dieses Schlitzes abhängig von denen des ersten Schlitzes zu ermitteln. Gemäß diesem Modell ergibt das Vorzeichen der Polarisierbarkeit des k-ten Schlitzes seine Neigung abhängig von der des ersten Schlitzes, und das Verhältnis zwischen ak und a&sub0; erlaubt die Bestimmung der Länge des k-ten Schlitzes abhängig von der Länge des ersten Schlitzes.
Wenn also ak und a&sub0; gleiche Vorzeichen besitzen, wählt man die gleiche Neigung für den Bezugsschlitz und für den k-ten Schlitz. Haben dagegen ak und a&sub0; entgegengesetzte Vorzeichen, dann besitzt der k-te Schlitz mit der Achse X einen Winkel entgegengesetzt zu dem des Bezugsschlitzes.
Wenn andererseits der Wert ak größer als a&sub0; ist, besitzt der k-te Schlitz eine größere Länge als der Bezugsschlitz. Entsprechend besitzt der k-te Schlitz eine geringere Länge als der Bezugsschlitz, wenn ak kleiner als a&sub0; ist.
Die Lage des k-ten Schlitzes bezüglich des Bezugsschlitzes ergibt sich, indem man eine ganze Zahl pk gemäß den oben angegebenen Bedingungen wählt. Es gibt mehrere Möglichkeiten, da N+1 Elemente zur Menge pk gehören, während nur N-1 Lagen zu bestimmen sind, nachdem der erste als Bezugsschlitz verwendete Schlitz bestimmt wurde. Alle Möglichkeiten führen zum gewünschten Ergebnis. Manche dieser Möglichkeiten ergeben jedoch eine maximale abgestrahlte Leistung des Hauptmodus. Um sie zu finden, sucht man die Kombinationen von ganzen Zahlen pk, die den Absolutwert der folgenden Funktion maximieren:
Durch eine digitale Optimierungsrechnung erhält man also beispielsweise ganze Zahlen pk, die eine maximale abgestrahlte Leistung im Hauptmodus für ein Motiv ergeben,. In der Praxis führt dies dazu, aus der Menge der ganzen Zahlen pk die ganzen Zahlen p' und p" wie folgt zu entfernen:
- p' = E((N+2)/4) oder p' = E((N+2)/4)+1
- p" = E(3(N+2)/4) oder p" = E(3(N+2)/4)+1
Hierbei ist E(x) der ganzzahlige Teil von x.
Nun werden anhand der Figuren 3 bis 5 Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäß hergestellten strahlenden Kabeln beschrieben.
In allen Beispielen gilt als untere Grenzfrequenz fr der Wert 200 MHz und die Dielektrizitätskonstante &epsi; hat den Wert 1,3. Damit wird P etwa 700 mm.

Beispiel 1

In Figur 3 sieht man ein strahlendes Kabel 20, dessen Außenleiter ein Motiv M1 von Schlitzen besitzt. Das Kabel soll im Bereich zwischen 200 und 800 MHz betrieben werden. Damit gilt N = 3 und das Motiv M1 enthält drei Schlitze F0, F1 und F2. Der Schlitz F0 dient als Bezugsschlitz für die Abszisse.
Nach den obigen Gleichungen (1) und (2) ergibt sich:
a&sub1; = a&sub0;, z&sub1; = P/5 = 140 mm
a&sub2; = -0,618a&sub0;, z&sub2; = 3P/5 = 420 mm.
Damit ergibt sich das Motiv M1, das in Figur 3 gezeigt ist, mit einem Schlitz F0 einer Länge von 140 mm und einer Neigung um 18º bezüglich der X-Achse (die Winkel werden positiv im trigonometrischen Sinn gezählt, der durch den Pfeil 100 ausgehend von der Achse X definiert ist). Der Schlitz F1 gleicht in Länge und Neigung dem Schlitz F0. Der Schlitz F2 hat eine Länge von 115 mm und ist um -18º bezüglich der Achse X geneigt.

Beispiel 2

In Figur 4 sieht man ein strahlendes Kabel 20, dessen Außenleiter ein Motiv M2 von Schlitzen besitzt. Das Kabel soll zwischen 200 MHz und 1000 MHz betrieben werden. Es gilt N = 4 und das Motiv M2 enthält vier Schlitze F'0, F'1, F'2, F'3. Der Schlitz F'0 dient als Abszissen-Bezugsschlitz.
Gemäß den obigen Gleichungen (1) und (2) ergibt sich:
a'&sub1; = a'&sub0;, z'&sub1; = P/6 = 116,7 mm
a'&sub2; = a'&sub0;, z'&sub2; = P/2 = 350 mm
a'&sub3; = a'&sub0;, z'&sub3; = 2P/3 = 466,7 mm
Damit erhält man das Motiv M2 in Figur 4 mit einem Schlitz F'0 von 100 mm Länge und einer Neigung von 18º zur Achse X. Der Schlitz F'1 gleicht nach Länge und Neigung dem Schlitz F'0. Die Schlitze F'2 und F'3 haben eine Länge gleich der des Schlitzes F'0 und sind um -18º bezüglich der Achse X geneigt.
Während das Patent GB-1 481 485 ein Motiv mit sechs Schlitzen vorschlägt, um den Betrieb des strahlenden Kabels im Frequenzband zwischen 200 und 1000 MHz zu erlauben, enthalten die Motive eines erfindungsgemäßen Kabels, das im gleichen Frequenzband betrieben werden soll, nur vier Schlitze. Dies verringert die Kopplung und die Verluste durch Signalabschwächung entlang der Leitung und verbessert die mechanische Stabilität des Kabels, ohne die geforderte Mindestleistung in Frage zu stellen. Außerdem können die vier Schlitze des Motivs M2 identisch sein, was die Herstellung des entsprechenden Kabels 20 vereinfacht.

Beispiel 3

In Figur 5 sieht man ein strahlendes Kabel 20, dessen Außenleiter ein Motiv M3 von Schlitzen besitzt. Man möchte das Kabel zwischen 200 MHz und 1200 MHz betreiben. Es gilt also N = 5, und das Motiv M3 enthält fünf Schlitze F"0, F"1, F"2, F"3 und F"4.
Gemäß den obigen Gleichungen (1) und (2) ergibt sich:
a"&sub1; = 0, 629a"&sub0;, z"&sub1; = P/7 = 100 mm
a"&sub2; = -0, 555a"&sub0;, z"&sub2; = 3P/7 = 300 mm
a"&sub3; = -0, 555a"&sub0;, z'&sub3; = 4P/7 = 400 mm
a"&sub4; = -0, 692a"&sub0;, z"&sub4; = 6P/7 = 600 mm
Man erhält das in Figur 5 gezeigte Motiv M3 mit einem Schlitz F"0 einer Länge von 90 mm und einer Neigung von 18º bezüglich der Achse X. Der Schlitz F"1 hat eine Länge von 77,6 mm und die gleiche Neigung wie der Schlitz F"0. Die Schlitze F"2 und F"3 haben beide die gleiche Länge von 70,8 mm und die Neigung von -18º bezüglich der Achse X. Der Schlitz F"4 hat die gleiche Länge wie der Schlitz F"1 und die gleiche Neigung wie F"0.
Nach der Lehre des Patents GB-1 481 485 kann man nur Frequenzbänder des Typs [fr, (2m+1) fr] erreichen, wobei m eine positive ganze Zahl ist. Um ein strahlendes Kabel für ein Frequenzband zwischen 200 und 1200 MHz zu realisieren, bräuchte man ein Motiv von Schlitzen, mit dem ein Betrieb im Frequenzband zwischen 200 und 1400 MHz möglich ist, d.h. ein Motiv mit zehn Schlitzen. Einerseits besitzt das Motiv mit zehn Schlitzen gemäß diesem Patent die einleitend erwähnten Nachteile und andererseits ergibt der Zwang, ein Kabel für einen Betrieb in einem größeren Frequenzband als dem gewünschten Frequenzband zu entwerfen, zusätzliche unerwünschte Kosten. Erfindungsgemäß sind nur fünf Schlitze je Motiv erforderlich, und das Frequenzband, für das das Kabel entworfen wird, ist gleich dem Nutzfrequenzband.
Die Erfindung führt also zu strahlenden Kabeln, deren Frequenzband des Hauptstrahlungsmodus größer als das entsprechende Frequenzband der bekannten Kabel ist, und zwar aufgrund der periodischen Wiederholung von Motiven mit einer optimalen Anzahl von Schlitzen.
Die durch die bekannten Lösungen bedingten Probleme werden also erfindungsgemäß gelöst.
Nun werden anhand der Figuren 6 bis 10 einige mit Hilfe der erfindungsgemäßen Kabel sowie mit zwei bekannten Kabeln erhaltenen Resultate angegeben.
In Figur 6 ist die Kopplung C (in dB) abhängig vom Abstand x zwischen dem der sendenden Quelle nächstliegenden Ende des Kabels und dem betrachteten Empfangspunkt entlang des Kabels aufgetragen, an dem die Messung erfolgt. Es sei erwähnt, daß die Kopplung in einem bestimmten Empfangspunkt proportional zum Logarithmus des Verhältnisses zwischen der an diesem Empfangspunkt abgestrahlten Leistung und der von der Quelle abgegebenen Leistung ist, die konstant ist. Wenn die Kopplung praktisch gleichförmig ist, dann gilt dies auch für die abgestrahlte Leistung.
Die Kurve 60 in Figur 6 entspricht einer Betriebsfrequenz von 700 MHz des Kabels aus dem obigen Beispiel 1, das in Figur 3 gezeigt ist. Man erkennt, daß die Kopplung nahezu gleichförmig ist über die ganze Länge des Kabels.
Die Kurve 70, die in Figur 7 gezeigt ist, entspricht einer Betriebsfrequenz von 900 MHz und dem Kabel gemäß obigem Beispiel 2, das in Figur 4 gezeigt ist. Auch hier bemerkt man, daß die Kopplung über die ganze Länge des Kabels nahezu gleichförmig ist. Außerdem ergibt das Kabel mit vier Schlitzen gemäß der Erfindung ein gleiches Resultat bis zu mindestens 900 MHz und in der Praxis bis zu 1000 MHz, während nach dem Stand der Technik Motive mit sechs Schlitzen notwendig sind, um eine solche obere Grenzfrequenz des Frequenzbands des Hauptstrahlungsmodus mit akzeptabler Kopplung zu erzielen.
Die Kurve 80 in Figur 8 entspricht einer Betriebsfrequenz von 1100 MHz für ein erfindungsgemäßes Kabel mit sechs Schlitzen. Man kann diese Kurve mit der Kurve 900 in Figur 9 vergleichen, welche dem Kabel aus Figur 1 bei der gleichen Betriebsfrequenz (1100 MHz), d.h. dem in dem Patent GB-1 481 485 beschriebenen Stand der Technik entspricht. Man erkennt, daß die Kopplung eines Kabels mit sechs Schlitzen gemäß der Erfindung nahezu gleichförmig ist, während die eines Kabels gemäß Figur 1 periodische Schwankungen aufweist, die die erforderlichen Merkmale hinsichtlich der abgestrahlten Mindestleistung in einem Frequenzband bis zu mindestens 1100 MHz verhindern. Mit einer gleichen Anzahl von Schlitzen ergibt ein erfindungsgemäßes Kabel eine nahezu gleichförmige Kopplung bis zu Frequenzen in der Größenordnung von 1400 MHz.
Schließlich wird noch die Kurve 100 in Figur 10 informationshalber dargestellt. Sie entspricht einer Betriebsfrequenz von 1100 MHz für ein Kabel mit einer Folge von einfachen Schlitzen. Man stellt fest, daß die Kopplung periodisch abhängig vom Abstand schwankt.
Natürlich ist die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Beispiele beschränkt.
Insbesondere wurde das für die Wahl der Länge und der Neigung der verschiedenen Schlitze eines Motivs verwendete Modell nur informationshalber erläutert. Man könnte jedes andere üblicherweise vom Fachmann auf diesem Gebiet verwendete Modell wählen. Man kann insbesondere Modelle wählen, in denen die Länge und die Neigung von einem Schlitz zum nächsten variieren, oder Modelle, in denen die Neigung von einem Schlitz zum anderen variiert.
Andererseits ist die Erfindung auch auf strahlende Wellenleiter bestehend aus einem rohrförmigen Leiter beliebigen Querschnitts anwendbar, der von einer äußeren Schutzhülle umgeben ist.
Die im äußeren Leiter vorgesehenen Öffnungen können rechteckig oder elliptisch sein. Sie sind vorzugsweise mehr lang als breit, was ihnen eine erhöhte Wirksamkeit verleiht.
Schließlich kann der Winkel zwischen den Schlitzen und der Längsachse in jedem Motiv beliebig sein, sofern der Beitrag jedes Schlitzes zur abgestrahlten Leistung nicht null wird und die insgesamt abgestrahlte Leistung mit den vom Benutzer aufgestellten Spezifikationen kompatibel ist.

Claims

1. Strahlende Hochfrequenzleitung, die eine elektromagnetische Energie in einem Frequenzband abstrahlen soll und mindestens einen rohrförmigen Leiter (23) mit einer Längsachse (X) und mit mehreren in periodisch mit einer Periode P wiederholten Motiven (M1) zusammengefaßten Öffnungen entlang der Leitung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß für ein Frequenzband des Typs [fr, (N+1)fr], wobei fr eine gegebene Frequenz und N eine ganze Zahl größer als 1 ist, jedes der Motive (M1) N Öffnungen besitzt, die von 0 bis N-1 gezählt werden und die folgenden Gleichungen erfüllen:

wobei gilt:

- der Index k ist eine ganze Zahl zwischen 1 und N-1 (Grenzen eingeschlossen) und bezieht sich auf die k-te Öffnung eines der Motive (M1),

- zk ist der Abstand zwischen der k-ten Öffnung und der ersten Öffnung (F0) des Motivs (M1), wobei der Abstand zwischen der Projektion eines Punkts einer Symmetrieachse der ersten Öffnung (F&sub0;) auf die Längsachse (X) und der Projektion eines entsprechenden Punkts einer Symmetrieachse der k-ten Öffnung auf die Längsachse (X) gerechnet ist,

- ak ist die Polarisierbarkeit der k-ten Öffnung,

- a&sub0; ist die Polarisierbarkeit der ersten Öffnung,

- p' = E((N+2)/4) oder p' = E((N+2)/4)+1

- p" = E(3(N+2)/4) oder p" = E(3(N+2)/4)+1

wobei E(x) den ganzzahligen Teil von x darstellt,

- pk ist eine ganze Zahl zwischen 1 und N+1 (Grenzen eingeschlossen), wobei diese ganzen Zahlen Pk sich paarweise voneinander unterscheiden, so daß gilt pk < pk+1, und pk sich von p' und p" unterscheidet.

2. Leitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen elliptisch oder rechteckig sind.

3. Leitung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen rechteckig und eher lang als breit sind.

4. Leitung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Öffnung eines Motivs eine Länge L und eine Neigung zur Längsachse mit einem Winkel in Absolutwerten zwischen 5º und 90º besitzt, wobei als Winkel einer Öffnung mit der Längsachse der Winkel verstanden wird, den die Längsachse des Kabels mit der Projektion dieser Öffnung in Richtung senkrecht zur Längsachse in eine Ebene einschließt, die die Längsachse enthält und senkrecht zur Projektionsrichtung angeordnet ist.

5. Leitung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß gilt N = 3 und daß die Öffnungen folgendermaßen angeordnet sind:

- die zweite Öffnung (F1) liegt in einem Abstand von P/5 von der ersten Öffnung (F0), hat die gleiche Länge wie die erste Öffnung (F0) und schließt mit der Längsachse (X) den gleichen Winkel wie die erste Öffnung (F0) ein,

- die dritten Öffnung (F2) liegt in einem Abstand von 3P/5 von der ersten Öffnung, hat eine Länge von im wesentlichen 3L/4 und schließt mit der Längsachse einen entgegengesetzt gerichteten Winkel im Vergleich zur ersten Öffnung ein.

6. Leitung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß gilt N = 4 und daß die Öffnungen folgendermaßen angeordnet sind:

- die zweite Öffnung (F'1) liegt in einem Abstand von P/6 von der ersten Öffnung (F'0), hat die gleiche Länge wie die erste Öffnung und schließt mit der Längsachse den gleichen Winkel wie die erste Öffnung ein,

- die dritte Öffnung (F'2) liegt in einem Abstand von P/2 von der ersten Öffnung, hat die gleiche Länge wie die erste Öffnung und schließt mit der Längsachse einen Winkel ein, der dem Winkel der ersten Öffnung entgegengesetzt ist,

- die vierte Öffnung (F'3) hat die gleiche Länge wie die erste Öffnung und schließt mit der Längsachse einen Winkel ein, der dem der ersten Öffnung entgegengesetzt ist.

7. Leitung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß gilt N = 5 und daß die Öffnungen folgendermaßen angeordnet sind:

- die zweite Öffnung (F"1) liegt in einem Abstand von P/7 von der ersten Öffnung (F"0), hat eine Länge von im wesentlichen gleich 5L/6 und schließt mit der Längsachse den gleichen Winkel wie die erste Öffnung ein,

- die dritte Öffnung (F"2) liegt in einem Abstand von 3P/7 von der ersten Öffnung, hat eine Länge von im wesentlichen gleich 7L/9 und schließt mit der Längsachse einen Winkel ein, der dem der ersten Öffnung entgegengesetzt ist,

- die vierte Öffnung (F"3) liegt in einem Abstand von 4P/7 von der ersten Öffnung, hat eine Länge von im wesentlichen gleich 7L/9 und schließt mit der Längsachse einen Winkel ein, der dem der ersten Öffnung entgegengesetzt ist,

- die fünfte Öffnung (F"4) liegt in einem Abstand von 6P/7 von der ersten Öffnung, hat die gleiche Länge wie die erste Öffnung und schließt mit der Längsachse den gleichen Winkel wie die erste Öffnung ein.

8. Leitung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der rohrförmige Leiter (23) zylindrisch ist und einen zentralen Leiter (21) enthält, der von einer Umhüllung aus einem dielektrischen Material (22) umgeben ist, die sowohl mit dem zentralen Leiter (21) als auch dem rohrförmigen Leiter (23) in Berührung steht, und daß eine äußere Schutzhülle (24) vorgesehen ist, so daß die Leitung (20) die Struktur eines strahlenden Kabels bekommt.

9. Leitung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der rohrförmige Leiter leer ist, so daß die Leitung die Struktur eines strahlenden Wellenleiters bekommt.