[0001] Die Erfindung betrifft ein strahlendes Hochfrequenzkabel nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1. Ein strahlendes Kabel oder Leckkabel ist ein Wellenleiter, welcher aus
einem Koaxialkabel dadurch hergestellt wird, daß dessen Außenleiter eine periodische
Folge von Öffnungen aufweist. Aus diesen Öffnungen dringen elektromagnetische Felder
in den Außenraum des Kabels. Die abzustrahlende Leistung wird an einem Ende des Kabels
zugeführt. Längs des Kabels ergibt sich aufgrund der natürlichen Kabeldämpfung und
der Abstrahlung eine Intensitätsabnahme der abgestrahlten Leistung. In der Praxis
bedeutet dies, daß die Summe aus Leitungs- und Kopplungsdämpfung zwischen einem Fahrzeug
und dem strahlenden Wellenleiter mit dem Abstand des Fahrzeugs vom Einspeisepunkt
der Hochfrequenzenergie zunimmt. Es wäre also erwünscht, die Energiekopplung längs
des Wellenleiters oder Kabels so zu variieren, daß die Empfangsfeldstärke beim mobilen
Teilnehmer konstant gehalten wird.
[0002] Aus der europäischen Patentanmeldung EP 188 347 ist ein Leckkabel bekannt, bei dem
er Außenleiter des Koaxialkabels aus Bändern besteht, welche den zentralen Leiter
wendelförmig umgeben und sich so überlappen, daß rautenförmige Lücken entstehen. Diese
Lücken werden am Ende des Kabels, d. h. mit wachsender Entfernung vom Einspeisepunkt
immer größer. so daß auch mehr Energie abgestrahlt werden kann.
[0003] Der Nachteil dieses Verfahrens besteht neben hohem Aufwand bei der Produktion darin,
daß eine Vergrößerung der Öffnungen oder Löcher nur eine relativ geringe Erhöhung
der Abstrahlung zur folge hat. Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein
strahlendes Hochfrequenzkabel anzugeben, bei dem die längs des Kabels auftretenden
Verluste in möglichst einfacher Weise ausgeglichen werden, so daß die Empfangsfeldstärke
längs des Kabels in erster Näherung konstant bleibt.
[0004] Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die in Kennzeichen des Anspruchs 1 erwähnten
Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
enthalten.
[0005] Einsatzgebiete der Erfindung sind vor allem längere Tunnel, die mit Hilfe eines strahlenden
Kabels mit hochfrequenter Strahlung versorgt werden sollen, um Nachrichten übermitteln
zu können. Weitere Anwendungsfälle sind Straßen und Autobahnen, für welche eine Verkehrsleittechnik
vorgesehen ist. Die erfindungsgemäße Lösung bezieht sich auf relativ schmalbandige
Nachrichtenübertragung.
[0006] Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher
erläutert; dabei zeigt
- Figur 1
- den Dämpfungsverlauf längs des Kabels,
- Figur 2
- die Anordnung der Öffnungen den ersten Abschnitten und ein weiteres Beispiel einer
Anordnung von Öffnungen im Periodizitätsintervall.
[0007] Im sogenannten D-Netz werden Frequenzen von 925 +/- 35 MHz benutzt. Ein einfaches
strahlendes Kabel zur Übertragung dieses Bereiches besteht aus einem Koaxialkabel,
in dessen Außenleiter alle fünfundzwanzig Zentimeter eine Öffnung angebracht ist.
Man bekommt so eine nutzbare Bandbreite von 600-1.100 MHz.
[0008] Da besondere Maßnahmen zur Unterdrückung von Oberwellen nicht notwendig sind, erhält
man für die Anordnung der Öffnungen Freiheiten in der Anordnung der Öffnungen pro
Periodenlänge, welche hier zur Kompensation der Dämpfung ausgenutzt werden können.
Ein handelsübliches Koaxialkabel (7/8 Zoll) hat zwischen 890 und 960 MHz eine Wellendämpfung
von ca. 3,7 bis 3,9 dB/100 m. Man erhält aus diesem Koaxialkabel ein strahlendes Kabel
oder Leckkabel, indem man beispielsweise gleichgroße Öffnungen im gleichen gegenseitigen
Abstand von 25 cm anbringt. Die Abstrahlung eines derartigen Kabels nimmt vom Einspeisepunkt
der HF-Energie aus gesehen längs des Kabels ab.
[0009] Bei einem ungeschlitzten Koaxialkabel wäre die Koppeldämpfung "unendlich" groß, (da
die am Kabel parallel entlanggeführte Antenne "nichts" empfangen Kann) die Wellendämpfung
beträgt dabei ca. 3,7 dB/100 m. Bei einem Leckkabel mit einer Öffnung von 20x3 mm²
pro Periodenlänge von ca. 25 cm beträgt die Koppeldämpfung zwischen Leckkabel und
Mobil-Antenne in einigen Metern Abstand im Mittel etwa 95 dB, die Wellendämpfung 4,0
dB/100 m. Durch die lineare Zunahme der Wellendämpfung mit der Kabellänge bei konstanter
Betriebsfrequenz ergibt sich, daß das Signal am Leckkabelende um die Wellendämpfung
der Kabellänge bezogen auf das Signal abgeschwächt ist. Dies bezieht sich auf das
Signal nahe dem Einspeisepunkt, wo noch fast keine Wellendämpfung auftritt.
[0010] Diese Abnahme der Abstrahlleistung soll nun so ausgeglichen werden, daß der sog.
Systemwert als Summe aus Kopplungs- und Wellendämpfung über der Leckkabellänge möglichst
konstant ist. Dies kann mit zunehmender Kabellänge durch sukzessive Erhöhung der Abstrahlung
erreicht werden. Diese Erhöhung der Abstrahlung erhöht ihrerseits wieder die Wellendämpfung,
sodaß die Maßnahmen zur Kompensation gegen Ende des Kabels immer aufwendiger werden,
d. h. daß hier die Zahl der Öffnungen sehr stark zunimmt.
[0011] Um die günstigsten Anordnungen der Öffnungen zu erhalten, geht man von einer Öffnung
pro Periodenlänge aus und erhöht deren Anzahl auf das Doppelte, sobald die Leitungsdämpfung
um einen aus Messungen ermittelten Wert, beispielsweise 5,6 dB zugenommen hat. Aus
der Theorie und den anschließenden Messungen wurde ermittelt, daß die Zunahme der
Abstrahlung bei Verdoppelung der Zahl der Öffnungen pro Längeneinheit nicht ganz den
Faktor 2 bzw. 6 dB erreicht, sondern nur ca. 5,6 dB. Dieser Wert ist ein Mittelwert
aus Meßdaten im D-Netz bei einer Frequenz von 890 bis 960 MHz. Diese Verhältnisse
sind in der Figur 1 an einem 560 m langen Koaxialkabel beispielhaft dargestellt. Die
Gerade A stellt die Leitungsdämpfung des Kabels ohne Öffnungen dar, während die Kurve
B die Leitungsdämpfung (theoretisch) mit Öffnungen zeigt, jeweils in Abhängigkeit
von der Entfernung vom Einspeisepunkt des Signals im Kabelanfang aufgetragen. Im unteren
Teil der Figur 1 ist dann die Summe aus Kopplungs- und Leitungsdämpfung dargestellt.
Die Kurve B fällt durch die zusätzlichen Abstrahlverluste stärker ab. Der Wert von
ca. 3,7 dB/100 m bei 900 MHz Betriebsfrequenz erhöht sich durch die Abstrahlung etwa
um ca. 0,35 dB/100 m, bei einer Anordnung von einer Öffnung pro 25 cm. Die Leitungsdämpfung
beträgt somit ca. 4,05 dB/100 m.
[0012] Wenn man also die Leitungsdämpfung durch z.B. eine Verdoppelung der Zahl der Öffnungen
kompensieren will, benötigt man diese Konfiguration erst ab einer Kabellänge von mehr
als 130 m. Diese Erhöhung der Zahl der Öffnungen hebt den Systemwert als Summe aus
Kopplungs- und Leitungsdämpfung auf den alten Wert von z.B. 90 dB an, wie aus der
Kurve C hervorgeht. Ab da fällt dann gemäß Kurve B die Leitungsdämpfung etwas stärker
ab. Durch die doppelte Zahl von Öffnungen vergrößert sich auch die Dämpfung durch
Abstrahlungsverluste von ca. 0,35 dB/100 m auf ca. 0,7 dB/100 m. Nach etwa 130 m mißt
man längs des Kabels wieder einen so starken Dämpfungsabfall, daß bald wieder eine
Verdoppelung der Zahl der Öffnungen vonnöten ist, um den alten Systemwert von ca.
90 dB zu erhalten. Im dritten Abschnitt hat man also 4 Öffnungen pro Periodenlänge
und im vierten Abschnitt deren 8. Die Dämpfungsverluste werden dadurch immer wieder
ausgeglichen, wie aus Kurve C hervorgeht. Die Längen der Abschnitte nehmen wegen der
immer stärker werdenden Strahlungsverluste ab. Dies zeigt die Kurve B, welche sich
am Ende immer stärker nach unten neigt.
[0013] Die folgende Tabelle zeigt an einem Beispiel für etwa 900 MHz, wie die Länge der
einzelnen Abschnitte von der Zahl der Öffnungen abhängt.
Tabelle
1. Abschnitt |
1 Schlitz |
138 m |
2. Abschnitt |
2 Schlitze |
127 m |
3. Abschnitt |
4 Schlitze |
110 m |
4. Abschnitt |
8 Schlitze |
86 m |
5. Abschnitt |
16 Schlitze |
60 m |
6. Abschnitt |
32 Schlitze |
38 m |
[0014] Die Länge der Abschnitts errechnet sich in erster Näherung aus:
[0015] Dies wurde durch Messungen im wesentlichen bestätigt. Die Messungen zeigen Signalschwankungen
mit einer Standardabweichung von +/- 5 dB. Die Strahlungsverstärkung beträgt jeweils
ca. 5,6 dB, die Dämpfung ca. 3,7 + 2
n-1 0,35 dB/100 m.
[0016] Bei Messungen hat sich gezeigt, daß die Längen der einzelnen Abschnitte relativ gut
geschätzt waren. Der erste Abschnitt kann bei dem hier zu übertragenden Frequenzband
auch etwas länger sein, bevor eine Verdoppelung oder anderweitige Vergrößerung der
Zahl der Öffnungen notwendig ist.
[0017] Der zweite und die weiteren Öffnungen, welche in jedem neuen Abschnitt hinzugefügt
werden, dürfen nicht in der Mitte zwischen den bereits bestehenden Öffnungen angebracht
werden, damit nicht die Periodenlänge halbiert und infolgedessen erst ab der doppelten
Frequenz 2f
o abgestrahlt wird. Die Lage ist ansonsten nicht festgelegt. Man bringt jeweils soviel
Öffnungen mehr an, wie fur Kompensation nötig sind.
[0018] Es können natürlich auch andere Frequenzbänder übertragen werden, wobei die Periodenlänge
P so gewählt wird, daß sie der unteren Grenzfequenz f
o des übertragenen Frequenzbandes angepaßt ist. Außer der Verdoppelung der Zahl der
Öffnungen können auch andere Algorithmen zur Vermehrung ihrer Anzahl verwendet werden;
statt des Faktors 2 beispielsweise eine Vermehrung jeweils um den Faktor 3. Die Verdoppelung
der Zahl der Öffnungen ist zunächst sehr einfach auszuführen und der damit erzielte
Ausgleich der Dämpfung für die praktische Anwendung ausreichend.
[0019] In Figur 2 sind beispielsweise die Muster der Öffnungen in verschiedenen Abschnitten
einander gegenübergestellt.
[0020] In Figur 3 sind 16 Öffnungen pro Periode vorhanden. Diese relativ unregelmäßige Anordnung
von 16 Öffnungen ist für den 5. Abschnitt vorgesehen. Dabei ist darauf zu achten,
daß eine Folge von Öffnungen mit der halben Periodenlänge vermieden wird.
[0021] Die Öffnungen sind in der Regel wesentlich schmaler als hoch und senkrecht zur Achse
des Kabels längs einer Mantellinie angeordnet. Die Herstellung der Öffnungen geschieht
vorzugsweise durch Stanzen des Außenleiters, der dann um die Anordnung des Innenleiter-Dielektrikums
zylindrisch herumgeformt und verschweißt oder überlappend geklebt wird.
[0022] Selbstverständlich ist es auch möglich, zwei verschiedene Anordnungen von Öffnungen
- eine auf der Vorder-, die andere auf der Rückseite des Kabels - vorzusehen. Durch
Wahl entsprechender Periodenlängen lassen sich auf diese Weise unterschiedliche Frequenzbänder
übertragen.
[0023] Alle vorstehenden Ausführungen gelten wegen des Reziprozitätstheorems analog auch
bei Umkehrung der Übertragungseinrichtung. Das bedeutet: im Falle eines sendenden
Mobilteilnehmers empfängt ein am entsprechend der Erfindung gestalteten Kabel angeschlossener
Empfänger eine in erster Näherung gleichbleibende Intensität unabhängig von der Position
des mobilen Senders.
1. Strahlendes Hochfrequenzkabel mit Gruppen von Öffnungen im Außenleiter eines Koaxialkabels,
welche eine periodische Anordnung aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Öffnungen pro Periodenlänge abschnittweise längs des Kabels zunimmt,
wobei die Abschnitts ganzzahlige Vielfache der Periodenlänge sind.
2. Strahlendes Hochfroquenzkabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die
Zunahme der Anzahl der Öffnungen pro Periodenlänge längs des Kabels die durch die
Leitungsdämpfung hervorgerufene Abnahme der Abstrahlleistung mit der Entfernung eines
mobilen Empfängers vom Einspeisepunkt der HF-Energie in das sendende Kabel annähernd
ausgeglichen ist.
3. Strahlendes Hochfrequenzkabel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Anzahl der Öffnungen sich abschnittweise verdoppelt, so daß im n-ten Abschnitt
des Kabels die Zahl der Öffnungen pro Periodenlänge 2n-1 ist, mit n=1,2,3,4,....
4. Strahlendes Hochfrequenzkabel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der n-te Abschnitt in der Länge so bemessen ist, daß bei einem Absinken der Abstrahlleistung
durch Zunahme der Anzahl der Öffnungen pro Periodenlänge im n+1-ten Abschnitt die
Abstrahlleistung wieder auf den wert am Anfang des n-ten Abschnitts angehoben ist.
5. Strahlendes Hochfrequenzkabel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß längs des Kabels die Zahl der Öffnungen pro Periodenlänge abschnittweise um jeweils
eine bestimmte Zahl k(n) zunimmt.
6. Strahlendes Hochfrequenzkabel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß auf dem ersten Abschnitt des Kabels pro Periode nur eine Öffnung vorgesehen ist.
7. Strahlendes Hochfrequenzkabel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß beim Übergang von einem auf mehrere Öffnungen pro Periodenlänge die pro Periode
hinzukommenden Öffnungen derart zwischen den bisherigen Öffnungen angeordnet sind,
daß keine neue Periodizität der Anordung entsteht.
8. Strahlendes Hochfrequenzkabel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die Öffnungen eine längliche Form aufweisen.
9. Strahlendes Hochfrequenzkabel nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die Öffnungen bezüglich ihrer größten Ausdehnung senkrecht zur Kabelachse angeordnet
sind.
10. Strahlendes Hochfrequenzkabel nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
daß alle Öffnungen gleiche Form aufweisen.
11. Strahlendes Hochfrequenzkabel nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet,
daß mit der Entfernung der Öffnungen vom Einspeisepunkt auch ihre Flächenausdehnung
zunimmt.
12. Strahlendes Hochfrequenzkabel nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet,
daß auf zwei unterschiedlichen Mantellinien des Kabels zwei Gruppen von Öffnungen
vorgesehen sind, welche verschiedene Periodenlängen aufweisen.
13. Strahlendes Hochfrequenzkabel nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet,
daß für die Übertragung mehrerer Frequenzbänder auch mehrere Mantellinien mit Öffnungen
versehen sind, die sich in ihren Periodenlängen von Mantellinie zu Montellinie unterscheiden.