DE2618772C2

DE2618772C2 - Kabelantenne

Info

Publication number: DE2618772C2
Application number: DE2618772A
Authority: DE
Inventors: Paul Limelette Delogne
Original assignee: Institut National des Industries Extractives (I.N.I.EX.), Lüttich/Liège
Priority date: 1975-10-07
Filing date: 1976-04-29
Publication date: 1987-01-15
Also published as: BE834291A; US4152648A; JPS588253U; FR2327686A1; JPS6016131Y2; CA1088202A; GB1541278A; DE2618772A1; FR2327686B1; JPS5246712A

Description

Die Erfindung geht aus von einer Kabelantenne nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei dieser aus der DE-AS 21 04 467 bekannten Kabelantenne wird ein Koaxialkabel verwendet, dessen Außenleiter quer zur Kabelrichtung verlaufende, kurze Unterbrechungen hervorrufende Einschnitte aufweist, die einen Austausch elektromagnetischer Energie zwischen Innen und Außen vom Kabel ermöglichen.
Diese bekannte Kabelantenne vermag die elektromagnetische Energie mit einer solchen Dämpfung zu leiten, die deutlich unter der Abschwächung der Strecken- bzw. Stollen-Wellenform liegt und gleichzeitig einen geringen Energieanteil zur Kopplung mit Antennen von nichtstationären Empfangsgeräten abstrahlt. Je nach dem speziellen Anwendungsfall bezeichnet der Begriff "Abstrahlung" im folgenden die Umwandlung der von der Kabelantenne geführten Energie in eine an der Außenseite des Kabelschirms entlanglaufende Welle, bei oberirdischen Anlagen in Strahlung im herkömmlichen Sinne oder andere Abstrahlungsformen.
Nachteilig bei der bekannten Kabelantenne ist jedoch, daß die im Inneren des geschirmten Kabels vorhandenen Wellenarten im Bereich der strahlenden Kabelstrecken stark abgeschwächt werden. In der DE-AS 21 04 467 sind Übertragungsmaße von 17 bzw. 11,2 dB angegeben. Diese Werte sind, wie schon in der DE-AS 21 04 467 ausgeführt ist, für die Übertragung in der Kabelantenne unzureichend. Weiterhin hat sich bei der bekannten Kabelantenne der Nachteil herausgestellt, daß auf Grund der an den Übergangsstellen zwischen strahlenden und nichtstrahlenden Kabelstrecken auftretenden Reflexionen stehende Wellen gebildet werden.
Die Anregung einer Oberflächenwelle durch eine Koaxialkabel, das zu diesem Zweck mit Öffnungen versehen ist, ist aus Electronics Letters, 13. Dezember 1968, Seiten 557 bis 559, bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es, die bei der bekannten Kabelantenne bestehenden Unzuträglichkeiten, nämlich daß in Ausbreitungsrichtung nach einer strahlenden Kabelstrecke die im Inneren des Kabels weiterlaufende Welle zu stark abgeschwächt ist und daß fener durch die rücklaufende Welle an der Kabelaußenseite stehende Wellen auftreten, zu beseitigen.
Diese Aufgabe wird bei einer Kabelantenne der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Während die Länge der strahlenden Kabelstrecken nach der Lehre der DE-AS 21 04 467 maximal etwas größer sein soll als der Durchmesser des Kabels, haben die strahlenden Kabelstrecken nach dem Anspruch 1 eine deutlich größere Länge. Entscheidend ist aber, daß ihre Länge der Wellenlänge des benutzten Senders angepaßt ist, indem ihre Länge in Abhängigkeit von der Wellenlänge dieses Senders so gewählt ist, daß die radiale Abstrahlung eine bestimmte Richtcharakteristik erhält bzw. stehende Wellen an der Außenseite der Kabelantenne reduziert werden.
Die Maximierung der an der Außenseite des Kabelschirms entlanglaufenden Welle ergibt sich nicht aus der Lehre der DE-AS 21 04 467. In dieser Maximierung ist der wesentliche Erfindungsgedanke zu erblicken.
Das bei der vorliegenden Kabelantenne erreichte Ziel, der radialen Strahlung eine bestimmte Richtcharakteristik zu verleihen bzw. die Erzeugung der an der Außenseite des Kabelschirms entlanglaufenden Welle zu maximieren, wird auch bei Längen L der strahlenden Kabelstrecke erreicht, die deutlich unterschiedliche von der Optimallänge L sind, wie sie in den Gleichungen gemäß Anspruch 1 durch ein Gleichheitszeichen angedeutet ist. Diesem Umstand ist durch das Ungefährzeichen in den Gleichungen gemäß Anspruch 1 Rechnung getragen worden.
Entweder wird ein Koaxialkabel eingesetzt, dessen Kabelschirm völlig geschlossen ist mit Ausnahme bestimmter Abschnitte von vorbestimmter Länge, der sogenannten strahlenden Kabelstrecken, die sich in mehr oder weniger regelmäßigen Abständen je nach Dämpfung bzw. Abschwächung der an der Außenseite des Kabelschirms entlanglaufenden Wellen wiederholen, oder es wird ein geschirmtes Kabel mit zwei Innenleitern eingesetzt, bei dem der Kabelschirm im Bereich von Abschnitten mit vorgegebener Länge weggelassen ist bzw. so verändert ist, daß eine an der Außenseite des Kabelschirms entlanglaufende Welle erzeugt wird.
Zur Berechnung der kritischen Frequenz wird eine Untertagestrecke als Wellenhohlleiter angesehen. Der Wert der kritischen Frequenz hängt von den Dimensionen und der Form der Untertagestrecke ab und kann nach der klassischen Theorie der Wellenhohlleiter berechnet werden. Unterhalb der kritischen Frequenz findet keine Wellenausbreitung in der Untertagestrecke statt.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese nunmehr anhand von lediglich als Beispiele anzusehenden Ausführungsformen beschrieben. Hierzu wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in dieser zeigt
Fig. 1 eine Schemaansicht eines Querschnitts einer Untertagestrecke, in der eine Kabelantenne installiert ist,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer strahlenden Kabelstrecke zwischen zwei nichtstrahlenden Kabelstrecken, die zur Berechnung der auf der Außenseite des Kabelschirms entlanglaufenden Welle benötigten Parameter sind angegeben,
Fig. 3 eine schematische Darstellung des Leistungsverlustes in Abhängigkeit von der Entfernung vom Sender,
Fig. 4 eine zusammenfassende Darstellung der zur Berechnung eines Strahlungsdiagramms herangezogenen Größen,
Fig. 5a und b eine Darstellung von zwei Anordnungen einer Kabelantenne mit zwei Innenleitern in Wandnähe und
Fig. 5c ein Querschnitt durch eine Kabelantenne mit zwei Innenleitern im Bereich einer strahlenden Kabelstrecke.
Um das Verhalten einer in ein nicht abstrahlendes Kabel eingeschalteten, strahlenden Kabelstrecke verstehen zu können, bedarf es einer physikalisch exakten Erklärung der Funktionsweise abstrahlender Kabel im allgemeinen. Zunächst wird der Fall eines abstrahlenden Kabels betrachtet, das in einer Untertagestrecke installiert ist, und mit einer Frequenz betrieben wird, die unterhalb der kritischen Frequenz liegt. Fig. 1 zeigt den Querschnitt der Strecke 1, in welcher das aus einem nicht geschlossenen Außenleiter, einem Isolator 3mit den Dielektrizitätskonstanten &epsi; und einem Innenleiter 4 bestehende Koaxialkabel montiert ist. Der Abstand zwischen dem Meßpunkt P und dem Mittelpunkt des Innenleiters 4 ist mit ρ bezeichnet.
Zur Lösung dieses Problems kann man sich zweier unterschiedlicher Theorien bedienen, nämlich der Theorie der gekoppelten Leitungen und der Theorie der reinen Wellenformen. Hierzu wird auf die Veröffentlichung in "The Radio and Electronic Engineer", Vol. 45, No. 5, pp. 233 bis 240, 1975, verwiesen.
Gemäß Fig. 2 ist in ein nicht abstrahlendes Koaxialkabel, dessen Längskoordinate mit dem Bezugszeichen z bezeichnet ist, eine strahlende Kabelstrecke zwischen z=0 und z=L eingeschaltet. Es wird angenommen, daß ein Sender bei z<0 an das Kabel angeschlossen ist. Die Berechnung dieser Konstruktion läßt sich mit Hilfe der unreinen Wellenform und deren Anwendung auf die Theorie der gekoppelten Leitungen für 0<z<L erstellen. Die Rechenergebnisse werden als Wellen (deren Modulquadrat die Leistung darstellt) der unreinen koaxialen und äußeren Wellenform ausgedrückt. Die sich in Richtung z positiv fortpflanzenden Wellen sind mit A _c (z) und A _m (z) und die sich in Richtung z negativ ausbreitenden mit B _c (z) und B _m (z) bezeichnet; der Generator liefert die Welle A _c (0), die als Einheit angenommen wird. Es bedeuten weiterhin:

l _c, l _m = die spezifischen Induktivitäten der beiden Wellenformen;
γ _c, γ _m = die Fortpflanzungsmasse der beiden Wellenformen;
β _c, β _m = die Phasenmasse der beiden Wellenformen;
m = die Übertragungsinduktivität des Außenleiters 2 in der strahlenden Kabelstrecke;
&epsi; = die Dielektrizitätskonstante des Isolators 3.

Durch Bestimmung der beiden Kopplungskoeffizienten: °=c:30&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz2&udf54; &udf53;vu10&udf54;°=c:30&udf54;&udf53;vz2&udf54; &udf53;vu10&udf54;erhält man die Formeln der äußeren Wellenformen progressiv und regressiv für 0<z<L: °=c:20&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz1&udf54; &udf53;vu10&udf54;°=c:20&udf54;&udf53;vz1&udf54; &udf53;vu10&udf54;
Bei einer strahlenden Kabelstrecke von geringer Länge kann man die Abschwächungen bzw. Dämpfungen der beiden Wellenformen vernachlässigen und die Formeln (3) und (4) wie folgt schreiben: °=c:20&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz1&udf54; &udf53;vu10&udf54;°=c:20&udf54;&udf53;vz1&udf54; &udf53;vu10&udf54;
Man beachte, daß rechts der strahlenden Kabelstrecke (z>L) erzeugte äußere Wellen nach der Formel °=c:20&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz1&udf54; &udf53;vu10&udf54;bestimmt sind, weil sie nicht mehr mit der koaxialen Wellenform gekoppelt sind. In gleicher Weise ergeben sich die links, also (z<0) erzeugten Wellen aus der Gleichung °=c:20&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz2&udf54; &udf53;vu10&udf54;
Unter Nichtberücksichtigung der Phasen ergibt sich als Ergebnis, daß eine strahlende Kabelstrecke nach rechts eine äußere Welle mit der Amplitude: &udf53;vu10&udf54;°KA°T°Km°t = 2 °KC°kÉ sin (&udf57;°Kb&udf56;°T°Km°t þ &udf57;°Kb&udf56;°T°Kc°t) °KL°k/2@,(9)&udf50;&udf53;vu10&udf54;und nach links eine solche mit der Amplitude: &udf53;vu10&udf54;°KB°T°Km°t = 2 °KC°kÊ sin (&udf57;°Kb&udf56;°T°Km°t + &udf57;°Kb&udf56;°T°Kc°t) °KL°k/2@,(10)&udf50;&udf53;vu10&udf54;erzeugt.
Die Prüfung von (1) und (2) zeigt, daß der Koeffizient C&sub1; viel größer als C&sub2; werden kann, wenn ein Kabel mit einem Isolator 3, dessen Dielektrizitätskonstante &epsi; niedrig ist, benutzt wird. Die strahlende Kabelstrecke wirkt dann als Richtungskoppler, der hauptsächlich die äußere Welle vom Sender aus stromabwärts erzeugt. Diese Eigenschaft ist wesentlich, denn sie verhindert, daß die im bestimmten Abstand voneinander in das Kabel eingeschalteten strahlenden Kabelstrecken äußere Wellen mit wenig unterschiedlichen Amplituden gegeneinander aussenden, was stehende Wellen hervorrufen würde, deren Vorhandensein die Berücksichtigung einer Spanne von ca. 20 dB in der Berechnung erforderlich machen würde. Außerdem muß darauf geachtet werden, daß die in den Formeln (9) und (10) ausgewiesenen Sinusfaktoren diesen Richtungseffekt nicht zu mindern vermochten. Diesbezüglich muß die Länge L in Abhängigkeit von der Arbeitsfrequenz gewählt werden, um zu erhalten: &udf53;vu10&udf54;(&udf57;°Kb&udf56;°T°Km°t þ &udf57;°Kb&udf56;°T°Kc°t) °KL°k/2 &udf58;g&udf56; &udf57;°Kp&udf56;/2@,(11)&udf50;&udf53;vu10&udf54;
Praktisch ist die Länge L gegeben als Funktion der Wellenlänge im freien Raum λ&sub0; durch die Formel: °=c:30&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz2&udf54; &udf53;vu10&udf54;
Wie ersichtlich ist der Durchlaßbereich mit 3 dB dieser Richtungskopplung eine Oktave.
Aus Fig. 3 ist zu ersehen, warum und unter welchen Umständen ein mit abstrahlenden Abschnitten, deren Länge L nach (12) bestimmt ist, gegenüber einem auf seiner gesamten Länge abstrahlenden Kabel vorteilhaft ist. Gezeigt ist ein Diagramm der Leistungen in logarithmischen Einheiten als Funktion des Abstandes vom Sender. Die Gerade 5 stellt den Leistungspegel im Inneren eines nicht abstrahlenden Kabels dar, die Gerade 6 den Leistungspegel im Inneren eines auf seiner gesamten Länge abstrahlenden Kabels. Die Gerade 7 steht für den Leistungspegel des Streufeldes eines über seine Gesamtlänge abstrahlenden Kabels. Die Gerade 8 zeigt den Leistungspegel der äußeren Wellenform, die sich entlang einer erfindungsgemäß bei 9 mit strahlenden Kabelstrecken versehenen Kabelantenne fortpflanzt. Diese Figur berücksichtigt, daß ein auf seiner gesamten Länge abstrahlendes Kabel eine Dämpfung aufweist, die größer 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.
Bislang wurde lediglich der Anwendungsfall untersucht, bei dem das Kabel unterhalb der kritischen Frequenz der jeweiligen Untertagestrecke benutzt wird. Oberhalb der kritischen Frequenz führt die Verwendung von strahlenden Kabelstrecken wegen der großen Anzahl leitender Wellenformen, die sich fortpflanzen können, zu komplexen Phänomenen.
Für die praktische Berechnung wird jede strahlende Kabelstrecke als eine Antenne betrachtet, deren Strahlung unter Nichtberücksichtigung (des Vorhandenseins) der Untertagestrecke 1 untersucht werden kann. Das Kabel darf jedoch nicht außer Acht gelassen werden. Deshalb ist es zweckmäßig die Strahlung einer strahlenden Kabelstrecke zu untersuchen, die in eine im freien Raum installiertes Kabel von unendlicher Länge eingeschaltet ist. Nachstehend sind ausschließlich die Ergebnisse dieser Untersuchung wiedergegeben.
Das Kabel ist schematisch in Fig. 3 dargestellt. Läßt man die Feinstruktur in unmittelbarer Nähe des Kabels unberücksichtigt, so ist der Feldverlauf rotationssymmetrisch. Das auf große Entfernung R in einer vom Winkel R bestimmten Richtung abgestrahlte Feld besitzt eine lineare Polarisation entsprechend dem Vektor E _R. Unter Einsatz der folgenden Parameter:

f = Betriebsfrequenz,
2 a = Kabeldurchmesser,
I = Stromstärke im Koaxialkabel,
h _g = Phase der Goubau'schen Welle, die sich außen am Kabel fortpflanzen kann, °=c:70&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz6&udf54; &udf53;vu10&udf54;
wobei die K-Funktionen nach Bessel in der zweiten modifizierten Form sind,
h _c &sim; k&sub0; √&udf53;lu,4,,100,5,1&udf54;&udf57;°Ke°k&udf56;&udf53;lu&udf54; = Phasenmaß der koaxialen Wellenform,

Das Strahlungsdiagramm ist rotationssymmetrisch und ergibt sich aus den beiden letzten Faktoren der Gleichung (14). Der erste dieser Faktoren ist abhängig von den Parametern der Goubau'schen 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 30 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 R _max zwischen 7 und 10 Grad variieren. Der letzte Faktor gemäß Formel (14) ermöglicht durch sorgfältige Wahl der Länge L die Erstellung eines Strahlungsdiagramms, das etwa Herzform besitzt, wie dies die Kurve 12 aufweist; auf diese Weise läßt sich der Hinterlappen des zweiten Faktors gemäß (14) sehr stark verringern und von der Form der Kurve 13 ausgehend ein Strahlungsdiagramm erstellen. Hierbei ist L so anzunehmen, daß (h _c+k&sub0;)L/2 nahe bei π liegt, was den Hinterlappen stark reduziert und die Strahlung nach vorne maximiert. Andere Werte können jedoch für L eingesetzt werden, wenn andere Richtcharakteristiken untersucht werden sollen. Eine nähere Prüfung von (14) zeigt, daß eine niedrige Dielektrizitätskonstante &epsi; des Isolators 3 des Kabels zweckmäßig ist.
Die soeben beschriebene Richtcharakteristik bietet die Möglichkeit, ein gegengerichtetes Abstrahlen der in ein Kabel eingeschalteten strahlenden Kabelstrecken 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 praktiche Ausführung der Erfindung kann in verschiedenen Formen erfolgen. Zur Herstellung der strahlenden Kabelstrecken kann jede beliebige Art von abstrahlendem Kabel verwendet werden, wobei jedoch vorausgesetzt ist, daß zur Verhinderung eines übermäßigen Energieverlustes die jeweiligen strahlenden Kabelstrecken zweckmäßigerweise den gleichen Wellenwiderstand wie das die Wellen leitende Kabel haben sollen. Unter Einsatz von Verbindern lassen sie die strahlenden Kabelstrecken in ein normales Kabel einschalten. Auch besteht die Möglichkeit, im Zuge der Herstellung bereits die strahlenden Kabelstrecken 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 Fig. 5 zwei Ausführungen, die jedoch keinerlei Einschränkungen darstellen sollen. Die Fig. 5a und 5b zeigen eine durch vollständige Wegnahme des Mantels hergestellte, strahlende Kabelstrecke.
Werden die Innenleiter wie aus Fig. 5a ersichtlich angeordnet, diese Anordnung wird als asymmetrisch zur Wand der Strecke 1 bezeichnet, so wird im Bereich der strahlenden Kabelstrecke die äußere 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 Fig. 5b dargestellt ist, so erhält man eine reine Wellenform, und der äußere Wellenform wird nicht erzeugt. Fig. 5c zeigt den Querschnitt einer weiteren möglichen Ausführungsform einer strahlenden Kabelstrecke, bei welcher der Kabelschirm 14 auf einem Teil des Kabelumfangs weggelassen ist in der Weise, daß der restliche Kabelschirm 14 eine Asymmetrie bildet. Hier ergibt sich auch eine unreine Wellenform für die Übertragung der entgegengerichteten Ströme durch die beiden Innenleiter 4, so daß der äußere Wellentyp entsteht.
Die strahlenden Kabelstrecken können dadurch hergestellt werden, daß sich über die gesamte Länge der jeweiligen Kabelstrecke im Kabelschirm eine durchgehende Öffnung befindet oder daß eine Anzahl von als solche wirkenden, nahe beieinanderliegenden Öffnungen vorgesehen sind.

Claims

1. Kabelantenne, bestehend aus einem geschirmten Kabel mit mindestens einem Innenleiter und einem diesen umgebenden Isolator, das abwechselnd aus strahlenden und diesen gegenüber eine wesentlich größere Länge aufweisenden, nichtstrahlenden Kabelstrecken aufgebaut ist, wobei an den Übergängen zwischen den strahlenden und nichtstrahlenden Kabelstrecken eine auf der Außenseite des Kabelschirms entlanglaufende Welle angeregt ist, dadurch gekennzeichnet, daß

a) bei Verwendung der Kabelantenne in Untertagestrecken für funkelektrische Verbindungen und einer Anregung der Kabelantenne mit einer Frequenz unterhalb der kritischen Frequenz der als Wellenhohlleiter betrachteten Untertagestrecke die strahlenden Kabelstrecken eine Länge L von °=c:30&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz2&udf54; &udf53;vu10&udf54;aufweisen,
oder

b) bei Verwendung der Kabelantenne in Untertagestrecken für funkelektrische Verbindungen und einer Anregung der Kabelantenne mit einer Frequenz oberhalb der kritischen Frequenz der als Wellenhohlleiter betrachteten Untertagestrecke oder bei Verwendung im freien Raum die strahlenden Kabelstrecken für beide Verwendungen eine Länge L von °=c:30&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz2&udf54; &udf53;vu10&udf54;

aufweisen, wobei
λ&sub0; = Freiraumwellenlänge,
&epsi; = Dielektrizitätskonstante des Isolators (3) ist.

2. Kabelantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das geschirmte Kabel ein Koaxialkabel ist, dessen Außenleiter (2) den Kabelschirm bildet.

3. Kabelantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das geschirmte Kabel zwei Innenleiter (4) aufweist, die eine Dopplleitung bilden.

4. Kabelantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ihr Isolator (3) eine niedrige Dielektrizitätskonstante aufweist.