CN1181845A - 特别用于交通工程通信系统的天线系统 - Google Patents

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Abstract

一种天线系统具有一第一天线(A1),其与一第一发射器和/或接收器单元(T/R1)连接,并且具有至少近似于fm值的固有频率。还提供一第二天线(A2)以感性地和用机械方法两者与第一天线(A1)耦合,也具有至少近似于fm值的自然频率。此第一和第二天线(A1,A2)用以与至少另一个第三天线(A3)的天线系统耦合,该第三天线具有至少近似于fm值的一个固有频率,且该第三天线和向第一发射器和/或接收器单元发射数据和/或从该单元接收数据的一第二发射器和/或接收器单元(T/R2)连接。最好至少对应于该第一或第二发射器和/或接收器单元(T/R1,T/R2)的一个发射器和/或接收器单元安置于一个公共干道的路程点。与其对应的第二和/或第一发射器和/或接收器单元(T/R2,T/R1)安置在该公共干道运行的交通工具上。按本发明的天线系统能产生宽带的发射频道,而且只有微小的衰减。

Description

特别用于交通工程通信系统的天线系统
本发明涉及如权利要求1前序部分所述的天线系统。
天线的基本功能是实现四端网络的转换，使天线引线的波阻抗和大气空间中的波阻抗相匹配，以及将通过天线引线发射的电振荡信号转换成电磁波。在这种情况下，天线的作用如同谐振器。在谐振状态下运行的无损耗发射天线的等效电路图只包含本身的辐射电阻。根据C.Dorf在其1993年由CRC Press Inc.，Boca Raton，出版的“电工技术手册”第36.1章第864页的内容可知，一个偶极天线的辐射电阻可通过计算其电场E和磁场H得出，其近似值为73欧姆。此外在该书还提及偶极天线的有效长度可借助偶极天线的终端电容(末端负载)而增加。因此，一较短的偶极天线可经过调整适用于较长波长的信号。例如，如图1所示的天线A3，其有效长度通过连接一电容器Ca3得到增加。与电容器Ca3相连接的导线起一电感器的作用，在图1中标示为线圈La3。已知最大反相电压发生在偶极天线的终端(电容性区域)，而在感性区域或线圈La3中最大电流则发生在这些终端之间。为了在两个发射站之间发射数据，它们的天线是能相互耦合，例如，可通过磁场实现耦合。在图1中，天线A3经由此种方式与同型的天线A2耦合。所以，流经线圈La3的电流产生磁场，借此磁场而在天线A2的线圈La2中感应产生电流。天线La2和La3之间的距离的选择最好小于传输信号的波长。若电场必然通过强衰减层而产生损耗，则通过上述方式可避免损耗的产生。
发射器内的天线A2、A3、源阻抗Rq与接收器内的平衡电阻R1适当地匹配，以达到最大信号强度的信号发射，从而可能发射高电压电平的信号至天线A2。但在这种情况下，天线A2和A3起窄频带谐振电路作用，只允许窄频带范围内的信号通过。但通常数据通道需要较大的带宽，以传输较大的数据量。举例来说，借助于谐振电路的衰减，可加大带宽范围。然而，这种方法也会影响发射通道的衰减性能，使得此电路因为发射通道带宽增加，而必须容忍更大的信号衰减。如果频宽相对于发射频率或此谐振电路的中心频率fm较大，则此种衰减也相对较高，1MHz的带宽大致上可满足中心频率为30MHz的情形，但对于中心频率低于10MHz以下而言，传输损耗的增加是不能忽略不计的，所以为补偿发生的损耗，必须提供相对较高的发射功率。
但特别是对于具有受地域限制的移动通讯装置的交通工程通讯系统而言，可容许的发射输出功率是有限的。此外应考虑这些系统在将来会有增加带宽的需求。
本发明的目的是提供一种具有较大的带宽和较小的信号衰减的天线系统。
上述目的是借助于权利要求1特征部分公开的特征实现的。本发明的优选实施例详述于其他从属的权利要求中。
当应用于交通工程通讯系统时，本发明的天线系统能可靠地发射更大的数据量。借助本发明的天线系统，可以产生宽带的传输通道，而只有小量的衰减。此天线系统可以较低的成本制造，而且可以在较窄的空间实现，因此其安装是可行的，例如可毫无困难地装在车辆上。
此外，本发明的天线系统对于外部信号可取得令人满意的干扰抑制或是高信号杂音比。在其他的因素中，在交通工程通信系统的远程传送方面，本发明用以防止其间所产生的耦合损耗也是十分主要的。尤其是只为发射和接收信号而短暂处于运行状态的通信单元(例如当一辆车经过时)，此因素的影响是特别重要的。
此系统能更进一步地降低传输损耗，方法是将天线系统的天线安装在一种铁氧体材料上，其下置一金属板，涡流电流可借此而减小，并且达到稳定传输状态，而且基本上与天线系统的安置场所无关。
下面将参照附图详细说明本发明。
图1是本发明的天线系统，由第一和第二天线组成，并且与第三天线耦合，
图2是图1所示的天线系统的等效电路图；
图3是图1中的天线不相互耦合时的通带曲线，
图4是由耦合在一起的第一和第二天线所构成的天线系统的通带曲线，
图5是由耦合在一起的第一、第二和第三天线所构成的天线系统的通带曲线，
图6～8显示耦合到一个天线的各种可能性，
图9是第一和第二天线的一种有效的排列方式，
图10是将第三天线耦合到由第一和第二天线构成的天线系统的可能性，
图11是本发明的天线系统在交通工程中的应用，和
图12是将一天线以最佳的方式安装在底板上。
图1为一天线系统，由两个耦合在一起的谐振电路或由具有线圈La1，La2和与其连接的电容Ca1、Ca2的天线A1，A2所构成。线圈La1，La2例如由一条延伸导线、同轴电线或是印在板上的金属带(印刷电路板)所构成，两线圈之间的距离为d12，借此得以提供磁耦合。可以借助改变间距d12而设置所需的耦合程度。接收信号可经由电容ca1在最大电压条件下拾取，而此电容例如可用平行放置的金属带构成，同时，此接收到的信号可供给一单元T/R1，此单元用作接收器或发射器和接收器。两个天线在窄频带范围内调整到由前述的第三天线La3所传送的信号频率为fm。调谐到相同频率fm(传送信号的中心频率)的天线A1、A2、A3的典型通带曲线KA1，A2，A3如图3所示。天线A1和A2的通带曲线KA1、A2彼此重叠，而第三天线A3的曲线KA3例如具有稍大的通带范围。
图4显示耦合在一起的第一和第二天线A1和A2构成的振荡系统，此系统有两个不同的固有频率f1，f2，而此两固有频率彼此相差越小，第一和第二天线A1、A2之间的耦合程度就越小。所以，此振荡系统的通带曲线KA12相对应于一个带通滤波器的通带曲线。例如，一种已知的耦合振荡电路，公开在Dorinski、krakau、Vogel所著的“工程师物理”(1976年由斯图加特的Teubner出版的第四版本)一书中第5.1，8.2章第316页和图316.1中，此电路至今仍用在收音机接收器的输入级或中频级。
通过将第三天线A3耦合到由天线A1和A2构成的振荡系统而形成一个系统，该系统具有三个各自独立且具有相同固有频率fm的振荡系统，其通带曲线KA123近似于矩形，将其与宽带振荡电路的通带曲线KA0比较，在通带区域(大约-15dB)中的阻尼明显减小。
由此，最终的通带曲线KA123由各独立系统的品质以及彼此之间的耦合程度或距离d12和d13的选择所决定。
由天线A1，A2和A3构成的振荡系统的等效电路图如图2所示，包括电源、电源阻抗Rq，谐振电路的负载电阻R1以及损耗电阻Ra1、Ra2和Ra3。图中所示出的虚拟等效电感La12、La23可基于选定的耦合程度进行计算而决定其值。
图6-8表示将发射器和接收器T/R1、T/R2或用于产生电流的整流器耦合到天线A1，A2，A3的可能的方式。图6a表示出耦合到线圈La3的拾取信号部位。图6b为借助同轴电缆连接的实际情况。由图7a和图7b所示，电容器Ca3可借助将各个彼此连接的以及与发射器和接收器T/R1、T/R2连接的电容器来构成。在图8a和8b中，发射器和接收器T/R1、T/R2也可通过耦合线圈KS与变压器耦合的方式耦合至天线A1、A2和A3。
图6a中，与电容器c相连接的二极管D连接到线圈La3，以作为通信装置的电源。此二极管D产生一电源电压+UB。由于本发明能降低耦合损耗，所以在远程传送的通信装置中可得到一较高的输出电功率。
图9中，第一和第二天线A1、A2并不如图1中彼此上下安置，而是布置在同一个平面上。对于只有很小的离地净高的备有发射器和接收器T/R的车辆而言，这种安置方式是相当有效的。所以在一个平面中(见图2)安装与天线系统AS15连接的发射器和接收器是不成问题的。但是，在图1所示的装置中以及图9所示的装置中第一和第二天线A1、A2在机械上固定装配，使这两个天线A1，A2之间的耦合保持不变。
图10显示如何经由耦合线圈KS3将天线A3耦合安置在同一平面的天线系统AS12。与天线A3的线圈La3感性耦合的耦合线圈KS3，原则上如图6所示，与天线A2的线圈La2的拾取信号部位连接。此天线系统AS12可能以更便利的方式配置，并且可以更简单的方式确定天线系统AS12和天线A3之间所需的耦合程度。
然而本发明的天线系统若应用于无线电技术中，通常未必有利，例如，在收音机和电视频率的范围内可得到所需的频带宽度，而且具有足够的发射功率，系统天线能稳定地安置。相反，借助于本发明的天线系统，可以明显改善交通通信工程的发射系统，此系统在未来可提供高发射数据率，并且能以较低的发射功率和1MHz到约50MHz的低频率运行。
如前所述，如果单独的通信装置必须远程传送时，应用本发明的天线系统是特别有利的。因此，由于耦合损耗的降低，在接收端可有较高的供给功率，或可相应降低发射功率。此外，本发明可有效增加有用信号和干扰信号之间的电平差。
图11为彼此相邻铺设的两对钢轨S1，S2。一辆装有移动式发射器和接收器T/R2的机车ZK在铁轨S1上运行。在钢轨S1，S2之间装有限于地面使用的发射器和接收器T/R1，用于同铁轨S1、S2上运行的火车ZK交换数据。在实际应用中，信息通常只由限于地面的部分发射到移动式发射器和接收器T/R，然而也可以进行数据双向传输。因为火车以每小时几百公里的速度前进，因此在地面的和移动的发射器和接收器T/R之间只有几毫秒的联系时间。况且，会存在冰和雪的脏污现象。此外，国家主管机构只能核准具有相对较低发射功率的系统。
为使在大带宽和低发射功率条件下能发射几MHz(短波范围)低频率的数据，采用本发明的措施延长了联系时间，在该时间的该发射器和接收器单元T/R1和T/R2可交换信息。加之采用本发明降低了路径衰减，因此发射器和接收器T/R1和T/R2可较早地相联系。
图12中所用的与本发明的天线系统关连的措施特别有用。为保护天线A不受其安装地区的影响，天线A最好安装在距导电板MP上方几公分之处。然而，当接收或产生磁场时，可能会在该MP板上产生引起附加发射损耗的涡流。在本发明中，为避免出现这些发射损耗，特别是在该板MP和天线A的电感元件L之间，提供一个铁氧体部件FE，用以接受磁力线f12或f23，使其不进入该MP板中。该铁氧体部件FE的高度a可相应进行选择，如果非导体材料用作该板MP，则按本发明所采取的措施仍是可应用的。在这种情况下，还可以增强第一或第二天线A1、A2和第三天线A3之间的耦合程度，最好选用由高浓度铁氧分子的塑胶材料构成的强韧、非易碎的铁氧体FE。
在图1a中，天线A2由一根由轴电缆构成，为了实现屏蔽，最好将该电缆分成多段电缆KK，每段电缆通过屏蔽层接地。采用此种措施可起屏蔽隔离电场的作用，但对磁场没有不利影响。由各分段电缆KK构成的同轴电缆的长度一般选择为所传输信号的波长的一半或四分之一。如果不用隔离电场的屏蔽罩，可有用整根形式的同轴电缆，其屏蔽层不接地。两个天线A1和A2最好用一条线路(最好一根同轴电缆)实现，并且具有能屏蔽电场的作用。天线(或振荡电路)A1和/或天线A2可以采用易于制造的同轴电缆实现，此外这样可避免由于电容器损坏或焊接时可能发生的损坏。
图8c表示图8b中所示的天线系统的另一实施方案。图8b中的振荡回路由电感线圈La3和电容器Ca3构成，而在图8c中则由一根长度为λ/2或λ/4的同轴电缆KK构成。
图8d表示在图1a或图8c中所示的天线系统的等效电路图。图中由一根导线或由分立的组件构成的振荡电路包含电感线圈La1，电容器Ca1和电阻Ra1。
第三天线A3最好由直导体(漏泄电缆)制成(例如参见EP-A1-0502337)，它与由第一和第二天线构成的天线系统感性耦合。在交通工程通信系统的情况下，能够在较长路段上保持两个通信单元之间的联系。在图11中，这种泄漏电缆(Leckkabel)装在机车轨道的钢轨脚上。采用这种布置方案，天线A3可以在较长路段上实现良好的感应传输，而不会产生上述的损耗。

Claims (17)

1.一种天线系统，有一第一天线(A1)与一第一发射器和/或接收器单元(T/R1)连接，其特征在于，设置一第二天线(T/R2)，感性地和用机械方法与第一天线(A1)耦合；且该第一和第二天线(A1，A2)指定与另一天线系统耦合，而该另一天线系统至少包含一第三天线(A3)，该天线(A3)与用以发射数据和/或接收来自第一发射器和/或接收器单元(T/R1)的数据的一第二发射器和/或接收器单元(T/R2)连接；该第一、第二和第三天线(A1，A2，A3)之谐振频率至少近似于fm值。
2.按权利要求1的天线系统，其特征在于，该第一和/或该第二天线(A1，A2)可以感性地与第三天线耦合。
3.按权利要求1或2的天线系统，其特征在于，该第一、第二和/或第三天线(A1，A2，A3)具有一电感(La1，La2，La3)，其形状为至少近似细长的导电体，而端点与一电容(Ca1，Ca2，Ca3)相连接。
4.按权利要求3的天线系统，其特征在于，该电感(La1，La2，La3)和电容(Ca1，Ca2，Ca3)是由单独或平行放置的导线，同轴导体或安置在板上的金属带所实现。
5.按先前权利要求之一的天线系统，其特征在于，第三天线(A3)是经由一耦合线圈(KS3)与该第一或第二天线(A1，A2)耦合。
6.按先前权利要求之一的天线系统，其特征在于，该天线(A1，A2)的电感(La1，La2)特别地以在彼此上下近似垂直的方式或是在一平面里近似水平的方式安置。
7.按先前权利要求之一的天线系统，其特征在于，电感(La1，La2)之间的距离(d12，d23)已经适当选择使得由天线(A1，A2，A3)构成的振荡系统的通带曲线(KAS123)具有发射数据所需的带宽。
8.按先前权利要求之一的天线系统，其特征在于，该第一和第二天线(A1，A2)或该第三天线(A3)可以与至少另一天线耦合，特别是为了达到较大带宽之用。
9.按先前的权利要求之一的天线系统，其特征在于，至少一发射器和/或接收器单元，对应于该第一或该第二发射器和/或接收器单元(T/R1，T/R2)，安置在一交通路线的区段点上，并且一对应于此的第二或第一发射器和/或接收器单元(T/R2，T/R1)，是安置在一辆经过该交通路线的车辆上。
10.如前述权利要求之一的天线系统，其特征在于，该第一，第二或第三天线(A1，A2，A3)的电感(La1，La2，La3)最好安置在一个导电板(MP)上，并且有一铁氧体单元(FE)设置在该电感(La1，La2，La3)和该导电板(MP)之间。
11.如前述权利要求之一的天线系统，其特征在于，该天线(A1，A2，A3)其中之一与一用作电流源的整流器单元(D，C)连接。
12.如前述权利要求之一的天线系统，其特征在于，该天线(A1，A2，A3)至少其中之一是通过导体，尤其是同轴导体构成。
13.如权利要求12的天线系统，其特征在于，该导体的长度如此选择：使所出现的谐振频率至少近似于fm值。
14.权利要求12或13的天线系统，其特征在于，该导体相对起作用的电场被屏蔽。
15.如权利要求14的天线系统，其特征在于，该导体被作成分段部件(KK)，它的屏蔽壳与地相连，以使该导体相对起作用的电场被屏蔽，其中避免了磁场的破坏。
16.如前述权利要求之一的天线系统，其特征在于，该第三天线(A3)是导线或漏电电缆(LTL)，该导线或漏电电缆有利地感性地与由第一和第二天线(A1，A2)构成的天线系统相耦合。
17.如权利要求16的天线系统，其特征在于，该导线(LTL)设置在火车轨道的钢轨下部。
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