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Die Erfindung betrifft eine Anordnung
zur Abstrahlung elektromagnetischer Wellen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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In Bereichen wie beispielsweise U-Bahnen, Tunnels
oder auch Gebäuden
ist im Allgemeinen eine Versorgung mit elektromagnetischen Wellen
insbesondere für
Frequenzen unterhalb des UKW (Ultra Kurz Welle) Bereichs nicht möglich, da
diese durch das diese Bereiche umgebende Material abgeschirmt werden.
Jedoch wäre
eine Versorgung wünschenswert,
beispielsweise um einen Autofahrer in einem Tunnel weiterhin mit
einem Radioprogramm zu versorgen, oder auch um einen Mobilfunkbenutzer den
Empfang im U-Bahnbereich zu ermöglichen.
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Für
die Versorgung mit elektromagnetischen Wellen in abgeschirmten Bereichen
sind bereits folgende Systeme bekannt:
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1. Repeater-Systeme
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Bei sogenannten Repeater-Systemen
werden mit Hilfe einer Empfangsantenne außerhalb eines abgeschirmten
Raumes elektromagnetische Wellen einem Verstärker zugeführt und danach innerhalb der
Abschirmung über
eine weitere Antenne abgestrahlt. Dieser Sachverhalt ist in 1 dargestellt, wobei auf
das Beispiel des Autos in einem Tunnel zurückgegriffen wird.
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Ein Nachteil dieses Verfahrens ist,
dass aufgrund unterschiedlicher Entfernungen zum Repeater nicht
in allen Bereichen des abgeschirmten Raumes ein gleichmäßiger Signalpegel
zur Verfügung
gestellt werden kann, insbesondere dann, wenn im Tunnel eine Krümmung des
Streckenverlaufs vorliegt oder auch wenn in Bergwerken die Tunnels
in mehreren Ebenen liegen.
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2. Strahlende Hochfrequenzkabel
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Strahlende Hochfrequenzkabel oder
Strahlerkabel sind Koaxialkabel, die im äußeren Leiter mit gestanzten
oder gefrästen Öffnungen
versehen sind. Durch diese Öffnungen
fließt
ein bestimmter Teil der Energie vom Kabelinneren nach außen, d.h.
ein Teil des durch das Kabel geleiteten Signals einer bestimmten
Frequenz, beispielsweise eines Hochfrequenzsignals, wird in das
zu versorgende Umfeld abgestrahlt. Da die Abstrahlung über die
gesamte Länge
des Kabels erfolgt, ist auch die gleichmäßige Ausleuchtung eines größeren Bereichs
mit elektromagnetischen Wellen möglich.
Derartige Strahlerkabel, welche auch als Leck- oder Schlitzkabel
bezeichnet werden, werden dazu beispielsweise an der Decke eines
Tunnels über
dessen gesamte Länge
verlegt, wodurch die homogene Versorgung erreicht wird. Ein derartiges
Strahlerkabel ist in 2 zu
sehen. Die Öffnungen,
beispielsweise Schlitze sind in die Abschirmung des Kabels eingestanzt.
Innen- und Außenleiter
des Kabels sind über
einen Lastwiderstand miteinander verbunden.
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Es ist bekannt, dass Strahlerkabel
eine untere Grenzfrequenz aufweisen, unterhalb derer eine Abstrahlung
elektromagnetischer Wellen nicht möglich ist. Bei handelsüblichen
Kabeln liegt diese Grenzfrequenz unterhalb des UKW-Rundfunkbandes und
oberhalb des Kurzwellenbandes.
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Der Nachteil bei den bisher bekannten
Verfahren besteht also darin, dass weder eine räumlich gleichmäßige Ausbreitung
in abgeschirmten Bereichen noch eine gleichmäßige Ausbreitung über das gesamte
Frequenzband erzielt werden kann.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik
ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung anzugeben,
mit der eine räumlich
gleichmäßige Ausbreitung
von elektromagnetischen Wellen in einem abgeschirmten Bereich über einen
weiten Frequenzbereich ermöglicht
wird.
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Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung gemäß den Merkmalen
von Anspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen finden sich in den abhängigen Unteransprüchen.
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Kern der Erfindung ist es, dass bei
Frequenzen unterhalb der Grenzfrequenz eines Strahlerkabels eine
Einspeisung des Signals in den Außenleiter oder Schirmmantel
des Strahlerkabels erfolgt. Damit ist eine Abstrahlung elektromagnetischer
Wellen ohne die Limitierung durch eine untere Grenzfrequenz möglich.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand ausgewählter Beispiele
näher erläutert, die
teilweise auch in den Figuren dargestellt sind. Es zeigen:
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1:
ein Repeater-System gemäß dem Stand
der Technik
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2:
ein Strahlerkabel,
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3:
eine beispielhafte Ausführung
der erfindungsgemäßen Anordnung
mit einer Schaltungsanordnung und einem Strahlerkabel,
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4:
den Signalverlauf für
Frequenzen größer als
die untere Grenzfrequenz des Strahlerkabels in der beispielhaften
Ausgestaltung gemäß 3,
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5:
den Signalverlauf für
Frequenzen kleiner als die untere Grenzfrequenz des Strahlerkabels
in der beispielhaften Ausgestaltung gemäß 3 und
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6:
eine beispielhafte Ausgestaltung, bei der das Strahlerkabel in einem
unterhalb der unteren Grenzfrequenz des Strahlerkabels liegenden
Frequenzband resonant betrieben wird.
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In 3 ist
eine beispielhafte Ausgestaltung der Erfindung zu sehen. Das gemäß 2 ausgebildete Strahlerkabel 1,
beispielsweise ein Koaxialkabel, weist einen Außenleiter 2 sowie
einen Innenleiter 3 auf. An dem dem Einspeisepunkt E gegenüberliegenden
Ende sind Innenleiter 3 und Außenleiter 2 über einen
Lastwiderstand 4 bzw. RL verbunden. Über eine
An passschaltung 7 wird ein elektromagnetisches Signal,
beispielsweise ein Hochfrequenzsignal, entsprechend seiner Frequenz
auf den Außenleiter 2 oder
den Innenleiter 3 aufgeteilt. Die Anpassschaltung 7 kann
auch in eine Trenneinrichtung zum Auftrennen von Frequenzbereichen
und eine Filtereinrichtung aufgeteilt sein.
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Die Anpassschaltung 7 weist
eine Tiefpassschaltung 5 und eine Hochpassschaltung 6 auf.
Dabei ist die Tiefpassschaltung 5 mit dem Außenleiter 2 verbunden
und die Hochpassschaltung 6 mit dem Innenleiter 3.
Das am Einspeisepunkt P zugeführte elektromagnetische
Signal weist sowohl Frequenzbestandteile oberhalb als auch unterhalb
der unteren Grenzfrequenz fG des Strahlerkabels 1 auf.
In der Anpassschaltung 7 wird nun durch den Tiefpass 5 der Bestandteil
des Signals, welcher Frequenzen kleiner als die Grenzfrequenz fG aufweist auf den Außenleiter 2 des Strahlerkabels 1 geleitet.
Der Anteil des Signals, welcher eine Frequenz oberhalb der Grenzfrequenz
fG aufweist, wird über den Hochpass 6 auf
den Innenleiter 3 des Strahlerkabels 1 geleitet.
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Der Abschlusswiderstand oder Lastwiderstand 4 bzw.
RL dient zur korrekten Anpassung des Strahlerkabels 1 an
die Anpassschaltung 7 und an die hochfrequenzerzeugende
Quelle. Der Lastwiderstand 4 entspricht dem realen Wert
der Impedanz des Kabels. Er verhindert so Reflexionen und stehende
Wellen, welche zu einer inhomogenen Feldstärke entlang des Kabels führen würden, die
dann wieder eine inhomogene Abstrahlung bedingen würde.
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Im Folgenden wird das Verhalten für Frequenzen
oberhalb der gegebenen Grenzfrequenz fG des
Strahlerkabels 1 als Modus 1 bezeichnet. Diese Frequenzen
werden, wie bereits ausgeführt, über einen
Hochpassfilter, der beispielsweise aus einer Kapazität C1 und
einer in einem Querzweig eingeschalteten Induktivität L1 besteht
aber auch komplexer aufgebaut sein kann, in den Mittelleiter oder
Innenleiter 3 des Strahlerkabels 1 eingespeist.
Durch die im Schirmmantel oder Außenleiter 2 vorhandenen Öffnungen
wird ein Teil der Energie über
die gesamte Länge
des Kabels verteilt abgestrahlt. Eine Einspeisung des Signals in
den Innenleiter 3 entspricht dem bestimmungsgemäßen Betrieb
gemäß dem Stand der
Technik. Neu ist, dass mittels der Anpassschaltung 7 das
Signal in die Bestandteile oberhalb und unterhalb der unteren Grenzfrequenz
fG des Strahlerkabels 1 aufgeteilt
wird.
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Der Weg des Signals ist in 4 dargestellt. Das Signal
wird über
den Hochpass 6 in den Innenleiter 3 eingespeist
und fließt
am dem dem Einspeisepunkt P gegenüber liegenden Ende des Kabels
gegen Masse.
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Im Folgenden wird als Modus 2 der
Modus der Frequenzen unterhalb der gegebenen Grenzfrequenz fG des Kabels bezeichnet. Diese Frequenzen werden über einen
Tiefpass, welcher beispielsweise aus einer Induktivität L2 und
einer im Querzweig angeordneten Kapazität C2 besteht, aber auch komplexer
gebildet werden kann, in den Schirmmantel oder Außenleiter 2 des
Strahlerkabels 1 eingespeist. Zur Rückführung des elektromagnetischen
Signals dient hier, im Gegensatz zur Verfahrensweise nach Modus 1,
der Mittelleiter oder Innenleiter 3 des Strahlerkabels 1.
Da die Wellen zunächst
in den Außenleiter 2 eingespeist
werden, gibt es beim Modus 2 anders als beim Modus 1 bezüglich der
Abstrahlung elektromagnetischer Wellen keine untere Grenzfrequenz.
Dies liegt darin begründet,
dass die elektromagnetische Energie sich bereits auf dem Außenleiter
befindet, von wo aus sie ungehindert abstrahlen kann und nicht erst
durch Öffnungen,
beispielsweise Schlitze, im Außenleiter 3 nach
außen
dringen muss.
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Durch die Anpassschaltung 7 wird
also das Nutzsignal in einen bezüglich
der Grenzfrequenz fG hohen- und niederfrequenten
Anteil aufgeteilt, welcher dann über
die beschriebenen Modi abstrahlt wird.
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Somit wird ein räumlich gleichmäßiges Abstrahlen
der elektromagnetischen Energie auch für Frequenzen unterhalb der
Grenzfrequenz fG des Strahlerkabels 1 ermöglicht.
Insbesondere erlaubt dieses Verfahren, dass ohne Austausch oder
Modifikation bereits vorhandene Strahlerkabel weiterhin benutzt
werden können,
indem die beschriebene Anpassschaltung 7 vorangestellt
wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird
unterhalb der oben definierten Grenzfrequenz FG eine
Erhöhung
der abgestrahlten Leistung erreicht, indem der Außenmantel 3 des
Strahlerkabels 1 resonant betrieben wird und so als "Langdrahtantenne" wirkt. Der Fußpunktwiderstand
der Antenne ist stark frequenzabhängig. Über eine weitere Anpassschaltung
am Einspeisepunkt des Kabels, beispielsweise einem sogenannten Collins-Filter,
kann innerhalb einer bestimmten Bandbreite ein als Langdrahtantenne
betriebener Strahler für
die jeweilige Frequenz resonant gemacht werden.
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Mit einer Langdrahtantenne wird nicht
nur ein Nahfeld in der Umgebung des Strahlerkabels 1 erzeugt,
sondern auch ein Fernfeld, was die Ausbreitung der elektromagnetischen
Strahlung auch über größere Distanzen
erlaubt.
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Um einen möglichst hohen Wirkungsgrad, das
heißt
eine möglichst
gute Energieübertragung
zu realisieren, kann am Ausgang des Strahlerkabels 1 ein
zusätzliches
Anpassnetzwerk 8 eingefügt
werden. Eine optimale Energieübertragung
wird erzielt, wenn die Ausgangsimpedanz der Energiequelle gleich
der Eingangsimpedanz des Anpassnetzwerkes 8 ist, diese
wiederum gleich der Impedanz des Strahlerkabels 1 und dieses
wiederum gleich dem reellen Abschlusswiderstand des Strahlerkabels 1.
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Mit der Hilfe des Anpassnetzwerkes 8 an dem
dem Einspeisepunkt P gegenüberliegenden Ende
kann simultan ein bestimmungsgemäßer Betrieb
des Kabels oberhalb der Grenzfrequenz sowie der oben beschriebene
Betrieb zur Abstrahlung eines Fernfeldes unterhalb der Grenzfrequenz
fg realisiert werden.
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Dieses Anpassnetzwerk umfasst beispielsweise
einen am Innenleiter 3 des Strahlerkabels angeschlossenen
Lastwiderstand 9 mit einem vom Wellenwiderstand des Strahlerkabels 1 abweichenden Widerstandswert,
eine dazu in Serie geschaltete Induktivität L3 sowie eine dazwischen
im Querzweig angeordnete Kapazität
C3.
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In einer weiteren Ausgestaltung kann
mit Hilfe eines in geeigneter Weise modifizierten Anpassnetzwerks 8 eine
Mischform bezüglich
der Abstrahlmodi unterhalb der Grenzfrequenz erzeugt werden. Hierzu
wird am gegenüberliegenden
Ende des Einspeisepunktes in gezielter Weise ein sogenannter Fehlabschluss
herbeigeführt.
Ein Fehlabschluss entsteht beispielsweise durch einen Abschluss
des Strahlerkabels mit einem Widerstandswert, welcher ungleich dem
Wellenwiderstand des Kabels ist. Auf dem Schirmmantel des Kabels
bilden sich auf diese Weise sogenannte Mantelwellen aus.
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Dies lässt sich folgendermaßen erklären: Das
Strahlerkabel kann schematische als eine Parallelschaltung einer
Induktivität
und einer Kapazität, welche
in Serie geschaltet ist mit einem ohmschen Widerstand, dargestellt
werden.
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Für
Frequenzen oberhalb der Grenzfrequenz fg ist
nun der induktive Widerstand sehr viel größer als der kapazitive Widerstand.
Damit ergibt sich als wirksame Impedanz in etwa ein Ohm'scher Widerstand,
wodurch der Abschlusswiderstand angepasst ist.
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Für
Frequenzen unterhalb der Grenzfrequenz fg wird,
da nun der kapazitive Widerstand viel größer als der induktive ist,
die wirksame Impedanz im Wesentlichen vom induktiven Anteil bestimmt.
Es ergibt sich eine Fehlanpassung, was zur Ausbildung von Mantelwellen
führt.
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Eine erfindungsgemäße Anordnung
lässt sich
beispielsweise im Rahmen der zukünftigen
Digitalisierung der alten AM-Rundfunkbereiche,
welche aufgrund ihrer hohe Reichweite funktechnisch interessant
sind, verwenden. Die Bereitstellung dieser Frequenzbereiche in abgeschirmten
Räumen
ist mittels einer erfindungsgemäßen Anordnung
möglich. Dies
ist insbesondere von Wichtigkeit, da wegen der relativ großen Wellenlängen im
AM-Rundfunkbereich bereits Gebäude
mit relativ großen Öffnungen
abschirmend wirken, wenn dessen Strukturen elektrisch leitfähig sind.
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Weiterhin können auf derartige Strahlerkabel außer den
sogenannten AM-Frequenzbereichen eine Vielzahl von Funkdiensten
wie beispielsweise GSM (global system for mobile communication),
UMTS (universal mobile telecommunications system) oder auch Funkdienste
wie der CB- oder KW-Amateurfunk über
entsprechende Koppelnetzwerke simultan aufgeschaltet werden. Auch
bei Kurzwellenempfängern oder
bei DAB-Systemen (digital audio broadcast) können erfindungsgemäße Umsetzungen
Anwendung finden.
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- 1
- Strahlerkabel
- 2
- Außenleiter
- 3
- Innenleiter
- 4
- Lastwiderstand
- 5
- Tiefpass
- 6
- Hochpass
- 7
- Anpassschaltung
- 8
- Anpassnetzwerk
- 9
- Lastwiderstand