DE1566865A1 - Verfahren und Vorrichtung zur UEbertragung von Signalen - Google Patents

Description

• Verfahren und, Vorr_ i chtung zur Übertragung von Signalen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur '::bertr#:gung von Signalen, die vorzugsweise im Sprechfrequenzbereich liegen, unter Verwendung eines Magnetfelds als Informationsträger und ferner betrifft sie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Geri":ß der Erfindung ist es insbesondere möglich, Signale im Uass.er st, übertragen, wie dies beispielsweise zwischen Tauchern notwendig ist, oder zwischen Wasser und Luft, beispielsweise zwscheu einem U-Boot und einer Küstenfunkstation, Bei den bisherigen Versuchen, Signale zwischen Luft ur;d W#asserüber b:rauchb"re. Entfernungen zu überragen, beispielswei:s:e z1,11-scheu. einem U-Boo;t und einem gewähnlichen Schiff oder einer an Land befindlichen Funkstation, haben sich eine. Reihe von Schwierigkeiten ergehen.. Radiosignale werden im Meerwasser schnell: abgeschwächt, wobei dae Dämpfung mit-. steigender Signalfrequenz

  anwächst. Zwar werden sehr nieder"requente Radiosignale nicht

  so schnell gedämpft, doch benötigt man se r große Anten-

  nen, die# fUr den j;inbau in ein U-Boot ungeeiCnetAzt:el-

  Radiosignale sehr niederer Frequenzen sind bisher ir, °Ein-Weg"-

  _Men verirendet worden, um Signale von einer Küsten-

  Station an ein U-Boot züi Ubertragen, doch ist in der Regel hierbei, neben. großen Kntennen, auch eine sehr gro3e Leistung erforderlich. DarUberhinaus können die Signale von einem U-Boot nur bis ungefähr 9 m. unter der i.leere:1-oberfläche empfangen werden, und fs.rner karzri da .s Untergetauchte Boot seinerseits nicht an die Küstenstation zurücksenden.
• Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Signalübertra-

  gung zu ermöglichen, die zwischen Luft und :ras: er in beiden

  Ric'.ttingen durchführbar ist, wobei die erforderlicl'!e Ausstat-

  tung relativ klein bleibt und ferner keine hohe Leistung verbraucht wird.
• Gemäß dem erfinduizgsgem@ßen 'ier fahren zur bertragung von Signalen"r ist ein starkes magnetisches ::echselfeld zu erzeugen, welches als Träger dient, sodann ist dieses Feld durch die au übertragenden Signale zu modulieren. und mit Hilfe einer magnetischen Empfangsantenne Zu denodulieren.
• Die bei dem erfindungsgenrßen Verfahren verwendete m«gnetischi Trägerschwingung unterscheidet sich grundlegend von einer elektromagnetischen Trägerschwingung. Bei letzterer ist irrer ein elektrischer Vektor mit einem magnetischen Vektor verbunden, Hierdurch ist eine schnelle Abschvrächung in einem leitfähigen Medium und ein beachtlicher Energieverlust ein r G;zf'l ehe zwischen verschiedenen Medien bedingt. Grunds=?tzlich könnte auch ein glc,i.chstroroerzeuGtes, gleichförmiges II@gnE@tfeld verwendet werden, jedoch muh in der Praxis,--zur Unterscheidung vom Erdmagnetfelde ein magnetisches Wec3:selfeld verwendet werden. Die .Vorrieb tung zur Durchf"hrung des erfindungsgemäßen Verfahrens,, weist eine magnetische Antenne aufm reit einem @ondensator und einer mit diesem in ßtceihe liegenden, einen stabföreiigen,

  ferromagneti?-chen Kern umschliei.ender_ Spule, deren Resonanz- '

  frequent rr@i-tisch gleich der vorgegebenen Frequenz der Träger-

  schwingvng Gemäß ein(- vorzugsweisen Ausbildung der ri-

  dinge ist d.5- oben beschriebene : orrichtixiai- i i: eine :;ende- une.

  @.liitifan@sei_ :#i Chtung cinrel- ut, wöbei di c ^ nde- uni? 3nrfangs-

  aaitennep &ner Einheit vereinii`t sind und wahlweise,, mittels

  eines Wahli;:.#i :lters,, ein,.:iischai ten .-lind.

  Die magnetinehe Sendeantenre@,;er@ der Erfindung,, ist f'ir sehr

  niedere Frequenzen,ee_r=@#.--t.

  Einzelheiten der Er_-indiin,@ ergeben sie'-- aus der nachstehenden

  BenchreibunZ an Hand der Figure::.

  Fig. 1 zei #t die e#^fii:dai.#sger_='e t!iagr:e-@i sct-eber #ra-

  gungseinr3, i_ tiä--aZ: als =locw di-@r@ @L@.

  Fit. 2 zeigt die er---"ü@dur_ jsgern:@e magnetische Sende-

  antenne.

  F; __ zci`t eine Sende- .#..nd 'r-., f angs- `

  einrichtung als Blockdiagramm.
• a Bei der in Fig. 1 dargestellten Signalübertragungseinrichtung,. wird ein akustisches Signal von einem Niederfrequenzverstärker 1o verstärkt und einem I1odiilator 11 zugeführt, wo es ein-Trägersignal, welches von einem 0szillator 12 geliefert wird, moduliert. Der Ausgang des T.Iod»lators 11 wird in einem Leistungsverstjrker 14 verstUrkt und über ein Anpassungsnetzwerk 15 einer magnetischen Antenne 16 zugeleitet, die im einzelnen in Verbindung mit Fig. 2 beschrieben wird. Das Anspassungsnetzwerk 15 paßt diE: relativ hohe Ausgangsimpedanz des Leistungsverst=:rkers 14 der sehr kZ_einen Impedanz der magnetischen Antenne 16 an.
• Die magnetische Antenne 16 erzeugt ein starkes magnetisches Wechselfeld, welches sich nach Maßgabe des modulierten Ausgangssignals des Leistungsverstärkers 14 ändert und über eine

  Rahmenantenne 2o empfangen, demoduliert und von einen Empfö,n-

  Aw@r4

  ger 21 verst:;rkt 7n d danach einem Lautsprecher, Kopfhörer

  oder einer C:hnZ.ichen Vorrichtung zugefV,_hrt werden kann. Die magnetische Antenne 16 ist in Fig. 2 dargestellt,, und weist einen Kondensator C auf, der mit einer Spule IL,,: mit einem stabförrnigen, ferromagnetischen Kern 25 in Reihe liegt. Die in Reihe liegenden .lemente des @chwinCkrE-ises sind auf die Trägerfrequenz abgestimmt, so da' .. ein starkes magnetisches Wechselfeld um den Fern 25 aufgebaut wird.
• Es ist w"'uschenc-,wert, innerhalb des maximal möglichen Raumes, also nach a11 :n TLichtungen, dichte m".gnetische Kraftlinien (hohe Feldst@=rke)-zu erhalten. Um eine optimale Feldstärke zti erzielen, muß man. die Größen N, I, A, und/u.e in den richtigen Verh_ltnissen miteinander kombinieren. Hierbei bedeutet N die Windungszahl der Spule Z, I den durch die Spule Z fliessenden Strom, A den Querschnitt der Spule Z und Pe die effektive Permeabilit2t des Spulenkerns.
• Ein .Anwachsen der einzelnen Größen, abgesehen vom Strom I, fifrt zu einer Vergrößerung der Induktanz der Spule Z und zu einer Vergrößerung der induktiven Reaktanz mit einer proportionalen Abnahme des Stroms. Die Feldstj-rke in-der Spule Z ist direkt proportional dem Strom I, so daß kein Anwachsen. des @:ußeren magnetischen Felds erzielt würde. Um eine Vorgrößerung der induktiven Reaktanz. zu vermeiden und um den Strom und damit dass Yagnetfeld zu verstärken, ist ein Serienresefnanzkreis vorgesehen, d.h., ein Kondensator liegt mit . der Spule in Reihe. Hierbei kann eine hundert-bis tausendfache Verstärkung erzielt werden.
• Eine weitere Verst"rlriang wird dann erreicht, wenn die magnetische Antenne einen Kern hoher Permeabilität aufweist. Ali Ta:°''gersc!i.-#ringting soll eine sehr niedere Frequenz,. unterhalb 5o kHz verwendet werden. Vorzugsweise wird eine-Frequenz zwischen 3 und 1 "L'# kFIz gewählt.
• Fei einem Ausführun gsbeispiel wurden folgende Werte verwendet:

  Sender: Ker_i, der Antenne: Sättigungsmagnetisierung 3800 Gauß

  /cin2 3 .

  Permeabilität 11oo;

  Windungszahl der Spule; 15o, bei

  knem 1o/33 Draht.

  Antennenabmes- M.nge 12,5 cm singen: Durchmesser 3,75 cm Leistung: 0,5 `Ja tt; Nutzeffekt: ungefähr 50%; Empf*-inger: Kern der Anten- PermeabilitPt 1Zoo; ne: Windungszahl 6o0, bei Verwendung einer Hochfrequenzlitze 6/42, Antennenabmes- Länge 2o cm sungen: Durchmesser 3,75 cm Em:r_@findli chkeit : 1 Mikrovolt. Frequenz: 12 kHz In Fig. 3 ist eine Sende- und Empfan-;seinrichtung für die Aussendung und den Empfang von Signalen dargestellt, die insbesondere für eine Sprechverbindung zwischen Tauchern geeignet ist. Sie weist eine Antenneneinheit 3o, .einen Sendekreis 31, einen #mnpfangskreis 32 und einen Ja'rtlschalter 33 auf, der zur wahlweisen Verbindung der Antenneneinheit mit dem Sendekreis oder mit dem Empfangskreis dient. Der Schalter 33 ist mechanisch mit einem zweiten Wahlschalter 34 verbunden, um wahl= weise den Sende- und den Empfangskreis mit einer Batterie 35 und mit einer kombinierten Hör- und Sprecheinrichtung 36 zu verbinden.
• Der Sendekreis 31 weist einen Steueroszillator 37 auf, der bei der Trägerfrequenz, beispielsweise bei 1o kHz arbeitet, ferner einen Niederfrequenzverstärker 38, einen Modulator 39,:einen Leistungsverstärker 40 und ein Anpassungsnetzwerk 41. Ein akustisches Signal von der Hör- und Sprecheinrichtung 36 wird vorn dem Verstärker 38 verstärkt und dem Modulator 39 sugefübirt$ wo' es das Trägersignal moduliert. Dessen modulierter Ausgang wird vom Leistungsverstärker 4o verstärkt und der Antennen-einheit Tiber das Anpassungsnetzwerk 41 und den Schalter 33 . zugeführt. In der Zeichnung befinden afch die Schalter 33 uhd 34 in Empfangsstellung, in der der Sender von der Antenne, der Hör- und.Sprecheinriehtung und der Gleichstromquelle abgeschaltet ist.
• Der Empfangskreis 32 weist einen Vorverstwrker 42, einen F@apfangeoszillator 43, der bei 5o kHz arbeitet..und eine Misch-stufe 4-4 auf, ferner ein =iandfilter 45, welches auf eine Frequenz von f>o 'kHz ± 3 kHz f='#.r 3 db. Spitzenwert abgestimmt ist. Der Ausgang des Eandfilters 45 gelangt an einen abgestimmten Zwischt(nverstärker 46" des:-en Ausgang über ein Niederfrequenz-Filter einedn Iäemodulator 4i zugeführt wird, Der Ausgang des Demodulators wird mit Hilfe eines Tonfrequenzverstärkers 48 verstärkt und der Hör- und Sprecheinrichtung 36 zugeführt. Der Tonfrequeng-.veratärker 48 enthält einen PNF-Transistor, der das Umschalten der Hör- und Sprecheinrichtung unter Verwendung eines einfachen zweipoligen Schalters 34,, zwischen Empfangs-und Sendezustand,. erleichtert.
• Sende- und kpfangskreis 31 bzw. 32 haben nicht dargestellte, positive und negative Zuleitungen, von deren. jeweils die posi-tiven Zuleitungen mit dem positiven Pol der 3atterie über die Leitungen 4? bzw. 50 und die negativen Zuleitungen abwechselnd Uber die Zeitungen 5'i bzw. 52 mit dem negativen Pol der Batterie und mit dem Schalter 34 verbunden sind. Ein 53 liegt in Reihe mit der negntivea Zuleittzng.zu der Batterie und den Zweiwegeschalter 34. Die Antenneneinheit 3o weist zwei Spulen 5q., 55 auf, die einen gemeinsamen stabförmigen,.ferromagnetischen Kern 56 a haben. Ferner sind zwei weitere Spulen 57, 59 Vorgesehen, , die ebenfalls auf einen gemeinsamen stabförmigen, ferromagnetischen Kern 59 aufgebracht sind. Jeder dieser Kerne besteht aus zwei parallel zueinander verlaufenden Ferritstäben. Die Spulen 55 und 5£3 liegen miteinander in Reihe und parallel zu einem@Kondensator 6o, der den Eingang des Empfängerkreises 32 überbrückt, wenn der Schalter 43 auf "Empfang" steht. Sie bilden einen Parallelschwingkreis, der in Resonanz mit der Trägerfrequenz ist. Die Spulen 54 und 57 liegen zueinander

  par,t:@llel und`mit einem Kondensator 61 in Reihe bei Einstel-

  .c >

  lung des Schalters 33 auf "Senden"'.znd bilden einen Serien-

  resonanzkreis, der auf die Trägerfrequenz abgestimmt ist.

  Zweck dieser Antenn,6ordnung ist die Schaffung einer gemein-

  Samen Antenne,, mit einer B= ndbreite von ± 2 kliz für 6 db Spitzenwert.. ohne Gefahr ins Gewicht fallender Verluste. Bei Verwendung einer einfachen Antenne würde ein beträchtlicher Verlust der gesamten Antennenverst":rklzng während des Sendevorgangs auftreten. Bei der beschriebenen Anordnung ist die Impedanz der Sendeantenne infolge der Parallelanordnung verringert, doch bleibt der Q-Faktor jeder Spule derselbe. Die Antennen sind elektrisch und mechanisch parallel zueinander angeordnet und liegen in einem solchen Abstand voneinander, daß Kupplungseffekte verringert werden. Hierdurch wird eine + 2 kIiz Bandbreite mit gutem Verst.rkungsgrad beim Sendevorgang erreicht. . V 1n v @ T den die verbundenen Schalter 33 und 34 in die in der Figur dargestellte Stellung "E;:=pfang" geschaltet und der Schalter 53 geschlossen. Der Sender 31 befindet sich dann außer Betrieb und die Empfangsantenne, gebildet aus den Spulen 54 und 57 und dem Kondensator 6o, ist mit dem Empfangskreis verbunden. Beim Sendevorgang werden die_Schalter 33 und 34 in die Stellung "Senden" umgeschaltet, wobei der Empfangskreis von der Batterie abgeschaltet und außer Betrieb gesetzt wird. Gleichzeitig wird (]er Sender 31 an die Batterie angeschlossen. In dieser Schaltstellung liegt die Hör- und Sprücheinrichtung 34 anydem-Eingang des Sendekreises y und auch die Sendeantenne, gebildet aus den in Reihe liegenden' Spulen 55 und 58 und dem Kondensator 61" ist über das Anpassungsnetzwerk 41 mit dem Sendekreis verbunden.
• Die Erfindung liefert ein praktisches und wirtschaftliches

  Verfahren zur Übertragung von Signalen durch Duft, Salzwasser

  und/oder fei:: r fasser. @ "typ y; ermöglich t feine 7 ,wei-Wege-

  bertragung durch die Gr_enzflUche von Wasser und Luft hindurch, wobei die Übertragung nicht von Geräuschen, beispielswei ;e Propellerlärm, beeinflußt wird. Bei einigen hundert,

  @r..@. ' ..n r.@-r; .@' °r» dürchgeführten Versuchen zur Übertragung

  YITl£@G'371 SSZT'GZTI

  ay)

  von. Signalen aus dem Meer in#(Luftx konnte kein nennenswerter

  Energieverlust an der Grenzfläche Wasser/Luft festgestellt werden. Diese 3eobachtung steht in krassem Gegensatz zu: den Erfahrungen, die bei entsprechenden Übertragungen mittels elektromagnetischer Energie gem&cht wurden, bei denen ein Energieverlust an der Grenzflache von nahezu 7o Dezibel festgestellt wurde und ferner der kritische Winkel nur ungefähr zwei Bogenminuten betrug. Es konnte festgestellt werden,'daß in größere Reichweiten als in Meerwasser erzielt werden. In Esser wird noch eine weitere -:rhühung der Reichweite erzielt, :renn min die Tr'_l.gerfrequenz erhöht. Dieeer Anstieg ist die Folge der Tatsache, das in die Wirbelstromverluste wesentlich kleiner sind als in Sj-.lzwasser.

Claims (1)

1. P a t e n t a n s p r ü. c h e Verfahren zur Übertragung von Signalen, gekennzeic@inet durch folgende Verfahrensschritte: Erzeugung eines starken magnetischen Wechselfeldes ,als Trägerschwingung, ' Modulation des Feldes durch das zu übertragende Signal und Demodulation des modulierten Feldes mittels einer magnetischen Empfangsantenne. Z. Verfahren nach Anspruch t , dadurch geieiinzeichnet, * daß das magnetiscize Wechselfeld durch einen in einer magnetischen Antefine _ait der Frequenz der Trägerschwingung pendelnden Strom erzf-ugt wird, wobei die magnetische Antenne einen. Kondensator zufweist, der mit einer, einen fernomagnetischen Kern umschließenden Spule in Reihe liegt und mit: dieser einen Schwingkreis bildet, dessen Resonanzfrequenz praz:tisch gleich der Frequender Trägersct°i-ringi:ng ist. 3. Verfahren nach A=apruch 1 oder 2, dadurch gekännzeichnet, daß die mrä erschwingting niederfrequent ist und vorzugsweise zwi sehen 3 und l e' kHz gew_:hlt wird. 4. Vorrichtung zur Ihirchfizhring des Verfahrens nach einem der Ansprillche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine magnetische Antenne (iF) mit einem Y-or_ e?=sator (G) uni einer mit diesem in Reihe gesch=Jteten, einen stebfernigen, ferronrgnet= sehen lern (25) unschliesenden Spule (i) und einen Stromkreis (1o, 11, 129 1-4, 15) zur Anregiir"-- de-,-@ t E:_@_e (16) durch e_neri, mii, Signal frequent modal i orten Wechselstrom, wobei: die Re sonari zfreeuenz der ma.giic@tiscl3en Antenne prrktisch gleich ' de1., Frequenz de@t'F.i'.t@.#;elci.:roms ge@-r"r@lt ist. . 5. Ei nrichtuni: zur übertre,-ung vi)ii 2ivn@il_en zwischen einer Sende- und j@mpf`c327`;sSt;@'tlon t;Yiter Verwendung einer abge- @ründe@ten V@@ri@ich@unvnach Aj-pruch d, dadurch gekenn= zeichnet', dar an der -ende: station die r,«:.gneti rc:@rc: Antenne @:l :, ,^,eri r#nanz1 rei.:: rn1 1. cii-er@ ei nein .^.ta.@@f@@:rrrii gen, fc:ri-omagnetisc}!E3n 'Fern u ,^cj-:J i c#.^e:ndcn r-qi?l e at> >getrildet und mit. einem ,ende!-rc!is gehonire:lt; i"t und dar-, an der Da,fang::tati an die rn<3 Jnc ti s(,he Antenne als Parc@lI cl schwirrg- kreis Mit, e@znt-:rt einen ferron<-.gnE@ti_schen Fern »-.@,c a..i eßer@clen @iu 1 e au,sgE':'@il_det »nd r:)ii, c:inern i, Anfang_ ist, wobei jedür ,"_.cljv@inglrreis auf die Fre- quenz der. Tragerschwi ngung des -,enders abgestirnrn t ist. 6, l,'or@'@ir:ierte @cr.ele- und Z--pfangsfinri ch t1).nf,"ir die Aus- sen<lung un : der. -:ml,fang von -'i-n< 1 .en rni t einem Sendekreis (31) einem '@mnfanZskreis (32) und einer Antenneneinheit (30)' unter Ver.rer:d@;ng eirrc::bgej-rarrdelten Vorrichtung nach einem der AnsprUchP 4- oder 5, da-';ijrch gekennzeichnet, daß die Antenneneinheit (30) erste und z,leite "pulen (54, 55) auf- weist, die e iren ersten ihnen gemcin::<:.men, stabförmigen, ferromagnetischer< r'ern (56) urrsc'-ließen@ und ferner dritte und vierte 3.-pulen (51, 58) @:.t@f-::eist, die einen ihnen ge- meinsamen "-.eiten ta.bfcrmigen, fer7-onaL-ne-tischen lern (59) unc:ließen, z;r.d dass die erste ur@d dri t';e Spule (54, 57) zueinander par@ll dl @.nd in Peihe mit; einem ersten fonden-@ rvitor (G1) a1:3 Serienresonanzkreis hzzcdie zweite und vierte Spule (55, 53) m.itei_n@.ri@afr in heil e und parallel zu einem zwe:il;en ?>or!d,n,sator (@@o) @@.ls @arallelsclririnel@reis geschal- tet sind, wobei die beiden Scl-)ir_inrl,r_-eise auf die Frequenz der `i'r_ger";cl:wirigling des Senders r,l@gesti!:@i@@t sind, und daß :iürrsur ei_ii @dal-@l:@ciinlter (3-'>) vorgesehen 1.,>t, der dazu dieiit, den Serienre:onanzi:reis (54, 57, 61) mit dem Se@@@dE;lcre:is (31) und der :,_@j:ra.llelscl-@t@inl:reis (55, 58, 6o) iait dem T@@i@fa.n.gsl=reis (>2) zlz 'ioppeln. 7, lrt)i r;:LY@=L.@rte? .öi:Yide- lind nach . Anspruch 6, du('_11rch @eiiellllzeichnet, daß die .*L:eillessung der 1auelemente ox) !72W-'hlt 1Jt, daß die' e'requerl- der mr*,'-erschwingung zwi- sclien 11iiG 12 kHz liegt. S. j;oirri;iiii_erte Sende- i:nc7 "=;y=y-)fanv#seiririchtung nach Anspruch F oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die 'ferr#omagnetischen ferne (5n, 5.9) aus zwei, parallel ziieiria.nder angeordneten gebi.1.clet sind,