DE1780713B2

DE1780713B2 - Signalübertragungseinrichtung für spurgebundene Fahrzeuge

Info

Publication number: DE1780713B2
Application number: DE1780713A
Authority: DE
Inventors: Noritake Suite Kurauchi; Masao Kamakura Kanagawa Sugi; Kenichi Sakai Osaka Yoshida
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1967-01-12
Filing date: 1968-01-12
Publication date: 1979-04-12
Also published as: US3617890A; DE1780732C2; FR1550835A; DE1780714C3; DE1780713A1; DE1780732A1; DE1780713C3; DE1780714A1; DE1780714B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Signalübertragungseinrichtung für spurgebundene Fahrzeuge, insbesondere Eisenbahnen, die sich entlang einer Übertragungsleitung mit mehreren periodisch ihre räumliche Anordnung relativ zueinander ändernden Leitern bewegen und zur Ankopplung an das elektromagnetische Feld eines von einer Signalquelle in die Übertragungsleitung eingespeisten, nachrichtenmodulierten Signalstroms eine an einen Empfänger angeschlossene, am Fahrzeug in unmittelbarer Nähe der Übertragungsleitung an- eo geordnete Antenne aufweisen.

Aus der Zeitschrift »Signal und Draht« 1964, Heft 2, Seiten 17, 18 sowie 1965, Heft 2, Seite 21, ist eine Übertragungseinrichtung bekannt, deren Übertragungsleitung zwei parallel zu den Gleisen einer Eisenbahn verlaufende Leiter aufweist, die sich in einer im wesentlichen parallel zur Erde verlaufenden Ebene in gleichbleibenden Abständen überkreuzen. Die Antenne dieser Übertragungseinrichtung ist am Eisenbahnzug befestigt

Die Übertragungseinrichtung weist periodisch wiederkehrende Kreuzungspunkte der beiden Leiter auf. Dadurch sollen induzierte und unerwünschte Störungspegel von äußerer Strahlung, welche von anderen Sendeeinrichtungen herrühren, niedrig gehalten werden. Mit dieser Übertragungseinrichtung lassen sich aber hochfrequente Signale nicht Obertragen, da die Übertragungscharakteristik der hochfrequenten Wellen durch die Kapazität, welche an den Kreuzungspunkten vorhanden ist, beeinflußt wird. Des weiteren unterbrechen die Kreuzungspunkte das Signal an der mit der Übertragungsleitung gekoppelten Antenne. Zwar kann durch Abzählen der Unterbrechungen der vom Fahrzeug zurückgelegte Weg ermittelt werden, doch sind derartige Unterbrechungen bei der Übertragung kontinuierlicher Signale nachteilig, da sie unerwünschte Störungen im Signal verursachen.

Bei der bekannten Übertragungseinrichtung sind die Übertragungsleitungen in einer Ehene parallel zur Erde und nahe der Erde angeordnet. Es besteht die Gefahr, daß Fremdkörper in den Raum gelangen, in welchem sich das elektromagnetische Feld aufbaut. Dadurch wird die Übertragungscharakteristik verschlechtert. Des weiteren wächst die Strahlung nach außen hin und damit die Gefahr von Interferenzen mit anderen Übertragungseiiirichtungen. Außerdem sind die bekannten Übertragungseinrichtungen bei der Instandhaltung der Gleisanlagen hinderlich.

Die Erfindung hat nun die Aufgabe, eine gegenüber Störsignalen aus der Umgebung unempfindliche Übertragungseinrichtung anzugeben, bei der die Amplitude des Empfangssignals bei Bewegung des Fahrzeugs gleich bleibt.

Ausgehend von der eingangs näher erläuterten Einrichtung wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Übertragungsleitung wenigstens drei mit gleicher und gleichbleibender Steigungshöhe schraubenförmig um eine Längsachse der Übertragungsleitung gewundene Leiter aufweist, die in Längsrichtung einen gleichmäßigen Abstand voneinander haben und daß der von der Signalquelle an die Übertragungsleitung abgegebene, nachrichtenmodulierte Signalstrom in benachbarten Leitern eine Phasenverschiebung von 360°In hat, wenn η die Anzahl der Leiter ist.

Bei einer derartigen Übertragungsleitung wird zwischen jeweils zwei Leitern entlang der gesamten Übertragungsleitung ein gleichförmiger Zwischenraum eingehalten, so daß die Übertragungscharakteristik auch bei hohen Frequenzen nicht beeinträchtigt wird und ein breites Frequenzband für die Übertragung zur Verfügung steht. Die von den einzelnen Leitern der Übertragungsleitung abgestrahlten Wellen kompensieren sich gegenseitig und können deshalb mit Feldern anderer Sende- und Empfangsstationen und insbesondere auch äußeren Rauschquellen nicht interferieren. Der Grund hierfür liegt darin, daß derartige Strahlungs- bzw. Rauschquellen in sämtlichen Leitern der Übertragungsleitung gleichzeitig Ströme induzieren. Die induzierten Ströme kompensieren sich jedoch auf Grund der schraubenförmigen Struktur gegenseitig vollständig.

Weiterhin haben Übertragungsleitungen der vorstehend erläuterten Art den Vorteil, daß sie elektromagnetische Felder erzeugen, deren Magnetfeldstärke an keiner Stelle der Übertragungsleitung 0 wird. Die in den einzelnen Leitern der Übertragungsleitung fließenden,

gegeneinander phasenverschobenen Ströme liefern jeweils einen vektoriellen Beitrag zur magnetischen Feldstärke, was dazu führt, daß längs der Übertragungsleitung bereits mit einer einzigen Antenne ein annähernd konstanter Empfangspegel empfangen werden kann.

Eine Ausgestaltung, durch die eine gleichförmige Charakteristik der Phasenverschiebung in einem weiten Frequenzband gewährleistet wird, ist dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer festgelegten Phasendifferenz zwischen den Signalen zweier benachbarter Leiter die Signalquelle über einen Einseitenbandmodulator für hohe Frequenzen, eine Phasenschieberschaltung und eine Demodulationsschaltung an den einen Leiter und über eine Schaltung, die die Amplitude des nicht phasenverschobenen Signals der Amplitude des phasenverschobenen Signals angleicht, an den anderen Leiter geschaltet ist

Im folgenden sollen AusführungsbeispieL· der Erfindung an Hand von Zeichnungen näher erläutert werden, und zwar zeigt

Fig. IA-C verschiedene Ansichten einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Signalübertragungseinrichtung,

Fig.2A —E Magnetfelder an den Schnittlinien a-a', b-b', c-c', d-d', e-e'in F i g. 1,

Fig.3 ein Schaltbild einer in der Einrichtung nach F i g. 1 verwendbaren Antenne,

F i g. 4 ein Schaltbild einer anderen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Signalübertragungseinrichtung,

Fig.5A —C zur Erzeugung phasenverschobener Signalströme geeignete Phasenschieber,

Fig. 6 eine weitere Schaltung zur Erzeugung phasenverschobener Signalströme.

Die nachfolgend erläuterten Signalübertragungseinrichtungen enthalten eine Übertragungsleitung, die sich aus einer größeien Anzahl elektrisch leitender Drähte (n-Drähte) zusammensetzt. Die Drähte weisen gleichen Abstand voneinander auf und sind spiralig bzw. wendelförmig mit einer konstanten Steigung auf eine Zylindermantelfläche aufgewickelt. Die n-Drähte sind dabei in der Weise aus einer Signalquelle gespeist, daß die Phasendifferenz der Ströme in benachbarten Drähten 2//j beträgt.

F i g. 1A zeigt eine Schrägansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung. Die Fig. IB ist eine Ansicht in Richtung ei der Fig. 1A und die Fig. 1C ist eine Ansicht in Richtung ei der F i g. 1A. In den F i g. 1A bis C sind mit 1 die Gleise einer Eisenbahn, mit 4 die Übertragungsleitung und mit 3| und 32 die Empfangsantennen bezeichnet.

Die Übertragungsleitung besteht aus vier Drähten (im allgemeinen Fall drei oder mehr Drähte), die räumlich verteilt angeordnet sind. Diese Anordnung ist mit 5, 6 und 5', 6' in den Fig. IA-C bezeichnet. Aus diesem Aufbau folgt, daß von außen aus allen Richtungen kommende Radiowellen, die vom Kommutator des Motors der Lokomotive von Oberleitungsdrähten, Schaltern u.dgl. erzeugt werden, keine Ströme in der Übertragungsleitung hervorrufen können, wie später noch gezeigt wird. Gleichzeitig hebt sich die von der Übertragungsleitung nach außen abgestrahlte Energie auf, wodurch Interferenzen und Überlagerungen anderer Empfangs- und Sendestationen vermieden werden.

Die Fig.2A —E stellen schematisch die Magnetfeldverteilungen an den Schnittlinie a-a', b-b', c-c', d-d'und e-e'der Fig. IC dar. Die ausgezogenen Linien stellen die Magnetfelder dar, die aus den Strömen in den Drähten 5 und 6 resultieren. Die gestrichelten Linien stellen die Magnetfelder dar, die aus den Strömen der Drähte 5' und 6' resultieren. In der Fig. IC beträgt der Abstand zwischen den Schnittlinien a-a'und e-e'gerade die Hälfte der Steigung einer Drahtwindung. Daraus folgt, daß die entsprechenden Magnetfelder der F i g. 2A und E in ihrer räumlichen Verteilung einander entgegengerichtet sind. Aus dem gleichen Grund heben

ίο sich die Strahlungsfelder, die vom übertragenen Signal herrühren, jeweils nach '/2 Steigung der Windung gegenseitig auf. Gleichfalls werden von außen kommende elektromagnetische Felder, die einen Strom mit einer inversen Phase jedesmal bei '/2 Steigungslänge einer Windung erzeugen, in ihrer Wirkung zu Null.

Um die Forderung einer gleichmäßigen Kopplung zwischen der Übertragungsleitung und der Antenne am Eisenbahnzug zu erfüllen, muß das Signal beim Senden oder beim Empfang phasenverschoben werden. Dies soll im einzelnen dargestellt werden.

Der soeben geschilderte Sachverhalt kann dadurch erreicht werden, daß zwei Paare von elektrisch leitenden Drähten 5, 6 und 5', 6' (im allgemeinen Fall drei oder mehr Drähte) die Übertragungsleitung bilden.

Die beiden Drahtpaare werden mit ein und denselben Signalen gespeist, wobei jedes eine Phasendifferenz von jr/2 besitzt (im allgemeinen Fall beträgt die Phasendifferenz 2 π/η, wobei η die Anzahl der Drähte ist). Dies ist gleichbedeutend mit einem vierphasigen Wechselstrom,

jo der nacheinander die vier Drähte beaufschlagt. Wenn entsprechend der F i g. 2 die Magnetfelder der Drahtpaare h\ und /22 sind, dann ist die in der Antenne 3 induzierte Spannung V durch folgende Gleichung bestimmt:

V =

i, cos (-) ± /Vi₂ sin (■)).

Der Winkel Θ in der Formel (2) ist in der F i g. 2B bezeichnet. Er bedeutet den Winkel, um den die Drähtepaare gegen die Flächennormale der von der Antennenschleife umfaßten Fläche bzw. gegen die Antennenrichtung gedreht sind, k ist eine Konstante, die sich aus der Frequenz des Signalstromes bestimmt. Sobald in der Formel (2) h\ — hi gesetzt werden kann,

ν-, gilt die Beziehung:

\V\ = /t/i, = kh₂

Die Formel (3) bedeutet, daß eine einzelne Antenne,

v) die mit der zuletzt beschriebenen Übertragungsleitung gekoppelt ist, in der gleichen Weise gleichmäßig gekoppelt werden kann wie eine Antenne, die in herkömmlicher Weise mit zwei parallelen Drähten gekoppelt ist. Allgemein bedeutet dies, daß das Resultat der Formel (3), nämlich die empfangene Signalspannung I K| = const, dann erhalten wird, wenn Signale mit gleicher Amplitude und einer Phasendifferenz von 2 π/η zwischen benachbarten Drähten an den Eingang gelegt werden. Dies geschieht mittels einer Einzel-

bo phasen/n-Phasen-Konverterschaltung nach F i g. 4, d. h. an den Eingängen der Drähte wird ein n-phasiger Wechselstrom gelegt.

Die Antennen 3| und 3₂ in den Fig. IA-C sind am Eisenbahnzug mit einem Abstand von '/2 Steigung der Drahtwindungen befestigt. Wie schon erwähnt, kehrt sich die räumliche Verteilung der Magnetfelder entlang der Übertragungsleitung bei einem Abstand, der der halben Steigung einer Windung entspricht, um. Die

Antennen 3| und 32 sind, wie die Fig.3 zeigt, so miteinander verbunden, daß die induzierte Spannung verdoppelt wird. Dadurch wird die doppelte Energie einer einzelnen Antenne empfangen. Weiterhin erscheinen von außen kommende elektrische Wellen und Störungen, die direkt auf die Antennen auftreffen, nicht an den Ausgangsklemmen 10, 10', weil die Größe und Phase der ankommenden Wellen und die Störungen praktisch gleich Null sind. In diesem Fall muß allerdings gelten, daß die Steigung einer Windung in bezug auf die Wellenlänge klein genug ist.

Da die Übertragungsleitung aus spiralig gewundenen Drähten auf einer Zylindermantelfläche besteht, kann die Leitung sehr schmal, kompakt und mechanisch stabil gebaut werden. Man erhält dadurch eine stabilisierte Übcrtragungscharaktcrisiik und es gibt keine Störungen bei Wartungsarbeiten an dem Gleiskörper.

Die Fig. 5A —C zeigen Schaltungen zur Phasenverschiebung. In der F i g. 5A ist ein Beispiel gezeigt, bei dem eine Verzögerungsleitung benützt wird. Die Phasenverschiebung wird durch die Länge der Leitung bewirkt. Die Fig.5B und C zeigen Phasenschieberschaltungen mit Kapazitäten und Induktivitäten.

F i g. 6 zeigt eine weitere Phasenschieberanordnung. Mit dieser Anordnung ist es möglich, über ein breites Frequenzband eine gleichförmige Charakteristik zu erhalten.

Diese Phasenschieberanordnung erzeugt wie folgt ein Signal mit konstanter Phasenverschiebung: Eine durch Modulation bei einer sehr hohen Frequenz im Vergleich zur Frequenz des in der Übertragungsleitung übertragenen Signals erhaltene Einseitenbandkomponente des Signals wird um einen konstanten Betrag phasenverschoben und dann demoduliert. Durch die Übertragungseinrichtung, die die phasenzusammengesetzten Signale empfängt, wird die Phasencharakteristik über ein breites Frequenzband gleichförmig gestaltet und die Systemcharakteristik verbessert.

Gemäß der Fig.6 wird das elektrische Signal von einer Signalquelle 46 kommend in einem Modulator 43 einer Einseitenbandmodulation bei einer hohen Frequenz und in einer Phasenschieberschaitung 44 einer Phasenverschiebung um einen konstanten Betrag unterworfen. Dann wird es von einer Demodulationsschaltung 45 aufgenommen und den Drähten 5 und 6 der Übertragungsleitung zugeführt. Zum gleichen Zeitpunkt wird das elektrische Signal der Signalquelle 46 über die Schaltung 47 den Drähten 5', 6' der Übertragungsleitung zugeführt. Die Schaltung 47 gleicht die Amplitude dieses Signals der Amplitude des phasenverschobenen Signals an. Die beiden elektrischen Signale werden in die Drahtpaare 5, 6 und 5', 6' der Übertragungsleitung gespeist. Sie haben eine Phasendifferenz von π/2 und werden gleichförmig von einer einzelnen Antenne empfangen.

Das von der Signalquelle 46 kommende, einseitenbandmodulierte elektrische Signal kann durch die j untenstehende Formel dargestellt werden. Wenn das Signal einer Einfrequenzkomponente im Signalband durch sei"" und die Trägerwelle durch ce>^w°^l ausgedrückt werden, gilt

ce·'"'-¹ + ms c ""'■· ^+>1" (4)

c und 5 sind dabei Konstanten und m der Modulationsgrad. Wenn das modulierte Signal der Formel (4) um den Winkel Φ bei einer hohen Frequenz durch die Phasenverschiebungsschaltung 44 phasenverschoben wird, kann es durch folgende Formel ausgedrückt werden:

mve

Wenn dieses Signal von der Demodulatiorisschaltung 45 aufgenommen worden ist, um die Signalkomponente abzutrennen, dann wird das Signal zuin/i se*-/""+·/*. Das bedeutet, daß das Signal eine Phasendifferenz von Φ zum Ausgangssignal der Signalquelle 46 hat. μ bedeutet den Grad der Amplitudenveränderung, der durch die Demodulationsschaltung hervorgerufen worden ist.

Wenn w/w_o<\ in der Formel (5) ist, dann ist die Frequenzbandbreite, die zur Erzeugung der Phase Φ in der Phasenverschiebungsschaltung verwendet wird, genügend schmal im Vergleich mit der Trägerfrequenz W₀. Die Phasencharakteristik im Signalfrequenzband wird dann gleichförmig. Die Demodulation erfolgt erst nach der Phasenverschiebung des auf ein Einseitenband modulierten Signals, so daß bei einer hohen Frequenz

j, ein empfangenes Signal erhalten wird, das um die Phase Φ von der Signalquelle 46 verschoben ist.

Der oben geschilderte Fall bezieht sich auf eine Einrichtung, bei der elektrische Signale an eine Übertragungsleitung abgegeben und von einer Antenne, die z. B. an einem fahrenden Eisenbahnzug befestigt ist, empfangen werden. Die gleiche Anordnung kann aber auch bei einer Übertragungseinrichtung Verwendung finden, bei der die elektrischen Signale von der Antenne am Eisenbahnzug kommend über die Übertragungsleitung zu einer Empfangsstation weitergeleitet werden.

Wird, wie obenstehend erläutert, ein mit einem

niederen Frequenzband in die Übertragungsleitung eingespeistes elektrisches Signal durch eine Trägerwelle mit einer hohen Frequenz moduliert, dann kann die Phasenverschiebung der modulierten Welle leicht und gleichförmig bei einer hohen Frequenz durchgeführt werden. Damit erhält man eine gute Systemcharakteristik.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Signalübertragungseinrichtung für spurgebundene Fahrzeuge, insbesondere Eisenbahnen, die sich entlang einer Übertragungsleitung mit mehreren periodisch ihre räumliche Anordnung relativ zueinander ändernden Leitern bewegen und zur Ankopplung an das elektromagnetische Feld eines von einer Signalquelle in die Übertragungsleitung eingespeisten, nachrichtenmodulierten Signalstroms eine an einen Empfänger angeschlossene am Fahrzeug in unmittelbarer Nähe der Übertragungsleitung angeordnete Antenne aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsleitung (4) wenigstens drei mit gleicher und gleichbleibender Steigungshöhe schraubenförmig um eine Längsachse der Übertragungsleitung (4) gewundene Leiter aufweist, die in Längsrichtung einen gleichmäßigen Abstand voneinander haben und daß der von der Signalquelle (12) an die Übertragungsleitung abgegebene, nachrichtenmodulierte Signalstrom in benachbarten Leitern eine Phasenverschiebung von 360°In hat, wenn π die Anzahl der Leiter ist.

2. Signalübertragungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne (31,32) zwei in Längsrichtung der Übertragungsleitung (4) räumlich getrennt angebrachte Antennenelemente (31, 32) aufweist, deren Abstand ein einfaches oder ein ungeradzahliges Vielfaches einer halben Stei- jo gungshöhe der Übertragungsleitung (4) ist und die zur additiven Überlagerung ihrer Empfangsausgangssignale verbunden sind.

3. Signalübertragungseinrichtung nach Anspruch

1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur » Erzeugung einer festgelegten Phasendifferenz zwischen den Signalen zweier benachbarter Leiter die Signalquelle (46) über einen Einseitenbandmodulator (43) für hohe Frequenzen, eine Phasenschieberschaltung (44) und eine Demodulationsschaltung (45) an den einen Leiter (5, 6) und über eine Schaltung (47), die die Amplitude des nicht phasenverschobenen Signals der Amplitude des phasenverschobenen Signals angleicht, an den anderen Leiter (5', 6') geschaltet ist. 4^r>