DE2103559A1 - Geschlitztes Koaxialkabel - Google Patents

Description

Patentanwälte

Dipl. Ing. F. Weickmann,.^

Dipl. !ng. H. Woltmann, Dipl. Phys. Dr. K. Fincke

Dipl. Ing. F. A. Waivkmsnn, Dipl. Chem. B. Huber

8 föiir.shsn 27, iviciiisir. Zl

Sumitomo Electric Industries, Ltd„

15, 5-chome, Kitahama, Higashi-ku Osaka, Japan

Geschlitztes Koaxialkabel

Die Erfindung bezieht sich auf ein geschlitztes Koaxialkabel mit Breitbandeigenschaften, und zwar insbesondere für die Anwendung in einem Verkehrs-Nachrichtenverbindungesystem.

In der vergangenen Zeit ist in Yerkehrs-Nachrichtenverbindungssystemen ein grosser Portschritt zu verzeichnen gewesen. Bei einem derartigen Nachrichtenverbindungssystem wird eine nicht

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""* (mt ^™

vollständig abgeschirmte Übertragungsleitung längs einer Verkehrsbahn vorgesehen, um elektromagnetische Wellen abzustrahlen. Dabei spielt die Abstrahlung eines Teils der jeweils ausgesendeten Welle in den die betreffende Leitung umgebenden Raum eine wesentliche Rolle bei der Verkehrsnachrichtenverbindung.

Unter einer Vielzahl von nicht vollständig abgeschirmten, das heisst sogenannten offenen Übertragungsleitungen, hat sich ein geschlitztes Koaxialkabel als für den vorliegenden Zweck besonders brauchbar erwiesen. Die bisher bekannten geschlitzten Koaxialkabel weisen im allgemeinen eine Reihe von Schlitzen auf, die alle von gleicher Form sind und die in einfacher Periodizität aufeinanderfolgend angeordnet sind. Das Frequenzband der von einem geschlitzten Koaxialkabel abgegebenen Strahlung ist dabei so tchmal, dass eine Breitband-Nachrichtenverbindung nicht möglich ist. Seit einiger

/er Zeit besteht jedoch ein erheblicher/Informationsbedarf als mit einem derartigen Verkehrs-Nachriehtensystem bewältigt werden kann. Demgemäss ist die Breitbandcharakteristik eines geschlitzten Koaxialkabels von grosser Bedeutung.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Weg zu zeigen, wie ein geschlitztes Koaxialkabel mit Breitbandcharakteristiken geβchaffen werden kann.

Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe durch ein geschlitztes Koaxialkabel erfindungagemäaa dadurch, dass eine Schlitzreihe in den Auaaenleiter dieses Koaxialkabele eingeschnitten ist und da·s die Energie der innerhalb dea Koaxialkabels übertragenen elektromagnetischen Welle xum Teil durch diese Schlitzreihe hindurchtritt und gleiohmäsaige elektromagnetische Felder in dem Auaaenraum erseugt, wenn die Sehlitz-

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konfiguration der Schlitze geeignet gewählt ist.

Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein geschlitztes Koaxialkabel bekannter Art.

Fig. 2 zeigt eine zylindrische Koordinatendarstellung, anhand welcher die Erfindung näher erläutert werden wird.

Fig. 3 zeigt ein Diagramm, das zur Erläuterung der Erfindung herangezogen werden wird. I

Fig. 4, zeigen Ausführungsformen gemäss der Erfindung.

8 und 9

Wie das in Fig. 1 dargestellte geschlitzte Koaxialkabel bekannter Art erkennen lässt, sind die einzelnen Sehlitze bisher in einfacher Periodizität aufeinanderfolgend vorgesehen worden. In Fig. 1 ist dabei der Innenleiter des Koaxialkabels mit 1 bezeichnet, während der Aussenleiter mit 2 bezeichnet ist. Mit 3a, 32» ·· sind die einzelnen Schlitze bezeichnet. Die betreffenden Schlitze 3*, 3p ·· sind derart aufeinanderfolgend angeordnet, dass das elektromagnetische Feld in dem J Aussenraum durch die nachstehende Gleichung (1) gegeben ist.

F * Z 2: (A_M„ . cos mf + B^ . sin mf). Hm^v ' (/n.r)

. exp (- J/32 _ J2 7Tnz/p) (1)

Hierin bedeuten r, f und ζ die zylindrischen Koordinaten,

wie sie in Fig. 2 festgelegt sind, H_n' ' (/_wt) die m-te

m j χι

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HankeI-Punktion zweiter Art,V die Ausbreitungskonstante der η-ten Oberwelle, exp die Exponentialfunktion, ρ die Steigung der Schlitze (das Wiederholungsintervall) und Amn, Bmn gewisse Konstanten.

Wie an sich bekannt, iat bei der in Fig. 1 dargestellten periodischen Schlitzstruktur auch die folgende Beziehung bezüglich der η-ten Ausbreitungskonstante η erfüllt:

fn² « k² - (/S₊ 2Γη/ ρ)²
- (2Γ/Α)² - (2/Z/Ag + 27Γη/ρ)² "(2)

Hierin bedeuten k und β die Ausbreitungskonstante im freien Raum bzw. in dem Wellenleiter oder Hohlleiter, λ und /I die Wellenlänge im freien Raum bzw. in dem Hohlleiter oder Wellenleiter.

Ist bei der Gleichung (2) der Wert f~ positiv, so kann die n-te Oberwelle ausserordentlich gut abgestrahlt werden. Ist im Unterschied dazu der Wert ^_n negativ, so tritt lediglich eine Oberflächenwelle in der Nähe des Kabels auf. Die Oberflächenwelle spielt mit anderen Worten gesagt keine bedeutende Rolle hinsichtlich der Kopplung auf eine Fahrzeugantenne. Deshalb ist es notwendig, d*n Wert f_n positiv zu machen, und zwar zumindest so stark, dass eine gute Kopplung zwischen dem geschlitzten Koaxialkabel und einer Fahrzeugantenne erzielt wird. Dabei ist es nicht nur erforderlich, dass die Beziehung f y O erfüllt ist, sondern vielmehr ist der Zustand, dass die Schlitzwelle der Bedingung f^ 0 genügt, eine und nur eine Bedingung, die grundsätzlich erfüllt sein muss. Der G-rund hierfür liegt darin, dass dann, wenn gleichzeitig zwei Teilwellen der Bedingung f J>O genügen, ein SchwebungsVorgang auftreten kann, und zwar mit Rücksicht darauf, dass die Phasenkonstanten in der z-Richtung (pz «$+ 2^n/p) voneinander verschieden sind (da η verschie-

den ist). Auf diese Weise tritt eine grosse Schwankung in dem Kopplungapegel auf, wodurch die Nachrichtenverbindung stark behindert wird.

Wenn die erforderlichen Bedingungen für die Erzielung einer guten Kopplung erfüllt sind, muss die Steigung der Schlitze ρ unter Heranziehung der Gleichung (2) der nachstehend angegebenen Beschränkung genügen.

(1/ü + 0/2 <λ/ρ<ΐΑ + 1 (3)

Hierin bedeutet \7 das Verhältnis der Wellenleiter-Wellenlänge zu der Wellenlänge im freien Raum. Die Gleichung (3) läast die Beziehung erkennen, gemäss der nur die Teilwelle für η * -1 zu der Schlitzwelle wird. Da \7 normalerweise sehr dicht bei 1 liegt, fällt der Wert λ/ρ in den Bereich von 1-2. Wenn der Wert λ/ρ in der Nähe von 1 liegt, wird 4^_2 (der nächste Teil bzw. die nächste Komponente von η «-Ο sehr nahe an eine reelle Zahl herangeführt, so dass die geforderten Bedingungen nicht erfüllt werden können. Demgemäss möge Λ/ρ den Wert 1,5 bis 2 tatsächlich aufweisen. Mit anderen Worten ausgedrückt heisst dies, dass der effektive Frequenzbereich begrenzt ist entsprechend der Gleichung:

2 ρ ^ _λ < 1·5ρ ö: lichtgeschwindigkeit.

(4)

Die vorliegende Erfindung betrifft nun das grundsätzliche Konzept, die Begrenzung des effektiven Frequenzbandes für eine Nachrichtenverbindung mittels eines geschlitzten Koaxialkabels auszuweiten. Die Erfindung ist dabei durch ihre doppelt

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periodische Konfiguration der Schlitzreihe gekennzeichnet. Dies bedeutet, dass die Wellen-Quellstärke und die Phasenlage des 1-ten Schlitzes so gewählt sind, dass sie folgender Gleichung genügen:

S₁ * [A'COS 2flTze/p + B^ exp (-Jß ζ e) (5)

Hierin bedeuten z_e ■« 1· ρ (p_Q bezeichnet das Sehlitzintervall), A und· B willkürlich gewählte Konstanten. Die Gleichung (5) bedeutet, dass die Strahlungsstärke bzw. -Intensität der einzelnen Schlitze sich sinusförmig längs der Kabelachse ändert.

In diesem Pail kann die n-te Ausbreitungekonatante (£) in der nachstehend angegebenen Weise umgeformt werden.

f_n ² + · (27Γ/Λ)² - (2T/?g + 27Γ/ ρ + 2/Tn/po )²

f_n ² - « (2W)² - (2Τ/λ₈ - ZT/ ρ + 2Tn/po )² ^ (6)

f^{2 2} + 2Fn/po )²

Hierin bedeuten ρ die Wiederholungsperiode der Schlitzreihe, P₀ das Intervall zwischen den Schlitzmitten benachbarter ^{2 2 2}

Schlitze, ^² +^² - und γ^² das Quadrat der Ausbreitungskonstante unter Heranziehung der kleinen Periodizitat p_o.

Wenn die eine und nur eine Schlitzteilwelle betreffenden erforderlichen Bedingungen für die Gleichung (6) gewählt bzw. ausgesucht werden, gelangt man zu dem in fig. 5 schraffiert dargestellten Teil. Dies bedeutet, daae Λ/ρ den folgenden Beziehungen für die Erzielung einer guten Kopplung bei einer derartigen doppelt periodischen Konfiguration von Schlitzen entsprechend Gleichung (5) genügen muss.

1/V - 1 4. λ/ρ 4 i/\7 +1 -(7)

> 1/V + 1 + λ/ρ (8)

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Gemäss der Bedingung (7) iat der zulässige Bereich von /t/p im Vergleich zu der Gleichung (3) erweitert. Dies bedeutet, daaa λ/ρ einen beliebigen Wert innerhalb des Bereichs von O bis 2 annehmen kann, da \? «■ 1 iat. Wenn ρ

im Vergleich zu ρ einen geeigneten kleinen Wert besitzt, ist der Bedingung (8) genügt. Insgesamt lässt sich feststellen, dass durch die Erfindung eine Breitband-Strahlungseigenschaft über ein breites Frequenzband erzielt werden kann.

In Fig. 4 iat ein Auaführungabeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt. Dabei sind mit 4.1» 4p etc. die einzelnen Schlitze bezeichnet. Sämtliche Schlitze sind geradlinige Schlitze von gleicher Schlitzlänge. Die betreffenden Schlitze

einer

sind dabei enteprechend/kleinen Periodizität p_Q und entsprechend einer grossen Periodizität ρ aufeinanderfolgend angeordnet. Bei einer derartigen doppelt periodiachen Anordnung von Schlitzen wird der Neigungswinkel des jeweiligen Sohlitzes in Bezug auf die Kabelachse diskret von Schlitz zu Schlitz geändert, und zwar zum Zwecke der Erzielung der sinusförmigen Verteilung der Wellen-Quellintensität, wie sie aus Gleichung (5) hervorgeht. Es ist bereits bekannt, dass die Wellen-Quellintensität eines Schlitzes entsprechend dem Schlitzneigungswinkel in Bezug auf die Kabelachse zunimmt und dass ein parallel zu der Kabelachse verlaufender Schlitz bezüglich der Abstrahlung unwirksam ist. Die in Fig. 4 mit 4p» 4-1 und 4^ bezeichneten Schlitze entsprechen, einer positiven Halbwelle des sinusförmigen Verlaufs der Wellen-Quellintensitäteverteilung, während die mit 4g, 4₇ und 4₈ bezeichneten Sehlitze einer negativen Halbwelle der sinusförmigen Intensitätsverteilung entsprechen. Die mit 4.1» 4c und 4q bezeichneten Schlitze stellen die Nullpunkte der sinusförmigen Verteilungskurve dar. Die der Nullamplitude entsprechenden Schlitze können dabei gegebenenfalls weggelassen werden, da sie zu der erforderlichen sinusförmigen Verteilung der Strahlungsintensität gemäss Gleichung (5) nichts beitragen.

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In Fig. 5 ist eine weitere Ausführungsform einer Schlitzreihe gezeigt, wobei die der Nullamplitude der sinusförmigen Strahlungsintensitätsverteilung entsprechenden Schlitze weggelassen sind.

In Fig. 6 ist eine noch weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Dabei weisen sämtliche Schlitze 4o» 4·*» etc. den gleichen Neigungswinkel in Bezug auf die Kabelachse auf, wobei jedoch die Schlitzlänge von Schlitz zu Schlitz diskret geändert wird und zwar zur Erzielung der sinusförmigen Verteilung der Wellen-Quellintensität gemäss Gleichung (5). Es ist bereits bekannt, dass die Wellen-Quellintensität eines Schlitzes mit der Schlitzlänge zunimmt. Bei der in Fig. dargestellten Anordnung sind die der Nullamplitude der sinusförmigen Verteilung der Wellen-Quellintensität entsprechenden Schlitze gemäss Gleichung (5) weggelassen.

In Fig. 7 ist eine noch weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, wobei die Anordnungen der beiden zuvor betrachteten Ausführungsformen zusammengefasst sind. Dies bedeutet, dass die durch die Gleichung (5) vorgeschriebenen Bedingungen bezüglich der Wellen-Quellintensitätsverteilung dadurch eingehalten werden, dass die Schlitzlänge und der Schlitzwinkel gleichzeitig geändert werden. Dabei sind in entsprechender Weise die der Nullamplitude der sinusförmigen Verteilung der Wellen-Quellintensität entsprechenden Schlitze gegebenenfalls wegzulassen.

In Fig. 8 und 9 sind noch zwei weitere Ausführungsformen gemäss der Erfindung dargestellt, wobei eine andere Schlitzform benutzt wird. In den betreffenden Zeichnungen ist dabei als Beispiel die Form eines Schlitzes als gebogene Linie gezeigt, deren geradliniger Teil 5 derart zu der Kabelachse geneigt ist, dass eine effektive Abstrahlung erzielt wird,

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während die gebogenen Teile 6 an den beiden Enden parallel zu der Kabelachse verlaufen und bezüglich der Abstrahlung nur eine untergeordnete Rolle spielen. Bei beiden Ausführungsformen wird das G-rundkonzept der vorliegenden Erfindung angewandt, um eine sinusförmige Verteilung der Strahlungsintensität bei den längs der Kabelachse vorgesehenen Schlitzen zu erreichen. Bei den in Fig. 8 und 9 dargestellten Anordnungen wird das betreffende Konzept dadurch realisiert, dass die Schlitzlänge und der Sehlitzneigungswinkel nacheinander in Längsrichtung der Kabelachse geändert werden. Insgesamt lässt sich in diesem Zusammenhang feststellen, dass das erfindungsgemässe Konzept mit irgendeiner Strahlungsanordnung von Schlitzelementen in irgendeinem geschlitzten Koaxialkabel realisiert werden kann.

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Claims (6)

1. Patentansprüche

   Geschlitztes Koaxialkabel mit einem Innenleiter und einem Auesenleiter, dadurch gekennzeichnet, dass der Aussenleiter (2) eine Reihe von Schlitzen (4) aufweist, die in einem festen Intervall periodisch aufeinanderfolgend angeordnet und hinsichtlich ihrer Abmessungen oder Strahlunga&ktoren jeweils entsprechend einer sinusförmigen Verteilung einer abzustrahlenden Strahlungsenergie geändert sind.
2. 2. Geschlitztes Koaxialkabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die der Nullamplitude in der sinusförmigen Strahlungsenergieverteilung entsprechenden Schlitze weggelassen sind.
3. 3. Koaxialkabel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Schlitze ein- und denselben Neigungswinkel aufweisen, und dass die Schlitzlänge diskret von Schlitz zu Schlitz geändert ist.
4. 4. Geschlitztes Koaxialkabel naeh Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Schlitze ein- und dtselbe länge aufweiten xmd das« der Sehlitzwinkel diskret von Schlitz asu Schlitz geändert ist.
5. 5. Geschlitztes Koaxialkabel naeh Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei sämtlichen Schlitzen gleichzeitig die Schlitzlänge und der Neigungswinkel von Schlitz zu Schlitz diskret geändert sind.
6. 6. Geschlitztes Koaxialkabel nach einem der Ansprüche 1

   bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Schlitz die Form einer gebogenen Linie hat.

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