DE2104241C3 - Fahrzeugantenne für ein drahtloses Verkehrs-Nachrichten- und Steuersystem - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Fahrzeugantenne mit in axialer Richtung verteilten Schlitzen für ein sich entlang einer mit einer Reihe von Schlitzen versehenen Koaxialkabelantenne bewegendes Fahrzeug.

Eine derartige Koaxialkabelantennc ist aus der USA.-Patentschrift 3 106 713 bekannt. Zur Verbesserung der Abstrahleigenschaften der Schlitze sind bei dieser Antenne zusätzliche Schlitze vorgesehen, die, als verteilte Kapazität wirkend, die abstrahlenden Schütze auf Resonanz abstimmen. Die hierzu notwendigen Kapazitätswerte erfordern eine komplizierte Ausbildung der zusätzlichen Schlitze.

£ine andere Koaxialkabelantenne der in Rede ste- ss henden Art ist aus der DT-PS 1 044 199 bekannt, wobei in die Schlitze dieser Antenne dielektrische Strahler eingesetzt sind.

Weiterhin ist aus der USA.-Patentschrift 3 518 eine Streifenantenne bekannt, bei der ein als Außen- <".' leiter dienender Metallstreifen in Längsrichtung der Streifenantenne eine Reihe von Schlitzen aufweist. Zur Verbesserung der Überlragungseigenschaften durch Verbesserung des Antennenwirkungsgrades sind die Außenleiter der Streifenantenne und ein ^i Innenleiter in aufwendiger Wabensandwich-Bauweise zusammengefügt. Bei der Übertragung von Nachrichtensignalen zwischen diesen bekannten Koaxialmit Schlitzen versehen ist. In diesem Zusammenhang ist es auch bekanntgeworden, diesem Hohlleiter eine ebenfaUs mit Schlitzen versehene Antenne gegenüberliegend anzuordnen. Das Problem der Kopplungsverluste zwischen dieser Antenne und dem Hohlleiter wird jedoch nicht angesprochen. Gleiches gilt für eine aus M. Abele, »Dielectric Waveguide for Communication with High Speed Vehicles«, Technical Report Nr. 729, 1969, General Applied Science Laboratories bekannte dielektrische Oberflächeviwellen-Leitung, der eine querschnittsgleiche dielektrische Antenne gegenüberliegend angeordnet ist. Schließlich sind aus IEEE 1968, International Conference on Communication, Philadelphia »Various Types of Open Waveguides for Future Train Control«, S. 185 bis 190, Radarsysteme, bestehend aus einem geschlitzten Hohlleiter und einer gegenüberliegend angeordneten, ebenfalls durch einen geschlitzten Hohlleiter gebildeten Antenne, bekannt. Aber auch in dieser Literaturstelle wird das Problem des Kopplungsverlustes nicht angesprochen. Die Erfindung hat deshalb die Aufgabe, eine Fahrzeugantenne der eingangs genannten Art so auszubilden, daß der Kopplungsverlust zwischen der Fahrzeugantenne und der Koaxialkabelantenne möglichst klein gehalten wird.

Die Erfindung löst die Aufgabe dadurch, daß die Fahrzeugantenne ebenfalls als Koaxialantenne mit einem Innenleiter Ui..^J einem die Schlitze aufweisenden Außenleiter und zwischen Innen- und Außenleiter angeordnetem dielektrischem Material derart ausgebildet und bemessen ist, daß die Wellenlänge der in der Fahrzeugantenne fortschreitenden elektromagnetischen Welle etwa gleich der in der Koaxialkabelantenne ist und daß die Anordnung und Ausgestaltung der Schlitze beider Antennen sich möglichst entsprechen. Der Kopplungsverlust zwischen der Fahrzeugantenne und der Koaxialantenne läßt sich damit auf relativ einfache Weise sehr gering halten. Die erfindungsgemäße Fahrzeugantenne nimmi externe Störungen und Signale aus fremden Nachrichten-Systemen kaum auf und verbessert dami insgesamt die Ubertragungsqualität des Nachrichten systems. Die Fahrzeugantenne kann als kreisförmige rechteckiörmige oder streifenförmige Koaxialleitunj ausgebildet sein.

An Hand von Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend näher erläutert:

Fig. la up! ib zeigen schematised die erforderliche Richtwirkung einer zusammen mit einem geschlitzten Koaxialkabel als Koaxialkabelantenne verwendeten Koaxialfahrzeugant.Mine;

Fig. 2 zeigt ein geschlitztes Koaxialkabel der Koaxialkabelantcnnc mit in Zickzackform angeordneten Schlitzen;

* F i g. 3 a zeigt den Aufbau einer erfindungsgemäßer Koaxialfahrzeugantenne;

F i g. 3 b zeigt ein Anschlußteil für die Koaxialfahrzeugantcnne aus F i g. 3 a;

Fig.4a und 5 zeigen weitere Ausführungsfi

des
der

Fig.4b zeigt ein Anschlußteil iür die in Fig 4a dargestellte Koaxialfahrzeugantenne;

Fig. 6 zeigt die Anordnung einer Koaxialkahelantenne relativ zur Koaxialfahrzeugantenne.

In Fig. 1 a und 1 b ist die Richtwirkung einer in Verbindung mit einer Koaxialkabelamenne verwendeten Koaxialfahrzeugantenne sowie die Richtwir- '" kung der Koaxialkabelamenne veranschaulicht. Dabei ist die als geschlitztes Koaxialkabel ausgeführte Koaxialkabelamenne mit 1 bezeichnet, mit 2 ist die Richtwirkung der Schlitzwelle der Koaxialkabelantenne bezeichnet. Mit 3 ist eine außerhalb eines Fahr- '5 ztugs angebrachte Koaxialfahrzeugantenne bezeichnet, und mit 4 ist die Richtcharakteristik der Koaxial-

der

, d^

3 wird grundsätz-

⁴⁰

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_feabe,a„.en„_c I zu dc_r e_mpf_ange„_e„ Kopplung',! stung der Koaxialfahrzeugantenne 3 definiert ist ein wich iger Gesichtspunkt leim Bau eines VeSh"-Nachnchtensystems. Es ,st wünschenswert, daß der Kopplungsverlust so Wem w,e mogl.ch gemach: wird. Daneben ist es grundsätzlich erforderlich, daß die Koaxialiahrzeugantenne 3 einfach aufgebaut ist und leicht gewartet werden kann da _SIC auf der Außenscitc des Fahrzeugs angebracht ist.

Lm gcschitztes Koaxialkabel wird ais eine der geeigneis en Übertragungsleitungen für ein Verkehrs-

Der G und hierfür liegt dann, daß cn geschlitztes Koaxiajkabel eine gleichmäßig verte-ltc eloktromagnetische WeHe erzeugt, die durch eine im Außenleiter längs der Kabelachse liegende Schlitzreihe austritt.

in Fig. 2 ist ein Beispiel einer Schlitzreihe im geschlitzten Koaxialkabel der Koaxialkabelantenne 1 dargestellt Die Schlitze dieser Schlitzreihe sind dabei in den Außenleiter eingeschnitten. In F i g. 2 sind mit Λ¹'« V·· It ου', ^bezf^lchnct .^{und mit 6 der} -° Außenleiter. Die Schlitzanordnung zeichnet sich durch emc Zickzackanordnung geradliniger Schlitze S₁, 5₂ • · -.™. AuBenleitejr 6 aus^ Die Schlitze 3„ S₂ ... sind periodisch längs der Kabelachse in Intervallabständen ρ angeordnet. Der Interval labstand ρ ist nahezu gleich einer Wellenleiter-Wellenlänge gewählt. Damit vermag eine Hauptschhtzwelle aus dem geschlitzten Koaxialkabcl längs der Kabelachse nach außen auszutreten. Wird bei einer derartigen periodischen Schlitzanordnung cm Sender auf der linken Seite der '"' Koaxialkabclantenne I gemäß I· ig. 2 angeordnet, so enolgt die Richtw.rkung der Schlitzwelle in der (->-Richlung, VMe d.es in F. g. 2 angegeben ist. Mit der nachstehenden Gleichung (I) ist die theoretische Be-Ziehung zwischen dem Winkel«, der Richtwirkung ^ und dem Verkurzungsfaktor ν der Wcllenleitcr-Wellcnlnnge der Koaxialkabelantenne 1 zur Wellenlänge des freien Raumes sowie den Intervallabständen η θ = cos

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^ ^{WCPn V U}"^{d P der Koa}*^ialfah™ugantenne 3 wie be, der verwendeten

^Mö=^lichkdt ^ben ^

^^oaxif^lkahelante"ⁿe > aulwe.st, und zwar über das ^.^e Frequenzband.
" ^¹S-^{3 lst ein}.erstes Ausfuhrungsbe.sp.el gemäß

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Verkürzungsfaktof ν der Wdfenlä^e des" Wellen' teiters zur Wellenlänge des freiem Raumes der Koaxialfahrzeugantcnnc 3 gemäß der Erfindung senau _{so gcwühh sind wie d}> _{cntsprcchcndcn W}c_r,e der

benutzten Koaxialkabelantenne 1. so hat die Koaxialfahrzeugantenne 3 die gleiche Richtwirkunc. wie Glcichung(l) zeigt. Der Verkürzungsfaktor iC d.h.. das Verhältnis der Wellenlänge des Wellenleiters der Koaxialfahrzeugantenne3 zur Wellenlänge des freien Raumes ist dabei dadurch dem entsprechenden Wert der Koaxialkabclantcnne ! gleichijemacht. daß _das Verhältnis des Raumes, den der Isolator 9 zwi_{schcn dcm} Außenleiter 8 und dem Innenieiter 7 zum Gesamtraum in Anspruch nimm·, entsprechend neändert wird

_Dic vorliegende Erfinduni; zeichnet SJeI₁ durch eine einfach aufgebaute Koaxialfahrzeuuantenne aus. de_rcn Außenleiter 8 längs ihrer Kabelachse eine Schlitzreihe aufweist. Die Koaxialfahrzcueantcnnc kann leicht gespeist werden, indem ihrem einen Ende eine entsprechende Leistung zuceführt wird. Die Koaxialfahrzeugantenne 3 kann insbesondere auszeichnet _{an llic parand} verlaufende Koaxialkabdantennc 1 strahlungsangepaßt werden. Darüber hinaus kann mit der Koaxialfahrzeugantenne 3 ein hoher Antennen-_{Kwinn crzicU und cinc stah5lc} Nachrichtcnvorhindung realisiert werden, und /war durch Herabsetzen der Schwankungen des Koppluiu'sverliistev da ein weiterer Strahlungsbereich von der Koa.vialkalvlantenne I längs derkabeiaehse überJ.-ckl wird. Außer_dem kann die Koaxialfahr>:eimantenne 3 ohne «d_{tcrcs als iangc} Antenne ausgebildet sein. Yer-uche _mit einer in der Praxis aiiscelührten. om langen Koaxialfaiirzeueantenne 3 eeinäL« der l-lrtindunu /cigten. daß de, Antenneniiewinn geuenübe. eine", nor_ma|_cn Dipolantenne um etwa 1(TtIH verbessert war _{uiul d;)li} die Schwankung des Koiinluünsoenels mit

der Koaxialkabelantenne ! etwa .-! 0.5 dB betrug. Im Vergleich zu einer Schwankung von ± 2,5 dB oder mehr bei Empfang von Signalen mit einer normalen Dipolantenne wurde auf diese Weise eine erhebliche Verbesserung erzielt.

In Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform der Koaxialfahrzeugantenne 3 gemäß der Erfindung gezeigt. Die zuvor erwähnte Koaxialfahrzcugantenne 3 (s. F i g. 3) besteht aus einem Koaxialkabel, das hier durch eine Koaxialleitung mit rechtcckförmigem Querschnitt ersetzt ist. Mit 7 ist dabei ein durch einen schmalen Streifen gebildeter Innenleiter bezeichnet, mit 8 ist ein Außenleiter von rechteckförmigem Querschnitt bezeichnet, und mit 9 ist ein dielektrisches Material bezeichnet, das zur Regulierung des Verkürzungsfaktor ν der Koaxialfahrzcugantenne 3 dient. Außerdem dient das dielektrische Material 9 gleichzeitig zur Befestigung und zum Tragen des Innenleiters 7.

Der Außenleiter 8 weist vorteilhaft eine flache Querschnittsform mit einer breiten Vorderseite auf, die der Koaxialkabelantenne 1 gegenüberliegt. Es ist dabei nicht notwendig, die Querschnittsform der Koaxialfahrzeugantenne 3 speziell rechteckförmig zu wählen. Es ist ebenso möglich, eine Außenleiterleitfläche vorzusehen, wie sie in Fig.4a mit 12 bezeichnet ist.

Mit 10,, lOj ... sind dabei Schlitze bezeichnet, die in der breiten Wand des Außenleiters 8 vorgesehen sind, weiche der Koaxialkabelantenne 1 gegenüberliegt. In Übereinstimmung mit der Schlitzstruktur des geschlitzten Koaxialkabels der Koaxialkabelantenne 1 können die Schlitze 10,, 10_s... dabei z.B. durch Zickzackschlitze gebildet sein, wie dies in Fig.4a dargestellt ist. Wie bei der Ausführungsform gemäß F i g. 3 besteht auch bezüglich der Schlitzstruktur der Koaxialfahrzeugantenne 3Γ die Forderung, daß sie mit der Schlitzstruklur der verwendeten Koaxialkabelantenne I übereinstimmt. Es ist jedoch nicht notwendig, in Zickzackform verlaufende Schlitze zu verwenden.

Die in F i g. 4 dargestellte Ausführungsform der Koaxialfahrzeugantenne 3 weist damit einen rechteckförmigen Querschnitt und sämtliche Merkmale der Koaxialfahrzeugantcnne 3 in der zuvor betrachteten Ausführungsform auf. Die zu dieser Ausführungsform gemachten Ausführungen gelten daher auch hier entsprechend.

Neben den zuvor erwähnten Merkmalen weist die Koaxialfahrzeugantenne 3 entsprechend dem zweiten Ausführungsbeispiel noch das Merkmal auf, daß die abgestrahlte elektromagnetische Welle daran gehindert ist, zu der Rückseite hin zu gelangen, d. h., zu der anderen Seite als der geschlitzten Seite der Koaxialfahrzeugantenne 3. Der Grund hierfür liegt darin, daß der Außenleiter 8 einen rechtcckförmigen Querschnitt aufweist und daß die Schlitze 10,, 10_s... in der breiteren Seite vorgesehen sind. Damit erfordert diese Koaxialfahrzeugantenne 3 keine spezielle Reflexionsplatte. Darüber hinaus kann die Koaxialfahrzeugantenne 3 aus flachen Platten zusammengesetzt werden, so daß ihre Herstellung äußerst einfach ist. Im übrigen unterliegt diese Koaxialfahrzeugantenne 3 weniger Beschränkungen hinsichtlich des Platzes, an dem sie außen am Fahrzeug anzubringen ist. Die Antenne weist somit ausgezeichnete charakteristische Merkmale auf.

In Fig. 3b und 4b sind Beispiele eines Übergangssteckers 11 gezeigt, der an beiden Enden der Koaxialleitung der Koaxialfahrzeugantenne anzubringen ist. Der Übergangsstecker 11 ist mit einem Senderempfänger oder mit einem nichtreflektierenden Abschluß zu verbinden.

In Fig. 5 ist ein drittes Beispiel dargestellt, ge maß dem die in F i g. 4 dargestellte Koaxialfahrzeugantenne 3 noch weiter verbessert ist. Dabei zeigt F i g. 5 eine vollständig platte Koaxialfahrzeugantenne 3, die aus aneinander befestigten Elementen aufgebaut ist, nämlich aus bandförmigen Metalleitern 13, 14 und aus einem streifenförmigen Metalleiter 15. Diese Elemente sind mit zwischen ihnen liegenden thermoplastischen Isolationsfilmen 16 zu einem zu-

sammenhängenden Körper zusammengefaßt. Obwohl die Koaxialfahrzeugantenne 3 die Form einer Platte aufweist, ist sie von der Konstruktion her eine Koaxialleitung, bei der die Außenleiter durch die Elemente 13 und 14 gebildet sind und bei der der Innenleiter durch das Element 15 gebildet ist. In dem der Koaxialkabelantenne 1 gegenüberliegenden Metallleiter 13 sind Schlitze 10,, 1O₈... vorgesehen, bezüglich welcher das gleiche gilt wie für die Beispiele gemäß F i g. 3 und 4. Entsprechend den Überlegungen zu den zuvor betrachteten Ausführungsformen ist auch hier der Wellenlängen-Verkürzungsfaktor der Koaxialfahrzeugantenne 3 so gewählt, daß er mit dem Wellenlängen-Verkürzungsfaktor der Koaxialkabelantenne 1 übereinstimmt. Zu diesem Zweck wird das Verhältnis des Querschnitts der Isolationsfilme 16 zu dem Querschnitt der Koaxialfahrzeugantenne entsprechend gewählt.

In elektrischer Hinsicht unterscheidet sich die Koaxialfahrzeugantenne 3 nach F i g . 5 nicht von den Koaxialfahrzeugantennen 3 gemäß den zuvor betrachteten beiden Ausführungsformen. Sie besitzt daher sämtliche Eigenschaften bzw. Merkmale der zuvor betrachteten Koaxialfahrzeugantennen 3. Darüber hinaus kann die Koaxialfahrzeugantenne 3 nach

F i g. 5 so hergestellt werden, daß ihre Form einer Platte entspricht, so daß sie eine Flexibilität aufweist, die bei den anderen Koaxialfahrzeugantennen 3 nicht festzustellen ist. Die vorliegende Koaxialfahrzeugantenne 3 weist damit einen erheblichen Vorieil im Hinblick auf ihren Gebrauch und ihre Wartung auf. In F i g. 6 ist die Beziehung zwischen den Positionen der Koaxialfahrzeugantenne 3 und der Koaxialkabelantenne 1 veranschaulicht. Mit 1 ist dabei die als geschlitztes Koaxialkabel ausgeführte Koaxial-

kabelantenne bezeichnet, mit 17 ist ein Sender oder ein Empfänger bezeichne*, mit 18 ist die Koaxialfahrzeugantenne bezeichnet, mit 19 ein Empfängei oder ein Sender an dem sich bewegenden Fahrzeug, und mit 20 ist ein Abschlußwiderstand bezeichnet.

Zwischen einem längs des geschlitzten Koaxialkabels der Koaxialkabelantenne 1 sich bewegender Fahrzeug, das die mit dem Sender oder Empfängei 19 verbundene Koaxialfahrzeugantenne 18 trägt und dem Empfänger oder Sender 17 in einer Bodenstatior <* wird über die die Richtwirkung 2 aufweisende Wellenkupplung und das am Boden verlegte geschlitzte Koaxialkabel der Koaxialkabelantenne 1 eine stabile Fahrzeug-Nachrichten-Verbindung hergestellt.

Im vorstehenden ist ausgeführt worden, daß dif ^(>s Koaxialfahrzeugantenne gemäß der Erfindung ausgezeichnete, ihren Aufbau und ihre Anregung sehr ver einfachende Eigenschaften aufweist, da in jedem FaI die Methode einer koaxial fortschreitenden Wellen

leitung benutzt wird und da die Strahlungskeulcn und Richtwirkungen von Koaxialfahrzeugamenne und Koaxialkabelantenne bei jeder gewünschten Frequenz gleichgemacht sind. Erreicht wird dies dadurch, daß die Schlitzstruktur und de. Wellenlängen-Verkürzungsfaktor der Koaxialfahrzeugantenne so gewählt sind, daß sie mit entsprechenden Werten der Koaxialkabelantenne übereinstimmen. Schließlich ist eine stabile Nachrichtenverbindung durch Verwendung einer Koaxialfahrzeugantenne gemäß der Erfindung möglich, und im übrigen ist die Handhabung

und Wartung der Koaxialfahrzeugamenne gemäß der Erfindung einfach. Wenn es überdies erwünscht ist, die Länge der Koaxialfahrzeugantenne zu ändern, wie z. B. dann, wenn die Koaxialfahrzeugantenne länger gemacht wird, um die Kopplungsvcrluste herabzusetzen, so kann dieses Ziel dadurch erreicht werden, daß Elemente der Koaxialfahrzeugantennc nach F i g. 3 bis 5 einfach längs miteinander verbunden werden. Damit eignet sich die Koaxialfahrzeugantenne für einen sehr großen Bereich von Anwendungsfällen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche: kabelantennen und der Fahrzeugantenne tretenJehohe Kopplungsverluste auf, die nur mangelhaft

1. Fahrzeugantenne mit in axialer Richtung verteilten Schlitzen für ein sich entlang einer mit einer Reihe von Schlitzen versehenen Koaxialkabelantenne bewegendes Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, daß die Fahrzeugantenne ebenfalls als Koaxialantenne mit einem Innenleiter (7) und einem die Schlitze (10) aufweisenden Außenleiter (8) und zwischen Innen- und Außenleiter angeordneten dielektrischem Material (9) derart ausgebildet und bemessen ist, daß die Wellenlänge der in der Fahrzeugantenne fortschreitenden elektromagnetischen Welle etwa gleich der in der Koaxialkabelantenne (1) ist und daß die Anordnung und Ausgestaltung der Schlitze beider Antennen sich möglichst entsprechen.

2. Fahrzeugantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Innenleiter (7) ein Metallstreifen vorgesehen ist und daß der Außenleiter (8) einen rechteckförmigen Querschnitt aufweist, dessen mit Schlitzen versehene Breitseite der Koaxialkabelantenne (1) zugewandt ist.

3. Fahrzeugantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Innenieiter ein Metallstreifen (15) und als Außenleiter zwei Metallbänder (13,14) vorgesehen sind, die durch zwischen dem Metallstreifen (15) und jedem Metall- _J0 band (13, 14) vorgesehene thermoplastische Schichten (16) zusammengehalten sind, und daß das zur Koaxialicabelantenne (1) hin gerichtete Metallband (13) des Außenleiters die Schlitze (19) aufweist.