DE2104467A1

DE2104467A1 - Funk Fernmeldesystem in umschlossenen Räumen

Info

Publication number: DE2104467A1
Application number: DE19712104467
Authority: DE
Inventors: Paul Brüssel Delogne
Original assignee: INIEX
Current assignee: INIEX
Priority date: 1970-02-18
Filing date: 1971-02-01
Publication date: 1971-08-26
Also published as: DE2104467C3; DE2104467B2; JPS553855B1; FR2080581A1; GB1327864A; FR2080581B1; CA931238A; NL149047B; BE746177A; LU62476A1; ZA71950B; NL7101966A

Description

"Funk-Fernmeldesystem in umschlossenen Räumen"

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Funk-Fernmeldesystem, das sich besonders gut zum Einsatz in umschlossenen Räumen und insbesondere bei unterirdischen Arbeiten einsetzen läßt.

Das Interesse an radioelektrischen Übertragungsmitteln in unterirdischen Räumen wie Gruben und Steinbrüchen und bei unterirdischen Bauarbeiten der öffentlichen Hand ο. dgl. ist ständig gestiegen, und der Einsatz ist heutzutage aus Gründen der Produktivitätssteigerung, der Sicherheit oder auch einfach der Bequemlichkeit zu einer Notwendigkeit geworden. Da die klassischen nicht-drahtlosen Übertragungsmittel eine physikalische Verbindung der Geräte mit dem nur schlecht anpassungsfähigen Trägerkabel erforderlich machten, wurde versucht, radioelektrische Verbindungen herzustellen. Es ist jedoch bekannt, daß sich

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radioelektrische Wellen in einem umschlossenen Raum nicht frei fortpflanzen können, es sei denn bei höheren Frequenzen, wobei sie jedoch eine beträchtliche Dämpfung erfahren.

Die bisher ins Auge gefaßten Lösungen bestanden darin, in Stollen oder Schächten isolierte oder auch nicht-isolierte Leiter zu verlegen, die als Wellenführung dienten. Bei diesen Systemen befindet sich der Raum für die Ausbreitung der Welle zwischen den Leitern und den Stollenwänden. Da es im allgemeinen erforderlich ist, die Sende- und Empfangsgeräte an jeder beliebigen Stelle des Stollenquerschnitts vorzusehen, muß das elektromagnetische Feld verhältnismäßig stark sein, um bis an die Stollenwände zu reichen. Da der Querschnitt eines Stollens Unregelmäßigkeiten und unterschiedliche Größen sowie Hindernisse aufweisen kann, die Wän'-s darüber hinaus wegen mangelnder Leit— bzw. Isolierfähigkeit einen nachteiligen Einfluß ausüben, ist die Wellendämpfung in derartigen Systemen so hoch, daß bereits die Überwindung einiger hundert Meter Entfernung außerordentlich schwierig ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Mangel zu beseitigen, und zwar durch ein die elektromagnetische Energie führendes Koaxial» kabel, bei dem aber trotzdem ein Energieaustausch zwischen dem Kabelinneren und dem Stollenquerschnifct mit Hilfe von längs dem Kabel verteilten Strahlungsvorrichtungen stattfinden kann.

Die im Inneren eines Koaxialkabels vorhandenen Wellenarten sind bekannt. Am Kabeläußeren können Strahlungsfelder vorhanden sein, die sich von den sie erregenden Quellen in radialer Richtung ausbreiten; es sind aber auch von dem Kabelmantel geleitete Wellen bekannt. Wenn der äußere Leiter eine Isolierung aufweist,

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sind diese Wellen Goubau-Wellen. Deren Länge liegt etwas unterhalb der Fortpflanzungslänge in der Luft, wobei die Verkürzung der Wellenlänge sowie die Konzentration dieser Wellen um das Kabel herum mit der Stärke der Isolierschicht zunehmen.

Die beiden Arten von äußeren Feldern, nämlich Strahlungs- und Richtfelder, können mit den Antennen von Sende- oder Empfangsgeräten verbunden werden, unterliegen jedoch so allen Nachteilen der Wellenausbreitung in umschlossenen Räumen, denen die Ausbreitung der inneren Felder eines Koaxialkabels nicht unter- ™ worfen wird. Der Austausch zwischen innen und außen muß sich den besonderen Einsatzbedingungen anpassen. Es ergibt sich daher die Notwendigkeit einer einfachen, robusten, preiswerten, wenig Platz in Anspruch nehmenden Strahlungsvorrichtung, die jedoch ganz bestimmte technische Leistungen erbringt und die leicht zu handhaben ist.

Zu diesem Zweck wird der äußere Leiter des oder der T' Ugerkabel mit in Querrichtung verlaufenden Einschnitten versehen, die kurze Unterbrechungen hervorrufen und die ein Weiterleiten elektromagnetischer Strahlung ermöglichen, nach Art einer Antenne arbeiten und ein erhöhtes Richtvermöge.n in nahe der Kabelachse gelegenen Richtungen darstellen.

Es ist vorteilhaft, wenn das System zwischen die beiderseits der Unterbrechungen vorgesehenen Abschnitte des äußeren Leiters geschaltete Anpassungselemente für Widerstände umfaßt zur Verminderung des auf die Einschnitte zurückzuführenden Rückstrahlungsfaktors sowie des Zwischenschaltungsverlustes.

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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise erläutert, Bs zeigen:

Figur 1 in schematischer Darstellung das erfiridungsgemäße Funk-Fernmeldesystem;

Figur 2 ein durch eine Unterbrechung in dem äußeren Leiter eines Koaxialkabels hervorgerufenes elektromagnetisches Strahlungsdiagramm;

Figur 3 ein Schema entsprechend einem Einschnitt am

äußeren Kabel mit Hinsicht auf die Fortpflanzung im Inneren des Kabels;

Figur k im Schnitt eine Vorrichtung zur Verminderung des Zwischenschaltungsverlustes;

Figur 5 das erfindungsgemäße Übertragungssystem ohne Verstärkung und ohne Frequenzänderung und

Figur 6 ein einen Verstärker und eine Frequenzänderung aufweisendes Übertragungssystem.

Das erfindungsgemäße System besteht aus einem Koaxialkabel mit einem inneren fortlaufenden Leiter 1 und einem äußeren, mit quer verlaufenden Einschnitten 3 versehenen Leiter 2 ( Fig. 1). Das Kabel kann mit einer nicht dargestellten Isolierung versehen sein.

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Der Austausch von innen nach außen entspricht dem Austausch in umgekehrter Richtung gemäß dem Reziprozitätsgesetz, so daß die Beschreibung des ersteren Austausches ausreichend ist.

Um die durch den Einschnitt hervorgerufenen Auswirkungen auf eine sich im Inneren des Kabels in der Zeichnung von links nach rechts fortpflanzende Welle zu bestimmen, wurden theoretische Studien und praktische Versuche durchgeführt. Diese Welle wird J im folgenden als Einfallswelle bezeichnet. Die Auswirkungen der Untersuchungen sind folgende:

a) Ein Teil läuft im Inneren des Kabels nach links zurück; es wurde also ein Rücklauffaktor festgestellt.

b) Ein Teil der Welle wird im Inneren des Kabels über den Einschnitt hinweg nach rechts übertragen; es wurde also ein Übertragungafaktor festgestellt oder - in seiner praktischen Auswirkung - ein Zwischenschaltungsverlust, der durch den Einschnitt hervorgerufen wird und sich auf die Übertragung des Koaxialkabels auswirkt.

c) Ein Teil der Welle wird in zwei Goubau-Wellen gleicher Amplitude konvertiert, die von dem Einschnitt an erregt werden und sich nach links und rechts ausbreiten.

d) Ein Teil der Welle wird auf das Äußere des Kabels und zwar in radialer Richtung von dem Einschnitt ab ausgestrahlt, wie die* bei einer Antenne der Fall wäre. Die räumliche Verteilung der ausgestrahlten Leistung bestimmt sich durch ein von dem Winkel β abhängiges Richtverraögen D.

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In großen Zügen laufen die Schlußfolgerungen der Untersuchungen auf folgendes hinaus:

a) Vorausgesetzt, daß die Länge des Einschnittes 3 kleiner ist als der Durchmesser 4 des Kabels, bleibt sie ohne Auswirkungen. Es wäre daher illusorisch, durch Verringerung der Einschnittslänge den Zwischenschaltungsverlust reduzieren zu wollen*

b) Die Stärke der Isolierung hat praktisch einen Einfluß weder auf den Rücklauffaktor noch auf den Zwischenschaltungsverlust, d.h. auf die die Fortpflanzung der Welle in dem Kabel bestimmenden Größen; sie bestimmt jedoch die Verteilung der aus dem Einschnitt austretenden Leistung auf die Goubau-Wellen und die ausgestrahlte Welle. Eine dicke Isolierung verstärkt die Goubau-Wellen auf Kosten der ausgestrahlten Wellen. Letztere weisen ein Strahlungsdiagramm gemäß Fig. 2 auf, das für die Verwendung in Stollen völlig ausreichend ist. Bei einem Winkel Ö zur Achse 5 des Kabels von einigen

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Graden, beträgt das Richtvermögen D zwischen 5 und 10 dB. Bei Verstärkung sich verringert

Bei Verstärkung der Isolierung erhöht sich Θ , während

c) Die Auswirkungen der gewählten Frequenz sind nicht so groß, wie von vornherein anzunehmen war. Bei Frequenzen einer Größenordnung von 30 MHz , verteilt sich die Leistung der fiinfallewelle wi· folgt;

75 % werden nach links reflektiert. 2 % werden nach rechts übertragen (Zwischen-

schaltungsverlust: 17 dB). 23 % werden auf das Äußere des Kabels übertragen.

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Bei 300 MHz verschieben sich die Werte wie folgt:

6l,5 % werden nach links reflektiert. 7,5 % werden übertragen (Zwischenschaltungsverlust: 11,2 dB)
3I.O % werden auf das Kabeläußere übertragen.

Diese typischen Werte zeigen, daß die Höhe der gewählten Fre- * quenz nur einen sehr geringen Einfluß ausübt. Um den Zwischenschaltungsverlust auf 3 his 3 dB zu verringern, müßten Frequenzen von mehreren GHz erreicht werden. Der Einfluß der Frequenz auf das Riehtvermögen schließlich ist noch geringer.

Eine einfache Unterbrechung des äußeren Kabelleiters ergibt also eine gute Strahlungsvorrichtung hinsichtlich der durch den Einschnitt austretenden Leistung, ist jedoch in besug auf die Übertragung in dem Kabel unzureichend. Jedoch haben die Untersuchungen gezeigt, daß in dieser letzteren Hinsicht der Einschnitt einem in dem äußeren Leiter in Serie geschalteten Widerstand 6 (Fig. 3) entspricht, wobei dessen" erhöhter Wert | erklärt, daß ein bedeutender Teil der Einfallsleistung reflektiert wird.

Durch Verwendung von Anpassungselementen in dem Einschnitt ist die Konstruktion geeigneter Widerstände möglich, wobei dann die Strahlungsvorrichtung einen vorbestimmten Gebrauch der Leistung der Einfallswelle macht.

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Zum Beispiel kann bei den im folgenden beschriebenen Anwendungen eine Vorrichtung mit verringertem Zwischenschaltungsvei— lust verwendet werden, bei der eine zusätzliche Kapazität in dem Einschnitt vorgesehen wird. Die Vorrichtung kann als eine Art zwischen zwei Kabelenden einzuschaltende Anpassung ausgebildet sein, wobei die zusätzliche Kapazität durch eine Teilisolierung der beiden Abschnitte 7 und 8 (Fig. k) des äußeren ' Leiters erzielt werden kann. Bei Verwendung einer zusätzlichen Kapazität von 6o pF bei 60 MHz beispielsweise verteilt sich die Einfallsleistung wie folgt:

5,5 % werden nach links reflektiert. 91,5 % werden nach rechts übertragen (Zwischenschaltungsverlust: 0,38 dB) 3,0 % werden auf das Äußere des Kabels übertragen.

Bei Verwendung von längs einem in einem Stollen verlegten Kabel oder längs einer anderen, in einem abgeschlossenen Raum befindlichen Übertragungsachse mehr oder weniger regelmäßig verteilten Strahlungsvorrichtungen ist es möglich, die Ausbreitungsschwierigkeiten von elektromagnetischen Wellen in dieser Umgebung auszuräumen. Ein neben einer Strahlungsvorrichtung IO vorgesehener Sender 9 ( Fig. 5) erregt über die Strahlungsvorrichtung zwei sich im Inneren des Kabels voneinander entfernende Wellen. Bei jeder Strahlungseinheit wird ein kleiner Teil dieser Wellen freigesetzt, der dann von einem im Aktivbereich dieser Vorrichtung vorgesehenen Empfänger 11 erfaßt wird· Wenn sich die Wirkungsbereiche überlappen, entstehen ununterbrochene Verbindungen entlang dem gesamten Kabel. Diese Verbindungen wirken wechselseitig«

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Durch dieses System können Strecken von mehreren hundert Metern unter außerordentlich schwierigen Bedingungen bezüglich der Ausbreitung überbrückt werden. Bei längeren Distanzen ist der Nachteil des Systems darin zu sehen, daß jede Verbindung in Kaskadenschaltung zwei radioelektrische Verbindungen aufweist; eine zwischen Sender und einer Vorrichtung, die andere zwischen einer Vorrichtung und dem Empfänger, wobei jede der Verbindungen einen Verlust von etwa 4o dB für eine Strecke von 10 bis 20 m darstellt.

Auf dem Koaxialkabel lassen sich zwar doppeltgerichtete Verstärker anbringen, jedoch können aus allgemein bekannten Stabilitätsgründen Verluste dieser Größenordnung nur dann ausgeglichen werden, wenn die Verstärker eine andere Frequenz aufweisen. Dann allerdings können Strecken beliebiger Distanz überbrückt werden. Durch das in Fig. 6 dargestellte einfache, aus einem Richtschalter 12 und Strahlungsvorrichtungen 10 bestehenden System, bei dem alle Sender auf der Frequenz f<, und alle Empfänger auf der Frequenz f₂ arbeiten, können bereits Arbeitsstellen beträchtlichen Ausmaßes überwunden werden.

In gewissen Fällen kann es auch zweckmäßig sein, Kabel mit mehreren inneren Leitern zu verwenden.

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Claims

Patentansprüche

U Funk-Fernmeldesystem, insbesondere zur Verwendung in abgeschlossenen Räumen, bestehend aus einem oder mehreren Wellen tragenden Kabeln mit einem oder mehreren Leitern, wobei der äußere Leiter den oder die anderen Leiter sowie die Sender und/oder Empfänger, von denen zumindest einer galvanisch nicht mit den Wellen tragenden Kabeln verbunden ist, umgibt, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Leiter (2) des oder der Wellen tragenden Kabel quer verlaufende, kurze Unterbrechungen hervorrufende Einschnitte (3) aufweist, die ein Weiterleiten elektromagnetischer Strahlung ermöglichen, nach Art einer Antenne arbeiten und ein erhöhtes Richtvermögen in nahe der Kabelachse (5) gelegenen Richtungen darstellen.