DE2230280A1 - Offener wellenleiter zur breitbandigen funkversorgung - Google Patents

Description

Patent_TVerwaltungs-GmbH 6θΟΟ Frankfurt (Main) 70, Theodor-Stern-Kai 1

Ulm (Donau), den 12. Juni 1972

PT/TJL/Schz/bn

UL 72/10

"Offener Wellenleiter zur breitbändigen Funkveraorgung"

Die Erfindung betrifft einen offenen Wellenleiter mit Dreitbandeigenschaften zur Funkversorgung entlang von Fahrspuren,

Es ist bekannt, daß offene Wellenleiter, die in ihrer äußeren Umgebung eine Leckwelle (leaking wave) erzeugen, ein besonders gleichmäßiges Funkfeld längs ihrer Achse erzielen. Für den Funkverkehr im UKW-Bereich sind solche

309883/0665

- 2 - UL 72/10

Leckwellenleiter bisher als Koaxialkabel realisiert worden, deren Mantel im jeweils gleichen Abstand mit Strahlungsschichten von Abmessungen klein gegen die Wellenlänge versehen ist. Solche Schlitzkabel regen an ihrer Oberfläche unendlich viele raumharmonische Wellen an mit den axialen Ausbreitungskonstanten

h =JT + η

η = 0, - 1, -2, ·.., wennT= wyC & M die Ausbreitungskonstante der anregenden Leitungswelle im Kabelinnern mit der relativen Dieletrizitätskonstanten έ ist und /Oden Abstand zwischen zwei benachbarten Strahlungsschlitzen angibt. Wenn der Betrag der Ausbreitungskonstanten h kleiner ist

leeren als die Ausbreitungskonstante des/Raumes

jh |«£k = ω Y~ä Ϊ '
j η j o V ο ο

handelt es sich bei der jeweiligen Raumharmonischen um eine Leckwelle, deren FrId in einigem Abstand von der Leitung viel stärker ist als das der übrigen Raumharmonischen, die diese Bedingung nicht erfüllen. Der Übertragungsweg von der Leitungsoberfläche zum Empfangsort wirkt praktisch als Filter, das Wellen mit Ausbreitungskonstanten kleiner als die des leeren Raumes bevorzugt. Zur Erzielung eines gleich-

309883/0665

- 3 - UL 72/10

mäßigen Funlcfeldes ist es nötig, die Interferenz verschiedener Lockwellen zu verhindern, d. h. dafür zu sorgen, daß nur eine einzige der angeregten Raumharmonischen die Lockwellenbedingung erfüllt. Wegen der Frequenzabhängigkeit der Größen J** und k ist dies aber im allgemeinen Fall nur

innerhalb eines begrenzten Frequenzbereiches möglich, wenn man nicht bereits durch besondere Gestaltung der Schlitze und ihrer Anordnung auf der Leitungsoberfläche eine Quellenverteilung erzeugt, die störende Raumharmonische nicht mehr enthält» Hierzu ist bereits eine Realisierung (DT-OS 2 103 559) bekannt, bei der die Quellintensität der Strahlungsschlitze mit einer Periode, die ein Mehrfaches des Schlitzabstandes beträgt, sinusförmig variiert wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, offene Wellenleiter mit anderen Quellenverteilungen anzugeben, die ebenfalls interferierende Raumharmonische nicht anregen, die sich aber einfacher realisieren lassen als die durch die DT-OS 2 103 559 bekannte Anordnung.

Die Beschreibung der zu realisierenden Quellenverteilung erfolgt durch Angabe ihrer Fouriertransformierten, da sich auf diese Weise einfache Bildungsgesetze angehen lassen.

309883/0665

-¹I- UL 72/10

Die Übertragung vom Lritungsinnern zum Empfangsort läßt sieb nämlich wie folgt durch ein Übertragungssystem für zeitliche Vorgänge als Modell beschreiben, wenn man die axiale Koordinate Z durch tue Zeit als Variable ersetzt.

Fig. 1 zeigt den Übertragungsweg zwischen dem Innern eines allgemeinen L^cJcwellenleiters und dem Empfangsort Λ. Im Tunern dieses Loiters läuft die anregende Wolle in Acbsenrichtung iZ-n'ichlung) mit der axialen Ausbreitungskonstanten 4 und regt über eine periodische Folge von Strahlungsschlitzen ein ield im Außenraum an. Dabei erscheint der axiale Verlauf der anregenden Welle an der Löiteroberfläche im Außenraum gewissermaßen moduliert durch den Vorlauf der Strahlungsöff'nungen. Der axiale Verlauf der Quellenverteilung an der Loiteroberflache q{Z) läßt sich daher beschreiben als das Produkt des axialen Verlaufs -jar Welle im Leitungsinnern und einer räumlichen Mcduiationsfunktion m(Z),

Transi ormiert aa:i den analen 7-irlau:; d-r f-jus.llen- und FeIdvertei b;:^?iier! fur;h T :^iT±sri ransici^^a^^^-i L.: ■?.·:. η ün.terber sich , d, h, vsj-::;;.ν ~nc~:± .ih.ii i:s ..':■ ι ;:ui .\± ,/V₁;;:. f ^*.':.■"..-,,-:. ..-.--fti-. bzw» Αλιζ-

3 0 £ S r 3 / 0 S 5 5

BAD ORIGINAL

UL 72/10

breitungskonstantcn h

U(Z

Q (h) = I q(Z) c^jhZ dZ,

so ergibt sich das räumliche Spektrum der Quellenvertei !.uiiir, Q(h) als das Spektrum der Modulationsfunktion M(h) verschoben um den Betrag der Ausbreitungskonstanten der anregenden Welle ti

Fig, 3 zeigt das räumliche Spektrum der Quellenverteilung (Dirac-Fölge) , vrenn die Modulationsfunktion eine äquidistante σ -Folge ist, wie man sie in guter Näherung durch diskrete Strahlungsschlitze in gleichen Abständen mit Abmessungen klein gegen die Wellenlänge erhält. D<ⁱr Abstand dor Linien ist reziprok zum Abstand der Strahlungsschlitze <£ Hei der Übertragung von der Loitungsoberflache zum Empfangsort A überwiegen die Leckwellen die übrigen Felder; der Über tragungsweg wirkt als räumlicher Tiefpaß und wegen der Linearität der Übertragung ergibt sich die Transformierte des axialen Feldverlaufs am Empfangsort A durch Multiplikation des Spektrums der Quellenverteilung mit einer räumlichen Übertragungsfunktion (Anregungsfunktion) A(h), deren prinzipieller Vorlauf Fig. k andeutet. Aufgrund dieser Ausfiih-

3098 83/0665

UL 72/5O

runcren läßt sich für die Übertragung vom Leitung.sinn^rn zum E-r.pf angsor t das in Fig. 2 wiedergesehene Ersatzschaltbild entwickeln.

Detrachtet man Fig. 3 und 'i zusammen, so erkennt man, daß für den durch die Lage der Linien und der Übertragungskurve gegebenen Spezialfall genau eine räumliche Spektrallinie im Durchlaßbereich d. h. im Leckwellenbereich liegt. Das Problem der zeitlichen Bandbegrenzung des Systems ergibt sich daraus, daß mit zunehmender Frequenz die Breite des Durchlaßbereiches des räumlichen liefpasses zunimmt

O ' / O O

während der Abstand der Linien konstant bleibt, so daß mehrere Linien in den Durchlaßbereich gelangen und somit mehrere Leckrwellen interferieren. Noch einfacher läßt sich dieser Vorgang überschauen, wenn man die Wirkung des räumlichen Tiefpasses auf das räumliche Basisband M(h) (Fig. 5) betrachtet. In dieser Darstellung liegen die Spektrallinien fest «χι den Orten h = η —ττ während sich die Grenzen

ⁿ M

der Durchlaßkennlxnie

-(Γ+ k_o) = -o)V/»_oi:_o ^l(e_v + 1 und -(-T- k_o) = -ω (6_v -i)

309883/08S5 - 7 -

BAD ORlGiNAt

UL 72/10

proportional zur Frequenz verschieben. Hieraus erkennt man aber, daß sich die zeitliche Bandbreite des offenen Wellenleiters vergoßern läßt, wenn es gelingt, durch entsprechende Gestaltung der Stralilungsöffnungen eine llodulation der Quellenverteilung zu erzielen, bei der möglichst viele räumliche Spektrallinien links von der ersten Linie Ii verschwinden.

Die vorliegende Erfindung gibt Bildungsgesetae für die räumlichen Spektren der Modulation einfach realisierbarer Quellenveri oilungen an, bei denen unerwünschte liaumharmonisciie nicht angeregt werden. Wegen der Eindeutigkeit der Fouriertransformation lassen sich aus diesen Spektren die Modu-1ationsfunktionen der Quellenverteilungen berechnen und aus diesen Bauvorschriften Tür die Strahlungeschlitze gewinnen.

Da? -erfindungsgemäße Bildungsgesetz geht von dem erwähnten räumlichen Spektrum (Fig, 5)3 einer äquidistanten. J-Folge als Modulationsfunktioiij aus und gewinnt die gewünschten Spektren durch Multiplikation des Ausgangsspsktrums mit einer geeigneten Funktion F(h}, di-s dort, --ro räumliche Spektrallinien zu unterdrücken sisidr. Nullst all esa oder sehr kleine Funktionswerte aufweist, iiiss-er Multiplilcation eat-

BAD ORIGINAL

- w - UL 72/10

spricht im Oberbereich eine Faltung der äquidistanten
αΤ-Folge mil der Four i er transformierten der Funktion F(Ij). Als geeignete solche Funktionen haben sicli erwiesen:

Periodische Funktionen, die am Ort zu unterdrückender Spektrallinien Nullstellen aufweisen, besonders Produkte aus

a) Sinusfunktionen (Fig. 6),

Ij) au.v einer Sinusfunktion und weiteren Cosinus-

funktionen (Fig. 7),
c) nur aus Cosinusfunktionen (Fig, 8),

die sukzessive eine störende Spektrallinie nach der anderen unterdrücken.

EI Aperiodische Funktionen, deren Betrag nach höheren räumlichen Frequenzen hin abfällt. Diese aperiodischen Funktionen können zusätzlich am Ort zu unterdrückender Spektrallinien niederer Ordnung, deren Auslöschung besonders -wichtig ist, Nullstellen aufweisen.

Besonders geeignet sind dabei Produkte aus einer periodischen Funktion nach I und einer für höhere räumliche Fre-

309883/0665 " ⁹ "

BAD ORIGINAL

- 9 - b'L 72/1Ü

bL 72/1Ü

quenzen abnehmenden Funktion wie z. B. negative Potenzen der räumlichen Frequenz,

Die Fig. 9 bis-Iu zeigen Beispiele für die räumlichen Spektren und den Verlauf der auf diese Weise gewonnenen Modulationsf unkt ion, Multipliziert man »las Ausgangsspektrum (Fig. 5) mit sin'r h, so erhält man die Auslöschune aller Linien gerader Ordnung (Fig. 9)· Die weitere Multi-

pi. ikation mit sin ■=· h ergibt das Spektrum in Pig. I". Anstelle der Multiplikation dieses Spektrums mti sin -= (Fig, ι 1 ) erweist sich die .Multiplikation mit cos -tjt- nls günstiger (Fig, 12), da hierbei die Linie h , die ausgestrahlt werden soll, mit größerer Amplitude angeregt wird. Entsprechend empfiehlt es sich," weitere Linien mit cos -rr , cos ^s- , cos rzr- usw. zu unterdrücken. Fig. 13 zeigt ein Beispiel für die Unterdrückung von drei Linien allein durch ein Produkt von Cosinusfunktionen.

Die resultierende Modulationsfunktion ist besonders einfach, da sie nur über einen einzigen Aplitudenwert verfügt.

Die Fig. lA bis 18 zeigen Beispiele für Modulationsfunktionen, deren Spektrum sich durch Multiplikation der vor-

- 10 -

309883/0665

BAD ORIGINAL

-. ίο - Uh ~:i/\i)

erwähnten Spektren mit einer negativen Potenz eier räiiml ichen Frequenz h ergeben. Dabei enthalten Fig. I¹I und 13 die Spektren aus Fig. 9 bzw. 10 multipliziert mit — um! Fig. \(> zeigt das Spektrum nach Fig. 9 multipliziert mi < —τς. Die sinusförmige kont Lnuierl Lche Modulationsfunktion aus Fig. 1? erhält man, wenn man sämtliche Spektral1 inion bis auf die bei h und Ii unterdrückt hat.

— 1 +1

Falls nur Quellenverteilungen positiver Amplitude realisierbar sind, bo kann man zu den kontinuierlichen Modulationsfunktionen eine beliebige Konstante hinzuaddieren. Die wirkt sich nur durch eine zusätzliche räumliche Spektral linie an der Stelle h = 0 aus, die außerhalb des Durchlaßhereichps der Anregungsfunktion liegt. Als Heispiel hierfür zeigt Fig. t«'l die Mo du Lationsfunktion aus Fig. 15 um einen konstanten Summanden vermehrt.

Aus den beschriebenen erfindungsgemäßen Bildungsgesetzen für die Modulation der Quellenverteilung auf der Leitungsoberfläche ergeben sich in folgender Weise Bauvorschriften für die Dimensionierung der Strahlungeschlitze der Leitung. Dabei ist der Fall einer diskreten /"-Verteilung von dem einer kontinuierlichen Verteilung der Quellen zu unterscheiden.

309883/0665 - n -

BAD ORIGINAL

TIL 72/IO

Eine räumliche Modulation der anregenden Wolle entsprechend einer (P-Vert eilung; läßt sich mit genügender Genauigkeit durch beliebige StraMungsschlitze erzeugen, deren Abmessungen klein gege-n die Wellenlänge sind,. Die spezielle Ausführungsform der Öffnungen hat lediglich Einfluß auf die Intensität und die Polarität (azimutales oder axiales elektrisches Feld an der Leitungsoberfläche). Für solche Strahlungsschlitze gibt es bereits eine Reihe von bekannten Bauformen.

Fig. 19 und Fig. 20 zeigen Beispiele für Strahlungsschlitze auf koaxialkabeln. Hierbei kann man mit symmetrischen Schlitzen (Fig, 19) nur Modulationsfunktionen positiver Amplitude erzielen, während man mit asymmetrischen Schlitzen (Fig. 20) für das azimutale elektrische Feld Modulationsfunktionen positiver und negativer Amplitude erzeugen kann,

Modulationsfunktionen nach Bildungsgesetz I c) sind periodische (P- Vert eilungen gleicher Amplitude. Sie lassen sich durch eine periodische Folge von gleichen Strahlungsschlitzen realisieren. Entsprechend erhält man eine Modulation der Quellenverteilung nach I a) und I b), die eine periodische Folge von <f- Vert eilungen gleicher positiver oder negativer Amplitude erfordert, durch eine periodische Folge

309883/0665 - 12 -

BAD ORIGINAL

- 12 - UL 72/.K>

gleichartiger Strahlungsschutz^ positiver bzw. negativer Polarität.

Kontinuierliche Quellenvort ei. Lungen, wie sie nach Bildunjrsgesetz II erforderlich sind, können durch kontinuierliche Strahlungssclilitze erzeugt werden. Bei Koaxialkabeln ergeben theoretische Hntersuchungen, daß der rotationssymmetrische Anteil des vom einem längeren axialen Schlitz angeregten Feldes proportional dem Quadrat des Öffnungswinkels dieses Schlitzes wächst. Demnach sind offene Wellenleiter nach Dildungsgesetz II realisierbar durch Koaxialkabel, deren Mantel einen axialen Längsschlitz aufweist, dessen Öffnungswinkel sich proportional dem Verlauf der Wurzel der nach II sich ergebenden Modulationsfunktion ändert. Anstatt mit einem Schlitz kann die gleiche Quellenverteilung auch mit mehreren parallel verlaufenden Längsschlitzen erzeugt werden.

Fig. 21 zeigt zwei Realisierungsmöglichkeiten einer Modulation der Quellen entsprechend der Verteilung nach Fig. l8.

309883/0665

Claims (1)

1. Patentansprüche

   J Offener Wellenleitrr zur breitbandigen Funkversorgung entlang von Fahrspuren, bei denen von einer in ihrem Innern laufenden harmonischen Wolle über eine periodische Folge von Strahlungsöffnungen - also durch eine Quellenverteilung an der Leitungsoberfläche, deren axialer Vorlauf gleich dem mit einer periodischen Funktion modulierten Verlauf der anregenden Wolle ist - genau eine Leckwelle in der äußeren Umgebung angeregt wird, dadurch gekennzeichnet , entweder:

   daß sich die Fouriertransformierte der Modulationsfunktion der Queilenverteilung, nämlich das räumliche Spektrum, mathematisch aus dem räumlichen Spektrum einer äquidistanten O-Verteilung (Dirac-Verteilung) durch Multiplikation mit einer aperiodischen räumlichen Spektralfunktion ergibt, die dort, wo sich die Spektrallinien der höheren Raumharmonischen befinden, verschwindende oder geringe Funktionswerte aufweist, so daß innerhalb eines größeren Bereiches der zeitlichen Frequenzen alle

   - Ik -

   309883/0665 BAD ORIGINAL

   - Ik - . Vh 72/M)

   '!äutniiarmon i. sehen, die Leckwellen bilden bis auf »•ine unlordiückt sind, oder:

   daß das räumliche : pels i rum der Modul at ionyfunkt ion der 'juel lenverteilung mathematisch sich aus dem räumlichen .Spektrum einer a'quidi stant en /-Verteilung (l'irac-Yort eilung) durch sukzessive Multiplikation mit .-jinus- oder Cosinusfunktionen ergibt, deren Nullstellen so liegen, daß nacheinander die iiaunharmonischen zweiter, dritter, vierter Ordnung usw. gleich Null gesetzt werden, so daß sich in der Umgehung der räumlichen Spektrallinie erster Ordnunv keine weiteren Linien mehr befinden, dip die Funkübertragung durch Interferenz stören könnten.

   ?.'. Wellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das räumliche Spektrum der Modulationsfunktion der Quel lenverteilung mathematisch aus dem räumlichen Spektrum der Mb dul at i ons funkt ion gemäß Anspruch 1 durch weitere Multi plikation mit einer aperiodischen Funktion hervorgeht, die nach höheren !iaumfrequenzen hin abfällt.

   3. Wellenleiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die aperiodische Funktion gemäß Anspruch 2 der

   309883/0665

   BAD ORiGiNAL

   - 15 - UL 72/1 ο

   j. ehrwert einer Potenz der Raumfrequenz ist.

   ^i. W'rllenlei t er nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aperiodische räumliche Spektralfunktion alle räumlichen Spektrallinien mit Ausnahme der Linien nullter und erster Ordnung unterdrückt.

   3. Wellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter an seiner Außenfläche mit einer periodischen Folge von diskreten, gleichen Strahlungsschlitzen positiver oder negativer Polarität entsprechend dem Verlauf der Modulationsfunktion nach Anspruch 1 versehen ist.

   6. Wellenleiter nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter ein Koaxialkabel mit Strahlungs8Ohli"fczen im Außenmantel ist,

   7. Wellenleiter nach einem der Ansprüche 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausbildung des Wellenleiters als Koaxialkabel das Koaxialkabel einen axialen Schlitz im Außenleiter aufweist, dessen Öffnungswinkel sich proportional dem Vorlauf der Wurzel der nach den genannten Ansprüchen sich ergebenden Modulationsfunktion der Quellenverteilung längs des Kabels ändert.

   309883/0665

   - 16 -

   BAD ORIGINAL

   ">. WoIl on le it. er nach einem der Ansprüche 1, 2, 3» ^ und 7t dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausbildung des Wellenleiters als Koaxialkabel anstelle eines Längsschlitzes mehrere parallel verlaufende LHngnschlitze im Außenleiter vorhanden sind, so daß sich die Summe der Quadrate der einzelnen öffnungswinkel längs des Kabels proportional zum Verlauf der aus Ansprüchen 1, 2, 3 und k sich ergebenden Hodulationsfunktion ändert.

   309883/0665

   BAD ORIGINAL