DE2325481A1

DE2325481A1 - Sendesystem, insbesondere fuer den bergbau und den tunnelbau

Info

Publication number: DE2325481A1
Application number: DE2325481A
Authority: DE
Inventors: David James Reginald Martin
Original assignee: Coal Industry Patents Ltd
Current assignee: Coal Industry Patents Ltd
Priority date: 1972-05-26
Filing date: 1973-05-19
Publication date: 1973-12-06
Also published as: FR2189889B1; FR2189889A1; CA967648A; GB1389554A; AU5570973A; US3896380A; BE800007A

Description

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Coal Industry (Patents) Limited * Hobart House, Grosvenor Place, London, SWlX 7AE, England

Sendesystem, insbesondere für den Bergbau oder den Tunnelbau

Die Erfindung betrifft ein Sendesystem mit einer langgestreckten Trägerleitung für die Sendesignale, die zugleich als Sendeantenne dient, insbesondere für .den Bergbau oder den Tunnelbau, mit einem Koaxialkabel, das an eine"als Sender dienende Energiequelle angeschlossen ist und eine in einem Dielektrikum eingebetteten .-inneren Leiter aufweist, der die Sendesignaleführt und von einem unvollständig abschirmenden äußeren Leiter umgeüen ist, wobei die von dem Koaxialkabel abgestrahlten Sendesignale von mindestens einer örtlicnen Empfangsstation empfangen werden, die sich in unmittelbarer Nähe des Koaxialkabels befindet.

Ein besonderes Problem bei der Übertragung von Hochfrequenz-Sendesignalen in Tunneln oder Bergwerken besteht darin, daß die Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen infolge der umschlossenen Honlräume stark begrenzt ist. Zur Lösung dieses Proolemes sind eine Reihe von Vorschlägen gemacht worden, die die Verwendung von langgestreckten Trägerleitungen vorsehen.

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Diese Trägerleitung erstreckt sich über den Tunnel oder den Grubenbau und wird mit Hochfrequenz-Sendesignalen gespeist. Die Sendesignale werden von der Trägerleitung abgestrahlt j so daß diese als Sendeantenne wirkt. Die aogestranlten Sendesignale werden von an bestimmten Stellen des Tunnels oder des Grubenbaues angeordneten örtlichen Empfangsstationen empfangen. Die örtlichen Empfangsstationen können·zusätzlich auch mit Sendern versehen sein, die ihrerseits Sendesignale an die Trägerleitung abgeben. Diese Sendesignale werden von der Trägerleitung aufgenommen und entlang der Trägerleitung an einen Empfänger zurückgeleitet. Die Übertragung von und zu den beweglichen Empfangsstationen erfolgt aus betrieblicnen Gründen normalerweise bei unterschiedlichen Frequenzen. Gegebenenfalls können mehrere bewegliche Empfangs- und Sendestationen mit unterschiedlichen Frequenzen betrieben werden. Solche Sendesysteme sind beispielsweise in den GB-PS 1 248 222, 1 248 223 und 1 239 beschrieben. Eine Reihe von für den angegebenen Zweck geeigneten Trägerleitungen ist bereits-.vorgeschlagen worden. Die einfacnste Trägerleitung der genannten Art ist als Koaxialkabel ausgebildet, das eine lose geflochtene äußere Geflechtslage hat. Alternativ ist in der GB-PS 1 2 35 8 88 ein Koaxialkabel vorgeschlagen worden, das einen rohrförmigen äußeren Leiter hat, der mit einer offenen Längsnaht oder mit einer Reihe von Schlitzen oder Löchern versehen ist, durch die die Sendesignale austreten können. Derartige Kabel sind gemeinhin als mit Ableitung behaftete Kabel oder Leitungen oekannt.

Bei der Ausführungsform mit einem als Geflechtslage ausgebildeten Außenleiter ist der sichtbare Abdeckungsgrad bis auf 5ο % aogesenkt worden, indem bestimmte Drähte des Geflechts

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fortgelassen wurden. Die Stärke des von der Trägerleitung abgestrahlten Sendesignales nimmt bei einer deratigen Verminderung der Abdeckung zu.

Die Verminderung des Abdeckungsgrades der Geflechtslage hat jedoch den Nachteil, daß die Dämpfung des Sendesignales über die Länge der Trägerleitung zunimmt, so daß die· Qualität der Kommunikation schlechter wird. Dies ist auf den zunehmenden' elektrischen Widerstand der Geflechtslage zurückzuführen, der wiederum darauf zurückzuführen ist, daß die Anzahl der die Geflechtslage bildenden Drähte geringer wird. Dieser .Nachteil übertrifft teilweise die Vorteile,-die durch die Verminderung .des Abdeckungsgrades der Geflechtslage erzielt werden können. Die vertretbare Verminderung des Abdeckungsgrades der Geflechtslage ist also Degrenzt. · . ■

Es wird allgemein angenommen, daß- die Abstrahlung eines derartigen mit Ableitung behafteten Koaxialkabels Funktion einer Größe ist, die als "Oberflächen-Durchtritts-Widerstand" oder als "Kopplungs-Widerstand" bezeichnet wird. Diese Größe ist eine Eigenschaft der Geflechtslage selbst, kann durch herkömmliche Meßvorrichtungen gemessen werden und hängt insbesondere vom sichtbaren Abdöckungsgrad ab.

Eine Untersuchung des Abstrahlvorganges hat ergeben, daß der Oberflächen-Durchtritts-Widerstand nur eine der Eigenschaften eines Koaxialkabels ist, die die Abstrahlung beeinflussen. Ein weiterer signifikanter Faktor ist die Dämpfungskonstante einer Welle, die sich entlang der äußeren Oberfläche der äußeren Geflechtslage fortpflanzt.

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Zur Veroesserung der Abstrahlung ist es ratsam, diese Dämpfungskonstante so niedrig wie möglich zu halten. Es ist Aufgabe der Erfindung, das Sendesystem der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß die Dämpfungskonstante erheblich unter den bisher möglichen Wert abgesenkt wird. '

Gegenstand der Erfindung ist ein Sendesystem mit einer langgestreckten Trägerleitung für die Sendesignale, die zugleich als Sendeantenne dient, insbesondere für den Bergbau oder den Tunnelbau, mit einem Koaxialkabel, das an eine als Sender dienende Energiequelle angeschlossen ist und einen in einem Dielektrikum eingebetteten inneren Leiter aufweist, der die Sendesignale führt und von einem unvollständig aoschirmenden äußeren Leiter umgeben ist, wobei die von. dem Koaxialkabel abgestrahlten Sendesignale von.mindestens einer örtlichen Empfangsstation empfangen werden, die sich in unmittelbarer Nähe des Koaxialkabels befindet und wobei sich dieses Sendesystem durch zwei gleichartige Koaxialkabel kennzeichnet, von denen jedes an die Energiequelle angeschlossen ist und von dieser Energie bezieht, wobei die Energie ia einem Koaxialkabel in Gegenphase zur Energie in dem anderen Koaxialkabel liegt.

Beim Sendesystem gemäß der Erfindung haben die Ströme, die auf der äußeren Ooerfläche des äußeren Leiters des ersten Koaxialkabels induziert werden und die Ströme, . die auf ähnliche Weise auf der äußeren Oberfläche des äußeren Leiters des zweiten Koaxialkabels induziert werden, die gleiche Amplitude, jedoch entgegengesetzte Phasen. Sie gleichen einander also aus. Die beiden Außenleiter der beiden Koaxialkabel wirken mithin als eine neutralisierte,

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mit zwei Drähten versehene Trägerleitung. Infolgedessen ist die Dämpfungskonstante der aus zwei Koaxialkabeln zusammengesetzten Trägerleitung erheblich geringer, als bei jeder der beiden Koaxialkabel für sich gesehen. Die angestrebte Absenkung der Gesamt-Dämpfungskonstanten wird also erreicht. Bei einem vorgegebenen Wert, des Oberflächenstromes auf den äußeren Leitern der Koaxialkabel ist die resultierende Feldstärke in unmittelbarer Nachbarschaft der Träger leitung infolge des gegenseitigen Auf hebungseffektes zwar merklich geringer, als sie es bei Verwendung eines einzigen, für sich allein wirkenden äußeren Leiters wäre. Die im Hinblick auf die Werte der in den beiden Außenleitern induzierten Ströme erzielten Verbesserungen gleichen diesen Nachteil aber mehr als aus, so daß sich insgesamt eine erhebliche Steigerung der Feldstärke ergibt.

Die beiden Koaxialkabel können an ihren dem als Energiequelle dienenden Sender aogewandten Enden durch einen Widerstand verbunden sein, dessen Impedanz auf Eigenschaften der Sendesignale und die Impedanz des Kreises, von dem die Koaxialkabel einen Teil bilden, abgestimmt ist.

Die Sendestation kann zusätzlich mit einem Empfänger versehen sein, der Sendesignale empfängt, die von entlang der Trägerleitung angeordneten Sende- und Empfangstationen ausgesendet werden und von der Trägerleitung aufgenommen werden.

Die .in die beiden Koaxialkabel eingegebenen Sendesignale können in Gegenphase gebracht werden, indem sie den Koaxialkabeln über einen Anzapftransformator zugeführt werden, der die Phasen entsprechend verschiebt. Alternativ kann eines

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der Koaxialkabel auch mit einer Verzögerungsvorrichtung versehen sein, die beispielsweise durch einen zusätzlichen Längenabschnitt eines der Koaxialkabel gebildet werden kann. Dieser zusätzliche Längenabschnitt hat vorzugsweise eine Länge, die einem ungeraden Vielfachen der halben Wellenlänge des verwendeten Sendesignales entspricht, auf das das Sendesystem ausgelegt ist.

Zweckmäßig werden die beiden Koaxialkabel durch einen Abstandhalter aus dielektrischem Material in Abstand zueinander gehalten. Der Abstandhalter kann beispielsweise aus einer Reine von Distanzstücken bestehen, die mit Abstand zueinander auf die Länge der beiden Koaxialkabel verteilt angeordnet sind und die beiden Koaxialkabel miteinander verbinden. Alternativ können die beiden Koaxialkabel in als Abstandhalter dienendes dielektrisches Material eingegössen sein. Dieses dielektrische Material kann zugleich auch als Ummantelung der beiden Koaxialkabel dienen.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert, in der

Fig. 1 schematisch eine erste Ausführungsform eines

Sendesystemes gemäß der Erfindung und ,

Fig. 2 schematisch eine zweite Ausführungsform eines . Sendesystemes gemäß der Erfindung zeigen.

In den Figuren 1 und 2 sind die einander entsprechenden Teile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

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In Fig. 1 sind zwei gleichartig ausgebildetet Koaxialkabel mit den Bezugszeichen 1 und 2 bezeichnet. Jedes dieser Koaxialkabel 1 und 2 weist einen als.lose geflochtene Geflechtslage ausgebildeten äußeren Leiter 11 bzw. 21, . einen inneren Leiter 12 bzw. 22 und eine den inneren' Leiter umgebende Isolierschicht 13 bzw. 2 3 aus dielektrischem Material auf. Die beiden Koaxialkabel 1 und 2 sind parallel zueinander in einem Tunnel oder einem Grubenbau angeordnet und werdenvAbstandhalter, beispielsweise durch Distanzstücke 3 in einem Abstand d zueinander genalten . Der Abstand d kann verändert werden und den besonderen jeweiligen Bedingungen angepaßt werden. Er ist jedoch vorzugsweise klein und beträgt lediglich einen kleinen Bruchteil der Wellenlänge des zu übertragenden Sendesignals. Bei einer Sendefrequenz von etwa 8o Mhz liegt der Abstand d beispielsweise zwischen 2 und 2o cm. Jedes der Koaxialkabel 1 und 2 endet gesondert an einem Widerstand Rl, der jeweils eine bestimmte Impedanz hat. Die durch die beiden äußeren Leiter 11 und 21 gebildete, aus zwei Drähten bestehende neutralisierte Leitung endet in einem Widerstand R2, der ebenfalls eine bestimmte, für den vorgegebenen Zweck geeignete Impedanz hat.

Die Deiden Koaxialkabel 1 und 2 sind an eine feststehende, als Energiequelle dienende Sende- und Empfangsstation 4-angeschlossen, die in geeigneter Weise ausgelegt ist. Der Anschluß der Koaxialkabel 1 und 2 erfolgt über einen die Phase aufteilenden und verschiebenden Anzapftransformator 5, der eine Primärwicklung 51 und eine in der Mitte angezapfte Sekundärwicklung 5 2 aufweist.

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Eine Reihe von örtlichen Sende- und Empfangsstationen 6, von denen in der Zeichnung nur eine dargestellt ist, sind an verschiedenen Stellen des Tunnels oder des Grubenbaus in unmittelbarer Nachbarschaft der Koaxialkabel 1 und 2 angeordnet und empfangen die von den Koaxialkabeln 1 und 2 abgestrahlten, von der Sende- und Empfangsstation 4· stammenden Sendesignale auf. Sie senden auch eigene, an Ort und Stelle erzeugte Sendesignale aus. Diese Sendesignale werden von den Koaxialkabeln 1 und 2 aufgefangen und an den Empfängerteil der Sende- und Empfangsstation 4 zurückgeleitet.

i3ei Betrieb des Systemes, d.h. also wenn die feststehende Sende- und Empfangsstation 4 sendet, werden deren Sendesignale zunächst der Primärwicklung 51 des Anzapftransfor- mators 5 zugeführt. Wie aus Fig. 1 ersehen werden kann, sind die inneren Leiter 12 und 22 der Koaxialkabel 1 und 2 an die entgegengesetzten Enden 53 und 54 der Sekundärwicklung 52 des Anzapftransformators 5 angeschlossen und nenmen infolgedessen das zu übertragende Signal in Gegenpnase auf. Die äußeren Leiter 11 und 21 der Koaxialkabel 1 und 2 sind gemeinsam an den mittleren Anzapfpunkt 55 der Sekundärwicklung 52 des Anzapftransformators 5 angeschlossen. Die Sendesignale pflanzen sich.in den inneren Leitern 12 und 22 entlang den Koaxialkabeln 1 und 2 mit geringem Verlust fort und induzieren AbIeitungsströme auf den äußeren Oberflächen der Geflechtslagen der äußeren Leiter 11 und 21, wie dies auch normalerweise bei Sendesystemen derrFall ist, die mit mit Ableitung behafteten Koaxialkabeln arbeiten. - Im vorliegenden Falle heben sich diese Ströme jedoch gegenseitig auf und dämpfen infolgedessen die in den inneren Leitern geführten und durch die neutralisierten Außenleiter hindurchtretenden Sendesignale weniger als normalerweise.

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Die auf diese- Weise von der Trägerleitung abgestrahlten Signale werden von den beweglichen-Sende- und Empfangsstationen 6 aufgefangen. In entgegengesetzter Richtung induzieren die von den beweglichen Sende- und Empfangsstationen 6 abgestrahlten Sendesignale abgeglichene Ströme in den beiden äußeren Leitern 11 und 21· der Koaxialkabel 1 und 2, die anschließend, wie bei der normalen Übertragung über Koaxialkabel, in den Koaxialkabeln 1 und 2 weltergeleitet werden und mit geringem Verlust die feststehende Sende- und Empfangsstation ¹^ erreichen, die nunmehr als Empfänger arbeitet.

In Fig. 2, auf die nunmehr bezug genommen wird, ist der Anzapftransformator 5 des ersten Ausführungsbeispieles fortgelassen worden und das Koaxialkabel 2 länger als das Koaxialkabel 1 ausgebildet worden. Der Verlängerungsabschnitt ist mit L bezeichnet und ist so bemessen, daß der in das Koaxialkabel 2 eingespeiste Strom gegenüber dem in das Koaxialkabel 1 eingespeisten Strom infolge, einer Verzögerung eine Phasenumkehr erfährt. Die Länge des Verzögerungsabschnittes L entspricht in etwa einem ungeraden Vielfachen der halben Wellenlänge des verwendeten Sendesignales, wobei die genaue.?:Länge von den Geschwindigkeitsverhältnissen in den verwendeten Koaxialkabeln abhängt.

Die Funktion dieses Ausführungsbeispieles ist im wesentlichen die gleiche, wie beim vorangehenden Ausführungsbeispiel; dieses System kann jedoch nur auf eine bestimmte Sendefrequenz genau eingestellt werden, während das in Fig. 1 dargestellte Auführungsbeispiel bei allen gewählten' Frequen-zen richtig 'eingestellt bleibt·« '-'".'■' ^f ' -■ Λ ·· ■ ■ :.-.■.

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Die Koaxialkabel 1 und 2 können als gesonderte Kabel ausgeführt sein, die durch geeignete Mittel in der erforderlichen räumlichen Anordnung gehalten werden. Beispielsweise können elektrisch nichtleitende Distanzstücke verwendet werden, die an den Kabeln festgeklemmt oder anderweitig befestigt sind.

Alternativ kann ein speziell hergestelltes, zusammengefaßtes Kabel verwendet werden, das zwei normale KoaxialkaDel aufweist, die über ihre Länge mit einem fest zwischen ihnen angeordneten Abstandhalter versehen sind. Der fest, zwiscnen Innen angeordnete Abstandhalter kann ein.Steg aus isolierendem Abdeckmaterial sein, das gleichzeitig zur Ummantelung der beiden Koaxialkabel dient.

Die Erfindung ist hauptsächlich zur Verwendung in Tunneln oder in den Grubenbauen von untertägigen Bergwerken vorgesehen. Sie kann aber auch für überirdische Kommunikationssysteme verwendet werden, beispielsweise entlang von Autobahnen, an denen bewegliche Sende- und Empfangsstationen zum Herbeirufen von Rettungsdiensten oder der Polizei verwendet werden sollen.

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Patentansprüche:

Sendesystem mit einer langgestreckten Trägerleitung für die Sendesignale, die zugleich als Sendeantenne dient, insbesondere für den Bergbau oder den Tunnelbau, mit einem Koaxialkabel, das an eine als Sender dienende Energiequelle angeschlossen ist und einen in einem Dielektrikum eingebetteten inneren Leiter aufweist, der . , die Sendesignale führt und von einem unvollständig abschirmenden äußeren Leiter umgeben ist, wobei die von dem Koaxialkabel abgestrahlten Sendesignale von mindestens einer örtlichen Empfangsstation empfangen werden, die sich in unmittelbarer Nähe des Koaxialkabels befindet, gekennzeichnet durch zwei gleichartige Koaxialkabel (1,2), von denen jedes an die Energiequelle (H) angeschlossen ist und von dieser Energie bezieht, - wobei die Energie in einem Koaxialkabel (1) in Gegenphase zur Energie in dem anderen Koaxialkabel (2) liegt.
2. Sendesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeicnnet , daß die beiden Koaxialkabel (1,2) über einen wesentlichen Teil ihrer Länge parallel zueinander verlaufen.
3. Sendesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die beiden Koaxialkabel (1,2) durch

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einen Abstandhalter (3) aus dielektrischem Material in Abstand zueinander gehalten werden.
4·. Sendesystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Koaxialkabel (1,2) gemeinsam in einem Mantel aus dielektrischem Material angeordnet sind, der die beiden Koaxialkabel (1,2) parallel zueinander festhält.
5. Sendesystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - <4, dadu'r.ch gekennzeichnet, daß zwiscnen der Energiequelle (4) und den Koaxialkabeln (1,2) ein Transformator (5) angeordnet ist.
6. Sendesystem nach Anspruch 5,dadurch gekennzeichnet , daß die Sekundärwicklung (52) des Transformators (5) mit einem Ende (53) an den inneren Leiter (12) eines der Koaxialkabel , (-1) und mit dem anderen Ende (54) an den inneren Leiter (22) des anderen Koaxialkabels (2) angeschlossen ist, während eine Mittelanzapfung (53) der Wicklung (52) an die äußeren Leiter (11,21) der beiden Koaxialkabel (1,2) angeschlossen ist. .■ . .
7. Sendesystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet , daß in eines der Koaxialkabel (2) eine Verzögerungsvorrichtung eingebaut ist.
8. Sendesystem nach Anspruch 7,dadurch gekennzeichnet , daß die Verzögerungsvorrichtung einen zusätzlichen Kabelabschnitt (L) aufweist, dessen Länge

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einem ungeraden Vielfachen der halben Wellenlänge des von der Energiequelle (4) ausgesendeten Signals entspricht.

9. Sendesystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Koaxialkabel (1,2) an einem Widerstand (Rl) mit bestimmter Impedanz endet.
10. Sendesystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-9, gekennzeichnet durch einen am Ende der Koaxialkabel (1,2) angeordneten Widerstand (R2) von bestimmter Impedanz,der an den der Energiequelle (4) abgewandten Enden der Koaxialkabel (1,2) mit diesen verbunden ist.
11. Sendesystem nach einem oder mehreren der Ansprücne 1 - lo, dadurch gekennzeichnet, daß im . Bereich der Energiequelle (4) auch eine Empfangseinrichtung für Sendesignale angeordnet ist und daß die ortsveränderliche Empfangsstation (6) mit einem Sender versehen ist, der über die Koaxialkabel (1,2) Sendesignale an die Empfangseinrichtung an der Energiequelle (4) aussendet.

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