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Einrichtung zur Nachrichtenübertragung bei ortsveränder-
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lichen Objekten Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Nachrichtenübertragung
bei ortsveränderlichen Objekten, die entlang einer vorgegebenen Bewegungsbahn geführt
werden, mit einer im wesentlichen parallel zur Bewegungsbahn verlaufenden Leiteranordnung
in der eine elektromagnetische Welle geführt ist und mit einem elektromagnetisch
an die'Leiteranordnung ankoppelnden am ortsveränderlichen Objekt angebrachten Koppelglied.
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Bei derartigen Nachrichtenübertragungssystemen ist es erforderlich,
laufend eine Reihe von Daten und Befehlen sowie Fernsehbilder von Streckenabschnitten
über grönere t.ntfernungen von ortsfesten Stationen zu schienengeführten, schnell
bewegten Fahrzeugen zu übertragen und umgekehrt. Zu diesem Zweck sind Übertragungsbandbrelten
von einigen MHz erforderlich.
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Zur Nachrichtenübertragung bei entlang einer Trasse bewegten Fahrzeugen
ist es bekannt, parallel zur Bewegungsbahn eine Leiteranordnung zu verlegen, über
die eine elektromagnetische Welle mit in Längsrichtung der Leiteranordnung periodisch
auftretenden Pegeländerungen abgestrahlt wird. Mit Hilfe einer elektromagnetisch
an die Leiteranordnunv3 ankoppelnden, am Fahrzeug angebrachten Koppel spule erfolgt
die Auskoppelung des zu übermittelnden Nachrichtensignals von der Leiteranordnung
zum Fahrzeug.
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Im Fahrzeug ist eine Datenverarbeitungs- und Steuereinrichtung angeordnet,
die die Geschwindigkeit des Fahrzeugs aus der Zählrate der von der Koppel spule
erfaßten Pegeländerungen ermittelt und entsprechend einer vorgegebenen Sollgeschwindigkeit
steuert.
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In der US-PS 3 327 i22 wird die Verwendung einer aus drei Leitern
bestehenden Spezialübertragungsleitung vorgeschlagen, bei der zwei Signalquellen
mit verschiedenen Frequenzen zur Abschnittskennzeichnung vorgesehen sind. Eine derartige
Anordnung eignet sich jedoch nicht zur Übertragung weiterer Informationen. Es müssen
weitere Kabel für Nachrichtenverbindungen parallel zur Spezialübertragungsleitung
verlegt werden, da diese nur für einen einzigen Zweck - der Steuerung von Fahrzeugen
- ausgenutzt werden kann.
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Aus der DT-AS 2 .29 091 ist ferner bekannt, als Leiteranordnung ein
Koaxialkabel mit einem geschlitzten Außenleiter zu yerwenden. Dabei sind benachbarte
Schlitze symmetrisch in bezug auf eine zwischen ihnen und senKrecht zur achse des
Koaxialkabels verlaufende lklittelebene angeordnet und die Erojektionen der Mittellinien
der Schlitze werden durch parallel zur Achse verlaufende Linien begrenzt. Eine Leiteranordnung
in Form eines Koaxialkabels mit geschlitztem Außenleiter, die auch unter dem begriff
"Leckkabel" oder" abstrahlende Hochfrequenzleitung" bekannt ist, ermöglicht zwar
eine zusätzliche Informationsübertragung auch über größere Entfernungen, doch ist
infolge des Heraustretens und der Abstrahlung eines Teils der im Koaxialkabel geführten
Energie durch die Schlitze im außenleiter die Kabeldämpfung sehr hoch. Sie beträgt
bei einer EetrieDsfrec,uenz von 100 MHz etwa 25 dB/kin und steigt bei 500 MHz auf
ungefähr 100 de/km an. Somit sind kurze verstärkerabstände erforderlich. Bei Übertragung
über größere Entfernuncen benötigt man daher eine Vielzahl von Verstärkern.
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Um die postalischen Störstrahlungsgrenzen einhalten zu können, dürfen
nur geringe Leistungen eingespeist werden, da sonst durch die Abstrahlung von H
H,chfrequenzenergie die übrigen Funkdienste gestört würden. Außerdem ist zu berücksichtigen,
daß zwischen dem mit einzelnen Schlitzen versehene Koaxialkabel und der Fahrzeugantenne
eine hohe Grunddämpfung besteht.
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Typische Koppeldämpfungen zwischen der Amplitude der im Koaxialkabel
geführten @dle und dem von der Fahrzeugantenne aufgenommenen Signal sind Werte von
60 dB bei 50 cn Abstand.
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Bei kleineren Abständen ist die Kopplungsdämpfuung nur unwesentlich
geringer. Eine Datenübertragung vom, Fahrzeug über das mit Schlitzen verschene Koaxialkabel
zur ortsfesten Station ist deshalb nicht möglich, weil nur ein sehr geringer Teil
der von der Sendeantenne am Fahrzeug abgestrahlten Energie vom geschlitzten Koaxialkabel
aufgenommen wird. Außerdem
würden bei Abstrahlung einer höheren
Leistung über die Sendeantenne am Fahrzeug die zulässigen Störstrahlungswerte weit
überschritten.
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Aus den gleichen Gründen wie oben kommt auch die Verwendung -eines
Koaxialkabels, dessen Außenleiter in axialer Richtung einen durchgehenden Schlitz
aufweist, für die NachrichtenUbertragung bei Schienenfahrzeugen nicht in Betracht.
Ein derartiges Koaxialkabel eignet sich nur für Fernsehübertragungen in Bahnhöfen,
in denen lediglich ein Fernsehbild des Bahnsteiges zum Fahrerstand übertragen wird
und kein Informationsfluß in umgekehrter Richtung erfolgt. Außerdem ist die Koppel
strecke zwischen dem Koaxialkabel und der Fahrzeugantenne auf die Länge des Bahnsteiges
beschränkt. Die Fernsehübertragungsanlage braucht erst beim Einfahren des Zuges
eingeschaltet zu werden. Ist der Zug in den Bahnhof eingefahren, so wird zumindest
ein großer Teil des geschlitzten Koaxialkabels durch die Länge des Zuges überdeckt,
wobei durch das Fahrgestell und die Räder eine gewisse Abschirmung erfolgt und dadurch
die Abstrahlung nach außen vermindert wird. Für eine Informationsübertragung in
beiden Richtungen und über große Entfernungen auf freier Strecke sind geschlitzte
Koaxialkabel wegen der Kabeldämpfung und der austretenden Störstrahlung sowie der
hohen Grunddämpfung zwischen Koaxialkabel und Fahrzeugantenne nicht geeignet. Insbesondere
bei hohen Trägerfrequenzen, die für Signale mit großer Bandbreite verwendet werden
müssen, beschränkt die hohe Leitungsdämpfung die Maximallänge einer Leitung ohne
Zwischenverstärkung auf wenige hundert Meter, vgl. O.Breitenbach und G.Stitz, "Unterirdische
Funkübertragung mit abstrahlenden Hochfrequenzleitungen", Sonderdruck der Firma
Kabel und Metallwerke, Gute.Hoffnungshütte AG. Ferner ist noch zu berücksichtigen,
daß sich in der Umgebung eines geschlitzten Koaxialkabels infolge der Abstrahlung
durch Reflexion am Boden oder an Gegenständen Interferenzfelder ausbilden, wodurch
örtlich
starke Schwankungen der Feldverteilung entstehen. Schwankungen
von 30 dB sind übliche Werte. Bei der Übertragung von Sprache reicht die Redundanz
meist zur Verständigung aus, bei der Datenübertragung oder bei Fernsehsignalen sind
diese bei schneller Bewegung sehr kurzzeitigen Schwankungen nicht zulässig.
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Die in der Fernsehtechnik übliche hochfrequente drahtlose Sende-Empfangstechnik
scheidet für eine Nachrichtendbertragung bei Schienenfahrzeugen schon deshalb aus,
weil der benötigte breite Frequenzbereich von den zuständigen Behörden nicht zur
Verfugung gestellt werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Nachrichtenübertragung
bei Schienenfahrzeugen über große Entfernungen rnit einer tbertrac3ungsbandbreite
von einigen MHz anzugeben, die sowohl eine Informationsübertragung von der ortsfesten
Station zum Fahrzeug als auch in umgekehrter Richtung gestattet und keine Störstrahlung
abstrahlt, die andere Funkdienste und drahtlose Fernsteuerungen stört.
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Ausgehend von der eingangs beschriebenen Einrichtung zur Nachrichtenübertragung
bei Schienenfahrzeugen wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die
Leiteranordnung ein längsgeschlitzter, rechteckförmiger Hohlleiter ist, daß das
Koppelglied in den Längsschlitz des Hohlleiters eintaucht, und daß der Rand des
Längsschlitzes eine Aufbiegung aufweist.
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Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich afls den Unteransprüchen.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, daß das Wellenfeld
der HlO-Welle d¢ Rechteckhohlleiters nur innerhalb der Struktur geführt und durch
die Aufbiegung des ) wird
Randes des Längsschlitzes das Wellenfeld
im Längsschlitz "nach außen" exponentiell abklingt. Somit wird kein elektromagnetisches
Feld in den freien Raum abgestrahlt. Der Hohlleiter weist deshalb eine geringe Dämpfung
von ca. 5 - 6 dB/km auf. Damit sind verstärkerfreie Streckenlängen von 10 bis 20km
möglich. Die Fahrzeugantenne ist eng mit dem cllenfeld im Hohlleiter verkoppelt.
Dadurch ist es möglich, daß nahezu die gesamte im Hohlleiter geführte Leistung ausgekoppelt
wird und umgekehrt, ohne Abstrahlung in den freien Raum, Information vom Fahrzeug
in den Sellenleiter einoppelbar ist. Die erfindunc; sgemäße Einrichtung zur 4achrichtenü.bertragung
bei Schienenfahrzeugen weist somit einen guten Wirkungsgrad auf.
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Außerdem können gleichzeitig mehrere Informationen getrennt auf verschiedenen
Erägerfrequenzen unabhängig voneinander übertragen werden. Der Hehlleiter kann vorteilhaft
aus zwei Hälften zusammengestetzt wwerden, die sich infolge des stumpfen Winkels
leicht stapeln lassen und damit die Herstellung und die Lagerhaltung erl£ichtcrn.
Da die Trennfugen in der Längsebene an der dem schlitz gegenüberliegenden breitseite
des Hohlleiters verlaufen, fließt Jbcr die Trennfuge kein Querstrom und die Verschraubung
und Kontaktierung der beiden Hälften des Hohlleiters ist daher unkriLisch.
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Vier Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt
und werden im folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen: Fig. 1 ein erstes schematisches Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäßen Einrichten zur Nachrichtenübertragung mit einem rechteckförmigen,
$längsgeschlitzten Hohlleiter mit Aufbiegung,
Fig. 2 ein zweites
schematisches Ausführungsbeispiel der erfindungsgemänen Sinrichtung zur Nachrichtenübertragung
mit einem nahezu rechteckförmigen, längsgeschlitzten Hohlleiter mit Aufbiegung,
bei dem die Wände des Hohlleiters stumpfe Winkel zueinander bilden Fig. 3 ein drittes
schematisches Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung zur NachrichtenüLertragung
mit einem Hohlleiter nach Fig. 2, der teilweise mit einem Dielektrikum ausgeschäumt
ist und bei dem das Koppelglied von unten in den Längsschlitz eintaucht Fig. 4 ein
viertes schematisches Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen ,inrichtung zur
Nachrichtenübertragung mit einem Hohlleiter nach Fig. 2, in den ein mit einem Sperrtopf
versehenes Koppelglied eintaucht.
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In Fig. l ist schematisch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
ninrichtung zur Nachrichtenübertragung mit einem rechteckförmigen, längsgeschlitzten
Hohlleiter HL dar- ~ gestellt, der parallel zu einer vorgegebenen Bewegungsbahn
eines ortsveränderlichen Objektes verlegt ist. An einer Breitseite a erstreckt sich
über die gesamte Lunge des Hohlleiters HL ein Längsschlitz Schl, in den ein am bcweyten
Objekt angebrachtes Koppelglied in Form einer Antenne FA mit einer Zuleitung Z in
den Hohlleiter HL eintaucht. Entlang des L!ngsschlitzes Schl weist die ;wand des
Hohlleiters HL beidseitig eine Aufbiegung in Form eines Kragens K auf. Die Innenabmessungen
des Hohlleiters HL sind so gewählt, daß der lichte Abstand zwischen den beiden L-ngsseiten
b größer ist als die halbe Freiraumwellenlänge der im Hohlleiter geführten elektromagnetischen
Welle.
Somit ist im längsgeschlitzten Hohlleiter HL ein der H10-Welle im Rechteckhohlleiter
ähnliches ellenfeld ausbreitungsfähig. Die Richtung der elektrischen Feldstärke
der H10-Welle im Hohlleiter HL verläuft parallel zu den Wänden b und ist senkrecht
zu den Wänden a aerichtet.
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Sie erreicht in der Eintauchebene der Antenne FA ihren lsaxitalwert.
Das Wellenfeld im Hohlleiter HL weist im Gegensatz zum Feld eines geschlitzten Koaxialkabels
auch magnetische Längsfeldstärken auf. Alle Feldstärken klingen im Langsschlitz
Schl in Richtung nach außen exponentiell ab, und zwar je schneller desto enger der
Längsschlltz Schl und desto höher der Kragen K ist. Die Breite des Längsschlitzes
Schl beträgt ungefähr i/5 der breite der Wand a des Hohlleiters HL. Die Höhe des
Kragens K ist ungefähr reich der Breite des Längsschlitzes Schl. Bei dieser Dilnensionierung
ist die Dämpfung des geschlitzten Hohlleiters HL nahezu gleich derjenigen eines
ungeschlitzten Hohlleiters. Die abgesrahlte Leistung ist somit vernachlässigbar
klein.
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Durch das Eintauchen der Antenne FA in den Hohlleiter HL ist die Antenne
mit dem Feld der H10-Nelle fest verkoppelt. Die Krjppeldämpfung betrugt weniger
als 5 dB. Der Hohlleiter IlL besteht aus einem mechanisch stabilen Material und
seine Innenwände weisen eine ca. 50 pm starke Kupferschicht auf, um eine gute Leitfähigkeit
zu gewährleisten. Bei kürzeren Leitungslängen kann auch ein Hohlleiter HL aus Aluminium
oder verzinktem Eisenblech Verwendung finden. Während für einen kupferplattierten
Hohlleiter FIL bei einer Betriebsfrequenz von 1,5 GHz und Hohlleiterinnenabmessungen
von 20 cm x 15 cm typische Dämpfungswerte bei 5 dB/km liegen, betragen sie bei Hohlleitern
aus Aluminium oder verzinktem Eisenblech ca. 10 dB/km bei gleicher Betriebsfrequenz
und gleichen Abmessungen.
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Figur 2 zeigt ein zweites schematisches Ausführungsbeispiel der Erfindungsgemäßen
Einrichtung zur Nachrichtenübertragung mit einem nahezu rechteckförmigen, längsgeschlitzten
Hohlleiter
HL und einer Aufbiegung K, wobei die Ober- und Unterseiten
des liohlleiters HL einen stumpfen Winkel gegen die Seitenwände b einschließen.
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Ferner ist der Hohlleiter Hb aus zwei lidlften 1,2 zusammengesetzt.
Er ist dadurch einfacher herzustellen. Infolge der stumpfen Winkel können die beiden
Hälften leicht ineinandergelegt und gestapelt werden, wodurch die Lagerhcltung erleichtert
wird. Da die H ,O-Welle an der Trennfuge keine Querströme aufweist, können die beiden
Hälften 1,2 des Hohlleiters HL in einfacher Weise zusammengeklemmt, geschraubt oder
genietet werden. Durch den Schlitz Schl taucht die Antenne FA mit der Zuleitung
Z von oben in den Hohlleiter HL ein. Der Kragen K weist noch eine *) Umbiegung U
auf, die in einer Ebene parallel zur Breitseite des Hohl leiters HL verläuft.
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Figur 3 zeigt ein drittes schematisches Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Xinrichtun(j zur Nachrichtenübertragung mit einem Hohlleiter HL nach Fig. 2, bei
dem jedoch der Längsschlitz Schl auf der Unterseite des Hohlleiters angeordnet ist
und das Koppelglied - die am bewegten Objekt angebrachte Antenne 'A mit der Zuleitung
Z - von unten durch den Schlitz Schl in den Hohlleiter HL eintaucht. Wie aus Fig.
3 weiter zu entnehmen ist, wird der Längsschlitz Schl durch ein eingelegtes, U-formiges
Kunststoffprofil KP, das inden Hohlleiter HL hineinragt, abgeschlossen. Der verbleihende
Bereich B des Hohlleiters HL ist im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 mit einem Material
mit kleiner Dielektrizitätszahl und geringen Verlusten ausgeschäumt.
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Der Vorteil dieses Ausführungsbeispiels liegt darin, daß das eindringen
von Wasser, Schmutz und Fremdkörpern weitgehend vermieden wird. Durch die Ausschäumung
wird auch die mechanische Festigkeit erhöht. Der Hohlleiter HL kann aber selbstverständlich
auch ohne Dielektrikum betrieben werden.
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* )weitere
In Fig. 4 ist ein viertes Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Nachrichtenübertragung mit einem Hohlleiter
HL nach Fig. 2 dargestellt. Das Koppelglied FA ist im vierten Ausführungsbeispiel
als symmetrisch gespeiste Koppel schleife ausgebildet. Damit sich auf der Zuleitung
2 keine tiantelwellen ausbreiten können, weist der Außenleiter der Zuleitung 2 eine
Sperreinrichtung in Form eines Sperrtopfes ST auf.
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Das Koppelglied FA kann auch als Richtantenne zum Senden und Empfangen
in nur einer Richtung ausgebildet seih.
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Die erfindungsgemäße einrichtung zur Nachrichtenübertragung kann überall
dort eingesetzt werden, wo von einer ortsfesten Station Daten, Hernsehbilder oder
Befehle zu einem ortsveränderlichen Objekt, das sich entlang einer vorgegebenen
Bewegungsbahn bewegt, insbesondere bei Schirnenbahnen, Hochleistungsschnellbahnen,
Raketenschlitten, Fördereinrichtungen usw. und in umgekehrter Richtung übermittelt
werden müssen. Insbesondere bei Hochleistungssc11nellbahnen mit it.agnetkissen und
Antrieb durch Linearmotor bietet die Verwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung
zur Nachrichtenübertragung wesentliche Vorteile. Durch schnell wechselnde Magnetfelder
können in Zweidrahtleitungen, wie beispielsweise geschlitzten Koaxialkabeln, hohe
Störspannungen induziert werden, die in den Empfängern und Uinsetzern Störungen
bewirken. Bei der erfindungsgemäßen einrichtung zur Nach-Richtenübertragung daecn
stellt der Hohlleiter HL einen Hochpaß dar, der alle Signale unterhalb seiner in
GHz-Bereich liegenden kritischen Frequenz nicht weiterleitet.
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Die erfindungsgemaEe ninrichtung zur Nachrichtenäbertragung kann auch
zur Bestimmung des Standortes und für Geschwindigkeitsnessungen bei einen ortsveränderlichen
Objekt benutzt werden. Die Bestimmung des Standortes eines ortsveränderlichen
Objekts
erfolgt durch Abzählen.der durchfahrenen minima eines im Hohlleiter HL erzeugten
stehenden Wellenfeldes oder durch Laufzeitmessung mit Hilfe eines im ortsveränderlichen
Objekts eingebauten, dem Koppelglied FA nachgeschalteten Transponders. Geschwindigkeitsmessungen
erfolgen durch Bestimmung der Dopplerverschiebung der empfangenen Signale.
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Patentansprüche: