DE4331171A1 - Abstrahlendes koaxiales Hochfrequenzkabel - Google Patents

Abstrahlendes koaxiales Hochfrequenzkabel

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    • H01Q13/20Non-resonant leaky-waveguide or transmission-line antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/203Leaky coaxial lines

Description

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einem abstrahlenden koaxialen Hochfrequenzkabel mit Öffnungen im Außenleiter, die als im wesentlichen senkrecht zur Kabelachse angeordnete Schlitze ausgebildet sind.

Kabel der gattungsgemäßen Art sind hinlänglich bekannt, wegen der durch die Schlitze im Außenleiter nach außen dringenden elektromagnetischen Energie wirken sie praktisch als Antennen, die eine Kommunikation zwischen beweglichen Empfängern und ortsgebundenem Sender ermöglichen. Betrachtet man die Schlitzkonfiguration über die gesamte Kabellänge, dann handelt es sich praktisch um eine Reihe hintereinander geschalteter Antennen, die ein Strahlungsfeld in der Umgebung des Kabels bewirken. Wie bereits bekannt (DE-OS 41 06 890) ergibt sich jedoch längs des Kabels aufgrund der natürlichen Kabeldämpfung und der Abstrahlung eine Intensitätsabnahme der abgestrahlten Leistung über die Kabellänge. In der Praxis bedeutet dies, daß die Systemdämpfung etwa zwischen einem Fahrzeug und dem abstrahlenden Kabel vom Einspeisepunkt der Hochfrequenzenergie in das Kabel entlang der Kabellänge zunimmt. Um nun sicherzustellen, daß die Empfangsfeldstärke beim mobilen Teilnehmer zumindest in etwa konstant gehalten wird, sieht das bekannte abstrahlende Hochfrequenzkabel eine Kompensation des Einflusses der Leitungsdämpfung durch eine spezielle Schlitzkonfiguration vor. Danach nimmt die Anzahl der Schlitze pro Periodenlänge längs des Kabels nach einer geeigneten Regel zu. Diese Maßnahme führt, wie ebenfalls bereits bekannt ("Leaky coaxial cable with length independent antenna receiving level" in International Wire & Cable Symposium Proceedings 1992, Seiten 748-756) zu einer besonders vorteilhaften Ausführungsform für Übertragungsfrequenzen bis über 900 MHz. Da die gattungsgemäßen Kabel im wesentlichen in Tunnelstrecken eingesetzt werden, um eine Nachrichtenübermittlung zum durchlaufenden Verkehr bzw. von diesem nach draußen zu ermöglichen, kommt es darauf an, daß die Schlitzkonfiguration im Außenleiter des koaxialen Hochfrequenzkabels eine Kompensation des Einflusses der Leitungsdämpfung für eine möglichst lange Strecke bewirkt.

Neuere Techniken im Tunnelbau haben jedoch dazu geführt, daß die durch ein abstrahlendes koaxiales Hochfrequenzkabel zu überbrückende Strecke Ausmaße annimmt, die ohne weiteres mit den bekannten Konstruktionen nicht überbrückt werden können. Denn um die wegen der zunehmenden Abstrahlung über die Kabellänge erhöhte Leitungsdämpfung zu kompensieren und damit einen im wesentlichen konstanten Signalpegel längs des Kabels zu erzeugen, wären Schlitzkonfigurationen im Außenleiter notwendig, die schon rein räumlich dort nicht mehr untergebracht werden können. So ist am viel gelochten Ende eine Erhöhung der Schlitzzahl pro Länge aus Platzgründen nicht möglich, am wenig gelochten Ende ist der eine Schlitz pro Periodenlänge nötig, um den "Takt" auf dem Kabel überhaupt zu erzeugen, so daß hier nicht weiter "ausgedünnt" werden kann.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung deshalb die Aufgabe zugrunde, auch bei über heute möglichen Kabellängen von 800 m Länge hinaus die Summe aus Kopplungs- und Leitungsdämpfung auf einem niedrigen, weitgehend konstanten Niveau zu halten. Dies kommt einer Maximierung der Kabellänge gleich.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß längs des Kabels Abschnitte mit periodisch sich wiederholender Schlitzkonfiguration vorgesehen sind, die sich bei gleichbleibender Schlitzzahl pro Periodenlänge in der Periodenlänge und/oder bei gleichbleibender Periodenlänge in der Schlitzzahl pro Periodenlänge unterscheiden. So ausgebildete abstrahlende Hochfrequenzkabel können eine Länge von mehr als 1000 m bei Betriebsfrequenzen von z. B. 900 bis 960 MHz aufweisen.

Die erfindungsgemäßen Schritte führen neben der Steigerung der Reichweite der Datenübertragung gleichzeitig zur Verminderung der Signalvariationen sowie zu einer Verminderung der Signaldynamik am mobilen Teilnehmer bzw. Sender. Die Erhöhung der maximalen Länge des abstrahlenden Hochfrequenzkabel mit kompensierter Leitungsdämpfung führt zu erhöhter Flexibilität in der Abstimmung der jeweiligen Eigenschaften des Übertragungssystems. Es werden zudem weniger Speisepunkte und Verstärker längs der Kabelstrecke benötigt, das führt u. a. zur Kostensenkung, vereinfachten Wartung und erhöhten Zuverlässigkeit. Damit ergeben sich wesentliche Vorteile in der Nachrichtenübermittlung durch Funk in Gebieten mit ungünstigen Ausbreitungsbedingungen, beispielsweise längs der erwähnten Tunnelstrecken, aber auch in Parkhäusern, Flughafengebäuden, Hochhäusern usw.

Unterscheiden sich, wie nach der Erfindung vorgesehen, die Abschnitte bei gleichbleibender Schlitzzahl in der Periodenlänge längs des Kabels, dann wird man vorteilhaft so vorgehen, daß die Periodenlänge vom Speisepunkt des Kabels aus gesehen längs des Kabels abnimmt. Bei einem Übergang z. B. von einer 20 cm-1-Loch-Konfiguration auf eine anschließende 17 cm-1-Loch-Konfiguration konnte beispielsweise eine Erhöhung der Abstrahlung um ca. 10 dB erreicht werden. Dieses Beispiel zeigt bereits die mit der Erfindung gegebenen Möglichkeiten der Variation hinsichtlich Reichweite, Balance und Abstrahlungsstärke der koaxialen abstrahlenden Hochfrequenzkabel. Weitere vorteilhafte Möglichkeiten ergeben sich dann, wenn die Periodenlänge längs des Kabels in mehreren Schritten abnimmt. Die Flexibilität der Anpassung an die geforderte Reichweite und an die Übertragungseigenschaften läßt sich ferner dadurch erreichen, daß mit abnehmender Periodenlänge längs des Kabels die Anzahl der Schlitze zunimmt.

Weitere Variationen in der Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung mit Rücksicht auf eine benötigte Kabellänge sowie minimale Systemdämpfungen über diese Kabelstrecke ergeben sich dadurch, daß längs des Kabels Abschnitte mit gleichbleibender Schlitzzahl bei unterschiedlicher Periodenlänge und Abschnitte mit gleichbleibender Periodenlänge bei unterschiedlicher Schlitzzahl einander abwechseln. So können vorteilhaft an periodisch wiederkehrende Abschnitte abnehmender Periodenlänge mit gleichbleibender Schlitzzahl Abschnitte gleichbleibender Periodenlänge mit wachsender Schlitzzahl sich anschließen, denen zum Kabelende wiederum Abschnitte abnehmender Periodenlänge mit gleichbleibender Schlitzzahl folgen.

Bekannte Kabelkonstruktionen gattungsgemäßer Ausführungsformen weisen z. B. einen Innenleiter, eine diesen umschließende Kunststoffisolierung sowie ein den darüber angeordneten Außenleiter auf, der eine bestimmte Verteilung an Öffnungen zum Austritt der Strahlungsenergie vorsieht. Darüber aufgebracht ist dann ein Kunststoffaußenmantel (GB 20 62 359 A). Eine hiervon abweichende bekannte Ausführungsform (GB 21 27 621 A) sieht über der extrudierten Isolierung des Innenleiters eine Bandbewicklung vor, die in zwei Lagen aufgebracht ist, wobei die Windungen jeder Lage mit Lücke aufgebracht sind, so daß durchgehende Öffnungen gebildet werden, durch die die elektromagnetische Energie nach außen treten kann. Da diese Konstruktionen abgesehen von der gewählten Konfiguration der Öffnungen im Außenleiter den heutigen Anforderungen hinsichtlich niedriger Dielektrizitätskonstanten, Biegungseigenschaften, Längswasserdichtigkeit usw. nicht mehr genügen, besteht in Weiterführung der Erfindung das abstrahlende Hochfrequenzkabel aus einem konzentrisch zum Innenleiter angeordneten und durch Abstandshalter zum Innenleiter in seiner Lage gehaltenen Kunststoffrohr, das den bandförmigen, Schlitze aufweisenden Außenleiter trägt. Eine solche Konstruktion, bei der als Abstandshalter z. B. auf den Innenleiter aufgespritzte Scheiben verwendet werden, über die dann ein dünnes Kunststoffrohr extrudiert ist, bildet in Kabellängsrichtung hintereinander angeordnete in sich geschlossene Luftkammern, die mit zu den guten elektrischen und mechanischen Eigenschaften eines erfindungsgemäßen Kabels beitragen. Der Außenleiter des abstrahlenden Kabels besteht aus einem Kupferband, das auf die Isolierung des Innenleiters, in Durchführung der Erfindung vorteilhaft ein über einen ringförmigen Abstandshalter gespritztes Kunststoffrohr, aufgebracht ist. Beim Aufbringen des Außenleiters enthält das Band bereits die für diesen bestimmten Kabeltyp benötigte Schlitzkonfiguration, das Band wird längseinlaufend um das Kunststoffrohr herumgelegt, vorteilhaft so weit, daß die Bandkanten einander überlappen, so daß auch bei starken Biegungen des Kabels durch Auseinanderklappen der Bandkanten keine Beschädigung entsteht. Aus diesem Grunde kann man auch dazu übergehen, die einander überlappenden Bandkanten mechanisch miteinander, etwa durch Kleben oder Löten, zu verbinden.

Die Erfindung sei anhand der in den Fig. 1 bis 7 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Die Fig. 1 zeigt ein abstrahlendes koaxiales Hochfrequenzkabel, auch als Leckkabel bezeichnet, zur Datenübertragung zwischen stationären und mobilen Einheiten und umgekehrt, beispielsweise zur Anordnung in einem Bahntunnel. Ein solches Kabel besteht aus dem Innenleiter 1, beispielsweise in Form eines um einen Polyethylenstrang 2 herumgelegten Metallbandes, vorzugsweise aus Kupfer, sowie in Abständen auf dem Innenleiter 1 angeordneten Abstandshalterscheibe 3, über die eine rohrförmige Hülle 4 aus einem thermoplastischen Werkstoff, beispielsweise Polyethylen aufextrudiert ist. Bedingt durch diesen konstruktiven Aufbau werden luftgefüllte in sich geschlossene Kammern 5 gebildet, die gleichzeitig eine Längswasserdichtigkeit des Kabels gewährleisten. Darüberhinaus führt eine solche Konstruktion zu einer besonders niedrigen Dielektrizitätskonstanten, zu einer niedrigen Dämpfung in Längsrichtung sowie zu guten Biegeeigenschaften des Kabels. Der Außenleiter 6, im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein mit der entsprechenden Konfiguration der Schlitze 7 vorgestanztes Kupferband, ist längseinlaufend um die Isolierhülle 4 herumgelegt, so daß die Bandkanten einander überlappen, in ihrer überlappten Lage sind die Kanten beispielsweise durch Kleben, Löten oder Schweißen gehalten. Als äußerer mechanischer Schutz dient der Außenmantel 8 aus einem abriebfesten Kunststoff, gegebenenfalls auch in flammwidriger Ausführung.

In neuerer Zeit ist man immer mehr dazu übergegangen, in Energie- oder Übertragungssysteme optische Elemente zu integrieren. Das erfindungsgemäße Kabel bietet sich insofern an, als, wie dargestellt, im Innern des Kunststoffkernes 2 ein optisches Element, beispielsweise eine optische Fasern enthaltende Hohlader 9 angeordnet ist.

Zur Verdeutlichung der Erfindung zeigen die Fig. 2 und 3 die Dämpfungseigenschaften bekannter Kabelausführungen jeweils über die Kabellänge. Die Periodenlänge ist in beiden Fällen konstant.

Der Verlauf der Leitungsdämpfung αL bzw. der Kopplungsdämpfung αK in der Fig. 2 ist der eines sog. Standardkabels (S) mit gleicher Schlitzzahl und gleicher Periodenlänge. Wegen der stark zunehmenden Systemdämpfung vom Einspeisepunkt (SP) des Kabels aus gesehen sind mit diesem Kabel nur verhältnismäßig kurze Längen zu überbrücken.

Eine wesentliche Verbesserung zeigt demgegenüber das in der Fig. 3 charakterisierte sog. Vario-Kabel (V). Bei konstanter Periodenlänge P weist der Außenleiter dieses Kabels eine unterschiedliche Schlitzzahl pro Periodenlänge auf. Bei den dargestellten fünf Perioden weist der Außenleiter im ersten Abschnitt einen Schlitz auf, in den nachfolgenden Abschnitten folgen zwei, vier, acht und sechzehn Schlitze. Mit dieser Variation der Schlitzzahl wird die längs des Kabels zunehmende Dämpfung entsprechend der Sägezahn-Kurve immer wieder auf den ursprünglichen Wert angehoben, bei nur flach abfallender Systemdämpfung kann hierbei die Empfangsfeldstärke längs des Kabels in erster Näherung konstant gehalten werden.

Eine solche Ausführungsform ist Gegenstand der früheren Patentanmeldung DE-OS 41 06 890.

Da, wie eingangs ausgeführt, die mit den gattungsgemäßen Kabeln zu überbrückenden Strecken jedoch ständig länger werden, reicht die Maßnahme entsprechend der Fig. 3 nicht immer aus. Die Fig. 4 zeigt deshalb eine Ausführungsform der Erfindung als sog. Doppelvario-Kabel (DV) mit unterschiedlicher Schlitzzahl und unterschiedlicher Periodenlänge. Ausgehend von dem einspeiseseitigen Kabelende zeigen die einzelnen Abschnitte längs des Kabels in den ersten drei Abschnitten jeweils einen Schlitz, es folgen zwei, vier, acht und zweimal sechzehn Schlitze. Die Periodenlänge variiert hier ebenfalls mit P₁, P₂, P₃ und P₄. Diese beiden Maßnahmen, nämlich die Variation der jeweiligen Schlitzzahl und/oder die Variation der jeweiligen Periodenlänge, führen durch das immer wiederkehrende Zurückführen der Systemdämpfung auf den ursprünglichen Wert am eingangsseitigen Ende des Kabels zu dem in der Fig. 4 dargestellten besonders abgeflachten Verlauf der Dämpfung, und zwar über die bisher nur möglichen Kabellängen hinaus. Bei einer Betriebsfrequenz von 900 MHz beispielsweise und einer Gesamtkabellänge von 1024 m zeigt das erfindungsgemäße Kabel einen über die gesamte Kabellänge im wesentlichen gleichbleibenden Signalpegel.

Gemessen wurde der in der Fig. 4 im wesentlichen gleichbleibende Signalpegel an einem erfindungsgemäßen abstrahlenden koaxialen Hochfrequenzkabel der Bauart entsprechend der Fig. 1 mit der in der Fig. 5 z. B. schematisch dargestellten Schlitzkonfiguration. Am einspeiseseitigen Ende ist im ersten Abschnitt mit einer Periodenlänge von 23 cm ein Schlitz vorgesehen, es folgt ein Abschnitt mit einer Periodenlänge von 20 cm, der ebenfalls nur einen Schlitz aufweist, daran schließen sich Abschnitte mit einer gleichbleibenden Periodenlänge von 17 cm an, wobei die Anzahl der Schlitze beginnend mit 1 bis auf 16 Schlitze pro Abschnitt gesteigert wird. Schließlich folgt im Ausführungsbeispiel am Kabelende, ein Abschnitt mit einer Periodenlänge von 16,5 cm, der ebenso wie der vorangegangene Abschnitt mit einer Periodenlänge von 17 cm sechzehn Schlitze aufweist.

Dieses Ausführungsbeispiel macht deutlich, daß neben der bisher üblichen Variation der Schlitzzahl bei fester Periodenlänge auch die Variation der Periodenlänge bei fester Schlitzzahl zur Erzeugung unterschiedlicher Abstrahlungsstärken verwendet werden kann. Auf diese Weise ist es möglich geworden, auch bei größeren Kabellängen, die immer mehr für Tunnelstrecken eingesetzt werden, eine Kompensation des Einflusses der Leitungsdämpfung derart sicherzustellen, daß mit einem gleichbleibenden Signalpegel über die gesamte Strecke gerechnet werden kann.

Die Fig. 6 zeigt eine von der Schlitzkonfiguration nach der Fig. 5 abweichende Möglichkeit zur Kompensierung der Leitungsverluste auch über größere Längen, bei dem bei zunächst abnehmender Periodenlänge die Schlitzzahl konstant, dann die Periodenlänge konstant und die Schlitzzahl variiert wird. Dabei steigt in letzterem Fall zum Ende des Kabels hin die Schlitzzahl bis zu einer Schlitzzahl von 16 an, die dann beibehalten wird, wenn im letzten Abschnitt die Periodenlänge von 17 cm auf 16 cm verringert wird.

Das Ausführungsbeispiel nach der Fig. 7 schließlich zeigt eine Schlitzkonfiguration, bei der in den ersten Abschnitten zunächst die Schlitzzahl beibehalten und die Periodenlänge verringert wird und anschließend sich sowohl Schlitzzahl als auch Periodenlänge stetig, wenn auch im gegenläufigen Sinne ändern.

Dies ist eine andere Möglichkeit der Ausgestaltung der Erfindung. Dabei ist wesentlich, daß längs der Strecke sowohl die Schlitzzahl als auch die Periodenlänge der einzelnen Abschnitte verändert wird.

Claims (8)

1. Abstrahlendes koaxiales Hochfrequenzkabel mit Öffnungen im Außenleiter, die als im wesentlichen senkrecht zur Kabelachse angeordnete Schlitze ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß längs des Kabels Abschnitte mit periodisch sich wiederholender Schlitzkonfiguration vorgesehen sind, die sich bei gleichbleibender Schlitzzahl pro Periodenlänge in der Periodenlänge und/oder bei gleichbleibender Periodenlänge in der Schlitzzahl pro Periodenlänge unterscheiden.
2. Hochfrequenzkabel nach Anspruch 1, bei dem sich die Abschnitte bei gleichbleibender Schlitzzahl pro Periodenlänge in der Periodenlänge unterscheiden, dadurch gekennzeichnet, daß die Periodenlänge vom Speisepunkt des Kabels aus gesehen längs des Kabels abnimmt.
3. Hochfrequenzkabel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß die Periodenlänge längs des Kabels in gleichmäßigen Schritten abnimmt.
4. Hochfrequenzkabel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß mit abnehmender Periodenlänge die Anzahl der Schlitze zunimmt.
5. Hochfrequenzkabel nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet daß längs des Kabels Abschnitte mit gleichbleibender Schlitzzahl pro Periodenlänge bei unterschiedlicher Periodenlänge und gleichbleibender Periodenlänge bei unterschiedlicher Schlitzzahl pro Periodenlänge einander abwechseln.
6. Hochfrequenzkabel nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet daß sich vom Speisepunkt des Kabels aus gesehen an periodisch wiederkehrende Abschnitte abnehmender Periodenlänge mit gleichbleibender Schlitzzahl Abschnitte gleichbleibender Periodenlänge mit wachsender Schlitzzahl anschließen, denen zum Kabelende hin wieder Abschnitte abnehmender Periodenlänge mit gleichbleibender Schlitzzahl folgen.
7. Hochfrequenzkabel nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, gekennzeichnet durch ein konzentrisch zum Innenleiter angeordnetes und durch Abstandshalter zum Innenleiter in seiner Lage gehaltenes Kunststoffrohr, das den bandförmigen, Schlitze aufweisenden Außenleiter trägt.
8. Hochfrequenzkabel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet daß die Bandkanten des Außenleiters in Achsrichtung des Kabels verlaufen und einander überlappen.
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