EP0502337B1

EP0502337B1 - Leaky high frequency cable

Info

Publication number: EP0502337B1
Application number: EP92102246A
Authority: EP
Inventors: Karl Schulze Dipl.-Ing. Buxloh
Original assignee: Kabel Rheydt AG; AEG Kabel AG
Current assignee: Kabel Rheydt AG
Priority date: 1991-03-05
Filing date: 1992-02-11
Publication date: 1995-01-25
Anticipated expiration: 2012-02-11
Also published as: EP0502337A1; DE4106890A1; US5276413A; JPH0645821A; ATE117840T1; DE59201244D1; CA2062245A1; FI920955A0; FI920955A; TR26740A; CA2062245C

Abstract

In a radiating radio-frequency cable having groups of openings in the outer conductor of a coaxial cable, which groups of openings have a periodic arrangement, it is provided that the number of openings per period length increases in sections along the cable, the sections being integer multiples of the period length.

Description

Die Erfindung betrifft ein strahlendes Hochfrequenzkabel nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein strahlendes Kabel oder Leckkabel ist ein Wellenleiter, welcher aus einem Koaxialkabel dadurch hergestellt wird, daß dessen Außenleiter eine periodische Folge von Öffnungen aufweist. Aus diesen Öffnungen dringen elektromagnetische Felder in den Außenraum des Kabels. Die abzustrahlende Leistung wird an einem Ende des Kabels zugeführt. Längs des Kabels ergibt sich aufgrund der natürlichen Kabeldämpfung und der Abstrahlung eine Intensitätsabnahme der abgestrahlten Leistung. In der Praxis bedeutet dies, daß die Summe aus Leitungs- und Kopplungsdämpfung zwischen einem Fahrzeug und dem strahlenden Wellenleiter mit dem Abstand des Fahrzeugs vom Einspeisepunkt der Hochfrequenzenergie zunimmt. Es wäre also erwünscht, die Energiekopplung längs des Wellenleiters oder Kabels so zu variieren, daß die Empfangsfeldstärke beim mobilen Teilnehmer konstant gehalten wird.The invention relates to a radiating high-frequency cable according to the preamble of claim 1. A radiating cable or leakage cable is a waveguide which is produced from a coaxial cable in that its outer conductor has a periodic sequence of openings. Electromagnetic fields penetrate into the outside of the cable from these openings. The power to be radiated is fed to one end of the cable. Along the cable there is a decrease in the intensity of the radiated power due to the natural cable attenuation and the radiation. In practice, this means that the sum of the line and coupling loss between a vehicle and the radiating waveguide increases with the distance of the vehicle from the point of entry of the radio frequency energy. It would therefore be desirable to vary the energy coupling along the waveguide or cable in such a way that the reception field strength in the mobile subscriber is kept constant.

Aus der europäischen Patentanmeldung EP 188 347 ist ein Leckkabel bekannt, bei dem der Außenleiter des Koaxialkabels aus Bändern besteht, welche den zentralen Leiter wendelförmig umgeben und sich so überlappen, daß rautenförmige Lücken entstehen. Diese Lücken werden am Ende des Kabels, d. h. mit wachsender Entfernung vom Einspeisepunkt immer größer, so daß auch mehr Energie abgestrahlt werden kann.A leakage cable is known from the European patent application EP 188 347, in which the outer conductor of the coaxial cable consists of tapes which helically surround the central conductor and overlap in such a way that diamond-shaped gaps are formed. These gaps are at the end of the cable, i.e. H. As the distance from the feed point increases, the distance increases so that more energy can be emitted.

Der Nachteil dieses Verfahrens besteht neben hohem Aufwand bei der Produktion darin, daß eine Vergrößerung der Öffnungen oder Löcher nur eine relativ geringe Erhöhung der Abstrahlung zur Folge hat. Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein strahlendes Hochfrequenzkabel anzugeben, bei dem die längs des Kabels auftretenden Verluste in möglichst einfacher Weise ausgeglichen werden, so daß die Empfangsfeldstärke längs des Kabels in erster Näherung konstant bleibt.The disadvantage of this method, in addition to high production effort, is that enlarging the openings or holes results in only a relatively small increase in the radiation. The invention is therefore based on the object Specify radiating high-frequency cable in which the losses occurring along the cable are compensated for in the simplest possible way, so that the reception field strength along the cable remains constant in the first approximation.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die in Kennzeichen des Anspruchs 1 erwähnten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.This object is achieved according to the invention by the features mentioned in the characterizing part of claim 1. Advantageous embodiments of the invention are contained in the subclaims.

Einsatzgebiete der Erfindung sind vor allem längere Tunnel, die mit Hilfe eines strahlenden Kabels mit hochfrequenter Strahlung versorgt werden sollen, um Nachrichten übermitteln zu können. Weitere Anwendungsfälle sind Straßen und Autobahnen, für welche eine Verkehrsleittechnik vorgesehen ist. Die erfindungsgemäße Lösung bezieht sich auf relativ schmalbandige Nachrichtenübertragung.Areas of application of the invention are above all longer tunnels which are to be supplied with high-frequency radiation with the aid of a radiating cable in order to be able to transmit messages. Other applications are roads and highways for which traffic control technology is provided. The solution according to the invention relates to relatively narrowband message transmission.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert; dabei zeigt

Figur 1: den Dämpfungsverlauf längs des Kabels,
Figur 2: die Anordnung der Öffnungen in den ersten Abschnitten und ein weiteres Beispiel einer Anordnung von Öffnungen im Periodizitätsintervall.

Embodiments of the invention are explained below with reference to the drawing; shows

Figure 1: the attenuation curve along the cable,
Figure 2: the arrangement of the openings in the first sections and another example of an arrangement of openings in the periodicity interval.

Im sogenannten D-Netz werden Frequenzen von 925 +/- 35 MHz benutzt. Ein einfaches strahlendes Kabel zur Übertragung dieses Bereiches besteht aus einem Koaxialkabel, in dessen Außenleiter alle fünfundzwanzig Zentimeter eine Öffnung angebracht ist. Man bekommt so eine nutzbare Bandbreite von 600-1.100 MHz.In the so-called D network, frequencies of 925 +/- 35 MHz are used. A simple radiating cable for the transmission of this area consists of a coaxial cable, in the outer conductor of which an opening is made every twenty-five centimeters. You get a usable bandwidth of 600-1,100 MHz.

Da besondere Maßnahmen zur Unterdrückung von Oberwellen nicht notwendig sind, erhält man für die Anordnung der Öffnungen Freiheiten in der Anordnung der Öffnungen pro Periodenlänge, welche hier zur Kompensation der Dämpfung ausgenutzt werden können. Ein handelsübliches Koaxialkabel (7/8 Zoll) hat zwischen 890 und 960 MHz eine Wellendämpfung von ca. 3,7 bis 3,9 dB/100 m. Man erhält aus diesem Koaxialkabel ein strahlendes Kabel oder Leckkabel, indem man beispielsweise gleichgroße Öffnungen im gleichen gegenseitigen Abstand von 25 cm anbringt. Die Abstrahlung eines derartigen Kabels nimmt vom Einspeisepunkt der HF-Energie aus gesehen längs des Kabels ab.Since special measures for suppressing harmonics are not necessary, the arrangement of the openings is given freedom in the arrangement of the openings per period length, which are used here to compensate for the damping can. A standard coaxial cable (7/8 inch) has a wave attenuation between 890 and 960 MHz of approx. 3.7 to 3.9 dB / 100 m. This coaxial cable is used to obtain a radiating cable or leakage cable, for example by making openings of the same size at the same mutual distance of 25 cm. The radiation of such a cable decreases along the cable as seen from the RF energy entry point.

Bei einem ungeschlitzten Koaxialkabel wäre die Koppeldämpfung "unendlich" groß, (da die am Kabel parallel entlanggeführte Antenne "nichts" empfangen Kann) die Wellendämpfung beträgt dabei ca. 3,7 dB/100 m. Bei einem Leckkabel mit einer Öffnung von 20×3 mm² pro Periodenlänge von ca. 25 cm beträgt die Koppeldämpfung zwischen Leckkabel und Mobil-Antenne in einigen Metern Abstand im Mittel etwa 95 dB, die Wellendämpfung 4,0 dB/100 m. Durch die lineare Zunahme der Wellendämpfung mit der Kabellänge bei konstanter Betriebsfrequenz ergibt sich, daß das Signal am Leckkabelende um die Wellendämpfung der Kabellänge bezogen auf das Signal abgeschwächt ist. Dies bezieht sich auf das Signal nahe dem Einspeisepunkt, wo noch fast keine Wellendämpfung auftritt.In the case of an unslit coaxial cable, the coupling attenuation would be "infinitely" large (since the antenna running parallel to the cable could receive "nothing") and the wave attenuation would be approximately 3.7 dB / 100 m. In the case of a leak cable with an opening of 20 × 3 mm² per period length of approx. 25 cm, the coupling attenuation between the leak cable and the mobile antenna a few meters away averages around 95 dB, the wave attenuation is 4.0 dB / 100 m. The linear increase in the wave attenuation with the cable length at a constant operating frequency means that the signal at the end of the leakage cable is weakened by the wave attenuation of the cable length in relation to the signal. This refers to the signal near the entry point, where almost no wave attenuation occurs.

Diese Abnahme der Abstrahlleistung soll nun so ausgeglichen werden, daß der sog. Systemwert als Summe aus Kopplungs- und Wellendämpfung über der Leckkabellänge möglichst konstant ist. Dies kann mit zunehmender Kabellänge durch sukzessive Erhöhung der Abstrahlung erreicht werden. Diese Erhöhung der Abstrahlung erhöht ihrerseits wieder die Wellendämpfung, sodaß die Maßnahmen zur Kompensation gegen Ende des Kabels immer aufwendiger werden, d. h. daß hier die Zahl der Öffnungen sehr stark zunimmt.This decrease in the radiation power should now be compensated so that the so-called system value as the sum of coupling and wave attenuation is as constant as possible over the length of the leakage cable. This can be achieved with increasing cable length by successively increasing the radiation. This increase in radiation in turn increases the wave damping, so that the measures for compensation towards the end of the cable are becoming more and more complex, i. H. that here the number of openings increases very sharply.

Um die günstigsten Anordnungen der Öffnungen zu erhalten, geht man von einer Öffnung pro Periodenlänge aus und erhöht deren Anzahl auf das Doppelte, sobald die Leitungsdämpfung um einen aus Messungen ermittelten Wert, beispielsweise 5,6 dB zugenommen hat. Aus der Theorie und den anschließenden Messungen wurde ermittelt, daß die Zunahme der Abstrahlung bei Verdoppelung der Zahl der Öffnungen pro Längeneinheit nicht ganz den Faktor 2 bzw. 6 dB erreicht, sondern nur ca. 5,6 dB. Dieser Wert ist ein Mittelwert aus Meßdaten im D-Netz bei einer Frequenz von 890 bis 960 MHz. Diese Verhältnisse sind in der Figur 1 an einem 560 m langen Koaxialkabel beispielhaft dargestellt. Die Gerade A stellt die Leitungsdämpfung des Kabels ohne Öffnungen dar, während die Kurve B die Leitungsdämpfung (theoretisch) mit Öffnungen zeigt, jeweils in Abhängigkeit von der Entfernung vom Einspeisepunkt des Signals im Kabelanfang aufgetragen. Im unteren Teil der Figur 1 ist dann die Summe aus Kopplungs- und Leitungsdämpfung dargestellt. Die Kurve B fällt durch die zusätzlichen Abstrahlverluste stärker ab. Der Wert von ca. 3,7 dB/100 m bei 900 MHz Betriebsfrequenz erhöht sich durch die Abstrahlung etwa um ca. 0,35 dB/100 m, bei einer Anordnung von einer Öffnung pro 25 cm. Die Leitungsdämpfung beträgt somit ca. 4,05 dB/100 m.In order to obtain the most favorable arrangement of the openings, one assumes one opening per period length and its number is doubled as soon as the line attenuation has increased by a value determined from measurements, for example 5.6 dB. From the theory and the subsequent measurements, it was determined that the increase in radiation when the number of Openings per unit length did not quite reach the factor 2 or 6 dB, but only approx. 5.6 dB. This value is an average of measurement data in the D network at a frequency of 890 to 960 MHz. These relationships are exemplified in Figure 1 on a 560 m long coaxial cable. Line A represents the line loss of the cable without openings, while curve B shows the line loss (theoretically) with openings, depending on the distance from the entry point of the signal at the beginning of the cable. The sum of coupling and line attenuation is then shown in the lower part of FIG. 1. Curve B drops more due to the additional radiation losses. The value of approx. 3.7 dB / 100 m at an operating frequency of 900 MHz increases due to the radiation by approx. 0.35 dB / 100 m, with an arrangement of one opening per 25 cm. The line attenuation is therefore approx. 4.05 dB / 100 m.

Wenn man also die Leitungsdämpfung durch z.B. eine Verdoppelung der Zahl der Öffnungen kompensieren will, benötigt man diese Konfiguration erst ab einer Kabellänge von mehr als 130 m. Diese Erhöhung der Zahl der Öffnungen hebt den Systemwert als Summe aus Kopplungs- und Leitungsdämpfung auf den alten Wert von z.B. 90 dB an, wie aus der Kurve C hervorgeht. Ab da fällt dann gemäß Kurve B die Leitungsdämpfung etwas stärker ab. Durch die doppelte Zahl von Öffnungen vergrößert sich auch die Dämpfung durch Abstrahlungsverluste von ca. 0,35 dB/100 m auf ca. 0,7 dB/100 m. Nach etwa 130 m mißt man längs des Kabels wieder einen so starken Dämpfungsabfall, daß bald wieder eine Verdoppelung der Zahl der Öffnungen vonnöten ist, um den alten Systemwert von ca. 90 dB zu erhalten. Im dritten Abschnitt hat man also 4 Öffnungen pro Periodenlänge und im vierten Abschnitt deren 8. Die Dämpfungsverluste werden dadurch immer wieder ausgeglichen, wie aus Kurve C hervorgeht. Die Längen der Abschnitte nehmen wegen der immer stärker werdenden Strahlungsverluste ab. Dies zeigt die Kurve B, welche sich am Ende immer stärker nach unten neigt.So if you want to compensate the line loss by doubling the number of openings, you only need this configuration if the cable length is more than 130 m. This increase in the number of openings raises the system value as the sum of coupling and line attenuation to the old value of, for example, 90 dB, as can be seen from curve C. From there, the line attenuation then drops somewhat more, according to curve B. Due to the double number of openings, the attenuation due to radiation losses increases from approx. 0.35 dB / 100 m to approx. 0.7 dB / 100 m. After about 130 m, the attenuation drop along the cable is so strong that it will soon be necessary to double the number of openings in order to maintain the old system value of approx. 90 dB. In the third section you have 4 openings per period length and in the fourth section 8. The damping losses are always compensated for as shown in curve C. The lengths of the sections decrease due to the increasing radiation losses. This shows curve B, which in the end slopes down more and more.

Die folgende Tabelle zeigt an einem Beispiel für etwa 900 MHz, wie die Länge der einzelnen Abschnitte von der Zahl der Öffnungen abhängt.

The following table shows an example for about 900 MHz, how the length of the individual sections depends on the number of openings.

Die Länge der Abschnitte errechnet sich in erster Näherung aus: $L(m) = 100 . \frac{Strahlungsverstärkung (dB)}{Dämpfung (dB/100 m)}$

The length of the sections is calculated as a first approximation:

L (m) = 100. \frac{Radiation gain (dB)}{Attenuation (dB / 100 m)}

Dies wurde durch Messungen im wesentlichen bestätigt. Die Messungen zeigen Signalschwankungen mit einer Standardabweichung von +/- 5 dB. Die Strahlungsverstärkung beträgt jeweils ca. 5,6 dB, die Dämpfung ca. 3,7 + 2^n-1 0,35 dB/100 m.This was essentially confirmed by measurements. The measurements show signal fluctuations with a standard deviation of +/- 5 dB. The radiation gain is approx. 5.6 dB, the attenuation approx. 3.7 + 2 ^n-1 0.35 dB / 100 m.

Bei Messungen hat sich gezeigt, daß die Längen der einzelnen Abschnitte relativ gut geschätzt waren. Der erste Abschnitt kann bei dem hier zu übertragenden Frequenzband auch etwas länger sein, bevor eine Verdoppelung oder anderweitige Vergrößerung der Zahl der Öffnungen notwendig ist.Measurements have shown that the lengths of the individual sections were estimated relatively well. In the frequency band to be transmitted here, the first section can also be somewhat longer before a doubling or other increase in the number of openings is necessary.

Der zweite und die weiteren Öffnungen, welche in jedem neuen Abschnitt hinzugefügt werden, dürfen nicht in der Mitte zwischen den bereits bestehenden Öffnungen angebracht werden, damit nicht die Periodenlänge halbiert und infolgedessen erst ab der doppelten Frequenz 2f_o abgestrahlt wird. Die Lage ist ansonsten nicht festgelegt. Man bringt jeweils soviel Öffnungen mehr an, wie für Kompensation nötig sind.The second and further openings, which are added in each new section, must not be made in the middle between the already existing openings, so not the period length is halved and as a result is only emitted from twice the frequency 2f _o . The location is otherwise not fixed. You add as many openings as are necessary for compensation.

Es können natürlich auch andere Frequenzbänder übertragen werden, wobei die Periodenlänge P so gewählt wird, daß sie der unteren Grenzfequenz f_o des übertragenen Frequenzbandes angepaßt ist. Außer der Verdoppelung der Zahl der Öffnungen können auch andere Algorithmen zur Vermehrung ihrer Anzahl verwendet werden; statt des Faktors 2 beispielsweise eine Vermehrung jeweils um den Faktor 3. Die Verdoppelung der Zahl der Öffnungen ist zunächst sehr einfach auszuführen und der damit erzielte Ausgleich der Dämpfung für die praktische Anwendung ausreichend.Other frequency bands can of course also be transmitted, the period length P being selected such that it is adapted to the lower limit frequency f _{o of} the transmitted frequency band. In addition to doubling the number of openings, other algorithms can be used to increase their number; instead of factor 2, for example, an increase by a factor of 3. The doubling of the number of openings is initially very easy to carry out and the damping compensation thus achieved is sufficient for practical use.

In Figur 2 sind beispielsweise die Muster der Öffnungen in verschiedenen Abschnitten einander gegenübergestellt.In Figure 2, for example, the patterns of the openings in different sections are juxtaposed.

In Figur 3 sind 16 Öffnungen pro Periode vorhanden. Diese relativ unregelmäßige Anordnung von 16 Öffnungen ist für den 5. Abschnitt vorgesehen. Dabei ist darauf zu achten, daß eine Folge von Öffnungen mit der halben Periodenlänge vermieden wird.In Figure 3 there are 16 openings per period. This relatively irregular arrangement of 16 openings is intended for the 5th section. It is important to ensure that a sequence of openings with half the period length is avoided.

Die Öffnungen sind in der Regel wesentlich schmaler als hoch und senkrecht zur Achse des Kabels längs einer Mantellinie angeordnet. Die Herstellung der Öffnungen geschieht vorzugsweise durch Stanzen des Außenleiters, der dann um die Anordnung des Innenleiter-Dielektrikums zylindrisch herumgeformt und verschweißt oder überlappend geklebt wird.The openings are generally much narrower than high and perpendicular to the axis of the cable along a surface line. The openings are preferably produced by punching the outer conductor, which is then cylindrically shaped around the arrangement of the inner conductor dielectric and welded or glued overlapping.

Selbstverständlich ist es auch möglich, zwei verschiedene Anordnungen von Öffnungen - eine auf der Vorder-, die andere auf der Rückseite des Kabels - vorzusehen. Durch Wahl entsprechender Periodenlängen lassen sich auf diese Weise unterschiedliche Frequenzbänder übertragen.Of course, it is also possible to provide two different arrangements of openings - one on the front and the other on the back of the cable. By choosing appropriate period lengths, different frequency bands can be transmitted in this way.

Alle vorstehenden Ausführungen gelten wegen des Reziprozitätstheorems analog auch bei Umkehrung der Übertragungseinrichtung. Das bedeutet: im Falle eines sendenden Mobilteilnehmers empfängt ein am entsprechend der Erfindung gestalteten Kabel angeschlossener Empfänger eine in erster Näherung gleichbleibende Intensität unabhängig von der Position des mobilen Senders.Because of the reciprocity theorem, all of the above statements apply analogously even when the transmission device is reversed. This means: in the case of a transmitting mobile subscriber, a receiver connected to the cable designed in accordance with the invention receives an intensity that remains the same, regardless of the position of the mobile transmitter.

Claims

Emitting radio-frequency cable having groups of openings in the outer conductor of a coaxial cable, which have a periodic arrangement, characterized in that the number of the openings per periodic length increases in sections along the cable, the sections being integral multiples of the periodic length.
Emitting radio-frequency cable according to Claim 1, characterized in that the decrease, caused by the line attenuation, in the emitted power with the distance of a mobile receiver from the point of injection of the RF energy into the transmitting cable is almost compensated by increasing the number of openings per periodic length along the cable.
Emitting radio-frequency cable according to Claim 1 or 2, characterized in that the number of the openings doubles section by section, so that in the n-th section of the cable the number of the openings per periodic length is 2^n-1, where n = 1, 2, 3, 4,....
Emitting radio-frequency cable according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the length of the n-th section is dimensioned such that in the event of a drop in the emitted power the emitted power is raised again to the value at the start of the n-th section by increasing the number of the openings per periodic length in the (n + 1)-th section.
Emitting radio-frequency cable according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the number of the openings per periodic length increases in sections along the cable by a specific number k(n) in each case.
Emitting radio-frequency cable according to one of Claims 1 to 5, characterized in that only one opening is provided per period on the first section of the cable.
Emitting radio-frequency cable according to one of Claims 1 to 6, characterized in that upon transition from one to a plurality of openings per periodic length the openings added per period are arranged between the previous openings in such a way that no new periodicity of the arrangement is produced.
Emitting radio-frequency cable according to one of Claims 1 to 7, characterized in that the openings have an elongated shape.
Emitting radio-frequency cable according to one of Claims 1 to 8, characterized in that with respect to their greatest extent the openings are arranged at right angles to the cable axis.
Emitting radio-frequency cable according to one of Claims 1 to 9, characterized in that all the openings have the same shape.
Emitting radio-frequency cable according to one of Claims 1 to 10, characterized in that the areal extent of the openings also increases with their distance from the point of injection.
Emitting radio-frequency cable according to one of Claims 1 to 11, characterized in that two groups of openings which have different periodic lengths are provided on two different generatrices of the cable.
Emitting radio-frequency cable according to one of Claims 1 to 12, characterized in that in order to transmit a plurality of frequency bands a plurality of generatrices are also provided with openings which vary in their periodic lengths from generatrix to generatrix.