KR19980703719A - 교통 통신 시스템용 안테나 시스템 - Google Patents

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KR19980703719A
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알프레트 라우퍼
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카.마이어
지멘스슈바이츠악티엔게젤샤프트
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Abstract

안테나 시스템은 제1 송신기 또는 수신기 유니트(T/R)와 연결된 제 1 안테나(A1)를 포함하고, 적어도 값(fm)의 공진 주파수를 갖는다. 또, 상기 제1 안테나(A1)에 유도적 기계적으로 결합되고, 적어도 값(fm)의 공진 주파수를 갖는 제 2 안테나(T/R2)가 제공된다. 상기 제1 및 제2 안테나(A1,A2)는 추가의 안테나 시스템과의 결합을 위하여 사용되며, 상기 추가의 안테나 시스템은 적어도 값(fm)의 공진 주파수를 갖고, 데이터 송신 또는, 제1 송신기 또는 수신기 유니트(T/R1)로부터의 데이터 수신을 위하여 제공되는 제2 송신기 또는 수신기 유니트(T/R2)와 연결된 적어도 하나의 제 3 안테나(A3)를 포함한다. 상기 제1 또는 제2의 송신기 또는 수신기 유니트(T/R1,T/R2)에 대응하는 적어도 하나의 송신기 또는 수신기 유니트가 교통 경로의 섹션 포지션에 배치되며, 이러한 교통 경로 상부에서 이동하는 차량에 상기 하나의 송신기 또는 수신기 유니트에 대응하는 제2 또는 제1의 송신기 또는 수신기 유니트가 배치된다. 본 발명에 따른 안테나 시스템은 광대역 송신 채널의 생성을 허용하며, 이것은 작은 댐핑을 갖는다.

Description

교통 통신 시스템용 안테나 시스템
안테나는 기본적으로 4중극 변환의 타스크를 수행하며, 이는 안테나 리드의 파동 임피던스와 자유 공간의 파동 임피던스 사이에서의 적응을 야기하고, 안테나 리드를 통해 전자기파로 송신되는 전기 진동을 변환시킨다. 이러한 경우, 상기 안테나는 공진기로서 동작한다. 공진기로 동작하는 손실 없는 안테나의 등가 회로는 단지 방사선 저항만으로 구성된다. 씨알씨 프레스 사, 보카 레이튼, 에프엘의 전기 공학 편람 1993년 36.1장 864쪽의 씨 도르프에 따르면, 전기 및 자기 장(E, H)의 계산에 의해 결정되는, 2극 안테나에 대한 상기 방사선 저항은 근사적으로 73 오옴이다. 게다가, 다른 부분에서 2극 안테나의 유효 길이는 2극 안테나의 단부 용량(단부 부하)을 증가시키므로써 증가될 수 있다는 것이 개시되었다. 따라서 이러한 것에 의하여, 상대적으로 짧은 2극 안테나를 보다 큰 파장의 신호에 동조시키는 것이 가능해진다. 예를 들어 용량성 소자를 연결하므로써 유효 길이가 증가하는 안테나(A3)가 도 1에 도시되어 있다. 용량성 소자의 단자를 서로 연결하는 와이어는 이에 의해 유도성 소자로 동작하고, 개략적으로 코일(La3)로 식별된다. 상반되는 위상의 최대 전압이 상기 2극 안테나의 끝단(용량성 소자 영역)에서 발생하며, 유도 영역 또는 코일 (La3)내의 이러한 끝단 사이에서 최대 전류가 발생한다. 두 개의 송신기 스테이션 사이에서의 데이터 송신을 위하여, 그것들의 안테나는 예를 들어 자기장을 통하여 결합될 수 있다. 도 1에서, 상기 안테나(A3)는 동일한 종류의 안테나(A2)와 이러한 방법으로 결합된다. 따라서, 코일(La3)에서의 전류는 자기장을 발생시키게 되며, 상기 자기장에 의해 전류가 안테나(A2)의 코일(La2)내로 유도된다. 두 안테나(La2,La3) 사이의 거리는 바람직하게 송신되는 신호의 파장보다 작도록 선택된다. 전기장이 강한 댐핑 층을 통과하여야 한다면, 발생되는 손실이 이러한 방식에서는 방지된다.
안테나(A2, A3), 송신기에서의 전원 임피던스(Rq) 및 수신기에서의 균형 저항(R1)은 최대 신호 강도를 갖는 신호의 송신에 적당하게 매칭된다. 이러한 것 때문에, 고 전압 레벨의 신호를 상기 안테나(A2)로 송신하는 것이 가능하다. 그러나, 이러한 경우, 두 안테나(A2,A3)는 단지 협대역의 주파수 범위의 신호만이 통과되도록 허용하는 협대역 공진 회로로 동작한다. 그러나 증가된 양의 데이터가 송신되어질 정보 채널에 대해 종종 넓은 대역 폭이 요구된다. 예를 들어 공진 회로를 댐핑시키므로써, 그들이 대역폭이 증가될 수 있다. 그러나 이러한 것은 또한 송신 채널의 댐핑 동작에 영향을 미치므로, 송신 채널의 대역폭의 증가 때문에, 신호의 보다 큰 댐핑을 견디는 것이 필요하다. 대역폭이 송신 주파수 또는 공진 회로의 중심 주파수(fm)보다 크다면 이러한 댐핑은 대응하여 더 커진다. 30MHz의 중앙 주파수에서는 아마 1MHz의 대역폭은 여전히 충분하지만, 10 MHz 이하의 중앙 주파수를 사용한다면, 증가된 송신 손실의 발생 없이 구현하기 어렵다. 손실 발생을 보상하기 위하여, 유사하게 높은 송신 전력을 제공하는 것이 필요하다.
그러나, 접지-제한된 교통 공학적 통신 시스템과 특히 이동 통신 유니트를 사용으로, 허용 가능한 송신 출력이 제한된다. 게다가 이러한 시스템은 장차 증가된 대역폭 요구를 갖게 될 것이 가정되어야 한다.
본 발명은 제1 송신기 또는 수신기 유니트에 연결된 제1 안테나를 갖는 안테나 시스템에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따라, 제 1 안테나와, 제 3 안테나가 결합되는 제 2 안테나로 구성되는 안테나 시스템.
도 2는 도 1에 도시된 안테나 시스템의 전기적 등가 회로도.
도 3은 서로 다른 것에 연결되지 않는 도 1에 도시된 안테나의 통과 대역 곡선.
도 4는 서로 결합된 제 1 및 제2 안테나에 의해 형성된 안테나 시스템의 통과 대역 곡선.
도 5는 서로 결합된 제1, 제2 및 제3 안테나에 의해 형성된 안테나 시스템의 통과 대역 곡선.
도 6 내지 도 8은 안테나로의 결합 가능성 도시.
도 9는 제 1 및 제2 안테나의 바람직한 배열.
도 10은 제 1 및 제2 안테나에 의해 형성된 안테나 시스템으로 제3 안테나의 결합 가능성 도시.
도 11은 본 발명에 따른 교통 공학에서의 안테나 시스템의 사용예.
도 12는 바람직한 방식으로 플레이트 상에 장착된 안테나의 예.
따라서, 본 발명의 목적은 큰 대역폭을 갖고, 단지 거의 신호 댐핑만을 갖지 않는 안테나 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적은 청구항 1의 전제부에 설명된 단계에 의해 달성된다. 본 발명에 관한 바람직한 실시예가 추가의 청구항 들에서 언급되었다.
교통 공학의 통신 시스템에서 사용될 때, 본 발명에 따른 안테나 시스템은 신뢰할 수 있는 증가된 양의 데이터 송신을 허용한다. 본 발명에 따른 안테나 시스템에 의해, 거의 댐핑을 갖지 않는, 광-대역 송신 채널을 생성하는 것이 가능하다. 문제점 없이 예를 들어 차량으로 설명이 가능하기 때문에, 상기 안테나 시스템은 비용 효율적인 방식으로 적은 경비를 사용하여 생산가능하며, 비교적 좁은 공간 내에서 구현될 수 있다.
게다가, 외부 신호에 비하여, 충분한 내부 간섭 배제 또는 높은 신호대 잡음비가 본 발명에 따른 안테나 시스템에 의해 달성된다. 다른 요소들 사이에서, 본 발명에 따른 결합 손실의 방지가 또한 교통 공학 통신 시스템의 원격-여기와의 연결에서 아주 중요하다. 이것은 신호를 송신 및 수신하기 위한 동작중 간단하게 배치되는 통신 유니트에서 특히 필수적이다.
추가의 송신 손실의 감소는 안테나 시스템의 안테나들이 자성 물질상에 배치되고, 금속 플레이트가 아래에 배치되는 식으로 달성된다. 맴돌이 전류는 이러한 것에 의해 감소되어, 안정적인 송신 조건이 달성되며, 이것은 안테나 시스템의 설치 위치에 대해 독립적이다.
본 발명은 도면을 참조로 하여 상세히 설명될 것이다.
도 1은 서로 결합된 두 개의 공진 회로 또는 안테나(A1,A2)에 의해 형성된 안테나 시스템을 도시하며, 이것은 코일(La1,La2)과, 코일과 연결된 용량성 소자(Ca1,Ca2)를 포함한다. 예를 들어 연장 와이어, 동축 와이어 또는 보드(PCB: Printed Circuit Board) 상에 프린팅된 금속 스트립에 의해 형성된 상기 코일(La1,La2)은 공통의 거리(d12)를 갖으며, 상기 거리에 의해 자기적 결합이 제공된다. 수신된 신호는 예를 들어 평행하게 위치된 금속 스트립에 의해 형성된 용량성 소자(Ca1)를 통해 최대 전압을 사용하여 포착될 수 있으며, 수신기 또는, 송신기 또는 수신기로서 사용되는 유니트(T/R1)로 인가될 수 있다. 두 안테나는 모두 협대역 대역폭을 사용하여, 앞서 설명된 제 3 안테나(La3)에 의해 송신되는 주파수(fm)의 신호에 동조된다. 동일한 주파수(fm)(송신된 신호의 중심 주파수)에 동조된 상기 안테나(A1,A2,A3)의 전형적인 통과 대역 곡선(kA1,A2,A3)이 도 3에 도시되어 있다. 상기 제3 안테나(A3)의 곡선(kA3)이 예를 들어 약간 더 큰 통과 대역 범위를 갖는 반면에, 상기 안테나(A1,A2)의 통과 대역 곡선(kA1,A2)은 서로 포개진다.
도 4는 서로 결합된 제 1 및 제2 안테나(A1,A2)가 두 개의 뚜렷한 공진 주파수(f1,f2)를 갖는 발진 시스템을 형성하며, 상기 주파수들이 서로 보다 작은 차이를 가질수록, 제 1 및 제2 안테나(A1,A2) 사이에서의 결합은 약해지게 된다. 상기 발진 시스템의 통과 대역 곡선(KA12)은 대역 통과 필터의 통과 곡선과 일치한다. 예를 들어 토이프너, 슈투트가르트, 1976년 제 4판 발행에 의해 출판되고, 도브린스키, 크라카우, 포겔에 의한, 공학용 물리의 5.1.8.2장 316,317 쪽의 도면 316.1에서 공지된, 결합된 발진 회로는 라디오 수신기의 입력 또는 중간 매개 주파수 단계에서 지금까지 사용된다.
제3 안테나(A3)를 상기 제 1 및 제 2 안테나(A1,A2)에 의해 형성된 상기 발진 시스템에 결합하므로써, 발진 가능하고 동일한 공진 주파수의 세 개의 개별적인 시스템을 포함한 시스템이 생성되며, 이것의 통과 대역 곡선(kAS123)은 근사적으로 사각형과 일치하고, 통과 대역 범위(약 15 db)에서 광대역 발진 회로의 통과 대역 곡선(kAO)과 비교하여 두드러지게 감소된 댐핑을 갖는다.
따라서, 결과적인 통과 대역 곡선(kAS123)은 각 시스템의 질과 공통 접속의 정도 또는 거리(d12,d23)의 선택에 의해 결정된다.
상기 안테나(A1,A2)에 의해 형성된 발진 시스템의 등가 회로도는, 공진 회로의 전원, 전원 임피던스(Rq), 밸러스트 저항(R1), 손실 저항(Ra1, Ra2, Ra3)을 사용하여 도 2에 도시된다. 가상의 등가 인덕턴스(La12,La23)가 또한 도시되며, 등가 인덕턴스는 선택된 결합에 기초한 계산에 의해 결정된다.
상기 안테나(A1,A2,A3)로 상기 송신기 또는 수신기 유니트(T/R1,T/R2), 또는 전류 발생용으로 사용된 정류기 유니트의 연결 가능성이 도 6 내지 도 8에 도시되었다. 도 6a는 코일(La3)의 픽업으로의 연결을 도시한다. 도 6b는 동축 케이블의 연결에 의한 실제적인 구현을 도시한다. 도 7a 및 도 7b에서는 용량성 소자(Ca3)가 송신기 또는 수신기 유니트(T/R1,T/R2) 뿐만 아니라 서로 연결된 각각의 용량성 소자에 의해 형성되는 것을 도시한다. 도 8a 및 도 8b에서는 결합 코일(KS)을 통하여 안테나(A1,A2,A3)로 송신기 또는 수신기 유니트(T/R1,T/R2)도 역시 트랜스-결합될 수 있다는 것을 도시한다.
도 6a에서, 용량성 소자(C)와 연결된 다이오드(D)는 통신 유니트의 전류 공급용 코일(La3)에 결합된다. 상기 다이오드(D)는 공급 전압(+UB)을 산출한다. 본 발명에 따른 결합 손실의 감소 때문에, 높은 공급 출력이 원격-여기 통신 유니트에서 사용 가능하다.
도 9에서, 제 1 및 제2 안테나(A1,A2)는 도 1에서 처럼 서로의 상부에 포개지지는 않았으나, 동일한 평면에 존재한다. 이것은, 송신기 또는 수신기 유니트(T/R)가 제공된 차량이 단지 미소한 접지 명확성을 가질 경우에 유용하다. 따라서, 그것에 연결된 안테나 시스템(AS12)과 함께 그리고 하나의 평면(도 2 참조)에 배열된 상기 송신기 또는 수신기(T/R)는 문제점 없이 설명될 수 있다. 그러나 도 9에 도시된 배열 뿐만 아니라 도 1에 도시된 배열에 있어서, 상기 제 1 및 제2 안테나(A1,A2)는 서로에 대하여 기계적으로 위치 고정되므로, 이러한 두 개의 안테나(A1,A2) 사이에 제공된 결합은 변화되지 않은 채 유지된다.
하나의 평면에 배치된 상기 안테나 시스템(AS12)으로의 결합 코일(KS3)을 통한 안테나(A3)의 결합은 도 10에서 도시된다. 안테나(A3)의 코일(La3)과 유도적으로 결합된 상기 결합 코일(KS3)이 도 6에 원칙적으로 도시된 바와 같이 안테나(A2) 코일(La2)의 픽업에 연결된다. 이것 때문에 상기 안테나 시스템(AS12)은 가능한 한 보다 유용하게 위치될 수 있다. 더욱, 상기 안테나 시스템(AS12)과 상기 안테나(A3) 사이에서 결합의 바람직한 정도를 보다 더 간단한 방법으로 설정하는 것이 가능하다.
예를 들어 요구되는 대역폭, 특히 라디오 및 TV 주파수의 범위가 항상 실용적으로 사용 가능하고, 충분한 송신 전력이 사용 가능하며, 상기 시스템의 안테나가 안정적으로 설치되기 때문에, 본 발명에 따른 안테나 시스템의 사용이 종종 라디오 기술에서 유용하게 사용될 수 없는 반면에, 또 대조적으로 본 발명에 따른 안테나 시스템의 사용에 의해 명백하게 교통 공학과 관련된 송신 시스템을 향상시키는 것이 가능하며, 이것은 장차 높은 데이터 율의 송신을 위해 제공되고, 상대적으로 낮은 송신 전력과 1 MHz에서 50MHz 까지의 낮은 주파수를 사용하여 동작된다.
이미 상술한 바와 같이. 본 발명에 따른 안테나 시스템의 사용은, 각 통신 유니트가 원격적으로 여기되어야 한다면, 특별한 장점을 산출한다. 따라서 결합 손실의 감소 때문에, 수신하는 끝단에서 더 높은 공급 출력이 사용가능하며, 또 송신 전력이 상당히 감소될 수 있다. 게다가 상기 유용한, 간섭의 신호들 레벨 사이의 거리는 본 발명에 따라 취해진 치수 때문에 유용하게 증가한다.
도 11은 서로에 이어 동작될 두 개의 레일(S1,S2) 쌍을 도시한다. 이동 송신기와 수신기 유니트(T/R2)가 제공된 트레인(ZK)은 상기 레일(S1) 상에서 동작한다.
상기 레일(S1,S2)상에서 동작하는 차량(ZK)을 사용하여 데이터 교환을 위해 사용되는 접지 제한된 송신기 또는 수신기 유니트(T/R2)가 상기 레일(S1,S2) 사이에 제공된다. 실질적인 적용에 있어서, 정보는 종종 접지-제한된 것으로부터 상기 이동 송신기 또는 수신기 유니트(T/R)에 송신된다. 그러나, 두 방향의 데이터 송신이 또한 가능하다. 각각 100Km/h 까지 속도 상승된 상태에서 차량이 움직이므로, 상기 접지 제한된 것과 이동 송신기 또는 수신기 유니트(T/R) 사이에서는 수 밀리 초의 단지 짧은 접속 시간이 발생된다. 더욱, 얼음과 눈 뿐 만 아니라 오염이 예상되어야 한다. 게다가, 단지 상대적으로 낮은 송신 전력을 갖는 시스템 만이 국가 면허 기관에 의해 인정된다.
수 MHz(단파 범위)의 범위에서 낮은 주파수에 의하여 바람직한 데이터를 송신하는 것을 가능하게 하기 위하여, 넓은 밴드 폭과 낮은 송신 전력을 사용하여, 송신기 또는 수신기 유니트(T/R1, T/R2)가 정보를 교환하는 접속 시간은 본 발명에 따른 치수 설정에 의해 증가된다. 이러한 목적으로 인해, 송신기 또는 수신기 유니트(T/R1,T/R2)는 더 이르게 접속될 수 있기 때문에, 본 발명에 따라 경로 감쇠가 감소된다.
도 12에서 도시된 치수는 특히 본 발명에 따른 안테나 시스템과의 연결에서 특별히 유용하게 사용될 수 있다. 설치되는 영역에서의 효과에 반해, 안테나(A)를 은폐시키기 위하여, 상기 안테나(A)는 전기적으로 도전된 플레이트(MP)상에 바람직하게 수 센티메타의 간격으로 배치된다. 그러나, 수신 도중 또는 자기장의 발생 도중 부가적 송신 손실을 발생시키는 맴돌이 전류가 이러한 플레이트(MP)내에서 발생된다. 따라서 본 발명에 따라, 이러한 송신 손실을 줄이기 위하여, 페라이트 소자(FE)가 상기 플레이트(MP)와 특히 안테나(A)의 유도 소자(L) 사이에 제공되며, 안테나는 힘(f12, f23)의 라인에 결속되므로, 맴돌이 전류가 상기 플레이트(MP)로 유입될 수 없다. 상기 페라이트 소자(FE)의 높이(a)가 유사하게 선택된다. 비-도전성 물질이 플레이트(MP)를 위해 사용된다면, 본 발명에 따른 이러한 치수 역시 유용하게 사용될 수 있다. 이러한 경우, 또한 상기 제1 및 제2 안테나(A1,A2)와 상기 제 3 안테나(A3) 사이에서의 결합을 증가시키는 것이 가능해 진다. 연구한다면, 그 내부에 많은 수의 페라이트 미립자가 동봉되어진 플라스틱으로 구성된 비-깨심성의 페라이트 소자(FE)가 바람직하게 사용된다.
이상에서는 본 발명의 양호한 일 실시예에 따라 본 발명이 설명되었지만, 첨부된 청구 범위에 의해 한정되는 바와 같은 본 발명의 사상을 일탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에게는 명백하다.

Claims (11)

  1. 제 1 송신기 또는 수신기 유니트(T/R)에 연결된 제 1 안테나(A1)를 포함하는 안테나 시스템에 있어서,
    상기 제1 안테나(A1)에 유도적 기계적으로 결합된 제 2 안테나(T/R2)가 제공되며,
    제1 송신기 또는 수신기 유니트(T/R1)로부터의 데이터 송신 또는 데이터 수신을 위하여 사용되는 제2 송신기 또는 수신기 유니트(T/R2)와 연결된 적어도 하나의 상기 제3 안테나(A3)를 포함하는 추가의 안테나 시스템과의 결합을 위하여 상기 제1 및 제2 안테나(A1,A2)가 사용되며,
    상기 제1, 제2 및 제3의 안테나(A1,A2,A3)는 적어도 값(fm)의 공진 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 안테나 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 또는 제2 안테나(A1,A2)는 유도적으로 제3 안테나에 결합되는 것을 특징으로 하는 안테나 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제1, 제2 또는 제3 안테나(A1,A2,A3)는 길게 연장된 전기적 전도체 모양인 유도 소자(La1,La2,La3)를 포함하며, 상기 유도 소자의 끝단은 용량성 소자(Ca1,Ca2,Ca3)에 연결된 것을 특징으로 하는 안테나 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 유도 소자(La1,La2,La3)와 상기 용량성 소자(Ca1,Ca2,Ca3)는 플레이트 상에 개별적으로 또는 병렬로 배치된 와이어, 동축 전도체 또는 금속 스트립으로 형성되는 것을 특징으로 하는 안테나 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제3 안테나(A3)는 결합 코일(KS3)을 통하여 상기 제1 또는 제2 안테나(A1,A2)에 연결되는 것을 특징으로 하는 안테나 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 안테나(A1,A2)의 상기 유도 소자(La1,La2)는 서로의 상부에 수직적으로 배치되거나, 또는 하나의 평면상에 수평적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 안테나 시스템.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유도 소자(La1,La2) 사이의 거리(d12,d23)는 상기 안테나(A1,A2,A3)로 형성된 발진 시스템의 통과 대역 곡선(kAS123)이 데이터 송신을 위하여 요구되는 대역폭을 갖는 방식으로 선택되는 것을 특징으로 하는 안테나 시스템.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 및 제2 안테나(A1,A2) 또는 제3 안테나(A3)는 더 큰 대역폭을 얻기 위하여, 적어도 하나의 추가 안테나와 결합되는 것을 특징으로 하는 안테나 시스템.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 또는 제2 송신기 또는 수신기 유니트(T/R1,T/R2)에 대응하는 적어도 하나의 송신기 또는 수신기 유니트가 교통 경로의 섹션 포지션에 배치되며,
    상기 하나의 송신기 및 수신기 유니트에 대응하는 제2 또는 제1 송신기 또는 수신기 유니트가 이러한 교통 경로 상부에서 이동하는 차량에 배치되는 것을 특징으로 하는 안테나 시스템.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 전기적으로 도전된 플레이트(MP)상에 제1, 제2 또는 제3 안테나(A1,A2,A3)의 상기 유도 소자(La1,La2,La3)가 배치되며,
    상기 유도 소자(La1,La2,La)와 상기 플레이트(MP) 사이에 페라이트 소자(FE)가 제공되는 것을 특징으로 하는 안테나 시스템.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 안테나(A1,A2,A3) 중 하나가 전류 공급을 위하여 사용되는 정류기 유니트(D,C)에 결합되는 것을 특징으로 하는 안테나 시스템.
KR1019970707119A 1995-04-12 1996-04-11 교통 통신 시스템용 안테나 시스템 KR19980703719A (ko)

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