RU198345U1 - Излучающий кабель для передачи радиочастотных электромагнитных сигналов - Google Patents

Abstract

Заявленная полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована в антенных системах или как распределенная антенно-фидерная система для беспроводного доступа к различным системам телекоммуникаций, позволяя решать задачи по созданию эффективной системы связи для объектов любой сложности архитектуры и внутреннего объема, одновременно обеспечив наиболее простым и наименее затратным способом уровни радиочастотных излучений по всему объекту значительно более низкие, чем действующие СанПиН, позволяя также упрощать монтаж и снижать его трудоемкость. Заявленные эффекты достигаются излучающим кабелем, состоящим из отрезка коаксиального кабеля, включающего внутренний проводник, окруженный диэлектрическим слоем, и внешний проводник, на котором устроены, по крайней мере, два излучающих элемента, выполненных в виде щелевых вырезов, в котором с одной стороны кабеля установлен высокочастотный разъем, причем на кабеле выполнены щелевые излучатели таким образом, что длина щели каждого щелевого полуволнового излучателя выбирается таким образом, чтобы обеспечить выполнение условия: излучающая способность каждого последующего по направлению к вводу радиочастотной энергии щелевого полуволнового излучателя должна быть меньше излучающей способности предыдущего щелевого полуволнового излучателя, причем уменьшение величины излучающей способности последующих щелевых полуволновых излучателей выбирается так, чтобы компенсировать потери радиоволны, связанные с поглощением в кабеле и излучением щелевыми полуволновыми излучателями по мере ее прохождения по длине кабеля от входного высокочастотного разъема и до концевого согласующего излучателя. 9 з.п. ф-лы.

Description

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована в антенных системах или как распределенная антенно-фидерная система для беспроводного доступа к различным системам телекоммуникаций.

Известно решение, описанное в патенте RU 2265923. Системы с применением такого решения сложны, ненадежны из-за наличия большого количества составных элементов, и предполагают хорошую эффективность только при монтаже и настройке излучающих элементов непосредственно на объекте после прокладки используемого коаксиального кабеля. При этом на объектах с высокой влажностью или агрессивной воздушной средой, в процессе монтажа и настройки излучающих элементов, возможна деградация характеристик коаксиального кабеля, вплоть до его полной неработоспособности. Затруднены монтаж, настройка и эксплуатация систем с применением такого решения в различных узких местах, ограничивающих доступ к кабелю или увеличивающих вероятность механического воздействия на него. Кроме того, при адаптации этого решения к области более высоких частот возникает необходимость в использовании коаксиальных кабелей существенно меньшего диаметра и настроечных элементов, размеры которых не превышают нескольких миллиметров, что значительно усложняет монтаж и ухудшает качество настройки системы, особенно в узких местах. Эта конструктивная особенность системы может привезти к значительному уменьшению эффективности ее функционирования в области высоких частот. В силу наличия выступающих элементов, скрытие такой системы требует не только высокой квалификации персонала при монтаже этой системы, но и дополнительных затрат, материалоемкости и, возможно, снижения объема помещения при ремонтных работах. И, что более невыполнимо, в помещениях, требующих соблюдения эстетического внешнего вида, требуется более высокая квалификация рабочих строительных специальностей, осуществляющих отделочные работы, т.к. без соблюдения всех этих критериев вероятность поломки и не эффективной работы такой системы чрезвычайно высока.

Известно решение, описанное в патенте US 5276413. В этом решении описаны распределенные по всей длине коаксиального кабеля большие массивы слабоизлучающих отверстий. Вследствие использования излучающих апертур, максимальные размеры которых выбираются заметно ниже, чем десятая часть длины радиоволн, для вех подобных далеких от резонанса излучающих структур характерна резкая убыль мощности радиочастотного излучения в направлениях перпендикулярных оси кабеля, и по этой причине область применения таких кабелей ограничена интервалами, от их оси, обычно не превышающими десятка метров (туннели, шахты и др. «узкости»). К тому же, для питания подобных кабелей требуются специализированные источники радиочастотной энергии, мощности которых могут превышать десятки Ватт. При этом в непосредственной близости от таких кабелей уровни излучаемой мощности могут превышать СанПиН. Подобные слабоизлучающие кабели практически не пригодны для совместного использования с распространенными недорогими Wi-Fi роутерами, усилителями сигналов GSM, UMTS, LTE, и др., выходная мощность которых, как правило, не превышает несколько десятков милливатт. В результате применение слабоизлучающих кабелей, наряду с их относительно высокой собственной ценой, является весьма дорогостоящим и ограничено их «узким» интервалом распространения сигнала.

Известно решение, описанное в патенте US 3781725, которому присущи недостатки решения US 5276413. В дополнение, применение, в целях увеличения излучающих способностей подобных кабелей, больших массивов слабоизлучающих отверстий, распределенных по всей длине коаксиального кабеля, приводят к появлению дополнительных «коллективных» свойств таких кабелей, ограничивающих их функции. Таких, в частности, как ухудшение стабильности связи в области низких частот между движущимися с заметной скоростью объектами (автомобили, поезда) и неподвижно расположенными рядом с маршрутами их движения базовыми станциями. В данном решении для устранения этого недостатка предлагается использовать дополнительные замедляющие структуры, в виде металлической проволоки, обвитой вокруг центрального проводника коаксиального кабеля, что дополнительно увеличивает стоимость таких кабелей.

Известно решение, описанное в патенте US 2756421. Применение этого решения ограничено подачей радиосигнала в свободное пространство, а также необходимостью такого расположения подобных точечных антенн, при котором ограничивается воздействие их излучения на находящихся рядом людей. В этой локальной антенне все излучающие полуволновые щели находятся в строгом резонансе с частотой излучаемого ими сигнала, вследствие чего питающая антенну радиочастотная мощность практически полностью излучается в окружающее пространство, что необходимо для обеспечения максимальной дальности действия антенн для радиомаяков. Такое решение обеспечивает генерацию узкополосного циркулярно-поляризованного радиосигнала, призванного уменьшить поглощение земной или водной поверхностью излучения радиомаяка. Это решение сложное, дорогостоящее и не предназначено для организации систем радиосвязи распространенных стандартов.

Известно решение по патенту US 5898350, в котором описаны различные виды слабоизлучающих коаксиальных кабелей, включающих корригированные, с дополнительной проводящей лентой, покрывающей внешний проводник, и огнезащитным покрытием, а также способы их промышленного производства, и все сказанное для решения US 5276413 справедливо и здесь.

Известно решение по патенту US 2007001788. В решении приводятся отличные от US 3781725 способы улучшения стабильности радиосвязи в различных диапазонах частот путем оптимизации параметров, периодически размещенных по длине слабоизлучающих кабелей, групп различных по форме малых излучающих апертур. Это решение осуществляется различным образом для каждого отдельного вида слабоизлучающих кабелей (с различным диаметром внешнего проводника, структуры размещенных на нем апертур и др.), а также используемой полосы радиочастот. Этому решению присущи все недостатки решения US 5276413, но оно еще больше удорожает применение подобных кабелей.

Известно решение, описанное в патенте US 5467066. В нем предлагается для увеличения максимальной длины слабоизлучающих кабелей, использующих в качестве излучателей периодически расположенные на их внешнем проводнике группы малых апертур, регулировать как количество апертур в этих группах, по длине кабеля, так и период их размещения, что, в свою очередь увеличивает их стоимость. Этому решению присущи те же ограничения и недостатки, что и US 5276413.

Заявленная полезная модель направлена на упрощение и удешевление системы передачи радиочастотных электрических сигналов, при одновременном соблюдении СанПиН и обеспечении приемлемо высокого уровня сигнала.

Заявленные результаты достигаются излучающим кабелем, состоящим из отрезка коаксиального кабеля, включающего внутренний проводник, окруженный диэлектрическим слоем, и внешний проводник, на котором устроены, по крайней мере, два излучающих элемента, выполненных в виде щелевых вырезов, в котором с одной стороны кабеля установлен высокочастотный разъем, соответствующий подключаемому активному оборудованию, на другом конце кабеля сформирован согласующий концевой четвертьволновый излучатель, выполненный в виде удаленного участка внешнего проводника кабеля длиной близкой к одной четверти длины волны середины рабочего диапазона частот, а на расстоянии равном одной длины радиоволны от указанного концевого согласующего четвертьволнового излучателя, выполнен первый щелевой полуволновой излучатель, в виде поперечного выреза, длина которого значительно больше, чем ширина, действующий в фазе с указанным концевым согласующим четвертьволновым излучателем, при этом указанный первый щелевой полуволновой излучатель и каждый последующий щелевой полуволновой излучатель в направлении к входному высокочастотному разъему, выполняемый также в виде поперечного выреза, длина которого значительно больше, чем ширина, расположен таким образом, что продольная ось щели не должна быть параллельна продольной оси кабеля, а длина щели каждого щелевого полуволнового излучателя выбирается таким образом, чтобы обеспечить выполнение условия: излучающая способность каждого последующего щелевого полуволнового излучателя должна быть меньше излучающей способности предыдущего щелевого полуволнового излучателя, причем уменьшение величины излучающей способности последующих щелевых полуволновых излучателей выбирается так, чтобы компенсировать потери радиоволны, связанные с поглощением в кабеле и излучением щелевыми полуволновыми излучателями, по мере ее прохождения по длине кабеля от входного высокочастотного разъема и до концевого согласующего излучателя.

Ширина щели щелевого полуволнового излучателя составляет 5-20% в сравнении с ее длиной и неизменна для всех щелевых полуволновых излучателей.

Длина щели каждого щелевого полуволнового излучателя либо меньше длины условного резонансного полуволнового щелевого излучателя, соответствующего середине рабочего диапазона частот, либо больше его длины, и определяется из условия нахождения его собственной резонансной частоты в пределах «квазилинейно изменяющихся» частей резонансной зависимости условного резонансного излучателя, соответствуя «правой» (высокочастотной) или «левой» (низкочастотной) областям кривой резонанса.

Количество щелевых полуволновых излучателей ограничивается условием нахождения их собственных резонансных частот в пределах одной из двух «квазилинейно изменяющихся» частей резонансной зависимости условного полуволнового излучателя.

Максимальная удаленность расположения последнего щелевого полуволнового излучателя от первого зависит от максимально возможной длины используемого коаксиального кабеля и определена его потерями поглощения.

Наклон продольной оси щелевых полуволновых излучателей, по отношению к оси кабеля, может выполняться разным.

В зависимости от угла наклона продольной оси щелевых полуволновых излучателей изменяется длина их щелей.

Наклон продольной оси, по меньшей мере, одного щелевого полуволнового излучателя может быть направлен в другую сторону, чем наклон продольной оси соседнего щелевого полуволнового излучателя.

При удалении фрагментов внешнего проводника, в процессе формирования излучателей, сохраняется внутренняя изоляция.

Все участки кабеля, на которых удалена внешняя оболочка, герметично изолируются закрывающими такие участки отрезками материала, не ухудшающего излучающую способность излучателей.

Осуществляется заявленная полезная модель следующим образом.

Например, обследуют объект (под объектом в настоящей заявке понимаются здания, сооружения, туннели и другие рукотворные и природные объекты, имеющие элементы, выделяющие внутреннее пространство) установки антенно-фидерной системы, определяют места расположения подключаемого активного оборудования связи и полуволновых щелевых излучателей. Определяют трассу прокладки излучающего кабеля, в соответствии с которой определяются расстояния расположения излучателей на коаксиальном кабеле.

Затем на производственной площадке, на отрезке коаксиального кабеля определенных длины и типа для передачи радиочастотных электромагнитных сигналов с одной стороны излучающего кабеля, состоящего из отрезка коаксиального кабеля, включающего внутренний проводник, окруженный диэлектрическим слоем, и внешний проводник, на котором устроены, по крайней мере, два излучающих элемента, выполненных в виде щелевых вырезов, устанавливают высокочастотный разъем, соответствующий подключаемому активному оборудованию, на другом конце кабеля удаляют участок внешнего проводника кабеля длиной близкой к одной четверти длины волны середины рабочего диапазона частот, тем самым формируя согласующий концевой четвертьволновый излучатель. На расстоянии равном одной длины радиоволны от указанного концевого согласующего четвертьволнового излучателя, выполняют первый щелевой полуволновой излучатель, в виде поперечного выреза, длина которого значительно больше, чем ширина, действующий в фазе с указанным концевым согласующим четвертьволновым излучателем. При этом указанный первый щелевой полуволновой излучатель и каждый последующий щелевой полуволновой излучатель в направлении к входному высокочастотному разъему, выполняемый также в виде поперечного выреза, длина которого значительно больше, чем ширина, располагается таким образом, что продольная ось щели не должна быть параллельна продольной оси кабеля, а длина щели каждого щелевого полуволнового излучателя выбирается таким образом, чтобы обеспечить выполнение условия: излучающая способность каждого последующего щелевого полуволнового излучателя должна быть меньше излучающей способности предыдущего щелевого полуволнового излучателя, причем уменьшение величины излучающей способности последующих щелевых полуволновых излучателей выбирается так, чтобы компенсировать потери радиоволны, связанные с поглощением в кабеле и излучением щелевыми полуволновыми излучателями, по мере ее прохождения по длине кабеля от входного высокочастотного разъема и до концевого согласующего излучателя. При необходимости производится подстройка щелевых излучателей, обычно путем увеличения, или, реже, уменьшения их длины.

Такой кабель позволяет упростить и удешевить систему для передачи радиочастотных электромагнитных сигналов за счет того, что при создании антенно-фидерных систем могут применяться недорогие коммерческие коаксиальные кабели, на внешних проводниках которых устраивается небольшое количество эффективно излучающих щелей, при этом за счет равномерного распределения излучаемой радиочастотной мощности по всем щелям кабеля, а также оптимального выбора расположения излучающих щелей для каждого объекта, можно соблюдать СанПиН и сохранять приемлемо высокий уровень сигнала.

Ширина щели щелевого полуволнового излучателя составляет 5-20% в сравнении с ее длиной и выбирается неизменной для всех щелевых полуволновых излучателей на одном кабеле, что позволяет упростить процесс монтажа и настройки излучающего кабеля.

Длина щели каждого щелевого полуволнового излучателя кабеля выбирается либо меньше длины условного резонансного полуволнового щелевого излучателя, соответствующего середине рабочего диапазона частот, либо больше его длины, и определяется из условия нахождения его собственной резонансной частоты в пределах «квазилинейно изменяющихся» частей резонансной зависимости условного резонансного излучателя, соответствуя «правой» (высокочастотной) или «левой» (низкочастотной) областям кривой резонанса, что позволяет обеспечить необходимую эффективность излучения щелей кабеля поддерживая, при этом, приемлемо высокий уровень излучающего сигнала, не превышающего СанПиН.

Количество щелевых полуволновых излучателей ограничивается условием нахождения их собственных резонансных частот в пределах одной из двух «квазилинейно изменяющихся» частей резонансной зависимости условного полуволнового излучателя.

Максимальная удаленность расположения последнего щелевого полуволнового излучателя от первого зависит от максимально возможной длины используемого коаксиального кабеля и определяется его потерями поглощения.

Если наклон продольной оси щелевых полуволновых излучателей, по отношению к оси кабеля, выполнять разным, то такая возможность позволяет использовать при создании антенно-фидерных систем недорогие коммерческие коаксиальные кабели небольшого диаметра.

В зависимости от угла наклона продольной оси щелевых полуволновых излучателей изменяется длина их щелей, упрощая монтаж и настройку антенно-фидерных систем в зависимости от типа применяемых коммерческих коаксиальных кабелей.

Наклон продольной оси, по меньшей мере, одного щелевого полуволнового излучателя может быть направлен в другую сторону, чем наклон продольной оси соседнего щелевого полуволнового излучателя, что позволяет упростить таким способом создание различно ориентированного линейно поляризованного излучения в отдельных зонах объекта.

При удалении фрагментов внешнего проводника, в процессе формирования излучателей, сохраняют внутреннюю изоляцию, что упрощает сохранность механических и электрических характеристик применяемого коаксиального кабеля на приемлемом уровне.

Все участки кабеля, на которых удалена внешняя оболочка, герметично изолируются закрывающими такие участки отрезками материала, не ухудшающего излучающую способность излучателей, позволяя таким способом поддерживать не восприимчивость создаваемой антенно-фидерной системы к возможным неблагоприятным воздействиям агрессивной воздушной среды.

Затем на объекте производится монтаж готовой к использованию антенно-фидерной системы согласно согласованной трассе прокладки кабеля, подключение к излучающему кабелю штатного активного оборудования и устанавливается уровень его выходной мощности, минимально необходимый для обеспечения требуемого покрытия радиочастотным полем всего объекта.

К созданной пространственно-распределенной антенно-фидерной системе подключают указанное активное оборудование для организации работы различных систем подвижной радиосвязи. Подключаемое активное оборудование представляет собой Wi-Fi роутер или усилитель сигнала GSM, UMTS, LTE или приемо-передающее СВЧ-оборудование.

Claims (10)

1. Излучающий кабель, состоящий из отрезка коаксиального кабеля, включающего внутренний проводник, окруженный диэлектрическим слоем, и внешний проводник, на котором устроены, по крайней мере, два излучающих элемента, выполненных в виде щелевых вырезов, в котором с одной стороны кабеля установлен высокочастотный разъем, соответствующий подключаемому активному оборудованию, на другом конце кабеля сформирован согласующий концевой четвертьволновый излучатель, выполненный в виде удаленного участка внешнего проводника кабеля длиной, близкой к одной четверти длины волны середины рабочего диапазона частот, а на расстоянии, равном одной длины радиоволны от указанного концевого согласующего четвертьволнового излучателя, выполнен первый щелевой полуволновой излучатель в виде поперечного выреза, длина которого значительно больше, чем ширина, действующий в фазе с указанным концевым согласующим четвертьволновым излучателем, при этом указанный первый щелевой полуволновой излучатель и каждый последующий щелевой полуволновой излучатель в направлении к входному высокочастотному разъему, выполняемый также в виде поперечного выреза, длина которого значительно больше, чем ширина, расположен таким образом, что продольная ось щели не должна быть параллельна продольной оси кабеля, а длина щели каждого щелевого полуволнового излучателя выбирается таким образом, чтобы обеспечить выполнение условия: излучающая способность каждого последующего щелевого полуволнового излучателя должна быть меньше излучающей способности предыдущего щелевого полуволнового излучателя, причем уменьшение величины излучающей способности последующих щелевых полуволновых излучателей выбирается так, чтобы компенсировать потери радиоволны, связанные с поглощением в кабеле и излучением щелевыми полуволновыми излучателями, по мере ее прохождения по длине кабеля от входного высокочастотного разъема и до концевого согласующего излучателя.

2. Кабель по п. 1, отличающийся тем, что ширина щели щелевого полуволнового излучателя составляет 5-20% в сравнении с ее длиной и неизменна для всех щелевых полуволновых излучателей.

3. Кабель по п. 1, отличающийся тем, что длина щели каждого щелевого полуволнового излучателя либо меньше длины условного резонансного полуволнового щелевого излучателя, соответствующего середине рабочего диапазона частот, либо больше его длины, и определяется из условия нахождения его собственной резонансной частоты в пределах «квазилинейно изменяющихся» частей резонансной зависимости условного резонансного излучателя, соответствуя «правой» (высокочастотной) или «левой» (низкочастотной) области кривой резонанса.

4. Кабель по п. 1, отличающийся тем, что количество щелевых полуволновых излучателей ограничивается условием нахождения их собственных резонансных частот в пределах одной из двух «квазилинейно изменяющихся» частей резонансной зависимости условного полуволнового излучателя.

5. Кабель по п. 1, отличающийся тем, что максимальная удаленность расположения последнего щелевого полуволнового излучателя от первого зависит от максимально возможной длины используемого коаксиального кабеля и определена его потерями поглощения.

6. Кабель по п. 1, отличающийся тем, что наклон продольной оси щелевых полуволновых излучателей, по отношению к оси кабеля, выполняется разным.

7. Кабель по п. 1, отличающийся тем, что в зависимости от угла наклона продольной оси щелевых полуволновых излучателей изменяется длина их щелей.

8. Кабель по п. 1, отличающийся тем, что наклон продольной оси, по меньшей мере, одного щелевого полуволнового излучателя направлен в другую сторону, чем наклон продольной оси соседнего щелевого полуволнового излучателя.

9. Кабель по п. 1, отличающийся тем, что при удалении фрагментов внешнего проводника, в процессе формирования излучателей, сохраняется внутренняя изоляция.

10. Кабель по п. 1, отличающийся тем, что все участки кабеля, на которых удалена внешняя оболочка, герметично изолируются закрывающими такие участки отрезками материала, не ухудшающего излучающую способность излучателей.