Beschreibung
Anordnung zur Abstrahlung elektromagnetischer Wellen unter Verwendung eines Koaxialkabels
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Abstrahlung elektromagnetischer Wellen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
In Bereichen wie beispielsweise U-Bahnen, Tunnels oder auch Gebäuden ist im Allgemeinen eine Versorgung mit elektromagnetischen Wellen insbesondere für Frequenzen unterhalb des UKW (Ultra Kurz Welle) Bereichs nicht möglich, da diese durch das diese Bereiche umgebende Material abgeschirmt werden. Jedoch wäre eine Versorgung wünschenswert, beispielsweise um einen Autofahrer in einem Tunnel weiterhin mit einem Radioprogramm zu versorgen, oder auch um einen Mobilfunkbenutzer den Empfang im U-Bahnbereich zu ermöglichen.
Für die Versorgung mit elektromagnetischen Wellen in abge- schirmten Bereichen sind bereits folgende Systeme bekannt:
1. Repeater-Systeme
Bei sogenannten Repeater-Systemen werden mit Hilfe einer Empfangsantenne außerhalb eines abgeschirmten Raumes elektromag- netische Wellen einem Verstärker zugeführt und danach innerhalb der Abschirmung über eine weitere Antenne abgestrahlt. Dieser Sachverhalt ist in Figur 1 dargestellt, wobei auf das Beispiel des Autos in einem Tunnel zurückgegriffen wird.
Ein Nachteil dieses Verfahrens ist, dass aufgrund unterschiedlicher Entfernungen zum Repeater nicht in allen Bereichen des abgeschirmten Raumes ein gleichmäßiger Signalpegel zur Verfügung gestellt werden kann, insbesondere dann, wenn im Tunnel eine Krümmung des Streckenverlaufs vorliegt oder auch wenn in Bergwerken die Tunnels in mehreren Ebenen liegen.
2. Strahlende Hochfrequenzkabel
Strahlende Hochfrequenzkabel oder Strahlerkabel sind Koaxialkabel, die im äußeren Leiter mit gestanzten oder gefrästen Öffnungen versehen sind. Durch diese Öffnungen fließt ein be- stimmter Teil der Energie vom Kabelinneren nach außen, d.h. ein Teil des durch das Kabel geleiteten Signals einer bestimmten Frequenz, beispielsweise eines Hochfrequenzsignals, wird in das zu versorgende Umfeld abgestrahlt. Da die Abstrahlung über die gesamte Länge des Kabels erfolgt, ist auch die gleichmäßige Ausleuchtung eines größeren Bereichs mit e- lektromagnetischen Wellen möglich. Derartige Strahlerkabel, welche auch als Leck- oder Schlitzkabel bezeichnet werden, werden dazu beispielsweise an der Decke eines Tunnels über dessen gesamte Länge verlegt, wodurch die homogene Versorgung erreicht wird. Ein derartiges Strahlerkabel ist in Figur 2 zu sehen. Die Öffnungen, beispielsweise Schlitze sind in die Abschirmung des Kabels eingestanzt. Innen- und Außenleiter des Kabels sind über einen Lastwiderstand miteinander verbunden.
Es ist bekannt, dass Strahlerkabel eine untere Grenzfrequenz aufweisen, unterhalb derer eine Abstrahlung elektromagnetischer Wellen nicht möglich ist. Bei handelsüblichen Kabeln liegt diese Grenzfrequenz unterhalb des UKW-Rundfunkbandes und oberhalb des Kurzwellenbandes.
Der Nachteil bei den bisher bekannten Verfahren besteht also darin, dass weder eine räumlich gleichmäßige Ausbreitung in abgeschirmten Bereichen noch eine gleichmäßige Ausbreitung über das gesamte Frequenzband erzielt werden kann.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung anzugeben, mit der eine räumlich gleichmäßige Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen in einem abgeschirmten Bereich über einen weiten Frequenzbereich ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung gemäß den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen finden sich in den abhängigen Unteransprüchen.
Kern der Erfindung ist es, dass bei Frequenzen unterhalb der Grenzfrequenz eines Strahlerkabels eine Einspeisung des Signals in den Außenleiter oder Schirmmantel des Strahlerkabels erfolgt. Damit ist eine Abstrahlung elektromagnetischer Wellen ohne die Limitierung durch eine untere Grenzfrequenz mög- lieh.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand ausgewählter Beispiele näher erläutert, die teilweise auch in den Figuren dargestellt sind. Es zeigen:
Figur 1: ein Repeater-System gemäß dem Stand der Technik Figur 2: ein Strahlerkabel,
Figur 3 : eine beispielhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung mit einer Schaltungsanordnung und einem Strahlerkabel,
Figur 4 : den Signalverlauf für Frequenzen größer als die untere Grenzfrequenz des Strahlerkabels in der beispielhaften Ausgestaltung gemäß Figur 3, Figur 5 : den Signalverlauf für Frequenzen kleiner als die untere Grenzfrequenz des Strahlerkabels in der beispielhaften Ausgestaltung gemäß Figur 3 und Figur 6: eine beispielhafte Ausgestaltung, bei der das Strahlerkabel in einem unterhalb der unteren Grenzfre- quenz des Strahlerkabels liegenden Frequenzband resonant betrieben wird.
In Figur 3 ist eine beispielhafte Ausgestaltung der Erfindung zu sehen. Das gemäß Figur 2 ausgebildete Strahlerkabel 1, beispielsweise ein Koaxialkabel, weist einen Außenleiter 2 sowie einen Innenleiter 3 auf. An dem dem Einspeisepunkt E gegenüberliegenden Ende sind Innenleiter 3 und Außenleiter 2 über einen Lastwiderstand 4 bzw. RL verbunden. Über eine An-
passschaltung 7 wird ein elektromagnetisches Signal, beispielsweise ein Hochfrequenzsignal, entsprechend seiner Frequenz auf den Außenleiter 2 oder den Innenleiter 3 aufgeteilt. Die Anpassschaltung 7 kann auch in eine Trenneinrich- tung zum Auftrennen von Frequenzbereichen und eine Filtereinrichtung aufgeteilt sein.
Die Anpassschaltung 7 weist eine Tiefpassschaltung 5 und eine Hochpassschaltung 6 auf. Dabei ist die Tiefpassschaltung 5 mit dem Außenleiter 2 verbunden und die Hochpassschaltung 6 mit dem Innenleiter 3. Das am Einspeisepunkt P zugeführte e- lektromagnetische Signal weist sowohl Frequenzbestandteile oberhalb als auch unterhalb der unteren Grenzfrequenz fG des Strahlerkabels 1 auf. In der Anpassschaltung 7 wird nun durch den Tiefpass 5 der Bestandteil des Signals, welcher Frequenzen kleiner als die Grenzfrequenz fG aufweist auf den Außenleiter 2 des Strahlerkabels 1 geleitet. Der Anteil des Signals, welcher eine Frequenz oberhalb der Grenzfrequenz fG aufweist, wird über den Hochpass 6 auf den Innenleiter 3 des Strahlerkabels 1 geleitet.
Der Abschlusswiderstand oder Lastwiderstand 4 bzw. RL dient zur korrekten Anpassung des Strahlerkabels 1 an die Anpassschaltung 7 und an die hochfrequenzerzeugende Quelle. Der Lastwiderstand 4 entspricht dem realen Wert der Impedanz des Kabels. Er verhindert so Reflexionen und stehende Wellen, welche zu einer inhomogenen Feldstärke entlang des Kabels führen würden, die dann wieder eine inhomogene Abstrahlung bedingen würde .
Im Folgenden wird das Verhalten für Frequenzen oberhalb der gegebenen Grenzfrequenz fG des Strahlerkabels 1 als Modus 1 bezeichnet. Diese Frequenzen werden, wie bereits ausgeführt, über einen Hochpassfilter, der beispielsweise aus einer Kapazität Cl und einer in einem Querzweig eingeschalteten Induk- tivität Ll besteht aber auch komplexer aufgebaut sein kann, in den Mittelleiter oder Innenleiter 3 des Strahlerkabels 1 eingespeist. Durch die im Schirmmantel oder Außenleiter 2
vorhandenen Öffnungen wird ein Teil der Energie über die gesamte Länge des Kabels verteilt abgestrahlt. Eine Einspeisung des Signals in den Innenleiter 3 entspricht dem bestimmungsgemäßen Betrieb gemäß dem Stand der Technik. Neu ist, dass mittels der Anpassschaltung 7 das Signal in die Bestandteile oberhalb und unterhalb der unteren Grenzfrequenz fG des Strahlerkabels 1 aufgeteilt wird.
Der Weg des Signals ist in Figur 4 dargestellt. Das Signal wird über den Hochpass 6 in den Innenleiter 3 eingespeist und fließt am dem dem Einspeisepunkt P gegenüber liegenden Ende des Kabels gegen Masse.
Im Folgenden wird als Modus 2 der Modus der Frequenzen unter- halb der gegebenen Grenzfrequenz fG des Kabels bezeichnet. Diese Frequenzen werden über einen Tiefpass, welcher beispielsweise aus einer Induktivität L2 und einer im Querzweig angeordneten Kapazität C2 besteht, aber auch komplexer gebildet werden kann, in den Schirmmantel oder Außenleiter 2 des Strahlerkabels 1 eingespeist. Zur Rückführung des elektromagnetischen Signals dient hier, im Gegensatz zur Verfahrensweise nach Modus 1, der Mittelleiter oder Innenleiter 3 des Strahlerkabeis 1. Da die Wellen zunächst in den Außenleiter 2 eingespeist werden, gibt es beim Modus 2 anders als beim Mo- dus 1 bezüglich der Abstrahlung elektromagnetischer Wellen keine untere Grenzfrequenz . Dies liegt darin begründet, dass die elektromagnetische Energie sich bereits auf dem Außenleiter befindet, von wo aus sie ungehindert abstrahlen kann und nicht erst durch Öffnungen, beispielsweise Schlitze, im Au- ßenleiter 3 nach außen dringen muss.
Durch die Anpassschaltung 7 wird also das Nutzsignal in einen bezüglich der Grenzfrequenz fG ohen- und niederfrequenten Anteil aufgeteilt, welcher dann über die beschriebenen Modi abstrahlt wird.
Somit wird ein räumlich gleichmäßiges Abstrahlen der elektromagnetischen Energie auch für Frequenzen unterhalb der Grenzfrequenz fG des Strahlerkabels 1 ermöglicht. Insbesondere erlaubt dieses Verfahren, dass ohne Austausch oder Modifikation bereits vorhandene Strahlerkabel weiterhin benutzt werden können, indem die beschriebene Anpassschaltung 7 vorangestellt wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung w rd unterhalb der oben definierten Grenzfrequenz FG eine Erhöhung der abgestrahlten Leistung erreicht, indem der Außenmantel 3 des Strahlerkabels 1 resonant betrieben wird und so als "Langdrahtantenne" wirkt. Der Fußpunktwiderstand der Antenne ist stark frequenzabhängig. Über eine weitere Anpassschaltung am Einspeisepunkt des Kabels, beispielsweise einem sogenannten Collins-Filter, kann innerhalb einer bestimmten Bandbreite ein als Langdrahtantenne betriebener Strahler für die jeweilige Frequenz resonant gemacht werden. Mit einer Langdrahtantenne wird nicht nur ein Nahfeld in der Umgebung des Strahlerkabels 1 erzeugt, sondern auch ein Fernfeld, was die Ausbreitung der elektromagnetischen Strahlung auch über größere Distanzen erlaubt.
Um einen möglichst hohen Wirkungsgrad, das heißt eine ög- liehst gute Energieübertragung zu realisieren, kann am Ausgang des Strahlerkabels 1 ein zusätzliches Anpassnetzwerk 8 eingefügt werden. Eine optimale Energieübertragung wird erzielt, wenn die AusgangsImpedanz der Energiequelle gleich der Eingangsimpedanz des Anpassnetzwerkes 8 ist, diese wiederum gleich der Impedanz des Strahlerkabels 1 und dieses wiederum gleich dem reellen Abschlusswiderstand des Strahlerkabels 1.
Mit der Hilfe des Anpassnetzwerkes 8 an dem dem Einspeisepunkt P gegenüberliegenden Ende kann simultan ein bestim- mungsgemäßer Betrieb des Kabels oberhalb der Grenzfrequenz sowie der oben beschriebene Betrieb zur Abstrahlung eines Fernfeldes unterhalb der Grenzfrequenz fg realisiert werden.
Dieses Anpassnetzwerk umfasst beispielsweise einen am Innenleiter 3 des Strahlerkabels angeschlossenen Lastwiderstand 9 mit einem vom Wellenwiderstand des Strahlerkabels 1 abweichenden Widerstandswert, eine dazu in Serie geschaltete In- duktivität L3 sowie eine dazwischen im Querzweig angeordnete Kapazität C3.
In einer weiteren Ausgestaltung kann mit Hilfe eines in geeigneter Weise modifizierten Anpassnetzwerks 8 eine Mischform bezüglich der Abstrahlmodi unterhalb der Grenzfrequenz erzeugt werden. Hierzu wird am gegenüberliegenden Ende des Einspeisepunktes in gezielter Weise ein sogenannter Fehlab- schluss herbeigeführt. Ein Fehlabschluss entsteht beispielsweise durch einen Abschluss des Strahlerkabels mit einem Wi- derstandswert, welcher ungleich dem Wellenwiderstand des Kabels ist. Auf dem Schirmmantel des Kabels bilden sich auf diese Weise sogenannte Mantelwellen aus.
Dies lässt sich folgendermaßen erklären: Das Strahlerkabel kann schematische als eine Parallelschaltung einer Induktivi- tat und einer Kapazität, welche in Serie geschaltet ist mit einem ohmschen Widerstand, dargestellt werden. Für Frequenzen oberhalb der Grenzfrequenz fg ist nun der induktive Widerstand sehr viel größer als der kapazitive Widerstand. Damit ergibt sich als wirksame Impedanz in etwa ein Ohm' scher Widerstand, wodurch der Abschlusswiderstand ange- passt ist.
Für Frequenzen unterhalb der Grenzfrequenz fg wird, da nun der kapazitive Widerstand viel größer als der induktive ist, die wirksame Impedanz im Wesentlichen vom induktiven Anteil bestimmt. Es ergibt sich eine Fehlanpassung, was zur Ausbildung von Mantelwellen führt.
Eine erfindungsgemäße Anordnung lässt sich beispielsweise im Rahmen der zukünftigen Digitalisierung der alten AM- Rundfunkbereiche, welche aufgrund ihrer hohe Reichweite funktechnisch interessant sind, verwenden. Die Bereitstellung dieser Frequenzbereiche in abgeschirmten Räumen ist mittels
einer erfindungsgemäßen Anordnung möglich. Dies ist insbesondere von Wichtigkeit, da wegen der relativ großen Wellenlängen im AM-Rundfunkbereich bereits Gebäude mit relativ großen Öffnungen abschirmend wirken, wenn dessen Strukturen elekt- risch leitfähig sind.
Weiterhin können auf derartige Strahlerkabel außer den sogenannten AM-Frequenzbereichen eine Vielzahl von Funkdiensten wie beispielsweise GSM (global System for mobile communicati- on) , UMTS (universal mobile telecommunications System) oder auch Funkdienste wie der CB- oder KW-Amateurfunk über entsprechende Koppelnetzwerke simultan aufgeschaltet werden. Auch bei Kurzwellenempfängern oder bei DAB-Systemen (digital audio broadcast) können erfindungsgemäße Umsetzungen Anwen- düng finden.
Bezugszeichenliste
1 Strahlerkabel
2 Außenleiter
3 Innenleiter
4 Lastwiderstand 5 Tiefpass
6 Hochpass Anpassschaltung Anpassnetzwerk Lastwiderstand