專利名稱：特別用于交通工程通信系統(tǒng)的天線系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及如權(quán)利要求1前序部分所述的天線系統(tǒng)。
天線的基本功能是實現(xiàn)四端網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換，使天線引線的波阻抗和大氣空間中的波阻抗相匹配，以及將通過天線引線發(fā)射的電振蕩信號轉(zhuǎn)換成電磁波。在這種情況下，天線的作用如同諧振器。在諧振狀態(tài)下運(yùn)行的無損耗發(fā)射天線的等效電路圖只包含本身的輻射電阻。根據(jù)C.Dorf在其1993年由CRC Press Inc.，Boca Raton，出版的“電工技術(shù)手冊”第36.1章第864頁的內(nèi)容可知，一個偶極天線的輻射電阻可通過計算其電場E和磁場H得出，其近似值為73歐姆。此外在該書還提及偶極天線的有效長度可借助偶極天線的終端電容(末端負(fù)載)而增加。因此，一較短的偶極天線可經(jīng)過調(diào)整適用于較長波長的信號。例如，如

圖1所示的天線A3，其有效長度通過連接一電容器Ca3得到增加。與電容器Ca3相連接的導(dǎo)線起一電感器的作用，在圖1中標(biāo)示為線圈La3。已知最大反相電壓發(fā)生在偶極天線的終端(電容性區(qū)域)，而在感性區(qū)域或線圈La3中最大電流則發(fā)生在這些終端之間。為了在兩個發(fā)射站之間發(fā)射數(shù)據(jù)，它們的天線是能相互耦合，例如，可通過磁場實現(xiàn)耦合。在圖1中，天線A3經(jīng)由此種方式與同型的天線A2耦合。所以，流經(jīng)線圈La3的電流產(chǎn)生磁場，借此磁場而在天線A2的線圈La2中感應(yīng)產(chǎn)生電流。天線La2和La3之間的距離的選擇最好小于傳輸信號的波長。若電場必然通過強(qiáng)衰減層而產(chǎn)生損耗，則通過上述方式可避免損耗的產(chǎn)生。
發(fā)射器內(nèi)的天線A2、A3、源阻抗Rq與接收器內(nèi)的平衡電阻R1適當(dāng)?shù)仄ヅ?，以達(dá)到最大信號強(qiáng)度的信號發(fā)射，從而可能發(fā)射高電壓電平的信號至天線A2。但在這種情況下，天線A2和A3起窄頻帶諧振電路作用，只允許窄頻帶范圍內(nèi)的信號通過。但通常數(shù)據(jù)通道需要較大的帶寬，以傳輸較大的數(shù)據(jù)量。舉例來說，借助于諧振電路的衰減，可加大帶寬范圍。然而，這種方法也會影響發(fā)射通道的衰減性能，使得此電路因為發(fā)射通道帶寬增加，而必須容忍更大的信號衰減。如果頻寬相對于發(fā)射頻率或此諧振電路的中心頻率fm較大，則此種衰減也相對較高，1MHz的帶寬大致上可滿足中心頻率為30MHz的情形，但對于中心頻率低于10MHz以下而言，傳輸損耗的增加是不能忽略不計的，所以為補(bǔ)償發(fā)生的損耗，必須提供相對較高的發(fā)射功率。
但特別是對于具有受地域限制的移動通訊裝置的交通工程通訊系統(tǒng)而言，可容許的發(fā)射輸出功率是有限的。此外應(yīng)考慮這些系統(tǒng)在將來會有增加帶寬的需求。
本發(fā)明的目的是提供一種具有較大的帶寬和較小的信號衰減的天線系統(tǒng)。
上述目的是借助于權(quán)利要求1特征部分公開的特征實現(xiàn)的。本發(fā)明的優(yōu)選實施例詳述于其他從屬的權(quán)利要求中。
當(dāng)應(yīng)用于交通工程通訊系統(tǒng)時，本發(fā)明的天線系統(tǒng)能可靠地發(fā)射更大的數(shù)據(jù)量。借助本發(fā)明的天線系統(tǒng)，可以產(chǎn)生寬帶的傳輸通道，而只有小量的衰減。此天線系統(tǒng)可以較低的成本制造，而且可以在較窄的空間實現(xiàn)，因此其安裝是可行的，例如可毫無困難地裝在車輛上。
此外，本發(fā)明的天線系統(tǒng)對于外部信號可取得令人滿意的干擾抑制或是高信號雜音比。在其他的因素中，在交通工程通信系統(tǒng)的遠(yuǎn)程傳送方面，本發(fā)明用以防止其間所產(chǎn)生的耦合損耗也是十分主要的。尤其是只為發(fā)射和接收信號而短暫處于運(yùn)行狀態(tài)的通信單元(例如當(dāng)一輛車經(jīng)過時)，此因素的影響是特別重要的。
此系統(tǒng)能更進(jìn)一步地降低傳輸損耗，方法是將天線系統(tǒng)的天線安裝在一種鐵氧體材料上，其下置一金屬板，渦流電流可借此而減小，并且達(dá)到穩(wěn)定傳輸狀態(tài)，而且基本上與天線系統(tǒng)的安置場所無關(guān)。
下面將參照附圖詳細(xì)說明本發(fā)明。
圖1是本發(fā)明的天線系統(tǒng)，由第一和第二天線組成，并且與第三天線耦合，圖2是圖1所示的天線系統(tǒng)的等效電路圖；圖3是圖1中的天線不相互耦合時的通帶曲線，圖4是由耦合在一起的第一和第二天線所構(gòu)成的天線系統(tǒng)的通帶曲線，圖5是由耦合在一起的第一、第二和第三天線所構(gòu)成的天線系統(tǒng)的通帶曲線，圖6～8顯示耦合到一個天線的各種可能性，
圖9是第一和第二天線的一種有效的排列方式，圖10是將第三天線耦合到由第一和第二天線構(gòu)成的天線系統(tǒng)的可能性，圖11是本發(fā)明的天線系統(tǒng)在交通工程中的應(yīng)用，和圖12是將一天線以最佳的方式安裝在底板上。
圖1為一天線系統(tǒng)，由兩個耦合在一起的諧振電路或由具有線圈La1，La2和與其連接的電容Ca1、Ca2的天線A1，A2所構(gòu)成。線圈La1，La2例如由一條延伸導(dǎo)線、同軸電線或是印在板上的金屬帶(印刷電路板)所構(gòu)成，兩線圈之間的距離為d12，借此得以提供磁耦合?？梢越柚淖冮g距d12而設(shè)置所需的耦合程度。接收信號可經(jīng)由電容ca1在最大電壓條件下拾取，而此電容例如可用平行放置的金屬帶構(gòu)成，同時，此接收到的信號可供給一單元T/R1，此單元用作接收器或發(fā)射器和接收器。兩個天線在窄頻帶范圍內(nèi)調(diào)整到由前述的第三天線La3所傳送的信號頻率為fm。調(diào)諧到相同頻率fm(傳送信號的中心頻率)的天線A1、A2、A3的典型通帶曲線KA1，A2，A3如圖3所示。天線A1和A2的通帶曲線KA1、A2彼此重疊，而第三天線A3的曲線KA3例如具有稍大的通帶范圍。
圖4顯示耦合在一起的第一和第二天線A1和A2構(gòu)成的振蕩系統(tǒng)，此系統(tǒng)有兩個不同的固有頻率f1，f2，而此兩固有頻率彼此相差越小，第一和第二天線A1、A2之間的耦合程度就越小。所以，此振蕩系統(tǒng)的通帶曲線KA12相對應(yīng)于一個帶通濾波器的通帶曲線。例如，一種已知的耦合振蕩電路，公開在Dorinski、krakau、Vogel所著的“工程師物理”(1976年由斯圖加特的Teubner出版的第四版本)一書中第5.1，8.2章第316頁和圖316.1中，此電路至今仍用在收音機(jī)接收器的輸入級或中頻級。
通過將第三天線A3耦合到由天線A1和A2構(gòu)成的振蕩系統(tǒng)而形成一個系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有三個各自獨(dú)立且具有相同固有頻率fm的振蕩系統(tǒng)，其通帶曲線KA123近似于矩形，將其與寬帶振蕩電路的通帶曲線KA0比較，在通帶區(qū)域(大約-15dB)中的阻尼明顯減小。
由此，最終的通帶曲線KA123由各獨(dú)立系統(tǒng)的品質(zhì)以及彼此之間的耦合程度或距離d12和d13的選擇所決定。
由天線A1，A2和A3構(gòu)成的振蕩系統(tǒng)的等效電路圖如圖2所示，包括電源、電源阻抗Rq，諧振電路的負(fù)載電阻R1以及損耗電阻Ra1、Ra2和Ra3。圖中所示出的虛擬等效電感La12、La23可基于選定的耦合程度進(jìn)行計算而決定其值。
圖6-8表示將發(fā)射器和接收器T/R1、T/R2或用于產(chǎn)生電流的整流器耦合到天線A1，A2，A3的可能的方式。圖6a表示出耦合到線圈La3的拾取信號部位。圖6b為借助同軸電纜連接的實際情況。由圖7a和圖7b所示，電容器Ca3可借助將各個彼此連接的以及與發(fā)射器和接收器T/R1、T/R2連接的電容器來構(gòu)成。在圖8a和8b中，發(fā)射器和接收器T/R1、T/R2也可通過耦合線圈KS與變壓器耦合的方式耦合至天線A1、A2和A3。
圖6a中，與電容器c相連接的二極管D連接到線圈La3，以作為通信裝置的電源。此二極管D產(chǎn)生一電源電壓+UB。由于本發(fā)明能降低耦合損耗，所以在遠(yuǎn)程傳送的通信裝置中可得到一較高的輸出電功率。
圖9中，第一和第二天線A1、A2并不如圖1中彼此上下安置，而是布置在同一個平面上。對于只有很小的離地凈高的備有發(fā)射器和接收器T/R的車輛而言，這種安置方式是相當(dāng)有效的。所以在一個平面中(見圖2)安裝與天線系統(tǒng)AS15連接的發(fā)射器和接收器是不成問題的。但是，在圖1所示的裝置中以及圖9所示的裝置中第一和第二天線A1、A2在機(jī)械上固定裝配，使這兩個天線A1，A2之間的耦合保持不變。
圖10顯示如何經(jīng)由耦合線圈KS3將天線A3耦合安置在同一平面的天線系統(tǒng)AS12。與天線A3的線圈La3感性耦合的耦合線圈KS3，原則上如圖6所示，與天線A2的線圈La2的拾取信號部位連接。此天線系統(tǒng)AS12可能以更便利的方式配置，并且可以更簡單的方式確定天線系統(tǒng)AS12和天線A3之間所需的耦合程度。
然而本發(fā)明的天線系統(tǒng)若應(yīng)用于無線電技術(shù)中，通常未必有利，例如，在收音機(jī)和電視頻率的范圍內(nèi)可得到所需的頻帶寬度，而且具有足夠的發(fā)射功率，系統(tǒng)天線能穩(wěn)定地安置。相反，借助于本發(fā)明的天線系統(tǒng)，可以明顯改善交通通信工程的發(fā)射系統(tǒng)，此系統(tǒng)在未來可提供高發(fā)射數(shù)據(jù)率，并且能以較低的發(fā)射功率和1MHz到約50MHz的低頻率運(yùn)行。
如前所述，如果單獨(dú)的通信裝置必須遠(yuǎn)程傳送時，應(yīng)用本發(fā)明的天線系統(tǒng)是特別有利的。因此，由于耦合損耗的降低，在接收端可有較高的供給功率，或可相應(yīng)降低發(fā)射功率。此外，本發(fā)明可有效增加有用信號和干擾信號之間的電平差。
圖11為彼此相鄰鋪設(shè)的兩對鋼軌S1，S2。一輛裝有移動式發(fā)射器和接收器T/R2的機(jī)車ZK在鐵軌S1上運(yùn)行。在鋼軌S1，S2之間裝有限于地面使用的發(fā)射器和接收器T/R1，用于同鐵軌S1、S2上運(yùn)行的火車ZK交換數(shù)據(jù)。在實際應(yīng)用中，信息通常只由限于地面的部分發(fā)射到移動式發(fā)射器和接收器T/R，然而也可以進(jìn)行數(shù)據(jù)雙向傳輸。因為火車以每小時幾百公里的速度前進(jìn)，因此在地面的和移動的發(fā)射器和接收器T/R之間只有幾毫秒的聯(lián)系時間。況且，會存在冰和雪的臟污現(xiàn)象。此外，國家主管機(jī)構(gòu)只能核準(zhǔn)具有相對較低發(fā)射功率的系統(tǒng)。
為使在大帶寬和低發(fā)射功率條件下能發(fā)射幾MHz(短波范圍)低頻率的數(shù)據(jù)，采用本發(fā)明的措施延長了聯(lián)系時間，在該時間的該發(fā)射器和接收器單元T/R1和T/R2可交換信息。加之采用本發(fā)明降低了路徑衰減，因此發(fā)射器和接收器T/R1和T/R2可較早地相聯(lián)系。
圖12中所用的與本發(fā)明的天線系統(tǒng)關(guān)連的措施特別有用。為保護(hù)天線A不受其安裝地區(qū)的影響，天線A最好安裝在距導(dǎo)電板MP上方幾公分之處。然而，當(dāng)接收或產(chǎn)生磁場時，可能會在該MP板上產(chǎn)生引起附加發(fā)射損耗的渦流。在本發(fā)明中，為避免出現(xiàn)這些發(fā)射損耗，特別是在該板MP和天線A的電感元件L之間，提供一個鐵氧體部件FE，用以接受磁力線f12或f23，使其不進(jìn)入該MP板中。該鐵氧體部件FE的高度a可相應(yīng)進(jìn)行選擇，如果非導(dǎo)體材料用作該板MP，則按本發(fā)明所采取的措施仍是可應(yīng)用的。在這種情況下，還可以增強(qiáng)第一或第二天線A1、A2和第三天線A3之間的耦合程度，最好選用由高濃度鐵氧分子的塑膠材料構(gòu)成的強(qiáng)韌、非易碎的鐵氧體FE。
在圖1a中，天線A2由一根由軸電纜構(gòu)成，為了實現(xiàn)屏蔽，最好將該電纜分成多段電纜KK，每段電纜通過屏蔽層接地。采用此種措施可起屏蔽隔離電場的作用，但對磁場沒有不利影響。由各分段電纜KK構(gòu)成的同軸電纜的長度一般選擇為所傳輸信號的波長的一半或四分之一。如果不用隔離電場的屏蔽罩，可有用整根形式的同軸電纜，其屏蔽層不接地。兩個天線A1和A2最好用一條線路(最好一根同軸電纜)實現(xiàn)，并且具有能屏蔽電場的作用。天線(或振蕩電路)A1和/或天線A2可以采用易于制造的同軸電纜實現(xiàn)，此外這樣可避免由于電容器損壞或焊接時可能發(fā)生的損壞。
圖8c表示圖8b中所示的天線系統(tǒng)的另一實施方案。圖8b中的振蕩回路由電感線圈La3和電容器Ca3構(gòu)成，而在圖8c中則由一根長度為λ/2或λ/4的同軸電纜KK構(gòu)成。
圖8d表示在圖1a或圖8c中所示的天線系統(tǒng)的等效電路圖。圖中由一根導(dǎo)線或由分立的組件構(gòu)成的振蕩電路包含電感線圈La1，電容器Ca1和電阻Ra1。
第三天線A3最好由直導(dǎo)體(漏泄電纜)制成(例如參見EP-A1-0502337)，它與由第一和第二天線構(gòu)成的天線系統(tǒng)感性耦合。在交通工程通信系統(tǒng)的情況下，能夠在較長路段上保持兩個通信單元之間的聯(lián)系。在圖11中，這種泄漏電纜(Leckkabel)裝在機(jī)車軌道的鋼軌腳上。采用這種布置方案，天線A3可以在較長路段上實現(xiàn)良好的感應(yīng)傳輸，而不會產(chǎn)生上述的損耗。
權(quán)利要求
1.一種天線系統(tǒng)，有一第一天線(A1)與一第一發(fā)射器和/或接收器單元(T/R1)連接，其特征在于，設(shè)置一第二天線(T/R2)，感性地和用機(jī)械方法與第一天線(A1)耦合；且該第一和第二天線(A1，A2)指定與另一天線系統(tǒng)耦合，而該另一天線系統(tǒng)至少包含一第三天線(A3)，該天線(A3)與用以發(fā)射數(shù)據(jù)和/或接收來自第一發(fā)射器和/或接收器單元(T/R1)的數(shù)據(jù)的一第二發(fā)射器和/或接收器單元(T/R2)連接；該第一、第二和第三天線(A1，A2，A3)之諧振頻率至少近似于fm值。
2.按權(quán)利要求1的天線系統(tǒng)，其特征在于，該第一和/或該第二天線(A1，A2)可以感性地與第三天線耦合。
3.按權(quán)利要求1或2的天線系統(tǒng)，其特征在于，該第一、第二和/或第三天線(A1，A2，A3)具有一電感(La1，La2，La3)，其形狀為至少近似細(xì)長的導(dǎo)電體，而端點與一電容(Ca1，Ca2，Ca3)相連接。
4.按權(quán)利要求3的天線系統(tǒng)，其特征在于，該電感(La1，La2，La3)和電容(Ca1，Ca2，Ca3)是由單獨(dú)或平行放置的導(dǎo)線，同軸導(dǎo)體或安置在板上的金屬帶所實現(xiàn)。
5.按先前權(quán)利要求之一的天線系統(tǒng)，其特征在于，第三天線(A3)是經(jīng)由一耦合線圈(KS3)與該第一或第二天線(A1，A2)耦合。
6.按先前權(quán)利要求之一的天線系統(tǒng)，其特征在于，該天線(A1，A2)的電感(La1，La2)特別地以在彼此上下近似垂直的方式或是在一平面里近似水平的方式安置。
7.按先前權(quán)利要求之一的天線系統(tǒng)，其特征在于，電感(La1，La2)之間的距離(d12，d23)已經(jīng)適當(dāng)選擇使得由天線(A1，A2，A3)構(gòu)成的振蕩系統(tǒng)的通帶曲線(KAS123)具有發(fā)射數(shù)據(jù)所需的帶寬。
8.按先前權(quán)利要求之一的天線系統(tǒng)，其特征在于，該第一和第二天線(A1，A2)或該第三天線(A3)可以與至少另一天線耦合，特別是為了達(dá)到較大帶寬之用。
9.按先前的權(quán)利要求之一的天線系統(tǒng)，其特征在于，至少一發(fā)射器和/或接收器單元，對應(yīng)于該第一或該第二發(fā)射器和/或接收器單元(T/R1，T/R2)，安置在一交通路線的區(qū)段點上，并且一對應(yīng)于此的第二或第一發(fā)射器和/或接收器單元(T/R2，T/R1)，是安置在一輛經(jīng)過該交通路線的車輛上。
10.如前述權(quán)利要求之一的天線系統(tǒng)，其特征在于，該第一，第二或第三天線(A1，A2，A3)的電感(La1，La2，La3)最好安置在一個導(dǎo)電板(MP)上，并且有一鐵氧體單元(FE)設(shè)置在該電感(La1，La2，La3)和該導(dǎo)電板(MP)之間。
11.如前述權(quán)利要求之一的天線系統(tǒng)，其特征在于，該天線(A1，A2，A3)其中之一與一用作電流源的整流器單元(D，C)連接。
12.如前述權(quán)利要求之一的天線系統(tǒng)，其特征在于，該天線(A1，A2，A3)至少其中之一是通過導(dǎo)體，尤其是同軸導(dǎo)體構(gòu)成。
13.如權(quán)利要求12的天線系統(tǒng)，其特征在于，該導(dǎo)體的長度如此選擇使所出現(xiàn)的諧振頻率至少近似于fm值。
14.權(quán)利要求12或13的天線系統(tǒng)，其特征在于，該導(dǎo)體相對起作用的電場被屏蔽。
15.如權(quán)利要求14的天線系統(tǒng)，其特征在于，該導(dǎo)體被作成分段部件(KK)，它的屏蔽殼與地相連，以使該導(dǎo)體相對起作用的電場被屏蔽，其中避免了磁場的破壞。
16.如前述權(quán)利要求之一的天線系統(tǒng)，其特征在于，該第三天線(A3)是導(dǎo)線或漏電電纜(LTL)，該導(dǎo)線或漏電電纜有利地感性地與由第一和第二天線(A1，A2)構(gòu)成的天線系統(tǒng)相耦合。
17.如權(quán)利要求16的天線系統(tǒng)，其特征在于，該導(dǎo)線(LTL)設(shè)置在火車軌道的鋼軌下部。
全文摘要
一種天線系統(tǒng)具有一第一天線(A1),其與一第一發(fā)射器和/或接收器單元(T/R1)連接,并且具有至少近似于fm值的固有頻率。還提供一第二天線(A2)以感性地和用機(jī)械方法兩者與第一天線(A1)耦合,也具有至少近似于fm值的自然頻率。此第一和第二天線(A1,A2)用以與至少另一個第三天線(A3)的天線系統(tǒng)耦合,該第三天線具有至少近似于fm值的一個固有頻率,且該第三天線和向第一發(fā)射器和/或接收器單元發(fā)射數(shù)據(jù)和/或從該單元接收數(shù)據(jù)的一第二發(fā)射器和/或接收器單元(T/R2)連接。最好至少對應(yīng)于該第一或第二發(fā)射器和/或接收器單元(T/R1,T/R2)的一個發(fā)射器和/或接收器單元安置于一個公共干道的路程點。與其對應(yīng)的第二和/或第一發(fā)射器和/或接收器單元(T/R2,T/R1)安置在該公共干道運(yùn)行的交通工具上。按本發(fā)明的天線系統(tǒng)能產(chǎn)生寬帶的發(fā)射頻道,而且只有微小的衰減。
文檔編號H04B5/00GK1181845SQ96193284
公開日1998年5月13日 申請日期1996年4月11日 優(yōu)先權(quán)日1995年4月12日
發(fā)明者阿佛烈·羅普爾 申請人:瑞士西門子有限公司