АНТЕННАЯ СИСТЕМА, В ЧАСТНОСТИ, ДЛЯ ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ Российский патент 1999 года по МПК H01Q7/00 H04B5/02 

Настоящее изобретение относится к антенной системе, содержащей первую антенну и приемно-передающий блок.

Антенны принципиально выполняют задачу трансформаторных четырехполюсников, которые осуществляют согласование волнового сопротивления антенного фидера и волнового сопротивления свободного пространства и которые преобразуют передаваемое по антенному фидеру электрическое колебание в электромагнитную волну. При этом антенна действует как резонатор. Эквивалентная схема работающей в резонансе и не имеющей потерь передающей антенны состоит только из ее сопротивления излучения. Согласно Ц. Дорф, "Справочник электроинженера", издательство CRC Press Inc., Бока Ратон 1993, глава 36.1, страница 864 это сопротивление излучения для диполя, которое можно определить из расчета электрического и магнитного полей E, H, составляет, примерно, 73 Ома. Там же указано, что эффективная длина диполя может быть увеличена путем увеличения конечной емкости диполя. Относительно короткий диполь можно таким образом настроить на сигналы с большими длинами волны. Например, на фиг.1 показана антенна A3, эффективная длина которой увеличена за счет подключения конденсатора Ca3. Проволочная линия, которая соединяет контакты конденсатора Ca3, выполняет при этом роль индуктивности и схематично обозначена как катушка La3. Известно, что на концах диполя (в емкостной зоне) возникают максимальные противофазные напряжения, а между этими концами в индуктивной зоне, соответственно, в катушке La3 возникают максимальные токи. Для передачи данных между двумя передающими станциями их антенны могут быть связаны, например, магнитным полем. На фиг.1 антенна A3 таким способом связана с аналогичной антенной A2. Поэтому ток в катушке La3 вызывает магнитное поле, с помощью которого в катушке La2 антенны A2 наводится ток. Расстояние d₂₃ между антеннами La2 и La3 выбирают предпочтительно меньше длины волны передаваемых сигналов. За счет этого предотвращаются потери, которые возникают при прохождении электрических полей через сильно поглощающие слои.

Для передачи сигналов максимальной силы антенны A2, A3 сопротивление источника Rq в передатчике и сопротивление нагрузки R1 в приемнике соответственно согласовывают. За счет этого можно передавать сигналы с высоким уровнем напряжения к антенне A2. Однако антенны A2 и A3 действуют при этом как узкополосные резонаторы, которые пропускают сигналы только в узком диапазоне частот. Однако для каналов связи, через которые необходимо передавать большие количества данных, часто требуется большая ширина полосы. Можно, например, увеличить ширину полосы резонансного контура за счет его демпфирования. Однако за счет этого увеличивается затухание канала передачи, так что при увеличении ширины полосы передающего канала необходимо одновременно учитывать более высокое затухание сигналов. Эти затухания тем сильнее, чем больше полоса пропускания по сравнению с передающей частотой, соответственно, со средней частотой fm резонансного контура. Полоса пропускания в 1 МГц может быть приемлемой для средней частоты 30 МГц, однако для средней частоты ниже 10 МГц ее невозможно реализовать без возникновения больших потерь при передаче. Для компенсации возникающих потерь необходимо предусматривать соответственно более высокие передающие мощности.

Однако, в частности, для транспортных систем связи с установленными на земле и подвижными участниками связи допустимые передающие мощности ограничены. Кроме того, необходимо исходить из того, что эти системы в будущем будут иметь потребность в повышенной полосе пропускания.

Поэтому в основе настоящего изобретения лежит задача создать антенную систему, которая имеет широкую полосу пропускания и лишь незначительное ослабление сигнала.

Эта задача решается с помощью того, что предусмотрена вторая антенна (A2), которая с помощью индуктивной связи через первую антенну (A1) соединена с первым передающим и/или приемным блоком (T/R1), при этом связанные друг с другом индуктивно и механически антенны (A1, A2) служат для связи с другой антенной системой, содержащей по меньшей мере одну третью антенну (A3), которая соединена со вторым передающим и/или приемным блоком (T/R2), служащим для передачи данных на и/или приема данных от первого передающего и/или приемного блока (T/R1), причем первая, вторая и третья антенны (A1, A2, A3) имеют собственную частоту, равную по меньшей мере приблизительно величине fm.

При применении в транспортных системах связи антенные системы согласно изобретению обеспечивают надежную передачу больших количеств данных. С помощью антенной системы согласно изобретению можно создать широкополосный канал передачи, имеющий незначительное затухание. Антенную систему можно изготавливать экономически выгодно с незначительными затратами, и на ее реализацию требуется относительно небольшое пространство, за счет чего становится возможным ее установка, например, на транспортных средствах.

Кроме того, с помощью антенной системы согласно изобретению обеспечивается хорошая помехоустойчивость, соответственно, хорошее подавление посторонних сигналов. Избежание согласно изобретению потерь связи имеет большое значение, в частности, для дистанционного питания участников транспортной связи. Это особенно важно для участников связи, которые при проезде транспортного средства могут только короткое время работать на прием и передачу сигналов.

Дальнейшее уменьшение потерь передачи достигается при размещении антенн антенной системы на ферритовом материале и расположенной под ним металлической пластине. За счет этого снижают потери на вихревые токи и достигают стабильных условий передачи, которые в значительной степени не зависят от места монтажа антенной системы.

Изобретение поясняется ниже на примерах выполнения с помощью чертежей, на которых показано:
Фиг. 1 - антенная система согласно изобретению, которая состоит из первой и второй антенн, с которыми связана третья антенна;
Фиг. 2 - электрическая эквивалентная схема антенной системы по фиг. 1;
Фиг. 3 - кривые пропускания показанных на фиг. 1, не связанных друг с другом антенн;
Фиг. 4 - кривая пропускания антенной системы, образованной совместно связанными первой и второй антеннами;
Фиг. 5 - кривая пропускания антенной системы, образованной совместно связанными первой, второй и третьей антеннами;
Фиг. 6-8 - возможности связи с антенной;
Фиг. 9 - предпочтительное расположение первой и второй антенн;
Фиг. 10 - возможность связи третьей антенны с антенной системой, образованной первой и второй антеннами;
Фиг. 11 - применение антенной системы согласно изобретению в транспортной технике;
Фиг. 12 - смонтированная предпочтительным способом на пластине антенна.

На фиг. 1 показана антенная система, которая образована двумя взаимосвязанными резонансными контурами, соответственно, антеннами A1, A2, которые имеют катушку La1, La2 и соединенный с ней конденсатор Ca1, Ca2. Катушки Lal и La2, которые могут быть образованы, например, длинным проводом, коаксиальной линией или нанесенными на пластину металлическими полосками, расположены на расстоянии d12 друг от друга, которое перекрывается магнитной связью. За счет изменения расстояния d12 можно, таким образом, установить желаемый коэффициент связи. С конденсатора Ca1, который может быть образован, например, параллельно расположенными металлическими полосками, можно снимать принятый сигнал с максимальным напряжением и подавать его на блок T/R1, который служит приемником или передатчиком и приемником. Обе антенны настроены узкополосно на сигнал с частотой fm, который излучается через указанную вначале третью антенну La3. Типичные кривые пропускания k_A1,A2,A3 настроенных на одну частоту fm (средняя частота передаваемых сигналов) антенн A1, A2, A3 показаны на фиг. 3. Кривые пропускания k_A1,A2 антенн A1 и A2 совпадают, в то время как кривая k_A3 третьей антенны A3 имеет, например, несколько большую полосу пропускания.

Фиг. 4 показывает, что взаимосвязанные первая и вторая антенны A1 и A2 образуют колебательную систему, которая имеет две четко выраженные собственные частоты fl, f2, которые тем меньше отличаются друг от друга, чем слабее связь между первой и второй антеннами A1, A2. Поэтому кривая пропускания этой колебательной системы соответствует кривой пропускания полосового фильтра. Взаимосвязанные колебательные контуры, известные, например, из источника Добринский, Кракау, Фогель "Физика для инженеров", издательство Тойбнер Ферлаг, Штуттгарт, 1976, издание 4-е, глава 5.1.8.2, страницы 316-317, фиг. 316.1, применяются до настоящего времени во входных каскадах и в каскадах промежуточной частоты радиоприемников.

За счет соединения третьей антенны A3 с образованной антеннами A1 и A2 колебательной системой образуется система из трех колебательных отдельных систем с одинаковой собственной частотой fm, кривая пропускания которой k_A1,2,3 имеет, примерно, прямоугольную форму и по сравнению с кривой пропускания k_A0 широкополосного колебательного контура имеет в полосе пропускания отчетливо меньшие затухания (примерно - 15 дБ).

Результирующая кривая пропускания k_A1,2,3 определяется добротностью отдельных систем, а также коэффициентом взаимной связи, соответственно, выбором расстояний d12 и d23.

Эквивалентная схема образованной антеннами A1, A2 и A3 колебательной системы с источником, сопротивлением источника Rq, сопротивлением нагрузки R1, а также сопротивлениями потерь Ra1, Ra2 и Ra3 резонансных контуров показана на фиг. 2. Показаны также виртуальные эквивалентные индуктивности La12, La23, которые могут быть определены расчетным методом на основании выбранной связи.

Возможные способы подключения передающих и приемных блоков T/R1, T/R2 или выпрямительных блоков, предусмотренных для создания электрического тока в антеннах A1, A2, A3, показаны на фиг. 6-8. На фиг. 6a показано подключение через отвод на катушке La3. Фиг. 6b показывает практическую реализацию с помощью коаксиального кабеля. На фиг. 7a и 7b показано, что конденсатор Ca3 может быть образован соединенными друг с другом, а также с передающими и приемными блоками T/R1, T/R2 отдельными конденсаторами. На фиг. 8a и 8b показано, что передающие и приемные блоки T/R1, T/R2 могут быть соединены с антеннами A1, A2, A3 трансформаторным способом через катушку связи KS.

На фиг. 6a для снабжения током связного блока к катушке La3 подключен диод D, соединенный с конденсатором С. С диода D снимается питающее напряжение +Ub. За счет снижения потерь связи согласно изобретению в распоряжение питаемого дистанционно связного блока предоставляется более высокая питающая мощность.

На фиг. 9 первая и вторая антенны A1, A2 расположены не друг над другом, как на фиг. 1, а в одной плоскости. Это дает преимущество, если подлежащее оборудованию передающим и приемным блоком T/R транспортное средство имеет лишь небольшой дорожный просвет. Поэтому можно легко монтировать передающий и приемный блок T/R вместе с соединенной с ним и расположенной в одной плоскости антенной системой AS12 (фиг. 2). Однако первая и вторая антенны A1, A2 как на фиг. 1, так и в расположении по фиг. 9 механически фиксированы по отношению друг к другу, так что предусмотренная связь между этими двумя антеннами A1, A2 остается неизменной.

На фиг. 10 показано подключение антенны A3 через катушку связи KS3 с расположенной в одной плоскости антенной системой AS12. Катушка связи KS3, которая индуктивно связана с катушкой La3 антенны A3, соединена, как показано на фиг. 6, с отводом катушки La2 антенны A2. За счет этого антенная система AS12 может быть при необходимости размещена выгодным образом. Кроме того, можно за счет этого еще более простым способом устанавливать желаемый коэффициент связи между антенной системой AS12 и антенной A3.

В то время, как применение антенной системы согласно изобретению часто едва приемлемо в радиотехнике, например, поэтому, что в области радио и телевизионных частот практически всегда имеется достаточная полоса пропускания, т.к. имеется достаточная передающая мощность, а антенны системы могут быть установлены неподвижно, в противоположность этому передающие системы для транспортных средств, которые в будущем будут использоваться для передачи больших потоков данных и которые работают с относительно низкими мощностями передачи и на относительно низких частотах от 1 до, примерно, 50 МГц, можно существенно улучшить за счет применения антенной системы согласно изобретению.

Как уже указывалось выше, применение антенной системы согласно изобретению дает особые преимущества, если некоторые блоки связи необходимо дистанционно обеспечивать питанием. За счет уменьшения потерь связи обеспечивается более высокая мощность питания на стороне приемника, т.е. может быть соответственно уменьшена мощность передачи. Кроме того, за счет мер согласно изобретению преимущественно увеличивается расстояние между уровнями полезных сигналов и сигналов помех.

На фиг. 11 показана пара проходящих параллельно рельс S1, S2. По рельсам S1 движется снабженный мобильным передающим и приемным блоком T/R2 железнодорожный состав ZK. Между рельсами S1, S2 расположены наземные передающие и приемные блоки T/R1, которые предусмотрены для обмена данными с проходящими по рельсовым парам S1, S2 транспортными средствами ZK. При практическом применении информацию передают часто только с наземных на мобильные приемопередающие блоки T/R. Возможен также двусторонний обмен данными. Так как транспортные средства перемещаются со скоростями до нескольких сот км/час, то возникают лишь очень короткие промежутки контакта длительностью в несколько миллисекунд между наземными и мобильными приемопередающими блоками T/R. Кроме того, необходимо учитывать загрязнения, а также снег и лед. Кроме того, национальные ведомства, ведущие допуском радиосредств, разрешают использование только систем, работающих с относительно низкими передающими мощностями.

Для того, чтобы иметь возможность передавать желаемые данные на низких частотах в диапазоне нескольких МГц (диапазон коротких волн) с большой полосой пропускания и небольшой передающей мощностью, с помощью мер согласно изобретению увеличивают время контакта, во время которого приемопередающие блоки T/R1 и T/R2 могут обмениваться информацией. Для этого в соответствии с изобретением уменьшают затухание на участке связи, за счет чего приемопередающие блоки T/R1 и T/R2 могут раньше вступать в контакт.

В частности, в связи с антенной системой согласно изобретению особенно предпочтительно использовать меры, показанные на фиг. 12. Для защиты антенны от влияния условий монтажа антенну A предпочтительно располагают на расстоянии в несколько сантиметров от электрически проводящей пластины MP. Однако при приеме или создании магнитных полей в этой пластине MP могут возникать вихревые токи, которые приводят к дополнительным потерям при передаче. Для снижения этих потерь передачи между пластиной MP и, в частности, индуктивной частью L антенны предусматривают согласно изобретению ферритовый элемент FE, который связывает линии поля f12, соответственно, f23, так что они не могут проникать в пластину MP. Соответственно выбирают высоту а ферритового элемента FE. Эта мера согласно изобретению является предпочтительной и тогда, когда применяют пластину MP из непроводящего материала. В этом случае можно также увеличить связь между первой и второй антеннами A1, A2, а также третьей антенной A3. Предпочтительно применение прочных, не пористых ферритовых элементов FE, состоящих из пластмассы, в которую заключено большое количество ферритовых частиц.

На фиг. 1a антенна A1 образована коаксиальным кабелем, который с целью экранирования предпочтительно разделен на несколько отрезков KK, каждый из которых через экран соединен с землей. За счет этого экранируются электрические поля, а на магнитные поля это не оказывает влияния. Длину образованного отрезками KK коаксиального кабеля выбирают, обычно, равной четверти или половине длины волны передаваемых сигналов. Если в экранировании от электрических полей нет необходимости, то можно применять состоящий из одного куска коаксиальный кабель, экран которого не соединяют с землей. Предпочтительно выполнение обеих антенн A1, A2 в виде проводника (предпочтительно, в виде коаксиального кабеля) с экранированием от влияния электрических полей. Антенну (соответственно, колебательный контур) A1 и/или также антенну A2 проще изготовить с применением коаксиального кабеля. Кроме того, устраняются дефекты, которые могут возникать вследствие неисправности конденсатора или мест пайки.

На фиг. 8c показано дальнейшее совершенствование показанной на фиг. 8b антенной системы. Образованный индуктивностью La3 и емкостью Ca3 колебательный контур по фиг. 8b заменен на фиг. 8c коаксиальным кабелем КК длиной λ/2 или λ/4.
На фиг. 8d показана эквивалентная схема антенной системы по фиг. 1a или по фиг. 8c. При этом индуктивность La1, емкость Ca1 и сопротивление Ra1 представляют собой элементы образованного проводником либо дискретными деталями колебательного контура.

Предпочтительно выполнение третьей антенны A3 в виде линейного проводника (кабеля рассеяния) (смотри, например, EP-A1-0502337), выполненного с возможностью индуктивной связи с антенной системой, образованной антеннами A1, A2. За счет этого можно поддерживать контакт между двумя, связными блоками транспортной системы связи на протяжении более длинных участков. На фиг. 11 показан такой кабель рассеяния на основании рельса железнодорожного пути. С помощью такого расположения обеспечивается особенно хорошая индуктивная передача на большие расстояния без значительных потерь.

Антенная система содержит первую антенну, которая соединена с первым передающим и/или приемным блоком и которая имеет собственную частоту, равную приблизительно величине fm. Далее предусмотрена вторая антенна, которая с помощью индуктивной связи и механически связана с первой антенной и которая имеет собственную частоту, равную приблизительно величине fm. Первая и вторая антенны служат для связи с другой антенной системой, содержащей по меньшей мере одну третью антенну, которая имеет собственную частоту, равную приблизительно величине fm и которая соединена со вторым передающим и/или приемным блоком, который служит для передачи данных на и/или приема данных от первого передающего и/или приемного блока. Предпочтительно, что по меньшей мере один передающий и/или приемный блок, который соответствует первому или второму передающему и/или приемному блоку, расположен на участке транспортного пути. Соответствующий второй или первый передающий и/или приемный блок расположен на транспортном средстве, курсирующем по этому транспортному пути. Техническим результатом является создание широкополосного канала передачи данных, имеющего незначительное затухание. 16 з.п. ф-лы, 18 ил.

1. Антенная система, содержащая первую антенну (А1), которая соединена с первым передающим и/или приемным блоком (T/R1), отличающаяся тем, что предусмотрена вторая антенна (А2), которая с помощью индуктивной связи через первую антенну (А1) соединена с первым передающим и/или приемным блоком (T/R1), при этом связанные друг с другом индуктивно и механически антенны (А1, А2) служат для связи с другой антенной системой, содержащей, по меньшей мере, одну третью антенну (А3), которая соединена со вторым передающим и/или приемным блоком (T/R2), служащим для передачи данных и/или приема данных от первого передающего и/или приемного блока (T/R1), причем первая, вторая и третья антенна (А1, А2, А3) имеют собственную частоту, равную, по меньшей мере, приблизительно величине fm. 2. Антенная система по п.1, отличающаяся тем, что первая и/или вторая антенны (А1, А2) выполнены с возможностью индуктивной связи с третьей антенной (А3), которая имеет, по меньшей мере, приблизительно ту же собственную частоту, что и антенны (А1, А2). 3. Антенная система по п.1 или 2, отличающаяся тем, что первая, вторая и/или третья антенны (А1, А2, А3) содержат индуктивность (La1, La2, La3) в виде, по меньшей мере, приблизительно растянутого в длину электрического проводника, концы которого соединены с конденсаторами (Ca1, Ca2, Ca3). 4. Антенная система по п.3, отличающаяся тем, что индуктивности (La1, La2, La3) и конденсаторы (Ca1, Ca2, Ca3) образованы отдельными или проходящими параллельно проводами, коаксиальными проводниками или металлическими полосками, расположенными на пластине. 5. Антенная система по одному из пп.1 - 4, отличающаяся тем, что третья антенна (А3) через катушку связи (KS3) связана с первой или второй антеннами (А1; А2). 6. Антенная система по одному из пп.1 - 5, отличающаяся тем, что, в частности, индуктивности (La1, La2) антенн (А1, А2) расположены приблизительно вертикально друг над другом или приблизительно горизонтально в одной плоскости. 7. Антенная система по одному из пп.1 - 6, отличающаяся тем, что расстояния d12, d23 между индуктивностями (La1, La2, La3) выбраны так, что кривая пропускания k_AS123 образованной антеннами (А1, А2, А3) колебательной системы имеет полосу пропускания, необходимую для передачи данных. 8. Антенная система по одному из пп.1 - 7, отличающаяся тем, что, в частности, для получения более широкой полосы пропускания первая и вторая антенны (А1, А2) или третья антенна (А3) выполнена с возможностью индуктивной связи с одной другой антенной. 9. Антенная система по одному из пп.1 - 8, отличающаяся тем, что по меньшей мере один передающий и/или приемный блок, который соответствует первому или второму передающему и/или приемному блоку (T/R1; T/R2), расположен на участке транспортного пути, при этом соответствующий второй или первый передающий и/или приемный блок (T/R2, T/R1) расположен на транспортном средстве, курсирующем по этому транспортному пути. 10. Антенная система по одному из пп.1 - 9, отличающаяся тем, что индуктивность (La1; La2; La3) первой, второй или третьей антенны (А1, А2, А3) расположены над предпочтительно электрически проводящей пластиной (МР), между индуктивностью (La1; La2; La3) и пластиной (МР) предусмотрен ферритовый элемент (FE). 11. Антенная система по одному из пп.1 - 10, отличающаяся тем, что одна из антенн (А1, А2, А3) соединена с предусмотренным для питания током выпрямительным блоком (D, C). 12. Антенная система по одному из пп.1 - 11, отличающаяся тем, что по меньшей мере одна из антенн (А1, А2, А3) образована проводником, в частности коаксиальным проводником. 13. Антенная система по п.12, отличающаяся тем, что длина проводника выбрана так, что возникающая резонансная частота по меньшей мере приблизительно соответствует значению fm. 14. Антенная система по п.12 или 13, отличающаяся тем, что проводник экранирован от воздействия электрических полей. 15. Антенная система по п.14, отличающаяся тем, что проводник разделен на отрезки (KK), экраны которых соединены с землей, так что проводник экранирован от воздействия электрических полей, при этом не оказывает влияния на магнитное поле. 16. Антенная система по одному из пп.1 - 15, отличающаяся тем, что третья антенна (А3) представляет собой линейный проводник, соответственно, рассеивающий кабель (LTL), который выполнен, предпочтительно, с возможностью индуктивной связи с антенной системой, образованной первой и второй антеннами (А1, А2). 17. Антенная система по п.16, отличающаяся тем, что линейный проводник (LTL) расположен на основании рельса железнодорожного пути.

Приоритет по пунктам:
12.04.95 по пп.1 - 11;
29.08.95 по пп.12 - 17.