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Koaxialkabel

Koaxialkabel, kurz Koaxkabel, sind zweipolige Kabel mit konzentrischem Aufbau. Sie bestehen aus einem Innenleiter (auch Seele genannt), der in konstantem Abstand von einem hohlzylindrischen Außenleiter umgeben ist. Der Außenleiter schirmt den Innenleiter vor Störstrahlung ab.

Der Zwischenraum heißt Isolator oder Dielektrikum. Das Dielektrikum kann anteilig oder vollständig aus Luft bestehen (siehe Luftleitung). Meist ist der Außenleiter durch einen isolierenden, korrosionsfesten und wasserdichten Mantel nach außen hin geschützt. Der Aufbau der Kabel bestimmt den Leitungswellenwiderstand sowie die von der Frequenz abhängige Dämpfung der Kabel.

„Fliegende“ Koaxialkabel ohne feste Verlegung werden häufig als Antennenkabel für Radio- oder Fernsehempfang oder als Cinch-Verbindung vor allem im Audio-Bereich verwendet.

Übliche Koaxialkabel haben einen Außendurchmesser von 2 bis 15 mm, Sonderformen von 1 bis 100 mm. Es gibt auch eine koaxiale Bauform von Freileitungen, die Reusenleitung.

Inhaltsverzeichnis

Aufbau


Flexible Koaxialkabel besitzen meist Innenleiter aus dünnen, geflochtenen oder verseilten Kupferdrähten und Kabelschirme aus ebenfalls geflochtenen Kupferdrähten, wobei der Schirm durch eine Folie ergänzt sein kann. Das Geflecht darf dann einen geringeren Bedeckungsgrad aufweisen. Rigid-Koaxialkabel für hohe Leistungen oder hohe Schirmungsfaktoren sind mit einem starren Außenleiter in Form eines Rohres aufgebaut.

Sonderformen von Koaxialkabeln verfügen über zwei Innenleiter oder mehrere, koaxial angeordnete Außenleiter. Diese Kabel mit zwei Außenleitern sind unter Bezeichnungen wie Triaxialkabel erhältlich und werden unter anderem in der Videotechnik eingesetzt, wenn die Schirmfunktion zum Beispiel vom Außenleiter getrennt werden soll. Eine weitere Sonderform ist ein Koaxialkabel mit Ferritummantelung. Die Ferritummantelung wirkt als Gleichtaktdrossel, die ein Gegentaktsignal transformatorisch stützt und auf ein Gleichtaktsignal induktiv dämpfend wirkt. Die Transferimpedanz als Kenngröße der Schirmwirkung wird vom Ferrit nicht beeinflusst, wohl aber die Schirmdämpfung.

Eine Variante des Koaxialkabels ist das Schlitzkabel, das als langgestreckte Antenne eingesetzt wird. Das Schlitzkabel ist ein Koaxialkabel mit unvollständiger Abschirmung. Sein Außenleiter hat Schlitze oder Öffnungen, durch die über die ganze Länge des Kabels kontrolliert HF-Leistung abgegeben und aufgenommen werden kann.

Verwendungen


Koaxialkabel sind dazu geeignet, im Frequenzbereich von einigen kHz bis zu einigen GHz hochfrequente, breitbandige Signale zu übertragen. Das können hochfrequente Rundfunksignale, Radarsignale oder einfach Messsignale in einem Prüflabor sein. Auch für Ethernet-Netzwerke wurden bis in die 1990er Jahre Koaxialkabel verwendet. Für einige Anwendungen, zum Beispiel für Mikrofone, wird gelegentlich eine Gleichspannung mit übertragen, um einen Verbraucher mit elektrischer Energie zu versorgen (Fernspeisung, Tonaderspeisung, Phantomspeisung).

Koaxialkabel werden zur Übertragung hochfrequenter unsymmetrischer Signale eingesetzt; der Außenleiter führt dabei üblicherweise das Referenzpotenzial, nämlich die Masse, der Innenleiter führt die Signalspannung oder bei der Fernspeisung auch die Versorgungsspannung. Zur Übertragung hochfrequenter symmetrischer Signale wird die Bandleitung eingesetzt.

Eine Sonderanwendung finden Koaxkabel bei der Erzeugung von Hochleistungsimpulsen in der Radartechnik. Dabei werden keine Signale übermittelt, sondern hier wirkt das Kabel als Hochspannungsquelle mit genau definiertem Innenwiderstand, die ihre gesamte gespeicherte Ladung nach definierter Zeit abgegeben hat.

Koaxialkabel werden auch für die elektrische Übertragung digitaler Stereo- oder Mehrkanal-Audiosignale zwischen verschiedenen Geräten benutzt. Die dafür übliche S/PDIF Schnittstelle findet sich bei CD-Spielern, DAT-Recordern, bei MiniDisc, zwischen DVD-Player und Heimkinoreceiver, Audioanlagen in Fahrzeugen und bei digitalen Audiokarten in PCs.

Physikalische Eigenschaften


In Koaxialkabeln wird die Nutzsignalleistung im Dielektrikum zwischen Innenleiter und Außenleiter übertragen. Mathematisch beschreibt dies der Poynting-Vektor, der im Idealfall ausschließlich im Dielektrikum einen Wert ungleich Null annimmt. In diesem Fall existiert im idealen Leiter keine elektrische Feldkomponente in Wellenausbreitungsrichtung. Im Dielektrikum sind für eine elektromagnetische Welle der elektrische Feldanteil senkrecht zwischen Innen- und Außenleiter, der magnetische Feldanteil zylindrisch um den Innenleiter und der Poynting-Vektor in Leitungslängsrichtung orientiert. Das Koaxialkabel kann bei hohen Frequenzen als Wellenleiter aufgefasst werden, die Oberflächen des metallischen Innen- und Außenleiters dienen als Berandung zur Führung einer elektromagnetischen Welle. Da dies meist unerwünscht ist, muss der Umfang des Außenleiters kleiner als die Wellenlänge λ sein. Das begrenzt die Verwendbarkeit von Koaxkabeln bei sehr hohen Frequenzen, weil dann unerwünschte Hohlleitermoden auftreten können.

Der wesentliche Unterschied zwischen einem Koaxialkabel und einem Hohlleiter ist der beim Koaxialkabel vorhandene Innenleiter und dadurch die Beschränkung auf den TEM-Mode der Wellenausbreitung im Kabel.

Koaxialkabel besitzen einen definierten Wellenwiderstand. Er beträgt für die Rundfunk- und Fernsehempfangstechnik üblicherweise 75 Ω, für andere Anwendungen sind 50 Ω üblich. Die Dämpfung eines Koaxialkabels wird durch den Verlustfaktor des Isolatorwerkstoffes und den Widerstandsbelag bestimmt. Die Verluste im Dielektrikum, nämlich dem Isolierwerkstoff, werden über dessen Permittivität festgelegt, sie sind ausschlaggebend für den Ableitungsbelag der Leitung. Bei einem Koaxialkabel sind der Abstand zwischen Innenleiter und Außenleiter sowie das Material in diesem Zwischenraum (Dielektrikum) ausschlaggebend für den Wellenwiderstand.

Die durch ein Koaxialkabel übertragbare Leistung ist vom Wellenwiderstand abhängig. Bei einem Wellenwiderstand von 30 Ohm ist die übertragbare Leistung maximal.[2]

Abhängig von der Anwendung wird deshalb der Wellenwiderstand gewählt.

Bei höheren Leistungen und zur Minimierung der Signalverluste kann das Dielektrikum durch dünne Abstandshalter oder Schaumstoff zwischen Innen- und Außenleiter ersetzt werden, der restliche Raum zwischen den Leitern ist mit Luft gefüllt. Luft ermöglicht als Dielektrikum eine annähernd verlustlose Übertragung. Verluste entstehen für luftgefüllte Leitungen fast ausschließlich im Metall der Leitung. Solche Koaxialkabel werden oft mit Außenleitern aus geschlossenem Blech und massiven Innenleitern gefertigt. Sie sind dann jedoch mechanisch wenig flexibel und werden nur bei ortsfesten Installationen verwendet. Beispiele sind die Verbindungsleitungen zwischen Sender und Antenne bei Sendeleistungen ab etwa 100 kW sowie Kabelnetze.

Koaxialkabel bieten durch ihren konzentrischen Aufbau und die Führung des Referenzpotenzials im Außenleiter eine elektromagnetische Schirmwirkung. Die Transferimpedanz ist ein Maß für diese Schirmwirkung und beschreibt die Qualität eines Koaxialkabelschirms.

Parameter eines Koaxialkabels


Zu den wichtigen Parametern eines Koaxialkabels zählen:

\({\displaystyle Z_{L}={\frac {Z_{o}}{2\pi {\sqrt {\varepsilon _{\rm {r}}}}}}\,\ln \left({\frac {D}{d}}\right)\approx {\frac {60~\Omega }{\sqrt {\varepsilon _{\rm {r}}}}}\,\ln \left({\frac {D}{d}}\right)={\sqrt {\frac {L'}{C'}}}}\)
mit dem Wellenwiderstand des Vakuums \({\displaystyle Z_{0}}\)
Ein Berechnungsprogramm findet sich in Ref.[3] Die oben genannte Formel und das Programm vernachlässigen den Ableitungsbelag G’ und den Widerstandsbelag R’ der Leitung. Diese Vereinfachung ist im Hochfrequenzbetrieb zulässig.

Da das Verhältnis D/d aus mechanischen Gründen begrenzt ist und logarithmisch stark unterbewertet wird, ist auch der Wellenwiderstand von Koaxialkabel nicht willkürlich herstellbar. Koaxialkabel sind daher nur im Bereich von 30 bis 100 Ohm Wellenwiderstand praktisch realisierbar.

100 pF/m
250 nH/m

Leitungsanpassung und Reflexionen


Koaxialkabel für Hochfrequenzanwendung werden im Allgemeinen in Leitungsanpassung betrieben. Der Lastwiderstand des Kabels soll möglichst genau dem Wellenwiderstand entsprechen, damit am Leitungsende keine Reflexionen auftreten, die stehende Wellen und erhöhte Verluste hervorrufen können. Der Grad der Fehlanpassung wird mit Stehwellenmessgeräten oder Zeitbereichsreflektometrie ermittelt. Bei Signalen geringer Bandbreite kann der Wert des Lastwiderstandes durch einen Resonanztransformator geändert werden.

Reflexionen und frequenzabhängige Eigenschaften des Dielektrikums verändern auch die Flankensteilheit digitaler Signale (vgl. Dispersion und Impulsfahrplan).

Reflexionen entstehen an allen Stellen, an denen sich der Wellenwiderstand ändert, auch bei ungeeigneten Verbindungsstellen (Stecker) bei höheren Frequenzen.

Steckverbinder


Aufbau und äußerer Durchmesser sowie der gewünschte Betriebsfrequenzbereich bestimmen die verwendbaren koaxialen Anschlussstücke, die HF-Steckverbinder. Dabei unterscheidet man Stecker (engl. „male connector“ oder „plug“) und Buchsen (engl. „female connector“ oder „jack“). Daneben gibt es auch „geschlechtslose“ Verbinder, wie beispielsweise APC-Verbindungen. Die Steckverbinder unterscheiden sich durch den Innendurchmesser D des Außenleiters, die Größe und Homogenität ihrer Leitungswellenwiderstände und die verwendeten Isolierstoffe. Diese sowie die Homogenität des Wellenwiderstandes bestimmen die maximale Betriebsfrequenz (Grenzfrequenz) wesentlich. Gängige sind die an Labor- und Funkgeräten und früher an Netzwerkkabeln verwendeten BNC-Steckverbinder. Es gibt sie mit Leitungswellenwiderständen 50 Ohm und 75 Ohm.

Folgende Tabelle listet beispielhaft Steckverbinder mit hoher Grenzfrequenz:

Durchmesser Bezeichnung Grenzfrequenz
7,00 mm APC-7, N 018 GHz
3,50 mm (SMA) 034 GHz
2,92 mm K 040 GHz
2,40 mm 050 GHz
1,85 mm V 067 GHz
1,00 mm W 110 GHz

Kabeltypen


Kabelbezeichnung

Für Bus-Topologie im Basisband

Für Stern-Topologie im Basisband

Breitband

Low Noise

Diese Kabelfamilie wurde speziell für Anwendungen entwickelt, bei denen mechanische Kräfte wie z. B. Erschütterungen, Biege- oder Torsionsbewegungen auf das Kabel einwirken. Bei herkömmlichen Kabeln können erhebliche Störungen durch solche von außen wirkenden Kräfte entstehen. Low-Noise-Kabel hingegen besitzen ein spezielles halbleitendes Dielektrikum zur Minimierung dieser Störungen.

Technische Daten


Die technischen Daten einiger ausgewählten Kabeltypen:[4][5]

Bezeichnung Außen-
durch-
messer
(mm)
min.
Biege-
radius
(mm)
Leitungs-
wellen-
widerstand
Dämpfung bei (dB/100 m) Ver-
kürzungs-
faktor
Schirm-
maßa
145
MHz
432
MHz
1,3
GHz
RG174A/U 2,60 15 50±2 Ω 38,4 68,5 >104,2 0,66  
RG58C/U 4,95 25 17,8 33,2 64,5  
RG213/U 10,30 50 8,5 15,8 30,0 60 dB
Aircell 5 5,00 30 11,9 20,9 39,0 0,82  
Aircell 7 7,30 25 7,9 14,1 26,1 0,83 83 dB
Aircom Plus 10,30 55 4,5 8,2 15,2 0,85 85 dB
Ecoflex 10 10,20 44 4,8 8,9 16,5 0,86 >90 dB
Ecoflex 15 14,60 150 3,4 6,1 11,4 >90 dB
Ecoflex 15 Plus 14,60 140 3,2 5,8 10,5 >90 dB
H1000 10,30 75 4,3b 9,1c 18,3 0,83 >85 dB
a Die Angabe eines Schirmmaßes ohne Angabe der Frequenz oder der gewählten Bezugsgrößen (z. B. Stromstärke, Spannung oder Feldstärke) ist nicht eindeutig. Die Schirmwirkung einer Koaxialleitung ist stark frequenzabhängig. Näheres über die Schirmwirkung von Koaxialkabeln und deren normgerechte Messung steht im Artikel Transferimpedanz.
b bei 100 MHz
c bei 400 MHz

Weblinks


Commons: Koaxialkabel  – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
Wiktionary: Koaxialkabel – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise


  1. Grundlagen und Anwendungen von Koaxkabeln (PDF; 545 kB)
  2. Why 50 Ohms?
  3. microwaves101.com – Programm zur Berechnung der Wellenimpedanz
  4. Prüfungsfragen Technik Amateurfunk Klasse A mit Formelsammlung (PDF) Bundesnetzagentur 2007, S. 136
  5. Datenblatt der im Amateurfunk gebräuchlichsten Kabel bei Friedrich Kusch



Kategorien: Funktechnik | Kabeltyp

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Quelle: Wikipedia - https://de.wikipedia.org/wiki/Koaxialkabel (Autoren [Versionsgeschichte])    Lizenz: CC-by-sa-3.0

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