Koaxialkabel

Koaxialkabel, kurz: Koaxkabel, bestehen gewöhnlich aus einem isolierten Innenleiter (auch Seele genannt), der von einem in konstantem Abstand um den Innenleiter angebrachten Außenleiter umgeben ist. Im Regelfall ist diese Ummantelung ebenfalls nach außen isoliert. Übliche Koaxialkabel haben einen Außendurchmesser von 2 bis 15 mm, Sonderformen von 1 mm bis 100 mm.

Allgemeines

Im Gegensatz zu einer geschirmten Leitung, wo der außen angebrachte Kabelschirm oft auch nur auf einer Seite angeschlossen ist und nur eine abschirmende Wirkung gegenüber störenden Einflüssen hat und keinen Betriebsstrom führt, ist der Außenleiter beim Koaxkabel keine Schirmung, sondern wesentlicher Teil dieser speziellen Leiteranordnung. Bei einem Koaxialkabel ist demzufolge der Abstand zwischen Innenleiter und Außenleiter und das Material in diesem Zwischenraum (Dielektrikum) ein wichtiger Parameter des Kabels. Im englischen Sprachraum wird der Außenleiter meist als shield bezeichnet, was zu dieser begrifflichen Vermischung beiträgt.

Es gibt auch Sonderformen von Koaxialkabeln mit zwei Innenleitern oder mehreren, zentrisch angeordnete Außenleitern. Diese Kabel mit zwei Außenleitern sind unter Bezeichnungen wie Triax-Kabel erhältlich und werden unter anderem in der Videotechnik eingesetzt.

Kurze Kabel werden für gewöhnlich im Bereich von Fernseh- und Videoanlagen genutzt, längere Kabel zum Verbinden von Radio- und Fernseh- und Computernetzen. In der Hochfrequenztechnik werden Antennen, Sender und Empfangsanlagen über Koaxialkabel miteinander verbunden.

Das Koaxialkabel wird verwendet, um ein hochfrequentes, mitunter breitbandiges, Signal zu übertragen, für gewöhnlich bei Frequenzen im Bereich von 100 kHz bis 10 GHz. Teilweise wird eine Gleichspannung mit übertragen, um einen Verbraucher am anderen Ende mit Energie zu versorgen. Das Koaxialkabel erleidet weniger Übersprechen als die Lecher-Leitung ohne Abschirmung und ist kompakter, aber je nach Dielektrikum auch verlustreicher als ein Hohlleiter.

Wesentliche Eigenschaft des Koaxialkabels ist die Eigenschaft, dass der hochfrequente Energiefluss zwischen Innenleiter und Außenleiter geführt im Dielektriktium erfolgt und nicht in den elektrischen Leitern. Mathematisch wird dies in Form des Poynting-Vektors ausgedrückt. Das Koaxialkabel dient als Wellenleiter, die Oberflächen des metallischen Innenleiters und des metallischen Außenleiters dienen im Prinzip nur als Begrenzungslinie für die zwischen diesen Leitern entlanglaufende elektromagnetische Welle. Der Signalverlust eines Koaxialkabels definiert sich daher wesentlich durch die Materialeigenschaften des Dielektrikums, welches zwischen Innen- und Außenleiter angebracht ist.

Bei höheren Leistungen und zur Minimierung der Signalverluste kann das Dielektrikum durch dünne Abstandshalter zwischen Innen- und Außenleiter ersetzt werden, der restliche Raum zwischen den Leitern ist mit Luft gefüllt, welche praktisch keinen Verlust aufweist. Diese Bauweise von Koaxialkabeln ist allerdings mechanisch wenig flexibel, vergleichbar mit steifen Rohrsystemen, und wird nur bei ortsfesten Installationen vorgenommen. Einsatzbereiche sind koaxiale Verbindungsleitungen der Sendeausgangsstufe mit der Sendeantenne bei größeren Sendeleistungen von einigen 100 kW an aufwärts.

Der wesentliche Unterschied eines Koaxialkabels zu einem Hohlleiter ist der beim Koaxialkabel vorhandene Innenleiter und die damit einhergehende andere Feldkonfiguration.

Parameter

Zu den wichtigen Parametern eines Koaxialkabels gehören:

die charakteristische Wellenimpedanz (Wellenwiderstand) – sie ist unabhängig von der Leitungslänge und näherungsweise unabhängig von der Frequenz des Signals und wird in Ohm angegeben. Übliche Wellenwiderstände sind 50 Ohm (allgemeine HF-Technik) oder 75 Ohm (Fernsehtechnik), selten 60 Ohm (alte Systeme) oder 93 Ohm. Die Wellenimpedanz berechnet sich aus dem Verhältnis von äußerem und innerem Durchmesser des Kabels ( $\varepsilon _{\rm {r}}$ ist die relative Dielektrizitätskonstante):

Asymmetrische Leitung

Z_{\rm {w}}={\frac {59,94\Omega }{\sqrt {\varepsilon _{\rm {r}}}}}\cdot \ln \left({\frac {D_{\rm {aussen}}}{d_{\rm {innen}}}}\right)

die Dämpfung in Dezibel pro Meter – sie hängt von der Frequenz ab. Verlustarme Koaxialkabel besitzen einen möglichst großen Durchmesser, die Leiter sind versilbert (Skin-Effekt), das Dielektrikum ist aus Teflon oder aus geschäumtem Material. Sehr verlustarme Kabel besitzen eine wendelförmige Spirale um den Innenleiter zu stützen, das Dielektrikum besteht dann vorwiegend aus Luft oder einem Schutzgas (SF6, Schwefelhexafluorid).
die Kapazität in Picofarad pro Meter – sie ist für niederfrequente Anwendungen wichtig, wenn Signalquelle und Abschluss nicht dem Wellenwiderstand entsprechen.
Aufbau und äußerer Durchmesser, von dem die verwendeten Anschlussstücke (Steckverbinder) abhängen. Flexible Koaxialkabel besitzen Kabelschirme bzw. Innenleiter aus dünnen geflochtenen bzw. verseilten Kupferdrähten. Koaxialkabel für sehr hohe Leistungen besitzen einen Mantel aus Kupfer-Wellrohr, beim Semi-Rigid-Kabel für Höchstfrequenzanwendungen besteht der Kabelschirm aus einem 1-5 mm dicken biegbaren Rohr aus Kupfer oder Aluminium.

Leistungsanpassung und Reflexionen

Koaxialkabel müssen in Leistungsanpassung betrieben werden. Der Abschlusswiderstand auf beiden Seiten des Kabels sollte möglichst genau dem Wellenwiderstand entsprechen. Wird diese Bedingung nicht eingehalten, entstehen durch Reflexionen am Leitungsende stehende Wellen auf dem Kabel, die die Übertragung der maximal möglichen Leistung verringern. Reflexionen verschlechtern auch die Flankensteilheit von digitalen Signalen. Die Größe der Fehlanpassung wird über das Stehwellenverhältnis ausgedrückt.

Kabeltypen

für Bus-Topologie im Basisband

10Base5: (10 Mbit/s, Baseband (Basisband), 500 Meter)
- RG-8 oder RG-11 – Thick Ethernet oder YellowCable
  - Impedanz bzw. Wellenwiderstand 50 Ω
  - max. Länge 500 m pro Segment
  - max. 100 Anschlüsse pro Segment
  - min. Abstand der Anschlüsse 2,5 m
  - min. Biegeradius 0,2 m
  - 5-4-3-Regel:
    - max. 5 Segmente
    - max. 4 Repeater
    - max. 3 Segmente mit Rechner-Anschlüssen (populated segments)
  - Durchmesser 0,5 Zoll (1,27 cm)
  - Anschluss der Rechner mit Invasivstecker (Vampirklemmentechnik)

10Base2: (10 Mbit/s, Baseband (Basisband), ca. 200 (eigentlich 185) Meter)
- RG-58 – Thin Ethernet oder CheaperNet
  - Impedanz bzw. Wellenwiderstand 50 Ω
  - max. Länge 185 m pro Segment
  - max. 30 Anschlüsse pro Segment
  - min. Abstand der Anschlüsse 0,5 m
  - min. Biegeradius 0,05 m (=5 cm)
  - 5-4-3-Regel:
    - max. 5 Segmente
    - max. 4 Repeater
    - max. 3 Segmente mit Rechner-Anschlüssen (populated segments)
  - Durchmesser 0,25 Zoll (0,64 cm)
  - Anschluss der Rechner mit T-Stück
    - RG-58 U – Innenleiter massives Kupfer
    - RG-58 A/U – Innenleiter Kupferlitze
    - RG-58 C/U – Militärische Spez. von RG-58 A/U

für Stern-Topologie im Basisband

ARCNET:
- RG-62
  - Impedanz bzw. Wellenwiderstand 93 Ω
  - max. Länge 300 m

Breitband

zum Beispiel Kabelfernsehen, Sat-TV
- RG-59
  - Impedanz bzw. Wellenwiderstand 75 Ω
  - Durchmesser 0,25 Zoll (0,64 cm)
S-Video-Kabel

Siehe auch

Weblinks

Übersicht handelsüblicher Koaxialkabel