Koaxialkabel

Koaxialkabel Schnittmodell:
1. Seele oder Innenleiter
2. Isolation oder Dielektrikum zwischen Innenleiter und Kabelschirm
3. Außenleiter und Abschirmung
4. Schutzmantel

Koaxialkabel (Koaxkabel) sind vorwiegend zweipolige Kabel für die Übertragung von Hochfrequenzsignalen mit im Querschnitt konzentrischem Aufbau. Sie bestehen mindestens aus einem Innenleiter (auch Seele genannt), der zentriert in einem konstanten Abstand zur Außenhülle (Außenleiter) geführt wird.

Der Außenleiter kann aus parallel zum Innenleiter gespannten metallischen Kabeln (Reusenleitung) oder aus einer metallisch leitenden Abschirmung, z. B. einem Leitergeflecht, Folie, einer Kombination von Leitergeflecht und Folie oder einer soliden metallisch leitenden Hülle bestehen. Der Außenleiter kann glatt, aber auch wellig ausgebildet sein. Es ist wünschenswert, dass die Oberfläche des Außenleiters innen möglichst glatt ist und keine Rauigkeit aufweist, da Welligkeit oder Rauigkeit aufgrund des Skin-Effekts einen Einfluss auf den Wellenwiderstand hat.

Zusätzlich zum Außenleiter, der zur äußeren Abschirmung dient, können auch weitere Abschirmungen im Kabelinneren konzentrisch um die Mitte angeordnet sein, um den frequenzabhängigen Schirmfaktor zu verbessern. Die gemessene Schirmdämpfung im Frequenzbereich von 0,1 bis 1000 MHz von Testkabeln reichte von 60 dB bei einfachen Kabeln bis zu 110 dB, bzw. Kopplungswiderstände bis 10⁻⁴ Ω/m. Aufgrund ihrer Leitfähigkeit bilden sie zusammen mit dem Außenleiter die Abschirmung, die sowohl die Abstrahlung der im Koaxialkabel übertragenen Hochfrequenzsignale als auch das Eindringen äußerer Störsignale verhindert.

Innenleiter können sowohl aus einem soliden Leiter, mehreren parallel geführten Leitern (Reusenleitung), oder bei Koaxialkabeln mit größerem Durchmesser aus einem Rohr bestehen.

Der Wellenwiderstand eines Koaxialkabels für Hochfrequenzanwendungen wird durch die äußeren Abmessungen des Innenleiters, die Innenabmessungen des Außenleiters und das zwischen beiden Leitern verwendete Dielektrikum bestimmt. Üblich sind Wellenwiderstandswerte zwischen 50 Ω und 75 Ω. In Deutschland und einigen wenigen anderen Ländern wurden ehemals 60 Ω als Kompromiss zwischen beiden Werten genormt.

Darüber hinaus stehen auch weitere halbstarre und flexible Koaxialkabel mit anderen Wellenwiderständen zwischen 10 Ω bis über 100 Ω, z. B. 10 Ω, 12,5 Ω, 17 Ω, 25 Ω, 35 Ω, 75 Ω, 93 Ω und 100 Ω zur Verfügung, für die jedoch keine auf den Wellenwiderstand angepassten Koaxialstecker existieren.

Die Auswahl des Koaxialkabeltyps erfolgt auf Basis der mechanischen Anforderungen. Dazu gehören der minimal zulässige Biegeradius, die Frage, ob das Kabel einmalig starr verlegt wird oder flexibel sein muss, sowie der Betriebstemperaturbereich. Zudem spielt die Verfügbarkeit passender koaxialer Steckverbinder für den jeweiligen Kabeldurchmesser eine Rolle. Die elektrischen Anforderungen umfassen beispielsweise die maximal zu übertragende Leistung, die maximal zulässige Dämpfung auf der Betriebsfrequenz sowie die Laufzeit bezogen auf die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.

Bei der Verwendung in der Hochfrequenztechnik ist man zur Vermeidung von unnötigen Verlusten bestrebt, das Koaxialkabel und die verwendeten Steckverbinder auf den gleichen Wellenwiderstand wie die Sender, Empfänger, Messgeräte und Antennen abzustimmen.

Es gibt auch viele weitere Kabeltypen mit koaxialem Aufbau, bei denen eine ausreichend gute Abschirmung gegen Einwirken von äußeren Störfeldern benötigt wird, jedoch nicht ein definierter Wellenwiderstand, z. B. Verwendung für 1:10-Tastköpfen bei Messgeräten wie Oszilloskopen. Diese besitzen gewollt einen hohen Widerstandsbelag von ~330 Ω/m (versilbertes Stahlkabel) und im Vergleich zu Koaxialkabeln einen weitaus kleineren Kapazitätsbelag mit Werten zwischen ~20 pF/m bis 30 pF/m. Diese werden im englischen als lossy cable (verlustbehaftete Kabel) bezeichnet, um eine eindeutige Unterscheidung zu Koaxialkabeln (englisch lossless coaxial cable oder Z₀ coaxial cable) zu ermöglichen. Auch wenn die verwendeten Buchsen das Aussehen und die gleichen mechanischen Abmessungen sowie einen Bajonettverschluss wie BNC-Stecker nutzen, sind diese nicht für einen definierten Wellenwiderstand ausgelegt. Solche koaxial aufgebauten Kabel sind als abgeschirmte Kabel zu klassifizieren, wobei diese im Inneren sowohl aus einem einzelnen oder vielen Einzelleitern, aber auch aus Koaxialkabeln mit definiertem Wellenwiderstand, oder einer Kombination von allem bestehen können. Zusätzlich zum Außenleiter, der zur äußeren Abschirmung dient, können auch weitere Abschirmungen im Kabelinneren konzentrisch um die Mitte angeordnet sein. Solche koaxial aufgebauten Kabel werden z. B. im niederfrequenten Bereich für die Strom- und Hochspannungsübertragung sowie zur Übertragung von Audio- und/oder Videosignalen (AV-Kabel) verwendet.

Koaxialkabel zur möglichst verlustfreien Übertragung von Hochfrequenzsignalen über lange Strecken fanden zuerst Anwendung, z. B. als Seekabel und Weitverkehrskabel. Heute werden Koaxialkabel vorwiegend zur Übertragung von hochfrequenten Signalen auf Strecken zwischen wenigen cm bis über 50 m zwischen z. B. Empfängern, Messgeräten, Sendern und Antennen eingesetzt. Je nach Frequenz und verwendetem Kabel können Leistungen bis weit über 10 kW Pulsspitzenleistung (engl. Peak Envelope Power, PEP) der Senderausgangsleistung übertragen werden.

Koaxialkabel können als eine Sonderform von Hohlleitern angesehen werden, bei der durch Verwendung eines zusätzlichen zentralen Leiters innerhalb des Hohlleiters auch Gleichspannung und damit Frequenzen ab 0 Hz zwischen Innen und Außenleiter übertragen lassen. Durch die Möglichkeit Gleichspannung zu übertragen kann ein Koaxialkabel für die Fernspeisung von elektrischen Komponenten mit kleiner Leistung, z. B. Antennenverstärkern oder Rauscharmern Signalumsetzern (engl. Low-Noise Block converter, LNB) verwendet werden.

Je nach Schirmfaktor schirmt der Außenleiter den Innenleiter mehr oder weniger gut vor Eindringen von Störstrahlung von außen und Abstrahlung der im Koaxialkabel geführten Signale nach außen ab. Der erzielbare Schirmfaktor der Abschirmung ist dabei abhängig vom Aufbau des Außenleiters abhängig. Besteht der Außenleiter aus einem Leitergeflecht bei dem sich die Adern bauartbedingt nur mehr oder weniger stark überlappenden können oder wenn aus Kostengründen bei billigen Koaxialkabeln nur wenige Adern verwendet werden, wird ein solches Geflecht durch mehr oder weniger starke Fehlbelegungen nur eine begrenzte Abschirmung bieten. Daher verwendet man bei manchen Koaxialkabeln zusätzlich eine metallisch leitende Folie und/oder ein zusätzliche Lage Leitergeflecht zur Verbesserung der Abschirmung.

Eine andere Bauform ist die Nutzung einer soliden Metallhülle als Außenleiter, wobei ein solches Kabel innerhalb von Grenzen auch biegbar ist wenn der Außen- und geg. auch der Innenleiter bei wellenförmig aufgebaut ist, z. B. Cellflex- oder Heliflex-Koaxialkabel.

Eine Ausnahme stellen sogenannte Schlitzkabel dar, bei denen die z. B. in Tunneln zur Funkabdeckung als langgestreckte Antenne eingesetzt werden. Hierbei erlaubt der Schlitz über die ganze Länge des Schlitzkabels eine kontrollierte Abgabe (Abstrahlung) und Aufnahme von Hochfrequenz-Leistung ermöglicht. Bei Schlitzkabeln wird dies durch eine gezielte Herstellung einer unvollständige Abschirmung durch einen Schlitz im Außenleiter erzeugt. Der Umschließungswinkel des Außenleiters definiert dabei den prozentualen Umfang des Außenleiters der den Innenleiter abschirmt, z. B. bei einem Umschließungswinkel von 250° verbleiben 110° des Umfangs des Außenleiters nichtleitend. Bei zunehmender Fehlbelegung des Außenleiters strahlen jedoch auch normale Koaxikabel, zunehmend mehr Hochfrequenz ab.

Im Audiobereich werden abgeschirmte Kabel, z. B. solche mit einem Cinch-Stecker (in den USA auch als RCA-Stecker oder RCA-Buchse bekannt) für Audio- und später auch für Video-Verbindungen verwendet. Im Gegensatz zu koaxial aufgebauten Kabeln und Steckverbindern besitzen weder Cinch-Stecker und Cinch-Buchsen einen definierten Wellenwiderstand, weshalb sie auch bei Verwendung von Koaxialkabel mit definiertem Wellenwiderstand sich nicht für Hochfrequenzanwendungen eignen.

Es gibt weitere Kabeltypen für niederige Frequenzen, bei denen der koaxialem Aufbau verwendet wird um eine ausreichend gute Abschirmung gegen Einwirken von äußeren Störfeldern zu ermöglichen. Diese Kabel haben jedoch keinen definierten Wellenwiderstand, z. B. Verwendung als Kabel von 1:10-Tastköpfen bei Messgeräten wie Oszilloskopen. Sie besitzen einen hohen Widerstandsbelag von ~330 Ω/m (versilbertes Stahlkabel) und im Vergleich zu Koaxialkabeln für Hochfrequenzanwendungen einen viel geringern Kapazitätsbelag mit Werten zwischen ~20 pF/m bis 30 pF/m. Solche Kabel werden im Englischen als lossy cable (verlustbehaftete Kabel) bezeichnet bzw. als lossless coaxial cable oder Z₀ coaxial cable bezeichnet. Sie werden z. B. im niederfrequenten Bereich für die Strom- und Hochspannungs-übertragung sowie zur Übertragung von Audio- und/oder Videosignalen (AV-Kabel) verwendet.

Im Gegensatz zu einfach geschirmten Kabeln bieten Koaxialkabel, -Stecker und -Buchsen für Hochfrequenzanwendungen einen definierten Wellenwiderstand und hohen Schirmfaktor. Durch ein definiertes Verhältnis vom Durchmesser des Innenleiters und dessen Abstand zum Außenleiter ist über einen großen Frequenzbereich ein konstanter Wellenwiderstand gegeben. Damit der Wellenwiderstand aber konstant bleibt müssen auch die verwendeten Koaxialstecker und/oder Koaxialbuchsen durch ihre Dimensionierung den gleichen Wellenwiderstand wie das Kabel besitzen.

Für die meisten Zwecke werden flexible runde Koaxialkabel eingesetzt, wobei bei jedem Typ andere minimale Biegeradien beachtet werden müssen die mit zunehmendem Durchmesser des Koaxialkabels immer größer werden. Koaxialleitungen können aber auch starr mit Luft als Dielektrikum aufgebaut sein und/oder andere Formen als rund besitzen, z. B. quadratisch oder elliptisch. Es gibt auch weitere Sonderformen von Koaxialkabeln, bei denen mehrere Leiter und/oder Koaxialkabel durch einen Außenleiter abgeschirmt sind.

Heliflex low loss-Koaxialkabel: Der Innenleiter ist als welliges Kupferrohr ausgeführt und ist im welligen Kupferrohr das den Außenleiter bildet mit einem Wendel mit Kunststoffstegen zentriert.

Der Zwischenraum zwischen dem Innenleiter und der dem Außenleiter bzw. Abschirmung ist ein Isolator bzw. Dielektrikum. Das Dielektrikum kann solides Dielektrikum, ein aufgeschäumtes Dielektrikum (Cellflex Koaxialkabel), vollständig für kurze Koaxiaxialleitungen aus Luft bestehen, wobei man diese als homogenes Dielektrikum bezeichnet. Bei längeren Koaxialkabeln die nur anteilig aus Luft bestehen, werden zur Zentrierung des Innenleiters z. B. Scheiben (d. h. ein längs-inhomogenes Dielektrikum). oder als Wendel oder Wendel mit Stegen (z. B. Heliflex-Koaxialkabel) verwendet (d. h. ein quer-inhomogenes Dielektrikum). Für längere und Stegen zur Zentrierung des Innenleiters (Heliflex-Koaxialkabel) oder auch nur aus Luft bestehen (siehe Luftleitung). Meist ist der Außenleiter durch einen isolierenden, korrosionsfesten und wasserdichten Mantel nach außen hin geschützt. Der Durchmesser des Innenleiters, das Verhältnis der Abmessungen von Innen zu Außenleiter des Koaxialkabels und das ε_r des verwendeten Dielektrikum bestimmt den Leitungswellenwiderstand und die mit steigender Frequenz zunehmende Dämpfung eines Koaxialkabels.

Abhängig vom Außendurchmesser und Kabeltyp besteht der Innenleiter eines Koaxialkabels aus einer oder mehreren Adern und kann bei größeren Kabeldurchmessern auch als Rohr ausgeführt sein.

Viele Koaxialkabel besitzen einen Außendurchmesser zwischen 2 bis 15 mm. Koaxialkabel vom Typ Cellflex bei denen ein aufgeschäumtes Dielektrikum verwendet wird besitzen Durchmesser zwischen 1/4" (6,35 mm) und 1-5/8" (~41,3 mm). Heliflex-Koaxialkabel, die Stege zur Zentrierung des Innenleiters besitzen und Luft als Dielektrikum zur Übertragung von hohen Leistungen im Bereich von mehreren GHz nutzen, z. B. Puls-Radaranlagen, besitzen Abmessungen zwischen 7/8"(~22,3mm) bis zu 6 1/8" (156 mm).

Koaxiale Reusenleitung zur Speisung des Antennenmasts des Mittelwellen-Senders Solt (Ungarn)

Eine vereinfachte koaxiale Bauform sind die als koaxiale Reusenleitung (engl. cage lines) bekannten Freileitungen die zwischen Sender und Antenne zur Übertragung von sehr hohen Sendeleistungen bis über 1 MW eingesetzt werden. Anstelle eines metallischen Geflechts, Folie oder solidem Außenleiter zur Schirmung, werden einige wenige Leitungen parallel zum Innenleiter gespannt die den Außenleiter bilden.

Durch Abschirmung einer Doppelleitung mit einem Außenleiter erhält man eine koaxial geschirmte Doppelleitung oder Twinaxial Koaxialkabel.

„Fliegende“ Koaxialkabel ohne feste Verlegung werden häufig als Antennenkabel für Radio- oder Fernsehempfang verwendet.

Aufbau

Koaxialkabel entmantelt, mit zusätzlicher metallisch leitender Folie unter dem Schirmgeflecht zur Verbesserung des Schirmfaktors

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.

Koaxialkabel, die für die Übertragung von großen Leistungen und/oder minimalen Verluste im GHz-Bereich entwickelt wurden, besitzen oft auch solide Außenabschirmungen aus Kupfer und solide Innenleiter. Bei größeren Durchmessern kommen auch Kupferrohre als Innenleiter zum Einsatz. Um möglichst geringe Biegeradien zu ermöglichen, ist der Außenleiter gewellt, z. B. bei Cellflex Kabeln.

Eine Sonderform stellen Semi-Rigid-Koaxialkabel mit kleinem Durchmesser und solidem Dielektrikum, z. B. Teflon dar, die nur auf kurzen Strecken Verwendung finden.

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 weitere Sonderform von Koaxialkabeln sind Schlitzkabel, die z. B. in Tunneln zur Funkabdeckung als langgestreckte Antenne eingesetzt werden. Beim Schlitzkabel ist gegenüber den meisten Koaxialkabeln eine unvollständige Abschirmung gewünscht, damit durch die unvollständige Abschirmung oder Schlitze im Außenleiter, über die ganze Länge des Kabels kontrolliert HF-Leistung abgegeben und aufgenommen werden kann.

Verwendungen

Ferrit-ummanteltes und übliches Koaxialkabel RG-58 im Querschnitt.

Koaxiales High-end Audiokabel mit BNC-Steckern, adaptiert auf Cinch.

Koaxialkabel sind dazu geeignet, im Frequenzbereich von 0 kHz bis zu mehreren GHz hochfrequente, breitbandige Signale zu übertragen. Koaxialkabel wurden zuerst zur möglichst verlustfreien Übertragung von Hochfrequenzsignalen über lange Strecken, z. B. als Seekabel und Weitverkehrskabel eingesetzt.

Heute werden Koaxialkabel vorwiegend zur Übertragung von hochfrequenten Signalen auf Strecken zwischen wenigen cm bis über 50 m zwischen z. B. Empfängern, Meßgeräten, Sendern und Antennen eingesetzt. je nach Frequenz und verwendetem Kabel können Leistungen bis weit über 10 kW PEP Senderausgangsleistung übertragen werden.

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 werden durch Abschirmung einer Doppelleitung mit einem Außenleiter koaxial sogenannte geschirmte Doppelleitungen oder Twinaxial Koaxialkabel eingesetzt.

Eine Sonderanwendung finden Koaxialkabel 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. Das dafür übliche elektrische S/PDIF-Interface nutzt Cinch-Stecker und wird bei CD-Spielern, DAT-Recordern, bei MiniDisc, zwischen DVD-Player und Heimkinoreceiver, Audioanlagen in Fahrzeugen und bei digitalen Soundkarten in Personalcomputern verwendet (Es gibt auch eine S/PDIF-Spezifikation für die optische Signalübertragung).

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. Dadurch besteht die Möglichkeit zum Bilden von TEM-Mode bei der Wellenausbreitung im Kabel, dadurch, dass der Leiterquerschnitt nicht einfach zusammenhängend ist.

Koaxialkabel besitzen einen definierten Wellenwiderstand und keine Impedanz. 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.

• Es gibt verschiedene Gründe, weshalb der Wellenwiderstand gebräuchlicher Koaxialkabel zwischen 50 Ω und 75 Ω liegt:
  • Leitungsverlust (Dämpfung), abhängig von Isolator und ohmschen Widerstand der Leitung
  • übertragbare Leistung
• Der Leitungsverlust pro Länge hängt vom Material ab, das Innen- und Außenleiter trennt.
  • Wird Luft als Isolator verwendet, sind die Verluste bei Z=75 Ω minimal
  • Bei Polyethylen liegt der optimale Wert bei 50 Ω.

Die durch ein Koaxialkabel übertragbare Leistung ist vom Wellenwiderstand abhängig. Bei einem Wellenwiderstand von 30 Ω ist die übertragbare Leistung maximal.

Abhängig von der Anwendung wird deshalb der Wellenwiderstand gewählt.

• TV und Radiotechnik: 75 Ω um Verluste gering zu halten. Da diese Systeme nicht senden, wird der Punkt des geringsten Verlusts gewählt.
• Kommunikationstechnik: 50 Ω um sowohl bei Empfang als auch bei Senden gute Übertragungseigenschaften zu haben. (Mittelwert zwischen 30 Ω und 75 Ω)

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

Zu den wichtigen Parametern eines Koaxialkabels zählen:

• der Wellenwiderstand (Kabelimpedanz) Z_L – er ist von der Leitungslänge und (für hochfrequente Signale näherungsweise) von der Signalfrequenz unabhängig, die Einheit ist Ohm. Üblich sind Koaxialkabel mit einem Wellenwiderstand von 50 Ohm (allgemeine HF-Technik) oder 75 Ohm (Fernsehtechnik), wobei in Deutschland und einigen wenigen Ländern als Kompromiss zwischen beiden Werten auch 60 Ω als Wellenwiderstand genormt wurde, oder 93 Ohm. Der Wert kann experimentell mithilfe der Zeitbereichsreflektometrie bestimmt werden. Der Wellenwiderstand berechnet sich aus dem Verhältnis des Innendurchmessers D des Außenleiters und dem Durchmesser d des Innenleiters des Kabels und den dielektrischen Eigenschaften (relative Permittivität $\varepsilon _{\rm {r}}$) des Isolationsmaterials (Dielektrikum):

$Z_{L}\ =\ {\frac {Z_{o}}{2\pi {\sqrt {\varepsilon _{\rm {r}}}}}}\,\ln {\frac {D}{d}}\ \approx \ {\frac {60~\Omega }{\sqrt {\varepsilon _{\rm {r}}}}}\,\ln {\frac {D}{d}}\ \approx \ {\frac {138~\Omega }{\sqrt {\varepsilon _{\rm {r}}}}}\,\lg {\frac {D}{d}}={\sqrt {\frac {L'}{C'}}}$ mit dem Wellenwiderstand des Vakuums $Z_{0}$

Ein Berechnungsprogramm findet sich in Ref. 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 auf 2,3…20 limitiert ist und durch den flachen Verlauf des Logarithmus weiter auf 0,83…3 reduziert wird, ist auch der Wellenwiderstand von Koaxialkabel nicht willkürlich herstellbar. Koaxialkabel sind daher nur im Bereich von 30 bis 145 Ohm Wellenwiderstand praktisch realisierbar.

• die Dämpfung pro Länge, angegeben in Dezibel pro 100 Meter – ist frequenzabhängig und steigt mit zunehmender Frequenz. Je nach Anforderungen besitzen verlustarme Koaxialkabel einen möglichst großen Durchmesser, eine gute Leitfähigkeit der Leiter, z. B. Aluminum oder Kupfer, wobei die Leiter zur besseren Leitfähigkeit bei zunehmenden Frequenzen auch versilbert werden können (Skin-Effekt) sowie verlustarme Dielektrika. Als Dielektrikum werden sowohl Luft oder Schutzgas (SF6, Schwefelhexafluorid), Kunststoffen, z. B. Polyethylen oder Teflon, als auch eine Kombination aus beidem verwendet. Bei soliden Dielektrika können diese in aufgeschäumter Version Verwendung finden. Bei nicht starren Koaxialkabeln mit Luftisolation wird zusätzlich zur Zentrierung des Innenleiters ein Abstandshalter benötigt, z. B. Scheiben oder Wendel aus einem geeigneten Dielektrikum, wahlweise mit und ohne Stege,
• der Kapazitätsbelag beträgt bei einem 50-Ohm-Koaxialkabel etwa

100 pF/m

• der Induktivitätsbelag beträgt für ein 50-Ohm-Koaxialkabel etwa

250 nH/m

• Ausbreitungsgeschwindigkeit und Verkürzungsfaktor. Die maximal mögliche Ausbreitungsgeschwindigkeit ist durch die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum gegeben und beträgt 299.792,458 km/s. Das entspricht rund 30 cm pro Nanosekunde (30 cm/ns; siehe auch: Lichtfuß). In der Erdatmosphäre wird die Geschwindigkeit durch die Permittivität der Luft auf etwa 299.700 km/s reduziert. In Kabeln verringert sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit weiter aufgrund der Permittivität des verwendeten Dielektrikums. Zur Berechnung verwendet man den sogenannten Verkürzungsfaktor, das ist der Kehrwert der Quadratwurzel der Permittivität ${\varepsilon _{\rm {r}}}$ des Kabeldielektrikums, also ${\frac {1}{\sqrt {\varepsilon _{\rm {r}}}}}$. Für das als Kabeldielektrikum oft verwendete Polyethylen (PE) mit $\varepsilon _{\rm {r}}=2{,}25$ ergibt sich ein Verkürzungsfaktor von $^{2}\!\!/\!_{3}$. Damit beträgt die Ausbreitungsgeschwindigkeit rund 200.000 km/s und die Verzögerungszeit berechnet sich zu ungefähr 5 ns pro Meter Kabel (zum Vergleich: im Vakuum nur etwa 3,33 ns/m). Ebenfalls weit verbreitet als Isoliermaterial ist Teflon mit einem $\varepsilon _{\rm {r}}\approx 2$, was zu einer Verzögerungszeit von etwa 4,7 ns pro Meter führt.
• Schirmdämpfung in Dezibel oder Transferimpedanz in mOhm/m. Die Schirmdämpfung wird für Leitungen eher nicht verwendet. Die Transferimpedanz ist die übliche Messgröße. Messverfahren zur Transferimpedanz sind genormt.

Leitungsanpassung und Reflexionen

Koaxialkabel für Hochfrequenzanwendung werden im Allgemeinen in Leitungsanpassung betrieben. Der Lastwiderstand der Senke soll möglichst genau dem Wellenwiderstand des Kabels 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.

Störende Beeinflussung

Ingress-Messung ohne Sperrfilter 5–18 MHz

Ingress-Messung mit Sperrfilter 5–18 MHz, zu sehen an der Abwesenheit des Signals im linken Bereich des Diagramms

Unter Ingress (engl. ‚Eindringen‘), auch Einstrahlung genannt, versteht man die störende Beeinflussung von Signalen durch elektromagnetische Felder, die von außen in Koaxialkabel eindringen. Egress beschreibt die gegenteilige Erscheinung, nämlich das Austreten von Störfeldern aus Koaxialkabeln. Störende Beeinflussungen können jedoch auch aus der fehlerhaften Anpassung von Endgeräten resultieren.

Quellen störender Beeinflussungen sind u. a. Sendeanlagen, Haushaltsgeräte, Schaltnetzteile und Starkstromleitungen.

Zu den Ursachen einer unzureichenden abschirmenden Wirkung von Koaxialkabeln zählen Mängel des Außenleiters, Bruchstellen oder defekte Steckverbindungen. Andere Fehlerquellen wären Schäden an Abzweigen oder unterirdischen Verteilern. Weiterhin sollte die Qualität des Kabels und insbesondere das Schirmungsmaß den Anforderungen entsprechen. Gute Kabel für TV-Anwendungen erreichen ein Verhältnis elektromagnetischer Feldstärken auf Innen- und Außenseite von etwa 100 dB. Kritische Anwendungen wie in nuklearen Reaktoren setzen mitunter supergeschirmte Kabel ein, beispielsweise entsprechend des UK-Standards AESS(TRG) 71181.

Außerdem kommt es beim Anschluss symmetrischer Antennen über naturgemäß unsymmetrische Koaxialkabel ohne den Einsatz von Symmetriergliedern (Balun) zu Wechselwirkungen. Hierbei gelangen hochfrequente Wechselströme (sogenannte Mantelwellen) auf den Außenleiter, die das Speisekabel zum Teil der Antenne machen. Dies wäre ein Beispiel für störende Beeinflussungen aufgrund fehlerhafter Anpassung von Endgeräten. Aber auch fehlerhafte Steckverbindungen haben diesen Effekt, soweit sich die Stromflüsse auf Innen- und Außenleiter nicht mehr gegenseitig aufheben und nicht nur am Stecker, sondern über die Länge des angeschlossenen Kabels elektromagnetische Felder austreten.

Steckverbinder

→ Hauptartikel: HF-Steckverbinder

Der benötigte Wellenwiederstand, die benötigte max. Betriebsfrequenz und max. zu übertragbane Leistung begrenzen die einsetzbaren koaxialen HF-Steckverbindertypen, nicht jedoch der Durchmesser der Koaxialkabel, da Hersteller für gängige Kabeldurchmesser angepasste Steckverbinder bereitstellen. Die Homogenität des Wellenwiderstandes bestimmt zusätzlich die maximale Betriebsfrequenz (Grenzfrequenz). Es gibt koaxiale Steckverbinder vorwiegen Wellenwiderständen jeweils um die 50 Ohm, 60 Ohm und 75 Ohm.

Während die meisten Steckverbindertypen mit koaxialen Aufbau sich jeweils in Stecker (engl. „male connector“) und Buchsen (engl. „female connector“ oder „jack“), aufteilen, existieren auch einige unipolare oder „geschlechtslosen“ Koaxialsteckverbinder, bei denen bei gleicher Baugröße diese ohne zusätzliche Verbindungsstücke miteinander verbunden werden können, z. B. Dezifix-Steckverbinder (entwickelt von R&S) oder APC-Verbindungen.

Die Steckverbinder unterscheiden sich durch den Innendurchmesser D des Außenleiters, die Größe und Homogenität ihrer Leitungswellenwiderstände der verwendeten Isolierstoffe und ob die mechanische Verbindung durch einen Steck-, Bajonett- oder Schraubverschluss ausgeführt ist. So wird z. B. bei gleichem Durchmesser bei Typ BNC oder beim Typ N die Verbindung zwischen einem Koaxstecker und der Koaxbuchse durch einen Bajonettverschluss gesichert, während Typ TNC und Typ C einen Schraubverschluss nutzten. Während Koaxsteckverbinder in der Regel eine Spitze nutzen, um Kontakt in der Buchse zu bilden, gibt es auch Ausnahmen bei denen die Spitze sich in der Koaxbuchse befindet z. B. reverse SMA.

• UHF-Steckverbinder (ohne definierte Impedanz, daher oft auch scherzhalber als Untauglich für Hoch-Frequenz bezeichnet, findet Einsatz in militärischen, Amateurfunk und CB-Funkgeräten)
• BNC-Steckverbinder (50 Ohm, 60 Ohm und 75 Ohm, findet Einsatz in militärischen, Amateurfunk und kommerziellen-Funkgeräten als auch Meßgeräten)
• TNC-Steckverbinder (50 Ohm, findet Einsatz in militärischen, Amateurfunk und kommerziellen-Funkgeräten)
• N-Steckverbinder (50 Ohm, findet Einsatz in militärischen, Amateurfunk und kommerziellen-Funkgeräten)
• C-Steckverbinder (50 Ohm, findet Einsatz in militärischen, und kommerziellen-Funkgeräten)
• SMA-Steckverbinder, reverse SMA-Steckverbinder, SMB-Steckverbinder und SMC-Steckverbinder sind neuere Steckverbinder für kleine Kabeldurchmesser (50 Ohm, findet Einsatz in militärischen, und kommerziellen-Funkgeräten)
• Belling-Lee-Stecker (75 Ohm, findet Anwendung bei (Kabel-)Fernsehen Antennensteckverbindungen)
• F-Steckverbinder (75 Ohm, findet Anwendung für Verbindung zwischen LNB für Satellitenfernsehen und den Empfängern); bei diesen wird der Innenleiter des Kabels zugleich als Steckerstift verwendet.

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

Heliflex-Koaxialkabel für hohe Übertragungsleistungen. Das Dielektrikum besteht überwiegend aus Luft. Abstandshalter zwischen Innen- und Außenleiter dienen zur Aufrechterhaltung der mechanischen Abmessungen.

Cellflex Rigid-Koaxialkabelmit 1,5 Zoll Außenleiterdurchmesser

Kabelbezeichnung

Im Joint Electronics Type Designation System (JETDS, MIL-STD-196), ein vom United States Department of War während des Zweiten Weltkrieges entwickeltes System zur Benennung elektronischer Ausrüstung, wurden Koaxialkabel mit den Buchstaben RG für Radio Guide bezeichnet. Mit der Revision D dieses Standards vom Januar 1985 wurde die Bezeichnung gestrichen. Aus diesem Grund entsprechen Kabel, die heute mit der Bezeichnung RG-xx verkauft werden, nicht unbedingt den militärischen Spezifikationen.

Für Bus-Topologie im Basisband

• 10BASE5: 10 Mbit/s, Baseband (Basisband), 500 m
  • RG-8 – Thick Ethernet oder YellowCable
    • 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. fünf Segmente
      • max. vier Repeater
      • max. drei Segmente mit Rechneranschlüssen (populated segments)
    • Durchmesser 1,27 cm
    • Anschluss der Rechner mit Invasivstecker (auch Vampirklemme, Vampirabzweige oder Vampire Tap genannt)
• 10BASE2: 10 Mbit/s, Baseband (Basisband), ca. 185 m
  • RG-58 – Thin Ethernet oder CheaperNet
    • 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. fünf Segmente
      • max. vier Repeater
      • max. drei Segmente mit Rechneranschlüssen (populated segments)
    • Durchmesser 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
    • Wellenwiderstand 93 Ω
    • max. Länge 300 m

Breitband

• zum Beispiel Kabelfernsehen, Sat-TV
  • RG-59
    • Wellenwiderstand 75 Ω
    • Durchmesser 0,25 Zoll (6,4 mm)
• S-Video-Kabel.

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:

Bezeichnung	Außen- durch- messer (mm)	min. Biege- radius (mm)	Leitungs- wellen- widerstand	Dämpfung bei (dB/100 m)			Ver- kürzungs- faktor	Schirm- maß a
				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		4,3 b	9,1 c	18,3	0,83	>85 dB

 

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.

 

bei 100 MHz

 

bei 400 MHz

Weblinks

Commons: Koaxialkabel – Sammlung von Bildern und Audiodateien

Wiktionary: Koaxialkabel – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen