Antennenkabel

Koaxialkabel, kurz: Koaxkabel sind zweipolige Kabel mit konzentrischem Aufbau. Sie bestehen aus einem Innenleiter (auch Seele genannt), der von einem in konstantem Abstand um den Innenleiter angebrachten, hohlzylindrischen Außenleiter umgeben ist. Der Zwischenraum besteht aus einem 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.

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.

Koaxialkabel RG-213 mit 10,3 mm Durchmesser. Es wird oft im Amateurfunk verwendet.
1. Seele oder Innenleiter
2. Isolation oder Dielektrikum zwischen Innenleiter und Kabelschirm
3. Außenleiter und Abschirmung
4. Schutzmantel

Inhaltsverzeichnis


Aufbau

Flexible Koaxialkabel besitzen Kabelschirme und Innenleiter aus dünnen, geflochtenen oder verseilten Kupferdrähten. Der Schirm kann durch eine Folie ergänzt sein - das Geflecht darf dann einen geringeren Bedeckungsgrad aufweisen. Koaxialkabel für hohe Leistungen oder hohe Schirmungsfaktoren besitzen einen Außenleiter aus Kupfer-Wellrohr. Semi-Rigid-Kabel für Höchstfrequenzanwendungen haben Außenleiter aus verformbaren Rohren aus Kupfer oder Aluminium mit Außendurchmessern von 1 bis 5 mm.

Eine Sonderform des Koaxialkabels ist der Leckwellenleiter. Der Leckwellenleiter verfügt über eine bewusst schwache Schirmung, so dass eine Abstrahlung oder ein Signalempfang ermöglicht wird. Die HF-Leistung wird über Schlitze oder durch Schirme mit schwachem Bedeckungsgrad gesendet beziehungsweise aufgenommen.

Querschnitt des RG-213.
Ferritummanteltes und übliches Koaxialkabel RG-58 im Querschnitt.
Koaxialkabel zur Datenübertragung, z. B. für digitale oder analoge Fernsehsignale
Semirigid-Koaxialkabel mit 1,5 Zoll Außenleiterdurchmesser

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. Näheres dazu findet sich unter dem Stichwort Transferimpedanz

Einsatzgebiete

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.

Koaxialkabel werden verwendet, um hochfrequente, mitunter breitbandige Signale zu übertragen, gewöhnlich mit 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. Koaxialkabel neigen weniger zum Übersprechen als symmetrische Zweidrahtleitungen ohne Abschirmung, sind aber je nach Dielektrikum auch verlustreicher als diese oder etwa Hohlleiter. Koaxialkabel werden zur Übertragung von Signalen (Laborgeräte, Audiosignale), Hochfrequenz (Sender, Antennen) und zur Breitband-Kommunikation (analoges und digitales Kabelfernsehen, Internet, HFC-Netz) eingesetzt.

Koaxialkabel besitzen einen definierten Leitungswellenwiderstand zur Signalübertragung der bis in den Hochfrequenzbereich verwendet wird. Bei den veralteten lokalen Netzwerken mit 10Base2-Standard waren sie nur für kurze Verbindungen einsetzbar, sie sind hier durch symmetrische Leitungen zur symmetrischen Signalübertragung abgelöst worden, die bessere Eigenschaften zur Störsignalunterdrückung aufweisen.

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 dann für ein transversalelektromagnetisches Feld elektrischer Feldanteil senkrecht zwischen Innen- und Außenleiter , magnetischer Feldanteil zylindrisch um den Innenleiter und Poynting-Vektor senkrecht zu elektrischem und senkrecht zum magnetischen Feldvektor 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 elektromagnetische Welle. Die Dämpfung eines Koaxialkabels wird erheblich durch den Verlustfaktor des Isolatorwerkstoffes bestimmt. Die Verlustmechnismen im Dielektrikum werden über dessen Permittivität festgelegt. Bei einem Koaxialkabel sind der Abstand zwischen Innenleiter und Außenleiter sowie das Material in diesem Zwischenraum (Dielektrikum) ausschlaggebend für den Leitungswellenwiderstand.

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, welche praktisch keinen Verlust aufweist. Solche Koaxialkabel werden auch mit Außenleitern aus geschlossenem Blech und massiven Innenleitern gefertigt. Sie sind jedoch verglichen mit Rohren 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.

Der wesentliche Unterschied zwischen einem Koaxialkabel und einem Hohlleiter ist der beim Koaxialkabel vorhandene Innenleiter und die dadurch festliegenden Moden der Schwingungsausbreitung, das heißt, die Form der elektrischen und magnetischen Feldanteile.

Parameter eines Koaxialkabels

Zu den wichtigen Parametern eines Koaxialkabels gehören:

  • der Leitungswellenwiderstand (Kabelimpedanz) ZL – er ist unabhängig von der Leitungslänge und näherungsweise unabhängig von der Frequenz des Signals und wird in Ohm angegeben. Übliche Leitungswellenwiderstände sind 50 Ohm (allgemeine HF-Technik) oder 75 Ohm (Fernsehtechnik), selten 60 Ohm (alte Systeme) oder 93 Ohm. Der Wert kann experimentell mithilfe der Zeitbereichsreflektometrie bestimmt werden. Der Leitungswellenwiderstand berechnet sich aus dem Verhältnis des Innendurchmessers D des Außenleiters und dem Durchmesser d des Innenleiters des Kabels und den dielektischen Eigenschaften (Permittivität \varepsilon_{\rm r}) des Isolationsmaterials (Dielektrikum):
Asymmetrische Leitung
Z_L = \frac{Z_o}{2 \pi \sqrt{\varepsilon_{\rm r}}}\cdot \ln \left( \frac{D}{d}\right) \approx \frac{59{,}9585~\Omega}{\sqrt{\varepsilon_{\rm r}}}\cdot \ln \left( \frac{D}{d}\right)


mit dem Freiraumwellenwiderstand Zo
Ein Berechnungsprogramm findet sich in [1]. Die oben genannte Formel und das Programm vernachlässigen den Ableitungsbelag und den Widerstandsbelag der Leitung. Diese Vereinfachung ist im Hochfrequenzbetrieb zulässig.
  • die Dämpfung pro Länge, angegeben in Dezibel pro Meter oder pro Kilometer – 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 (hoher Luftanteil). Verlustarme Kabel besitzen eine Isolierstoff-Wendel, um den Innenleiter zu stützen, das Dielektrikum besteht dann vorwiegend aus Luft oder einem Schutzgas (SF6, Schwefelhexafluorid).
100 pF/m
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). In der Atmosphäre wird die Geschwindigkeit durch die Permittivität der uns umgebenden 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 Kabeldielektikums, 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 knapp 0,67. Damit beträgt die Ausbreitungsgeschwindigkeit rund 200.000 km/s und die Verzögerungzeit 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. Die Messverfahren zur Transferimpedanz sind genormt.

Leistungsanpassung und Reflexionen

Koaxialkabel für Hochfrequenzanwendung sollten im Allgemeinen in Leistungsanpassung betrieben werden. Der Abschlusswiderstand auf beiden Seiten des Kabels sollte möglichst genau dem Leitungswellenwiderstand entsprechen. Wird diese Bedingung nicht eingehalten, bewirken Reflexionen am Leitungsende stehende Wellen auf dem Kabel und erhöhte Verluste. Die Nutzsignale werden dadurch am Leitungsende abgeschwächt, und die Fehlanpassung führt zu Leistungsverlusten bei der Übertragung. Der Grad der Fehlanpassung wird über das Stehwellenverhältnis erfasst (siehe auch Zeitbereichsreflektometrie). Die Anpassung einer Last an den Leitungswellenwiderstand kann durch Transformatoren oder Resonanztransformatoren erfolgen.

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

Reflexionen entstehen an allen Stellen einer Leitung, an denen sich der Leitungswellenwiderstand ändert, dies trifft zum Beispiel auf ungeeignete Verbindungstellen (Stecker) insbesondere bei höheren Frequenzen zu. Die Verbindung der Kabel untereinander erfolgt über koaxiale Stecker.

Steckverbinder

Aufbau und äußerer Durchmesser sowie der gewünschte Betriebsfrequenzbereich bestimmen die verwendbaren koaxialen Anschlussstücke (siehe HF-Steckverbinder). Dabei unterscheidet man Stecker (engl. „male connector“) und Buchsen (engl. „female connector“). Daneben gibt es auch „geschlechtslose“ Verbinder (Beispiel: APC7). Die Steckverbinder unterscheiden sich durch den Innendurchmesser D des Außenleiters, die Größe und Homogenität ihres Leitungswellenwiderstandes und die verwendeten Isolierstoffe. Diese sowie die Homogenität des Leitungswellenwiderstandes 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 und 75 Ohm.

  • Belling-Lee-Stecker (Kabelfernsehen, terrestrische Antennensteckverbindungen)
  • F-Steckverbinder (Satellitenfernsehen); bei diesen wird der Innenleiter zugleich als Steckerstift verwendet.

Folgende Tabelle listet beispielhaft Steckverbinder mit hoher Grenzfrequenz:

Durchmesser Bezeichnung Grenzfrequenz
7,00 mm APC7, N 18 GHz
3,50 mm (SMA) 34 GHz
2,92 mm K 40 GHz
2,40 mm - 50 GHz
1,85 mm V 67 GHz
1,00 mm W 110 GHz

Kabeltypen

Kabelbezeichnung

  • Beispiel: RG-59/U bedeutet: Radio Guide" - "Number" / "General utility" (veraltete US-Militärnorm)

für Bus-Topologie im Basisband

  • 10Base5: (10 Mbit/s, Baseband (Basisband), 500 m
    • RG-8 oder RG-11 – Thick Ethernet oder YellowCable
      • Leitungswellenwiderstand 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 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
      • Leitungswellenwiderstand 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 0,64 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
      • Leitungswellenwiderstand 93 Ω
      • max. Länge 300 m

Breitband

  • zum Beispiel Kabelfernsehen, Sat-TV
    • RG-59
      • Leitungswellenwiderstand 75 Ω
      • Durchmesser 0,25 Zoll (0,64 cm)
  • S-Video-Kabel

Technische Daten

Die technischen Daten einiger ausgewählten Kabeltypen:

Bezeichnung Außen​durch​messer min. Biege​radius Leitungs​wellen​widerstand Dämpfung bei 145 MHz Dämpfung bei 432 MHz Dämpfung bei 1,3 GHz Verkürzungs​faktor Schirmmaß (siehe Hinweis)
RG174A/U 2,60 mm 15 mm 50±2 Ω 38,4 dB/100 m 68,5 dB/100 m >104,2 dB/100 m 0,66  
RG58C/U 4,95 mm 25 mm 50±2 Ω 17,8 dB/100 m 33,2 dB/100 m 64,5 dB/100 m 0,66  
RG213/U 10,30 mm 50 mm 50±2 Ω 8,5 dB/100 m 15,8 dB/100 m 30,0 dB/100 m 0,66 60 dB
Aircell 5 5,00 mm 30 mm 50±2 Ω 11,9 dB/100 m 20,9 dB/100 m 39,0 dB/100 m 0,82  
Aircell 7 7,30 mm 25 mm 50±2 Ω 7,9 dB/100 m 14,1 dB/100 m 26,1 dB/100 m 0,83 83 dB
Aircom Plus 10,30 mm 55 mm 50±2 Ω 4,5 dB/100 m 8,2 dB/100 m 15,2 dB/100 m 0,85 85 dB
Ecoflex 10 10,20 mm 44 mm 50±2 Ω 4,8 dB/100 m 8,9 dB/100 m 16,5 dB/100 m 0,86 >90 dB
Ecoflex 15 14,60 mm 150 mm 50±2 Ω 3,4 dB/100 m 6,1 dB/100 m 11,4 dB/100 m 0,86 >90 dB
H1000 10,30 mm 75 mm 50±2 Ω 4,3 dB/100 m
(bei 100 MHz)
9,1 dB/100 m
(bei 400 MHz)
18,3 dB/100 m 0,83 >85 dB

Hinweis: Die Angabe eines Schirmmaßes ohne Angabe der Frequenz oder der gewählten Bezugsgrößen (z.B. Strom, Spannung oder Feldstärke) ist nicht eindeutig. Die Schirmwirkung einer Koaxialleitung ist üblicherweise stark frequenzabhängig. Näheres über die Schirmwirkung von Koaxialkabeln und deren normgerechte Messung steht im Artikel Transferimpedanz.

Siehe auch

Quellenangaben

  1. http://www.microwaves101.com/encyclopedia/calcoax.cfm Programm zur Berechnung des Leitungswellenwiderstands

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