Koaxialkabel

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Koaxialkabel, kurz: Koaxkabel sind zweiadrige Kabel mit konzentrischem Aufbau. Sie bestehen aus einem Innenleiter (auch Seele genannt), der von einem in konstantem Abstand um den Innenleiter angebrachten Außenleiter umgeben ist. Im Zwischenraum befindet sich ein Isolator bzw. Dielektrikum, dieses kann teilweise oder ganz 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 mm bis 100 mm.

Beispiel eines Koaxialkabels (hier RG-213 mit 10,3 mm Durchmesser), welches oft im Amateurfunk verwendet wird.
1. Seele oder Innenleiter
2. Isolation oder Dielektrikum zwischen Innenleiter und Kabelschirm
3. Außenleiter (hier einmal ausgeführt)
4. Schutzmantel

[Bearbeiten] Allgemeines

Querschnitt des RG-213.

Im Gegensatz zu einer geschirmten Leitung, bei der der Kabelschirm oft nur an einer Seite angeschlossen ist, oft nur eine abschirmende Wirkung gegenüber störenden elektrischen Feldern hat und keinen Betriebsstrom führt, ist der Außenleiter beim Koaxialkabel nicht nur Schirmung, sondern einer der beiden Leiter. Bei einem Koaxialkabel sind der Abstand zwischen Innenleiter und Außenleiter sowie das Material in diesem Zwischenraum (Dielektrikum) wichtige Parameter. Im englischen Sprachraum wird der Außenleiter dennoch auch bei Koaxialkabeln als shield (Schirm) bezeichnet.

Es gibt auch Sonderformen von Koaxialkabeln mit zwei Innenleitern oder mehreren, koaxial 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.

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.

Semirigid-Koaxialkabel mit einem Durchmesser des Außenleiters von 1,5 Zoll

Ein wesentliches Merkmal von Koaxialkabeln ist, dass der Energiefluss auch im Dielektrikum zwischen Innenleiter und Außenleiter erfolgt und nicht nur in den elektrischen Leitern. Mathematisch wird dies in Form des Poynting-Vektors ausgedrückt. Das Koaxialkabel kann bei hohen Frequenzen als Wellenleiter aufgefasst werden, die Oberflächen des metallischen Innen- und Außenleiters dienen als Begrenzung für eine zwischen diesen entlanglaufende elektromagnetische Welle. Die Dämpfung eines Koaxialkabels wird daher wesentlich auch durch den dielektrischen Verlustfaktor des Isolatorwerkstoffes, welcher sich zwischen Innen- und Außenleiter befindet, bestimmt.

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 mechanisch wenig flexibel, vergleichbar mit Rohren, 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 Felder.

Die Verbindung der Kabel untereinander erfolgt über koaxiale Stecker.

[Bearbeiten] Parameter

Zu den wichtigen Parametern eines Koaxialkabels gehören:

der Leitungswellenwiderstand Z_L – er 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. Der Wellenwiderstand berechnet sich aus dem Verhältnis von äußerem und innerem Durchmesser des Kabels und den dielektischen Eigenschaften (Permittivität $\varepsilon_{\rm r}$ ) des Isolationsmaterials (Dielektrikum):

$Z_L \approx \frac{59{,}9585~\Omega}{\sqrt{\varepsilon_{\rm r}}}\cdot \ln \left( \frac{D}{d}\right) \approx 59{,}94~\Omega \cdot \ln \left( \frac{D}{d}\right)$

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. Verlustarme Kabel besitzen eine isolierende Wendel, 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.
die Ausbreitungsgeschwindigkeit in Meter pro Sekunde. 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 verwendetete 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 5,3 ns pro Meter führt.

Flexible Koaxialkabel besitzen Kabelschirme und Innenleiter aus dünnen geflochtenen oder verseilten Kupferdrähten. Koaxialkabel für hohe Leistungen 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.

[Bearbeiten] Steckverbinder

Aufbau und äußerer Durchmesser sowie der gewünschte Betriebsfrequenzbereich bestimmen die verwendbaren koaxialen Anschlussstücke (Steckverbinder). Hier unterscheidet man in erster Linie Stecker (engl. „male connector“) und Buchsen (engl. „female connector“). Daneben gibt es auch „geschlechtslose“ Verbinder (Beispiel: APC7). In zweiter Linie unterscheiden sich die Steckverbinder durch den Innendurchmesser D des Außenleiters und dem damit zusammenhängenden maximalen Betriebsfrequenzbereich (Grenzfrequenz). Gängige Typen sind:

 Durchmesser   Bezeichnung   Grenzfrequenz
    7 mm         APC7, N         18 GHz
    3,5 mm       (SMA)           34 GHz
    2,92 mm        K             40 GHz
    2,4 mm         -             50 GHz
    1,85 mm        V             67 GHz
    1,0 mm         W            110 GHz

[Bearbeiten] Leistungsanpassung und Reflexionen

Koaxialkabel für Hochfrequenzanwendung 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 Signale verfälschen und aufgrund von Fehlanpassung zu Leistungsverlusten führen. Die Größe der Fehlanpassung wird durch das Stehwellenverhältnis ausgedrückt oder gemessen.

Reflexionen und frequenzabhängige Eigenschaften des Dielektrikums verschlechtern auch die Flankensteilheit von digitalen Signalen.

[Bearbeiten] Kabeltypen

[Bearbeiten] Kabelbezeichnung

Beispiel: RG-59/U bedeutet: Radio Government" - "Number" / "General utility"

[Bearbeiten] 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

[Bearbeiten] für Stern-Topologie im Basisband

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

[Bearbeiten] Breitband

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

[Bearbeiten] Siehe auch

Von „http://de.wikipedia.org../../../k/o/a/Koaxialkabel.html“

Kategorien: Funktechnik | Kabel | Ethernet