Einteilung der Koaxialkabel in Kabelgruppen

Der Außenleiter eines flexiblen Standardkabels besteht aus einem einfachen Drahtgeflecht. Um die Schirmwirkung zu erhöhen, wird dieser auch doppelt (=doppelt geschirmtes Koaxialkabel) ausgeführt. Dabei werden zwei Geflechtschirme übereinander gelegt, um die Dichte des Geflechts zu erhöhen. Durch die sich dabei ergebende kleinere Maschenweite wird auch die Schirmwirkung bei höheren Frequenzen verbessert und der nutzbare Frequenzbereich erhöht sich.

Bei den flexiblen Standardkabeln besteht das Dielektrikum aus Polyethylen (PE) und der Mantel aus Polyvinylchlorid (PVC). Diese Kabel sind sehr flexibel und eignen sich für zahlreiche Anwendungen.

Die bekanntesten flexiblen Standardkabel mit PE-Dielektrikum und PVC Mantel sind:

• RG-174 (2,2 mm), bis 1 GHz
  
• RG-58 (5 mm), bis 1 GHz
  
• RG-223 (5,4 mm), bis 6 GHz
  
• RG-213 (10,3 mm), bis 1 GHz
  
• RG-214 (10,8 mm), bis 6 GHz
  

Die Kabel RG 223 und RG 214 sind doppelt geschirmt.

Bild: Koaxialkabel mit Drahtinnenleiter, PE-Dielektrikum, doppelten Geflechtschirm und PVC-Mantel (RG 223)

Hochwertigere Kabel bestehen aus einem PTFE-Dielektrikum und FEP-Mantel. Diese Kabel zeichnen sich durch einen weiten Temperaturbereich (bis +165 °C) und einer sehr guten Beständigkeit gegenüber Umwelteinflüssen und Chemikalien aus.

PTFE ist aber nicht nur aus elektrischer Sicht ein besserer Isolator als PE, es ist auch mechanisch etwas fester. PTFE/FEP-Kabel sind daher auch etwas robuster und zuverlässiger als PE/PVC-Kabel.

Die bekanntesten flexiblen Standardkabel mit PTFE-Dielektrikum und FEP/PFA-Mantel sind:

• RG-178 (1,8 mm), bis 3 GHz
  
• RG-316 (2,5 mm), bis 3 GHz
  
• RD-316 (2,9 mm), bis 6 GHz
  
• RG-142 (4,9 mm), bis 6 GHz
  
• RG-400 (4,9 mm), bis 6 GHz
  
• RG 393 (9,9 mm), bis 6 GHz
  

Mit Ausnahme des RG 178 und RG 316 sind alle angegebenen Kabel doppelt geschirmt. Das RD 316 ist im wesentlichen ein doppelt geschirmtes RG 316.

Die Kabel RG 142 und RG 400 unterscheiden sich durch ihren Innenleiter. Dieser ist beim RG 142 als verkupferter und versilberter Stahldraht und beim RG 400 als versilberte Kupferlitze ausgeführt. Beide Kabel sind aber deutlich weniger flexibel als ein PE/PVC Standardkabel gleichen Außendurchmessers.

Das RG 393 zeichnet sich durch eine sehr hohe Belastbarkeit aus.

Bild: Koaxialkabel mit Drahtinnenleiter, PTFE-Dielektrikum, doppelten Geflechtschirm und FEP-Mantel (RG 142)

Kabel mit einer im Vergleich zu Standardkabeln niedrigeren Dämpfung werden als "Low Loss Kabel" bezeichnet.

Um eine möglichst niedrige Kabeldämpfung zu erzielen, bei gleichem Außendurchmesser und gleichem Wellenwiderstand, ist eine möglichst niedrige relative Permittivität (Dielektrizitätskonstante) notwendig. Um den Wellenwiderstand gleich zu halten, muss dann der Durchmesser des Innenleiters ansteigen, wodurch seine Verluste sinken. Die Verluste des Innenleiters tragen, bei üblichen Betriebsfrequenzen, überwiegend zur Gesamtdämpfung des Kabels bei und führen so zu einem Kabel niedriger Dämpfung.

Die Verluste des Dielektrikums reduzieren sich zwar auch mit abnehmender relativer Permittivität des Dielektrikums, der Einfluss wird aber meist erst bei sehr hohen Frequenzen zunehmend relevant.

Zur praktischen Realisierung eines Dielektrikums mit niedriger rel. Permittivität verwendet man geschäumtes oder mit Luftzellen versehenes Polyethylen (PE). Der Innenleiter von Low Loss Kabeln wird bevorzugt als Draht ausgeführt, denn auch dies wirkt sich positiv auf die Dämpfung aus. Der Außenleiter besteht aus einer Kombination aus einer leitfähigen Folie, die das Dielektrikum vollständig umschließt, und einem zumeist weniger dichten Geflechtschirm. Low Loss Kabel erreichen damit auch einen verlustarmen Außenleiter und eine sehr hohe Schirmdämpfung. Letzteres wird von zeitgemäßen Koaxialkabeln zunehmend gefordert.

Zur Vermeidung einer Rissbildung wird die leitfähige Folie zumeist auf der dem Dielektrikum zugewandten Seite mit Kunststoff beschichtet oder mit dem Dielektrikum verklebt. Der Übergang zwischen der Folie und dem Steckverbinder ist bei Folien-/Geflechtkabeln generell problematischer als bei Geflechtkabeln. Durch die teilweise mechanisch und elektrisch sehr undefinierte Verbindung können bewegungsabhängige Peaks bei höheren Frequenzen (ab ca. 2-3 GHz) entstehen.

Als Kabelmantel wird bei Low Loss Kabeln bevorzugt PE verwendet, da die Kabel überwiegend im Außenbereich eingesetzt werden. Für Anwendungen mit erhöhten Anforderungen an den Brandschutz sind aber nahezu alle Low Loss Kabel auch mit einem flammwidrigen und halogenfreien Mantel verfügbar.

Low Loss Kabel gibt es mit vergleichbarem Aufbau von verschiedenen Herstellern. Die Bezeichnung beginnt je nach Hersteller mit einem unterschiedlichen Namen, danach folgt in der Regel die Angabe des Außendurchmessers in tausendstel Zoll.

Gelegentlich werden die Kabel auch über den Außendurchmesser des Innenleiters und dem Innendurchmesser des Außenleiters bezeichnet, z.B. 2.7/7.25 (mm).

Bekannte Low Loss Kabel sind:

• Low Loss 100 (2,8 mm)
  
• Low Loss 195 (5,0 mm)
  
• Low Loss 240 (6,1 mm)
  
• Low Loss 300 (7,6 mm)
  
• Low Loss 400 (10,3 mm)
  
• Low Loss 600 (15,0 mm)
  

Der Frequenzbereich reicht bis ca. 6 GHz.

Low Loss Kabel mit Drahtinnenleiter und PE-Mantel sind im Vergleich zu einem PE/PVC-Standardkabel ähnlichen Durchmessers deutlich weniger flexibel. Dies ist aber auch nicht störend, da diese Kabel üblicherweise fest installiert werden.

Für Anwendungen bei denen das Kabel regelmäßig bewegt wird (z.B. drehbare Antennen) verwendet man besser ein Low Loss Kabel mit Kupfer-Litzeninnenleiter und PVC-Mantel. Keinesfalls sollte man ein Low Loss Kabel mit Aluminium-Innenleiter bei dynamischer Beanspruchung verwenden.

Bild: Koaxialkabel mit Litzeninnenleiter, geschäumten PE-Dielektrikum, Folien-/Geflechtaußenleiter und PVC-Mantel (Ultraflex 7)

Die beste und nahezu perfekte Schirmdämpfung erreicht man, indem der Außenleiter als vollständig geschlossenes Rohr ausgeführt wird. Aus elektrischer Sicht bildet das geschlossene Rohr den besten Außenleiteraufbau. Diese halbstarren Kabel werden als Semi-Rigid Leitungen bezeichnet. Durch den starren Aufbau erreichen Semi-Rigid Leitungen eine sehr hohe Stabilität der elektrischen Eigenschaften.

Der Außenleiter einer Semi-Rigid Leitung besteht aus Kupfer, oder wenn Preis und Gewicht relevant sind, auch aus Aluminium. Die Oberfläche wird meist verzinnt, seltener versilbert.

Für die Verwendung in Kryostaten bei Heliumtemperaturen können Semi-Rigid Leitungen mit Kupfermantel aufgrund der hohen thermischen Leitfähigkeit des Mantels nicht verwendet werden. Für diese Anwendungen sind spezielle Semi-Rigid Leitungen mit einem Außenleiter aus Edelstahl oder anderen Materialien niedriger thermischer Leitfähigkeit erhältlich. Allerdings erfordert die Montage der Steckverbinder einen erheblichen Aufwand, um eine zuverlässige Lötverbindung mit Edelstahl herzustellen. Diese Semi-Rigid Leitungen sind dementsprechend vergleichsweise teuer.

Der Innenleiter einer Semi-Rigid Leitung besteht in der Regel aus Stahl, verkupfert und versilbert, oder Kupfer versilbert. Letzteres ist für Leitungen im Umfeld hoher Magnetfelder wichtig.

Selbst für Anwendungen bei extrem hohen Temperaturen bis etwa 300 °C sind spezielle Semi-Rigid Leitungen erhältlich.

Die sich aufgrund des nahezu perfekten Aufbaus ergebende hervorragende Schirmdämpfung ermöglicht die Verwendung von Semi-Rigid Leitungen bis zu höchsten GHz-Frequenzen. Aufgrund der hervorragenden elektrischen Eigenschaften werden Semi-Rigid Leitungen häufig zur Innenverkabelung von HF-Messgeräten verwendet.

Durch die hohe Stabilität der elektrischen Eigenschaften lassen sich auch Leitungssätze gleicher elektrischer Länge herstellen (Phase Matching).

Semi-Rigid Leitungen werden mit einem Biegewerkzeug oder einer CNC Biegemaschine in die gewünschte Form gemäß einer Biegeskizze oder 3D-Zeichnung gebogen und behalten diese bei. Erst anschließend erfolgt eine thermische Behandlung (Tempern) mittels definierten Kühl- und Heizzyklen. Dieser künstliche Alterungsprozess führt zu einer Entspannung des PTFE-Dielektrikums und ist für die Langzeitstabilität (fließen des Dielektrikums) und auch für die nachfolgende Montage der Steckverbinder unbedingt erforderlich. Ohne diese thermische Behandlung würde sich bereits beim Lötvorgang das Dielektrikum stark ausdehnen und eine Einhaltung der engen Toleranzen verhindern.

Semi-Rigid Leitungen werden nach ihrem Außendurchmesser in Tausendstel Zoll (mil) oder mit einer RG-Nummer bezeichnet.

Bekannte Semi-Rigid Leitungen sind:

• Semi-Rigid 0,047" (1,2 mm), bis 107 GHz
  
• Semi-Rigid 0,086" / RG 405 (2,2 mm), bis 40 GHz
  
• Semi-Rigid 0,141" / RG 402 (3,6 mm), bis 33 GHz
  
• Semi-Rigid 0,250" / RG 401 (6,4 mm), bis 18 GHz
  

Semi-Rigid Leitung (0,141") mit zwei SMA Winkellötstecker

Eine Mischung zwischen flexiblen Kabeln und starren Semi-Rigid Leitungen bilden handformbare (halbflexible, engl. conformable) Semi-Rigid Leitungen. Hierbei wird das Metallrohr durch ein komplett mit Zinn getränktes Außenleitergeflecht ersetzt. Diese Leitungen können einfach von Hand in die gewünschte Form gebogen werden, die sie anschließend ebenfalls beibehalten. Sie erreichen ebenfalls eine sehr hohe Schirmdämpfung, können aber bedeutend einfacher nach der Konfektion mit Steckverbindern ohne spezielle Biegewerkzeuge direkt in ein Gerät eingebaut werden.

Handformbare Leitungen sollten nicht öfters als unbedingt notwendig gebogen werden, ansonsten besteht die Gefahr des Außenleiterbruchs. Sie sind deutlich preisgünstiger als starre Semi-Rigid Leitungen und verdrängen letztere zunehmend in vielen Anwendungen.

Handformbare Semi-Rigid Leitungen eignen sich ebenfalls sehr gut zur Herstellung von Kabelsätzen gleicher elektrischer Länge (Phase Matching).

Ein Mantel ist bei handformbaren Semi-Rigid Leitungen nicht notwendig. Für spezielle Anwendungen, bei denen die Leitungen Umwelteinflüssen ausgesetzt sind, sind aber Ausführungen mit einem Mantel aus FEP verfügbar.

Die Abmessungen von handformbaren Semi-Rigid Leitungen sind identisch zu starren Semi-Rigid Leitungen.

Bekannte handformbare Semi-Rigid Leitungen sind:

• Semi Flex 0,086" (2,1 mm), bis 40 GHz
  
• Semi Flex 0,141" (3,6 mm), bis 33 GHz
  

Koaxialkabel mit zinngetränkten Geflechtschirm (handformbar)

Um die Vorteile wie der große Frequenzbereich und die hohe Schirmdämpfung von Semi-Rigid Leitungen auch auf flexible Kabel zu übertragen, wickelt man bei flexiblen Mikrowellenkabeln ein Metallband (meist versilbertes Kupfer) spiralförmig als Außenleiter um das Dielektrikum. Darüber folgt nochmal ein Geflechtschirm und ein Mantel aus FEP.

Das spiralförmig gewickelte Metallband führt zu einer lückenlosen Abschirmung und einem möglichst stabilen koaxialen Aufbau, der auch bei einer Bewegung des Kabels beibehalten wird.

Der gesamte Außenleiter bestehend aus Band und Geflechtschirm wird bei diesen Kabeln direkt mit dem Steckverbindergehäuse verlötet, so dass auch in diesem kritischen Bereich eine hohe Abschirmung und eine sehr gute elektrische Anpassung gewährleistet ist.

Üblicherweise besteht das Dielektrikum dieser Kabel aus festem PTFE und die Abmessungen sind mit starren Semi-Rigid Leitungen 0,086" und 0,141" identisch. Unter Berücksichtigung des zusätzlichen FEP-Mantels beträgt der Außendurchmesser dann 2,2 mm bzw. 4,1 mm.

Als Steckverbinder können die der entsprechenden Semi-Rigid Leitungen verwendet werden. Die Lötverbindung des Außenleiters ist jedoch mechanisch sehr empfindlich und muss mit einem Knickschutz effektiv vor einer Beschädigung geschützt werden. Hierzu eignen sich thermoplastische Umspritzungen oder spezielle Knickschutzhülsen aus Metall.

Für spezielle Anwendungen mit der Forderung nach einer niedrigen Dämpfung und hoher Belastbarkeit sind flexible Mikrowellenkabel mit gewickelten, expandiertem PTFE-Dielektrikum (ePTFE tape wrapping) verfügbar. Die Abmessungen dieser Kabel sind dann aber nicht mehr zu Standard Semi-Rigid Leitungen kompatibel, so dass spezielle Steckverbinder notwendig sind.

Bild: Mikrowellenkabel, Multiflex 141 (H+S)

Bei der vektoriellen Netzwerkanalyse wird ein Koaxialkabel als Testkabel zwischen Netzwerkanalysator (VNA) und Testobjekt (DUT) verwendet. Mit einem Kalibrierkit wird der DUT-Anschluss des Testkabels als Referenzebene kalibriert. Für präzise und reproduzierbare Messergebnisse darf sich anschließend die Phase und Dämpfung des Testkabels nicht mehr ändern.

Biegt man aber ein Koaxialkabel, kommt es durch Stauchungen und Dehnungen zu einer Änderung der Geometrie. Dies führt wiederum zu einer Änderung der Phase und der Dämpfung.

Durch geeignete Auswahl des Kabelaufbaus und der verwendeten Materialien lässt sich die Stabilität eines Testkabels optimieren. Für einfache Anwendungen können auch flexible Standard-Mikrowellenkabel mit festem PTFE-Dielektrikum und gewickeltem Außenleiterband ausreichend sein.

Neben der Bewegungsabhängigkeit ist aber bei besonders präzisen Messungen auch die Temperaturabhängigkeit nicht zu vernachlässigen. Leider zeigen aber gerade Kabel mit festen PTFE-Dielektrikum eine hohe Temperaturabhängigkeit der Phase, insbesondere im Bereich zwischen 15 und 20 °C.

Dieses Problem lässt sich mit einem Dielektrikum aus PTFE niedriger Dichte erheblich verbessern. Ein gewickeltes Dielektrikum aus expandiertem PTFE (ePTFE tape wrapping) ist aber wieder sehr weich und steht einer hohen Stabilität gegenüber Biegungen entgegen. Wird aber das Dielektrikum extrudiert (low density extrusion PTFE), dann wird es mechanisch wieder stabiler. Diese Dielektrika bilden die Grundlage moderner phasenstabiler Testkabel. Der Aufwand für die Optimierung dieser Kabel spiegelt sich im Preis wieder.

Doch wie wird die Stabilität eines Kabels gemessen? In der DIN EN IEC 60966-1 (konfektionierte Koaxial- und Hochfrequenzkabel, Fachgrundspezifikationen) sind Messverfahren für die Phasenstabilität im Abschnitt 8.6 angegeben. Üblicherweise wird das Kabel um einen Dorn mit definiertem Durchmesser U-förmig (180°) einmal im und einmal gegen den Uhrzeigersinn gebogen und dabei die maximale Phasenänderung zum Zustand vor der Messung aufgezeichnet. Der Durchmesser des Dorns entspricht in der Regel etwa dem dynamischen Biegeradius und damit bei üblichen Testkabeln etwa 3 inch / 7,5 cm.

Viele Hersteller verwenden aber davon abweichende Verfahren, die im entsprechenden Datenblatt angegeben sind. Dies erschwert einen Vergleich von Testkabeln unterschiedlicher Hersteller.

Mobilfunkstationen oder andere Sende- und Empfangsanlagen mit langen Kabelstrecken benötigen Kabel mit niedriger Dämpfung, hoher Belastbarkeit und hoher Schirmdämpfung, um sowohl Verluste als auch Störungen zu minimieren.

Die Forderung nach niedriger Dämpfung und hoher Belastbarkeit lässt sich mit einem großen Kabeldurchmesser im cm-Bereich und der Verwendung eines geschäumten PE-Dielektrikums erfüllen. Eine sehr hohe Schirmdämpfung wird mit einem geschlossenen Metallrohr als Außenleiter erreicht.

Damit ein solches Kabel bei der Installation noch gebogen werden kann, wird der Außenleiter (und ggf. auch der Innenleiter) als gewelltes Rohr ausgeführt, womit auch die Herkunft der Bezeichnung "Wellmantelkabel" (corrugated coaxial cable) klar wird.

Der typische Durchmesser eines Wellmantelkabels liegt im Bereich weniger cm. Die für Wellmantelkabel passenden Steckverbinder sind für eine einfache Installation vor Ort ausgelegt. Die Bezeichnung der unterschiedlichen Wellmantelkabel erfolgt über den Außendurchmesser in Zoll.

Übliche Abmessungen von Wellmantelkabel sind:

• 1/4" (7,6 mm), bis 18 GHz
  
• 3/8" (10,8 mm), bis 12 GHz
  
• 1/2" (15,9 mm), bis 10 GHz
  
• 7/8" (27,5 mm), bis 5 GHz
  
• 1 1/4" (39,5 mm), bis 3,5 GHz
  
• 1 5/8" (49,8 mm), bis 2,7 GHz
  

Wellmantelkabel mit Drahtinnenleiter

In der Nachrichtentechnik verwendet man Koaxialkabel mit einem Wellenwiderstand von 50 Ohm, in der TV- und Videotechnik dagegen mit 75 Ohm.

Bekannte 75 Ohm Standardkabel sind:

• RG 179 (2,5 mm), bis 3 GHz
  
• RG 187 (2,6 mm), bis 1 GHz
  
• RD 179 / RG 179 D (3 mm), bis 2 GHz
  
• RG 302 (5,1 mm), bis 1 GHz
  
• RG 59 (6,1 mm), bis 1 GHz
  

Mit Ausnahme des RG 59 bestehen alle aufgelisteten Kabel aus PTFE-Dielektrikum und FEP-Mantel. Das RG 59 ist ein sehr flexibles 75 Ohm PE/PVC-Standardkabel.

Das RD 179 unterscheidet sich vom RG 179 durch einen doppelten Geflechtschirm und ist auch das einzige doppelt geschirmte Kabel in der Auflistung.

Das RG 179 unterscheidet sich vom RG 187 durch den Außenmantel, dieser ist beim RG 187 aus PFA ausgeführt. Dadurch kann das Kabel etwas höher belastet werden.