Wichtige Standardkabel

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

Das Dielektrikum eines einfachen Standardkabels besteht aus Polyethylen (PE) und der Mantel aus Polyvinylchlorid (PVC). Diese Kabel sind sehr flexibel und eignen sich für alle Anwendungen ohne besondere Anforderungen.

Die wichtigsten 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, alle anderen einfach.

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

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

PTFE/FEP-Kabel haben bessere elektrische Eigenschaften als PE/PVC-Kabel und sind mechanisch etwas fester. Sie sind so robuster und zuverlässiger. Optimal für Anwendungen mit erhöhten Anforderungen und im Messlabor.

Die wichtigsten 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 eine doppelt geschirmte Variante des RG-316 und wird auch als RGD-316 bezeichnet.

Die Kabel RG-142 und RG-400 unterscheiden sich durch ihren Innenleiter. Dieser ist beim RG-142 ein verkupferter und versilberter Stahldraht, beim RG-400 eine versilberte Kupferlitze. Das RG-142 ist so etwas robuster, das RG-400 etwas flexibler. Beide Kabel sind aber deutlich weniger flexibel als ein PE/PVC-Standardkabel gleichen Außendurchmessers (z.B. RG-223).

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

PTFE-Kabel werden umgangssprachlich als „Teflonkabel“ bezeichnet. Dies ist nicht korrekt,
denn die Bezeichnung „Teflon“ ist eine eingetragene Handelsmarke der „The Chemours Company FC, LLC“. Kabelhersteller nutzen diese Markenbezeichnung für PTFE üblicherweise nicht.

Der Hersteller Huber+Suhner bietet mit der Enviroflex-Serie eine halogenfreie Alternative zu den gebräuchlichen PTFE/FEP-Kabeln. Diese sind bezüglich ihrer Abmessungen kompatibel zu den entsprechenden RG-Kabeln, bestehen aber nicht aus fluorierten Kunststoffen. Sie sind halogenfrei und schwer entflammbar.

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

Kabel, mit einer im Vergleich zu einem Standardkabel gleichen Durchmessers niedrigeren Dämpfung, werden als „Low Loss“ oder „Dämpfungsarme Kabel“ bezeichnet.

Um bei gleichem Außendurchmesser eine niedrigere Kabeldämpfung zu erzielen, bringt man in ein PE-Dielektrikum Luftzellen ein, so dass ein PE-Schaum entsteht. Dadurch sinkt dessen relative Permittivität (Dielektrizitätskonstante). Damit der Wellenwiderstand gleich bleibt, muss der Durchmesser des Innenleiters ansteigen.

Damit sinkt der Leiterwiderstand des Innenleiters und so seine Verluste. Bei üblichen Betriebsfrequenzen tragen diese überwiegend zur Gesamtdämpfung des Kabels bei. Die Ausführung des Innenleiters als einzelner Draht anstelle einer Litze optimiert die Dämpfung nochmals geringfügig und wird daher bevorzugt.

Beispielsweise hat ein 50 Ohm Standardkabel mit 10 mm Außendurchmesser und festem PE-Dielektrikum (z.B. RG-213) einen Innenleiterdurchmesser von 2,3 mm. Durch das Einbringen von Luftzellen in das Dielektrikum sinkt die rel. Permittivität um etwa 40 % und der Innenleiterdurchmesser steigt auf ca. 2,8 mm an. Nur so bleibt der Wellenwiderstand gleich.

Die dielektrischen Verluste reduzieren sich zwar ebenfalls mit abnehmender Permittivität des Dielektrikums, dessen Einfluss wird aber erst bei hohen Frequenzen zunehmend relevant.

Im Gegensatz zu einem festen Dielektrikum ist aber ein geschäumtes anfälliger für Feuchtigkeit. Ein Kunststoffmantel ist nie vollständig wasserdampfdicht und Temperaturschwankungen können zur Kondensation im Kabel führen. Feuchtigkeit im Dielektrikum verändert die elektrischen Eigenschaften des Kabels erheblich. Einige Hersteller fertigen das Dielektrikum daher mit einer geschlossenen Innen- und Außenwand.

Der Außenleiter eines Low Loss Kabels besteht üblicherweise aus einer Kombination aus
einer leitfähigen Folie, die das Dielektrikum vollständig umschließt, und einem  Geflechtschirm mit niedriger Bedeckung. Durch die Folie wird auch der Dämpfungsanteil des Außenleiters minimiert und zusätzlich eine sehr hohe Schirmdämpfung erreicht. Letzteres wird von zeitgemäßen Koaxialkabeln gefordert.

Zur Vermeidung von Rissen bei Biegungen wird die leitfähige Folie zumeist auf der dem Dielektrikum zugewandten Seite mit Kunststoff beschichtet oder mit dem Dielektrikum verklebt.

Der Übergang zwischen Folie und dem Steckverbinder ist bei Folien-/Geflechtkabeln generell problematischer als bei reinen Geflechtkabeln, insbesondere bei Verwendung eines Crimpsteckers. Durch die mechanisch und elektrisch undefinierte Verbindung zwischen Folie und Crimpstecker können bewegungsabhängige Peaks bei höheren Frequenzen, ab ca. 3 GHz, entstehen.

Durch die geringe Bedeckung des Geflechts wird zudem keine hohe Zugfestigkeit des Kabels erreicht. Die Herstellungskosten bleiben dagegen niedrig.

Da Low Loss Kabel überwiegend im Außenbereich eingesetzt werden, verwendet man wegen der geringeren Wasserdampfdurchlässigkeit einen PE-Mantel. 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 spezifischen Namen, danach folgt 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).

Wichtige dämpfungsarme Koaxialkabel 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. Das Low Loss 100 verfügt als einziges Kabel in der Liste über ein festes Dielektrikum. Hier ist es nur der Drahtinnenleiter und die Außenleiterfolie, die zu einer (etwas) geringeren Dämpfung als das vergleichbare RG-174 Standardkabel führt.

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

Für Anwendungen, bei denen das Kabel regelmäßig bewegt wird, z.B. drehbare Antennen, verwendet man ein Low Loss Kabel mit Kupfer-Litzeninnenleiter und PVC-Mantel. Keinesfalls geeignet sind Kabel mit Aluminiuminnenleiter bei dynamischer Beanspruchung.

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

Den besten Außenleiter erhält man in Form eines vollständig geschlossenen Rohres. Auch die Schirmdämpfung erreicht so beste Werte in der Größenordnung von 120 dB.

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 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.

Für Anwendungen bei extremen Temperaturen sind Semi-Rigid Leitungen mit SiO2-Dielektrikum erhältlich. Diese können je nach Aufbau und Steckverbinder bis +600 °C eingesetzt werden [3].

Der Innenleiter einer Semi-Rigid Leitung besteht in der Regel aus einem Stahldraht, verkupfert und versilbert, oder aus Kupfer versilbert. Letzterer ist Voraussetzung für Leitungen im Umfeld hoher Magnetfelder.

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

Durch die hohe Stabilität der elektrischen Eigenschaften lassen sich auch Leitungssätze gleicher elektrischer Länge (Phase) herstellen. Dies wird als „Phase Matching“ bezeichnet.

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 (Preconditioning) mittels definierten Kühl- und Heizzyklen. Dieser künstliche Alterungsprozess führt zu einer Entspannung des PTFE-Dielektrikums und ist für die Langzeitstabilität (fließen) und für die nachfolgende Steckermontage notwendig.

Ohne diese thermische Behandlung würde sich bereits beim Anlöten des Steckverbinders 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.

Die wichtigsten 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 halbstarren Semi-Rigid Leitungen bilden handformbare bzw. halbflexible (engl. „conformable“ oder „hand-flex“) Semi-Rigid Leitungen.

Dabei wird das Metallrohr durch ein komplett mit Zinn getränktes Außenleitergeflecht (engl. „tin soaked braid“) ersetzt. Diese Leitungen können einfach von Hand in die gewünschte Form gebogen werden, die sie anschließend ebenfalls beibehalten. Spezielle Biegewerkzeuge sind nicht erforderlich. Damit können sie nach der Konfektion mit
Steckverbindern bedeutend einfacher in ein Gerät eingebaut werden.

Allerdings sollten sie nicht öfters als unbedingt notwendig gebogen werden, bei wiederholter Biegung besteht die Gefahr des Außenleiterbruchs.

Sie sind deutlich preisgünstiger als normale Semi-Rigid Leitungen und verdrängen letztere zunehmend in vielen Anwendungen.

Handformbare Semi-Rigid Leitungen erreichen ebenfalls eine sehr hohe Schirmdämpfung und eine hohe Stabilität der elektrischen Eigenschaften. Damit eignen sie sich gleichfalls 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 Leitung Umwelteinflüssen ausgesetzt ist, sind aber auch Ausführungen mit einem zusätzlichen Mantel aus FEP verfügbar.

Die Abmessungen von handformbaren Semi-Rigid Leitungen sind identisch zu halbstarren Semi-Rigid Leitungen:

• 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 weite Frequenzbereich und die hohe Schirmdämpfung von Semi-Rigid Leitungen auch auf flexible Kabel zu übertragen, wickelt man bei flexiblen  Mikrowellenkabeln ein Metallband, meist aus versilberten 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 Bewegungen des Kabels sehr gut beibehalten wird.

Der gesamte Außenleiter bestehend aus Band und Geflechtschirm wird bei diesen Kabeln direkt mit dem Steckverbindergehäuse verlötet. Damit ergibt sich ein „nahtloser“ Übergang zwischen den Außenleitern und damit niedrige Reflexionen und eine hohe Schirmung.

Üblicherweise besteht das Dielektrikum dieser Kabel aus festem PTFE und die Abmessungen sind mit den Semi-Rigid Leitungen 0,086“ und 0,141“ identisch. Unter Berücksichtigung des zusätzlichen FEP-Mantels beträgt der Außendurchmesser dann 2,7 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 bzw. Bruch geschützt werden. Hierzu eignen sich thermoplastische Umspritzungen oder spezielle Knickschutzhülsen aus Metall.

Leider werden die Steckverbinder oft nur mit einem Schrumpfschlauch versehen, denn dies ist die einfachste und billigste Variante. Der dünne Schrumpfschlauch schützt die Lötstelle jedoch in keiner Weise. Entsprechend häufig fallen diese Kabel dann mit einem gebrochenen Außenleiter aus.

Bekannte flexible Mikrowellenkabel sind:

• Huber+Suhner Multiflex 86 (2,7 mm), bis 40 GHz
• Huber+Suhner Multiflex 141 (4,1 mm), bis 33 GHz

Bild: Mikrowellenkabel, Multiflex 141 (H+S)

Für spezielle Anwendungen mit der zusätzlichen Forderung nach einer niedrigeren Dämpfung bei gleichzeitig sehr hoher Belastbarkeit sind auch flexible, dämpfungsarme (Low Loss) Mikrowellenkabel verfügbar. Das PTFE-Dielektrikum wird hierbei durch Ziehen expandiert und als ePTFE bezeichnet [4]. Ähnlich wie bei geschäumten PE führen die
Luftzellen zu einer niedrigeren Dichte und einer niedrigeren rel. Permittivität.

Die Koaxialkabel der LL-Serie des Herstellers Harbour Industries verwenden so beispielsweise ein expandiertes PTFE-Band, das um den Innenleiter gewickelt wird. Dies wird als „ePTFE Tape Wrapping“ bezeichnet. Ein bekanntes Kabel aus dieser Reihe ist das „LL 142“ mit einem Außendurchmesser von 4,95 mm [5].

EPTFE Bänder sind leider mechanisch sehr weich, so das diese Kabel nicht so robust sind.

Bei der vektoriellen Netzwerkanalyse werden Koaxialkabel als Testkabel zwischen Netzwerkanalysator (VNA) und Testobjekt (DUT) eingesetzt. Mit einem Kalibrierkit wird der DUT-Anschluss des Testkabels als Referenzebene kalibriert. Die bei der Kalibrierung ermittelte Fehlerkorrektur verbessert die Messgenauigkeit.

Für präzise und reproduzierbare Messergebnisse dürfen sich nach der Kalibrierung 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 Dämpfung.

Neben der Bewegungsabhängigkeit ist aber bei präzisen Messungen auch die  Temperaturabhängigkeit nicht zu vernachlässigen. Leider zeigen aber gerade Kabel mit festem PTFE-Dielektrikum eine sehr hohe Temperaturabhängigkeit der Phase, insbesondere im Bereich zwischen +15 und +20 °C [6].

Dieses Problem lässt sich mit einem Dielektrikum aus PTFE niedriger Dichte erheblich verbessern. Ein gewickeltes Dielektrikum aus expandiertem PTFE (ePTFE tape wrapping) ist aber sehr weich und steht einer hohen Stabilität gegenüber Biegungen entgegen. Wird aber das ePTFE-Dielektrikum extrudiert (low density extrusion PTFE), dann ist es mechanisch stabiler [7]. Diese Dielektrika bilden die Grundlage phasenstabiler Testkabel.

Durch geeignete Auswahl des Kabelaufbaus und der verwendeten Materialien lässt sich also die Stabilität eines Testkabels optimieren. Dies spiegelt sich im Preis wider, ein gutes Testkabel kostet einen mittleren drei- bis vierstelligen Betrag.

Für einfache Anwendungen kann aber auch durchaus ein flexibles Mikrowellenkabel mit festem PTFE-Dielektrikum ausreichend sein. Der Außenleiter des Steckverbinders muss
mit dem Kabelaußenleiter verlötet sein, um auch an dieser kritischen Stelle eine gute Phasenstabilität zu gewährleisten.

Mobilfunkbasisstationen oder andere Sende- und Empfangsanlagen mit langen Kabelstrecken benötigen Kabel mit einer sehr niedrigen Dämpfung bei gleichzeitig höchster Belastbarkeit und hoher Schirmdämpfung. Dies minimiert Verluste und erhöht die Störfestigkeit.

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. Damit wird auch der Grund für die Bezeichnung „Wellmantelkabel“ (engl. corrugated coaxial cable) ersichtlich.

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

Die wichtigsten 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 Videotechnik mit 75 Ohm.

Wichtige flexible 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
  

Insgesamt ist die Auswahl an 75 Ohm Kabeln deutlich übersichtlicher, so dass diese hier unabhängig von ihrem Aufbau in einer eigenen Liste zusammengefasst wurden.

Mit Ausnahme des RG-59 bestehen alle aufgelisteten Kabel aus einem PTFE-Dielektrikum und FEP/PFA-Mantel. Das RG-59 ist dagegen ein sehr flexibles, 75 Ohm PE/PVC-Standardkabel für alle Anwendungen ohne besondere Anforderungen.

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

Das RG-179 unterscheidet sich wiederum vom RG-187 durch den Außenmantel, dieser ist beim RG-187 aus PFA ausgeführt, beim RG-179 aus FEP. Der PFA-Mantel erhöht den Temperaturbereich und die Belastbarkeit.