Das Koaxialkabel - Aufbau und Materialeigenschaften

Das Bild auf der rechten Seite zeigt den Aufbau eines Koaxialkabels. Es besteht aus einem Innenleiter, der durch ein Dielektrikum isoliert von einem runden Außenleiter umgeben ist. Der Abstand zwischen Innen- und Außenleiter bestimmt zusammen mit der relativen Permittivität (Dielektrizitätskonstante) des Dielektrikums den Wellenwiderstand. Ein Kunststoffmantel sorgt für mechanische Stabilität und schützt das Kabel vor äußeren Einflüssen.

Allgemein gilt, dass mit zunehmendem Außendurchmesser eines Koaxialkabels die Dämpfung abnimmt und die Belastbarkeit zunimmt. Andererseits nehmen aber mit zunehmendem Durchmesser die Flexibilität und die obere Grenzfrequenz ab.

Bei der Wahl des Außendurchmessers ist zu beachten, dass dieser mit der Größendimension des Steckverbinders im Verhältnis bleibt. Dies hat sowohl elektrische als auch mechanische Gründe. Für eine möglichst reflexionsfreie Anpassung zwischen Kabel und Steckverbinder darf der Größenunterschied der koaxialen Geometrie nicht zu groß sein. Ebenso darf ein schweres Kabel keine zu großen mechanischen Kräfte auf einen kleinen Steckverbinder im gesteckten Zustand ausüben, um die Verbindung nicht zu beschädigen.

Der Innenleiter kann als einzelner Draht oder als Litze, also mehrere verseilte, dünne Drähte, ausgeführt sein. Ein einzelner Draht führt zu niedrigeren Verlusten (Dämpfung) sowie einer höheren elektrischen Belastbarkeit des Kabels und ist daher zu bevorzugen. Eine Litze andererseits ermöglicht eine höhere Flexibilität und besteht in der Regel aus 9 oder 17 Einzeldrähten. Je höher die Anzahl der Einzeldrähte, desto flexibler ist der Innenleiter.

Bei sehr dünnen Kabeln (<3 mm Außendurchmesser) wird der Innenleiter aus mechanischen Gründen überwiegend aus Stahl hergestellt. Die Oberfläche wird anschließend verkupfert und versilbert. Dies erhöht die elektrische Leitfähigkeit und verringert aufgrund des Skin-Effekts die Verluste bei hohen Frequenzen. Zudem schützt es vor Oxidation. Kabel mit Stahlinnenleiter können aber nicht im Umfeld hoher Magnetfelder eingesetzt werden.

Kabel mit Außendurchmesser im Bereich von etwa 4-10 mm verwenden meist einen Innenleiter aus Kupfer, dessen Oberfläche oft noch zusätzlich verzinnt oder versilbert wird.

Bei Kabeln mit einem Außendurchmesser größer 10 mm wird der Innenleiter dann zunehmend aus verkupfertem Aluminium ausgeführt. Dies reduziert das Gewicht und die Herstellungskosten deutlich. Allerdings sollten diese Kabel dann ausschließlich fest verlegt werden, regelmäßige dynamische Bewegungen führen schneller zu einem Bruch des Innenleiters.

Mit steigendem Kabeldurchmesser wird der Innenleiter auch als hohles Kupferrohr ausgeführt. Aufgrund des Skin-Effekts ist bei hohen Frequenzen kein massiver Innenleiter erforderlich und man profitiert von der Gewichts- und Kosteneinsparung. Mit weiter steigendem Kabelaußendurchmesser im cm-Bereich wird der Innenleiter auch gewellt, um diesen trotz des großen Durchmessers noch biegen zu können.

Als Dielektrikum werden verlustarme Kunststoffe wie Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Polyethylen (PE) eingesetzt. Ein Vorteil von PTFE gegenüber PE ist der vergleichsweise hohe Temperaturbereich, so dass für Hochtemperaturanwendungen Kabel mit PTFE-Dielektrikum und einem Mantel aus FEP oder PFA verwendet werden. PTFE-Kabel haben zudem eine höhere elektrische Belastbarkeit und sind mechanisch robuster und stabiler als vergleichbare PE-Kabel.

Dagegen ist die Flexibilität von Kabeln mit PE-Dielektrikum und PVC Mantel deutlich höher als die von PTFE/FEP-Kabeln.

Geschäumte PE-Dielektrika für niedrige Dämpfung

Um eine möglichst niedrige Kabeldämpfung zu erzielen, bei gleichem Außendurchmesser und gleichem Wellenwiderstand, ist eine möglichst niedrige relative Permittivität notwendig. Um den Wellenwiderstand gleich zuhalten, muss dann der Außendurchmesser 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 erst bei sehr hohen GHz-Frequenzen zunehmend relevant.

Zur praktischen Realisierung eines Dielektrikums mit niedriger rel. Permittivität verwendet man geschäumtes oder mit Luftzellen versehenes Polyethylen (PE). Beispielsweise hat ein 50 Ohm Standardkabel mit festem PE-Dielektrikum von d=7,3 mm (10 mm Kabelaußendurchmesser) einen Innenleiterdurchmesser von ca. 2,3 mm. Ein vergleichbares Kabel mit geschäumten PE Dielektrikum (d=7,3 mm) erfordert für den gleichen Wellenwiderstand einen Innenleiterdurchmesser von ca. 2,8 mm.

Im Gegensatz zu einem festen Dielektrikum ist ein geschäumtes etwas anfälliger gegenüber Feuchtigkeit. Da ein Kunststoffmantel nie vollständig wasserdampfdicht ist, kann es bei Temperaturschwankungen im Außenbereich zu einer Kondensation des Wasserdampfs im Kabel kommen. Wasser im Dielektrikum verändert die elektrischen Eigenschaften des Kabels massiv. Einige Hersteller fertigen geschäumte Dielektrika daher mit geschlossener Innen- und Außenwand, um Feuchtigkeitsprobleme zu reduzieren oder zu verhindern.

Ein anderer Nachteil von geschäumten Dielektrika ist die niedrigere mechanische Stabilität, da diese im Vergleich zu festen Dielektrika sehr weich sind. Kabel, die häufig bewegt werden und gelegentlichen Druckbeanspruchungen ausgesetzt sind, wie z.B. Kabel am Messplatz, profitieren daher von einem festen Dielektrikum, insbesondere PTFE.

PTFE-Dielelektrika niedriger Dichte

Ähnlich wie geschäumtes Polyethylen gibt es auch bei PTFE-Dielektrika mit niedriger Dichte. Diese Kabel sind aber weniger verbreitet und eher für spezielle Anwendungen gebräuchlich.

Durch expandieren (ziehen) lässt sich ein PTFE-Band niedriger Dichte herstellen, welches dann um ein Innenleiter gewickelt wird. Dies wird als "ePTFE Tape Wrapping" bezeichnet. Kabel die so hergestellt werden erreichen eine niedrige Dämpfung und eine hohe Belastbarkeit. Ebenfalls verbessert sich die Temperaturstabilität der Phase erheblich gegenüber festem PTFE. Ein Nachteil ist aber, dass gewickeltes ePTFE mechanisch sehr weich ist. Die Kabel sind daher nicht so robust und, da sich die Geometrie bei Biegungen leichter verändert, auch nicht besonders phasenstabil gegenüber Bewegungen.

Eine andere Variante ist extrudiertes PTFE niedriger Dichte (low density extrusion PTFE). Ein so hergestelltes Dielektrikum ist mechanisch fester als ein gewickeltes ePTFE Band. Der Vorteil: Die Geometrie bleibt bei Biegungen besser erhalten. Kabel mit extrudiertem PTFE Dielektrikum erreichen so eine hohe Phasenstabilität sowohl gegenüber Temperatur als auch gegenüber Biegungen. Diese Dielektrika bilden die Grundlage phasenstabiler Testkabel.

Kabel für höchste Leistungen

Anwendungen zur verlustarmen Übertragung sehr hoher Leistungen, z.B. in Rundfunk- und TV-Sendeanlagen, verwenden Kabel mit Außendurchmessern im cm-Bereich (typ. 10-20 cm). Die entsprechenden Kabel verwenden Luft als Dielektrikum. Je nach Anwendung kann auch ein Gas zur Erhöhung der Spitzenspannungsfestigkeit eingesetzt werden. Der Innenleiter wird über PTFE-Abstandshalter (starr oder gewendelt) zentriert.

Kabel zur Übertragung kleiner Gleichspannungen

In der Messtechnik werden Koaxialkabel aufgrund der guten Schirmung auch zur Übertragung sehr kleiner Gleichspannungen oder Wechselspannungen im Niederfrequenzbereich verwendet. Hierzu sollten rauscharme "Low Noise Kabel" verwendet werden. Bei diesen Kabeln ist das Dielektrikum mit einer halbleitenden Schicht beschichtet, um triboelektrische Störspannungen zu reduzieren, welche sich als Rauschen bei einer mechanischen Bewegung (auch Vibrationen!) des Kabels äußern.

Der Außenleiter eines Koaxialkabels besteht im einfachsten Fall aus einem Drahtgeflecht aus Kupfer, welches meist noch verzinnt und versilbert wird. Die Oberflächenbehandlung schützt vor Oxidation, insbesondere bei höheren Temperaturen. Eine Versilberung erhöht zusätzlich die elektrische Leitfähigkeit.

Die Konstruktion eines einfachen Geflechtschirms ist für Anwendungen ohne besondere Anforderungen bei niedrigen Frequenzen bis etwa 1 GHz ausreichend. Es sind aber auch andere Konstruktionen des Außenleiters üblich. Die Tabelle zeigt Anhaltswerte von Frequenzbereich und Schirmdämpfung der unterschiedlichen Konstruktionen.

Doppelt geschirmte Koaxialkabel

Zur Erhöhung der Schirmdämpfung werden auch zwei Geflechtschirme übereinander gelegt. Diese Kabel werden als doppelt geschirmte Koaxialkabel bezeichnet. Der einsetzbare Frequenzbereich erhöht sich aufgrund der kleineren Maschenweite auf etwa 6 GHz.

Kombination leitfähige Folie/Geflechtschirm

Hierbei wird die Mantelfläche des Dielektrikums mit einer leitfähigen Folie, meist Aluminium oder Kupfer, vollständig umhüllt. Die Folie wird auf der dem Dielektrikum zugewandten Seite mit Kunststoff beschichtet oder direkt mit dem Dielektrikum verklebt. Dies verhindert die Rißbildung, z.B. wenn das Kabel gebogen wird.

Zwischen Folie und Kabelmantel folgt ein einfacher Geflechtschirm, der oft nur eine vergleichsweise niedrige Bedeckung aufweist. Ein Vorteil von Kabeln mit Folien-/Geflechtaußenleiter ist die hohe Schirmdämpfung und niedrige Dämpfung. Der Einsatzbereich reicht bis 6 GHz und höher.

Kombination aus einem gewickeltem Band und Geflechtschirm

Ein um das Dielektrikum spiralförmig überlappend gewickelte, versilberte Kupferband führt zu einem sehr flexiblen Kabel mit sehr hoher Schirmdämpfung. Diese Kombination ermöglicht Frequenzbereiche bis 18 GHz und höher. Kabel mit diesem Aufbau werden auch als "flexible Alternative" zu Semi-Rigid Leitungen beworben.

Zinngetränkter Geflechtschirm

Der vollständig mit Zinn getränkte Geflechtschirm führt zu einem geschlossenen Außenleiter mit sehr hoher Schirmdämpfung. Die Kabel können ohne Werkzeuge mit der Hand gebogen werden und behalten ihre Form anschließend bei. Diese Kabel werden als handformbare oder halbflexible Semi-Rigid Leitungen bezeichnet. Der Frequenzbereich reicht je nach Durchmesser bis etwa 40 GHz.

Geschlossenes Rohr (mm-Bereich)

Ein geschlossenes Rohr, meist aus Kupfer, stellt die elektrisch beste Lösung für einen Außenleiter dar. Wenn das Gewicht und der Preis relevant sind, wird auch Aluminium als Außenleitermaterial verwendet. Die Schirmdämpfung dieser als halbstarren oder Semi-Rigid Leitung bezeichneten Leitungen ist extrem groß und der einsetzbare Frequenzbereich reicht, je nach Außendurchmesser, bis etwa 107 GHz.

Für spezielle Anwendungen bei sehr niedrigen Temperaturen, z.B. Kryostaten in der Tieftemperaturphysik, wird auch Edelstahl (oder andere Materialien) wegen der niedrigeren thermischen Leitfähigkeit verwendet. Hier sind dann jedoch spezielle Lötverfahren, Flussmittel und viel Erfahrung bei der Steckermontage notwendig.

Semi-Rigid Leitungen werden zuerst mit einem Biegewerkzeug in die entgültige Form gebogen, dann thermisch vorbehandelt, um das Dielektrikum zu entspannen, und erst zuletzt werden die Steckverbinder montiert. Der Preis dieser Leitungen ist entsprechend hoch.

Der typische Außendurchmesser bewegt sich im Bereich zwischen 1 und 6 mm.

Geschlossenes, gewelltes Rohr (cm-Bereich)

Anwendungen der Funktechnik erfordern Kabel mit einer Kombination aus hoher Schirmdämpfung, niedriger Kabeldämpfung und hoher Belastbarkeit.

Als Lösung werden verlustarme Kabel mit geschäumten Dielektrikum und einem geschlossenem Metallrohr als Außenleiter im cm-Bereich (typ. 1-5 cm) verwendet. Damit diese Kabel noch biegbar oder flexibel sind, wird das Außenleiterrohr gewellt ausgeführt. Die Kabel werden als Wellmantelkabel (corrugated coaxial cables) bezeichnet.

Geschlossenes starres Rohr (cm-Bereich, nicht gewellt)

Anwendungen im Rundfunk und TV-Bereich erfordern bei langen Leitungslängen eine äußerst niedrige Dämpfung und sehr hohe Belastbarkeit, zusammen mit einer sehr hohen Schirmdämpfung.

Hierzu werden geschlossene, starre Rohre mit vergleichsweise großem Außendurchmesser (typ. 10-25 cm) verwendet. Als Dielektrikum wird Luft verwendet, so dass sich ein möglichst großer Durchmesser des Innenleiters für niedrigste Verluste ergibt. Der Innenleiter wird mit Zentrierelementen in der richitgen Position gehalten.

Diese starren Leitungen können nicht gebogen werden, ähnlich wie in der Sanitärtechnik werden gerade Stücke mit Winkelstücken verschraubt.