HF-Koaxial-Kabel

• Paralleldrahtleitungen
• Hohlleiter
• Koaxialkabel

• dielektrische Verluste
• Strahlungsverluste
• ohmsche Verluste

• RG-58
• RG-174
• RG-316
• RG-402

Steckverbinder
Stripline

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Es gibt mehrere Arten von HF-Verbindungsleitungen, mit denen man hochfrequente Signale von einem Gerät zum nächsten transportieren kann. Im Wesentlichen sind das:

• Paralleldrahtleitungen
• Koaxialkabel
• Hohlleiter
  

Paralleldrahtleitungen
Paralleldrahtleitungen bestehen aus zwei Leitern, die durch ein Isolationsmaterial auf konstanten Abstand gehalten werden. Im Kurzwellenbereich findet man sie z.B. als Speiseleitung für Antennen, und ganz früher, als es nur ca. drei Kanäle im Fernsehen gab, gelangte das erste Programm auch über eine Paralleldrahtleitungen in das Empfangsgerät. Im Gigaherzbereich findet man sie praktisch nicht mehr, aber auf Leiterplatten gibt es ihre Verwandten als differenzielle Microstrip-Line.

Hohlleiter
Hohlleiter sind unangefochtene Spitzenreiter, wenn man entweder große Leistungen transportieren möchte, oder die Leitungsverluste extrem klein halten will. Da ihre Größe proportional zur Wellenlänge ist, werden sie bei weniger als 1 GHz extrem unhandlich. Aber ab 2 GHz aufwärts trifft man sie immer häufiger an. Die extrem hohen Kosten  und die mechanische Unflexibilität machen sie aber für Bastler weitestgehend uninteressant. Einiger Nerds, die jenseits von 20 GHz unterwegs sind setzen sie aber ein.

Was bleibt, ist das Koaxialkabel:

Koaxialkabel

An anderer Stelle habe ich schon über Kabel geschrieben. Dabei habe ich besonders auf die Impedanz hingewiesen, die ist bei hohen Frequenzen von essenzieller Bedeutung. Hochfrequente Signale laufen nämlich nur dann schön artig durch Kabel, Steckverbinder, Verstärker, Abschwächer ..., wenn all diese Bauteile die selbe Impedanz aufweisen. In der Praxis ist das meist 50 Ohm, in einigen Anwendungen (das sind normalerweise reine Empfängeranwendungen) nimmt man auch mal 75 Ohm. (Noch seltener sind 30 Ohm für große Leistungen z.B. in Sendern.)

Schraubt man einfach ein 75 Ohm Kabel an das Ende eines 50 Ohm Kabels, dann wird nicht die gesamte Energie aus dem 50 Ohm Kabel in das 75 Ohm Kabel fließen, sondern nur ein Teil. Der Rest wird an der Verbindungsstelle reflektiert und läuft dann in entgegengesetzter Richtung wieder durch das 50 Ohm Kabel zurück. Ja, Hochfrequenz verhält sich schon merkwürdig, man gewöhnt sich aber daran:) Je größer der Unterschied zwischen der Impedanz der beiden verbundenen Kabel ist, desto weniger Energie tritt in das zweite Kabel über, und desto mehr Energie läuft im ersten Kabel zurück.
Aus diesem Grunde ist es sehr Sinnvoll, sich im Labor auf eine einzige Impedanz zu beschränken, und das sollte 50 Ohm sein - der Standard in der HF-Messtechnik.

Neben der Impedanz sind weitere wichtige Parameter:

• Verluste
• Leckstrahlung
• maximale Leistung
• Flexibilität

Verluste

dielektrische Verluste
Im Koaxialkabel bildet sich zwischen Mittelleiter und Schirm ein elektrisches Feld aus, dessen Polarität sich entlang des Kabels immer mit jeder halben Wellenlänge ändert, und das nun mit Lichtgeschwindigkeit durch das Kabel hastet. Der Zwischenraum zwischen Mittelleiter und Schirm muss ja schon aus rein mechanischen Gründen gefüllt sein. Normalerweise nimmt man dafür ein Dielektrikum aus Plastik. Dummerweise sind da auch immer Teilchen enthalten, die elektrische Dipole bilden, und versuchen sich entlang der elektrischen Feldlinien auszurichten. Während diese Teilchen im Dielektrikum an einem Ort festsitzen, wandern die elektrischen Felder vorbei, und weisen weisen dabei immer abwechselnde Polarität auf. Läuft ein 1 MHz-Signal durch das Kabel, dann versucht dieses Signal jedes Dipolteilchen pro Sekunde eine Millionen mal in eine Richtung und danach in die entgegengesetzte Richtung zu "gedreht". Das verbraucht Energie, die dem Signal verloren geht.
Da versteht man sofort zwei Dinge: Mit steigender Frequenz steigen auch die dielektrischen Verluste, und die Verluste hängen vom verwendeten Material ab.
In besonders verlustarmen Koaxialkabeln versucht man möglichst viel des Dielektrikums durch Luft zu ersetzen. Dazu wird das verwendete Plastikmaterial (Polyethylen) aufgeschäumt oder daraus die Wände einer hohlen Zellstruktur gebaut. Dafür gibt es dann Bezeichnungen wie z.B. "Zell-PE" und diverse Luft und Zellen suggerierenden Markennamen. Die geringeren Verluste erkauft man sich durch eine verminderte mechanische Stabilität. (z.B. Trittfestigkeit) Auch gibt es solche Kabel nicht in sehr dünnen (<3 mm) Ausführungen.

Strahlungsverluste (Leckstrahlung)
Keine Schirmung ist perfekt, auch nicht das Schirmgeflecht eines Koaxialkabels. Deshalb kann ein kleiner Teil des Signals dadurch entweichen. Schlimmer ist noch, dass starke, störende Signale von Außerhalb durch den Schirm in das Kabel eindringen können. Dagegen hilft dichteres Schirmgeflecht, ein zusätzlicher Schirm durch Metallfolie, oder gar ein Metallrohr als Schirmung. All das erhöht nicht nur die Kosten, sondern macht das Kabel auch steifer.

ohmsche Verluste
Auch ein Hochfrequenzsignal ist ja ein Wechselstrom. Wenn das Koaxialkabel einen Widerstand hat, wird durch den Strom durch diesen Widerstand Leistung in Wärme gewandelt, und damit verloren gehen. Durch den Skin Effekt ist das für Koaxialkabel durchaus ein Thema.
Bei Gleichstrom oder technischem Wechselstrom mit seiner kleinen Frequenz, kann man die Ohmschen Verluste bei großen Strömen wirkungsvoll dadurch bekämpfen, dass man einfach dickere Kabel nimmt. Ein dickerer Kupferdraht hat normalerweise einen kleineren Widerstand als ein dünner Draht.
Bei hohen Frequenzen wird aber der der Skin-Effekt wirksam. Das magnetische Feld "drückt" die Elektronen aus dem inneren des Leiters an seine Oberfläche. Der innere Kern eines dicken Drahtes wird dadurch praktisch stromfrei. Es würde keinen Unterschied machen, wenn er anstatt aus Kupfer aus Holz wäre. Bei 100 MHz findet der gesamte Stromfluss nur noch in den äußeren ca. 10um des Drahtes statt, ab 5 GHz ist nur noch ein ca 1um dicke Außenschicht des Kupfers am Stromleitvorgang beteiligt. Nur diese Schicht kann man bei der Widerstandsberechnung heranziehen, und da sie mit der Frequenz immer dünner wird, steigt auch der ohmsche Widerstand (und der ohmsche Verlust) mit der Frequenz.

Verluste und Leckstrahlung steigen mit der Frequenz an. Das begrenzt oft die maximale Frequenz, bis zu der ein Kabel sinnvoll einsetzbar ist. Wobei man hier immer die Kabellänge mit berücksichtigen muss.
Jedes der hier erwähnten Kabel verträgt mindestens 30W - in diese Leistungsbereiche komme ich nicht mal annähernd.

Flexibilität ist im Bastellabor sehr wichtig. Deshalb bevorzuge ich Kabel der 3-mm-Klasse (Durchmesser 2,5mm ... 3mm) wie das RG-316. Ich benutze es auch weit oberhalb seiner spezifizierten 3 GHz. Dann sind die Verluste etwas höher, aber bei kurzen Kabeln geht das auch.

Typische Koaxialkabel-Typen

Es gibt eine ganze Reihe von HF-Kabeln mit 50 Ohm Impedanz, aber nur wenige sind wirklich wichtig.

RG-58 Das ist ein Klassiker, und im Labor eher unpraktisch. Das RG-58 ist fast 5mm dick, und zu steif, um auf dem Labortisch für eine schnelle Verkabelung herzuhalten. Man kann es aber als preiswertes Kabel für feste Verlegung über größere Entfernungen verwenden. Das RG-58 ist bis 1 GHz spezifiziert.
RG-174 Das RG-174 ist nur 2,8mm dick, einfach geschirmt (Drahtgeflecht) und sehr flexibel. Es ist gut für die Verkabelung auf dem Labortisch. Es hat eine schwarze Isolierung. Das RG-174 ist eigentlich nur bis 1 GHz spezifiziert (Verlust ca. 1 dB/m), es lässt sich aber auch darüber hinaus einsetzen, wenn die Verbindungen kurz sind. Bei 2 GHz ist der Verlust schon ~1,7dB/m und bei 4 GHz sind es 2,3dB/m.
RG-316 Das RG-316 ist nur 2,5mm dick, einfach geschirmt (Drahtgeflecht) fast so flexibler wie das RG-174. Es ist perfekt für die Verkabelung auf dem Labortisch und mein Standard für Leitungen bis ca. 1 m Länge. Es hat eine transparente, leicht bräunliche Isolierung, durch die man das Schirmgeflecht sehen kann. Das RG-316 ist bis 3 GHz spezifiziert, und verlustarmer als das RG-174.
RG-402 Das RG-402 ist ein sogenanntes halb-steifes (semi-rigid) Kabel. Flexibel ist es eigentlich gar nicht, denn seine äußere Hülle ist ein verzinktes Kupferrohr. Man kann es aber recht leicht in die gewünschte Form biegen - aber nur ein Mal. Wenn man es z.B. zurück biegen will, geht das normalerweise nicht, ohne das Kabel zu beschädigen. Solche Kabel werden gern im Inneren von Geräten verwendet. Das RG-402 kann für sehr hohe Frequenzen (20 GHz) verwendet werden. Seine Verluste sind etwa halb so hoch wie die von RG-174. Bei 1GHz sind es 0,4 dB/m und bei 5 GHz etwa 1 dB/m.

Außer den hier genannten Kabeln gibt es noch einige Typen, die auf besonders geringe Verlustleistung optimiert wurden, und deshalb gern bei längeren Leitungen verwendet werden. Im Bastler-Labor kommt man aber auch ohne diese aus.
Kabel für höhere Frequenzen sind ja eigentlich auch nur Kabel, die bei diesen höheren Frequenzen noch vertretbare Verluste und Leckstrahlungen haben. Geringe Verluste erreicht man durch größere Durchmesser und die Wahl spezieller Isoliermaterialien als Dielektrikum. Geringe Leckstrahlung durch doppelte Schirmung, oder Metallrohren als anstelle von Schirmgeflecht. (alles schon mal oben erwähnt)

Die Firma AME (https://www.ame-hft.de/) hat auf ihrer Homepage eine gute Kabelvergleichstabelle als PDF zum download.

Autor: sprut
erstellt: 16.02.2019