Koaxialkabel
Das Koaxialkabel ist ein unsymmetrisches, zweipoliges Antennenkabel mit namensgebendem koaxialen Aufbau.
In einem Koaxialkabel ist der Innenleiter die gemeinsame Achse, konzentrisch umgeben vom Dielektrikum, dem hohlzylindrischen Außenleiter und dem isolierenden, korrosionsfesten und wasserdichten Schutzmantel in jeweils konstantem Abstand.
Der Innenleiter ist vollständig von dem Außenleiter umgeben. Der Außenleiter kann zweischichtig aus einer Metallfolie und einem Metallgeflecht bestehen. Dadurch erfolgt nahezu keine Abstrahlung.
Der Innenleiter unterscheidet sich deutlich vom Außenleiter. Deshalb bezeichnet man dieses Kabelart auch als asymmetrisch.
Die Stromverteilung auf Innen- und Außenleiter ist gleich groß, jedoch entgegengesetzt gerichtet.
Innenleiter
Im Aufbau handelt es sich beim Innenleiter entweder um einen einzelnen Draht oder verseilte Litze (dünne, verdrillte Einzeldrähte).
Drähte haben die kleinste Dämpfung, aber einen schlechteren Biegeradius.
Litze haben eine größere Dämpfung als Einzeldrähte, dafür aber einen besseren Biegeradius und höhere mechanische Flexibilität.
Das Material des Innenleiters können blanke Drähte aus reinem Kupfer (Cu) sein. Darüber hinaus können die Einzeldrähte versilbert (CuAg) oder verzinnt (CuSn) sein, um einer möglichen Oxidation des Kupferleiters entgegenzuwirken.
Außenleiter
Der Außenleiter hat eine Doppelfunktion: Signalpfad im Inneren und Abschirmung von äußeren Feldern.
Die Funktion des Außenleiters als Schirm schützt das kabelgeführte Signal vor Störungen von außen und auch die Umgebung vor Störungen aus dem Kabel.
Einfach geschirmte Außenleiter bestehen meistens aus einem Schirmgeflecht aus blanken, versilberten oder verzinnten Kupferdrähten.
Doppelt geschirmte Außenleiter haben zusätzlich zum Schirmgeflecht noch eine das Dielektrikum umgebende Metallfolie.
Bedeckungsgrad
Der Bedeckungsgrad beschreibt das Schirmgeflecht des Außenleiters (Kabelschirm) eines Antennenkabels, d.h. wie gut das darunterliegende Dielektrikum von dem Geflecht bedeckt ist.
Kabelmantel
Der Mantel wird nach diversen Spezifikationen in unterschiedlichen Qualitätstypen gefertigt.
Im Allgemeinen dient der Mantel dem mechanischen Schutz des Kabels vor Umwelteinflüssen und ist u.a. wetterbeständig in Bezug auf Wasser, Hitze und Kälte sowie UV-beständig.
Wellenausbreitung:
Elektromagnetische Wellen breiten sich im Raum aus, können aber auch durch Leitungen geführt werden.
Eine Leitungsart ist die Koaxialleitung und die Grundwelle der Koaxialleitung ist eine TEM-Welle (transversal-elektromagnetisch).
Der Leitungswellenwiderstand ZL wird vom mechanischen Aufbau des Kabels und der relativen Permittivität εr des Dielektrikums bestimmt.
ZL(Koax) = Leitungswellenwiderstand Koaxialkabel [Ω]
Z0 = Freiraumwellenwiderstand [Ω]
π = Kreiszahl (Pi) [1]
εr = Relative Permittivität [1]
D = Durchmesser (Aussenleiter Koaxialkabel) [m]
d = Durchmesser (Innenleiter Koaxialkabel) [m]
Als Dielektrikum in einem Antennenkabel wird das Isolationsmaterial zwischen Innen- und Außenleiter bezeichnet.
| Die relative Permittivität εr und Verkürzungsfaktor 1/√εr einiger Dielektrika:
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| Dielektrikum | εr | 1/√εr | |
|---|---|---|---|
| Full- | PE | 2,28 | 0,66 |
| Foamed- | 1,50 | 0,82 | |
| Cell- | 1,50 | 0,82 | |
| Full- | PTFE | 2,00 | 0,71 |
| Foamed- | 1,60 | 0,79 | |
| Cell- | 1,10 | 0,95 | |
| ↓↑ | |||
| 1,90 | 0,73 | ||
| Full- | FEP | 2,00 | 0,71 |
| Luft, Vakuum | 1,00 | 1,00 | |
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Full = besteht vollständig aus diesem Material Foamed = mit Gas (Luft) aufgeschäumt Cell = mit Gas (Luft) gefüllten Zellen PE = Polyethelene PTFE = Polytetraflourethylene FEP = Flourethylenepropylene |
|||
Der Strom I auf Innen- und Außenleiter ist gleich groß und entgegengesetzt gerichtet.
Das elektrische Feld und das magnetische Feld sind auf das Innere des Leiters beschränkt. Der Außenleiter erfüllt eine Doppelfunktion. Signalpfad im Inneren und Abschirmung von äußeren Feldern.
Der Skin-Effekt beschreibt die frequenzabhängige, exponentielle Abnahme der Eindringtiefe einer elektromagnetischen Welle in die Oberfläche eines elektrischen Leiters und die damit verbundene konzentrische Verdrängung der Stromdichte über den Querschnitt des Leiters bei hochfrequenten Wechselströmen, vom Mittelpunkt hin zum Randbereich (Skin).
Beim Skin-Effekt findet der Stromfluss mit zunehmender Frequenz f des Wechselstroms ≂ in einer immer dünner werdenden Schicht an der Oberfläche (Skin) des Leiters statt.
Die Stromdichte im Inneren des Leiters ist bei Gleichstrom gleichmäßig über den Querschnitt eines Leiters verteilt.
Bei Wechselstrom nimmt die Stromdichte exponentiell mit dem Abstand von der Oberfläche ab, bzw. die äquivalente Leitschichtdicke (Skin-Tiefe, Stromeindringtiefe) verringert sich.
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Spezifischer Widerstand ρ und elektrische Leitfähigkeit σ einiger Materialien: |
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| Material |
ρ
[
Ω·mm2
m
]
|
σ [
m
Ω·mm2
]
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|---|---|---|
| Cu (Kupfer, rein) | 0,01721 | 58,10575 |
| Ag (Silber) | 0,01500 | 66,66667 |
| Sn (Zinn) | 0,10000 | 10,00000 |
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Für elektrische Leiter mit geringer Querschnittsfläche A wird der spezifische Widerstand ρ statt in der SI-Einheit (Ωm) in einer für dünne Drähte anschaulicheren Einheit angegeben.
ρ
[ Ωm ] ⇒
[
Ω mm2
m
]
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Mit Grenzfrequenz fc (cutoff frequency) wird in der Elektrotechnik und Funktechnik die Frequenz f (bzw. Frequenzen f ) bezeichnet, bei deren Über- oder Unterschreitung sich eine physikalische Größe (i.e.S. die Amplitude y) um einen bestimmten Wert verringert.
Der Biegeradius ist der kleinste Radius r einer Leitung, in der diese ohne Beschädigung (Knickstelle) verlegt werden kann.
Kenngrößen von Antennenkabeln
- Leitungswellenwiderstand ZL
- Verkürzungsfaktor VF(1/√εr)
(Kennwerte, unabhängig von Kabellänge l und Frequenz f)
- Dämpfung
(abhängig von Kabellänge l und Frequenz f)
Dämpfung eines Koaxialkabels (Verlustquellen):
-- Skin-Effekt (Erhöhung: Leitungswiderstand)
-- Ableitungsbelag G' (Querleitwert: Dielektrische Verluste)
- Biegeradius