Entwicklung und Technik von Koaxialkabeln in der Hochfrequenztechnik

Von Draht zu Koax: Die Entwicklung der Hochfrequenz-Speiseleitungen

Als die Funktechnik um die vorletzte Jahrhundertwende noch in den sprichwörtlichen Kinderschuhen steckte, waren die unsymmetrische Eindrahtleitung und die symmetrische Zweidrahtleitung die gängige Methode „Hochfrequenz zu transportieren“. Als angepasste bzw. abgestimmte Speiseleitungen haben sie sich recht lange, sowohl im kommerziellen Bereich als auch im Amateurfunk gehalten. Obwohl bereits im Jahre 1884 von W. Siemens ein koaxiales Kabel für niederfrequente Anwendungen vorgeschlagen und patentiert wurde, war es bis zu dem, was wir heute unter einem Koaxialkabel verstehen, noch ein weiter Weg. Es brauchte noch fast ein halbes Jahrhundert und zahlreiche Erfinder und Patente, bis die Entwicklung des Koaxialkabels und der 50-Ohm-Technik so weit war. Im Amateurfunk begann der Einsatz koaxialer Speiseleitungen erst ab den 50er- und 60er-Jahren des vorigen Jahrhunderts. Lediglich zur symmetrischen Speisung von Mehrband-Dipolen werden auch heute noch vorteilhaft abgestimmte Zweidrahtleitungen eingesetzt.

Hightech in Kupfer und Kunststoff

Ein Koaxialkabel ist axial betrachtet symmetrisch aufgebaut, gegen Erde gesehen stellt es jedoch eine unsymmetrische Speiseleitung dar. Der Außenleiter besteht zumeist aus einem dichten Kupfergeflecht, hochwertige Kabel sind doppelt abgeschirmt und besitzen eine dünne darunterliegende Kupferfolie. Der Innenleiter ist bei flexibleren Koaxialkabeln als Kupferlitze ausgeführt. Koaxialkabel mit größerem Außendurchmesser haben eine Seele aus einem oder mehreren massiven Kupfervolldrähten. Das Isoliermaterial zwischen Innen- und Außenleiter – das Dielektrikum – besteht vorzugsweise aus verlustarmem Polyethylen (PE), entweder als Vollmaterial, aufgeschäumt oder in Stegbauweise mit überwiegendem Luftdielektrikum. Den Außenschutz des Kabels bildet ein Kunststoffmantel aus Polyvinylchlorid (PVC), der für eine gute UV-Beständigkeit schwarz eingefärbt ist.

Wie Mechanik die elektrischen Eigenschaften formt

Die technischen Daten von Koaxialkabeln werden durch ihre mechanischen Eigenschaften wie den Durchmesser von Innen- und Außenleiter, den Abstand der selbigen zueinander und die Beschaffenheit des Isoliermaterials (des Dielektrikums) zwischen Innen- und Außenleiter bestimmt. Diese Faktoren legen im Wesentlichen die elektrischen Kenndaten des Kabels fest: die Impedanz, auch als Wellenwiderstand bezeichnet, die frequenzabhängige Dämpfung sowie die Spannungs- und Leistungsfestigkeit. Koaxialkabel haben einen fest definierten Wellenwiderstand, der unabhängig von der Frequenz ist und bei den üblichen Kabeltypen 50 Ohm beträgt. Der Wellenwiderstand wird durch das Verhältnis vom Innendurchmesser des Außenleiters zum Außendurchmesser des Innenleiters bestimmt, also durch Größe und Abstand der sich gegenüberstehenden Leiterflächen.

Ein wenig Leitungstheorie

Koaxialkabel sind normalerweise für den Einsatz als Wanderwellenleitung vorgesehen, das bedeutet, dass Strom- und Spannungsverlauf entlang der gesamten Leitungsstrecke gleich sind, sich also keine Minima oder Maxima ausbilden. Das setzt aber voraus, dass das Koaxialkabel an beiden Enden mit seiner Impedanz von 50 Ohm abgeschlossen ist. Der Sender hat einen 50-Ohm-Ausgang, und die Antenne bzw. deren Anpassung erfüllt diese Bedingung im Resonanzfall auch. Nur der beidseitige Abschluss des Kabels mit 50 Ohm gewährleistet eine optimale Leistungsübertragung, in diesem Fall spricht man von Leistungsanpassung. Dann beträgt das Stehwellenverhältnis SWV = 1,0.


Die Leitungsdämpfung macht den Unterschied

Leider ist die Tatsache, dass jede HF-Leitung eine mehr oder weniger große Dämpfung besitzt, unvermeidlich. Die Dämpfung eines voll isolierten Koaxialkabels ist minimal bei einem Durchmesser-Verhältnis von 3,6. Dies ist der theoretisch optimale Wert. In der Praxis ergeben sich geringfügige Abweichungen. So haben altbekannte Kabel wie das RG58 oder das RG213 Durchmesser-Verhältnisse von etwa 3,28. Das Optimum ist nicht stark ausgeprägt, sondern breiter gestreut.

Von ebenso großem Einfluss ist die Beschaffenheit des dazwischen liegenden Dielektrikums, dessen Eigenschaften durch die Dielektrizitätskonstante gekennzeichnet werden. Neben Kabeln mit Volldielektrikum gibt es solche mit einem Dielektrikum aus geschäumten Isoliermaterial oder einer überwiegenden Luftisolation. Letztere Kabel sind verlustärmer als solche mit einer Vollisolation. Sie bieten eine geringere Dämpfung, sind aber leider auch mechanisch empfindlicher.

Die Dämpfung eines Kabels wird in dB pro 100 Meter für bestimmte Frequenzen angegeben. Den dB-Wert der zur Arbeitsfrequenz nächstgelegenen angegebenen Frequenz durch 100 geteilt und mit der individuellen Kabellänge in Metern multipliziert, ergibt den ungefähren Dämpfungswert des eingesetzten Kabels.

Dickere Koaxialkabel haben eine geringere Dämpfung als dünnere Kabel, sind somit also besser für höhere Frequenzen und höhere Leistungen geeignet. „Last but not least“ haben Koaxialkabel mit zunehmendem Durchmesser, durch das dickere Dielektrikum eine höhere Spannungsfestigkeit und sind damit für die Übertragung größerer Leistungen besser geeignet.

Die Kabeldämpfung vermindert nicht nur die zur Antenne vorlaufende Leistung, sondern bedämpft ebenfalls den Rücklauf. Durch einen Austausch gegen ein höherwertiges Koaxialkabel mit geringerer Dämpfung wird das Stehwellenverhältnis nicht etwa besser, sondern nimmt einen etwas höheren Wert an.


Warum Tuner und Vorverstärker direkt zur Antenne gehören

Antennentuner sollten möglichst am Speisepunkt der Antennen platziert werden. Steht der Tuner unten an der Station, verursacht das hohe Stehwellenverhältnis zur ohnehin schon vorhandenen Kabeldämpfung zusätzliche Verluste auf der Leitung. Empfangsvorverstärker sind oben, möglichst direkt an der Antenne zu installieren. Dort bekommen sie ohne die Kabeldämpfung einen stärkeren Signalpegel, der höher über dem Rauschpegel liegt!


So finden Sie das perfekte Kabel

Welches Koaxialkabel ist das richtige? Diese Frage lässt sich nicht so ohne Weiteres beantworten. Es gibt nämlich erhebliche Unterschiede zwischen den verschiedenen Kabeltypen. Welches Kabel das richtige, nämlich das sinnvoll eingesetzte Kabel ist, hängt wesentlich vom jeweiligen Verwendungszweck, der Länge, der Sendeleistung und der Frequenz ab. Bevor man sich für den Kauf eines bestimmten Koaxialkabels entscheidet, sollte man systematisch die an das Kabel gestellten Anforderungen durchchecken.

Diese Anforderungen können individuell sehr unterschiedlich sein, weil sie von der Konfiguration der Funkanlage abhängig sind. Wenn für gerade einmal fünf Meter bis zur Antenne ein Koaxialkabel vom Typ RG58CU ausreichend erscheint, kann anderenfalls bei größeren Kabellängen, höheren Frequenzen und Leistungen ein Wechsel zu einem höherwertigen Kabel dringend erforderlich sein. Doch beim Kabelkauf ist Vorsicht geboten, denn neben den Originalausführungen mit aufgedruckter Typenbezeichnung gibt es auch ähnlich aussehende „No-Name“-Fabrikate mit geringerer Qualität auf dem Markt. Folgende Kriterien sollte man zuvor unbedingt berücksichtigen:

Handelt es sich um das Originalkabel mit aufgedruckter Typen und Herstellerbezeichnung? Kabel ohne Aufdruck haben abweichende elektrische Eigenschaften und von der Norm abweichende Außendurchmesser.
Wird das Kabel im Kurzwellen-, VHF- oder UHF-Bereich eingesetzt? Bei großen Kabellängen und/oder höheren Sendeleistungen höherwertiges Koaxialkabel mit niedrigen Dämpfungswerten wählen.
Benötige ich ein möglichst flexibles Kabel mit einem Innenleiter aus Litze oder genügt ein Kabel mit massivem Innenleiter? Am Rotor muss das Kabel durch die mechanische Beanspruchung der Drehbewegung besonders flexibel sein!
Ist das äußere Abschirmgeflecht ausreichend dicht bzw. doppelt abgeschirmt, mit einer zusätzlichen, darunter liegenden Aluminiumfolie ausgeführt?
Kabel mit massivem Innenleiter haben zwar eine geringere Dämpfung, sind aber biege-steif und daher vorwiegend nur für eine feste Verlegung geeignet.
Für die Speisung von Drahtantennen mit frei hängenden Speiseleitungen kommen nur flexible Kabel mit Innenleiter aus Litze in Betracht. Bei frei zum Speisepunkt hängenden Kabeln spielt auch das Gewicht eine Rolle. Schwere Kabel vergrößern den Durchhang der Drahtantenne.
Welche Steckerausführungen und Steckernormen sind für das gewählte Kabel verfügbar?


Von der heißen Straße bis zum Outdoor-Abenteuer

Koaxkabel im Fahrzeug müssen resistent gegen Hitze sein (Stichwort Heatex), fest verlegt werden und an beweglichen Übergangsstellen, wie am Kofferraumdeckel, wiederum ausreichend flexibel sein. Eine doppelte Abschirmung wird der EMV-Problematik gereicht und verhindert sowohl Störungen der als auch durch die Bordelektronik.
Die Anforderungen an ein Kabel zur festen Verlegung und die Ansprüche im portablen Funkbetrieb können nicht unterschiedlicher sein. Genügt im ersten Fall ein biegesteifes Kabel mit massivem Innenleiter, braucht es im portablen Funkbetrieb wie Fieldday, SOTA, POTA ein Kabel, das UV-fest, tritt-fest und flexibel ist, da es mehrfach auf- und abgewickelt wird. Zur besseren Sichtbarkeit im Gelände sollte man eine möglichst helle Farbe auswählen. Bei fest verlegten Kabeln kann es sinnvoll sein, die Farbe zur Tarnung an die Umgebung anzupassen. Hitze- und salzwasserresistente Kabel sind insbesondere für die Verwendung in Küstennähe und in der Schifffahrt prädestiniert. Zuletzt sollte man das unterschiedliche Gewicht der diversen Kabel nicht vergessen! Unter den Aspekten „Portabelfunk, Fluggepäck und Durchhang von Drahtantennen“ ist hier das besonders leichte „Airborn“ mit Aluminiummantel, aber starrem Innenleiter, hervorzuheben.