Wie funktioniert Koax: Struktur, Signal und Herstellung

Wie funktioniert Koax: Die kurze Antwort

Koaxialkabel übertragen elektrische Signale über zwei konzentrische Leiter – einen massiven Innenleiter, der von einem rohrförmigen Außenleiter (Abschirmung) umgeben ist – getrennt durch einen dielektrischen Isolator und umhüllt von einem schützenden Außenmantel. Durch die Geometrie bleibt das Signal im Kabel begrenzt, wodurch elektromagnetische Störungen (EMI) und Signalverluste im Vergleich zu standardmäßigen Twisted-Pair- oder Parallelkabeln drastisch reduziert werden. Aus diesem Grund bleibt Koaxialkabel die erste Wahl für HF-Übertragung, Breitband-Internet, Kabelfernsehen und Präzisionsinstrumente, auch wenn Glasfaser- und drahtlose Alternativen zunehmen.

Jede Schicht eines Koaxialkabels hat einen bestimmten physikalischen und elektrischen Zweck. Der Leiter führt Strom; das Dielektrikum steuert Impedanz und Ausbreitungsgeschwindigkeit; der Schild blockiert Lärm; Die Jacke schützt vor mechanischen und umweltbedingten Schäden. Entfernen Sie eine Schicht und das Kabel funktioniert nicht mehr richtig. Das Verständnis der einzelnen Schichten – und ihrer Interaktion – erklärt, warum die Koaxialtechnik anspruchsvoller ist, als es den Anschein hat.

Die physikalische Struktur eines Koaxialkabels, Schicht für Schicht

Innenleiter

Der Mittelleiter besteht in der Regel aus massivem oder verseiltem Kupfer, bei Hochfrequenz- oder hochfesten Anwendungen werden jedoch kupferkaschierter Stahl (CCS) und versilbertes Kupfer verwendet. Der Durchmesser reicht von unter 0,5 mm bei Miniatur-HF-Kabeln bis über 10 mm bei großen CATV-Hauptkabeln. Bei hohen Frequenzen fließt der Strom nahe der Oberfläche des Leiters – ein Phänomen, das als Skin-Effekt bezeichnet wird – sodass die Oberflächenqualität und Leitfähigkeit des Leiters direkt die Verlustzahlen beeinflussen. Die Versilberung erhöht die Oberflächenleitfähigkeit, weshalb sie häufig bei Mikrowellenkabeln verwendet wird.

Dielektrischer Isolator

Das zwischen Innen- und Außenleiter eingelegte Dielektrikum steuert zwei kritische Parameter: Impedanz und Ausbreitungsgeschwindigkeit (VoP). Zu den gängigen dielektrischen Materialien gehören Vollpolyethylen (PE), Schaumpolyethylen, Polytetrafluorethylen (PTFE) und Konstruktionen mit Luftspalt. Schaum-PE senkt die Dielektrizitätskonstante von etwa 2,25 (festes PE) auf etwa 1,4–1,6 , was VoP von etwa 66 % auf 78–85 % der Lichtgeschwindigkeit erhöht und gleichzeitig die dielektrischen Verluste reduziert – beides wünschenswert für Breitband- oder Langzeitanwendungen. PTFE wird gewählt, wenn es auf Temperaturstabilität ankommt; Es behält seine elektrischen Eigenschaften von –65 °C bis 200 °C.

Die Dicke und Gleichmäßigkeit der dielektrischen Schicht bestimmen direkt den Wellenwiderstand des Kabels. Selbst eine leichte Exzentrizität – eine außermittige Platzierung des Innenleiters – verschiebt die Impedanz und erzeugt Reflexionen. Aus diesem Grund ist die Präzision von Draht- und Kabelextrudern bei der Herstellung so wichtig: Die Kreuzkopfdüse muss den Leiter innerhalb einer in Mikrometern gemessenen Toleranz zentrieren.

Außenleiter (Abschirmung)

Die Abschirmung erfüllt zwei Funktionen gleichzeitig: Sie ist der Rückstrompfad für das Signal und sie ist die elektromagnetische Barriere, die verhindert, dass externes Rauschen in das Kabel eingekoppelt wird. Zu den gängigen Schildkonstruktionen gehören:

• Massives Aluminium- oder Kupferrohr – wird in Hardline-CATV-Kabeln verwendet; Nahezu 100 % Abdeckung, sehr geringer Verlust, starr
• Geflochtener Schild — typischerweise 85–98 % optische Abdeckung; flexibel, langlebig, verwendet in RG-58, RG-6, RG-11
• Kombination aus Foliengeflecht — Folie bietet 100 % Abdeckung; Geflecht sorgt für zusätzliche mechanische Festigkeit und Gleichstromkontinuität; häufig in Satelliten- und Breitbandkabeln
• Tri-Shield und Quad-Shield — mehrere Folien- und Geflechtschichten für Umgebungen mit hohen Interferenzen; Die Schirmdämpfung kann 90 dB überschreiten

Außenjacke

Der Mantel ist die äußerste Schutzschicht und besteht üblicherweise aus PVC, Polyethylen, LSZH (Low Smoke Zero Halogen) oder Fluorpolymeren. Die Wahl des Mantelmaterials hängt von der Installationsumgebung ab: PVC ist wirtschaftlich und flammhemmend für den Innenbereich; PE und LLDPE bieten UV- und Feuchtigkeitsbeständigkeit für die Erdverlegung im Freien; LSZH ist in öffentlichen Räumen und in der Verkehrsinfrastruktur aufgrund der verringerten Emission giftiger Gase bei Bränden vorgeschrieben. Der Mantel wird nach Fertigstellung der Abschirmung durch einen Draht- und Kabelextruder in einem separaten Extrusionsdurchgang aufgebracht.

Charakteristische Impedanz: Warum 50 Ω und 75 Ω dominieren

Die charakteristische Impedanz ist kein Gleichstromwiderstand – sie ist eine frequenzunabhängige Eigenschaft, die vollständig durch die Geometrie des Kabels und die Dielektrizitätskonstante des Isolators bestimmt wird. Die Formel lautet:

Z₀ = (138 / √εr) × log₁₀(D/d)

Dabei ist εr die relative Permittivität des Dielektrikums, D der Innendurchmesser des Außenleiters und d der Außendurchmesser des Innenleiters. Aus bekannten technischen Gründen dominieren in der Koaxialwelt zwei Impedanzwerte:

Die theoretische Mindestverlustimpedanz für ein Koaxialkabel mit Polyethylen-Dielektrikum beträgt etwa 77 Ω – weshalb 75 Ω zum Standard der Rundfunkindustrie wurde. Der 50-Ω-Wert ist ein Kompromiss zwischen maximaler Belastbarkeit (~30 Ω optimal) und minimalem Verlust und eignet sich daher besser für bidirektionale HF-Verbindungen. Eine fehlerhafte Impedanzanpassung zwischen Quelle, Kabel und Last führt zu Signalreflexionen, stehenden Wellen und Leistungsverlusten – Probleme, die durch das Spannungs-Stehwellenverhältnis (VSWR) quantifiziert werden.

Signalübertragungsmechanik im Kabel

Koaxialkabel übertragen Signale nicht so, wie es sich die meisten Menschen intuitiv vorstellen. Die Energie fließt nicht durch den Leiter wie Wasser durch ein Rohr. Stattdessen breitet es sich als elektromagnetische Welle im Raum zwischen Innen- und Außenleiter aus – dem dielektrischen Bereich. Die Leiter fungieren als Randbedingungen, die die Welle leiten und eingrenzen. Dieser Ausbreitungsmodus wird als TEM-Modus (transversaler elektromagnetischer Modus) bezeichnet, bei dem sowohl die elektrischen als auch die magnetischen Feldkomponenten vollständig quer zur Bewegungsrichtung verlaufen.

Das elektrische Feld strahlt radial zwischen dem Innenleiter ( ) und dem Außenleiter (–) aus, während das magnetische Feld konzentrische Kreise um den Innenleiter bildet. Da das Feld vollständig von der Abschirmung umgeben ist, strahlt das Kabel nahezu keine Energie nach außen ab und ist nahezu immun gegen äußere Felder – solange die Integrität der Abschirmung gewahrt bleibt. Ein Bruch in der Abschirmung, ein schlechter Stecker oder ein geknicktes Kabel stören die Feldgeometrie und führen zu Rauschen und Verlusten.

Ausbreitungsgeschwindigkeit und elektrische Länge

Signale breiten sich durch Koaxialkabel mit einer Geschwindigkeit aus, die nur einen Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ausmacht, die durch das Dielektrikum bestimmt wird. Solides PE ergibt einen VoP von etwa 66 %; Schaum-PE erhöht ihn auf 78–85 %; PTFE-Luftspaltdesigns können 93–98 % erreichen. Bei einem 10 Meter langen Kabel mit festem PE beträgt die Signalverzögerung in einer Richtung etwa 50 Nanosekunden. Dies ist bei Präzisions-Timing, Radarsystemen und Phased-Array-Antennen von Bedeutung, bei denen Kabellängen auf bestimmte elektrische Längen – Bruchteile oder Vielfache der Signalwellenlänge – zugeschnitten werden, um kontrollierte Phasenbeziehungen zu erreichen.

Dämpfungsmechanismen

Der Signalverlust bei Koaxialkabeln hat drei Hauptursachen:

• Leiterverlust — Widerstandserwärmung im Innenleiter und in der Abschirmung, dominant bei niedrigeren Frequenzen und proportional zu √f aufgrund des Skin-Effekts
• Dielektrischer Verlust — Energie, die vom Isolator absorbiert wird, wenn das Wechselfeld seine Molekularstruktur belastet; wächst linear mit der Frequenz und ist der Grund, warum bei Mikrowellenfrequenzen verlustarme Dielektrika wie PTFE und Schaum-PE verwendet werden
• Strahlungsverlust — Leckage durch Schildunvollkommenheiten; Im Allgemeinen vernachlässigbar bei gut konstruierten Kabeln, aber signifikant, wenn die Abschirmung beschädigt ist oder wenn Ausbreitungsmoden höherer Ordnung oberhalb der Grenzfrequenz des Kabels angeregt werden

Die Dämpfung wird in dB pro Längeneinheit bei bestimmten Frequenzen angegeben. Ein Standard-RG-6-Quad-Shield-Kabel hat ungefähr 2,0 dB/100 Fuß bei 100 MHz und 6,5 dB/100 Fuß bei 900 MHz Dies veranschaulicht, wie der Verlust mit der Häufigkeit deutlich zunimmt. High-End-Kabel mit geringem Verlust wie LMR-400 reduzieren die 900-MHz-Dämpfung durch größere Leiter und Schaumstoffdielektrikum auf etwa 2,7 dB/100 Fuß.

Wie Koaxialkabel hergestellt werden: Die Rolle des Draht- und Kabelextruder

Die Herstellung von Koaxialkabeln ist ein mehrstufiger Prozess, bei dem die Maßgenauigkeit in jeder Phase die elektrische Leistung des Kabels bestimmt. Ein Draht- und Kabelextruder ist für zwei der kritischsten Schritte von zentraler Bedeutung: die dielektrische Isolierung und das Aufbringen des Außenmantels.

Innenleiter Drawing and Stranding

Der Prozess beginnt damit, dass der Kupferstab durch eine Reihe von Matrizen gezogen wird, um den gewünschten Leiterdurchmesser zu erreichen. Die Toleranzen sind eng: Bei einem 50-Ω-Kabel mit einem 0,9-mm-Leiter führt bereits eine Abweichung von ±0,01 mm zu einer merklichen Impedanzverschiebung. Litzenleiter durchlaufen vor der Extrusionslinie eine Bündel- oder Verseilmaschine.

Dielektrische Extrusion

Hier erfüllt der Draht- und Kabelextruder seine wichtigste Funktion. Der Leiter wird durch eine Kreuzkopfdüse geführt und geschmolzenes PE, Schaum-PE oder PTFE-Compound wird unter kontrolliertem Druck und kontrollierter Temperatur um ihn herum aufgetragen. Die Konzentrizität des Dielektrikums – wie genau der Leiter innerhalb der Isolierung zentriert ist – muss innerhalb von ±1–2 % der Wandstärke des Dielektrikums eingehalten werden, um die Impedanz innerhalb der Spezifikation zu halten.

Bei Schaum-PE-Kabeln wird Gas (normalerweise Stickstoff) in den geschmolzenen Polymerstrom injiziert, um eine kontrollierte Zellstruktur zu erzeugen. Die Schaumdichte bestimmt direkt die Dielektrizitätskonstante Daher müssen Gasdruck, Schmelzetemperatur und Liniengeschwindigkeit eng aufeinander abgestimmt sein. Moderne Kabelextruderlinien verwenden eine Echtzeit-Kapazitätsmessung nach der Düse. Die Messung der Kapazität pro Längeneinheit gibt einen sofortigen Hinweis auf den Isolationsdurchmesser und die Dielektrizitätskonstante und ermöglicht eine automatische Rückmeldung an das Steuersystem des Extruders.

Nach der Extrusion durchläuft der isolierte Leiter eine Wasserkühlrinne, um das Dielektrikum zu verfestigen, bevor er die Raupenabzugseinheit erreicht. Die Liniengeschwindigkeiten für die Extrusion von Koaxialdielektrika mit kleinem Durchmesser liegen typischerweise zwischen 100 und über 500 Metern pro Minute, abhängig von der Leitergröße und der Dielektrikumsdicke.

Abschirmung

Nachdem das Dielektrikum abgekühlt und aufgewickelt ist, gelangt das Kabel zu einer Abschirmungsleitung. Folienschirme werden aufgebracht, indem Aluminium-Polyester-Laminatband in Längsrichtung oder spiralförmig über das Dielektrikum gewickelt wird. Geflochtene Abschirmungen werden auf einer Flechtmaschine mit Dutzenden bis Hunderten von Spulen aufgebracht, die feinen Kupferdraht oder verzinnten Kupferdraht tragen. Bei Kabeln, die eine Folie-plus-Geflecht-Konstruktion erfordern, können beide Vorgänge in einem einzigen Maschinendurchgang kombiniert werden.

Mantelextrusion

Im letzten Extrusionsschritt wird der Außenmantel mit einem weiteren Draht- und Kabelextruder aufgetragen – je nach Verbindung typischerweise einer Einschnecken- oder Doppelschneckenmaschine. PVC-Ummantelungsanlagen arbeiten üblicherweise mit 50–150 m/min; PE- und LSZH-Verbindungen erfordern eine sorgfältige Temperaturprofilierung entlang des Extruderzylinders, um eine Zersetzung zu verhindern. Die Gleichmäßigkeit der Mantelwandstärke wird durch Funkenprüfung (Hochspannungs-Durchgangsprüfung bei 2–6 kV) und Inline-Laserdurchmessermessungen überprüft. Fertige Kabel sind zur Identifizierung vor Ort mit Typenbezeichnung, Impedanz, Nennspannung und Herstellungsdatum bedruckt.

Gängige Koaxialkabeltypen und ihre Spezifikationen

Die Bezeichnung „RG“ (Radio Guide) war ursprünglich ein Spezifikationssystem des US-Militärs. Während viele RG-Bezeichnungen durch herstellerspezifische Teilenummern für moderne Kabel ersetzt wurden, sind die alten Bezeichnungen in der Branche nach wie vor weithin anerkannt. Das Verständnis der Unterschiede hilft bei der Auswahl des richtigen Kabels für eine bestimmte Anwendung.

Steckverbinder und Terminierung: Wo die meisten Probleme beginnen

Das Kabel selbst ist nur ein Teil einer Koaxialverbindung. Der Stecker überträgt das Signal vom Kabel zum Gerät und wird bei schlechter Herstellung oder Installation zur Hauptquelle für Signalverlust, Reflexion und Fehler. Der Steckverbinder muss in seiner Innengeometrie die gleiche charakteristische Impedanz wie das Kabel beibehalten – jede Diskontinuität führt zu einer Reflexion.

Gängige Koax-Steckertypen

• BNC (Bajonett Neill–Concelman) — 50 Ω, ausgelegt für ~4 GHz, Vierteldreh-Bajonettverschluss; Standard in Testausrüstung, Video und Instrumentierung
• SMA (SubMiniatur-Version A) — 50 Ω, ausgelegt für 18 GHz, mit Gewinde; weit verbreitet in HF-Modulen, Antennen und Mikrowellenbaugruppen
• N-Typ — 50 Ω oder 75 Ω, ausgelegt für 11–18 GHz, wetterfest; Wird in Außenantennen und Basisstationsgeräten verwendet
• F-Typ — 75 Ω, bis zu ~3 GHz; allgegenwärtig in privaten CATV- und Satelliteninstallationen; Der Mittelleiter des Kabels selbst dient als Anschlussstift
• PL-259 (UHF) — nominell 50 Ω, aber keine wirklich konstante Impedanz; in der Praxis auf ~300 MHz ausgelegt; im Amateurfunk üblich

Für einen ordnungsgemäßen Anschluss ist es erforderlich, das Kabel auf exakte Abmessungen abzuisolieren, das Geflecht nicht zu quetschen, die Konzentrizität des Dielektrikums an der Steckerschnittstelle aufrechtzuerhalten und beim Stecken das richtige Drehmoment anzuwenden. Ein einzelner, unsachgemäß installierter F-Stecker in einem Kabelfernsehverteilungssystem kann zu Signaleingängen (Eindringen von Außensignalen) und Signalausgängen (Austritt von Kabelsignalen) führen, wodurch die Leistung des gesamten Knotens beeinträchtigt wird.

Koax vs. andere Übertragungsmedien: Wann sollte man sich dafür entscheiden?

Koaxialkabel sind nicht für jede Anwendung die richtige Wahl, bieten aber in bestimmten Szenarien klare Vorteile. Ein Vergleich mit gängigen Alternativen verdeutlicht, wo es am besten passt.

Koax vs. Twisted Pair (Cat5e/Cat6/Cat8)

Twisted Pair basiert auf Differenzsignalisierung und engen Twist-Raten, um EMI zu unterdrücken – ein grundlegend anderer Ansatz als der abgeschirmte TEM-Modus von Koax. Twisted Pair dominiert die strukturierte Ethernet-Verkabelung, da es kostengünstiger, leichter und einfacher zu terminieren ist. Bei HF-Frequenzen über einigen hundert MHz oder in Umgebungen mit hohen Interferenzen kann es jedoch nicht mit Koaxialkabeln mithalten. Cat8 unterstützt 40 Gbit/s, läuft aber nur über 30 Meter mit 2 GHz ; Ein ordnungsgemäß installiertes RG-6-Koaxialkabel verarbeitet Breitbandsignale bis 3 GHz über viel größere Entfernungen mit weitaus einfacherer Verstärkung.

Koax vs. Glasfaser

Glasfaser bietet praktisch keine Anfälligkeit für elektromagnetische Störungen, eine viel geringere Dämpfung über große Entfernungen (~0,2 dB/km für Singlemode gegenüber 40–100 dB/km für Koaxialkabel bei Mikrowellenfrequenzen) und eine Bandbreitenkapazität, die Kupfer in den Schatten stellt. Die Nachteile sind die Kosten für die Transceiver-Elektronik, die Zerbrechlichkeit und die Unfähigkeit, neben dem Signal auch Gleichstrom zu übertragen. Koax bleibt bevorzugt für kurze HF-Verbindungen, Antennenzuleitungen und Anwendungen, die ein Stromsignal über ein Kabel erfordern (z. B. phantomgespeiste Mikrofone, aktive Satelliten-LNBs, die über Koax gespeist werden).

Koax vs. Wellenleiter

Bei Frequenzen über etwa 18 GHz werden Koaxialverluste unerschwinglich, und Wellenleiter – ein hohles Metallrohr, das EM-Wellen überträgt – bieten eine viel geringere Dämpfung. Hohlleiter haben keinen Innenleiter und daher keinen Leiterverlust in der Mitte; Aufgrund seiner starren Struktur und frequenzselektiven Natur (Wellenleiter lässt nur Signale oberhalb seiner Grenzfrequenz durch) ist es für Breitband- oder flexible Installationen ungeeignet. Koax dominiert unterhalb von 18 GHz überall dort, wo Flexibilität und Konnektivität benötigt werden.

Qualitätskontrolle in der Koaxialkabelproduktion

Die Präzisionsanforderungen bei der Herstellung von Koaxialkabeln machen die Qualitätskontrolle zu einem kontinuierlichen Inline-Prozess und nicht zu einer Chargenprüfung am Ende. Eine Draht- und Kabelextruderlinie für die Koaxialproduktion integriert typischerweise mehrere Messsysteme gleichzeitig:

• Laser-Durchmessermessgeräte — berührungslose Messung des dielektrischen Außendurchmessers, typischerweise mit einer Genauigkeit von ±0,001 mm; unmittelbar nach der Kühlrinne platziert
• Kapazitätsmonitore — Messung der Kapazität pro Längeneinheit, die mit der dielektrischen Wanddicke und der Dielektrizitätskonstante korreliert; Abweichungen lösen automatische Korrekturen der Liniengeschwindigkeit oder der Extruderdrehzahl aus
• Exzentrizitätsscanner — Röntgen- oder Ultraschallscanner prüfen in Echtzeit die Konzentrizität des Innenleiters innerhalb des Dielektrikums
• Spark-Tester — Legen Sie 2–10 kV Gleich- oder Wechselstrom an das Dielektrikum an, um Nadellöcher oder dünne Stellen zu erkennen, die im Betrieb zu Isolationsfehlern führen würden
• Kabel-TDR-Test abgeschlossen — Die Zeitbereichsreflektometrie identifiziert Impedanzdiskontinuitäten entlang des fertigen Kabels, indem sie einen Impuls entlang der Leitung sendet und Reflexionen analysiert

Die Impedanzgleichmäßigkeitsspezifikationen für CATV-Kabel in Rundfunkqualität liegen typischerweise bei ±2 Ω über die gesamte Kabellänge , mit Anforderungen an die strukturelle Rückflussdämpfung (SRL) von 23–30 dB im 5–1000-MHz-Band. Um diese Zahlen konstant bei Produktionsgeschwindigkeiten über 200 m/min zu erreichen, sind ein äußerst präzises Düsendesign, Materialkonsistenz und eine Prozesssteuerung mit geschlossenem Regelkreis erforderlich – alles konzentriert auf die Leistung des Draht- und Kabelextruders und der zugehörigen Messsysteme.

Praxisnahe Anwendungen, die zeigen, wie Koax in der Praxis funktioniert

Verteilung von Kabelfernsehen (CATV).

Eine CATV-Kopfstelle empfängt Signale und verteilt sie über ein Hybrid-Glasfaser-Koaxial-Netzwerk (HFC). Glasfaser überträgt das Signal vom Kopfende zu den Nachbarschaftsknoten; RG-11 oder Hardline-Koaxialkabel transportieren es vom Knoten zum Abzweig (normalerweise innerhalb von 500 Metern); RG-6-Abzweige verbinden den Wasserhahn mit den einzelnen Häusern. Jedes Segment verwendet Verstärker, um die Kabeldämpfung zu überwinden, deren Abstand auf der Kabeldämpfung bei der höchsten Trägerfrequenz basiert – typischerweise 1 GHz oder höher in DOCSIS 3.1-Systemen.

Mobilfunk-Basisstationen

Das Zuleitungskabel zwischen einer BTS-Funkeinheit und der Antenne an der Spitze eines Turms ist fast immer koaxial – entweder flexibles gewelltes Koaxialkabel oder starres Hartkabel. Ein 30-Meter-LMR-400-Lauf bei 900 MHz verliert etwa 0,8 dB; Bei 2,1 GHz (3G UMTS) verliert der gleiche Lauf etwa 1,3 dB. Jedes dB Einspeisungsverlust reduziert direkt die effektive Strahlungsleistung. Aus diesem Grund haben sich Remote Radio Head (RRH)-Installationen durchgesetzt, bei denen die Funkeinheit an der Spitze des Turms montiert und über Glasfaser mit der Basisbandeinheit verbunden ist: Sie eliminieren den Einspeiseverlust vollständig.

Medizinische und industrielle Instrumentierung

Ultraschallwandler, MRT-Signalketten und industrielle Radar-Füllstandmessgeräte sind alle aus demselben Grund wie Rundfunksysteme auf koaxiale Verbindungen angewiesen: Abschirmungsintegrität und kontrollierte Impedanz. Beim Ultraschall überträgt das Koaxialkabel Impulse im MHz-Bereich mit minimaler Verzerrung zu und von piezoelektrischen Wandlern. Die Dielektrikum- und Leitermaterialien müssen in manchen Fällen biokompatibel sein und das Kabel muss Sterilisationszyklen überstehen – Anforderungen, die bei der Entwicklung auf spezielle Fluorpolymer-Dielektrika drängen, die auf speziellen Draht- und Kabelextruderlinien hergestellt werden.

GPS- und Satellitenempfänger

GPS arbeitet mit 1575,42 MHz (L1) und 1227,60 MHz (L2). Die Koaxialleitung von einer aktiven GPS-Antenne zu einem Empfänger speist über dasselbe Kabel sowohl das HF-Signal als auch den Gleichstrom für den integrierten LNA der Antenne. Kabelverlust verschlechtert direkt das Signal-Rausch-Verhältnis. Ein 10-Meter-RG-6-Lauf bei 1,5 GHz führt zu einem Verlust von etwa 1,0 dB – überschaubar; Eine 50-Meter-Strecke würde fast 5 dB verbrauchen, was typischerweise den LNA-Gewinn einer standardmäßigen aktiven Antenne übersteigt und einen integrierten Signalverstärker erfordert.

Häufig gestellte Fragen zur Funktionsweise von Koax

Warum haben Koaxialkabel eine so gute EMI-Unterdrückung?

Denn das elektromagnetische Feld, das das Signal transportiert, ist vollständig zwischen Innen- und Außenleiter eingeschlossen. Externe Felder können eine durchgehende Abschirmung nicht durchdringen – sie induzieren Ströme auf der Außenfläche der Abschirmung, aber diese Ströme haben keinen Einfluss auf das interne Feld. Auch umgekehrt gilt: Das interne Signalfeld des Kabels strahlt nicht nach außen ab, wodurch Störungen anderer Systeme vermieden werden. Diese „Koaxialsymmetrie“ ist der Hauptgrund dafür, dass Koaxialkabel in HF-Umgebungen Open-Wire- oder Twisted-Pair-Verbindungen übertreffen.

Was passiert, wenn Sie das falsche Impedanzkabel verwenden?

Die Verwendung eines 75-Ω-Kabels in einem 50-Ω-System führt zu einer Impedanzfehlanpassung. Bei jedem Übergang – am Eingang und am Ausgang – wird ein Teil der Signalleistung zur Quelle zurückreflektiert. Die reflektierten und einfallenden Wellen erzeugen zusammen stehende Wellen auf dem Kabel, was bedeutet, dass die Signalamplitude entlang der Kabellänge variiert und nicht konstant ist. Ein VSWR von 1,5:1 (eine geringfügige Abweichung von einem 50/75-Ω-Übergang) entspricht etwa 4 % der reflektierten Leistung. Bei Hochleistungs-HF-Sendern kann eine übermäßige reflektierte Leistung den Endverstärker beschädigen. Bei Präzisionsmessungen führt es zu Fehlern im gemessenen Signal.

Können Strom und Signal gleichzeitig über Koax übertragen werden?

Ja. Dies wird Power over Coax (PoC) oder im Satellitenkontext LNB-Stromversorgung genannt. Dem Innenleiter wird neben dem HF-Signal eine Gleichspannung (typischerweise 13 V oder 18 V bei Satelliten-LNBs; bei CCTV unterschiedlich) überlagert. Ein Bias-T-Stück – ein einfaches Induktor-Kondensator-Netzwerk – trennt die Gleichstrom- und HF-Pfade an beiden Enden, sodass das Gerät Gleichstrom extrahieren oder einspeisen kann, ohne das HF-Signal zu beeinflussen. Die Nennströme sind durch die Leitergröße und die Kontaktwerte des Steckers begrenzt und liegen im Allgemeinen bei einigen hundert Milliampere für Standard-Koaxialkabel.

Was begrenzt die maximale Frequenz, die ein Koaxialkabel verarbeiten kann?

Zwei Faktoren legen die obere Frequenzgrenze fest. Erstens nimmt die Dämpfung mit der Frequenz zu, was das Kabel schließlich unbrauchbar macht. Zweitens – und noch grundlegender – können zusätzlich zum TEM-Modus Ausbreitungsmodi höherer Ordnung (TE- und TM-Modus) angeregt werden, wenn die Wellenlänge des Signals mit den Querabmessungen des Kabels vergleichbar wird. Diese Moden bewegen sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten, was zu Signalverzerrungen und Streuverlusten führt. Die Grenzfrequenz für den ersten Modus höherer Ordnung beträgt ungefähr f_c = 7,52 / (D d) GHz (mit Maßangaben in cm). Standard RG-58 schneidet etwa 11 GHz ab; Kabel mit kleinerem Durchmesser wie UT-047 können über 65 GHz hinausgehen.

Wie wirkt sich Biegen auf die Leistung von Koaxialkabeln aus?

Das Biegen eines Koaxialkabels unterhalb seines minimalen Biegeradius verformt das Dielektrikum, verschiebt den Innenleiter aus der Mitte und kann den Außenleiter dauerhaft verformen – all dies verändert die lokale Impedanz und erhöht die Signalreflexion. Hersteller geben einen minimalen Biegeradius an, der typischerweise dem 10- bis 20-fachen des Außendurchmessers des Kabels bei fester Installation und dem 6- bis 10-fachen bei wiederholten flexiblen Anwendungen entspricht. Scharfe Knicke sind dauerhaft schädlich. Bei Hochfrequenzanwendungen über 10 GHz müssen selbst leichte Biegungen in halbstarren Kabeln bei der elektrischen Leistung der Baugruppe berücksichtigt werden.