Entwicklung und Technik von Koaxialkabeln in der Hochfrequenztechnik

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.

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?

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.

Oftmals nicht mehr zeitgemäß...

RG58 und RG213 sind vermutlich die meistverkauften Koaxialkabel und somit jedem Funkamateur ein Begriff. Sie sind allerdings nur bei kürzeren Kabellängen, kleineren Leistungen und niedrigen Frequenzen im unteren Kurzwellenbereich vertretbar. Das ein- oder andere No-Name-Produkt unter den einfachen Koaxialkabeln leidet oftmals unter einer unzureichenden Schirmdämpfung, womit sie sich aus der Umgebung im Nahbereich alle möglichen Störungen einfängt. Ebenso ist das die Ursache für eine unerwünschte Abstrahlung des Kabels auf der Frequenz des Nutzsignals. Wennschon, sollte man nicht das einfache RG58 oder RG213 verwenden, sondern die besser abgeschirmten Typen RG58CU oder RG213U in der MIL-Norm einsetzen.

Allein dieser Schritt macht sich bereits bei größeren Leitungslängen im Kurzwellenbereich mit einer reduzierten Dämpfung bezahlt. Es gibt jedoch weitaus bessere Alternativen - lesen Sie bitte weiter!

Was ist die Military Norm MIL C17F?

Ursprünglich war die Military Norm ausschließlich für den militärischen Bereich vorgesehen. Inzwischen gilt diese Norm international auf dem gesamten Gebiet der HF-Technik seit langem als Qualitätsstandard. Mit der MIL-Norm gestempelte Koaxialkabel garantieren die Einhaltung der geforderten Eigenschaften und Werte, wie zum Beispiel Abschirmdichte, Alterungsbeständigkeit und Passgenauigkeit für die genormten Steckverbinder. So werden auch das althergebrachte RG213 U und das RG58 in der MIL-Norm C17F gefertigt und können in dieser Qualität noch immer als gängige Koaxialkabel für Anwendungen im (unteren) Kurzwellenbereich bezeichnet werden. Ein sehr dichteres Abschirmgeflecht sorgt für ein verbessertes Schirmungsmaß von circa 60 dB. Ein gutes RG213 U muss eine Kupferzahl von 80 besitzen, das heißt, dass in einem Kilometer Kabel mindestens 80 kg Kupfer verarbeitet werden müssen. Allerdings sind auch RG-213-Kabel auf dem Markt unterwegs, die nicht diese Bezeichnung tragen. Diese Ausführungen sind meistens mit nur 60 kg deutlich leichter als das Original und haben einen von 10,3 mm abweichenden Durchmesser, sodass die Montage von Normsteckern problematisch ist.

Mantelwellen und Mantelwellensperre

Aktuell hochwertige Kabel im Vergleich

Der richtige Stecker für eine perfekte Verbindung

Selbstverständlich kann man sich zum gewählten Kabel die apassenden Steckverbinder hier und da zusammensuchen. Qualitativ hochwertige Koaxialkabel in den Originalausführungen mit aufgedruckter Typen- und Herstellerbezeichnungen kauft man jedoch am besten bei darauf spezialisierten Firmen oder dem Amateurfunk-Fachhändler seines Vertrauens, die neben allen gängigen und weniger bekannten Kabeltypen auch gleich die passenden Steckverbinder aus einer Hand liefern. Falsche oder nicht passende Steckverbinder machen schnell die guten Eigenschaften eines hochwertigen Kabels zunichte. Stecker und Kabel müssen zusammenpassen. Jeder angelötete Stecker muss mechanisch und elektrisch perfekt sitzen.

Außer gegen mechanische Einwirkungen, wie zum Beispiel scharfe Knicke, reagieren Koaxialkabel äußerst empfindlich auf eindringende Feuchtigkeit. Einmal in das Kabel eingedrungene Feuchtigkeit lässt sich nicht mehr beseitigen. Durch den Kapillareffekt des Geflechts zieht die Feuchtigkeit mit der Zeit durch das ganze Kabel und macht es völlig unbrauchbar. Und wo nimmt dies seinen Anfang? Klar, am Stecker! Der Einsatz der für die jeweiligen Kabeltypen vorgesehenen Originalstecker gewährleistet in dieser Hinsicht einen optimalen, witterungsgeschützten Kabelanschluss. Für alle bei WiMo geführten Koaxialkabel gibt es jeweils auch die original, passenden Steckverbinder!

Quellennachweis:

Klüß, A.; DF2BC: Koaxkabel & Stecker, FUNK 5/2004, S. 44-48, Verlag für Technik & Handwerk, Baden-Baden

November 2024, Alfred Klüß, DF2BC