Auswahl der richtigen HF-Kabelbaugruppe

Coaxial Kabel Baugruppen finden sich fast überall in elektronischen Systemen. Und sie haben eine einfache Aufgabe: Sie dienen als Signalpfad für die Übertragung von Signalen von einem Ort zum anderen. Diese Aufgabe müssen sie jedoch unbedingt und ohne oder mit nur geringen Änderungen an den Signalen erledigen, unabhängig davon, ob es sich um hochfrequente analoge Signale oder digitale Hochgeschwindigkeitssignale handelt. Da Koaxialkabel-Baugruppen für eine Vielzahl von Systemen von entscheidender Bedeutung sind, angefangen bei robusten bodengestützten elektronischen Systemen bis hin zu Satelliten im Weltraum, sollte das Auswahlverfahren für diese Kabel nicht leichtfertig abgewickelt werden. Die Auswahl der richtigen Koaxialkabelbaugruppe ist keine triviale Aufgabe, sie kann jedoch etwas vereinfacht werden, indem man besser weiß, worauf bei einer Hochfrequenz- oder Hochgeschwindigkeits-Koaxialkabelbaugruppe zu achten ist.

Koaxialkabel bieten die Möglichkeit der transversal-elektromagnetischen Übertragung (TEM). Der Name Koaxial kommt von ihrer Konstruktion, die typischerweise aus einem blanken Kupferrunddraht-Innenleiter besteht, der massiv oder verseilt ist und von einem rohrförmigen dielektrischen Isolator umgeben ist, der von einem rohrförmigen Außenleiter oder einer Abschirmung umgeben ist, die wiederum von irgendeiner Form umgeben ist der äußeren Schutzschicht, in der Regel eine Kunststoffschicht. Das Koaxialkabel stammt von dem britischen Mathematiker Oliver Heaviside, der das Konzept im späten 19. Jahrhundert patentierte. Er hatte Hauteffekte in Telegraphenübertragungsleitungen untersucht und festgestellt, dass das Umwickeln der Übertragungsleitung mit einer Art Isolator deren Leistung verbessern würde. Die erste kommerzielle Verwendung eines Koaxialkabels in den USA war eine 220-Meile lange Koaxialkabelstrecke zwischen zwei Städten in Minnesota, von Stevens Point nach Minneapolis, nominell für Telefonleitungen.

Für eine effektive Verwendung mit analogen Hochfrequenzsignalen oder digitalen Hochgeschwindigkeitssignalen müssen die Abmessungen der verschiedenen Teile eines Koaxialkabels präzise gesteuert werden, um einen konstanten Leiterabstand zu erzielen. Die koaxiale Konstruktion (Abbildung 1, Schnittansicht des Koaxialkabels) begrenzt die elektrischen und magnetischen Felder der geleiteten Signale im dielektrischen Isolator, während verhindert wird, dass elektrische und magnetische Felder außerhalb der äußeren Abschirmschicht die geleiteten Signale stören. Ein Koaxialkabel wird zu einer Baugruppe, wenn es in einem vom Kunden ausgewählten Koaxialsteckverbinder terminiert wird. Koaxialkabelanordnungen werden üblicherweise in Kabelfernsehinstallationen (CATV), für Hochfrequenz-HF- / Mikrowellenverbindungen, in Präzisionsprüf- und -messgeräten und -systemen und zur Übertragung von digitalen Hochgeschwindigkeitssignalen in Computernetzwerken verwendet.

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Koaxialkabelanordnungen für analoge Hochfrequenz- oder digitale Hochgeschwindigkeitsanwendungen weisen typischerweise charakteristische Impedanzen von entweder 50 oder 75 Ω auf, und diese Impedanzen sind nicht zufällig. Die beiden Werte gehen auf die Pionierarbeit der Bell Laboratories in 1929 zurück. Diese frühen Experimente suchten nach optimalen charakteristischen Impedanzen zur Übertragung hoher Leistungspegel sowie zur Erzielung eines minimalen Signalverlusts. Idealerweise würde dieselbe charakteristische Kabelimpedanz beide Bedingungen unterstützen, aber das ist nicht der Fall. Eine charakteristische Impedanz von 30 & OHgr; erwies sich als optimal für die Übertragung von Signalen bei hohen Leistungspegeln, während 77 & OHgr; sich als gut geeignet für die Minimierung des Verlusts von hochfrequenten Hochgeschwindigkeitssignalen erwies. Die Bell-Forscher fanden auch heraus, dass 60 Ω die beste charakteristische Impedanz für Hochspannungssignale ist. Die 50 Ω-Impedanz wurde als praktischer Kompromiss zwischen der Belastbarkeit bei 30 Ω und der minimalen Dämpfung bei 77 Ω gewählt, während 75 Ω als gute Ergänzung für eine Dipolantenne mit Mittelspeisung im freien Raum für die Verwendung im Funk ausgewählt wurde systeme.

Bei der Spezifikation einer Koaxialkabelbaugruppe ist es hilfreich, die elektrischen und mechanischen Parameter der verschiedenen Kabeltypen zu verstehen und zu vergleichen. HF- / Mikrowellen-Koaxialkabel können in drei Kategorien eingeteilt werden: halbstarre und anpassungsfähige (oder handformbare) Kabel, flexible Kabel und Wellkabel. Jedes ist anders konstruiert, mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften und unterschiedlichen elektrischen Leistungen.

Halbstarre Kabel, so genannt, weil sie flexibler sind als starre Kabel, sind für ihre hervorragende elektrische Leistung, aber begrenzte Verformbarkeit bekannt. Aufgrund ihrer mangelnden Flexibilität erfordern sie normalerweise die Verwendung dreidimensionaler (3D) Konstruktionszeichnungen für die ordnungsgemäße Integration in die meisten elektronischen Systeme. Die Auswahl einer Koaxialkabelbaugruppe ist jedoch mit Kompromissen verbunden. Um die Flexibilität zu beeinträchtigen, bieten halbstarre Kabelbaugruppen im Vergleich zu den beiden anderen Koaxialkabeltypen eine überlegene elektrische Leistung und eine gleichmäßige Impedanz sowie geringe Einfügungsverluste in weiten Frequenzbereichen Hervorragende Abschirmwirkung (SE, ein Parameter, der sowohl die Kabelleckage als auch die Anfälligkeit gegenüber externen elektromagnetischen Quellen kennzeichnet).

Halbstarre Kabel bestehen in der Regel aus einem massiven Mittelleiter, der von einem dielektrischen Isoliermaterial umgeben ist und von einem massiven röhrenförmigen Außenleiter abgedeckt wird (Abbildung 2, Schnittansicht). Der Mittelleiter besteht normalerweise aus versilbertem Kupfer, das nicht magnetisch ist und eine verlustarme Leistung unterstützt. Der Außenleiter besteht typischerweise aus Aluminium oder Kupfer, das blank oder mit Zinn plattiert ist. Im Gegensatz zu starren Kabeln sind halbstarre Kabel in der Regel durch den Kabelaußendurchmesser gekennzeichnet: 0.034, 0.047, 0.086 oder 0.141 Zoll. Semi-Rigid-Kabel mit kleinem Durchmesser können Betriebsfrequenzen von bis zu 110 GHz unterstützen, bieten jedoch maximale Belastbarkeit von einigen hundert Watt und sind in der Regel wesentlich geringer. Im Vergleich dazu haben starre Kabel Außendurchmesser von 0.875 bis 8.1875 Zoll. Sie bieten Leistungsfähigkeiten von Kilowatt bei niedrigeren Frequenzen, typischerweise bis zu etwa 800 MHz, für Anwendungen wie kommerzielle Rundfunk- und Fernsehsender.

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Der solide Außenleiter bietet eine hervorragende SE-Leistung bei halbstarren Kabeln mit einigen Einbußen an Flexibilität. Die hohen Abschirmungswerte ermöglichen es halbstarren Kabeln, selbst in Umgebungen mit hochpegeligen Signalen in der Nähe von Sendeantennen eine hervorragende elektrische Leistung zu erzielen. Durch die Verwendung unterschiedlicher Konfigurationen für den Außenleiter haben die Hersteller von Koaxialkabeln die Flexibilität ihrer Kabel verbessert und gleichzeitig einen hohen SE-Wert erreicht. Die äußeren Leiter- oder Geflechtschichten wurden mit flachen Metallwicklungen, runden Metallwicklungen, Metallstreifen mit und ohne Beschichtungen und in einschichtigen, zweischichtigen und dreischichtigen Konfigurationen entworfen, um einen weiten Bereich von SE-Werten mit bereitzustellen Geringe Einfügedämpfung bei gleichzeitiger Flexibilität des Kabels.

Konforme Kabel bieten einen Großteil der elektrischen Leistung von halbstarren Kabelbaugruppen, sind jedoch etwas flexibler, um schwierige Installationen und Verbindungen zu vereinfachen. Anpassbare Kabel sind nicht für wiederholtes Biegen ausgelegt, können jedoch (innerhalb der Grenzen ihres minimalen Biegeradius) in die erforderliche Form gebogen werden und behalten diese Form bei, sobald sie gebogen sind. Für eine gute elektrische Leistung werden anpassbare Kabel mit versilberten Kupferleitern oder versilberten, kupferbeschichteten Stahlleitern und einer Kupfer-Zinn-Verbund-Abschirmung konstruiert, die eine hohe SE bietet.

Flexible Kabel opfern einen Teil der elektrischen Leistung von halbstarren Kabeln, aber ihre größere Flexibilität vereinfacht die Installation in Systemen. Anstelle des festen Leiters eines halbstarren Kabels verwendet ein flexibles Kabel oft einen verseilten Mittelleiter. Anstelle des festen Außenleiters des halbstarren Kabels wird für ein flexibles Kabel ein Außenmantel aus Polyurethan oder fluoriertem Ethylenpropylen (FEP) verwendet. Eine Anzahl verschiedener dielektrischer Isolatormaterialien kann in einer flexiblen Kabelanordnung verwendet werden, einschließlich Polyethylen, festem Polytetrafluorethylen (PTFE) und hochdichtem Polyethylenschaum. Der Luftgehalt des Schaums senkt die Dielektrizitätskonstante des Isolatormaterials und hilft dabei, die Kabeldämpfung zu verringern.

Beispielsweise könnte ein flexibles Koaxialkabel einen Außenleiter verwenden, der aus versilberten Kupferdrähten besteht, die über den Isolator geflochten sind, oder versilberte Kupferstreifen in einem Korbgeflecht oder versilberte Kupferdrähte, die parallel zueinander und in einer langen Spirale angeordnet sind Aufbau. Der Mittelleiter kann aus massivem Kupfer bestehen, um den Kabelverlust zu minimieren, oder verseilt sein, wenngleich bei Anwendungen, die ein wiederholtes Biegen des Kabels erfordern, ein höherer Verlust als bei Kabeln mit massivem Mittelleiter auftritt.

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Geflechte für Koaxialkabel sind in einer Reihe von Materialien und Typen erhältlich, die jeweils Kompromisse darstellen. Eine aus rundem Draht gebildete Geflechtschicht bietet eine gute Flexibilität und weist die niedrigsten Materialkosten auf, kann jedoch, wie bereits erwähnt, eine Leistungsverschlechterung durch Biegen erleiden. Anspruchsvollere Geflechtmaterialien bedeuten höhere Materialkosten, aber eine gleichmäßigere Leistung im Zeitverlauf. Beispielsweise kann eine aus flachem Metallband gebildete Abschirmung eine geringe Kabeldämpfung mit hoher SE-Leistung liefern, während über die Zeit hinweg eine gleichbleibende elektrische Leistung aufrechterhalten wird. Ein spiralförmiges, flaches Geflecht unterstützt eine gute Flexibilität und ermöglicht gleichzeitig eine hervorragende Phasenstabilität mit Kabelbiegung und hohen SE-Werten. Ein umwickeltes oder gefaltetes Foliengeflecht kann auch eine hohe elektrische Leistung mit guter mechanischer Festigkeit, jedoch mit einem gewissen Verlust an Flexibilität im Vergleich zu anderen Geflechtkonfigurationen bereitstellen.

Die Anzahl der Geflechte wirkt sich sowohl auf die Flexibilität als auch auf die SE aus. Je nach Abschirmungsmaterial wie Kupferdrahtgeflecht und Silberbeschichtung kann ein Koaxialkabel mit einer einzigen Geflechtschicht eine SE von 40 dB oder höher mit sehr hoher Flexibilität liefern. Mit jeder hinzugefügten Geflechtschicht nimmt die Flexibilität des Kabels mit zunehmender SE ab. Eine aus zwei Runddrahtgeflechten gebildete Doppelgeflechtschicht kann typischerweise eine bessere Abschirmung als 60 dB liefern. Wenn jedoch für eine dieser Lagen eine Folienabschirmung oder ein gewebtes Flachgeflecht verwendet wird, kann die SE auf 90 dB erhöht werden. Bei doppelt geschirmten Kabeln mit einem Folienschirm unter einer mit Zinn gefüllten Verbundschicht kann eine bessere Leistung erzielt werden als bei 100 dB SE, wobei dennoch eine angemessene Flexibilität erzielt wird. Hohe SE-Werte sind bei dreifach geschirmten Kabeln möglich, bei denen Runddraht und gewebte, flache Geflechtlagen kombiniert werden, wenngleich die Flexibilität etwas beeinträchtigt wird (Abbildung 4).

Koaxialkabelbaugruppen werden nicht nur durch den Kabeltyp definiert, sondern auch durch die Koaxialstecker an beiden Enden der Baugruppe. Für die beste Anwendungsübereinstimmung können die verschiedenen Kabeltypen mit Hilfe von elektrischen und mechanischen Standardparametern verglichen werden. Bei solchen Vergleichen sollten jedoch immer ähnliche Kabellängen mit ähnlichen Koaxialverbindern an beiden Enden der zu vergleichenden Kabelbaugruppen verglichen werden.

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In Bezug auf Amplituden- und Phaseneigenschaften sollte eine Koaxialkabelbaugruppe in einem System elektrisch unsichtbar sein und einen Signalpfad zwischen zwei Punkten im System mit minimalen Auswirkungen auf die übertragenen Signale bereitstellen. In der Praxis können Kabelbaugruppen jedoch Änderungen an den von ihnen übertragenen Signalen vornehmen, obwohl eine richtige Auswahl der Kabelbaugruppe dazu beitragen kann, diese Effekte zu minimieren. Kabelbaugruppen sind in der Regel durch eine Reihe unterschiedlicher elektrischer und mechanischer Parameter gekennzeichnet (Abbildung 5): Grenzfrequenzen, Dämpfung oder Einfügedämpfung (in dB / ft. Oder dB / m), Rückflussdämpfung oder Stehwellenverhältnis (VSWR), Kapazität (pF / ft.), Ausbreitungsgeschwindigkeit (VP, in%), Belastbarkeit (in W) und gleichmäßiges Gewicht (lbs / ft. oder lbs / m). Diese verschiedenen Parameter können nützliche Maßstäbe für den Vergleich von Kabelkonfektionen verschiedener Lieferanten darstellen.

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