In Teil 1 dieser Serie haben wir die Bedeutung einer Antenne für die Herstellung einer stabilen Daten- oder Sprachkommunikationsverbindung untersucht. In diesem abschließenden Teil erläutern wir, weshalb das richtige Kabel und der richtige Steckverbinder ebenso wichtig sind.
Im Teil 1 wurde bereits erläutert, dass die Leistung eines drahtlosen Senders von allen Komponenten abhängt, sowohl vom Leistungsverstärker des Senders, der Antenne, den Koax-Leitungen und den Steckverbindern und -Dosen. Dieser technische Grundsatz gilt auch auf der Empfangsseite, denn dort kommen nur wenige µV an. Bei den meisten HF-Anwendungen mit geringer Leistung, wie Wi-Fi, Bluetooth, LTE, genügt zur Überbrückung der verkabelten Strecke ein Koaxialkabel.
Spezifikationen für Koaxialkabel
Ein typisches Koaxialkabel (kurz: Koax-Kabel) besteht aus dem Mittelleiter und einem Außenleiter, beides zumeist aus Kupfer. Dazwischen befindet sich ein isolierendes Dielektrikum. Der Außenleiter ist zumeist als flexibles Schirmgeflecht gearbeitet, mit einer äußeren Folie geschützt und mit einer stabilen Ummantelung abgeschlossen. Der Mittelleiter kann aus einem massiven Draht bestehen oder aus einer flexiblen Litze. Der Außenleiter besteht in der Regel aus einem verzinnten Kupfergeflecht und manchmal aus einer zusätzlichen Kupferfolie, die für zusätzliche Abschirmung sorgt. Die Ummantelung aus widerstandsfähigem Kunststoff dient lediglich zum Schutz vor Feuchtigkeit und vor mechanischem Stress.
Der Gesamtdurchmesser eines Koaxialkabels hat nicht zuletzt Einfluss auf den kleinsten Biegeradius und das Gewicht. Bei HF-Anwendungen sind jedoch die elektrischen Parameter der jeweiligen Bauweise sehr beachtlich in Bezug auf die geeigneten Anwendungen.
Koax-Kabel: Parameter
Charakteristische Impedanz: Die Impedanz ist ein wesentliches Auswahlkriterium und muss mit der Antenne auf der einen Seite und dem Sender oder Empfänger auf der anderen Seite übereinstimmen, um die höchste Signalübertragungseffizienz zu erreichen. Die meisten Koaxialkabel sind entweder mit einer Impedanz von 50 Ohm oder 75 Ohm erhältlich, wobei für professionelle Anwendungen in der Regel 50 Ohm verwendet werden. Die Impedanz eines Koaxialkabels ist komplex und kann eine Untersuchung der dielektrischen Kapazität zwischen dem mittleren und dem äußeren Leiter erfordern.
Dämpfung: Unter der Dämpfung eines Kabels bezeichnet man die Energieverluste bzw. Signalstärkeverluste über die Länge. Das Maß für die Dämpfung wird zumeist in dB pro 100 Meter angegeben. Der Wert gilt aber immer nur für einen bestimmten Frequenzbereich, d.h. die Dämpfung ist je nach Frequenz unterschiedlich. Die Dämpfungseigenschaften sind sehr abhängig von den resistiven und dielektrischen Eigenschaften des Kabels.
Belastbarkeit: Die maximale Belastbarkeit eines Kabels hängt u.a. von der Durchschlagspannung des Dielektrikums, den Ohm’schen Widerstandsverlusten der Leiter und von der Rückflussdämpfung/VSWR der Antenne ab.
Ausbreitungsgeschwindigkeit: Im Vakuum breiten sich elektromagnetische Wellen mit Lichtgeschwindigkeit aus. In einem Koaxialkabel ist die Ausbreitung langsamer. Der Grund sind die kapazitiven und induktiven Eigenschaften, der Skineffekt und die dielektrischen Verluste. Die verminderte Geschwindigkeit wirkt sich auf die Phasenlage der gesendeten und empfangenen Signale aus, was bei mehreren Antennen kritisch sein kann.
Beispiele für Koax-Kabel
Unter den HF-Koax-Standards ist das RG-System bei weitem das bekannteste und weit verbreitet. Die bekanntesten sind RG58, RG59 and RG174.
RG58 – 50 Ohm Koax-Kabel von Bedea – siehe Abb. 1 – mit 5.0 mm Durchmesser, Kupfer-Schirmgeflecht und einem Geschwindigkeitsfaktor von 0,66. Die Dämpfung pro 100 m beträgt 15,2 dB bei 100 MHz und steigt auf 34,4 dB/100 m bei 500 MHz. Die mechanischen Werte sind ein Mindestbiegeradius von 25 mm und das Gewicht 36 kg/km.
RG59 – Ein Beispiel für ein Koaxialkabel mit einer Impedanz von 75 Ohm ist das RG59 Flex vonTasker. Es hat einen Außendurchmesser von 6,1 mm und eine Durchschlagspannung von 2.000 V. Die Dämpfung beträgt 15,7 dB/100m bei 200 MHz und 33,6 dB/100m bei 800 MHz.
RG174 (LMR-100A) – Der Durchmesser dieses RG174 Koax-Kabels von Bedea beträgt 2,8 mm. Es hat eine Impedanz von 50 Ohm und eine maximale Spannungsfestigkeit von 1.100 V. Die Dämpfung bei 200 MHz beträgt 41,5 dB/100m und 68 dB/100m bei 500 MHz.
HF-Steckverbinder
HF-Steckverbinder können in zwei Obergruppen eingeteilt werden. Jene zur Montage am Gerätegehäuse und jene zur Verwendung im Inneren bzw. auf der Leiterplatte. Die meisten Steckverbinder sind für dickere Koaxialkabel geeignet. Sie bieten eine gewisse Zugentlastung und haben auch einen Schraub- oder Bajonettverschluss. Hierzu gehören die N-Stecker, TNC, BNC, UHF(PL259), SMA, und RPSMA (SMA Reverse).
HF-Steckverbinder werden auch verwendet, um Antennen intern zu befestigen, zum Beispiel von einem Funkmodul zu einer intern angebrachten Antenne, einschließlich der u.Fl-Serie von Hirose und der MHF-Serie von IPEX. Beide Serien sind bis zu einem gewissen Grad miteinander kompatibel.
Wie die meisten Steckverbinder sind sie nach Geschlecht spezifiziert (m/f) und eignen sich immer nur für bestimmte Koax-Kabeltypen. Die meisten der hier genannten Steckverbinder haben maximale Arbeitsfrequenzen im Bereich von mehreren zehn GHz. Die Rückflussdämpfungseigenschaften und die Belastbarkeit sind ebenfalls wichtige Eigenschaften der Steckverbinder.
Abb. 2 zeigt einen SMA-Stecker(male) mit Crimpanschluss von RND. Der Stecker hat eine Impedanz von 50 Ohm und kann bis zu 20 GHz betrieben werden. Er hat ein Messinggehäuse von 7,9 mm Durchmesser mit einem Teflonisolator und einem vergoldeten Mittelstift. Er ist für den Kabeltyp RG-174 geeignet. Reverse-Stecker dieser Serie (RPSMA) sind ebenfalls erhältlich.
Abb. 3 zeigt einen N-Stecker von Rosenberger. Er ist für einen Frequenzbereich bis 11 GHz ausgelegt und kann bis zu 1.000 W HF bei 1 GHz verarbeiten. Bis 2,5 GHz wird eine Rückflussdämpfung von mehr als 32 dB empfohlen.
Der u.FL-Stecker wird in der Regel werkseitig an Koax-Antennenkabel montiert. Er misst 2 mm und hat weder Zugentlastung noch Verriegelung. u.FL-Buchsen werden zumeist für SMD-Leiterplattenmontage verwendet. Abb. 4 zeigt einen u.FL auf u.FL Verbindungskabel von Würth Elektronik.
Die Auswahl der richtigen Antenne, des Koaxialkabels und der Steckverbinder für HF-Anwendungen gewährleistet, dass drahtlose Geräte eine zuverlässige Verbindung herstellen können. In dieser kurzen zweiteiligen Serie haben wir die wichtigsten Parameter des Datenblatts hervorgehoben, auf die man bei der Auswahl achten sollte.
