Warum sind Koaxialkabel hoch isoliert

Was ist ein Koaxialkabel?

Ein Koaxialkabel ist eine Art von elektrischem Kabel, das darauf ausgelegt ist, Hochfrequenzsignale mit minimaler Störung zu übertragen. Es verfügt über einen zentralen Leiter (in der Regel aus Kupfer oder kupferbeschichtetem Draht), der von einer zylindrischen Isolierschicht umgeben ist, die dann von einem leitenden Schild umschlossen wird. Dieses Schild besteht in der Regel aus einer bis vier Schichten gewebten/geflochtenen Aluminium- oder Kupferdraht, oft kombiniert mit Aluminiumfolie für eine verbesserte Leistung.

Wesentliche Komponenten und Bauweise

• Zentraler Leiter: Überträgt das elektrische Signal. Wird aus Kupfer oder kupferbeschichteten Materialien hergestellt, um optimale Leitfähigkeit zu gewährleisten.

• Isolierschicht: Trennt den zentralen Leiter vom Schild, verhindert Kurzschlüsse und gewährleistet die Signalkonsistenz.

• Leitender Schild: In der Regel ein geflochtenes Netz oder Folie (oder beides), das externe elektromagnetische Störungen (EMI) blockiert und das Signal innerhalb des Kabels hält.

• : Eine schützende Isolierschicht, die das Kabel vor physischen Schäden, Feuchtigkeit und Umweltfaktoren schützt.

Der Begriff "koaxial" stammt von der Ausrichtung des zentralen Leiters und des Schilds entlang derselben geometrischen Achse, was eine konstante Signalübertragung und minimierte Strahlungsverluste sicherstellt.

Gängige Anwendungen

Koaxialkabel werden in Szenarien weit verbreitet eingesetzt, die eine zuverlässige Hochfrequenzsignalübertragung erfordern:

• Kabel-Fernsehen (CATV) und Videoverteilungssysteme.

• Hochfrequenz- (HF)- und Mikrowellenkommunikation, wie in Antennen und Satellitenschüsseln.

• Computernetzwerke (z.B. ältere Ethernet-Systeme) und industrielle Instrumentierung.

• Audiogeräte und Videoequipment: Verbindungen für Geräte wie Fernsehgeräte, Spielkonsolen und Audiosysteme.

Vorteile gegenüber anderen Kabeln

Im Vergleich zu ungeschirmten Kabeln (z.B. Twisted-Pair-Kabeln) bieten Koaxialkabel:

• Besseren Widerstand gegen EMI und HF-Störungen (RFI).

• Höhere Bandbreite für die Übertragung von Hochfrequenzsignalen über längere Distanzen.

• Stabiles Wellenwiderstandsverhältnis, das eine konstante Signalqualität gewährleistet.

Arten und Varianten

• RG-Kabel: Standardisierte Typen (z.B. RG-6, RG-59) für CATV und Netzwerke, die sich in der Isolierdichte und -qualität unterscheiden.

• Niederverlust-Koax: Für hochleistungsfähige oder langstreckige HF-Anwendungen entwickelt, mit dickeren Leitern und fortschrittlicher Abschirmung.

• Triaxiale Kabel: Mit einer zusätzlichen inneren Schildschicht für extrem laute Umgebungen, häufig in professioneller Audio- und Medizintechnik verwendet.

Funktion von Koaxialkabeln

Wenn elektrischer Strom durch einen Kupferdraht fließt, erreicht nicht alle Energie ihr Ziel unversehrt. Ein Teil der Energie geht als Wärme aufgrund des internen Widerstands des Kupfers verloren. Elektrische Energie wird von Elektronen getragen, die elektromagnetische Strahlung verschiedener Frequenzen und Wellenlängen emittieren, wenn sie nach dem Absorbieren von Energie zwischen Energieniveaus springen.

Anwendungen von Koaxialkabeln

Koaxialkabel dienen als Leitungslinien für Hochfrequenz- (HF-)Signale. Sie verbinden Funktransmitter und -empfänger mit Antennen, ermöglichen Datenübertragung in Computernetzwerken und werden weit verbreitet zur Verteilung von Fernsehsignalen eingesetzt.

Ein wesentlicher Vorteil von Koaxialkabeln gegenüber anderen Leitungslinien ist, dass in einem idealen Koaxialkabel das elektromagnetische Feld, das das elektrische Signal trägt, ausschließlich im Raum zwischen dem inneren und äußeren Leiter eingeschlossen ist. Dies ermöglicht es, die Kabel in der Nähe metallischer Objekte (z.B. Regenrinnen) zu installieren, ohne dass während der Signalübertragung signifikante Leistungsverluste auftreten – im Gegensatz zu anderen Leitungen, die Signale in die Umgebung abstrahlen können.

Signalausstrahlung in Kabeln

Signalausstrahlung tritt auf, wenn elektromagnetische Felder oder Strahlung die Abschirmung des Kabels durchdringen, potenziell in alle Richtungen. Externe Signale können auch in das Kabel eindringen und Störungen verursachen (ein Prozess, der als Ingress bezeichnet wird). Ingress führt zu Rauschen und verschlechtert die Signalqualität. Andererseits können Signale innerhalb des Kabels in die Umgebung austreten (Egress), was zu Störungen und einer Reduzierung der Übertragungseffizienz führt.

Warum sind Koaxialkabel stark isoliert?

Haushaltsstromkabel sind isoliert, um Sicherheit und Minimierung von Energieverlusten zu gewährleisten. Die Isolation bietet hohen Widerstand gegen Energieabstrahlung in die Umgebung. Obwohl Koaxialkabel, wie andere Kabel, elektromagnetische Strahlung und Wärme emittieren können, mindert ihre robuste Isolation diese Probleme. Für ein Einzelkernkabel wird der Widerstand gegen elektrische Energieabstrahlung, der durch die Isolation geboten wird, durch folgendes charakterisiert:

• Elektrischer Isolationswiderstand: Ein kritischer Parameter, der minimale Stromabstrahlung sicherstellt und vor Kurzschlüssen oder Umweltstörungen schützt.

Koaxialkabel bleiben eine wichtige Komponente in moderner Telekommunikation und Elektronik, indem sie Signalkonsistenz, Haltbarkeit und Kosteneffizienz für eine Vielzahl von Anwendungen ausbalancieren.

• ρ = spezifischer Widerstand des Leiters.

• r₁ = Radius des Leiters.

• r₂ = Radius des Isolators.

Der allgegenwärtige Einfluss elektromagnetischer Wellen

In unserem täglichen Leben werden wir von allen Seiten von elektromagnetischen Wellen bombardiert. Unzählige Wellen – Radiowellen von nahegelegenen Sendern, Mikrowellen, Mobilfunksignale, Infrarotstrahlung und mehr – passieren fortlaufend unsere Häuser. Diese allgegenwärtige elektromagnetische Umgebung stellt eine kritische Herausforderung dar: Wellen, die von Kabeln ausgesendet werden, können dieselbe Frequenz oder Wellenlänge wie andere haben, was zu Störungen führt. Kabel können sowohl Signale ausstrahlen (was ihre Intensität reduziert und Störungen verursacht) als auch benachbarte Signale absorbieren, was die Leistung beeinträchtigt.

Zum Beispiel würden bei aktiver Nutzung eines Mobiltelefons, eingestelltem Radio und eingeschaltetem Fernseher schlecht isolierte Koaxialkabel wahrscheinlich die Audioausgabe durch überwältigende Störungen übertönen. Ähnlich kann das Halten eines Mobiltelefons in der Nähe eines Radios unerwünschte Rauschgeräusche auslösen, da die elektromagnetischen Felder der Geräte miteinander kollidieren. Dies unterstreicht die grundlegende Rolle der Isolation in Koaxialkabeln.

Die Rolle der Isolation in Koaxialkabeln

Koaxialkabel sind mit robuster Isolation versehen, um zwei Kernprobleme anzugehen:

• Verhinderung von Signalausstrahlung (Egress): Die Isolation und der Schild arbeiten zusammen, um das elektromagnetische Feld streng innerhalb des Raums zwischen dem inneren Leiter und dem äußeren Schild einzuschließen. Diese Konstruktion minimiert Energieverluste als Wärme oder abgestrahlte Signale und sorgt dafür, dass schwache Signale (z.B. Fernsehsendungen oder Netzwerkdaten) stark und unverzerrt bleiben.

• Abwehr externer Störungen (Ingress): Der mehrschichtige Schild (in der Regel eine Kombination aus geflochtenem Metall und Folie) wirkt als Barriere, die externe elektromagnetische Wellen von Radios, Mobilfunkmasten oder anderen Geräten abwehrt. Dies ist entscheidend, um die Signalklarheit aufrechtzuerhalten, insbesondere in Umgebungen, die von konkurrierenden Frequenzen gesättigt sind.

Der ingenieurtechnische Vorteil der koaxialen Konstruktion

Die koaxiale Struktur beschränkt elektrische und magnetische Felder auf den dielektrischen Isolator (die Schicht zwischen dem inneren Leiter und dem Schild). Dieses dielektrische Material wird speziell wegen seiner nichtleitenden Eigenschaften ausgewählt, um sowohl elektrische Abstrahlung als auch Wärmeleitung zu verhindern. Als Ergebnis:

• Schwache Signale (z.B. von medizinischen Sensoren oder Radioteleskopen) bleiben unbeeinflusst von externem Rauschen.

• Hochleistungssignale (z.B. in industriellen oder Broadcast-Systemen) strahlen nicht in benachbarte Strukturen aus, wodurch das Risiko von Störungen oder Sicherheitsbedenken reduziert wird.