Breitband-Hochfrequenz-taugliches elektrisches Koaxialkabel

Abstract

 Breitband-Hochfrequenz-taugliches elektrisches Koaxialkabel mit einem auf einem Kunststoffkern (1) angeordneten doppellagigen Innenleiter mit einer innenliegenden überlappend wendelförmig gewickelten elektrisch leitenden Folie (2) und einem außenliegenden Rundleiterverseilverband (3) aus Rundleiterdrähten.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Breitband-Hochfrequenz-taugliches elektrisches Koaxialkabel mit einem auf einem Kunststoffkern angeordneten zylindrischen Innenleiter, einem dazu konzentrischen Außenleiter und einem zwischen Innenleiter und Außenleiter befindlichen Dielektrikum.

[0002] An Koaxialkabel werden üblicherweise sowohl hinsichtlich elektrischer Eigenschaften als auch hinsichtlich mechanischer Eigenschaften bestimmte Anforderungen gestellt. Insbesondere dann, wenn es sich um Koaxialkabel handelt, die im Hochfrequenzbereich für ein breites Frequenzband tauglich sein sollen, bspw. in einem Frequenzband von einigen MHz bis in den GHz-Bereich, sollen folgende elektrische Eigenschaften erzielt werden:

• niedrige Signaldämpfung,
• hohe Rückflußdämpfung,
• Leistungsbelastbarkeit.

[0003] An mechanischen Eigenschaften sind erwünscht:

• hohe Flexibilität,
• hohe Lebensdauer bei Biege- und/oder Trommelbelastung
• robuste Ausführung gegenüber Zug- und/oder Druckbelastung, und
• Kleiner Kabeldurchmesser.

[0004] Niedrige Signaldämpfung ist erwünscht, um mit einem Kabel Signale über möglichst lange Strecken übertragen zu können. Eine hohe Rückflußdämpfung bedingt, daß der Wellenwiderstand des Kabels über dessen Länge möglichst konstant ist. Wellenwiderstandsänderungen entlang des Kabels führen zu störenden Signalreflexionen und damit Signalrückfluß. Für eine bestimmte Leistungsbelastbarkeit müßten Innenleiter und Außenleiter des Kabels einen bestimmten Mindestquerschnitt aufweisen, wenn man den niedrigeren Frequenzbereich betrachtet. Mit steigender Frequenz wirkt sich zunehmend der Skineffekt aus. Von wichtigem Einfluß ist das Dielektrikum zwischen Innenleiter und Außenleiter, insbesondere dessen Dielektrizitätskonstante und dessen dielektrischer Verlustfaktor.

[0005] Sehr gute elektrische Eigenschaften lassen sich mit einem Kabel erreichen, dessen Innenleiter als massiver Kupferleiter oder massives Kupferrohr ausgebildet ist. Damit lassen sich aber nicht die üblicherweise erwünschten mechanischen Eigenschaften erzielen. Ein massives Kupferrohr führt zu einem Kabel, das praktisch nicht biegbar ist und das nicht trommelfähig ist, d.h., nicht auf Kabeltrommeln aufgewickelt werden kann.

[0006] Allgemein besteht das Bestreben, ein Kabel verfügbar zu machen, das einen möglichst guten Kompromiß zwischen den gewünschten elektrischen Eigenschaften und den gewünschten mechanischen Eigenschaften darstellt. Bekannte Kabel, bei denen eine niedrige Signaldämpfung im Vordergrund steht, sind bekannt als Zellflex- oder Flexwellkabel und weisen einen Innenleiter in Form eines Kupferwellrohres auf. Dieses weist eine Struktur ähnlich einem biegbaren Duschschlauch auf, um eine gewisse Biegbarkeit des Innenleiters zu erreichen. Dennoch besitzen solche Kabel geringe Flexibilität und Trommelfähigkeit. D.h., sie können nur mit großen Biegeradien gebogen und auf Kabeltrommeln aufgewickelt werden.

[0007] Bessere mechanische Eigenschaften hinsichtlich Biege- und Trommelfähigkeit hat man mit Koaxialkabeln erreicht, deren Innenleiter in Form eines auf einem Kunststoffkern angeordneten Flachleiter- oder Rundleitergeflechtes ausgebildet sind. Derartige Kabel erfordern jedoch eine relativ aufwendige und kostenintensive Fertigung. Bei häufigen Biege- oder Trommelzyklen haben sie nur eine vergleichsweise geringe Lebensdauer.

[0008] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein dämpfungsarmes Koaxialkabel verfügbar zu machen, das zu einem möglichst guten Kompromiß hinsichtlich der drei Aspekte elektrische Eigenschaften, mechanische Eigenschaften und Herstellungskosten führt.

[0009] Eine Lösung dieser Aufgabe ist in Anspruch 1 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen finden sich in den Unteransprüchen.

[0010] Sowohl das wendelförmige Wickeln einer elektrisch leitenden Folie auf einen Kunststoffkern als auch das Verseilen von Litzenleitern auf einem runden Kern sind Herstellungsvorgänge, die im Vergleich zu dem Flechten von Rund- oder Flachleitern auf einen Kern wesentlich schneller sind, mit einfacheren Maschinen auskommen und einen geringeren Vorbereitungsaufwand für das Einrichten der Maschinen erfordern.

[0011] Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Koaxialkabels besteht die Innenlage von dessen Innenleiter aus einer versilberten Kupferfolie, auf welcher sich ein Verseilverbund von versilberten Kupferrunddrähten befindet. Der Kunststoffkern des Innenleiters kann durch hohles FEP (Fluorethylenpropylen) gebildet sein. Das Dielektrikum zwischen Innenleiter und Außenleiter besteht vorzugsweise aus mikroporösem PTFE (Polytetrafluorethylen).

[0012] Anhand eines Ausführungsbeispiels, das in der einzigen Figur der beigefügten Zeichnung dargestellt ist, wird nun die Erfindung näher erläutert.

[0013] Von innen nach außen gehend weist die in der Figur dargestellte Ausführungsform eines Koaxialkabels auf: einen Kunststoffkern 1, eine auf den Kunststoffkern gewickelte, versilberte Kupferfolie 2, einen auf die Kupferfolie 2 aufgebrachten Rundleiterverseilverband aus versilberten Kupferrunddrähten, ein Dielektrikum 4, eine Schirmkonstruktion 5 als Außenleiter und einen Kunststoffmantel 6. Dabei bilden der Kunststoffkern 1, die Kupferfolie 2 und der Rundleiterverseilverband 3 die Innenleiterkonstruktion dieses Koaxialkabels.

[0014] Die Signaldämpfung α eines Koaxialkabels läßt sich folgendermaßen darstellen:

f =

Frequenz

ρ =

spezifischer Leiterwiderstand

Z₀ =

Wellenwiderstand des Koaxialkabels

d =

Außendurchmesser des Innenleiters

D =

Innendurchmesser des Außenleiters

K₁ =

Konstante

K₂ =

Konstante

ε_r =

relative Dielektrizitätskonstante

tanδ =

dielektrischer Verlustfaktor

Die Beziehung für den Wellenwiderstand Z₀ lautet


Darin bedeuten

L =

Induktivität

C =

Kapazität.

[0015] Aus Gleichung (1) geht hervor, daß die Signaldämpfung u.a. von dem Wellenwiderstand, dem Außendurchmesser des Innenleiters und dem Innendurchmesser des Außenleiters des Koaxialkabels abhängt. Möchte man mit dem erfindungsgemäßen Kabel die gleiche Signaldämpfung wie mit einem bekannten Koaxialkabel mit einem Kupferrohr als Innenleiter erreichen, bei ansonsten gleichem Kabelaufbau, muß man den gleichen Wellenwiderstand und den gleichen Außendurchmesser der Innenleiterkonstruktion erreichen. Würde man auf den Kunststoffkern 1 nur den Rundleiterverseilverband 3 aufbringen, müßte dieser einerseits eine etwas größere radiale Dicke als das zu vergleichende Kupferrohr aufweisen, bei gleichem Außendurchmesser, um einerseits bei niedrigeren Frequenzen, bei denen sich der Skineffekt noch nicht so stark bemerkbar macht, eine gleiche Strombelastbarkeit wie mit dein massiven Kupferrohr zu erzielen. Andererseits müßte der gleiche Außendurchmesser wie der des Kupferrohrs gewählt werden, wenn der restliche Kabelaufbau gleich bleiben soll, um zu einer gleich geringen Signaldämpfung zu kommen. Hierfür ist aber vorausgesetzt, daß sich durch den Austausch des Kupferrohrs durch einen Rundleiterverseilverband der Wellenwiderstand Z₀ nicht ändert. Diese Voraussetzung ist aber nicht gegeben, wenn man auf den Kunststoffkern 1 lediglich den Rundleiterverseilverband 3 aufbringt. Der Grund hierfür ist, daß ein derartiger Rundleiterverseilverband zu einer beträchtlichen Erhöhung der Induktivität des Innenleiters und damit des Kabels führt, was gemäß Gleichung (2) zu einer erheblichen Veränderung des Wellenwiderstandes führt. Der Wellenwiderstand, der üblicherweise als Nenngröße vorgegeben ist, die möglichst gut eingehalten werden muß, um Signalreflexionen in dem gesamten das Koaxialkabel aufweisenden System zu vermeiden, darf aber nicht geändert werden.

[0016] Die erfindungsgemäße Lösung dieses Problems besteht darin, den Rundleiterverseilverband 3 mit der wendelförmig überlappend gewickelten Kupferfolie 2 zu unterlegen, bei elektrischem Kontakt zwischen der Kupferfolie 2 und dem Rundleiterverseilverband 3. Auf diese Weise wird die Induktivität des Rundleiterverseilverbandes 3 kurzgeschlossen und damit ausgeschaltet. Dies resultiert in einer Gesamtinduktivität L wie bei einem Koaxialkabel mit einem massiven Kupferrohr als Innenleiter bei ansonsten gleichem Kabelaufbau.

[0017] Den Innenleiter doppellagig zu machen, führt noch zu einem weiteren Vorteil. Wie bereits erwähnt, müßte bei einem Innenleiter, der nur durch einen Rundleiterverseilverband gebildet ist, dieser eine Dicke entsprechend dem Kupferrohr bei bekannten Koaxialkabeln aufweisen, um die gleiche Leistungs- bzw. Strombelastbarkeit zu gewährleisten. Ein solcher Rundleiterverseilverband müßte mit entsprechend dicken Kupferdrähten hergestellt werden. Deren Flexibilität wäre beträchtlich geringer als die Dicke der Kupferdrähte, die man für den Rundleiterverseilverband 3 eines erfindungsgemäß doppellagig aufgebauten Innenleiters verwenden kann. Die Aufteilung des Innenleiterquerschnittes auf die Kupferfolie 2 und den Rundleiterverseilverbund 3 führt somit zu einer besseren Flexibilität des Kabels.

Ansprüche

1. Breitband-Hochfrequenz-taugliches elektrisches Koaxialkabel mit

- einem auf einem Kunststoffkern (1) angeordneten zylindrischen Innenleiter (2, 3),

- einem dazu konzentrischen Außenleiter (5)

- und einem zwischen Innenleiter (2, 3) und Außenleiter (5) befindlichen Dielektrikum (4),

dadurch gekennzeichnet,
daß der Innenleiter (2, 3) doppellagig aufgebaut ist mit einer Innenlage in Form einer überlappend wendelförmig gewickelten elektrisch leitenden Folie (2) und einer mit der Innenlage in elektrischem Kontakt befindlichen Außenlage in Form eines Rundleiterverseilverbundes (3).

2. Koaxialkabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenlage (2) mit einer Kupferfolie gewickelt ist.

3. Koaxialkabel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenlage (2) mit einer versilberten Folie gewickelt ist.

4. Koaxialkabel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenlage (3) mit verseilten Kupferdrähten aufgebaut ist.

5. Koaxialkabel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenlage (3) mit versilberten Rundleitern aufgebaut ist.

6. Koaxialkabel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoffkern (1) mit FEP (Fluorethylenpropylen) aufgebaut ist.

7. Koaxialkabel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoffkern (1) hohl ist.

8. Koaxialkabel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenleiter (5) von einem Kunststoffmantel (6) umgeben ist.

9. Koaxialkabel nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum (4) aus mikroporösem PTFE (Polytetrafluorethylen) besteht.

Zeichnung