Coaxkabel

1. Binnengeleider, 2. isolatiemateriaal, 3. buitengeleider, 4. mantel.

Een coaxiale kabel (kortweg coaxkabel) is een kabel voor het geleiden van hoogfrequente signalen (bijvoorbeeld een televisiesignaal of een signaal in een computernetwerk), met een binnengeleider in het midden van de kabel en een cilindervormige buitengeleider daaromheen. Beide zijn gecentreerd rond het midden van de kabel, vandaar de naam: de symmetrieassen vallen samen - de kabel is 'co-axiaal'.

De 'kern' (binnenste koperen geleider) en de 'mantel' (omhullende buitenste geleider) zijn de twee stroomvoerende verbindingen. Doordat de assen van beide geleiders samenvallen, heffen de elektrische en magnetische velden van binnen- en buitengeleider elkaar buiten de kabel vrijwel op, waardoor weinig tot geen stoorsignalen naar binnen of naar buiten kunnen lekken.

Opbouw van een coaxkabel

RG-59 flexibele coaxkabel
A: plastic omhulsel
B: koperen mantel
C: binnenste isolator
D:koperen kern

Radio-grade flexibele coaxkabel.

1. In het midden van de kabel bevindt zich de binnengeleider of kern waardoor het signaal overgedragen wordt. Deze is gemaakt van massief of geslagen koper. Soms wordt de kern verzilverd, voor een verbeterde geleiding.
2. Om de kern bevindt zich het elektrisch isolerende diëlektricum. Soms is dat lucht, en in dat geval moeten er afstandhouders in de kabel worden aangebracht.
3. Om het diëlektricum bevindt zich de buitengeleider. Deze is meestal van koper en kan massief of gevlochten zijn. De betere kabels hebben metaalfolie om de gevlochten buitengeleider .
4. Rondom de buitengeleider bevindt zich een kunststofmantel om de kabel tegen weersinvloeden te isoleren en beschermen.

Kenmerken van de coaxkabel

Coaxkabels hebben een aantal kenmerken die in hun specificaties zijn terug te vinden. Hieronder volgen een aantal belangrijke.

Karakteristieke impedantie

Een coaxkabel heeft een bepaalde zogenoemde karakteristieke impedantie. Dat is de elektrische spanning gedeeld door de elektrische stroom in een oneindig lange kabel. De karakteristieke impedantie Z_k is ongeveer gelijk aan de vierkantswortel uit de inductantie over de capacitantie per lengte-eenheid.

$Z_\mathrm{k} = \sqrt{ \frac{L}{C} }$

De meeste kabels die in de handel zijn hebben een karakteristieke impedantie van:

• 50 ohm (voor netwerken en radiocommunicatieapparatuur)
• 75 ohm (voor radio, televisie en videoapparatuur)

Opdat er geen reflectie van het signaal optreedt op de plek waar de kabel aan het apparaat aangesloten wordt, moet dat apparaat een ingangsimpedantie hebben die gelijk is aan de karakteristieke impedantie. Dikwijls is die ingang hoogohmig en wordt er een afzonderlijke weerstand van 50 of 75 ohm, een zogenoemde terminator, op het einde van de kabel geplaatst. Een hoogohmige ingang laat toe meerdere apparaten op dezelfde kabel aan te sluiten, bijvoorbeeld bij de vroegere 'thin ethernet' netwerken of bij SCSI-randapparaten.

Reflecties

Als de kabel niet aan beide einden met een afsluitweerstand wordt afgesloten zal een impulsvormig signaal aan het eind van deze kabel teruggekaatst worden en het originele signaal vervormen. Bij een open (oneindige weerstand) of kortgesloten (weerstand nul) uiteinde zal in theorie zelfs de gehele energie van het signaal gereflecteerd worden. Zie verder hiervoro het artikel Transmissielijn.

Verliezen

De twee verlieseffecten in de coaxkabel zijn:

1. skineffect
2. diëlektrische verliezen.

Het skineffect is het verschijnsel dat de indringingsdiepte van de elektromagnetische golf afhankelijk is van de frequentie, bij een geleider met soortelijke weerstand ongelijk aan nul. Hierdoor lopen zeer hoogfrequente golven alleen in de huid van de geleider terwijl golven onder de skin-afsnijfrequentie de hele doorsnede gebruiken. De indringingsdiepte $\delta_s$ kan als volgt uitgerekend worden:

$\delta_\mathrm{s}=\sqrt{\frac{1}{\pi f\mu\sigma}}$,

en de skin-afsnijfrequentie $f_\mathrm{sa}$ als volgt:

$f_\mathrm{sa}=\frac{1}{a^2\pi\mu\sigma}$,

waarin $\mu$ de magnetische permeabiliteit is, $\sigma$ de elektrische geleidbaarheid en $a$ de straal van de geleider. Bij de RG-58U-coaxkabel (zie ook hieronder) ligt $f_\mathrm{sa}$ rond de 22 kHz.

De diëlektrische verliezen worden veroorzaakt doordat het diëlektricum bij hogere frequenties energie dissipeert, ten gevolge van diëlektrische polarisatie en relaxatie.

Overdrachtsfunctie

Een goede benadering $H(f)$ van de overdrachtsfunctie van de kabel is als volgt:

$H(f)=e^{-j2\pi f\tau_0-\sqrt{j2\pi f\tau_1}-2\pi f\tau_2}$,

waarin de tijdsconstantes $\tau_0$, $\tau_1$ en $\tau_2$ respectievelijk de looptijd, de verliezen door het skineffect en de dielektrische verliezen aangeven.

Door middel van inverse Fouriertransformatie kan de tijddomein impulsrespons $h_c(t)$ van de coaxkabel worden berekend:

$h_c(t)=h_0(t)*h_1(t)*h_2(t)$,

waarin '*' de convolutie-integraal weergeeft, en waarin

$h_0(t)=\delta(t-\tau_0)\quad$

($\delta(t)$ is de diracimpuls),

$h_1(t)=\frac{\sqrt{\tau_1}}{2t\sqrt{\pi t}}e^{-\tfrac{\tau_1}{4t}}$, en

$h_2(t)=\frac{1}{\pi\tau_2}\frac{1}{1+\left(\frac{t}{\tau_2}\right)^2}$,

Overdracht van 100 meter RG-58U-coaxkabel

waarbij moet worden opgemerkt dat $h_2(t)$ in werkelijkheid minder symmetrisch is (korter aan de linkerkant).

Demping

De elektrische demping per lengte-eenheid, meestal 100 meter, wordt uitgedrukt in decibel. Hoe hoger deze waarde, des te slechter is de kabel. De demping is afhankelijk van de frequentie van het signaal dat door de kabel wordt getransporteerd. Als voorbeeld staat in de figuur hiernaast de demping van 100 meter RG-58U-kabel. Dit is een goedkope, gangbare standaardcoaxkabel, die van ca. 1985 tot ca. 2000 veel voor thinwirecomputernetwerken werd gebruikt. -6dN?100m @ 220MHz

Bij hogere frequenties is de demping groter. Dit is een belangrijke reden waarom kabeltelevisienetwerken de zenders omzetten naar lagere frequenties.

Bandbreedte

Als bandbreedte wordt de frequentie aangehouden waarbij de demping van de kabel 3 dB bedraagt. Bij een demping van 3 dB gaat de helft van het elektrisch vermogen verloren; bij een demping van 6 dB de helft van de elektrische spanning.

Coaxiale kabel voor consumenten

Een goede coaxiale kabel is stralingsarm. Dat wil zeggen dat de hoogfrequentsignalen, die door de kabel worden getransporteerd, niet naar buiten kunnen lekken. Omgekeerd kunnen ook geen hoogfrequentsignalen van buiten naar binnen dringen en zo storing veroorzaken.

Coaxiale kabels voor de doorgifte van radio- en televisiesignalen moeten een impedantie hebben van 75 ohm. Voor computernetwerken worden kabels met een impedantie van 50 ohm gebruikt. Het is voor de aanleg van een netwerk belangrijk dat de typen niet verwisseld worden.

Hoe groter de diameter van een coaxiale kabel hoe geringer het signaalverlies. Ook het gebruikte isolatiemedium is van invloed op het signaalverlies. Het ultraviolet in zonlicht veroorzaakt in de loop van de tijd verslechtering van de isolatie. Nieuwe schuimkabel heeft minder verlies dan kabel met vaste kunststofisolatie. Schuimkabel kan dus een grotere afstand overbruggen dan de kabel met vaste kunststof.

Een coaxkabel die wordt gebruikt voor aansluiting van de dakantenne aan de radio en televisie, heeft gewoonlijk een verlies van 12 dB per 100 m bij 220 MHz. Dit is de z.g. 12dB-kabel die slechts enkele meter lang is.

Zie ook

• Hybrid Fiber Coax

Mediabestanden

Zie de categorie Coaxial cables van Wikimedia Commons voor meer mediabestanden.