DE19956641C2 - Koaxialkabel - Google Patents

Abstract

Das Koaxialkabel weist ein Dielektrikum (8) auf, welches mehrere Stränge, insbesondere Monofilamente (10) umfasst, die als dielektrischen Werkstoff Polyetheretherketone oder Polyaryletherketone oder Polyetherimide aufweisen. Durch die Kombination der speziellen Materialauswahl für das Dielektrikum (8) mit der Anordnung von mehreren Strängen werden gute dielektrische Eigenschaften und somit gute Übertragungseigenschaften des Koaxialkabels (2) erreicht, und zugleich werden ausreichend gute mechanische Eigenschaften gewährleistet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Koaxialkabel mit einem Außenleiter, einem Innenleiter sowie einem zwischen dem Außenleiter und dem Innenleiter angeordneten Dielek­ trikum.

Koaxialkabel werden auf Grund ihrer guten elektrischen Eigenschaften in einer Vielzahl von Anwendungsgebieten eingesetzt. Als Beispiel für ein spezielles Koa­ xialkabel ist das sogenannte "semi-rigid"-Koaxialkabel zu erwähnen, welches als beliebter Wellenleiter für den transversalen elektromagnetischen Mode etabliert ist, seitdem in den 50er Jahren für die Ortungs-, Aufklärungs- und Kommunikati­ onstechnik die Mikrowellenfrequenzen oberhalb von 10^∧9 Hertz (1 Gigahertz) er­ schlossen wurden.

Dieses Kabel hat die Bezeichnung "semi-rigid" (halbstarr) auf Grund des besonde­ ren konstruktiven Merkmals, dass sein Außenleiter ein glattes, massives Rohr ist. Dadurch ist das Kabel noch biegbar, jedoch nicht mehr ,flexibel', daher die Be­ zeichnung halbstarr. Die Einbuße an Flexibilität wird bewusst in Kauf genommen, da der rohrförmige Außenleiter eine ungestörte Ausbreitung des Wandstromes an seiner Innenseite erlaubt und daher dem Kabel ausgezeichnete Übertragungsei­ genschaften verleiht. Generell verfügt ein derartiges "semi-rigid" Koaxialkabel - in Relation zu seinen Abmessungen - über ausgezeichnete Übertragungseigen­ schaften für hochfrequente elektrische Signale.

Auf Grund der besonders guten Kompatiblität zu einer weit verbreiteten Hochfre­ quenzsteckverbinder-Serie, der Serie ,SMA', haben "semi-rigid"-Kabel mit einem Außendurchmesser von 3,58 mm die größte Bedeutung im Markt erlangt. Ein Koaxialkabel mit diesem Außendurchmesser ist beispielsweise in der US-Militär­ norm M 17/130-RG402 folgenderweise spezifiziert:

Innenleiter aus Stahl-Kupferdraht	0,92 mm∅
Dielektrikum aus Polytetrafluoräthylen (PTFE)	3,0 mm∅
Kupferrohr als Außenleiter	3,58 mm∅

Entscheidend für die guten Übertragungseigenschaften bei Koaxialkabeln im All­ gemeinen sind die dielektrischen Eigenschaften des Dielektrikums. Dabei werden die dielektrischen Eigenschaften der Kabelisolierung, nämlich die relative Dielek­ trizitätskonstante und der dielektrische Verlustfaktor, um so wichtiger, je höher die in einem Koaxialkabel übertragenen Frequenzen sind. Der dielektrische Ver­ lustfaktor wirkt sich derart aus, dass der Anteil der Übertragungsverluste im Die­ lektrikum linear mit der Frequenz ansteigt. Demgegenüber nehmen die Verluste, die durch die Leiterwerkstoffe bedingt sind, nur mit der Quadratwurzel der Fre­ quenz zu.

In der DE-AS-12 40 968 ist ein Koaxialkabel beschrieben, bei dem im Zwischen­ raum zwischen Innenleiter und Außenleiter sogenannte Rohre angeordnet sind. Mit diesen Rohren soll zum einen eine ausreichende Zentrierung des Innenleiters im Außenleiter erreicht werden. Zum anderen soll durch die Rohre in Verbindung mit den von den Rohren eingeschlossenen Luftpolstern ein möglichst verlustar­ mes Dielektrikum bereitgestellt werden.

Diese der DE-AS-12 40 968 zu Grunde liegenden Probleme sind heutzutage je­ doch durch verbesserte Materialien für das Dielektrikum überwunden, und zwar wird gegenwärtig als Isolier- und dielektrischer Werkstoff in vielen Fällen Poly­ tetrafluorethylen (PTFE) eingesetzt, insbesondere auch in den "semi-rigid"- Kabeln. PTFE weist nämlich sehr gute dielektrische und mechanische Eigenschaf­ ten auf und läßt sich zudem sehr einfach formgeben. Dadurch können die Dielek­ trika mit PTFE als massive konzentrische Isolierhülle um den Innenleiter ausge­ führt werden, wodurch automatisch eine Zentrierung des Innenleiters zum Außen­ leiter bei guten dielektrischen Eigenschaften erzielt ist. PTFE ist also für den Ein­ satz in Koaxialkabeln geeignet und gewährleistet gute Übertragungseigenschaf­ ten.

Folgende drei Eigenschaften des PTFE sind jedoch von Nachteil und beschrän­ ken die Einsatzmöglichkeiten insbesondere der "semi-rigid"-Kabel:

• 1. PTFE ist ein halogenhaltiger Werkstoff, der Fluor enthält. Auf Grund von Be­ stimmungen und Verordnungen zum Schutz der Umwelt sind Werkstoffe, die Halogene enthalten, in vielen Anwendungen unerwünscht oder gar verboten.
• 2. PTFE ist ein Werkstoff mit einem relativ hohen Wärmeausdehnungskoeffizien­ ten. Werden "semi-rigid"-Kabel stark erwärmt, besteht die Gefahr, dass durch die Ausdehnung des PTFE der rohrförmige Außenleiter aufplatzt. Selbst wenn der Außenleiter lediglich aufgedehnt wird, wirkt sich dies nachteilig auf die Übertragungseigenschaften des Kabels aus. Schließlich erschwert die Wär­ meausdehnung des PTFE die Konfektionierung der Kabel durch Anlöten von Steckverbindern, da Isolierwerkstoff an den Kabelschnittflächen austreten kann.
• 3. PTFE hat zudem eine geringe Beständigkeit gegen energiereiche Strahlung. Dadurch sind PTFE-isolierte Kabel für den Einsatz in Bereichen mit hoher Strahlungsbelastung ungeeignet, beispielsweise in Kernkraftwerken oder in Kernforschungsanlagen sowie in speziellen Geräten, wie beispielsweise me­ dizinische Diagnosegeräte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Koaxialkabel anzugeben, bei dem die oben aufgeführten Nachteile vermieden sind.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Koaxialkabel mit einem Außenleiter, einem In­ nenleiter und einem zwischen dem Außenleiter und dem Innenleiter angeordneten Dielektrikum, wobei das Dielektrikum mehrere Stränge umfasst, die als dielektri­ schen Werkstoff Polyetheretherketone (PEEK) oder Polyaryletherketone (PAEK) oder Polyetherimide (PEI) aufweisen.

Der entscheidende Vorteil eines derartigen Koaxialkabels ist darin zu sehen, dass die Nachteile von PTFE als dielektrischer Werkstoff vermieden sind, und dass gleichzeitig mit einem derartigen Koaxialkabel die gewohnten guten Übertra­ gungseigenschaften im Rahmen der üblichen Standard-Kabelgrößen erreicht werden. Denn die aufgeführten Nachteile von PTFE werden beispielsweise bei PEEK durch einen um etwa eine Zehnerpotenz niedrigeren Wärmeausdehungs­ koeffizienten, eine deutlich bessere Strahlenbeständigkeit sowie durch die Abwe­ senheit von Halogenen vermieden.

Eine einfache Substitution von PTFE durch PEEK würde zunächst in nachteiliger Weise zu steiferen Kabeln mit größerem Kabeldurchmesser führen. Denn zum einen ist PEEK im Vergleich zu PTFE weniger flexibel und zum anderen besitzt es eine höhere Dielektrizitätskonstante. PAEK sowie PEI haben zu PEEK vergleich­ bare Eigenschaften, so dass sich für diese beiden dielektrischen Materialien ent­ sprechendes ergibt. Zu erwähnen ist hierbei, dass PEI im Vergleich zu PEEK zwar eine geringere Dauergebrauchstemperatur aufweist, jedoch in der Herstellung deutlich kostengünstiger als PEEK ist. Die Dauergebrauchstemperatur von PEI liegt dabei etwa im Bereich von 150°C, was für die meisten Anwendungsfälle von Koaxialkabel ausreichend ist.

Ausgehend von diesen Überlegungen ist bei dem Koaxialkabel daher in Kombina­ tion zu der speziellen Materialauswahl des Dielektrikums die Anordnung von meh­ reren Strängen aus dem dielektrischen Material vorgesehen. Im Vergleich zu ei­ nem ringförmigen Vollmaterial wird dadurch eine deutlich höhere Flexibilität des gesamten Koaxialkabels erreicht. Es läßt sich also einfacher biegen. Zudem wer­ den dadurch Lufträume eingeschlossen, was sich im Hinblick auf eine effektive Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums äußerst positiv auswirkt. Das Dielektri­ kum wird dabei gebildet von den Strängen und dem Luftvolumen. Mit der Anord­ nung von Strängen wird zudem berücksichtigt, dass sich insbesondere PEEK nur sehr schwer in größeren Wanddicken extrudieren läßt. Demgegenüber lassen sich Fasern oder sogenannte Filamente sehr einfach extrudieren.

Um ein einfaches Herstellen des Koaxialkabels zu ermöglichen, sind die Stränge in einer bevorzugten Ausführung als Filamente, insbesondere als Monofilamente ausgebildet. Die einzelnen Stränge werden also durch einfache Fasern gebildet. Diese sind dabei jeweils aus einem der oben genannten dielektrischen Materiali­ en. Im Koaxialkabel können auch Filamente unterschiedlichen Materials einge­ setzt werden.

Um bei den standardisierten Abmessungen für Koaxialkabel besonders gute Übertragungseigenschaften zu erreichen, ist die Anzahl der Stränge und die Die­ lektrizitätskonstante ihres dielektrischen Werkstoffes derart gewählt, dass zu­ sammen mit der eingeschlossenen Luft eine wirksame Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums von 2.05 +/- 0,2 erreicht wird.

Vorzugsweise weist das Koaxialkabel mindestens fünf Stränge auf, wodurch sich eine besonders gute Kombination aus dielektrischen Eigenschaften und mechani­ schen Eigenschaften des Koaxialkabels ergeben.

Ein Ausführungsbeispiel wird im Folgenden anhand der einzigen Figur erläutert, die einen Querschnitt durch ein Koaxialkabel in schematischer Darstellung zeigt.

Gemäß der Figur weist das Koaxialkabel 2 einen Außenleiter 4, einen Innenlei­ ter 6 sowie zwischen diesen beiden Leitern 4, 6 ein Dielektrikum 8 auf. Dieses ist gebildet aus einer Anzahl von Strängen in Form von sogenannten Monofilamen­ ten 10 aus einem dielektrischem Material sowie aus zwischen den Monofilamen­ ten eingeschlossenen Hohlräumen 12. Gemäß dem Ausführungsbeispiel sind sechs Monofilamente 10 vorgesehen. Der Außenleiter 4 ist rohrförmig, beispiels­ weise starr als Metallrohr oder auch flexibel, z. B. geflochten, ausgebildet.

Bei der Herstellung werden die vorab gefertigten Monofilamente 10 zusammen mit dem Innenleiter 6 in den rohrförmigen Außenleiter 4 geführt. Die Lufteinschlüsse in den Hohlräumen 12 führen dazu, dass die effektive Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums 8 einen Wert erreicht, der dem von massivem PTFE entspricht. Die Anordnung mehrerer Monofilamente 10 anstelle einer rohrförmigen, massiven Schicht als Dielektrikum gewährleistet eine ausreichende Biegbarkeit des Koaxial­ kabels 2. Der Außenleiter 4 hält das Ensemble aus Innenleiter 6 und Monofila­ menten 10 sicher zusammen.

Als Material für die Monofilamente wird PEEK, PAEK oder PEI verwendet. Diese drei Materialien haben im Wesentlichen annähernd gleiche Eigenschaften. Insbe­ sondere sind sie halogenfrei, so dass ihr Einsatz aus ökologischen Gesichtspunk­ ten unbedenklich ist. Sie weisen zudem einen relativ geringen Wärmeausdeh­ nungskoeffizienten auf, so dass der Außenleiter 4 bei Temperaturschwankungen nicht infolge von Wärmeausdehnungen der Monofilamente 10 belastet wird. Auch ist ihre Beständigkeit gegen energiereiche Strahlung ausreichend hoch, um die Koaxialkabel in Bereichen mit energiereicher Strahlung einsetzen zu können. Bei­ spielhaft für die drei Materialien sind die Eigenschaften von PEEK im Vergleich zu PTFE in der nachfolgenden Tabelle aufgelistet.

Bezugszeichenliste

2

Koaxialkabel

4

Außenleiter

6

Innenleiter

8

Dielektrikum

10

Monofilament

12

Hohlraum

Claims (4)

1. Koaxialkabel (2) mit einem Außenleiter (4), einem Innenleiter (6) sowie einem zwischen dem Außenleiter (4) und dem Innenleiter (6) angeordneten Dielektri­ kum (8) dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum (8) Stränge (10) umfasst, die als dielektrischen Werkstoff Polyetheretherketone (PEEK) oder Polyaryletherketone (PAEK) oder Poly­ eterimide (PEI) aufweisen.

2. Koaxialkabel (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stränge als Monofilamente (10) ausgebildet sind.

3. Koaxialkabel (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Stränge (10) und die Dielektrizitätskonstante ihres dielek­ trischen Werkstoffes zusammen mit der eingeschlossenen Luft eine wirksame Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums (8) von 2,05 +/- 0,2 ergeben.

4. Koaxialkabel (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens fünf Stränge (10) vorgesehen sind.