EP0635850A1 - Breitband-Hochfrequenz-taugliches elektrisches Koaxialkabel - Google Patents

Breitband-Hochfrequenz-taugliches elektrisches Koaxialkabel Download PDF

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EP0635850A1
EP0635850A1 EP94111427A EP94111427A EP0635850A1 EP 0635850 A1 EP0635850 A1 EP 0635850A1 EP 94111427 A EP94111427 A EP 94111427A EP 94111427 A EP94111427 A EP 94111427A EP 0635850 A1 EP0635850 A1 EP 0635850A1
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B11/00—Communication cables or conductors
    • H01B11/18—Coaxial cables; Analogous cables having more than one inner conductor within a common outer conductor
    • H01B11/1808—Construction of the conductors

Definitions

  • the invention relates to a broadband radio frequency-compatible electrical coaxial cable with a cylindrical inner conductor arranged on a plastic core, a concentric outer conductor and a dielectric located between the inner conductor and the outer conductor.
  • Low signal attenuation is desirable in order to be able to transmit signals over the longest possible distances with one cable.
  • a high return loss means that the wave impedance of the cable is as constant as possible over its length. Wave resistance changes along the cable lead to disturbing signal reflections and thus signal reflux.
  • the inner conductor and outer conductor of the cable would have to have a certain minimum cross-section when considering the lower frequency range. The skin effect has an increasing effect with increasing frequency.
  • the dielectric between the inner conductor and the outer conductor in particular its dielectric constant and its dielectric loss factor.
  • a solid copper pipe leads to a cable that is practically inflexible and that is not drum-ready, i.e. that cannot be wound on cable drums.
  • the object of the invention is to make available a low-loss coaxial cable which leads to the best possible compromise with regard to the three aspects of electrical properties, mechanical properties and production costs.
  • Both the helical winding of an electrically conductive film on a plastic core and the stranding of stranded conductors on a round core are manufacturing processes which, compared to the braiding of round or flat conductors on a core, are much faster, use simpler machines and require less preparation for setting up the machines.
  • the inner layer of its inner conductor consists of a silver-plated copper foil on which there is a stranded connection of silver-plated round copper wires.
  • the plastic core of the inner conductor can be formed by hollow FEP (fluoroethylene propylene).
  • the dielectric between the inner conductor and outer conductor is preferably made of microporous PTFE (polytetrafluoroethylene).
  • the embodiment of a coaxial cable shown in the figure extends from the inside to the outside: a plastic core 1, a silver-plated copper foil 2 wound on the plastic core, a round conductor stranded association made of silver-plated round copper wires applied to the copper foil 2, a dielectric 4, a shield construction 5 as an outer conductor and a plastic sheath 6.
  • the plastic core 1, the copper foil 2 and the round conductor strand assembly 3 form the inner conductor construction of this coaxial cable.
  • the signal attenuation depends on the characteristic impedance, the outer diameter of the inner conductor and the inner diameter of the outer conductor of the coaxial cable. If you want to achieve the same signal attenuation with the cable according to the invention as with a known coaxial cable with a copper tube as the inner conductor, with otherwise the same cable construction, you have to achieve the same characteristic impedance and the same outer diameter of the inner conductor construction. If only the round conductor strand assembly 3 were to be applied to the plastic core 1, this would have to have a somewhat greater radial thickness than the copper pipe to be compared, with the same outside diameter, in order to have one at lower frequencies, at which the skin effect is not yet noticeable same current carrying capacity as with your solid copper pipe.
  • the same outside diameter as that of the copper pipe would have to be chosen if the remaining cable structure was to remain the same in order to achieve an equally low signal attenuation.
  • the wave resistance Z st does not change due to the exchange of the copper tube by a round conductor strand assembly.
  • this requirement does not exist if only the round conductor strand assembly 3 is applied to the plastic core 1.
  • the reason for this is that such a round conductor stranding leads to a considerable increase in the inductance of the inner conductor and thus of the cable, which, according to equation (2), leads to a considerable change in the characteristic impedance.
  • the characteristic impedance which is usually specified as the nominal value, which must be adhered to as well as possible in order to avoid signal reflections in the entire system comprising the coaxial cable, must not be changed.
  • the solution to this problem according to the invention is to underlay the round conductor strand assembly 3 with the helically overlapping wound copper foil 2, with electrical contact between the copper foil 2 and the round conductor strand assembly 3. In this way, the inductance of the round conductor strand assembly 3 is short-circuited and thus switched off. This results in an overall inductance L. like a coaxial cable with a solid copper tube as inner conductor with otherwise the same cable structure.

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. <IMAGE>

Description

  • 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.
  • 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.
  • An mechanischen Eigenschaften sind erwünscht:
    • hohe Flexibilität,
    • hohe Lebensdauer bei Biege- und/oder Trommelbelastung
    • robuste Ausführung gegenüber Zug- und/oder Druckbelastung, und
    • Kleiner Kabeldurchmesser.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Eine Lösung dieser Aufgabe ist in Anspruch 1 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen finden sich in den Unteransprüchen.
  • 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.
  • 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).
  • Anhand eines Ausführungsbeispiels, das in der einzigen Figur der beigefügten Zeichnung dargestellt ist, wird nun die Erfindung näher erläutert.
  • 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.
  • Die Signaldämpfung α eines Koaxialkabels läßt sich folgendermaßen darstellen:
    Figure imgb0001
    • f =
    Frequenz
    ρ =
    spezifischer Leiterwiderstand
    Z₀ =
    Wellenwiderstand des Koaxialkabels
    d =
    Außendurchmesser des Innenleiters
    D =
    Innendurchmesser des Außenleiters
    K₁ =
    Konstante
    K₂ =
    Konstante
    εr =
    relative Dielektrizitätskonstante
    tanδ =
    dielektrischer Verlustfaktor
    Die Beziehung für den Wellenwiderstand Z₀ lautet
    Figure imgb0002
    Darin bedeuten
    L =
    Induktivität
    C =
    Kapazität.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (9)

  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.
EP94111427A 1993-07-22 1994-07-21 Breitband-Hochfrequenz-taugliches elektrisches Koaxialkabel Expired - Lifetime EP0635850B1 (de)

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