Koaxialkabel

Wie ist ein Koaxialkabel aufgebaut, und warum gibt es es in 50 und in 75 Ohm?

Koaxial heißt: auf derselben Achse. Ein Innenleiter läuft in der Mitte, ein rohrförmiger Außenleiter umschließt ihn konzentrisch, dazwischen liegt ein Isolierstoff, das Dielektrikum. Der Außenleiter hat dabei zwei Aufgaben gleichzeitig — er führt den Rückstrom des Signals und er schirmt. Aus dieser Bauform folgt die Größe, an der beim Koaxialkabel alles hängt: der Wellenwiderstand.

Ein Koaxialkabel hat einen Draht in der Mitte und eine Metallhülle darum herum. Das Signal läuft zwischen beiden, und weil die Hülle es rundum umschließt, bleibt es innen und Störungen bleiben draußen. Von außen sehen sich diese Kabel alle ähnlich, aber es gibt zwei Sorten: eine für Antenne, Fernsehen und Digitalton, eine für Funktechnik. Man kann sie teilweise zusammenstecken, sie arbeiten aber nicht zusammen. Und wenn eine digitale Verbindung nicht schlechter wird, sondern plötzlich ganz abreißt, ist genau so eine Verwechslung eine der häufigsten Ursachen.

Ausführliche Erklärung

Die Bauform ist alt und hatte von Anfang an genau den Zweck, den sie heute noch erfüllt. Der englische Autodidakt Oliver Heaviside, von Haus aus Telegrafist und später einer der wichtigsten Köpfe der Leitungstheorie, ließ sich 1880 in Großbritannien eine Leitung patentieren, bei der ein innerer Leiter von einem konzentrischen Kupferrohr umschlossen wird — als Mittel gegen die gegenseitige Beeinflussung benachbarter Telegrafenadern.

Vier Schichten macht das aus. Innen der Innenleiter, massiv oder als Litze. Darum das Dielektrikum, meist Polyethylen, entweder massiv oder geschäumt; geschäumt heißt weniger Material und damit weniger Verlust, aber auch weniger mechanische Formstabilität. Darüber der Außenleiter, bei brauchbaren Kabeln als Folie mit darüberliegendem Geflecht ausgeführt — beides zusammen aus demselben Grund wie bei jeder anderen Schirmung. Ganz außen der Mantel.

Solange der Außenleiter rundum geschlossen ist, bleibt das elektromagnetische Feld zwischen den beiden Leitern gefangen. Außerhalb bleibt idealerweise nichts übrig — weder strahlt das Kabel ab, noch strahlt etwas hinein. Das ist die Stärke der Bauform. Ihr Preis: Der Schirm ist Teil des Signalwegs, das Kabel ist also unsymmetrisch. Alles, was auf dem Außenleiter passiert, liegt unmittelbar im Signal, und eine Potentialdifferenz zwischen zwei Geräten wird zum Störanteil. Genau hier liegt der Unterschied zur symmetrischen Übertragung, bei der der Schirm gerade nicht am Signal beteiligt ist.

Der Wellenwiderstand ist eine Eigenschaft des Querschnitts

Beim Koaxialkabel hängt der Wellenwiderstand — auch charakteristische Impedanz — nur von zwei Dingen ab: vom Verhältnis der Durchmesser von Außen- zu Innenleiter und von der Permittivität des Dielektrikums. Ein weiter Außenleiter über einem dünnen Innenleiter ergibt einen hohen Wert, ein dichtes Dielektrikum senkt ihn wieder. Die Gleichung dazu — samt der Frage, welches Durchmesserverhältnis 75 Ohm ergibt und was eine Quetschung an dieser Stelle anrichtet — steht bei den Leitungskenngrößen.

Das Bemerkenswerte an ihr ist, was nicht darin steht: keine Länge und keine Frequenz. Ein Meter und hundert Meter desselben Kabels haben denselben Wert, und ein Ohmmeter findet ihn deshalb nie. Was die Größe bedeutet, wofür sie gebraucht wird und was bei Fehlanpassung passiert, führt der eigene Eintrag zum Wellenwiderstand aus. Für das Koaxialkabel zählt hier vor allem die Folge daraus: Der Wert wird beim Ziehen des Kabels festgelegt und ist danach nicht mehr veränderbar. Eine gequetschte Stelle im Leerrohr oder ein zu enger Bogen verschiebt das Durchmesserverhältnis örtlich — und macht aus einer Leitung eine Leitung mit einer Stoßstelle darin.

Warum 50 Ohm und warum 75 Ohm

Beide Werte sind Kompromisse, aber aus zwei verschiedenen Rechnungen.

Optimiert man eine luftgefüllte Koaxialleitung auf geringste Dämpfung, landet man je nach Leitfähigkeit von Innen- und Außenleiter im Bereich zwischen rund 60 und 77 Ω. Optimiert man dieselbe Leitung auf höchste übertragbare Leistung, landet man bei rund 30 Ω. Wer beides zugleich braucht — der Sender einer Funkanlage braucht es —, nimmt einen Wert dazwischen, und dort liegt die 50-Ω-Familie.

Bei den 75 Ω kürzt die verbreitete Erzählung ab. Sie lautet meist, 75 Ω folge dem Dämpfungsoptimum — das gilt aber für eine luftgefüllte Leitung. Steckt massives Polyethylen zwischen den Leitern, rutscht das Dämpfungsoptimum auf etwa 40 bis 50 Ω, und ein handelsübliches 75-Ω-Kabel liegt damit gerade nicht in seinem Dämpfungsminimum; Ellingson hält das am Beispiel RG-59 ausdrücklich fest. Tragfähiger ist das Argument aus der Antennentechnik: Der Halbwellendipol, die Urform der Empfangsantenne, hat eine Fußpunktimpedanz nahe 75 Ω. Wer empfängt, braucht keine Sendeleistung und will kein Anpassungsglied — und so ist die Empfangs- und Videotechnik dort gelandet, wo sie bis heute geblieben ist.

Für die Praxis lässt sich das auf einen Satz bringen: In der AV- und Haustechnik sind 75 Ω der Normalfall — Antennen- und SAT-Verteilung, koaxiales S/PDIF, AES3id, SDI, Word Clock —, und 50 Ω tauchen dort auf, wo gesendet oder gemessen wird, also bei WLAN- und Mobilfunkantennen und in der Messtechnik. Welche Steckverbinder zu welchem Wert gehören und welche weiteren Werte bei symmetrischen Leitungen vorkommen, steht in der Übersicht beim Wellenwiderstand.

Häufiges Missverständnis

„Koax ist ein geschirmtes Kabel." Das ist der Irrtum, der auf der Baustelle die meisten Fehler erzeugt, und er unterschlägt die halbe Funktion des Außenleiters. Bei einem geschirmten Datenkabel ist der Schirm eine Zutat — fehlt er an einer Stelle, wird die Verbindung störanfälliger. Beim Koaxialkabel ist der Außenleiter der Rückleiter, also die Hälfte des Signalwegs. Ein hastig gesetzter F-Stecker, ein Geflecht, das beim Absetzen gekürzt wurde, ein Adapter, der nur ein paar Litzen berührt: Das ist keine schwächere Schirmung, das ist ein Defekt im Leiter. Wer bei einer Koaxstrecke Fehler sucht, sucht deshalb zuerst an den Enden und nicht am Kabel.

Aus demselben Grund gilt eine Einschränkung, die in der Praxis regelmäßig übersehen wird: Weil der Außenleiter beide Geräteseiten galvanisch verbindet, schleppt eine Koaxstrecke jede Potentialdifferenz zwischen ihnen mit. Zwischen zwei Gebäudeteilen mit getrennten Erdungsanlagen ist Koax deshalb nicht die robuste, sondern die empfindliche Lösung — dort gehört ein Lichtwellenleiter hin oder wenigstens eine galvanische Trennung.

Auf der Antennenseite sitzt der zweite Fehlschluss: „Antennenkabel ist Antennenkabel." Terrestrischer Empfang und Satellitenempfang laufen zwar beide über 75 Ω, aber die Satelliten-Zwischenfrequenz reicht erheblich höher als das terrestrische Fernsehband. Ein älteres Verteilnetz kann für das eine völlig ausreichen und für das andere zu dämpfungsstark oder zu undicht sein. Der Ohm-Wert allein sagt nichts über den nutzbaren Frequenzbereich und nichts über die Schirmwirkung des Kabels.

Zur dritten verbreiteten Falle, dem mechanisch passenden, elektrisch falschen Steckverbinder, steht das Nötige bei BNC — dort auch, warum sich 50- und 75-Ω-Varianten mit bloßem Auge kaum unterscheiden lassen.

Nicht zu verwechseln mit

Twisted Pair: Die andere große Bauform für Signalleitungen — zwei verdrillte Adern statt konzentrischer Leiter, symmetrisch statt unsymmetrisch, und mit anderen Nennwerten. Sie löst dieselbe Aufgabe über einen anderen Mechanismus; siehe Twisted Pair.
Twinaxial und Triaxial: Zwei Innenleiter im gemeinsamen Außenleiter beziehungsweise zwei voneinander getrennte Außenleiter. Beide sehen von außen aus wie Koax und verhalten sich anders.
Schirmung im üblichen Sinn: Bei einem geschirmten Twisted-Pair-Kabel führt der Schirm keinen Signalstrom, beim Koaxialkabel führt der Außenleiter ihn. Dieselbe Metallhülle, zwei verschiedene Rollen — siehe Schirmung.
Impedanz eines Lautsprechers: Ebenfalls in Ohm angegeben und trotzdem eine ganz andere Größe. Die Abgrenzung steht beim Wellenwiderstand und bei der Impedanz.

In der Planung

Ein Neubau bekommt einen Technikraum, einen Kinoraum und ein Wohnzimmer mit Fernseher. Beim Termin auf der Baustelle fragt der Elektriker, wie viel Koaxialkabel er überhaupt noch legen soll — „läuft heute doch alles über Netzwerk".

Die Menge Koax ergibt sich später: Welche Signale sind auf eine Koaxialstrecke angewiesen und welche nicht? Die Zuleitung von der Antenne oder der SAT-Anlage ist es, weil sie ein Hochfrequenzsignal ins Haus bringt, für das es keinen zweiten Weg gibt, und weil sie nachträglich am schwersten zu ziehen ist. Bild und Ton zwischen den Geräten im Haus sind es nicht mehr — dort übernehmen Netzwerk, HDBaseT oder Glasfaser. Ein koaxiales S/PDIF bleibt eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung über wenige Meter im Rack und keine Gebäudestrecke.

Aus dieser Trennung folgen drei Festlegungen. Die Antennenstrecke wird durchgehend in 75 Ω ausgeführt, samt Dosen und Verteilern — ein 75-Ω-Kabel auf einem beliebigen Verteiler ist keine 75-Ω-Strecke. Steckverbinderfamilien werden nicht gemischt, und wo BNC im Spiel ist, wird die Ohm-Angabe mitbestellt und nicht angenommen. Und weil sich Bedarf an Hochfrequenzstrecken schneller ändert als eine Wand, gehört jede Koaxstrecke ins Leerrohr und nicht in den Putz.

Erst danach fällt die Produktentscheidung, und sie ist an dieser Stelle unspektakulär. Der Fehler in solchen Projekten steckt fast nie im Kabel, sondern in einer Strecke, die irgendwo unterwegs die Familie wechselt.

Verknüpfte Inhalte

Die Größe hinter der Ohm-Angabe führt der Wellenwiderstand aus, die Rechnung von der Bauform zum Ohm-Wert die Leitungskenngrößen, das Verhalten des Außenleiters die Schirmung. Die Schnittstellen, die auf 75-Ω-Koax laufen, stehen bei S/PDIF, AES3 und Word Clock; die Steckverbinder bei BNC und Cinch. Warum die gleiche Aufgabe im Haus meist symmetrisch über verdrillte Paare gelöst wird, klären Twisted Pair und die symmetrische Übertragung; wo selbst das nicht reicht, der Lichtwellenleiter. Was an Netzwerkinfrastruktur im Haus zusammenkommt, steht bei den Grundlagen des Heimnetzwerks, die Verteilerseite beim Technikraum für die AV-Technik.

Quellen

Die Optimierungsbereiche hinter 50 und 75 Ω — Dämpfungsminimum, Leistungsmaximum und die Nähe der 75 Ω zur Fußpunktimpedanz des Halbwellendipols — sind der Lehrbuchdarstellung von Steven W. Ellingson entnommen und dort am Objekt gelesen. Die Zuordnung der Anwendungen zu ihren Normen (IEC 60958-3, AES3id, SMPTE-Reihe für SDI) ist nicht am Normtext geprüft.