Hohlleiter und Koaxialkabel lassen sich anhand von Impedanz, Grenzfrequenz, Gesamtverlust, Leistung und installiertem Aufwand vergleichen. Beide transportieren elektromagnetische Energie. Eine starre Grenze bei 5 oder 10 GHz entscheidet nicht automatisch, welche Bauform besser geeignet ist.
1. Impedanz: Leitung und Feld unterscheiden
Für eine ideale homogene Koaxialleitung mit nichtmagnetischem Dielektrikum gilt Z0 ≈ 60 ln(b/a)/√εr. a bezeichnet den Innenleiterradius, b den Innenradius des Außenleiters. Gemeint ist der natürliche Logarithmus.
Bei Luftfüllung entsprechen 50 Ω ungefähr b/a = 2,30 und 75 Ω ungefähr 3,49. Der Wellenwiderstand ist keine mit dem gewöhnlichen Ohmmeter zwischen Innen- und Außenleiter zu messende Gleichstromgröße.
Im luftgefüllten Rechteckhohlleiter ist die TE-Feldimpedanz η0/√[1−(fc/f)²]. Sie ist frequenzabhängig und nicht unmittelbar dieselbe Klemmenbeschreibung wie 50 Ω am Koaxialport. Ein Übergang koppelt und passt die definierten Moden an.
2. TEM und untere Grenzfrequenz
Die ideale homogene Koaxialleitung unterstützt TEM ohne von null verschiedene untere geometrische Grenzfrequenz. Die obere Nutzgrenze eines realen Kabels hängt von Abmessungen, höheren Moden, Dielektrikum, Steckern und Verlusten ab.
Ein üblicher geschlossener metallischer Hohlleiter mit einer zusammenhängenden Leiterwand besitzt diesen TEM-Modus nicht. Für TE10 im luftgefüllten Rechteck gilt fc = c/(2a), wobei a hier die breite Innenseite ist.
WR-90 hat a = 22,86 mm, somit etwa 6,56 GHz Grenzfrequenz. Der übliche Nutzbereich 8,2–12,4 GHz ist davon zu unterscheiden. Bei 10 GHz beträgt die TE-Feldimpedanz etwa 499 Ω.
Es gibt auch koaxiale Systeme für deutlich höhere Frequenzen als einige GHz. Die Angabe des Kabeltyps allein ersetzt nicht das Datenblatt der kompletten konfektionierten Verbindung.
3. Den gesamten Verlustweg rechnen
Bei ausreichender Anpassung kann man näherungsweise Lgesamt = αl + ΣLVerbindungen verwenden. α ist die Dämpfung in dB/m und l die Länge in Metern. Frequenz, Temperatur und Bezugsebenen müssen vergleichbar sein.
Ein Rechenbeispiel: A besitzt 0,20 dB/m und 0,20 dB feste Verluste, B 0,05 dB/m und 0,80 dB. Bei l = (0,80−0,20)/(0,20−0,05) = 4 m sind die Summen gleich. Diese Werte sind Annahmen, keine Produktdaten.
Ein günstiger Meterwert kann bei kurzen Wegen durch zusätzliche Übergänge aufgehoben werden. Bei starken Reflexionen benötigt man komplexe Kaskadendaten oder eine Messung; die einfache Summe erfasst die Welligkeit nicht.
4. Leistung und Verlustleistung
Für passend definierte Übertragung entspricht ein Verlust L dem Leistungsfaktor 10−L/10. Nach 1 dB bleiben etwa 79,4%, nach 3 dB etwa 50,1% am betrachteten Ausgang.
Die fehlende Leistung wird nicht zwangsläufig vollständig in einem Bauteil zu Wärme. Reflexion und Abstrahlung können ebenfalls beitragen. Thermische Grenzen und Durchschlag durch lokale Feldstärke sind verschiedene Kriterien.
Geben Sie Mittel- und Spitzenleistung, Pulsbetrieb, Temperatur, Druck und Lastreflexion an. Weder maximal 300 W für alle Koaxialkabel noch mehrere Kilowatt für jeden Hohlleiter sind allgemeine Regeln.
5. Einbau, Beweglichkeit und Kosten
Vergleichen Sie Kabel oder Sektionen einschließlich Stecker, Flansche, Bögen, Übergänge, Halter und Prüfungen. Bei Bewegung zählen Biegeradius, Lebensdauer und Phasenstabilität unter den vorgesehenen Bedingungen.
Koaxiale Bauformen können flexibel oder starr sein. Flexible Hohlleiter haben ebenfalls Grenzen für Biegung und Torsion. Nicht alle Kabel erlauben denselben Radius und nicht alle Hohlleiter benötigen Druckgas.
Ermitteln Sie Kosten und Wartung anhand des vollständigen Wegs und der Umgebung. Ein allgemeiner Preis pro Meter ohne Ausstattung und Prüfbereich ist keine belastbare Vergleichsbasis.
Angaben für einen fairen Vergleich
- Band, Länge und definierte Ports.
- Moden, Impedanz und Anpassung.
- Verluste aller Übergänge und Verbindungen.
- Leistung, Umgebung und Bewegung.
- Montage, Abnahme und Wartung.
Grundlagen liefern die Koaxialgleichungen und Hohlleitergleichungen. Verwenden Sie danach die gemessenen Daten der tatsächlich vorgesehenen Komponenten.
