Koaxialkabeltechnik
Koaxialkabelimpedanz: Warum 50 Ohm und 75 Ohm selten eine Nichtübereinstimmung verzeihen
Die charakteristische Impedanz hängt von der Geometrie und dem Dielektrikum ab, nicht vom Preis. Hier erfahren Sie, wie sich 50- und 75-Ohm-Systeme verhalten, was eine Nichtübereinstimmung tatsächlich kostet und welche Zahlen in eine Kaufspezifikation gehören.
Ein CCTV-Installateur schließt einen 75-Ohm-RG6-Anschluss mit einem 50-Ohm-BNC-Adapter ab, da die Teileschublade näher als das Lager liegt. Das Bild ist vom ersten Tag an sauber. Drei Wochen später meldet der Kunde eine schwache horizontale Streifenbildung, wobei zuerst die Kamera, dann der Rekorder und zuletzt das Kabel dafür verantwortlich gemacht werden.
Die Kurzfassung, vor dem Detail: Jedes Element in der Kette muss sich auf die Impedanz einigen, einschließlich des Kabels, des Steckers und des Geräteanschlusses. Wenn dies nicht der Fall ist, wird ein Teil des Signals über die Leitung zurückreflektiert, anstatt den Empfänger zu erreichen, und diese Reflexionen werden umso schädlicher, je höher die Frequenz und je länger die Laufzeit wird.
Im Folgenden erfahren Sie, was die charakteristische Impedanz wirklich ist, warum sich die Industrie für 50 und 75 Ohm entschieden hat, wie eine Nichtübereinstimmung auf Testgeräten und auf einem Bildschirm angezeigt wird und was in eine Spezifikation geschrieben werden muss, damit das Problem nie vor Ort ankommt.
Welche Impedanz eines Koaxialkabels wird tatsächlich gemessen?
Die charakteristische Impedanz ist kein Widerstand. Es ist das Verhältnis von Spannung zu Strom für eine Welle, die sich entlang der Leitung ausbreitet, und es existiert auch dann, wenn am anderen Ende nichts angeschlossen ist. In der physische Aufbau eines Koaxialkabels Sie wird durch drei Dinge bestimmt: den Durchmesser des Mittelleiters (d), den Innendurchmesser der Abschirmung oder des Dielektrikums, das den Raum ausfüllt (D), und die Dielektrizitätskonstante dieses Materials.
Für eine Koaxialleitung lautet die klassische Arbeitsformel Z0 = 138 dividiert durch die Quadratwurzel der Dielektrizitätskonstante, multipliziert mit dem Basis-Zehner-Logarithmus von D dividiert durch d. Bewegen Sie den Leiter und die Abschirmung weiter auseinander oder verringern Sie die Dielektrizitätskonstante, und die Impedanz steigt.
Zwei Konsequenzen sind kommerziell von Bedeutung:
- Die Impedanz ändert sich nicht mit der Länge. Ein 5-m- und ein 500-m-Stück desselben RG6 liegen beide bei etwa 75 Ohm.
- Die Impedanz kann nicht mit einem Multimeter abgelesen werden. Zur Überprüfung ist ein Zeitbereichsreflektometer, ein Netzwerkanalysator oder ein Sweep-Test gegen eine bekannte Last erforderlich.
Der Gleichstromwiderstand ist eine separate Spezifikation und dennoch wichtig. Ein Satellitenreceiver, der die LNB-Leistung über einen längeren Zeitraum hochtreibt, muss den Schleifenwiderstand überwinden, etwas, worüber die Impedanz nichts aussagt.
Die charakteristische Impedanz beschreibt die Wanderwelle und gilt daher entlang des gesamten Kabels und nicht nur an einem Punkt. Ein Kabel ist nur dann angepasst, wenn die Quelle, die Leitung und die Last alle die gleiche Impedanz haben.
Warum 50 Ohm und 75 Ohm zum Standard wurden
Keine der Zahlen ist willkürlich. Bei luftdielektrischem Koaxialkabel ist die Dämpfung bei etwa 77 Ohm am niedrigsten, während die Belastbarkeit bei etwa 30 Ohm ihren Höhepunkt erreicht. Mikrowelleningenieure benötigten sowohl geringe Verluste als auch nutzbare Leistung, daher wurde 50 Ohm zum Arbeitskompromiss und etablierte sich in der militärischen und später kommerziellen Praxis. Den Rundfunktechnikern war es wichtig, dass bei langen Videoübertragungen mit geringem Stromverbrauch geringe Verluste auftreten. Daher wurde 75 Ohm, das näher am Dämpfungsminimum liegt, zum Video- und Kabelfernsehstandard.
Fünfzig Ohm sind ein Kompromiss zwischen Leistung und Verlust; 75 Ohm neigen zum Verlust. Bei beiden handelt es sich um technische Entscheidungen, nicht um Qualitätsstufen.
Die sichtbaren Unterschiede liegen hauptsächlich in der Belastbarkeit und den Steckverbinderfamilien, wie der folgende Vergleich zeigt.
| Charakteristisch | 50 Ohm | 75 Ohm |
|---|---|---|
| Typische Anwendungen | Drahtlose und HF-Verbindungen, Antennenzuleitungen, LTE, Testgeräte | CATV, MATV, Satelliten-IF, CCTV, Basisbandvideo |
| Gängige Steckverbinderfamilien | BNC 50 Ohm, N, SMA, TNC | F, BNC 75 Ohm, Video-Cinch |
| Krafthandhabung | Höher | Niedriger |
| Dämpfung bei vergleichbarer Geometrie | Etwas höher | Etwas niedriger |
| Abstand vom Verlustminimum bei etwa 77 Ohm | Weiter | Näher |
| Typische Kabelbeispiele | RG58, RG174, RG213, LMR400 | RG6, RG59, RG11, S5CFB |
| Veröffentlichte Impedanztoleranz | Oft etwa 2 Ohm | Oft etwa 3 Ohm |
Bei 75-Ohm-Verteilungsarbeiten ist die Abschirmstruktur in der Regel die nächste Entscheidung nach der Impedanz. Die Standardabschirmung eignet sich für kurze Teilnehmerstrecken, die Dreifachabschirmung fügt eine Folie plus Geflecht für lautere Umgebungen hinzu und die Vierfachabschirmung wird dort gewählt, wo die Eingangs- und Rückflussdämpfungsmargen eng sind.
Nicht übereinstimmende Zahlen: Rückflussdämpfung, VSWR und sichtbare Symptome
Reflexion ist vorhersehbar. Wenn Sie eine 75-Ohm-Last von einer 50-Ohm-Quelle speisen, beträgt der Reflexionskoeffizient 0,2, was einem VSWR von etwa 1,5 zu 1, einer Rückflussdämpfung von etwa 14 dB und etwa 4 Prozent der reflektierten einfallenden Leistung entspricht. Vier Prozent klingen harmlos, und bei einem kurzen Vorsprung ist das auch in der Regel der Fall. Auf einer 300-m-Hauptleitung oder in einer dichten Kanalanordnung ist dies nicht der Fall, da die reflektierte Welle spät ankommt und sich dann zum direkten Signal addiert oder davon subtrahiert.
Impedanzfehler machen sich in der Regel auf einige erkennbare Arten bemerkbar:
- Schwaches Geisterbild, Klingeln oder ein zweiter Rand bei analogem Video
- Streifenbildung, Funkeln oder zeitweise Aussetzer auf digitalen CATV- und IPTV-Kanälen
- Eine steigende Fehlerrate an der Kopfstelle, die durch keine Verstärkeranpassung behoben werden kann
- Ein VSWR-Alarm an einem Sender, der den Test an einer Dummy-Last durchführt
- Ein Link, der einmal durchläuft und fehlschlägt, wenn ein anderes Gerät der Kette beitritt
50- und 75-Ohm-Stecker derselben Familie sind nicht austauschbar, selbst wenn sie scheinbar zusammenpassen. Ein 75-Ohm-BNC hat einen dünneren Mittelstift als ein 50-Ohm-BNC. Wenn Sie den falschen Stecker verwenden, wird der Buchsenkontakt gespreizt oder es bleibt eine lockere Verbindung zurück, wodurch zusätzlich zum elektrischen ein mechanischer Fehler entsteht.
Anpassung der Impedanz an die Installation
Die meisten Impedanzfehler treten an Übergabepunkten und nicht innerhalb des Kabels auf. Legen Sie zunächst die Anforderung aus der Anwendung fest:
- Satelliten-IF und DTH: 75 Ohm vom LNB zum Receiver, mit F-Anschlüssen. Der Gleichstrom für den LNB wird über denselben Mittelleiter übertragen, daher gehören sowohl Schleifenwiderstand als auch Impedanz in die Spezifikation.
- CATV-, MATV- und IPTV-Verteilung: Durchgehend 75 Ohm. RG11 für Luftabzweigungen und lange Leitungen, RG6 für typische Teilnehmerstrecken, RG59 für kurze Patches hinter Geräten.
- Videoüberwachung: 75 Ohm über das Videopaar, einschließlich siamesischer Konstruktionen, die neben dem Koaxialkabel Gleichstrom übertragen.
- Drahtlose und HF-Verbindungen: Durchgehend 50 Ohm. RG58 für kurze Jumper, RG213 oder LMR400, wo eine längere Feederstrecke andernfalls das Linkbudget verschlingen würde.
Wenn ein System tatsächlich zwischen Domänen wechseln muss, beispielsweise ein 50-Ohm-Radio, das ein 75-Ohm-Antennensystem antreibt, verwenden Sie ein passendes Pad oder einen Transformator anstelle eines Adapters und hoffen Sie. An dieser Stelle lohnt es sich auch, die Impedanztoleranz festzulegen, da sich ein Kabel, das mehrere Ohm vom Nennwert abweicht, an jeder Verbindungsstelle entlang der Strecke wie eine kleine Abweichung verhält.
CCTV und kleine Systeme: Wo sich 75-Ohm-Fehler verstecken
Bei der Überwachungsarbeit ist die Impedanzdisziplin am härtesten auf die Probe gestellt, da Billigadapter und gemischte Kameramarken im selben Schrank aufeinander treffen. Eine Composite-CCTV-Leitung beträgt 75 Ohm vom Kameraausgang über das Koaxialkabel bis zum Rekordereingang, und ein loser BNC oder ein verstreuter 50-Ohm-Adapter wirkt sich auf ein kurzes Kabel weniger aus als auf ein langes.
Siamesische Konstruktionen wie KX6 mit Strom, RG59 mit Strom oder RG6 mit Strom platzieren ein 75-Ohm-Videopaar neben einem 18- oder 20-AWG-Strompaar. Dadurch entfällt eine separate Stromleitung, aber es ändert nichts an der Regel: Schließen Sie das Koaxialkabel an beiden Enden mit 75 Ohm ab, mit 75-Ohm-BNC- oder F-Anschlüssen und ohne 50-Ohm-Teile dazwischen.
Halten Sie den Videopfad von Ende zu Ende auf 75 Ohm: Kameraausgang, Kabel, Anschlüsse, Patchfeld und Rekordereingang. Jeder in diese Kette eingefügte 50-Ohm-Adapter fügt eine Reflexion hinzu, die der Rekorder nicht rückgängig machen kann.
Was Sie vor dem Kauf überprüfen sollten
Die Impedanz ist die am einfachsten zu überprüfende Zeile in einem Datenblatt und wird am häufigsten als vertrauenswürdig angesehen. Bitten Sie einen Lieferanten um sechs Artikel, bevor Sie einen Produktionsauftrag erteilen:
- Nennimpedanz und Toleranz. Ein 75-Ohm-Videokabel mit plus oder minus 3 Ohm ist normal; Alles, was breiter als plus oder minus 5 Ohm ist, verdient Fragen.
- Sweep- oder strukturelle Rückflussdämpfungsdaten über das gesamte Band, das Sie tatsächlich verwenden werden, nicht einen einzelnen Frequenzpunkt.
- Ausbreitungsgeschwindigkeit, typischerweise 0,66 bis 0,87, je nachdem, ob das Dielektrikum fest oder geschäumt ist, was die Zeit- und Längenberechnungen beeinflusst.
- Anschlussschnittstelle. Bestätigen Sie je nach Bedarf 75-Ohm-F oder 75-Ohm-BNC und lehnen Sie gemischte 50-Ohm-Hardware für Videosysteme ab.
- Standards und Compliance-Nachweise, wie EN 50117 für CATV-Kabel oder JIS- und MIL-Äquivalente sowie UL, ETL, CE, CPR, RoHS oder REACH, sofern das Projekt dies erfordert.
- Konsistenz entlang der Trommel. Der dielektrische Durchmesser, der die Impedanz festlegt, muss über die gesamte Länge stabil bleiben, daher ist ein Stichprobentest an beiden Enden einer Lieferung eine sinnvolle Überprüfung.
Die Impedanz verhält sich wie eine Kette: 50 oder 75 Ohm an jedem Gelenk oder eine Reflexion an jedem Gelenk. Passen Sie die Zahl an die Anwendung an, indem Sie 75 Ohm für Video, CATV, Satellit und CCTV und 50 Ohm für RF, Wireless und Testarbeiten verwenden. Stellen Sie dann sicher, dass alle Kabel, Anschlüsse, Adapter und Geräteanschlüsse übereinstimmen. Wenn ein Signalproblem alle anderen Erklärungen übersteht, messen Sie es mit einem Zeitbereichsreflektometer, bevor Sie eine andere Kamera austauschen.
