Koaxiale Steckverbinder für Hochfrequenzanwendungen

Koaxiale Steckverbinder für Hochfrequenzanwendungen
Multimedia- oder Satellitensteckdose, oben links und rechts: Belling-Lee-Buchsen für Radio und Fernsehen, unten in der Mitte: F-Buchse für Daten oder Satellit.
Vordergrund: weiblicher Belling-Lee-Stecker

Koaxiale Steckverbinder dienen der lösbaren Verbindung von Koaxialkabeln.

Sie sind wie diese koaxial ausgeführt, um so die Vorteile der Koaxialkabel zu erhalten: extrem geringe elektromagnetische Beeinflussung und Abstrahlung oder gute elektrische Abschirmung.

Inhaltsverzeichnis

Kenngrößen

Insbesondere bei hohen Frequenzen müssen Koaxialstecker über den gesamten Steckeraufbau hinweg möglichst einen konstanten Leitungswellenwiderstand aufweisen. Das bedeutet, dass Innen- und Außenleiter ein bestimmtes Durchmesserverhältnis zueinander haben müssen und das Dielektrikum (Isolierstoff) auf diese Impedanz und die maximale Arbeitsfrequenz abgestimmt sein muss. Daher ist die Impedanz ZL eines koaxialen Steckverbinders eine wesentliche Kenngröße. Sie ergibt sich aus dem Durchmesserverhältnis zwischen Innenstift (d) und Hülse (D) und der Permittivität des Dielektrikums εr. Mit der Permeabilität µ0 und der Permittivität ε0, sowie der bekannten (Vakuum-)Lichtgeschwindigkeit c0

\mu_0 = 4 \pi \cdot 10^{-7} \frac{H}{m}
\varepsilon_0 = \frac{1}{\mu_0\cdot c_0^{2}}
c_0=299\,792\,458\,\frac{\rm m}{\rm s} = 2{,}997\,924\,58\cdot 10^8\,\frac{\rm m}{\rm s}

lässt sich der Leitungswellenwiderstand aus der Leitungsgeometrie berechnen.

Querschnitt einer Luftleitung
Z_L = \frac{Z_{\rm 0}}{2\pi\sqrt{\varepsilon_{\rm r}}}\cdot \ln \left( \frac{D}{d}\right)

mit

Z_{\rm 0} = \sqrt \frac{\mu_0}{\varepsilon_0} = \mu_0 \cdot c_0 = 4 \cdot \pi \cdot 10^{-7} \cdot 2{,}997\,924\,58\cdot 10^8~\Omega = 376{,}730\,313\,5...~\Omega

Aus der obigen Gleichung lässt sich ableiten, dass der Innenstift von 75-Ohm-Steckern bei gleichem Isolierstoff dünner sein muss als bei 50-Ohm-Steckern gleicher Baugröße. Bei Frequenzen bis in den MHz-Bereich kann man bestimmte Abweichungen der Impedanz in Kauf nehmen, ohne dass es zu nennenswerten Verlusten oder Reflexionen an den dadurch entstehenden sogenannten Stoßstellen kommt.

Weitere Kenngrößen sind die maximal übertragbare Frequenz, die bei einer bestimmten Frequenz maximal übertragbare Hochfrequenzleistung und die Einfügedämpfung sowie der Reflexionsfaktor.

Es werden viele verschiedene koaxiale Steckverbinder für Hochfrequenzanwendungen gefertigt, bestimmte Bauformen haben sich jedoch für verschiedene Anwendungen durchgesetzt.

Bauformen und Verwendung

BNC-Steckverbinder

T-Stücke und Abschlusswiderstände in BNC-Technik

Die wohl verbreitetste Koaxialstecker-Bauform ist der BNC-Steckverbinder (Bayonet Neill Concelman), benannt nach den Entwicklern Paul Neill (Bell Labs) und Carl Concelman (Amphenol). Sie wurden Ende der 1940er Jahre als verkleinerte Version der C-Steckverbinder entworfen, basierend auf einem Patent von Octavio Salati.

Die Deutung der Abkürzung ist umstritten, häufig werden auch Bayonet Navy Connector, British Naval Connector, Bayonet Nut Connector, Bayonet Naur Connector oder Bayonet Norm Connector genannt.

BNC-Steckverbinder sind koaxiale Steckverbinder mit einem Bajonettverschluss für Hochfrequenzen bis etwa 1 GHz, teilweise bis 4 GHz, mit einem definierten Wellenwiderstand von entweder 50 oder 75 Ω. Die 50- und die 75-Ohm-Typen sind untereinander steckbar. Sie werden hauptsächlich in der Funk- und Videotechnik eingesetzt. Heimvideorekorder aus japanischer und US-amerikanischer Produktion waren ab Ende der 1970er Jahre üblicherweise mit BNC-Steckverbindern ausgestattet. Nachdem sich in Europa in den 1980er Jahren die SCART-Steckverbindung durchsetzte, wurden an Heimvideorekordern nur noch SCART- und Cinch -Verbindungen eingebaut und der Einsatz von BNC-Steckern an diesen Geräten ging stark zurück.

Als Sonderform wurden auch BNC-Steckverbinder mit einem Wellenwiderstand von 93 Ω für bestimmte Netzwerkanwendungen produziert.

Die BNC-Technik hat sich auch zur Übertragung von schwachen Gleichströmen, niederfrequenten Wechselströmen und Impulsen im Laborbetrieb durchgesetzt, weil der Außenleiter elektrische Störungen abschirmt. Der koaxiale Aufbau bietet so Schutz gegen externe elektrische Felder. Aus diesem Grund sind auch die Anschlüsse an Messgeräten wie Oszilloskop, Frequenzzähler und Funktionsgenerator in der Regel in BNC-Technik ausgeführt.

Der Einsatz von BNC in 10BASE2-Rechnernetzwerken ist stark zurückgegangen, seitdem dort Twisted-Pair-Technik die Koaxialkabel verdrängt hat.

Speziell für Messplätze wurden in der DDR BNC-Steckerversionen entwickelt, die statt des Bajonetts einen Kragen aus federnden Kontaktzungen hatten, der aber auf normale BNC-Buchsen aufgeschoben werden konnte. Das erlaubte sehr zügige Messarbeiten, da die Stecker schnell umgesteckt werden konnten. Ein ähnliches Konzept beschreitet die Liechtensteiner Firma Neutrik mit ihren Push-Pull-BNC-Steckverbindern, die zusätzlich ein Lösen der Verbindung durch ziehen am Kabel verhindern. Um diese zu lösen, muss der Stecker zwingend an seinem Kunststoffgehäuse von der BNC-Buchse gezogen werden,

Da die Bajonettverbindung nicht zum Wellenwiderstand des Systems beitragen sollte, weil die Kontaktgabe des Außenkontaktes an einer Hülse geschieht, die unter dem Bajonett liegt, wurden in der DDR ebenfalls BNC-Steckervarianten mit einer Bajonettverriegelung aus Kunststoff hergestellt. Das erlaubte eine teures Metall sparende Konstruktion und die Möglichkeit, durch farbige Kunststoffe die Stecker zu kennzeichnen.

Schraubbares BNC-Kupplungsgehäuse

Unter dem Namen Circuit box, BNC-Box oder Shielded Box werden schraubbare Kleingehäuse mit BNC-Anschlüssen vertrieben. Im Gegensatz zu einem Weißblechgehäuse, das verlötet werden muss, lässt sich dieses bei gleichen hochfrequenztechnischen Eigenschaften mühelos öffnen und schließen.

TNC-Steckverbinder

TNC-T-Stück und -Kupplung (weiblich)

TNC-Steckverbinder (englisch Threaded Neill Concelman) sind koaxiale Steckverbinder für Hochfrequenz bis etwa 11 GHz mit einem definierten Wellenwiderstand von 50 Ω. Sie gleichen im Wesentlichen BNC-Steckverbindern, werden jedoch durch ein Gewinde (engl.: Thread) statt durch ein Bajonett miteinander verbunden. TNC-Stecker sind wie der N-Stecker bis ca. 18 GHz ausgelegt.

Die Entwickler Paul Neill und Carl Concelman schufen diese Norm in den späten 1950er Jahren als Alternative zu BNC-Steckverbindern, deren elektrische Eigenschaften in Umgebungen mit starker Vibration, beispielsweise Fahrzeugen, durch den verhältnismäßig losen Bajonettverschluss zu wünschen übrig ließen.

Die Deutung der Abkürzung ist auch nicht unumstritten, TNC steht evtl. auch für Thread Navy Connector.

Der RP-TNC (englisch reverse polarity threaded Neill Concelman) ist eine Sonderform des TNC-Steckverbinders. Äußerlich sind beide Steckverbinder gleich, nur die Innenteile sind vertauscht – RP-TNC-Stecker haben einen buchsenförmigen (weiblichen), die Buchsen einen steckerförmigen (männlichen) Zentralkontakt.

Belling Lee („Antennenstecker“) IEC-Stecker

Belling-Lee-Steckverbinder (IEC 60169-2) wurden um 1922 von dem englischen Radiohersteller Belling-Lee Ltd. entwickelt und waren ursprünglich nur für Mittelwelle gedacht. Obwohl sie im Gegensatz zu moderneren Koaxsteckern nicht an die 75-Ohm-Impedanz des Antennenkabels angepasst sind, sind Belling-Lee-Verbinder auch heute noch an jedem Fernsehgerät und vielen Radios in Europa zum Anschluss von VHF- (UKW-) und UHF-Antennen sowie Kabelnetzen zu finden.

C-Steckverbinder

C-Steckverbinder besitzen einen zweinockigen Bajonettverschluss und sind für Frequenzen bis 11 GHz geeignet. Sie sind für große übertragbare Leistungen geeignet (400 Watt bei 1 GHz). Es gibt auch Ausführungen für Hochspannung (5 kV).[1]

F-Steckverbinder

F-Steckverbinder

F-Steckverbinder (IEC 60169-24) sind koaxiale Steckverbinder mit Schraubverriegelung für Hochfrequenz bis etwa 5 GHz mit einem definierten Wellenwiderstand von 75 Ω.

Sie sind die in Nordamerika üblichen Fernsehantennenstecker und sind die weltweit am meisten verwendeten Steckverbinder im Bereich des Satellitenfernsehens. Die F-Stecker sind für den Kabeldurchmesser äußerlich durch Ringe in der Riffelung codiert.

  • 3 Ringe: 4,0 mm
  • 2 Ringe: 5,0 mm – 5,2 mm
  • 1 Ring: 5,8 mm – 6,1 mm
  • 0 Ringe: 7,0 mm – 8,2 mm

Der abgebildete Stecker ist zur Selbstmontage gedacht. Durch ein Innengewinde in der Hülse lässt er sich auf das Kabel aufschrauben. Zur Kontaktierung des Schirmes wird dieser vorher nach außen umgeschlagen. Dabei dient der massive Leiter des Kabels als zentraler Kontaktpin. Deshalb können diese Stecker auch nur mit bestimmten Kabeltypen verwendet werden.

Diese Stecker gibt es auch in einer wetterfesten Ausführung. In diesen ist ein O-Ring als Dichtung eingelegt, der den Innenleiter des Kabels vor Feuchtigkeit schützt.

Neben den vorgenannten F-Steckern zum Aufdrehen werden auch Crimp- oder auch Kompressionsstecker angeboten. In ihrem Inneren befindet sich ein dünnes Metallröhrchen, das sich beim Hineinschieben des Kabels zwischen die Isolierung und den Schirm schiebt. Durch Zusammendrücken mit einer entsprechenden Crimpzange oder Kompressionszange wird ein Spalt zwischen der äußeren Hülse und dem Röhrchen geschlossen, so dass das Kabel sicher im Stecker fixiert wird.

SMBA-(FAKRA)-Steckverbinder

SMBA-(FAKRA)-Steckverbinder (von Fachkreis Automobil) DIN 72594-1 und USCAR-18 wurden im Jahr 2000 von der Firma Rosenberger Hochfrequenztechnik speziell für die Verwendung im Automobilbereich entwickelt. Der Einsatzbereich erstreckt sich von einfachen Antennensignalen (UKW mit oder ohne Fernspeisung, Fernsehsignalen) über Hochfrequenz-Signale für Keyless-entry-Systeme und Mobilfunk bis hin zu GPS und Telematik.

Das Besondere ist die sowohl farbliche als auch mechanische Kodierung der verschiedenen Varianten. Ferner lassen sich die Steckverbinder auch paarweise oder in Mehrfachkombinationen verarbeiten. Außerdem wurde Wert auf die speziellen Anforderungen im Automobilbereich gelegt (Temperaturbedingungen, Vibrationen).

Die Steckverbinder sind durchweg mit 50 Ω Wellenwiderstand erhältlich und bis 6 GHz spezifiziert.

K-Steckverbinder

K-Stecker oder 2,92-mm-Stecker sind eine Weiterentwicklung der SMA-Stecker. Statt Teflon wird als Dielektrikum Luft verwendet, was die Verwendung bis ca. 40 GHz gestattet.

Steckverbinder der Typen MCX, MMCX und SSMCX

MCX-Stecker einer GPS-Antenne

MCX-Steckverbinder (Miniature CoaX), sind kleine (3,5 mm Durchmesser) koaxiale Steckverbinder, die 1990 entwickelt wurden und in 50 Ω und 75 Ω erhältlich sind. Sie sind für Frequenzen bis 6 GHz ausgelegt. Ähnlich SMB verwenden sie eine Schnappverbindung und sind daher sehr einfach zu handhaben.

MMCX-Steckverbinder (Micro Miniature CoaX), sind sehr kleine (3 mm Durchmesser) koaxiale Steckverbinder nach DIN EN 122340. Sie sind bei PCMCIA-Karten weit verbreitet. Sie sind bis 6 GHz spezifiziert und für 50 Ω erhältlich.

SSMCX-Steckverbinder (Super Small MCX), sind ca. 30 % kleiner als MMCX. Sie sind für Frequenzen bis 10 GHz spezifiziert.

UHF- bzw. PL-Steckverbinder

UHF-Norm-Stecker.

UHF-Steckverbinder, umgangssprachlich auch PL-Stecker genannt, findet man überwiegend in weniger anspruchsvollen Anwendungen im Kurzwellenbereich, beispielsweise bei Amateurfunkgeräten oder CB-Funk. Auch im Bereich des 4-m-BOS-Funks ist es (noch) der Standardanschluss, ebenso bei vielen älteren Betriebsfunkgeräten.

Der Stecker entwickelte sich als geschirmte Variante des 4-mm-Laborsteckers („Bananenstecker“). Darum wird er auch oft scherzhaft „Bananenstecker mit Überwurfmutter“ genannt. Minderwertige Varianten halten oft den Wellenwiderstand von 50 Ω nicht ein. Ansonsten ist der PL-Stecker (korrekte Bezeichnung PL259) eine einfache, robuste Steckerkonstruktion, die sich gut handhaben lässt.

N-Steckverbinder

N-Stecker (männlich)

N-Steckverbinder, benannt nach ihrem Entwickler Paul Neill, sind koaxiale Steckverbinder mit Schraubverriegelung für Hochfrequenz bis etwa 11 GHz mit einem definierten Wellenwiderstand von 50 Ω, seltener 75 Ω.

Paul Neill entwickelte diese Norm 1942 in den Bell Labs, da die bis dahin verwendeten UHF-Steckverbinder ungeeignet für höhere Frequenzen waren. Die ursprüngliche Spezifikation wurde im Lauf der Zeit mehrfach verbessert, seit 1972 gibt es auch eine bis 18 GHz spezifizierte Präzisionsausführung.

N-Steckverbinder gehören heute zu den am meisten verwendeten Steckverbindern in der professionellen Hochfrequenztechnik.

DIN 7/16-Steckverbinder

DIN 7/16-Steckverbinder wurden ursprünglich von der Firma Spinner entwickelt und sind benannt nach ihren metrischen Maßen von Innenleiter-Durchmesser (7 mm) und Dielektrikum-Durchmesser (16 mm). Sie erlauben höhere Übertragungsleistungen (bis 1800 Watt bei 1 GHz) als N-Steckverbinder.

Diese Steckverbinderform ist der Standard bei Mobilfunk-Basisstationen.

SMA-Steckverbinder

RP-SMA-Stecker (links) und SMA-Stecker (rechts)

SMA-Steckverbinder werden vornehmlich für Anwendungen in Frequenzbereichen von 1 GHz bis 18/26,5 GHz (je nach Ausführung) eingesetzt.

SMA steht für Sub-Miniature-A. Als Stecker werden die Ausführungen mit Überwurfmutter und als Buchsen diejenigen mit Außengewinde bezeichnet und zwar unabhängig von der Ausgestaltung des Innenleiters als Metallstift oder als Metallröhre (siehe unten). Die Paare, die man miteinander verschrauben kann, sind SMA-Stecker und SMA-Buchse.

Im Vergleich zu anderen Hochfrequenz-Steckverbindern sind SMA-Stecker recht klein, aufgrund der Schraubverriegelung dennoch mechanisch sehr robust. Der Wellenwiderstand liegt üblicherweise bei 50 Ω.

Moderne SMA-Stecker sind bis 27 GHz und darüber hinaus spezifiziert, sie werden dann als „Super SMA“ bezeichnet.

3,5-mm-Stecker sind mechanisch kompatibel zu den SMA-Steckern, jedoch wird kein Dielektrikum (Teflon, Ultem, ...) verwendet, wie bei den 2,92-mm-, 2,40-mm-, 1,85-mm- und 1,0-mm-Steckern. Die 3,5-mm-Stecker sind bis 33 GHz einsetzbar und werden gerne bei Adaptern, z. B. 2,40 mm auf 3,5 mm statt 2,40 mm auf SMA verwendet.

SSMA steht für Small SMA, wurde vornehmlich für den Weltraumeinsatz konzipiert und erlaubt eine Verwendung bis 40 GHz.

RP-SMA-Steckverbinder

RP-SMA-Stecker mit Innenleiter als Metallröhrchen

Nicht zu verwechseln ist der SMA-Steckverbinder mit seiner proprietären Variante, dem sogenannten Reverse-Polarity-SMA-Steckverbinder resp. RP-SMA, oft auch als Reverse-SMA (R-SMA) bezeichnet (Reverse-Polarity bedeutet umgekehrte Polarität). Die Ausführungen sind äußerlich gleich, d. h. es gibt Stecker (mit Überwurfmutter) und Buchsen (mit Außengewinde). Die Ausführung des Innenleiters ist in den Steckverbindern jedoch umgedreht (revers polarisiert) ausgeführt im Vergleich zu den "normalen" SMA-Steckverbindern: Der RP-SMA-Stecker (Überwurfmutter) hat eine (weibliche) innere Metallröhre, der Standard-SMA-Stecker (Überwurfmutter) jedoch einen (männlichen) inneren Metallstift. Reverse-SMA wird oft für Antennenanschlüsse an WLAN-Geräten benutzt. Die Idee dahinter war, den (unerlaubten) Anschluss von externen Antennen zur Reichweitenerhöhung zu erschweren, da seinerzeit keine passenden Stecker erhältlich waren. Der Markt reagierte aber schnell und mittlerweile sind Stecker und Adapter in allen Varianten erhältlich.

Für Lichtleitkabel gibt es eine abgeleitete Form mit der Bezeichnung FSMA-Steckverbinder.

Steckverbinder der Typen SMB, SMS, SMC und SMP

SMB-Konnektor an 5-mm-Koaxialkabel gecrimpt

SMB steht für Sub-Miniature-B. SMB-Steckverbinder werden für Frequenzen bis 4 GHz eingesetzt. Im Gegensatz zu SMC-Steckverbindern werden sie nur gesteckt und nicht geschraubt. Sie werden hauptsächlich für geräteinterne Verbindungen verwendet.

SSMB kommt bei vielen UMTS-Karten vor,[2] steht für small SMB oder Nano-SMB oder SMB nano.[3][4]

SMS steht vermutlich für Sub-Miniature-Sliding. Bei manchen Herstellern heißt diese Steckernorm auch SMG.

SMS-Steckverbinder werden im Frequenzbereich bis hin zu 4 GHz eingesetzt. Im Gegensatz zu SMB-Steckverbindern haben die SMS-Verbinder keine Schnappverriegelung. Sie werden deshalb hauptsächlich an Einschub-Baugruppen angewendet, da sie relativ geringe Steckkräfte aufweisen. Von den Dimensionen der Koaxial-Schnittstellen sind sie wie die SMB- und SMC-Steckverbinder aufgebaut, z. B. Durchmesser des Innenleiter-Steckerstiftes 0,48 mm … 0,53 mm, Außendurchmesser des Steckers 3,66 mm … 3,71 mm. SMS- und SMB-Verbinder sind untereinander steckbar.

SMC-T-Stück (männlich) und Kupplung (weiblich)

SMC-Steckverbinder sind dem SMA-Verbinder ähnlich, aber die Schlüsselweite der Schraubverriegelung ist kleiner (Verschraubung hat Schlüsselweite 6,35 statt 8 mm beim SMA-Stecker). Die elektrischen Daten und Abmessungen der Steckschnittstelle wie beim SMB- und SMS-Steckverbinder.

SMP-Steckverbinder sind die „Norm“ für Hochfrequenz-Steckverbinder für einen Frequenzbereich DC bis 40 GHz.
Die Verbindung wird gesteckt. Die Verbinder sind mechanisch sehr kompakt (Stecker-Schnittstelle: Innenleiterstift nominal 0,38 mm Durchmesser, Außendurchmesser an der Schnittstelle etwa 3,2 mm).

Die Stecker gibt es in drei Versionen mit unterschiedlichen Steckkräften: Schnappversionen „full detent“ und „limited detent“ und Gleitversion „smooth bore“. Die Gleitvariante ist ähnlich wie SMS-Steckverbinder für Einschubmodule oder aufeinander gesteckte Leiterplatten vorgesehen. Üblicherweise haben dabei die zu verbindenden Module nur Stecker (male) und werden durch in darin eingesteckte Buchse-Buchse-Adapterstücke (female-female) erst untereinander kuppelbar. Die Besonderheit ist, dass durch diese Konstruktion aus drei Teilen nicht nur ein axialer, sondern insbesondere ein kleiner radialer Toleranzausgleich ermöglicht wird, was bei vielpoligen Verbindungen unbedingt erforderlich ist.

WICLIC-Steckverbinder

WICLIC-Dose und -Stecker

WICLIC-Steckverbinder stammen von der Firma Wilhelm Sihn Jr. GmbH & Co. KG.[5] Die Stecker werden unter anderem in Automobil-Telefoninstallationen (Antennenanschlüsse) sowie für den Anschluss von Internet-Kabelmodems verwendet, wobei dort der Anschluss oft Breitband- oder Multimedia-Dose genannt wird.

QN, QLF und QMA

QN-Steckverbinder wurden von den Firmen Radiall und Huber+Suhner entwickelt. Sie basieren auf den Steckern der N-Serie, werden aber nur gesteckt statt geschraubt. Im gesteckten Zustand sind sie um 360° drehbar. Der Stecker ist bis 11 GHz geeignet und entspricht dem QLF-(C)-Standard (Quick Lock Formula). Sie werden unter anderem in Mobilfunk-Basisstationen (wie Nortel S18000) verwendet, weil sie wesentlich schneller montiert werden können.

QMA-Steckverbinder sind die kleinere Variante des QN-Steckverbinders. Sie basieren auf der SMA-Schnittstelle und sind bis 18 GHz verwendbar.

V-Steckverbinder

V-Stecker oder auch 1,85-mm-Stecker sind für Frequenzen bis ca. 67 GHz ausgelegt.

2,40-mm-Stecker sind mechanisch kompatibel zu den V-Steckern. Sie sind eine Weiterentwicklung der 2,92-mm- bzw. K-Stecker und für Frequenzen bis ca. 50 GHz ausgelegt.

Übersicht

Der Aufbau des gewählten Steckverbinders, insbesondere Qualität und Durchmesser des Koaxialrohres, bestimmt den nutzbaren Betriebsfrequenzbereich (Grenzfrequenz) für die Anwendung.

Durchmesser Bezeichnung Grenzfrequenz
7 mm APC7, N 18 GHz
3,5 mm (SMA) 34 GHz
2,92 mm K 40 GHz
2,4 mm 50 GHz
1,85 mm V 67 GHz
1,0 mm W 110 GHz

Weblinks

Einzelnachweise

  1. Technisches Datenblatt.
  2. SIERRA Wireless- und Huawei-Karten: Aircard 850, 860, 870, 875, 775, 555D; Aircard 580, 595.
  3. SSMB (pdf, dt. + engl.).
  4. SSMB-Nano.
  5. Wisi.

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