BNC-Steckverbindung
BNC-Steckverbindung BNC-Steckverbindung – identisches Steckerprofil für unterschiedliche Wellenwiderstände Die BNC- Steckverbindung findet Anwendung sowohl in 50-Ohm- als auch 75-Ohm-Systemen. Der Beitrag beschreibt die relevanten Unterschiede, die zwischen den Systemvarianten bestehen und zeigt die Auswirkungen auf, wenn, ob bewusst oder unbewusst, die Systeme untereinander gemischt eingesetzt werden. Autor: Joachim Müller Bild 1 Der Unterschied zwischen 50-Ohm- und 75-Ohm-Komponenten Die BNC-Steckverbindung dürfte wohl mit zu den am Weitesten verbreiteten HF-Steckverbindungen zählen. Der Einsatzbereich ist weit gestreut, viele Messgeräte sind damit bestückt, man denke nur an die zahllosen Oszilloskope und Generatoren. Das Konzept besticht durch seine einfache Handhabung, die Bajonettverriegelung ermöglicht schnelles Herstellen und Lösen einer Verbindung. In diesem Punkt ist sie der N-Norm oder SMA-Norm weit überlegen. Kritiker bezeichnen das BNC-System oft als „Wackelverbindung“, was bei entsprechenden Anforderungen nicht ganz zurückzuweisen ist. Statt der Bajonettverriegelung existiert zusätzlich eine Variante mit einer Schraubverriegelung, wie sie z.B. beim N-System üblich ist. Diese Variante findet man als TNC-System in den Katalogen. Eine interessante Eigenschaft des BNC-System ist, dass es gleichermaßen für 50 Ohm und 75 Ohm verwendet wird, wobei die mechanische Konstruktion es erlaubt, beide Varianten problemlos miteinander zu verbinden, ohne dass das zur Zerstörung führt, was beim N-System bekanntlich nicht der Fall ist. Eine weitere Variante (93 Ohm) ist bzw. war in der Datenverarbeitung für die Verbindung von Terminals zum Großrechner verbreitet. Diese hat allerdings durch die aktuell übliche Netzwerktechnik (Twisted-Pair) an Bedeutung verloren. Das Dielektrikum Es ist nicht unbedingt sinnvoll zwei unterschiedliche Systemimpedanzen direkt miteinander zu verbinden, das BNC-System bietet diese Möglichkeit, ob beabsichtigt oder unbeabsichtigt. In einem vorangegangenen Artikel (HF-Praxis 2014, Heft 3 und 4) habe ich dieses Szenario detailliert beschrieben. Worin unterscheiden sich nun konstruktiv BNC-Stecker bzw. Buchse in 50 Ohm und 75 Ohm Systemimpedanz? Ihre Maße sind identisch, denn sonst wäre ein gegenseitiges Zusammenstecken mit uneingeschränkter Kontaktierungsfunktion nicht möglich. Bild 1 zeigt den Unterschied des „Steckgesichts“. In der 50 Ohm Variante der BNC- Buchse liegt der Mittelkontakt eingebettet in einer Umhüllung aus weißem Kunststoff, meist Teflon, beim Stecker trägt der Außenkontakt konzentrisch einen weißen Teflonring, der einen bestimmten Anteil der Innenseite ausfüllt. In der 75-Ohm-Variante fehlen diese Teflonummantelungen. Die Impedanzen 50 Ohm und 75 Ohm sind geprägt durch das im „Kontaktbereich“ vorhandene Dielektrikum, bestehend aus Luft oder Teflon. Das lässt sich auch vereinfacht berechnen, im rechten Teil von Bild 1 sind Rechenweg und Werte aufgezeigt. Beim blau skizzierten Stecker befindet sich im Zwischenraum Luft (grau), was einer Dielektrizitätskonstante von ε = 1 entspricht. Im grün gezeichneten Stecker (50 Ohm) ist der Zwischenraum durch die beidseitigen Tefloneinlagen (gelb, ε = 2) ausgefüllt, und zwar nur dann durchgängig, wenn Stecker und Buchse zusammengesteckt sind. Die Farbgebungen, 50 Ohm „grün“ und 75 Ohm „blau“ wiederholen sich in den nun folgenden Bildern des Artikels. Zeitweise trifft man auf die Aussage, dass die Unterscheidung im Durchmesser des Mittelleiters liegt, was nicht korrekt ist, der Durchmesser des Mittelkontakts und die metallische Außenkontaktierung beider Systeme weisen gleiche Maße auf. Um annähernd eine Impedanz von 75 Ohm unter einem mit Teflon „gefüllten“ Kontaktbereich zu erreichen, müsste der Innenleiterdurchmesser auf 1.2 mm verjüngt werden. Das lässt sich leicht anhand der Formel 20 hf-praxis 7/2014
BNC-Steckverbindung Bild 2 Der „gemeinsame Nenner“ zwischen den Systemen in Bild 1 nachrechnen, was zur Erkenntnis führt: Die Ausmaße des Mittelleiters müssten in etwa auf die Größe der SMA- Norm reduziert werden, womit die mechanische Kompatibilität zwischen BNC-50 und BNC-75 nicht mehr gegeben wäre. Die Impedanz des Kontaktbereichs wird also durch die geschickte Wahl des Dielektrikums beeinflusst. Zu beachten ist, dass der Mittelkontakt mit sicherem Halt im Buchsengehäuse befestigt sein muss, es ist leicht nachzuvollziehen, dass bei der 75 Ohm Variante die ε-Werte zum Dielektrikum Luft aufgrund einer stabilen Befestigung nicht umfassend realisiert werden können. Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal ergibt sich durch das verwendete Kabel, das zum Stecker oder der Buchse führt. Der 50-Ohm Stecker, z.B. für das Kabel RG58, besitzt eine dünnere Kabelzuführung als der 75-Ohm Stecker für RG59. Auch die Bohrungen in den Mittelkontakten sind auf den Mittelleiter des jeweiligen Koaxkabels abgestimmt. Besonders ausgeprägt sind diese Merkmale bei Steckern in Crimp-Technik. Hier sind konstruktionsbedingt nur Bruchteile von Millimetern als Toleranz für Crimphülse und Mittelkontakt möglich. Stecker in Löttechnik sind hier etwas „universeller“ ausgeführt. Dort besteht durchaus die Möglichkeit, den Stecker mit der „falschen Impedanz“ an das Kabel anzubringen. Zusammenhang zwischen Impedanz und Rückflussdämpfung Die durch Verwendung unterschiedlicher Dielektrika sich einstellende Impedanz der verschiedenen BNC-Varianten können mit einem TDR (Time Domain Reflektometer) nachgemessen werden, was nun nachfolgend aufgezeigt wird. Zunächst noch zwei aus Sicht des Artikelthemas relevante Eckdaten des BNC- Systems: * Rückflussdämpfung > 20 dB * Frequenzbereich 0 – 4 GHz Blättert man in den Katalogen und Datenblättern div. Hersteller, so platziert sich die Masse der Standardausführungen im Schwerpunkt um diese beiden Werte. Besonders ausgesuchte (Präzisions)Produkte tendieren zu besseren Werten. Vorrangig interessant ist hier die Rückflussdämpfung, weil sie doch in direktem Zusammenhang mit der vorgefundenen Impedanz steht. Welche Impedanz verbirgt sich nun jeweils bei den beiden System (50 Ohm und 75 Ohm) hinter einer Rückflussdämpfung von 20 dB? Berechnet man die jeweiligen Werte, so wird man auf eine interessante Konstellation stoßen, eine Art gemeinsamen Nenner. In Bild 2 ist dieser Zusammenhang grafisch dargestellt. Auf der X-Achse ist der variable Widerstandswert aufgetragen, der auf eine fest definierte Systemimpedanz (50 bzw. 75 Ohm) gemäß der untenstehenden Formel bezogen wird. Auf der rechten Diagrammseite befindet sich eine Skalierung des Reflexionsfaktors und ergänzend für den, der bevorzugt mit dem VSWR arbeitet, des Stehwellenverhältnisses (s). Die angegebene Formel führt zum Betrag des Reflexionsfaktors, der sich dann leicht zur Rückflussdämpfung umrechnen lässt (linke Skalierung). Diese Berechnung verläuft unter der Verwendung des Leistungsreflexionsfaktors (r²) reibungsloser ab, als mit dem Spannungsreflexionsfaktor, der ab bestimmten Widerstandswerten auch mit negativem Vorzeichen auftreten wird. Die benötigten Formeln sind ebenfalls in Bild 2 dargestellt. Die Berechnungen wurden für beide Nenn-Systemimpedanzen (rote gestrichelte Linie) durchgeführt und als Kurven (grün und blau) in das Diagramm gelegt. Die Kurven (grün und blau) bilden einen gemeinsamen Schnittpunkt bei 20 dB Rückflussdämpfung, im Diagramm mit Kreis (orange) markiert. Auf der Widerstandsachse liegt dieser Punkt bei 61 Ohm, d.h., dass dieser Widerstandswert, gleichwohl aus Sicht des 50-Ohm-Systems als auch dem 75-Ohm-System, eine identische Rückflussdämpfung verursacht (Betrag der Rückflussdämpfung |r|). In Bild 3 wurde der Sachverhalt in anderer Form anhand von Skalen gegenübergestellt. Der 75-Ohm-Systemwiderstand darf bis auf 61 Ohm fallen, während der Widerstand im 50-Ohm- System bis auf 61 Ohm steigen darf, um an die Grenze zu einer Rückflussdämpfung von 20 dB anzustoßen. Der jeweilige Verlauf des Widerstandwertes und dessen Einfluss auf die Höhe der Reflexion wurde durch die wachsende Farbintensität ange- hf-praxis 7/2014 21
