HF-Steckverbinder Dichte Koax-Stecker

Die elektrischen Verbindungsstellen in Koaxialsteckverbindern müssen vor Umwelteinflüssen – besonders Feuchtigkeit – geschützt werden, denn Wasser verändert die HF-Übertragung maßgeblich. Wie lassen sich koaxiale Steckverbinder richtig abdichten?

Besonders bei Außenanwendungen, zum Beispiel Mobilfunkmasten, sind Staub und Wasser beziehungsweise Luftfeuchtigkeit eine ständige Gefahr. Speziell Feuchtigkeit, die in ein koaxiales System eindringt, verändert die HF-Übertragung maßgeblich und führt zu Impedanzen beziehungsweise schlechten Werten der Rückflussdämpfung. Um die empfindliche und teure Elektronik zu schützen, müssen an allen Verbindungsstellen Dichtungen eingesetzt werden. Was sind aber die Anforderungen an eine korrekte Dichtungsauslegung, und wie sehen die verschiedenen Dichtungskonzepte aus?

Dichtungen sind eine Klasse von Konstruktionselementen, die weit differenziert sind und in beinahe jedem technischen Gebilde zum Einsatz kommen. Eine Dichtung soll zwei funktionsmäßig unterschiedliche Räume so trennen, dass zwischen ihnen kein Stoffaustausch stattfindet. Dichtungen können in viele verschiedene Arten eingeteilt werden. Die erste Klassifizierung unterscheidet bewegte Dichtungen (dynamische Dichtstellen) und Dichtungen in Ruhe (statische Dichtstellen). Für Koaxialstecker sind nur die statischen Dichtstellen relevant. Hier unterscheidet man weiter zwischen berührenden (O-Ringe, Profildichtung, Flachdichtung) und berührungsfreien Dichtungen (Entlüftung). Statische Dichtungen lassen sich auch in Dichtmassen sowie unlösbare, lösbare und Membranen unterteilen. Die lösbaren Dichtungen sind das, was man umgangssprachlich als Dichtung versteht. Die häufig verwendeten O-Ringe sind also statische, berührende und lösbare Dichtungen.

Die Einflüsse auf die statische, berührende Dichtfunktion in Koaxialsteckern lassen sich in Fluid- und Dichtkörpereinfluss aufteilen. Seitens des Fluids spielen Druck, Dichte, Temperatur, Viskosität und der pH-Wert eine Rolle. Die Dichtfunktion wird weiterhin durch Elastizität, Oberflächenrauheit, chemische Beständigkeit, Verschleißfestigkeit und Porosität des Dichtkörpers bestimmt.

Eine absolute Dichtheit im physikalischen Sinne gibt es jedoch nicht. Es ist also klar zu definieren, was unter »dicht« zu verstehen ist (Atome, Moleküle, Feuchtigkeit, Tropfen etc.). Diese Dichtheit bezeichnet man als technische Dichtheit. Bei koaxialen Steckverbindern ist eine technische Dichtheit auf die Ebene der Moleküle definiert, also gegenüber mehratomigen Teilchen wie zum Beispiel Wasser, nicht jedoch gegen einzelne Atome.

Unterschiedliche Dichtungsformen

Um die Dichtheit von koaxialen Steckverbindern eindeutig zu klassifizieren, ist stets ihr Schutzgrad mit angegeben. Die Kennzeichnung der Schutzgrade erfolgt nach IEC 60529. Das verwendete Bezeichnungssystem ist der IP-Code oder International Protection Code, zum Beispiel IP67. Dabei gibt die erste Ziffer den Schutzgrad gegen feste Fremdkörper an, die zweite Ziffer den Schutzgrad gegen Wasser.

Die Form einer Dichtung hängt von ihrer jeweiligen Funktion und Anwendung ab. Neben der O-Ring-Dichtung gibt es jedoch unzählige weitere Formen und Arten. Für Steckverbinder sind sogenannte Weichstoff-Profildichtungen äußerst wichtig. Diese werden extern nur vorgepresst und beziehen ihre Dichtpressung aus dem Systemdruck. Die Pressung ist also im Betrieb immer um die Vorpressung höher als der Systemdruck. Der typische Vertreter dieser Weichstoff-Profildichtungen ist der Elastomer-O-Ring. Dieser wird mit Übermaß in eine Gehäusenut eingebaut, dadurch entsteht die Voranpressung. Dichtungen wie der O-Ring werden in der Technik wegen ihrer guten Dichtwirkung und ihrer guten Austauschbarkeit häufig angewendet.

Für eine einwandfreie Funktion sind verschiedene Konstruktionsregeln zu beachten:

  • Den O-Ring ausreichend vorpressen: 10% bis 20%. 
  • Die Nutbreite sollte 130% bis 140% vom Ringdurchmesser gewählt werden. 
  • Eine gewisse Oberflächenrauheit der angrenzenden Flächen für ausreichende Dichtung. 
  • Um Montageschäden zu vermeiden, darf der Ring nicht über scharfe Kanten gezogen werden. Dazu wird in der Konstruktion eine Einbauschräge von rund 15% bis 20% realisiert. 
  • Für die Anwendung muss ein geeignetes Elastomer verwendet werden. 

Das besondere an O-Ringen ist, dass sie eine automatische Dichtwirkung besitzen. Im überdrucklosen Einbauzustand besitzt die Dichtfläche eines O-Rings einen annähernd parabelförmigen Pressungsverlauf. Durch die Überlagerung des abzudichtenden Drucks p herrscht ungefähr in der Mitte der Dichtfläche eine maximale Pressung pmax, die stets größer ist als der Druck des Fluids.

Flachdichtungen sind dünne Dichtungen, die für ebene Flächen geeignet sind und durch externe Kräfte angepresst werden. Sie kommen in vielen Bereichen zum Einsatz, hauptsächlich bei Flüssigkeit und Gas, und eignen sich sowohl für hohe als auch niedrige Temperaturen. Bei koaxialen Steckverbindern sind zum Beispiel Dichtungen, die im Dielektrikum liegen, Flachdichtungen. Die Ausführungsformen und Werkstoffe sind entsprechend vielseitig. Sie können sowohl als Weichstoffdichtung wie auch als Hartstoffdichtung verwendet werden.

Auslegen einer Dichtung

Vor der Verwendung einer Dichtung muss der Anwender eine Vorauswahl bezüglich der chemischen und thermischen Beständigkeit treffen. Der Druck des abgedichteten Fluids unterstützt die Anpressung des Dichtkörpers. In koaxialen Steckverbindern entfällt diese Unterstützung und damit eine automatische Dichtwirkung weitestgehend. Deshalb gilt besonders, dass im überdrucklosen Zustand bereits Anlegekräfte wirken müssen (Voranpressung).

Bei axialer Dichtung entsteht diese Voranpressung durch das Auseinanderziehen des O-Rings bei der Montage. Jedoch kann man auch hier zwei Fälle voneinander unterscheiden: eine Dichtung unter Eigendruck sowie eine zwangsgedrückte Dichtung. Bild 1 zeigt eine Dichtung unter Eigendruck wie sie hauptsächlich zwischen Kabelmantel und Steckverbinder verwendet wird.

Eigendruckdichtungen halten meistens weniger dicht als zwangsgedrückte Dichtungen (Bild 2). Bei dieser wird ein Dichtelement, hier links ein O-Ring, so weit komprimiert, bis die Druckschraube (gelb) auf den Konusring (blau) stößt. An dieser Stelle ist also ein mechanischer Anschlag, der das weitere Einschrauben der Druckschraube verhindert. Somit kann auch der Druck auf das Dichtelement nicht weiter steigen und dieses beschädigen. Zwangsgedrückte Dichtungen haben nur eine geringe bis keine Voranpressung, da sie erst dichten, sobald ein Gegenstück, hier die Druckschraube, auf sie wirkt.

Neben klassischen O-Ringen gibt es viele unterschiedliche Anwendungsformen, wie zum Beispiel V-Schläuche, die beim Verbinden von einem Keil gespalten werden (MIL-Dichtung).

Grundlegendes zu Koaxialkabeln 
Koaxialkabel, kurz Koaxkabel, sind zweipolige Kabel mit konzentrischem Aufbau. Sie bestehen aus einem Innenleiter (auch Seele genannt), der in konstantem Abstand von einem hohlzylindrischen Außenleiter umgeben ist. Dieser schirmt den Innenleiter vor Störstrahlung. Der Zwischenraum heißt Isolator oder Dielektrikum. Dieses kann anteilig oder vollständig aus Luft bestehen. Meist ist der Außenleiter durch einen isolierenden, korrosionsfesten und wasserdichten Mantel nach außen hin geschützt. Übliche Koaxialkabel haben einen Außendurchmesser von 2 mm bis 15 mm, Sonderformen von 1 mm bis 100 mm. Durch den Aufbau der Kabel bestimmt sich der Wellenwiderstand der Leitung und damit die frequenzabhängige Dämpfung in den Kabeln.
Koaxialkabel sind dazu geeignet, im Frequenzbereich von einigen Kilo- bis zu einigen Gigahertz hochfrequente, breitbandige Signale zu übertragen. Das können hochfrequente Rundfunksignale, Radarsignale oder einfach Messsignale in einem Prüflabor sein. Auch für Ethernet-Netzwerke wurden bis in die 90er Jahre Koaxialkabel verwendet. Für einige Anwendungen, zum Beispiel für Mikrofone, wird gelegentlich eine Gleichspannung mit übertragen, um einen Verbraucher mit elektrischer Energie zu versorgen (Fernspeisung, Tonaderspeisung).
Koaxialkabel werden zur Übertragung hochfrequenter unsymmetrischer Signale eingesetzt; der Außenleiter führt dabei üblicherweise das Referenzpotenzial, nämlich die Masse, der Innenleiter führt die Signalspannung oder bei der Fernspeisung auch die Versorgungsspannung. Zur Übertragung hochfrequenter symmetrischer Signale wird die Bandleitung eingesetzt.
Eine Sonderanwendung finden Koaxkabel bei der Erzeugung von Hochleistungsimpulsen in der Radartechnik. Dabei werden keine Signale übermittelt, sondern hier wirkt das Kabel als Hochspannungsquelle mit genau definiertem Innenwiderstand, die ihre gesamte gespeicherte Ladung nach definierter Zeit abgegeben hat.