Skineffect bij coaxkabels eenvoudig uitgelegd

Werk je weleens met coaxkabels? Dan kom je vroeg of laat het verschijnsel “skineffect” tegen. Dit fysische verschijnsel bepaalt in belangrijke mate hoeveel signaalverlies je meet in een coaxkabel en waarom de ene kabel bij hoge frequenties beter presteert dan de andere. In dit artikel leggen we uit wat het skineffect precies is, waarom het ontstaat en wat sommige fabrikanten doen om het signaalverlies te beperken.

Wat is het skineffect?

Om het skineffect te begrijpen, is het handig om eerst het verschil tussen gelijkstroom (DC) en wisselstroom (AC) op een rijtje te zetten. RF-stroom is hetzelfde als elektrische wisselstroom. Het verschil zit in de frequentie. Ook normaal 50 Hz netstroom vertoont in principe het skineffect. Echter is het bij de draden die men gebruikt in stroomkabels veel minder uitgesproken dan bij MHz- of GHz-frequenties. Bij gelijkstroom loopt de stroom steeds dezelfde kant op. Je kunt het vergelijken met water dat uit een fles stroomt. Bij wisselstroom (AC) verandert de richting van de stroom voortdurend. Dit kan je vergelijken met het schudden van een dichte fles.

Beweeg je de fles langzaam, dan heeft het water alle tijd om gelijkmatig mee te bewegen. Schud je hem snel, dan kunnen de waterlagen in het midden de beweging niet meer goed volgen en werken ze elkaar juist tegen. Iets vergelijkbaars gebeurt er in een coaxkabel. Een hoogfrequent signaal, zoals een SDI-videosignaal of een RF-draaggolf, bestaat uit razendsnelle elektrische veranderingen. Die veranderingen wekken in de middengeleider een magnetisch veld op dat op zijn beurt een tegenwerkende stroom induceert. Deze tegenwerking is sterker in het midden van de geleider dan aan het oppervlak. Het gevolg: naarmate de frequentie stijgt, verschuift de stroom steeds meer naar de buitenkant (de huid) van de geleider. En dat noemt men het skineffect.

Wat betekent dit voor de kabel?

Doordat de stroom zich concentreert aan de buitenkant, wordt het bruikbare deel van de geleider kleiner. Het binnenste gedeelte draagt bij hoge frequenties nauwelijks nog bij aan de signaaloverdracht. Een kleinere doorsnede van de geleider betekent een hogere elektrische weerstand en dus meer verlies van het signaal. Over een langere kabellengte komt daardoor minder van het oorspronkelijke signaal aan de andere kant aan. Hoe hoger de frequentie en hoe langer de kabel, hoe groter het signaalverlies doorgaans wordt. Dit geldt voor een SDI-verbinding in de studio net zo goed als voor een lange antennekabel.

Geldt dit voor 50 ohm- én 75 ohm-kabels?

Een veelgestelde vraag is of het skineffect alleen invloed heeft op 75 ohm coax (de standaard bij SDI en CATV) of ook op 50 ohm kabels die veel gebruikt worden in de RF-wereld en door radiozendamateurs. Het antwoord: beide types hebben er last van. De impedantie van een kabel wordt bepaald door de verhouding tussen de kerndiameter en het diëlektricum en staat los van het skineffect zelf. Het skineffect is puur een kwestie van frequentie en het materiaal van de geleider. Of je nu een 75 ohm SDI-kabel gebruikt in een studio of een 50 ohm LMR-400 op een zendinstallatie, de onderliggende logica van het verlies is identiek.

Hoe houden fabrikanten er rekening mee?

Omdat bij hoge frequenties vooral het oppervlak van de geleider wordt gebruikt, is juist dat stukje erg belangrijk. Dit zorgt ervoor dat sommige leveranciers andere materialen dan alleen koper gaan gebruiken in de geleider. Bijvoorbeeld 12G, 4K, en SDI-kabels van Belden. Deze 75 ohm coaxkabels hebben een verzilverde kern. Zilver geleidt beter dan koper. Echter wordt de kabel wel een stuk duurder als de complete geleider zilver is. Wat je daarom vaak ziet is dat alleen de buitenste laag van de geleider zilver is en de rest van koper. Omdat de stroom toch alleen door de buitenste microns loopt, is een volledig zilveren kern niet nodig.

Voor low-loss kabels, zoals de LMR-kabels van Times Microwave Systems, kiezen de fabrikanten vaak voor een dikkere geleider. Een dikkere geleider heeft namelijk een groter oppervlak waarover de stroom zich kan bewegen. Daarnaast zie je steeds vaker dat de meeste 75- en 50 ohm-coaxkabels een geschuimd diëlektricum hebben in plaats van massief PE. Een geschuimd diëlektricum heeft o.a. als voordeel dat de luchtbelletjes minder energie absorberen. Een hoogfrequent signaal behoudt zijn sterkte hierdoor over een langere afstand.

Natuurlijk hebben de afscherming en de kwaliteit van de overige gebruikte materialen ook invloed op het signaalverlies. Daarnaast kan je de kabel ook van invloeden van buitenaf beschermen met een folie- en/of vlechtwerkafscherming.

Kortom

Het skineffect ontstaat niet plotseling, maar neemt geleidelijk toe naarmate de frequentie stijgt. Of het nu gaat om een SDI-verbinding, een radiozendinstallatie of een RF-systeem in de industrie of defensie: datasnelheid, kabellengte, kerndiameter en oppervlaktekwaliteit moeten op elkaar aansluiten. Door een geschikte coaxkabel en de juiste connectoren te kiezen, afgestemd op de werkfrequentie, kan een signaal met zo min mogelijk verlies worden overgebracht. De vuistregel: hoe hoger de frequentie waarop je werkt, hoe belangrijker de kerndiameter en oppervlaktekwaliteit worden.

Samengevat

Het skineffect kan eigenlijk heel simpel worden uitgelegd: het is het hoogfrequente signaal van een kabel dat over de “huid” van een geleider loopt. Stijgt de frequentie? Dan verschuift het signaal steeds meer naar de oppervlakte van een geleider. Dit geldt voor 50-en 75 ohm-coaxkabels. Door een geschikte coaxkabel en connectoren te kiezen, verklein je de kans op een hoger verlies. De vuistregel: hoe hoger de frequentie waarop je werkt, hoe belangrijker de diameter en kwaliteit van de geleider worden.