コイルをロード

（左） 1922年、ニューヨークからシカゴを結ぶAT&Tの長距離電話幹線に使用された、トロイダル型0.175H負荷コイル。ケーブル内の108対のツイストペアそれぞれにコイルが必要だった。コイルは電話柱上の油入り鋼製タンク（右）に収められていた。ケーブルには6,000フィート（1,800 メートル）ごとに負荷コイルが必要だった。

ローディングコイルの一般的な用途の一つは、電話ケーブル内のツイストペアケーブルの音声周波数振幅応答特性を改善することです。ツイストペアケーブルは平衡型であるため、平衡を保つために、各ペアの片側にローディングコイルの半分を挿入する必要があります。これらの巻線は両方とも同じコア上に形成されるのが一般的です。これにより磁束鎖交が増加し、磁束鎖交がなければコイルの巻数を増やす必要が生じます。共通のコアを使用しているにもかかわらず、このようなローディングコイルは他の回路との結合を提供しないため、変圧器には該当しません。

一対のワイヤと直列に周期的に挿入された負荷コイルは、コイルのインダクタンス（およびワイヤの分布インダクタンス）とワイヤ間の分布容量によって形成されるローパスフィルタのカットオフ周波数までの高周波数帯域における減衰を低減します。カットオフ周波数を超えると、減衰は急速に増加します。コイル間の距離が短いほど、カットオフ周波数は高くなります。このカットオフ効果は、集中定数インダクタを使用した場合に生じるものです。連続分布インダクタンスを用いた負荷方式では、カットオフは発生しません。

負荷コイルがない場合、ラインの応答はラインの抵抗と容量によって支配され、減衰は周波数とともに緩やかに増加します。適切なインダクタンスの負荷コイルを使用すると、容量もインダクタンスも支配的ではなくなり、応答は平坦になり、波形は歪みがなく、特性インピーダンスはカットオフ周波数まで抵抗性になります。オーディオ周波数フィルタが偶然形成されることも、ノイズが低減されるという利点があります。

もう一つのタイプのローディングコイルは、無線アンテナで使用されます。モノポールアンテナとダイポールアンテナは、電波の共振器として機能するように設計されています。送信機からの電力は、アンテナの伝送線路を通してアンテナに供給され、アンテナ素子に電圧と電流の定常波を発生させます。「自然」共振するには、アンテナの物理的な長さは、使用される電波の波長の4分の1 （またはその倍数、通常は奇数倍が好ましい）である必要があります。共振時、アンテナは電気的に純粋な抵抗として動作し、送信機から供給される電力をすべて吸収します。

多くの場合、実際的な理由から、アンテナを共振長よりも短くする必要があり、これを電気的に短いアンテナと呼びます。 1/4波長よりも短いアンテナは、伝送線路に対して容量性リアクタンスを示します。 ^{[ 1 ]}印加された電力の一部は伝送線路に反射され、送信機に向かって戻ります。 同じ周波数で逆方向に流れる 2 つの電流は、伝送線路上に定在波を引き起こし、定在波比(SWR) が 1 より大きい値として測定されます。 高い電流はワイヤを加熱してエネルギーを浪費し、送信機を過熱させる可能性さえあります。

電気的に短いアンテナを共振させるには、アンテナと直列に負荷コイルを挿入します。このコイルは、短いアンテナの容量性リアクタンスと等しく逆向きの誘導性リアクタンスを持つように設計されているため、リアクタンスの組み合わせが相殺されます。このように負荷をかけると、アンテナは伝送線路に対して純粋な抵抗となり、エネルギーの反射を防ぎます。負荷コイルは、アンテナの基部、つまりアンテナと伝送線路の間に配置されることが多いですが（基部負荷）、より効率的な放射のために、アンテナ素子の中央付近に挿入される場合もあります（中心負荷）。

強力な送信機用の負荷コイルは、特に低周波数帯では設計上の要件が厳しくなることがあります。短いアンテナの放射抵抗は非常に低く、LF帯やVLF帯では数オーム程度になることもあります。これらの周波数帯ではアンテナは一般的に短く、誘導負荷が最も必要とされます。コイル巻線の抵抗は放射抵抗と同程度かそれ以上になるため、電気的に極めて短いアンテナ用の負荷コイルは、動作周波数において極めて低い交流抵抗を持つ必要があります。表皮効果による損失を低減するために、コイルはチューブやリッツ線で作られ、単層巻線で、近接効果による抵抗を低減するために巻線の間隔が広く取られています。多くの場合、高電圧を扱う必要があります。誘電損失による電力損失を低減するために、コイルは薄いセラミックストリップで支えられ、空中に吊り下げられることがよくあります。低周波数で使用される容量性リアクタンスアンテナは帯域幅が非常に狭いため、周波数を変更する場合は、負荷コイルを調整してアンテナを新しい送信機の周波数に共振させる必要があります。そのため、バリメータがよく使用されます。

長距離送電線における高容量による損失を低減するために、フレキシブル交流送電システム（FACTS）、静止型無効電力補償装置、または静止型同期直列補償装置を用いて回路にインダクタンスを導入することができる。直列補償は、回路にインダクタンスを供給する場合、回路に直列に接続されたインダクタと考えることができる。

ローディングコイルの起源は、オリバー・ヘヴィサイドによる伝送線路理論の研究に見出すことができる。ヘヴィサイド（1881年）は、伝送線路を極めて小さな回路要素のネットワークとして表現した。彼は、このネットワークの解析に演算計算を適用することで、（1887年）ヘヴィサイド条件として知られるようになったものを発見した。^{[ 6 ] [ 7 ]}これは、伝送線路が歪みのない状態になるために満たされなければならない条件である。ヘヴィサイド条件とは、直列インピーダンスZが、すべての周波数において並列アドミタンスYに比例しなければならないという条件である。一次線路係数で表すと、この条件は次のようになる。

${\displaystyle {\frac {R}{G}}={\frac {L}{C}}}$

どこ：

${\displaystyle R}$は、単位長さあたりのラインの直列抵抗です。

${\displaystyle L}$は、単位長さあたりの線路の直列自己インダクタンスです。

${\displaystyle G}$は、線路絶縁体の単位長さあたりの並列漏れコンダクタンスである。

${\displaystyle C}$これは、線路導体間の単位長さあたりの並列容量です。

ヘヴィサイドは、当時実際に使用されていた電信ケーブルではこの条件が満たされていないことを認識していた。一般的に、実際のケーブルは、

${\displaystyle {\frac {R}{G}}\gg {\frac {L}{C}}}$

これは主にケーブル絶縁体からの漏洩電流の値が低いことに起因しており、ヘヴィサイドの時代よりも絶縁体の性能が向上した現代のケーブルでは、その傾向がさらに顕著になっています。この条件を満たすためには、G または L を増やすか、R または C を減らすかのどちらかを選択することになります。R を減らすには、より太い導体が必要です。銅はすでに電信ケーブルに使用されており、銀を除けば入手可能な最高の導体です。R を減らすということは、より多くの銅を使用し、より高価なケーブルが必要になるということです。C を減らすことも、より太いケーブルが必要になります（必ずしも銅を増やす必要はありません）。G を増やすことは非常に望ましくありません。歪みは減少しますが、同時に信号損失も増加します。ヘヴィサイドはこの可能性を検討しましたが、却下したため、歪みを減らす方法として L を増やすという戦略に落ち着きました。^{[ 8 ]}

ヘヴィサイドは直ちに（1887年）、導体の間隔を広げたり、絶縁体に鉄粉を詰めたりするなど、インダクタンスを増加させるいくつかの方法を提案した。最終的に、ヘヴィサイドは（1893年）線路に沿って一定間隔で個別のインダクタを使用するという提案を行った。^{[ 9 ]}しかし、彼は英国郵政公社にこのアイデアを採用させることに成功しなかった。ブリテンは、ヘヴィサイドが特定のケーブルパラメータに対するコイルのサイズと間隔に関する技術的な詳細を提供できなかったことが原因だと考えている。ヘヴィサイドの風変わりな性格と、体制から距離を置いていたことも、彼が無視された一因となった可能性がある。^{[ 10 ]}

ジョン・S・ストーンはアメリカン・テレフォン・アンド・テレグラフ・カンパニー（AT&T）に勤務し、ヘヴィサイドの考えを実際の電気通信に適用しようと試みた最初の人物でした。ストーンのアイデア（1896年）は、彼が特許を取得した鉄銅のバイメタルケーブルを使用することでした。 ^{[ 11 ]}ストーンのこのケーブルは、鉄の含有量により線路のインダクタンスを増加させ、ヘヴィサイド条件を満たす可能性がありました。しかし、ストーンは1899年に会社を去り、このアイデアは実現しませんでした。^{[ 12 ]}ストーンのケーブルは連続負荷の例であり、この原理は最終的に他の形で実用化されました。例えば、この記事の後半で紹介するクララップケーブルを参照してください。

ジョージ・キャンベルもまた、AT&Tのボストン工場で働くエンジニアだった。キャンベルはストーンのバイメタルケーブルの研究を引き継ぐ任務を負っていたが、すぐにそれを放棄し、ローディングコイルの研究に切り替えた。これは彼独自の発見だった。キャンベルはヘヴィサイドがヘヴィサイド条件を発見したことは知っていたが、ローディングコイルを使って回線をその条件に合わせるというヘヴィサイドの提案は知らなかった。方向転換の動機は、キャンベルの限られた予算だった。

キャンベルは、割り当てられた予算で実際の電話回線で実証実験を行うのに苦労していた。人工回線シミュレーターが実際の回線にある分布量ではなく集中定数を使用していることを考慮し、ストーンの分布線路を使用する代わりに集中定数でインダクタンスを挿入できないかと考えた。電話回線のマンホールが十分に近接しているため、回線を掘り起こしたり新しいケーブルを敷設したりする費用をかけずに負荷コイルを挿入できることが計算でわかったため、この新しい計画に変更した。^{[ 13 ]}電話ケーブルで負荷コイルを実証した最初の実験は、いわゆるピッツバーグケーブルの46マイルの長さで、1899年9月6日にキャンベル自身と彼の助手によって行われた（実際のテストはボストンで行われ、ケーブルは以前にピッツバーグでテストに使用されていた）。^{[ 14 ]}負荷線を使用した最初の電話ケーブルが公共サービスに導入されたのは、1900 年 5 月 18 日にボストンのジャマイカ プレインとウェスト ニュートンの間に敷設された。^{[ 15 ]}

キャンベルの負荷コイルに関する研究は、周波数分割多重化にとって非常に重要であることが証明されたフィルタに関するその後の研究の理論的基礎を提供した。負荷コイルのカットオフ現象は望ましくない副作用であるが、望ましいフィルタ周波数応答を生成するために利用できる。^{[ 16 ] [ 17 ]}

発明家であり、米国に移住したセルビア人であるミハイロ・プピンも、ローディングコイルの歴史に一役買いました。プピンはキャンベルの特許に対抗する特許を出願しました。^{[ 18 ]}このプピンの特許は1899年のものです。それより古い特許^{[ 19 ]}（1894年、1893年12月出願）があり、プピンのローディングコイル特許として引用されることもありますが、実際には別のものです。混乱が生じるのは理解できます。プピン自身は、1894年に山に登っているときに初めてローディングコイルのアイデアを思いついたと主張していますが^{[ 20 ]} 、その当時、彼から発表されたものは何もありません。^{[ 21 ]}

プピンの1894年の特許では、インダクタではなくコンデンサでラインを「負荷」する方式が採用されているが、この方式は理論的に欠陥があると批判されており^{[ 22 ]}、実際に使用されたことはない。さらに混乱を招くことに、プピンが提案したコンデンサ方式のバリエーションの一つには、実際にコイルが含まれている。しかし、これらはラインを補償することを目的としたものではなく、単にラインの直流連続性を回復させ、標準的な機器でテストできるようにするためだけに存在する。プピンは、インダクタンスは50Hzを超えるすべての交流信号を遮断するほど大きくする必要があると述べている^{[ 23 ]} 。したがって、ラインに有意なインピーダンスを加えるのはコンデンサだけであり、「コイルは前述の結果に実質的な影響を与えない」^{[ 24 ] 。}

ヘヴィサイドは自分のアイデアを特許化することはなく、実際、彼は自分の研究から商業的な利益を得ることはなかった。^{[ 25 ]}この発明をめぐる法的紛争にもかかわらず、キャンベルが実際に負荷コイルを使用して電話回路を構築した最初の人物であることは疑いの余地がない。^{[ 26 ]}また、ヘヴィサイドが最初に発表したこともほぼ間違いなく、多くの人がプピンの優先権に異議を唱えるだろう。^{[ 27 ]}

AT&Tは、プーピンの主張をめぐって法廷闘争を繰り広げた。プーピンは最初に特許を取得したが、キャンベルはプーピンが特許を出願する前（1899年12月）にすでに実演を行っていた。^{[ 28 ]}キャンベルの出願が遅れたのは、AT&Tの内部的な駆け引きが遅かったためである。^{[ 29 ]}

しかし、AT&Tは愚かにも、特許出願前に必要となるインダクタンスの正確な値を詳述した表やグラフをキャンベルの提案特許出願からすべて削除した。^{[ 30 ]}プーピンの特許には（精度が低い）数式が含まれていたため、AT&Tは不完全な開示の主張を受ける可能性があった。ヘヴィサイドの先行発表により発明が特許不能と宣告されるリスクがあることを恐れた彼らは、異議申し立てを断念し、プーピンの特許のオプションを年間料金で購入して、両方の特許をAT&Tが管理することにした。1901年1月までにプーピンは20万ドル（2025年換算で774万ドル）を受け取り、AT&Tの独占が終了して支払いが停止した1917年までに合計45万5000ドル（ 2025年換算で1143万4091ドル）を受け取った。^{[ 31 ]}

この発明は AT&T にとって非常に価値のあるものだった。電話ケーブルは以前の 2 倍の距離まで使用できるようになり、あるいは、同じ距離であれば以前の半分の品質 (およびコスト) のケーブルを使用できた。キャンベルにデモンストレーションを進めることを許可するかどうかを検討した際、AT&T のエンジニアは、ニューヨークとニュージャージーだけで新規設置費用を 70 万ドル節約できると見積もっていた。^{[ 32 ]} AT&T は 20 世紀の最初の四半期で 1 億ドルを節約したと推定されている。^{[ 33 ] [ 34 ]}全てを始めたヘヴィサイドは何も得られなかった。彼は象徴的な支払いを提示されたが、自分の仕事の功績を認められたいとして受け取らなかった。彼は、以前の論文が認められていたら「正しい方向への資金の流れを妨げることになるだろう」と皮肉を込めて述べた。^{[ 35 ]}

デンマークのエンジニア、カール・エミール・クララップは、離散的な負荷コイルの問題を解決する連続負荷ケーブルの一種を発明しました。クララップケーブルは、中心の銅導体の周りに鉄線が連続的に巻き付けられ、隣接する巻き線同士が接触しています。このケーブルは、通信ケーブルで連続負荷が使用された最初の例です。^{[ 40 ]} 1902年、クララップはこのテーマに関する論文を執筆し、ヘルシンゲル（デンマーク）とヘルシンボリ（スウェーデン）間の最初のケーブルの設置を見届けました。^{[ 41 ]}

クララップケーブルは回線にインダクタンスを追加したが、これはヘヴィサイド条件を満たすには不十分だった。AT&Tはより高い透磁率を持つより良い材料を探した。1914年、グスタフ・エルメンは磁性ニッケル鉄焼きなまし合金であるパー​​マロイを発見した。1915年頃、ベル研究所のオリバー・E・バックリー、H・D・アーノルド、エルメンは、銅導体にパーマロイテープを巻き付けて海底通信ケーブルを構築する方法を提案し、伝送速度を大幅に向上させた。^{[ 42 ]}

このケーブルは1923年にバミューダで試験運用された。最初に実用化されたパーマロイケーブルは1924年9月にニューヨーク市とオルタ（アゾレス諸島）を結んだ。 ^{[ 42 ]}パーマロイケーブルにより、海底電信ケーブルの信号速度は、当時40語/分が良好とされていた時代に400語/分まで向上した。^{[ 43 ]}最初の大西洋横断ケーブルはわずか2語/分しか達成できなかった。^{[ 44 ]}

ミューメタルはパーマロイと同様の磁気特性を持つが、合金に銅を加えることで延性が向上し、ワイヤー状に引き伸ばすことが可能になる。ミューメタルケーブルはパーマロイケーブルよりも製造が容易で、クラルプケーブルの鉄線と同様に、銅導体の芯にミューメタルを巻き付ける。さらに、ミューメタルケーブルは、両端に向かって負荷が徐々に減少する可変負荷プロファイルに対応できるという利点もある。

ミューメタルは1923年にロンドンのテレグラフ建設保守会社によって発明され^{[ 45 ]} 、当初はウェスタンユニオン電信会社向けにケーブルを製造していた。ウェスタンユニオンは、パーマロイを使用していたAT&Tとウェスタンエレクトリック社と競合していた。パーマロイの特許はウェスタンエレクトリック社が保有していたため、ウェスタンユニオンはそれを使用することができなかった^{[ 46 ] 。}

ケーブルの連続負荷は高価であるため、絶対に必要な場合にのみ行われます。コイルによる集中負荷は安価ですが、シールが難しく、明確な遮断周波数があるという欠点があります。妥協案としてパッチ負荷方式があり、ケーブルを繰り返しセクションごとに連続的に負荷します。中間セクションは無負荷のままです。^{[ 47 ]}

負荷ケーブルは、電気駆動のインラインリピーターを使用した同軸ケーブル、そして光ファイバーケーブルに取って代わられ、海底通信ケーブルとしてはもはや有用な技術ではなくなりました。負荷ケーブルの製造は1930年代に衰退し、第二次世界大戦後には他の技術に取って代わられました。^{[ 46 ]}現在でも一部の固定電話回線には負荷コイルが見られますが、新しい設備ではより近代的な技術が使用されています。