ローディングコイル

ローディングコイルまたはロードコイルは、インダクタンスを増やすために電子回路に挿入されるインダクタです。この用語は、19 世紀に長距離電信伝送ケーブルで信号の歪みを防ぐために使用されるインダクタを指して使われました。この用語は、無線アンテナ内のインダクタ、またはアンテナとその給電線の間にあるインダクタにも使用され、電気的に短いアンテナを動作周波数で 共振させます。

コイルを装填するという概念は、 1860年代に最初の大西洋横断電信ケーブルの信号速度が遅いという問題を研究していたオリバー・ヘヴィサイドによって発見された。彼は、送信信号の振幅と時間遅延による歪みを防ぐために追加のインダクタンスが必要であると結論付けた。歪みのない送信のための数学的条件は、ヘヴィサイド条件として知られている。それ以前の電信線は陸上であったかより短かったため遅延が少なく、追加のインダクタンスの必要性はそれほど大きくなかった。海底通信ケーブルは特にこの問題の影響を受けやすいが、20世紀初頭のバランスペアを使用した設備では、密閉の問題を回避するために、個別に装填コイルを使用するのではなく、鉄線またはテープで連続的に装填されることが多くなった。

ローディングコイルは、歴史的には、特にヘビサイド病変に使用される場合、ミハイロ・プピンにちなんでプピンコイルとも呼ばれ、挿入プロセスはプピン化と呼ばれることもあります。

負荷コイルの一般的な用途は、電話ケーブルのツイスト バランス ペア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 ペアはバランス形式であるため、バランスを維持するために負荷コイルの半分をペアの各レッグに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。これにより磁束結合が増加し、これがなければコイルの巻き数を増やす必要があります。共通のコアを使用しているにもかかわらず、このような負荷コイルは他の回路との結合を提供しないため、変圧器を構成しません。

一対のワイヤと直列に周期的に挿入されたローディングコイルは、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、高音声周波数での減衰を減らします。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。カットオフ効果は、集中インダクタを使用することによって発生します。連続分布インダクタンスを使用するローディング方法では、カットオフは発生しません。

コイルをロードしない場合、ライン応答はラインの抵抗と静電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。正確なインダクタンスのコイルをロードすると、静電容量もインダクタンスも支配的になりません。応答は平坦で、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です。オーディオ周波数フィルターの同時形成は、ノイズが低減されるという利点もあります。

負荷コイルを使用すると、伝送ラインの通過帯域内の信号については回路の信号減衰は低いままですが、オーディオ カットオフ周波数を超える周波数では急速に増加します。電話回線を後で再利用して、アナログまたはデジタルキャリア システムやデジタル加入者線(DSL) などのより高い周波数を必要とするアプリケーションをサポートする場合は、負荷コイルを取り外すか交換する必要があります。並列コンデンサを備えたコイルを使用すると、m 派生フィルタのトポロジを持つフィルタが形成され、カットオフを超える周波数帯域も通過します。取り外さないと、たとえば中央局から 4 マイル (6.4 km) 以上離れた遠距離にいる加入者の場合、DSL をサポートできません。

20 世紀初頭から中期にかけてのアメリカの電話ケーブルには、1 マイル (1.61 km) 間隔で負荷コイルがあり、通常はコイル ケースに多数収納されていました。コイルは高周波を通過させるには取り外す必要がありましたが、コイル ケースはデジタルT キャリアシステムの中継器にとって便利な場所となり、その距離で 1.5 Mbit/s の信号を送信できました。ヨーロッパの道路は狭く、銅のコストも高かったため、ケーブルの線は細く、間隔も狭かったです。1 km 間隔で、ヨーロッパのシステムでは 2 Mbit/s の伝送が可能でした。

無線アンテナでは、別のタイプのローディングコイルが使用されています。モノポールおよびダイポール無線アンテナは、無線波の共振器として機能するように設計されています。送信機からの電力がアンテナの伝送線路を通じてアンテナに適用され、アンテナ素子に電圧と電流の定在波を励起します。「自然に」共振するには、アンテナの物理的な長さが、使用する無線波の波長の 4 分の 1 (またはその長さの倍数、通常は奇数倍が好まれます) である必要があります。共振時には、アンテナは電気的に純抵抗として機能し、送信機から適用されるすべての電力を吸収します。

多くの場合、実用的な理由から、アンテナを共振長よりも短くする必要があり、これは電気的に短いアンテナと呼ばれます。 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^{[引用が必要]}。印加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^{[引用が必要]}。 同じ周波数で反対方向に流れる 2 つの電流により、伝送線路上に定在波が発生します^{[引用が必要] 。これは、1 より大きい}定在波比(SWR)として測定されます。 電流が増加すると、ワイヤが加熱されてエネルギーが浪費され、送信機が過熱する可能性もあります。

電気的に短いアンテナを共振させるには、アンテナと直列にローディング コイルを挿入します。コイルは、短いアンテナの容量性リアクタンスと等しく反対の誘導性リアクタンスを持つように作られているため、リアクタンスの組み合わせが打ち消されます。このように負荷をかけると、アンテナは伝送線に対して純粋な抵抗を示し、エネルギーが反射されるのを防ぎます。ローディング コイルは、アンテナのベース、アンテナと伝送線の間に配置されることがよくあります (ベース ローディング)。ただし、より効率的な放射のために、アンテナ エレメントの中間点近くに挿入されることもあります (センター ローディング)。^[要出典]

強力な送信機用のローディング コイルは、特に低周波数では、設計要件が厳しくなる場合があります。短いアンテナの放射抵抗は非常に低く、アンテナが一般的に短く、誘導性ローディングが最も必要なLFまたはVLFバンドでは数オーム程度です。コイル巻線の抵抗は放射抵抗と同等かそれを超えるため、電気的に非常に短いアンテナ用のローディング コイルは、動作周波数で非常に低い AC抵抗を持つ必要があります。表皮効果による損失を減らすために、コイルはチューブまたはリッツ線で作られ、単層巻線で、近接効果による抵抗を減らすために間隔を空けて巻かれています。コイルは高電圧を扱う必要があることがよくあります。誘電損失による電力損失を減らすために、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ローディング アンテナは帯域幅が非常に狭いため、周波数が変更された場合、ローディング コイルを調整して、アンテナを新しい送信機周波数に共振するように調整する必要があります。バリオメータがよく使用されます。

長距離の大規模電力送電線における高静電容量による損失を減らすために、フレキシブルAC送電システム（FACTS）、静的VAR補償装置、または静的同期直列補償装置を使用して回路にインダクタンスを導入することができます。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ます。

キャンベル方程式は、ジョージ・アシュリー・キャンベルが導出した、負荷線路の伝搬定数を予測するための関係式である。次のように述べられている。 ^[1]

${\displaystyle \cosh \left(\gamma 'd\right)=\cosh(\gamma d)+{\frac {Z}{2Z_{0}}}\sinh(\gamma d)}$

どこ、

${\displaystyle \gamma \!\,}$は無負荷ラインの伝播定数である

${\displaystyle \gamma '\!\,}$は負荷線の伝播定数である

${\displaystyle d\!\,}$負荷線上のコイル間の間隔

${\displaystyle Z\!\,}$は負荷コイルのインピーダンスであり、

${\displaystyle Z_{0}\!\,}$無負荷ラインの特性インピーダンスです。

エンジニアにとってよりわかりやすい経験則は、負荷コイルの間隔の要件は、送信される最大周波数の波長あたりコイル 10 個であるということです。^{[2]この近似値は、負荷線を}定数 k フィルターとして扱い、それにイメージ フィルター理論を適用することで得られます。基本的なイメージ フィルター理論から、ローパス定数 k フィルターの角度カットオフ周波数と特性インピーダンスは次のように表されます。

${\displaystyle \omega _{c}={\frac {1}{\sqrt {L_{\frac {1}{2}}C_{\frac {1}{2}}}}}}$  そして、  ${\displaystyle Z_{0}={\sqrt {\frac {L_{\frac {1}{2}}}{C_{\frac {1}{2}}}}}$

ここで、およびは半セクション要素の値です。 ${\textstyle L_{\frac {1}{2}}}$${\displaystyle C_{\frac {1}{2}}}$

これらの基本方程式から、必要な負荷コイルのインダクタンスとコイル間隔を見つけることができます。

${\displaystyle L={\frac {Z_{0}}{\omega _{c}}}}$  そして、  ${\displaystyle d={\frac {2}{\omega _{c}Z_{0}C}}}$

ここで、C は線路の単位長さあたりの静電容量です。

これをカットオフ波長あたりのコイル数で表すと次のようになります。

${\displaystyle {\frac {\lambda _{c}}{d}}=\pi vZ_{0}C}$

ここで、v は問題のケーブルの伝播速度です。

それ 以来${\textstyle v={1 \over Z_{0}C}}$

${\displaystyle {\frac {\lambda _{c}}{d}}=\pi }$。

キャンベルは、1898年にチャールズ・ゴッドフリーが同様の結果を得た、定期的に重りを負荷する機械的な線との類推によってこの式にたどり着いた。この種の機械的な負荷負荷線は、ジョゼフ＝ルイ・ラグランジュ（1736–1813）によって初めて研究された。^[3]

カットオフ周波数以上の周波数が伝送されないカットオフ現象は、コイルをローディングすることによる望ましくない副作用である（ただし、フィルターの開発では非常に有用であることが証明されている）。カットオフはローディングコイルの集中的な性質から生じるため、連続ローディングを使用することで回避される。^[4]

装荷コイルの起源は、オリバー・ヘヴィサイドの伝送線路理論の研究に見出すことができます。ヘヴィサイド (1881) は、線路を極小の回路素子のネットワークとして表現しました。このネットワークの解析に演算法を適用することで、彼は (1887)ヘヴィサイド条件として知られるものを発見しました。^{[5] [6]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す。ヘヴィサイド条件とは、直列インピーダンスZ がすべての周波数でシャントアドミタンスYに比例しなければならないというものです。一次線路係数に関して、条件は 次のようになります。

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

どこ：

${\displaystyle R}$単位長さあたりの線路の直列抵抗である。

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

${\displaystyle G}$線路絶縁体の単位長さあたりのシャント漏れコンダクタンスである。

${\displaystyle C}$単位長さあたりの線路導体間のシャント容量です。

ヘヴィサイドは、当時使用されていた実用的な電信ケーブルではこの条件が満たされていないことに気づいていた。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値が低いことに起因しており、これはヘヴィサイドの時代よりも優れた絶縁体を持つ現代のケーブルではさらに顕著である。したがって、条件を満たすには、G または L を増やすか、R または C を減らすかのいずれかを選択する必要がある。R を減らすには、より大きな導体が必要となる。銅は既に電信ケーブルで使用されており、銀以外ではこれが最も優れた導体である。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を使用することを意味する。C を減らすということは、ケーブルが大きくなることを意味する (ただし、必ずしも銅が増えるわけではない)。G を増やすことは非常に望ましくない。歪みは減少するが、同時に信号損失が増加するからである。ヘヴィサイドはこの可能性を検討したが却下し、歪みを減らす方法として L を増やす戦略を採用した。^[7]

ヘヴィサイドはすぐに（1887年）インダクタンスを増やす方法をいくつか提案した。導体の間隔を広げたり、絶縁体に鉄粉を詰めたりすることなどだ。最終的にヘヴィサイドは、線路に沿って間隔を置いて個別のインダクタを使用する提案をした（1893年）。^{[8]しかし、彼はイギリスの}GPOにこのアイデアを採用するよう説得することには成功しなかった。ブリテンは、これ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詳細を提供しなかったためだと考えている。ヘヴィサイドの風変わりな性格と体制から離れた立場も、彼らが彼を無視した一因だったかもしれない。^[9]

ジョン・S・ストーンはアメリカ電話電信会社（AT&T）に勤務し、ヘヴィサイドのアイデアを実際の通信に適用しようとした最初の人物でした。ストーンのアイデア（1896年）は、彼が特許を取得していた鉄銅複合ケーブルを使用するというものでした。^[10]ストーンのこのケーブルは鉄の含有量により線路インダクタンスが増加し、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されませんでした。^[11]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式で実践されました。たとえば、この記事の後半にあるクラルプケーブルを参照してください。

ジョージ・キャンベルは、ボストンの施設で働いていた AT&T のエンジニアの 1 人でした。キャンベルは、ストーンのバイメタル ケーブルの調査を続けるよう指示されましたが、すぐにそれを放棄して、ローディング コイルを選択しました。キャンベルの発見は独自のものでした。キャンベルは、ヘビサイドの条件を発見したヘビサイドの研究については知っていましたが、回線をその条件に適合させるためにローディング コイルを使用するというヘビサイドの提案については知りませんでした。方向転換の動機は、キャンベルの予算が限られていたことでした。

キャンベルは割り当てられた予算で実際の電話線路上で実用的なデモンストレーションを行おうと奮闘していた。彼が作成した人工線路シミュレーターが実際の線路で見られる分布定数ではなく集中定数を使用していることを考慮し、ストーンの分布定数線路を使用せず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。計算により、電話線路上のマンホールは十分に接近しているため、線路を掘り返したり新しいケーブルを敷設したりすることなくローディングコイルを挿入できることがわかったため、彼はこの新しい計画に変更した。^[12]電話線上でローディングコイルを使用する最初のデモンストレーションは、1899年9月6日にキャンベル自身と助手によって、全長46マイルのいわゆるピッツバーグケーブルで行われた（テストは実際に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）。^[13] 1900年5月18日、ボストンのジャマイカ・プレインとウェスト・ニュートンの間で、負荷線を使用した最初の電話ケーブルが公衆回線として敷設されました。^[14]

キャンベルのコイル装荷に関する研究は、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となった。コイル装荷のカットオフ現象は望ましくない副作用であるが、これを利用して望ましいフィルタ周波数応答を生成することができる。^{[15] [16]}

発明家でセルビアから米国に移民したマイケル・プーピンも、コイルを装填する話に関わっている。プーピンはキャンベルの特許に対抗する特許を申請した。^[17]このプーピンの特許は1899年のものである。それより前の特許^[18]（1894年、1893年12月申請）があり、プーピンのコイル装填特許として引用されることもあるが、実際は別のものである。この混乱は容易に理解できる。プーピン自身は、コイルを装填するというアイデアを1894年に登山中に初めて思いついたと主張しているが^[19] 、その時点で彼が発表したものは何もない。^[20]

プーピンの 1894 年の特許では、インダクタではなくコンデンサで線路に「負荷をかける」が、この方式は理論的に欠陥があると批判され^[21]、実際に実施されることはなかった。混乱を増長させるのは、プーピンが提案したコンデンサ方式の 1 つのバリエーションにコイルがあることである。しかし、これらは線路を補償するものではない。これらは単に線路の DC 連続性を回復し、標準機器でテストできるようにするためだけのものである。プーピンは、インダクタンスは 50 Hz を超えるすべての AC 信号をブロックするほど大きくする必要があると述べている^[22] 。したがって、線路に重要なインピーダンスを追加するのはコンデンサのみであり、「コイルは前述の結果に重大な影響を及ぼさない」。^[23]

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、自分の研究を商業的に利用することもなかった。^[24]この発明をめぐる法的な争いにもかかわらず、キャンベルがローディングコイルを使った電話回路を実際に構築した最初の人物であることは疑いの余地がない。^[25]また、ヘヴィサイドが最初に出版したこともほとんど疑いの余地がなく、多くの人がプーピンの優先権に異議を唱えるだろう。^[26]

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。特許を最初に取得したのはプーピンだったが、キャンベルはプーピンが特許を申請する前（1899年12月）にすでに実用的デモンストレーションを行っていた。^[27]キャンベルの申請遅れは、AT&T内部の策略が遅かったためである。^[28]

しかし、AT&Tは愚かにも、特許申請前に必要となるインダクタンスの正確な値を詳細に示すすべての表とグラフをキャンベルの特許申請書から削除した。^[29]プーピンの特許には（あまり正確ではない）数式が含まれていたため、AT&Tは不完全な開示の申し立てを受ける可能性があった。ヘヴィサイドの先行公開により、この争いが特許無効と判断されるリスクがあることを恐れ、AT&Tは異議申し立てを取りやめ、プーピンの特許のオプションを年間料金で購入して、AT&Tが両方の特許を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（2011年時点で1,300万ドル^[30]）を支払われ、AT&Tの独占が終了して支払いが停止した1917年までに、彼は合計45万5,000ドル（2011年時点で2,500万ドル^[30]）を受け取っていた。^[31]

この発明はAT&Tにとって非常に大きな価値があった。電話ケーブルは、これまでの2倍の距離まで使用できるようになった。あるいは、同じ距離を従来の半分の品質（およびコスト）のケーブルで伝送できるようになった。キャンベルにデモンストレーションを許可するかどうかを検討していたとき、同社のエンジニアは、ニューヨークとニュージャージーだけで新規設置コストを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に1億ドルを節約したと推定されている。^{[33] [34]}すべてを始めたヘヴィサイドは、何も得られなかった。彼は名目上の報酬を提示されたが、自分の仕事の功績を認めてほしかったため、それを受け取らなかった。彼は皮肉にも、もし自分の以前の出版物が認められたら「正しい方向への資金の流れを妨げるだろう」と述べた。^[35]

歪みは海底通信ケーブルにとって特に問題である。その理由の1つは、ケーブルが長いために歪みが蓄積されやすいからであるが、絶縁材料の特性により、電柱上の裸線よりも歪みの影響を受けやすいからでもある。信号の波長が異なると、材料中を異なる速度で伝わり、分散を引き起こす。最初の大西洋横断電信ケーブルでこの問題が発生したため、ヘヴィサイドはこの問題を研究し、解決策を見つけようとした。^[36]分散の問題はローディングコイルで解決できるが、海底ケーブルでローディングコイルが初めて使用されたのは、1906年にシーメンスとハルスケがボーデン湖を横断するケーブルでのことであった。^[37]

重い海底ケーブルにローディングコイルを使用するには、いくつかの困難があります。ローディングコイルの膨らみはケーブル船のケーブル敷設装置を容易に通過できず、ローディングコイルの敷設中は船の速度を落とさなければなりませんでした。^[38]コイルが設置されている場所の不連続性により、敷設中にケーブルにストレスがかかります。細心の注意を払わないと、ケーブルが切れて修理が困難になる場合があります。さらに、当時の材料科学では、コイルとケーブルの接合部を海水の浸入から守るのが困難でした。これが起こると、ケーブルはダメになりました。^[39]これらの問題を克服するために、カットオフ周波数がないという利点もある連続ローディングが開発されました。^[40]

デンマークの技術者カール・エミール・クラルプは、離散負荷コイルの問題を解決する連続負荷ケーブルを発明した。クラルプのケーブルは、中央の銅導体の周りに鉄線を連続的に巻き付け、隣接する巻線同士が接触している。このケーブルは、通信ケーブルで連続負荷を採用した最初の例であった。^{[41] 1902年、クラルプはこのテーマに関する論文を書き、}ヘルシンゲル（デンマーク）とヘルシンボリ（スウェーデン）を結ぶ最初のケーブルの敷設を見届けた。^[42]

クラルプケーブルは線路にインダクタンスを追加したが、ヘビサイド条件を満たすには不十分であった。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鈍合金であるパー​​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、HD・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た海底通信ケーブルの構築方法を提案し、伝送速度を大幅に向上させた。^[43]

このケーブルは1923年にバミューダで試験的に使用された。最初の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。 ^[43]パーマロイケーブルにより、当時40ワード/分が良好と考えられていた海底電信ケーブルの信号速度を400ワード/分まで向上させることができた。^[44]最初の大西洋横断ケーブルはわずか2ワード/分しか達成できなかった。^[45]

ミューメタルはパーマロイと同様の磁気特性を持っていますが、合金に銅を加えることで延性が向上し、金属をワイヤーに引き込むことができます。ミューメタル ケーブルはパーマロイ ケーブルよりも簡単に構築でき、ミューメタルはクララップ ケーブルの鉄線とほぼ同じようにコアの銅導体の周りに巻き付けられます。ミューメタル ケーブルのさらなる利点は、構造が可変荷重プロファイルに適しており、荷重が端に向かって徐々に小さくなることです。

ミューメタルは1923年にロンドンの電信建設保守会社によって発明され、^[46]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や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。^[47]

ケーブルへの連続的な負荷はコストがかかるため、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、カットオフ周波数が一定であるという欠点があります。妥協案として、ケーブルを繰り返して連続的に負荷するパッチ負荷があります。中間のセクションは負荷がかかりません。^[48]

装荷ケーブルは、海底通信ケーブルにはもはや有用な技術ではなく、最初は電動インラインリピータを使用した同軸ケーブルに、その後光ファイバーケーブルに取って代わられました。装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。^[49]装荷コイルは今日でも一部の固定電話回線で使用されていますが、新しい設備ではより近代的な技術が使用されています。

• 電気による延長
• アンテナチューナー
• 定数kフィルタ
• 荷降ろしされたファントム

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