ツインリード

ツイン・リード・ケーブルは、無線周波数(RF) 信号を伝送するための平衡伝送ラインとして使用される2 導体のフラット ケーブルです。2 本のより線または単線の銅被覆鋼線で構成されています。ワイヤは、無線周波数で優れた絶縁体であるプラスチック リボン (通常はポリエチレン) によって一定の距離に保持されます。これは (2 線)リボン ケーブルとも呼ばれます。ワイヤの均一な間隔が、伝送ラインとしてのケーブルの機能の鍵となります。間隔が突然変化すると、信号の一部が通過せずにソースに向かって反射してしまいます。プラスチックはワイヤを覆い、絶縁する役割も果たします。ツイン・リードという名前は、最も一般的なタイプである 300 Ω (オーム)リボン ケーブルを指す場合に最もよく使用されます が、場合によっては、ツイン・リードはあらゆる種類の平行ワイヤ ラインを指すために使用されます。平行線路には、ツインリードリボンケーブル（300  Ω）、ウィンドウ線路（300 Ω、350 Ω、または 450 Ω）、オープン線路またはラダー線路（500～650  Ω ）など、特性インピーダンスの異なるいくつかの値があります。

ツインリードは主に短波およびVHF周波数でのアンテナ給電線として使用され、ラジオ受信機および送信機をアンテナに接続します。これらの周波数での主な代替給電線である小型フレキシブル同軸ケーブルよりも信号損失が大幅に少なくなります。たとえば、RG-58同軸ケーブルは30MHzで100メートル（330フィート）あたり6.6dBの損失がありますが、300Ω ツインリードではわずか0.55dBの損失です。^[1] 300ΩツインリードはFMラジオをアンテナに接続するために広く使用されており、同軸ケーブルに置き換えられるまではテレビアンテナをテレビに接続するために使用されていました。ただし、干渉の影響を受けやすく、金属物体に近づくと、より便利で人気の高い同軸ケーブルによってブロックされる信号があらゆる種類の平行配線に注入されます。したがって、雨どいの周囲に間隔をあけ、金属製のフェンス、外壁のサイディング、金属製の屋根から離し、金属製のアンテナ マストを伸ばす場合はスタンドオフ絶縁体に取り付ける必要があります。

ツインリード線やその他の種類の平行導体伝送線路は、主に無線送信機と受信機をアンテナに接続するために使用されます。平行伝送線路の利点は、単位長さあたりの損失が、伝送線路の主な代替形式である同軸ケーブルよりも 1 桁小さいことです。欠点は、干渉を受けやすく、電力損失やインピーダンス歪み (したがって反射波) の原因となる金属物から遠ざける必要があることです。このため、建物の外側やアンテナ マストに沿って設置する場合は、スタンドオフ絶縁体を使用する必要があります。また、長い自立型の長さでは、誘導された不平衡をさらに排除するためにツインリード線をねじることが一般的な方法です。

平行線路（一般的な意味でのツインリード線）は、特性インピーダンスが 600  Ω、500 Ω（ラダー線路）、450 Ω、350 Ω（ウィンドウ線路）、300 Ω（ウィンドウ線路、リボンケーブル）、および 75 Ω（ リボンケーブル）の値を持つ、いくつかの異なるサイズで供給されます。最も一般的な 300 Ω ツインリード線リボンケーブルは、かつてテレビやFM ラジオを受信アンテナに接続するために広く使用されていました。テレビ設備用の 300 Ω ツインリード線リボンケーブルは、75 Ω同軸ケーブルに大きく置き換えられました。アマチュア無線局では、無線周波数信号の平衡伝送用の給電線として、複数の形式の平行線路が使用されており、ツインリード線リボンケーブルの代わりに 450 Ω ウィンドウ線が最もよく使用されています。

ツインリードの特性インピーダンスは、ワイヤの直径と間隔の関数です。最も一般的なタイプである 300 Ω ツインリードリボンケーブルでは、ワイヤは通常AWG  20 または 22 (0.52 または 0.33 mm²) で、約 7.5 ミリメートル (0.30 インチ) 離れています。^{[2] (pp 24⸗16–24⸗17)}これは、通常約 275 Ω である折り畳みダイポールアンテナ の自然インピーダンスとよく一致しています。ツインリードは一般に、他の一般的な伝送配線である同軸ケーブル(coax) よりもインピーダンスが高くなります。広く使用されているRG-6同軸の特性インピーダンスは 75 Ω で、一般的なアンテナタイプで使用する場合はインピーダンスを一致させるために バランを使用する必要があります。

ツインリード（特にリボンケーブルの意味）は、平行線平衡伝送線路の一種です。ツインリードの2本の線間の距離は、線上を搬送される無線周波数（RF）信号の波長に比べて小さいです。 ^{[2] （p 24⸗1）}一方の線のRF電流は、もう一方の線のRF電流と大きさが等しく、方向が反対です。したがって、伝送線路から遠い遠方場領域では、一方の線から放射される電波は、もう一方の線から放射される波と大きさが等しく、位相が反対（180°位相がずれている）ため、重なり合った反対波は互いに打ち消し合います。^{[2] （pp 24⸗16–24⸗17）}その結果、線路から放射される正味の無線エネルギーはほとんどありません。

同様に、干渉する外部無線波は、それぞれのインピーダンスが同じである限り、2 本のワイヤに同じ方向に流れる同位相のRF 電流を誘導します。宛先端の負荷はワイヤ間に接続されているため、名目上は、ワイヤ内の差動の逆方向電流のみが負荷に電流を生成します。したがって、干渉電流は相殺され、ツイン リードは無線ノイズを拾う傾向がありません。

ただし、金属片がツインリード線に十分近い位置、つまりワイヤ間隔と同程度の距離にある場合、金属片は一方のワイヤに対してもう一方のワイヤよりもかなり近くなります。その結果、一方のワイヤによって金属物体に誘導される RF 電流は、もう一方のワイヤによって誘導される反対の電流よりも大きくなり、電流は打ち消されなくなります。したがって、近くにある金属物体は、誘導電流によって熱として消散するエネルギーを通じて、ツインリード線で電力損失を引き起こす可能性があります。同様に、ツインリード線の近くにあるケーブルまたは金属物体から発生する無線ノイズは、ワイヤに不平衡電流を誘導し、ノイズを線に結合する可能性があります。したがって、線は、雨どいやマストなどの金属物体から離して配置する必要があります。

電力がラインの負荷端から反射して高いSWRと非効率性を引き起こすのを防ぐために、負荷はラインの特性インピーダンスと一致するインピーダンスを持つ必要があります。これにより、負荷はラインの延長と電気的に同一に見えるようになり、反射が防止されます。同様に、電力をラインに効率的に転送するには、ソースも特性インピーダンスと一致する必要があります。平衡伝送ラインを同軸ケーブルなどの不平衡ラインに接続するには、バランと呼ばれるデバイスを使用する必要があります。

ツインリードリボンケーブルに加えて、2 導体の平行ワイヤラインには、ウィンドウラインとラダーライン (別名オープンワイヤライン) の 2 つの形式があります。

ウィンドウラインは、ツインリードリボンケーブルよりもかさばる平行ワイヤラインの一種です。同様に幅広に作られていますが、ワイヤを離して保持するポリエチレンリボンに、一定の間隔で長方形の開口部（「ウィンドウ」）が切り込まれています。^{[3] [2] (p 24⸗1)}

リボンに「窓」を切ることの利点の 1 つは、製造業者がカットのサイズを調整して、給電線の電気的特性を微調整できることです。窓により給電線が軽くなり、汚れや湿気がたまる表面の量が少なくなるため、窓線は天候による特性インピーダンスの変化に対して多少なりとも影響を受けにくくなります。最も一般的なタイプは、公称 450  Ω の窓線で、導体間隔は約 1 インチ (25 mm) ですが、実際のインピーダンスは 400 Ω に近い場合があります。^{[2] (p 24⸗1)}また、公称 350 Ω インピーダンス (実際には 300 Ω に近い場合があります) で製造されることもあります。^{[2] (p 24⸗1)}

ラダー線は、平行線路のより古い、より単純な形式で、しばしばオープン線路と呼ばれます。構成がロープのはしごのように見えるため、この名前が付けられています。ケーブル会社が既に製造したものを購入するか、自家製のものがあります。構築は簡単ですが面倒で、もともとすべてのアマチュア無線家が独自のオープン線路を製造していました。これは、通常、DC絶縁体で覆われているか、耐久性のあるラッカーでコーティングされている2本のワイヤで構成され、絶縁スペーサーによって一定の距離が保たれています。

「ラダー横木」スペーサーは、現在ではプラスチック配管パイプから切り取った短い断片が一般的ですが、以前は長くて薄いセラミック絶縁体か防水加工した木材のダボのスタブが使用されていました。横木は、電線と必要なインピーダンスに応じて、2 ～ 5 インチ (13 cm) の一定間隔で電線を保持します。横木は、約 5 ～ 12 インチ (13 ～ 30 cm) 間隔で配置されます。電線の間隔が均一であることを確認することが重要ですが、横木間の距離が不規則であっても、突風時に間隔がほぼ一定であれば問題ありません。

選択されたワイヤ間隔とワイヤ直径の比率によって、線の特性インピーダンスが決まります。通常は500～600  Ωですが、ワイヤ絶縁体の比誘電率や、ラング絶縁体の導電損失（大きい場合）にも依存します。 ^[4] たとえば、500 Ωの線の場合、2本の裸線またはラッカー塗装されたワイヤは、ワイヤの直径の32倍の間隔で配置する必要があります。一般的なワイヤの場合、約4インチ（10 cm）です。 1 /8⁠インチ直径のワイヤ（0.125 インチ（3 mm））を使用します。ワイヤが絶縁されている場合、絶縁プラスチックに応じて、間隔をもう少し広くする必要があります。 600 Ω の平行線を得るには、同じワイヤを 9 インチ（23 cm）間隔で配置します。 600 Ω は、より厚い銅被覆鋼ケーブルではなくワイヤで作られた伝送線、または剛性アルミニウムまたは銅パイプで作られた伝送線の場合の実用的な限界です。

伝送ラインとして、アンテナのインピーダンス、ツインリード線の特性インピーダンス、および機器のインピーダンスが同じである場合に、伝送効率が最大になります。このため、家庭用テレビアンテナからテレビの 75 オーム同軸アンテナ入力への 300 Ω ツインリード線など、ツインリード線を同軸ケーブル接続に接続する場合は、 4:1 比率のバランが一般的に使用されます。その目的は 2 つあります。1 つ目は、ツインリード線の 300 Ω インピーダンスを 75 Ω 同軸ケーブルのインピーダンスと一致するように変換すること、2 つ目は、平衡型対称伝送ラインを公称不平衡型同軸入力に変換することです。一般に、フィードラインとして使用する場合、フィードラインとソース (またはシンク) の間にインピーダンスの不整合がある場合、ツインリード線 (特にラダー ライン バージョン) は同軸ケーブルよりも効率が高くなります。受信専用の場合、これはシステムがわずかに最適ではない条件下でも通信できることを意味するだけです。送信用途の場合、これにより、送信ラインでの熱として失われるエネルギーが大幅に減少することがよくあります。

ツインリードは、シンプルな折り畳み式ダイポールアンテナを作るのに便利な材料としても使えます。このようなアンテナは、300 Ω ツインリードフィーダーを使用するか、300 ～ 75 Ω バランと同軸給電線を使用して給電することができ、通常は過熱することなく中程度の電力負荷を処理できます。

ツインリード線やラダー線のような平行線伝送線の特性インピーダンスは、その寸法、つまり線の直径と間隔によって決まります。これは以下のように導き出されます。 ${\displaystyle \ d\ }$${\displaystyle \ D~.}$

周波数またはラジアン周波数で動作する伝送線路の特性インピーダンスは次のように表される。 ${\displaystyle \ Z_{\mathsf {o}}\ }$${\displaystyle \ f\ }$${\displaystyle \ \omega =2\ \pi \ f\ ,}$

${\displaystyle Z_{\mathsf {o}}={\sqrt {{\frac {R+j\ \omega \ L}{\;G+j\ \omega \ C\;}}\ }}}$

ここで、ツインリード線の場合、一次線定数は

${\displaystyle R={\frac {\ 2\ R_{\mathsf {s}}\ }{\pi \ d}}}$

${\displaystyle L={\frac {\mu }{\ \pi \ }}\ \operatorname {arcosh} \left({\frac {\ D\ }{d}}\right)}$

${\displaystyle G={\frac {\pi \ \sigma }{\ \operatorname {arcosh} \left({\frac {\ D\ }{d}}\right)\ }}}$

${\displaystyle C={\frac {\ \pi \ \varepsilon \ }{\ \operatorname {arcosh} \left({\frac {\ D\ }{d}}\right)\ }}}$

ここで、はワイヤの直径、はワイヤの中心線間の距離です。はワイヤ間の絶対誘電率です。は絶対透磁率です。はワイヤ間の表面導電率です。ワイヤの表面抵抗は次のように表されます。 ${\displaystyle \ d\ }$${\displaystyle \ D\ }$${\displaystyle \ \epsilon \ }$${\displaystyle \ \mu \ }$${\displaystyle \ \sigma \ }$

${\displaystyle R_{\mathsf {s}}={\sqrt {{\frac {\ \pi \ f\ \mu _{\mathsf {c}}\ }{\sigma _{\mathsf {c}}}}\;}}~.}$

配線抵抗と漏れコンダクタンスを無視すると、 ${\displaystyle \ R\ }$${\displaystyle \ G\ ,}$

${\displaystyle Z_{\mathsf {o}}={\frac {\zeta _{\mathsf {o}}}{\ \pi {\sqrt {\varepsilon _{\mathsf {R}}\ }}\ }}\ \operatorname {arcosh} \left({\frac {\ D\ }{d}}\right)={\frac {\zeta _{\mathsf {o}}}{\ \pi {\sqrt {\varepsilon _{\mathsf {R}}\ }}\ }}\ \ln \!{\Biggl [}\left({\frac {\ D\ }{d}}\right)\!\left(1+{\sqrt {\ 1-\left({\tfrac {d}{\ D\ }}\right)^{2}~}}~\right){\Biggr ]}\ }$^[5]

${\displaystyle \quad ={\frac {\zeta _{\mathsf {o}}}{\ \pi {\sqrt {\varepsilon _{\mathsf {R}}\ }}\ }}\ {\Biggl [}\ \ln \left({\frac {\ 2\ D\ }{d}}\right)+\ln \left[\ {\tfrac {\ 1\ }{2}}\left(\ 1+{\sqrt {1-\left({\tfrac {d}{\ D\ }}\right)^{2}~}}\;\right)\right]{\Biggr ]}\ }$

${\displaystyle \quad ={\frac {\zeta _{\mathsf {o}}}{\ \pi {\sqrt {\varepsilon _{\mathsf {R}}\ }}\ }}\left[\ \ln \left({\frac {\ 2\ D\ }{d}}\right)-\left({\frac {d}{\ 2\ D\ }}\right)^{2}-\operatorname {\mathcal {O}} \left\{\left({\tfrac {d}{\ 2\ D\ }}\right)^{4}\right\}\ \right]}$

${\displaystyle \quad \approx {\frac {\ 119.92\ {\mathsf {\Omega }}\ }{\sqrt {\varepsilon _{\mathsf {R}}\ }}}\left[\ln \left({\frac {\ 2\ D\ }{d}}\right)-\left({\frac {d}{\,2\,D\,}}\right)^{2}\right]\approx {\frac {\ 119.92\ {\mathsf {\Omega }}\ }{\sqrt {\varepsilon _{\mathsf {R}}\ }}}\ \ln \left({\frac {\ 2\ D\ }{d}}\right)~.}$

ここで、は自由空間のインピーダンス（約 376.74 Ω）、 は比誘電率（空気の場合は1.00054 ）です。 ${\displaystyle \ \zeta _{\mathsf {o}}\ }$${\displaystyle \ \varepsilon _{\mathsf {R}}\ }$

分離がワイヤ直径よりも何倍も大きい場合、 arcosh関数は近似的に自然対数(引数を 2 倍にした関数)に置き換えることができます。 ${\displaystyle \ D\ }$${\displaystyle \ d\ }$  

${\displaystyle Z_{\mathsf {o}}={\frac {119.92\ {\mathsf {\Omega }}}{\ {\sqrt {\varepsilon _{\mathsf {R}}\ }}\ }}\ \operatorname {arcosh} \left({\frac {\ D\ }{d}}\right)\approx {\frac {\ 119.92\ {\mathsf {\Omega }}\ }{\ {\sqrt {\varepsilon _{\mathsf {R}}\ }}\ }}\ \ln \left({\frac {\ 2\ D\ }{d}}\right)\approx {\frac {\ 276.13\ {\mathsf {\Omega }}\ }{\sqrt {\varepsilon _{\mathsf {R}}\ }}}\ \log _{10}\left({\frac {\ 2\ D\ }{d}}\right)~.}$^[6]

したがって、一対の電線を通して 所定の特性インピーダンスを達成するために必要な分離の正確な近似式は次のようになる。${\displaystyle \ Z_{\mathsf {o}}\ }$

${\displaystyle D=d\ \cosh \left({\frac {\ \pi \ Z_{\mathsf {o}}{\sqrt {\varepsilon _{\mathsf {R}}\ }}\ }{\zeta _{\mathsf {o}}}}\right)\approx {\tfrac {\ 1\ }{2}}\ d\ \exp \left({\frac {\ Z_{\mathsf {o}}{\sqrt {\varepsilon _{\mathsf {R}}\ }}\ }{\ 119.92\ {\mathsf {\Omega }}\ }}\right)~.}$

ツインリードまたはラダーラインのいずれかの 2 つの導体間の誘電体は、すべて空気ではありません。一部が空気で一部がポリエチレンまたはその他のプラスチックである「混合」誘電体の影響により、実際のインピーダンスは、すべて空気またはすべてポリエチレンであると仮定して計算された値の間のどこかになります。慎重に測定または公開された値は、通常、数式から推定される値よりも正確です。 ${\displaystyle \ Z_{\mathsf {o}}\ }$

ツインリードは、適切に設計されたアンテナに直接接続できます。

ウィンダムアンテナ

共振インピーダンスが周囲に集中する多重共振アンテナ300Ω。

折り畳み双極子

自由空間での特性インピーダンスが約300Ω。

双極子

共振時の中心インピーダンスはおよそ自由空間では73Ωですが、実際の使用では地上からの高さに応じて30 ～ 100 Ωなので、高インピーダンスの給電線では T マッチまたは Y マッチの給電が必要になる可能性があります。

八木宇田アンテナ

八木アンテナやより単純なモクソンアンテナ、その他の指向性アンテナでは、通常、近接した並列の近共振アンテナセグメント間の干渉によって給電点の抵抗が低くなり、アンテナの指向性が強くなるため、ケーブル配線には給電点での特別なインピーダンス整合配置が必要です。

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