不均衡なライン

電気通信および電気工学全般において、不平衡線路とは、長さに沿って、また接地や他の回路に対して不均等なインピーダンスを持つ、電気信号を運ぶための一対の導体のことです。不平衡線路の例としては、同軸ケーブルや、電信用に発明されたが現在ではほとんど使用されていない歴史的なアースリターンシステムなどがあります。不平衡線路は、線路全体のインピーダンスバランスを保つために 2 本の同一導体を使用するツインリード線やツイストペア線などの平衡線路とは対照的です。平衡線路と不平衡線路は、バランと呼ばれるデバイスを使用して接続できます。

アンバランス ライン形式の主な利点は、コスト効率です。ラインごとに 1 つの導体と、通常はケーブル シールドである 1 つの共通リターン導体を使用して、同じケーブルで複数のアンバランス ラインを提供できます。同様に、複数のマイクロストリップ回路はすべて、リターン パスに同じグランド プレーンを使用できます。これは、ラインごとに 2 つの導体 (ほぼ 2 倍) を必要とするバランス ケーブル配線とよく似ています。アンバランス ラインのもう 1 つの利点は、正しく動作するために高価なバランス ドライバおよびレシーバ回路を必要としないことです。

アンバランス ラインはシングルエンド信号と混同されることがあります。しかし、これらは完全に別の概念です。前者はケーブル配線方式で、後者は信号方式です。ただし、シングルエンド信号は一般にアンバランス ラインで送信されます。アンバランス ラインは、リターン パスをまったく使用しない 単線伝送ラインと混同しないでください。

リターン パスのインピーダンスが異なるラインはすべて、不平衡ラインと見なすことができます。ただし、不平衡ラインは通常、信号ラインと見なされる導体と、接地されているか、それ自体が接地されている別の導体で構成されます。接地導体は、多くの場合、グランド プレーンまたはケーブルのシールドの形をとります。接地導体は、複数の独立した回路に共通である場合があり、多くの場合、共通です。このため、接地導体は共通と呼ばれることがあります。

不平衡伝送線路が最も早く使用されたのは、電信通信であった。これらは、柱間に張られた単線で構成されていた。電流の戻り経路は、もともと別の導体によって提供されていた。シリングの1832年の実験的な針電信や、イギリスの鉄道で使用された1837年のクックとホイートストンの5針電信など、初期の電信システムには、複数のコード線が必要だった。基本的に、これらは並列バス符号化であった。これらのシステムでは、戻り導体のコストはそれほど大きくなかったが（シリングの初期の針電信^[1]では7本に1本の導体、クックとホイートストンの電信^{[2]では6本に1本の導体）、符号化導体の数はシステムの改良とともに徐々に削減されていった。すぐに、データが}シリアルに送信される1本のコード線のみが必要になった。これらの単線システムの重要な例としては、モールス電信（1837年）とクックとホイートストンの単針電信（1843年）がある。このようなシステムでは、リターン導体のコストはケーブルコストの 50 パーセントを占めていました。アース スパイクを使用して、リターン導体をアースを通るリターン パスに置き換えることができることが発見されました。アースリターンを使用するとコストが大幅に削減され、急速に標準になりました。

大きな建物や駅間の地下電信ケーブルは、複数の独立した電信線を運ぶ必要がある場合が多かった。これらのケーブルは、金属スクリーンと全体の保護ジャケットで覆われた複数の絶縁導体の形をとった。このようなケーブルでは、スクリーンは戻り導体として使用できる。海底電信ケーブルは通常、鋼線の外装で保護された単一の導体で、実質的には同軸ケーブルである。この種の最初の大西洋横断ケーブルは 1866 年に完成した。

初期の電話回線 (電話は 1876 年に発明されました) では、不平衡単線電信と同じ伝送回線方式が使用されていました。しかし、電力線が広く導入されてから、電話通信に支障が出始めました。この問題に対処するために、電話伝送では平衡回線が使用されるようになり、現代の電話伝送の標準は平衡ツイストペアケーブルです。

同軸線路(coax) には、中央の信号導体があり、その周囲を円筒形のシールド導体が取り囲んでいます。シールド導体は通常、接地されています。同軸形式は、第二次世界大戦中にレーダーで使用するために開発されました。元々は硬い銅管で作られていましたが、今日では編組スクリーンを備えた柔軟なケーブルが一般的な形状です。同軸の利点は、理論的に完璧な静電スクリーンと、予測可能な伝送パラメータです。後者は、形式の固定された形状によるもので、ルーズワイヤでは得られない精度をもたらします。オープンワイヤシステムは、近くの物体によって導体の周囲の電界パターンが変化することによっても影響を受けます。同軸では、周囲のスクリーンによって電界がケーブル内に完全に含まれるため、この問題は発生しません。

同軸線は、無線送信機とそのアンテナ間の接続、高周波以上の周波数が関係する電子機器の相互接続の標準であり、ツイストペアがこの目的で普及する以前は、 ローカル エリア ネットワークの形成に広く使用されていました。

トライアキシャル ケーブル(トライアックス) は、第 1 シールド導体を第 2 シールド導体で囲み、その間に絶縁層を挟んだ同軸ケーブルの一種です。追加のシールドを提供するだけでなく、外部導体は機器への電力供給や制御信号の供給など、他の目的にも使用できます。トライアックスは、テレビ スタジオのカメラ接続に広く使用されています。

プレーナ形式の伝送線路は、基板上にさまざまな技術で製造された平らな導体です。これらはほぼ常に不平衡形式です。初期の電信の低伝送速度では、伝送が数マイルに及ぶ場合にのみ、回路設計で伝送線路理論を考慮する必要がありました。同様に、電話で使用されるオーディオ周波数は比較的低く、伝送線路理論が重要になるのは、少なくとも建物間の距離のみです。ただし、より高い無線周波数やマイクロ波周波数では、伝送線路の考慮は、数センチメートルの問題であるデバイス内部で重要になる場合があります。現代のコンピュータプロセッサで処理される非常に高いデータレートでは、伝送線路の考慮は、個々の集積回路内部でも重要になる場合があります。プレーナ技術は、このような小型アプリケーション向けに開発されたものであり、長距離伝送にはあまり適していません。

ストリップライン

ストリップラインは、導体の上下にグランドプレーンがある平らな導体です。2 つのグランドプレーン間の空間が誘電体で完全に満たされているストリップラインのバリエーションは、トリプレートと呼ばれることがあります。ストリップラインは、伝送線路パターンをプリント基板にエッチングすることで製造できます。この基板の下部は銅で完全に覆われており、下部グランドプレーンを形成します。2 つ目の基板を最初の基板の上に固定します。この 2 つ目の基板は、下部にパターンがなく、上部がプレーンな銅で、上部グランドプレーンを形成します。2 つの基板の周囲に銅箔のシートを巻き付けて、2 つのグランドプレーンを電気的にしっかりと結合する場合もあります。一方、レーダーなどの高出力用途のストリップラインは、周期的な誘電体サポート (基本的には空気誘電体) を備えた固体金属ストリップとして作られる可能性が高くなります。

マイクロストリップ

マイクロストリップはストリップラインに似ていますが、導体の上が開いています。伝送線路の上には誘電体やグランドプレーンはなく、線路の下には誘電体とグランドプレーンだけがあります。マイクロストリップは、プリント基板の確立された製造技術を使用してマイクロストリップコンポーネントを製造できるため、特に家庭用製品で人気の形式です。したがって、設計者は個別のコンポーネント回路とマイクロストリップコンポーネントを混在させることができます。さらに、基板はいずれにせよ製造する必要があるため、マイクロストリップコンポーネントには追加の製造コストがかかりません。コストよりもパフォーマンスが重要なアプリケーションでは、プリント基板の代わりにセラミック基板を使用できます。マイクロストリップには、ストリップラインに比べてもう 1 つ小さな利点があります。同じインピーダンスの場合、マイクロストリップの線路幅は広く、したがって、高インピーダンス線路では製造公差と最小幅はそれほど重要ではありません。マイクロストリップの欠点は、伝送モードが完全に横方向ではないことです。厳密に言えば、他のモードが存在するため、標準的な伝送線路解析は適用されませんが、使用可能な近似値になります。

集積回路

集積回路内の接続は通常平面であるため、平面伝送線路は、必要な場合に自然な選択です。伝送線路が最も必要とされるのは、マイクロ波集積回路(MIC) です。MIC の製造にはさまざまな材料と技術が使用され、伝送線路はこれらの技術のいずれかで形成できます。

平面伝送線路は、単にコンポーネントやユニットを接続する以上の用途に使用されます。それ自体がコンポーネントやユニットとして使用できます。あらゆる伝送線路形式をこのように使用できますが、平面形式ではこれが主な目的となることがよくあります。伝送線路によって実装される一般的な回路ブロックには、フィルター、方向結合器と電力スプリッター、インピーダンス整合などがあります。マイクロ波周波数では、個別のコンポーネントは非現実的なほど小さくする必要があり、伝送線路ソリューションが唯一の実行可能なソリューションです。一方、オーディオアプリケーションなどの低周波数では、伝送線路デバイスは非現実的なほど大きくなります。

電力の配電は通常、平衡型三相送電方式で行われます。ただし、比較的少量の電力しか必要としない遠隔地では、単線アースリターンシステムが使用されることもあります。

• Huurdeman, Anton A., The Worldwide History of Telecommunications、John Wiley & Sons、2003年ISBN  0471205052。
• Curran, JE; Jeanes, R.; Sewell, H、「薄膜ハイブリッドマイクロ波回路の技術」、IEEE Transactions on Parts, Hybrids, and Packaging、第 12 巻、第 4 号、1976 年 12 月。