트윈 리드

섬네일|300 Ω 트윈 리드

트윈 리드() 케이블은 무선주파수(RF) 신호를 전달하기 위한 밸런스트 전송선로로 사용되는 두 도체 평면 케이블이다. 두 가닥의 연선 구리선, 또는 단단한 구리 클래드 강선으로 구성된다. 이 선들은 무선 주파수에서 좋은 절연체인 플라스틱 리본(일반적으로 폴리에틸렌)에 의해 일정한 거리를 유지한다. 또한 (두 선) 리본 케이블이라고도 불린다. 선들 사이의 균일한 간격은 케이블이 전송선로로서 기능하는 데 핵심이다. 간격의 갑작스러운 변화는 신호의 일부가 통과하지 않고 소스로 반사되도록 할 수 있다. 플라스틱은 또한 선들을 덮고 절연시킨다.

‘트윈 리드’라는 이름은 가장 흔한 유형인 300 Ω (옴) 리본 케이블을 특히 지칭하는 데 가장 자주 사용되지만, 때로는 트윈 리드가 모든 유형의 평행선로를 지칭하는 데 사용되기도 한다. 평행선로는 트윈 리드 리본 케이블(300 Ω), 윈도우 라인(300 Ω, 350 Ω 또는 450 Ω), 그리고 오픈 와이어 라인 또는 래더 라인(500~650 Ω)과 같이 여러 가지 특성 임피던스 값을 가진다.

트윈 리드는 주로 단파 및 초단파 주파수에서 무선 수신기 및 송신기를 안테나에 연결하기 위한 안테나 피드라인으로 사용된다. 이 주파수에서 주요 대안 피드라인 유형인 소형 유연성 동축 케이블보다 훨씬 낮은 신호 손실을 가질 수 있다. 예를 들어, RG-58 동축 케이블은 30 MHz에서 당 6.6 dB를 손실하지만, 300 Ω 트윈 리드는 0.55 dB만 손실한다.
300 Ω 트윈 리드는 FM 라디오를 안테나에 연결하는 데 널리 사용되며, 이전에는 텔레비전 안테나를 텔레비전에 연결하는 데 사용되었으나 동축 케이블로 대체되었다. 그러나 간섭에 더 취약하다. 금속 물체에 가까이 있으면 더 편리하고 인기 있는 동축 케이블에 의해 차단될 수 있는 신호가 모든 유형의 평행선로에 유입될 수 있다. 따라서 빗물받이 주변에 간격을 두어야 하고, 금속 울타리, 외부 벽면, 금속 지붕에서 떨어져 있어야 하며, 금속 안테나 마스트에 설치할 때는 스탠드오프 절연체에 장착해야 한다.

 특성 및 용도 
섬네일|alt=300 Ω 트윈 리드의 스케치|300 Ω 트윈 리드의 한 조각.
트윈 리드 및 기타 유형의 평행 도체 전송선로는 주로 무선 송신기 및 무선 수신기를 안테나에 연결하는 데 사용된다. 평행 전송선로는 단위 길이당 손실이 주요 대안 형태의 전송선로인 동축 케이블보다 한 자릿수 작다는 장점이 있다. 단점은 간섭에 더 취약하며, 전력 손실 및 임피던스 왜곡(따라서 후방 반사파)을 유발할 수 있는 금속 물체로부터 멀리 떨어져 있어야 한다는 것이다. 이러한 이유로 건물 외부에 설치하거나 안테나 마스트에 설치할 때에는 스탠드오프 절연체를 사용해야 한다. 또한 긴 독립형 길이의 트윈 리드를 꼬아서 라인에 유도되는 불균형을 더욱 평균화하는 것이 일반적이다.

평행선로(트윈 리드의 일반적인 의미)는 여러 가지 다른 크기로 제공되며, 특성 임피던스 값은 다음과 같다.
 600 Ω, 500 Ω (래더 라인),
 450 Ω, 350 Ω (윈도우 라인),
 300 Ω (윈도우 라인, 리본 케이블),
 75 Ω (리본 케이블).
300 Ω 트윈 리드 리본 케이블은 20세기 중반에 가장 흔한 유형으로, 텔레비전 세트와 FM 라디오를 수신 안테나에 연결하는 데 널리 사용되었다. 20세기 중반 마지막 분기부터 300 Ω 트윈 리드 리본 케이블은 텔레비전 설치에서 75 Ω 동축 케이블로 대부분 대체되었다. 여러 형태의 평행선로는 아마추어 무선국에서 무선주파수 신호의 밸런스트 전송을 위한 피드라인으로 사용되며, 트윈 리드 리본 케이블 대신 주로 450 Ω 윈도우 라인으로 사용된다.

트윈 리드의 특성 임피던스는 절연 재료와 그 두께, 그리고 선의 직경과 간격에 따라 달라진다. 가장 일반적인 유형인 300 Ω 트윈 리드 리본 케이블에서는 선이 일반적으로 AWG 20 또는 22(0.52 또는 0.33 mm²)이며, 약 떨어져 있다.
이는 일반적으로 약 275 Ω인 폴디드 다이폴 안테나의 자연 임피던스와 잘 일치한다. 트윈 리드는 일반적으로 다른 일반적인 전송 배선인 동축 케이블(코악스)보다 높은 임피던스를 갖는다. 널리 사용되는 RG-6 동축 케이블은 75 Ω의 특성 임피던스를 가지므로, 일반적인 안테나 유형과 함께 사용할 때 임피던스를 맞추기 위해 발룬을 사용해야 한다.

 작동 방식 
섬네일|left|오른쪽에 트윈 리드 리본 케이블이 보이는 300-75 Ω 발룬

트윈 리드(리본 케이블의 특정 의미에서)는 평행선 밸런스트 전송선로의 한 형태이다. 트윈 리드의 두 선 사이의 간격은 선에 전달되는 파장에 비해 작다. 한 선의 RF 전류는 다른 선의 RF 전류와 크기는 같고 방향은 반대이다. 따라서 전송선로에서 멀리 떨어진 원거리장 영역에서 한 선에서 방사되는 전파는 다른 선에서 방사되는 파동과 크기는 같지만 위상이 반대(180° 위상차)이므로 중첩되는 반대파는 서로 상쇄된다. 그 결과 선에서 거의 순 무선 에너지가 방사되지 않는다.

마찬가지로, 모든 방해 외부 전파는 두 선에 동일한 임피던스를 유지하는 한, 같은 방향으로 이동하는 동일한 동위상 RF 전류를 유도한다. 목적지 끝의 부하는 선에 걸쳐 연결되어 있으므로, 명목상으로는 선의 차등적이고 반대 방향의 전류만 부하에 전류를 생성한다. 따라서 방해 전류는 상쇄되므로 트윈 리드는 무선 노이즈를 포착하는 경향이 없다.

그러나 금속 조각이 트윈 리드 라인에 충분히 가까이, 즉 선 간격과 비슷한 거리에 위치하면 다른 선보다 한 선에 훨씬 더 가까워진다. 결과적으로 한 선에 의해 금속 물체에 유도된 RF 전류는 다른 선에 의해 유도된 반대 전류보다 커지므로 전류가 더 이상 상쇄되지 않는다. 따라서 근처의 금속 물체는 유도 전류에 의해 열로 소산되는 에너지를 통해 트윈 리드 라인에서 전력 손실을 유발할 수 있다. 마찬가지로, 트윈 리드 라인 근처에 위치한 케이블이나 금속 물체에서 발생하는 무선 노이즈는 선에 불균형 전류를 유도하여 노이즈를 라인에 결합할 수 있다. 따라서 이 라인은 금속 지붕이나 측면, 가정용 배선, 배수로, 안테나 마스트와 같은 금속 물체로부터 일정한 거리를 유지해야 한다.

선의 부하 끝에서 전력이 반사되어 높은 SWR과 비효율을 유발하는 것을 방지하기 위해, 부하는 선의 특성 임피던스와 일치하는 온저항을 가져야 한다. 이는 부하가 선의 연속과 전기적으로 동일하게 보이게 하여 반사를 방지한다. 마찬가지로, 선에 효율적으로 전력을 전송하기 위해 소스 또한 특성 임피던스와 일치해야 한다. 밸런스트 전송선로를 동축 케이블과 같은 불균형 선에 연결하려면 발룬이라는 장치를 사용해야 한다.

 윈도우 라인 및 래더 라인 
트윈 리드 리본 케이블 외에도 두 도체 평행선로는 두 가지 추가 형태로 제공된다. 윈도우 라인과 래더 라인(일명 오픈 와이어 라인)이다.

 윈도우 라인 
섬네일|220px|right|alt=명목상 450 Ω 윈도우 라인|명목상 450 Ω "윈도우 라인". 선들 사이에 뚫린 구멍 중 하나가 "창"이다.
윈도우 라인은 트윈 리드 리본 케이블보다 더 부피가 큰 평행선로의 한 종류이다. 비슷한 넓이로 제작되었지만, 선들을 분리하는 폴리에틸렌 리본에는 규칙적인 간격으로 직사각형 구멍("창문")이 뚫려 있다.

리본에 "창문"을 뚫는 것의 장점 중 하나는 제조사가 컷팅 크기를 조절하여 피드라인의 전기적 특성을 미세 조정할 수 있다는 것이다. 창문은 라인을 가볍게 하고 먼지와 습기가 쌓일 수 있는 표면적을 줄여 윈도우 라인을 날씨로 인한 특성 임피던스 변화에 다소 덜 취약하게 만든다. 가장 일반적인 유형은 명목상 450 Ω 윈도우 라인으로, 도체 간격이 약 1인치()이다. 실제 임피던스는 400 Ω에 더 가까울 수 있다. 명목상 350 Ω 임피던스(실제로는 300 Ω에 더 가까울 수 있음)로도 제작된다.

 래더 라인 
섬네일|right|220px|alt=명목상 600 Ω 라인의 스케치|500–600 Ω 래더 라인 또는 오픈 와이어 라인. 선들 사이의 절연 스페이서가 사다리의 "가로대"이다.
래더 라인은 평행선로의 오래되고 단순한 형태로, 종종 오픈 와이어 라인이라고도 불린다. 이 구성은 밧줄 사다리처럼 생겼기 때문에 이러한 이름이 붙었다. 케이블 회사에서 이미 만들어진 것을 구입하거나 직접 만들 수도 있다. 제작은 쉬우나 번거롭고, 원래는 모든 아마추어 무선 애호가들이 직접 오픈 와이어 라인을 만들었다. 일반적으로 직류 절연체로 덮여 있거나 내구성 있는 래커로 코팅된 두 개의 선으로 구성되며, 절연 스페이서에 의해 일정한 거리를 유지한다.

섬네일|220px|alt=명목상 600 Ω 오버헤드|500–600 Ω 오픈 와이어 라인 또는 래더 라인이 고층 안테나에 전력을 공급한다.
"사다리 가로대" 스페이서는 편리한 절연 재료로 만들 수 있는데, 현재는 일반적으로 플라스틱 배관 파이프를 짧게 자른 조각을 사용하며, 이전에는 길고 얇은 세라믹 절연체나 방수 처리된 나무 다웰 스터브를 사용했다. "가로대"는 선들을 일정한 간격으로 유지하는데, 선과 원하는 임피던스에 따라 2~ 사이의 거리를 유지한다. 가로대는 약 간격으로 배치된다. 선 간격이 균일한지 확인하는 것이 중요하지만, 돌풍 시 간격이 거의 일정하게 유지되는 한 가로대 사이의 거리가 불규칙하더라도 상관없다.

선택된 선 간격과 선 직경의 비율은 선의 특성 임피던스를 결정하며, 일반적으로 500~600 Ω이지만, 선 절연체의 비유전율과 가로대 절연체의 전도성 손실(유의미한 경우)에도 따라 달라진다.
예를 들어, 500 Ω 선의 경우, 두 개의 노출 또는 래커 처리된 선은 선 개별 직경의 32배만큼 떨어져야 한다. 일반적인 ″ 직경 선()의 경우 약 이다. 선이 절연되어 있다면, 절연 플라스틱에 따라 간격이 약간 더 넓어야 할 수 있다. 600 Ω 평행선을 얻으려면 동일한 선을 간격으로 배치해야 한다. 600 Ω은 두꺼운 구리 클래드 강철 케이블 또는 단단한 알루미늄 또는 구리 파이프가 아닌 선으로 만든 전송선로의 실용적인 한계이다.

 임피던스 매칭 

전송선로로서, 안테나의 온저항, 트윈 리드 선의 특성 임피던스 및 장비의 임피던스가 동일할 때 전송 효율이 최대가 된다. 이러한 이유로, 가정용 텔레비전 안테나에서 텔레비전의 75 옴 동축 안테나 입력으로 연결되는 300 Ω 트윈 리드와 같이 동축 케이블 연결에 트윈 리드 선을 연결할 때, 4:1 비율의 발룬이 일반적으로 사용된다. 그 목적은 두 가지이다: 첫째, 트윈 리드의 300 Ω 임피던스를 75 Ω 동축 케이블 임피던스와 일치시키기 위해 변환하고; 둘째, 밸런스드 대칭 전송선로를 명목상 언밸런스드 동축 입력으로 변환한다. 일반적으로 피드라인으로 사용될 때 트윈 리드(특히 래더 라인 버전)는 피드라인과 소스(또는 싱크) 사이에 임피던스 불일치가 있을 때 동축 케이블보다 더 높은 효율을 갖는다. 수신 전용 사용의 경우 이는 시스템이 약간 덜 최적의 조건에서 통신할 수 있음을 의미할 뿐이지만, 전송 사용의 경우 전송선로에서 열로 손실되는 에너지가 훨씬 적을 수 있다.

트윈 리드는 또한 간단한 폴디드 다이폴 안테나를 만드는 편리한 재료로 사용될 수 있다. 이러한 안테나는 300 Ω 트윈 리드 피더를 사용하거나 300-75 Ω 발룬을 사용하여 동축 피드라인을 사용함으로써 급전될 수 있으며, 일반적으로 과열 없이 적당한 전력 부하를 처리할 수 있다.

 특성 임피던스 
트윈 리드 또는 래더 라인과 같은 평행선 전송선로의 특성 임피던스는 선의 직경 와 선의 간격 에 따라 달라진다. 이는 아래에 설명되어 있다.

주파수 또는 각주파수 에서 작동하는 모든 전송선로의 특성 임피던스 는 다음과 같이 주어진다.

여기서 트윈 리드 선의 기본 선 상수는 다음과 같다.

여기서 는 선의 직경이고 는 선의 중심선 사이의 간격이다. 은 선 사이의 절대 유전율이다. 는 절대 투자율이다. 는 선 사이의 표면 전도도이다. 그리고 선의 표면 저항은 다음과 같이 주어진다.

선의 저항 과 누설 컨덕턴스 를 무시하면 다음과 같다.

여기서 는 자유 공간의 임피던스(대략 376.74 Ω)이고, 는 비유전율(공기의 경우 )이다.

간격 가 선 직경 보다 여러 배 클 때, 함수는 대략 자연로그(인수를 두 배로 하여)로 대체될 수 있다.

주어진 특성 임피던스 를 얻기 위해 필요한 두 선 사이의 간격에 대한 정확한 및 근사 공식은 다음과 같다.

트윈 리드 또는 래더 라인의 두 도체 사이의 유전체 물질은 모두 공기가 아니다. 공기와 폴리에틸렌 또는 기타 플라스틱의 "혼합된" 유전체의 효과는 실제 임피던스가 모두 공기 또는 모두 폴리에틸렌이라고 가정한 값 사이에 있을 것이라는 점이다. 신중하게 측정되거나 공개된 값은 일반적으로 공식에 의한 추정치보다 더 정확하다.

 안테나 
트윈 리드는 적절히 설계된 안테나에 직접 연결될 수 있다.

 윈덤 안테나 공진 임피던스가 근처에 모여 있는 다중 공진 안테나.
 폴디드 다이폴 자유 공간에서 특성 임피던스가 약 인 이중선 다이폴.
 다이폴 안테나 공진 시 중심 임피던스는 자유 공간에서 약 이지만, 실제 사용에서는 지면 위 높이에 따라 사이에서 변동하므로, 고임피던스 피드라인을 사용할 경우 T-매치 또는 Y-매치 피드가 필요할 수 있다.
 야기 안테나 야기 안테나 및 더 단순한 목손 안테나, 기타 지향성 안테나들; 일반적으로 평행한 거의 공진 상태의 안테나 세그먼트 간의 근접 간섭으로 인해 낮은 급전점 저항과 함께 안테나를 더 지향적으로 만들기 때문에 모든 케이블 연결에 급전점에서 특정 임피던스 매칭 배열이 필요하다.

 각주 

분류:신호 케이블