本発明の実施形態に係る配線(ツイストペ アケーブル)10について図1を参照して説明す� �。

 本実施形態に係るツイストペアケーブル1 0は、図1(a)及び(b)に示すように、心線11と、� �1の被覆材12と、第2の被覆材13と、シールド� �14と、外皮材15と、から構成される。本ツイ� ��トペアケーブル10の特性インピーダンスは� �約135ω以上となるよう形成され、好ましくは 200ωに形成される。

 心線11は、例えば、銅などの電気伝導性素� �から構成され、2本の線を撚り合わせたツイ� ��ト状に形成される。心線11の直径D1は、約0.2 mm~0.4mmであり、好ましくは0.3mmである。心線11 のピッチD2は、約9mm~11mmであり、好ましくは10 .3mmである。2本の心線11の間隔D3は、約1.2mm~1.4 mmであり、好ましくは1.36mmである。
 なお、ツイストペアケーブル10の長さが100m� ��度の場合には、心線11のピッチD2は10.3mm±0.4m mとすることが好ましい。また、ツイストペ� �ケーブル10の長さが200m以上の場合には、10.3m m±0.2mmとすることが好ましい。

 第1の被覆材12は、例えば、ポリ塩化ビニ� ��、フッ素樹脂、テフロン(登録商標)などの� �縁性素材から構成され、2本の心線11をそれ� �れ覆い、2本の心線をそれぞれ離間させるよ� ��形成される。第1の被覆材12の被誘電率は3以 下であって、誘電体による伝送損失の低い素 材であることが好ましい。第1の被覆材12の厚 さ(肉厚)を変化させて心線11の間隔D3を広げる ことにより、ツイストペアケーブル10の特性� ��ンピーダンスを高くすることができる。

 第2の被覆材13は、第1の被覆材12と同様に� ��縁性素材から構成され、心線11を被覆した� �1の被覆材12を覆うように形成される。第2の� ��覆材13による絶縁により、ツイストペアケ� �ブル10は、後述するTEMモード伝送を維持する ことができる。また、第1の被覆材12を形成せ ずに第2の被覆材13のみによって心線の間隔D3� ��調節することにより、特性インピーダンス� ��高くすることもできる。なお、第2の被覆材 13と第1の被覆材12とは同一の絶縁性素材であ� ��が、異なる絶縁性素材とすることもできる� ��

 シールド材14は、例えば、銅などの電磁� �を遮蔽する金属素材から構成され、第2の被� ��材13を覆うように形成される。シールド材14 は、心線11から中空に放射されるエバーネッ� ��ント波を遮蔽することにより、当該エバー� ��ッセント波のエネルギーをシールド材14内� �閉じ込め、伝送損失を減少させる。シール� �材14の厚さ(肉厚)は、エバーネッセント波を� ��蔽することができれば、任意である。

 外皮材15は、例えば、ゴム、ガラス繊維� �どの可撓性を有する絶縁性素材から構成さ� �、シールド材14等を覆い保護するために形成 される。外皮材15の厚さ(肉厚)は任意である� �また、外皮材15は、水、油などが外皮材15内� ��浸入するのを防ぐために、シールド材14等� �密閉する形状とすることもできる。

 次に、TEM波及びエバーネッセント波の発� ��原理について図2を参照して説明する。

 TEM波は、電磁波が信号の進行方向とその� ��行方向に垂直な方向とに同時に光速で進行� ��るため、図2(a)に示すように、45度の立体角� ��有するコーン状(円錐状)に発生し、進行す� �。また、TEM波は、信号の進行経路から絶え� �なく発生するため、TEM波の後続波も発生す� �。本実施形態において、信号の進行経路は� �線11であるため、TEM波は心線11から発生する� ��

 エバーネッセント波は、図2(b)に示すよう に、TEM波とTEM波の後続波との位相がずれて干 渉することにより発生する。エバーネッセン ト波は、TEM波に直交する方向に発生する。つ まり、エバーネッセント波は、信号の進行方 向に対して立体角45度で中空に放射される。� ��バーネッセント波はTEM波の進行工程におい� ��次々と発生するため、当該エバーネッセン� ��波の累積エネルギーは、伝送中の信号の減� ��に比べて無視できないものとなる。なお、� ��バーネッセント波は心線11のカップリング� �弱まることにより増幅される。

 次に、伝送経路である通常のツイストペ� ��ケーブル(例えば、カテゴリ6の0.5mmφの銅線L ANケーブル)と本実施形態のツイストペアケー ブル10におけるTEM波及びエバーネッセント波� ��進行工程を図3に示す。図3では、心線11を簡 易的に並行線路として示す。まず、伝送波(TE M波)が進行するモード(状態)について説明す� �。

 伝送線路周辺が空気で満たされた理想的� ��ペア伝送線路では、当該ペア伝送線路周辺� ��誘電率は均質となる。よって、発生する電� ��界は、伝送波の進行方向に対して直角方向� ��形成される。この場合、電磁界の広がりが� ��れないため、伝送波は光速で進行する。こ� ��状態をTEMモード伝送という。

 一方、ペア伝送線路の間に比誘電率が1以 上の絶縁物が挟まれた場合には、電磁界の広 がりが崩れる。よって、空気中に比べ伝送波 の進行が遅れることにより、遅延波が発生す る。この状態を疑似TEMモード伝送という。TEM 波は疑似TEMモード伝送では大きく減衰する。

 TEM波は、図3(a)及び(b)に示すように、心線11� ��沿って進行する。
 一方、TEM波の進行方向に対して立体角45度� �中空に放射されたエバーネッセント波は、� �ールド効果によって45度反射を繰り返しなが ら進行する。

 通常のツイストペアケーブルの特性イン� ��ーダンスは100ω以下であり、心線11の間のカ ップリングは強くなる。従って、図3(a)に示� �ように、エバーネッセント波は弱められる� �また、通常のツイストペアケーブルには第2� ��被覆材13がないため、疑似TEMモード伝送と� �る。疑似TEMモード伝送の場合、TEM波とエバ� �ネッセント波との位相がずれる。

 一方、本実施形態のツイストペアケーブ� ��10の特性インピーダンスは135ω以上であり、 心線11の間のカップリングは弱められている� ��従って、図3(b)に示すように、エバーネッセ ント波は強められる。また、ツイストペアケ ーブル10は第2の被覆材13を備えるため、TEMモ� ��ド伝送となる。TEMモード伝送において、TEM� ��とエバーネッセント波との実効長を一致さ� ��ることにより、位相が整合する。

 次に、伝送経路における入力波(入力信号 )と受信波(受信信号)との関係について図4を� �照して説明する。

 まず、入力波(入力信号)が出発端から伝� �経路に供給されることにより、TEM波とエバ� �ネッセント波とが発生する。そして、波形� �伝搬に要する一定の時間が経過した後、TEM� �とエバーネッセント波とが受信端で受信波(� ��信信号)として観測される。

 TEM波は伝送経路で減衰するため、受信波形� ��立ち上がりはなだらかとなる。
 一方、エバーネッセント波はTEM波と位相が� ��合するか否かにより、受信端での波形は変� ��する。TEM波が受信端に到達する時刻をT1と� �、伝送線路の出発端で発生した最も到達の� �いエバーネッセント波が受信端に到達する� �刻をT2maxとし、エバーネッセント波の受信端 での電圧をV2とする。エバーネッセント波の� ��積電圧は、V2/(T2max-T1)となる。従って、T2max� ��次の入力波形(入力信号)の立ち下がりのタ� �ミング以降となると、エバーネッセント波� �雑音源となる。
 合成波は、TEM波とエバーネッセント波との� ��成であるため、エバーネッセント波の減衰� ��少ない場合には、合成波の減衰も少なくな� ��。

 通常のツイストペアケーブルにおいて発� ��したエバーネッセント波の受信波形は、図4 (a)に示すように、シールド効果がないため累 積(重畳)されず、受信端で低い矩形波として� ��測される。このため、TEM波とエバーネッセ� ��ト波との合成波形も減衰した波形となる。

 一方、本実施形態のツイストペアケーブ� ��10において発生したエバーネッセント波は� �図4(b)に示すように、シールド材14等による� �ールド効果及びTEM波との位相整合により、� �常のツイストペアケーブルに比べ減衰が少� �い。つまり、エバーネッセント波の受信波� �は、伝送経路の進行過程において積算され� �ほとんど減衰しないで立ち上がる。このた� �、合成波の減衰も少ない。

 以下に、TEM波とエバーネッセント波との� ��効長を一致させる(位相を整合させる)方法� �ついて、具体例を示して説明する。

 実効長Lと線路長L ₀ との関係式を以下の式(1)に示す。
L=L ₀ (1+(1/D2)×π×D3) (1)
ただし、長さの単位はm(メートル)とする。

 通常のツイストペアケーブルにおいて、線� ��長(ケーブル長)L ₀ =100m、心線の直径D1=0.5mm、心線のピッチD2=8.25m mから12.85mm、心線の間隔D3=1mmとする。式(1)よ� ��TEM波の実効長Lは、124.4mから138mとなる。ま� �、エバーネッセント波の実効長は、図3(a)に� ��すように45度の多重反射を繰り返すため、14 1.4m(=100m×√2)となる。従って、通常のツイス� ��ペアケーブルでは、TEM波とエバーネッセン� ��波との実効長が異なるため位相は異なる。

 さらに、絶縁物の比誘電率=2.2とした場合、 伝送速度=2.0×10 ⁸ m/s(=3.0×10 ⁸ /√2.2)となる。従って、発信端から受信端ま� ��のTEM波の伝送時間T1は、622nsから690nsとなる� ��また、エバーネッセント波の伝送時間T2は� �T1から707nsとなる。従って、TEM波とエバーネ� ��セント波との伝送時間の最小差は、17nsとな る。
 つまり、ギガヘルツ帯の高周波信号を伝送� ��る場合には、100ps程度以内のスキューが問� �となるため、通常のツイストペアケーブル� �はエバーネッセント波がノイズとなる。

 一方、本実施形態に係るツイストペアケー� ��ル10において、線路長(ケーブル長)L ₀ =100m、心線11の直径D1=0.3mm、心線11のピッチD2=1 0.3mm、及び、心線11の間隔D3=1.36mmに設定され� �いる。従って、式(1)より、ツイストペアケ� �ブル10におけるTEM波の実効長Lは、141.4m(=L ₀ ×√2)なる。また、ツイストペアケーブル10に おけるエバーネッセント波の実効長は、図3(b )に示すように45度の多重反射を繰り返すため 、141.4mとなる。従って、本実施形態に係るツ イストペアケーブル10では、TEM波とエバーネ� ��セント波との実効長が一致するため、位相� ��整合する。
 また、TEM波とエバーネッセント波の実効長� ��一致するため、伝送時間も一致する。従っ� ��、本実施形態のツイストペアケーブル10で� �、エバーネッセント波がノイズとなること� �ない。

 なお、1GHzの信号を伝送する場合には1ク� �ックは1nsである。このためツイストペアケ� �ブル10が100mの線路では、心線のピッチD2=10.3m m±0.4mmとする必要がある。また、200mの線路で は、D2=10.3mm±0.2mmとする必要がある。

 以上説明したように、シールド効果によ� ��エバーネッセント波の減衰を防ぎ、また、T EM波とエバーネッセント波との位相を整合さ� ��ることにより、伝送の減衰を減らし、ギガ� ��ルツ帯の高周波信号を伝送することができ� ��。

 なお、本発明は上記実施の形態に限定さ� ��ず、種々の変形及び応用が可能である。

 例えば、ツイストペアケーブル10の特性� �ンピーダンスを約200ωに形成できれば、心線 11の直径D1等を任意に変更してよい。また、� �イストペアケーブル10の特性インピーダンス は200ω以上とすることもできる。

 また、外力からの緩衝を和らげるための� ��衝材を外皮材15の内側又は外側に設けても� �い。

 また、ツイストペアケーブル10を複数本� �り合わせることにより、2本より多い心線11(� ��線)を備えたケーブルとしてもよい。

 また、本出願は、2008年1月31日にされた日 本国特許出願特願2008-20869号に基づく。本明� �書中に、それらの明細書、特許請求の範囲� �図面全体を参照として取り込むものとする� �