TRX305の無線回路  (2015.2.15)




 光モノのSメータを完成したので、次なるステップはTX側です。まだ、受信も詰め切れていないところも多々あるのですが、一応、全体の構成を見切って、ケースインの構想までたどり着いたら、また、受信にもどってパラメータ精査というプロセスを踏みたいと考えています。ということで、まずは全体構成をどう考えるかが重要です。

 このTRX305はスタンドアローンで動くことはもちろん必須ではありますが、高IPフロントエンドを有する半導体アップコンバージョン機の1stIFでインターフェースすることも忘れてはいけません。なので、下記のような構成を考えてみました。



全体構成図



・単独使用時のSSB出力は10〜20WPEPとする。後続のリニアアンプ併用で200WPEPを目指す。AM時のサイドバンド出力はそれぞれ2.5〜5W、リニア時50Wということになります。
・周波数バンドは基本をHF(3.5,7,14,21,28)とし、拡張でHFのいずれのバンドも追加可能とする。
・TX部はできる限り直線性に配意する。
・受信トップのフィルタはローバンドでは近接妨害を受けないように急峻なものを用いる。
・IF=45MHzのRECEIVER/EXCITERとしても動作可能とする。この場合、半導体UPC機にインターフェースするので、この機械の設定できる全てのバンド(RX=3〜21MHzジェネラルカバレージ、TX=3.5,7,14,21,50の送受信が可能となる。


 と、けっこう欲張りな構想になります。このあと、どのように進むのかワカリマセンが、一応、最終形を念頭に置いて、今後は進めていきます。それでは順にモジュールを準備していきましょう。まずは、BPFからです。

<受信トップ/送信帯域制限BPF>

 このパートは受信系にとって、けっこう重要な部分になると思います。何せ、TRX305のA/DはたかだかVDD=3Vで動かしているので、過大な不要波がトップアンプやA/Dを歪ませないようにしないといけません。本当のことを言うなら、ここはBPFだけではなくてBPF+チューナブルな共振器で構成したいところです。そうなると、バンドごとにそれを用意するのは大変に大がかりになるので、今回は帯域外ができるだけ「切れる」BPFでやってみることにします。

 そうなると、もう選択肢は一択です。DWMさんに教えて戴いた直列共振形のBPFしかありません。いままでは、このBPFの場合、TXのスプリアス除去に多用してきて、3段で十分な減衰量が得られました。なので、殆どの機器では3段で済ませてありますが、今回はローバンドは4段にチャレンジしてみました。3.5と7は、近接妨害のレベルが強大なので、気休めかもしれませんが、段数を増やしてあります。14以上はそれほどシビアに考えず、実用上十分な減衰量の確保できる3段で構成してあります。

 比帯域ですが、以下のように1/10内外にしています。もう少し絞ることもできますが、ロスが増えてしまっては本も子もありませんし、素子感度があがってパッシブなのに不安定(温度変動とか?、まさかここで言われたようにパッシブ素子は発振しませんけど:大笑)になると困るので、このへんで固定しています。

 なお、ここで余談を少し。このMSDOS時代のBPF設計ソフトですが、WINDOWS-7の64ビット環境では残念ながら動きません。64ビットOSではX86の16ビットコードの実行をサポートしていないからだそうです。しかしながら、世の中には奇特な方もいらっしゃるようで、64ビットOS用のDOSエミュレータを作っていらっしゃる方を見つけました。ここのインストラクションに従って、このエミュレータを導入したので、64ビットOSでもDOSのプログラムを動かせるようになりました。これは素晴らしいと思います(拍手)。




実装図(4バンドの実験中)



 このように、コイルはトロイダルコアのT37-6、セラミックトリマー、シルバードマイカコンデンサで実現しました。SMコンデンサは、ここで手に入れたものを、今だに便利に使っています。特に、1000pFにもならんとする容量のコンデンサが大量に残っているのは、BPF/LPFを作るうえで大変に心強い限りです。このSMコンデンサは製造後何十年たってるか解りませんが、容量抜けもQの低下も少なく、素晴らしい製品ですね。以下、単独の特性を狭帯域と比較的広帯域で図示することにします。



広帯域 狹帯域
3.5MHz
7MHz
14MHz
21MHz
28MHz



 このように、事前にLCメータで素子の値をそろえておくと、大した労力を掛けなくても、驚くほどきれいな特性が得られます。但し、当然なことですが、このフィルタはディップメータだけでは絶対に実現不可能です。特に、周波数が高くなるとあらかじめ設計した素子の定数と実測値が近くても、フィルタとしての特性が乱れることも良くあります。こういう場合、VNAやTG+スペアナで調整結果が可視化できないと、特性を追い込むことは殆ど不可能です。私的には、この調整のためには、スイープ速度の速いTG+スペアナがVNWAより使い易いです。

 さて、ローバンドは4段で設計したので、かなり急峻な帯域外減衰量を得ることができました。もう少し、通過損失を覚悟で帯域を狭めることは可能ですが、まずはこのあたりをスタートポイントにしてみます。7MHz帯などは7.23MHzあたりに強力な糞放送がありますが、さすがにそういったモノに対してはこのフィルタであっても無力です。こんなヤツを抑圧するためには、LCフィルタでは無理で、Xtalフィルタの中心周波数を違えて連装するしかないということになりますが、そこまで頑張る元気は流石にありません(笑)。

 ハイバンドは、まぁ妨害も少ないので、あまり急峻という感じではありません。3素子なりの特性です。それでも、並列共振回路を微小Cで連接させるタイプのBPFよりは、減衰量は取れているはずです。このあたりは実運用を通じて評価をしてみようと思っています。

 最後に、これらをまとめて、いつものごとくリレーで切り替えるように実装してみました。心配なのは、通り抜けや共通アースの不完全性による帯域外減衰量の劣化ですが、それに関しては100MHzを超えるような領域から顕著にはなりますが、実際のHF帯で使う分には、殆ど気にする必要はないと判断しました。



リレー込みのBPF実装図




広帯域リーク特性(3.5MHz)




広帯域リーク特性(21MHz)


<プリドライバー&ドライバー>

 次はドライバーとPAですね。PAは昔遊んでいたSEPPが使えないか試してみたいですね。ということで、まずは、TRX-305の出力からPAをドライブできる利得を有するドライバー、プリドライバーを作らなくてはなりません。簡単にレベルダイヤグラムを見てみます。

 まぁ、レベルダイヤといってもPA出力が40〜43dBmなら、PA入力は30dBm以下くらいになるので、それとTRX305の出力の0dBm近辺をインターフェースすればいいわけです。なので、2段で30〜35dB程度のプリドライバーとドライバーがあれないいということになります。

 デバイスですが、PA入力が1W弱で十分なIMDを取る必要があるので、ドライバーは2SC1971、あるいは、もし力不足ならRD6HHF1かなぁ?プリドライバーはちょっと大きいですが、大量に在庫のある謎のトランジスタ(2SC8X1という噂ですが)で行ってみます。いずれもNFBを軽くかけて、HF帯域のフラット化を狙います。謎TRは利得が大きくオーバーオールで18dB、ドライバーで17dB〜という布陣になります。利得が余ったらATTを少し噛まして、段間を整合させて、発振の恐れを取り除くことにします。

 まずは、謎TRの部分ですが、以下の写真に見えるように実装します。ちょうどいい大きさの放熱器が余っていたので、プリドライバーとドライバーを一緒に搭載させることとします。





謎Tr1WAMPの実装図





VCC15V はVCC18Vに修正です

謎Tr1WAMPの回路図



 上記をみると、どうもこのTRはバイアスを加える時、BE間電圧が高くならないとダメらしく、バイアス用Diは2個用いて分圧しています。これは、どうもばらつきがあるようで、以前は一個でも良かったです。今回は最初(Di一個使用時)はちっともベースカレントが流れず、すわ?TRが壊れてる?と色めき立ちました(しかしまだ90個以上も在庫があるけど:笑)が、頭を冷静にしてつついていったら、こういう結論に至りました。

 この出力は24dBm×2(1WPEP)で、IMDは0−35dB程度と、プリドライバーはおろかファイナルが10〜20W程度のドライバーにも使えますが、ここは贅沢にプリドライバーに甘んじてもらいます。





謎Tr1WAMPの周波数特性




謎Tr1WAMPのIMD特性

21MHz PEP1W



 まぁ、IMDに関してはしつこいので1バンドしか示しませんが、他のバンドも同様です。F特性に関しては、50MHzまでの帯域でフラットですから、申し分がありません。利得は、なんと18〜20dBと、これも、何か言ったらバチの当たるレベルです。この謎TRは、LAOさんからの情報提供で100個ばかりオクで格安に仕入れましたが、なんとも使い勝手のいい石ですね。

 次はドライバーです。ここは、最初2SC1971かVN66AFDでやろうかと思っていましたが、1971は在庫が残り少ない(といっても10個は確保してありますが)ので新規製作には使いたくないし、VN66AFDはちょっと飛びやすい感じがしてきたので、今回は思い切りでかいFETにしてみました。

 そうです、RD16HHF1です。こんな1Wくらいの出力のドライバーにPdが54W!もの石を使うのは、通常は「ナンセンス」でしょうが、別にガタイが大きいわけでも、値段が高いわけでもないので、使用するうえで制限となることは殆どありません。なので、初めてこれをドライバーに使ってみることにします。

 もっとも、この段でパワーを出す必要はないので、回路的には、1W出力時最適のインピーダンスの整合回路にしてあります。なので、素材(FET/TR)の違いで、PdのでかさがIMDに余裕を与えるのかどうか?という観点で考えてみます。





RD16HHF1による1WAMPの実装図

21MHz PEP1W



VCC15V はVCC18Vに修正です

RD16HHF1による1WAMPの回路図



 回路図は極めてシンプルです。というのも整合回路は1W用回路そのままに、バイアス回路は可変電圧の供給だけですから、難しくなる理由がありません。データシートによると、このFETはゲートに3V以上かけないと立ち上がらないので、5Vのレギュレータが最適です。失敗のしようがないほど単純ですね。気を付けるのは、コイルの結合くらいですが、この程度の利得では、漏えい磁束が少ないトロイダルコアのトランスでは結合はしないようです。但し、外部からの結合も考えられるので、このパート以降はシールドできるように考えてあります。





RD16HHF1による1WAMPの周波数特性




RD16HHF1による1WAMPのIMD特性



 このドライバーもNFBをかけて、50MHzまでの帯域では極めて利得がフラットに構成できました。利得は17〜18dBですので、もう少し深くNFBを掛けることができるかもしれません。まぁ、このあたりは、SEPPの終段の様子が明らかになるまで「腰だめ」(=細川政権のころの言葉じゃ!笑)に取っておきましょう。

 プリドライバーとドライバーを結合した総合特性は、終段の構成と特性が明らかになったら、それに合わせる必要があるため、後で述べようと考えています。

 今日のところはこの辺で。しかし、久々にアナログのRFアンプなんて弄ると、なんとも新鮮ですねぇ(笑)。下の写真に全容を示しておきます。




プリドライバー&ドライバーの様子

実は一つのモジュールに組んである

<Power Amp> 【2015.3.28】

 SEPPでいろいろいじっているうちに、飽き飽きモードに突入し、ついには、入力の位相反転トランスの広帯域化が思うようにうまくいかず、停滞モードにはまり込んでいました。そうこうするうちに、確定申告やら、小旅行やらなんやらのイベントが重なり、気がつけば、年度末。ただでさえ、公私ともに3月は忙しいので、ゆっくり無線工作なんてやってる暇が無くなってしまいました。ただ、進みが止まると、また再スタートさせるには多大なエネルギーが要るので、ちょこちょこと触ることだけはやっていました。その結果、回路を手慣れたトランス結合プッシュプルに戻して、検討することにしました。

 回路図は結果的に以下のようになります。





PA回路


 入力はちょっと大げさなインピーダンス比が4:1のコンベンショナルトランスです。以前は#41材の、10W−PAの入力用にはいささか大きなメガネコアトランスを用いていたのですが、比透磁率が高すぎるようで、ローバンド以外はS11があまり良好ではなく、「没」にしました。そのS11を見ると、ローバンド(〜7MHz)までは、リターンロスが高い(VSWRが低い)のですが、21MHzあたりになると、途端に回路に歪が乗るようになったので、ここは#61材を使ったものに替えました。結果、入力にしては、えらい大げさなことになっていますが、このトランスはある程度の線路長が無いとローバンドの特性がメタメタになるので、まぁ仕方ないと諦めています。それでも、この場合、ローバンドでのS11は極めて良好というわけではないのですが、歪に関してはあまり問題がありません。S11だけを良くすれば、DRVとPAの間の整合が良くなって、歪が減るのかと思っていたのですが、必ずしもそう簡単な論理でもなさそうです。



入力回路のS11


 出力整合回路は、同じくここの写真の一番右に写っているコンベンショナルトランスを用いていたのですが、Aクラス並みにベースカレントを流しても、ハイバンドでは歪も多そう(-25〜-30dB)です。なので、ここは、昔から実績のあるチョークとフロートバランによる1対4のインピーダンス変換回路を採用しています。これの材質は入力と同じ#61材にしています。

 それ以外には特に気を付けるところはありません。AB/Aクラス切り替え回路を付けようと、回路は実装しましたが、その後、そんな動作が切り替えが面倒になって、Aクラス一本やりにしましたから、回路図にはこの切り替え回路は載せていません。





パワーアンプモジュール



 上記は全体写真です。とりたてて特徴はないですが、そういえば、NFB回路は搭載していません。実は、いろいろいじってみたのですが、Aクラスの低歪領域だと、NFBで利得は減るけど、歪の改善量がほとんど目立たないので、搭載しないことにしました。あと、気休めですが、FETの上にシールドとアース強化のためのブリッジを渡してあります。まぁ効果のほどはワカリマセンが、今のところ、設置後一度も外していない(要するにFETを飛ばしていない)ので、「面倒だから取っちまうか!」とはなっていないのが救いです(笑)。

 次に、アンプのF特性を見てみましょう。




F特性


 これは、NoNFBでの特性です。50MHz帯域なんて低い周波数領域では殆どフラットです。例えばTrの2SC1971なんかだと低域の利得過多を補正するためにもNFBは必須でしたが、この石は、HFで使う限りにおいては、周波数特性がフラットで本当に使い易いものですね。黄色のラインはTG直結で−10dBmです。なお、アンプの出力にはスペアナ保護用の10dBのATTが入っています。これを見ると、アンプゲインほぼ20dBの利得がF特フラットで得られており、本当に使い易い石であることが解ります。

 次に歪の特性です。Aクラスということなので、当然のごとくIM3は−40dB以下を目標とします。いろいろ実験していて、こんな領域になると、入力・出力整合回路の特性が、本当に効いてくることが実感できます。わかったことを書いておくと

・入力整合回路のS11は、実際の通電時−20dB以下が推奨される。特にHFの高い周波数領域(28MHzとか)だと、この問題は顕著に効く。
・HFの低い周波数だと、それほどS11の特性は顕著に歪特性に影響を及ぼさず、−15dB程度でも良好な歪を叩き出せる。これはちょっと不思議。
・出力整合トランスの実動作時のS22も重要で、歪の改善に効く。


 実は、PAのS22(出力)を測るのは、何かあるとVNWAの入力を破壊しそうで、ちょっと怖かったために、特性測定を実施していないのですが、カットアンドトライでトランスの周波数領域を追い込んでいます。なので、ここは定量的なことが言えません。

 まだまだ最適なトランスを作ることができなかったのですが、SEPPに始まり停滞期間が長いので、一旦ここで切り上げたいと思います。でないと、次はケース加工ですから、思いっきり「何かあると投げ出したくなる誘惑」の多い工程なので、いつ完成するかわからなくなるからです。一応、ケースの中では、このPAははらわたを上面に向けて実装する予定なので、なにかあれば、すぐにアクセスでき、修正は可能な環境になるはずです。

 では、各バンドのIMD3特性をまとめて掲載しておきます。なお、PA出力には合計で30dBのATTを挿入して測定しています。出力は34dBm×2でPEP出力が40dBm(10W)になります。Vdd=30V、ベースカレントは0.9〜0.95A、PEP10W時1.0Aくらいの動作点です。





IM3(3.5MHz)




IM3(7MHz)




IM3(14MHz)




IM3(21MHz)



 F帯域は、一応21MHzまでとしてあります。実は、同じバイアス条件で、28MHzを測るとなんと−30dB位にまで劣化してしまいます。こんなに電流を流して、この体たらくでは、ちょっと恥ずかしいので、図はパスです。多分、コアの最適化が出来ていないからだとは思いますが、実際は私は28MHzにはあまり興味が無いので、一応、空に出られるだけ!のレベル(多分出ないと思います:笑)でも、まぁ良しとしましょう(苦笑)。時間がないので、このあたりで妥協しちまいます(笑)。

 なお、この実施例ではRD16HVF1のVddは30Vにしていますが、以前、この機械ではなんと34Vを掛けています。このFETのVddの最大値は50Vですから、信号最大時はVddの2倍まで電圧が振れることを考えると、定格値を大幅にオーバーしていますが、いままで、半導体UPC機も本器もこの石を飛ばしたことがありません。相当に耐圧に関しては余裕があるのではないかと考えています。だからと言って、各種測定器を有さない方々にこの条件を推奨はできません。それは、どんな落とし穴が隠れているかわからず、どういう壊れ方をするのか未検証だからです。

 事実としては、30VかけてPEP10Wで16%の低効率でも、1時間連続動作で破壊には至らないということです。PEP10W=電力では5Wです。DC入力が約30Wで損失は25Wになり、この石の規格上の損失合計である108W(54W×2)には十分な余裕があることではありますが。

 3.5〜21MHzまでは、Aクラスらしく歪が−50dB近辺を実現しています。使ったFETの損失の大きさ、供給電圧等を勘案すると、この辺まではなんとか実現できることが解りました。これには、トランス類の特性が非常に大切であり、いい加減に組むと、いかに電流を流してもリニアリティは向上しません(今回の例では28MHzとか)。今回、こんなにトランス類の特性向上が重要(あたりまえ)とわかったことは、けっこう大きな収穫だったと思っています。



<まとめに向けて> 【2015.8.14】


【バンド拡充】
 いままでは、機能の確認を主目的としていたために、比較的局数が多く、モニタしやすい3.5〜14MHzの3バンドでしか受信していませんでしたが、これを、HF5バンド+45MHz&10.7MHz(いずれもIF用)に拡張しました。AVRのメインコントローラにはバンド選択信号入力用に3ビットしか用意していなかったので、これを単純にバンド選択に用いたのでは、上記の3バンドで終わってしまいます。なので、8to3エンコーダ(74HC148)を使って、先の7バンドにバンド選択を拡張しています。こんな面倒なことをしなくても、7ビット分のポートがあれば、簡単なのですが、すでに40ピンAVRをポートをほぼ使い切っていて、やむなくこういう形になっています。




8 to 3 encoder 74HC148を追加の図



【マイクアンプの追加】
 さて、これまでは、TRX305のコンデンサマイク用インプットに、2−トーン信号を突っ込んで測定していました。ここは、十分に感度の高い場所なので、大きな利得のアンプは要りません。一方、常用のマイク(といっても殆ど使いませんが:笑)は今どき探すのも難しいインピーダンスが50kΩあるいは600Ωのダイナミックマイクになります。一応、これに合わせて、レベルコントロール用のVRもつけることにしました。マイク端子から、50kと600Ωの入力インピーダンス切り替え回路を通って、JFETのソースフォロワーで受けてTRX305のマイク入力に導きます。

 最初、FETの電源をいい加減な場所(リレー駆動電源、ディジタル回路用のレギュレータ)から供給していたら、微小なリップルが残っていたようで、TXの送信スペクトラムの低域側(300Hz程度まで)に50Hzの高調波が並ぶという失態を演じました。10Wpepに対して、このピークは−45dBくらいだったので、相当に焦りました。IM3の低域側に重なるような信号だったからです。これに懲りて、今はアナログ電源の一番きれいな場所(ディジタル処理系の電源と共有していないところ)からレギュレータを噛まして、供給しています。

【送信IMD】
 バンドを試験用の3.5〜14MHzからHF5バンドに拡張したので、念のため、ベースバンドから2-トーンを入力して10Wpep時の3rdIMDを見てみます。これを以下に示しておきます。-50dBを切ってしまいましたが、まぁ、その近辺です。細かく調整すれば当然-50dB以下にはなりますが、マイク入力からPAまでTXとして動作していることを示すには十分な図です。28MHzにおいても、まぁ、それなりの特性が取れていることが解りました。以前とPA部は大きく条件を変更していなくて、若干バイアスをABクラスより(ベースカレント減少)にしたのですが、今回は、たまたま好条件の動作点にたどり着いたのかもしれません。あるいは測定帯域の差(以前は2-トーン信号周波数間隔が100kHz)に若干の影響があったのかもしれません。





3.5MHz帯のIMD3





7MHz帯のIMD3




14MHz帯のIMD3




21MHz帯のIMD3




28MHz帯のIMD3



【ディザパラメータの変更】
 当初、ディザは、ここにあるとおり、スタティックな環境でのノイズ抑圧量を考えて、パラメータを5000に取っていました。しかし、実際にこれで聞いてみると、若干、音が「引っかかる」ような聞こえ方がしたので3500に選び直しています。これでも、ちょっとは違和感が残りますが、ぎりぎり我慢できるレベルと言ったところでしょうか?この時の雑音抑圧の様子を以下の写真に示します。実際に受信している状態でもノイズの低減は知覚できます。このあたりは個人の好みもあるので、ノイズ低減量と音の「自然さ」を勘案して、各自で決めるのがいいと思います。いまのところ、「比較的強い局のノイズをさらに低減したい」目的でパラメータを振りましたが、本来の「ノイズに埋もれた信号の明瞭度を上げる」目的では、明瞭度を若干損なっても(もともとノイズで明瞭度は低いので)ノイズ抑圧量を増やすパラメータ値のほうがいいかもしれません。なお、ノイズ抑圧量に関しては、パラメータが5000のときに比べて3dBくらい悪くなるようです。





Ditherパラメータが3500の場合の雑音抑圧



【AGC時定数=無線部】
 実は、ここが良くわかりません。AGCのアタックとリリースの時定数が変化できるようになっているのですが、PCからいろいろパラメータを変更してみて、SSGの信号オンオフを繰り返して、聴感上の変化を見ていますが、あまり顕著な変化が現れません。アナログ無線機の回路では、この時定数は大きく聴感上効いてくるのですが、どうしたことでしょうか?これは個別に質問してみようと思っています。

【ノイズブランカ動作】
 以前の西村様に、ノイズブランカの動作の効きが実感できないとメールさしあげて、確かにその通りだとの返事を戴いたのですが、ファームのバージョン505cにおいても動作改善は確認できていないようです。

【5-Bands LPFs】
 ここはまだ作っていません。というのも、10Wpepでは実用性が低いので、200Wリニアを常接しようかと考えているからです。その場合、ここに大きな手間をかけて5バンドものLPFモジュール(それも高価なシルバードマイカコンデンサを多用)を作りこむ必要性は感じられないと思い始めたからです。リニア後のLPFは4段の定K型なので、十分なスプリアス抑圧量があります。なので、実際に使う状況に至るまでは、このままにしておこうかと怠け心が出ています(笑)。もっとも、作る気になれば、こんなものは大して手間をとりませんけど(だったら何故、ちゃっちゃと作らないんだ?:悪魔の声:笑)。

 以上で、無線機としては大体の体裁を作り上げることが出来ました。このあとは、「半導体フィルタ(笑)」の耐力等、フルディジタル機固有の問題に関しては、大変に気になっているところです。なので、これを評価するための道具を用意しなければならないのですが、ま、おいおい手がけていくことにしましょう。さらに、ADCクロック純度の高度化、ローカルVCOのVCXO逓倍化等、手がけてみたいネタは数多くあるのですが、これはその時々の興味と時間余裕を勘案して実施することとしましょう。

 さて、ある程度の完成を見たので、このHPをご覧の皆様に一言メッセージを書かせてください。