真空管式SSBトランシーバ送信部


<マルチバンド3段ストレートアンプ> 【2011.11.20】
 
 真空管UPC機の残骸で残っているのは、終段、ドライバー、プリドライバーの3球の配線部分です。受信側はここに示すように、IFを当時の455kHzから9MHzに変えてスタンバッテいます。あとは、電源部がかなりまともな形で部品もリニューアルされて残っています。これを活用しないわけには行きません。
 
 ということではまずはストレートアンプです。

 まず、なぜ3段アンプなのかという理由の薀蓄です。通常、トリオや八重洲(ん?ケンウッドとバーテックスの昔の名前です)の真空管機のアンプ部は、オールバンドミクサー(6AW8とかのパワーのある5極管)のあとは、12BY7Aがデファクトのドライバー(コリンズは歪のいい6CL6)、6JS6、6KD6、6146とかのファイナルの2段構成が一般的でした。これは、当時としては現実的な最適解だったのでしょうが、ファイナル2球をドライブするには、12BY7Aではぎりぎりで、ぼけてくると28MHzなんかはパワー不足に悩まされたようです。また、スプリアス特性の良好ではない5極管ミクサーを使うのも、ミクサーゲインを一番に重視していたからだと推測できます。
 
 

オールドリグのミクサー〜ファイナル部

 こういった5極管アンバランスドミクサーを使って70MHzものルーフィングIF領域からHF帯にダウンコンバートというのは、ある程度のハイレベル動作なので、利得、歪率的には、まったく余裕がなくなってしまうのではないかと危惧したのです。ミクサーは低レベル動作のほうが歪は少ないので、VHF管を使って理想動作させて、ミクサー出力を十分にフィルタリングして、得られた低レベル信号をゆっくり増幅していくか!という構想です。また、少し色気もあって、うまくいくなら、今までにやったことの無い高等テクニックであるRF−NFBにもチャレンジしたい・・・(実はこれが真の理由)というので、ゲイン的に余裕のある3段構成になっています。RF-NFBは、けっこう配置にも気を使わないと実現できないので、もともとそういった構想で配置を考えていませんから、最悪、動作が安定しなければ止めちまえばいいと、気楽なもんです。そのときはプリドライバーの利得を抑えるわけですが、ここはALCも掛けられるようにリモートカットオフ管を使うので、そんなことは朝飯前です。
 
 で、球の種類ですが、ちょっとマニアックです。プリドライバーは6DC6を使いました。これはコリンズが好んで使った球で、6BA6と6BZ6の中間的なGmをもち、リモートカットオフ領域のVg-Gm曲線の直線領域が広い=ダイナミックレンジが大きい、まさにマニアが喜ぶ球です。実際はその差は知覚できるようなものではないかも知れませんが、要は薀蓄ですね。以下の図はHJ81のJH1TKX海老沢OMのコリンズ75A-4礼賛記事のP13から拝借してきた図です。6DC6のリニアリティのよさが際立つ図となっていますが、IM特性で見るとどうなるのか興味のあるところではあります。



6DC6と他のリモートカットオフ管の利得制御特性比較



6DC6(左の二本)と6AZ8

6AZ8の5極部は6DC6に類似の特性



 次の12BY7Aはポピュラーなのでなんのコメントもありませんが、次の12DQ6Bの動作時Vg電圧が28V近辺で、あまり深いバイアスではないため、AB1級なら+/-20数ボルトを振れればいいわけで、あまりパワーが要りません。ですから、コリンズの好きな6CL6を持ってくるまでもなく、ちょっと華奢な12BY7で十分というわけです。これが、6146Bのように+/-50Vもスイングが必要だと、ちょっと考えてしまいます。また、実は、このTRXは、ハムの混入を避けるため、ヒーターは12Vの直流点火を採用しているので6.3Vのヒータ大飯食らい管は避けたいという理由もあります。
 


左から6CL6 12GN7,12BY7といったドライバー管

12GN7はゲインが異常に高く発振を抑えるのに苦労する


 
 さて、ファイナルはちょっと変わった真空管です。いままでに製作記事にもほとんど出てきていないと思います。オリジナルは6DQ6Bですが、その12V管です。 6DQ6B(東芝製!)も4本もあるので、12DQ6Bがぼけたら、ヒーターを工夫して6DQ6Bも使うかもしれません。素性ですが、これはプレート損失を考えると、白黒TV後期の水平出力管だと思われます。詳しく調べたわけではないので、必要なら皆さんで探してください。そのプレート損失ですが、わずかに18Wです。6146Bの27W、6JS6Cの30W、6KD6の33W、6LF6の40Wに比べれば、まさに小中学生と大人くらいの差があります。
 
 


左から12DQ6 6DQ6 12DQ6(いずれも東芝製)

けっこう貴重です


 
 
 6JS6C(東芝)も6KD6(東芝)も持っているのですが、いかんせん、すでに高価な真空管です。新品なら5000円以上もします(下の写真の6JS6と6KD6は600円でしたが・・・(笑))。まぁ、パワーが欲しければ、6LF6×2で200Wpepも可能でしょうが、ここは一本10ドル近辺のお安い猫またぎ(?)パワー管に活躍してもらいます。おっと、なかなか理由に行き着かないですね。採用理由としたソースはとんでもなく古い情報です。下になんと国会図書館まで行ってコピーしてきた、名著「アマチュア無線の新技術」 JA1ACB難波田OM(著) から拾ったグラフを示します。 



6DQ6B(右)と6DQ5(左)のIM特性


 このグラフ、図題には6DQ5の特性と書いてありますが、明らかな誤植です。文脈から容易に想像ができます。図を見れば一目瞭然なのですが、歪率特性が6DQ6Bは相当にいいのです。これが、ファイナルの選択理由です。ACB難波田さんに言わせると、6146なんか歪の点では「糞食らえ」だそうですから、穏やかではありません(文中に明記されています)。これを下に示します。おっしゃるとおり、かなりつらい特性です。ただ、気になるのはプレート電圧が500Vで測定しているので、ちょっと不利な動作条件なのかもしれないとは思います。通常は800V近辺を掛けるはずですが、それでも、当時の記事には、6146×2でPEP出力比-25dB@100Wが相場だったように思いますので、あまり良くない特性であることには変わりがありません。となりの807は、若干よさそうですが、500Vではパワーが出てこないとACB難波田さんは嘆いていました。



左から807 6KD6 6JS6 6146B 2E26 

いずれもJA1ACBさんにとっては駄球達?




807(右)と6146(左)のIM特性

 コリンズの機器は、基本は6146系統ですから、S2001も含めて考えても、RF−NFBは必須だというのは、もっともらしい薀蓄ですね。私も、この機器の前身の7MHzトランシーバでは6146Bを使っていましたが、当時はスペアナなんて持っていなかったので、どんな特性で動かしていたのでしょうか?一方で、メーカー製機器ですが、NFB無しのトリオの機器(S2001がファイナル)を増幅型ALCのメータをがんがん振らせて運用してたと思うと、けっこうぞっとします(笑)。また、昔のCQ誌とかの自作記事には、6DQ5も「パワーが取れる」とか言ってたくさん使われていたようですが、これもひどい特性だったのでしょうね。2E26に至っては、こりゃ、SSBは無理でしょ?というCクラス管だったのです。私の最初の無線機であるスカイエリート6(AM機なので当然Cクラス動作)のファイナルで有名でしたが(うーん脱線)。その2E26もついでに載せておきましょう。

 

2E26のIM特性


 というわけで、小ぶりなのですが、「素」の特性の素直な6(12)DQ6Bを使って、ここに出ているPEP=40Wくらいの領域で、動作検証をしてみます。
 
 


3ステージ ストレートアンプの回路

修正-1(2011.11.23)
 
 
 回路図は、当時の真空管SSBTRXの標準的な回路を持ってきました。3ステージのマルチバンドアンプというとコリンズのKWM−2、TXでは32S−X(X=1〜3)が有名です。これを意識はしていますが、回路的にはファイナルは相変わらずJA1AEA鈴木さんの7MHzシングルバンダーからの転記です。ですからあまりコメントできるようなPWZ的特徴点はありません。オーソドックスな回路だと思います。
 
 と言ってしまっては終わってしまうのですが、それでも、あまり特徴と呼べるものはありません。真空管で昔取った篠塚(←ぷぷ!古すぎ!)の方々(50歳以上かなぁ)には改めて説明の必要も無いでしょう。一方、YMさんで真空管機は写真で見たことがあるが、実際にいじったことが無い・・・というかたも多いと思います。当方は、そういう方々に初歩からわかりやすくご説明できるほどの技量はありませんので、恐縮ですが、自助努力で動作原理とかはお調べになっていただきたく思います。
 
 次は製作の様子です。本機は4バンド(3.5〜21MHz)ですが、バンド切り替えには同軸のロータリースイッチを使っていません。6DC6と12BY7Aのプレート同調回路は独立した単段のロータリーSWで構成しています。そのため、シールドの構造が大変簡略化できました。これは、もともと、このシャーシが7MHzのシングルバンダーを作ったものだったので、6DC6の位置には30mm角の大きなIFTがあって、それは455KHzから7MHzにアップする12AT7のミクサーの負荷共振回路になっていました。このような大改造(シングルバンダー→マルチバンダー)をしたため、インライン配置ができずに同軸ロータリーSWは使えませんでした。ですから、パネル面にはバンド切り替えSWが2つあるという、ある意味「間抜け」な面になっています(大笑)。
 


3-stageストレートアンプの内部

なにやらシャーシ内部に横付けの真空管が・・(笑)
 
ファイナルのπマッチのタンクコイルのタップ切り替えは、同軸リレーを使っています。コールドエンド側なのと、交流なので、あまり気にはしていませんが、ちょっとスリリングな使い方です。プレートのホットエンドは500Vp-p、πマッチ回路の出力側(コールドエンド)でも100Vp-pくらいの電圧振幅がありますので、よい子は絶対に真似しないでくださいね。保証はまったく出来かねますので。事故が起きても当局は知りません。自己責任でお願いいたします。でもフルパワーで5分とか送信している分には何事も起きません。それ以上やると、真空管のほうが先にのびてしまいそうなので、今のところはこれで静観しています。

 


パイマッチ回路周辺部

同軸リレーの接点端子はタンクコイルにきつく絡めてあるが・・・・(笑)
 
 さて、以下に動作特性を示しておきたいと思います。各バンドのIM3の特性です。これは6DC6の入力に50オーム系の信号を直接ほおりこんでいます。出力は-20dBカップラーと20dBのATTを入れているので、40dBをアップして実電力に換算してください。

 
 


IM特性(3.5MHz PEP40W)




IM特性(7MHz PEP40W)




IM特性(14MHz PEP40W)




IM特性(21MHz PEP40W)

 
 各バンド10W×2のキャリア出力状態です。PEP出力は40Wということになります。終端は50オームのダミーロードです。バイアスは-28V、プレート電圧は520V、同電流は75〜85mAの間になっています。ベースカレントは40mA近辺です。効率は、50%内外で、AB1クラスとしてはこんなものでしょうか?各パラメータは一応、「アマチュア無線の新技術」に記載された条件どおりに設定しています。

 IM特性は最低-30dBは確保できているので、真空管としてはそれなりにまともな特性なのかな?とも思っています。中には7MHzでは驚異的な-40dBなんて値が取れていますが、これは特異点でしょう。ところで昔のIM表示は出力キャリアとIM3レベルとの比ではなくて、PEP出力とIM3レベルの比で見ていたような記憶があります。PEP比だと、現行の測定法に比べて、6dBも値がよくなります。
 
 そういえば、裸の(NFBが無いという意味)6146BパラレルでPEP100W時、IM3レベルは-25dBが相場だったように思いますが、この値がPEP比だとすると、現行の測定法に焼き直せば-19dBということになるのでしょうか?・・・ずいぶんと悪い値なのかなぁ?と考え込んでいます。このあたり知見のあるかたのアドバイスをいただけると幸いです。

 余談ですが、下に示すようにFT-2000とかでも、PEP200W時のIM3レベルは微妙に-30dBを達成できては「いない」のですね。PEP75WでAクラスといってもIM3は-38dBくらいです。うーん、これも微妙な特性ですな。さっすがにSD2931というぶっ飛びのじゃじゃ馬は、どちらかというとリニア動作には向いていないだろうか?(って脱線か:笑)



FT-2000のIM特性

  というところで、今回のPAへのアプローチを一回中断します。さらに歪みを下げる手段のNFBに関しては、現在、配置を含めて、原理から見直しており、適用可能かどうか調査中です。成果が出たらまたアップいたしますが、こけた場合、ある時期に、このパラグラフがこっそり削除されているかも知れません。あまりご期待なさらないように(大笑)! 
 
 

<Balanced Modulator@> 【2012.4.1】

 さて、DDSばかりいじっていると飽きが来たので、大昔に作った7360のバランスドモジュレータを取り出してみました。今日はそのサワリということでアップしてみます。もし、詳しく特性を取るのであればそのデータ、あるいは調整上のノウハウ等は追って書き足していこうと思います。下の写真はそのモジュールで、7360のBMの横にTX-IFアンプも実装してあるようです。これは6BA6を用いたALC用アンプみたいですね。かなりアクロバティックな実装をしていて、ここでも真空管空中配線を地で行っています(笑)。



TRXの実装を想定している7360のBMモジュール


 これを見ていて、どーもこのモジュールでいろいろ切った張ったをやると、しまいにゃ銅薄が剥離してしまうかもしれないと思って、いろいろ調整するための実験台を新たに作ることにしました。といっても同じくバラックセットで、いろいろな部分の調整をするためのモジュールです。それを下に示します。いろいろ調整したあとに、うまくいったノウハウを上記のモジュールに移植して、最終系に持って行こうという魂胆です。




特性取得のための7360のBMモジュール


 ということなので、最終モジュールより部品の切った貼ったがやりやすいように余裕を持って作ってみました。電圧の掛からない、プレート、G2以外はほとんどTR部品で組んでいます。





TRXの実装を想定している7360BMモジュールの回路図


 まずは、最初の回路図です。これはJA1BHG岩上OMが大昔に発表された記事から、ちょっと定数を変更して使っています。キャリアはG1に、Audio信号は偏向電極にアンバランスで印加しています。プレート回路はバランスを取るために、CとRを可変できるようにしています。もちろん、偏向電極のVRも大きくキャリアサプレッションには利いてきます。出力コイルのリンクコイルは次段は6BA6のハイインピーダンスで受けるので、ちょっと巻き数を多くしています。



7360のBMモジュールのツートーン波形

縦軸:0.2V/di

 これは、入力に1kHzのシングルトーンを入れて、7360のリンクコイル出力を見たものです。0.2V/divで見ています。きれいなDSB波形が見えます。キャリアリークは下に示すように−55dBくらいの状態です。キャリアリークに関しては、このあと8素子の切れのいいフィルタで-30dBくらいは稼げそうなのであまり気にしなくてもいいかもしれません。このくらいになって初めてツートーンのクロスが点に見えます。また、ひずみが少ないので、サインカーブの微妙なラインが崩れていません。これがPA出力なら言うこと無いのですがねぇ(大笑)。




7360のBMモジュールスペクトラム

1kHzのトーン入力
Fo:9MHz Span:10kHz


 上図は同じくリンク出力をハイインピーダンスプローブで受けて表示させたものです。こう見るとキャリアの周辺がすこしざわついていますが、たぶん、ヒーターハムの混入です。まだ、DC点火はしていませんが、本体実装時は、受信用プロダクト検波器にも7360を使うため、ヒーターはシリーズ接続してDC点火の予定です。これを見ると、どうもオーディオトーン信号に高調波が-60dBくらいはありそうで、フィルタを通してSSB化したときのツートーン信号に用いるにはオーディオ信号発生器の調整が必要かもしれません。

 条件とかまったく記入していないのは、「とりあえず使えそうだ」ということを確認したので、これからデータの集積を行おうと思ったからです。この7360のBMの場合、リニアリティもキャリアサプレッションも良好なのですが、やはり経年・温度変化に対する対策を考えておかないといけません。それらについてはこれ以降にUPしていくことにいたします。

<バッファの追加とXF廻り> 【2012.12.8】

 だいぶ時間がたってしまいました。亀の歩みではありますが、少しずつは進展しています。あまり早く終わると次のお遊びアイテムが無くなるなんて言い訳して、遅い進捗を楽しんでいます。今回は、MOD〜ALC増幅器〜IFフィルターまでを書いておきます。

 MODに関しては、本当に7360を使えるかどうか検討していました。調子こいて、日立の国産7360を集め始めて、ついに3本になってしまいま した。一本は新品相当で1200円、もう一本はオクで中古が1400円でした。ところで、最近、あちこちで出品されている買い手のつかないRCAの7360の中には、特性の非常に悪いものが、かなりの確率で紛れ込んでいるのを憂慮しています。



所有する7360の「一部」

左から4本はRCAの大昔からのコレクション、真ん中3本は北方モノ
灰色プレートはHITACH製、右端の二本はFTDX-TRCVからの抜き取り品
これ以外にTRXに実装中のHITACHとRCAの初期物の2本がある。


 私の所有するRCAの7360は9本ありますが、そのうちの3本は歪みが悪いか、キャリアサプレッションが落ちないという状況です。この7360 の素性は、6本が30年も前の大昔から機会があるごとに一本ずつ買いためたもので、残りの3本は最近(といっても数年前)まとめて北方から輸入?したものです。FT−401に入っていたRCA7360の2本もこの「大昔もの」に含まれます。あとは、先の日立製 の3本ですか、なんと合計で12本にも積みあがっているのですね。びっくりです(笑)。ある時期は7360を4本使ったTRCVを作ろうかと思っていたので、このくらいは要ると思って集めていたのでしょう(笑)。MODはそれらのうち、一番厳しい条件が要求されるので、日立製の7360を使うことにしました。受信のプロダクト検波はそれなりの特性でいいので、まぁ、昔の7360でいいでしょう。でも北方の7360はもう使う気になりません(笑)。




MODとバッファ、XF周辺回路


 回路はこんな感じです。以前にMODの部分をアップしましたが、それにALC増幅器兼インピーダンス変換回路&フィルタが追加になっています。 MODの部分は実験時と殆ど同じ形になっています。プレート回路はDCカットした上で、TR用の同調トランスを使っていますが、こんな使い方も、正統派真空管族の皆様から見たら「唖然」とされる回路なのでしょうね。このリンクコイルは、受けがHiインピなので、もう少し多巻きにしてゲインをかせいでもいいかなとは思っていましたが、あまりレベルを上げても、どうせ小信号増幅の6BA6で歪むので、こんな回数になっています。

 あと、6BA6のALCアンプですが、音声信号のピークで発生する、パワー管(12DQ6B)のグリッド電流のスパイクを時定数処理してフィードバックするのですが、その入力がG1です。プレート回路はDCカットのリンクつき同調回路で、インピーダンス変換をしています。

 これにたどり着くまで、πーL回路等を弄っていたのですが、どーもうまくマッチングが取れず、レベル、歪みともに満足がいきませんでした。こんな小信号管のプレート負荷は数10kΩ以上になるのでしょうが、これをフィルタの50Ω近辺に一気にステップダウンするのは、ちょっと無理があるのでしょうか?

 IFフィルタの入力インピーダンスは、ここに示したように、80+(0〜30)jΩで、ほとんど虚数部がないため、リンクコイルによるインピーダンス変換が最適なのでしょう。それは、ここで示したとおりです。



MOD、バッファ周辺の実装図


 ということで、この回路の部分の写真が上記になります。全体との関係はここを参照ください。6BA6のプレート同調コイルはMODユニットの外部(=TRXの共通シャーシー部)に、苦労して搭載する羽目になってしまいました。



キャリアリーク調整回路の周辺


 これは、なんでしょう?ってただのポテンショメータなのですが、回路図上は偏向電圧のバランサーということになっています。大昔の八重洲の7360MOD搭載機(FT−200、FT−40Xシリーズ)の回路を見ると、キャリアサプレッションの調整をこの抵抗でやってるようで、背面から調整で きるようになっています。はじめ、キャリアサプレッションの安定度は、特にハイフレ(=死語ですね。High Frequencyのこと。455kHzの MFに対して5〜11MHzのCFはこう言っていた)の場合、どれくらいなののか不安だったのでMODの基板近くにボリュームを置いて、延長軸でフロントパネルに導こうと画策していました。その名残が、ここのアクロバティック配線なのです。

 しかし、普通のVRでは、感度が高すぎて、すぐにキャリアサプレッションの状況が変わってしまうことが分かりました。ということなので、10回転のポテンショメータを使って、それもフロントパネルに引き出しました。これで、いつでもキャリアサプレッションの調整ができます。この変更のあおりを受けて、TXオールバンドミクサーの負荷同調回路群との干渉が発生し、えいやっと力ずくで実装しています(笑)。



キャリアリークを作為的に生成


マーカーのある9.0015MHzにキャリアが漏出


 例えば、キャリア調整をオフバランスさせると、IFフィルタ(キャリア点でおよそ−30dBの減衰量)を通していてもこんな感じでリークしてきます。これを




キャリア抑圧後IMDレベル


 ↑になるように調整するわけです。若干クリティカルですが、確実にヌル点を捉えることができます。実際は、プレート回路のVC(8pF)や VR(5kΩ)によってもヌル点は変わってきますが、この3者を微調整して、ヌル点を追い込んだあとは、7360のプレートのVC/VRを固定して、このポ テンショメータだけで(フィルタの減衰量込みですが)−85dBくらいまで落とすことが可能です。プレート回路のVC/VRの安定性に関してはこれから調査しなければならない課題です。

 あと、6BA6の動作点を歪みベースで微調整することで、上記のような状態に至ることができました。これからは、如何にPAまで歪まないで周波数変換(UP&DN)し、増幅していくかということになります。まだまだ、一筋縄には行きそうに無いですが・・・・・



<UP/DOWN CONVERSION MIXER> 【2013.1.5】

 DBMとそのバッファを経た信号がIFフィルタを通過すると、いっぱしのSSB信号を得ることができます。本ブロックでは生成されたルーフィングフィルタの周波数まで持ち上げ(アップコンバート)て、そこからHAMバンドにダウンコンバートするブロックです。なんで、こんな面倒な作業をするかは、ここまでお付き合 いしていただいた聡明な皆様なら、いまさら説明をする必要はありません。しかしながら、飛び込みでやってくる方も居ると思うので、簡単にコメントしておき ます。

 いわゆる昔の真空管機で実用性のある周波数変換構成といえば、コリンズタイプのダブルコンバージョンか、あるいはプリミクスのシングルコンバー ジョンという構成でしょう。コリンズタイプは455kHzあるいはHFの低い周波数(3.9MHz帯とか)でSSB生成を行って、一旦、スプリアスの出に くいHFのIFにコンバージョンしたあと、アマチュアHFバンドに変換します。プリミクスは比較的高い周波数(9MHzとか)のフィルタで生成されるSSB信号を一回の周波数変換でハムバンドに変換する方法です。

 この場合、いずれにおいてもHF帯で周波数混合を繰り返すために、スプリアスが極めて多くなり、その抑圧には苦労します。バンドとIF周波数をうまく選択したとしても、VFOやローカルの高調波が複雑に絡んで、なかなか希望波信号の抽出が難しいのです。ミクサー管のあとドライバーまでの2段の単同 調回路という、当時のティピカルな構成では十分なスプリアス抑圧が難しかったのです。たしか昔はTXのスプリアスは−40dBが電波法上の規格でしたか ら、そんなものでも、まぁ、ぎりぎり規格をクリアするだけならOKでした。

 ただし、現在においては電波法も改正されて、スプリアス規格は−50dBになっていて、殆どの真空管機器はこれを完全に満たすことは難しいでしょう。すでに保証認定を取ってあるものであればそのまま使い続けられるようですが、新たに申請するには、ちゃんと対策を取って置かないといけません。ということで、真空管機器を作り始める時点で、スプリアスに関しては十分な対策が必要となります。いまさら昔のコリンズタイプやプリミクサータイプの機器のデッドコ ピーを「新たに」自作しても、それは回顧趣味という以外にその存在意義は殆ど無いといえます。

 ところで、アップコンバージョンにすると、アップ、ダウンコンバージョン用のローカルの高次スプリアスの影響は、あまり考える必要がありません。HFのハムバ ンドに信号をダウンコンバートする時点で、HF帯域から消えてなくなります。これが理解できないと、この先を読んでも無駄ですので、算数でサイン波の加減算をやってみて理解してください。また、ルーフィングフィルタにLCではなく、それなりの減衰量を持つXFを用いることで、余計なローカルの近傍スプリアスの抑圧も期待できます。

 という能書きはさておき、肝心の回路図に進みましょう。



送信部ミクサーの回路図

 一見して目に付く特徴はプッシュプルのバランス回路ということです。ローカルリークや高次の高調波の生成の観点から、プッシュプルのバランス回路を採用していますが、この方式は利得も多く稼げて、けっこう好都合です。もっとも、アップコンバージョンはこういった用途には適材の6J6を用いていますが、ダウ ンコンバージョンは利得重視で6939などというUHFパワー管を採用して有ります。まぁ、6J6は500MHzまで使用可能と言っていますが、ハンドリ ングできるパワーはごく低いです。なんせ、今回の回路はフィルター類が50Ω系統のものを多く使っているので、受信用真空管では極めて扱いずらいインピー ダンス系です。IMDに留意して構成しようとすると、2SK125のプッシュプルミクサーより特性が劣悪かもしれません。しかし、全ての系をハイインピー ダンスで設計すると、配置の自由度を失って、本機のような高密度実装はむつかしくなります。まぁ、設計思想の問題ですが、スペアナとか測定系との整合を 考えると、ローインピーダンスのインターフェースも捨てたものではありません。

 そういう意味で取り立てて特別な部分はありません。いままでよく使ってきた、プッシュプルミクサーです。6939のプレート側同調トランスは、バ ランス型が必要ですが、必殺のシリーズレゾネータ方式になっています。これはこれで、マルチバンド化には使いやすい回路だと思います(自画自賛)。トランス類は、回路全体で漏れ磁束の少ないトロイダルコアやシールド付の10Kコイルを多用しています。これは、無用な結合を減らす上で大いに役立っていると思 われます。



実装の様子


相変わらずの高密度実装です
三本の真空管は、右上が6J6、左上が6939、下が5687(RX)のいずれもバランスドミクサー

 これは、アップコンバージョンの6J6(右側)とオールバンドミクサーの6939(左側)とその間に空間のある配置を示しています。本来はこの空間にルー フィングフィルタを実装するつもりだったのですが、寸法上はギリギリになり、メンテナンスを考えて、シャーシー下の基板に追い出してしまいました。こんなことができるのも、50Ω系の低いインピーダンスのインターフェースを採用しているからです。そんなことを言っても、真空管を本来持っている特性をうま く生かして最適動作」させているかというと、これには応えることができそうにありません。




6J6の外観


猫またぎ管にふさわしい貧相な外観(笑)!



6J6のアップコンバージョンミクサーの実験時の様子

大昔の写真で、去年の今頃、UPCミクサーの実験を始めた頃の様子です

 これは初出演の6J6です。同じく、6J6を使った、初期のアップコンバージョンミクサーの実験の様子の写真も出てきたので、載せて置きます。6J6は猫またぎ管の極致で、誰も振り向こうとしない球ですね。この球はカソードが共通なので、用途が限 られていますが、今回のようなハイフリケンシーのミクサー用途には最適です。ただ、ちょっとヒータ電流が多い(0.45A)のはどうにかならないものか な・・・という感じがします。6939は以前に見たように、低歪みのミクサー用途には全く持って不適な球ですが、動作レベルを下げて影響の少ない範囲で 使ってみました。6J6と同じく(真空管としては)高い周波数を物ともしない高ゲイン特性が魅力なのです。この球球(!)は6939はNHKの放出品のジャンクが数本、Cytechの内田さんから購入したものが2本ありますが、いずれも良好に動作します。6J6はAESの新品やら国内で調達したジャンク やら多数本有していますが、まぁ動作は殆ど一緒でした。



ルーフィングフィルタの外観

これはシャーシー内部に追い出してしまった
真空管回路だが、低インピーダンスなので、こんなことも可能になる

 このIFフィルタは大昔にオクで手に入れたジャンクですが、なんでもNRD505だかに使われていたフィルタという触れ込みでした。当時は注目を浴びてな かったのか、かなりの廉価で入手できました。入手以来、何に使おうか迷っていましたが、ここに来て、晴れの舞台に登場することができました。




NRD505のルーフィングフィルター付近の回路図


 これはネットで拾ってきた「その」NRD505の回路図ですが、どうも、インターフェースしている回路を見ると、IFフィルタがローインピーダンスなのか疑うような回路構成になっていますね。なんだかオープンに近い受けになっているようだし。送り出しのピンピーダンスも高そうな感じがするし・・・・どうなのでしょ うねぇ。ということで、フィルタをネットアナの餌食にしてみます。



ルーフィングフィルタの特性(VNWA2.6)

 ついでといってはなんですが、スカラーネットアナ?であるTG+スペアナで伝送特性をあたっておきます(って、VNA2.6と同じですが:笑)。



ルーフィングフィルタの特性(TR4171)


Gain(Span:25kHz、1MHz)&Delay(Span:25kHz) 
70.45MHzの表示はスパンを1MHzにして、広帯域のGain特性を取った時の表示でご愛嬌。
実際には70.455MHzになっているのはGainのひしゃげ方をVNA2.6の図と見比べれば解る


 NRD505の回路から想像されるIFフィルタの整合インピーダンスは高めなのですが、ご覧のとおり、このフィルタのインピーダンスはReal 30+/-20Ω+image 15+/-20Ω という低インピーダンスですので、S11-|Z|とS11-Real_Zを比較してみると、ほとんど抵抗性です。50Ωではないところが微妙なのですが、これを見て、整合にはリンクコイルが最適だと考えまし た。リンクコイルも同調トランスが共振している周波数では、Image_Zがゼロになるからです。これは、MODバッファのところで検討した結果と同様です。

 帯域外領域のスプリアス応答はかなりあるのですが、TXのみの使用となるので、このフィルタの減衰量の少ないジャストの周波数に、ローカルのスプリアスが見られなければ、IFフィルタのスプリアスレスポンス応答は全く考慮に入れる必要がありません。MCF型のフィルタの場合、高域にこのような特性の乱れは、残念ながら不可避なので、用途に応じて考慮しなければならない場合もあります。例えば、受信ルーフィングフィルタに使った場合、2nd IFのイメージ周波数にフィルタのスプリアス応答があると、受信機としてのスプリアス応答特性に悪影響を及ぼします。ここでは、TX用なのでまったく考慮の必要は無いです が。

さて、肝心のIMを取っておきます。以下のとおり-60dB近くのIM3を得ようとすると出力は-15dBmがせいぜいとなります。21MHzではそこまでもいかないことになります。まぁ、それならばこのレベルダイヤでこのあと進んで行くしかありません。原因は変調器でゲインロスを減らして最大出力付近を狙うと、IMDが-50dBくらいしか得られないことによります。参考までに↓のIMD特性の時の変調器の入力信号のIMDを文末に載せて置きます。ハイインピーダンス入力のAPB-3を使っています。7360ドライブには普通のOPA(TL082)を使っていますが、ここでは殆どひずんでいないので、低歪の7360といえど万能ではないことが解ります。ちなみに使っているのは特性のいい国産日立製です。RCAのもので、とくに新しげなものは、ひどいのが紛れ込んでいることがありますが(苦笑)。




IMD特性(3.5MHz)




IMD特性(7MHz)



IMD特性(14MHz)



IMD特性(21MHz)



<参考> Audio信号の7360入力ポイントのIMD (APB-3による)

APB3の実戦デビュー第一弾です
およそHFまでですが、これは便利に使えそうです


 さて、次はメモ代わりにHF帯のスプリアスを見てみました。オールバンドミクサー出力は、単同調回路そのものしかないので、HF帯のスプリアス抑圧能力は殆ど期待ができません。このようにスプリアスが少ないのはIF(70.455MHz)とアッパーLocalの差分でバンド出力を得ることによる成果です。IF,Lo の高調波同士のミックスダウン妨害がHFに落ちないという根源的な理由により、低スプリアスになっています。なにしろ、送信側のオールバンドローカルは帯域制限をまったくしていないのに、このような特性が得られます。 他のバンドでは、若干スプリアスが増加しますが、なんせ、オールバンドローカル(ダウンコンバージョン用ローカル)は受信側と異なり、さぼって帯域制限をまったくしていないので、必要なら、少しのフィルタを追加すれば、撲滅できると思います。これは、次の送信/受信共通のオールバンドBPFを通したあとに、なにかあれば(=気になるスプリアスが残っていれば)追加で送信ローカル系にフィルタリングを強化することも考えることにします。

 ただ、IF、Localの基本波は大きく漏れてきます。これについては、繰り返しになりますが、この後に続くDWMさんフィルタで構成する集中BPF回路(送信/受信共通のオールバンドBPF)と3段ストレートアンプ(単同調×3+終段のπ型LPF)で抑圧していく算段になっています。




スプリアス特性(3.5MHz)

たまたまですが、3.5MHzは驚異的にスプリアスが少ない。このあと、DWMさんフィルタは不要かも(笑)




スプリアス特性(21MHz)


<送信部の動作を見る> 【2013.6.2】



 しばらくの間、スペアナ関連の話題が続いたので、そろそろ気分転換をかねて真空管UPC機に戻っていきましょう。 まずは今の状況を見ておきます。下の写真のように、TRXとして動作するところまでは来ました。あとは、細部の詰めということになりますが、ここではTXの基本的な部分を見ておきましょう。



TRXの現状



 本当に久しぶりにスペアナ弄りとTG製作にいそしんでいたわけですが、それも一段落したので、4月末くらいから真空管UPC機に戻ってはいました。但し、4ヶ月近くほおっておいたせいか、なかなか状況が思い出せず、ヒータ電源ラインをショートさせたりして、またレギュレータを飛ばしてしまうなど、なんだか 立ち上がりの調子がイマイチです。ただ、あとは、途中になっていたダウンコンバージョンミクサーの出力を送受信共用のDWMさんフィルタと、3連ストレートアンプに通せば一丁あがりだろうと、安易に考えていたのが、まったくそうではありませんでした。

 昔は単体の3段ストレートアンプをSSGでドライブすると、ここに示すような特性が出ていたのですが、今見ると、どうも少し劣化しているようなのです。おまけに全体をつなげてドライブすると思わぬスプリアスに見舞われて往生するはめに陥りました。これらについての対処記をメモっておきます。

 まずは、スプリアスですが、これは、ダウンコンバージョンミクサー(いわゆるエキサイター)出力のスプリアスの少なさに感心していたのですが、そのアトに50dB以上もゲインのある3段ストレートアンプをつけると、けっこうハムバンド内のスプリアスが目だってしまいました。これは、当初、ダウンコ ンバージョン用のDDSローカル信号出力にBPFをつけていなかったというオチによるものです。なんせ、DDSのクロックは400MHzで、生成周波数も 70.455MHz+ハムバンド周波数という高い周波数なので、ハムバンド近辺には、スプリアスなんざ発生するはずがない・・・と勝手に思い込んでいたか らです。確かにDDSのスプリアスは−70dBCとかになるので、普通ならあまり考えなくても良かったのでしょう。

 まずは、DC-100MHzの帯域のワイドバンドスプリアスを見ます。これは主に、IF(70.455MHz)とLocal(70.455+ハムバンド周波数)の漏れについてみて見ます。下の写真に示すように、3.5MHz帯の高調波以外は見えるものがありません。マーカーはIF周波数にあわせてありますが、ほとんど-80dBCとかの領域です。もちろんその3.5MHzだけ上のローカルの漏れも見えません。完璧に抑圧することができました。これは、他のバンドも同じで、IF並びにLocalの漏れは観測できませんでした。これは、ここに示したDWMさんフィルタ、3段ストレートアンプの同調回路2段、終段πマッチの減衰量で稼いだことになります。




IF,Localの漏れは観測できない様子

主信号はPAアウト50Ω系を −20dBのCMカップラと−10dBの固定ATTを通したもの。出力は40dBmで10WのCW.。
主信号の第2、第3高調波が見えるがこれはPAあとのπマッチ一段では
原理的に除去不能



 しかし、DDSを用いたローカルでは、DDS単体ではハムバンド付近に落ちるスプリアスが、スペアナで観測される雑音レベル以下に埋もれてしまっていても、 このDDS信号を20dBm以上にまで増幅して、ダウンコンバージョンミクサーに加え、その出力を50dB以上も増幅したら、ハムバンド付近の微小スプリアスだって見えてきてしまいます。特に14MHzでは顕著でこの様子を以下に示します。




14MHz帯の近傍スプリアスっておい、気持ち悪いぜ

なにやらDDSのノイズなのかハムバンド帯域が同調アンプのゲインで盛り上がっている?
この時点ではゲイン補正が必要な不完全な状況だった



 この大きなスプリアスは、REを廻すと移動していますので、DDSローカル周波数スプリアスで、ハムバンドに落ち込むものと思います。ということで、ここに来 て、DDSローカルの帯域制限レス!は放棄することにして、大人しくBPFを入れることにしました。スプリアス生成のメカニズムに関してはよく分からないのですが、まぁ、ハムバンドにおいて減衰が多ければ、なんとかなるだろうと考えて、2つのフィルタを受信S/N向上のための外付けBPFユニットに追加しました。3.5-7MHz用 (+70.455MHz)は帯域が5MHzくらいに、また14-21MHz用(+70.455MHz)は帯域が10MHzくらいに作りました。今回は帯域を 広くするので、DWMフィルタではなく、C結合3連BPFにしてみました。 下の写真のDWMさんフィルタの下側に増設したTX用BPFを示します。やっぱり、DDSというスプリアス&雑音発生器を使うからには、ズボラはせずにちゃんとフィルタリングをしないといけませんね。クロックが400MHzで14ビットD/AのAD995xでも、大レベルのローカルに使うには、細心の注意が要るということになりますか。




BPFの様子

下側の10Kボビンの3連BPFが追加したTX-Local用BPF

 ということで、これらを適用して、ハムバンドを中心に帯域が5MHzの近傍スプリアスの図と、高調波を中心に観測した、50MHzまでの広帯域の スプリアスの図を下に並べておきます。近傍スプリアスは、14MHzでひとつ−75dBのものが残ってしまったのですが、まぁ、レベル的に微小で、法規に も全く問題ないので、こんなもので良しとしましょう。その他のバンドでは、まったくスプリアスを観測できませんでした。主信号はPAのアウト50Ω系を −20dBのCMカップラと10dBのATTを通したものです。出力は40dBmで10WのCWということになります。また、広帯域の場合は、全てのバンドにおい て、高調波が観測されます。なんせ、PAのあとはπマッチしかLPF的要素がないので、これで、−50dB〜−60dBもの減衰量を得ることはできませんまぁ、バンド毎の簡単なLPFを必要に応じて挿入するというのが現実解なのかもしれませんね。これについては、送信機の追加申請のときまでに整備した いと思っています。高調波以外のスプリアスですが、これは−60dB以上のものは見えませんでした。真空管でもなんとかマトモなTXにすることができました。

 ということで、少し詳細に見て行きましょう。


SPAN 5MHz 近傍 SPAN 50MHz 高調波
3.5MHz


近傍にはスプリアスは見当たらない


高調波は第二次高調波以外は微小



左図よりハムバンド内ノイズも、ゲイン最適化によって盛り上がっていないことがわかる
7MHz



近傍にはスプリアスは見当たらない


高調波は第二次高調波以外は微小



左図よりハムバンド内ノイズも、ゲイン最適化によって盛り上がっていないことがわかる
14MHz


近傍に微小スプリアスあり


高調波も微小


左図よりハムバンド内ノイズも、ゲイン最適化によって盛り上がっていないことがわかる
21MHz


近傍にはスプリアスは見当たらない


高調波は第二次高調波以外は微小



左図よりハムバンド内ノイズも、ゲイン最適化によって盛り上がっていないことがわかる



 さて、次はIMDです。実は、これはけっこう苦労しました。当初の状況の再現性がなかったのですが、劣化理由が良く分からなかったのです。エキサイターのIMDは良好だし、3段ストレートアンプもSSGでのドライブでは、以前より、ちょっとIMDの特性が劣化しているように見えました。スペアナを 疑ったのですが、R3267のほうが、HP8568AよりTOIは高いので、R3267のせいで特性劣化というわけでもあるまいし・・・・で、これはスペアナのレベル誤差ではないかと思い始めました。しかし、いろいろ比較してみた結果、今はR3267のほうが正しレベル表示だと考えています。なので、これが最終特性なんだろうとまずは思うことにしましょう。

 それはいいとして、今度はエキサイターをつなげると、IMD特性が「著しく」劣化します。最初、この理屈が分からなかったのですが、もしかする と、6DC6のマルチバンド入力トランスの一次側リンク巻き線が少ないので、動作の微妙なダウンコンバージョンミクサーのドライブ条件が過負荷になっているのかと考えて、巻き数をFCZコイル並みに巻き足してみました。これで、あまり歪まなくなったようなのですが、SSGでのドライブに比べると、まだ完全ではないようです。

 と言っていても、なかなか収束しないので、ここは以下の特性で切り抜け、時間のあるときに再検証してみようということで、納得しました。



3.5MHz
7MHz
14MHz
21MHz

 PEP=40W (2-トーン10W×2)時のIMD

ATTはカップラー(-20dB)+固定同軸(-10dB)の-30dBを挿入



 まぁ、各バンドともに−30dBはクリアしているので、当座、使う分には十分な特性だと思います。あとは、NFBとかでさらに特性向上にトライするかどうか、考えていきたいと思います。

 最後にキャリアリークについて見てみます。この延長DCバランスVRをポテンショメータで構成したのは正解でした。あくまでスペアナ目視が必要ですが、2-トーンのPEP比で80dB以上もの抑圧が可能です。もっとも、キャリアサプレッションは最小条件にキープするには、ヒーターの発熱による温度が一定になるまでスペアナで見ている必要がありますが(笑)。

 なお、下図は3.5MHzにも関わらず、USBになっちまっています。そういえば、LocalユニットのDDS群のうち、バンド毎のMOD/DEMキャリア周波数の切り替えは、TRXが出来上がったらプログラムすればいいやと思ったので、しっかりやり残してありますね(大笑)。

 

キャリアリーク



緑色のラインがわざとバランスVRでDCバランスを崩してキャリアをリークさせたところ


黄色ラインはTXのAFゲインVRを絞りきった状態で、キャリアを抑圧した場合。ちょっと雑音が見える。
キャリアを抑圧



緑ラインはTXのAFゲインVRをあげて、PEP=40Wに持ち上げたところ。

この時のAFゲインVRを絞ると黄色ラインで示すようにキャリアは消失している状態であることがわかる。

キャリアサプレッションはキャリア比で10−(−75)=
85dBも取れていることが解る。

7360で−55dB、XFで−30dBという配分
か。

 キャリアサプレッションの説明

 上図の右側の説明もご覧ください。キャリアサプレッションの説明になっています。

 以上の結果をもって、ほぼ真空管UPC機のTX部に関して、基本的なところは動いたと理解しています。あとはALC(現在評価中)とか、漏洩キャ リア検出器とか、パワーコントロールをどうするかというような派生回路を実装しようと考えています。しかしながら、このむき出しのシャーシーに殆どシールドらしいシールドをしていない機器で超高密度実装を行い、4バンドをこんな小さな筐体に押し込んで、発振もせずに動いている、おまけにスプリアスも出ない・・・・というのは結構すごいことじゃないかと勝手に自画自賛しています(え?勝手に悦にいってなさいって?・・・・はぁ、そうさせていただきます: 笑)。


<ALCの動作を見てみる> 【2014.8.10】


 いままでは、下図のような単純な倍電圧整流回路でオーバードライブ検出をしていました。昔からのスタンダードな回路なので、容易にALC検出回路が構成できます。すなわち、ファイナルのバイアスであるマイナスのG1電圧を超えてくるようなオーバードライブがあった場合、ガツンとG1電流が流れますが、この「交流分」を整流・平滑化して、バリμのバッファである6BA6のG1にフィードバックするだけです。この場合、信号がCWのような一定振幅の信号だったりすると、オーバードライブした場合のG1電流(トランジェント後)は一定なので、AC結合されたALC検出器の出力は発生しなくなるという欠点があります。なので、CWの場合はALCの効果が出ないと巷間言われていますが、まぁ、その通りなのでしょう。




倍電圧整流型ALC回路




動作原理


 それよりも、この回路の問題として、G1をオーバードライブし始めると、PAの12DQ6Bにはg1電流が流れて、AB1クラスの動作範囲を超えるため、急激に歪が発生するのですが、それを押さえて、バリμバッファ(6BA6)の利得を抑え込むための制御電圧の立ち上がりが遅くて、十分にPAの歪を低減できないという問題があります。オーバードライブ前は少しも制御電圧は発生せず、オーバードライブを始めたら、急激にバリμバッファの利得を抑え込みたいという、けっこうキワモノの特性が要るのです。なので、半導体UPC機では、面倒な制御回路を繰り出しました。

 この欠点を補うための画期的な回路がJAのHAMによって生み出されたとSSBハンドブックには記されています。以下に回路を示します。





増幅型ALC回路




 SSB送信機を真空管で作ろうとしていた40年前?、子供心にもこの回路はよくできてるなぁと感心したものです。確か、トリオの初期のSSBTRCVであるTS-520あたり(もしかして510も?)からこの回路が採用されていたと思います。オーバードライブすると、ファイナルがAB1クラスの動作を外れてG1電流が流れますが、それを抵抗で受けて、TRのVbeに供給します。そうすると、コレクタ側からはベース電流のHFE倍になった電流が生成されるので、時定数(2MΩ//0.2μF)で受ければそこにはマイナスの制御電圧が生成されるという仕組みです。真空管のG1バイアス電圧(−25〜−50V、カットオフ時は−100V近くの可能性もある)がそっくりTRのC-E間にかかるので、TRの耐圧が高い必要がありますが、現代のTRなら、そんなものは70円@で幾らでも転がっています。





ALC検出用トランジスタの一例


さて、能書きばかり垂れていないで、実際の特性を見てみましょう。





ALCありオーバードライブ時スペクトラム




ALCありオーバードライブ時信号




ALC無しオーバードライブ時スペクトラム




ALC無しオーバードライブ時信号



 この回路は「増幅型」というだけあって、わずかなオーバードライブ成分で大きな制御電圧を生成できます。上図はALCオンオフ時のIMDと波形の様子です。これを見ると、ALCをばっちりかけると、三次歪は−28dB以下となり、許せるスプリアスの広がりだと思います。これが、ALCをオフにするとスプリアスが見事に広がります。ここで注意したいのは、ONとOFFで2dBの差(オーバードライブ分)しかないのにこれだけのスプリアスを抑圧しているということです。つまり、少ないオーバードライブ成分で、バリμバッファ管の利得をしっかり抑制しているということになります。

 ALCのON/OFFのスイッチをつけてはいますが、これは単にALCの動作比較をするために設けたもので、普段はいつもONしておくものです。これによって、入力をいくら上げても、これ以上に劣化しないのですから、安心材料として絶大なものがあります。さらには、この回路、整流回路(TRのB-E間)はDC結合なので、ファイナルのG1電流が一定に流れても、制御電圧を発生することができます。したがって、CWでオーバードライブしてもALCは効かせることができるという優れものです。昔の回路にしては大変にGOODなものですねぇ(笑)。