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2009年7月19日日曜日

【HAM】7MHz QRP Transmitter (3)

【HAM:7MHzのQRP送信機・3】
【7MHz QRP送信機の高調波対策】
 写真は製作した7MHz QRP送信機の終段増幅部分です。
 製作編(←リンク)に続き、第三回は測定評価編として纏めた。 測定評価に基づいた対策や感じたことなども交えて書き留めておきます。 (検索来訪者へ:7MHz QRP送信機の初回は→こちら


 終段部はLC回路でインピーダンス・マッチングする形式です。この出力回路形式はブロードな共振特性ではありますが、同調回路なので広帯域型のパワーアンプよりもスプリアス輻射の点では有利です。 写真で一番左のコイルはπ型LPFです。 シンプルな一段で設計しています。 狭帯域アンプなので一段でも十分だろうと思ったからです。

【厳しくなった無線設備の不要輻射基準】
左図は電波法の無線設備規則の一部です。
これは、アマチュア局の不要輻射に関する部分です。(30MHzまでのHF帯のもの)

 不要輻射と言えば、昔は高調波や寄生発振などを考えれば良かったのですが、現在の不要輻射に関する規定は二つに分けて考えることになっています。

 一つが「帯域外領域」と称する送信信号の近傍に関するものです。 もう一つが「スプリアス領域」で、昔と同じ高調波など送信信号とは離れた所に出るものです。この二つをそれぞれ規定しています。

 中央の欄が「帯域外領域」の基準です。 送信波の電波形式に応じた必要帯域幅(CWなら0.5kHz、SSBなら3kHz)の外側にあって、しかもその近傍に存在する不要信号の基準です。 たとえばSSB送信機に於けるスプラッタ成分などがそれに該当します。
 CWなど狭帯域の電波形式では送信中心周波数:fcの±10kHzまでが「帯域外領域」になります。 いま、CW送信機の場合の必要周波数帯幅は0.5kHzですから、結局その外側の上下10kHzまでが「帯域外領域」に相当することになります。(同規則2項(3)による) 寄生振動や電源ハム(HUM)等によるキャリヤの濁りなどがあれば別ですが問題になることは少ないと思います。(SSB送信機を使い、サイドトーン・オシレータでCWを得る方式では問題になることがあります)

 右側の項がその外側にあたる「スプリアス領域」で高調波など一般に問題になる不要輻射にあたります。 この送信機の終段回路はシングルのC級電力増幅ゆえに偶数次の高調波が多いですから、まず問題になるのは二次高調波ですが、もちろん三次以上の高調波も無関係ではありません。

 赤いラインで囲んだ部分が3WのQRP送信機に適用される部分です。 中央の帯域外領域の『50mW以下であり、かつ、基本周波数の平均電力より40dB低い値』と言う基準はこの形式のCW送信機ならまず問題になりません。(SSB機の場合はそう簡単でないので文末の部分も参照のこと)

 いま問題になるのは右欄のスプリアス領域の『50μW 以下』でしょう。 これには、高調波のすべてが関係します。 低調波はこの送信機では問題ありませんが基本波を逓倍する形式の送信機では要注意です。 (一例として3.5MHzを4逓倍して14MHzを得るような送信機で問題になります。 出力に付けた14MHz用のローパスフィルタ(LPF)は低調波には効果はありません。設計がマズいと3.5MHzや7MHzの成分がかなり漏れます) 50μWと言うのは3Wの約-48dBなので、なかなか侮れない数字だと思います。 

スプリアス評価
 パワー計に電力を喰わわせて、信号を十分減衰させてからスペクトラムアナライザ(=スペアナ)に導きます。 間違っても3Wをスペアナに直送してはなりません。 (「OMさん」が×××Wを直接送信したというスペアナを見たことがあるのですが、ミキサー部がみごとに燃えていました・笑) 高級な測定器はとてもデリケートだから良く理解して使いたいものです。

 なお、簡易な手法なのでパワー計のモニタ出力を使いましたが、正式には「50Ωのダミーロード」、「-20dBカプラ」と「アッテネータ」を組み合わせてやるべきでしょう。 ここでは相対測定で行くので簡単に済ませました。 スペアナがあればもちろん各種測定用アクセサリも持っていると思いますので、それらを使って正規の方法でやるのが良いでしょう。

参考:写真は使用した機器がイメージできるように並べて撮影したものです。 実際は送信機を大きな接地板の上に載せ、全体のGND電位が安定するようにして行ないます。接地板は文字通りGNDされています。 送信機をスペアナ上に載せて測定するようなことはありません。

対策前
 実は初期設計では設備基準をクリヤできませんでした。 この画面はπ型LPF一段のみの高調波の様子です。 14MHzに発生する第二高調波は主信号の-41.35dBでした。 これは、主信号を3Wとして約220μWです。 1〜5W送信機の基準値「50μW以下」の4倍もあって満足していません。

第三高調波(21MHz)はさらに20dB(1/100)小さい約2μWなので十分な余裕がありました。

 少なくとも第二高調波を7dBくらい低減する必要がありました。 対策としては一般にπ型LPFを2段にするのが簡単で良いと思います。 しかし、ここでは基板のサイズが限られるので別の方法でやることにします。 幸い二次高調波以外は十分低いので二次高調波の所に減衰極を設ければ改善できると予想できます。 有極型にすると跳ねっ返るので他の高調波に対して不利になりますがそれもまず大丈夫でしょう。

有極型LPFで対策
 14MHzのところに減衰極(ポール)を設けてみました。 劇的な効果があって、二次高調波は主信号に対して-72dBにななりました。 これは3Wに対して0.18μWなので、基準の50μWより遥かに小さい値です。 また、第三高調波はやや劣化しましたが-57dBですから約6μWです。 これも十分基準を満たしています。

 もし余裕があれば、π型2段で第二・第三高調波の周波数に極を持たせたLPFにすればベストでしょう。 まさしくそれは以前Web siteに掲載していたローパスフィルタそのものです。 hi

これで無線設備規則を十分満足した送信機になりました。さっそく箱にでも入て完成させましょう。

              −・・・−

◎無線設備基準と現実の送信機の評価から気になったことがあります。

 まずは非常に古い送信機についてです。 たとえばTX-88AやTX-88Dと言った発振・逓倍式の送信機ですが高調波の基準を完全に満たすのは難しいでしょう。 送信出力10Wとして、「基本周波数の尖頭電力より50dB低い値」とは、0.1mWです。 実測すればわかりますが、この10倍は出ているかも知れません。 いや、それどころか遥かに多いかも知れないのです。 レストアしてオンエアする人もあるようですが、十分気にしておく方べきです。 低い周波数の源発振を逓倍してオンエアするバンドでは、低調波(サブ・ハーモニックス)にも注意が必要なので、LPFではなくてバンドパスフィルタ:BPFが望ましいかもしれない。

 次に、旧式のSSB送信機です。 例えばFT-101やTS-520です。 一つにスプラッタの問題があるので、適正なマイクゲインになるよう調整しALCが強度に掛からないように運用すべきです。 ALCをオフするなど言語道断です。 中心周波数から±10kHzまでの帯域外領域・・即ち中心周波数の+1.5kHz〜+10kHz及び-1.5kHz〜-10kHzの範囲に発生する(主に終段電力増幅のIMDの悪さに起因して発生する)スプラッタは平均電力に対して-40dB以下に抑える必要があります。
 実際にパワーアンプを評価するとわかりますが、Full Powerで-40dB以下のスプラッタ(IMD)を実現するのはかなり難しいのです。 数W程度のLow Level部ならいとも容易いIMD<-40dBが容易ではないのです。 Over 10WのAB級Power Amp.ともなれば、3rd IMD<-30dBの実現すら怪しいのが実際でしょう。 スプラッタに対しては後付けのフィルタはまったく無力であり、出来てしまったモノの除去は不可能です。 リニヤリティ(直線性)の良いデバイスを使い、十分ゆとりを持った使い方をする以外に根本対策はありません。フィルタで除去可能な高調波よりよほど始末が悪いものです。(送信レベルが一定なら歪み打消しアンプを使う手法があります。移動体通信用中継器のIMD改善に実用化されています)

 更にスプリアス領域、おもには高調波に対する対策ですが尖頭電力より50dB低い値とずいぶん厳しくなっています。 やはりバンドごとに良い特性のLPFを付加して使うべきです。 C級増幅だった上記の古典的な送信機よりはだいぶマシではあっても、-50dBが常に保証されているとは思えないからです。なお、SSB機は逓倍式ではないため低調波の心配は少ないのが普通です。(HAMの自作品の場合は局発の漏れなどに要注意です)

 従って、何れの旧式送信機(トランシーバ)も、少なくとも各運用バンドに対応した有極型のLPFくらい付けてオンエアすべきです。 そうでないと無線設備基準を満たさない送信機でのオンエアになる危険があります。 レストアを楽しむのも良いのですが、昔のままでは不十分なので現在の基準に合わせてオンエアしなくてはなりません。
 一応、LPFを付けたことにすればTSSの保証認定は得られると思いますが実態はこのようなものです。 もちろん多くの場合、高調波は上のHAMバンドに落ちるのでプロの通信を妨げる危険性は少ないとは思います。しかしモラルの問題は常に残ります。

 いまは良い測定器がHAMの手に入る時代になりました。 しかしスプリアス退治は厄介なので、『見なければ良かった・・・』などと言いたくもなりそうです。 ですが、それを言ったらそもそも高級な測定器を持つ資質を問われてしまいそうです。 スペアナは電波の質を維持するための強力な武器であって単なるシャックの飾りではないのですから、ぜひとも有効活用して奇麗な電波でオンエアしたいものです。

# 第三回として7MHz QRP送信機の評価と対策を詳しく扱ったのは、未だあまり良く認識されていない「新しいスプリアス基準」の説明が大切だと感じたからです。過度に恐れず、本質を見極めておきたいものです。

7MHz QRP送信機の初回は→こちら

(おわり)

(Bloggaeの新仕様対応済み。2017.03.31)

13 件のコメント:

ja8irq/福島 さんのコメント...

CQおまけ基板の送信機に21135の水晶を入れてVXOしたら21120~21160まで変化するので、これは良いと思っていたら、「7MHz台水晶」でした。たぶんQP21の付属品です。
これをローパスフィルターのみの送信機につなぐと、21メガのほか7メガと14メガが「ダダ漏れ」状態になることに気付いて、21メガ台発振の水晶に取り替えました。CQを出したら別のバンドで応答があったという昔話を再現するところでした。

同調回路が入ってない送信機というのは便利なようで素人には難しいところもあると感じました。

自作の送信機で電波の質を保証するのは自分しかいませんです。(Hi)

TTT/hiro さんのコメント...

JA8IRQ 福島さん、おはようございます。

さっそくのコメント有難うございます。
> 「7MHz台水晶」でした。
発振回路が「無調整型」になっているのでしょうね。それで気付かなかったのでしょう。 送信機に無調整型水晶発振回路を使うのは本来好ましくないように思います。(十分なフィルタを段間に付ければ別ですけれど)

> 7メガと14メガが「ダダ漏れ」状態に・・・
その送信機は21MHz用ではなく7MHz用ですね。「ダダ漏れ」どころか、大半のエネルギーは7MHzに出ていてせいぜい数%が21MHzに出ていたのではないでしょうか?(笑)

> 同調回路が入ってない送信機というのは便利なようで・・
奇麗な電波を出すと言う観点から言えば、同調回路の少ない送信機は最低・最悪ではないかと思います。hi hi

> 電波の質を保証するのは自分しかいません・・・
確かにおっしゃる通りです。 それが可能な設備を持っているのでしたら、ぜひ実践したいものですね。

JE6LVE/Takahashi さんのコメント...

おはようございます。

昔と比べると電波環境の変化で不要輻射の規則は厳しくなっていますね。
V/UHF帯はもっと厳しかった気がします。
自作や古い無線機を使うときは気をつけないと行けませんね。
最近の製作記事はこのあたりのフォローが少なく感じます。

でも不要輻射をクリアしていれば多少のQRHは自作らしさということで容認して欲しいです。
最近はRITの使い方を知らない局長さんが増えたのかQRHがあるとすぐに怒られます。HiHi

TTT/hiro さんのコメント...

JE6LVE 高橋さん、おはようございます。

コメント有難うございます。
> V/UHF帯はもっと厳しかった気がします。
1W以下は比較的甘い感じですが、それ以上はおおよそHF帯より10倍くらい厳しいように思います。 やはりHF帯と違って複数の無線機が密接して使われる可能性が高いからでしょうね。

> 最近の製作記事はこのあたりのフォローが・・・
そのような検証をまったくしてない自作記事が連載されたとか・・・。 雑誌として相対的にレベル低下したようですね。 しかし、お子様向けワイヤレスマイクの製作記事ではないので、もう少しきちんとしないと責任を問われかねます。確かJARL監修だった筈ですし。
 レストア記事も電波の質について触れないのは本来はマズいでしょうね。たとえCollinsでも怪しいものです。(笑)

> 多少のQRHは自作らしさということで・・・
バンドを逸脱すれば別ですが、バンド内なら法的には問題ないようです。オフバンドしないよう気をつけて下さい。hi スプリアスの有無はオンエアからはわかりませんが、QRHはすぐわかるので皆さんシビアなんでしょうね。(笑)

今はRITを使わないのがトレンドでしょう。(爆)

jo7wai/takahashi さんのコメント...

ブログを読んで、増々スペアナが欲しくなりました。頑張って特許を出して、その出願補償金と実施報奨金を(新しいリグを買ってしまう等の・・・)無駄遣い?せずに貯金しましょう。

隣近所が近いのでIには気を遣っています。
今使っているのはメーカー製ですのでスプリアスは当然OKでしょうが、それでもローパスフィルタとコモンモードフィルタがガッチリと入れています。

紹介のQRP送信機が完成したら、先ずはNRD-525と組み合わせるつもりです。

JG1EAD 仙波 さんのコメント...

以前手に入れたTen-TecのArgonaut505がやはりπ型1段のLPFで高調波抑圧が甘く、π型2段の減衰極付きのLPFにしてやったところ第2高調波がズバッと切れる特性になったので満足した記憶があります。

加藤さんの実験結果を見て、π型1段に減衰極だけ付ければ何とかなったのかもと思いました。hi

http://park2.wakwak.com/~jg1ead/argonaut/lpf_mod.html

JG1EAD 仙波 さんのコメント...

続き。

当時の測定結果を見ると、HFのハイバンドの方になってくると、ストレー容量などの影響なのか減衰極のノッチがあまり綺麗に出なくなってくるのと、28MHzバンドなどはもともとバンド幅が広いので、高調波がノッチから外れる恐れがありそうで、結局28MHzだけはπ型3段減衰極なしと落ち着きました。

TTT/hiro さんのコメント...

JO7WAI 高橋さん、おはようございます。

コメント有難うございます。
> 無駄遣い?せずに貯金しましょう。
ハっはッ。(笑) ある程度、オリジナルな自作をされるお方は持っていると安心かも知れませんが、案外稼働率は低いので勿体ない測定器だと思いますよ。 もし手に入れるなら是非ともトラジェネ付きにして下さい。

> フィルタがガッチリと入れています。
電波法の設備基準は、最低限のものと思うべきです。設備基準はクリヤ出来ていてもかなりの対策をしないとインターフェアが残ります。メーカー製はその辺りまで考えてあるのでしょう。

なお、お送りした回路図は対策済みのものです。そのまま製作されれば大丈夫だと思います。

> 先ずはNRD-525と組み合わせるつもりです。
BC342かなあ・・・と思いましたが、やはり近代的な受信機が良いですね。 R392/URRを使いたいのですが、かなり整備して「世羅多フィルタ」でも追加しないと厳しいです。(笑)

角間 孜 さんのコメント...

加藤さん おはようございます。
JA1AJR 角間です。
敷居が低くなりました。
第3回も大変参考になりました。
まず、懺悔話ですが、昔、7メガで、QSOしていて、何かの拍子に、向こうは3.5メガで運用していることが判明しました。福島さんのコメントの通りのことをやっていました。7メガがスポットで認可されていた頃の話です。
私も、昔のリグをいくつか残してあります。TS-510もあります。また、アマチュア無線を再開したときに使用したTS-820もあります。
知り合いのOMから、CWで運用しているのに、近所の局からスプラッターが出ていると文句を言われたという話を聞いたことがあります。CWだから、スプラッターなどは出るはずはないと言うのがOMの言い分でしたが、TS-820のように、ドライブレベルを調整できるリグではCW送信時に、うっかりすると、過励振になり、ご近所に迷惑をかけることがあります。
今のリグは、ファイルセーフと言うか、フールプルーフと言うか、間違っても、人様に迷惑をかけないようになっているようですが、昔の機械を使って出る時は、気を使います。
それから、自作の送信機の高調波の強度をゼネカバの受信機でどの程度定量的に調べられるのか、何かアイデアをお持ちでしたら、ご教示ください。

TTT/hiro さんのコメント...

JG1EAD 仙波さん、おはようございます。

コメント有難うございます。
> 第2高調波がズバッと切れる特性になったので満足・・
極を付けると、ダラ下がりの特性ではないので狙った所は劇的な効果が出ますね。(笑)

> π型1段に減衰極だけ付ければ何とかなったのかもと・・
そのまま見たとき、二次高調波以外はかなり少なかったので行けると思いました。 ケースバイケースでしょうね。

> ハイバンドの方に・・ノッチがあまり綺麗に出なくなって・・・
14MHzと、まだ周波数が低いので大きな効果があったのだろうと思います。 周波数が高くなると、ストレー容量や残留インダクタンスによるコモンモード結合などが出て来て、効きが悪くなりますね。 最初から構造を考えて作ればかなり良いものになりますよ。 もっとも、不十分だったのであとから対策する場合には多少効果がある程度でやむを得ないかも知れません。hi hi

TTT/hiro さんのコメント...

JA1AJR 角間さん、おはようございます。

コメント有難うございます。
> 昔、7メガで、QSOしていて、何かの拍子に、向こうは
> 3.5メガで運用していることが・・・
知らないうちにクロスバンドで交信していたのですね。私もローカル局が出ていたので、いくら呼んでも応答がないので見に行ったら、下のバンドに出ていた・・なんて言う経験があります。hi hi 高調波がずいぶん強かったようです。

> 過励振になり、ご近所に迷惑をかける・・・
他にも、最近多いのは周波数安定度を上げるために古いリグに外付けのVFOを使うお方がいることです。DDSか何かだと思いますが、それの信号が汚くてバンド中がお子様連れになっていることがあります。特にハイパワーだと外付けVFOは-100dBcくらいの奇麗さでないとうまくないと思うのですが・・。ご本人は近所迷惑を知らないようです。(笑)

> ゼネカバの受信機でどの程度定量的に調べられるのか・・
最近のジェネカバ機を測定したことがあります。測定器ほどではありませんが、バンドによる感度差は驚くほど少なかったです。 一度、SメータをSSGで校正しておき、バンドによる感度差も数値で掴んでおけば十分「測定器」として役立ちそうでした。 但し、S1=6dBと言うのはかなりマユツバでした。(笑)

ja8irq/福島 さんのコメント...

加藤さん、みなさん、こんばんは。
JA1AJR角間さん、はじめまして。
 「気が付いたら違うバンドで交信していた」というのは昔話としては聞いたことがありましたが、やはり本当にあったのですね。

「CQ40メーター」などと呼び出すのは違うバンドから応答しないように、という意味だと聞いたことがあります。今のリグは本当に便利で簡単ですが、それだと面白くないので、わざわざ手間ひまかけて自作して不便を味わうわけです。しかし世間的には今の基準にあわせなければならないので、それもなかなか大変です。

念のため、もう一つの21.052の水晶が、7メガでは発振してないことを確認して安心しました。フィールドデーにはこれをもって野外運用したいと思っています。

TTT/hiro さんのコメント...

JA8IRQ 福島さん、こんばんは。 こちら就眠直前です。

コメント有難うございます。
> やはり本当にあったのですね。
他に多かったのは、逓倍のとり違いでしょうね。VHF帯送信機では、うっかりすると2逓倍と3逓倍を間違い易いです。大抵は気付きますが変な周波数でオンエアしていた・・・などと言う笑えない話しも多々ありました。

> 今の基準にあわせなければならないので・・・
特に、昨今は皆さんが無線機(=携帯TEL)を持ち歩く関係で、UHF帯以上のスプリアス基準が厳しくなっていますね。HF帯は比較的甘いくらいです。

> 7メガでは発振してないことを確認して安心・・・
例の一件も、不要波(?)は、いずれもHAM-Band内だったようなので、大問題ではなかったとは思います。しかしバンドによっては高調波がプロの周波数なので危険です。今度は大丈夫なようですね。(笑)