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2014年2月15日土曜日

【回路】136kHz Bandpass Filter Design

【136kHzのバンドパス・フィルタ デザイン】

136kHz BPF
 これは136kHz帯の送信機を作る話し(←リンク)の一環だ。 以下は特に変哲も無いバンドパス・フィルタの話しである。しかし、136kHz帯HAMバンド用送信機の電波の質に関わる重要な部分なので独立したBlogテーマにした。例によって自家用のデザインメモなのでそのおつもりで。

 このフィルタの目的は、20kHz帯で作ったUSB(上側側帯波:例えば21kHz)をヘテロダイン周波数変換し、136kHz帯に持ち上げる際に発生する不要波を除去することだ。 136kHz帯、すなわち135.7〜137.8kHzのハムバンドはそのまま通過させ、他の周波数成分は通過させない性能が必要だ。特性が良くないと不要輻射の要因になってしまう。

 設計は4次のバターワース特性で行なった。 このフィルタの特性としては:主信号(例:136kHz=115kHz+21kHz)に対して、(1)ヘテロダイン局発である115kHzは40dB以上の減衰が、また(2)ヘテロダインで逆側に発生する115-21=94kHzについては60dB以上減衰する特性が必要である。 115kHzの所が-40dBで良いのはミキサーがDBMなので局発の減衰を20dB以上見込むからだ。 以上の要求仕様から4次以上のフィルタを選択する必要がある。 なお、-3dB帯域幅:Bwは10kHz、入出力インピーダンス:Zoは600Ωとした。

 設計過程は、実際に製作することのないBlogウオッチャーには退屈なだけだろうから一切省略させてもらった。 もちろんそんなに難しいものでは無い。 興味でも湧いたら諸々はシャックの様子見がてらでもお立ち寄り頂ければと思う。 何か手作りをお持ちになって頂くと自作話で盛り上がりそう。近隣・遠方は問わずお客さんは歓迎だ。(笑)

フィルタ・シミュレーション
 さっそくシミュレーションを行なった。 但し、コイルの一部はQが低くてLossがあるとして実行している。従ってシミュレーション回路は上記と多少変えてある。

 図は検討過程の一例だ。結果から見て必要とするフィルタ特性は十分得られると考えられる。 Lossのあるコイルを使うと肩部分のダレが増えて来るのと、通過損失の増加が見られるようになる。

 ただ、今回は本当に必要な通過帯域幅が僅か:Bw=2.1kHzしかないので、少々頭の丸いフィルタになったとしても実用上の支障はないだろう。(もちろん、最初からそのように見込んで設計しているのではあるが・笑)

使用するコイル
 プロフェッショナルな設計の場合、フィルタの途中にインピーダンス変換を入れたり、コイルにタップを設けるなど行なって、作り易く性能も出し易いように変形する場合が多い。

 上記の設計の場合、L2とL4のインダクタンスがやたらと大きく、比べてL1、L3のインダクタンスはずいぶん小さい。 大きい方を数mHに、小さい方は少なくとも数100μHくらいになるようにした方が作り易いが設計は一段と煩雑になってしまう。

 ここでは、少々無理は承知でそのまま初期の設計通りに進めることにした。 その結果、特性は多少理想とずれてくるとは思うが、使用帯域幅が狭いことと、Lossの増加は容易に補える周波数なので煩雑化は避けることにした。(設計も面倒だしw)  また、数100kHz帯では壷型フェライトコア(ポットコア)を使うと良いコイルが作れる。しかし入手難なので手持ちから使えそうな物をピックアップしてみた。要するに実用性能になればOKと言う訳だ。 インダクタンスはなるべく実際に使用する周波数に近い所で測定しないと誤差が大きくなるので注意を。磁気コアが周波数特性を持っているからである。

使用するコンデンサ
 コイルの方で譲歩したので、コンデンサの方はなるべく良い物を選んでLC共振器としての無負荷Q:Quが過度に小さくならぬように考慮した。

 容量の大きなコンデンサは主にスチロール・コンデンサ(スチコン)を使う。 また小容量はQの高い温度補償系のセラミック・コンデンサ、もちろんNP0特性のものを使う。同じくディップド・マイカも適している。 一部補助的にメタライズド・フィルムコン(ポリエステル)も使ったが主たるコンデンサがHig-Qなのであまり支障はないだろう。 いずれもLCRメータを使い使用周波数に近い100kHzで性能確認しておいた。 各コイルがインダクタンス可変型なのでコンデンサは1%程度まで合わせておけば十分だ。 スチコンは在庫から調達した。性能は良いが大型なので近代的な回路には巨大過ぎて持て余し気味であった。この機会に有効活用できて良かったと思っている。フィルタの用途にはうってつけのコンデンサだ。

フィルタの部品一式
 どのように組立てるかにもよるが、実際には実装基板が必要になる。 量産するならパターン化しても良いが一品料理なのでユニバーサル基板で行くことにする。

 さっそく組立てに・・・と行きたい所だが、もう一つ確認作業が残っている。 使用したコンデンサのうちスチコンのような巻回型のコンデンサは「巻きの内外」を確認しておく必要がある。 これは構造によって生じるものである。こうしたコンデンサは二枚の電極箔(アルミフォイル)の間に絶縁フィルム(誘電体フィルム)を挟んでのり巻き状にぐるぐる巻きにした構造だ。 スチコンを見ると透けているので構造が良くわかるだろう。 本来、フィルムコンデンサは無極性のコンデンサではあるが外側に巻かれている方をインピーダンスの低い側に接続するのが使い方の常識である。 その為には巻きの内外がどちら側のリード線に出ているか知らねばならない。 以下はその調べ方だ。


Capacitor Outer Foil Test
 写真はスチコンの測定を始めた所だ。結果から言うと、このスチコンでは赤い帯のある方が外側である。要するにホット側ではなくてGND側だ。(赤い線なのにねえ・・) しかし表示がないものや、逆側に内側マークが付いているケースもあるようなので実測すると間違いが無い。

 使用測定器はミリバルと呼ばれる「高感度電子電圧計」である。主にオーディオ周波数帯用であり交流電圧を1mV程度まで高感度に測定できる測定器だ。入力インピーダンスは10MΩであることが多い。 このテストにはうってつけの道具である。

 入力がハイインピーダンスなので、もし測定端子のホット側(黄色のクリップ)に接続されたリード線が外側に見えるフォイルに繋がっているのなら、誘導を受け易いのですぐにわかる。 逆にGND側に接続されているならシールドされる形になるので誘導は受け難いわけだ。

こちらが外側ね
 さっそくコンデンサの外側を指でつまんでみよう。 人体に誘導している50Hz(関西なら60Hz)のハム成分が、このようにコンデンサの電極に誘導し電圧計の指針は大きく振れる。

 確認の為に、リード線を入れ替えて比較すべきだがこれだけでも結果はほぼ間違いないだろう。

 実際に使う際も外側巻きの方をデリケートな側(一般にインピーダンスの高いところ)に接続してしまうと無用な誘導や、他の部品などと静電的な結合が発生して旨くない。アンプなら発振するかも知れず、フィルタなら特性に乱れを生ずる。 巻きの外側はGNDされる側に使うか、インピーダンスの低い側に使う方が有利と言うか常識的な使い方だろう。(え、知らなかった?)

こっちが内側だ
 黄色のミノムシ・クリップが電圧計のホット側の端子だ。 手指の誘導を受け難いと言うことは、外側のフォイルはGNDになっており、逆に黄色のこちらが内側巻きと言うことになる。

 なお、回路の中でGNDされるコンデンサは良いとして、両端のどちらもGNDされていないコンデンサはどう考えれば良いのだろうか?

 このフィルタで言えば、直列共振の為のコイルが接続された側がホットな側になるので、そちらがフォイルの内側になるようにすべきだ。 例えばC2とL2の接続点などがホット側だ。 巻物のコンデンサだけでなく、積層セラコンにも表裏があるので場合によっては確認して使うと良い場合がある。GND側でシールド板の役割を持たせると言うような効果的な用法もあるわけだ。

組立て完了
 コイル巻きは少々面倒だったが、簡単な回路なので組立は難しくはない。

 赤い巻線のコイル(L2とL4)のうち一方(L4)が横倒しになっているのは、他方(L2)と磁気的な結合を避ける為である。 この赤い巻線のコイルは開磁型なので磁束は周囲に漏れている。 従ってこのような配慮をしないとフィルタのようなデリケートな回路では所定の特性は得られない。

 なお、小さい方のコイルはコアが壷型の概ね閉磁構造なので磁束漏れが少ない上、シールドもされているので平行に配置しても殆ど支障はない。 もちろん、無理に接近させる意味はないので多少のスペースをとる方が賢明であろう。

 実際に使用する際は、フィルタ全体を何らかのシールドケースに入れるつもりだ。 アンテナと言う強力な電磁界を作り出すものの根元で使う機械用だ。裸のコイルに磁界の誘導が起こることは想像に難くない。要は小さなバーアンテナと同じなのだ。

特性評価・1
 まずは帯域外の減衰特性を測定してみた。

 肝心の115kHzのところ(中心から-20kHzのところ)が約-47dB、94kHzのところ(中心から-40kHzのところ)は約-70dBと減衰量は十分に得られており設計仕様を十分に満足している。

 測定には600Ωのインピーダンス・マッチング回路を外付けしている。 そのため、通過減衰量は直読測定出来ないので(まあ、やれば出来るのだが面倒)別途測定することにしている。減衰量の測定は通過域の値との相対測定なので特に問題は無い。

 上側の減衰域が多少なだらかなのは使用したコイルのQが低いからである。 下側はあまり影響を受けないが上側で顕著になっている。 それでも上側も十分に件の-40dB、-60dB減衰量は得られているので、局発を上側にとったヘテロダインでも支障なく使えそうだ。

特性評価・2
 通過帯域内の特性である。 理想通りの部品ではないので、通過帯域がだいぶ丸くなっているが、必要とする中央部分では0.2dB程度の偏差なのでまったく支障無いだろう。-3dB帯域幅は設計値の10kHzより狭い8kHz弱になっている。原因はコイルのQと調整法にあるようだ。

 Qの低いコイルを使うと通過域の肩部分がだれて丸くなる傾向がある。 また、このフィルタはLC共振器を4つ持っていて、それぞれの共振周波数は少しずつ周波数がずれた所定の所に合わせるべきだ。通過帯域が丸いのは、なるべく通過Lossが少なくなるように調整したからで、それも関係している。多少Lossの増加を許容すれば平坦域が広くなように調整をすることも可能だ。(やや根気が必要そう)

 このHAMバンドはアンテナの帯域幅が極端に狭い。送信機から見た空中線インピーダンスはたった2.1kHzの間と言えども大きく変化する。 従って完全フラットな周波数特性の送信機をもってしても、結構大きな周波数特性が観測される筈だ。 もしそうでないならQの低い飛ばないアンテナの可能性もありそうだ。 まあフィルタはこの程度の周波数特性なら十二分であって、深追いは無用と言うこと。(笑)

通過損失の観測
 通過損失の直接的な測定にはオーディオ発振器とミリバル(電子電圧計)を使ってみた。 中心周波数にて測定された通過損失は5.5dBであった。これくらいならまったく支障はない値だ。並列共振回路を何段か重ねた形式では通過損失はずっと大きくなるのでこの形式で製作したのは正解だ。

 Qのあまり高くない、即ちLossの多いコイルを使ったにしてはまずまずだと思う。調整で最小Lossに合わせ込んだ関係もあるだろう。 この程度なら簡単に増幅で補えるので実用十分的な特性に仕上がったと思う。良好な切れを追求すると幾分損失が多くなるのはやむを得ない。巨大なコイルでも作れば数dBのロスを減らせるが、この場合はそれをするより増幅する方が簡単だ。部分ごとの理想追求では無く、トータルとしての合理性を追求すべきである。

 この観測に限らず、例によってブレッドボードに載せて評価した。写真に見える両端がミノムシ・クリップの黄色いリード線は底板のGND用である。 ブレッドボードの底板を浮かせたままにすると、そこを介した結合が起こってフィルタ特性に乱れが生じる。要注意だ。なにしろ、IN/OUT間で90dB(電圧で言えば約3万分の一、電力で言えば十億分の一)の減衰量がある回路の測定だ。周波数が低いと言っても侮れない。

                  ☆

 こうしたバンドパス・フィルタは周波数変換形式の送信機には不可欠なものだ。 スプリアスの原因になっても困るので良いフィルタが欲しい。 しかしこの周波数帯のLCフィルタは面倒なものである。 大きな値のインダクタンスやコンデンサが必要で理想通りの部品は得難い。 常識的に言えばポットコア(壷型コア)を使ってなるべくHigh-Qなコイルを作ることになるだろう。 しかし、コアの入手は問題で、おまけに沢山の回数を巻き線するのも大変だ・・・と言うことで、手持ちの活用で済ませる作戦でスタートした。 要するに実用性能のフィルタが出来れば良い。言うまでもなくエレクトロニクスは実用の科学である。机上でぐずぐずするより実用を目指すべきだ。

 ずいぶん前に、セラロックを使った135kHz帯のVXOを作った事があった。その時に使った「公称インダクタンス20mH」というコア入りコイルを巻き戻して使うことにした。ずいぶん前の頂きものだ。EADコイルなどと愛称して活用している。hi hi
 何百回と細い線で巻線するのは大変だが、解いて行く方ならずいぶん楽だ。おまけにコア入りで調整もできるからおあつらえ向きのコイルに思えた。 ただ、残念なことに開磁型なので使い方に工夫を要する。 また、やってみたら中芯フェライト・コアの周波数特性が大きいようだった。使用周波数に近い所で所定のインダクタンスになるよう合わせ込む必要があった。 最終的には一緒に使うコンデンサと組み合わせて共振周波数が所定の所に来るよう巻き数を微調整して完成させた。 なにも高級な測定器はいらない。 周波数が安定なDDS発振器などとオシロスコープくらいで十分行けるから後はやる気と根気の勝負だ。 de JA9TTT/1

(注)トップバンドにオンエア予定で、実際におなじようなフィルタを作りたいお方にはLC部品供給の用意があるので詳細はコールサインを書いたメールで。

つづく)←136kHzの信号の増幅するアンプの検討にリンク

8 件のコメント:

JG6DFK さんのコメント...

おはようございます。天候は回復してきましたが、今朝ゴミ出しに出たときは周りが雪で恐ろしいことになっていました。昨日の大雪で、定例の出稼ぎが月曜日になりました。おかげで、秋葉原某所のバレンタイン特別メニューにはありつけませんでした(爆)。

男子フィギュアで金メダリストが出たようで何よりです。

136kHzのオンエアにまた一歩近づいているようで、これまた何よりです。136kHzといえばオーディオ帯の少し(?)上くらいですし、超高速オペアンプがかなり入手しやすくなってきているので、オペアンプによるアクティブフィルタという選択肢もありそうですが、いかがなものでしょうか。

おっしゃるようにコイルが絡むと誘導の問題がかならず付きまとうので、出稼ぎ絡みの仕事ではコイルがとにかく嫌われています。今はありとあらゆる機器がノイズ源になるので、特に微小信号領域で極力コイルは使うな、と。

17mHというのは結構なインダクタンスですが、私が某社の新入社員だった頃扱っていたCATVコンバータには8mHのコイルが使ってありました。用途は伏せますが、温度特性が重要なためか巨大なものでした。当然シールド付きです。

スチコンの「極性」はそれまで気にしたことがありませんでした。確かに、言われてみれば納得のいく話です。これは勉強になりました m(--)m。自ら率先して「産みの苦しみ」を味わおうとしない人たちには「絶対」身に付かないノウハウでしょう。もっとも、ROMさんたちもここで教えていただいてひとつお利口になりましたか(笑)。

最近はフィルムコンデンサも積層が一般化してきました。なので、これにもMLCCと同様のことが言えるかもしれませんが、サイズが小さいチップMLCCあたりになると、よほどのことでもなければ実装上の制限は受けないかもしれません。

チップフィルムコンデンサもあるにはありますが、あれを素人が手ハンダすると悲惨なことになります(汗)。もっとも、量産設計ではNP0のチップMLCCで代用することが多いのではないかと思います。高精度品も比較的入手しやすいです。

ハイインピーダンス入力のAC電圧計は重宝しますね。Zin≧1MΩの簡易型も一応作りましたが、日頃はオーディオアナライザの電圧計が頼りです。ただし、Zin=100kΩしかありません。お使いのAC電圧計は中古でも結構なお値段のようですね。

いずれアイボールの機会でもありましたら力作を拝見できればと思います。

TTT/hiro さんのコメント...

JG6DFK/1 児玉さん、こんにちは。 今朝は金メダルの話題と白銀の世界の話題ばかりですね。(笑) こちら、ピーク時には60cm近い積雪でした。1日でそこまで降るとは・・・。上越や北陸なみです。hi hi

早速のコメント有難うございます。
> 特別メニューにはありつけませんでした(爆)。
それは残念でしたね。 秋葉の街頭に立つメイドさんたち、この雪でも立っていたのでしょうか。ちょっとカワイソ〜。

> オペアンプによるアクティブフィルタという選択肢も・・・
アクティブでも行けると思いますが、これだけの特性を出そうとすると段数が必要でしょう。十分なGB積をもったOPアンプはそれほどたくさん持っていません。(笑)

> スチコンの「極性」はそれまで気にしたことが・・
オーディオとか高性能な積分型A/Dコンバータの世界では常識だったはずですが、今は別の技術で行きますからね。スチコンも一部マニア向けのコンデンサになってしまいました。

> あれを素人が手ハンダすると悲惨なことに・・・
うかつにコテを当てると伸びたアコーデオン状に「びろ〜ん」っとなって大変な目にあいます。(爆)

> 中古でも結構なお値段のようですね。
旧TRIO製のヤスモノですが、ダブルニードルなので多少高めでしょうか? 2chで使うことは滅多にないです。リレーがNGになったので全部リードリレーに交換しました。それ以後は快調です。ミリバルはオーディオの世界ではごく基本的な測定器でしょうか。オーディオアナライザが有れば要りませんね。

> 拝見できればと思います。
早いとこブレッドボードから脱却しないと持って行けません。(笑) ドライバとファイナルアンプの前まではブレッドボードで行こうと思っています。

Kenji Rikitake さんのコメント...

送信用フィルタだとロスがあると結構大変ですよね.小電力だとあまり問題にはならないと思いますが,100Wクラスで終段に入るBPFになると,かなり設計方針を変えないといけなくなりそうです.

CW用のオーディオフィルタで21mHのコイルをトロイダルコアに巻いて使ってるんですが,コイルの巻線を固定しなかったら,突然信号に合わせてコイルが鳴き始めたという笑えない話がありました.スピーカー出力って結構駆動力あるんですね(笑).家族を驚かせないために今は巻線を固定しています.

磁気誘導は問題ですね.スイッチング電源の上に前述のフィルタを置くと,結構誘導を受けて唸ります.トロイダルコアだからといってシールドしなくていいわけではないですね.とはいえ,高周波ではないので,無線機に繋ぐときは距離を離すことで解決しています.

あと最近は静電気による人体の電位差が原因でハム音が出たり,イヤホンを通じて耳から放電するという,これまた笑えない話があります.パソコンでも無線機でも起こります.しょうがないので必要に応じてリストストラップで機材にアースしたりしています(もちろん感電防止用の抵抗入りのものですが).

スチロールコンデンサは,私のように半田付けがあまり器用でないと,溶けてしまうので取扱いが難しいですね.もっとも,今や表面実装に耐えられない部品である故に入手できなくなってしまいましたが.

現在住んでいるところでは3.5MHz 100Wでも相当厳しいので136kHzはおそらく実験はしないでしょう.中波放送ですらまともに受信できないレベルでノイズが多いので,最近は非常時以外は中波放送も聞かなくなりつつあります.

73 de Kenji Rikitake JJ1BDX(/3)

TTT/hiro さんのコメント...

JJ1BDX/3 力武さん、こんばんは。 関東は大雪で身動きが取れない状況です。

コメント有難うございます。
> 送信用フィルタだとロスがあると・・・
もっと大きなコイルでないとダメですね。 ただ、BPFにはせずLPFなのでもう少し作り易いです。 それでも太い線を巻かねばならないのでかなり厄介ですね。

> 磁気誘導は問題ですね・・・
トロイダルの全体に誘導するので厄介ですね。 磁気コア入りのコイルは何れも同じようなトラブルが起こります。

> リストストラップで機材にアースしたり・・・
通常ですと関東は冬場は乾燥して静電気が酷いです。しょっちゅう感電していますよ。今日は雪で高湿な為か静電気は起きません。(笑)

> 溶けてしまうので取扱いが難しいですね・・・
良いコンデンサなのですが、熱に弱いのとリード線が細くて弱いのが難点です。固定しないと振動で壊れます。

> 中波放送ですらまともに受信できない・・・
都市部ではAM放送が聞こえない所が多いようですね。ネットラジオで聞く人も多いそうです。 135kHzは河川敷などへ移動して実験されるそうですよ。

T.Takahashi JE6LVE/JP3AEL さんのコメント...

加藤さん、こんにちは。
雪の具合はいかがでしょうか^^;

この周波数になりますとほとんどAFフィルターですね。

スチロールコンデンサはすぐに溶けますし苦手です^^;
最近は積層セラミックでも大容量があるので滅多に使わなくなりました。
しかし大きなスチコン、単位が接頭辞なしのFなのはすごいですね(笑)

スチコンの巻きの内外は勉強になりました。Hi

ミリバルもデジタルテスターやオシロが普及してあまり使わなくなりました。
古いトリオのVT-104を所有していますが埃をかぶってます。
入力インピーダンスは1Mオームの用ですが後でスチコンの内外の判定を試してみましょう。Hi 

新?トップバンドに運用される方は移動運用多いようですね。
先日の11日にはJD1から移動運用が行われたようです。

TTT/hiro さんのコメント...

JE6LVE/3 高橋さん、こんにちは。 先ほどまで家の前の除雪をしていましたが、人の通路を作るのがやっとでした。車は暫く出られそうにありません。

コメント有難うございます。
> ほとんどAFフィルターですね。
完全なAFフィルタならOPアンプで行けるのでむしろ楽なのですが、中途半端に周波数が高いので厄介ですね。hi hi

> 接頭辞なしのFなのはすごいですね(笑)
単位のF:ファラッッドではなくて誤差1%の方のFです。1%精度のコンデンサと言うのもなかなかだとは思いますが・・・。

> 内外は勉強になりました。Hi
知っておくとオーディオとかアナログ回路では役立つことが有りますよ。

> ミリバルもデジタルテスターやオシロが普及して・・・
出力端子が付いているので応急のハイゲインアンプに使うことも多いです。測定器の性質からノイズも少なくて便利です。汎用のプリアンプと言う扱いです。

> 移動運用多いようですね。
やはりノイズの少ない環境と、長いアンテナが張れそうな場所と言うことで移動運用の方が有利のようですね。 いずれ利根川の河川敷にでも行って運用してみたいです。(笑)

T.Takahashi JE6LVE/JP3AEL さんのコメント...

加藤さん、こんばんは。

>中途半端に周波数が高いので
オペアンプは厳しいし、LCだと大きくなるしですね。
早く500kHz帯が解放されないでしょうか(笑)

>誤差1%の方のFです
そちらのFですか、失礼しました^^;
しかし二つひっつけたような形状のコンデンサがあるんですね。

>やはりノイズの少ない環境と
都市部は特にローバンドのノイズが受信の邪魔になりますね。
受信用にFETプローブを改造したアクティブアンテナも考えているのですが、ノイズがどれくらいになるかが不安要素です。

TTT/hiro さんのコメント...

JE6LVE/3 高橋さん、こんばんは。 月夜で残雪がたくさんあるので今夜はおもてがかなり明るいです。(笑)

コメント有難うございます。
> 早く500kHz帯が解放されないでしょうか(笑)
その話を地方支部大会でJARL会長さんのお口から聴いてもう何年にもなります。そろそろですよねえ。(笑)

> 二つひっつけたような形状のコンデンサが・・・
容量が大きくて精度の高いスチコンに良くあります。作ってから選別して組み合わせているのでしょうね。

> アクティブアンテナも考えているのですが・・・
静電的なノイズを拾いますのでやはり回りの環境しだいのようですね。小型ですから移動先にてワッチする目的には向いているように感じます。

実験されたら成果をお聞かせ下さい。