【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）の一環です。　以下は特に変哲も無いバンドパス・フィルタの話しです。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テーマにしました。例によって自家用のデザインメモですからそのおつもりで。

　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です。　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です。特性が良くないと不要輻射の原因になります。

　設計は4次のバターワース特性で行ないました。　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す。　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以上見込むからです。　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ります。　なお、-3dB帯域幅：Bwは10kHz、入出力インピーダンス：Zoは600Ωとします。

　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ですから一切省略しました。　もちろんそんなに難しいものではありません。　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います。　何か手作りをお持ちになると自作の話で盛り上がります。近隣・遠方は問わずお客さんは大歓迎します。（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いました。　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ます。従ってシミュレーション回路は上記と多少変えてあります。

　図は検討過程の一例です。結果から見て必要とするフィルタ特性は十分得られそうです。　Lossのあるコイルを使うと肩部分のダレが増えるのと、通過損失の増加が見られるようになります。

　ただ、今回は本当に必要な通過帯域幅が僅か：Bw=2.1kHzなので、少々頭の丸いフィルタになっても実用上の支障はないでしょう。（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すが・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設けたり、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します。

　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な値です。　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のですが設計は一段と煩雑になります。

　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ます。　その結果、特性は多少理想とずれてくるとは思いますが、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ました。（設計も面倒ですしw）　 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ます。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ました。要するに実用性能になればOKと言う訳です。　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します。磁気コアが周波数特性を持っているからです。

【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ないようにしました。

　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）を使います。　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特性のものを使います。同じくディップド・マイカも適しています。　一部補助的にメタライズド・フィルムコン（ポリエステル）も使いましたが主たるコンデンサがHig-Qなのであまり支障ないでしょう。　いずれもLCRメータを使い使用周波数に近い100kHzで性能確認しました。　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です。　スチコンは在庫から調達しました。性能は良いです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した。この機会に有効活用できて良かったと思います。フィルタの用途にはうってつけのコンデンサです。

【フィルタの部品一式】
　どのように組立てるかにもよりますが、実際には実装基板が必要です。　量産するならパターン化しても良いですが一品料理なのでユニバーサル基板で作ります。

　さっそく組立てに・・・と行きたい所ですが、もう一つ大切な確認作業が残っています。　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ります。　これは構造によって生じるものです。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です。　スチコンを見ると透けているので構造が良くわかるでしょう。　本来、フィルムコンデンサは無極性です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正しい使い方です。　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る必要があります。　以下はその調べ方です。

【Capacitor Outer Foil Test】
　写真はスチコンの測定を始めた所です。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した。要するにホット側ではなくてGND側です。（赤い線なのにねえ・・）　しかし表示がないものや、逆側にマークが付いているケースもあるので実測すれば間違いありません

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

　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ります。　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です。

【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ましょう。　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ます。

　確認の為に、リード線を入れ替えて比較すべきですがこれだけでも結果はほぼ間違いないでしょう。

　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ありません。アンプなら発振するかも知れませんし、フィルタなら特性に乱れを生じます。　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です。（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です。　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になっていて、逆に黄色のこちらが内側巻きと言うことになります。

　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でしょうか？

　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です。　例えばC2とL2の接続点などがホット側です。　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ります。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です。

【組立て完了】
　コイル巻きは少々面倒でしたが、簡単な回路なので組立は難しくありません。

　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す。　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ます。　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が得られません。

　なお、小さい方のコイルはコアが壷型の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支障ありません。　もちろん、無理に密着させる必要はないので多少でもスペースを開ける方が賢明でしょう。

　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です。　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です。裸のコイルに磁界の誘導が起こることは容易に想像できます。要は小さなバーアンテナと同じです。

【特性評価・1】
　まずは帯域外の減衰特性を測定してみました。

　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満しています。

　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ました。　そのため、通過減衰量は直読測定出来ませんが（まあ、やれば出来るのですが面倒）別途測定することにしました。減衰量の測定は通過域の値との相対測定なので特に支障はありません。

　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が低いからです。　下側はあまり影響を受けませんが上側で顕著になっています。　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です。

【特性評価・2】
　通過帯域内の特性です。　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ますが、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でしょう。　-3dB帯域幅は設計値の10kHzより狭い8kHz弱になっています。原因はコイルのQと調整法にあるようです。

　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ります。　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です。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ためで、それも関係しています。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できます。（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くなります。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でしょう。　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です。　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です。　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です。（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）を使います。　中心周波数にて測定された通過損失は5.5dBでした。これくらいならまったく支障ありません。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でした。

　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です。調整で最小Lossに合わせ込んだ関係もあるでしょう。　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りました。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ません。巨大なコイルで作れば数dBのロスを減らせますが、この場合はそれをするより増幅する方が簡単です。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しょう。

　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ました。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用です。　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ます。要注意です。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です。周波数が低いと言っても侮れません。

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　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です。　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くなります。　しかしこの周波数帯のLCフィルタは面倒です。　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が得難いからです。　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でしょう。　しかし、コアの入手が問題で、おまけに沢山の回数を巻くのも大変です・・・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ました。　要するに実用性能のフィルタが出来れば良いのです。言うまでもなくエレクトロニクスは実用の科学です。机上でぐずぐずするより実用を目指すべきでしょう。

　ずいぶん前に、セラロックを使った135kHz帯のVXOを作った事がありました。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ました。ずいぶん前の頂きものです。
　何百回と細い線で巻線するのは大変ですが、解いて行く方ならずいぶん楽です。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ました。　ただ、残念なことに開磁型なので使い方に工夫を要します。　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でした。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りました。　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ました。　なにも高級な測定器はいりません。　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ので後はやる気と根気の勝負です。 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りますので、詳細はコールサインを書いたメールをどうぞ。

（つづく）←136kHzの信号の増幅するアンプの検討にリンク