【回路】High Level Diode-DBM,Part 1

【ハイレベル・ダイオードDBM：第１回】

 【Diode DBM】
　高性能IFアンプの次はミキサー回路というわけでもないのですが、久しぶりにダイオードDBMがテーマです。　写真はRFトランスを2つ、ダイオードを4本使ったDBMです。

　4ダイオードのDBMなんて、なんの変哲もないように見えるのですが、大きな信号が扱えて、IMD歪みが小さく高IIP3が期待できるそうです。　また、出力側の終端条件が緩いので負荷の自由度が高いともいわれています。　一度は実験してみたいと思っていました。

　ダイオードを使ったDBMといえば市販品も多く、今では定番化しています。　ゲインの無いパッシブな回路なので比較的大きな信号まで歪みなく扱えるのですが、昨今は無線機のミキサー回路といえばFETを使ったスイッチングタイプが全盛になっています。おなじようにパッシブな回路ですがダイオードDBMでは達成できない高IIP3が実現できるからでしょう。　しかし、入力トランスの構造を変えた（工夫した）このDBMは従来型のDiode DBMより高性能だというレポートがあります。　普通の受信機用ミキサならIIP3>20dBmくらいあればまずまず優秀といえますが、実力はどんなものでしょうか。

　どの程度の性能が得られるのか、まずは試作のポイントなどをまとめておきたいと思います。実用例も見ておきましょう。　詳しい評価は年明けに行なうつもりです。　大晦日もせまってきました。　暮れは忘年会を楽しむとか、年賀状書き、大掃除など年越しの行事に励むことにしましょう。（笑）

【試作回路】
　左図のような試作回路でテストします。　この回路の特徴は信号入力側のトランス(T1)が、ペントファイラ巻きになっていることにあります。　「ペントファイラ」とは5つの巻線が並列に巻かれたことをいいます。

　参照したオリジナルの回路図には明確なことが書かれていないため部品や構造の詳細はわかりません。しかし、平衡度を保つためには各巻線が均一で良くバランスしてコアに巻かれていなくてはなりません。それでペントファイラ巻きにするわけです。　各巻線の結合度を上げるためには透磁率：μの大きなコアを使います。コアの形状もトロイダル型よりもメガネ型がベターです。　試作に使ったコア材についてはのちほど説明があります。

　回路をよく見ると標準的なDiode DBMの入力側トランスの巻線を2つに分けただけともいえます。　従って動作も同じように考えられますから解析は容易です。　そう見ると従来型とさした違いはないのかも知れませんが、まあやってみることにしましょう。　巻線が増えたので、くれぐれもその位相関係を取り違えないようにします。　あたり前ですが接続を間違えたら正常に動作してくれません。

　ダイオードは、逆耐電圧が高いRF用のショットキ・バリヤ・ダイオード(SBD)：1SS97(2)を4本使います。このDBMでは大きめの局発を与える可能性があるため逆耐電圧が高いものを選びました。SBDによっては逆耐電圧が数Vしかないものがあります。また、順方向の抵抗値（ON抵抗）が低く逆方向の抵抗値が高いほど良いはずなのでGe-Diは不適当です。　HF帯で使うのなら高速スイッチング用のダイオードでも良くて、必ずしもSBDでなくても良いのかもしれません。このあたりもあとから比較してみましょう。　局発入力端子の抵抗器：R1、R2は180Ωから実験を始めます。

　出力側のトランス（T2）はトリファイラ巻きのトランスです。これはごく一般的な構造なので改めて説明の必要はないでしょう。自作も容易ですが、ここでは手持ちの既製品を使います。

　このDiode DBMは、信号の入力と出力端子は互換性があります。どちら側から信号を加えてもうまく働きます。しかし局発の端子はそれ専用です。　また、局発の端子を決めてしまうと、低周波から入力可能なポートはなくなります。そのため平衡変調器：バランスド・モジュレータ（バラモジ）には適さないことになります。高周波信号のミキサー回路専用になります。

　実際の使用例としては、米軍用の野戦用ポータブル・トランシーバPRC-74Bの送・受信ミキサ回路があります。以下、RT-794 / PRC-74Bについて触れておきます。

 【RT-794/PRC-74Bとは】
　2〜17.999MHzをカバーするSSB/CWトランシーバです。　周波数は1kHzステップの水晶式シンセサイザになっていてTCXO内蔵で校正を行なった後の周波数精度は1.5ppm以内（-30℃〜+50℃において）です。

　中間周波（キャリヤ周波数）は1,750kHzでSSBはUSBモードのみです。AF発振器を内蔵しその発振器をキーイングするA2J（J2A）モードでCWの運用も可能ですが、補助的なものかも知れません。　出力は15W(PEP)です。　1960年代なかばの設計らしいのですが、全半導体式でほぼすべての回路がシリコン・トランジスタ化されています。（その当時の日本ではゲルマニウム・トランジスタが全盛期でした）　電源電圧は標準+12Vで、10.5〜17Vが仕様範囲です。　アンテナチューナを内蔵していてホイップアンテナのほか様々なアンテナで運用できます。製造はヒューズ社です。

　おもに野戦用のポータブルなトランシーバーで、写真では底部に乾電池ボックスが装着されています。比較的ハイパワーなので乾電池では寿命が短く「銀電池」を使うのが標準のようです。　スピーカ出力はなくヘッドフォンで受信します。　装備としてマイクと太ももに装着する形式の電鍵が付属します。　以前、このBlogでは非常用のRigとして扱ったことがありました。1993年10月末ころFair Radio Sales Co.より入手したものです。軍用無線機の研究目的には面白いのですが、HAM局のオンエアには使いにくいと思います。

【 受信部・ブロック図】
　PRC-74Bの受信部を見てみましょう。受信部はIF周波数が1750kHzのシングルスーパになっています。

　RFアンプの後の周波数変換はダイオードDBMです。（ここが問題のDBMです）　その局発は1kHz、10kHz、100kHz、1MHzステップで発振する水晶発振器の出力をミキシングすることで1kHzおきの周波数を得る水晶発振式の周波数シンセサイザです。たくさんの水晶発振子を使った贅沢な方式です。

　ダイオードDBMにつづき1段のバッファアンプを通ったあと、USB用のクリスタルフィルタに入ります。　IFアンプは2段でRFアンプとともに手動でゲイン調整できるようになっています。　SSB/CW検波回路はトランジスタ1石のプロダクト検波です。　検波後は簡単な低周波アンプになっておりヘッドフォンを鳴らします。

　特徴的なことはAGC回路が無いことです。　その代わりたった一つのツマミで広範囲に渡ってスムースにゲイン調整ができます。　低周波アンプのゲインは固定ですが、RFアンプとIFアンプのゲインを連続的に変えることで適切な受信音量に加減できるようになっています。SSBトランシーバはこのような方法が合理的だという考えなのでしょう。　　これは、このトランシーバの使用想定から、電離層反射波を使う遠距離通信はあまり考えておらず、地表波による近距離交信が主だからでしょう。　交信相手との距離とともに信号強度が下がるのをゲイン調整で加減しつつ使うようになっているのでしょう。一対一の交信を想定しているようです。

　ゲイン調整はRFアンプ及びIFアンプの両方にいわゆる「フォワードAGC用トランジスタ」を使って行ないます。2N3339と言うMIL規格のNPNトランジスタです。　フルゲインから最低感度まで、Logリニヤ的にゲイン調整できるため非常にスムースです。
　シャックでの受信テストではAGCがないと不都合があるため低周波駆動式のAGC回路を付加して実験していました。　1kHzステップのチャネル式ですからHAMバンドのワッチには向きませんがDX局もけっこう良く聞こえます。　フォワードAGC特有と言うか・・・なかなかスムースなAGC特性が得られました。

　7MHz帯の大きなアンテナを繋いでも特に混変調なども感じず良く聞こえました。ミキサー回路の性能が活きているのでしょう。　近接して多数の電波が飛び交う環境で使われる可能性もありますから多信号特性を考慮した設計なのでしょう。

【 RFアンプとミキサー回路】
　RFモジュールの回路を詳しく見ましょう。　入力信号は2段の入力同調回路で選択されたあと高周波増幅されます。　この高周波増幅回路は先の説明のようにマニュアルでゲイン調整できます。　RFアンプの後にもう1段の同調回路が入ります。

　RFアンプのあとが問題のダイオードDBMです。　このDBM回路はメーカーであるヒューズ社の部品番号が書いてありユニット部品化されています。おそらく市販された部品ではありません。　詳細は良くわからないと言った方が良いのですが、例えばLA8AK（Jan-Martin Ning. 故人）の記事にあるLA7MI (Stein Trop)のレポートによれば高性能が得られたとあります。HAM関係の書籍で見掛けた記憶もあったのですが発見できませんでした。良く見掛けるDi-DBM回路との違いが気になるところです。

　PRC-74BはNATO軍向けに技術供与されたらしく、ネット情報によれば英Redifon社のGR-345Bと言う型番で生産されたようです。　回路は基本的に同じですので、ここではオリジナルであるPRC-74Bの回路図を参照しました。

　このRFモジュールには局発の最終段アンプがあり、スプリアスを低減する目的から増幅周波数は受信同調と連動するようになっています。　また、件のミキサーは送信時にはIFユニットから来る1,750kHzを搬送周波数とするUSB信号を送信周波数に変換するためにも使われます。　信号の流れは双方向と言うことになります。　送信時にもRFアンプは使われ増幅後は送信パワーアンプユニットへと送られます。このRFアンプは送信時にはALCが掛かるようになっています。

　PRC-74Bですが、かなり少ないデバイス数で実用的な性能を得ています。　周波数シンセサイザ部を除けばゴテゴテしていないのは私好みといえます。HAMがSSBトランシーバを自作する際にもたいへん参考になる回路構成です。　今の時代ですからシンセサイザ部をDDSで簡潔にし、HAMバンドにしぼってカバーするように設計すれば面白いRigになりそうです。もちろんIFやRFアンプには2SC1855のような専用トランジスタを使ってフォワードAGCを掛けましょう。

 【トランス：T1のコア材】
　ペントファイラ巻きのトランスを作るにはメガネ型コアが欠かせません。
　ここではBLN-43-2402（米Amidon社の型番）というメガネコアを使いました。　メガネコアを使う人は珍しいらしく米国からの通販を除けば入手できるところは限られます。　幸い、BLN-43-2402が秋葉原の斉藤電気商会（ラジデパ3F）で入手できました。

　しばらく前に購入したもので店頭には#43材とだけ書いてあったように思います。　実測寸法からBLN-43-2402で間違いなさそうですが、フェライトの材質を確認するために巻線してからインダクタンスを測定しました。　3回巻きで18μHくらいでしたので計算よりもやや大きめですが#43材（または同等品）と思って大丈夫そうでした。

　メガネコアはこうしたトランスには最適ですからパーツボックスにいくつか忍ばせておくと役立つことがあるでしょう。　コアの仕様を簡単にメモしておきました。

【DBMに使うトランス】
　ペントファイラ巻きのトランスといいましたが、実際にはテトラファイラ巻きの2次側+単独巻きの1次巻線の構造で作りました。

　平衡度が重要なのは2次側にある4つの巻線です。　広帯域特性は求めないため１次側を別巻きにしても支障はないという判断です。　実際に5本もの巻線をよじって巻くと間違いやすいのでこのような形式のほうがいくらか容易です。もしダメな場合は巻き直す必要があるかも知れません。　写真の物はインダクタンスから考えて3.5MHz帯あたりまでが良くて1.8MHz帯には4〜5回巻きに増やす必要があります。

　今後、評価の際に平衡度は局発のサプレッションとなって現れるでしょう。好結果を期待したいと思います。　例によってブレッドボードでテストしますので小型基板に実装しておきました。このようにしておくと取扱いが容易です。　このトランスは位相関係が極めて重要ですので絶対に間違いが生じないように十分確認しながら配線します。組み上がってからの再確認はかなり厄介です。（間違いを見つけて修正するのはほぼ絶望的なので巻き直した方が手っ取り早い）

　出力側のトランス：T2はごく普通のトリファイラ巻きのトランスです。　自作品でも良いのですがここには既製品を使うことにしました。

　ミキサー回路として455kHzといった低い周波数への周波数変換も考えています。　アウトプットの周波数が低くなればトランスは大きなインダクタンスが必要です。　たくさん巻かなくてはならないので自作は厄介です。　たまたま十分なインダクタンスを持った既製品があったので使ってみます。　使用する周波数に応じたものを巻けば良いのですからHF帯に周波数変換するなら作りやすくなります。　このような既製品がなくても実験できます。

　なお、このミニサーキット社のトランス：TT1-6に使ってあるコア材は何でしょうね？　透磁率：μ（ミュー）の大きなコア材を使っているはずです。　コア材によっては信号レベルが大きくなるとトランス自身でIMDが発生するかも知れません。　様子を見ながら必要に応じて交換しながら確認したいと思っています。

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　何だか予告編のようになってしまいました。　回路検討とトランスを巻いただけで年内はおしまいです。　取りあえずDBMとして動作していることまでは確認しました。　このあとは周辺回路や測定機器の準備が幾つか必要なので評価は年明けにしましょう。　うまく行ったら良いのですが、お正月にでもじっくり取り組んでみたいですね。　2017年も終わります。良いお年をお迎えください。　ではまた。　de JA9TTT/1

（つづく）

追記(2018.0730)：
　種々検討を行なってきました。　テスト結果を踏まえた結論は、ダイオード形式はFETスイッチ式/Bus-SW式に及ばないことがかなり明白になりました。　従って一旦は中止し、何らかのメリットが見出せるようなら改めて再開することにします。　未だにご期待を込めて再訪されるお方が居られるので追記致しました。


追記・２(2022.0926)：
　受信機のフロントエンドを検討する過程で、このハイレベル・ダイオード・ミキサをテストする機会がありました。　FETスイッチ式/高速Bus-SW式に遜色のない結果が得られています。　２トーン信号でテストした比較結果がありますので以下のリンクをたどってご覧下さい。まずまず有望なミキサと言えそうです。

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（おわり）