6m QRP AM トランシーバー(JR8DAG-6AM2020W) - 回路設計の考え方 -

2019.07.01 新規作成 / 2020.10.02更新

JR8DAG 菅野 正人(KANNO Masato)
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JR8DAG-6AM2020Wの回路図

 ◎基本的な考え方
(1)50MHz AMをQRPで楽しめる基本性能(感度、選択度、安定度、変調の質など)を確保すると共に、外観も楽しめるトランシーバーとする。出力はEs伝搬で他エリアと交信が可能な目安である100mW以上とする。
(2) 長期間にわたり使用することを考え、回路は安定性を重視し、回路変更や不具合修正に対処するために、メンテナンスが行いやすいものとする。
(3) 10年以上使用することや作品に興味をもってもらうために、外観のデザインをできる限り丁寧に仕上げる。

 ◎回路の概要
  受信部は高周波増幅1段、中間周波増幅2段のシングルスーパーヘテロダイン方式、送信部は終段に2SC2086を使用した終段コレクタ変調で、送信出力は200mWです。周波数可変には可変水晶発振(VXO)を使用して約150kHzを可変し、これを送受共用にしてトランシーブ操作を実現して6mAM運用における使い勝手を向上させています。
・回路構成はJR8DAG-2006AMをベースにして、受信部は選択度改善のためのラダー型水晶フィルターの段数変更、送信部は近接スプリアスをさらに改善するためコイルの定数を変更しています。

(受信部)
 受信部は少ない部品点数で十分な感度が得られるシングルスーパーヘテロダイン方式とし、中間周波数はイメージ混信を減らすこととラダー型水晶フィルターやVXOの水晶に既製品が利用できることを考慮して10.700MHzに設定しました。
 高周波増幅は少ない部品点数で十分な感度が得られる2SK241を使用し、ソースに抵抗とコンデンサを入れて動作の安定性を高めています。
 周波数変換は2SK241を2個使用したバランス型ミキサーとして混変調妨害に対する特性を高めるとともに、ソース抵抗を4.7kΩと大きくして動作の安定化を図りました。
 選択度を決定するフィルターには、ラダー型水晶フィルターを使用しました。これまで運用実績や再現性などを考慮した結果、6素子としました。これで6mAM運用に必要な選択度を得ることができます。ラダー型水晶フィルターの帯域幅は接続するコンデンサで変えることができ、スペクトラムアナライザの計測結果と実際の使用感をもとに、コンデンサは10pFと15pFとしています。
 中間周波増幅は高周波増幅と同じ2SK241を使用しました。高周波チョークとコンデンサで10.700MHz付近に同調させたうえで、ダンプ抵抗をつないで広帯域化することで、調整箇所の低減と安定動作を図りました。ソースに抵抗とコンデンサを入れているのは高周波増幅と同様に動作を安定させるためです。
 自動利得調整(AGC)は信号の一部をダイオードで検波して得られたマイナス電圧を高周波増幅、及び中間周波増幅にフィードバックする方式としました。現在の6mAMではこれで必要な性能が得られます。
 検波回路のあとにはシリコンダイオードを利用したANL(オートマチックノイズリミッター)を入れました。部品点数の少ない回路ですが、車のイグニッションノイズに対しては効果があります。
 低周波増幅は2SC1815とLM386Nによる汎用性の高い回路によりスピーカを鳴らしています。
 可変水晶発振(VXO)はトランジスタに比べると出力は少ないものの安定に発振するFETを採用しました。周波数を変化させる素子は周波数安定度に優れるバリコンを使用しました。VXO用に特注した20MHzの水晶を使用し、発振周波数は19.890〜19.975MHz、これを次段の2SC1815で2てい倍して39.780〜39.950MHzを出力しています。中間周波数が10.700MHzですので、運用周波数は50.480〜50.650の170kHz幅となります。これまでの運用実績からこの周波数範囲に出られれば、実用性に問題ないと判断しています。このVXOを送受共用にすることでトランシーブ操作を実現しています。また、出力に抵抗を介して周波数カウンターに接続し送受信周波数を確認できるようにしました。数年前から周波数表示のオフセットが可能な小型の周波数カウンターが市販されており、本作品で使用しました。なお、周波数カウンターは50mAほど消費することから、電池運用時に電力を節約できるように、電源スイッチを追加して動作を止めることができるようにしました。
 LEDインジケータはAGCの電圧をFETで検知しトランジスタを動作させることで、一定の信号強度を越えるとLEDが光る回路です。QRP運用においては信号強度の目安になるものが欲しくなりますが、本作品では表示にスペースを取らなくてすむ本回路を採用しました。

(送信部)
 送信部の局部発振は2SK241を使用しました。出力の同調回路をハイCローLに、また、ソースに小容量のコンデンサを介して接続することにより、近接スプリアスの元となっている10.7MHz×5=53.5MHzの信号を極力抑えるようにしました。発振周波数が10.699MHz付近とラダー型水晶フィルターの中心周波数(10.700MHz付近)に比べて低かったため、水晶と直列に33pFを接続して発振周波数を10.700MHz付近と高くしました。
 周波数変換はダイオードDBM、FET、その他のICなど比較検討した結果、変換利得があることや回路の応用が利くことなどを考慮し2SK241を2個使用したシングルバランスドミキサーとしました。出力は複同調回路とし、さらに同調回路をハイCローLとして、近接スプリアスを抑えるようにしました。当初、周波数変換には2SK192Aを使用しましたが、変換利得が少ないためか出力が数10mW以下となったため、JR8DAG-2006AMと同様に2SK241に変更しました。
 ミキサー出力の後の高周波増幅は利得の高い2SC1906を使用しました。この後は2SC1815で高周波増幅を行い、終段の2SC2086でAM変調をかけて入力400mW、出力200mWを得ています。出力はフェライトトロイダルコアによる広帯域トランスを使用して安定動作を図り、さらにその先にT型同調フィルターをつないで第2次高調波以下のスプリアス対策としました。2SC2086はHF増幅用のトランジスタでVHF増幅用の2SC2053などに比べると利得は落ちますが、35Vのコレクタ耐電圧と0.8W程度のコレクタ損失があり、これらの特性はAM変調をかけるのには有利なデータであることから終段に採用しました。ゲインが低下する分は他の増幅器のゲイン配分を変えることで対応しました。
 変調方式は終段の2SC2086に変調器LM386Nの出力をトランスを介して接続して変調をかける終段コレクタ変調としました。より深い変調をかけるため前段の2SC1815にも軽く変調をかけています。変調器のLM386Nは回路の汎用性が高いこととコンデンサマイクを使用することで十分な変調をかけられることから採用しました。変調トランスは送信出力に比べると大型のST-41A(定格電力0.7W)を使用して良好な変調を得られるようにしました。
 送信表示は送信電波の一部をコンデンサで取り出して、ダイオードで整流した出力をトランジスタに加えてLEDを光らせています。コンデンサはLEDが点灯する最低容量ということで2pFにしました。この送信表示により送信出力がでているのが確認できると共に、音声に応じて光り方が変わるので変調がかかっているか確認することもできます。

(その他)
 送信部の回路図にCAL-SWがありますが、受信時にこのスイッチをONにすると、受信周波数と同じ周波数の微弱電波が発生し、簡易的にSSBやCWを受信することができます。
 送受切換は、安定した動作をするリレーを使用しました。2SA1015はリレーを動かすためのスイッチング回路でPTTスイッチに流れる電流を少なくしています。アンテナ端子につないでいる10kΩは送信時にアンテナ端子に直流電圧を出すため抵抗で、外部リニアアンプ等を接続したときの送受切換のコントロールのために入れています。
 アンテナとリレーの間に減衰極付きLPFを入れています。送信出力のスプリアスを低減させる他、受信時における90MHz付近のFM補完放送による混信の低減を図りました。
 ケースの外枠はシナノキ合板で製作しました。操作パネルや部品を実装した内部構造は紙フェノール片面銅箔基板を組み合わせて製作しました。電池交換等を容易にできるように、内部構造はねじ1本外すことで外枠から分離できるようにしました。電圧は直流12Vを標準として12〜13.8Vで動作します。電源に自己放電の少ないエネループタイプの単3型の2,000mAhニッケル水素電池を10本内蔵し、日帰りの移動運用における電池交換を不要としました。電池は高ナットと基板を活用して、ケース内の後方上部の開いているスペースに格納しています。
 塗装は、外枠は木材の色をそのまま生かす形でつや消し透明のニスを塗っています。操作パネルは外枠の木材色と調和が取れる色として茶色で塗装しました。外観は直接的な性能には影響しませんが、数年以上使うことを考えていることからデザインには気を配りました。
 外部マイクは、木製ケースと調和させるため、3mm厚のホオノキを利用してケースを製作しました。PTTスイッチに木材の円形チップを貼り付けて、外観の調和を図るとともに、スイッチを押しやすくする効果が得られています。