430MHz QRP FM トランシーバー(JR8DAG-70FM2018)　− 回路設計の考え方 −

2022.12.05 新規作成 / 2022.12.05更新

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JR8DAG-70FM2018の回路図

　◎基本的な考え方
(1) 430MHz FMを楽しめる基本性能(感度、選択度、安定度、変調の質など)を確保する。出力は見通し範囲内(10〜20km)との交信が可能な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構造を採用する。
(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
　アイテック電子研究所50MHz FMハンディトランシーバー(ゼロ1000-51,Ver.3)による50MHz帯FMの送受信機に、430MHz帯に変換するトランスバーターを付加して430MHz FMを送受信可能なトランシーバーとしています。
　周波数可変にはゼロ1000-51のPLLを使用し、432.50〜433.99MHzを10kHzステップで運用可能です。受信部はトリプル・スーパー・ヘテロダイン方式(中間周波数：52.50〜53.99MHz, 10.000MHz, 455kHz)、送信部はゼロ1000-51のPLLに変調をかけるリアクタンス変調で、終段に2SC3019を使い 出力100(mW)を得ています。

○ゼロ1000-51
　50MHz帯FM送受信機を担う部分は、アイテック電子研究所から販売されていたゼロ1000-51を使用しました。ゼロ1000-51は51.00〜51.99MHzを送受信可能な50MHz FMトランシーバーで送信出力は100mWです。ゼロ1000-51の信号を430MHzに変換するトランスバーターを接続するにあたって以下のとおり基板の改造を実施しました。

（ゼロ1000-51の改造内容）
・ゼロ1000-51のPLLにより設定される標準の送受信周波数は51.00〜51.99MHzですが、設定を変更して送受信周波数を52.00〜53.99MHzに変更するとともに、PLLのVCOを再調整しました。ゼロ1000-51のPLLは設定により、51.00〜51.99MHz、52.00〜52.99MHz、53.00〜53.99MHzの信号を出力することが可能ですが、本作品では52.00〜52.99MHz、53.00〜53.99MHzの信号を出力できるように設定し、両者の周波数はスイッチで切り換えることで、52.00〜53.99MHzが送受信周波数となるように設定しました。
・トランスバーターを接続するにあたって、出力100mWは不要なので、終段増幅回路を撤去しました。これで送信出力は約10mWに低減されています。これでも出力がは大きいですが、100mWに比べて無駄に消費される電力が10分の1に減りましたので、これで良いこととしました。
・送受信切換回路は不要なので撤去し、送受信それぞれの入出力をトランスバーターに接続するように変更しました。
・2SK241の高周波増幅回路の利得が高すぎて、混変調妨害を起こしていたため、ソース抵抗を220Ωから470Ωと大きくしたほか、ドレインに接続している1μHと並列に1kΩを接続して利得を低下させています。

○トランスバーター
　　トランスバーターの製作にあたって以下の文献を参考として回路設計を行いました。

（局部発振回路）
　50MHzの信号を430MHzに変換するための局部発振は、水晶発振で発生させた42.222MHzの信号を9てい倍して380MHzを生成しました。上記の参考文献では、2段で380MHzを生成していましたが、実際にやってみると380MHzの信号を安定して取り出すことが難しかったため、本作品では3段構成に変更しました。
　発振回路は2SC1906を使用し、3倍オーバートーン水晶42.222MHzの基本波である14.074MHzを発振させ、同時に3てい倍を行って42.222MHzを生成しています。水晶と直列にトリマを接続して周波数の調整を行えようにしています。
　次段の2SC1906で3逓倍して126.66MHzを生成しますが、ベースに少しだけバイアスをかけて効率的にてい倍を行えるようにしました。その後の2SC2407も同じような3てい倍回路で、てい倍の効率を上げるために少しバイアスをかけていることも同じですが、DBMを動かすために必要な電力(5〜10mW)を得るために、トランジスタは2SC2407に変更しています。
　2SC2407の3てい倍回路の出力に2極のバンドパスフィルター(BPF)を接続して380MHzの信号を得ていますが、5pFのトリマをコイルに直接接続すると同調範囲が広すぎて調整ができなかったので、同調範囲を狭くするための回路変更を行っています(参考：430MHz 2極バンドバスフィルター)。

（受信部）
　高周波増幅は1200MHz帯の高周波増幅回路にも使用される2SC3355を使用しました。当初は1段でしたが、感度の向上を図るため2段としました(参考：430MHz高周波増幅回路の計測)。トランジスタの高周波増幅回路はAGCをかけるのがFETより難しいですが、この作品ではAGCをかけなくても特に問題はなかったことと、トランジスタの方が部品点数が少ないと言うこともあって、2SC3355を採用しました。
　周波数変換は、動作が安定しているDBMを採用しました。周波数変換された50MHz帯の信号はゼロ1000-51の受信部に送ります。ミニサーキット社のTUF-2は規格表によると1000MHzまで使用することが可能ということで採用しました。周波数変換にあたって約6dBの損失がありますが、高周波増幅を2段にしたこともあって、十分な感度は確保されており問題はありませんでした。

（送信部）
　送信の周波数変換は受信部と同じTUF-2を使用しました。動作が安定していることに加えて、良好なスプリアス特性を確保しやすいことから採用しています。ゼロ1000-51からの出力は10mWと少し大きいため10dBのアッテネータを入れて適切な入力になるようにしています。
　局部発振回路の380MHzを加算することで430MHz帯の信号を生成します。ゼロ1000-51の52.00〜53.99MHの信号は432.00〜433.99MHzに変換されます。出力には2極BPFを接続し、必要なスプリアス特性を確保しています。BPFはコイルに5pFのトリマを直接接続すると同調周波数の可変範囲が大きくなりすぎて最適点に調整がしづらかったため、固定コンデンサを回路図の用に接続することで周波数可変範囲を小さくして最適点への調整を行いやすくするとともに(参考：430MHz 2極バンドバスフィルター)、時間が経過によって最適調整点がずれることによる出力低下を防止することもできました。
　周波数変換した後の信号は、2SC3355、2SC2407、2SC3019で増幅して、送信出力100mWを得ています。430MHz帯における利得があることや、各段で扱う信号の大きさなどを考慮しトランジスタを選定しました。各増幅回路は利得を確保する観点からバイアスをかけたA級増幅、2SC2407と2SC3019のエミッタには動作を安定させるための抵抗を入れました。その他、同調回路は前段の2極BPFと同様に、同調周波数の可変範囲を小さくして、最適点への調整をしやすくするとともに、時間の経過に伴って最適調整点がずれて出力が低下することも防止しています。終段の2SC3019の出力には、同調回路を兼ねたマッチング回路とT型同調フィルタを通して、アンテナとのインピーダンス整合を図るとともに、第2次高調波以下スプリアスを必要なレベルに減少させています。

（その他）
　送受切換は確実かつ安定に動作するリレーを使用しました。電源切換は1回路1接点のG5V-1を採用しました。小型で電源切換には十分な性能があることから採用しています。ＰＴＴスイッチに流す電流を少なくするため2SA1015を使用したスイッチング回路によりリレーを動かしています。アンテナの切換は、900MHzにおいての使用することを想定しているOMRON社のG5Y-1を使用しました。G5Y-1のようなUHF帯で使用可能なリレーは、電源切換用のG5Vとは違った構造となっており高周波特性に優れていることが想像できます。
　ケースは、鈴蘭堂で販売していたMEC-S(大きさ 140×66×190mm)を使用し、パネルは黒、外側は当局が製作したFMトランシーバーの多くで採用している橙色に塗装しました。内部はガラスエポキシの生基板を利用して2つの空間に分けて、上部はゼロ1000-51の基板、トランスバーターの送信部とアンテナ切り換え、下部はトランスバーターの局部発振回路、受信部、電源切換回路を実装しています。
　電源はゼロ1000-51の標準動作電圧が9Vであることから、本作品の標準動作電圧は10Vとし、移動運用を行いやすくするために単3ニッケル水素電池8本をケースの外に取り付けられるようにしました。ゼロ1000-51への電源はダイオードを2本直列に接続して約1V電圧を下げて供給するようにしました。