144MHzFMトランシーバの製作(144F2)

◆はじめに(13/5/6)
1970年頃のCQ誌に144MHzFMトランシーバ製作の記事が載りました。これを作れば144のFMで自作機デビューが出来ると思ったものの、いきなりプリント基板を作る自信はありません。まずは平ラグ板に回路を組み始め、受信部はなんとかできたものの送信部がうまく動作せず完成には至りませんでした。その後社会人になってからはデジタル制御のメーカー製ハンディトランシーバーが安く手に入るようになり、FM機は作るよりも買う方が楽との思いから自作の対象にはなりませんでした。しかし、ここ15年ほどの間に144のSSB機を数多く作り、以前よりは勘が働くようになって来たため、40年前のリベンジと言うわけでもありませんがFM機を再試行してみようと思います。


どんな構成だったか(13/5/6)
1973年に手書きした回路図を見ると

  1. 受信部は高1中5のWスーパー。第1IF10.7MHz、第2IF455kHz、リミッタ回路を通しフォスターシーレー検波。スケルチ。低周波増幅。
  2. 送信部は6MHzで発振、ベクトル合成位相変調したものを24逓倍して2SC320で1Wまで増幅。
  3. 水晶は市販されていたTR7100のものをペアで購入。
  4. ICは電力増幅のWC343Tのみで、後は全てディスクリートで構成。

学生だった当時、アルバイトで時給150円、1日働いても1200円だったころ、1000円もした終段用の2SC320やペアの水晶を無理して買ったことを思い出します。しかし持っている測定器はテスターとディップメータ、高周波電圧計。まとめ上げる実力不足で送信部の調整で行き詰まり、それより前へは進めませんでした。今になって残された部品を眺めてみると、終段の2SC320は長い足の先に半田が付いており、高価なトランジスタの足を短く切るのをためらっていたのでしょう、高周波回路実装の基本が守られていませんでした。

 受信部回路図の一部(1973年)

  
使用していた部品 (左)終段の2SC320 (中)455kHzセラミックフィルタ (右)電力増幅のWC343T(ウエスティングハウス?製)


◆回路構成(13/7/6)
受信部の構成にはシングルスーパーとダブルスーパー方式があります。シングルスーパーについては144F1機で試行しましたが、12.96MHzで帯域15kHzのラダー型水晶フィルタの製作は帯域内のフラットな特性を得るのが困難であったため、Wスーパー方式の144F2機を試行することにしました。構成は下のダイヤグラムのように第1中間周波は10.7MHz、第2中間周波は455kHz。VXOは手持ちの関係で15MHzを使うこととし、145.00〜145.70MHzまでカバーしてみようと思いますが、ちょっと広すぎるかなという感じはします。


共通部

◆まずはVXOから(13/7/13)
原発振15MHzを9逓倍して135MHzを作ります。ここまでは十分に実績はありますが、可変範囲を700kHzほどとるため、濁りのないきれいな発振をしてくれるかどうかと、FMとはいえ安定度が気になります。VXOのコイルは10Kボビンに0.1UEWを40回巻いたものを使い、その後3逓倍を2回して135MHzを作りました。FT817をUSBモードにして信号を受信してみると特に濁りもなく、きれいな発振音が聞こえたのでまずは一安心です。安定度については実際に受信しながら評価をしましょう。


受信部

フィルタについて(13/7/13)
10.7MHzと455kHzのセラミックフィルタは市販されておりサトー電気で購入することが出来ますが、とりあえずは手持ちのものを使ってみます。10.7MHzはおそらくFMラジオ用のもので3端子のセラロックのような格好をしています。帯域はおそらく150kHzはあるでしょうが、まずは第一フィルタとして使います。455kHzのセラミックフィルタは30年ほど前に買ったもので、帯域は当時の規格である30kHzと思いますが、長らく眠っていた部品たちをまずは使ってみましょう。

 (左)10.7MHz (右)455kHz セラミックフィルタ

市販のIFTを巻きなおしてディスクリミネータのトランスを作る(13/9/14)
フォスターシーレ検波をするにはセンタタップのついたディスクリミネータ用のトランスが必要になります。10Kボビンに0.05UEWを160回巻いてみましたが、ボビンの溝に細い線を間違いなく入れていくのは中々大変でした。次に市販の455kHzIFTで試行してみました。黄色コアのケースを外しコイルを解いて巻き数を調べてみると 1−2間で35t、2−3間で122t、4−5間で5tとなっており線径は0.07mm、またCメータで同調コンデンサの容量を測定すると180PFでした。同調コンデンサは残すことにしてボビンに0.1UEWを80回巻いてセンタタップを取り、更に80回で合計160回巻いたものを作りました。

 
(左)コイルを解く (中)Cメータで容量を測定

 
(左)160回巻いたディスクリ用トランス (右)ケースを被せて完成

中間周波増幅+リミッタ+検波部(13/7/27)
455kHzディスクリのトランスが巻けたので中間周波増幅部以降の配線をしました。セラミックフィルタの後、2SC1815を4個カスケード接続して中間周波増幅し、リミッタ回路で振幅制限をします。フォスターシーレー検波で音声を取り出してみると、無信号時はザーというノイズが聞こえ信号が入ると音声が聞こえる、いわゆるFMらしい音になりました。4段カスケード接続の中間周波増幅回路は40年以上前のCQ誌JA1AYO丹羽さんの製作記事から引用したものですが、元はモトローラの回路とのことでした。シンプルで消費電流が少ないと言う点はよろしいのではないでしょうか。

(13/9/6) ディスクリ用のトランスにセンタタップではない市販の455kHzIFT(黒)を使ってみましたが、復調することは出来ました。デジタルテスタで抵抗値をはかったところ、巻き数比は1:2程度と思われます。

(13/9/21) 受信部が少し発振気味だったので、4段カスケードを3段に減らすことで安定した動作になりました。

スケルチ(13/8/3)
無信号時に発生するFM特有のザーという雑音を聞こえなくするのがスケルチ(Squelch = 押しつぶす)です。そして信号が入ったときはスケルチを開いて相手局の声が聞こえるようにします。リミッタ回路コレクタ負荷コイルのコールドエンドからフィルタを通して高域の雑音信号を取り出し、増幅・整流してスケルチを動作させる電圧を作ります。雑音があるときはその電圧でスケルチがON状態になり低周波増幅の動作を一時的に止めてスピーカーからの音が出ないようにします。信号が入ると雑音がなくなるため整流電圧が低くなってスケルチがOFF状態になり、スピーカーから音が出るようになります。課題は音声信号には反応せず高域の雑音成分のみを取り出すフィルタ回路と、スケルチの切れを良くするスイッチング回路をどのように組むかです。最近のIC化された回路は参考にならないため、手持ちの古い資料を眺めながら実験を進めることにします。

スケルチのフィルタ(13/8/10)
スケルチに使うフィルタは、低域の音声信号は抑え高域の雑音成分を取り出すことが目的です。RFワールド誌では音声信号やその歪成分による誤動作を避けるため20kHz〜50kHzを高域の雑音成分としており、そのためにはHPF(ハイパスフィルタ)あるいはBPF(バンドパスフィルタ)を通すことが必要になります。ここでは2種類のフィルタの特性を調べてみました。入力には低周波発振器をつなぎ100Hz〜100kHzの信号を加え、出力には低周波電圧計をつなぎました。

  1. HPFはCとRで構成しており、グラフほどはっきりした角が出ているわけではありません。なんとなく5000Hzあたりから立ち上がり、ゆっくりと出力が増えていく感じです。
  2. BPFは共振回路そのもので、32kHzあたりにピークがある切れの良い特性です。

ここではBPFの回路を使うことにしました。

  スケルチのBPF部

スケルチのスイッチング回路(13/8/10)
雑音成分を増幅した後にダイオードで整流して電圧を作り、スイッチング回路に加えて低周波増幅段をON/OFFすることでスケルチとして動作させます。実験当初はスイッチング用のトランジスタは1個で低周波信号をON/OFFしていましたが、切れが悪いこととスピーカーからわずかに音が聞こえるという現象がありました。そのためビギトラの回路を参考に1石追加しLM386をON/OFFするようにしたところ切れの良い動作でスピーカーからの音漏れもなくなりました。

受信部の調整(13/8/17)
SSB機では信号源がなくても受信時の雑音を最大にすると言う手はありますが、FMでは最初から雑音が出ているため何か信号源が必要になります。モービル局はQSBが大きく調整には向かないため固定局の信号で調整するか、145MHzのFMトランシーバーがあればアンテナ端子にダミーロードを付け最小出力で送信信号を作ります。

  1. 受信部に12Vの電源をつなぎ、送信信号を受信しながらSメータの振れが最大になるようT1〜T5を調整します。
  2. 10.245MHzの局発部はTP2に周波数カウンタをつなぎ、10.245MHzになるよう50Pのトリマを調整します。
  3. 周波数弁別のT6、T7については音声を聞きながら最大になるようコアを回し、T7は歪が少なくなるようコアを微調整します。
  4. スケルチのツマミを少しずつ右に回し、1/3ほどの位置でそれまで聞こえていた「ザー」という雑音がすっと消えればスケルチの動作は正常です。私の場合はICOMのIC2NをLOW(100mW)に設定し、アンテナ端子に50Ωのダミーロードをつなぎ、外部マイクを付けたものを隣の部屋に置いて送信しながら受信部を調整しました。またマイクの近くでラジオを鳴らせばT6、T7の調整が出来ます。

 受信部(RF-MIX1-IF1-MIX2)


送信部

◆VXOに周波数変調をかける(13/8/24)
周波数変調の定番回路はベクトル合成位相変調と言うものでした。動かない水晶に変調をかけても周波数偏移が少ししか取れないため、低い周波数で変調をかけ逓倍段数を多くとって必要な周波数偏移を確保していました。ところがVXOが一般的に認知されてくると、これに変調をかけることで必要な周波数偏移が取れるため、回路がずいぶん簡単になりました。周波数変調部は「ビギナーのためのトランシーバの製作入門」から回路を引用しています。2SC1815でマイクの音を増幅した後、バリキャップ代わりの2SC1815に変位を与えることで2SC1906のVXOに対し周波数変調をかけています。

周波数変調部の特性(13/6/8)
FMとは音声の振幅変化を周波数の変化にするものですが、具体的にどうなっているかを調べてみました。周波数変調部は @マイクアンプ部 A変調部 B発振部 で構成されています。

  1. マイクアンプ部に400Hzの信号を0〜30mVまで加えてみると、ほぼリニアに増幅していることがわかります。
  2. 同じようにマイク端子に0〜30mVまでの低周波信号を加え、そのときの周波数変調部における10.7MHzの周波数変化を測定してみました。確かに振幅を増やすことで周波数は高く変化しますが、2〜7mVほどまでが直線領域でその後は圧縮がかかります。この回路では振幅制限がかかるように設計されており、大きな声を出しても周波数偏移が20kHzセパレーションの範囲を超えないようになっているとのことです。
  3. 発振部のバイアス抵抗が100KΩと小さいのが気になりました。コレクタ電流は9mAも流れています。通常は数100K〜1MΩなのでこれを1MΩに換え変調をかけてみると出力は深いマイナス変調になってしまいました。この部分は強い発振をさせておくのが必要なようです。

 

◆周波数変換部、励振増幅部、終段増幅部(13/8/31)
周波数変換部と励振増幅部はSSBトランシーバーのときと同じ回路を採用しています。終段がC級増幅になった以外はSSB機と同じ配線なので、いつもの流れで進みました。終段は2SC1970を使って出力は1Wとし、20×80mmのアルミ板をH型に曲げて放熱板を作り取り付けました。

 送信部

 アルミ板を曲げて作った放熱板

送信部でのトラブル(13/9/21)
144F2機を送信状態にすると近くでつけていたFMラジオに広範囲のインターフェアが発生しました。特定の周波数に出る高調波ではないようです。周波数変換のTA7358Pの4ピン(周波数変調部からの入力)に高周波電圧計を当ててみると1Vあり、入力電圧としては高すぎるためT17の出力に1kΩの半固定抵抗をつけ、出力を増減しながら様子をみることにしました。TP3に高周波電圧計を当てると

  1. 0.5V以上でインターフェア発生
  2. 0.1〜0.5Vは正常に動作
  3. 0.1V以下になるとトランシーバーの出力が低下

0.5V以上では入力電圧が高すぎるためTA7358Pが飽和状態になり、スプリアスが発生していたのでしょう。入力電圧としては0.2V前後に設定しておくのが良いと思います。1kΩの半固定抵抗は10kΩを直列に入れることで落ち着きました。周波数変調部は安定した発振をさせるため2SC1815に9mAという多めのコレクタ電流を流していますが、そのため出力が大きくなりすぎたのが原因でした。

 TA7358Pの4ピンに追加した10KΩ

周波数表示方法について(13/9/28)
周波数はダイヤルに目盛りを打って表示していますが、VXOで700kHzも可変幅を取っていると、室温の変化で目盛りはずれるものです。FMは20kHz間隔で周波数が割り振られており、多少のズレはあるとしても近い周波数には収めたいため、励振出力の一部を取り出し周波数カウンタで表示するようにしました。