高周波電圧計３
◆はじめに(2008/02/23)
直流や交流電圧はテスターで簡単に測れますが、我々に馴染みのある高周波電圧を正しく測るのは中々に難しいものです。ＲＦプローブ＋テスターでは、メータの振れで高周波出力の大小を見ることは出来るものの、それが何Ｖを示しているのか正しくは判りません。トランシーバを製作していると、ＶＸＯ部の出力やバラモジ部の入力電圧などを記録として残したい場合、正確とは言わないまでも数％の精度では知っておきたく、手に入り易い部品で自作出来ないものかと試行してみることにしました。
全体構成
◆回路案(2008/02/23)
全体はセンサー部と表示部に分けます。センサー部で半波整流した電圧を表示部ではアッテネータを通した後、ＦＥＴを使って増幅しメータを振らせます。具体的な抵抗値は回路実験しながら決めていきますが、課題としてはどの程度の感度にするかということです。ダイオードの特性上０．２Vのように微弱な電圧では直線性が悪くなりますが、更に低い電圧を測定したいときもあり、センサー部の初段に広帯域増幅を入れ、その後整流するという方法も考えられます。要はトランシーバを自作する時に、必要な各部の高周波電圧が測定できればよい訳で、そのために試行・実験を進めて行きます。
◆校正方法(2008/02/23)
測定器を自作する場合には校正方法が課題になりますが、センサー部の１００Ｐに１０μ程度のケミコンを並列につなぎ、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの商用電源と６Ｖ程度のトランスを使うことで校正が出来ます。あるいはトランシーバがあればダミーロードをつないで送信することにより、ダミーロードの両端電圧を使うことが出来ます。Ｖ＝ＳＱＲＴ（Ｐ＊Ｒ）の式により、例えば２Ｗ出力であれば、５０Ωのダミーロードには１０Ｖの電圧が発生し、２０ｍＷであれば１Ｖになります。身の回りの道具をフルに使い知恵と工夫で乗り切りましょう。
図１
試作風景
センサー部
◆ゲルマかショットキーか(2008/3/8)
入力電圧を０～２５Ｖ（６０Ｈｚ）まで変化させ、そのときの出力を測定しました。下図の青色の線はゲルマダイオードの１Ｎ６０の特性ですが、１０Ｖを越えたあたりからカーブが曲がり始めます。これではまずいので、次はショットキーバリヤダイオードの１ＳＳ１０８に交換して測定したところ、リニヤな特性が得られました。ゲルマとショットキーでこんなに違うものかと驚きましたが、測ってみないと判らないものですね。
図２
◆微小入力の入出力特性(2008/3/8)
ダイオードは微弱な入力では動作が非直線的になるといいますが、どの程度のものかと調べてみました。下のような回路を組み、入力として６０Ｈｚの交流を０～１Ｖまで変化させ、そのときの出力をデジタルテスタで測定したのが次のデータです。（Ｙ軸は見やすくするため上下をひっくりかえしています）
下図の青線がダイオードの特性で、ピンクの線は参考に引いた直線です。また黄色の線は誤差を表示しています。入力電圧０．５Ｖのとき誤差５％、０．２Ｖで１６％となりました。ショットキーバリヤダイオードの閾値が０．２～０．３Ｖになっていることが、直線性に影響しているのでしょう。したがって入力０．５Ｖ程度まではダイオードの前段にアンプを入れ、それ以外はダイオードで直接整流する方式を取ろうと思います。
なお、非直線性を是正するため、ダイオードにバイアス電流を流して動作点をずらす方法があります。下の回路図では９Ｖの電圧を２２０ＫΩを通し、ダイオードに順方向の電流を約５０μＡ流しています。しかしこの方法は、表示部側でレンジを切り替えるとメータの０点がずれるため、不採用としました。
図３
図４
◆どの程度の感度が必要か(2008/03/09)
製作したモノバンドトランシーバ２１ＭＨｚ機の各ＴＰにセンサー部を接続し、仮に電圧を測ってみるとＴＰ１～ＴＰ７では０．１～２Ｖの値を示すことがわかりました。また１０Ｗのトランシーバでは５０Ωのダミーロードに２２．４Ｖ発生することから、レンジは０．２５Ｖ、２．５Ｖ、５Ｖ、２５Ｖの４つとし、０．２５Ｖは直線性を確保するため、広帯域アンプを1段入れようと思います。
◆２ＳＫ４３９による増幅(2008/03/22)
２ＳＫ４３９による簡単なアンプを追加し入出力特性を測りました。デジタルテスタの性能から低周波による測定となるため、結合コンデンサは４．７ｕＦとし、入力に４００Ｈｚの低周波を０～０．６Ｖまで可変させ、そのときの出力電圧を調べました。青い線が測定値、ピンクの線は参考のために引いた直線ですが、０．３Ｖを越えるあたりから。直線性が悪くなります。
図５
図６
◆センサー部の周波数特性(2008/03/22)
下のような構成で周波数特性を測定しました。センサ②のＦＥＴは当初２ＳＫ２４１を使いましたが、ＶＨＦでのゲイン不足を感じ２ＳＫ４３９に変更し、同時にドレイン負荷を１ｍＨのＲＦＣから４７０Ωに変更したところ、１４４までほぼフラットな特性になりました。
図７
図８
◆センサー部の製作(2008/03/16)
万能基板に回路を組み、熱収縮チューブで覆い絶縁します。先端はミノムシクリップを使い、測定部に固定出来るようにします。リード線は半田付け後バインド線で基板に固定します。また配線が終われば、全体を熱収縮テュー部で被い、絶縁と共に部品の保護をします。
センサー部① ２．５Ｖ、５Ｖ、２５Ｖ用
センサー部② ０．２５Ｖ用
◆プローブ型センサー(2008/04/12)
テスターのリード棒やアルミパイプを使ってプローブを作ってみました。
表示部
◆表示値の直線性は？(2008/03/09)
表示部の入力に０～１Ｖの直流電圧を可変しながら加え、メータの振れが直線的かどうかを確認しましたが、これは問題なく直線的な特性を示すことがわかりました。
◆メータ用の目盛りを作る(2008/03/16)
測定レンジとしては０．２５Ｖ、２．５Ｖ、５Ｖ、２５Ｖの４種類とします。メータは３８型１００μＡを使いますが、目盛りが１００分割のため読み取りの時に頭の中で換算しなくてはならないため、ここでは目盛りを自作することにしました。実物のメータから寸法を読み取ってＣＡＤ上に図形を描き、目盛りは５分割と２５分割の２種類としました。図形が出来ればＬサイズのフォトペーパーにインクジェットプリンタでプリントし、ハサミで切り出したあと、両面テープで貼り付けます。
◆ケース作りと配線(2008/03/30)
デザインは縦長の測定器らしい感じにします。幅６５×高さ１１５×奥行き１１５ｍｍとし、１ｍｍのアルミ板で作りました。回路は８Ｐの平ラグ板に組み、電源は外部から１２Ｖを供給します。ケース上部にメータを配置し、その下にレンジ切り替えのロータリースイッチと０点調整のボリューム。下部には電源スイッチと表示ＬＥＤ、コネクタを置きました。
ラグ板上の配線図(2008/04/06)
◆校正方法(2008/03/30)
図７に示す回路を組み、２１MHｚで校正を行ないました。特にセンサ②では０．２５Vを測る場合、送信機の出力を１ｍWに設定しますが、ＱＲＰパワー計の目盛り（１mW）では精度が怪しくなるため、ＦＴ８１７の出力を１００mWに設定し、２０dBのアッテネータを通して１mWの出力を得ることにしました。ＦＴ８１７の出力を表１の値に設定し、レンジを切り替えながら半固定抵抗を回し、メータの針が所定の電圧を示すようにします。
５０Ωダミーロードに発生する電圧(表１）
| 出力（W) | 電圧（V) |
| 0.001 | 0.22 |
| 0.1 | 2.24 |
| 0.5 | 5.00 |
| 2 | 10.00 |
校正風景
◆最後の仕上げは塗装です(2008/07/26)
高周波電圧計の回路部分を本体から外し、ケース部分を塗装しました。
こんな風にお化粧をすることで、測定器の雰囲気が出てきました。
＜完了＞