After you make some kits , you will want to make FM transceiver or SSB transmitter. Then you learn the circuit of the magazine. You will collect the parts of it. But you will not be able to collect the same number of the transistor or coil. Then you must arrange some part of the article. Or you may change the band of the transmitter from 14MHz to 21MHz because of your antenna or your license. I will explain you some points you must care to make a plan of the radio equipment.You must care about " power lebel ", " frequency planning " and " impedance matching".
1.Power level *
All
the radio equipment is a type of amplifier. Radio receiver is an amplifier
to make audio voice from a very weak electric signal caught by the antenna.
The figure indicates a typical signal gain of 5 valve radio. A convertor
has 30dB gain. An IF AMP has 40dB gain. Detector has 10 db loss. Audio
AMP has 40dB gain. Total gain of this radio is 30+40-10+40=100db. If you
make one more IF stage. The gain of it will be 70dB. The same time , you
can omit the one stage of the audio AMP. The gain of it will be 10dB. Then
the total gain of the radio will be 30+70-10+10= 100dB. But such a receiver
will not make good performance. The 70dB IF will make self oscillation.
Even if you could stop the self oscillation , the signal level of the last
stage of IF becomes too big. It will be saturated. Such a radio can not
make good sound. * See the figure of DSB transmitter! My dynamic microphone
has 50mV output voltage (V). The impedance (Z) of it is printed on it 300
ohms. The power of it (P) is calculated as P=V*V/Z= 0.05 * 0.05 / 300 =
8mW. On the other hand, the oscillator makes 50MHz signal. When I connect
the 50 ohm resister on the output of it, the signal of it was 1 V peak.
1V peak sine wave has 0.7 V average. The power of the oscillator is calculated
as P=V*V/Z=0.7*0.7/50=9.8mW. The audio signal and the 50MHz signal is mixed
by the balanced mixer. And the mixer outputs the 8mW DSB signal. The RF
AMP has 20dB gain. The output of the AMP becomes 80mW. 80mW DSB transmitter
is made. If you want to make more power , you add the one more audio AMP
having 20dB gain. The output power of the AF amp becomes 80mW. Then the
RF power becomes 8W ? No! The DBM works as a linear modulator on the condition
of the local oscillator is stronger enough than the audio signal. Therefore
the DBM is saturated. You will not be able to get a understandable signal.
All the amplifier and all the modulator has it's limit of linearity. If
your projects has bad sound , some part of it will be saturated. In order
to avoid saturation , it is effective to watch the signal of each section
of your projects with the oscilloscope. And then the some kind of signal
generator is need to the input of the equipment. I show you audio signal
generator to adjust an audio amplifier and RF signal generator to adjust
a RF AMP on my homepage.2.Frequency plan*
In
order to plan the radio , you must consider about " spurious of local
oscillator ", " Image jamming ", " frequency range
" and " change of sideband ".2-1.Spurious of the local osccilator
See the figure ! That is a super heterodyne. The IF frequency is 2MHz. The local oscillator of it makes the signal of 5 to 7 MHz. This radio can receive the frequency from 7 to 9 MHz. But , If you can not get the 2MHz filter. You had a 4MHz of it. You want to receive the same band. The local oscillator must make from 3 to 5 MHz. (Sorry the figre indicates from 5 to 7MHz) . But when you receive the 8MHz , the oscillator must make 4 MHz , and the doubled spurious of the local oscillator becomes the same frequency from the receiving signal. Therefore the radio can not hear the radio signal on 8MHz. In order to avoid this trouble, it is better that the oscillating frequency be higher than the receiving frequency. But higher oscillator has more QRH (change of the frequency ). If you make double super heterodyne , such a trouble can occur more easy. You must care about the spurious made by the difference of the first local oscillator and the doubled second oscillator. You must care about the spurious also made by the difference of the doubled first local oscillator and the second oscillator.
2-2.Image jamming
See the figure! This radio receives the 7Mhz. But the tuning circuit in front of the radio can not block to come in the 7,2MHz. And also the difference of 7.2MHz and 7.1MHz becomes the IF frequency. This matter is called as image jamming. In order to avoid this trouble , we must plan the IF frequency higher than 1/10 of the receiving frequency. For example the short wave radio (about 7MHz) made with 455kHz IF occurs this trouble. You must plan the frequency to make the image frequency must not be the oscillator frequency of a computer on your desk. If you make the transmitter , you must care about the IF frequency of the TV on your room. The image spurious of your transmitter must not be the frequency of the TV.
2-3 Change of the sideband EX1 shows the convertor of the 50MHz transmitter. 10MHZ USB (upper side band) and 40MHz CW makes 50MHz USB. The 10MHz LSB (lower side band) and 60MHz CW makes the 50MHz USB. 50=60-10. fout=fosc-fif. Then the IF signal has minus mark on the expression. Therefore the polarity of the sideband changes. You can use this characteristic to make USB from the crystal filter to make USB.
2-4.The range of the band covered
It is very difficult to make SSB transmitter with VFO. The stability of the frequency is not good. You must receive the report that your signal has some QRH. In order to make stable transmitter , you must use the VXO as a local oscillator. The VXO can be changed 0.5% of it's oscillating frequency. On the EX1, the local signal is made by double doubler of the 10MHz VXO. The frequency can be changed 10MHz*0.005*2*2=200KHz. The transmitter can cover from 50.100 to 50.300MHz. On the EX2, the local signal is made by a doubler and tripler. The frequency can be changed 10MHz*0.005*2*3=300KHz. The transmitter can cover from 50.100 to 50.400MHz. 50.37MHz is important frequency on our neighboring radio amateur. Therefore EX2 is better. It is not good try to get wide frequency coverage with VXO. It is better to use some crystals to cover wide frequency of the same band.
3.Impedance matching
See
fig1 ! Everyone of the reader of my homepage will have made a germanium
radio. The crystal ear phone was used on it. If you connect the speaker
to it , can you hear the broadcasting with it? NO! The detector of the
gernmanium radio is made by germanium diode. That can detect the HF signal
only on the condition of it's load is over 10k ohms. The impedance of the
speaker is only 8 ohms. They make a hard unmatch of the impedance. You
must use the transformer in order to use the speaker with the germanium
diode. But such a transformer is hard to get. *See the figure2! The crystal pickup can not drive the transistor. It must be used with a valve like 50C5.
See the figure3! This figure indicates the convertor of the 50MHz SSB transmitter. Consider about the impedance match of the band pass filter and the transistor of the amplifier. When I joint nothing on the output of the band pass filter (A point). The voltage of there was 1V. I connected some kind of resister on the A point . When I connect the 10 k ohms , The voltage becomes 0.5V. That is half of the original. Then I could know that The output impedance of the coil is 10k ohms. Usual transistor has about 1k ohms of its input. Therefore the transistor is too heavy to that filter. Such a unmatch of the impedance occurs very easy when we connect a circuit of the magazine with the another circuit of the magazine.
通信機製作の秘訣＊
６石式ラジオやＦＭ送信機のキットを買ってきて、うまく動いたら、次はＰＬＬ式ＦＭトランシーバーやＳＳＢトランシーバーを作りたく為ってくるでしょう。この時には、雑誌で製作記事を読んで、参考にして、作るわけですが、記事が１４ＭＨｚで、自分は２１ＭＨｚで作りたかったり、あるいは、同じ型番の部品が手に入らなかったりして、何らかのアレンジをしないとならなくなってきます。あるいは、他人の発表した回路をそのまま作よりも、自分で、Ｓメーターを付けてみたり、ポータブルにして機動性を高めたりしたくなったりもします。こうして、雑誌の回路を組み合わせて、通信機を作る事になるわけですが、ここで、キットやそのまま回路で作るよりも難しくなるいくつかの要因があって、ここの段階で挫折してしまう人も多いようです。＊
ここでは、自分で、回路を計画して、製作するために気を付けなければならない事柄を説明します。それは「レベル配分」と、「周波数計画」と、「インピーダンスマッチング」です。＊
１．レベル配分に関して＊
受信機にしろ送信機にしろ、すべからく、通信機という物は増幅器です。受信機はアンテナで受けた微弱な高周波信号を増幅して、スピーカーを鳴らせる音量の低周波信号にして、最終的には音のエネルギーにする機械です。送信機はその逆ですが、マイクロフォンの電気信号はそれこそマイクロワットですから、普通１０Ｗ程度の送信機ならば１００００００００倍（８０ｄＢ）程度、増幅するわけです。ここで、低周波で何倍に増幅して、周波数変換で何倍に増幅して、高周波増幅で何倍に増幅して、最終的に希望の出力を得るかという事がレベル配分です。まず、例として、五球スーパー受信機を見てください。周波数変換は、大体３０ｄＢ程度の利得を持っています。中間周波増幅は、大体４０ｄＢ程度の利得を持っています。検波回路は、大体−１０ｄＢ程度の利得（ロス）を持っています。低周波増幅は、大体４０ｄＢ程度の利得を持っています。その結果総合利得は、３０＋４０−１０＋４０＝１００ｄＢ程度になっています。ここで、例えば、この配分を変えて、中間周波増幅をもう１段増やして７０ｄＢにして、
代わりに、低周波増幅を１段へらして、１０ｄＢとしても計算上の性能はかわらない様に思えます。しかし、実際はこうすると、中間周波増幅回路の出力近辺で信号が大きくなりすぎて、増幅器の扱える大きさよりも大きくなってしまい、飽和という現象が起こって、信号が歪んで、変な音になってしまいます。（いまは、自動利得調整回路（ＡＧＣ）が無い、場合の話をしています。）＊次に、ＤＳＢ送信機を例に説明します。ダイナミックマイクの出力電圧（Ｖ）は５０ｍＶ程度で、マイクの裏側には、インピーダンス（Ｚ）３００オームと書いてあります。ここでの電力（Ｐ）はＰ＝Ｖ＊Ｖ／Ｚで計算されますから、Ｐ＝０．０５＊０．０５／３００＝８μＷです。マイクアンプはたいてい１石式の増幅器で、利得は２０ｄＢ程度です。その結果、マイクアンプの出力電力は８００μＷ＝０．８ｍＷになります。一方、水晶発振器は、５０オームの抵抗を負荷として仮につないで出力を計ると、１ボルトピークの電圧でした。１Ｖピークのサイン波ですから、平均電圧は０．７Ｖです。よって、この水晶発振器の出力電力はＰ＝Ｖ＊Ｖ／Ｚ＝０．７＊０．７／５０＝９．８ｍＷである事が判ります。上に説明した二つの信号が、ダイオード式バランスドミクサーに送り込まれると、０．８ｍＷのＤＳＢ信号が得られます。ＤＢＭはモジュレーターとして動作させた場合、ほとんど電力損失は発生せずに、低周波電力と同じ電力が出てきます。あとは、この高周波電力を１石式高周波増幅器で軽く増幅して、２０ｄＢの利得があるので、８０ｍＷのＱＲＰｐ送信機が出来上がります。さて、ここで 、もっと大きな電力を出力させたいからといって、マイクアンプを２段式にして、その出力をもう２０ｄＢおおきい、８０ｍＷにしたら、どうでしょうか。悲惨な結果が待っています。ダイオードＤＢＭがきちんと変調器として動作出来るのは、局発信号が、低周波信号よりも倍以上の振幅が在る場合です。すなわち、この場合には、局発信号にも、もう１段増幅器を追加して、５０ＭＨｚ９８０ｍＷの信号を与えてやる。必要があります。しかし、さらに、こんな大きな信号をダイオードＤＢＭに入れると、今度は、ＤＢＭの内部のコアが磁気飽和してしまったり、ダイオードが発熱して、壊れてしまったりして、結局うまく動作してくれません。この例では、出力の高周波リニアー増幅器をもう１段追加するのが、正しい電力アップ手段です。ただし、この場合でも、はじめの高周波リニアー増幅器は２ＳＣ１８１５のアンプで２０ｄＢの利得と８０ｍＷの出力電力であったとして、これと同じ回路をもう一個追加しても、終段のトランジスターが飽和してしまい。８０ｍＷの１００倍の８０００ｍＷつまり８Wは得られません。トランジスターが壊れてしまいます。ここには、大きなトランジスターを使う必 要があります。すなわち、それぞれの素子や回路には、扱える信号の大きさの上限があって、これ以上の振幅や電力を扱おうとすると、歪んだり壊れたりしてしまいます。例えば、ある自作送信機が、小さな声でしゃべっている間は、良い音であるが、大きな声だと歪んでしまう。という様な場合は、間違いなく、どこかで、回路の扱える電力をオーバーしている部分があるのでしょう。また、受信機ならば、遠くの小さな放送はきこえるが、かえって、近くの強い信号が聞き取れない等という現象が発生したら、間違いなくこの問題です。これを、避ける為には、その機械の入力（例えば送信機なら、マイク端子）に信号をいれて、各回路の信号をオシロスコープで観察して、波形が歪んでいないか観察すればよいのです。＊
２．周波数計画＊
次に、周波数計画について、お話しましょう。ここでは、局発スプリアス、イメージ妨害、周波数可変範囲の確保、サイドバンドの反転という、小さな項目について、分けてお話します。＊２−１．局発スプリアス：７メガから９メガの短波を受信する、中間周波の水晶フィルターとして、２ＭＨｚのフィルターを使用し、局発は５から７ＭＨｚの受信機が雑誌にあったとします。ここで、２ＭＨｚの水晶フィルターが製造中止になり、４ＭＨｚの物が入手できたとします。同じ７から９メガを受信しようとすると、局発は２ＭＨｚずれて、３から５ＭＨＺになります。（すいません、図は５〜７ＭＨｚになっています。） こうして、各部が順調に動作したとして、結果はどうでしょうか。この受信機はバリコンの真ん中辺で、いつもすごいビートがビービーいって、８ＭＨｚ近辺が全く受信できません。これは、８ＭＨｚの信号を受信しようとする場合、局発はそれより４ＭＨｚ低い４ＭＨｚとなり、この局発の２倍の高調波が、受信周波数にかさなるので、発生する現象です。これは、局発を受信周波数よりも低く設計する場合に起こりやすい現象です。この現象をさけるためには、局発を受信周波数よりも４ＭＨｚ高く設計しなおして、１１メガから、１３ＭＨｚに変更すればよいのです。しかし、高い周波数の局発はそれだけ周波数変動が大きくなりますので、元の雑種の製作例よりも、周波数安定度の悪い受信機になり易くなります。ここでは、局発が１個のシングルスーパーを例にとりましたが、これが２回周波数変換をおこなう、局発が２つあるダブルスーパーだと、さらに事態はややっこしくて、第一局発の信号と第二局発の信号の差の２倍の周波数が第２中間周波に妨害を与えたりします。＊
２−２．イメージ混信に関して：次に、同じように、シングルスーパーを例に、イメージ混信妨害に関して説明します。７ＭＨｚの信号を受信する、中間周波１００ＫＨｚのスーパーを作ったとします。局発は７．１ＭＨｚで作ったとします。この場合、アンテナから７．２ＭＨｚの信号が入った場合には、受信同調回路は７ＭＨｚに同調していますから、７．２ＭＨｚ信号はそれに近すぎて、取り除けません。つまり。７ＭＨｚの信号を受信する時に、７．２ＭＨｚ信号が混信してしまいます。この現象は、４５５ＫＨｚの中間周波で短波受信機を作った場合も多かれ少なかれ発生する現象です。受信目的でない、邪魔物はイメージと呼ばれ、これをどれだけ除去できるかという比率が「イメージ除去比」と呼ばれｄＢで表示されます。イメージ除去比を上げるためには、中間周波を出来るだけ高い周波数で計画する事が必要です。近頃は、昔のように、４５５ｋＨＺの中間周波コイルでなくとも、１０ＭＨｚ近辺の水晶フィルターで受信機を作る事が出来るので、この問題から開放された感があります。私の経験では、受信周波数の１０分の１よりも高い周波数を中間周波とすれば、おおよそこの問題から、 ぬけられます。送信機においても同様に、たとえば、４ＭＨｚの水晶フィルターを使って、４ＭＨｚのＳＳＢ信号を発生させ、これに５４ＭＨｚの信号を混合して、５０ＭＨｚのＳＳＢを発生させる場合には、５８ＭＨＺのＳＳＢ信号も出てきてしまうので、問題です。５８ＭＨｚはテレビの内部の中間周波に使用されている周波数なので、ＴＶＩを発生しやすい機械になってしまいます。この様に、イメージ妨害は、周波数関係で全く発生させないという考えよりも、イメージ周波数があまり使われていない周波数になる様に、周波数をえらんで計画する。という考えも重要です。この為には、アマチュア無線以外の周波数に関しても或程度知っておく必要があります。たとえば、あなたが今使っているコンピューターのクロック周波数は、アマチュア無線の周波数から、はずして作ってくれています。これは、コンピューターメーカーさんが気を付けてくれているのです。しかし、あなたが受信機を作る場合には、イメージ周波数や中間周波数も、そのコンピューターのクロック周波数から、はずしておく配慮が必要です。まあ、最近はコンピューターもずいぶん良くなったので、この問題も少なくなった様に きていますが。＊
２−３．側帯波の反転に関して：例１は、５０ＭＨｚＳＳＢ送信機のコンバーター部分の周波数関係を示した物です。１０ＭＨｚのＳＳＢ（ＵＳＢ）発生器と４０ＭＨｚの局発信号を混合して、５０ＭＨｚのＵＳＢが得られます。例２も同じく、５０ＭＨｚＳＳＢ送信機のコンバーター部分の周波数関係を示した物です。１０ＭＨｚのＳＳＢ（ＬＳＢ）発生器と６０ＭＨｚの局発信号を混合して、５０ＭＨｚのＵＳＢが得られます。この様に、局発信号から、サイドバンド信号を引き算すると、出力信号になる様な周波数関係の時には、ＵＳＢはＬＳＢに、ＬＳＢはＵＳＢになります。アマチュア無線では、１０ＭＨｚ以下ではＬＳＢを、１０ＭＨｚ以上ではＵＳＢを使用する事になっているので、この性質をうまく利用すると、ＳＳＢジェネレーターはＵＳＢを発生するものだけでも、７ＭＨｚや３．５ＭＨｚのＵＳＢも周波数変換で得て、マルチバンドトランシーバーを作る事が可能です。最近は、雑誌にあまりマルチバンドトランシーバー等という大作を見かけない様になりましたが、古いＣＱ誌などに、その例を見る事ができます。＊
２−４．周波数可変範囲の確保に関して：一般にＶＸＯの可変範囲は０．５％が上限で在ると言われています。すなわち１０ＭＨｚで５０ＫＨｚです。上の例１で、局発の４０ＭＨｚを１０ＭＨｚのＶＸＯの４逓倍で得る場合、周波数可変範囲も５０ＫＨｚの４倍の２００ＫＨｚになります。たとえば、５０．１ＭＨｚから、５０．３ＭＨｚです。ほとんど通常の交信には困りませんが、コンテストでは５０．４ＭＨｚ近辺まで、ＳＳＢ局がでるので、ちょっと不満です。一方、例２では、１０ＭＨｚのＶＸＯを６逓倍して、局発として、使用しているので、５０ｋＨｚの６倍の３００ｋＨｚが可変範囲となり、５０．１ＭＨｚから５０．４ＭＨｚまで可変範囲が広がります。ＶＸＯは安定なのは良いのですが、この様に、可変範囲が限られるので、周波数計画の段階で注意が必要です。あまり、１個の水晶での周波数可変範囲を欲張らずに、必要な周波数範囲を複数の水晶で切り替えてカバーする様に設計するのが、賢いとおもいます。さらに、ＶＸＯをコイルの無いバリコンだけのタイプにすると、周波数可変範囲は０．０５％程度とさらに小さくなりますが、同時にさらに安定な発振器ができます。ＣＷの 場合はバンド幅が小さく、これでも行ける場合もあります。ましてや、２メーターや４３０のＣＷでは、周波数可変範囲は小さくても安定度が必要なので、この様な設計が必要です。温度や振動や電源変動による、許させる周波数変動の範囲は、ＳＳＢで１００ＨＺ、ＣＷで５０Ｈｚ程度だと思います。おおよその目安としてください。＊
３．インピーダンスマッチング*
例１を見て下さい。誰でも１度は、ゲルマラジオを作った事があるでしょう。これには、必ずクリスタルイヤホーンという、肌色をした樹脂製の耳の穴に突っ込むタイプの受話器で聞く様になっていました。もし、この代わりに、普通の８オームのスピーカーを接続したら家族皆でラジオが聞けるのでしょうか。だめです。私のホームページの別のページに実験で示した様に、ゲルマニウムダイオードが検波器として動作できるのは、負荷インピーダンスが１０ｋオーム以上の場合です。元々のクリスタルイヤホーンはインピーダンスが１００ｋオーム程度だったので、インピーダンスマッチングがうまく行っていて、ダイオードの検波出力が５０ｍＶあれば、これをつないでも、５０ｍＶ近い電圧がその両端に発生して、うまく電力が伝達されました。しかし、ここに、スピーカーをつなぐと、あっというまに、ダイオードの出力電圧は０ｍＶになってしまい。スピーカーは駆動されません。その下の図のように、入手が難しいですが、５０Ｋ対８オームのトランスを使うと、スピーカーがちゃんと駆動できて、鳴ります。ただし
、このラジオは、中波の放送局のアンテナの見える町で、或程度の長さのアンテナを立てないと使えません。次に、例２を見てください。昔、家で使っていたレコードプレーヤーは安物で、クリスタルピックアップで直接５０ＥＨ５（５０Ｃ５の類似管）という電力増幅真空管を直接駆動した物でした。ここでは、真空管は入力インピーダンスが高いので、出力インピーダンスの高いクリスタルピックアップを直接駆動できたのですが、この図の様に、トランジスターで置き換えた場合には、トランジスターの入力インピーダンスは１ｋオーム程度と低いので、アンマッチです。
例３を見てください。これは、ＳＳＢ送信機の周波数変換回路の近辺を現しています。トランジスターの増幅器をつながない場合には、（Ａ）点の電圧は１００ｍＶあったとします。この（Ａ）点に色々な抵抗を付けてみて（もちろん抵抗の他端はアースに落として）、１０ｋオームの時に５０ｍＶとなり、何もつながない場合の半分になったとすると、ここのフィルター出力のインピーダンスは、１０ｋオームであると考えられます。１０Ｋオームは中途半端なインピーダンスです。トランジスターの入力インピーダンスが約１ｋオームで、ＦＥＴが約１００ｋオームです。（５０ＭＨｚの場合）。ＦＥＴとトランジスターのどちらにしても有効に電力が伝達されません。トランジスターでうまく負帰還をかけて入力インピーダンスをあげるか、どうせフィルターの後はインピーダンス変換であって、増幅でないと割り切って、エミッターフォロワーかソースフォロワーにしてしまうのも手です。差動増幅器は入力インピーダンスが大体１０ｋオーム程度になるのでいいかもしれません。これはまだ実験していません。＊雑誌の回路の組み合わせで通信機を計画する場合に最も陥りやすいのが、このインピーダ ンスのアンマッチです。つまり、Ａさんの作ったＳＳＢジェネレーターは出力インピーダンスが１０ｋオームで、Ｂさんの作ったコンバーターは入力インピーダンスが５０オームであった場合が悲惨な結果を招きます。ほとんど電力は伝達されません。これは、極端な例ですが、いずれにしろ、インピーダンスのアンマッチが電力損失を招き、その結果、信号レベルが下がって、適正なレベルを割り込み、それを補う為に、増幅器を追加したが、歪みが増えて、というような事態になりかねません。私の、ホームページの回路図の中には、極力信号レベルと適正な負荷インピーダンスを書き込んでありますので、参考にされてください。
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