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2017年2月4日土曜日

従来式スーパヘテロダインラジオ用局部発振器の広帯域発振 性能限界の評価

従来式スーパーヘテロダイン・ラジオの局部発振器は、中波帯域 550KHz〜1600KHz 実に1MHz以上、かつスプリアスの大変少ない綺麗なサイン波(正弦波)が生成します。

トランジスタ式スーパーヘテロダインラジオ用局部発振器用コイル(赤色)は、現在でも市販されていますが、そのコイル特性は神業とも言うべき、洗練された最適化がなされていることがわかってきました。

図1.は、KM-88という現在も市販されているラジオキットの局部発振器をオリジナルに最適化設計しなおしたものです。

図1. ラジオ用局部発振器の発振周波数範囲の限界

発振が開始され、振幅の安定するには電源ONから若干の時間を要し、振幅が一定になるには何らかの規則性が見られます。

図1. では、最も高い周波数(緑色)が早く発振を開始し、振幅幅も大きい結果になりました。
灰色の線が、最も周波数が低く、バリコン容量が最大になる近辺の限界周波数です。

周波数が低いほど、発振開始に時間がかかり、振幅が小さくなり、限界周波数より低くなると発振が起こらないことがわかりました。

欧米では、フルビッツさんらが、こうした発振理論を構築され、フルビッツの多項式で発振条件を数学で計算できるようにだいぶ以前に理論構築に成功されたようです。

しかし一方で、世界で最初にトランジスタラジオを市販されたのは、国内の家電メーカのようです。こうした真空管やトランジスタ動作が理論的にほとんど解明されていない時代には、おそらく試行錯誤法で、真空管回路からトランジスタ回路への移行が行われたかもしれず、それに要したコイルの巻き直しや試作の失敗の繰り返しという神業のような超人的努力があったのではないか?・・・と、想像されます。

これが現在では、パソコン上で、こうした回路計算ができるようになってはいます。
しかし、こうした回路設計法が十分に確立されているかというと、そうではない、と僕は思います。
多くの電子回路の設計法は現在でも存在しないものが大変多い(何故動くのか本当は良くわかっていない。学問として、電子回路設計法が個別回路でも確立されておらず、また全体システム設計として体系化もされていない。)と、僕は思っています。


図2. 発振波形

図2.のように大変綺麗なサイン波で、スプリアスが極めて少ない美しいものです。
どうやってコイルの巻き数やタップ位置を決めたのか・・・?
これは神業ではないでしょうか。

通信機のVFOはアナログ回路では、1MHz帯域を得るのは難しく、周波数が低いほど、発振周波数帯域は狭くなる傾向があるように個人的には経験しています。

こうした中波帯と周波数が低く、かつ1MHzを超える帯域幅で、ここまで純粋なサイン波が得られているのは超人的神業と思います。


図3. 発振周波数で振幅幅が変化する特性

図3.に、この局部発振器の最高周波数限界、最低周波数限界の振幅幅を比較しました。

ラジオのシステム性能上は、周波数が変化しても振幅幅が一定になることが望ましく、周波数混合器を理想アナログ乗算器と考えると、ラジオの感度は計算上、振幅電圧幅に線形比例して、出力される受信電圧は高くなります。
(記事「ラジオはどうして聞こえるの?」を参照)

この振幅の変化するサイン波を、振幅一定のクロック波に変換できれば、市販のOSCコイル、バーアンテナ、二連バリコンをそのまま無改造で流用した、機械同期による同調操作が可能になります。
別の記事で、この波形変換を考察します。


このVFOの課題:
(1)発振周波数が時間的に少しずつ変動する。
(2)#(2)の周波数変動は発振周波数が高いほど安定度を保つのが難しくなる。
(3)発振周波数が温度変化、一日の温度変化、季節的温度変化で変動する。

現在までに上記課題を解決する手段としてPLL,DDSが当たり前のように使われるようになりましたが、近年になり、再びこうした旧式回路を持つ海外製品が輸入される傾向があるようです。


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2015年10月8日木曜日

【朗報】スーパヘテロダインラジオの新しい設計法

比較的最近の汎用トランジスタ2SC1815(hFE=100以上)を使って、現在まで確立していなかった1970年頃迄のスーパヘテロダインラジオ(hFE=30のころ)に適用できる新しい設計法が明らかになってきました。

1970年頃迄のスーパヘテロダインラジオ(hFE=30のころ)のラジオの設計法は、試行錯誤のコイル巻き直し、繰り返し実験と一般の人では購入できない高価なオシロスコープ波形観測により、膨大な時間と費用をかけて手探りで設計がされていたと推定されます。

このためか、現在でも当時のラジオ回路を再現しようとすると、hFE=30と低い電流増幅率のPNPトランジスタであるにもかかわらず、異常発振になやまされる事例が未だに再現して続いているのがネット情報で確認できました。

(例:チェリー トランジスターラジオの修理 CK-606のトラブル退治

こうした(長年解決されていなかった)設計課題を解決する新しい確実な設計方法が開発されました。

この設計法を使うと、以前、このブログで書いた異常動作するスーパーヘテロダインラジオが好調に動作できるようになることが判明しました。

以下の実例は、この確実な設計法が確立された朗報となります。


AM変調ラジオ電波信号(赤)、OSC発振信号(青)、IF信号(緑)と、そのスペクトラムです。安定したOSC発振と、綺麗なIF周波数455KHzが得られています。



受信されるAM電波信号、変換されたIF信号の周波数成分を拡大表示すると、キャリア、LSB、USBがきちんと分離されています。

Oct.17,2015 追記:

AGC付きIF AMP部分を乗算部に追加構成し、Mixer 1Tr +IF AMP 2Tr のスーパヘテロダインラジオのシステム動作が成功しました。(2SC1815 3石式 低周波アンプ無し)
ただし、この回路は絶妙のバランスで動作する奇跡的回路で、Trモデルにも非常sensitiveな特性があることが判明しました。


この回路は発明以来現在まで設計法が確立されていなかったと考えられ、現在の市販ラジオキットも設計上の問題を解決できていないという現在状況(2015現在まで)と、この結果を得るのは施行錯誤法ではほぼ無理で、公知ではない知られていなかった設計手順を発見する必要がありました。(課題として手応えの非常に重い難しさを実感できます。)



おそらく市販の8石トランジスタ・ラジオの市販キットは、利得過剰+設計不良でまず正常動作は無理と思われます。2SC1815はhFE=100を軽く越えるので、従来のhFE=30程度のPNPトランジスタを置き換えただけの設計回路では利得過剰で異常発振すると推測します。