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2016年11月19日 (土)

高速パルスを増幅するはなし

パルスを増幅するはなしとは

最近、ハイスピードのパルスを増幅するアンプの仕様が話題で 、相談に乗るのですが、どうも数10MHz領域でパルスを作っている方が、もっと高速にしたくて RFアンプに目をつけているようですが、いわゆる DCから出力できる電源的なパルス増幅器と、電波を増幅する目的の高周波アンプでは考え方が違うので、その辺りをもっと知って欲しいと思って書いてみます。
そもそも高周波アンプは...
DCからは増幅するものは少なく、低くても最低通過周波数は 10KHz程度なのです。
これはカップリングにコンデンサーを使ったり、合成器やトランスを使って 50Ωの負荷に電源電圧以上の電圧を発生させて大きなパワーを得ている回路構成から、どうしても DCを通過させるのは難しいのです。
 例をあげてシミュレーションしてみると、低域は 50KHz、高域は150MHz(3dB減衰レベルで)の特性をもつアンプを考えてみます。ここでは簡略して増幅器でなくただのこの帯域幅をもつフィルターとして考えてみます。
Bw_cir
この回路の周波数特性は以下の通りです。
Bw_fig
この回路にパルスを加えた時にどんな波形になるかシミュレートしてみましょう。以下がシミュレート用の回路です。
Cir_bw
5uSの幅の矩形波パルスで周期20uSを2回出力します。
下図の波形では青色の矩形波波形が入力信号です。
Freqbw
そして出力されるのは緑色の波形です。
本来平らな波形であるべき最初の 5uSが右肩下がりに下がってしまいます。
これはいわゆる”微分波形”といってDC電圧がコンデンサーで打ち消されてコンデンサーに充電される時定数によってだんだんゼロレベルに近ずく現象です。
さらに 5uS後のHighから Lowになるタイミングでマイナスに振れ、また反対にゼロ電位に戻ろうとします。
 このように、DCを通さないということはパルスの波形を維持できなくなるという問題があります。しかし短いパルス幅、周期でしたら影響は少なくなります。
また、高域はどう影響するかというと、上図の出力波形の立ち上がり/下がりが丸みを帯びていることが波形からも分かるかと思います。
本来矩形波は奇数次の高調波の集まりで構成され、通常 50%Dutyの場合の繰り返し周波数の 10倍以上の通過帯域がないと矩形波の形をなさず、丸くなってしまいます。極端な例では周期の2倍以下の帯域しかない場合は矩形波を入れても正弦波になってしまいます。
 このように、通常数MHzのパルスでは帯域 100MHzあれば矩形波で支えたものを例えばパルス幅 1nS( 1GHz)にしようとするとそれを通過させるアンプの帯域は 10GHz以上ないと矩形波にならないことになります。繰り返し周期が 1mSであってもおなじことで、150MHzのアンプでは 立ち上がり、下がりに 7nSはかかるので 12nS(80MHz)の矩形波 では正弦波になってしまいますし、66nS(15MHz)程度でようやく矩形波に近くなるということです。

2016年8月24日 (水)

ケーブルの定在波のはなし

ケーブルの定在波のはなしとは

 SWRとか VSWR とか、アマチュア無線やアンテナ関連で良く聞く話だと思いますが、通常の SWR 2.0以下ではあんまり気にしないで済むはなしですが、λ/4 のアンテナが折れたり、ケーブルが切れたりした場合、その長さによって定在波というケーブルの位置によって電圧や電流が変化する状態がおこるというはなしです。
 シミュレーションで説明します。
 まず、ストリップラインで作った方向性結合器と 40cm の理想ケーブル、負荷は 50Ωとして方向性結合器の反射端を見てみます。以下図では S21 に出てきます。
20160820_94738
 方向性結合器をきっちり設計した訳で無いので,性能は S11 = -10dB 程度ですが、マッチング取れていれば,反射波は -45dB ぐらいです。
 ここでSWRを悪化させるため、負荷を 10Ωにします。 稚拙のiOSアプリ SWR pro を使って 反射電力を増やして行きながら,等価負荷抵抗が 10Ωになる点を見つけると、SWRで言えば 5.0 ぐらいの設定です。
20160820_94807
 この状態で,反射レベルは 100MHz 付近で言えば +5dB ぐらい増えて、反射が多く検出されるようになったのが判ります。
 そこで、この状態でケーブルを 100cm まで長くすると以下の様な結果になります。
20160820_94857
 この例では 100MHz付近では大丈夫ですが、60MHz付近と 130MHz付近に大きな落ち込みが生じて,この付近の周波数では、反射波がかえって少なくなっているように見えることです。これは定在波による電圧の最小ポイントがこのケーブル 100cm の長さで起こっていることを示しています。
どんな不具合が起こるのか?
 通常 SWRが悪くなっても、アンテナや負荷に出力されるエネルギーが減るだけでたいした問題にならないし、使っている周波数が狭い範囲ならば,ケーブルの長さで SWRが悪くなったときにトラブルが起こることはあまりありません。
 ただ、大きなパワーを扱っている場合、VSWR悪化を検知出来ずに、アンプを壊してしまったり、ケーブルの特定部分が熱くなって燃えてしまうこともあります。
 PHS の基地局の仕事では、方向性結合器を使って,VSWRが悪くなるのを検出して、アンテナが壊れた場合などにアラームを出す機能があるのですが、ケーブル設置業者にケーブルの長さまでは厳密に指定できないため、あるときアンテナが折れて Open状態になったにもかかわらず、アラームが出ない事態が起きました。
 調べてみるとちょうどこのケーブル長が、反射波の小さくなる周波数と長さだったのです。
 それで、どう解決したかというと非常に単純で、アンテナ端まで繋がっていると電流が流れ、壊れて切り離されるとオープンになるように、直流電流で測るようにした訳です。単純な機能ほどうまく動作するものですね。

2015年12月23日 (水)

10m離れた複数の端末にワイヤレス給電?

10m離れた複数の端末にワイヤレス給電?とは

ケータイWatchの記事ですが、2.4GHz帯をつかって、10m離れた場所に最大1Wの給電ができるそうなのです。この「最大1W」がくせ者ですが、実際は10m 1Wは難しいのでしょう。
 以前、電子レンジのパワー測定の校正機のためのアンプを作ったことがあるのですが、スポットの200W出力でも電源消費量とRF出力の効率は 30%もいきません。200W直接端子出力でも電源は 600W必要です。 まして空中を飛ばすとなると、どんなに優れたアンテナを使っても伝送効率 100% は難しいでしょう。
 仮に 1W を 10mで伝送できるとして、電力伝搬効率は距離に反比例しますので、1mの場所ではその 10倍得られることになります。10cm の場所では 100倍になるはずです。
はたして送信電力はどのくらいかというと、10mで1Wを得るには最低でも 10cm で 100W必要になることが、想像できますし、アンテナ出力はそれ以上必要です。たぶん 200Wは必要でしょう。そうなれば、電子レンジぐらいのパワーを部屋中にまき散らす感じですね。
両方パラボラアンテナを使えばそんなに伝送効率が落ちないかも知れませんが、それはコンパクトな機器に伝送する使用法から考えて無理でしょう。説明の図では多くの機器に伝送できるみたいです。
いずれにせよ 1W伝送にせよ不要輻射や EMIの規格がありますので、結構障害があるのではないかと思われます。 MIMO とかフェイズドアレーアンテナとか、マルチキャリアーでピーク電力を抑えるなど、工夫する技術はあるかと思いますが...ちょっと眉唾に思えませんか?
 KDDIもこんなベンチャーに飛びつくんですね?
はたして実現できるのか...
CESの記事に期待します。

2015年11月26日 (木)

MWE2015に行ってきました

 協力会社の RAD と一緒に「マイクロウェーブ展 2015」に行ってきました。
今年もパシフィコ横浜です。昨日 25日〜27日まで開催しています。
 今年からは一般展示の RAD社ですがけっこう出入り口から近い場所で、パワーアンプ4台を展示しています。
Img_1685
 今年はこれといった目玉がないのか、お客さんは少なめでした。初日だからかも知れませんが、落ち着いていろいろ話を聞くことが出来ました。
 いちばんの情報は Hittite 社が、アナログデバイスに吸収された?ことでしょうか?アナデバのカタログに HMC XXX の良く知ったヒッタイトの型番がありました。他にも CREE 社がLED部門の営業不振から分社して高周波素子部門が名前が変わるようです。
 午後は「マイクロ波増幅器設計の基礎」のセミナーに出席しました。
小信号増幅器ですが、安定係数 k を1以上にする手法で ADS などのシミュレーターを用いて設計するのですが、FETのソース-GND間のビアがインダクタンスになって、負帰還と成り、安定する様子や、さらに高い周波数ではビアのパッドと GND間のコンデンサーが効いて並列共振したりして正帰還になったりするなど、実務でのノウハウも話して頂けました。
 高い CADなのでちょっと中小企業が導入するわけにはいかないですが、シミュレーションのノウハウは大変参考になるかと思います。
今日は参加者は多かったのかな?

2015年7月31日 (金)

「ツェナーダイオードは遅いです」のはなし

「ツェナーダイオードは遅いです」とは

 最近HF帯の Class-E AMPの実験をしていて、とりあえず効率よりは安定性を求めて、ゲートバイアスをゼロボルトにして、RFでON/OFFするようにした回路を実験しています。(下図)
27mecalssamp_2
プッシュプル回路なのですが、片方をONするときは反対側のダイオードが ONになり、FETもOFFになります。この回路でドライブ側が充分なパワーがあるため、ゲート電圧が規格値を超えそうなので、保護にツェナーダイオードを入れたところ、RFのピークでダイオードの定格値 15Vを超えて 18V程度出ているのですが、全体として制限されました。
 そこで、2台目は「同じダイオードだからツェナーだけでいいんじゃないかな」と思って動作させたところ、全然ドライブ出来ません。「おかしいな?ドライバ壊れたかな?」と思って交換してもダメ、ゲート波形を見るとなんだかギザギザで、高調波だけ出ているような感じでした。
 ファイナルも変えてみたり、チップコンが割れたのではとか疑って見たのですが、パワーは相変わらず出ません。「もしや」と思ってショットキーバリアダイオードを付けたら、出るんじゃないですか.....。
 高速スイッチングではやっぱりショットキーバリアダイオードですよね。
ツェナーダイオードは、遅すぎたのですね。
とここまで書いて、また新たなアイデアを見つけました。ツェナーを使わずレベル保護出来たらもっと効率が良くなるかな?

2014年12月11日 (木)

マイクロウエーブ展示会2014に行ってきました

マイクロウエーブ展示会2014に行ってきましたとは

12月10日から12日まで横浜のパシフィコ横浜で開かれている。マイクロウェーブ展示会2014に今日11日RADの皆さんと一緒に行ってきた報告です。
 RADはベンチャー枠での最後の出展ですが、休憩所の近くで静かな場所です。
Mwf2014
 ブースから会場入り口を見た風景です。
中央に見える KEYSIGHT とは、アジレントのことで、測定器関連の社名がちょっと前に変わったそうです。
他にも TriQuint が RF Microdevice と合併してQorvo という会社になるようです。最後の Triquintのカタログをリチャードソンからもらってきました。ここではソリッドステートで 2.45GHzのパワーを出して電子レンジのデモを行っているそうです。2つのアンテナの位相を制御してレンジ内の一部分だけ暖めることも可能だそうです。ただ..値段が高いのが難点だそうです。
 今年はこれといった目玉製品はなく、東芝が急遽出展を取りやめたり、不況の影響かちょっとわくわく感に乏しい展示会のようです。
 そんな中で、耳寄りな情報は MRF のブースで高耐圧 LowESRのセラミックチップコンデンサーが紹介されていました。Passive Plus社というそうですが、ATCとコンパチの 100A タイプや 100Bタイプが安いそうです。おまけに小さいチップにもかかわらず容量をレーザー刻印してあるので、高周波アンプの調整にはいいですね。サンプルが10個ぐらい入ったものが無料でもらえるようです。写真は 100B互換の 1111Pタイプ。Paass
他にはLED放熱ベースに使える熱伝導樹脂や、デバイス関連ではエンベロープ制御RFアンプの測定デモや、Creeのチップをドハティー接続したオリジナルプラスチックモジュールなど、携帯向けの周波数ではバラエティに富んでいました。
 時間が合えばセミナーにも参加したかったですが、ちょっと毎合わずに残念でした。

2014年10月15日 (水)

パレットアンプのはなし

パレットアンプとは

比較的小出力の高周波アンプで、ケースに入っていないで大きなヒートシンクもない状態のほとんど基板とシャーシだけのアンプ。
もちろん価格が安くて自由にケースに組み込めるし、作る方も量産効果があるので、けっこう作られているのかな?と思って検索してみると、たどり着いたのは FM放送帯のアンプでした。なぜか海外は 自由なFM放送って多いのでしょうか?
 基板の写真が大きく載っていたので、しげしげと眺めてみました。基板を構成するテクニックって見ていて楽しい物ですね。
750541658_971
これは 80W 出力のパレットアンプで、入力は1Wで 75MHzから 110MHzまで使えるそうです.価格は $199 なので、安いですね。
よく見るとトランジスタのエミッタ端子近くに3本足のトランジスタが寝かせているようで、熱結合でバイアス電圧の温度変化を補正するためでしょうか?
 出力の白い同軸はコイルでなく普通の伝送ラインのようですが、何かマッチングに関係しているのかは不明です。出力側には茶色の空芯コイルでローパスフィルターを作っているようですね。基板端の部分には方向性結合器がストリップラインで作られています。VSWRなどとあるので、モニターに使うようです。
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次のアンプはなんと1kW出力だそうです。入力3-5Wですが、価格は $1,064とちょっと値が張ります。プッシュプルのデバイスなので、透明な同軸線はトランスを構成しているようですね。最後の茶色の同軸線で平衡(プッシュプル)を 不平衡50Ω に変換します。パワーが大きいので太い線を使っていますね。ちょっと気になるのが、ゲートの太い茶色い線ですが、何かの補正でしょうか?基板はGNDのスルーホールが結構追加してあってネジも多くて、しっかりした作りです。デバイス周辺の穴は大きな放熱板に止めるための穴のようです。
 基板を見ると、開発者の苦労が解る時がありますね。全体的には奇麗な基板構成のものはやっぱり性能がいい場合が多いですね。昔は量産基板の隅にパターン上ちっちゃく自分のイニシャルを書いたりしたこともありました。

2014年9月30日 (火)

AM変調のはなし

AM変調のはなしとは

アマチュア無線などの送信機で、昔は低い周波数(HF帯)は AM 変調が主流でした。そもそも、真空管の時代では、終段の供給電圧(プレート電圧)を加える部分と電源の間にトランスの2次巻き線を繋ぎ、1次側には送信電力と同じくらいのパワーの低周波アンプを繋いで、音声の変調で電源電圧を変化させる方式でした。
 トランジスタの時代でも、終段のコレクタ電圧を音声で変化させてAM変調を行っていました。難点は、送信パワーと同じくらいの低周波アンプがいるので、大出力になると構成が大がかりになることです。 10W ぐらいでしたらいいのですが、100W出力となると、変調アンプも大がかりになります。それで、送信終段のベースなどを変調する方式も出てきました。
Peakamssb 右の図をご覧ください。通常の CW 無変調では高周波レベルは ±V で済んでいたものが、AM変調をかけると最大では±2Vになります。実効値では同じ出力となるので、パワーとしては同じなのですが、送信終段の能力として2倍の電圧を出力出来ないといけないのです。たとえば CW で 4W 50Ω では電圧は RFピークでは 40Vp-p です。このピークが2倍になる 80Vp-p の電力は16W にもなります。
 つまり、ピークで(変調時の終段電圧は通常の2倍になった瞬間ですが)4倍の出力がリニアに出ないと、きちんとした AM変調がかからないということです。調整がわるくてピークが出ない場合は右図上から3番目の黄色い波形になります。これはピーク電力が出ないので、ピークの頭が凹んでしまっています。実効電力としては変調をかけるとパワーが減ってしまう現象となります。いわゆるマイナス変調って状態です。
 一番下はAM変調と同じピークが出る終段の構成での SSB の波形で、ピークでは±2V 出ますので、最大4倍のパワーが最大値ですが、全てピークになる場合は音声が歪んでしまいますので、そこまでは実効パワーは出ません。
 昔の CBトランシーバーでは SSB 12W の機種では AM時には電源電圧を 1/2 に下げて CWで 4W 程度に抑え、変調のピークでも飽和しないように工夫していました。
最近はSSBメインのリニアアンプ方式
 最近の大方のアマチュア無線のセットは、SSBメインですので、ピークパワーで最大出力を規定して、AMでは SSBのキャリアサプレッションをずらしてキャリアを出す状態で1/4以下の出力レベルの CWとし、ピークパワーまで変調するような形で行い、RF出力段はあくまでリニアアンプとして動作させます。
 それでも、トランスでコレクタやプレートに変調かける方式は、トランスで低周波域が程よくカットされるので、抜けの良いAM変調がなにかさわやかだった気がします。SSBの送信フィルターで、高域をカットされないので結構HiFIだったのかも..
 ちなみに私の初QSO は 高1の時、7MHz 6AQ5 ファイナル、6BM8 AM変調でした。受信機も高1中2の自作セット。VFOだけはメーカー製の試験用発振器を使ってました。7MHzフルサイズのダイポールアンテナで埼玉との交信でした...

2014年9月 1日 (月)

TA7310 応用回路追加

Schematics に TA7310の内部回路応用回路を追加しました。
TA7310は東芝製シングルラインの 9ピンアナログICで、かつて開発した FM/AM/SSBの CBトランシーバーに多用しました。今回は VCO 関連と、SSB変調・復調の回路です。
まずは内部構成から
Ta7310p_circ
最初の1〜3ピンは主に発振回路に使われます。1Pinにトランジスタのベースと2Pinにエミッタが出ています。ここでコンデンサーをつけて、コルピッツ発振回路などを構成します。3ピンはその出力に使われますね。4ピンはミキサの入力で、1Pinの発信信号や、入力された信号がC1のコンデンサーで混合されて、6ピンに出てきます。6ピンはlコレクタなので、電源からコイル負荷か、560Ω程度の抵抗負荷で使われます。
そして7ピンは独立した増幅回路の入力で、6ピンと同じような出力形式で8ピンに出力されます。
5ピンはGND9ピンは電源で 9V 程度を使います。発振回路を構成する場合は、インダクターで電源をデカップリングすると良いかと思います。
下記に応用回路を載せます。
上側はVCO 段とPLLICへの出力9Pinに周波数変換するためのミキサー回路です。
下側はSSBのキャリア発振回路を水晶で行っています。実際はダイオードスイッチで AM/USB/LSBの周波数をシフトさせていますが、今回は簡素化のため1周波数のみとしました。
4ピンは受信時には SSBIF (11.273MHz)のIF増幅した信号がコイルを介して入力されます。TX時には送信用の変調信号が入力され、AM To GND 端子を GNDに落とすと、キャリアサプレッションが崩れて AM信号になります。
6Pinからは送信用のSSBRF信号、9ピンからは RX時の音声信号が出力されます。
音声信号を扱う場合には、電源に10uF程度の電解コンデンサーが必要になります。
Ta73102

2014年6月 2日 (月)

LPFのはなし

LPFのはなしとは

LPFは高周波では歪みから出る整数倍の高調波を減らすために低域のみ通す、ロー[Low]パス[Pass]フィルターです。オーディオでもDACなどでクロック周波数による歪みや高域成分を減らすために使われています。
Erlpf 通常の回路は右図のようにπ型5次ローパスフィルタでしたら、コイル2個、コンデンサー3個で、コイルは同じ値で、コンデンサーは中央が2倍の値になるのが最もシンプルなLPFの設計です。
しかしながら、減衰量を多く取るには段数を重ねなければならず、部品が増える上に、ロスも増えてしまいます。 
 そこで少しの部品追加で色々と回路や定数を変えることにより、シャープなフィルターが出来ないかと考え出されたのが、チェビシェフフィルターですが、難点は通過帯域内にリップルというレベル変動が起きてしまうことです。これをどの程度まで許容するかというとこから、リップル許容量を元に設計を行います。
ハード的には
 右の下側は、リップルが帯域内にも帯域外にもあっても良いから、とにかく特定周波数の減衰量を高めたいという趣旨から設計された、エリプティック LPF (元は連立チェビシェフ特性と呼んでいた)の回路です。コイルやコンデンサーの定数がいろいろ違うので面倒ですが、2倍や3倍の高調波を決め打ちで落とすには良い回路です。
 ただ難点も有ります。周波数特性グラフを見れば判りますが、特定領域でシャープに落ちていますが、ずっと高い周波数では逆に減衰量が減っています。これは回路を見ても判るように、本来通過させないで阻止しているコイルにパラレルにコンデンサーが入っており、このコンデンサーとコイルで並列共振して特定周波数である程度の減衰量を得ているので、高域ではコンデンサーが筒抜けになってしますのです。
また、部品によっては、温度変化や容量誤差で周波数がうまく合わずに、希望する2倍や3倍の周波数で減衰量がとれない場合があります。そんなときはコイルを広げたり、コア入りの可変インダクタンスを使ったりして調整する工夫が必要です。
ソフト的には
簡単なフィルター設計には稚拙 iPhone アプリ FIL-Calc
をどうぞ。

PS:もう30年以上前ですが、輸出用CBトランシーバーの設計で、このエリプティック型の LPFを送信出力段に前任の設計者から引き継いで使っていたのですが、なかなか高い周波数でのスプリアスが取れないで苦労した覚えがあります。
しっかりした金属箱で段間までフィルターを囲んだりしてあったのですが、有るとき、他社さんの出力段を見てびっくりほとんどケースらしいケースに入れなくても、ばっちり高域が落ちているんですね。
 見ると普通のLPF で1段多いぐらいでした。おまけにただの空芯コイルで良いし、調整も必要ない。きっとパラに入れていたコンデンサーが逆に悪さしてたんですね。
 現在なら SMD部品など使えばもうちょっと良いかも。

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