No.119 QRPリニアアンプの実験 その2 (2W版)

1.はじめに

No.113では100mWのリニアアンプの実験を行い、実験用アンプとしてまとめました。今回は更に進め、出力2Wとしてみました。「QRPにもFETを!」です。とは言っても、実際には同時期に作ったもので、No.113と同様に元々はJA2NDK松浦さんのブログの回路からの引用です。松浦さん、いつもお世話になります。

もう少し出力を出したかったのですが、測定した結果で2W程度が良いと考えてこのようにしました。QRPとしてこのままファイナルにしてもOKです。更にQROするのであれば、次段にアンプを使用するための実験、測定用のツールとする事もできます。ここでは写真1のように測定用ツールという意味合いを意識して作っています。これはNo.113と全く同じです。

写真1 このような実験用のリニアアンプで、No.113と同じ作り方です。

2.実験

まずは写真2のようにバラックで組み立てて動作チェックをしました。この状態で全ての動作を確認し、回路を決めます。ところが後述のように、ちょっとした失敗がありました。後からの修正は面倒です。この段階で全ての特性を測って、思ったような特性に仕上げなければなりません。いつもの事ですが、意外なところに落とし穴があったりするので簡単ではありません。

写真2 バラックで組み立てて動作チェックをします。

3.回路

図1が回路になります。RD16HHF1を用いたFETのリニアアンプです。No.113と同様に出力に3dBのアッテネータを入れ、負荷がショートやオープンになっても支障がないようにしています。また、入出力インピーダンスのマッチングが取れるように、コイルのタップを調整しています。出力のアッテネータをパスすれば4Wとなります。出力は更に出せますが、後述のように歪を考えて2Wとしています。入出力のコイルは一応7MHzを想定していますので、バンドを変える時にはタップの位置でゲインを調整します。マッチングとしては十分とは思いません。シングルバンドとするのであれば、LCを用いた方が良いと思います。

図1 2W QRPリニアの全回路になります。 （※クリックすると画像が拡大します。）

入力には1,2,4,8,10dBのステップアッテネータを入れています。全てNo.113の目的と同じです。

出力のアッテネータの抵抗は、大きめのW数が必要です。ここでは3Wの金属皮膜を使用しました。4Wの3dBなので、負荷のインピーダンスが50Ωに合っていれば、合計で2Wがアッテネータで熱になります。2Wの配分は、入力側の300Ωで0.67W、18Ωで0.98W、出力側の300Ωで0.33Wが熱になります。従って3Wの抵抗で「楽勝」という計算になりますが、SWRが悪い場合はこのとおりにはなりません。負荷がオープンになると、300Ωで1.52Wと1.35W、ショートになると18Ωで2.85Wとなりますので、注意が必要です。つまり3Wでもほとんど余力はないという計算になり、このような状態での長時間使用はしない方が無難でしょう。

前回書き忘れた事ですが、パワー計はアッテネータの抵抗を使って直流電流の帰路にしています。つまり、アッテネータがないと針が振れません。ダミーがあれば振れますが、アンテナによっては振れない場合がありますし、正常な動きではなくなります。

No.113では電源ONのまま気がつかない事があったので、今回はパワーメータに照明用のLEDを取り付けました。電源が入った事が明確ですので安心です。

4.作成

写真3のように生基板にFETの放熱用の穴を開け、ヒートシンクに固定できるようにしました。配線はFCZトランジスタ基板をカットして使っています。写真4のように回路を組み、この段階で再度動作のチェックをしておきます。出力アッテネータの抵抗はこの時点では1Wを使っており、この後で3Wに変更しています。

写真3 生基板に穴を開けて配線の準備をしたところです。

写真4 組み立てて動作チェックをしているところです。アッテネータ用の抵抗は1Wで、この後で交換しています。

ケースも同じリードのPS-2を使っています。前面パネルの設計も全く同じにしました。異なる部分がヒートシンクです。放熱が必要となるため、裏面パネルに穴をあけてヒートシンクが外気に触れるようにしています。そのため基板は、ヒートシンクの裏面に貼り付けるようにしています。このヒートシンクは、長い間ペンティアムを冷やしていたものです。FANを付ける事も簡単な構造になっています。パソコンと付き合っていますと、このようなジャンクは結構あるのではと思います。ヒートシンクはケースの内側から出す構造にしたため、穴が大きくなり過ぎました。写真5のようにケースのアルミ部分ギリギリですので、このような際どい工作はせずに、FETだけの穴を開けるだけが良かったと思います。基板をケースに入れて、写真6,7のようになりました。

写真5 ケースの穴あけをしたところです。

写真6 基板をケースに入れて配線をしたところです。

写真7 裏からみるとこのようになります。

ところでこのPS-2ですが、最近になって仕様が変わりPSA-2が新しいケースです。寸法等は全く同じで、少し塗装の色が変わりました。

5.調整

調整は半固VRを回し、バイアス電流を0.5Aに設定します。桁違いに多いような気がするのですが0.5Aで間違いありません。従って効率は計算しない方が精神衛生上良さそうです。試しに2信号を入れてスペアナで見ながらこの0.5Aを多少増減させてみました。減らすと歪やすくなり、増やすと歪にくくなります。性能的には多めにした方が良いのは明らかですが、どこまで流して良いのか別に検討しなくてはなりません。とりあえず0.5Aにしてあります。

入出力のコイルはNo.113と同様に、タップを調整して決めています。バンドによってタップの調整ができるような配置にしています。

6.トラブル

最終的な段階で気がついたのですが、使っていた1N60Pでは周波数特性が良くなく、周波数が高くなると表示が下がってしまいました。これは1N60Pというダイオードですが、ゲルマではなくショットキー製の代替品で、1588と同じサイズのものです。仕方なく普通のゲルマにしたところ感度が上がりすぎてしまい、VRで合わせられなくなってしまいました。ダイオードとシリースの3.3kを大きくしたかったのですが、狭すぎて簡単に交換できませんでした。そこで仕方なく、メータとパラに1kVRを追加したという回路です。図1は、そのような「やっつけ仕事」のみっともない回路になってしまいました。実験段階でダイオードと検波出力の関係をもう少しチェックしておく必要性を感じました。今度ダイオードのテスト用冶具でも作ろうかと思います。

7.測定

写真8のように、入力に2信号を入れてテストしました。No.107とNo.112が左端に、No.14が右端に見えています。測定結果1〜7は、出力を30mW〜2Wを3dBずつUPした様子です。

写真8 最終的な測定をしているところです。

測定結果1 30mW出力時です。 （※クリックすると画像が拡大します。）

測定結果2 60mW出力時です。 （※クリックすると画像が拡大します。）

測定結果3 125mW出力時です。 （※クリックすると画像が拡大します。）

測定結果4 250mW出力時です。 （※クリックすると画像が拡大します。）

測定結果5 500mW出力時です。 （※クリックすると画像が拡大します。）

測定結果6 1W出力時です。 （※クリックすると画像が拡大します。）

測定結果7 2W出力時です。 （※クリックすると画像が拡大します。）

3dBアッテネータを入れていますので、実質的にはこの2倍の出力があります。このように、リニアアンプとしては2W程度が目一杯で、これ以上は控えた方が良いでしょう。電圧は本体を12Vと想定して同じとしましたが、15V以上の方が有利です。

FMやCWであれば、まだまだ出せるとは思いますが、FETを使うメリットがありません。このままでは1W以下にした方が良い事はもちろんです。

測定結果8に周波数特性を示します。7MHzでタップを調整したため、この付近でのゲインがピークになっています。入力レベルは-12dBmです。

測定結果8 0〜100MHzの周波数特性です。 （※クリックすると画像が拡大します。）

出力のマッチングについては、シングルバンドとするのであればLCを用いる方が効率的にもIMD的にも良くなるはずです。今度試してみようと思いますが、課題は増えるだけで一向に減りません・・。

なお、ヒートシンクが結構な熱を持つため、12VのFANを付けてみようかと思っているところです。

8.使用感

前回の100mW版ではそうでもなかったのですが、2WになるとトランジスタよりもIMDがずっと良くなっています。トランジスタが悪すぎるのかもしれません。CQ誌の2014年3月〜5月号にトランシーバの記事を書いていますが、リニアアンプはこの方がずっと良かったと思います。もっとも、実験を始めたキッカケはこのトランシーバにありました。

写真9のように実験用のQRPリニアが2台揃いました。これで各種実験が楽にできるようになりましたし、同じ回路でトランシーバに使う事もできます。もう少し出力のあるバージョンがあっても良いかと思いますので、また実験ついでに作ってみようかと・・。

写真9 QRPリニアが2台です。背景のキタナイところは見ないで下さい。