7MHz　バンドパスフィルタ

まだ現役?でアクティブに運用していた時代の話ですが、コンテストの同時運用で「カブリ」が気になっていました。常時呼ばれる立場ではないのですが、ワッチ中に隣のリグで送信するとガサガサというノイズ、QSO中の弱い信号はコールやナンバーがコピー出来ず困ります。逆に自分が送信中に隣のオペレータの受信の妨げになっては、CQのランニングも出来ません。

お互いを気にせずに送信したい・・・と、各種フィルタを検討していましたが、古いCQ誌を整理する途中で、バンドパスフィルタの文献を発見しました。かさばる雑誌は整理せざるを得ませんでしたが、気になるところがあり記事のみ切り取って残しておきました。
その後一部パーツを購入・ストックしていましたが、今回不足分を補充出来たので、試作してみました。
出典は以下の通りです。

　　　　CQ誌1989年2月号　技術展望　「HFバンドパスフィルタ」
　　　　　（原文：QST, Sept, 1988、　原著者：K4VX　Lew Gordon、　抄訳：JR1TRE・JE1HPT）

以下、文献を参考に仕様を解説します。
何故カブリが発生するのか？は、以前紹介した同軸フィルタで記したので省略します。
LCフィルタは、特性によって設計仕様が異なります。通過周波数は損失0、通過外周波数は損失が出来る限り大きいことが理想ですが、周波数の境目がぴったり分かれることは不可能で、周波数変化とともに損失が徐々に変化します。また、通過周波数内も損失0とは必ずしもいきません。
代表的なフィルタにバターワースフィルタとチェビシェフフィルタがあります。バターワースは設計・調整が比較的容易ですが、帯域外への周波数変化に対し損失の変化がブロードで、切れは今一歩です。
一方、チェビシェフは通過帯域範囲でわずかな変化のあるロス（リップル）を許容しますが、帯域外へ周波数変化とともに急にロスが増加し、切れの良いフィルタになります。TVIフィルタには最適ですが、帯域内のリップルを抑える調整が難しく、計測器なしでは再現性に難があります。
　今回は通過帯域内でログが少なく、受信である程度効果があれば十分・・・と考えたので、LC各1個を3組用いた3素子のバターワース・バンドパスフィルタとしました。

簡単な構成なので、加工組立後すぐに特性を取りました。いつもの方法ですが、SG（HP 8656B）から信号を入力し、通過出力をスペアナで読み取ります。インピーダンスの乱れを補正するため、入出力に6dBのアッテネータを挿入しました。
ざっと測定して使えそうですが、中心周波数が6.3MHz付近で7MHzよりは低めですし、各LCの共振周波数を測定してもほぼ同様の周波数でした。インダクタンスが設計値よりも1割弱多いようです。
文献では各LCの共振周波数が6.78MHzと低めで設計されており、コア特性のばらつき（原文ではアミドン社）もあり得るので、補正が必要と判断しました。

メーカーデータからインダクタンスを計算してみました。L1・L3は0.57uH、L2は5.75uHとなり、設計値よりも大きくなります。約5%の誤差がありますが、補正のために巻き数を1ターン減らすと、後述しますがL1・L3の誤差がより大きくなります。あくまでもシミュレーション上ですが、共振周波数が約150KHz低下するものの、設計値に対する誤差はコアの問題ではありません。

ここで特性をシミュレート出来ないか？と考えました。ネット検索し、LTspiceというソフト（フリーウェア）が使えそうなので早速ソフトを入手、参考サイトで使用方法をざっと学習してシミュレーションしました。
中心周波数が低いので、周波数を高くするためにはコイルの巻き数を減らしますが、L1、L3は1ターン減らすとインダクタンスが0.57uHから0.47uHへ約2割減少します。中心周波数の上がりすぎに注意する必要があります。L2は同じ割合だけインダクタンスを減らし5.7uH→4.7uHにしました。
　計算上、共振周波数は約1割上昇します。この2種類の回路と特性の違いを以下に示します。

（追記）2012.3.18
下記回路で、電源の信号源インピーダンス50オームを追加しました。
計算上、フィルタのロスが無くても出力電圧は1/2（-6dB）になります。グラフで7MHz付近が0dBでないのは、この理由によります。

左上：オリジナル回路　　右上：修正案の回路
右グラフの「before」はオリジナル回路の特性、「after」は修正案の回路の特性

この結果では、オリジナルでは7.3MHz付近からロスが発生し始めますが、修正回路であれば6.4-8.4MHzまでロスが無いようです。とりあえずトライしてみました。

周波数(MHz)	1.9	3.5	10	14	18	21	24	28
改良前(dB)	-53.0	-29.0	-26.8	-41.0	-47.4	-50.8	-52.8	-53.6
改良後(dB)	-57.1	-34.8	-22.0	-38.6	-47.0	-51.5	-54.8	-57.4

各バンドの損失は右表の通りです。
3.5MHzの損失が約6dB増え、効果が期待できます。コンテストで3.5MHz/7MHzの同時運用は、よくあるケースです。
また、21MHz以上で損失が増加していますが、ハンダ付け位置の変化で各LC間の結合が減ったためと考えます。
帯域外の損失はシミュレーションよりも良好で、定性的に満足のいく結果が得られました。

フィルタ接続前	フィルタ接続後

リグを接続し、送信した評価結果を追加しました。レストアしたFT-901Dとダミーロードの間にフィルタを接続した結果です。
　　X：5MHz/div、　Y：10dB/div
　　F=7.150MHz　　Pi=100W
2倍高調波の14MHzが-40dBから-67dB、3倍高調波の21MHzも-58dBから-66dBに改善されました。
7MHzで送信した場合に近傍リグで14MHzを受信した時のカブリ、逆に近傍リグで14MHzを送信した場合に7MHzを受信した時のカブリ、いずれにも効果は大きいようです。

早速確認を・・・・といきたいところですが、コンテストや複数送信機を用いた運用の機会が現在ありません。フィールドデーコンテストで運用する際に、知人に活用してもらう予定です。
心配なのは、100Wで連続運用した場合にコンデンサがパンクしないか？という点です。出典ではコンデンサの耐圧は600V以上を推奨しています（耐電力は記されていません）が、現在入手可能なディップマイカは500V止まりで、1kV以上は入手不可能と思います。
先日評価したアンテナカップラ（100W）で用いていたディップマイカは500V耐圧でした。マージンはあると思いますが、様子を見ながら利用します。
なお、この回路を2個直列にすればより効果がある、とのことですが、10MHz以外は1個で十分でしょう。

　右はオマケのデータですが、上記1.6-30MHzの通過特性の横軸をリニアスケールからログスケールにした場合です。
通過特性が左右対称になっていることが分かります。
リニアスケールは、目盛りを読みやすくするために採用したのですが、実は特性をグラフ化する際にExcel2002ではログスケールの上限値が10MHzか100MHzしか取れず、途中の30MHz・50MHzは設定不可能でした。
2002で作成後、別のPCのExcel2007で編集したら上限を30MHzに設定出来、グラフ化が可能になりました。
細かな機能改良に気付きましたHi。