クリスタルフィルター設計と製作1

2014.2.15
お気に入りの受信機製作に欠かせないクリスタルフィルターも簡単に自作できないかトライしてみました。
はじめに
　お気に入りの受信機自作にはそれぞれのモードに応じていろいろな帯域幅のフィルター切り替えたいものです。今まではクリスタルフィルターの設計製作 には複雑な理論式と面倒な計算、特性合わせのカット&TRYが必要でなかなか自作にふみきれませんでした。今回Web上に公開されている各種ツールを利用して 理論式抜きで、面倒な特性合わせを簡単にできる設計と製作方法についてまとめてみます。
　左写真は各種フィルターの実験の様子。左の方に容量計(自作)と中央部に電子電圧計のプローブ。

準備するツール
　クリスタルのパラメータ測定用冶具---使用するクリスタルの直列共振(fs)、並列共振周波数(fp)などの測定用
　回路シミュレーター--クリスタルの等価回路(LCR)から特性をシミュレーションします。LCRだけなのでどんなシミュレーターでもOKです、私はCircuit Maker のStudent版(無償)をWindows7にインストールしています。ぜひこの機会にシミュレーターのありがたさを体験してみてください。
フィルターデザインソフト--Webに公開されているAADE Filter Design(フリー)というデザインツールを使用します。
　他に測定器としてSG、シンクロ等の高周波レベル確認用、コンデンサ容量計(自作)、ハイインピーダンスプローブ(自作、無くてもシンクロ10:1プローブでも 何とかなる)。
　左図は自作ツールの回路図。FETプローブはCYTEC HPを参考にしました、オリジナルは2SK125でしたが手持ちの2SK520を使用しました。ハイインピーダンス 特性も重要ですが、出来るだけ小容量の特性が重要です。
実際に設計、製作してみる
STEP1 クリスタルのパラメーター測定と設計
　設計製作例として、次の仕様のクリスタルフィルターを検討します。
　中心周波数7.195MHz、帯域幅4kHz以上(@-6db BW)、使用クリスタルは安価な7.2MHzのクリスタルを使用、最近7.195MHzのクリスタルがサトー電気から出ていますが 今回は7.2MHzを利用して7.195MHz AM QSO用に使用するアンテナフィルターを製作してみます。
　測定冶具で比較的簡単に測定できるパラメーターとして、fs fp、等価直列抵抗(Rs)、他に容量計でクリスタルの電極間容量を測定します。等価直列抵抗測定はfs周波数 で、クリスタルの代わりに抵抗を挿入してRFレベルが同じ値になる抵抗値を求めます。
　得られた値は、fs=7.1986MHz fp=7.2061MHz Rs=11.1Ω　Cp=3〜4p　とします。
次に、フィルターデザインソフトを立ち上げ、DESIGN>Crystal Ladder>Classic>Butterworthを選択していくと、"Crystal Parameter Choises"画面になります。ここで パラメーターの選択として"Cp fp fs Rs known"のボタンを選択し、値を入力します。
　次にフィルターのポール数、BWを入力します。今回は練習もかねて比較的簡単な3ポール、BW=4000とします。バターワースは素子感度も低く再現性がいいので練習用に最適です
　結果、左図の定数が得られます。
STEP2 フィルター特性評価
　次にAnalysボタンで特性確認します。マウスをグラフの中に持っていくとカーソルが表示され、クリックするとそのポイントの周波数とレベルが表示されます。
　グラフをみるとセンター周波数が7.005MHz付近、BWは約2kHzになっています。BW=4kで入力しても実現困難なのかもしれません。BWを広く取ろうとしてエラーが出ます、7MHz付近のクリスタル でBW=4kHzを取るのはチューニング無しでは無理のようです。他にも入出力インピーダンスが大きく使いづらそうなのでもう一度STEP1に戻ってBW=2000、Cp=4pで入力してみます。
　今度は7.1997MHz BW=1.9kHz Zin/Zout=737Ω　コンデンサは42.4pになりました。ほぼ設計条件に近い結果になりましたので、この値をベースにチューニングしていきます。
　　
　　 STEP4 クリスタル等価回路決定
　従来チューニングにはカット&トライで追い込んでいましたが、クリスタルの等価回路をフィルターに応用することで簡単に特性を追い込めました。
　まずシミュレーターソフトを立ち上げ、回路図にクリスタルの等価回路を描きます、左図のC1とL1は不明ですがC1=C3/250と仮定して問題ありません。次にL1に適当な値を調整しながらクリスタルの fsに合わせます。C1とL1の共振でfs C2とL1の共振でfpが決定されます。結果クリスタル等価回路の定数として左図の値になりますが、fsが7.195MHzに対して高いので、クリスタルと直列に"L"を挿入してfsを下げます。Lの値としてVXOの経験上1〜68u程度 にします。
STEP5 フィルターチューニング
　下図にチューニングした定数を示します。直列Lを大きくすると周波数が下がり、C7〜C10を小さくすると周波数が上がりますので必要なBWと中心周波数をみながら追い込みます。R9〜R10はチップコイル の直流抵抗を想定したものですが、ラジアルタイプのコイルはもっと小さな抵抗値で済みます。
　CpはクリスタルのケースをGNDにすることを想定して3pFにしています。経験上ケースをGNDにするとCpが小さくなる傾向です。


STEP6 フィルターシミュレーション特性
　左図にシミュレーション特性を示します。
　中心周波数は7.194MHz BW=7kHz程度になり、ほぼ目標仕様通りになり後は実際に組んでみます。
　　
STEP7 フィルター製作
　左図に実際に製作示します。入出力のC1/L1、C5/L6はインピーダンスマッチ用で50から750Ω、750から50Ωへ変換します。
　製作は基板上に空中配線、ケースはJUNK BOXにあった適当なケースを利用しました。
　　 　　
STEP8 結果特性
　上の写真は実際の特性を示します。左写真は750Ω終端特性、中央写真はインピーダンス変換して50Ω終端の特性。アナログスペアナなので画面がぶれていますが、横軸5kHz/div 縦軸10db/div。グラフは中心 周波数付近の特性。挿入損失は約4.5db　中心周波数がやや高めに偏りましたので、もう少しチューニングした方がいいようですが、組んだままにしては再現性はいいように感じます。
　
実際に聞いてみる
　BC342と組み合わせて、7.195MHz AM QSOをワッチしてみました。２月の夕方、7.199MHzのSSB局のQRMがありますがフィルターを入れるとQRMが緩和されます。また音質低下もあまり感じませんので、帯域幅4kHz 程度がQRMと明瞭度の妥協点になりそうです。
　製作に使用した7.2MHzのクリスタルは少し余剰がありますのでリサイクルパーツにアップしました。
　 　7MHz AM QSOをフィルター有無しで比較ワッチした動画をYOUTUBEにアップしました。
BC342と7.195MHz Antena Filterの組み合わせ(動画 YOUTUBEへ)
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