トランジスタ技術 2016年09月号

キーフレーズ

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誰でもキマル / プリント基板道場 バリキャップを個別に調整できれば , アンテナと送信 機 , または受信機とのインピーダンス・マッチングを ー 1 0 広帯域に調整することもできます . っー 1 5 ・目標スペック —20 せつかく安価で小さな広帯域 PLL シンセサイザ IC ー 25 を使っても 3 バンド・フィルタが大きくて高価だと意 味がありません . できるだけ安価で小さく , 十分な性 —30 能をもつフィルタ・モジュール ( フィルタ・バンク ) を ー 35 500 1 000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 作ります . 目標スペックは次のとおりです . 周波数 [MHz] ・通過帯域は 4 開 M ~ 4GHz , 通過ロスは一 5dB 以内 図 2 周波数ごとの要求減衰量は PLL シンセサイサ℃の 3 次高調 波を実測して求めた ・スプリアスは 5 次高調波以下で一 30 dBc 1 GHz なら 3 倍の 3GHz で一 30dB の減衰量が必要 ・基板の材料 FR ー 4 を利用 . 4 層以下 ・占有面積は約 30X30mm PLL シンセサイザ IC の 3 次高調波を実測して要求値 ・基板以外の部品代は 28 円以内 を求めました ( 図 2 ). 3 次の減衰量については周波数によって異なるため , 回路検討 基本波 3 次高調波の範囲 ・少ないバンド数で 3 次高周波を落とす 欲しい減衰量は 30dB 以上 本フィルタ・モジュールを安価で小さく作るにはバ ンド数を減らすことが重要です . そのためには , 1 バ ンドをできるだけ広帯域にします . 一番条件が厳しくなるのが図 3 のバンド内の最低周 波数の 3 次高調波です . 4 開 MHz では 12 GHz になります . 図 3 LPF を使って 3 次高 3 次高調波の範囲 調波を落とすには 1 オクタ 欲しい減衰量は 30dB 以上 ーブずつフィルタ・バンク を並べる Lo バンドのカット周波数を固 定にしたときは , バンク数が 800M 1 .6G 2.4G 3.2G 増えるため回路規模が大きく 周波数 [Hz] (b) Mid バンド・・・高域まで大きな減衰量を得るにはフィルタのバンド数を増やす必要がある なる 基本最の範 3 次高調波の範囲 カットオフ周波数 ( な ) = O. 6G ~ 1 .2GHz 可変 大きな減衰量 が得られる 400M 1 .2G 2.4G 3.6G 周波数 [Hz] (a) LO バンドをカットオフ周波数可変フィルタにするとより高い周波数までカバーできる 基本波の範囲 カットオフ周波数 ( な ) 3 次高調波 MidJ\ ンド の範囲 =2.0GHz 固定 大きな減衰量 が得られる 0 田巴八 k 2.4G 400M 800M 1.2G 周波数 CHz) (a) 通常のフィルタの LO バンド 基本波の範囲 MidJ\ ンド 〔 8 巴八 k 4.8G 〔 8 巴八 k 図 4 Lo バンドだけでもカ ットオフ周波数 ( 可変フ イルタにすれば 1.2GHz 以 下を 1 バンドで作れる Lo : 0.4 G ~ 1 .2 GHz, M id: 1 .2 G 2 .0 G H z , H i : 2 .0 G 4. OGHz と 3 バンドでカバーで きる . 比帯域が大きく取れる ためバンク数が少なくてすむ ンシスタ技術 2016 年 9 月号 2 ℃ G 1 .2G 3.6G 周波数 [Hz] (b) Lo バンドがすれたことにより Mid バンドは帯域が狭くなって要求が楽になった ・・・ 3.6GHz 以上でも大きな減衰量が得られるのでバンド数を減らせられる フィルタ・バンク : 広帯域で高調波を減衰させたいとき , 各周波数帯ごとにフィルタを 切り替えて対応する . この際 , 複数のフィルタ回路をスイッチで切り替えてカットオフ 149 周波数を変える . このような複数のフィルタが集まったものをフィルタ・バンクと呼ぶ

SW 0.01 4 RN731VTE-17 ( ローム ) D7 033 0.01 SW フィルタとしても動作する な可変インダクタ . ノッチ・ バリキャップによる疑似的 0 ℃ 1 4 47k 1 SV323 47k 47k 1 SV323 010 0.01 1SV323 D6 0.01 035 47k 1 k C21 01 1 O. OI D8 C20 1000p D19 1 SV323 47k D3 1 SV323 1 000p RN731VTE-17 5.6nH D9 1 SV323 47k 034 0.01 C23 1000p 1 SV323 D10 5.6nH 5.6nH D20 1 SV323 : D12 1 SV323 ー ( ローム ) 可変範囲拡大 のため , バリ キャップは向 かい合わせに する 図 6 Lo バンドの可変カットオフ周波数 ( な ) フィルタ バリキャップを向い合せにすると容量が小さくなり , 可変範囲も大きくとれる 150 以下の減袞が得られます . こを 3 次高調波に合わせると , 少ない段数で一 30dB 同時に共振点がノッチ・フィルタとして働きます . 共振周波数以上では , 負の値になるため容量性です . として働きます . 変化する範囲があります . これが電圧可変インダクタ す . こうすると , コンデンサ C の値によって誘導性で 列につないで楕円フィルタ ( ノッチ・フィルタ ) にしま そこで図 5 のようにインダクタにバリキャップを並 電圧可変インダクタという部品は存在しません . 同時にインダクタンスも可変できるとよいのですが , 特性を維持できません . とインピーダンスが乱れるため , きれいなカットオフ で容量を制御できます . LPF の容量だけを可変する 可変容量ダイオード ( バリキャップ ) を使えば , 電圧 ・ LO バンドのフィルタ め , 3 次高調波で減衰が一 20 dB 程度あれば十分です . なります . Hi バンドは奇数次スプリアスが小さいた Mid バンドは 1 オクタープを切るため , 減衰は楽に ・ Hi バンド : 2. OG ~ 4. OG Ⅱ z ・ Mid バンド : 12 G ~ 2.0 GHz ・ Lo バンド : 0.4 G ~ 12 GHz ンドを次のように割り振ることができます . を採用します . を 1 オクタープ可変できれば , 各バ 今回は , 図 4 のようなカットオフ周波数可変の LPF きず , 4 バンド必要です . 段でも作れますが , 3 バンドでは 4 GHz までカバーで ノッチ・フィルタを入れた楕円フィルタを使うと , 2 タが 3 段程度必要になり , 回路規模が大きくなります . 12 GHz で減衰量ー 30 dB を満たすには , 兀型フィル カットオフ周波数 ) = 800 MHz, 3 次高調波 オフ周波数はその中間の 800 MHz くらいに置きます . 12 GHz で減衰が一 30 dB 欲しいとすると , カット 乙ど s 乙 1 .5nH 基本波 乙乙 1 .5nH バリキャップとインダクタの並列接続で可 変インダクタ兼ノッチ・フィルタになる ノヾリキャップは 1SV323 ( 東芝 ) パリキャップ竄 F ] と並列インダクタ 可変誘導性インピーダンスが得られる 可変 0 によって共振点以下の周波数で Z = / 1 ー 2 乙 0 CQJ の乙 乙 [ H ] のインピーダンス (a) 回路構成 3 次高調波 に合わせる 5 次高調波 に合わせる カットオフ周波数 ( な ) は可変 ともに可変 周波数 ( な ) と カットオフ 用すると少ないフィルタ段数で大きな減衰が得られる インダクタは電圧制御できる素子がない . 擬似的な可変インダクタを利 インダクタにする 図 5 インダクタにバリキャップを並列につないで疑似的な可変 ノッチ・フィルタにもなる (b) バリキャップとインダクタを並列にすることで 制御電圧 OV : 0 ロロロ国ロー 0 第 : 0000 Ⅳ 00 ーー劇 / OI 0 ロロロ旧ー 0 、ロー影 02 ー : 覧、ロ 000 ロ OI —40 —30 —20 ー 1 0 0 —50 —60 —70 制御電圧 5V 制御電圧 15V 周波数 [GHz] 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1 2 1 .4 1 .6 1 .8 2 22 2.4 2.6 図 7 制御電圧によってカットオフ周波数やノッチ・フィルタが 倍に変化している ( L 。バンドの実測結果 ) 比帯域特性が維持される . インダクタを擬似的に可変できるため , 少な くとも 2 バンド必要なところを 1 バンドで実現できる ンシスタ技術 2016 年 9 月号

誰でもキマル / プリント基板道場 が 20dB 程度あればよいです . 集中定数の回路では困 シャント側のバリキャップやプリント・パターンに 難な周波数帯であるため , プリント・パターンを利用 寄生するインダクタ成分により , さらに高い周波数で したマイクロストリップのフィルタを作ります . ノッチ・フィルタができるため , これを 5 次高調波に 今回はラジアル・スタブ LPF を使いました . この 一致させるよう調整します . 形状はコンデンサを兼ねたスタブ ( メインの配線から 図 6 に Lo バンドのカット周波数可変フィルタの回 枝のように分岐するプリント・パターン ) によるノッ 路を示します . 図 7 は , 図 6 の実測結果です . バリキャップの制御 0 電圧を 0 V, 5 V, 15 V で測定しています . 可変イン ダクタの効果でフィルタ特性が崩れすにカットオフ周 波数が 1 オクタープ変化します . 同時にノッチもほば 同じ比帯域で変化します . ・ M id バンドのフィルタ Mid バンドはカットオフ周波数 ) = 2.0 GHz で 3.6 GHz の減衰が 20 dB もあればよいです . 図 5 のよ うなノッチ・フィルタは必要ありません . この周波数 は , 集中定数の限界が近づいています . 定数以外のパ ターンやビアなどレイアウトの影響も大きいです . インダクタの選択が重要です . 空芯巻き線タイプが Q も高く , 寄生成分も少ないためフィルタに最適です . 今回は KQ シリーズ ( KOA ) を使いました . 図 8 に Mid バンドのフィルタを示します . インダクタとコンデンサ間の 50 Q マイクロストリ ップは , 伝送路部分とは異なり定数の一部です . / 0 = 50Q では , 容量とインダクタがそれぞれ定数に追 加される働きをします . 50 Q より細いときはインダ クタが多く , 太い場合は容量が多く追加されます . シャント・コンデンサの直近に GND べタ ( 塗りつぶ しのプリント・パターン ) を介して複数のビアを置き ます . GND に最短距離で落とすことで寄生インダク タを少なくします . このとき , ほかの GND べタ同士をつながないよう に独立した島にします . こうすることでアイソレーシ ョンが改善され , カットオフ周波数 ( 以上の高域で 大きな減衰特性を得られます . 図 9 に図 8 の実測結果 を示します . ・ Hi バンドのフィルタ カットオフ周波数 ( ) = 4. OGHz で 6.0GHz の減衰 ー 40 巴八 k カットオフ周波数 ( な ) —20 1 2 1 .4 1 .6 1 .8 2 2.2 2.4 2.6 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 周波数 CGHz] 図 9 カットオフ周波数 ( な ) 以上の高域で大きな減衰特性を得ら れる ( Mid バンドの実測結果 ) 図 10 カットオフ周波数 ( お = 4GHz は集中定数の回路で作る のは難しいためプリント・バターンを利用したラジアル・スタ ブの LPF とした 本形状はコンテンサを兼ねたスタブによるノッチ特性をプロードにする 効果がある . Hi バンドは分周出力ではないため減衰は少なくても問題 ない . 扇形の長さ 4 mm, 角度 20 。 , 接続部 0.5 mm 0 ー 1 0 —20 カットオフ周波数 ( な ) —30 乙 6 3.9nH 3.9nH O O C61 C59 フィルタには巻き線式コイルを利用する 図 8 M id バンドのフィルタ 単純な型フィルタ 2 段で構成している . 2 ~ 3GHz の周波数になると集中定数の回路だけでは 表現できない . プリント基板のレイアウトの影響が 大きい 6 4 5 8 0 周波数 [ GH 幻 図 1 1 図 10 はスタブの一種なのでノッチ特性がある ( シミュ レーション ) 本特性を利用すると減衰特性をコントロ 電磁界シミュレータの結果 . ールできる 9 7 3 2 1 151 ンシスタ技術 2016 年 9 月号