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移動用VHF/F八無線機のトランジスタ化
OntheTransistorizationofVHF/FMRadioEquipment
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容
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最近高周波用トランジスタの発達によりVHF/FM無線機のトランジスタ化が実現可能となったが,これに 伴うトランジスタ化の諸問題について述べ,さらにこのほど製品化した60,150McトランジスタFM移動無 線機の概要について紹介Lた｡ 第1表 受信部消費電力比較表1.緒
最近高周波トランジスタの開発が急速に進み,雑音指数が比較的 小さく,かつ 断周波数の高いいわゆるVHF用高周波トラソジス タが次第に製品化されるに至った｡これに伴い,これらのトランジ スタを移動用VHF/FM無線機に使用することにより,従 の頁空 管式に見られない数々の利点を期待することができる｡すなわち (1)大幅な小形軽量化を図ることにより,比較的小形乗用車に も積載可能となり,かつわずかな空間を利用して据付けることが できる｡ (2)従来の真空管式に比較して,著Lく消費電力の減少がHj■能 となり,無線機用蓄電池を特に設揖することが不要となるり (3)真空管1ロータリコンバータなど定期的に取替を必要とし た部品が大幅になくなるため,昧守 を節減できるなど｡ 一方,これらVHF/FM無線機のトランジスタ化には前述の利点 とともに,温度特性,許容電力限界などトランジスタの特性に付随 した多くの技術的問題点が存在する｡ 最近,日立製作所は60,150Mc用トランジスタFM無線機を完 成したので,ここにトラソジスタ化に伴う諸問題について述べ,あ わせてトランジスタFM無線機の概要を紹介して大力のご参考に供 したいと思う｡なお以下に紹介するトランジスタ無線機は昭和36年 4月電波法に基く郵政省型式検定に合格したものである.〕2･トランジスタ化の諸問題
2･1VHF/…無線機トランジスタ化の範囲 高周波トランジスタの開発によりVHF/′FM無線機のトランジス タ化が可能になったことほすでに述べたとおりであるが,まだ送右 部に使用できるような大出力高周波トランジスタの るには至っていない｡このため現在では,受信部, よび送 化の例を見 部の全部お 部の一部をトランジスタ化するにとどまるが,いずれ送信 用トランジスタが製品化され,全トランジスタ化VHF/′FM無線機 が完成する日も遠い将来ではないと思われる｡ しかしながら,従来のプレストーク移動無線機の使用実 見ても一日平均の送受稼動比率が,受信10に対し が多く,受信時あるいは待受時の消 例から 信1以下の場合 電力により大半の消費 力が 決まるといっても過言ではないので,たとえ送信部が全トラソジス タ化されるに至らぬ現在でも,電力消費の面からは大きな する｡ 2.2 消費電力の問題 意 トランジスタ化による消費電力節減の問題を受信部および電 に分けて述べることとする｡ (1)受 信 部 150Mc FM無線機につき真空管式の場合(1)とトラソジスタ式 * 日立製作所戸塚工場 ＼､--､-＼-_＼__ 種 別 項 目 ＼＼＼ トラソジスタ用 全所紫電力 ミ)出細君玉出腫 垂鰍要仙 華貼 ノ硯7♂〝 ∬J〟 ♂ ∼〝 真 空 管 式 (SEMlO4二) 27W〔6V,4.5A) 30W(250V,120mA〉 57W ト ラ ソジスタ式 (SEMlOllA) 3.6W し12V,300mA1 3.6W /♂β プ〝 高圧角荷電議=五射 第1lヌ11 )Cl)Cコソ/ミー㌢動作特件 〓∴γ岬〓‖高㌫ の場合の消要電力を比較すると第1表のようになる｡すなわちト ランジスタ式の場合は定届圧回路を自蔵しているにもかかわら ず,真空管式のわずか6.3%にすぎない｡また,トランジスタ式 の場合は送信時にも受信部のヒータ点火は不要であるので,送信 時において約27Wの電力節減になる｡ (.2) 電 源 部 電源部は低周波大出カトランジスタの製品化により電気的DC-DCコンバータの実現が可能となった｡飽和磁心を用いたDC-DC コンバータが高能率両流変換を行うことはすでに数多く報告され ているが(2ト(4),従来ロータリ･コンバータの変換能率45∼55%に 比べ,70∼80%の高能率が得られる｡動作特性の一例を弟l図に 示す｡ 以上,受信乱 電源部および送信部の一部のトランジスタ化によ り後掲弟2表に示すように従来の真空管式に比較して著しく所要電 力が減少するとともに,これに伴うきょう体内発熱量の低下は装置 小形化の一助となっている｡ 2.3 トランジスタの勲的破壊 すでに述べたように,トランジスタは電力消費がきわめめ少なく, 自己発熱によるきょう体内温度上昇はほとんど問題にならないが,移
動 川 VHF/′FM無
線
機
詐プ中間国政増幅詣 ‥l ‥ ●/ト
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｢ノ､ルV→{J→ 読靴鮎 ∼〔醐増幅
胡2l冥11軒雁阻度補甘=‖1路動作諸州掴l 接合部許容最｢甜.封豊にはおのずからl限度があり,ゲル Jニウムトラ ンジスタの場合85＼1000Cのものが多いし､一方j一恒軌跡勘助無線の場 合少なくともJ別田.旧法-10へ+500Cの抱囲について考慮する必要が あるので,l珂路的にも細心の注意を払う必要があるし｡このためじ=､` に述べるような考慮のもとに設計されている｡ (1)トランジスタはバイアスに注意し,できるだけ低電力で動 作せしめて接合部氾度を低く保つよう留意した｡ (2)熱的回路安定度をできるだけ高く取った(次項参照)｢､ (3)受信部甘発熱量の大半を占める送信部と切離し,弟9図に 示すように受信,制御部と送信,ノ 淋部との分離構造とした (4)電源部トランジスタは温度分布の最も低いきょう体放下面 に配持した｡ 2.4 トランジスタの温度特性 FM受信機はある定められた範囲の利得配分および動作点におい てはじめて感度,二信号特性など所要の特性が満足される(5)｡した がって周囲混度一10∼+500Cの範囲において,温度によるトランジ スタ定数の変化がこれら諸特性に及ぼす影響はきわめて大きい｡こ のトランジスタ定数の温度依存性のおもなものl･こついて述べる｡ (1)ん)の温度特性 周知のようにコレク タ ん0は温度により指数関数的に 増加するが,これによる動作コレクタ電流の温度依存度は回路条 件より定めることができる(4)｡これを下記のように安定度Sによ して, S= ∂ん ∂ん, 両統動作点の安定度を示すrl安としているれ このぶの仙を3 以下に選び,一応の動作安定を図ることはできるし Lかしなから さらに受信感度などに両棲大きな影響を及ぼすと思われる高周波 増幅部,第1中間周波増幅部などには,弟2図に示すようにサン プリング･トランジスタの温度によるエミッタ電流の変化』J｡(竺 ｣J√･)を検出増幅Lて,各増幅段のバイアス電圧に相加することに より1什流動作の温度補供を行った｡これによる特性改善の一例ほ 弟3図に示すとおりである｡ (2)動作パラメ･一タの温度 以l二のように直流的な温度補償によりコレクタ電流をノ女定化せ Lめた後でも,温度によりなお動作パラメータは変化する｡高周 波増幅部のようにベース接地で使用Lた場合,これら動作/ミラメ ータのうちベース広がり択抗γ抽′の温度変化による増幅利得変化 が特に大きい｡ この広カ=)抵抗γムむ′(6)は γ′′/ノ竺〝わ〔1′′ノ8汀紺0+1/′(27r紺1)×㍍.(γ2/′γ1)+1/(2打紺2)×ん(γ3.′′γ2)〕 ′川:ベース部比祇抗 び0,抄1,紺ご,紺3,γ1,γ2,γ3:電極寸法 (2) としてホされるが,J柏は正の軋度係数を持つために高引山こおいて の ト ラ ン ジ ス タ 化 講. 御 世■ 紳 へ＼∴川H へ屯や一肝≡肘宗翠 2201 ご〝 イ♂ 閲 闘 志 度(℃) 第31gl直流温度補償回路特性改善例 高岡波増幅器C-｣
二
二
第4岡 受信部高岡披温度補償回路 ､ 〟 〃♂ ∬ 周 囲 温 度(℃ノ ∴､ 第5J又1高周波温度補償回路による特性改善例 負帰還が増加し,利得が低 Fすることになる｡したがって弟4図 に示すように高周波部のベースに直列に負の温度係数を持つサー ミスタを入れ利得温度補償せ行った｡これによる特性改善の一例 を第5図に示す｡ 2.5 過入力によるトランジスタの破壊 移動局が基地局アンテナに接近した場合あるいほ移動局相互に近 接して送信した場合などに,受信高周波入力部に0.2V以上の高周 波電圧が 起され,初段増幅器のトランジスタが劣化あるいは破壊 するに至ることがある｡このため受信部初段増幅器の入力例に入力SEM2504A,B HT15)LM25D4-3 使用温度範囲 l出 力 ! 扇洩数許容偏 .差 i最大周波数福 運 移 ひ ■ず:ム 率 痩脊振幅 愛東 貪車型___ _ 変 調 入 力 褒詞人力† ブ ビトーダン ス SノノN 比 ス ゾリ ア ス 由 ウイ1ビニ ダンス 努 i 有畜画面 数安定度 帯 域 幅 l選 択 慶
安r雷熟那抑
相 打:変調感度 感度抑圧効果 云す元字面垂 範囲 受信周波数特 性 148∼162Mc ー10∼+5〔IqC 10W O.002%以下 ±12kc O.3kc二10.5士3dB 3kc +6±3dB lkc 70%変調 -20dB以 卜 5% 以▼ト ー4-l_3dB 40n ±20% 40dB以l二 高城舜 両面戻]二 帯域内80dB以.仁 0.002‰■以内 24kc以卜 80dB以卜 6dB/∼VH卜 -80d上i以卜 65dB/∠Ⅴ以上 80dB/∠Ⅴ以上 OdB以 卜 1Wにて -20dB以 卜 148､162Mc -10∼+5:ドC. 5W O.002%以卜 ±12kc 3kc +6こヒ3dB ll【C ラ百雷憂顔 -20dB以下 5%以 ド ー4士3dB 40dB 以.l∴ 148∼162Mc -10∼+5)OC 10W O.002%以下 士12kc 3kc +6二卜3dB l五 70%変調 -20dB以卜 5写11下 -4±3dIう 40n･二土20% 4(1dB目上 148＼162Mc -1(ト+51C 25W O.002.9古山卜 十12kc 3kc-10.5_t3dB 3kc 十6_≡-3dB f長さ 70%変調 -20dB以卜 5%以ト ー4ニヒ3dB 40n ±20% 40dB しし卜 以以 BB .コd こJハU 68 外山‥ 域域 滞常 以以 BB dd 50 6(■0 外･円 成城 繚帯 以以 BB 鎚Od CUOO 外内 城域 帯帯 50rl u.002%以内 24kc以仁 80dB以上 6dB/JV以 卜 --80dI‡以F 65dB/JV以上 80dB.･上Ⅴ以上 10∼20dB QSレベル 0.3kc +6士3dB 3kc -8±3dB 600n 5りn 0.002%｣沈匪 24kc 以卜 80dIi以｣∴ 6dB/上Ⅴ以卜 80dB以F 65dB一(JV以上 80dB/JV以上 10∼20dB __q阜_ビゴそヒ 0.3kc +6士3dB 3kc -8±3dB 出力0.5W -20dB以 5〕!) 0.002ち 以ノ〕 24kc以_1∴ RndTミ以⊥ 6dB/`V以下 一一80dIう以ト 65dB."Ⅴ以⊥ 80dB/`Ⅴ以L 10∼20dB QSレべ′L 0.3kc +6±3dB 3kc -8±3dB 出力0.5W -20dB以 F 600∫l 200×260×130 制限用ダイオ〉ドを付し,過入力によるトランジスタの破 SEMC56A,B HT60LM5D2-3 HT60LM5D2-2 54､68Mc -10＼+5γC 5W O.002タ占以卜 ±10kc 0.3kc-10.5土3dB 3kc +6±3dB lkc｢7す兎愛由 一20dBl'上下 5%以 下 -4ニヒ3dB 40r2 士20% 40dB 以l二 以以 BB dd 50 己U n八じ 外内 成城 辟帯 5こIn 0.nO2%以内 24kc以仁 汚OdB以仁 6dtう.′!Ⅴ以下 --80dBl'い■ 65dB.′JV以l二 80dB/∠Vl⊥1二 10へノ2百d白 QSレベル 0.3kc +6士3dB 3kc -8士3dB 出力0.5W 【20dB以下 250×250×105 250×360×200 した｡脚時に二川ナるこのダイオ【ドのそう入損ク三ほ().5dBlソ､■ドとな っている｡ 2.d スケルチ回路 従来の真空管式においては,スケルチ制御電丑として数Ⅴ∼十数 Ⅴ條用することができ,電子管リレーによっても実川しうる程度の 切れの良さが得られたが,トランジスタにおいては,制御電圧とし て1∼2V程度し′か利用できず,同様の回路を用いるとスケルチ動 作が受信入力変化に対して緩漫となり実川的でない∪ このため葬る 図に示すように,スケルチ回路に一安定形マルチト i 】路を採用し,ス ケルチ動作を急しゅんならしめ,かつそのスケルチ動作特性の履歴 現象を利用して,スレスホールド入力付近の電界変動に対し安定な 動作をなさしめている｡3.日立トランジスタFM無線機の概要
すでに日立製作所としてはSEM-1013A形などトランジスタFM 無線機を矧■llIl化し実用に供Lたが,さらに第2表に示すような60 および150Mcの5,1り,25W移動用無線電話装置むこの十干.ど新た に完成した｡以 Fこれらの新製品の概要について述べる.J 250×250×1C5 200×260×130 スケルテ レてル調整 ･-"･･ SEMlO12A,B HT60ⅠノMlOD2-3 HT60LMlOD2-2 51､68Mc -10∼+5()JC SEM25〇5A,B H 干6百亡血25翫 HT60LM25D2-2 51へ68Mc 一10∼一十5ClOC 10W 1 0.002プ左以下 二tlOkc O.3kc-10,5土3dB■0 3kc +6二亡3dB! 5%以下 -4士3dB 40rと ±20% 40dB以卜 ーー∧-▼-∧ 上■上. BB dd 5ハU ハhUQU 5Dn 0.002%｣J内 24kc以上 只OdB‖巨 6dfミ.･′Ⅴ以ト■ -80dB以下 65dB/′Ⅴ以仁 80dB一〃Ⅴ以_卜 10∼20dB QSレベル 出力0.5W --20dB以下 5こ〉凸 ⅤⅤⅤⅤ一ⅤV 1224■1224■1224 250×250×105 200×260×130 25W O.002%以｢ 十10kc 3kc-10.5ナ_3dB 3kc 十6±3dB lkc 70%変調 -20dB以 卜 5%以 卜 ---4]二3dB 40n 士20% 40dBlよ_.卜 Lトトl 以以 BB 弱nd 点U8 外内 戚域 折田酔何 50n n.002%以lノ1 24kc以l∴ 80dB以上 6dB一〃Ⅴ以下 80dB以下 65dB〃Ⅴ以上 80dB/JV以上 QSレベル 0.3kc +6士3dB 3kc -8士3dB 出力0.5W -20dB以下 0.002%以 卜 0.002% 以卜 20kc以卜 ±25kc にて 70dBlよ_J∴ 6dB/上Vllト■ 】牒OdB以F 85dB/(Ⅴ以上 80dB/fV以上 ー20dB以下 12V O.95A 24V O.45A 12V 2.9A 24V l.5A 12V lO.9A 24V 5.2A 250×25二lxl()5 250×360×200 スケルチ詞定レてルー1亘亘垂]
甘-61Xlス ケ ル チ 動 作. 混+別l¥l 本機は構造上特に卜記の諸ノ如こ留意して設計されているり (1)小形軽竜化を図りできるだけ多くの中種に積載可能な寸法移
動 用VHF/FM
無
線
機
の ト ラ ン ジ ス タ化
220ニi しa､ノ ー 般 の 場 第7図 SEM-055A,SEM-1011A形150Mc5/10W FM無線機の自動車取付状況(その1) 第8図 SEM-055A,SEMLlOllA形150Mc5/10W FM無線機の自動車取付状況(その2) 第9図 SEM--055A,SEM--1011A形150Mc5/10W FM無線機外観lヌl とした｢-ユ (2)分離構造を採用して,受信,制御部は自動車ダッシュ板に つり Fげ,送信電源部は座席 Fあるいはトランクに収容できるよ うにLた〔,したがって長時間送信Lても,きょう体内温度_ヒ昇に よる受信部性能劣化は全然見られない｡弟7,8図に実際の取付 例を示すし, (3)受信,制御部の寸法ほ,鮎に自動中二運転操作に支障のない よう考慮Lて決められている′､ (4)選択呼出装置が容易に付加できる｡J (5)受信,制御部前面に送信出力,受信人力のチェック端-ナを け,自動車に装着のまま日常の保′羊点検ができるようにした｡】 (b)選択呼出方式の場合 第10図 トランジスタVHF/FM装匿系統図 空中躁■■恒 --.-､-貿信楔■明 ミニrn玉…-轡 JF増幅/βど β.仁増幅 ばβイ〟Z 川 r′ノ 電力増幅 Z逓信 プ逓信J逓信 プ逓倍 変調 発振些￠一持予知
第11図 SEM-055A,SEM-1011A形150Mc5/10W FM無線機送信部系統図 〃 ∠♂ 同園温度(℃ノ J♂ イ♂ 第12担1送信臥,出力,周波数の温度特件 Fさ＼戒､q一]†崩痛鴬恥㈹十禦 本機の外観図を弟9図にホす√. 3.2 性 能 本機は弟2表に示すように電波法無線設備規則に宗全に合致L, 型式検定合格後続々量産されており,従来の真空管式FM無線機と 以__1二の性能を有しているし)装置系統図を第10図に示す′ノ (1)送 信 部 弟11図に系統図の一例を示すように,低周波増幅部むトラン ジスタ化し,高周波部は真空管を使用している｡試験結果の として送信出力,周波数の温度安達度特性を第】2図に,電 圧安定度特性を弟13図に示す｡ (2)受 信 部 ･例 受信部は弟】4図の系統図に示すように全トランジスタ化され2204 昭和36年12月 ≦〓べ 羽三甲 瑚
F§-､ぎ勺し山†体感褒一世川ナ轡
ミ艮<篭頴雪専一ぜや塑猷 第】3図 送信都LLl力,周波数の電源電圧安定度特件 ∴:･､.､､･･㌧.･ 評 第43 第12 号 -.･ .∵ 周囲温度(℃】 第15図 受信部受信感度温度特件 陥 第14怪1SEM O55A,SEM-1011A形150Mc5.■10W FM塵線機受信部系統lズl ており,回路的にはすでに述べたように,(i)温度補償回路, (ii)特殊スケルチ回路,(iii)過入力制限回路などを用いで性能 の改善を因ってあるc.さらに150Mc帯も60Mc帯も共通ブロッ クによる回路標準化を行い,さらに高周波部を除きプリント配線 を採用して量産による性能の安定化を期している｡試験結果の-{ 例として受信感度の温度安定度を第15図に,同じく電源電比安 定度を第1d図に示した｡さらに2信号選択度特性を弟17図に示 す｡ (3)電 源 部 電源部はトランジスタを用いたDC-DCコンパー射･_了】路を用い, 下記の注意を払って設計してある(二, (i)(±)接地,いずれも簡単な切替操rFにより使用できるィー. (ii)12V用,24V用は互に互換性を有し,電源部を入れ梓え る簡単な操作で使用できる｡ (iii)できるだけ高能率化を図り,変換損失による電力消費の 隠れ 電源部温度_上昇を防いだ二! 4.結 言 以上VHF.ノ･FM無線機のトランジスタ化にあたり南面する問題に ついて述べ,あわせて日立トランジスタFM無線機の概要について 庄(H 第16岡 受信部受信感度電源電圧安定度特性 しbl感度低下 即 〃 ー〟 一郎 一∬ -2♂ ､一〟 ね び A7 1紺 ▲好 第17図 受信部二信号選択度特性 66.2dB 66.OdB 紹介したカ＼l-ト トトランジスタの発達と小形部品の開発はまさに日 進月歩の状態iこあるので,これとあいまってわれわれはさらに一段 と高性能と′j､形化とを目標に努力を続けたい所存である｡ 終りに今1L｣の開発にあたり,ご指 感謝の意を表する｡. (1) (2) (3) (4) をいただいた関係各位に深く 参 鳶 文 献 野淋,鈴木:日立評論 別冊27,83(昭3311) Stanley Schenkerman:Electronics,78(Sept.1958)George C.Urhrin:IRE Correspondence261(Feb.1956)
Richard F.Shea:Transistor Circuit Engineering 422 (1957) 今西,鈴木: 阿部ほか3名 Vol.22 日 立
