QRPp運用のための送信用可変アッテネーター
2021年9月14日掲載
背景
年明けにFT8をはじめて、評判通り、非常に多くの局を相手に通信ができることに感動し、春には、こんなに多くの相手がいるなら ぐっとパワーを落としても良いんじゃないかと思い立ちました。
さっそく、出力を10Wに落としたFTdx5000MPに、10dBのパワーアッテネータや20dBや30dBの小分けしたアッテネータをつなぎ、QRPpのレンジ（100mW、10mWまで）までパワーを落として たくさんの方と /QRPpでお相手いただきました。QRPｐには楽しみがあります。
ギリギリまでパワーを落としつつ、そのギリギリさを見極めてちょっとだけ上を行けるように、リアルタイムにパワーをコントロールする楽しみです。 初代6ZP1からはじまり、2代目を経て、3代目ナス管送信機で、500mWから最低1mWまでの範囲でリアルタイムにパワーを制御できる便利なシステムを完成させて楽しんでいました。 7Mの電信、1mWで、数局と交信できた実績があります。ところがFT8で使っているFTdx5000MPではそうはいきません。DX用のメーカー機をQRPp運用に投入しようなどと言うこと自体、 設計のscope外なのでしょうか； ギリギリまでパワーを落とすことはもちろん、その範囲で自由にコントロールすることもできません。
ナス管送信機のQRPp運用の方がスリルがあって、はるかに面白いです！そこでこの限界を突破するために、メーカー製の機械と組み合わせて使う、QRPp送信用の可変アッテネーターを作ってみることにしました。
①ギリギリまでパワーを落とせること、②リアルタイムに自由にパワーをコントロールできるようにすること を狙います。
FT8だと、決められた15秒サイクルごとにパワーを最適化（最小化）できます； 面白そうですね！ターゲット
つまりは、送信用の可変アッテネータを作ります。目標は、
・出力は100μWくらいまで絞れるように。1mWで、電離層まで飛んで、さらにその反射で遠くまで飛んでいった経験があるので、もう一桁下げます。
・入力はFTdx5000の最低である10Wとします。
・間にいくつかのステップ設けたい。経験的には1W⇒500mW⇒350mW⇒200mW⇒100mWというような繰り返しが良い。
とします。そのようなことで、3dB-7dB-10dB-10dB-20dB などと、直列につないだパイ型アッテネータをリレーで切り替えられるようにする構造を考えてみました。
最初の3つは10W入力で使えるような大きな抵抗を使います。後ろの2つは小さなものでOKです。
制御用スイッチの接点数次第ですが、これで、
10W-5W-2W-1W-500mW-200mW-100mW-50mW-20mW-10mW-5mW-2mW-1mW-500μW-200μW-100μW
などと連続可変できるようになります。ポイントは、
・抵抗の入手性
・リレーの選定
・多接点ロータリースイッチ
・全体の作りこみ
あたりでしょうか。アッテネーターの抵抗
アッテネーターの抵抗を計算するサイトはいくつもあります。例えば、
http://gate.ruru.ne.jp/rfdn/Tools/AttForm.asp
など。
計算は自由にできますが、入手できなければ仕方ありませんので、秋月や共立の通販サイトを睨みながら、入手できるもので作ります。10dBを、3dB-7dBと刻んでやると上のような電力構成になって都合がいいですが、 抵抗の入手がどうでしょうか。1/2WのE24系列の抵抗は入手しやすいですが、10W入力で使えるようにするためには、10W近い耐電力の抵抗が必要です。 当然、3Wとか5Wとかのを組み合わせることになりますが、このような抵抗は品種が少ないです。 そのため、「入手可能性」が重要になります。
色々考えて、結局、4dB-6dBで刻むことにしました。
4dB、6dBの組み合わせだと、1W-400mW-250mW-100mW といった繰り返しになります。QRPp的には5を基調とした繰り返し； 3dB、7dBで、1W-500mW-200mW-100mW など の方がキレイですが。
◆4dB: 100Ω3W + 120Ω3W直列 ⇒10Ω2W + 10Ω2W + 1.8Ω1W + 1.8Ω1W直列 ⇒100Ω3W + 120Ω3W直列
◆6dB： 51Ω3W 3直列 ⇒ 75Ω 1W 4パラ の直列 ⇒ 51Ω3W 3直列
◆10dB： 上記、4dB+6dB直列
◆10dB： 4dB（220Ω1W ⇒ 10Ω + 6.8Ω + 6.8Ωの直列 すべて1W ⇒ 220Ω1W） と6dB(150Ω ⇒ 75Ωパラ ⇒ 150Ω すべて1W) の直列
◆20dB： 上記、4dB+4dB+6dB+6dBの直列2Wや3Wの抵抗は酸化金属皮膜抵抗、1Wのものは、普通のカーボン抵抗としました。あとあとも、様々なシーンで便利に使えそうな値です。
リレーの選定
入力10Wに限定するので、小さいもので十分です。秋月で、946H-1C-12Dという 1回路12Vのリレー を選びました。 中華製で、なんと、ひとつ60円！ それでも接点容量が2Aあります； 100Wでも余裕で使えるでしょう。
これを各アッテネータの入出力に配置します。合計10個です。多接点ロータリースイッチ
アッテネータ5つなのでスナップスイッチ5つでも良かったのですが、直観的な操作性をあげるためにはロータリースイッチが必要です。しかし、普通に入手できるロータリースイッチの最大の接点数は11接点です。これでは全然足らないのでどうしたものかと迷いましたが、運よく、ヤフオクに出品されていたオーディオのアッテネーター用用に使う23接点のものを見つけることができました。
しかし問題が3つありました。
・電流容量が不明： リレー1つあたり20mAくらいの電流が流れるので、最大で10個動くと200mA。接点スペックがわからないので、各リレーにトランジスタを入れることにしました。
・回路数が足らない： 5回路あればアッテネータごとに割り当てられますが、2回路しかないので、ダイオードでマトリクスを組んで動かすことにしました。ダイオードが40本ぐらい要ります。
・切り替えが想定より重い。この用途なら何とかなりそうですが、オーディオ用にはうまくなかろうと思いました。。。全体の作りこみ
なるべく手間をかけずに作るため、10cm×15cmのプリント基板の上に部品を並べて作ることにしました。カッターで容易に切れる、薄い1mm厚の基板を何枚も買い込んで使いました。 アッテネータが5つありますが、10Wを直接扱う前半の4dB、6dB、10dBと、1W以下しか扱わない後半の10dB、20dBに別け、それぞれを一枚の基板に作りこみました。都合2枚になりました。
経験的に、段ごとにシールドは必要と思いましたので、適当に基板を切って工作しました。
リレーの制御は、次のようなダイオードマトリックスを組みました。〇で縦軸のアッテネータのリレーを onします。ダイオードは、大量に持っている、1000V 1Aのものを使いました。真空管用ですね。。。
制御用のトランジスタは、リレーの片方の端子を基板にアースしてしまったため、こんな使い方はいけないのではないかななどと思いながら2SA733を使いました。
ダイオードは奇麗に並びましたが、場所を喰いすぎたためにトランジスタの部分はぐじゃぐじゃになってしまいましたhi
束線には、昔懐かしい、モノヒラを使いました。40年ほど前に購入したものですが現役！
これらを、タカチのMB-16-6-25という箱に入れ、下の写真のように組み上げました。 前面にロータリースイッチひとつ、背面に入出力の同軸コネクタと、電源コネクタひとつをつけました。電源は、送信時のみリレーが動作するよう（送信時のみ印加されるよう）、外部でコントロールします。
性能の確認
SWRと減衰量だけは確認しておきたいと思います。
まず、SWRは、アンテナアナライザーで見る限り、どの減衰量にしても、21Mでも x=0でまったく問題ないようでした。
次に減衰量の測定ですが、このレンジで使えそうなパワーメーターとしては、QRP電力計WM-2、中華製ネットワークアナライザもどき、それに、スペアナを持っています。
このうち手軽なのはWM-2ですが、100mWくらいまでは問題なく計れますが、50mW位から下は目盛りの較正から行う必要があります。それより何より、1mW以下では針がまったく振りません。その点スペアナは安心できますが、大きくて重いし、物置の奥に入ってしまっています。そこで、手始めに と割り切って、ネットワークアナライザ「もどき」で確認してみることにしました。冒頭に述べたシステムを作った時以来しばらく使っていないので、まず、動作確認から始める必要がありますけれどhi
信号源は、アンテナアナライザを使うことにしました。
左： スルー。アンテナアナライザの出力は10mW弱、 右： 4dBのアッテネータ。4.2dBくらい落ちているよう。
これをずっと繰り返し、次の結果を得ました。「もどき」が無事動いていて助かりました。精度はともかく、抵抗が切れていて出力が出ていないとか、桁がズレているとか、そういったことはないと確認できたので、まずはこれで十分です。
「もどき」には絶対値や直線性に何の保証もありません。しかし、異なる条件で何度か測定すれば傾向は見えます。ざっくり、4dBのアッテネータと20dBのアッテネータの減衰量が0.2dBとか0.3dBとか大きいように感じました。時間があれば抵抗をトリミングしてみたいと思います。
使ってみた感想
1mWというと、どのメーターもまったく振りません。そのため、そもそもパワーが出ているか確認できませんし、第一、思った通りに送信状態になっているかすら ほとんど確認するすべがありません。そこで、パワー切り替えスイッチの隣に、送信時にのみ点灯する小さなパイロットランプをつけてみました。
逆に、QRPp運用時に親機のパワーを10Wに低減するのを忘れて、200Wフルパワーのまま運用するようなことが何度かありました。当然抵抗が焼け落ちてしまいます（ましたhi）。 今後もこのミスは無くならないだろうと思ったので、入力パワーが一定値を超えるとリレーをスルーに切り替える、オーバードライブプロテクションをつけることにしました。リニヤアンプみたいです。。。
トランジスタは手元にあった2SC945、ダイオードは身元不明のゲルマを使いました。
7Mでしか使わないので7M主体とし、入力が15W位の時にプロテクションがかかるよう5kのボリュームを調整しました。これで、10Mでは12W位で動作するので、10Mでも使えます。14Mは動作電力が10W以下になってしまい都合悪いようでした。もちろん3.5Mは問題ありません。そのようなことなので、検出部は、面倒でなければ、周波数特性を持たないCM結合にした方がよいと思いました。
同時に、焼け落ちてしまった入力側の4dBのアッテネータの構成を変更しました。
抵抗のワッテージについて色々計算してみると、必要な耐力は負荷条件によっても変わってくることがわかりました。 負荷は常に50オームだとすると、4dBのパイ型アッテネーターでは、1つ目と2つ目の抵抗にそれぞれ入力電力の1/4程度の電力消費があることがわかりました。 3つ目の抵抗は1/10程度でした。そこで、間違っても燃えないよう十分に余裕をもって、次のようにしました：
元） 100Ω3W + 120Ω3W ⇒ 10Ω2W + 10Ω2W + 1.8Ω1W + 1.8Ω1W ⇒ 100Ω3W + 120Ω3W
新） 50Ω3W + 50Ω3W + 60Ω3W + 60Ω3W ⇒ 22Ω3W 2パラ + 1.8Ω1W + 22Ω3W 2パラ ⇒ 100Ω3W + 120Ω3W
ざっくり、それぞれ、12W、12W、6Wの耐力のイメージです。この抵抗なら50W入力でも10秒くらいは耐えられるでしょう。オーバーパワープロテクターもつけたので、これで完璧です。
現在のシャック：
経験上、電信でも1mWで交信できることは分かっているので、FT8でさらにその下にトライしましたら、さっそく400μWで数局交信できました。 コンディションにもよりますが、7M FT8で、JR3XUH/QRPPでCQを出していたら、大体1mWか、さらにその下と思ってください！ 100μWではまだできていませんが、いずれにしても、 1kWのスプリアスより弱い電波ですhi
それにしても、不思議です。QRPpの電波が 上空の電離層までたどり着き、さらに反射して戻ってくるからこそ交信できるのです； ローカル局にも捉えてもらえないような電波が、電離層で反射して戻ってくるんです。大切な電波を愛おしんでやりたいという気になりますね。
