３極管自励コンバータの検討　　　　　　　　　　　　　　最新改定　2018.Aug.13　JH3FJA

　数本の真空管で構成する受信機の設計・製作は 随所に色々な工夫代があって デバイス機能に縛られた設計とは異なる楽しさがあります。 ここでは 構成要素の中に周波数変換を含めようとした際に利用できる 「３極管１つで実現する自励周波数変換回路」 を検討したものです。 例によって基本的なところは温故知新から出発です。

１． ９６式空３号受信機

　横浜旧軍無線通信資料館の館長より 旧日本軍９６式空３号無線電信機の３極管コンバータの回路図を教えて戴きました。 適用されている真空管は３７Ａ 検波増幅用の傍熱３極管で ｇｍが１１００（μS）、μが９．２ です。

これが戴いた回路図です。 　９６式空３号無線電信機の受信機部は、長波受信範囲が３００〜５００Ｋｃ、構成は ２-Ｖ-２ オートダイン。 短波受信範囲は５〜１０Mｃ、その構成は長波受信系の ２-Ｖ-２ の前段に５極管高周波増幅１段と ３極管自励コンバータを付加する形態の 高１中２スーパヘテロダイン受信系 （トータル８球） となっています。 　図の左上から空中線入力、同上方の切替え回路が この長波受信と短波受信の構成切替えスイッチです。 　図中央の３極管自励コンバータ部分を見てみると 再生付きグリッド検波回路そのものを発振域で使いグリッド検波の非線形域で受信信号を注入し変換するようです。

２． Wireless World誌 １９３３年のコンバータ回路

　９６式３号での回路特徴（グリッド検波 論理積 周波数コンバータ）をキーワードとして古い関連誌を検索してみると Wireless World誌 １９３３年５月号 （サイズ154KB） にラジオに付加し短波放送を聞く単球コンバータの記事がありました。これは ９６式空３号の自励３極管コンバータと同じやり方です。 更には単球構成か否かは別として右２つのような付加短波コンバータ商品の販売広告が１９３０年から頻繁に掲載されています。 ９６式空３号は真珠湾攻撃のまさにトラトラトラの発信元機材ですから１９４１年には共用にあり、同じ方式が１９３３年の一般誌に登場していますから この方式の短波コンバータは当時 一般的なものの１つであったと想像できます。
３． 再生発振グリッド混合方式のシミュレーション

　１．や ２．スタイルの方式名が見当たらないので 「再生発振グリッド混合」 と呼んでおきます。 再生は発振に至らない領域を指すので何やら文句がつきそうですが･･･）。 以下にシミュレーション回路モデルと諸結果を示します。 モデルは実際的な製作を加味し６Ｕ８（昔の真空管テレビではポピュラーな５極３極複合管）の３極管部を使った８０ｍバンドのコンバータとしています。 主に眺めるのは変換出力（複同調回路の２次側） と ＲＦ信号入力点（信号源５０オームの右側）です。 前者では変換利得と出力のスペクトル（の綺麗さ汚さ）、後者では発振成分・ＩＦ成分の漏れ量の程度に着目します。

＜ＩＦ周波数：５６ＫＨｚ＞

			回路モデル
			変換出力の波形
			変換出力の周波数スペクトル
			信号入力点の周波数スペクトル

　変換利得は１５ｄB強、入力点での局発成分漏れは-４０ｄＢほど、ＩＦ成分漏れは-８０ｄＢほどです。

＜ＩＦ周波数：１７８ＫＨｚ＞

　１７８ＫＨｚは ＲＦ入力周波数の５０分の１ほどにあたる周波数です。

			回路モデル
			変換出力の波形
			変換出力の周波数スペクトル
			信号入力点の周波数スペクトル

　変換利得は１５ｄBほど採れてはいますが、ＩＦ周波数５６ＫＨｚのケースに比べ時間領域波形でのＡＦ信号包絡線の歪も増え、また入力点での局発成分漏れも-３５ｄＢ、ＩＦ成分漏れ-７０ｄＢ程度と悪化しています。


４． ＲＣＡ社 ＡＲ-８１２型ラジオ

　ＲＣＡ　ＡＲ-８１２は Ａｒｍｓｔｒｏｎｇ と その助手 Ｈａｒｒｙ Ｈｏｃｋ が 世界初の商品としてのスーパヘテロダインラジオ（１９１８年発表、Ａｒｍｓｔｒｏｎｇが開発、８球構成）を改良し ＲＦ増幅＋フレックスＩＦ増幅段 の付加、周波数変換の自励コンバータ化（以前は単独発振回路を持つ他励コンバータ） 等を行い１９２２年に発表した第２弾のスーパヘテロダインラジオ（６球構成）なんだそうです （下にブロック図）。 なお、今注目するＡＲ-８１２の３極管自励コンバータ部は局発の第２高調波を混合に利用していますが これは局発リークの外部影響を最小化するよう助手の Ｈａｒｒｙ Ｈｏｃｋが工夫したものだそうです。

			ＡＲ８１２ ブロック図

＜ ＡＲ-８１２　３極管コンバータ部のシミュレーション ＞

　第２高調波との混合という複雑問題にＳＰＩＣＥ系真空管モデルがどれだけ耐え得るか不明のままやってみました。 ＩＦ出力取り出しは実回路通り１次側（プレート側）同調・２次側インピーダンスは高めの非同調 にしてあります。

			回路モデル
			変換出力の周波数スペクトル
			信号入力点の周波数スペクトル

　第２高調波だけを都合良いレベルで発振させることは出来ませんのでどうしても高調波リッチな発振となり 得られる中間周波成分も綺麗とは言えないスペクトルです。 変換利得も０ｄＢと入力レベルとコンパラです。 もしかしたらＩＦ出力のインダクタンスタンスがもっともっと大きく（アンテナ同調回路にパラに入っても支障がないほどだから）採ってあるのかも知れませんが、それでも変換利得は数ｄＢ程度です。 入力への局発成分漏れは原発振（２分の１ローカル）が−５５ｄＢ、原発振の２倍周波数（ローカル相当）が−２５ｄＢと大き目です。
　このコンバータ回路のシミュレーションはやるほどに何か模擬に落ち度がありそうで 本物のＡＲ-８１２で解明したくなるばかりです。


５． ＡＴＷＡＴＥＲ ＫＥＮＴ社７５６型ラジオ

　ローカルのＯＭから教えて戴いた１９３０年代のスーパヘテロダインラジオ ATWATER KENT社 Ｍｏｄｅｌ ７５６の４極管自励コンバータです。 下図が高周波増幅と自励コンバータ部の回路です。 適用されている真空管は「３６」 検波電圧増幅用の傍熱４極管で ｇｍが８５０（μS）、μが４７０ です。
　なお、全体回路図は ATWATER KENT Ｍｏｄｅｌ ７５６ で見ることが出来ます。

　トランスＴ３の１-２巻線から５-６巻線を帰還パスとするプレート・カソード結合による発振ですが、局発相当周波数の共振回路がＭ結合で独立しており プレート側コイルとカソード側コイルの間にこの共振回路を介在させ前２者のコイル間の直接結合を疎に採って目的外発振の周波数を高めてあるようです。




＜ ATWATER KENT社７５６型コンバータのシミュレーション ＞

			回路モデル
			変換出力の周波数スペクトル
			信号入力点の周波数スペクトル

　変換利得は１５ｄＢほど、入力への局発成分およびＩＦ成分の漏れは皆無に等しいですが ２０ＭＨｚと１５０ＭＨｚに寄生発振が生じその高調波などが生じています。１５０ＭＨｚは−１５ｄＢと強烈ですが回路動作上の実害は起きないと思いますし周波数が高いので要部へのパスコン等で軽減は可能と思います。


６． ＧＫ発振グリッド混合によるコンバータ

　こうして診てみると、９６式空３号・付加短波コンバータ・ＲＣＡ社ＡＲ-８１２ではＰＧ結合発振、ATWATER KENT社７５６型でのＰＫ結合発振にグリッドからＲＦ信号を注入しプレートからＩＦ出力取り出すスタイルで ＧＫ結合発振のものがありません（すべてのクラシックヘテロダインラジオを調査した訳ではないので存在しているかも知れませんが･･･）。
　そこでごく普通の単巻１点タップの中波局発コイルを使いハートレ発振回路に信号注入風のコンバータをシミュレーションしてみました。 普通のパディングコンデンサを使い受信周波数＋４５５ＫＨｚを発振させます。

			回路モデル
			変換出力の周波数スペクトル
			信号入力点の周波数スペクトル

　変換利得は２０ｄＢほど（歪やや度外視でＭＡＸ狙い、もう少し低めがよい）、入力への局発成分の漏れは−５０ｄＢほど、またＩＦ成分の漏れは−７０ｄＢほど、ラジオの初段に置くのは局発漏れが辛そうですがＲＦ段の後ならば使えそうです。


END

改定来歴： 　2018.Aug.13　作成