5.7 GHz帯トランスバータ

トランスバータの電源としては増幅器類を動作させるための5 Vと，ロジック系を動作させるための3.3 V系を用意しています． DCジャック(EIAJ #2³)から入力された電源をLDO(AZ1084C)で5 Vにし，さらに別のLDO(AZ1117H⁴)で3.3 Vに下げる構成を取りました．

AZ1084Cは最大5 Aまで流せる強めの石であり，基板側も多少は放熱を考慮した設計にしてあります． 無線機用の電源として一般的な13.8 Vを入力してもまあ普通に使えてはいますが当然かなり発熱するのでできれば7 Vや9 V程度にしておくのが良いと思います．

今回トランスバータに接続する予定のトランシーバでは，設定で送信電力を100 mW(20 dBm)まで落とすことができます． しかしそれでもなおミキサに入れるには大きすぎるため，送信時のみトランシーバとミキサの間に-15 dBのアッテネータを経由するようにします． 送受信での経路の切り替えにはCELのRFスイッチCG2179M2を用いました．

また．送受信時での経路切り替えや送信用パワーアンプ(PA)の制御のため，トランシーバからの搬送波を検知して制御信号を生成する回路を搭載しました． この回路は搬送波をダイオード(1SS154)で検波し，2ゲートのシュミットトリガインバータ74HC2G14GVを用いて正論理，負論理の制御信号を出力します． IFのメインパスと検波回路は10 pFのキャパシタを介して接続しており，430 MHz帯においてはIF信号に与える影響は低くなっています．

430 MHz帯のIFと5.7 GHz帯のRFの周波数変換のために5.3 GHzのLOが必要です． 今回は局部発振器としてアナログ・デバイセズ(旧マキシム)のVCO内蔵PLL ICであるMAX2870を用いました． このICは2000円程度とお手頃価格ですが，23.5 MHz~6000 MHzと幅広い周波数範囲を出力することができ，特にVCOの基本波が3~6 GHzであるため今回欲しい5.3 GHz帯を得るのに丁度良いです． いろいろと考えて設計すると色々あるのかと思いますが今回はほぼデータシートの参考回路通りの構成で，ループフィルタ等の定数も既定値を用いています． このICの出力は最大5 dBmということですが，今回は出力端子部分の回路を最適化しておらず(シングルエンドで50 Ωの抵抗で吊っている)， 周波数も上の方であることから実際にはそこまでの出力は得られないと思います．そして後段で使用するミキサはLOとして13 dBmくらい入れると良いなどと宣っています． そこでミキサの前にバッファアンプ(MMG3H21NT1)を挟みました． このアンプは秋月で200円(2023年当時)で入手でき，適当なバイアス回路を組むだけで6 GHzまでそれなりに使えるので便利です．

また，起動時に局部発振器のPLL ICに制御コマンドを送るためにATtiny85を搭載しています． 特定のタイミングでbyteのデータをSPIで送れば良いだけなのでその辺にある自分が使いやすいマイコンを選定しました⁵． このマイコンは論理的な構成としてはPLLの隣にいますが，実際の回路としては局発から少し離れた電源部の近くにいます． また基板上ではマイコン→PLLの通信線は基板上で繋がっておらず，コネクタを介して基板外で接続するようにしています． この設計の意図として，RF部は電源やロジックと独立してシールドできるようにしたかったことと，デバッグ時には一々基板上のマイコンにプログラムを書き込まず， 外部にコントローラを接続してPLLを動かせるようにしたかったという点が挙げられます．

ミキサにはアナデバのHMC218B⁶を用いました． パッシブなDBMなので外付け部品等もなくただポン付けするだけで動きます．

送信側にはQorvoのWi-Fi向けPAであるRFPA5542を用い，増幅後にMSL(Micro Strip Line)で作ったLPFを入れ， 受信側はLOのバッファにも用いたMMG3H21NT1で増幅した後に同じくパターンで作ったBPFを入れるような構成とし， 送受信の切り替えにはCELのRFスイッチCG2409X3を用いています．

送信側PAであるRFPA5542はInGaPのHBTを用いた3段の増幅器になっており33 dBとかなり高い利得を得ることができます． またEnable制御端子があるため，送信時以外はスリープさせ，電力消費を削減できます． 聡明な方は気付いたかもしれませんが送信側には高調波を抑えるためのLPFがあるのみで，ミキサから出るLO-IFの差周波数を抑制するものがありません． これは単なる設計ミス⁷ですが幸いにもPAがそこまで広帯域でなく，差周波数の4.87 GHzでは利得が落ちるため実測ベースではまあまあ問題無さそうな感じです．

受信側ではプリアンプとしてLOにも使ったMMG3H21NT1を搭載しています． しかし，この増幅器はNFが6 dB程度とあまり良くありません． 受信機のTotal NFの大部分はここの増幅器で決まるため，もっとNFの低いLNAを使いたいところです． 秋月で売っている6 GHzまで伸びるアンプとしてもう一つ，アナデバのADL5611があります． こちらはNFが2.1 dBとなっており，一見こちらの方が良さそうに見えます． ですがこれあくまで900 MHzにおける値であり，6 GHzではMMG3H21NT1と大差無いスペックである上に実売価格が倍以上することから今回のケースでは微妙かなと感じました． SOT-89パッケージのLNAやゲインブロックは色々なメーカーが出しているので差し替えて試してみるのも良いかもしれません． 例えばMini-CircuitsのGALI-39+などは7 GHzあたりまでゲインが取れてNFが3 dB以下で良さげです．

割と周波数が高めで誘電損失が気になるお年頃であることや，分布定数でフィルタを組んでおり板厚や誘電率が安定していて欲しいことなどから 一般的なFR-4では無く，高周波向けの材料を使うことにしました． また，かなり細かく複雑なパターンで両面加工が必要なため自宅の加工機では無く外注することにします． 最近は中国の格安基板屋さんでもFR-4以外の(高周波向けの)材料の選択肢が増えてきました． とはいえFR-4なら数ドルで作ってくれる所でもRogersの奴(RO 4350Bや4003Cなど)を選ぶと数百ドルとコストが高くなってしまいます． そんな中，JLCPCBが中国メーカー製のPTFE系基板の取り扱いを始めました． PTFE系なので(少なくともカタログスペックの上では)RO4350Bよりもスペックが良く，それでいて半額以下のコストで製造できます． そこで今回は今後のための実験的な意味も込めてこの中華PTFE系材料を頼んでみることにしました．

中華PTFE材料も誘電率等の違いから複数の種類が選べるようになっていたのですが，選べる最薄の板厚が30 mil(0.762 mm)とあまり薄くなく， 誘電率が低すぎると線が太くなって扱いづらいなと感じたため，選択肢の中で最も比誘電率が高いZYF300CA-Pを選択しました． 材料メーカーのラインナップとしては板厚15 milからあるようなのでこのあたりの選択肢が増えるとなお良いのかなと思います． 追記:この基板について詳細なレビュー記事を書きましたので併わせてご覧ください．

ZYF300CA-Pはガラスクロス+セラミックフィラーのPTFE基板であり比誘電率が3.0，tanδが0.0018となっています． この基板諸元とJLCPCBのデザインルールをもとに， 今回はRF側の主要部分については線路幅0.8 mm，G-S間隔5 mil(0.127 mm)の背面GND付のコプレーナ線路(GCPWG: Grounded Coplaner Waveguide)で配線しました． この線路の特性インピーダンスは計算上49.8 Ωとなるので結構いい感じなのでは無いかと思います．

また，送受信部のフィルタに関しては無償の電磁界シミュレータ(Sonnet 18.53-Lite)を用いて解析しつつ，いい感じに設計しました． ローパスは準集中定数的な設計のスタブ装荷型の構造としています． このように折り返し地点に方形のスタブを置いた構造のLPFはあまり見掛けませんが，ラジアルスタブとミアンダラインを組み合わせたような構造よりも設計やシミュレーションしやすく， 省スペースで多段化できるうえに特性も思ったより悪くならないのでオススメです． バンドパスフィルタの方はかなりオーソドックスなヘアピン共振器を用いた3段の構成としています． 実際はもう少し段数を増やしたかったのですがSonnet Liteの限界を越えてしまうため3段で抑えています． 以下に設計したフィルタのパターンとシミュレーションから得られた周波数特性を載せます．

完成して上がってきた基板はこんな感じです． 10 cm角の両面基板を5枚でおおよそ$50，入稿から9日で届きました． 製造に4~5日と書かれていたので配送に2,3日かかるのと土日などを考えるとちょうどそんなもんかと思います． 若干レジストに傷が入っているのが1枚ありましたが他はぱっと見問題は無さそうです． しかしJLCPCBではインピーダンスコントロールなどを提供しておらず，思った通りの線路ができているのかは未知数です⁸． またビア部分はレジストで埋めるよう指定したつもりだった(こちらの指示ミスかもしれない)のですが剥き出しになっています． 筐体に入れる時などは裏面に気を使わなくてはなりませんがテストする際などはプローブを当てやすいので便利ではあります．