JH3OZA
はじめに、
この(248〜250GHz)バンドは、テラ波帯の入口のバンドであり初号機を作るのに非常に苦労しました。
ところが、今年になり240GHzレ-ダー用MMICのプロト品が入手でき実験する機会を得ました。
以前から作り置きしていた部品を利用し短期間に製作することとします。
もちろん、大きさも移動実験し易いように軽く小型に作りたいと考えています。
収容ケースとアンテナ
まず最初に、収容ケース内の部品配置を考えて1.6mm厚のアルミ板から墨出し専用ケースを製作します。
アンテナは、既製品Φ30,Φ45のカセグレンアンテナを使用することとしますが、ケースとアンテナの嵌合方法は、
取外しし易くブレないカメラレンズのアダプタを使用し、色々なアンテナと簡単に交換ができるようにする予定です。
240GHz
ワンチップ MMIC (TRA_240_091A) ブロックダイアグラム
今回使用するMMICは、レーダ‐用とは言え、ナローのFM無線機が製作し易いように設計されています。
（このMMICは、TRA_120_045の設計より優れていると感じました。）
Indie Semiconductor 社のデータシートより
・メーカースペック（規格）
１）Frequency range 222.5 〜 267.5GHz
２）Transmitter output power +2dBm
３）Receiver gain +18dB
４）Noise figure 15.7dB
５）Supply voltage & current +3.3V, 260mA
６）Package QFN40(5x5mm)
・詳細（メリット）
1) 送信（PA)、受信（LNA)アンプが内蔵されている。
2) 送受信アンテナが、チップ内に内蔵されているため切替を考慮する必要がありません。
3) 外部ローカル信号を利用することでフェーズノイズを減らすことができます。
4) チップ以外の扱う周波数が低くガラエポ基板（1.6mm厚）でも製作できます。
5) 消費電力がとても少なくモバイルバッテリで動作可能です。
6) 小型化することが可能です。
・ちょっと難しい難題は、
1) ガラエポ基板にワンチップMMICの半田付け (5x5mm 40pin)
（できれは、リフローによるクリーム半田付けをしたいものです。）
2) PLL ループフィルターの調整、フェーズノイズの改善。
3) ローカル信号(13.8GHz)のマッチング調整
このMMICで
製作できる249GHzトランシーバーのブロックダイアグラムを
３例記載します。
（赤字の破線部分に注目）
１）249GHzトランシーバーブロックダイアグラム １
内部ＶＣＯ使用する方法
MMICの内部発振器（VCO）を、10MHzオーブン発振器でPLL（Phase-locked loop）化して
周波数を安定化させ13.837GHzを内部で生成させます。
２）249GHzトランシーバーブロックダイアグラム ２
外部ＶＣＯ使用する方法
前方式との違いは、MMIC内部のVCOを使わず外部VCOから13.837GHzの信号を入力する方法で
発振器のフェイズノイズを改善することができます。
３）249GHzトランシーバーブロックダイアグラム ３
外部から13GHzの信号を用いてＶＣＯに注入し引き込みする方法
その他
３例共に、送信時の変調はリファレンス発振器に直接変調をかけて行います。
また、送信時249GHzのパワー検出とIC内部温度をアナログメータで表示させる。
操作方法は、
・送受切替は、PTT SWを押すことで行う。
・CW モードは、A1A/F2Aスイッチにて設定する。
・CWは、IDONのPushSWを押すことで動作させる。
＜＜今回は、(２）の外部ＶＣＯ方式を採用し製作することにします。＞＞
製作
各ユニットごと自作のシールドケースに入れ、動作確認しながら製作を行うこととします。
１）RF モジュール（249GHzMMIC）
・MMIC(TRA_240_091A)
２）PLL ローカル発振器（13.83GHz)
・PLL 発振器
・13.8ＧHz パンドパスフィルター
３）リファレンス発振器（10MHz）
・10MHz オーブン発振器
・12逓倍器（120MHz）
・変調回路（F3E,A1A,F2A)
４）制御部（PIC)
・PIC回路
５）IF増幅部（128MHz）
６）パワー出力(PD)と内部温度(Temp)の検出
７）電源部
・昇圧型スイッチング電源モジュール
各ユニット
１）ＲＦモジュール
自作のケース内にMMIC（5x5mm）を変換基板上に半田付けする。
１-1）RFモジュール1
MMIC内にパッチアンテナが内蔵されているため、内径Φ1の真鍮パイプをIC上部に軽く接触させ
信号を取り出しています。（この取出し方は、損失が大きいため、次回考慮する必要あり）
信号レベルの確認は、PD端子に保護抵抗10kΩを入れ200μAのメータで出力を直読するようにしている。
HP8566B,HP8565Eと外部ミキサーを使用。 外部ミキサーの変換ロスは不明。
簡易的に110GHzのパワーセンサーで測定してみますと、 約-11dBmの値を示しました。
メーカー規格は +2dBmですから、ほぼ10dBの損失があります。
信号の取出し方が、少し悪いようです。まだまだ、改善する余地があります。
１−2）RFモジュール2
HP70000 スペアナと外部ミキサーを使用。 外部ミキサーの変換ロスは不明。
２）ローカル発振器
３種類の実験
2-1） PLL ローカル発振器 （ADF5355）
・ADF5355 （Microwave Wideband Synthesizer with Integrated VCO）を使用し
13.837GHz（6.918GHz x 2)を生成ています。
・13.83GHzフェイズノイズの改善
リファレンス周波数を上げ、ループフィルターの調整をすることで、フェイズノイズを下げるように
しています。
2-2） PLL ローカル発振器（単体MAX2870）と ３逓倍器
-＞
フェーズノイズが-90dBc/Hz 10kHz offset時
2-3） DRO(Xtal)発振器(10.678GHz), MAX2870 PLL発振器（3.160GHz)とのミキシング
1;Xtal発振器(10.678GHz)
ー＞
フェイズノイズ -109dBc/Hz 10kHz offset時
2;MAX2870 PLL発振器 (3.160GHz)
ー＞
フェイズノイズ -100dBc/Hz 10kHz offset時
ミキシング後 (13.837GHz)
フェーズノイズの良い発振器とミキシングし、フェーズノイズは、10kHz時 -99dBc/Hzになりました。
フェーズノイズが悪い方に引きずられます。
結果
フェイズノイズの測定結果から良いDRO(Xtal)発振器とミキシングしたMAX2870の場合は、10kHz offset時
-99dBc/Hz, 単体MAX2870の場合は、-90dBc/Hz, ADF5355の場合は、-74dBc/Hzとなりました。
今回は、フェーズノイズの良さ、収容ケース内の配置,消費電力,価格の面から考えて単体のMAX2870 (2-2)
を採用するこことします。
３）バンドパスフィルター (13.8GHz BPF)
13.8GHz以外の不要な信号をカットするため10x10mmの真鍮角パイプを適当に切って製作したものです。
何個か製作し良い結果になったものだけ使うことにしました。
４）リファレンス発振（10MHzx12逓倍)
10MHzのオーブン発振器に３逓倍し、さらに４逓倍して120MHzを得ています。
また、この発振器にモジュレーション（F3E,F2A)をかけています。
・リファレンス発振（120MHz）の特性
12逓倍した120MHzの出力 0dBm、フェーズノイズが -115dBc/Hz(10kHzにて)で、
非常に良い結果がでました。
・変調方式
FM変調は、オーブン発振器（10MHz)に直接変調をかけています。
５）制御部（PIC）
制御部（ＰＩＣ）では、スイッチ類の制御、PLLの周波数制御、及び
CW ID（コールサイン）F2A,A1Aの生成を行っています。
MAX2870の周波数生成用入力データ
1ch; ＩＦ周波数； 128MHz, Refrence周波数；40MHz
Ｆｒｅｑ ； ＩＮＴ ； ＦＲＡＣ ； ＭＯＤ
TX 249.080GHz 115 1258 3996
RX 248.952GHz 115 966 3780
2ch; ＩＦ周波数； 448MHz, Refrence周波数；40MHz
Ｆｒｅｑ ； ＩＮＴ ； ＦＲＡＣ ； ＭＯＤ
TX 249.080GHz 115 1258 3996
RX 248.632GHz 115 435 4050
3ch; ＩＦ周波数； 4MHz, Refrence周波数；40MHz
Ｆｒｅｑ ； ＩＮＴ ； ＦＲＡＣ ； ＭＯＤ
TX 249.080GHz 115 1258 3996
RX 249.076GHz 115 1183 3780
4ch; ＩＦ周波数； 10.7MHz, Refrence周波数；40MHz
Ｆｒｅｑ ； ＩＮＴ ； ＦＲＡＣ ； ＭＯＤ
TX 249.080GHz 115 1258 3996
RX 249.0693GHz 115 1254 4047
5ch; ＩＦ周波数； 110MHz, Refrence周波数；40MHz
Ｆｒｅｑ ； ＩＮＴ ； ＦＲＡＣ ； ＭＯＤ
TX 249.080GHz 115 1258 3996
RX 248.970GHz 115 1064 4032
６）IF アンプ (MGA82563)
IFアンプ 周波数：128MHzにて10ｄBを得ています。
HP8720Cで測定。
７）信号レベルのメータ表示（広帯域のＳメータ回路）
FMラジオを利用した広帯域の信号を拾う回路で、復調は行っていません。
８）パワー(PD)と内部温度(Temp)の検出
10kΩの保護抵抗を入れ送信時にパワー出力（μW)、受信時にチップ内温度 又は、信号強度をアナログメータに
表示させている。
９）電源部
既製品の昇圧型スイッチング電源モジュール （TPS61088）を使用しています。
入力+5Vー＞出力電圧+8V、電流2A Type
１０）完成品
感想
・今回製作した249GHz無線機は、以前作製したミキサーだけのものよりビックリするほど（20dB程）送信出力が高い。
もちろん、RFアンプがあるおかげで受信感度も非常によい。
ただ、受信のC/Nがビームリードのミキサーだけの受信機より少し悪いような気がします。改善する余地があります。
また、送受信時は外部ＶＣＯでローカル信号を供給しているのでフェイズノイズもそこそこ良く全体的に喜ばしい
結果となりました。ただ、もっと良いフェイズノイズ(Xtal-PLL)の発振器と組合わせることで送信電力の改善もみられ
不思議です。 理解できませんが、次回製作する時は発振器のフェイズノイズの良いものを使いたいものです。
・RFモジュールの作製にあたり、ＭＭＩＣの足間隔が0.4ｍｍで、半田付けに苦労しました。熱で壊してしまわないか
心配で注意しながら作業しました。
・アンテナの取り出しに円形導波管を用いるためか偏波面の回転が起こっています。次回は、方形導波管や
光学レンズを使用する方法で考えたいです。
移動実験
2024/8/11 午前9時 温度32度 湿度78％ with JH1CJN, 光学レンズの実験
多摩川六郷土手15号線下 - 川崎河港水門間 約800m S53
2024/10/13 午前9時 温度22度 湿度77％ with JH1CJN 2024/10/20 午前11時
多摩川六郷土手15号線下 - 雑色ポンプ場間 約853m S53 谷中湖入口 - 柏戸遊水地交差点 約１ｋｍ S53
2024/11/4 午前11時 温度19度 湿度66％ with JH1CJN 2024/12/1 栃木 太平山駐車場-ぶどう団地 約2km S55 with JA1KVN
多摩川六郷土手15号線下 - 六郷水門付近 約1.7km S51 QSBあり
2024/12/8 午前11時 温度11度 湿度46％ with JH1CJN
多摩川六郷の渡し（川崎側）- 羽田首都高下付近 約3.1km S58
多摩川六郷土手15号線下 - 羽田空港船着場付近 約4.8km S53
2025/01/13 午前12時, 気温10度, 湿度33%, 羽田空港船着場標高 2mH with JH1CJN
2026/01/12 午前11時, 気温7度, 湿度32%, 羽田空港船着場標高 2mH with JH1CJN
御坊市 日高川河川敷 約1.5km 御坊市 天文公園-日高川河川敷 約2.6km
2025/05/13 晴 午前10時 with JA3CVF 2026/05/13 晴
By JH3OZA
・＜ご参考まで＞
１） 47GHz トランシーバー２号機の製作メモ ２）77GHz トランシーバー２号機の製作メモ
３）134GHz トランシーバーの製作メモ
