本当に長い間（２０００年末～）、共に無線生活(RadioLife)を過ごしてきた「ＩＣＢ－８７Ｒ」。これまで奇跡的？に故障などなく多くの交信実績を残してくれた、実に素晴らしい相棒（無線機）である。残念ながら、旧技適機の使用猶予期間満了（２０２２年１１月３０日まで：省令の一部が改正され、使用期間及び有効期間が「当分の間」に延長することになった。詳細はこのリンクを参照(PDF)）を間もなく迎えることになり、このままジャンク箱で眠りにつくのは、とても忍びない。そこで今回、新技術基準適合証明の取得にチャレンジした。

技術基準適合証明証書

【試験方法】

　試験方法は、以下の電波利用ホームページからダウンロード可能で、先ずはこの内容の理解から始まる。

①特性試験の方法
②スプリアス発射又は不要発射の強度(PDF)
③具体的な試験方法（市民ラジオ:PDF）

　①特性試験の方法を見てみると、市民ラジオ（２６／２７ＭＨｚ帯）の場合は、基本周波数帯の範囲が、９ＫＨｚを超え１００ＭＨｚ以下に該当するので、下の表（抜粋）に示すように、測定を行う範囲の下限は９ＫＨｚ、上限１ＧＨｚである。よって１ＧＨｚ程度まで測定可能な測定器（スぺクトラム分析器、周波数カウンター、電力計など）が必要であることがわかる。

【１．一般事項】

　電源は、しっかりした安定化電源を使うべきだが、１０Ｗを超えるような高出力の無線設備ではないので、容量的には大きなものは必要ない。よって、非常にコンパクトなＡＣアダプタ（スイッチング電源：１２Ｖ１Ａ）を使い、外部電源端子からＤＣ１２Ｖを供給することにした。スイッチング電源の場合は、電源ノイズが、スプリアスの発生に直接影響する場合があるので、電源線をトロイダルコア（パッチンコア）に巻きつけて、ノイズができるだけ入らないようにした。

　試験周波数は、上中下の３波と定められているが、ＩＣＢ－８７Ｒの場合、送信（受信）チャンネル毎にそれぞれ別々の水晶発振子（各送受共用８個、送信用１個と受信用１個、計１０個：ミキサーを使用した周波数合成）が使われているので、念のため８波すべての周波数で測定した。

　負荷条件は、ローディングコイルを取り外した点と、ローディングコイルの直近のＧＮＤ間に疑似負荷（５０Ω）を同軸ケーブルを介して繋いだ。この状態で疑似負荷間にオシロスコープ用プローブ（ｘ１０：－２０ｄＢ）をあて、測定器（スペクトラム分析器）へ接続する。ＩＣＢ－８７Ｒでは、測定がし易いように、基板上にテスト端子と思われるパターンがすでに設けられていた。

【２．周波数偏差】

　校正された周波数カウンターがないので、代用として、スペクトラム分析器（これも未校正だが）を使用することにした。使用したスペクトラム分析器は、ＰＣに繋いで使用するＵＳＢオシロスコープ（以下、３２０５Ａ：PicoTechnology社製）のスペクトラム分析モード（以下、ＦＦＴモード）を使った。ＵＳＢオシロスコープは、プローブで検出したアナログ電圧値をＡ／Ｄコンバータ（８ビット）でデジタル値に変換し、ＵＳＢケーブルを介して、そのデータをＰＣ（Windows）側へ転送する。ＰＣ内で演算処理後、測定された値（波形、周波数など）をモニターに表示させるもので、非常にコンパクトで使い勝手がよい。ＦＦＴモードは、この測定された値の横軸を時間軸から周波数軸へ数学的（高速フーリエ変換）に変換するものである。

　測定してみると、現状のままでも、±５０ｐｐｍ（約±１３４８Ｈｚ）の範囲には収まっているようだった。しかし、目標の周波数から低いチャンネルもあれば、高いチャンネルもあり、チャンネル間でばらつきが大きい。ＩＣＢ－８７Ｒの場合、各チャンネルごとに水晶発振子が分かれているが、調整用のトリマーコンデンサーを共用しているので、全体的に目標の周波数に最も近づくように再調整した。

　モニターに表示される周波数の絶対値が気になるが、低い周波数帯をよ～く観察すると、なんとＪＯＡＫ（５９４ＫＨｚ）、ＪＯＡＢ（６９３ＫＨｚ）やローカル局のＪＯＹＬ（１４５８ＫＨｚ）のキャリアが見えるではないか！ノイズフロアレベル付近で微かに顔をのぞかせていた。この方法がよいのかどうかわからないが、マーカー（中波ＡＭ放送局：許容偏差１０Ｈｚ）としては十分である。特にＪＯＡＢは、信号が強力でしかも、他の一般的な放送局に比べ、番組の性質上、無変調になる時間（外国語講座など）が長いので、基準局としてお勧めかもしれない。周波数の測定と同時に、中波ＡＭラジオで外国語講座を聞きながら、無変調の時を狙って周波数マーカーとした。恥ずかしながら、測定系のシールドが良くない証拠（ＩＣＢ－８７Ｒそのものがアンテナになっているのかも？）ではあるが、アマチュア的には非常に役立つ。このようなことをしていると、ただひたすら時報や、時々モールス信号を送っていた、今は聞くことのできないＪＪＹ（１０．０００ＭＨｚ他）が懐かしい。


ＵＳＢオシロスコープ（３２０５Ａ）

【３．占有周波数帯幅】

　ＩＣＢ－８７Ｒの外部マイク入力端子へＤＤＳファンクションジェネレータ（以下、ＵＤＢ１００５Ｓ：SainSmart社製）の出力を繋ぎ、実際に変調をかけた状態（１．２５ＫＨｚ：正弦波）にして、前項目と同様、意外に使えそうな「３２０５Ａ」をそのまま使って測定した。低周波発振器なので、自作することも考えたが、スプリアス発生への影響などを考えると、安定でほぼ正確な周波数や、歪の少ない正弦波を得られるＤＤＳ（direct digital synthesis）タイプのものが良いだろうと判断した。ここが不安定だと、一体何を測定しているのかわからなくなってしまう。

　今回は使わなかったが、「ＵＤＢ１００５Ｓ」は周波数カウンター（１Ｈｚ～６０ＭＨｚ）としても使えるようなので、非常に多機能である。また、「３２０５Ａ」は、ファンクションジェネレーター（正弦波等を発生可）としても使えるが、レベルの調整など、煩雑で使用しなかった。上手く使いこなせれば、「３２０５Ａ」だけですべての測定が可能かもしれない。


ＤＤＳファンクションジェネレータ（ＵＤＢ１００５Ｓ）

　許容値は、ＢＮ（必要周波数帯：６ＫＨｚ）内で全電力の９９％ということなので、それ以外の帯域では、残り１％しか許されない。単純に考えると電力比で－２０ｄＢ以下ということになる。キャリア周波数（Ｆｃ）を中心に、ＢＮ外の上側帯波（ＵＳＢ）、下側帯波（ＬＳＢ）と２つに分けて考えると、それぞれ－２３ｄＢ以下となるが、マージンを考え、最初の設計目標は、第３～４側帯波を－３０ｄＢｃ（キャリアレベルとの差）以下、第５側帯波を－４０ｄＢｃ以下とした。

　ＩＣＢ－８７Ｒのオリジナル回路で、変調度１００％にて測定してみると、これをほぼ満足している。よって、変調度６０％＋１０ｄＢとなるようなマイク入力レベルでも、結果として、変調度が１００％以内であれば、この設計目標を達成できそうである。ＩＣＢ－８７Ｒの場合、マイクアンプＩＣとして、「ＴＡ７１３７Ｐ（東芝）」が使われており、調べてみると、幸運なことに、ＡＬＣ（自動レベル制御）回路が内蔵されている。しかしながら、すでに入手困難（Dead stock？）であり、実物を使って実験し、各定数等を定めることが難しい。

　ウェブ上で見つけた仕様書を眺めると、等価回路が掲載されており、これに基づいてシミュレーション（spice simulation）することにした。本来は、できるだけ正確にフィッティング（Fitting）したトランジスタモデル（BJT）や、ダイオードモデル（D）を使うべきところだが、動作が概ね理解できればよいので、トランジスタモデルは、 シミュレーター（LTspice） におまけ？で付いてくる汎用トランジスタ、２Ｎ３９０４（２ＳＣ１８１５相当品）、またダイオードモデルも同様に、汎用スイッチングダイオード、１Ｎ４１４８（１Ｓ１５８８相当品）を使った。下図の破線内がＴＡ７１３７Ｐの等価回路で、四角で囲まれた番号はピン番号、その他の周辺回路は、ＩＣＢ－８７Ｒのオリジナル回路（ご注意：筆者は、ＩＣＢ－８７Ｒの回路図を持っていないので、基板から回路を直接読み取った。よってミスコピーがあるかもしれない。まさにリバースエンジニアリングである。）から抜粋したものである。

　またこの等価回路によると、ＡＬＣ回路そのものは、マイクアンプ出力をダイオードで半波整流し、その電圧で４番ピンに繋がったトランジスタ（べース）と、さらに６番ピン（マイク入力）に繋がったトランジスタ（コレクタ）のオン抵抗（マイク入力～ＧＮＤ間）を制御しているので、ＡＬＣ回路のないマイクアンプを使った無線機でも、トランジスタ（１～２個）、整流用ダイオード、そして動作時定数を決める抵抗、コンデンサの追加だけで、ＡＬＣ回路を実現できるかもしれない。

　余談だが、もしこの特性がＴＡ７１３７Ｐと同等であれば、汎用のチップトランジスタを使って、このＩＣを自作できるかもしれない。世の中には同じような事を考えている人たちがいて 、 実際、このような面白いキットがある。


ＴＡ７１３７Ｐ等価回路とその周辺回路

　シミュレーションの結果から、オリジナル回路の場合、通常のマイク出力レベル（～数ｍＶ）では、ＡＬＣの動作領域へ達していないことが判明した（おそらく、過大な入力時のみ対応）。そこで、電圧利得を上げて、通常入力レベルでもＡＬＣの動作領域へ入るよう、外付けの帰還抵抗（Ｒ５５）の値を変更することにした。等価回路から導き出される電圧利得(Ａｖ：ＡＬＣ回路オフ時)は、概ね以下の計算式で求められる　（ただし、Ｒ５５＞＞Ｒ１、各トランジスタの動作条件範囲内）。

Ａｖ　＝　２０　*　Ｌｏｇ（（Ｒ５５ + Ｒ１）　/　Ｒ１）　　(ｄＢ)

　また、この帰還デバイス（抵抗、コンデンサなど）を変えることで、電圧利得だけでなく、周波数特性（上の式に複素インピーダンスを代入）を変えることができると思われるが、今回、その評価（音質調整：ローカルラグチュー向け、ＤＸ交信用など）は行わなかった。そして、当然ながら、次段へ繋がる変調アンプである「uＰＣ５７５Ｃ２（ＮＥＣ）」の入力レベルが、結果的にオリジナルの設定より高くなったので、実際に動作（変調）させ、「３２０５Ａ」（スペクトラム分析器）の表示を見ながら、適切な入力レベルになるようマイクアンプ出力レベルを調整（Ｒ５８、Ｒ５９）した。

　本試験（Telec)では、通常使用状態を想定しマージンを持たせて、変調度６０％＋１５ｄＢとなるようなマイク入力レベルで実施しているとのこと。＋１６ｄＢでも設計目標をできるだけ満足するよう、さらに各定数を再調整した。

　このように変更を行った後の測定結果（３チャンネル）を以下に示す。残念ながら設計目標には届かなかったが、第３～４側帯波は、最大で約－２９．９ｄＢｃ、第５側帯波は、最大で約－３８．５ｄＢｃ（チャンネルによってばらつきあり）となっている。もう少し調整すれば、さらに改善できるかもしれないが、変調そのものが浅くなり、変調度１００％へ届かなくなる可能性もある。大きな変更（トランジスタやＩＣの追加など）は要さないが、この調整は非常にクリティカルである。


占有周波数帯幅の測定(m = 60 % + 16 dB, Fc = 27.040 MHz, Fm = 1.25 KHz)

【４．スプリアス発射又は不要発射の強度】

帯域外領域とスプリアス領域（出典：総務省電波利用のホームページより）

【５．空中線電力の偏差】

　正確な電力計（熱電変換型）がないため、これも「３２０５Ａ」で代用した。残念ながら、最初の本試験では、オーバーパワーの判定で不合格の結果をいただいた。どうやらプローブや疑似負荷（５０Ω）の精度、「３２０５Ａ」そのもの、またその他に問題（筆者の技量？）がある可能性が高く、測定系全体で約１ｄＢ誤差があることが判明した。誤差範囲と言えるような僅か＋１ｄＢ程の差（＋２５．９％）ではあるが、上限は＋２０％なので安易に考えていると超えてしまう。振幅変調（ＡＭ）の場合、０．５Ｗ（無変調時）とはいえ、ピーク電力（変調度１００％時）は、理論上４倍の２．０Ｗに達するので、歪（スプリアスの発生など）を極力抑えるには、終段トランジスタ（ＩＣＢ－８７Ｒ：２ＳＣ２３１４）には十分な動作余裕（２Ｗ～）が必要である。よって、ＬＰＦ等の調整不足などで、出力電力（無変調時）が予想外に上がって（または、下がって）しまうようだ。要注意点である。現在の測定環境では、表示値から＋１ｄＢ高い値を測定値と定めることにした。因みに、中波ＡＭ放送局は、上限５％、下限１０％とさらに厳しい。

【６．副次的に発する電波等の限度】

　この測定項目は、無線機が受信時に、内部発振器などからアンテナへ漏れ出す高周波電力（高調波等）の限度で、トータルで４ｎＷ（－５４ｄＢｍ）以下と定められている。送信電力に比べ、非常に小さな電力（微弱電波程度）なので、スペクトラム分析器を使用しなければ測定は難しい。設計目標を単一周波数で、最大０．４ｎＷ（－６４ｄＢｍ）として、「３２０５Ａ」で２５０ＭＨｚまでの帯域で問題がないかどうか測定した。今回、測定に使ったオリジナルのＩＣＢ－８７Ｒの場合、チャンネル間で測定値に差があり、最大で約１０ｄＢあった。設計目標を超えているチャンネルがあり、設計目標を達成するため、機能など（周波数偏差、受信感度、送信電力など）に影響がない程度に、内部発振器の出力レベル（入力電力低減）を下げて対応することにした。

【考察＆感想】

　今回、スプリアスの測定など、ＵＳＢオシロスコープ「３２０５Ａ」を主に使って測定し、幸いにも、ＩＣＢ－８７Ｒの技術基準適合証明を取得できた。元々、電子工作用（簡易な波形観測用）に購入したものであるが、試しに使ったＦＦＴモードが、意外に使えること（事前にアマチュア無線機器を測定）がわかり、使い勝手も非常によい。おそらく、メーカーは高周波測定器としての使用は想定外（保証外）なのであろうか？取扱説明書には、これに関する詳しい記述がほとんど見当たらない。

　相対値（キャリアと各側帯波の差など）に関わる誤差は、今回の結果から少ないと思われるが、絶対値（電力や周波数など）に関しては、誤差をある程度含んだものとして事前に考慮しておかなければならない。また、サンプリング周波数の関係と思われる（ハードウェア構成が不明）測定器自体のスプリアス？が観測され、本物のスプリアスなのかどうか、見極める必要がある。さらに、ＰＣ（Windows）で演算処理しているため、十分な演算処理能力（高速なＣＰＵと十分なメモリ容量）が要求される。そして、最大の欠点は、２５０ＭＨｚまでしか測定できない。よって、今回紹介した方法（ＵＳＢオシロスコープ「３２０５Ａ」使用）は、１つの方法として可能性を示すだけであって、決してお勧めできる方法ではない。やはり、十分な測定環境（校正された測定器の使用）を用意し、できるだけ正確に測定されるべきである。

　また、ＳＰＩＣＥなどの電子回路シミュレーターの利用は非常に有効である。製造終了から時間の経ったＩＣなどの半導体デバイスの場合、すでに入手困難である可能性が高く、動作の再現が難しい場合は、今回のように等価回路を参考にして、ある程度再現可能な場合がある。また、モデリングさえしっかりできれば、高周波回路の設計にも十分に利用できる可能性が高いと考えられる。

【試験運用】

　変調レポートは、概ね良好との評価をいただいた。また、受信感度などはこれまでのところ、以前と比べ特に変化はない。また、気温などの変化による不具合の発生がないかどうか、しばらくの間は、試験運用を継続する予定（２０２０年６月～）である。

【参考文献】

総務省電波利用ＨＰ：特性試験の方法
テレコムエンジニアリングセンターＨＰ：技術基準適合証明申し込み書類など
PicoTechnology社ＨＰ:ＵＳＢオシロスコープに関する資料など
アナログデバイス社ＨＰ:ＬＴspiceに関する資料など
３２０５Ａ取扱説明書（PicoTechnology社）
ＵＤＢ１００５Ｓ取扱説明書（SainSmart社）
ＩＣＢ－８７Ｒ取扱説明書（ソニー株式会社）

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