水晶フィルタの組立
13TR-FT8トランシーバのSSB用フィルタであるラダー型水晶フィルタとその周辺の緩衝増幅器を組み立てました。
この回路の水晶発振子もソケットに仮付けとしましたが、背が高くなってしまいました。Trの動作点を決める抵抗は±1%精度のものが使われていますが、RF小信号用のエミッタ接地抵抗10Ωには-0.9%と-1.3%のものが混在していました。他の抵抗は0.4%程度のばらつきのため、値が小さい抵抗を高精度に作るのは難しいのかもしれません。Tx回路に-0.9%の抵抗を使用し、-1.3%の抵抗はRx回路に回しました。なお、抵抗の精度確認には、13TR-FT8トランシーバに先行して組み立てた「E24系列に基づく抵抗計（RMEE01）」が活躍しています。
ラダー型水晶フィルタは、50～500Ωほどの入出力インピーダンスになるとのこと。インピーダンス整合のためにステップアップ・トランスを使う例を多く見ますが、13TR-FT8トランシーバではラダー型水晶フィルタの前後を緩衝増幅器（RF増幅器）で挟む構成です。Tr（2N4401）の hie は1k～15kΩと公差が広く、インピーダンス整合についての回路設計は追い切れていません。Tr出力回路の並列抵抗や入力回路の並列抵抗から見れば、おおよそ良い値に落ちていると思われます。
水晶フィルタの周波数応答の測定
周波数応答の測定系
NanoVNAを用いた下図の測定系により、ラダー型水晶フィルタ単体の周波数応答を測定しました。
50ΩのNanoVNAとラダー型水晶フィルタ単体のインピーダンス整合（不整合緩和）のために、470Ωの抵抗を入出力に付加しました。抵抗値の最適化は行っていません。NanoVNA Testboard Kit を用いた空中配線になってしまいましたが、後述の通り効果はあったようです。
周波数応答の測定結果
抵抗470Ωを付けなかった場合の周波数応答（S21 Gain）を下記に示します。中心周波数7.074MHz（キャリア周波数）、スパン7kHzです。NanoVNA基本点数の101点測定を10回繰り返し、6.938Hz/step（スパンの約1/1,000）の分解能で測定しました。
キャリア周波数7.074MHzを挟んで、逆サイドのLSB側の抑圧とFT8用USB側のバンドパス特性（Passband around 1500～3000Hz）は確認できますが、大きなリップルの角が2本生えてしまいました。
次に、インピーダンス整合用の470Ω抵抗を入出力に付加した場合の周波数応答を下記に示します。測定仕様は上記と同じです。
リップルの角が取れました。ただし、キャリア周波数7.074MHzとPassbandの間でGainが落ちています。インピーダンスの不整合を緩和しただけで整合しきれていないのかもしれません。逆サイドの抑圧能力は約24.6dBを示しています。
USB側を拡大した測定結果を下記に示します。横軸はキャリア周波数7.074MHzから+3.5kHzの7.0775MHzまで示しています。
-3dBの通過帯域は7.0760～7.0768MHz、オーディオ周波数では2000～2800Hzになります。ただし、後段のRF増幅TrのON/OFFは-3dBの通過帯域で決まる訳ではないと思います。
測定結果には表示されていませんが、右端の7.0775MHzからGainは一旦上昇に転じます。つまり、バンドパス特性として見ているのはインピーダンス不整合による大きなリップルの一つなのかもしれません。
水晶フィルタの周波数スペクトルの測定
周波数スペクトルの測定系
周波数応答の測定結果がインピーダンス不整合の影響を受けて正しく測定できていない可能性を確認するために、オーディオ周波数のシフトに応じたフィルタ出力信号の周波数スペクトルの変化を測定しました。ここまで組み上がった13TR-FT8トランシーバに電源を投入し、PCからオーディオ信号を入力してフィルタ出力 Tr（Q9）のコレクタ電圧の周波数スペクトルを測定しました。その測定系を下記に示します。
なお、環境ノイズの影響を下げる目的で、今回はMini-WhipアンテナへのBias-TはOFFにしました。
測定結果（０）オーディオ信号の入力無し
オーディオ信号の入力をOFFにして、13TR-FT8トランシーバを受信モードにした状態での測定結果を下記に示します。
7.074MHzにキャリア周波数が-123dBの強度で見えます。送信回路は動作していないため、局部発振回路から漏れた信号を拾っているものと思われます。基板はケースには入っていませんでした。ノイズフロアは-140dB弱でした。
測定結果（１）オーディオ信号500Hz
周波数500Hzのオーディオ信号の混合によって7.0745MHzの基本波が観測される他に、その高調波の混合も見られました。基本波は基準の-54dB（後述）に対して-38dBc減衰しています。これに対して高調波の方がパワーが大きく、第四高調波2,000Hz（7.076MHz）の抑圧は-19dBcに留まります。第四高調波等は水晶フィルタを通過するからです。
下段のWater Fallを見ると、最初のVOX Tx ONの時以外にも、間欠的なタイミングでスペクトルが横に広がっている部分があることが確認できます。脈動の発生を反映しています。
測定結果（２）オーディオ信号1,000Hz
同様に、周波数1,000Hzのオーディオ信号の混合によって7.075MHzの基本波が観測される他に、その高調波の混合も見られました。基本波は基準の-54dB（後述）に対して-28dBc減衰しています。これに対して高調波の方がパワーが大きく、第二高調波2,000Hz（7.076MHz）の抑圧は-13dBcに留まります。繰り返しになりますが、第二高調波等は水晶フィルタを通過するからです。
下段のWater Fallを見ると、よりいっそう頻繁なタイミングでスペクトルが横に広がっている部分があることが確認できます。脈動の頻繁な発生を反映しています。
測定結果（３）オーディオ信号1,500Hz
水晶フィルタの通過域の低周波数側境界と目される1,500Hzのケースです。基本波1,500Hz（7.0755MHz）は、まだ基準の-54dB（後述）に対して-10dBc減衰しています。第二高調波3,000Hz（7.077MHz）のパワーは基本波より小さくなり、-16dBc抑圧されるようになりました。
上段のパワースペクトルを見ると、基本波と第二高調波の間のベースが盛り上がっています。脈動発生の瞬間を偶然に上手く捕らえた結果です。下段のWater Fallを見ると、より広くスペクトルが横に広がっている部分があることが確認できます。大きな脈動の発生を反映しています。脈動の発生はここまでです。オーディオ周波数1,600Hz（7,076MHz）以上では発生していません。
測定結果（４）オーディオ信号2,000Hz
周波数2,000Hzのオーディオ信号の混合によって7.076MHzの基本波が観測されます。基本波のパワーはMaxの-54dBであり、これを評価基準としました。
高調波のパワーは逆サイドのLSB側のイメージよりも小さくなっています。第二高調波4,000Hz（7.078MHz）以上は水晶フィルタによって抑圧されるからです。逆サイドのイメージ-2,000Hz（7,072MHz）は-58dBc抑圧されています。下段のWater Fallを見ると、パワーは脈動もなく安定しています。
この周波数では水晶フィルタが上手く働いていることが分かります。
測定結果（５）オーディオ信号3,000Hz
水晶フィルタの通過域の高周波数側境界と目される3,000Hzのケースです。基本波3,000Hz（7.077MHz）はまだ-55dBを維持しています。高調波も十分に抑圧されています。逆サイドのイメージ-3,000Hz（7,071MHz）も-60dBc抑圧されています。下段のWater Fallを見ると、パワーは脈動もなく安定しています。
SSBの帯域外ですが、これ以上の周波数の基本波はパワーが線形に減少して行きます。
測定結果（６）オーディオ信号4,000Hz
基本波4,000Hz（7.078MHz）は基準の-54dBに対して-42dBc減衰しています。逆サイドのイメージ-4,000Hz（7,070MHz）も-62dB抑圧されています。下段のWater Fallを見ると、パワーは脈動もなく安定しています。
測定結果のまとめ
水晶フィルタの周波数特性を基本波の通過パワーから求めると、上図の緑色曲線となりました。前記のNanoVNAのS12通過特性の測定で見られた1,500Hz付近のGainの急落はありませんでした。やはり、NanoVNAの測定ではインピーダンスの不整合が残っていたのかもしれません。
また、水晶フィルタによる基本波以外の高調波もしくは逆サイドのイメージの抑圧能力を求めると、上図の橙色曲線となりました。逆サイドのイメージの抑圧能力は約60dBcです。一方、NanoVNAで測定した抑圧能力は約25dBcでした。食い違いの理由は不明です。470Ωを加えた測定系に対するNanoVNAのキャリブレーションが上手く行っていなかったのでしょうか。
SSBの帯域外領域ではなくFT8の帯域外領域として自省的に考えると、水晶フィルタの出力の段階で、基本波に対して高調波を40dBc以下に留めることができる周波数帯域は1,800～3,000Hz（7.0758～7.077MHz）であることが分かりました。最終出力で再度確認しようと思います。
以上の結果は非職業的技師が組み立てた個体の特性であることをお断りしておきたいと思います。組み立て技能も反映されての結果と思います。
