今回は２４００ＭＨｚのプリアンプを作ってみました。

１２００ＭＨｚのプリアンプはキャビティ方式とすることで NF を下げることができましたが、 ２４００ＭＨｚではキャビティ方式で NF を追い込んでいくと、どうしても入力側の SWR が悪化してしまいます。
そこで今回は、キャビティではなく 基板タイプのプリアンプ として構成しました。

基板設計当初はセルフバイアス方式で回路を組みましたが、NF がなかなか下がりませんでした。
そのため、バイアス回路を組み直し、マイナス電源には 7660 を使用しています。結果として、 マキ電機のプリアンプ回路に似た構成になりました。

また、基板素材についても最初は FR-4（ガラエポ）で試作しましたが、NF を追い込めなかったため、 最終的には PPE 基板 で作り直しました。

FR-4 と PPE では誘電損失が異なり、PPE のほうが NF が明らかに良くなりました。
パワーアンプでは誘電損失はあまり気になりませんが、0.1dB を気にするプリアンプでは この差が効いてきます。
また誘電率も違うため導波損失も変わり、PPE のほうが誘電率が小さい分、 同じ基板厚であれば 50Ωラインを太く取ることができ、ロス低減につながります。

使用した PPE 基板は厚さ 0.8mm の両面基板で、銅箔厚は 18μm、誘電率は約 3.2 です。

基板設計にはフリーソフトの 「PCBE」 を使用しました。
フィルム製作にはサンハヤトのインクジェット用フィルムを使用し、 スプレー式感光液による両面エッチングでパターンを形成しています。
エッチング後はサンハヤトのスルーホールキットで簡易スルーホール処理を行いました。

回路構成としては、まず入力側にマッチングセクションを設け、その後に 富士通製 FET FHX35LG を配置し、さらに Mini-Circuits の MMIC につながる 2 段構成です。
各マイクロストリップラインのインピーダンス・マッチングを考慮してパターンを設計しています。

測定結果は以下のとおりです。

• NF（ノイズフィギュア）：0.78dB
• GAIN：38.7dB
• 2400MHz帯での入力 SWR：3 以下
• 出力 SWR：2 以下

GAIN: 38.7dB, NF: 0.78

GAIN 特性は 2400MHz 付近で最大となり、いわゆる 「カマボコ型」の特性 を示しました。
基板タイプ・キャビティタイプを問わず、NF が良くなっているときは、だいたいこのような形状になります。

設計帯域外で大きな GAIN が出ている場合は、発振もしくはマッチングミスを疑う必要があります。
入力側のリターンロス（S11）を測定し、設計帯域で谷になっていれば問題ありませんが、 そうでない場合はマッチングを見直す必要があります。
以前、NF のみを重視して調整していた際には、SWR が非常に悪化したこともありました。

プリアンプ基板はマキ電機のケースに収まるサイズとしていますので、流用が可能です。
何度かこの基板でプリアンプを製作してみましたが、ラフな組み立てでも NF 1.0 以下・GAIN 30dB 以上 が得られ、定数をしっかり守れば再現性も良好でした。

キャビティタイプと違い共振セクションを持たないため、かなり広帯域な特性になりますが、 使用デバイスの能力が高いため帯域外からの強い信号にも比較的強く、 実用上大きな問題はなさそうです。
２段目も MMIC ではなく FET にすればさらに NF 低減が可能ですが、 マッチングが難しくなるため今回は見送りました。

デバイス選定について

NF の低いデバイスを選定するのは意外と難しく、入手性も含めて検討が必要です。
多くの LNA 用 FET は 10GHz 帯をターゲットに設計されているため、 2.4GHz 帯で NF 最良マッチングを取ろうとすると、インピーダンスが 50Ω から大きく外れてしまいます。

S パラメータを見てパワーマッチングを行えば 50Ω 近くにできますが、 NF 最良点でのマッチングでは 50Ω から遠くなりがちです。
GAIN 最良でマッチングを取れば 50Ω に近づきますが、その場合 NF は悪化します。
さらに安定度係数 K ファクターも考慮する必要があります。

入手性のある LNA 用 FET では、

• FHX35LG
• FHX76LP
• NE3210S01

などが挙げられますが、総合的には FHX35LG が最も扱いやすい と感じています。

FHX35LG の場合、ドレイン－ソース間電圧 2V・ドレイン電流 10～20mA 程度が NF 最良点となるようです。
これは 1200MHz・2400MHz のどちらでもほぼ同じ傾向でしたので、 お手持ちのプリアンプがある方は一度、動作点を調整してみると良いと思います。

電源についてはレギュレータのリップルを十分に低く抑えることが大切です。
筆者は電解コンデンサに 100μF 程度を使用し、さらに回路上でもリップル除去の工夫を行っています。

同軸ロスと直下型 LNA の効果

このプリアンプは GAIN が 35dB 以上ありますので、アンテナ直下に挿入すれば、 かなり長い同軸ケーブルでも総合 NF を悪化させずに運用できます。

例えば 5D-SFA を 20m 使用すると、2400MHz では 6dB 以上のロスとなり、 プリアンプ無しではアンテナ利得は 1/4、NF も 6dB 悪化してしまいます。
このような場合、直下型プリアンプの効果は非常に大きくなります。

基板入手者向け：調整方法

コスモウェーブから、基板・パーツ付き基板・完成品を販売していただくことになりました。
ここでは、基板を入手された方向けに簡単な調整手順を解説します。

パーツ付基板の製作例です。

1. FET の実装

まず基板に FET（FHX35LG）を実装します。
FET は静電気に弱いため、取り扱いには十分注意してください。
最初にソースをグランドパターンに半田付けし、しっかり熱をかけて確実に固定します。
その後、ドレイン・ゲートの順に半田付けすると作業しやすいです。

2. ケースへの取り付け

基板をケースに固定し、VCC・貫通コンデンサと接続します。

3. 電源電圧の確認

電源を接続したら、まず各部の電圧を確認します。

• 78L05 の出力：+5V
• 7660 の出力（5番ピン）：-5V

4. バイアスとドレイン電流調整

20kΩ の可変抵抗を回し、出力が最大となる位置 にバイアスを調整します。
このときドレイン電流が 10～30mA 程度であれば正常です。
ドレイン抵抗 10Ω の両端電圧が 0.1～0.3V 程度になっていることを確認してください。

値が大きく外れている場合は FET の半田付けを見直し、 それでも改善しない場合は FET の交換を検討してください。

5. 入力コイルの微調整

その後、FET 入力側の U 字コイルをわずかに変形させて、 ゲインが上がる方向を探りながら調整します。

FET は温度上昇とともに出力が低下し、NF も悪化するため、 放熱は十分に行ってください。
また、入力電圧を 7V 程度まで下げる運用も有効です。

大まかな調整でも GAIN 35dB・NF 1.0 以下程度は十分に狙えますので、 ぜひ製作にチャレンジしてみてください。