聞きたい局だけ、入口で選ぶ

前回の困りごと

前回、受信機は自分のスピーカーで声を鳴らせるようになりました。でも 2 つ目の局を入れると、2 人の声と 9 kHz のピー音が重なって、どちらも聞き取れませんでした。利得つまみをどう回しても、2 局の比率は変わりません。増幅器は入ってきたものを公平に大きくする部品で、選ぶ力はないのです。選ぶなら、検波器に入る前、できれば受信機の入口で選ぶしかありません。

予想してから、1つ足す

今日足すのは、コイル L とコンデンサ C を並列につないだ回路です。この組み合わせは、ある 1 つの周波数でだけインピーダンスが大きくなり、その周波数の信号だけを大きな電圧で検波器へ渡します。離れた周波数ではインピーダンスが小さく、信号はグラウンドへ逃げてしまいます。コンデンサは可変にして、つまみで容量を動かせるようにします。足す前に予想してください。つまみを回すと、何が動くでしょう。隣の 1,008 kHz の局はどのくらい弱くなるでしょう。遠く離れた 1,242 kHz の局とでは差があるでしょうか。

動かしてみる

コイルは 200 μH に固定し、可変コンデンサを回していきます。観測端子を同調回路の後ろにしてスペクトルを見ると、1 つの山が周波数軸の上をすーっと動きます。容量を大きくすると山は低い周波数へ、小さくすると高い周波数へ。127 pF のところで山の頂点が 999 kHz にぴたりと乗りました。449 pF では 531 kHz、56 pF では 1,500 kHz。中波放送の帯域を 1 つのつまみで端から端まで動けます。

山を 999 kHz に合わせたまま、観測端子を同調回路の前と後ろで切り替えてみます。前では 999 kHz の縞と、あれば他の局の縞が同じ高さで並んでいます。後ろでは、999 kHz の縞だけが背を伸ばし、離れた縞は低く沈みます。つまみを少しずらして山を 990 kHz に置くと、999 kHz の縞は肩の上へ下がり、スピーカーの声も小さくなります。選局とは、この山の頂点を聞きたい局の上に正確に置く作業です。

山を 999 kHz に合わせて、前回と同じ 2 局を入れます。スピーカーからは 999 kHz の局がはっきり優勢になり、1,008 kHz の局は後ろに下がりました。でも消えてはいません。耳をすませば、まだ隣の声が聞こえます。スペクトルで確かめると、1,008 kHz の搬送波は 999 kHz に比べて 3 dB ほどしか下がっていません。山の幅が広くて、9 kHz 離れた隣はまだ山の肩の上にいるのです。

今度は 1,242 kHz に別の局を置きます。こちらは 27 dB ほど下がって、スピーカーからはほとんど聞こえません。同じ「別の局」でも、山の中心からの距離によって、門の効き方がまるで違います。

では、コイルの損失を減らして山を鋭くすればよいのでしょうか。山の鋭さを決める数を Q と呼び、いまの回路は Q が 50 です。これを 200 まで上げると、1,008 kHz の局は −11 dB まで下がり、ほとんど聞こえなくなりました。ところが同時に、999 kHz の局の声がこもりはじめました。音声の高い成分が削られています。山が鋭すぎて、声が入っている搬送波の両脇の部分まで一緒に切ってしまったのです。

もう 1 つ、困ったことが起きました。山を 1,500 kHz の局に合わせ直すと、Q は同じ 50 なのに、山の幅が 999 kHz のときより広がりました。高い周波数では隣の局がさらに通りやすくなります。つまみの位置によって、同じ回路でも選びやすさが変わってしまうのです。

名前をつける

コイルとコンデンサの並列回路が、ある周波数で特別な振る舞いをする現象が 共振 です。その周波数を共振周波数と呼び、受信機では「希望する局の周波数に共振周波数を合わせる」操作を 同調 と言います。今日つまみで山を動かしていたのは、同調の操作そのものでした。

共振回路には直列と並列の 2 種類があります。今日使った並列回路は、共振周波数でインピーダンスが最大になります。だから 999 kHz の信号は逃げ場がなく、大きな電圧のまま検波器へ渡ります。離れた周波数ではインピーダンスが小さくなり、信号はコイルかコンデンサを通ってグラウンドへ逃げます。直列回路は逆で、共振周波数でインピーダンスが最小、流れる電流が最大になります。どちらも共振周波数の式は同じで、使い分けは「通したい信号を電圧で受けるか、電流で受けるか」で決まります。

山の鋭さは Q で表します。Q が大きいほど山が鋭く、通す幅が狭くなります。「幅」は、頂点から 3 dB 下がった 2 点の間隔で測り、これを帯域幅と呼びます。

ここで、今日の 2 つの困りごとが式で説明できます。1 つ目。隣の局を消すには帯域幅を 9 kHz よりずっと狭くしたいのですが、AM の声は搬送波の両脇に 3 kHz ずつ、合計 6 kHz の幅で入っています。帯域幅を 5 kHz にすると、声の高い成分まで削ってこもります。「隣は消したい、声は残したい」の両方を、1 つの山で同時に満たすのは難しいのです。2 つ目。帯域幅は f₀ を Q で割った値なので、f₀ が高くなるほど同じ Q でも幅が広がります。つまみの位置で選びやすさが変わるのは、この式のとおりです。

受信機の性能として、近い周波数の局をどれだけ分けられるかを 選択度 と呼びます。今日の実験は「同調回路 1 段で、しかも受信周波数ごとに変わる選択度」の限界を見せてくれました。この限界を越える方法が、第5回からの大きなテーマになります。

試験ではこう出る

今日の結果

これで、アンテナ入力・同調・検波・増幅がそろった直接検波ラジオが完成しました。次回は少し変わった一手を打ちます。受信機の中に、自分で「もう 1 つの波」を作ります。音はまだ良くなりませんが、第6回以降の大逆転の仕込みです。

この回で解けるようになる問題

本文の「例題No.」は公益財団法人日本無線協会が公表している CBT 方式の国家試験の例題、「過去問」は同協会の公表試験問題です（日本無線協会 試験問題。同協会の利用条件に基づき掲載）。「オリジナル」は当サイトの作問です。