Superheterodyne modtager

HeterodyneEdit

tidlige Morse kode radioudsendelser blev produceret ved hjælp af en generator tilsluttet et gnistgab. Udgangssignalet var ved en bærefrekvens defineret af den fysiske konstruktion af spalten, moduleret af vekselstrømssignalet fra generatoren. Da generatorens udgang generelt var i det hørbare område, frembringer dette et hørbart amplitudemoduleret (AM) signal. Enkle radiodetektorer filtrerede højfrekvensbæreren ud og efterlod moduleringen, som blev videregivet til brugerens hovedtelefoner som et lydsignal af prikker og bindestreger.

i 1904 introducerede Ernst aleksanderson generatoren, en enhed, der direkte producerede radiofrekvensudgang med højere effekt og meget højere effektivitet end de ældre gnistgabssystemer. I modsætning til gnistgabet var udgangen fra generatoren imidlertid en ren bærebølge ved en valgt frekvens. Når de opdages på eksisterende modtagere, vil prikker og bindestreger normalt være uhørbare eller “supersoniske”. På grund af modtagerens filtreringseffekter producerede disse signaler generelt et klik eller dunk, som var hørbare, men gjorde det vanskeligt at bestemme prik eller bindestreg.

i 1905 kom den canadiske opfinder Reginald Fessenden på ideen om at bruge to aleksanderson-generatorer, der opererer ved tæt adskilte frekvenser til at udsende signalerne i stedet for en. Modtageren ville derefter modtage begge signaler, og som en del af detektionsprocessen ville kun beatfrekvensen forlade modtageren. Ved at vælge to bærere tæt nok til, at taktfrekvensen var hørbar, kunne den resulterende Morse-kode igen let høres, selv i enkle modtagere. For eksempel, hvis de to generatorer drives ved frekvenser 3 KHS fra hinanden, ville udgangen i hovedtelefonerne være prikker eller bindestreger med 3 KHS tone, hvilket gør dem let hørbare.

Fessenden opfandt udtrykket “heterodyne”, der betyder “genereret af en forskel” (i frekvens) for at beskrive dette system. Ordet er afledt af de græske rødder hetero- “forskellige”, og-dyne”magt”.

RegenerationEdit

Morse-kode blev meget brugt i de tidlige dage af radio, fordi det var let både at producere signalet såvel som at modtage det. Da udgangen fra forstærkeren ikke behøver at matche den oprindelige modulering af det modtagne signal, i modsætning til stemmeudsendelser, kunne et hvilket som helst antal enkle forstærkningssystemer anvendes. Den ene skyldtes en interessant bivirkning ved konstruktionen af tidlige triodeforstærkerrør. Hvis både Pladen (anode) og gitteret er forbundet til resonanskredsløb, der er indstillet til den samme frekvens, vil stray kapacitiv kobling mellem gitteret og pladen få forstærkeren til at gå i svingning, hvis sceneforstærkningen er meget mere end enhed.

i 1913 beskrev Armstrong et modtagersystem, der brugte denne effekt til at producere hørbar Morse-kodeudgang ved hjælp af en enkelt triode. Udgangen af anoden, udgangssignalet efter forstærkning, blev forbundet tilbage til indgangen gennem en “tickler”, hvilket forårsagede feedback, der kørte indgangssignaler langt ud over enhed. Dette fik output til at svinge ved en valgt frekvens med stor forstærkning. Når det originale signal blev afbrudt i slutningen af prikken eller bindestreg, faldt Svingningen igen, og lyden forsvandt efter en kort forsinkelse.

Armstrong henviste til dette koncept som en regenerativ modtager, og det blev straks et af de mest anvendte systemer i sin æra. Mange radiosystemer fra 1920 ‘erne var baseret på det regenerative princip, og det blev fortsat brugt i specialiserede roller ind i 1940’ erne, for eksempel i IFF Mark II.

RDFEdit

der var en rolle, hvor det regenerative system ikke var egnet, selv for Morse-kodekilder, og det var opgaven med radioretningsfinding eller RDF.

det regenerative system var meget ikke-lineært og forstærkede ethvert signal over en bestemt tærskel med en enorm mængde, nogle gange så stort, at det fik det til at blive til en sender (som var hele konceptet bag iff). I RDF bruges signalets styrke til at bestemme placeringen af senderen, så man kræver lineær forstærkning for at gøre det muligt at måle styrken af det originale signal, ofte meget svagt, nøjagtigt.

for at imødekomme dette behov brugte RDF-systemer fra æraen trioder, der opererer under Enhed. For at få et brugbart signal fra et sådant system måtte tiere eller endda hundreder af trioder bruges, forbundet sammen anode-til-gitter. Disse forstærkere trak enorme mængder strøm og krævede et team af vedligeholdelsesingeniører for at holde dem i gang. Ikke desto mindre var den strategiske værdi af retningsfinding på svage signaler så høj, at det britiske admiralitet følte, at de høje omkostninger var berettigede.

superheterodyne

en af prototypen superheterodyne-modtagere bygget på Armstrongs Signal Corps-laboratorium i Paris under Første Verdenskrig I. Det er konstrueret i to sektioner, blanderen og den lokale oscillator (venstre) og tre if-forstærkningstrin og et detektorstadium (højre). Mellemfrekvensen var 75 KHS.

selvom en række forskere opdagede superheterodyne-konceptet og arkiverede patenter kun med måneders mellemrum (se nedenfor), krediteres Armstrong ofte med konceptet. Han stødte på det, mens han overvejede bedre måder at producere RDF-modtagere på. Han havde konkluderet, at flytning til højere “kortbølgefrekvenser” ville gøre RDF mere nyttigt og ledte efter praktiske midler til at opbygge en lineær forstærker til disse signaler. På det tidspunkt var kortbølgen noget over omkring 500 KHS, ud over enhver eksisterende forstærkers kapacitet.

det var blevet bemærket, at når en regenerativ modtager gik i svingning, ville andre nærliggende modtagere også begynde at hente andre stationer. Armstrong (og andre) udledte til sidst, at dette var forårsaget af en “supersonisk heterodyne” mellem stationens bærefrekvens og den regenerative modtagers svingningsfrekvens. Da den første modtager begyndte at svinge ved høje udgange, ville dens signal strømme tilbage gennem antennen, der skulle modtages på en hvilken som helst modtager i nærheden. På den modtager blandede de to signaler ligesom de gjorde i det originale heterodyne-koncept og producerede et output, der er forskellen i frekvens mellem de to signaler.

for eksempel overveje en enlig modtager, der var indstillet til en station på 300 KHS. Hvis en anden modtager er indstillet i nærheden og indstillet til 400 KHS med høj forstærkning, vil den begynde at afgive et 400 KHS signal, der vil blive modtaget i den første modtager. I denne modtager vil de to signaler blandes for at producere fire udgange, en ved den oprindelige 300 KHS, en anden ved den modtagne 400 KHS og to mere, forskellen ved 100 KHS og summen ved 700 KHS. Dette er den samme effekt, som Fessenden havde foreslået, men i hans system blev de to frekvenser bevidst valgt, så beatfrekvensen var hørbar. I dette tilfælde er alle frekvenserne langt ud over det hørbare område og dermed “supersonisk”, hvilket giver anledning til navnet superheterodyne.

Armstrong indså, at denne effekt var en potentiel løsning på “kortbølge” – forstærkningsproblemet, da “forskellen” – output stadig bevarede sin oprindelige modulering, men på en lavere bærefrekvens. I eksemplet ovenfor kan man forstærke 100 KHS beat-signalet og hente de originale oplysninger fra det, modtageren behøver ikke at indstille den højere 300 KHS originale bærer. Ved at vælge et passende sæt frekvenser kunne selv meget højfrekvente signaler “reduceres” til en frekvens, der kunne forstærkes af eksisterende systemer.

for eksempel at modtage et signal ved 1500 KHS, langt ud over rækkevidden af effektiv forstærkning på det tidspunkt, kunne man oprette en oscillator ved for eksempel 1560 KHS. Armstrong omtalte dette som” local oscillator ” eller LO. Da signalet blev ført ind i en anden modtager i den samme enhed, behøvede det ikke at være kraftigt og genererede kun nok signal til at være omtrent ens i styrke som den modtagne station. Når signalet fra LO blandes med stationens, vil en af udgangene være heterodyne forskelfrekvensen, i dette tilfælde 60 KHS. Han kaldte denne resulterende forskel “mellemfrekvens “ofte forkortet til”hvis”.

i December 1919 gav Major E. H. Armstrong reklame for en indirekte metode til opnåelse af kortbølgeforstærkning, kaldet super-heterodyne. Ideen er at reducere den indkommende frekvens, som for eksempel kan være 1.500.000 cyklusser (200 meter), til en passende super-hørbar frekvens, der kan forstærkes effektivt, derefter passere denne strøm gennem en mellemfrekvensforstærker og endelig rette og fortsætte til et eller to trin i lydfrekvensforstærkning.

“tricket” til superheterodyne er, at ved at ændre lo-frekvensen kan du indstille forskellige stationer. For eksempel for at modtage et signal ved 1300 KHS, kunne man indstille LO til 1360 KHS, hvilket resulterede i den samme 60 KHS IF. Dette betyder, at forstærkersektionen kan indstilles til at fungere med en enkelt frekvens, designet IF, hvilket er meget lettere at gøre effektivt.

udviklingRediger

den første kommercielle superheterodyne-modtager, RCA Radiola AR-812, bragte 4.marts 1924 til en pris af $286 (svarende til $4.270 i 2019). Det brugte 6 trioder: en blander, lokal oscillator, to IF og to lydforstærkertrin, med en IF på 45 KHS. Det var en kommerciel succes med bedre ydelse end konkurrerende modtagere.

Armstrong satte sine ideer i praksis, og teknikken blev snart vedtaget af militæret. Det var mindre populært, da kommerciel radioudsendelse begyndte i 1920 ‘ erne, hovedsagelig på grund af behovet for et ekstra rør (til oscillatoren), de generelt højere omkostninger ved modtageren og det niveau af dygtighed, der kræves for at betjene det. For tidlige indenlandske radioer var tunede radiofrekvensmodtagere (TRF) mere populære, fordi de var billigere, lettere for en ikke-teknisk ejer at bruge og billigere at betjene. Armstrong solgte til sidst sit superheterodyne-patent til Vestinghouse, som derefter solgte det til Radio Corporation of America (RCA), sidstnævnte monopoliserede markedet for superheterodyne-modtagere indtil 1930.

tidlige superheterodyne-modtagere brugte IFs så lave som 20 KHS, ofte baseret på selvresonans af jernkernetransformatorer. Dette gjorde dem ekstremt modtagelige for billedfrekvensinterferens, men på det tidspunkt var hovedmålet følsomhed snarere end selektivitet. Ved hjælp af denne teknik kunne et lille antal trioder udføre det arbejde, der tidligere krævede snesevis af trioder.

i 1920 ‘erne lignede kommercielle if-filtre meget 1920’ ernes lydinterstage-koblingstransformatorer, havde lignende konstruktion og blev kablet op på en næsten identisk måde, og så blev de omtalt som “if-transformere”. I midten af 1930 ‘ erne brugte superheterodyner meget højere mellemfrekvenser (typisk omkring 440-470 KHS) med indstillede spoler, der ligner konstruktionen som antenne-og oscillatorspolerne. Navnet” if transformer ” blev bevaret og bruges stadig i dag. Moderne modtagere bruger typisk en blanding af keramisk resonator eller sav (overflade-akustisk bølge) resonatorer såvel som traditionel tunet-induktor IF transformere.

i 1930 ‘ erne eroderede forbedringer i vakuumrørsteknologi hurtigt TRF-modtagerens omkostningsfordele, og eksplosionen i antallet af tv-stationer skabte en efterspørgsel efter billigere modtagere med højere ydelse.

udviklingen af tetrode-vakuumrøret indeholdende et skærmgitter førte til et multielementrør, hvori blanderen og oscillatorfunktionerne kunne kombineres, først anvendt i den såkaldte autodyne-blander. Dette blev hurtigt efterfulgt af introduktionen af rør specielt designet til superheterodyne-drift, især pentagrid-konverteren. Ved at reducere antallet af rør reducerede dette yderligere fordelen ved foregående modtagerdesign.

i midten af 1930 ‘ erne blev kommerciel produktion af TRF-modtagere stort set erstattet af superheterodyne-modtagere. I 1940 ‘erne vakuumrør superheterodyne AM broadcast-modtager blev raffineret til et billigt at fremstille design kaldet “All American Five”, fordi det bruger fem vakuumrør: normalt en konverter (blander/lokal oscillator), en if-forstærker, en detektor/lydforstærker, lydforstærkerog en ensretter. Fra dette tidspunkt blev superheterodyne-designet brugt til stort set alle kommercielle radio-og TV-modtagere.

Patent battlesEdit

den franske ingeniør Lucien L Larsvy indgav en patentansøgning om superheterodyne-princippet i August 1917 med brevet n Larse 493660. Armstrong indgav også sit patent i 1917. Levy indgav sin oprindelige offentliggørelse omkring syv måneder før Armstrongs.tysk opfinder H. Schottky indgav også et patent i 1918.

først anerkendte USA Armstrong som opfinderen, og hans amerikanske Patent 1.342.885 blev udstedt den 8.juni 1920. 1.734.938, der omfattede syv af de ni krav i Armstrongs ansøgning, mens de to resterende krav blev tildelt Aleksanderson fra GE og Kendall fra at& T.