Heterodinoeditar
Las primeras emisiones de radio de código Morse se produjeron utilizando un alternador conectado a una brecha de chispa. La señal de salida estaba a una frecuencia portadora definida por la construcción física de la brecha, modulada por la señal de corriente alterna del alternador. Dado que la salida del alternador estaba generalmente en el rango audible, esto produce una señal de modulación de amplitud audible (AM). Simples detectores de radio filtraban el portador de alta frecuencia, dejando la modulación, que se transmitía a los auriculares del usuario como una señal audible de puntos y guiones.
En 1904, Ernst Alexanderson introdujo el alternador Alexanderson, un dispositivo que producía directamente una salida de radiofrecuencia con mayor potencia y eficiencia que los sistemas de separación de chispas más antiguos. En contraste con el espacio de chispa, sin embargo, la salida del alternador era una onda portadora pura a una frecuencia seleccionada. Cuando se detectan en receptores existentes, los puntos y guiones normalmente serían inaudibles, o «supersónicos». Debido a los efectos de filtrado del receptor, estas señales generalmente producían un clic o un golpe, que eran audibles pero dificultaban la determinación de puntos o guiones.
En 1905, al inventor canadiense Reginald Fessenden se le ocurrió la idea de usar dos alternadores Alexanderson que operaban a frecuencias muy separadas para transmitir las señales, en lugar de uno. El receptor recibiría entonces ambas señales, y como parte del proceso de detección, solo la frecuencia de latido saldría del receptor. Al seleccionar dos portadores lo suficientemente cerca como para que la frecuencia de latidos fuera audible, el código Morse resultante podría volver a escucharse fácilmente incluso en receptores simples. Por ejemplo, si los dos alternadores funcionaran a frecuencias separadas por 3 kHz, la salida en los auriculares sería puntos o guiones de tono de 3 kHz, haciéndolos fácilmente audibles.
Fessenden acuñó el término «heterodino», que significa «generado por una diferencia» (en frecuencia), para describir este sistema. La palabra se deriva de las raíces griegas hetero – «diferente», y-dina»poder».
Regeneracióneditar
El código Morse fue ampliamente utilizado en los primeros días de la radio porque era fácil tanto producir la señal como recibirla. Debido a que la salida del amplificador no tiene que coincidir estrechamente con la modulación original de la señal recibida, en contraste con las transmisiones de voz, se pueden usar cualquier número de sistemas de amplificación simples. Uno se debió a un interesante efecto secundario de la construcción de los primeros tubos amplificadores de triodos. Si tanto la placa (ánodo) como la rejilla están conectadas a circuitos resonantes sintonizados a la misma frecuencia, el acoplamiento capacitivo extraviado entre la rejilla y la placa hará que el amplificador entre en oscilación si la ganancia de etapa es mucho más que la unidad.
En 1913, Edwin Howard Armstrong describió un sistema receptor que usaba este efecto para producir una salida de código Morse audible usando un solo triodo. La salida del ánodo, la señal de salida después de la amplificación, se conectaba de nuevo a la entrada a través de un «tickler», causando retroalimentación que impulsaba las señales de entrada mucho más allá de la unidad. Esto hizo que la salida oscilara a una frecuencia elegida con gran amplificación. Cuando la señal original cortado al final del punto o guión, la oscilación decayó de nuevo y el sonido desapareció después de un breve retraso.
Armstrong se refirió a este concepto como un receptor regenerativo, e inmediatamente se convirtió en uno de los sistemas más utilizados de su época. Muchos sistemas de radio de la década de 1920 se basaron en el principio regenerativo, y continuó siendo utilizado en funciones especializadas en la década de 1940, por ejemplo en el IFF Mark II.
RDFEdit
Había una función en la que el sistema regenerativo no era adecuado, incluso para fuentes de código Morse, y esa era la tarea de radiogoniometría, o RDF.
El sistema regenerativo era altamente no lineal, amplificando cualquier señal por encima de un cierto umbral en una cantidad enorme, a veces tan grande que hizo que se convirtiera en un transmisor (que era el concepto completo detrás de IFF). En RDF, la fuerza de la señal se usa para determinar la ubicación del transmisor, por lo que se requiere amplificación lineal para permitir que la fuerza de la señal original, a menudo muy débil, se mida con precisión.
Para hacer frente a esta necesidad, los sistemas RDF de la era utilizaron triodos que operaban por debajo de unity. Para obtener una señal utilizable de un sistema de este tipo, se tuvieron que usar decenas o incluso cientos de triodos, conectados entre sí de ánodo a red. Estos amplificadores consumían enormes cantidades de energía y requerían un equipo de ingenieros de mantenimiento para mantenerlos en funcionamiento. Sin embargo, el valor estratégico de la búsqueda de direcciones en señales débiles era tan alto que el Almirantazgo británico sintió que el alto costo estaba justificado.
Superheterodinoeditar
Uno de los prototipos de receptores superheterodinos construidos en el laboratorio Signal Corps de Armstrong en París durante la Primera Guerra Mundial.Está construido en dos secciones, el mezclador y el oscilador local (izquierda) y tres etapas de amplificación IF y una etapa de detector (derecha). La frecuencia intermedia era de 75 kHz.
Aunque varios investigadores descubrieron el concepto de superheterodino, presentando patentes con solo meses de diferencia (ver más abajo), a Armstrong a menudo se le atribuye el concepto. Se encontró con él mientras consideraba mejores formas de producir receptores RDF. Había llegado a la conclusión de que pasar a frecuencias de «onda corta» más altas haría que el RDF fuera más útil y estaba buscando medios prácticos para construir un amplificador lineal para estas señales. En ese momento, la onda corta estaba por encima de los 500 kHz, más allá de las capacidades de cualquier amplificador existente.
Se había notado que cuando un receptor regenerativo entraba en oscilación, otros receptores cercanos comenzaban a captar otras estaciones también. Armstrong (y otros) finalmente dedujeron que esto fue causado por un «heterodino supersónico» entre la frecuencia portadora de la estación y la frecuencia de oscilación del receptor regenerativo. Cuando el primer receptor comenzaba a oscilar a altas salidas, su señal fluía de vuelta a través de la antena para ser recibida en cualquier receptor cercano. En ese receptor, las dos señales se mezclaron tal como lo hicieron en el concepto heterodino original, produciendo una salida que es la diferencia de frecuencia entre las dos señales.
Por ejemplo, considere un receptor solitario que se sintonizó a una estación a 300 kHz. Si se configura un segundo receptor cerca y se establece en 400 kHz con alta ganancia, comenzará a emitir una señal de 400 kHz que se recibirá en el primer receptor. En ese receptor, las dos señales se mezclarán para producir cuatro salidas, una a los 300 kHz originales, otra a los 400 kHz recibidos, y dos más, la diferencia a 100 kHz y la suma a 700 kHz. Este es el mismo efecto que Fessenden había propuesto, pero en su sistema las dos frecuencias fueron elegidas deliberadamente para que la frecuencia de latidos fuera audible. En este caso, todas las frecuencias están mucho más allá del rango audible, y por lo tanto «supersónicas», dando lugar al nombre de superheterodino.
Armstrong se dio cuenta de que este efecto era una solución potencial al problema de amplificación de «onda corta», ya que la salida de «diferencia» aún conservaba su modulación original, pero en una frecuencia portadora más baja. En el ejemplo anterior, se puede amplificar la señal de latido de 100 kHz y recuperar la información original de eso, el receptor no tiene que sintonizar el portador original de 300 kHz más alto. Al seleccionar un conjunto apropiado de frecuencias, incluso las señales de muy alta frecuencia podrían «reducirse» a una frecuencia que podría ser amplificada por los sistemas existentes.
Por ejemplo, para recibir una señal a 1500 kHz, mucho más allá del rango de amplificación eficiente en ese momento, se podría configurar un oscilador a, por ejemplo, 1560 kHz. Armstrong se refirió a esto como el» oscilador local » o LO. Como su señal se estaba alimentando a un segundo receptor en el mismo dispositivo, no tenía que ser potente, generando solo suficiente señal para ser aproximadamente similar en fuerza a la de la estación recibida. Cuando la señal del LO se mezcla con la de la estación, una de las salidas será la frecuencia de diferencia heterodina, en este caso, 60 kHz. Denominó a esta diferencia resultante la «frecuencia intermedia» a menudo abreviada como «SI».
En diciembre de 1919, el Mayor E. H. Armstrong dio publicidad a un método indirecto para obtener amplificación de onda corta, llamado superheterodino. La idea es reducir la frecuencia de entrada, que puede ser, por ejemplo, 1.500.000 ciclos (200 metros), a una frecuencia súper audible adecuada que se pueda amplificar de manera eficiente, luego pasar esta corriente a través de un amplificador de frecuencia intermedia, y finalmente rectificar y continuar a una o dos etapas de amplificación de frecuencia de audio.
El «truco» para el superheterodino es que al cambiar la frecuencia LO puede sintonizar en diferentes estaciones. Por ejemplo, para recibir una señal a 1300 kHz, uno podría sintonizar el LO a 1360 kHz, lo que resulta en el mismo IF de 60 kHz. Esto significa que la sección del amplificador se puede ajustar para funcionar a una sola frecuencia, el diseño IF, que es mucho más fácil de hacer de manera eficiente.
desarrolloEditar
El primer receptor superheterodino comercial, el RCA Radiola AR-812, salió el 4 de marzo de 1924 a un precio de 2 286 (equivalente a 4 4,270 en 2019). Utilizó 6 triodos: un mezclador, un oscilador local, dos etapas de IF y dos etapas de amplificador de audio, con un IF de 45 kHz. Fue un éxito comercial, con un mejor rendimiento que los receptores de la competencia.
Armstrong puso en práctica sus ideas, y la técnica pronto fue adoptada por los militares. Fue menos popular cuando la radiodifusión comercial comenzó en la década de 1920, principalmente debido a la necesidad de un tubo extra (para el oscilador), el costo generalmente más alto del receptor y el nivel de habilidad requerido para operarlo. Para las primeras radios domésticas, los receptores de radiofrecuencia sintonizados (TRF) eran más populares porque eran más baratos, más fáciles de usar para un propietario no técnico y menos costosos de operar. Armstrong finalmente vendió su patente de superheterodino a Westinghouse, quien luego la vendió a Radio Corporation of America (RCA), que monopolizó el mercado de receptores superheterodinos hasta 1930.
Los primeros receptores superheterodinos usaban IFs tan bajos como 20 kHz, a menudo basados en la auto-resonancia de los transformadores de núcleo de hierro. Esto los hacía extremadamente susceptibles a la interferencia de frecuencia de imagen, pero en ese momento, el objetivo principal era la sensibilidad en lugar de la selectividad. Usando esta técnica, un pequeño número de triodos podría hacer el trabajo que antes requería docenas de triodos.
En la década de 1920, los filtros IF comerciales se veían muy similares a los transformadores de acoplamiento interetapa de audio de la década de 1920, tenían una construcción similar y estaban conectados de una manera casi idéntica, por lo que se les conocía como «transformadores IF». A mediados de la década de 1930, los superheterodinos usaban frecuencias intermedias mucho más altas, (típicamente alrededor de 440-470 kHz), con bobinas sintonizadas similares en construcción a las bobinas aéreas y osciladoras. El nombre «IF transformer» se mantuvo y todavía se usa hoy en día. Los receptores modernos suelen utilizar una mezcla de resonadores cerámicos o resonadores de sierra (onda acústica de superficie), así como transformadores IF tradicionales de inductor sintonizado.
«El receptor de transmisión AM superheterodino de tubo de vacío de cinco pulgadas estadounidense de la década de 1940 era barato de fabricar porque solo requería cinco tubos.
En la década de 1930, las mejoras en la tecnología de tubos de vacío erosionaron rápidamente las ventajas de costo del receptor TRF, y la explosión en el número de estaciones de radiodifusión creó una demanda de receptores más baratos y de mayor rendimiento.
El desarrollo del tubo de vacío tetrodo que contiene una rejilla de malla condujo a un tubo de elementos múltiples en el que se podían combinar las funciones del mezclador y el oscilador, utilizado por primera vez en el llamado mezclador autodino. Esto fue seguido rápidamente por la introducción de tubos diseñados específicamente para operación superheterodina, especialmente el convertidor pentagrid. Al reducir el número de tubos, esto redujo aún más la ventaja de los diseños de receptores anteriores.
A mediados de la década de 1930, la producción comercial de receptores TRF fue reemplazada en gran medida por receptores superheterodinos. En la década de 1940, el receptor de transmisión AM superheterodino de tubo de vacío se refinó en un diseño de fabricación barata llamado «All American Five», porque utiliza cinco tubos de vacío: por lo general, un convertidor (mezclador/oscilador local), un amplificador IF, un detector/amplificador de audio, un amplificador de potencia de audio y un rectificador. A partir de este momento, el diseño superheterodino se utilizó para prácticamente todos los receptores de radio y TV comerciales.
Batallas de patenteseditar
El ingeniero francés Lucien Lévy presentó una solicitud de patente para el principio superheterodino en agosto de 1917 con el brevet n° 493660. Armstrong también presentó su patente en 1917. Levy presentó su declaración original unos siete meses antes que Armstrong.El inventor alemán Walter H. Schottky también presentó una patente en 1918.
Al principio, los Estados Unidos reconocieron a Armstrong como el inventor, y su Patente estadounidense 1.342.885 fue emitida el 8 de junio de 1920. Después de varios cambios y audiencias judiciales, Lévy recibió la patente estadounidense No 1,734,938 que incluía siete de las nueve reclamaciones en la solicitud de Armstrong, mientras que las dos reclamaciones restantes se otorgaron a Alexanderson de GE y Kendall de AT& T.
