HeterodyneEdit
Les premières émissions radio en code Morse ont été produites à l’aide d’un alternateur relié à un éclateur. Le signal de sortie était à une fréquence porteuse définie par la construction physique de l’entrefer, modulée par le signal de courant alternatif de l’alternateur. Comme la sortie de l’alternateur était généralement dans la plage audible, cela produit un signal modulé en amplitude audible (AM). De simples détecteurs radio filtraient la porteuse haute fréquence, laissant la modulation, qui était transmise au casque de l’utilisateur sous forme de signal sonore de points et de tirets.
En 1904, Ernst Alexanderson a présenté l’alternateur Alexanderson, un dispositif qui produisait directement une sortie radiofréquence avec une puissance plus élevée et un rendement beaucoup plus élevé que les anciens systèmes d’éclateurs. Contrairement à l’éclateur, cependant, la sortie de l’alternateur était une onde porteuse pure à une fréquence sélectionnée. Lorsqu’ils sont détectés sur des récepteurs existants, les points et les tirets seraient normalement inaudibles, ou « supersoniques ». En raison des effets de filtrage du récepteur, ces signaux produisaient généralement un clic ou un bruit sourd, qui étaient audibles mais rendaient difficile la détermination du point ou du tiret.
En 1905, l’inventeur canadien Reginald Fessenden a eu l’idée d’utiliser deux alternateurs Alexanderson fonctionnant à des fréquences rapprochées pour diffuser les signaux, au lieu d’un seul. Le récepteur recevrait alors les deux signaux, et dans le cadre du processus de détection, seule la fréquence de battement sortirait du récepteur. En sélectionnant deux porteuses suffisamment proches pour que la fréquence de battement soit audible, le code Morse résultant pouvait à nouveau être facilement entendu, même dans de simples récepteurs. Par exemple, si les deux alternateurs fonctionnaient à des fréquences espacées de 3 kHz, la sortie du casque serait composée de points ou de tirets de tonalité de 3 kHz, ce qui les rendrait facilement audibles.
Fessenden a inventé le terme « hétérodyne », qui signifie « généré par une différence » (en fréquence), pour décrire ce système. Le mot est dérivé des racines grecques hétéro – « différent », et -dyne « pouvoir ».
RegenerationEdit
Le code morse était largement utilisé dans les premiers temps de la radio car il était facile à la fois de produire le signal et de le recevoir. Comme la sortie de l’amplificateur ne doit pas correspondre étroitement à la modulation d’origine du signal reçu, contrairement aux émissions vocales, un nombre quelconque de systèmes d’amplification simples pourraient être utilisés. L’un était dû à un effet secondaire intéressant de la construction des premiers tubes amplificateurs à triode. Si la plaque (anode) et la grille sont connectées à des circuits résonants accordés à la même fréquence, le couplage capacitif parasite entre la grille et la plaque provoquera une oscillation de l’amplificateur si le gain d’étage est beaucoup plus que l’unité.
En 1913, Edwin Howard Armstrong a décrit un système récepteur qui utilisait cet effet pour produire une sortie de code Morse audible à l’aide d’une seule triode. La sortie de l’anode, le signal de sortie après amplification, était reliée à l’entrée par un « tickler », provoquant une rétroaction qui conduisait les signaux d’entrée bien au-delà de l’unité. Cela a fait osciller la sortie à une fréquence choisie avec une grande amplification. Lorsque le signal d’origine s’est coupé à la fin du point ou du tiret, l’oscillation s’est à nouveau désintégrée et le son a disparu après un court délai.
Armstrong a qualifié ce concept de récepteur régénératif, et il est immédiatement devenu l’un des systèmes les plus utilisés de son époque. De nombreux systèmes radio des années 1920 étaient basés sur le principe de régénération, et il a continué à être utilisé dans des rôles spécialisés dans les années 1940, par exemple dans l’IFF Mark II.
RDFEdit
Il y avait un rôle où le système régénératif ne convenait pas, même pour les sources en code Morse, et c’était la tâche de la radiogoniométrie, ou RDF.
Le système de régénération était hautement non linéaire, amplifiant tout signal au-dessus d’un certain seuil d’une quantité énorme, parfois si importante qu’elle le transformait en émetteur (ce qui était tout le concept derrière IFF). En RDF, la force du signal est utilisée pour déterminer l’emplacement de l’émetteur, il faut donc une amplification linéaire pour permettre de mesurer avec précision la force du signal d’origine, souvent très faible.
Pour répondre à ce besoin, les systèmes RDF de l’époque utilisaient des triodes fonctionnant en dessous de l’unité. Pour obtenir un signal utilisable d’un tel système, il a fallu utiliser des dizaines, voire des centaines de triodes, connectées entre elles anode-grille. Ces amplificateurs consommaient d’énormes quantités de puissance et nécessitaient une équipe d’ingénieurs de maintenance pour les faire fonctionner. Néanmoins, la valeur stratégique de la radiogoniométrie sur les signaux faibles était si élevée que l’amirauté britannique estimait que le coût élevé était justifié.
Superhétérodynemodifier
Un des prototypes de récepteurs superhétérodynes construits au laboratoire du Signal Corps d’Armstrong à Paris pendant la Première Guerre mondiale. Il est construit en deux sections, le mélangeur et l’oscillateur local (à gauche) et trois étages d’amplification IF et un étage de détection (à droite). La fréquence intermédiaire était de 75 kHz.
Bien qu’un certain nombre de chercheurs aient découvert le concept superhétérodyne, déposant des brevets à quelques mois d’intervalle (voir ci-dessous), Armstrong est souvent crédité du concept. Il l’a rencontré tout en envisageant de meilleures façons de produire des récepteurs RDF. Il avait conclu que le passage à des fréquences « à ondes courtes » plus élevées rendrait le RDF plus utile et cherchait des moyens pratiques de construire un amplificateur linéaire pour ces signaux. À l’époque, les ondes courtes dépassaient environ 500 kHz, au-delà des capacités de tout amplificateur existant.
Il avait été remarqué que lorsqu’un récepteur régénératif entrait en oscillation, d’autres récepteurs à proximité commençaient également à capter d’autres stations. Armstrong (et d’autres) ont finalement déduit que cela était dû à un « hétérodyne supersonique » entre la fréquence porteuse de la station et la fréquence d’oscillation du récepteur régénératif. Lorsque le premier récepteur a commencé à osciller à des sorties élevées, son signal refluait à travers l’antenne pour être reçu sur n’importe quel récepteur à proximité. Sur ce récepteur, les deux signaux se sont mélangés comme dans le concept hétérodyne original, produisant une sortie qui est la différence de fréquence entre les deux signaux.
Par exemple, considérons un récepteur isolé qui a été accordé à une station à 300 kHz. Si un deuxième récepteur est installé à proximité et réglé sur 400 kHz à gain élevé, il commencera à émettre un signal de 400 kHz qui sera reçu dans le premier récepteur. Dans ce récepteur, les deux signaux se mélangeront pour produire quatre sorties, une aux 300 kHz d’origine, une autre aux 400 kHz reçus, et deux autres, la différence à 100 kHz et la somme à 700 kHz. C’est le même effet que Fessenden avait proposé, mais dans son système, les deux fréquences ont été délibérément choisies pour que la fréquence de battement soit audible. Dans ce cas, toutes les fréquences sont bien au-delà de la plage audible, et donc « supersoniques », d’où le nom de superhétérodyne.
Armstrong s’est rendu compte que cet effet était une solution potentielle au problème d’amplification « à ondes courtes », car la sortie « différence » conservait toujours sa modulation d’origine, mais sur une fréquence porteuse inférieure. Dans l’exemple ci-dessus, on peut amplifier le signal de battement de 100 kHz et en extraire les informations d’origine, le récepteur n’a pas à syntoniser la porteuse d’origine supérieure à 300 kHz. En sélectionnant un ensemble de fréquences approprié, même les signaux à très haute fréquence pourraient être « réduits » à une fréquence qui pourrait être amplifiée par les systèmes existants.
Par example, pour recevoir un signal à 1500 kHz, bien au-delà de la plage d’amplification efficace de l’époque, on pourrait mettre en place un oscillateur à 1560 kHz par example. Armstrong a appelé cela l ‘ »oscillateur local » ou LO. Comme son signal était envoyé dans un deuxième récepteur du même appareil, il n’avait pas besoin d’être puissant, ne générant qu’un signal suffisant pour être à peu près similaire en force à celui de la station reçue. Lorsque le signal de la LO se mélange à celui de la station, l’une des sorties sera la fréquence de différence hétérodyne, dans ce cas, 60 kHz. Il a appelé cette différence résultante la « fréquence intermédiaire » souvent abrégée en « SI ».
En décembre 1919, le major E. H. Armstrong a fait connaître une méthode indirecte d’amplification à ondes courtes, appelée super-hétérodyne. L’idée est de réduire la fréquence entrante, qui peut être par example de 1 500 000 cycles (200 mètres), à une fréquence super-audible appropriée pouvant être amplifiée efficacement, puis de faire passer ce courant dans un amplificateur de fréquence intermédiaire, et enfin de rectifier et de poursuivre à un ou deux étages d’amplification de fréquence audio.
Le « truc » du superhétérodyne est qu’en changeant la fréquence LO, vous pouvez syntoniser différentes stations. Par exemple, pour recevoir un signal à 1300 kHz, on pourrait accorder le LO à 1360 kHz, ce qui donne le même 60 kHz SI. Cela signifie que la section de l’amplificateur peut être réglée pour fonctionner à une seule fréquence, la conception SI, ce qui est beaucoup plus facile à faire efficacement.
développementModifier
Le premier récepteur superhétérodyne commercial, le RCA Radiola AR-812, est sorti le 4 mars 1924 au prix de 286 $ (équivalent à 4 270 $ en 2019). Il utilisait 6 triodes : une table de mixage, un oscillateur local, deux étages IF et deux étages amplificateur audio, avec un IF de 45 kHz. Ce fut un succès commercial, avec de meilleures performances que les récepteurs concurrents.
Armstrong a mis ses idées en pratique et la technique a rapidement été adoptée par les militaires. Il était moins populaire lorsque la radiodiffusion commerciale a commencé dans les années 1920, principalement en raison du besoin d’un tube supplémentaire (pour l’oscillateur), du coût généralement plus élevé du récepteur et du niveau de compétence requis pour le faire fonctionner. Pour les premières radios domestiques, les récepteurs à radiofréquences accordés (TRF) étaient plus populaires car ils étaient moins chers, plus faciles à utiliser pour un propriétaire non technique et moins coûteux à utiliser. Armstrong a finalement vendu son brevet superhétérodyne à Westinghouse, qui l’a ensuite vendu à Radio Corporation of America (RCA), cette dernière monopolisant le marché des récepteurs superhétérodynes jusqu’en 1930.
Les premiers récepteurs superhétérodynes utilisaient desFs aussi faibles que 20 kHz, souvent basées sur l’auto-résonance des transformateurs à noyau de fer. Cela les rendait extrêmement sensibles aux interférences de fréquence d’image, mais à l’époque, l’objectif principal était la sensibilité plutôt que la sélectivité. En utilisant cette technique, un petit nombre de triodes pouvait effectuer le travail qui nécessitait auparavant des dizaines de triodes.
Dans les années 1920, les filtres IF commerciaux ressemblaient beaucoup aux transformateurs de couplage inter-étages audio des années 1920, avaient une construction similaire et étaient câblés de manière presque identique, et ils étaient donc appelés « transformateurs IF ». Au milieu des années 1930, les superhétérodynes utilisaient des fréquences intermédiaires beaucoup plus élevées, (généralement autour de 440-470 kHz), avec des bobines accordées de construction similaire aux bobines d’antenne et d’oscillateur. Le nom « transformateur IF » a été conservé et est toujours utilisé aujourd’hui. Les récepteurs modernes utilisent généralement un mélange de résonateurs en céramique ou de résonateurs SAW (onde acoustique de surface) ainsi que de transformateurs IF à inductance accordée traditionnels.
» Le récepteur de diffusion AM superhétérodyne américain à tubes à vide de cinq pouces des années 1940 était bon marché à fabriquer car il ne nécessitait que cinq tubes.
Dans les années 1930, les améliorations de la technologie des tubes à vide ont rapidement érodé les avantages de coût du récepteur TRF, et l’explosion du nombre de stations de radiodiffusion a créé une demande de récepteurs moins chers et plus performants.
Le développement du tube à vide tétrode contenant une grille d’écran a conduit à un tube à éléments multiples dans lequel les fonctions mélangeur et oscillateur pouvaient être combinées, d’abord utilisé dans le mélangeur dit autodyne. Ceci a été rapidement suivi par l’introduction de tubes spécialement conçus pour un fonctionnement superhétérodyne, notamment le convertisseur pentagrid. En réduisant le nombre de tubes, cela réduisait encore l’avantage des conceptions de récepteurs précédentes.
Au milieu des années 1930, la production commerciale de récepteurs TRF a été largement remplacée par des récepteurs superhétérodynes. Dans les années 1940, le récepteur de diffusion AM superhétérodyne à tubes à vide a été raffiné en une conception bon marché à fabriquer appelée « All American Five », car il utilise cinq tubes à vide: habituellement, un convertisseur (mélangeur / oscillateur local), un amplificateur IF, un détecteur / ampli audio, un ampli de puissance audio et un redresseur. À partir de ce moment, la conception superhétérodyne a été utilisée pour pratiquement tous les récepteurs de radio et de télévision commerciaux.
Patent battlesEdit
L’ingénieur français Lucien Lévy a déposé une demande de brevet pour le principe superhétérodyne en août 1917 avec le brevet n° 493660. Armstrong a également déposé son brevet en 1917. Levy a déposé sa divulgation originale environ sept mois avant celle d’Armstrong. L’inventeur allemand Walter H. Schottky a également déposé un brevet en 1918.
Au début, les États-Unis ont reconnu Armstrong comme l’inventeur, et son brevet américain 1 342 885 a été délivré le 8 juin 1920. Après divers changements et audiences judiciaires, Lévy a obtenu le brevet américain no 1 734 938 qui comprenait sept des neuf revendications de la demande d’Armstrong, tandis que les deux autres revendications ont été accordées à Alexanderson de GE et Kendall de AT&T.
