Ricevitore supereterodina

HeterodyneEdit

Le prime trasmissioni radio in codice Morse sono state prodotte utilizzando un alternatore collegato a uno spark gap. Il segnale di uscita era a una frequenza portante definita dalla costruzione fisica del gap, modulata dal segnale di corrente alternata proveniente dall’alternatore. Poiché l’uscita dell’alternatore era generalmente nella gamma udibile, questo produce un segnale modulato di ampiezza udibile (AM). Semplici rilevatori radio filtravano il vettore ad alta frequenza, lasciando la modulazione, che veniva trasmessa alle cuffie dell’utente come segnale acustico di punti e trattini.

Nel 1904, Ernst Alexanderson introdusse l’alternatore Alexanderson, un dispositivo che produceva direttamente un’uscita a radiofrequenza con una potenza maggiore e un’efficienza molto più elevata rispetto ai vecchi sistemi spark gap. In contrasto con lo spark gap, tuttavia, l’uscita dall’alternatore era un’onda portante pura a una frequenza selezionata. Se rilevati su ricevitori esistenti, i punti e i trattini sarebbero normalmente non udibili o”supersonici”. A causa degli effetti di filtraggio del ricevitore, questi segnali generalmente producevano un clic o un tonfo, che erano udibili ma rendevano difficile determinare il punto o il trattino.

Nel 1905, l’inventore canadese Reginald Fessenden si avvicinò con l’idea di utilizzare due alternatori Alexanderson che operano a frequenze ravvicinate per trasmettere i segnali, invece di uno. Il ricevitore riceverebbe quindi entrambi i segnali e, come parte del processo di rilevamento, solo la frequenza del battito uscirebbe dal ricevitore. Selezionando due vettori abbastanza vicino che la frequenza del battito era udibile, il codice Morse risultante potrebbe ancora una volta essere facilmente ascoltato anche in semplici ricevitori. Per esempio, se i due alternatori operavano a frequenze 3 kHz a parte, l’uscita nelle cuffie sarebbe punti o trattini di tono 3 kHz, che li rende facilmente udibile.

Fessenden coniò il termine “eterodina”, che significa “generato da una differenza” (in frequenza), per descrivere questo sistema. La parola deriva dalle radici greche etero- “diverso”, e-dyne”potere”.

RegenerationEdit

Il codice Morse era ampiamente utilizzato nei primi giorni della radio perché era facile sia produrre il segnale che riceverlo. Poiché l’uscita dall’amplificatore non deve corrispondere strettamente alla modulazione originale del segnale ricevuto, a differenza delle trasmissioni vocali, è possibile utilizzare qualsiasi numero di semplici sistemi di amplificazione. Uno era dovuto ad un interessante effetto collaterale della costruzione dei primi tubi amplificatori a triodo. Se sia la piastra (anodo) che la griglia sono collegate a circuiti risonanti sintonizzati alla stessa frequenza, l’accoppiamento capacitivo randagio tra la griglia e la piastra causerà l’oscillazione dell’amplificatore se il guadagno dello stadio è molto più dell’unità.

Nel 1913, Edwin Howard Armstrong descrisse un sistema ricevente che utilizzava questo effetto per produrre un’uscita udibile in codice Morse usando un singolo triodo. L’uscita dell’anodo, il segnale di uscita dopo l’amplificazione, è stato collegato all’ingresso attraverso un “tickler”, causando un feedback che ha spinto i segnali di ingresso ben oltre l’unità. Ciò ha causato l’uscita di oscillare ad una frequenza scelta con grande amplificazione. Quando il segnale originale si interrompe alla fine del punto o del trattino, l’oscillazione decade di nuovo e il suono scompare dopo un breve ritardo.

Armstrong si riferiva a questo concetto come ricevitore rigenerativo e divenne immediatamente uno dei sistemi più utilizzati della sua epoca. Molti sistemi radio del 1920 erano basati sul principio rigenerativo, e ha continuato ad essere utilizzato in ruoli specializzati nel 1940, per esempio nel IFF Mark II.

RDFEdit

C’era un ruolo in cui il sistema rigenerativo non era adatto, nemmeno per le sorgenti di codice Morse, e questo era il compito di radio direction finding, o RDF.

Il sistema rigenerativo era altamente non lineare, amplificando qualsiasi segnale al di sopra di una certa soglia di una quantità enorme, a volte così grande da trasformarlo in un trasmettitore (che era l’intero concetto alla base dell’IFF). In RDF, la forza del segnale viene utilizzata per determinare la posizione del trasmettitore, quindi è necessaria un’amplificazione lineare per consentire di misurare con precisione la forza del segnale originale, spesso molto debole.

Per far fronte a questa necessità, i sistemi RDF dell’epoca utilizzavano triodi che operavano sotto unity. Per ottenere un segnale utilizzabile da un tale sistema, dovevano essere utilizzati decine o addirittura centinaia di triodi, collegati tra loro da anodo a griglia. Questi amplificatori hanno attirato enormi quantità di potenza e hanno richiesto un team di ingegneri di manutenzione per mantenerli in funzione. Tuttavia, il valore strategico della ricerca della direzione su segnali deboli era così alto che l’Ammiragliato britannico riteneva che l’alto costo fosse giustificato.

Supereterodynemodifica

Uno dei prototipi di ricevitori supereterodina costruiti presso il Signal Corps laboratory di Armstrong a Parigi durante la prima guerra mondiale.È costruito in due sezioni, il mixer e l’oscillatore locale (a sinistra) e tre stadi di amplificazione IF e uno stadio rivelatore (a destra). La frequenza intermedia era di 75 kHz.

Anche se un certo numero di ricercatori ha scoperto il concetto supereterodina, deposito di brevetti solo mesi di distanza (vedi sotto), Armstrong è spesso accreditato con il concetto. Si è imbattuto in esso, mentre considerando modi migliori per produrre ricevitori RDF. Aveva concluso che il passaggio a frequenze più alte di “onde corte” avrebbe reso RDF più utile e stava cercando mezzi pratici per costruire un amplificatore lineare per questi segnali. All’epoca, l’onda corta era superiore a circa 500 kHz, al di là delle capacità di qualsiasi amplificatore esistente.

Era stato notato che quando un ricevitore rigenerativo andava in oscillazione, altri ricevitori vicini iniziavano a raccogliere anche altre stazioni. Armstrong (e altri) alla fine dedusse che ciò era causato da una “eterodina supersonica” tra la frequenza portante della stazione e la frequenza di oscillazione del ricevitore rigenerativo. Quando il primo ricevitore ha cominciato ad oscillare ad alte uscite, il suo segnale sarebbe fluire di nuovo fuori attraverso l’antenna per essere ricevuto su qualsiasi ricevitore nelle vicinanze. Su quel ricevitore, i due segnali mescolati proprio come hanno fatto nel concetto eterodina originale, producendo un’uscita che è la differenza di frequenza tra i due segnali.

Ad esempio, si consideri un ricevitore solitario che è stato sintonizzato su una stazione a 300 kHz. Se un secondo ricevitore è impostato nelle vicinanze e impostato su 400 kHz con alto guadagno, inizierà a emettere un segnale di 400 kHz che verrà ricevuto nel primo ricevitore. In quel ricevitore, i due segnali si mescoleranno per produrre quattro uscite, una a 300 kHz originale, un’altra a 400 kHz ricevuta e altre due, la differenza a 100 kHz e la somma a 700 kHz. Questo è lo stesso effetto che Fessenden aveva proposto, ma nel suo sistema le due frequenze sono state scelte deliberatamente in modo che la frequenza del battito fosse udibile. In questo caso, tutte le frequenze sono ben oltre la gamma udibile, e quindi “supersonica”, dando origine al nome supereterodina.

Armstrong si rese conto che questo effetto era una potenziale soluzione al problema dell’amplificazione “a onde corte”, poiché l’uscita “a differenza” manteneva ancora la sua modulazione originale, ma su una frequenza portante inferiore. Nell’esempio sopra, si può amplificare il segnale di battito a 100 kHz e recuperare le informazioni originali da quello, il ricevitore non deve sintonizzarsi sul vettore originale a 300 kHz più alto. Selezionando un insieme appropriato di frequenze, anche i segnali ad altissima frequenza potrebbero essere “ridotti” a una frequenza che potrebbe essere amplificata dai sistemi esistenti.

Ad esempio, per ricevere un segnale a 1500 kHz, ben oltre la gamma di amplificazione efficiente al momento, si potrebbe impostare un oscillatore a, ad esempio, 1560 kHz. Armstrong si riferiva a questo come “oscillatore locale” o LO. Poiché il suo segnale veniva alimentato in un secondo ricevitore nello stesso dispositivo, non doveva essere potente, generando solo un segnale sufficiente per avere una forza approssimativamente simile a quella della stazione ricevuta. Quando il segnale dal LO si mescola con la stazione, una delle uscite sarà la frequenza differenza eterodina, in questo caso, 60 kHz. Ha definito questa differenza risultante la “frequenza intermedia” spesso abbreviata in “IF”.

Nel dicembre 1919, il maggiore E. H. Armstrong diede pubblicità a un metodo indiretto per ottenere l’amplificazione ad onde corte, chiamato super-eterodina. L’idea è di ridurre la frequenza in entrata, che può essere, ad esempio 1.500.000 cicli (200 metri), ad una frequenza super-udibile adatta che può essere amplificata in modo efficiente, quindi passare questa corrente attraverso un amplificatore a frequenza intermedia, e infine rettificare e portare a uno o due stadi di amplificazione della frequenza audio.

Il “trucco” per la supereterodina è che cambiando la frequenza LO è possibile sintonizzare diverse stazioni. Ad esempio, per ricevere un segnale a 1300 kHz, si potrebbe sintonizzare LO a 1360 kHz, risultando nello stesso 60 kHz IF. Ciò significa che la sezione amplificatore può essere sintonizzato per operare ad una singola frequenza, il design SE, che è molto più facile da fare in modo efficiente.

Sviluppomodifica

Il primo ricevitore supereterodina commerciale, la RCA Radiola AR-812, uscito il 4 marzo 1924 al prezzo di $286 (equivalente a $4.270 nel 2019). Ha usato 6 triodi: un mixer, oscillatore locale, due IF e due stadi di amplificatore audio, con un IF di 45 kHz. Fu un successo commerciale, con prestazioni migliori rispetto ai ricevitori concorrenti.

Armstrong mise in pratica le sue idee e la tecnica fu presto adottata dai militari. Era meno popolare quando le trasmissioni radio commerciali iniziarono nel 1920, principalmente a causa della necessità di un tubo extra (per l’oscillatore), del costo generalmente più elevato del ricevitore e del livello di abilità richiesto per azionarlo. Per le prime radio domestiche, i ricevitori a radiofrequenza sintonizzati (TRF) erano più popolari perché erano più economici, più facili da usare per un proprietario non tecnico e meno costosi da utilizzare. Armstrong alla fine vendette il suo brevetto supereterodina alla Westinghouse, che poi lo vendette alla Radio Corporation of America (RCA), quest’ultima monopolizzando il mercato dei ricevitori supereterodina fino al 1930.

I primi ricevitori supereterodina utilizzavano IF a partire da 20 kHz, spesso basati sull’auto-risonanza dei trasformatori con nucleo di ferro. Ciò li rendeva estremamente suscettibili alle interferenze di frequenza dell’immagine, ma all’epoca l’obiettivo principale era la sensibilità piuttosto che la selettività. Usando questa tecnica, un piccolo numero di triodi potrebbe fare il lavoro che in precedenza richiedeva dozzine di triodi.

Nel 1920, i filtri IF commerciali sembravano molto simili ai trasformatori di accoppiamento interstadio audio del 1920, avevano una costruzione simile e venivano cablati in modo quasi identico, e quindi venivano chiamati “trasformatori IF”. Verso la metà degli anni 1930 le supereterodine usavano frequenze intermedie molto più alte, (tipicamente intorno ai 440-470 kHz), con bobine sintonizzate simili nella costruzione alle bobine aeree e dell’oscillatore. Il nome “IF transformer” è stato mantenuto ed è ancora usato oggi. I ricevitori moderni utilizzano tipicamente una miscela di risonatori ceramici o di risonatori a sega (onde acustiche di superficie)e trasformatori IF sintonizzati tradizionali.

Nel 1930, i miglioramenti nella tecnologia dei tubi a vuoto erodevano rapidamente i vantaggi di costo del ricevitore TRF e l’esplosione del numero di stazioni di trasmissione creava una domanda di ricevitori più economici e dalle prestazioni più elevate.

Lo sviluppo del tubo a vuoto tetrode contenente una griglia a schermo ha portato a un tubo multi-elemento in cui le funzioni del mixer e dell’oscillatore potevano essere combinate, utilizzato per la prima volta nel cosiddetto mixer autodyne. Questo è stato rapidamente seguito dall’introduzione di tubi specificamente progettati per il funzionamento supereterodina, in particolare il convertitore pentagrid. Riducendo il numero di tubi, questo ha ulteriormente ridotto il vantaggio dei precedenti progetti di ricevitori.

Entro la metà degli anni 1930, la produzione commerciale di ricevitori TRF fu in gran parte sostituita da ricevitori supereterodina. Dal 1940 il tubo a vuoto supereterodina AM ricevitore broadcast è stato raffinato in un design a basso costo-to-fabbricazione chiamato “All American Five”, perché utilizza cinque tubi a vuoto: di solito un convertitore (mixer / oscillatore locale), un amplificatore IF, un rilevatore/amplificatore audio, amplificatore di potenza audio e un raddrizzatore. Da questo momento, il design supereterodina è stato utilizzato praticamente per tutti i ricevitori radio e TV commerciali.

Patent battlesEdit

L’ingegnere francese Lucien Lévy presentò una domanda di brevetto per il principio della supereterodina nell’agosto 1917 con brevetto n° 493660. Armstrong ha anche depositato il suo brevetto nel 1917. Levy ha presentato la sua divulgazione originale circa sette mesi prima di Armstrong. Inventore tedesco Walter H. Schottky anche depositato un brevetto nel 1918.

In un primo momento gli Stati Uniti riconobbero Armstrong come inventore, e il suo brevetto statunitense 1.342.885 fu rilasciato l ‘ 8 giugno 1920. Dopo vari cambiamenti e udienze, Lévy ottenne il brevetto statunitense n. 1.734.938 che includeva sette delle nove rivendicazioni nella domanda di Armstrong, mentre le due richieste rimanenti furono concesse ad Alexanderson di GE e Kendall di AT&T.