スーパーヘテロダイン受信機

ヘテロダイン

初期のモールス符号ラジオ放送は、スパークギャップに接続されたオルタネーターを使用して製造された。 出力信号は、オルタネータからの交流信号によって変調されたギャップの物理的な構成によって定義された搬送周波数であった。 オルタネータの出力は一般に可聴範囲にあったので、これは可聴振幅変調（AM）信号を生成する。 単純な無線検出器は、ドットとダッシュの可聴信号としてユーザーのヘッドフォンに渡された変調を残して、高周波キャリアを除外しました。

1904年、エルンスト-アレクサンダーソンはアレクサンダーソン-オルタネータを導入しました。 しかし、火花ギャップとは対照的に、オルタネータからの出力は、選択された周波数で純粋な搬送波であった。 既存の受信機で検出された場合、ドットとダッシュは通常聞こえない、または”超音速”になります。 受信機のフィルタリング効果のために、これらの信号は一般的にクリックまたは強打を生成し、それは可聴であったが、ドットまたはダッシュを決定

1905年、カナダの発明家Reginald Fessendenは、信号を放送するために、1つではなく、間隔の狭い周波数で動作する2つのAlexanderson交流発電機を使用するという考えを思いついた。 その後、受信機は両方の信号を受信し、検出プロセスの一部として、ビート周波数のみが受信機を終了する。 ビート周波数が聞こえるほど近い二つのキャリアを選択することにより、結果として得られるモールス符号は、単純な受信機でも再び容易に聞くことができた。 例えば、二つのオルタネーターが離れて周波数3kHzで動作した場合、ヘッドフォンの出力は、それらを容易に聞こえるように、3kHzのトーンのドットまたはダ

Fessendenは、このシステムを説明するために、”差によって生成される”（周波数で）を意味する”ヘテロダイン”という用語を造語しました。 この言葉は、ギリシャ語のルーツhetero-“different”、および-dyne”power”に由来しています。

モールス信号は、信号を生成するだけでなく受信することも容易であったため、ラジオの初期の頃に広く使用されていました。 アンプからの出力は、受信信号の元の変調と密接に一致する必要がないため、音声放送とは対照的に、任意の数の単純な増幅システムを使用するこ 一つは、初期の三極管アンプ管の建設の興味深い副作用によるものであった。 プレート（アノード）とグリッドの両方が同じ周波数に調整された共振回路に接続されている場合、ステージゲインがユニティよりもはるかに多い場合、グリ

1913年、Edwin Howard Armstrongは、単一の三極管を使用して可聴モールス符号出力を生成するためにこの効果を使用する受信機システムを説明しました。 増幅後の出力信号であるアノードの出力は、”ティックラー”を介して入力に接続され、入力信号をユニティをはるかに超えて駆動するフィードバックを引き起こ これにより、選択した周波数で出力が大きく増幅されて発振しました。 ドットまたはダッシュの終わりに元の信号が遮断されると、振動は再び減衰し、音は短い遅延の後に消えました。

アームストロングはこの概念を回生受信機と呼び、すぐにその時代で最も広く使用されていたシステムの一つになりました。 1920年代の多くの無線システムは回生原理に基づいており、1940年代にはIFF Mark IIなどの特殊な役割で使用され続けた。

RDFEdit

モールス信号のソースにも再生システムが適していないという役割があり、それが無線方向の発見、すなわちRDFの仕事でした。

再生システムは非常に非線形であり、特定の閾値を超える信号を膨大な量増幅し、時には非常に大きな信号を送信機に変えました（これはIFFの背後にあ RDFでは、信号の強度は送信機の位置を決定するために使用されるため、元の信号の強度（しばしば非常に弱い）を正確に測定できるように線形増幅が必

このニーズに対処するために、時代のRDFシステムはunity以下で動作する三極管を使用していました。 このようなシステムから使用可能な信号を得るためには、数十または数百の三極管を使用し、陽極とグリッドを一緒に接続しなければならなかった。 これらのアンプは膨大な量の電力を消費し、保守エンジニアのチームがそれらを稼働させ続ける必要がありました。 それにもかかわらず、弱い信号での方向探知の戦略的価値は非常に高く、イギリス海軍本部は高いコストが正当化されたと感じた。

スーパーヘテロダイン

第一次世界大戦中にパリのアームストロングの信号隊研究所で製造されたプロトタイプのスーパーヘテロダイン受信機の一つであり、ミキサーと局部発振器（左）とIF増幅段と検出器段（右）の二つのセクションで構成されている。 中間周波数は75kHzであった。

多くの研究者がスーパーヘテロダインの概念を発見したが、特許を出願したのは数ヶ月しか離れていない（下記参照）が、アームストロングはしばしばこの概念を信じている。 彼はRDF受信機を生産するためのより良い方法を検討している間にそれに遭遇しました。 彼は、より高い「短波」周波数に移動するとRDFがより有用になると結論づけ、これらの信号のための線形増幅器を構築するための実用的な手段を探し 当時、短波は、既存のアンプの能力を超えて、約500kHz以上のものでした。

回生受信機が発振すると、近くの他の受信機も他の局を拾い上げ始めることに気づいていた。 アームストロング（およびその他）は最終的に、これはステーションの搬送波周波数と回生受信機の発振周波数との間の”超音速ヘテロダイン”によって引き起こされたと推測した。 最初の受信機が高出力で発振し始めたとき、その信号はアンテナを通って逆流し、近くの受信機で受信されます。 その受信機では、元のヘテロダインの概念と同じように2つの信号が混合され、2つの信号間の周波数の差である出力が生成されます。

例えば、300kHzの局に同調された唯一の受信機を考えてみましょう。 第二の受信機が近くに設定され、高ゲインで400kHzに設定されている場合、それは最初の受信機で受信される400kHzの信号を発し始めます。 その受信機では、2つの信号が混合されて4つの出力が生成され、1つは元の300kHzで、もう1つは受信した400kHzで、さらに2つは100kHzでの差と700kHzでの和 これはフェッセンデンが提案したのと同じ効果ですが、彼のシステムでは、ビート周波数が聞こえるように2つの周波数が意図的に選択されました。 この場合、すべての周波数は可聴範囲をはるかに超えており、したがって”超音速”であり、スーパーヘテロダインという名前が生じます。

アームストロングは、この効果が”短波”増幅の問題に対する潜在的な解決策であることに気づきました。 上記の例では、100kHzのビート信号を増幅し、そこから元の情報を取得することができ、受信機はより高い300kHzの元のキャリアで調整する必要はありません。 周波数の適切なセットを選択することにより、非常に高い周波数の信号でさえ、既存のシステムによって増幅される可能性のある周波数に「低減」す

例えば、当時の効率的な増幅の範囲をはるかに超えた1500kHzで信号を受信するために、例えば1560kHzで発振器を設定することができます。 アームストロングはこれを”局部発振器”またはLOと呼んだ。 その信号は同じデバイス内の第二の受信機に供給されていたので、それは強力である必要はなく、受信局の強度とほぼ同様の十分な信号のみを生成 LOからの信号がステーションの信号と混合すると、出力の1つはヘテロダイン差周波数、この場合は60kHzになります。 彼はこの結果生じる差を”中間周波数”と呼んで、しばしば”IF”と略された。

1919年12月、E・H・アームストロング少佐は、超ヘテロダインと呼ばれる短波増幅を得る間接的な方法を公表した。 このアイデアは、例えば1,500,000サイクル（200メートル）の入力周波数を、効率的に増幅できる適切な超可聴周波数に減らし、この電流を中間周波数増幅器に通し、最終的に整流してオーディオ周波数増幅の1つまたは2つの段階に運ぶことです。

スーパーヘテロダインの”トリック”は、LO周波数を変更することにより、異なるステーションでチューニングできるということです。 たとえば、1300kHzで信号を受信するには、LOを1360kHzに調整して、同じ60kHzのIFにすることができます。 これは、効率的に行うことがはるかに簡単である、設計IF、アンプ部は、単一の周波数で動作するように調整することができることを意味します。

最初の市販のスーパーヘテロダイン受信機であるRCA Radiola AR-812は、1924年3月4日に286ドル（2019年には4,270ドルに相当）で発売された。 それは6つの三極管を使用した:ミキサー、局部発振器、2つのIFおよび45のkHzのifの2つのオーディオ-アンプの段階。 これは商業的に成功し、競合する受信機よりも優れた性能を発揮しました。

アームストロングは彼のアイデアを実践し、その技術はすぐに軍隊に採用されました。 1920年代に商業ラジオ放送が始まったとき、主に（発振器用の）余分なチューブの必要性、受信機の一般的に高いコスト、およびそれを操作するために必要なスキルのレベルのために、あまり人気がありませんでした。 初期の国内無線では、調整された無線周波数受信機（TRF）は、安価で、技術者以外の所有者が使用しやすく、操作コストが低いため、より人気がありました。 アームストロングは最終的にスーパーヘテロダインの特許をウェスティングハウスに売却し、ウェスティングハウスはそれをラジオ-コーポレーション-オブ-アメリカ（RCA）に売却し、1930年までスーパーヘテロダイン受信機の市場を独占した。

初期のスーパーヘテロダイン受信機は、しばしば鉄心トランスの自己共振に基づいて、20kHzの低いIFsを使用していました。 これにより、画像周波数干渉の影響を非常に受けやすくなりましたが、当時の主な目的は選択性ではなく感度でした。 この技術を使用すると、少数の三極管が以前は数十個の三極管を必要としていた作業を行うことができます。

1920年代には、市販のIFフィルタは1920年代のオーディオ段間結合変圧器と非常によく似ており、同様の構造を持ち、ほぼ同じ方法で配線されていたため、”IFトランスフォーマー”と呼ばれていた。 1930年代半ばまでにスーパーヘテロダインは、空中コイルや発振器コイルと同様の構造の調整されたコイルを使用して、はるかに高い中間周波数（通常は440-470kHz）を使用していた。 “IF transformer”という名前は保持され、今日でも使用されています。 現代の受信機は、通常、セラミック共振器またはSAW（表面弾性波）共振器と、従来の同調インダクタIF変圧器の混合物を使用します。

1930年代までに、真空管技術の改善はTRF受信機のコスト優位性を急速に侵食し、放送局の数の爆発は安価で高性能な受信機の需要を生み出しました。

スクリーングリッドを備えたテトロード真空管の開発により、ミキサーと発振器の機能を組み合わせることができる多要素管が生まれ、いわゆるオートダインミキサで初めて使用された。 これに続いて、スーパーヘテロダイン操作用に特別に設計されたチューブ、特にペンタグリッドコンバータが急速に導入されました。 管の計算の減少によって、これは更に前の受信機の設計の利点を減らした。

1930年代半ばまでに、TRF受信機の商業生産は主にスーパーヘテロダイン受信機に置き換えられました。 1940年代までに、真空管スーパーヘテロダインAM放送受信機は、五つの真空管を使用しているため、”オールアメリカンファイブ”と呼ばれる安価な製造設計に洗練され: 通常、コンバータ（ミキサー/局部発振器）、IFアンプ、検出器/オーディオアンプ、オーディオパワーアンプ、および整流器。 この時から、superheterodyne設計は事実上すべての商業ラジオおよびTVの受信機のために使用された。

Patent battles edit

フランスのエンジニアLucien Lévyは、1917年にbrevet n°493660とともにスーパーヘテロダイン原理の特許出願を行った。 アームストロングは1917年にも特許を出願している。 レヴィはアームストロングの約七ヶ月前に彼の元の開示を提出しました.ドイツの発明家ウォルター H.ショットキーはまた、1918年に特許を申請しました.

当初、米国はアームストロングを発明者として認識し、彼の米国特許1,342,885は8June1920に発行されました。 様々な変更と裁判所の公聴会の後、レヴィはアームストロングの出願における九つの請求のうち七つの請求を含む米国特許第1,734,938号を授与され、残りの二つの請求はGEのAlexandersonとAT&TのKendallに付与された。