回生回路
1930年代から40年代の特徴的な構造を持つ、アームストロング社製の単管式再生型短波ラジオ。操作部は（左）再生部、（中央下）フィラメント可変抵抗器、（右）同調コンデンサです。
上記のラジオの背面図。再生回路のシンプルさがよく分かります。同調コイルの内側にティッカーコイルが見えており、フロントパネルからシャフトで回転します。このタイプの可変変圧器はバリオカプラと呼ばれていました。

再生回路は、正帰還（再生または反応とも呼ばれる）を採用した増幅回路である。 [ 1 ] [ 2 ]増幅装置の出力の一部が入力に戻され、入力信号に加算されて増幅度が増加する。[ 3 ]一例としてシュミットトリガ（再生コンパレータとも呼ばれる）があるが、この用語の最も一般的な用途はRF増幅器、特に再生受信機において、単一の増幅段のゲインを大幅に増加させることである。[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]

再生受信機は1912年に発明され[ 7 ]、1914年にアメリカの電気技師エドウィン・アームストロングがコロンビア大学の学部生だったときに特許を取得しました[ 8 ]。[ 9 ]

再生受信機は1910年代半ばから1920年代にかけて広く使用されていましたが、1930年代には使用が減少し、1940年代初頭には一般的ではなくなりました。[ 10 ]その主な利点は、RF検出器ステージの周囲に正のフィードバックを適用し、発振の開始よりも低い周波数で回路を動作させることにより、ハードウェアの追加をほとんど必要とせずに高い感度を実現できることでした。

アームストロングの重要な洞察は、無線周波数エネルギーが検出器のプレート回路に存在し、それを入力にフィードバックできるというものでした。これは、検出後には可聴周波数のみが残るという当時の通説に反するものでした。[ 11 ]慎重に調整すると、このフィードバックによって単一の能動装置の有効ゲインが大幅に増加しましたが、操作には熟練が必要でした。

再生方式は、共振点付近のループゲインを増加させることで選択性を向上させ、同調回路自体の固有Q値を変えることなく周波数応答を鋭くします。この効果は、負性抵抗をシミュレートし、フィードバックによって回路損失を補償することと同等です。ターマンが指摘したように、再生型検波器は過剰な選択性、周波数依存の臨界調整、そして再生を過度に増加させた場合に干渉や可聴ホイッスル音を発生させる可能性のある発振傾向という問題を抱えています。[ 10 ]より高性能な真空管をベースとした無線周波数増幅器の開発に伴い、再生型検波器は1930年代初頭以降、比較的あまり使用されなくなりました。[ 10 ]

より複雑な方法で大量の再生を行い、さらに高い増幅度を達成する受信回路、 すなわち超再生受信機も、1922年にアームストロングによって発明された。[ 12 ] [ 5 ] :p.190 これは一般の商用受信機に広く使用されることはなかったが、部品点数が少ないため特殊な用途で使用された。第二次世界大戦中に広く使用されたものの1つはIFFトランシーバーであり、これは単一の同調回路で電子システム全体を完成させるものである。これは現在でも、ガレージドアオープナー[ 13 ]、[ 12 ]、[トランシーバー] 、玩具などのいくつかの特殊な低データレート用途で使用されている。

再生受信機

真空管再生受信機の回路図。ほとんどの再生受信機はこのアームストロング回路を採用しており、同調インダクタに巻かれた「ティッカーコイル」を介して真空管の入力（グリッド）にフィードバックが加えられていた。

再生型受信機では、検出器のRF出力の一部が同調回路を介して入力にフィードバックされ、周波​​数選択性の正帰還が提供されます。この帰還を発振周波数以下に調整すると、感度と選択性が大幅に向上し、単一の能動素子でRF増幅と検出を実装できるようになります。[ 14 ] [ 3 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]

再生は、共振点付近でループゲインを増加させることで、受信機の周波数応答を鋭敏にします。同調回路自体の固有Qは変化しませんが、代わりにフィードバックによって回路損失が補償され、抵抗損失の低減と数学的に等価な動作が実現されます。ループゲインが1に近づくにつれて、実効帯域幅は急速に狭くなります。損失が完全に補償されると、発振が始まります。[ 16 ] [ 3 ]

当時の測定では、再生によって検出器のゲインが桁違いに増加することが示されました。例えば、7.2MHzにおける非再生検出ゲインが約9である36型スクリーングリッド管は、臨界再生状態では7,000を超えるゲインを達成し、発振に近い状態ではより高いゲインが達成される可能性がありました。[ 17 ]

CW無線電信の受信における安定性の大幅な向上と利用可能な利得のわずかな向上は、ヘテロダイン発振器またはビート発振器として知られる別の発振器の使用によって実現される。[ 17 ] [ 18 ]発振器を検出器とは別に提供することで、再生検出器を最大利得と選択性に設定することができ、常に非発振状態になる。[ 17 ] [ 19 ]検出器とビート発振器の相互作用は、ビート発振器を受信機の動作周波数の半分で動作させ、検出器内でビート発振器の第2高調波を使用することで最小限に抑えることができる。[ 18 ]

AM受信

AM受信では、ループのゲインは発振に必要なレベル（ループゲインが1よりわずかに小さい）をわずかに下回るよう調整されます。その結果、バンドパス周波数（共振周波数）における増幅器のゲインは大幅に増加しますが、他の周波数では増加しません。そのため、入力される無線信号は10 3～ 10 5という大きな係数で増幅され、受信機の微弱信号に対する感度が向上します。また、この高いゲインは回路の帯域幅を同係数で減少させ（Qを増加）、受信機の選択性を高める効果もあります。 [ 20 ]

CW受信（オートダインモード）

CW無線電信（モールス信号）の受信では、フィードバックは発振点まで増幅されます。同調回路は、受信機の発振周波数と送信局の信号周波数の差が通常400～1000Hzになるように調整されます。この2つの周波数は非線形増幅器内でビートし、ヘテロダイン周波数、すなわちビート周波数を生成します。[ 21 ]この差周波数（通常400～1000Hz）は可聴帯域内であるため、送信局からの信号が存在する場合は常に受信機のスピーカーからトーンとして聞こえます。

このように、単一の増幅装置を発振器とミキサーとして同時に使用して信号を復調することをオートダイン受信といいます。[ 22 ]オートダインという用語はマルチグリッド管よりも古いもので、周波数変換用に特別に設計された管の使用には適用されません。

SSB受信

単側波帯（SSB）信号を受信する場合も、CW受信と同様に発振するように回路を調整します。復調された音声が聞き取れる状態になるまで同調を調整します。

メリットとデメリット

再生受信機は、 TRFやスーパーヘテロダインなどの他のタイプの受信機回路よりも部品数が少なくて済みます。この回路の利点は、高価な真空管からより多くの増幅（ゲイン）を得られるため、必要な真空管の数を減らして受信機のコストを削減できることです。初期の真空管はゲインが低く、無線周波数（RF）で発振する傾向がありました。TRF受信機は5～6本の真空管を必要とすることが多く、各段階で同調と中和が必要だったため、受信機は扱いにくく、消費電力が多く、調整が困難でした。対照的に、再生受信機は1本の真空管だけで十分な受信を提供できます。1930年代には、スーパーヘテロダインの優れた性能と真空管のコスト低下により、商用受信機では再生受信機はスーパーヘテロダイン回路に置き換えられました。 1946年のトランジスタの出現以降、能動デバイスの低コスト化により、この回路の利点のほとんどはなくなりました。しかし、近年、ガレージドアオープナー、キーレスロック、RFIDリーダー、一部の携帯電話受信機など、低コストのデジタル無線アプリケーション用の受信機では、再生回路が緩やかに復活しています。

この受信機の欠点は、特に検波器同調回路をアンテナに接続する設計の場合、受信機が異なる周波数に同調している際に再生（フィードバック）レベルを調整する必要があることです。アンテナインピーダンスは周波数によって変化するため、入力同調回路のアンテナ負荷が変化するため、再生レベルを調整する必要があります。さらに、検波器同調回路部品のQ値も周波数によって変化するため、再生制御の調整が必要になります。[ 5 ] : p.189

オートダイン動作における単一能動素子再生検出器の欠点は、局部発振により動作点が理想的な動作点から大きく離れてしまい、検出ゲインが低下することである。[ 19 ]

もう一つの欠点は、回路を発振するように調整するとアンテナから信号を放射し、近くの他の受信機に干渉を引き起こす可能性があることです。アンテナと再生検波器の間にRF増幅段を追加すれば不要な放射を低減できますが、コストと複雑さが増します。

再生受信機の他の欠点は、同調が敏感で不安定であることです。これらの問題の原因は同じです。再生受信機の利得は発振寸前で最大となり、その状態では回路がカオス的に動作します。[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]単純な再生受信機は、アンテナと検波器同調回路を電気的に結合するため、アンテナの電気的特性が検波器同調回路の共振周波数に影響を与えます。アンテナの動きやアンテナ付近の大きな物体は、検波器の同調を変化させる可能性があります。

歴史

1915年アームストロング再生受信機

FMラジオの発明者、エドウィン・アームストロングは、大学3年生の1913年に再生回路に関する米国特許1113149を申請した。[ 26 ]彼は1922年に超再生回路の特許を取得し、 1918年にはスーパーヘテロダイン受信機の特許も取得した。

リー・ド・フォレストは1914年に米国特許1170881を出願したが、これがアームストロングとの激しい訴訟の引き金となった。アームストロングは1914年に再生回路の特許を取得していた。この訴訟は1934年まで続き、控訴審を経て最高裁判所にまで持ち込まれた。アームストロングは最初の訴訟で勝訴したものの、2度目に敗訴、3度目には膠着状態となり、最終的に最高裁判所での最終審で敗訴した。[ 27 ] [ 28 ]

再生受信機が導入された当時、真空管は高価で消費電力も大きく、重い電池も高価で持ち運びに不便でした。そのため、1本の真空管で最大の利得を得るこの設計は、成長を続ける無線コミュニティのニーズを満たし、瞬く間に普及しました。スーパーヘテロダイン受信機は現在最も一般的に使用されていますが、再生受信機はごく少数の部品で最大限の性能を発揮しました。

第二次世界大戦中、再生回路は一部の軍事機器に使用されました。一例として、ドイツの野戦無線機「Torn.Eb」が挙げられます。[ 29 ]再生受信機は、ほぼ同等の性能を得るために、はるかに少ない真空管と低消費電力を必要としました。

関連回路である超再生型検波器は、第二次世界大戦中に 敵味方識別装置において非常に重要な軍事用途で使用された。その一例が1938年に販売された小型サイラトロンRK61である。これは点火電圧以下では真空三極管のように動作するように特別に設計されており、無線操縦受信機の自己消弧型超再生型検波器としてアナログ信号を増幅することができた。 [ 30 ]これは戦時中の無線操縦兵器の開発と、趣味としての無線操縦模型の並行開発につながる重要な技術開発であった。 [ 31 ]

1930年代には、真空管の価格が大幅に下落したため、スーパーヘテロダイン方式が再生受信機に徐々に取って代わり始めました。ドイツでは、この方式は依然として、大量生産された数百万台にも及ぶドイツの「民衆受信機」（ Volksempfänger）や「ドイツ小型受信機」（DKE、Deutscher Kleinempfänger）に使用されていました。第二次世界大戦後も、材料不足によって「民衆受信機」や「小型受信機」といった戦後初期のドイツのミニマル設計において、再生受信機は依然として存在していました。こうした設計には、「RV12P2000」のようなドイツ軍用真空管が頻繁に使用されていました。再生受信機を中間周波と復調器を一体化し、再生周波数を固定したスーパーヘテロダイン方式のものもありました。超再生設計は、1950 年頃の初期の FM 放送受信機にも採用されていました。その後、量産はほぼ完全に中止され、趣味のキットやゲート オープナーなどの一部の特殊な用途にのみ残りました。

超再生受信機

エドウィン・アームストロングは、1922年6月28日、ニューヨークのコロンビア大学ハベマイヤー・ホールで開催されたアメリカ無線クラブの会合で、超再生受信機を発表しました。彼が試作した3球受信機は、従来の9球受信機と同等の感度を有していました。

超再生受信機は、（同一段内、または第2発振器段を用いて）第2の低周波発振を用いて、単一デバイス回路で約100万のゲインを実現します。この第2の発振は、定期的にメインのRF発振を中断、つまり「クエンチ」します。 [ 32 ] 超音波クエンチレートは30kHzから100kHzが一般的です。クエンチの後、RF発振はアンテナが拾う微小なエネルギーと回路ノイズを起点として、指数関数的に増大します。クエンチサイクルの終了時に到達する振幅（線形モード）、または限界振幅に到達するまでの時間（対数モード）は、指数関数的増大が始まった受信信号の強度に依存します。オーディオアンプ内のローパスフィルタは、出力からクエンチ周波数とRF周波数をフィルタリングし、AM変調のみを残します。これにより、粗雑ながらも非常に効果的な自動利得制御（AGC）が実現されます。

利点と用途

超再生型検波器はAM信号に適しており、FMなどの広帯域信号にも使用できます。FM信号では「スロープ検波」を行います。再生型検波器は狭帯域信号、特にヘテロダイン発振器またはBFOを必要とするCWやSSB信号に適しており、特に有効です。超再生型検波器はヘテロダイン発振器を内蔵していません。スーパー再生型検波器は常に自己発振するため、CW（モールス信号）やSSB（単側波帯）信号を適切に受信することはできません。

スーパー再生は、27 MHz を超える周波数や、広範囲のチューニングが望ましい信号に最も効果的です。スーパー再生では、より複雑な設計とほぼ同じ感度を得るために、はるかに少ない部品数を使用します。30 ～ 6,000 MHz の範囲で、マイクロワットの電力レベルで動作するスーパー再生受信機を簡単に構築できます。これにより、オペレータが再生レベルを発振点のすぐ下に手動で調整する必要がなくなります。回路は定期的に自動的に発振を停止しますが、わずかな干渉が他の機器に問題を引き起こす可能性があるという欠点があります。これらは、リモートセンシング アプリケーションや長いバッテリ寿命が重要な場合に最適です。長年にわたり、スーパー再生回路は、ガレージ ドア オープナー、レーダー探知機、マイクロワット RF データ リンク、非常に安価なトランシーバーなどの商用製品に使用されてきました。

超再生型検波器は最も強い信号を受信し、近傍スペクトルの他の信号を無視する傾向があるため、干渉信号が比較的少ない帯域で最も効果的に機能します。ナイキスト定理により、そのクエンチ周波数は信号帯域幅の少なくとも2倍でなければなりません。しかし、倍音によるクエンチは、ヘテロダイン受信機として動作し、これらの帯域からの不要な信号を動作周波数に混入させます。したがって、クエンチ発振器が理想的な正弦波を生成すると仮定すると、超再生器の全体的な帯域幅はクエンチ周波数の4倍未満にはなりません。

特許

  • US 1113149、アームストロング、EH、「無線受信システム」、1914年10月6日公開、1913年10月29日発行 
  • US 1170881、de Forest、Lee、「無線受信システム」、1916年2月8日公開、1914年3月12日発行 
  • US 1342885、アームストロング、EH、「高周波振動の受信方法」、1919年2月8日公開、1920年6月8日発行 
  • US 1424065、アームストロング、EH、「信号システム」、1921年6月27日公開、1922年7月25日発行 
  • US 2211091、Braden、RA、「超再生マグネトロン受信機」  1940 年。

参照

参考文献

  1. ^ SW Amos, RS Amos, Newnes Dictionary of Electronics、第4版、ロンドン、英国：Newnes、1999年、p. 265、269
  2. ^ E.ウィリアムズ著『熱電子管回路』第4版、ロンドン：サー・アイザック・ピットマン・アンド・サンズ、1961年、151ページ
  3. ^ a b c Everitt, WL (William Littell) (1937).通信工学. インターネットアーカイブ. ニューヨーク、ロンドン、McGraw-Hill Book Co.
  4. ^ J. スコット・タガート著『現代ラジオのマニュアル』ロンドン：アマルガメイテッド・プレス社、1933年、94ページ
  5. ^ a b c技術マニュアル TM 11-665: CWおよびAM無線送信機と受信機. 陸軍省、米国政府印刷局。1952年。pp.  187– 190。
  6. ^プール、イアン（1998年）『基本無線：原理と技術』ニューネス社、100ページ。ISBN 0080938469。
  7. ^ホン・サングック「再生回路の歴史：発明から特許訴訟まで」（PDF） . 米国電気電子学会. 2014年3月9日閲覧。
  8. ^米国特許1113149A、エドウィン・H・アームストロング、「無線受信システム」、1913年10月29日出願、1914年10月6日付与
  9. ^ Armstrong, Edwin H. (1915年9月). 「Audion受信機の最近の開発状況」(PDF) . Proc. IRE . 3 (9). ニューヨーク: Institute of Radio Engineers : 215– 247. doi : 10.1109/JRPROC.1915.216677 . S2CID 2116636. 2013年7月28日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2012年8月29日閲覧。 
  10. ^ a b cターマン、フレデリック・エモンズ (1943). 『無線技術者ハンドブック』（第1版）. マグロウヒル. 574ページ.
  11. ^ライダー、ジョン・ダグラス（1984年）「マクスウェルの予言は成就した」、エンジニアと電子：電気の進歩の1世紀、IEEE、  pp.58-59、ISBN 978-0-470-61632-1、 2026年1月22日取得{{citation}}: CS1 maint: ISBNによる作業パラメータ（リンク）
  12. ^ a b cウィリアムズ、ライル・ラッセル (2006). 『新しいラジオ受信機製作ハンドブック』 ルル. pp.  24– 26, 31– 32. ISBN 1847285260。
  13. ^ベンスキー、アラン（2004年）『短距離無線通信：RFシステム設計と応用の基礎』ニューネス社、p.1、ISBN 008047005X。
  14. ^ 「KR Sturley, Radio Receiver Design (Part I), New York: John Wiley and Sons, 1943, p. 392」(PDF)。2017年6月27日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2018年7月4日閲覧。
  15. ^ Williams, Emrys (1961). 『熱電子管回路』（PDF）（第4版）. ロンドン: Sir Isaac Pitman & Sons LTD. pp.  156– 159.{{cite book}}: CS1 メンテナンス: 日付と年 (リンク)
  16. ^ a b『電子回路と真空管』（ハーバード大学クラフト研究所）マグロウヒル・ブック・カンパニー、1947年、  741～ 744頁。
  17. ^ a b c d Robinson, HA (1933-02-01). 「再生検波器」（PDF） . QST . XVII (2) – World Radio Historyより。
  18. ^ a b R. J. Talbert, 「独立ビート発振器を備えたシンプルな再生受信機」、QST、第XX巻、第2号、p. 15、1936年2月
  19. ^ a b R. De Cola、「再生型検出器による感度の向上」、QST、第18巻、第12号、24ページ、1934年12月
  20. ^ 『アマチュア無線ハンドブック』アメリカ無線中継連盟、1978年、 241～ 242頁 。
  21. ^米陸軍通信部隊『無線通信の原理』第2版、ワシントンD.C.：USGPO、1922年、501ページ
  22. ^アメリカ陸軍通信部隊、1922年、503ページ
  23. ^ Domine MW LeenaertsとWim MG van Bokhoven、「再生検出器におけるカオスによる増幅」、 Proceedings of SPIE *、vol. 2612**、136-145ページ（1995年12月）。（* SPIE = Society of Photo-optical Instrumentation Engineers、改称：International Society for Optical Engineering）（** Jaafar MH Elmirghani編、『 Chaotic Circuits for Communication』 -- 1995年10月23～24日にペンシルベニア州フィラデルフィアで開催されたSPIEカンファレンスで発表された論文集。）
  24. ^ Domine MW Leenaerts、「超再生検出器におけるカオス的挙動」、 IEEE Transactions on Circuits and Systems Part 1: Fundamental Theory and Applications、vol. 43、no. 3、169-176ページ（1996年3月）。
  25. ^ 1922年、エドウィン・アームストロングは超再生受信機の開発中に、回路にカオス的な挙動の兆候があることに気づきました。参照：エドウィン・H・アームストロング (1922)「再生回路の最近の開発状況」『Proceedings of the Institute of Radio Engineers』、 10 (8) : 244-260。252ページより：「…回路の抵抗が負になるたびに自由振動が始まります。…信号起電力が印加されていないときにシステム内で発生する自由振動は、真空管の動作の何らかの不規則性によって引き起こされたに違いありません…」
  26. ^ 「アームストロング特許」ラジオ放送、1（1）、ガーデンシティ、ニューヨーク：ダブルデイ、ページ＆カンパニー：71-72、1922年5月
  27. ^モース 1925、55ページ
  28. ^ルイス 1991
  29. ^ドイツ語: Tornisterfunkgerät =マンパックラジオ
  30. ^ 「サブミニチュアガス三極管タイプRK61のデータシート」(PDF)レイセオン社2017年3月20日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。2017年3月20日閲覧。
  31. ^ジョージ・オネスト＝レッドリッヒ模型用ラジオコントロール (1950) p. 7
  32. ^クラフト・エレクトロニクス・スタッフ、1947年、744ページ
  • ルイス、トム（1991）、Empire of the Air：ラジオを作った男たち、ニューヨーク：エドワード・バーリンゲーム・ブックス、ISBN 0060981199
  • モース、AH（1925）、ラジオ：ビーム・アンド・ブロードキャスト、ロンドン：アーネスト・ベン・リミテッド1925年のラジオの歴史。1924年5月5日、ジョサイア・アレクサンダー・ヴァン・オースデルによるDe Forest対Armstrong事件の控訴審判決（46～55ページ）を参照。控訴裁判所は再生回路の発明者としてDe Forestを認め、「コミッショナーの決定は破棄され、De Forestに優先権が与えられる。」55ページ。
  • ロビンソン、HA（1933年2月）、「再生型検出器、その効果とさらなる効果の追求」、QST、17（2）：26-30＆90
  • ウルリッヒ・L・ローデ、アジェイ・ポダー www.researchgate.net/publication/4317999_A_Unifying_ Theory_and_Characterization_of_Super-Regenerative_Receiver_(SRR)
ウィキメディア コモンズには、再生回路に関連するメディアがあります。
「 https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=再生回路&oldid =1334373007」より取得