100 лет супергетеродинному радиоприёмнику

В состав радиотехнических систем радиоприёмное устройство входит как одна из наиболее важных составных частей. Технические характеристики радиоприёмных устройств во многом определяют эффективность радиотехнических систем в целом. Именно поэтому начиная со времени создания первых приёмных устройств Александром Степановичем Поповым повсеместно шла непрерывная борьба за повышение чувствительности, избирательности и помехозащищённости радиоприёмников. Особенно бурное развитие приёмной техники началось с изобретения электронной радиолампы – диода Флеминга, а затем триода Ли Де Фореста [1]. Настоящим прорывом в области повышения чувствительности радиоприёмных устройств можно считать изобретение регенеративного радиоприёмника Эдвином Говардом Армстронгом (1890–1954).

Предшественник супергетеродина – регенератор Армстронга

29 октября 1913 года американский изобретатель Эдвин Говард Армстронг подал свою заявку на патент под названием ”Wireless receiving system“ [2]. Это была заявка на патент регенеративного приёмника, который вступил в силу 4 октября 1914 г. под номером US1113149. Свою заявку Армстронг подал в 23 года, будучи выпускником Колумбийского университета. Как уже было сказано, этому предшествовало изобретение 3-электрод-ной лампы (audion tube) Ли Де Форестом, который получил на неё патент в 1906 году. Де Форест не мог не заметить появления патента Армстронга и сразу же вступил в борьбу за оспаривание своего приоритета в изобретении и регенератора, ссылаясь на то, что, в соответствии с его лабораторными записями, в 1912 году он наблюдал генерацию за счёт положительной обратной связи в изобретённой им лампе. Многолетняя судебная тяжба стоила Де Форесту более $1 млн, но это его не остановило, т.к. к этому времени он уже был владельцем 25 фирм. Несколько раз дело рассматривал Верховный суд США, и в итоге Де Форест своего добился. Тем не менее, пока шли судебные рассмотрения вопроса о приоритете в изобретении регенератора, многие фирмы уже успели приобрели лицензию у Армстронга и освоили регенераторы в производстве. Среди производителей регенеративных приёмников в США в 20-е годы особенно преуспел П. Кросли (1886–1961). История создания его фирмы такова [3]. В 1921 году он решил сделать подарок своему сыну, купив ему детекторный приёмник, однако его поразила высокая цена на эти устройства. В результате он решил собрать такой приёмник самостоятельно и, убедившись, что это совсем несложно, счёл выгодным для себя основать фирму по производству радиоприёмников. В тот же год он приобрёл компанию The Precision Equipment Co. и на её базе создал Crosley Radio Corporation. Начав с детекторного приёмника, фирма Кросли динамично развивалась, освоив в производстве линейку регенераторов по лицензии на патент Армстронга № 1113149. Слоган фирмы “Better – cost less”, что можно перевести как «Лучше и дешевле», способствовал её успеху. Кросли первым в США внедрил в производство своих приёмников прогрессивный способ сборки на конвейере, после чего его стали называть Фордом в радиопромышленности. Взятая из описания одного из популярнейших в США 20-х годов регенеративного приёмника Crosley 51 реклама звучит следующим образом: “Wonderful instrument, which astounded radio world”. Такой приёмник имеется в коллекции автора. Его электрическая схема приведена на рисунке 1. Это классический регенеративный детектор Эдвина Армстронга с однокаскадным УНЧ, подключённый через переходной трансформатор.

Следует обратить внимание, что демонстрируемый приёмник Crosley 51 изготовлен в Торонто (Канада) фирмой Де Фореста, но по схеме Армстронга и с использованием лицензии, купленной П. Кросли. Об этом говорят две наклейки на его корпусе (см. рис. 2). Здесь можно только отметить исключительную предприимчивость изобретателя аудиона и одновременно превосходство схемы регенератора Армстронга над другими приёмниками.

Кто изобрёл супергетеродинный приёмник

Хотя регенеративный приёмник благодаря своей простоте и экономичности навсегда останется в истории радиоприёмной техники значимой вехой в её развитии, для решения задач, требующих высокой чувствительности и избирательности, стабильной и надёжной работы, предпочтение следует отдать супергетеродину.

История изобретения супергетеродина, как и регенератора, также весьма противоречива и неоднозначна. Французский инженер Люсьен Леви 4 августа 1917 года подал заявку на изобретение супергетеродина во Франции и получил патент в августе 1919 года под номером 493660.

Он же 12 августа 1918 г. также подал заявку на изобретение супергетеродина и в США (патент США № 1734038), причём сделал это за 6 месяцев до Эдвина Армстронга, чья заявка на супергетеродин была подана 8 февраля 1919 г. Патентному ведомству США пришлось иметь дело с двумя заявками на изобретение. Поскольку патент не может быть выдан дважды на одно и то же изделие, требовалось судебное разбирательство. Апелляционный суд округа Колумбия (США) признал изобретателем супергетеродина Люсьена Леви, и 5 ноября 1929 года патент на супергетеродинный приёмник был ему выдан с приоритетом от 4 августа 1917 года. Свои права на патент в США Люсьен Леви продал за $20 000 фирме AT&T, которая до настоящего времени является их обладателем. Более подробно ознакомиться с патентом Люсьена Леви на супергетеродин с названием “Electrical transmission of energy” («Электрическая передача энергии» – весьма странное название, явно позаимствованное у патентов Теслы) можно в [4]. Далее приводится описание одного из важнейших отличительных признаков супергетеродина, который входит в формулу изобретения Люсьена Леви: “A carrier wave transmission system comprising selective means for receiving a desired radio frequency, a local source of high frequency energy, means for combining the received energy and the energy of the local source to produce an intermediate frequency lower than the received frequency but above audibility, a second local source of alternating current energy and a detector for combining the intermediate frequency energy and the energy of said second local source to reduce signals and an electrical filter connected at one end to a circuit containing the intermediate frequency and at the other end to said detecting means” («Система, содержащая избирательные средства для приёма требуемой радиочастоты, локальный источник высокочастотной энергии, средство для объединения принимаемой энергии и энергии локального источника, для получения промежуточной частоты ниже принятой частоты, но выше слышимой, второй локальный источник энергии переменного тока и детектор для объединения энергии промежуточной частоты и энергии упомянутого второго локального источника для выделения сигналов и электрического фильтра, соединённого на одном конце со схемой на промежуточной частоте, а на другом – со средством детектирования»).

Следует обратить внимание на введённые Л. Леви впервые важные термины: промежуточная частота ниже принимаемой, но выше слышимой; локальный источник для преобразования принимаемой частоты в промежуточную (имеется в виду гетеродин); фильтр на промежуточную частоту и второй локальный источник, который следует понимать как так называемый телеграфный гетеродин. При этом под энергией принимаемой, промежуточной и генерируемой локальными источниками в патенте следует понимать, конечно, электромагнитную энергию.

О втором, так называемом телеграфном гетеродине следует сказать особо. Гетеродинный приём стал широко применяться достаточно давно: с переходом на передачу незатухающих колебаний и их приём кристаллическими детекторами. В гетеродинном приёмнике на детектор подавались два сигнала – принимаемый и гетеродинный, значительно больший по амплитуде. Если частота гетеродина немного, например на 1 кГц, отличается от частоты приёма, то на выходе детектора появляется напряжение биений с разностной частотой. Телеграфные сигналы в этом случае воспринимаются в телефонах привычными хорошо различимыми тональными сигналами азбуки Морзе. Таким образом, добавление ещё одного гетеродина для преобразования частоты принимаемого сигнала в промежуточную частоту, на которой происходят основное усиление и фильтрация, превращает гетеродинный приём в супергетеродинный.

На рисунке 3 изображены Люсьен Леви и изобретатель аудиона (3-электродной лампы) Ли де Форест – два «победителя» судебных тяжб с Армстронгом. Ли де Форест сумел доказать в суде, что он изобрёл регенератор (рассмотрение продолжалось с 1914 по 1934 год), а Льюис Леви судом был признан изобретателем супергетеродина (рассмотрение шло с 1917 по 1929 год). На фоне этих исторических фактов естественным образом вспоминается ещё один судебный прецедент, который связан с признанием Теслы изобретателем радио Верховным судом США (1943 год, ответчиком выступал Маркони). При этом в России подобный судебный процесс был бы невозможен: трудно себе представить профессора Александра Степановича Попова, выросшего в православной семье старинного рода священно-
служителей (9 поколений), получившего духовное образование, видного учёного пустившимся в многолетние судебные тяжбы с предприимчивым Маркони. Это не могло быть выбором нашего великого соотечественника, изобретателя радио.

Супергетеродин в России

В СССР первая публикация о супергетеродине появилась в № 12 журнала «Радио всем» за 1926 год (см. рис. 4).

Это статья Бориса Павловича Асеева (1901–1965), в дальнейшем генерал-майора инженерно-технической службы, доктора технических наук, профессора. Следует заметить, что на рисунках в этой статье весьма своеобразно объясняется работа супергетеродина, в частности преобразование частоты в промежуточную и звуковую с помощью суммирования и детектирования.

В 1928 году под руководством Александра Ильича Деркача (главный конструктор) в Остехбюро был разработан первый отечественный супергетеродинный приёмник «Дозор» [5]. В нём впервые был применён кварцевый фильтр на промежуточной частоте. По рекомендации комиссии, возглавляемой А.И. Бергом, приёмник был запущен в серийное производство на заводе им. Козицкого. Электрическая схема приёмника из технической документации завода представлена на рисунке 5.

Другим ярким примером применения супергетеродина является приёмник для макета первой импульсной РЛС «Редут», созданный в ЛФТИ по руководством Д.А. Рожанского в 1935 году. Это был первый в стране УКВ-супергетеродин с двойным преобразованием частоты, имеющий высокую чувствительность, которая обеспечивала приём отражённых сигналов от самолётов в первых отечественных РЛС дальнего обнаружения РУС-2, принятых на вооружение перед Великой Отечественной войной [6].

Первый бытовой советский серийный супергетеродинный приёмник типа ЦРЛ-8 разработки Центральной радиолаборатории выпустил завод имени Козицкого в Ленинграде в конце 1935 года. Создана была и радиола на его базе. Ему предшествовала разработка в 1931 году отечественного батарейного супергетеродина СГ-6. Прибор комплектовался рамочной приёмной антенной и работал на лампах типа ПТ-2. Александровский радиозавод в 1936 году начал выпуск знаменитых супергетеродинов первого класса серии СВД. За СВД последовали СВД-М, СВД-9, СВД-10. Им на смену пришли приёмники 9Н-4, 10Н-15, 5НУ-8, 5Н-12, радиолы Д-11, 10MГ-16. В начале 1938 года Воронежский завод «Электросигнал» приступил к серийному выпуску самого массового довоенного супергетеродина 6Н-1. Перед Великой Отечественной войной были разработаны модели супергетеродинов «Маршал», «Пионер» (приёмник и радиола), КИМ (все три выпускались Минским радио-заводом им. Молотова).

В годы войны выпуск бытовых радио-приёмников был прекращён, но в военных радиостанциях, таких как РБМ (см. рис. 6), 12-РП, 13-Р, РСИ-4, применялись высокочувствительные коротковолновые супергетеродины.

С окончанием Великой Отечественной войны разработка новых моделей бытовых супергетеродинных приёмников была возобновлена. Одним из первых супергетеродинов, выпущенных на возрождённом Воронежском заводе «Электросигнал» в 1945 году, был батарейный супергетеродин «Родина». В массовое производство в Иркутске и Бердске после войны был запущен супергетеродин «Рекорд», подвергавшийся в дальнейшем многочисленным модификациям. Наибольшей популярностью и спросом у населения пользовались массовые недорогие супергетеродины «Москвич-В» и АРЗ, сконструированные по экономичной рефлексной схеме. К 1949 году начался серийный выпуск множества многоламповых супергетеродинов: это приёмник и радиола «Урал-47», «Рига Т-689» и «Рига Т-755», приёмник «Минск» и радиола «Минск Р-7», «Восток 7Н-27», «Беларусь» и «Ленинград». Высоким достижением бытовой радио-приёмной ламповой техники тех лет в СССР стал радиоприёмник 1-го класса «Мир М-152», который выпускался Рижским государственным электротехническим заводом ВЭФ. «Мир М-152» представляет собой 13-ламповый всеволновый супергетеродин с питанием от сети переменного тока. Его модернизированный вариант «Мир М-154» с улучшенным внешним видом и электроакустическими данными был использован при создании радиолы «Мир М-154Р». Наивысшим достижением бытовой отечественной радиоприёмной ламповой техники можно считать радиоприёмник «Фестиваль», который с осени 1957 года выпускался на Рижском радиозаводе имени А.С. Попова. Супергетеродинный приёмник высшего класса с дистанционным управлением «Фестиваль» (см. рис. 7) на Всемирной выставке Ехро-58 в Брюсселе был отмечен почётным дипломом.

Новый послевоенный этап развития радио характеризовался более высокими требованиями прежде всего к военной радиоприёмной технике. Работы по созданию такой техники получили высокую оценку в виде Сталинских премий за 1950 год, лауреатами которых стали: за приёмник «Кит» – Антон Антонович Савельев и Анатолий Леонидович Харинский, за приёмник «Крот» – Вера Васильевна Елизарова, Аким Лукьянович Аствацатуров, Николай Иванович Светлов.

Нельзя не вспомнить супергетеродинный приёмник, который был создан в НИИ-20 (ныне ВНИИРТ) Александром Ильичом Деркачом. Это был тот самый Александр Ильич – создатель довоенного супергетеродина «Дозор» и магистральной линии связи «Алмаз», за которую он был награждён Сталинской премией в 1943 г. В начале 50-х годов он завершил разработку уникального радиоприёмника «Берилл» – вершины его радиотехнической деятельности. Являясь главным конструктором целого семейства супергетеродинных радиоприёмников, А.И. Деркач впервые предложил применить подобный приём на дискретных частотах. При сдаче эскизного проекта радиоприёмника «Берилл» заказчик принял его сразу как технический проект – настолько тщательно и в срок он был разработан. Это был специальный коротковолновый магистральный связной радиоприёмник. Радиоприёмное устройство «Берилл» было представлено на соискание Сталинской премии в 1953 году, однако после смерти И.В. Сталина эти премии были отменены, и А.И. Деркач остался без второй награды.

Супергетеродины на полупроводниках и интегральных схемах

Первый серийный полностью транзисторный приёмник также был супергетеродинным. Он был выпущен в США под названием Regency TR-1 в 1954 году. Приёмник был запатентован Ричардом Кочем (патент США 2892931 [7]). Схема прибора из патента приведена на рисунке 8.

В приёмнике используются 4 транзистора типа n-p-n. Первый транзистор совмещает в себе функции преобразователя частоты и гетеродина. Усилитель промежуточной частоты двухкаскадный. После детектирования полупроводниковым диодом сигнал усиливается однокаскадным усилителем низкой частоты. Применение точечных транзисторов фирмы Texas Instrument в этом приёмнике потребовало использовать нестандартный источник питания на 22,5 В. В СССР один из первых транзисторных супергетеродинов был выпущен в начале 1957 года Воронежским радиозаводом и назывался «Спутник» (см. рис. 9).

Советские транзисторы, применённые в нём, были не хуже американских, японских и английских. В приборе были установлены диффузионные высокочастотные транзисторы П402 (60 МГц), П401 (30 МГц) и 5 плоскостных П6. Все эти транзисторы были произведены серийно на заводе «Пульсар» в Москве. Приёмник работал от аккумулятора напряжением 5 В, который заряжался от встроенной солнечной батареи.

Супергетеродин «Меридиан-201» уникален тем, что является первым в СССР приёмником, который уже с 1971 года был выполнен на трёх гибридно-плёночных интегральных микросхемах 237-й серии, а приёмник «Меридиан РП408» в 1984 году был собран полностью на одной монолитной интегральной микросхеме К174ХА10. На примере целого семейства супергетеродинов «Меридиан», начало выпуска которых было положено ещё в 60-х годах тогда ещё на транзисторах Киевским заводом «Радиоприбор», можно наблюдать эволюцию развития радиоприёмных устройств. Первая отечественная частично цифровая модель приёмника была создана в СССР в 1986 г. Это супергетеродин «Электроника 26-01» с синтезатором частоты, сканированием принимаемых частот на СВ и УКВ, памятью на 14 станций, электронными часами и будильником (см. рис. 10).

Этот приёмник стал предтечей нового поколения цифровых приёмных устройств, в которых принимаемый сигнал или сигнал на промежуточной частоте подвергается аналого-цифровому преобразованию и вся дальнейшая обработка представляет собой цифровую обработку сигналов со своими особенностями и алгоритмами. В связи с этим классическая структура супергетеродина аналогового построения уходит в прошлое.

 

Заключение

За 100 лет супергетеродин прошёл несколько этапов своей модернизации по мере совершенствования элементной базы от радиоламп до интегральных микросхем. Последнее десятилетие ХХ века характеризовалось наступлением нового этапа развития – эры программируемой радиоэлектроники. Полезно отметить характерные особенности этого нового современного этапа. Программируемая радиоэлектронная система – это не только цифровая, но и реконфигурируемая система, способная к постоянному совершенствованию и модернизации только за счёт смены программного обеспечения. Концепция программируемой радиоэлектроники отражает главное изменение в современной конструкторской парадигме, для которой соотношение аппаратных и программных средств выбирается с явным преобладанием последних, что и обеспечивает возможность быстрого изменения тактико-технических характеристик проектируемого устройства в соответствии с изменяющимися требованиями и возможностями. Эта концепция распространяется практически на все разрабатываемые современные радиоэлектронные устройства, начиная с сотовых телефонов и заканчивая радиолокационными станциями. Разработчиками современных радиоэлектронных систем становятся главным образом программисты. Создание программируемых устройств существенно сокращает период разработки новых моделей радиоэлектронных систем. Их аппаратная реализация требовала макетирования, отладки и трудоёмкой регулировки изделия в целом. В то же время для одного и того же воздействия сигнальный процессор с одной и той же программой даст на выходе один и тот же отклик. Это существенно снижает затраты на изготовление и проверку программируемого устройства.

Появление в новом веке целых семейств высокопроизводительных сигнальных процессоров, созданных фирмами-лидерами в этой области Texas Instruments и Analog Devices, а также супер-ПЛИС от Xilinx и Altera открыло новые горизонты в развитии программируемых радиоэлектронных систем. Проекты, реализованные на сигнальных процессорах и ПЛИС, уже применяются в различных радиотехнических системах. Об этом 12 лет назад в Китае на Международной конференции RADAR-2006 автор представил доклад “Software Radar – New Reality” («Программируемые РЛС – новая реальность») [8]. Сформировалось целое направление и в создании программируемых радиоприёмных устройств. На смену супергетеродинным приёмникам пришли программируемые радиоприёмники. Этот новый класс приборов получил на западе наименование Software Defined Radio (SDR), которое так и переводится, как «программно определяемое радио».

Первый отечественный бытовой программируемый радиоприёмник «Орлёнок» (см. рис. 11) был разработан в КБ Сарапульского радиозавода в 2007 г.

В коллекции автора имеется также один из первых представителей программируемых радиоприборов – радиоприёмник Morphy Richards 2006 года (см. рис. 12).

Оба этих устройства объединяет то, что они созданы на базе программируемых интегральных микросхем фирмы RadioScape [9].

Литература

1. Бартенев В. Рождение радиоэлектроники. Современная электроника. 2014. № 9.
2. Armstrong E. US patent № 1113149. Wireless receiving system: https://patents.google.com/patent/US1113149A/
3. Crosley P. Jr. National Radio Hall of Fame. Retrieved May 7, 2013.
4. Levy L. US patent № 1734038A. Electrical transmission of energy: https://patents.google.com/patent/US1734038A/
5. Бартенев В.Г. Россия – родина радио. Исторические очерки. – М.: Горячая линия – Телеком, 2014.
6. Бартенев В.Г. Первые отечественные РЛС дальнего обнаружения. – М.: Горячая линия – Телеком, 2017.
7. Koch R. Transistor radio apparatus: https://patents.google.com/patent/US2892931/
8. Bartenev V.G. Software Radar – New Reality. RADAR-2006, China, 2006.
9. Radio Scape Announces World’s First DRM Module: http://www.radioscape.com/