Регенеративный радиоприемник представляет собой усилительное устройство, где реализована положительная обратная связь. Некоторая (регулируемая по уровню) часть мощности передается обратно с выхода на вход, добавляясь ко входному сигналу, благодаря чему повышается усиление при очень простой схеме.

Регенеративный приемник был представлен в 1912 году, и запатентован в 1914 году американским инженером Эдвином Армстронгом, когда он был студентом Колумбийского университета. Регенераторы широко использовались между 1915 годом и второй мировой войной. Преимущества регенеративных приемников включают повышенную чувствительность при скромных требованиях к оборудованию, повышенная избирательность, потому что добротность (Q) настроенной схемы повышается благодаря внесению в резонансный контур отрицательного сопротивления.

Рис. 1. Одноламповый регенеративный приемник Армстронга для коротких волн, который он собрал дома, с конструкционными характеристиками 1930 - 1940 годов. Регенерация управлялась проволочным реостатом, а настройка переменным конденсатором.

Из-за склонности к самовозбуждению и излучению помех регенеративные приемника в 1930 годах в значительной степени заменялись приемниками прямого усиления и так называемыми рефлексными приемниками, в которых один и тот же усилительный тракт использовался для усиления как по высокой, так и по низкой частоте, и особенно супергетеродинными приемниками - еще одним изобретением Армстронга. Регенерация (теперь называемая положительной обратной связью, ПОС) все еще широко использовалась в других областях электроники, таких как генераторы, активные фильтры и специализированные усилители.

Схема радиоприемника, в котором повышение усиления достигалось более сложным способом - путем частых гашений генерации на низкой частоте - была также изобретена Армстронгом в 1922 году. Это так называемая схема сверхрегенератора. Она никогда не использовалась широко в обычных коммерческих приемниках, но из-за небольшого количества электронных компонентов нашла применение в специализированных приложениях. Одним из широких применений во время второй мировой войны были трансиверы системы идентификации "свой-чужой". В настоящее время сверхрегенераторы до сих пор используются в некоторых специальных приложениях низкоскоростного обмена данными, таких как открывание дверей гараже, беспроводные сетевые устройства, рации воки-токи и радиоуправляемые игрушки.

Про историю появления развития регенеративных и сверхрегенеративных приемников можно подробнее прочитать в Википедии [1].

[Устройство регенеративного приемника]

Усиление любого активного устройства, такого как электронная лампа, транзистор или операционный усилитель, может быть увеличено путем подачи части энергии с его выхода обратно на вход в фазе с исходным входным сигналом. Это называется положительной обратной связью (ПОС), а восстановление сигнала с её помощью - регенерацией. Из-за большого усиления, возможного при регенерации, регенеративные приемники часто используют только один усилительный элемент (лампа или транзистор). В регенеративном приемнике выход каскада на лампе или транзисторе подключен обратно к собственному входу через настроенный LC-контур. Настроенная схема допускает положительную обратную связь только на своей резонансной частоте. В регенеративных приемниках, использующих только одно активное устройство, один и тот же настроенный контур соединен с антенной и также служит для выбора радиочастоты, подлежащей приему, обычно с помощью изменения емкости в контуре (иногда применяют и изменение индуктивности). В обсуждаемой здесь регенеративной схеме активное устройство также функционирует и как детектор; какая схема также известна как регенеративный детектор.

Рис. 2. Cхема регенератора Армстронга на ламповом триоде. ПОС реализована через индуктивную связь между катушками L2 и L3.

Чувствительность и избирательность - два важных параметра радиоприемника. Регенеративный детектор обеспечивает высокую чувствительность и отличную избирательность благодаря усилению напряжения и характеристикам резонансного контура, состоящего из индуктивности и емкости. Регенеративное усиление напряжения u_o = u/(1 - ua), где u это не регенеративное усиление активного элемента, и a это часть выходного сигнала, возвращаемого обратно в контур L2C2. Чем меньше 1 - ua, тем больше усиление. Добротность Q настроенного контура L2C2 без регенерации равно Q = X_L/R, где X_L это реактивное сопротивление катушки, а R представляет общие потери рассеивания настроенной схемы. ПОС компенсирует потери энергии из-за R, так что её можно рассматривать как введение отрицательного сопротивления R_r в настроенный контур. Добротность настроенной схемы в режиме регенерации Qreg = X_L/(R - |R_r|). Регенерация увеличивает добротность. Генерация начинается, когда |R_r| = R.

Регенерация может дать умножение усиления детектора в 1700 раз или больше. Это очень большое достижение, особенно для вакуумных ламп 1920 годов с низким усилением и ранних 1930 годов. Популярная в те года лампа Type 36 [7] (устаревшая начиная с середины 1930 годов) обладала не регенеративным усилением около 9.2 на частоте 7.2 МГц, но в регенеративном детекторе усиление получалось порядка 7900 на критической регенерации (когда генерации еще нет) и порядка 15800 когда регенерация становится несколько выше критической.

Рис. 3. Радиолампа Type 36.

Цитата [2]: "... регенеративное усиление без генерации ограничивается стабильностью элементов схемы, характеристикой лампы (или усилительного устройства) и стабильностью напряжений питания, от чего зависит максимальная величина регенерации без самовозбуждения". По сути разница в коэффициенте усиления и стабильности, доступных для радиоламп, JFET, MOSFET или биполярных переходных транзисторов (BJT), незначительна или отсутствует.

Значительное повышение стабильности и небольшое улучшение доступного усиления для приема тональной телеграфии (кода Морзе) дает использование отдельного генератора, известного как гетеродин, или генератор биений. Реализация генератора отдельно от детектора позволяет регенеративному детектору достичь максимального усиления и максимальной селективности - при тех же условиях отсутствий генерации самовозбуждения. Взаимодействие между детектором и генератором биений может быть минимизировано посредством работы генератора биений на половине рабочей частоты приемника, когда для создания тона биений используется вторая гармоника генератора.

Прием AM. Для приема амплитудной модуляции (AM) коэффициент обратной связи подстраивается немного ниже уровня, требуемого для начала генерации (усиление петли обратной связи несколько меньше единицы). В результате значительно повышается усиление в рабочей полосе частот приема (частоте резонанса), в то время как на других частотах усиление падает. Приходящий радиосигнал усиливается с большим коэффициентом 10^3 .. 10^5, повышая чувствительность приемника для слабых сигналов. Наблюдается зависимость увеличения коэффициента усиления при уменьшении полосы пропускания (увеличивается добротность Q), при этом увеличивается селективность приемника.

Прием CW. Для приема телеграфии (CW. код Morse) ПОС увеличивается почти до точки возникновения генерации. Схема настраивается на частоту с разницей от 400 до 1000 Гц разницы с частотой принимаемого сигнала. Две частоты создают хорошо слышимые биения с частотой 400 .. 1000 Гц, которые усиливаются и поступают в головные телефоны или громкоговоритель.

Демодуляция сигнала таким методом, когда усиливающее устройство работает как генератор и смеситель одновременно, известна как приемник в режиме автодина [3] (autodyne reception). Термин autodyne появился на ранних стадиях развития многосеточных ламп, и он не применяется к лампам, специально разработанным для преобразования частоты.

Достоинства и недостатки регенератора. Регенеративные приемники требуют меньшего количества компонентов по сравнению с другими типами схем приемника, такими как приемник прямого усиления и супергетеродин. Основное достоинство схемы регенератора в том, что получается очень большое усиления и простая схема даже для недорогих ламп, и тем самым снижается стоимость приемника. Ранние лампы имели низкое усиление и были склонны к генерации на радиочастотах. Приемники прямого усиления часто требовали 5 или 6 ламп; каждый каскад требовал тщательной настройки и нейтрализации паразитной связи, что делало приемник громоздким, потребляющим много энергии и сложным в настройке. В сравнении с ним регенеративный приемник часто давал адекватный прием всего лишь на одной лампе. В 1930 годах регенеративный приемник в коммерческом потребительском сегменте стал вытесняться супергетеродином благодаря его отличным параметрам и снижению стоимости ламп. Появление транзистора в 1946 году и его удешевление устранило большинство преимуществ схемы регенератора. Однако в настоящее время схема регенератора все еще находит применение в приемниках для недорогих приложений, таких как управление дверьми гаража, беспроводные замки, считывающие устройства RFID и некоторые приемники сотовых телефонов.

Недостаток этого приемника, особенно в конструкциях, где антенна соединяется со схемой настройки детектора, заключается в том, что уровень регенерации (обратной связи) должен настраиваться, когда приемник перестраивается на другую частоту. Импеданс антенны меняется при изменении частоты, меняя нагрузку настраиваемого вместе с антенной резонансного контура, что требует подстройки регенерации. Дополнительно Q детектора меняется в зависимости от частоты, что также требует подстройки управления регенерацией.

Недостаток регенеративного детектора на основе одиночного активного устройства при работе в режиме автодина состоит в том, что локальные колебания приводят к смещению рабочей точки лампы (транзистора) в сторону от идеальной рабочей точки, что в результате приводит к уменьшению усиления детектора.

Другой недостаток состоит в том, что когда схема настраивается до входа в генерацию, генерируемые колебания могут излучаться в антенну, создавая помехи соседним приемникам. Добавление каскада усилителя RF между антенной и регенеративным детектором может снизить нежелательное излучение, однако увеличивает стоимость и сложность конструкции.

К недостаткам регенеративных приемников относят также чувствительную и нестабильную настройку. Эти проблемы имеют ту же самую причину: усиление регенератора получается самым большим, когда его резонансная схема работает на пороге возникновения автоколебаний, и в этом состоянии схема ведет себя хаотично. На работу простого регенеративного приемника, в котором антенна соединяется с настраиваемым контуром детектора, влияют перемещения соседних объектов. Т. е. на настройку частоты и регенерации может влиять даже перемещение тела человека возле приемника и антенны.

[Сверхрегенеративный приемник]

В сверхрегенеративном детекторе активный элемент также находится под действием ПОС, причем возникающие колебания на частоте настройки гасятся на относительно низкой частоте, получаются "вспышки" колебаний на частоте настройки. Такая схема на одном устройстве (лампа или транзистор) позволяет получить коэффициент усиления сигнала около миллиона. Частота гашения выбирается в сотни раз ниже частоты приема, и обычно составляет 30 .. 100 кГц. После каждого периода гашения генерация RF экспоненциально нарастает, начинаясь с очень маленького уровня, сравнимого с собственным шумом схемы и принимаемого антенной сигнала. Амплитуда, достигаемая в конце цикла гашения (линейный режим), или время, необходимое для достижения определенного уровня амплитуды вспышки (логарифмический режим), зависит от уровня принимаемого сигнала, от которого начался экспоненциальный рост вспышки. ФНЧ на выходе фильтрует частоту гашения вспышек и RF, в результате получается модулирующий сигнал AM. Это дает грубую, но очень эффективную автоматическую регулировку усиления АРУ (automatic gain control, AGC).

Рис. 4. 28 июня 1922 года Эдвин Армстронг представил свой сверхрегенеративный приемник на собрании Radio Club of America в Havemeyer Hall Колумбийского университета, Нью-Йорк. Его прототип приемника на 3 лампах обладал чувствительностью приемников, содержащих 9 ламп.

Достоинства и недостатки сверхрегенератора и регенератора. Сверхрегенеративные детекторы хорошо работают для AM, и могут использоваться для широкополосных сигналов, таких как FM, где они выполняют "обнаружение наклона" (slope detection). Регенеративные детекторы хорошо работают для узкополосных сигналов, особенно для CW и SSB, которые требуют генератора гетеродина или BFO (Beat Frequency Oscillator). Сверхрегенеративный детектор не имеет доступного для использования генератора гетеродина, хотя он сам формирует генерируемые вспышки RF, поэтому он не может корректно принимать сигналы CW (код Морзе) и SSB (однополосная модуляция).

Суперрегенеративный прием больше всего полезен на частотах свыше 27 МГц, и для сигналов, где желательна широкая настройка. Сверхрегенератор использует намного меньше компонентов для почти такой же чувствительности, как и более сложные конструкции. Довольно легко реализуются сверхрегенеративные приемники, работающие в диапазоне частот от 30 до 6000 МГц с низким энергопотреблением. Они не требуют подстройки уровня регенерации при перестройке по частоте, чтобы он был ниже точки самовозбуждения - схема сверхрегенератора автоматически поддерживает точку возбуждения вспышек RF, однако эти вспышки могут создавать проблемы для других приемников. Сверхрегенеративные приемники на протяжении многих лет используются в коммерческих продуктах наподобие дистанционного управления дверями гаража, детекторов радаров, недорогих раций воки-токи, где важным фактором является низкая стоимость и долгая работа от батарей.

Поскольку сверхрегенеративные детекторы имеют тенденцию принимать самые сильные сигналы и игнорировать другие сигналы, соседние по спектру, сверхрегенератор лучше всего работает в условиях, когда относительно немного сигналов посторонних помех. По теореме Найквиста частота гашения должна быть как минимум в 2 раза больше полосы сигнала. Однако гармоники частоты гашения ведут себя как гетеродин приемника, подмешивая дополнительные нежелательные сигналы в рабочую полосу частот. По этой причине общая полоса частот приема сверхрегенератора не может быть меньше умноженной в 4 раза частоты гашения, даже если предположить, что генератор частоты гашения дает идеальный синусоидальный сигнал.

[Ссылки]

1. Regenerative circuit site:wikipedia.org.
2. H. A. Robinson, "Regenerative Detectors", QST, vol. XVII, no. 2, p. 26, Feb. 1933.
3. Autodyne site:wikipedia.org.
4. 6 Transistor Super Regenerative Receiver site:cool386.com.
5. Super-Regenerative Receiver (SRR) for shortrange HF band applications site:diva-portal.org.
6. What is the difference between a Regenerative and a Superregenerative receiver? site:electronics.stackexchange.com.
7. Tube 36 site:radiomuseum.org.