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再生回路は、正帰還（再生または反作用とも呼ばれる）を利用する増幅回路です。 [ 1 ] [ 2 ]増幅装置の出力の一部が入力にフィードバックされ、入力信号に加算されて増幅率が増加します。[ 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）がありますが、この用語の最も一般的な用途は、RFアンプ、特に再生受信機で、単一の増幅段のゲインを大幅に増加させる場合です。[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]
再生受信機は、1912年に発明され[ 7 ]、1914年に特許を取得した[ 8 ] 。発明者はコロンビア大学の学部生だったアメリカの電気技師エドウィン・アームストロングである[ 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、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った。[ 10 ]その主な利点は、RF検出器段に正帰還を適用し、発振開始点以下で回路を動作させることにより、追加のハードウェアをほとんど必要とせずに高い感度を実現できることであった。
アームストロングの重要な洞察は、検出器のプレート回路に無線周波数エネルギーが存在し、検出後に残るのは音声周波数のみであるという一般的な考えに反して、入力にフィードバックできるということだった。[ 11 ]このフィードバックを慎重に調整すると、単一のアクティブデバイスの実効ゲインが大幅に増加したが、操作にはスキルが必要だった。
再生は共振付近で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シャープにします。この効果は、負性抵抗をシミュレートするフィードバックによる回路損失の補償に相当します。Termanが指摘したように、再生検波器は選択性が過剰で、周波数依存の重要な調整が必要であり、再生を過度に増加させると干渉や可聴の笛音が発生する発振傾向があります。[ 10 ]より優れた真空管を中心に設計された高周波増幅器の開発に伴い、再生検波器は1930年代初頭以降、比較的ほとんど使用されなくなりました。[ 10 ]
アームストロングは1922年に、より複雑な方法でより多くの再生を利用してさらに高い増幅を実現する超再生受信機も発明した。 [ 12 ] [ 5 ]： p.190一般的な商用受信機では広く使用されなかったが、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、単一の同調回路で電子システム全体が完成した。現在でも、ガレージドアオープナー[ 13 ]、無線ネットワーク機器[ 12 ] 、トランシーバー、おもちゃなど、いくつかの特殊な低データレートアプリケーションで使用されている。[ 12 ]
再生受信機では、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、周波数選択的な正のフィードバックが提供されます。発振周波数以下に調整すると、このフィードバックによって感度と選択性が大幅に向上し、単一のアクティブデバイスを使用してRF増幅と検出を実現できます。[ 14 ] [ 3 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]
再生は共振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くします。同調回路自体の固有Qは変化しません。代わりに、フィードバックが回路損失を補償し、抵抗損失の低減と数学的に同等の挙動を生み出します。ループゲインが1に近づくと、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 ]
現代の測定では、再生によって検出器の利得が桁違いに増加することが示されました。例えば、7.2 MHz で非再生時の検出利得が約 9 のタイプ 36 スクリーン グリッド管は、臨界再生によって 7,000 を超える利得を達成し、発振付近ではさらに高い値が得られる可能性があります。[ 17 ]
市販の受信機の中には、再生方式と他の技術を組み合わせたものもあった。 1924年のクロスリー・トリディン受信機は、再生検波と反射増幅を組み合わせて使用していた。
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ゲインのわずかな向上は、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独立した発振器を使用することによって実現される。[ 17 ] [ 18 ]発振を検出器とは別に提供することで、再生検出器を最大ゲインと選択性に設定することができ、これは常に非発振状態である。[ 17 ] [ 19 ]検出器とビート発振器間の相互作用は、ビート発振器を受信機の動作周波数の半分で動作させ、検出器でビート発振器の第2高調波を使用することによって最小限に抑えることができる。[ 18 ]
AM受信の場合、ループのゲインは発振に必要なレベルよりわずかに低い値（ループゲインが1よりわずかに小さい値）に調整されます。この結果、バンドパス周波数（共振周波数）でのアンプのゲインが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、入力無線信号は10³ ～ 10⁵倍に増幅され、受信機の微弱信号に対する感度が高まります。高ゲインはまた、回路の帯域幅を同じ係数だけ減少させ（Q値を増加させ）、受信機の選択性を高める効果もあります。 [ 20 ]
CW無線電信（モールス符号）の受信では、フィードバックは発振するぎりぎりのところまで増加されます。同調回路は、受信機の発振周波数と目的の送信局の信号周波数との間に、通常400～1000ヘルツの差が生じるように調整されます。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またはビート周波数を生成します。[ 21 ]通常400～1000ヘルツの差周波数は可聴域にあるため、送信局の信号が存在するときはいつでも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方法は、オートダイン受信として知られています。[ 22 ]オートダインという用語はマルチグリッド管より前に存在し、周波数変換専用に設計された管の使用には適用されません。
シングルサイドバンド（SSB）信号を受信する場合も、CW受信時と同様に回路が発振するように調整されます。復調された音声が聞き取れるようになるまで同調を調整します。
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回路に比べて必要な部品点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大きな増幅率（ゲイン）を引き出せるため、必要な真空管の数を減らし、受信機のコストを削減できることでした。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、消費電力も大きく、調整も困難でした。一方、再生受信機は、多くの場合、1本の真空管だけで十分な受信が可能でした。1930年代には、スーパーヘテロダイン回路の優れた性能と真空管のコスト低下により、市販の受信機では再生受信機はスーパーヘテロダイン回路に取って代わられました。 1946年のトランジスタの登場以来、アクティブデバイスのコストが下がったことで、この回路の利点のほとんどが失われました。しかし近年、再生回路は、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といった低価格デジタル無線アプリケーション向けの受信機において、ささやかながら復活を遂げている。
この受信機の欠点、特に検出器同調回路をアンテナに接続する設計では、受信機が異なる周波数に同調されるたびに再生（フィードバック）レベルを調整する必要がある。アンテナのインピーダンスは周波数によって変化し、アンテナによる入力同調回路の負荷が変化するため、再生の調整が必要となる。さらに、検出器同調回路の部品の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となる。[ 5 ]： p.189
オートダイン動作における単一アクティブデバイス再生検出器の欠点は、局所的な振動によって動作点が理想的な動作点から大きくずれてしまい、検出ゲインが低下することである。[ 19 ]
もう一つの欠点は、回路を発振状態に調整するとアンテナから信号が放射され、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。アンテナと再生検出器の間にRF増幅段を追加することで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のときに最大となり、その状態では回路は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を検出器の同調回路に電気的に結合するため、アンテナの電気的特性が検出器の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の近くにある大きな物体によって、検出器の同調が変化する可能性があります。
初期の無線開発における特許とライセンスのより広範な役割については、以下を参照のこと。
FMラジオの発明者であるエドウィン・アームストロングは、大学3年生だった1913年に再生回路に関する米国特許第1113149号を出願した。[ 26 ]彼は1922年に超再生回路、 1918年にスーパーヘテロダイン受信機の特許を取得した。
リー・デ・フォレストは1914年に米国特許第1170881号を出願したが、これは再生回路の特許を1914年に取得していたアームストロングとの係争訴訟の原因となった。この訴訟は1934年まで続き、控訴手続き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が、2回目の訴訟で敗訴し、3回目の訴訟では膠着状態に陥り、最終的に最高裁判所で敗訴した。[ 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、さらに重い電池の費用と負担も伴いました。そのため、1本の真空管から最大の利得を得るこの設計は、成長を続けるラジオ業界のニーズを満たし、すぐに普及しました。スーパーヘテロダイン受信機は今日広く使用されていますが、[ 29 ]再生ラジオはごく少数の部品から最大限の利益を得ていました。
第二次世界大戦中、再生回路は一部の軍事機器で使用されました。ドイツの野戦無線機「Torn.Eb」はその一例です。[ 30 ]再生受信機は、ほぼ同等の性能を得るために必要な真空管の数と消費電力がはるかに少なかったです。
関連回路である超再生検出器は、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をいくつか見出した。その一例として、1938年に市販された小型サイラトロンRK61がある。これは、点火電圧以下で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、無線制御受信機で自己消光型超再生検出器としてアナログ信号を増幅することができた[ 31 ]。これは、戦時中の無線制御兵器の開発と、趣味としての無線制御模型の並行的な発展につながった主要な技術開発であった[ 32 ] 。
1930年代には、真空管の価格が大幅に下がったため、スーパーヘテロダイン方式が再生式受信機に徐々に取って代わり始めた。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のドイツ製「国民受信機」（ Volksempfänger）や「ドイツ製小型受信機」（DKE、Deutscher Kleinempfänger）に使用されていた。第二次世界大戦後も、材料不足のため、戦後初期のドイツ製ミニマル設計では、「国民受信機」や「小型受信機」と同様の方式が採用され、再生式方式が残っていた。こうした設計では、「RV12P2000」のようなドイツ軍用真空管がよく使われていた。さらに、固定再生方式で中間周波と復調器を兼ねた再生式受信機を使用したスーパーヘテロダイン方式も存在した。超再生方式は、1950年頃の初期のFM放送受信機にも採用されていた。その後、量産からはほぼ完全に姿を消し、趣味用のキットや、ゲートオープナーなどの特殊な用途にのみ残るようになった。
超再生受信機は、共振回路[注1 ]を交互に発振させたり、発振を抑制したりすることで高感度を実現する無線受信機である。エドウィン・アームストロングは、再生受信機の拡張として、1922年にこの技術の特許を取得した。各サイクルにおいて、弱い受信信号の増幅は急速に増加し、回路のゲインが低下すると減衰する。これにより、シンプルで低消費電力の回路から高感度を得ることができる。
1930年代までには、この技術は実用化できるほど十分に理解され、第二次世界大戦中に広く使用された。超再生受信機は、友軍機や友軍艦を識別するために使用される敵味方識別（IFF）システムや、航空機が地上の位置を特定するのに役立つレベッカ・ユーレカなどのビーコンシステムの受信要素を構成した。戦時中の大量生産により、信頼性に関する以前の懸念にもかかわらず、超再生受信機の設計は安定かつ再現可能であることが実証された。
戦後、設計者たちは、趣味用の無線制御システム、ガレージドアオープナー、ワイヤレスドアベルなど、低コストで電池駆動の用途に超再生回路を採用した。その後、より複雑な無線受信機の設計が通信システムを席巻するようになったが、超再生技術は、最新の理論解析やミリ波実装など、特殊な近距離用途において研究され、使用され続けた。