再生回路
三極管を用いた再生回路を含む増幅回路や発振回路の研究や発明は、皮肉にも、ド・フォレストの会社が倒産した1911年頃から盛んになった。研究や発明は多くの国、多くの研究者の間でほぼ同時に並行して行われた。
例えば、オーストリア人のリーベン(Robert von Lieben)、ライス(Eugen Reisz)およびストラウス(Siegmund Strauss)はリーベン管と呼ばれる水銀蒸気入り三極管を開発し、1911年にフランスで三極管を使った増幅器の特許(フランス特許番号13,726)を取得している。この特許には高周波信号の増幅や2段構成の増幅器も含まれていた。さらに、ストラウスはこの三極管を用いた発振回路の特許を1912年12月12日にオーストリアで申請した。この発明はさほど重要とは判断されず、特許の申請はオーストリアでしか行われなかった。そのためストラウスの発明が広く知られることはなかった。
リーベンらはドイツの会社と交渉を行い、1912年の初め頃にはテレフンケンやシーメンス、AEGなどいくつかの会社が参加してリーベンコンソーシアムを組織しリーベン管の研究と改良を行っていた。このような経緯から、テレフンケンのエンジニアだったマイスナー(Alexander Meißner)も、ストラウスの研究とは独立して、1913年3月にリーベン管による正帰還特性を用いた発振回路を考案し実験を行った。発振回路の周波数は約500 kHz(波長600 m)、出力は12 Wだった。6月にはこの発振回路を使いベルリンとその西 36 km に位置するナウエン(Nauen)との間の無線電話の実験を行った。さらに、この発振回路の応用として正帰還を用いた再生回路も考案された。
ド・フォレストは、1914年3月に再生検波回路であるウルトラオーディオン(ultra-audion)の特許を申請したが、アームストロングがすでに特許を申請済みだったため無効とされた。
アメリカでの再生回路の特許について、アームストロング以外にドイツテレフンケン社のマイスナー、ゼネラル・エレクトリックのラングミュアが申請を行っていた。そのためアームストロングの特許成立以降、アームストロング、ド・フォレスト、マイスナー、ラングミュア間で発明者を巡る長い特許訴訟が始まった。 この訴訟は1934年まで続き、無線の歴史の中で最も複雑な特許訴訟だと言われている。
1914年に第一次世界大戦が始まり1917年にアメリカが参戦したため訴訟の進みはしばらく停止した。敵国であるドイツのマイスナーの訴えは考慮外となり、アームストロングも士官として戦争に参加しパリに派遣されるなどし、大きな動きが起こるのは第一次世界大戦後になってからだった。
最初の判決である1921年のニューヨーク地方裁判所の判決ではアームストロングが勝訴した。1912年8月に行った低周波発振の実験から、ド・フォレストはその時点で再生回路を発明していたと主張していた。裁判所は、ド・フォレストが実験の時点でその重要性を認識できておらず、ウルトラオーディオンの特許申請時点でもまだその動作原理について十分理解できていなかったとして、主張を退けた。
再生検波回路を発展させた回路として超再生検波回路がある。これは1922年にアームストロングが発明した回路で 、再生検波回路を改良し意図的に発振を断続(クエンチング)させることで帰還量の調整を不要にしたものである。
再生検波回路は発振直前の状態で最も高い感度が得られるが、不安定ですぐに発振してしまうため、この状態を維持するのは難しい。超再生検波回路では再生回路にクエンチング発振回路を付加し、発振状態と非発振状態とを繰り返させることで、この最も感度の高い状態を利用する。非発振状態から発振状態に移る時の回路は微弱な信号にも反応し、発振の立ち上がりのタイミングと立ち上がり方は入力信号の強度により変わる。クエンチング発振により発振状態と非発振状態とを繰り返すと、発振開始のタイミングで入力信号の強さをサンプリングしたようになり、発振波形から元の受信信号を取り出すことができる。サンプリング定理による制限のためクエンチング周波数は受信したい信号の帯域幅の最低でも2倍以上にしないと音質が悪くなる。ラジオなどの用途では人間の耳に聞こえない20 kHz以上の周波数にする。
クエンチング周波数をあまり低くすることができず、入力信号のサンプリングに相当する発振の立ち上がりにも一定の時間が必要で、同調回路のQ値が高いと発振の停止にも時間がかかるため、超再生検波回路は低い受信周波数で十分な性能を得ることができない。そのためVHF帯以上の周波数で使用されることが多い。
同じ時期、ソビエトでも小規模部隊やスパイ / ゲリラ部隊のための小型の電信用の無線機セーヴェル(露: Север、「北」の意味)が作成され、1942年末には月産2000台に達した。この無線機も3本の真空管が使われた。パラセットと異なり同じ真空管を送信部と受信部とで共用する構成のため機能が高く、受信部は 1-V-1 の構成だった。
また、日本国内でのスパイ事件で使われた再生式受信機として有名なものに、ゾルゲ事件でマックス・クラウゼンが使用したものがある。セーヴェルのような専用の無線機は使用されず、国内で普通に入手できたシャープ製の小型軽量な3球の再生式ラジオを短波用に改造した 0-V-1 の構成のもので、改造用の部品もすべて国内で購入された。事件当時の鑑定結果では、新京の5.16 MHz、500 Wの送信機からの信号を明瞭に受信できたという。
再生回路を無線機ではなく兵器の一部として使用したものに、アメリカ軍がマリアナ沖海戦で初めて実戦使用したVT信管がある。これは飛行機など目標物から外れても一定の範囲内に入れば起爆する信管で、命中率の向上に役立った。内部の真空管による発振回路でVHF帯の高周波を発生させるとともに、飛行機から反射されてきた電波を同じ真空管で受信し、それらの位相差の変化から生じるビート音を検出するもので、受信機としての動作は発振状態にした再生回路と同じである。
このような流れを受け、会社の倒産後ニューヨークからカリフォルニアに移り電信会社に雇われていたド・フォレストはオーディオンを用いた増幅回路の研究を開始し、1912年の夏に増幅回路についての一連の実験を始めた。当時ド・フォレストが実験を行っていた増幅回路もハウリングが発生し、それを抑え込むために苦労している。8月には増幅回路の出力を入力に戻すことで低周波の発振がおこることを確認した。この時のメモは後の再生回路の特許訴訟においてド・フォレストが勝訴する重要な証拠の一つになった。
同じころ、後にスーパーヘテロダイン方式の発明などで有名になるアームストロングは、ハウリングを抑え込むのではなく積極的におこす方法を考えていた。 高校のころからアマチュア無線クラブの一員として活動していたアームストロングは、この当時コロンビア大学で電気工学を勉強する学生だった。友人から1911年に譲り受けたオーディオンを使い、さまざまな受信回路の実験を行っていたが、最初のうちは鉱石検波器と同じくらいの感度しか得られなかった。
その後、たまたま受話器の端子間にコンデンサを接続したとき、信号がはっきりわかるほど強くなった。この現象からオーディオンが高周波で発振しているかもしれないと考え、1912年夏のある日、オーディオンのプレート出力に可変のコイルとコンデンサとを接続し同調回路となるようにしてみると、今度は信じられないほどの強さで信号が受信できるようになった。しかし、この当時オーディオンの動作原理と機能は正しく理解されておらず、どうしてこのような現象が起こるのかわからなかった。
金属粉を絶縁容器に納めたコヒーラは強い高周波信号を加えると導通する性質を持ち、検波器として使われていた。しかし個々の金属粉表面の酸化被膜は半導体のようにも動作するため、微弱な高周波信号に対しては多数の点接触ダイオードを組み合わせたような非線形な特性も示す。加える高周波バイアスのレベルによりこの特性が変化し、負性抵抗素子としての特性を示すようになる。テスラの受信機はスパークギャップ式の高周波発生回路とコヒーラとを組み合わせて再生回路のような動作を行わせ、50 μVから500 μV程度の微弱な高周波パルスを検出できたと言われる。これは当時の受信機としては非常に高感度で、再び同じような性能が得られるのは真空管式の再生回路が発明されてからである。
1906-1907年にド・フォレストは三極管を発明した。これは当時オーディオンとよばれた。これはジョン・フレミングが発明した二極管を改良したもので、1906年11月頃アイデアを思いつき1907年1月29日に特許申請をおこなった(米国特許番号879532)。このすこし前に副社長だった会社が破産し、最初の妻とも離婚したばかりのド・フォレストは、再び富と名声を得るため、申請の数か月後にはオーディオンや他の無線装置を販売するド・フォレスト無線電話会社(De Forest Radio Telephone Company)を作った。しかし製品はほとんど売れず、会社は1911年に倒産した。司法省はド・フォレストらを詐欺の疑いで告訴した。