thumb|Récepteur superhétérodyne à cinq tubes de fabrication japonaise (1955).

En électronique, un récepteur hétérodyne est un récepteur conçu sur le principe du mélange de fréquences, ou hétérodynage, pour convertir le signal reçu en une fréquence intermédiaire plus basse qu'il est plus facile d'utiliser que la fréquence reçue en direct. Globalement tous les récepteurs de radio et de télévision modernes fonctionnent sur ce principe.

Historique vignette|Condensateur variable double utilisé dans les récepteurs superhétérodynes.

Le mot « superhétérodyne » est composé du grec hétéro « différent » et dyne « force ». Le terme « hétérodyne » fait allusion à un battement produit par deux ou plusieurs porteuses radio appliquées à un détecteur. Il est originellement utilisé pour le mélange hétérodyne inventé par un ingénieur canadien, Reginald Fessenden. Son invention rend audibles des transmissions en code Morse à l'aide d'un alternateur d'AlexandersonUn alternateur d'Alexanderson est une machine rotative inventée par Ernst Alexanderson pour produire du courant alternatif à haute fréquence, jusqu'à , destiné aux radiocommunications..

Avec les émetteurs à étincelles, qui sont très répandus à cette époque, un signal Morse consiste en de courtes rafales de porteuses très fortement modulées qui peuvent clairement être entendues comme des trains d'impulsions ou de crachements dans les écouteurs du récepteur. De son côté, le signal de l'alternateur d'Alexanderson n'a pas ce type de modulation et les signaux en code Morse se réduisent à des séries de clics ou de blocs. L'idée de Fessenden est d'utiliser deux alternateurs d'Alexanderson, l'un produisant une porteuse de fréquence plus élevée de par rapport à l'autre. Dans le détecteur du récepteur les deux porteuses génèrent par battement une tonalité de , ce qui permet d'entendre le code Morse comme une série de bips de . Fessenden invente le terme d'« hétérodyne » voulant dire ici : généré par une différence de fréquences.

Il abandonne toutefois son projet car les oscillateurs locaux disponibles à cette époque manquent de stabilité en fréquence Paul J. Nahin, The Science of Radio, page 91, figure 7.10, chapitre 7. . Plus tard, avec l'apparition des triodes, on peut obtenir le même résultat par l'adjonction d'un oscillateur local dans le récepteur, appelé aussi oscillateur de battement ( ou BFO). Si on fait varier la fréquence du BFO, la note de l'hétérodynage varie aussi. Si les fréquences sont trop éloignées l'une de l'autre, le battement devient ultrasonique, et donc inaudible.

L'invention de Lucien Lévy C'est à Lucien Lévy, chef du laboratoire du Centre radiotélégraphique militaire de Paris, que l'on doit la mise en œuvre du superhétérodyne bien que le principe avait été indiqué par l'Allemand Alexander Meissner en 1914. Le français Paul Laüt, du même laboratoire que Lévy, aurait également été un précurseur en 1916. Lévy déposa deux brevets le et le , et l'antériorité du brevet de Lévy sur celui d'Edwin Armstrong sera reconnue par la Cour d'appel du district de Columbia en 1928. L'allemand Schottky qui avait également déposé un brevet en reconnaîtra l'antériorité de Lévy en 1926Albert Vasseur, De la TSF à l'électronique, histoire des techniques radioélectriques, Éditions techniques et scientifiques françaises, 1975, ..

Intuitions et contributions d'Edwin Armstrong Le principe de l'hétérodyne est repris en France en 1918 par le major Edwin Armstrong de l'US Army au cours de la Première Guerre mondiale. Il invente ce récepteur pour surmonter les difficultés rencontrées avec les tout premiers tubes à vide de type triode dans les amplificateurs à haute fréquence des installations radio destinées à la radiogoniométrie. Contrairement aux récepteurs de radiocommunication — qui se contentent de rendre le signal transmis audible — la radiogoniométrie nécessite de faire des mesures de la force du signal reçu et imposent donc que l'amplification de la porteuse reçue soit linéaire.

Découverte de l'hétérodyne On a déjà noté dans le passé que si on laisse un récepteur à réaction partir en auto–oscillation, d'autres récepteurs situés à proximité peuvent subitement changer de fréquence. Armstrong et al. finissent par en déduire qu'il s'agit d'un hétérodynage ultrasonique entre la fréquence de la porteuse reçue par le récepteur et la fréquence de l'oscillateur situé à côté. Par exemple, si une station émet sur et que l'oscillateur local du récepteur est calé sur , la station sera entendue, non seulement sur les de départ, mais aussi sur et sur ( – et + ).

Dans les premiers systèmes, il faut connecter en cascades des douzaines de triodes à faible gain (parfois plus de 100) pour obtenir un résultat exploitable, ce qui nécessite une énorme puissance électrique et une équipe de techniciens pour en assurer la maintenance. Cependant l'intérêt du système est si important que l'Amirauté du Royaume–Uni considère que ces coûts sont justifiés.

Amplification des ondes courtes

Cependant, à ce moment, il n'existe aucun amplificateur pour « ondes courtes » (c'est-à-dire, dans ce cas, d'une fréquence supérieure à qui soit opérationnel en raison des caractéristiques des triodes de cette époque. C'est alors qu'Armstrong voit dans la réception hétérodyne une solution potentielle à l'amplification des « ondes courtes » car la fréquence du battement conserve la modulation originale mais sur une porteuse de fréquence plus basse. Pour écouter, par exemple, une fréquence de , on peut mettre en place un oscillateur sur ce qui donne un hétérodynage de , fréquence beaucoup plus adaptée à l'amplification par les triodes de l'époque. Armstrong nomme cette fréquence « fréquence intermédiaire » (FI).

Choix de la fréquence intermédiaire (FI)

Les premiers récepteurs superhétérodynes utilisent en réalité des fréquences intermédiaires assez basses, de l'ordre de , le plus souvent obtenues par l'auto–oscillation de transformateurs à noyau de fer. Cette technique les rend extrêmement sensibles aux interférences des fréquences imagesÀ la sortie d'un mélangeur simple, on trouve à la fois la somme et la différence des deux fréquences d'entrée. Donc les deux fréquences d'entrée sont converties en . En principe, on ne veut recevoir qu'une seule de ces deux fréquences, on appelle « fréquence image », ou « fréquence miroir », la fréquence symétrique qu'on rejette., mais à cette époque, le but est beaucoup plus de gagner en sensibilité que d'affiner la sélectivité. Grâce à cette technique, quelques triodes suffisent là où il fallait avant des douzaines de tubes.

Développement et commercialisation

Armstrong a la particularité de savoir mettre très rapidement ses idées en pratique si bien que le système est rapidement adopté par l'armée. Cependant, il deviendra moins répandu lorsque les stations de radios commerciales feront leur apparition dans les années 1920. Ceci est dû à plusieurs raisons dont la principale est que cette technique nécessite une triode supplémentaire pour l'oscillateur local, ce qui augmente le prix de revient du récepteur et nécessite également une certaine dextérité pour le faire fonctionner. Les premiers récepteurs commerciaux sont à amplification directeUn récepteur à amplification directe est un récepteur de radio qui comprend le plus souvent plusieurs amplificateurs HF à résonance, suivis de circuits de détection et d'amplification du signal audio. Un récepteur à trois étages comprend un étage HF, un étage de détection et un étage audio. ce qui les rend plus populaires en raison de leur moindre coût et de leur facilité d'emploi. Armstrong vend finalement son brevet sur la réception hétérodyne à Westinghouse qui, à son tour, le vend à RCA, ce dernier ayant le monopole du marché des récepteurs superhétérodynes jusqu'en 1930 Biographie d'Edwin Howard Armstrong..

Améliorations Au cours des années 1920, les transformateurs de fréquence intermédiaire ressemblent énormément aux transformateurs de couplage des différents étages et sont bobinés de manière très semblable. Dans les années 1930, les perfectionnements des tubes électroniques gomment rapidement l'intérêt du faible coût des récepteurs à amplification directe et l'explosion du nombre de stations de radiodiffusion commerciales crée une forte demande pour des récepteurs à la fois moins chers et plus performants.

Tout d'abord, le développement de tubes à cathode à chauffage indirect permet de combiner le mélangeur et l'oscillateur dans un seul tube pentode. Très rapidement, on voit apparaître des tubes multi–éléments de faible coût et spécialement adaptés à la réception hétérodyne. Ils autorisent des fréquences intermédiaires supérieures de l'ordre de 440 à éliminant ainsi le problème d'interférence par la fréquence image.

Au milieu des années 1930, l'amplification directe pour les récepteurs de radiodiffusion est tombée en désuétude. La réception hétérodyne est généralisée dans tous les récepteurs de télévision et de radiodiffusion. Les récepteurs superhétérodynes utilisent des fréquences intermédiaires supérieures, aux alentours de 440–, et emploient des bobines de fabrication identique à celles des antennes ou des oscillateurs. C'est pourquoi le terme de « transformateur de fréquence intermédiaire » est toujours utilisé de nos jours.

Les récepteurs modernes emploient un assemblage de filtres céramiques et/ou de filtres à onde acoustique de surface (SAW) aussi bien que des transformateurs de fréquence intermédiaire traditionnels.

Principe de fonctionnement Un récepteur superhétérodyne est constitué essentiellement de quatre parties : un oscillateur local, un mélangeur qui mélange le signal de l'oscillateur local avec le signal reçu, un filtre fixe et un amplificateur de fréquence intermédiaire accordé (les parties centrales du schéma ci–dessous). Pour optimiser les coûts, on peut utiliser des éléments actifs pour l'oscillateur local et le mélangeur. Cet étage est parfois appelé .

Étape de réception thumb|upright=2.5|Schéma synoptique d'un récepteur superhétérodyne. La réception commence par le signal issu de l'antenne et comprenant la fréquence sur laquelle on veut se caler, . Un filtre d'antenne, placé avant l'amplificateur, élimine les signaux indésirables de façon à éviter que des signaux éventuels de forte amplitude ne saturent l'amplificateur HF (haute fréquence). Ce dernier assure une première amplification. Il est conçu de façon à obtenir le meilleur rapport signal sur bruit possible, ce qui est particulièrement important pour les récepteurs destinés à la réception de signaux à des fréquences élevées (supérieures à ). En effet, à ces fréquences, le bruit extérieur au récepteur est faible, il est donc important que le bruit interne soit le plus faible possible.

Étape superhétérodyne Le mélangeur est la pièce maîtresse du récepteur superhétérodyne. On applique à ses entrées les signaux de fréquences , provenant de l'antenne, et provenant de l'oscillateur local. Ce dernier produit un signal, modulé en amplitude ou fréquence, de fréquence proche de . On retrouve en sortie du mélangeur des signaux non seulement à et mais aussi à et . Le signal de sortie comporte aussi généralement d'autres fréquences indésirables, ce sont des produits d'intermodulation du ordre ou supérieurs. Si ce mélange était parfait, on n'aurait ni , ni , mais, en pratique, leur présence est due à un processus non linéaire qui n'est qu'une approximation de la théorie.

Le filtre FI va supprimer les composantes , et , ne laissant que la composante . L'on a donc réalisé un changement de fréquence, c'est-à-dire une modification de la fréquence centrale du signal modulé, sans changer l'allure du spectre. La nouvelle fréquence centrale s'appelle fréquence intermédiaire, FI. On choisira en général un filtre céramique, qui permet d'obtenir une bonne réponse en fréquence (flancs raides) et donc une bonne sélectivité.