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Perfectionnements aux procédés et systèmes de stabilisation d'oscillations à micro-ondes.
L'invention concerne la stabilisation de fréquence des oscillateurs à micro-ondes et se rapporte particulièrement à l'utilisation ae la résonance moléculaire présentée par certains gaz, ou la résonance d'un appareil à Q élevé, dans le but de commander la phase de la réaction entre électrodes d'un tube c@@il lateur à micro-ondes.
Les spectres d'absorption de micro-ondes de certains gaz, dont le gaz ammoniac, le sulfure de carbonyle et les haloïdes méthyliques, contiennent des "bandes" de répartition de fréquen- ces distinctes et différentes pour les différents gaz. A des pressions très basses, ces "bandes" peuvent se décomposer en plusieurs bandes plus étroites, chacune correspondant à une fré-
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quence précise qui n'est pas influencée par des variations de température ou de pression et qui, jusqu'ici, ne peut être variée qu'en soumettant le gaz à un champs magnétique ou électrique puissant.
Suivant des formes préférées de l'invention, le circuit de réaction d'un oscillateur à micro-ondes contient réellement une masse de gaz présentant de la résonance moléculaire aigüe à la fréquence de travail désirée de l'oscillateur et a un effet de compensation sur la phase de la réaction, dans le cas du glisse- ment de la fréquence.
Plus particulièrement, dans le but de commander un oscil- lateur klystron à plusieurs cavités, le gaz peut être contenu dans une chambre de résonance extérieure au tube klystron et intercalée dans le circuit de réaction entre deux des cavités du tube, de façon à avoir un déphaseur extérieur ayant un 4 extrê- mement élevé. Dans les cas où il ne faut pas avoir une stabilisa- tion précise., on peut omettre le gaz, pourvu que le Q de la cham- bre résonnante soit suffisamment élevé pour assurer une commande satisfaisante. De préférence, le circuit de charge et le circuit de modulation, s'il y en a, sont couplés à une électrode ou une cavité placée sur la trajectoire du faisceau électronique du tube au-delà des cavités de réaction, afin de réduire au minimum l'effet de tels circuits sur la rigidité de l'action de commande de la fréquence.
L'invention consiste, en outre, en procédés et systèmes ayant des caractéristiques décrites et revendiquées ci-après.
L'invention sera décrite en se référant aux dessins annexés, dont:
Les figures 1 et 4 sont des représentations schémati- ques de systèmes oscillateurs à micro-pndes utilisant des tubes klystrons de divers types bien déterminés.
La figure 5 représente schématiquement un système oscil moteur à micro-ondes utilisant un tube a faisceau de déflexion.
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La figure 6 est une table donnant les fréquences de ré- sonance moléculaire de divers gaz ; Les figures 7 et 8 représentent des variantes du cir- cuit oscillateur à klystron de la figure 1.
Le phénomène utilisé dans des formes d'exécution pré- férées de l'invention, consiste dans le fait qu'un certain nmbr. de gaz comprenant NH3, COS, CH3 OH, CH3 NH2, et SO2 ont la carac- téristique d'absorber sélectivement les ondes dans la région mic ondulatoire du spectre des fréquences. Des mesures faites sur la fréquence de résonance d'un tel gaz ont montré que la grandeur d coëfficient d'absorption est tout-à-fait indépendant de la pres- sion du gaz, mais que l'étendue de la région absorbante se rétréc pratiquement linéairement avec la diminution de pression : précisément, à une longueur d'onde de 1,25cm.
(24,0 kilomegacy- cles), le 4 de la bande 3,3 du gaz ammoniac vaut environ 10 avec une pression de gaz d'un dixième d'atmosphère; il vaut 100, à une pression d'un.centième d'atmosphère, etc. Cependant, si on r duit de plus en plus la pression, par exemple, jusqu'à quelques millimètres de mercure, la bande d'absorption se subdivise en plusieurs Dandes très étroites, chacune de ces bandes corres- pondant exactement à une fréquence particulière, sans subir l'ef fet d'aucun facteur connu, à l'exception d'un champ magnétique ou électrique puissant.
Conformément aux buts de la présente in- vention, cet effet de résonance aiguë du gaz sert à stabiliser la fréquence d'un oscillateur à micro-onaes, en enfermant le gaz dans une chambre résonnante faisant partie du circuit de réaction de l'oscillateur.
En admettant, pour le moment, qu'une telle cavité n'a pas de pertes du tout et qu'elle ne contient qu'un gaz non-réson ayant un coefficient d'absorption de 5x10" népers par centi- mètre, le 4 de cet élément, dû au gaz seul, est
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Fêtant égal à 1,25 centimètre.
Un tel gaz, placé dans une cavité avec un Q Initial de 5. 000, donne un Q résultant de 2.500, parlée que
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i2) - + Q Ql Q2
Q1 étant le Q du gaz, et Q2 le Q de la cavité.
Si, au contraire, le gaz absorbe de l'énergie micro- ondulatoire dans une bande de fréquences très étroite, qui peut être réglée, comme il a été dit ci-dessus, en faisant varier la pression du gaz de manière que la région d'absorption se subdivise en plusieurs bandes très étroites et distinctes, le cas est en- tièrement différent. A la figure 6, les petits rectangles noirs représentent les bandes d'absorption pour les différents gaz mentionnés à gauche de la figure, la fréquence dans bandes étant portée en abscisses, l'unité de fréquence étant le kilomégacycle.
Par exemple, à la pression de 0,02 millimètre de mercure, la demi- largeur de la courbe de résonance correspond à un de 40. 000, et on peut, à des pressions plus basses, obtenir facilement un de 1000. 000.
La variation d'impédance d'un circuit ou élément réson- nant dans le voisinage de sa fréquence de résonance (fO) peut être représentée par
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où Zo a les dimensions d'une résistance, 4 est le de l'élément ou du circuit, et ¯f est le décrément de la fréquence.
L'angle de phase (#) du circuit réarmant près de la ré- sonance peut donc être exprimé par:
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truand, par conséquent, le circuit résonnant est une cham- bre ou une cavité contenant un gaz à résonance moléculaire, et a donc un 4 au-dessus de 50.000, l'angle de phase (#) de l'impé-
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Jonce équivalente ( Z) varie extrêmement rapidement quand la fré- #- ' .:..'.# de la fréquence de résonance du gaz. A titre d'ext
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ple, un glissement de fréquence de 0,00023kmc par rapport à le fréquence de résonance de 23,9kmc, fera varier, pour un Q de 100.0 l'angle de phase de 0 à 11 ou à 349 suivant le sens de la dé- viation.
La manière d'exploiter cet effet pour stabiliser la fré- quence d'un oscillateur à klystron rssortira clairement après la description suivante avec référence à la figure 1. Dans l'oscilla- teur à micro-ondes particulier de la figure 1, le klystron 10 comprend un accélérateur d'électrons 11, composé d'une cathode 12 avec filament 13, qui produit un faisceau d'électrons dirigé vers l'anode 15. L'électrode 14 représente, à titre d'exemple, l'en- semble électrodes d'accélération et de concentratipn placé sur ou dans le voisinage de la trajectoire du faisceau d'électrons.
En passant du canon électronique 11 à l'anode 15, le faisceau traverse les cavités ou chambres résonnantes 16, 17, chacune d'elle est pourvue de deux grilles espacées par lesquelles le faisceau passe pour les exciter. Il est supposé que les dimensions des ca- vités, leur écartement et d'autres paramètres de circuits sont choisis de telle façon conformément à la technique connue, que le tube peut osciller à une fréquence correspondant à une résonance moléculaire choisie d'un gaz particulier, par exemple à une fré- quence de 23,870 kmc. qui est la bande 3,3 du gaz ammoniac.
Jusqu'ici le réglage de fréquence s'opérait, une fois les cavités ajustées sur cette fréquence, en faisant varier la tension de @ larisation appliquée à la cavité cathodique 16, de manière à régler le temps de passage et l'angle de phase entre cavités, quoique la fréquence puisse être réglée, comme indiqué à la figure 2, en changeant la tension de polarisation de la grille 23 insérée entre les cavités 16 et 17. Un tel réglage se faisait de temps en temps manuellement ou automatiquement, par exemple au moyen de dispositifs thermiques. Ce procédé ne pouvait évidem-
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ment pas convenir pour maintenir une fréquence précise, de façon z . -1 .
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Dans la forme d'exécution particulière de la figure 1, le circuit entre les cavités 16 et 17 servant à ramener de l'énergie de la cavité 17 à la cavité 16 pour la production d'oscillations entretenues, comprend une chambre résonnante 18 contenant de pré- férence un gaz sous pression réduite ayant de la résonance molécu- laire à la fréquence de travail désirée du klystron; le circuit de réaction comprend aussi une ligne de transmission, telle que celle formée par les sections de ligne coaxiales 19 et 20, de lon- gueur telle que la longueur électrique totale du circuit entre les cavités 16 et 17 est égaleau nombre entier de demi-longueurs d'onde exactement nécessaire donnant le déphasage assurant de la réaction positive.
L'effet d'un léger écart de fréquence dans les oscillation produites, sur l'angle de phase du courant d'excitation peut être exprimé Par:
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où Q3 est le Q de la cavité chargée 17, l'angle 6 est le rapport entre la tension aux bornes de la cavité chargée et son courant d'excitation, et ¯ Ú est le décrément de l'angle Ú.
Par conséquent, la variation dans l'angle de transit du faisceau produite par le changement d'un facteur quelconque d'am- biance ou de fonctionnement du tube peut s'exprimer par :
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En comparant les équations (4) et (6), on peut conclura q'un décrément d'angle de phase (#) introduit dans le circuit de réaction a le même genre d'effet sur un décrément de glissement de fréquence, que le décrément d'angle ¯Ú de l'impédance du fais- ceau. Comme, par construction, ces effets s'opposent, la fréquence de l'oscillateur sera stabilisée à condition que Q/Q3# 1, ce qui est facilement réalisé quand on utilise, dans le déphaseur extérieur, les propriétés de résonance moléculaire d'un gaz.
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Les considérations précédentes montrent que lorsque le Q du déphaseur extérieur est grand par rapport au Q des cavités 16,17 du tube, et, particulièrement celui de la cavité 17 quand elle est couplée à une charge extérieure, par la ligne 21, par exemple, le déphaseur extérieur est capable de compenser toute tendance qu'aurait la fréquence de l'oscillateur à varier, parce que l'angle # du déphaseur varie plus rapidement avec la fréquence, que le ¯ Úde la seconde cavité. On peut utiliser n'importe quel, déphaseur à Q élevé, mais il est spécialement avantageux, pour la région des micro-ondes, d'utiliser la résonance moléculaire d'un gaz, parce que celle-ci forme un étalon de fréquence de la préci- sion absolue la plus élevée et un élément de circuit de Q extrême- ment élevé.
Lorsqu'une telle précision n'est pas exigée, le gaz peut être omis, mais, dans ce cas, le Q de la chambre 18 même doit être notablement supérieur au Q réel de la cavité 17.
De préférence, en plus des cavités 16 et 17, on utilise d'autres cavités dans des buts spéciaux tels que la multiplication de fréquence ou la modulation de fréquence, ou en guise de coupla- ge au circuit de charge, de manière à réduire au minimum toute influence sur la stabilisation de fréquence. Par exemple, la cavit.
22 (voir figure 3), prévue pour une quelconque des applications mentionnées à l'instant, est différente des cavités 16 et 17B utilisées pour la production d'oscillations de fréquence déter- minée au moyen du klystron 10B. Cette ou ces cavités auxiliaires seront placées sur la trajectoire du faisceau d'électrons au-dela des cavités de réaction 16 et 17B; c'est-à-dire que la ou les ca- vités supplémentaires seront plus éloignées du canon électronique 11 que les cavités de réaction et ne se trouveront, en aucun cas, placées entre les cavités 16, 17B.
On peut obtenir le même réglage rigide de la fréquence, en insérant le déphaseur extérieur 18 à un endroit quelconque
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are ceux cavités de réaction d'un klystron; par exemple, la . g- le (voir figure 4) peut être insérée dans une ligne
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de transmission qui couple le faisceau électronique à la cavité extérieure 17A du klystron 10a. Le fonctionnement est semblable à celui décrit pour le dispositif de la figure 1, pourvu que le déphaseur à Q élevé soit placé quelque part dans la boucle reliant les deux cavités 16 et 17.
L'invention peut aussi être appliquée à des tubes oscilla teurs à micro-ondes autres que ceux du type klystron. Elle peut s'appliquer, par exemple, (voir figure 5) au réglage de la fré- quence d'un oscillateur à micro-ondes utilisant un tube à dévia- tion de faisceau 10D de construction connue. En bref, le faisceau d'électrons, sortant du canon cathodique 11, passe entre deux électrodes 16d soumises à une différence de potentiel alternative venant du circuit de réaction. Ce circuit comprend le déphaseur à Q élevé ou cellule à gaz 18. Dans le multiplicateur à cristal 1, n est choisi de façon que nf tombe dans une bande de résonance d'un gaz. La sortie du multiplicateur à cristal 2 est (n+1)f.
La sortie utile du mélangeur à cristal 3 est à nouveau f. Ce poten tiel à fréquence f est appliqué aux plaques déflectrices d'entrée et la fréquence d'entrée est évidemment égale à la fréquence de sortie du tube à déflexion. De préférence, comme dans les figures précédentes, le déphaseur extérieur 18 est une chambre hermétique résonnante contenant, à une pression inférieure au millimètre de mercure, un gaz ayant de la résonance moléculaire à l'harmonique désiré nf de la fréquence de travail f de l'oscillateur. Comme @an les autres oscillateurs de ce type, le faisceau d'électrons qui est périodiquement dévié par les électrodes 16D balaye la mince électrode 25 en forme de fil, de manière à produire une série d'impulsions espacées qui, par le circuit de réaction, entretient la production continue des oscillations.
La plaque de déflexion est, de préférence, polarisée par un potentiel continu de façon
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que le faisceau ne vienne frapper l'électrode 25 qu'une fois par " \ c 1 e .
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Dans chacune des variantes des figures 7 et 8, on utilise un circuit de réaction qui est adapté, ou à peu près adapte, sauf à une solution de continuité de ses caractéristiques de transit, à cause de la résonance moléculaire du gaz se trouvant dans la cellu- le 18A, figure 7, ou 18B, figure 8.
Les variantes des figures 7 et 8 représentent d'autres façons de coupler la cellule à gaz dans une branche de la ligne de transmission réactive.
Dans ces deux figures, et dans les figures 2 à 6, qui utilisent les même nombres de référence que la figure 1, il est clair que les éléments d'une figure autre que la figure 1 portant les mêmesréférences qu'à la figure 1, sont des éléments semblable:
REVENDICATIONS.
1.- Procédé de stabilisation de la fréquence d'un géné- rateur de micro-ondes à circuit réactif, caractérisé en ce qu'on envoie de l'énergie de réaction dans un dispositif déphaseur qui résonne sur la fréquence de travail désirée du générateur, ou sur un multiple de cette fréquence, et dont le Q est nettement supé- rieur à celui de l'électrode chargée ou cavité chargée du générate et en ce qu'on règle la réaction au moyen des effets d'impédance résultant de ce déphaseur.