<Desc/Clms Page number 1>
Perfectionnements aux procèdes et systèmes pour produire une fréquence basse étalon.
La présente invention concerne les procédés et systèmes d'utilisation de la résonance moléculaire présentée Dar certal gaz aux fréquences des micro-ondes, pour produire une fréquenc basse étalon de grande précision, indépendante de conditions telles que la pression, la température ou le ternes, conditions qui diminuaient la nrécision des standards de fréquence basse connus jusqu'ici.
Aux faibles pressions, les spectres d'absorption des pici ondes de certains gaz, tels que l'ammoniac, le sulfure cabony lique et les halogénures méthyliques, comprennent des "bandes' dont la répartition de fréquence est différente et distincte pour les divers gaz, chacune d'elles correspondant une fré- quence micro-ondulatoire précise indéoendante des variations c @
<Desc/Clms Page number 2>
à des variables courantes telles que la température, la oression et d'autres semblables.
Au point de vue général, conformément la présente inven- tion, on oroduit des oscillations à ultra-haute fréquence qui sont dans un ranport numérique fixe de grande précision avec au moins une des bandes d'absorption d'un gaz susmentionné. Les oscillations de cette fréquence sont appliquées à un réducteur de fréquence, tel qu'un multivibrateur ou un mélangeur, de ma- nière à produire un étalon de fréquence basse, par exemple, de l'ordre de quelques cycles par seconde mouvant servir alimen- ter une horloge électrique ou tout autre indicateur de temos ou de fréquence.
Plus particulièrement, et conformément une forme oréférée de l'invention, la conversion d'une fréquence précise de l'ordre de olusieurs dizaines de milliers de mégacycles en une fréquencf précise beaucoup plus basse, car exemple, de l'ordre de dizaine; de mégacycles, est réalisée en stabilisant la fréquence d'une série d'oscillateurs par rapport à une fréquence choisie har- monique de chaaue oscillateur et la fréquence fondamentale de l'oscillateur précédent.
Toujours conformément à l'invention, et plus particulière- ment, la fréquence du nremier oscillateur de la série précitée est stabilisée, de préférence, en maintenant un déphasage déter miné entre deux ondes de référence de temos, l'une étant obtenu en appliquant à une cellule à gaz la sortie d'on oscillateur de balayage dont la fréquence périodiquement variable couvre une gamme contenant une fréquence de résonance moléculaire du.gaz, et l'autre étant obtenue en appliquant la fréquence de battemen entre l'oscillateur de balayage et un harmonique déterminé de l'oscillateur stabilisé, \ un sélecteur de fréquences, tel qu'u filtre ou un élément de circuit résonnant, favorisant une fré- quence de battement choisie.
<Desc/Clms Page number 3>
EMI3.1
L'invention consiste, en outre, en des procédés et systëm' dont les caractéristiques sont décrites et revendic::.'" * ci-apr: L'invention ressortira plus clairetient, en se '##'#fcrant au:
EMI3.2
dessins annexés, dont :
EMI3.3
La figure 1 est un schéma de connexions d'un sy t-rie util
EMI3.4
sant des oscillateurs stabilisés 3 micro-ondes, oour "oduire '
EMI3.5
étalon de freauence basse.
EMI3.6
Les figures 2 à 7 sont des schémas détaillés de certaines parties de la figure 1.
La figure 8 est un schéma de connexions d'une variante du système de la figure 1 ;
EMI3.7
La figure 9 est un schéma de connexions d'une vrrin-nte
EMI3.8
etpréférée du système de la figure 1.
EMI3.9
Plusieurs gaz, comprenant NH3, COS, CH30H, CH3NH; ¯., S02 présentent une caractéristique d'absorption sélective ''P"1eri micro-ondulatoire. Les mesures faites sur les car8t,ristiues de résonance moléculaire d'un tel gaz, ont montré e 1- gran- deur du coefficient d'absorption est parf?ite!p=-nt j- é0enantE de Ip pression du ga, mais que la largeur de la région absor- bante diminue nettement avec l'abaisrement de la ",)l"es1.')'1; no- tamment, la longueur d'onde de 1,25 cm. (24.000 mégpc-,, es), le Q de la bande 3,3 de l'ammoniac est apnoainative-nemt de 1C sous l'tie 'Ores'3ion de ga7 d'un dixième r"latmosohrc,- j¯'1 tous une pression d'un centième d'atmosphère, etc.
Ceo-1.""- il 1, pression est réduite de nlus en plus JUSLIUP', l'ordre - ,'1xlèr de millimètre de mercure et moins, les régions d'1bSC rr ion oeuvent seéubdi viser en plusieurs bandes très 0troite..chacui
EMI3.10
EMI3.11
d'elles correspondant une fréouence micro-ondalf ho1ro )réel.
EMI3.12
EMI3.13
indénendante des conditions d'ambiance riornplet, tel1'- Mue 1 te'06rature, la pression et d'autres variables, e ayant un Q
EMI3.14
de l'ordre de 50. 000 et plus.
<Desc/Clms Page number 4>
EMI4.1
L'absorption sélective orientée nar une ou olusieurr de
EMI4.2
ces bandes, est utilisée pour stabiliser la eréouencp d'un ou plusieurs oscillateurs produisant des oscillations dont lps fré quences sont entre elles dans un rapoort nun?riq-'e fixe et des-
EMI4.3
quelles on tire, oar exemple au moyen d'un multivibrateur ou
EMI4.4
d'un diviseur de fréquence électronloue semblable, jne r;.<pouenC'
EMI4.5
basse de grande précision couvant servir d'é-calor de fréquence ou de temps.
EMI4.6
En se reportant à la figure 1, l'oscillateur rllicr( -ùn0e l0A est stabilisé à une fréquence A qui est égale a nne frécuen choisie de résonance moléculaire du gaz rem,:>11 ss&nt 1"1 cellule 11C tolus (ou moins) la moyenne fréquence F sur laquelle t.
EMI4.7
accordé, de manière algue, un amplificateur 12. Un second oscil
EMI4.8
lateur à micro-ondes lOB est stabilis4 à une f'T"' ncP B oui est égale la résonance moléculaire du gaz remplissant 1 cell le 11D plus (ou moins) la même moyenne fréouence (FI Les 0rt1e des deux oscillateurs micro-ondes stabilisés 10A, ''Or srn ap-ol1quées au mélangeur 1, oui peut être et sera, de orF.'^enc
EMI4.9
un redresseur cristal.
EMI4.10
Les deux fréquences micro-ondulatoires A et '1 npuven', être choisies de telle façon mie la fréquence différence # 800arr sant la sortie du mélangeur 13, soit asse7 base ie jour nouvoir être divisée nar un circuit de division e- rw:E-
EMI4.11
courant, reorésenté, dans son ensemble, car le rectangle '4,
EMI4.12
de manière donner une fréquence de sortie de l'ordre de cycle
EMI4.13
oar second* . A titre d'exemple, en admettant nue le gaz dans le
EMI4.14
cellules 11C et 11D est du gaz ammoniac, on nen t choisir le bandes 8,6 et cl,7 qui correspondent resr¯ec;ivmeTa a 2^.71,19 mégacycles et 20.735,47 mégacycles. On aura ainsi mye 4' ..,quencE différence de 16,28 mégacycles. La bande 5,4 f2P.6C.* ft(. et la bande 4, (?. F8:,73 mo.) neuvent être choisies oour d-wer une r... 11f'n('''' ^3 fFrPnce de ?0,7? mégacycles.
Les '.:Ja"1è(; 2,P
<Desc/Clms Page number 5>
(2.722,59 me.) et 1,1 (2.694,48 me) peuvent donner -ne fré- quence différence de 24,11 mégacycles, et ainsi de suite nour d'autres paires de bandes.
Chacune des cellules à gaz 10A, 10B peut être une partie
EMI5.1
d'un guide d'onde, ayant à chacune de ses ex-trmi4,s une fenétt en mica ou en une autre matière diélectrique aniroorter permet- tant le passage de l'énergie micro-ondulatoire, tout en formani- une paroi hermétique pour le gaz contenu sous des pression? de 0,02 millimètre de mercure, ou moins.
EMI5.2
La sortie du diviseur de fréquence 14 peut tr employée elle-même comme étalon de fréquence basse de précision, ou si on veut commander une horloge ou indicateur de orcis.0Tl 15, 1?' sortie du diviseur 14 peut être amplifiée au moyen 'ur. ,cY.if1 cateur de puissance basse fréquence classique 16, pour attaquer le moteur de l'horloge 15 qui accomplira, par exemple, une révo lution par seconde, si on choisit convenablement les bandes de résonance du gaz, le diviseur n et les engrenages rédacteurs de l'indicateur. De préférence, le diviseur n est un nombre élevé, de façon que la fréquence à la sortie du diviseur 14 soit très nroche d'un cycle car seconde, le reste de la division se fai- sant en choisissant les engrenages réducteurs.
On est donc* assu que toute erreur restant dans la différence instantanée ntre
EMI5.3
les fréquences A et B des oscillateurs stabilisés 10A et 10B es divisée oar un facteur n, qui est de l'ordre de aillions, ce au
EMI5.4
permet d'obtenir une indication de temos d'une précision irréal sables avec les procédés connus antérieurement.
De préférence le procédé de stabilisation des oscillateurs micro-ondes individuels 10A et 10B est, de façon générale,
EMI5.5
semblable celui décrit dans la demande de brevet RCL 150. On orévoit cependant en plus, comme il serp récrit ci-aDr:;, un él ment de sélection de fréquence 12 que l'on commute d'un système de com8ne ;
l'autre, pendant les intervalles d'er.trFP zéro, d
<Desc/Clms Page number 6>
sorte que toutes erreurs dues à l'instabilité pr le temos, le
EMI6.1
température ou d'autres variables, se neutralisent da.13 la fré quence différence entre les deux oscillateurs stabilisés 10A, En étudiant plus en détail le système reDrqcn(-é à la fig 1, la sortie de l'oscillateur stabilisé 10A, récite de façon aonrodriée, s'il le faut, au moyen de l'atténuateur 17, est appliquée, par l'intermédiaire du couplage directionnel 18A, a
EMI6.2
mélangeur 1SAC, de préférence un redresseur à cristal. Ces co rlages directionnels et d'autres des systèmes décrits ici, oei vent être du type décrit en détail dans le brevet belge 485:7 du 13 Novembre 1948 au nom de la demanderesse.
Le sortie d'un
EMI6.3
oscillateur de balayage à fréquence modulée ICC est aussi ann'. quée au mélangeur 13AC Dar l'intermédiaire d'un couplage dire, tionnel 18C orécédé, si on le désire, d'un atténuateur 17C. L sortie de l'oscillateur de balayage 10C oarcourt périodiaueme une gamme de fréquences qui, par exemple, oeuf avoir une larg de 5 ou 10 mégacycles et qui comprend la fréquence A, la fré- quence de résonance moléculaire du gaz dans la cellule 11C, e la fréquence A plus (ou moins) la moyenne fréquence F. La fré quenee de balayage ou cadence de répétition R de 1'oscillâtes de balayage 10C est faible, en comparaison des fréquences poi teuses des oscillateurs 10A et 10C et est nettement différend de la moyenne fréquence F :
la fréquence de balayage veut, par exemple, être de l'ordre de 10 cycles à 10 kilocycles et être
EMI6.4
produite par un modulateur électronique ou méc5 v, iue 8PryrOnr quelconque, la forme de l'onde de modulation étant, de nréfé en dents de scie. Pour la clarté de l'exposé, on supposera q
EMI6.5
la fréquence porteuse C de l'oscillateur 10C monte pér1()ilqu ment d'une valeur initiale inférieure à la frécupnce deréso ce nol6culaire du gaz de la cellule 11C, à -,-in: rréauence sur rieure Jo. + F et qu'elle revient ensuite brn90ument 9. la 1<>1Jl" initiale, aui est supérieure à A - r.
<Desc/Clms Page number 7>
EMI7.1
La sortie du mélangeur 13AC comprend, de ce f8t, comme u de ses composantes, la fréquence de balayage R sélectionnée Da l'amplificateur 12R et appliquée au redresseur 13R, de manière à oroduire une série d'impulsions de commande destinées un
EMI7.2
générateur de potentiel de commutation 19 qui comm9i1ie les oai: d'amplificateurs 20A, 21A et 20B, 21B, de sorte que celles-ci fonctionnent alternativement. La première -)aire C'--,lifica- teurs 20A, 21A est utilisée pour la stabilisation de la freauet de l'oscillateur à micro-ondes 10A et la seconde SOL, 21B l'esi pour la stabilisation de la fréquence de l'oscillateurmicro- ondes 10B.
EMI7.3
Il existe déjà une forme appropriée de généra"! ...1' c ooter tiel de com-autation 19 (voir figure 2). En bref, les imt)11l. lom à la fréquence de balayage sélectionnées oar l'amplificateur la figure 1, sont apoliauées au circuit d'entrée du tube amplifies teur 22, dont le signal de sortie est appliqué au circuit de grille du tube inverseur 23, de manière produire deux séries de signaux pulsés positifs pratiquement rectangulaire'' "a" et "b" de longueurs complémentaires. Les impulsions "a" .-ont aooli quées, par le condensateur 24A, figures 1 et 2, aux amplifica- teurs 20A, 21A, pour débloquer ou mettre en service ceux-ci,
EMI7.4
pendant des intervalles de temps tl, oendant e,;u les ampli ficate.rs 20B et 21B sont hors service.
Les impulsions "b" sont appliquées de même par le condensateur 24B, figures 1 nit 2, aux amplificateur 20B et 21B, pour les mettre en service pendant de intervalles de temps t2, pendant lesquels les amplificateurs 20 et 21A sont hors service.
EMI7.5
Pendant chaque intervalle de temps t, duran+ 1-rael il,est en service, l'amplificateur 21A transmet du redresseur 13F à un amplificateur-différentiateur représenté par la rectangle 25A d
EMI7.6
la fleure 1, une onde ou ipuls10n qui atteint son aL cude maxima, au moment où la fréquence différence entre 1 V -.illateu
<Desc/Clms Page number 8>
EMI8.1
10A et l'oscillateur POU 10C est égale la fréquence F sur laquelle l'amplificateur 12 est accordé dc feçon aiguë. La sortie de leamollfleateur 21A est un potentiel proportionnel l'enveloppe de l'amplificateur 12 à la fréquence de r'""1 't1 tion R. En d'autres mots, la sortie de l'amplificateur 12, pendant intervalles tl, a une forme d'onde dont l'amn'itude instantané est une fonction de la fréquence de battement entre 'es oscill teurs 10A et 10C.
La forme des impulsions de sortie du diffère] tiateur est étudiée plus loin.
EMI8.2
On dispose ainsi d'une série d'impulsions do-,t 1 relatioi de temos avec une seconde série d'impulsions, produites comme il sera décrit maintenant, est utilisée pour stabilisa la fré- quence du générateur de micro-ondes 10A.
On applique à un second amplificateur-différentiateur re- présenté par le rectangle 25C à la figure 1, une série d'impul- sions ou d'ondes se oroduisant chacune au moment où la fréquenc porteuse de l'oscillateur FM 10C a la valeur de la fréquence df
EMI8.3
résonance moléculaire du gaz dans la cellule 11.,. Plus exactemf l'énergie sortant de l'oscillateur 10C est tr1sm5g> car exemr par un guide d'onde, la cellule % g 3z Il%- ar un chemin qui peut comprendre un atténuateur C17 , fut m transformateur d'adac tation 26, tous deux étant du type pour 1"-1r'J-o!1des. L'énergie micro-ondulatoire sélectionnée par la cellule à ga? est rdrpss par le cristal 13C et produit des innlilri ons ou ondes ayant la même cadence de répétition que la fréquence de modulation R da l'oscillateur 10C.
Afin d'éliminer les effets de mo-3': Lotion d'D11tude et d'autres variables, l'énergie sortant de l'oscil lateur 10C est transmise par un couplage directionnel ClS.vers un second redresseur à cristal C13, ou équivalent, de nol3r'itée ouocôÉe à celle du redresseur 15C. La différence entre les'sor- ties des redresseurs 13C et C13 est appliquée l'amplificateur 1""'(;rer.t1Bteur 25C.
<Desc/Clms Page number 9>
La figure 3 représente un type approprié de circuit ampli ficateur différentiateur 25, pouvant convenir pour les deux am
EMI9.1
plificateurs différentiateurs 25A et 25C (aussi 25B, 25P étudi plus loin). Les impulsions appliquées au circuit d'entrée du tube 27 sont amplifiées, inversées en polarité et auliJués ai circuit différentiateur comprenant le condensateur 28 t la résistance 29, de manière à envoyer sur la grille ( tubs- 30
EMI9.2
une impulsion double d pour chaque impulsion d9e-.teee. ChaCcue impulsion d a une pointe négative et une pointe -ositive. et, entre celles-ci, la pente est très forte.
La V',..tte résuit. -T du tube 30 consiste en une série d'impulsions q très Dolnttes avec une pente très accentuée l'endroit du centre de IHf,T')ul- sion originale d'entrée dans le tube 27 correspc-; ar¯te.
La constante de temos de In combinaison réi:?nce-caac1t 28, 29 est petite comparée à la période de rec,Llu.on R, d sor que l'impulsion d'entrée dans le tube 27 est èif'f'J"-'I!t1f' quant' elle est appliquée au circuit d'entrée du tube 0. La polarisa- tion grille-cathode du tube 30 est telle, qu'avec une réfistanc
EMI9.3
d'anode élevée, la tension d'anode n'est'que légèi ment S1'T)t?rieure à la tension de cathode. Par conséquent, le orE lier swin négatif de la polarisation grille-cathode du tube 30 orovocue un changement très faible de la tension d'anode, tandis eue le suivant Immédiat oroduit un swing positif très abrunt de Ip ten sion d'anode.
Cet accroissement brusque oeut être utilisé pour
EMI9.4
commander une triode gaz dans un étage suivant, ' !2nrt- que les induisions de sortie de la triode se produisent au centre o au sommet de l'enveloppe de moyenne fréquence.
Les impulsions de sortie eA, figure 1, de l'amplificateur différentiateur 25A sont appliquéesà un générateur d'impulsion
EMI9.5
Dush-Dull 31A, dans le but de produire deux train- d'impulsions de 12 même cadence de réoétition que les impulsions eà, de sort que, oour chaque impulsion d'entrÉe eA, on produit nie oaire d'
<Desc/Clms Page number 10>
La figure 3 représente un type apnroorié de circuit ampli ficateur différentiateur 25, pouvant convenir pour les deux am plificateurs différentiateurs 25A et 25C (aussi 25B, ?5D étudi plus loin).
Les impulsions appliquées au circuit d'entrée du
EMI10.1
tube 27 sont amplifiées, inversées en oolarité et annitauéis ai circuit différentiateur comprenant le condensateur 28 et la résistance 29, de manière à envoyer sur la grille de .. tube 30
EMI10.2
une impulsion double d pour chaque impulsion 6'#..t"ée. Chacue impulsion d a une pointe négative et une pointe positive. et, entre celles-ci, la pente est très forte. La s",..t1.e résult,in4e du tube 30 consiste en une série d'impulsions e très oointues avec une pente très accentuée à l'endroit du centre de 1 '1rfl)u1- sion originale d'entrée dans le tube 27 correqpO'l ,.te.
La constante de temps de la combinaison ré3iGnce-ca?acit 28, 29 est petite comparée à la période de rép-, r.1"'.Lon R, d sor que l'impulsion d'entrée dans le tube 27 est d1ffrnt1F quanc elle est appliquée au circuit d'entrée du tube 30. La polarise-
EMI10.3
tion grille-cathode du tube 30 est telle, qu'avec une réqistanc d'anode élevée, la tension d'anode n'est*que légèl' ':ne'1t snné- rieure à la tension de cathode. Par conséquent, le z)rE nier swin négatif de la polarisation grille-cathode du tube 30 orovocue un changement très faible de la tension d'anode, tandis que le suivant immédiat oroduit un swing positif très abrunt de lp ten sion d'anode.
Cet accroissement brusque oeut être utilise pour commander une triode à gaz dans un étage suivant, de Fort- que
EMI10.4
les impulsions de sortie de la triode se nroduisent an centre o au sommet de l'envelopne de moyenne fréquence.
Les Impulsions de sortie eA, figure 1, de l'amplificateur différentiateur 25A sont expliquées à un générateur d'impulsion nush-oull 31A, dans le but de produire deux train, d'impulsions de la même cadence de réoétition que les impulsions eA, de sort que, pour chaque impulsion d'entrée eA, on produit une oaire d'
<Desc/Clms Page number 11>
pulsions de sortie nointues, fAN, fAp, simultanées e de oolar opposées. Les figures 4 et 5 représentent deux types convenabi de générateur d'impulsions oush-pull. Le type représenté la figure 4, utilise une triode à gaz 32. On applique à la grille de celle-ci les impulsions d'entrée.
Les Impulsions de sortie oositives fp apparaissent aux bornes de la résistance de catho 33 et les impulsions de sortie négatives fN aux ''ornes de la r sistance 34 reliée l'anode du tube par le condensateur 35 et à la cathode du tube par la résistance 33. En variante, le gén rateur d'impulsions peut comprendre deux tubes (tyoe de la fi- gure 5). Dans celui-ci, la tension de sortie totale du tube 32 apparaît aux bornes de la résistance de cathode 33, de dan@ère à produire des impulsions de sortie positives fp dont l'ampli- tude est double de celle que l'on oeut obtenir avec le circuit de la figure 4, tout le reste étant égal d'ailleurs.
La résis- tance cathodique 33 de la figure 5 est à crises et une: partie de l'impulsion de sortie est appliquée à la grille d'un second tubp 36, afin de oroduire l'impulsion négative fN aux bornes d. la résistance 34 en série avec le condensateur 35 qut se trouv. dans le circuit de sortie de ce dernier tube. Les constantes du circuits sont choisies de telle façon, que ces impulsons ont une amplitude égale à celle des impulsions négatives fN et son simultanées, de sorte que, comme à le figure 4, chaque impulsio d'entrée oroduit une npire d'impulsions de sortie oointues si- multanées et de oolarités opposées.
Les immulsions de sortie ec, figure 1, de l'amplificateur différentiateur 25C sont appliquées à un générateur 'ondes en dents de scie 37A de telle manière que, pour chaque impulsion d'entrée ec, il y a une Impulsion de sortie en dent de soie 8 qui monte de façon abrupte, puis décroît linéairement. La figun montre un type approprié de générateur de dents de scie. Les impulsions pointues d'entrée e sont appliquées à la grille du
<Desc/Clms Page number 12>
tube 38 de façon à produire aux bornes du condensateur 39, en série avec le condensateur 40 entre l'anode et le grille du tube, une série d'impulsions en dents de scie cadence de répéti- tion R.
Revenant à la figure 1, les impulsions pointues f et fAP venant du générateur d'impulsions doubles 31A et les impulsions en dents de scie SA venant du générateur de dents de scie 37A sont appliquées à un détecteur de phase 41A qui sert à provoquer des changemerts en une tension continue "d'erreur" dont la oola- rité et l'amplitude dépendent du sens et de la grandeur de l'é- cart entre la fréquence A de l'oscillateur 10A et sp valeur dé- sirée. L'exposé ci-dessus montre que le moment du commencement de chaque impulsion en dent de scie SA est rigidement lié à l'in tant où la fréquence porteuse de l'oscillateur F.M. 10C, chaqu cycle de sa fréquence de modulation R, passe exactement sur la fréquence précise de résonance moléculaire du gaz dans la cellu- le 11C.
On comprend aussi que la relation de temps entre chaque impulsion SA et la paire correspondante d'impulsions fAN fAP dépend de la valeur instantanée de la fréquence A de l'oscilla- teur stabilisé 10A, Darce que, si la fréquence A est supérieure à la normale, la fréquence différence F, sur laquelle l'amplifi- cateur 12 est accordé de façon aiguë, est atteirte plus tôt dans le cycle de la fréquence de modulation R, et elle est atteinte plus tard, si la fréquence A est en dessous de la normale. La tension "d'erreur" produite par le discriminateur de phase 41A est utilisée pour commander un régulateur 42A devant desservir une source 43 de tension d'alimentation pour le tube oscillateur 10A et corriger ainsi l'écart de sa fréquence A par rapport à la valeur désirée.
Le discriminateur ou comparateur de uhase 41 et le régula-
EMI12.1
teur 4P de la figure 7 sont du tyoe convenant à le stabilisatior de z lrcuence d'un klystron reflex 10, mer la régulation de 1
<Desc/Clms Page number 13>
tension continue de l'enode réflectrice 44. Ce klystron peut servir d'exemple pour les deux oscillateurs 10A et 10B, de la figure 1. On maintient une différence de potentiel continue fi entre la cathode 45 et la cavité 46 du klystron 10, l'aide d'une alimentation stable ou stabilisée représentée, dans sa g néralité, car la batterie 47.
La différence de potentiel entre réflecteur 44 et la cathode 45 du klystron est fonction de la chute de tension RI dans la résistance 48 connectée entre l'anc 49 du tube régulateur 50 et la borne Dositive d'unp source de tension continue stabilisée représentée, de façon générale, par la batterie 51, le tube à décharge % gaz 5P et la résistance de limitation de courant de celui-ci 53.
L'intensité du courant traversant la résistance 48 et donc la tension du réflecteur d pendent de la tension de oolarisation de la grille du tube ré- gulateur 50 ; une composante de cette tension de polarisation es de valeur fixe choisie, par exemple, en réglant le Dotentiomètr 54 alimenté nar la batterie 55 ou par toute autre source appro- priée. L'autre composante de cette tension de polarisation est la tension "d'erreur" fournie par le détecteur de phase 41, cet tension apparaissant aux bornes 56,57 de celui-ci.
Dans la forme particulière de comparateur de ohase 41 re- présentée à la figure 7, les impulsions positives et négatives fp et fN venant de l'amplificateur-différentiateur associé, son appliquées respectivement 9. l'anode de la diode 58, ou équiva- lent, etla cathode d'un redresseur semblable 59. Les électro' des redresseurs sont reliées par des résistances 61,61 dont l'extrémité commune 57 est une des bornes de sortie du compara- teur ; les autres électrodes de ces redresseurs sont reliées l'autre borne de sortie 56 du comparateur. Les Impulsions 1 du générateur de dents de scie associé sont appliquées à l'anode du redresseur 59 oar la résistance 62 et le condensateur 63, et la cathode du redresseur 59 par la résistance 64 et le conden. sateur 65.
Ainsi, la différence moyenne des impulsions de coure,
<Desc/Clms Page number 14>
qui traversent les résistances 61, 62, à chaque opele de La fré- quence de répétition R dépend du déphasage des impulsions poin- tues fp, fN par raooort à l'impulsion en dent de scie s et, par conséquent, la tension de grille du tube régulateur 50 est corri gée, s'il le faut, chaque cycle de la fréquence de modulation de l'oscillateur de balayage, de manière à ajuster l'oscillateur commandé ou stabilisé 10 dans le sens propre ramener la fré- quence de celui-ci à sa valeur désirée.
A titre d'exemple, les constantes de circuit suivantes peuvent convenir pour le discriminateur de phase 41 :
EMI14.1
<tb> Condensateurs <SEP> Résistances
<tb>
<tb> 63,65 <SEP> 0. <SEP> 05 <SEP> mfd. <SEP> 61 <SEP> 1. <SEP> 8 <SEP> megohms
<tb> 66,67 <SEP> 0.01 <SEP> mfd. <SEP> 62,64 <SEP> 1000 <SEP> ohms
<tb> 68 <SEP> 0.01-0.25mfd. <SEP> 70 <SEP> 10,000 <SEP> ohms
<tb> 69 <SEP> 10 <SEP> mfd.
<tb>
Tel que décrit jusqu'ici, le système sert commander de façon rigide la fréquence de l'oscillateur 10A an moyen d'une tension d'erreur obtenue en comparant les phases des impulsions oroduites, pendant les intervalles tl, oendant desquels les am- plificateurs 20A et 21A sont en service.
Pendant les intervalles intermédiaires t2, durant lesquels les amplificateurs 20B et 21B sont en service, on utilise un dispositif généralement semblable comprenant l'oscillateur FM de balayage 10B, la cellrle àgaz 11D, l'amolificatpur moyenne fréquence 12, le redresseur 13F, les amolificateurs-différentiateurs 25B, 25D, le générateur d'im pulsions 31B, le générateur de dents de scie 37D, le comparateur de phases 41B, le régulateur 42B et l'alimentation variatle 43B, oour stabiliser l'oscillateur 10B à une fréquence de travail B différant de la fréquence de résonance moléculaire du gaz dans la cellule 11D, de la moyenne fréquence F.
Il faut remarquer que l'on utilise le même canal amolifica- teur moyenne fréouence 12, 13F, alternativement oour la commande
<Desc/Clms Page number 15>
de l'oscillateur 10A pendant les intervalles tl, et pour la commande de l'oscillateur 10B pendant les intervalles t2. Par conséquent, tous effets de la température ou de la tension d'alimentation, car exemple, sur les caractéristiques de réoon- se du système moyenne fréquence s'annulent, de sorte que la fréquence différence des oscillateurs stabilisés est reliée ave précision aux fréquences de résonance moléculaire algue, qui nE sont Des influencées par la température des masses de gaz dans les cellules 11C et 11D.
La fréquence exacte de commutation de l'entrée de l'amplificateur 12 n'est oas critique, aussi long- temps que l'impulsion de commutation du cristal 13R se présente pendant le cycle de la fréquence de modulation R, avant que le cristal 13F reçoit une Impulsion soit de l'amplificateur 20A, soit de l'amplificateur 20B.
Le variante de la figure 8 est semblable, nar de nombreux points, à la figure 1. Les éléments des deux forces d'exécution qui remplissent les mêmes fonctions portent les mêmes référen- ces. Pour raccourcir l'exposé, on n'étudie que les éléments ou caractéristiques qui diffèrent de ceux de la figure 1.
Dans le disposition plus simple de la figure S, on a omis les complications nécessitées par la commutation de l'amplific teur MF à accord aigu 12, figure 1, d'un canal de commande à l'autre.
Au lieu d'un amplificateur à accord aigu 12 que l'on commute d'un canal de commande à l'autre, on utilise dans le système de la figure 8, deux filtres passe-bas 112A, 112B, un pour chacun des canaux de commande. Ces deux filtre? ne doiven qu'être approximativement semblables et peuvent, par exemple, laisser passer une bande de fréquences de 0 à 100 kilecycles.
L'exoosé suivant montrera pourquoi il n'est pas nécessair d'utiliser un filtre commun, que l'on commute, pour obtenir de la précision. Quand la sortie moyenne fréquence du redresseur
<Desc/Clms Page number 16>
13AC (ou 13BD) aporoche et passe sur le battement zéro, la réponse en amolitude du filtre passe-bas associé 112A (ou 112B varie symétriquement autour de la fréquence porteuse de l'osci lateur FM 10C qui correspond au battement zéro.
De ce fait, l'amplificateur-différentiateur associé 25A (ou 25B) produit u impulsion de sortie qui se présente au centre ou point de batt' ment zéro de son impulsion d'entrée indépendamment des effets de température, oar exemple, sur la largeur de bande du filtre Pour le reste, le fonctionnement des systèmes de la figure 1 est semblable à celui de la figure 8.
Dans les systèmes des figures 1 et 8, les sorties de deux oscillateurs à micro-ondes ayant chacun une fréquence de trava- rigidement guidée de l'ordre de dizaines de milliers de mégacy. cles sont mélangées de manière à produire une fréquence-différe ce qui est de l'ordre de dizaines de mégacycles. Ainsi, dans ce qui peut être considéré comme un étage de division de fré- quence, la fréquence est réduite par un facteur de l'ordre des milliers.
Dans le système représenté à la figure 9, qui utilise aussi la fréquence de résonance moléculaire d'un gaz comme éta. lon de fréquence de précision, pour stabiliser un oscillateur à micro-ondes et qui, par division de fréquence, produit une fré- quence étalon assez basse pour commander une horloge ou un in- dicateur, la fréquence est orogressivement divisée en fréquencE précises de plus en plus basses au moyen d'étapes successifs, chaque étage employant un oscillateur de bayge, un oscilla- teur stabilisé et un comparateur de ohases, jusqu'à ce que la fréquence est suffisamment basse pour que les réductions de fre quence puissent se faire au moyen d'un diviseur de fréquence courant, tel qu'un multivibrateur.
Pour faciliter l'exposé, on supposera que l'étalon de fré. quence primaire choisi est la bande 3,3 de l'ammoniac, quoiqu'1 est évident que l'on peut choisir d'autres bandes du même ou
<Desc/Clms Page number 17>
d'autres gaz. On admettra aussi que l'oscillateur 100 de l'étag 1 doit être stabilisé à une fréquence de 4774 mégeeycles de sorte que son cinquième harmonique correspond A la fréquence de 23.870 mégacycles à laquelle le gaz ammoniac, dans la cellu- le 101, présente une résonance moléculaire aiguë. Dans ce cas, l'oscillateur de balayage 102 est module, par exemple, par un générateur de dents de scie, pour couvrir la gamme allant de 23.860 à 23.880 mégacycles.
La fréquence de balayage et l'harmo- nique cinq de l'oscillateur 101 tel qu'il est produit par le générateur dêharmonicues 103 sont appliqués à un mélangeur 104, de manière à produire une fréquence de battement variable ampli- fiée par l'amplificateur 105 et appliquée à un comparateur de phases 106. La fréquence de balayage est aussi appliquée, par la cellule à gaz 101, au redresseur 107, pour produire une sé- rie d'impulsions qui se forment chacune au moment où la fréquenc de balayage passe sur la fréquence de résonance moléculaire du gaz.
Généralement, comme il a été décrit lors de l'étude des figures 1 et 8, ou dans la demande RCL 1530, le comparateur de phases 106 produit une tension "d'erreur" qui est appliquée à l'oscillateur 100 pour corriger l'écart entre sa fréquence de travail et la fréquence désirée que l'on a supposé être de 4.774 mégacycles.
Il faut remarquer que, dans les systèmes des figures 1 et 8, les fréquences fondamentales des oscillateurs stabilisés 10A et 10B peuvent être mélangées par le redresseur 13 et des har- monioues choisis de ces fréquences peuvent être apolicués aux mélangeurs 13AC et 13BD, conformément à la discussion précéden- te sur l'étage 1 de la figure 9. Ainsi, on appliquera une fré- quence-différence beau COUD olus basse au diviseur de fréquence 14 de la figure 1 ou 8.
Revenant la figure 9, la fréquence fondamentale de l'oscil lateur stabilisé 100 est appliquée au mélangeur 108 de l'étage #
<Desc/Clms Page number 18>
qui reçoit aussi la sortie de l'oscillateur de balayage 109 pré vu oour couvrir une gamme de fréquences comprenant la fréquence fondamentale de l'oscillateur 100.
Dans l'exemple numérique considéré, la gamme de balayage c l'oscillateur 109 oeut aller de 4.770 à 4.780 mégacycles. La sortie du mélangeur 108 est amplifiée par l'amplificateur 110 et envoyée au comparateur de phases 111 qui reçoit aussi, Dar l'intermédiaire de l'amplificateur 113, la sortie du mélangeur 114 . Les fréquences d'entrée du mélangeur 114 sont la fréauenc variable de balayage de l'oscillateur 109 et un harmonique de l'oscillateur 115 à stabiliser. A titre d'exemple, la fréquence fondamentale désirée de l'oscillateur 115 peut valoir 954,8 mé- gacycles de sorte que son harmonique cinquième produit par le générateur d'harmoniques 116 correspond à la fréouence fondamen tale de l'oscillateur stabilisé 100 de l'étage # 1.
Tout changement de phase dans les sorties des amplificateu 110 et 113, est détecté par le comparateur de phases 111 qui, généralement comme décrit plus haut, produit une tension de com mande qui, appliquée à l'oscillateur 115, corrige tout écart de sa fréquence par rapport à la valeur désirée.
La fréquence fondamentale de sortie de l'étage 2 est app quée à l'étage # 3, dont la fréquence de sortie est à nouveau réduite suivant un facteur choisi, grâce à un arrangement sem- blable d'oscillateurs stabilisé et de balayage, de mélangeurs e de détecteur de phase. A titre d'exemple, l'oscillateur stabili sé de l'étage # 3 peut avoir une fréouence fondamentale de 190,96 mégacycles de sorte que son harmonique cinquième est éga à la fréquence fondamentale de l'oscillateur 115 de l'étage # é
Au moyen d'étages semblables 4 4 et 1 5, la fréquence est toujours réduite par étapes, de façon que la fréquence stabili- sée appliquée au compteur multivibrateur 14 ou tout autre divi- seur de fréquence approprié, vaut, par exemple, 7,
638 mégacycle .ce qui correspond à un diviseur 5 pour chacun des étages #4 et.
<Desc/Clms Page number 19>
Il est clair que l'on peut utiliser d'autres harmoniques choisis de la même manière, et que l'on oeut employer des harmo- niques différents pour différents étages.
On comprendra aussi que la fréquence de battement sur laque sont accordés les amplificateurs 105,113, etc. des étages succe- sifs, oeut avoir une valeur quelconque même zéro, et qu'elle peu être différente pour les différents étages.
La fréquence de sortie du diviseur 114 peut être utilisée elle-même comme étalon de fréquence basse de grande précision.
Elle oeut être employée aussi oour commander une horloge ou un indicateur 15 avec les engrenages réducteurs nécessaires pour obtenir la vitesse de rotation désirée, telle qu'un tour par seconde. La précision d'une telle "horloge" est extrêmement élevé grâce à l'étalon primaire, la fréquence de résonance moléculaire de la bande du gaz choisie, qui est Indépendant de la température de la pression, du temos, de la friction ou d'autres variables, certaines de celles-ci ou même toutes affectent la précision des étalons connus antérieurement.
L'exposé ci-dessus montre clairement que l'invention n'est pas limitée aux procédés et systèmes particuliers décrits et que de nombreux changements et modifications peuvent y être apportés sans sortir de son cadre.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
<Desc / Clms Page number 1>
Improvements in processes and systems for producing a standard low frequency.
The present invention relates to methods and systems for using the molecular resonance presented in certain gases at microwave frequencies, to produce a high precision low standard frequency, independent of conditions such as pressure, temperature or dullness. conditions which reduced the precision of the low frequency standards known hitherto.
At low pressures, the microwave absorption spectra of certain gases, such as ammonia, carbonyl sulphide and methyl halides, include "bands" whose frequency distribution is different and distinct for the various gases, each of them corresponding to a precise micro-wave frequency independent of the variations c @
<Desc / Clms Page number 2>
to common variables such as temperature, temperature and the like.
Generally speaking, in accordance with the present invention, ultra-high frequency oscillations are produced which are in a high precision fixed digital transport with at least one of the absorption bands of a gas mentioned above. The oscillations of this frequency are applied to a frequency reducer, such as a multivibrator or a mixer, so as to produce a low frequency standard, for example, of the order of a few cycles per second moving to serve as power. ter an electric clock or any other indicator of time or frequency.
More particularly, and in accordance with a preferred form of the invention, the conversion of a precise frequency of the order of olusieurs tens of thousands of megacycles into a precise frequency much lower, for example, of the order of ten; of megacycles, is achieved by stabilizing the frequency of a series of oscillators with respect to a chosen harmonic frequency of each oscillator and the fundamental frequency of the preceding oscillator.
Still in accordance with the invention, and more particularly, the frequency of the first oscillator of the aforementioned series is stabilized, preferably by maintaining a determined phase shift between two reference time waves, one being obtained by applying to a gas cell the output of a scanning oscillator whose periodically varying frequency covers a range containing a molecular resonant frequency of gas, and the other being obtained by applying the beat frequency between the scanning oscillator and a determined harmonic of the stabilized oscillator, a frequency selector, such as a filter or a resonant circuit element, favoring a selected beat frequency.
<Desc / Clms Page number 3>
EMI3.1
The invention also consists of methods and systems, the characteristics of which are described and claimed:. '"* Hereinafter: The invention will emerge more clearly, by' ## '# fcrant at:
EMI3.2
accompanying drawings, including:
EMI3.3
Figure 1 is a circuit diagram of a useful system
EMI3.4
sant stabilized oscillators 3 microwaves, for "oduire"
EMI3.5
low frequency standard.
EMI3.6
Figures 2-7 are detailed diagrams of some parts of Figure 1.
Figure 8 is a circuit diagram of a variant of the system of Figure 1;
EMI3.7
Figure 9 is a circuit diagram of a vrrin-nte
EMI3.8
andpreferred from the system of Figure 1.
EMI3.9
Several gases, including NH3, COS, CH30H, CH3NH; ¯., S02 exhibit a characteristic of selective absorption "P" 1st micro-wave. The measurements made on the characteristics, molecular resonance resistance of such a gas, have shown e 1- magnitude of the absorption coefficient is perfect! p = -nt j- e0enantE of Ip pressure of the ga, but that the width of the absorbing region decreases markedly with the lowering of the ",) l" es1. ')' 1; no- However, the wavelength of 1.25 cm. (24,000 megpc- ,, es), the Q of the band 3.3 of ammonia is apnoainative-nemt of 1C under the 'Ores'3ion of ga7 of a tenth r "latmosohrc, - j¯'1 all a pressure of a hundredth of an atmosphere, etc.
Ceo-1. "" - il 1, pressure is reduced further in addition to JUSLIUP ', order -, 1 to 1 millimeter of mercury and less, the regions of 1bSC rr ion can seubdi aim in several very narrow bands. .eacher
EMI3.10
EMI3.11
of them corresponding to a real micro-wave frequency ho1ro).
EMI3.12
EMI3.13
independent of full ambient conditions, such as 1 temperature, pressure and other variables, e having a Q
EMI3.14
of the order of 50,000 and more.
<Desc / Clms Page number 4>
EMI4.1
The selective absorption oriented towards one or more
EMI4.2
these bands, is used to stabilize the réouencp of one or more oscillators producing oscillations whose frequencies lps are between them in a fixed ratio nun? riq-'e and des-
EMI4.3
which we shoot, for example by means of a multivibrator or
EMI4.4
of a similar electronlow frequency divider, jne r;. <pouenC '
EMI4.5
High precision bass smoldering serve as a frequency or time e-calor.
EMI4.6
Referring to Figure 1, the oscillator rllicr (-ùn0e l0A is stabilized at a frequency A which is equal to a selected frequency of molecular resonance of the gas rem,:> 11 ss & nt 1 "1 cell 11C tolus (or less) the average frequency F on which t.
EMI4.7
tuned, algae, an amplifier 12. A second oscil
EMI4.8
The microwave lOB is stabilized4 at a f'T "'ncP B yes is equal the molecular resonance of the gas filling 1 cell on the 11D plus (or less) the same average frequency (FI Les 0rt1e of the two stabilized microwave oscillators 10A, " Or srn ap-ol1quées to mixer 1, yes can and will be, of orF. '^ Enc
EMI4.9
a crystal rectifier.
EMI4.10
The two micro-wave frequencies A and '1 npuven', be chosen in such a way that the difference frequency # 800 arrives at the output of mixer 13, is asse7 based on the new day to be divided by a division circuit e- rw: E-
EMI4.11
current, re-represented, as a whole, because the rectangle '4,
EMI4.12
so as to give an output frequency of the cycle order
EMI4.13
oar second *. By way of example, by admitting naked gas in the
EMI4.14
cells 11C and 11D is ammonia gas, we don t choose the bands 8,6 and cl, 7 which correspond to resr¯ec; ivmeTa has 2 ^ .71.19 megacycles and 20.735.47 megacycles. We will thus have 4 '.., quencE difference of 16.28 megacycles. Band 5,4 f2P.6C. * Ft (. And band 4, (?. F8:, 73 mo.) Can be chosen again for a r ... 11f'n ('' '' ^ 3 fFrPnce of? 0.7? megacycles.
The '.: Ja "1è (; 2, P
<Desc / Clms Page number 5>
(2,722.59 me.) And 1.1 (2,694.48 me) can give a frequency difference of 24.11 megacycles, and so on in other pairs of bands.
Each of the gas cells 10A, 10B can be a part
EMI5.1
of a waveguide, having at each of its ex-trmi4, s a window made of mica or another aniroorter dielectric material allowing the passage of micro-wave energy, while forming a hermetic wall for the gas contained under pressure? of 0.02 millimeters of mercury, or less.
EMI5.2
The output of the frequency divider 14 can itself be used as a precision low frequency standard, or if it is desired to control a clock or orcis indicator. output of divider 14 can be amplified by means of 'ur. , cY.if1 conventional low frequency power generator 16, to drive the clock motor 15 which will accomplish, for example, one revolution per second, if the resonance bands of the gas, the divider n and the gears are suitably chosen writers of the indicator. Preferably, the divider n is a high number, so that the frequency at the output of the divider 14 is very close to one cycle as a second, the remainder of the division being done by choosing the reduction gears.
We are therefore * assured that any error remaining in the instantaneous difference between
EMI5.3
the frequencies A and B of the stabilized oscillators 10A and 10B are divided by a factor n, which is of the order of aillions, this at the
EMI5.4
makes it possible to obtain an indication of times of unrealistic precision with the methods known previously.
Preferably, the method of stabilizing the individual microwave oscillators 10A and 10B is, in general,
EMI5.5
similar to that described in patent application RCL 150. However, as it is rewritten below aDr: ;, a frequency selection element 12 which is switched from a com8ne system;
the other, during the zero er.trFP intervals, d
<Desc / Clms Page number 6>
so that any errors due to instability pr time,
EMI6.1
temperature or other variables, neutralize each other by.13 the frequency difference between the two stabilized oscillators 10A, By studying in more detail the reDrqcn system (-é in fig 1, the output of the stabilized oscillator 10A, recite from aonrodriée way, if necessary, by means of the attenuator 17, is applied, by the intermediary of the directional coupling 18A, a
EMI6.2
1SAC mixer, preferably a crystal straightener. These directional co rages and others of the systems described herein may be of the type described in detail in Belgian Patent 485: 7 of November 13, 1948 in the name of the Applicant.
The release of a
EMI6.3
ICC frequency modulated sweep oscillator is also ann '. quée the mixer 13AC Dar through a coupling say, tional 18C orécédé, if desired, an attenuator 17C. The output of scanning oscillator 10C periodically traverses a range of frequencies which, for example, have a width of 5 or 10 megacycles and which includes frequency A, the molecular resonance frequency of the gas in cell 11C, The frequency A plus (or less) the mid frequency F. The sweep frequency or repetition rate R of the sweep oscillates 10C is low, compared to the poetic frequencies of the oscillators 10A and 10C and is markedly different from the medium frequency F:
the scanning frequency wants, for example, to be of the order of 10 cycles to 10 kilocycles and to be
EMI6.4
produced by an electronic modulator or méc5 v, iue 8PryrOnr any, the shape of the modulation wave being, from nréfé sawtooth. For the sake of clarity, we will assume that q
EMI6.5
the carrier frequency C of oscillator 10C rises constantly () by an initial value lower than the volcular gas reso ce frequency of cell 11C, at -, - in: rrealence on higher Jo. + F and then returns brn90ument 9. the initial 1 <> 1Jl ", aui is greater than A - r.
<Desc / Clms Page number 7>
EMI7.1
The output of the mixer 13AC comprises, of this f8t, as u of its components, the selected sweep frequency R Da the amplifier 12R and applied to the rectifier 13R, so as to produce a series of control pulses intended for a
EMI7.2
switching potential generator 19 which comm9i1ie the oai: of amplifiers 20A, 21A and 20B, 21B, so that these operate alternately. The first -) area C '-, lifica- tors 20A, 21A is used for the stabilization of the frequency of the microwave oscillator 10A and the second SOL, 21B the esi for the stabilization of the frequency of the microwave oscillator 10B.
EMI7.3
There is already a suitable form of general "! ... 1 'com-autation c ooter tial 19 (see figure 2). In short, the imt) 11l. Lom at the sweep frequency selected by the amplifier in figure 1, are applied to the input circuit of the amplified tube 22, the output signal of which is applied to the gate circuit of the inverter tube 23, so as to produce two series of substantially rectangular positive pulsed signals '' "a" and "b "of complementary lengths. The pulses" a ".-have aooli cées, by the capacitor 24A, figures 1 and 2, to the amplifiers 20A, 21A, in order to unblock or activate the latter,
EMI7.4
during time intervals tl, while e,; u amplifiers 20B and 21B are out of service.
The pulses "b" are applied in the same way by the capacitor 24B, FIGS. 1 and 2, to the amplifier 20B and 21B, to put them into service during time intervals t2, during which the amplifiers 20 and 21A are out of service.
EMI7.5
During each time interval t, duran + 1-rael il, is in service, the amplifier 21A transmits from the rectifier 13F to an amplifier-differentiator represented by the rectangle 25A d
EMI7.6
the flower 1, a wave or ipuls10n which reaches its maximum aL cude, at the moment when the frequency difference between 1 V -.illateu
<Desc / Clms Page number 8>
EMI8.1
10A and the oscillator POU 10C is equal to the frequency F to which the amplifier 12 is tuned in high pitch. The output of the amplifier 21A is a potential proportional to the envelope of the amplifier 12 at the frequency of r. In other words, the output of the amplifier 12, during intervals t1, a a waveform whose instantaneous magnitude is a function of the beat frequency between oscillators 10A and 10C.
The shape of the output pulses of the diff] tiator is discussed below.
EMI8.2
This provides a series of pulses do-, t 1 relative to time with a second series of pulses, produced as will now be described, used to stabilize the frequency of the microwave generator 10A.
A second amplifier-differentiator represented by rectangle 25C in FIG. 1 is applied to a series of pulses or waves each oroducing at the moment when the carrier frequency of the FM oscillator 10C has the value of the frequency df
EMI8.3
molecular gas resonance in cell 11.,. More exactly the energy coming out of oscillator 10C is tr1sm5g> because exemr by a waveguide, the cell% g 3z Il% - by a path which can include an attenuator C17, was m adapter transformer 26, both being of the type for 1 "-1r'Jo! 1des. The microwave energy selected by the cell at ga? is rdrpsed by the 13C crystal and produces innilri ons or waves having the same repetition rate as the frequency modulation R of oscillator 10C.
In order to eliminate the effects of mo-3 ': D11tude lotion and other variables, the energy exiting the oscillator 10C is transmitted by a directional coupling ClS. To a second crystal rectifier C13, or equivalent. , of charter or ocôÉe to that of the rectifier 15C. The difference between the outputs of the rectifiers 13C and C13 is applied to the amplifier 1 "" '(; rer.t1Bteur 25C.
<Desc / Clms Page number 9>
Figure 3 shows an appropriate type of differential amplifier circuit 25, which may be suitable for both am
EMI9.1
differentiating plifiers 25A and 25C (also 25B, 25P studied later). The pulses applied to the input circuit of the tube 27 are amplified, reversed in polarity and also have a differentiating circuit comprising the capacitor 28 and the resistor 29, so as to send to the grid (tubs- 30
EMI9.2
a double d pulse for each d9e-.teee pulse. ChaCcue impulse has a negative peak and a positive peak. and, between these, the slope is very steep.
The V ', .. tte results. -T of tube 30 consists of a series of pulses q very slow with a very accentuated slope at the place of the center of IHf, T ') original ul- sion of entry into tube 27 correspc-; ar¯te.
The time constant of the rei:? Nce-caac1t combination 28, 29 is small compared to the rec period, Llu.on R, so that the input pulse to tube 27 is èif'f'J " -'I! T1f 'when it is applied to the input circuit of tube 0. The grid-cathode polarization of tube 30 is such that with a refistanc
EMI9.3
high anode, the anode voltage is only slightly S1'T) higher than the cathode voltage. Therefore, the negative swin orE of the grid-cathode bias of the tube 30 results in a very small change in the anode voltage, while the next Immediate results in a very sharp positive swing in the anode voltage.
This sudden increase can be used to
EMI9.4
order a gas triode in a next stage, so that the output inductions of the triode occur at the center o at the top of the mid-frequency envelope.
The output pulses eA, Figure 1, of the differentiator amplifier 25A are applied to a pulse generator
EMI9.5
Dush-Dull 31A, in order to produce two train of pulses of 12 the same repetition rate as the pulses eà, so that, for each input pulse eA, one produces nie oary of
<Desc / Clms Page number 10>
FIG. 3 shows an advanced type of differentiator amplifier circuit 25, which may be suitable for the two differentiator amplifiers 25A and 25C (also 25B,? 5D discussed later).
The pulses applied to the input circuit of the
EMI10.1
tube 27 are amplified, reversed in oolarity and annitauéis ai differentiator circuit comprising the capacitor 28 and the resistor 29, so as to send on the grid of .. tube 30
EMI10.2
a double pulse d for each pulse 6 '# .. t "e. Each pulse has a negative peak and a positive peak. and, between these, the slope is very steep. The s", .. t1.e result , in4e of tube 30 consists of a series of very sharp pulses with a very steep slope at the location of the center of the original 1rfl) u1- entry entry into tube 27 correqpO'l, .te.
The time constant of the reaction-ca? Acit combination 28, 29 is small compared to the response period, r.1 "'. Therefore, the input pulse to tube 27 is d1ffrnt1F quanc it is applied to the input circuit of tube 30. The polarization
EMI10.3
The grid cathode of tube 30 is such that with a high anode resistance the anode voltage is only slightly less than the cathode voltage. Therefore, the negative swin z) rE of the grid-cathode bias of the tube 30 causes a very small change in the anode voltage, while the immediate following produces a very steep positive swing of the anode voltage.
This sudden increase can be used to control a gas triode in a next stage, from Fort- que
EMI10.4
the output pulses of the triode are produced at the center o at the top of the medium frequency envelope.
The output pulses eA, figure 1, of the differentiator amplifier 25A are explained to a nush-oull pulse generator 31A, in order to produce two train, of pulses of the same repetition rate as the eA pulses, so that, for each input pulse eA, we produce an area of
<Desc / Clms Page number 11>
output pulses nointues, fAN, fAp, simultaneous and opposite oolar. Figures 4 and 5 show two suitable types of oush-pull pulse generator. The type shown in FIG. 4 uses a gas triode 32. The input pulses are applied to the gate thereof.
The positive output pulses fp appear across the cathode resistor 33 and the negative output pulses fN appear at the ends of the resistor 34 connected to the anode of the tube by the capacitor 35 and to the cathode of the tube by the resistor. 33. Alternatively, the pulse generator may include two tubes (type of Figure 5). In this, the total output voltage of tube 32 appears across cathode resistor 33, so as to produce positive output pulses fp the amplitude of which is double that which is normally used. get with the circuit of Figure 4, everything else being equal.
The cathodic resistance 33 of FIG. 5 is seizure and a part of the output pulse is applied to the gate of a second tubp 36, in order to produce the negative pulse fN at the terminals d. resistor 34 in series with capacitor 35 is found. in the output circuit of the latter tube. The constants of the circuits are chosen in such a way, that these impulses have an amplitude equal to that of the negative impulses fN and its simultaneous, so that, as in figure 4, each input impulse oroducts a npire of output impulses o sharp simultaneous and opposite oolarities.
The output pulses ec, Fig. 1, from the differentiator amplifier 25C are applied to a sawtooth wave generator 37A such that for each input pulse ec there is a toothed output pulse of silk 8 which rises abruptly, then decreases linearly. The figun shows a suitable type of sawtooth generator. The input sharp pulses e are applied to the gate of the
<Desc / Clms Page number 12>
tube 38 so as to produce at the terminals of the capacitor 39, in series with the capacitor 40 between the anode and the grid of the tube, a series of sawtooth pulses of repetition rate R.
Returning to Figure 1, the sharp pulses f and fAP from the dual pulse generator 31A and the sawtooth pulses SA from the sawtooth generator 37A are applied to a phase detector 41A which is used to cause changes to be made. into a DC "error" voltage, the olarity and amplitude of which depend on the direction and magnitude of the deviation between the frequency A of oscillator 10A and sp desired value. The above discussion shows that the moment of the beginning of each sawtooth pulse SA is rigidly related to the time when the carrier frequency of the FM oscillator 10C, each cycle of its modulation frequency R, passes exactly on the precise molecular resonance frequency of the gas in the cell 11C.
It is also understood that the time relation between each pulse SA and the corresponding pair of pulses fAN fAP depends on the instantaneous value of the frequency A of the stabilized oscillator 10A, Darce that, if the frequency A is greater than the normal, the difference frequency F, to which amplifier 12 is acutely tuned, is reached earlier in the cycle of the modulation frequency R, and is reached later, if the frequency A is below the normal. The "error" voltage produced by the phase discriminator 41A is used to control a regulator 42A to supply a supply voltage source 43 for the oscillator tube 10A and thus correct the deviation of its frequency A from the frequency. desired value.
The discriminator or comparator of uhase 41 and the regulator
EMI12.1
4P tor of figure 7 are type suitable for stabilizing the impact of a reflex klystron 10, and regulating 1
<Desc / Clms Page number 13>
DC voltage of the reflective enode 44. This klystron can serve as an example for the two oscillators 10A and 10B, of FIG. 1. A DC potential difference fi is maintained between the cathode 45 and the cavity 46 of the klystron 10, l 'using a stable or stabilized power supply shown, in general, because the battery 47.
The potential difference between reflector 44 and the cathode 45 of the klystron is a function of the voltage drop RI in the resistor 48 connected between the anc 49 of the regulator tube 50 and the Dositive terminal of a stabilized DC voltage source shown, from generally, by the battery 51, the% gas discharge tube 5P and the current limiting resistor thereof 53.
The intensity of the current flowing through resistor 48 and therefore the voltage of the reflector d depends on the bias voltage of the grid of the regulator tube 50; a component of this bias voltage has a fixed value chosen, for example, by adjusting the Dotentiometer 54 supplied by the battery 55 or by any other suitable source. The other component of this bias voltage is the "error" voltage supplied by phase detector 41, this voltage appearing at terminals 56, 57 thereof.
In the particular form of phase comparator 41 shown in FIG. 7, the positive and negative pulses fp and fN coming from the associated amplifier-differentiator, are applied respectively to the anode of the diode 58, or equivalent. slow, and the cathode of a similar rectifier 59. The electro 'of the rectifiers are connected by resistors 61, 61, the common end of which 57 is one of the output terminals of the comparator; the other electrodes of these rectifiers are connected to the other output terminal 56 of the comparator. The pulses 1 of the associated sawtooth generator are applied to the anode of the rectifier 59 by the resistor 62 and the capacitor 63, and the cathode of the rectifier 59 by the resistor 64 and the conden. sateur 65.
Thus, the average difference of the running impulses,
<Desc / Clms Page number 14>
which cross the resistors 61, 62, at each opele of The repetition frequency R depends on the phase shift of the sharp pulses fp, fN by the ratio to the sawtooth pulse s and, consequently, the gate voltage regulator tube 50 is corrected, if necessary, each cycle of the modulation frequency of the scanning oscillator, so as to adjust the controlled or stabilized oscillator 10 in the proper direction to bring the frequency back from that here at its desired value.
By way of example, the following circuit constants may be suitable for the phase discriminator 41:
EMI14.1
<tb> Capacitors <SEP> Resistors
<tb>
<tb> 63.65 <SEP> 0. <SEP> 05 <SEP> mfd. <SEP> 61 <SEP> 1. <SEP> 8 <SEP> megohms
<tb> 66.67 <SEP> 0.01 <SEP> mfd. <SEP> 62.64 <SEP> 1000 <SEP> ohms
<tb> 68 <SEP> 0.01-0.25mfd. <SEP> 70 <SEP> 10,000 <SEP> ohms
<tb> 69 <SEP> 10 <SEP> mfd.
<tb>
As heretofore described, the system serves to rigidly control the frequency of oscillator 10A by means of an error voltage obtained by comparing the phases of the oroduced pulses, during the intervals t1, during which the amplifiers 20A and 21A are in service.
During the intermediate intervals t2, during which the amplifiers 20B and 21B are in service, a generally similar device is used comprising the sweeping FM oscillator 10B, the gas cell 11D, the medium frequency amolificatpur 12, the rectifier 13F, the amolifiers. - differentiators 25B, 25D, the pulse generator 31B, the sawtooth generator 37D, the phase comparator 41B, the regulator 42B and the variatle power supply 43B, to stabilize the oscillator 10B at a working frequency B differing from the molecular resonance frequency of the gas in cell 11D, from the medium frequency F.
Note that the same medium frequency 12, 13F amolificator channel is used, alternatively for the
<Desc / Clms Page number 15>
of oscillator 10A during the intervals t1, and for controlling the oscillator 10B during the intervals t2. Consequently, any effects of the temperature or of the supply voltage, for example, on the response characteristics of the medium frequency system are canceled out, so that the difference frequency of the stabilized oscillators is precisely related to the frequencies of algae molecular resonance, which is not influenced by the temperature of the gas masses in 11C and 11D cells.
The exact switching frequency of the input of amplifier 12 is not critical, as long as the switching pulse of crystal 13R occurs during the cycle of the modulation frequency R, before crystal 13F receives a Pulse either from amplifier 20A or from amplifier 20B.
The variant of FIG. 8 is similar, in many respects, to FIG. 1. The elements of the two execution forces which fulfill the same functions bear the same references. To shorten the discussion, only those elements or characteristics which differ from those in figure 1 are studied.
In the simpler arrangement of FIG. S, the complications necessitated by switching the high-tune FM amplifier 12, FIG. 1, from one control channel to another have been omitted.
Instead of a high-tuned amplifier 12 which is switched from one control channel to another, in the system of FIG. 8, two low-pass filters 112A, 112B are used, one for each of the channels control. These two filter? should only be approximately similar and may, for example, pass a frequency band from 0 to 100 kilecycles.
The following exoote will show why it is not necessary to use a common filter, which we switch, to obtain precision. When the medium frequency output of the rectifier
<Desc / Clms Page number 16>
13AC (or 13BD) aporoche and passes to the zero beat, the amolitude response of the associated low-pass filter 112A (or 112B varies symmetrically around the carrier frequency of the FM oscillator 10C which corresponds to the zero beat.
Therefore, the associated amplifier-differentiator 25A (or 25B) produces an output pulse which occurs at the center or zero beat point of its input pulse regardless of temperature effects, for example, on the width. filter bandwidth Otherwise, the operation of the systems in Figure 1 is similar to that in Figure 8.
In the systems of Figures 1 and 8, the outputs of two microwave oscillators each having a rigidly guided working frequency of the order of tens of thousands of megacy. These are mixed together to produce a differing frequency which is on the order of tens of megacycles. Thus, in what can be considered a frequency division stage, the frequency is reduced by a factor of the order of thousands.
In the system shown in Figure 9, which also uses the molecular resonance frequency of a gas as eta. lon of precision frequency, to stabilize a microwave oscillator and which, by frequency division, produces a standard frequency low enough to control a clock or an indicator, the frequency is orogressively divided into precise frequencies of more lower by successive steps, each stage employing a bayge oscillator, a stabilized oscillator and an ohase comparator, until the frequency is low enough that the frequency reductions can be made at using a common frequency divider, such as a multivibrator.
To facilitate the discussion, we will assume that the standard of fré. The primary frequency chosen is the ammonia band 3.3, although it is obvious that other bands of the same or
<Desc / Clms Page number 17>
other gases. It will also be assumed that oscillator 100 of stage 1 must be stabilized at a frequency of 4774 megeeycles so that its fifth harmonic corresponds to the frequency of 23.870 megacycles at which the ammonia gas in cell 101 exhibits a frequency. acute molecular resonance. In this case, the scanning oscillator 102 is modulated, for example, by a sawtooth generator, to cover the range of 23,860 to 23,880 megacycles.
The sweep frequency and harmonic five of oscillator 101 as produced by harmonic generator 103 are applied to mixer 104, so as to produce a variable beat frequency amplified by the amplifier. 105 and applied to a phase comparator 106. The sweep frequency is also applied, by the gas cell 101, to the rectifier 107, to produce a series of pulses which each form as the sweep frequency passes. on the molecular resonance frequency of the gas.
Usually, as described in the study of Figures 1 and 8, or in RCL application 1530, phase comparator 106 produces an "error" voltage which is applied to oscillator 100 to correct for the error. difference between its working frequency and the desired frequency which was assumed to be 4,774 megacycles.
Note that in the systems of Figures 1 and 8, the fundamental frequencies of stabilized oscillators 10A and 10B can be mixed by rectifier 13 and selected harmonies of these frequencies can be apolicited to mixers 13AC and 13BD, in accordance with the preceding discussion on stage 1 of FIG. 9. Thus, we will apply a very low frequency-difference COUD to the frequency divider 14 of FIG. 1 or 8.
Returning to Figure 9, the fundamental frequency of stabilized oscillator 100 is applied to mixer 108 of stage #
<Desc / Clms Page number 18>
which also receives the output of sweep oscillator 109 intended to cover a range of frequencies including the fundamental frequency of oscillator 100.
In the digital example considered, the scanning range c oscillator 109 can range from 4,770 to 4,780 megacycles. The output of mixer 108 is amplified by amplifier 110 and sent to phase comparator 111 which also receives, Dar through amplifier 113, the output of mixer 114. The input frequencies of mixer 114 are the variable sweep frequency of oscillator 109 and a harmonic of oscillator 115 to be stabilized. For example, the desired fundamental frequency of oscillator 115 may be 954.8 megacycles so that its fifth harmonic produced by harmonic generator 116 corresponds to the fundamental frequency of stabilized oscillator 100 of floor # 1.
Any phase change in the outputs of amplifiers 110 and 113 is detected by phase comparator 111 which, generally as described above, produces a control voltage which, applied to oscillator 115, corrects any deviation from its frequency. relative to the desired value.
The fundamental output frequency of stage 2 is applied to stage # 3, the output frequency of which is again reduced according to a chosen factor, thanks to a similar arrangement of stabilized oscillators and sweeping, and phase detector mixers. As an example, the stabilized oscillator of stage # 3 can have a fundamental frequency of 190.96 megacycles so that its fifth harmonic is equal to the fundamental frequency of oscillator 115 of stage # é.
By means of similar stages 4 4 and 1 5, the frequency is always reduced in stages, so that the stabilized frequency applied to the multivibrator counter 14 or any other suitable frequency divider is, for example, 7,
638 megacycle. Which corresponds to a divider 5 for each of the floors # 4 and.
<Desc / Clms Page number 19>
It is clear that one can use other harmonics chosen in the same way, and that one can use different harmonics for different stages.
It will also be understood that the beat frequency on the lacquer are tuned to the amplifiers 105,113, etc. successive stages, can have any value, even zero, and can be different for the different stages.
The output frequency of divider 114 can itself be used as a high precision low frequency standard.
It can also be employed to drive a clock or indicator with the necessary reduction gears to achieve the desired rotational speed, such as one revolution per second. The accuracy of such a "clock" is extremely high thanks to the primary standard, the molecular resonant frequency of the gas band chosen, which is temperature independent of pressure, time, friction or pressure. other variables, some or even all of these affect the precision of previously known standards.
The above discussion clearly shows that the invention is not limited to the particular methods and systems described and that numerous changes and modifications can be made to it without departing from its scope.
** ATTENTION ** end of DESC field can contain start of CLMS **.