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Perfectionne..lents à la stabilisation des oscillateurs à micro-ondes.
La présente invention concerne les procédés et systè- mes pour stabiliser la fréquence d'un oscillateur à micro-ondes, en utilisant la résonance moléculaire aiguë que présente certains gaz aux fréquences micro-ondulatoires.
Le spectre d'absorption des micro-ondes par certains gaz, dont le gaz ammoniac, le sulfure de carbonyle et les halo- génures de méthyle, comprend des bandes de fréquences distinctes spéciales aux différents gaz. Aux très basses pressions, ces "bandes" en régions d'absorption peuvent se subdiviser en plusieurs bandes très étroites, dont chacune correspond à une fréquence mi- cro-ondulatoire précise sur laquelle la température ambiante, la pression et les autres variables courantes n'ont aucun effet.
Conform@ment à la présente invention, la fréquence por-
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tr-se \..' Illl J'ci11-,teur micro-ondes est modulée ùe manière à pro-
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duire des fréquences de bande latérale, au moins une de ces fré- quences étant très voisine de la fréquence de résonance molécu- laire d'un gaz sous faible pression. Le déphasage entre la fré- quence de modulation et une composante de détection faisant par- tie de la sortie de la cellule à gaz est utilisé et, de préfé- rence, amplifié de manière à produire une tension "d'erreur" qui varie en sens eten amplitude suivant le glissement de la fréquen- ce de l'oscillateur à micro-ondes. Cette tension est ensuite ap- pliquée à l'oscillateur dans le but de corriger le glissement.
Plus précisément, dans certaines formes de l'invention convenant spécialement pour la stabilisation d'oscillateurs de grande puissance, les fréquences de l'oscillateur à micro-ondes et d'un oscillateur de modulation à fréquence basse sont mélan- gées dans un modulateur équilibré, ou l'équivalent, de manière à supprimer la fréquence porteuse et à éviter ainsi d'endommager les redresseurs de détection et de saturer la cellule à gaz. Dans d'autres formes de l'invention, convenant aux faibles puissances, on transmet les fréquences porteuse et de bande latérale à travers la cellule à gaz vers la détection.
L'invention consiste aussi en procédés et systèmes dont les nouvelles caractéristiques seront décrites plus loin.
L'invention ressortira clairement de la description dé- taillée donnée ci-après avec référence aux dessins annexés, dont
La figure 1 est un schéma de connexions d'un système à oscillateur stabilisé dans lequel la porteuse est supprimée.
La figure 2 est une représentation servant à expliquer le fonctionnement du système de la figure 1. la figure 3 représente, en perspective, un modulateur équilibré convenant au système de la figure 1.
La figure 4 est un schéma de connexions d'un système à oscillateur stabilisé, dans laquel la porteuse et les fréquences @e bande l@térale sont envoyées à la cellule à gaz.
L : figure 5 représente une variante du système de la
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figure 4.
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Li, figure 6 est un schéma de connexions d'un circuit
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comparateur de phases pouvant tre utilisé dans les systèmes des fleures 1, 4 et 5 pour stabiliser un lytron; et
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L, Figure 7 représente :";Ch'ltique:::-2nt un "J1r:t;n(;tron avec électrode de com-1,nde de fréquence.
De nombreux gaz, quanu ils sont pression r'duite, présentent un effet d'.. b'or¯;ti:)n " r''son:'nce 2i3'ë, aux fréquen- ces micro-onaul' toires. D: ns le cas de l' ar!l:1oni: p--r exemple, plusieurs résonances r.iu'ces se présentent dans une gamme de fré- quences relative.ent troite voisines de 1 fréquence correspon-
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dant à la longueur d'onde de 1,25 centimètre.
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Dans le système de 1" figure 1, l'oscillateur à micro- ondes 10 doit êtrt. stabilisé '. une fréquence (f =w/2f) correspon- dant une de;:; fréquences d'absorption d'un gaz choisie, le gaz étr.nt, par exemple,, l'antiioniac. L'oscillateur est relie à une li- gne de charge et i un cr.nal t11ili[lt(,uè' p,,:r l 'interr/dirire ce lignes de transmis s ior. - -pproprir-'e2, d'habitude des guides d'onde, quoique l'en puisse utiliser pussi des lignes c08xi:lps. Le canal stabilj [' te'...r 13 conprend, enne le système de lé figure 1, un mo- dulateur équilibré 12 auquel on applique 1 fréquence (f1 = '/2y) d'un oscillateur (: ,ncul tior 13.
Com : 1¯ o,:ulr-:ttur 1: est équilibré, sa orti'2 ne contient pas la fréquence rorEs¯ ce l'oscillateur 10, mais au i.ioins ,ew-. bander 1"t,'r;-.1.."s (f2 = + 1- ) et (f3 W- Y ) 2 'W 2 Ir i o" ex#ri:e la fréquence e 1.' l,h;.. se du chanp prouuit p.r l'o:cill.teur pr (e = ? sin cot, t les fréquences >5t F
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.'.-s .o'''cr.ti&3r z c? noaulction par (el = + El sin < t), les frc- ...'.:ic #?#*## r::a sf : es Ci1""I'; produits par le .oc:ulc te.r ''cuilibr" . -.u: <¯.t str j i'-pr('Et'it<-#c par:
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Les champs micro-ondulatoires représentés par l'équation (1) sont appliqués à la cellule à gaz 14 qui peut comprendre une partie de guide d'onde pvec fenêtres hermétiques au gaz à chaque bout, contenant de l'ammoniac pression réduite de manière à présenter de la résonance aiguë.
Au moins une des fréquences de bande latérale fi ou f2 est choisie de façon tomber dans l'in- tervalle de fréquences d'une bande choisie parmiles bandes étroites d'ab- sorption du gaz contenu dans la cellule 14. Si la fréquence de modulation est choisie asses basse, les ceux fréquences de bande latérale se trouveront à l'intérieur de la bande d'absorption choisie. Généralement, lr fréquence de modulation est faible, comparée à la fréquence de l'oscillateur 10 et peut, par exemple, être de l'ordre de 0,15 mégacycle ou moins, quoique, pour certai- nes applications, la fréquence de modulation prisse être plus élevée.
Des banues: latérales semblables peuvent être produites en modulent directement en fréquence l'oscillateur à micro-ondes, mais ce procédé n'est pas préférable, parce que la sortie stabili- sée de l'oscillateur contiendra toujours ces bandes latérales, 5 moins que, dans une . implication déterminée, ces fréquences ne
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tombent en de!or. de le bzznde ppsscinte.
Les effets de résonance produite par certaines des ban- des c'absorption ces gaz sont extrêmement aigus, correspondant à un circuit dont le @ vaut -aviron 70. 000, et, en choisissant une de ces bandes, on peut assurer à la cellule à gaz une caractéris- tique phase-fréquence très sensible. Par conséquent, si l'une ou
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Ips deur fréquences ae bande latér^1P sf- trouvent dans la bande d'absorption, les deux banàes latérales subiront des déphasages notablement différents, pendant leur passage dans la cellule à Gaz.
Les fréquence et phase des champs à la sortie de la cel- lule @ gaz peuvent être exprimées par:
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(2) e4 = E+{+CO' [ (<0> - 'l') t + alJ - .m.,.cos (cJ + c ) t + &1 J où al = angle de déphasage, dû au gaz, de la bande la- térale inférieure, a2 = an-le de déphasage, duau gaz, de la bande latéra- le supérieure.
La sortie de la cellule à gaz est appliquée à un mo- dulateur équilibré 15, ou l'équivalent, auquel on applique aussi la fréquence porteuse de l'oscillateur 10. Le niveau de la por- teuse réintroduite par la ligne 16, est,de préférence, si bas, à cause de l'insertion de l'atténuateur 9, que l'amplitude de la porteuse n'est que légèrement supérieure aux amplitudes des bandes latérales. Ceci a pour effet d'augmenter la profondeur de modulation dans les champs appliqués aux redresseurs du module- teur équilibré 15. Ces champs peuvent être exprimés par:
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(3) e5 = E5 sinwt + cos [(4)-'tI)t + al] - ml cos[('W+f)t+.3 1 où ml est le facteur de modulation renforcé.
En supposant que les redresseurs sont des cristaux identiques ayant une réponse quadratique, leur sortie peut être exprimée par l'équation (4) ci-dessous. Si les cristauxn'ont pas une loi quadratique, la sortie du modulateur contiendra des ter- mes de degrés plus élevés que l'on peut négliger.
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(4 ) e6 = E61 ml sin C(2ca + ) t + a2] - sln[(24J-'f)t + aj -sin(yt+a2)- - sin (t - 81)J ' les circuits étant réglés de telle façon que a2 al .
Grâce au filtre 17 qui sert de filtre et de by-pass, les poten- tiels de sortie représentés par tous les termes de l'équation (4) sauf celui choisi, notamment le dernier, sont éliminés ou atténués, de sorte que la sortie du filtre peut s'exprimer par :
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(5) e7 = I7 [sin (t + a2) + sin (lit - ai)] =
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La sortie du filtre se trouve donc sur la même fréquen- ce que l'oscillateur de moauletion 13, mais elle est déphasée à un degré dépendant du déphasage de l'énergie de bande latérale encouru pendant le passage dans la cellule à gaz.
Quand la fré- quence de la porteuse de l'oscillateur 10 a tendance à dévier de la valeur choisie, les fréquences de bande latérale glissent par rapport à la bande d'absorption choisie du gaz dans la cellule 14 et enregistrent donc chacune un déphasage différent.
Ce déphasage variable a2/2al est compare au poten- tiel de phase constante ou de référence, à fréquence w/2@ de l'oscillateur de modulation 13. On peut utiliser n'importe quel circuit approprié comparateur de phases, représenté dans sa géné- ralité par le comparateur de phases 18. La figure 6 en représente un en détail; il sers décrit plus tard. Le comparateur de phases produit une tension continue "d'erreur" qui peut être appliquée, d'une manière appropriée quelconque, pour régler la fréquence de l'oscillateur 10.
En supposant que le tube oscillateur 10 soit un klystron réflex, par exemple, la tension "d'erreur" peut être utilisée pour corriger le potentiel de l'anode réflectrice. Le sens et l'amplitude de la tension "a'erreur" dépendent du sens et de 1' importance du glissement de fréquence ; à l'oscillateur 10, elle sert à corriger, ou à réduire au minimum, les déviations dans l'un ou dans l'autre sens par rapport à la fréquence dési- rée.
Les trois graphiques de la figure 2 ont été réalisés en prenant une échelle des fréquences exagérées et en supposant que la fréquence de modulation est faible. L'amplitude est portée en ordonnées et la fréquence en abscisses. Les graphiques montrent le glissement de la porteuse et des bandes latérales, quand la fréquence porteuse de l'oscillateur 10 tend à passer au-dessus o en-dessous ce la fréquence normale.
Comme l'incique la première @@@@@@@@ de 1 figure 2, curnd la fréquence augmente, la tension
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"d'erreur fournie par le comparateur de phase 18, à travers la ligne 19, à l'oscillateur 10 a un sens tel qu'elle abaisse la fréquence, tandis que, si la fréquence tombe, comme indiqué par la troisième courbe, le sens de la tension "d'erreur" provoque le relèvement de la fréquence de l'oscillateur. La seconde cour- be de la figure 2 représente les conditions dans lesquelles la porteuse?et les bandes latérales ont les fréquences voulues, sta- bilisées.
Dans le système de la figure 1, il peut y avoir des effets amplitude-fréquence et phase-fréquence dus aux caracté- ristiques de fréquence du système de transmission et de compo- santes autres que la cellule à gaz elle-même. Cependant, le Q de la bande d'absorption du gaz est très élevé , de l'ordre de 70. 000, alors que le Q des autres éléments sera toujours beaucoup moins 'levé de sorte que les effets amplitude-fréquence et phase- fréquence parasites sont minimes et peuvent être compensés par ces réglages de circuit.
Dans le système de la figure 1 ou les autres systèmes décrits, les fréquences de bande latérale peuvent être reproduites par modulation, en fréquence, de l'oscillateur 10, au lieu de mo- dulation en amplitude, mais cela est en général moins bon.
Un montage pouvant remplir les fonctions des modulateurs équilibrés 12 et 15 de la figure 1 et qui comprend aussi la cel- lule à gaz 14, est représenté à la figure 3. En fait, le dispo- sitif comprend deux "Tés magiques" reliés respectivement aux li- gnes 11 et 16 venant de l'oscillateur 10, et reliés entre eux par la partie de la ligne de transmission 11 qui contient la cellule à gaz 14. Le "Té magique" supérieur 12 A remplit le rôle du mo- dulateur équilibré 12 de la figure 1 et comprend la partie de gui- de d'onde 20, d'ou partent, à égale distance des bouts de la par- tie 20, deux bras de guide d'onde 21 et 22, l'un raccordé à la grande face du guide d'onde, l'autre à la face étroite.
Le bras @@ réfiéchit l'énergie venant de l'oscillateur à micro-ondes 10,
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les champs micro-ondulatoires résultantsétant en phase à hauteur des 2 cristaux redresseurs 23 ou équivalents. Un fil est relié à chaque redresseur 23, comne indiqué à la figure 3, pour appli- quer aux redresseurs, la sortie de l'oscillateur de modulation.
En appliquant la fréquence de modulation à chacun des redres- seurs 23, on produit des termes représentant les bandes latéra- les, équation (1), qui sont renvoyées en arrière à la jonction du bras 21 avec le guide- d'onde 20 et s'ajoutent à l'onde de fré- quence de l'oscillateur, si celle-ci est réfléchie par les cris- taux. Comme les champs propagés dans le guide d'onde 20 vers le bras 22 n'excitent celui-ci qu'en vertu de champs latéraux, ces .eux champs excitent le bras 22 en phases opposées. De ce fait, Gans l'excitation du bras 22, les deux champs des banues latérales s'additionnent tandis que les champs réfléchis dus :.. la porteuse s'annulent. Par conséquent, le bras 22 n'amène la cellule à gaz que les bandes latérales.
Par la symétrie de la construction, il est évident que le bras 21 pourrait être connecté à la cellule à gaz et le bras 22 à l'oscillateur, et que l'on obtiendrait des résultats sem- blables.
Le détecteur équilibré 15 A jouant le rôle du détecteur 15 de la figure 1 est ue construction semblable. Les champs de bande latérale, également déphasés ourant leur passage par la cellule à gaz 14, sont envoyés dans le bras 26 du "Té magique" inférieur, de manière-à produire des champs en phase à hauteur des cristaux redresseurs 28, ou équivalents, qui sont disposés sy- métrique;sent sur le guide d'onde 25, de part et d'autre du bras 26.
L'@nergie à fréquence porteuse est introduite par le bras 27 et produit des champs en phase à hauteur des cristaux.
La sortie vers le comparateur de phases 13 pourrait être . rise '. un seul des cristaux 28, mais comme il est plus facile de @ intenir 1 sym@trie et l'équilibre du pont au moyen des deux @@@@@@@@@, il est préférable de combiner la sortie des deux cris-
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taux 28 en phase, pour la composante de détection choisie des fréquences de bande latérale. Comme dans le pont des "Tés magiques", il y a un renversement de phase au plan de jonction E, il faut soit renverser la sortie d'un cristal par rapport à l'autre, soit cha ger le sens de connexion d'un cristal, afin d'obtenir l'addition, en phase, des deux sorties. Les connexions sont représentées reliant les cristaux redresseurs 28 au filtre .
17 (figure 1).
Les pistons 24, représentes à la figure 3, coopèrent avec les bras des "Tés magicues" en qualité de transformateurs d'adaptation d'impédance.
Pour un oscillateur à micro-ondes de faible ou moyenne puissance, le système stabilisateur plus simple de la figure 4 peut convenir. Dans cette variante, les sorties de l'oscillateur à micro-ondes 10 et de l'oscillateur de modulation 13 sont mélan- gées dans un modulateur non équilibré 12B, tel qu'un gristal redresseur unique, ou l'équivalent, de sorte oue l'énergie micro- ondulatoire appliquée à la cellule à gaz 14 contient la fréauence porteuse et les fréquences de bande latérale, dont l'une au moirs tombe dans la bande d'absorption du gaz choisie. Si la fréquence de modulation est assez feible, les trois fréquences tomberont dans la bande.
On produire évidemment des fréouences de modula- tion d'ordre plus élevé que la fréquence de bande latérale plus et moins la fréquence de modulation, mais on peut les négliger.
Les champs entrant dans la cellule à gaz correspondent à l'équa- tion (1) plus un terme correspondant à la fréquence porteuse, et les champs en dehors de la cellule à gaz correspondent à l'équa- tion (2) plus un terme E sin (wt + a3).
En supposant que la caractéristique du redresseur du modu- lateur 15B est quadratique, la sortie du cristal peut s'exprimer par l'équation (6) ci-dessous. Si le cristal n'a pas une loi quadratique, des termes d'ordre plus élevés apparaîtront, qui
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seront négligés.
(6) eg = Eg [*Il . cos [2wt+ a3)]
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Le filtre 17, par filtrage et by-pass appropriés, re- jette ou supprime tous les termes de l'équation (6) sauf celui choisi, notamment le dernier, de sorte que la sortie du filtre peut s'exprimer par :
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(7) 8CJ = Eg ml ( s1n(lf/t + a3 - al) + sin (yt - a3 + a2)j
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La phase variable du produit de détection choisi est comparée, dans le comparateur de phases 18, à la phase fixe de référence donnée par l'oscillateur de modulation 13, de manière à produire une tension continue "d'erreur" appliquée, à travers la ligne de transmission 19 du comparateur de phases, à l'oscillateur à micro- ondes, dans le but de stabiliser la fréquence de celui-ci.
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Comme dans le système de la figure 1, la tension"d'erre' a une polarité qui dépend du sens du glissement de la fréquence porteuse de l'oscillateur 10. Aussi coome dans le système de la figure 1, il peut y avoir des effets parasites d'amplitude- fréquence ou phase-fréquence aus aux caractéristiques de fréquen- ce des composantes autres que la cellule à gaz 14, mais puisque le @ de la bande d'absorption du gaz est de l'ordre de 70.000, ces
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effets parasites dus aux composantes des circuits sont mini- mes et peuvent être supprimés ou compensés par des réglages de circuit.
Si, à cause du choix de la fréquence ce modulation ou de la fréquence porteuse pour la comparaison de phases, les dé- phasages à comparer concernent des fréquences élevées, le compe- rateur de phases peut consister en un dispositif à guide d'onde qui comprend un arrangement avec un "T" comme en 15 A de la figure 3, mais dans lequel les deux parties de guide d'onde qui alimen- tent le "T" et qui conduisent les deux fréquences à comparer, ont des longueurs inégales et sont disposées de telle façon à la jonction avec le "T", qu'une des fréquences est envoyée dans les bras du "T" munis des redresseurs avec des polarisations ins- tantanées opposées, tandis que l'autre fréquence est envoyée dans ces bras avec des polarisations instantanées identiques mais avec un déphasage de 90 par rapport à la première fréquence.
Cependant, de préférence, et comme indiqué à la figure 5, on introduit dans le comparateur de phases les fréquences peu diffé- rentes entre elles provenant du battement de la sortie d'un oscil- lateur haute fréquence 93 avec, d'une part, la fréquence porteu- se de l'oscillateur à micro-ondes et,d'autre part, la composante choisie dans la sortie du détecteur 15 B. Plus exactement, la phase fixe de référence est produite en combinant dans le mélan- geur 30, la fréquence de l'oscillateur 10 ( en avant de la cellu- le 14) et la fréquence de l'oscillateur 93, de manière à produi- re une fréquence-différence appliquée au comparateur de phases 18 A.
La phase variable est produite en combinant dans le mélan- geur 31, la fréquence de l'oscillateur 93 et la composante de dé- tection de porteuse à la sortie de la cellule 14, de manière à produire la même fréquence-différence.
L,' fleure 6 représente, à titre d'exemple,un compara-
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t. r \.le limses peuvent être utilisé --ans le système de la figure 5.
-¯ "i-t- 3\, 31 et 35, 35, ou leurs équivalents, forr.1ent un
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pont de redressement avec bornes 36 et 37, pour la sortie du courant continu. Les bornes comnunes d'une paire de redresseurs 84, 35 sont reliées à la borne d'entrée 38 du comparateur de pha- res 18 A par l'intermédiaire d'un circuit résistance-condensateur 41, 42, et les bornes communes de l'autre paire de redresseurs sont reliées, de manière similaire, à la borne d'entrée 39.
Les bornes 38,39 sont shuntées par une résistance 40 et sont reliées respectivement, par l'intermédiaire de condensateurs de blocage, à un circuit de formation d'impulsions (voir figure 5), de pré- férence d'un type qui transforme la tension de sortie du mélan- geur 30 (ou 31) en deux trains d'impulsions très pointues bien en phase, mais de polarités opposées. La tension de sortie de l'au- tre mélangeur 31 (ou 30) est, de préférence, transformée en dents de scie par des circuits de formation 32 pu@s est appliquée à la borne d'entrée 36 du comparateur de phases.
Pour commander la fréquence d'un klystron reflex, la tension "d'erreur", produite par le comparateur de phases, peut être utilisée pour régler le potentiel de l'anode réflectrice, comme indiqué à la figure 6. En bref, le potentiel de l'anode ré- flectrice 43 eu klystron 10 A dépend de la chute de tension aux bornes d'une résistance 47 se trouvant en circuit entre la sour- ce stabilisée de courant continu 46 et l'anode d'un tube de com- mande 48. La polarisation de la grille de commande du tube 48 com- prend une composante fixe fournie par une batterie 49 ou équiva- lent par l'intermédiaire d'un potentiomètre 40, et une composan- te variable fournis par le comparateur de phase 18 A à travers la ligne de commande 19.
Quand la fréquence porteuse de l'oscilla- teur 10 A dévie dans un sens ou dans l'autre, la polarité de la tension "d'erreur" change en conséquence de manière à faire varier la polarisation du tube régulateur 48 dans un sens tel que la fréquence produite est ramenée vers ou à la valeur désirée. Quand l'oscillateur à micro-ondes est un magnétron (voir figure 7) à gril-
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le ce- COm2ne de fréquence 51, * le. tension nûf erreur" produite par ,
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le comparateur de phases peut être appliquée à la grille dans le but de corriger toute tendance de la fréquence produite à s'écarter de la valeur désirée.
Il est évident que l'invention n'est pas limitée aux systèmes particuliers décrits et représentés à titre d'exemple.
REVENDICATIONS
1.- Procédé pour stabiliser la fréquence d'un oscilla- teur à micro-ondes caractérisé en ce qu'on module la fréquence de l'oscillateur pour produire des fréquences de bande latérale, on applique au moins une des bandes latérales à une masse de gaz présentant de la résonance moléculaire aiguë sur une fréquence voisine de ces fréquences de bande latérale de manière à pro- duire un glissement de phase variant avec la fréquence de l'os- cillateur, on détecte l'énergie micro-ondulatoire transmise par le gaz, et on commande la fréquence de l'oscillateur de façon à réduire au minimum la variation de la différence de phase exis- tant entre la fréquence de modulation telle qu'elle est appli- quée à l'oscillateur à micro-ondes, et telle qu'elle est déri- vée par détection de l'énergie micro-ondulatoire transmise par la cellule.
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Perfect..slow stabilization of microwave oscillators.
The present invention relates to methods and systems for stabilizing the frequency of a microwave oscillator, using the acute molecular resonance exhibited by certain gases at microwave frequencies.
The absorption spectrum of microwaves by certain gases, including ammonia gas, carbonyl sulphide and methyl halides, includes distinct frequency bands special to different gases. At very low pressures, these "bands" in absorption regions can be subdivided into several very narrow bands, each of which corresponds to a precise micro-wave frequency over which ambient temperature, pressure and other common variables do not. have no effect.
According to the present invention, the frequency carries
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very -se \ .. 'Illl J'ci11-, the microwave is modulated so as to
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reduce sideband frequencies, at least one of these frequencies being very close to the molecular resonance frequency of a gas under low pressure. The phase shift between the modulating frequency and a sensing component forming part of the output of the gas cell is used and, preferably, amplified so as to produce an "error" voltage which varies in frequency. direction and amplitude following the shift in frequency of the microwave oscillator. This voltage is then applied to the oscillator in order to correct the slip.
More specifically, in certain forms of the invention especially suitable for stabilizing high power oscillators, the frequencies of the microwave oscillator and of a low frequency modulating oscillator are mixed in a balanced modulator. , or the equivalent, so as to suppress the carrier frequency and thus avoid damaging the detection rectifiers and saturating the gas cell. In other forms of the invention, suitable for low powers, the carrier and sideband frequencies are transmitted through the gas cell to the detection.
The invention also consists of methods and systems, the novel characteristics of which will be described later.
The invention will emerge clearly from the detailed description given below with reference to the accompanying drawings, of which
Figure 1 is a circuit diagram of a stabilized oscillator system in which the carrier is removed.
Figure 2 is a representation for explaining the operation of the system of Figure 1. Figure 3 shows, in perspective, a balanced modulator suitable for the system of Figure 1.
Figure 4 is a circuit diagram of a stabilized oscillator system, in which the carrier and sideband frequencies are sent to the gas cell.
L: figure 5 represents a variant of the system of
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figure 4.
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Li, figure 6 is a circuit diagram of a circuit
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phase comparator which can be used in the systems of flowers 1, 4 and 5 to stabilize a lytron; and
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L, Figure 7 represents: "; Ch'ltique ::: - 2nt a" J1r: t; n (; tron with com-1 electrode, nde of frequency.
Many gases, at reduced pressure, exhibit an effect of .. b'or¯; ti:) n "r''son: 'nce 2i3'ë, at micro-wave frequencies. In the case of ar! L: 1oni: for example, several r.iu'ces resonances occur in a range of relative frequencies close to 1 corresponding frequency.
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dant at the wavelength of 1.25 centimeters.
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In the system of Figure 1, the microwave oscillator 10 must be stabilized at a frequency (f = w / 2f) corresponding to one of;:; absorption frequencies of a chosen gas, the first gas, for example ,, the antiioniac. The oscillator is connected to a load line and i a cr.nal t11ili [lt (, uè 'p ,,: rl' interr / dirire ce lines of transmitted s ior. - -proprir-'e2, usually waveguides, although it can also use lines c08xi: lps. The stabilj ['te' ... r 13 channel understands, enne system of figure 1, a balanced modulator 12 to which is applied 1 frequency (f1 = '/ 2y) of an oscillator (:, ncul tior 13.
Com: 1¯ o,: ulr-: ttur 1: is balanced, its orti'2 does not contain the frequency rorEs¯ this oscillator 10, but at i.ioins, ew-. band 1 "t, 'r; -. 1 .." s (f2 = + 1-) and (f3 W- Y) 2' W 2 Ir i o "ex # ri: e the frequency e 1. ' l, h; .. se du chanp prouuit p.r o: cill.teur pr (e =? sin cot, t frequencies> 5t F
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.'.- s .o '' 'cr.ti & 3r z c? noaulction by (el = + El sin <t), les frc- ... '.: ic #? # * ## r :: a sf: es Ci1 "" I'; produced by the .oc: ulc te.r '' cuilibr ". -.u: <¯.t str j i'-pr ('Et'it <- # c by:
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The micro-wave fields represented by equation (1) are applied to the gas cell 14 which may include a waveguide portion with gas-tight windows at each end, containing ammonia at reduced pressure so as to present high resonance.
At least one of the sideband frequencies fi or f2 is chosen so as to fall within the frequency interval of a band chosen from the narrow bands of absorption of the gas contained in cell 14. If the modulation frequency is chosen low enough, those sideband frequencies will be within the chosen absorption band. Usually the modulation frequency is low compared to the frequency of oscillator 10 and may, for example, be on the order of 0.15 megacycles or less, although for some applications the modulation frequency is taken. be higher.
Similar sidebands can be produced by directly frequency modulating the microwave oscillator, but this method is not preferable, because the stabilized output of the oscillator will always contain these sidebands, less than. , in . determined implication, these frequencies do not
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fall in! gold. from the ppsscinte bzznde.
The resonance effects produced by some of the absorption bands of these gases are extremely acute, corresponding to a circuit whose @ is about 70,000, and, by choosing one of these bands, we can assure the cell to gas a very sensitive phase-frequency characteristic. Therefore, if either
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If the frequencies in the sideband 1P are in the absorption band, the two sidebands will undergo notably different phase shifts during their passage through the gas cell.
The frequency and phase of the fields at the outlet of the @ gas cell can be expressed by:
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(2) e4 = E + {+ CO '[(<0> -' l ') t + alJ - .m.,. Cos (cJ + c) t + & 1 J where al = phase angle, due to gas, of the lower side band, a2 = phase shift year, gas, of the upper side band.
The output of the gas cell is applied to a balanced modulator 15, or the equivalent, to which the carrier frequency of oscillator 10 is also applied. The level of the carrier reintroduced through line 16, is, preferably, so low, because of the insertion of attenuator 9, that the amplitude of the carrier is only slightly greater than the amplitudes of the sidebands. This has the effect of increasing the depth of modulation in the fields applied to the rectifiers of the balanced modulator 15. These fields can be expressed by:
EMI5.2
(3) e5 = E5 sinwt + cos [(4) - 'tI) t + al] - ml cos [(' W + f) t + .3 1 where ml is the enhanced modulation factor.
Assuming that the rectifiers are identical crystals having a quadratic response, their output can be expressed by equation (4) below. If the crystals do not have a quadratic law, the output of the modulator will contain terms of higher degrees which can be neglected.
EMI5.3
(4) e6 = E61 ml sin C (2ca +) t + a2] - sln [(24J-'f) t + aj -sin (yt + a2) - - sin (t - 81) J 'the circuits being adjusted so that a2 al.
Thanks to the filter 17, which serves as a filter and as a bypass, the output potentials represented by all the terms of equation (4) except the one chosen, in particular the last one, are eliminated or attenuated, so that the output of the filter can be expressed by:
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(5) e7 = I7 [sin (t + a2) + sin (lit - ai)] =
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The output of the filter is therefore at the same frequency as the moauletion oscillator 13, but is phase-shifted to a degree dependent on the phase-shift of sideband energy incurred during passage through the gas cell.
When the carrier frequency of oscillator 10 tends to deviate from the chosen value, the sideband frequencies slide with respect to the chosen absorption band of the gas in cell 14 and therefore each register a different phase shift. .
This variable phase shift a2 / 2al is compared with the constant or reference phase potential, at frequency w / 2 @ of the modulation oscillator 13. Any suitable phase comparator circuit, shown in its general, can be used. - reality by the phase comparator 18. FIG. 6 shows one in detail; it serves as described later. The phase comparator produces a DC "error" voltage which can be applied in any suitable manner to adjust the frequency of oscillator 10.
Assuming that oscillator tube 10 is a reflex klystron, for example, the "error" voltage can be used to correct the potential of the reflective anode. The direction and magnitude of the "error" voltage depend on the direction and magnitude of the frequency slip; at oscillator 10, it serves to correct, or minimize, deviations in either direction from the desired frequency.
The three graphs in Figure 2 have been made by taking an exaggerated frequency scale and assuming the modulation frequency is low. The amplitude is plotted on the ordinate and the frequency on the abscissa. The graphs show the slippage of the carrier and sidebands, as the carrier frequency of oscillator 10 tends to go above or below the normal frequency.
As the first incique @@@@@@@@@ from 1 figure 2, as the frequency increases, the voltage
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"error supplied by phase comparator 18, through line 19, to oscillator 10 has a meaning such that it lowers the frequency, whereas, if the frequency falls, as indicated by the third curve, the direction of the "error" voltage causes the frequency of the oscillator to rise The second curve in Fig. 2 represents the conditions under which the carrier and sidebands have the desired frequencies, stabilized.
In the system of Figure 1, there may be amplitude-frequency and phase-frequency effects due to the frequency characteristics of the transmission system and components other than the gas cell itself. However, the Q of the gas absorption band is very high, on the order of 70,000, while the Q of the other elements will always be much lower so that the amplitude-frequency and phase-frequency effects noise is minimal and can be compensated for by these circuit settings.
In the system of Figure 1 or other systems described, the sideband frequencies can be reproduced by frequency modulation of oscillator 10, instead of amplitude modulation, but this is generally less good.
An assembly capable of fulfilling the functions of the balanced modulators 12 and 15 of FIG. 1 and which also includes the gas cell 14 is shown in FIG. 3. In fact, the device comprises two "magic tees" connected respectively. to lines 11 and 16 coming from oscillator 10, and interconnected by the part of transmission line 11 which contains gas cell 14. The upper "magic tee" 12 A fulfills the role of modulator 12 of FIG. 1 and comprises the waveguide part 20, from which emanate, equidistant from the ends of the part 20, two waveguide arms 21 and 22, one connected to the large face of the waveguide, the other to the narrow face.
The arm @@ reflects the energy coming from the microwave oscillator 10,
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the resulting micro-wave fields being in phase at the level of the 2 rectifying crystals 23 or equivalent. A wire is connected to each rectifier 23, as shown in FIG. 3, to apply to the rectifiers the output of the modulation oscillator.
By applying the modulation frequency to each of the rectifiers 23, terms are produced representing the sidebands, equation (1), which are fed back to the junction of the arm 21 with the waveguide 20 and are added to the oscillator frequency wave, if this is reflected by the crystals. As the fields propagated in the waveguide 20 towards the arm 22 only excite the latter by virtue of lateral fields, these fields excite the arm 22 in opposite phases. Therefore, Gans the excitation of the arm 22, the two fields of the lateral bananas are added while the reflected fields due: .. the carrier cancel each other out. Therefore, the arm 22 only brings the gas cell to the side bands.
From the symmetry of the construction it is evident that the arm 21 could be connected to the gas cell and the arm 22 to the oscillator, and that similar results would be obtained.
The balanced detector 15A acting as detector 15 of FIG. 1 is of a similar construction. The sideband fields, also out of phase as they pass through the gas cell 14, are sent into the arm 26 of the lower "magic tee", so as to produce in-phase fields at the height of the rectifying crystals 28, or the like, which are arranged symmetrically; feels on the waveguide 25, on either side of the arm 26.
The carrier frequency energy is introduced by the arm 27 and produces in-phase fields at the level of the crystals.
The output to the phase comparator 13 could be. rise '. only one of the crystals 28, but since it is easier to maintain the symmetry and the balance of the bridge by means of the two, it is preferable to combine the output of the two crystals.
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rate 28 in phase, for the selected detection component of the sideband frequencies. As in the "Magic Tees" bridge, there is a phase reversal at the junction plane E, it is necessary either to reverse the output of one crystal in relation to the other, or to change the direction of connection of a crystal, in order to obtain the addition, in phase, of the two outputs. Connections are shown connecting rectifier crystals 28 to the filter.
17 (figure 1).
The pistons 24, shown in FIG. 3, cooperate with the arms of the "magic tees" as impedance matching transformers.
For a low or medium power microwave oscillator, the simpler stabilizer system of Figure 4 may be suitable. In this variation, the outputs of microwave oscillator 10 and modulation oscillator 13 are mixed in an unbalanced modulator 12B, such as a single rectifying gristal, or the like, so microwave energy applied to gas cell 14 contains carrier frequency and sideband frequencies, one of which falls within the chosen gas absorption band. If the modulation frequency is fair enough, all three frequencies will fall within the band.
Obviously, higher order modulating frequencies are produced than the sideband frequency plus and minus the modulating frequency, but they can be neglected.
The fields entering the gas cell correspond to equa- tion (1) plus a term corresponding to the carrier frequency, and the fields outside the gas cell correspond to equation (2) plus a term E sin (wt + a3).
Assuming that the characteristic of the rectifier of modulator 15B is quadratic, the output of the crystal can be expressed by equation (6) below. If the crystal does not have a quadratic law, higher order terms will appear, which
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will be neglected.
(6) eg = Eg [* Il. cos [2wt + a3)]
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The filter 17, by appropriate filtering and bypass, rejects or removes all the terms of equation (6) except the one chosen, in particular the last one, so that the output of the filter can be expressed by:
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(7) 8CJ = Eg ml (s1n (lf / t + a3 - al) + sin (yt - a3 + a2) j
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The variable phase of the chosen detection product is compared, in the phase comparator 18, with the fixed reference phase given by the modulation oscillator 13, so as to produce a continuous "error" voltage applied across the line. transmission line 19 from the phase comparator to the microwave oscillator in order to stabilize the frequency thereof.
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As in the system of figure 1, the "wander" voltage has a polarity which depends on the direction of the slip of the carrier frequency of oscillator 10. Also like in the system of figure 1, there may be parasitic effects of amplitude-frequency or phase-frequency also have the frequency characteristics of components other than the gas cell 14, but since the @ of the gas absorption band is of the order of 70,000, these
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Spurious effects due to circuit components are minimal and can be suppressed or compensated by circuit adjustments.
If, because of the choice of the frequency of this modulation or of the carrier frequency for the phase comparison, the phase shifts to be compared concern high frequencies, the phase counter may consist of a waveguide device which includes an arrangement with a "T" as at 15 A of Figure 3, but in which the two waveguide parts which feed the "T" and which lead the two frequencies to be compared, have unequal lengths and are arranged in such a way at the junction with the "T" that one of the frequencies is sent to the arms of the "T" provided with rectifiers with instantaneous opposite polarizations, while the other frequency is sent to these arms with identical instantaneous polarizations but with a phase shift of 90 with respect to the first frequency.
However, preferably, and as indicated in FIG. 5, the frequencies which are not very different from each other coming from the beating of the output of a high frequency oscillator 93 are introduced into the phase comparator with, on the one hand, the carrier frequency of the microwave oscillator and, on the other hand, the component selected in the output of detector 15 B. More exactly, the fixed reference phase is produced by combining in mixer 30, the frequency of oscillator 10 (in front of cell 14) and the frequency of oscillator 93, so as to produce a frequency-difference applied to the phase comparator 18 A.
The variable phase is produced by combining in mixer 31, the frequency of oscillator 93 and the carrier sense component at the output of cell 14, so as to produce the same frequency-difference.
The flower 6 represents, by way of example, a comparison
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t. r \ .the limses can be used --in the system of figure 5.
-¯ "i-t- 3 \, 31 and 35, 35, or their equivalents, forr.1ent a
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rectifier bridge with terminals 36 and 37, for direct current output. The common terminals of a pair of rectifiers 84, 35 are connected to the input terminal 38 of the 18 A headlamp comparator via a resistor-capacitor circuit 41, 42, and the common terminals of the Another pair of rectifiers are similarly connected to input terminal 39.
The terminals 38,39 are shunted by a resistor 40 and are connected respectively, via blocking capacitors, to a pulse forming circuit (see figure 5), preferably of a type which transforms the output voltage of mixer 30 (or 31) in two trains of very sharp pulses well in phase, but of opposite polarities. The output voltage of the other mixer 31 (or 30) is preferably sawtoothed by training circuits 32 pu @ s is applied to input terminal 36 of the phase comparator.
To control the frequency of a reflex klystron, the "error" voltage, produced by the phase comparator, can be used to adjust the potential of the reflector anode, as shown in Figure 6. In short, the potential of the reflector anode 43 or the 10 A klystron depends on the voltage drop across a resistor 47 in circuit between the stabilized direct current source 46 and the anode of a compression tube. control 48. The polarization of the control grid of the tube 48 comprises a fixed component supplied by a battery 49 or equivalent via a potentiometer 40, and a variable component supplied by the phase comparator. 18 A through the command line 19.
When the carrier frequency of oscillator 10 A deviates in one direction or the other, the polarity of the "error" voltage changes accordingly so as to vary the polarization of regulator tube 48 in such a direction. that the frequency produced is brought back to or to the desired value. When the microwave oscillator is a grill magnetron (see figure 7)
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the ce- COm2ne of frequency 51, * le. voltage no error "produced by,
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the phase comparator can be applied to the grid for the purpose of correcting any tendency of the frequency produced to deviate from the desired value.
It is obvious that the invention is not limited to the particular systems described and shown by way of example.
CLAIMS
1.- Method for stabilizing the frequency of a microwave oscillator characterized in that the frequency of the oscillator is modulated to produce sideband frequencies, at least one of the sidebands is applied to a mass of gas exhibiting acute molecular resonance at a frequency close to these sideband frequencies so as to produce a phase shift varying with the frequency of the oscillator, the micro-wave energy transmitted by the oscillator is detected. gas, and the oscillator frequency is controlled so as to minimize the variation in the phase difference existing between the modulating frequency as applied to the microwave oscillator, and as it is derived by detecting the micro-wave energy transmitted by the cell.