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COMMANDE POUR.OSCILLATEUR.
La présente invention se rapporte aux oscillateurs électroniques, et en particulier à un dispositif de commande du débit d'un oscillateur du type klystron,,
L'invention a principalement pour but de procurer un circuit et un dispositif pour la commande de la puissance de sortie d'un oscillateur klystron utilisé comme oscillateur local dans la partie réceptrice d'un appa- reil radar du type hétérodyne. Il faut évidemment, dans ce cas, que la fréquen- ce de l'oscillation soit maintenue rigoureusement à la valeur désirée, et 1' expérience a montré de plus que, pour avoir un rapport signal/bruit optimum, dans le cas de micro-ondes de radar, le mélangeur du circuit hétérodyne doit travailler avec un niveau de puissance bien déterminé de l'oscillateur local.
On a réglé jusqu'ici le niveau de puissance dans le mélangeur à cristal au moyen d'un atténuateur variable placé entre l'oscillateur local du type klys- tron et le cristal, un tel atténuateur étant constitué par exemple par une pièce plate ou "volet" en matière résistive disposé parallèlement à l'axe du guide d'onde couplant l'oscillateur local au mélangeur à cristal, l'atténua- teur étant variée par le déplacement du volet s'écartant du centre du guide d'onde vers une de ses parois intérieures.
L'emploi d'un atténuateur variable du type décrit présente cepen- dant plusieurs inconvénients sérieux. Premièrement il faut usiner le volet et spécialement ses bouts avec une grande précision si on veut obtenir une bonne adaptation et un pourcentage faible d'ondes stationnaires. Deuxièmement, la construction est très cômpliquée au point de vue mécanique,.parce que le volet doit rester parfaitement immobile quand on ne le déplace pas,' et qu'il doit cependant pouvoir être déplacé facilement quand il faut faire un réglage.
Troisièmement, le mode de montage du volet dans le guide d'onde quand les ex- trémités de celui-ci sont fermées,est lui-même extrêmement compliqué.'Pour
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ces motifs et pour d'autres, il serait très intéressant de pouvoir obtenir le niveau de puissance désiré au mélangeur au moyen d'un atténuateur fixe, parce qu'on éviterait ainsi les complications mécaniques inhérentes à l'emploi d'un atténuateur variable. Même avec un atténuateur fixe convenablement agencé et monté (l'agencement de tels dispositifs étant bien connu), il faut malgré tout prévoir une certaine possibilité de réglage du niveau de puissance envoyé au mélangeur à cristal par l'oscillateur local, ne fût-ce que pour pouvoir compen- ser les différences inévitables d'un tube oscillateur à l'autre.
Quoiqu'il puisse sembler facile de faire ces réglages complémentaires en ajustant les potentiels de commande et de réglage du klystron de l'oscillateur local même, ce procédé est en fait rendu extrêmement compliqué parce que la fréquence de travail de l'oscillateur doit rester rigoureusement constante, et qu'en bou- geant à ses potentiels on varie inévitablement sa fréquence d'oscillation dans des proportions inadmissibles.
L'invention a par conséquent aussi pour but de procurer un dispo- sitif oscillateur à klystron pouvant être utilisé comme oscillateur local, par exemple dans un appareil radar, et dans lequel la sortie de puissance vers le mélangeur hétérodyne peut être aisément réglée à sa valeur optimum sans affecter la fréquence de travail et dans une gamme de réglage qui permet d'introduire une atténuation fixe entre l'oscillateur et le mélangeur à cristal de l'appareil.
L'invention procure donc un dispositif klystron de construction relativement simple et économique dont le niveau de puissance peut être faci- lement réglé au moyen d'une commande purement électrique, telle qu'un poten- tiomètre, pour réaliser une gamme désirée de réglage de puissance. On évite de devoir rattraper la fréquence de sortie par compensation, en utilisant un circuit de commande automatique de fréquence.
Dans une forme d'exécution préférée de l'invention, la plus gran- de partie de l'atténuation nécessaire se fait au moyen d'un atténuateur fixe placé dans le guide d'onde reliant l'oscillateur au mélangeur, et une petite partie, essentielle néanmoins, se fait par réglage du potentiel d'anode ou d'enveloppe du tube klystron même. Cette division de l'atiénuation de la puissance a l'avantage supplémentaire, lorsque le même tube klystron alimente à la fois le mélangeur et un circuit de commande automatique de fréquence, de permettre de placer l'atténuateur fixe dans le guide d'onde de façon à éviter tout couplage entre les deux canaux d'alimentation.
L'invention ressortira clairement de la description détaillée donnée ci-après d'une forme d'exécution préférée donnée à titre d'exemple, et représentée au dessin annexé.
La figure 1 est une vue, partiellement en coupe, d'un tube klys- tron oscillateur et d'une section de guide d'onde, avec une représentation schématique d'un circuit de commande faisant partie de l'invention ; La figure 2 est un graphique montrant certaines caractéristiques électriques d'un type de tube klystron, et servant à la compréhension du fonctionnement du dispositif de l'invention. La nature et la forme du klystron, ou tube oscillateur à rayons cathodiques à modulation de vitesse, sont bien connues, mais une brève description facilitera la compréhension du principe de la présente invention.
La figure 1 représente en coupe un oscillateur du type klystron reflex qui comporte une cathode 10 pouvant être portée à incan- descence au moyen, par exemple d'un filament de chauffage 12 et d'un trans- formateur d'alimentation 14, de manière à constituer une source d'électrons dirigés en faisceau à travers les grilles 16, 18 et 20 sur une électrode de répulsion 22 dont le potentiel est réglé de façon à renvoyer les électrons afin qu'une partie au moins de ceux-ci pénètrent à nouveau dans la chambre de résonance 24 pour être recueillis finalement par les grilles 18 et 20 ou les parois de la chambre.
Les électrons perdus qui ne retournent pas dans la cavité ou chambre 24 sont recueillis par l'enveloppe 26 qui constitue l'a- node de l'appareil et peut être maintenue à un potentiel élevé positif par rapport à la cathode 10, au moyen, par exemple, d'une batterie ou source de tension équivalente 28 ..'Le potentiel d'enveloppe ou d'anode est réglable,
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dans la présente invention, au moyen d'un potentiomètre 30 en série avec la source 28 et muni d'un curseur 32 relié à l'enveloppe.
L'écran 34 qui entoure la cathode est maintenu de préférence à un potentiel légèrement positif par rapport à la cathode afin de recueillir les électrons lents et aider ainsi à la formation du faisceau traversant le réso- nateur, une source de tension 36 étant prévue dans ce but. L'électrode de répulsion 22 reçoi son potentiel négatif relativement au potentiel de terre (enveloppe) d'une source de tension représentée par le rectangle 38.
Comme il est de règle dans la construction des klystrons reflex, des dispositifs sont prévus pour régler le volume de la chambre 24 et, par conséquent, la fréquence de résonance du tube, et représentés sur le dessin par plusieurs vis 40 que l'on tourne pour faire varier l'écartement entre la paroi supérieu- re 42 de la chambre du résonateur et une paroi inférieure 44 flexible ou ondu- lée, l'écartement désiré étant maintenu par les ressorts 46 qui contrecarrent la pression exercée par les vis 40.
L'énergie oscillante sortant de la.cavité ou chambre 24 est cou- plée par une conduite 48 ou tout autre moyen approprié et envoyée dans un guide d'onde 50 qui, dans le cas considéré, aboutit au mélangeur à cristal d' un appareil radar. La fréquence de l'énergie ainsi produite est déterminée principalement par la forme du résonateur à cavité et est mise à valeur par le réglage des vis 40; d'habitude, la mise au point tout-à-fait exacte de la fréquence peut se faire par de légers réglages du potentiel appliqué à 1' électrode de répulsion 22.
Pour obtenir le niveau voulu d'énergie de l'oscillateur local au mélangeur à cristal, un atténuateur estplacé dans le guide d'onde 50. Comme il a été dit ci-dessus, on a proposé d'utiliser dans le guide d'onde l'un ou l'autre type d'atténuateur variable pour régler exactement le niveau de puis- sance et pour rattraper les différences d'un tube oscillateur à l'autre, mais l'emploi d'un tel atténuateur variable entraîne les divers inconvénients énu- mérés. La présente invention prévoit, en conséquence, un atténuateur-fixe qui peut être du type à trois volets ortant la référence 52, le volet central prenant pour lui pratiquement toute l'atténuation, tandis que les volets laté- raux servent à obtenir la bonne caractéristique d'adaptation d'impédance pour le meilleur pourcentage d'ondes stationnaires dans le guide.
Le degré d'atté- nuation est choisi de manière à obtenir approximativement le niveau de puis- sance désiré au mélangeur à cristal alimenté par le guide d'onde 50.
Après que le tube klystron a été réglé, au moyen des vis 40 par exemple, de manière à produire des oscillations de la fréquence désirée, on règle définitivement le niveau de la puissance de sortie en déplaçant le curseur 32 de façon à varier le potentiel positif appliqué à l'enveloppe ou anode 26. Cette opération entraînerait normalement une variation de la fré- quence de sortie ; sait en effet qu'une variation de la tension anodique change la fréquence des oscillations produites. On a cependant constaté que l'on peut maintenir les oscillations à la fréquence désirée en variant le potentiel de répulsion d'une quantité inférieure aux possibilités de rattra- page d'un type courant de circuit de commande automatique de fréquence.
Ce principe est à la base de la présente invention, car si on peut obtenir la fréquence désirée en corrigeant le potentiel de répulsion après le réglage i- nitial de la puissance de sortie au moyen de la variation de la tension d' anode, dans le cas où un tel réglage manuel avait été nécessaire, cette cor- rection entraîne une variation de la puissance de sortie' qui doit être à nouveau corrigée, de sorte que la mise au point coordonnée 'du niveau de puissance de sortie et de la fréquence constituerait, de cette manière, une opération excessivement critique. Cependant, comme, suivant l'invention, la correction à apporter à la tension de répulsion est assez faible pour être obtenue au moyen d'une'commande automatique de fréquence,
le réglage de la tension d'anode ou d'enveloppe en vue de la mise à niveau de la puissance de sortie sera suivi automatiquement du glissement nécessaire du potentiel de répulsion pour maintenir la fréquence à la valeur voulue, et l'opérateur ne se rendra même pas compte que la variation de la tension de répulsion influe sur la position où il doit amener le curseur 32 pour avoir le bon ni-
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veau de puissance de sortie à l'étage mélangeur.
Pour obtenir le résultat ci-dessus, tout circuit de commande au- tomatique de fréquence courant ou désiré, représenté à la figure 1 par le rectangle 54, est disposé de façon à prélever de l'énergie délivrée au guide d'onde 50. Ce prélèvement se fait à la fréquence M.F. du dispositif. Les oscillations dans le guide d'onde 50 sont mélangées à des oscillations déri- vées du tube d'émission (non représenté) dans des mélangeurs à cristal 150.
La sortie de ces mélangeurs à la fréquence M.F. est appliquée au circuit C A F. Le dispositif comportant les mélangeurs 150 est séparé électriquement du dispositif mélangeur du récepteur par les volets d'atténuation 52 dans le guide 50. Ce circuit de commande (qui peut être un type connu de discri- minateur de fréquences) est disposé de façon à commander la tension appliquée à l'électrode de répulsion 22. La source de tension 38 peut comporter un am- plificateur qui délivre une tension de sortie négative commandée par une polarisation de grille provenant du circuit de commande 54, mais les détails de ces éléments ne font pas partie de la présente invention.
Les volets 52 de part et d'autre de l'entrée 152 du guide 50 empêchent le couplage entre le canal d'énergie principal allant au mélangeur et celui qui envoie de l'énergie du guide d'onde dans le circuit de commande automatique de fréquence 54. Cette caractéristique de découplage est un des motifs pour lesquels, suivant la présente invention, on envisage l'emploi d'une atténuation fixe dans le guide d'onde combinée à une sortie de puissan- ce variable de l'oscillateur sous la commande d'une tension variable d'enve- loppe ou de résonateur; c'est-à-dire que l'atténuateur fixe dans le guide d'onde isole effectivement le circuit de commande automatique de fréquence 54 de la partie du canal HF au delà de l'atténuateur 52.
L'emploi d'une cer- taine atténuation fixe présente aussi l'avantage que, si tout le réglage de la puissance de sortie de l'oscillateur peut être obtenu en variant sim- plement le potentiel d'enveloppe ou de résonateur, pour obtenir une grande réduction de puissance il faut que le circuit fonctionne sur une partie re- lativement raide de la courbe tension de résonateur - puissance de sortie.
Ceci peut se voir par exemple à la courbe 2 de la figure 2, qui montre la variation du courant du cristal dans le mélangeur en fonction des variations du potentiel du résonateur ; la tension du résonateur est réduite pour obtenir une réduction donnée de la puissance de sortie, plus la courbe 2 est raide, ce qui signifie que le réglage de la puissance de sortie par ce seul moyen devient de plus en plus critique quand le degré de réduction de la puissance augmente.
Les courbes de la figure 2 sont portées à fréquence de sortie constante, les courbes en trait plein 2, 3, 4 et 5 donnant la variation du courant au mélangeur à cristal avec les variations de la tension de résona- teur ou d'enveloppe, pour différentes conditions de fonctionnement. Les courbes en traits interrompus 2', 3', 4' et 5' montrent la variation du potentiel négatif de répulsion nécessaire pour maintenir la fréquence de sortie à la valeur désirée pour chaque valeur de la tension de résonateur dans les mêmes conditions de fonctionnement.
Ces dernières courbes indiquent clairement que la variation de la tension de répulsion requise est relative- ment faible, la courbe 2', correspondant aux conditions de fonctionnement les plus défavorables du klystron, montrant que le changement nécessaire n' est que de l'ordre de 20 volts pour une variation de potentiel de résonateur de l'ordre de 140 volts. Une telle variation de tension est bien inférieure aux possibilités de circuits de commande automatique de fréquence courants, cette caractéristique étant un aspect important de la présente invention.
REVENDICATIONS.
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ORDER FOR OSCILLATOR.
The present invention relates to electronic oscillators, and in particular to a device for controlling the flow rate of an oscillator of the klystron type ,,
The main object of the invention is to provide a circuit and a device for controlling the output power of a klystron oscillator used as a local oscillator in the receiving part of a radar apparatus of the heterodyne type. Obviously, in this case, the frequency of the oscillation must be kept strictly at the desired value, and experience has furthermore shown that, in order to have an optimum signal-to-noise ratio, in the case of micro- radar waves, the mixer of the heterodyne circuit must work with a well-determined power level of the local oscillator.
The power level in the crystal mixer has hitherto been adjusted by means of a variable attenuator placed between the local oscillator of the klyston type and the crystal, such an attenuator being constituted for example by a flat part or " shutter "made of resistive material disposed parallel to the axis of the waveguide coupling the local oscillator to the crystal mixer, the attenuator being varied by the displacement of the shutter away from the center of the waveguide towards a of its interior walls.
The use of a variable attenuator of the type described, however, has several serious drawbacks. Firstly, the shutter and especially its ends must be machined with great precision if we want to obtain a good adaptation and a low percentage of standing waves. Secondly, the construction is very complicated from a mechanical point of view, because the shutter must remain perfectly still when not moving it, and yet it must be able to be moved easily when adjustment is to be made.
Thirdly, the way of mounting the shutter in the waveguide when the ends of the latter are closed is itself extremely complicated.
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for these reasons and for others, it would be very interesting to be able to obtain the desired power level at the mixer by means of a fixed attenuator, because this would avoid the mechanical complications inherent in the use of a variable attenuator. Even with a fixed attenuator suitably arranged and mounted (the arrangement of such devices being well known), it is nevertheless necessary to provide some possibility of adjusting the level of power sent to the crystal mixer by the local oscillator, even if only to be able to compensate for the inevitable differences from one oscillator tube to another.
Although it may seem easy to make these additional adjustments by adjusting the control and klystron adjustment potentials of the local oscillator itself, this process is in fact made extremely complicated because the working frequency of the oscillator must be kept strictly. constant, and that by moving at its potentials one inevitably varies its frequency of oscillation in inadmissible proportions.
It is therefore also an object of the invention to provide a klystron oscillator device which can be used as a local oscillator, for example in a radar apparatus, and in which the power output to the heterodyne mixer can be easily adjusted to its value. optimum without affecting the working frequency and within an adjustment range which allows a fixed attenuation to be introduced between the oscillator and the crystal mixer of the apparatus.
The invention therefore provides a klystron device of relatively simple and economical construction, the power level of which can be easily adjusted by means of a purely electrical control, such as a potentiometer, to achieve a desired range of adjustment. power. The need to compensate for the output frequency is avoided by using an automatic frequency control circuit.
In a preferred embodiment of the invention, the greater part of the attenuation necessary is effected by means of a fixed attenuator placed in the waveguide connecting the oscillator to the mixer, and a small part , essential however, is done by adjusting the anode or envelope potential of the klystron tube itself. This division of the power attenuation has the added advantage, when the same klystron tube feeds both the mixer and an automatic frequency control circuit, of allowing the fixed attenuator to be placed in the waveguide of so as to avoid any coupling between the two supply channels.
The invention will emerge clearly from the detailed description given below of a preferred embodiment given by way of example, and shown in the accompanying drawing.
Figure 1 is a view, partially in section, of a klystron oscillator tube and waveguide section, with a schematic representation of a control circuit forming part of the invention; FIG. 2 is a graph showing certain electrical characteristics of a type of klystron tube, and serving to understand the operation of the device of the invention. The nature and shape of the klystron, or rate modulated cathode ray oscillator tube, is well known, but a brief description will facilitate understanding of the principle of the present invention.
FIG. 1 shows in section a klystron reflex type oscillator which comprises a cathode 10 which can be incandescent by means, for example of a heating filament 12 and a power supply transformer 14, in such a manner. to constitute a source of electrons beamed through the gates 16, 18 and 20 on a repulsion electrode 22, the potential of which is adjusted so as to return the electrons so that at least part of them re-enter in the resonance chamber 24 to be finally collected by the grids 18 and 20 or the walls of the chamber.
The lost electrons which do not return to the cavity or chamber 24 are collected by the envelope 26 which constitutes the node of the apparatus and can be maintained at a positive high potential with respect to the cathode 10, by means, for example, from a battery or an equivalent voltage source 28 .. 'The envelope or anode potential is adjustable,
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in the present invention, by means of a potentiometer 30 in series with the source 28 and provided with a cursor 32 connected to the envelope.
The screen 34 which surrounds the cathode is preferably maintained at a potential slightly positive with respect to the cathode in order to collect the slow electrons and thus to aid in the formation of the beam passing through the resonator, a voltage source 36 being provided in it. this goal. The repulsion electrode 22 receives its negative potential relative to the earth potential (envelope) of a voltage source represented by the rectangle 38.
As is the rule in the construction of reflex klystrons, devices are provided for adjusting the volume of the chamber 24 and, consequently, the resonant frequency of the tube, and represented in the drawing by several screws 40 which are turned. to vary the distance between the top wall 42 of the resonator chamber and a flexible or corrugated bottom wall 44, the desired distance being maintained by the springs 46 which counteract the pressure exerted by the screws 40.
The oscillating energy coming out of the cavity or chamber 24 is coupled by a pipe 48 or any other suitable means and sent into a waveguide 50 which, in the case considered, ends up in the crystal mixer of an apparatus. radar. The frequency of the energy thus produced is determined mainly by the shape of the cavity resonator and is enhanced by the adjustment of the screws 40; Usually, quite exact tuning of the frequency can be achieved by slight adjustments of the potential applied to the repellant electrode 22.
To obtain the desired level of energy from the local oscillator to the crystal mixer, an attenuator is placed in the waveguide 50. As mentioned above, it has been proposed to use in the waveguide. one or the other type of variable attenuator to adjust the power level exactly and to compensate for the differences from one oscillator tube to another, but the use of such a variable attenuator entails the various drawbacks enumerated. The present invention therefore provides a fixed attenuator which may be of the three-flap type bearing the reference 52, the central flap taking for itself practically all the attenuation, while the side flaps serve to obtain the correct characteristic. impedance matching for the best percentage of standing waves in the guide.
The degree of attenuation is chosen so as to obtain approximately the desired level of power to the crystal mixer supplied by the waveguide 50.
After the klystron tube has been adjusted, by means of screws 40 for example, so as to produce oscillations of the desired frequency, the level of the output power is definitively adjusted by moving the slider 32 so as to vary the positive potential applied to the casing or anode 26. This operation would normally result in a variation in the output frequency; indeed knows that a variation of the anode voltage changes the frequency of the oscillations produced. It has, however, been found that the oscillations can be maintained at the desired frequency by varying the repulsion potential by an amount less than the catch-up possibilities of a common type of automatic frequency control circuit.
This principle is the basis of the present invention, because if the desired frequency can be obtained by correcting the repulsion potential after the initial adjustment of the output power by means of the variation of the anode voltage, in the case where such a manual adjustment had been necessary, this correction results in a variation of the output power 'which must be corrected again, so that the coordinated tuning' of the output power level and the frequency would constitute , in this way, an excessively critical operation. However, since, according to the invention, the correction to be made to the repulsion voltage is small enough to be obtained by means of an automatic frequency control,
the adjustment of the anode or envelope voltage in preparation for upgrading the output power will be followed automatically by the necessary slippage of the repulsion potential to maintain the frequency at the desired value, and the operator will not surrender not even account that the variation of the repulsion voltage influences the position where it must bring the cursor 32 to have the right level.
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calf output power to the mixer stage.
To obtain the above result, any current or desired automatic frequency control circuit, represented in FIG. 1 by the rectangle 54, is arranged so as to take the energy delivered to the waveguide 50. This sampling is done at the device's MF frequency. Oscillations in waveguide 50 are mixed with oscillations derived from emission tube (not shown) in crystal mixers 150.
The output of these mixers at frequency MF is applied to the CA circuit F. The device comprising the mixers 150 is electrically separated from the mixer device of the receiver by the attenuation flaps 52 in the guide 50. This control circuit (which can be a known type of frequency discriminator) is arranged so as to control the voltage applied to the repulsion electrode 22. The voltage source 38 may include an amplifier which delivers a negative output voltage controlled by a bias of gate from control circuit 54, but the details of these elements do not form part of the present invention.
The flaps 52 on either side of the inlet 152 of the guide 50 prevent coupling between the main energy channel going to the mixer and the one which sends energy from the waveguide into the automatic control circuit of the mixer. frequency 54. This decoupling characteristic is one of the reasons why, according to the present invention, the use of a fixed attenuation in the waveguide combined with a variable power output of the oscillator under the control of a variable envelope or resonator voltage; that is, the fixed attenuator in the waveguide effectively isolates the automatic frequency control circuit 54 from the part of the HF channel beyond the attenuator 52.
The use of some fixed attenuation also has the advantage that, while the full control of the output power of the oscillator can be obtained by simply varying the envelope or resonator potential, to obtain a large reduction in power requires the circuit to operate on a relatively steep part of the resonator voltage - output power curve.
This can be seen, for example, in curve 2 of FIG. 2, which shows the variation of the crystal current in the mixer as a function of the variations in the potential of the resonator; the voltage of the resonator is reduced to obtain a given reduction in output power, the steeper curve 2, which means that the adjustment of the output power by this means alone becomes more and more critical as the degree of reduction of power increases.
The curves in figure 2 are plotted at constant output frequency, the solid lines 2, 3, 4 and 5 giving the variation of the current to the crystal mixer with the variations of the resonator or envelope voltage, for different operating conditions. The dashed lines 2 ', 3', 4 'and 5' show the variation in negative repulsion potential required to maintain the output frequency at the desired value for each value of the resonator voltage under the same operating conditions.
These latter curves clearly indicate that the variation in the required repulsion voltage is relatively small, curve 2 ', corresponding to the most unfavorable operating conditions of the klystron, showing that the change required is only of the order of 20 volts for a variation of resonator potential of the order of 140 volts. Such a voltage variation is much less than the possibilities of current automatic frequency control circuits, this characteristic being an important aspect of the present invention.
CLAIMS.
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