Dispositif de réglage automatique de fréquence. La présente invention a pour objet un dis positif de réglage automatique de fréquence qui se prête particulièrement pour le fonc tionnement dans les gammes des fréquences très élevées et en particulier dans les gammes de fréquences dites ultracourtes.
Les systèmes de réglage automatique de fréquence destinés à stabiliser les signaux haute fréquence dans 1a gamme des fréquences élevées ont une grande importance lorsqu'ils sont utilisés avec les systèmes de transmission utili sant la modulation d'amplitude ou la modula tion de fréquence pour maintenir un système haute fréquence stable: en éliminant les dépla cements de fréquence indésirables qui se pro duisent normalement. Par suite de la gamme des fréquences de fonctionnement, il est de pratique courante d'utiliser' des systèmes de guides d'ondes avec les cavités et les jonctions en T magique associées.
L'utilisation de ce type de système pour ondes ultracourtes con duit à des arrangements nécessairement encom brants et coûteux qui ne sont pas aussi pratiques, du point de vue de 1a stabilisation de fréquence qu'on pourrait le désirer compte tenu du prix d'un tel système.
C'est donc un but de l'invention de prévoir un dispositif de réglage automatique de fré quence simple et relativement peu coûteux pour la stabilisation d'une source fonctionnant à des fréquences très élevées.
Le dispositif de réglage automatique de fréquence selon l'invention qui est destiné à stabiliser la fréquence d'une source à haute fré quence est caractérisé en ce qu'il comprend un résonateur à cavité couplé à la sortie de ladite source, des moyens pour faire varier la fréquence de résonance de ladite cavité, des moyens pour détecter le débit modulé de ladite cavité, des moyens coopérant avec lesdits moyens de détection et lesdits moyens de modulation pour comparer les phases des si gnaux provenant desdits moyens de détection et desdits moyens de modulation, et des moyens pour commander la fréquence de ladite source sous la commande du signal de sortie des moyens pour comparer les phases,
le tout afin de stabiliser la fréquence de ladite source.
Une forme d'exécution de l'objet de la pré sente invention sera exposée, à titre d'exemple, dans la description suivante faite en relation avec les dessins joints dans lesquels: la fig. 1 est un diagramme schématique d'une forme d'exécution; les fig. 2 et 3 sont des représentations gra phiques de caractéristiques de fonctionnement qui sont utilisées pour expliquer le fonctionne- ment du dispositif de commande automatique de fréquence.
A la fig. 1, un oscillateur haute fréquence 1, susceptible de fournir un signal haute fréquence dans la gamme des très hautes fréquences, telles que les gammes VHF, UHF et des micro-ondes est représenté avec le dispositif de réglage auto matique de fréquence qui est associé à l'oscilla teur pour la stabilisation du signal haute fré quence fourni par ce dernier.
Le dispositif de réglage automatique de fréquence comprend un résonateur à cavité 2 contenant à son inté rieur un gaz ionisable tel que de l'argon, et une source de modulation 3 agissant sur le gaz pour en varier l'ionisation à la cadence de la fréquence du signal modulateur pour moduler en fréquence le signal haute fréquence injecté dans le résona teur.
Le signal de sortie du modulateur 2 qui est un signal haute fréquence modulé en fréquence et d'amplitude variable est détecté par le redres seur 4 et la bande latérale résultante est amplifiée par l'amplificateur 5 et appliqué à un détecteur de phase 6 dans lequel la phase du signal détecté est comparée avec la phase du signal modulateur provenant de. la source 3. La sortie du détecteur de phase 6 émet un signal proportionnel à la différence entre la fréquence de résonance moyenne fo de la cavité et le signal haute fré quence qui doit être stabilisé.
Ce signal de com mande agit sur l'oscillateur haute fréquence 1 au moyen d'un dispositif 7 de commande de la fréquence, tel qu'un circuit de commande d'un moteur ou le réflecteur d'un klystron reflex pour corriger la fréquence du signal émis par ledit oscillateur.
Le fonctionnement du dispositif de réglage automatique de fréquence n'est pas limité à un résonateur utilisant une cavité sphérique et n'importe quel type de cavité résonnante dans la gamme de fréquences désirée peut être utilisé et peut comprendre n'importe quel type de gaz susceptible de variations suffisantes d'ionisation pour provoquer une modulation de la fréquence de résonance moyenne de la cavité en modifiant la constante diélectrique de ladite cavité.
De plus, l'oscillateur haute fréquence qui doit être stabilisé peut être de n'importe quel type connu tel que des oscillateurs du type klystron et du type magnétron susceptibles de produire un signal haute fréquence dans la gamme de fréquences désirée. Le circuit de commande de fréquence 7 peut être n'importe quel circuit de commande d'erreur classique pouvant être associé avec le type d'oscillateur haute fréquence utilisé et pou vant être commandé par le voltage de commande produit par le détecteur de phase 6.
Le signal de sortie de l'oscillateur 1 est injecté au moyen de la boucle de couplage 8 dans le résonateur à cavité 2 dont la configura tion est telle que sa fréquence de résonance moyenne fo est pratiquement la fréquence à laquelle l'oscillateur 1 doit être stabilisé. La cavité 2 contient un- gaz ionisable qui lorsqu'il est ionisé, provoque une variation suffisante de la constante diélectrique de l'atmosphère à l'inté rieur de la cavité résonnante 2, modifiant ainsi la fréquence de résonance dudit résonateur.
La source de modulation est couplée directement au résonateur à cavité 2 au moyen d'un éclateur à étincelles 9 qui, lorsqu'il est excité par le signal modulateur de la source 3, fait varier l'ionisation dudit gaz à la fréquence du signal modulateur. Cette variation dé l'ionisation est suffisante pour provoquer un déplacement de la fréquence de résonance caractéristique de la cavité 2, de manière à superposer au signal haute fréquence injecté une composante de modulation de fré quence ayant les caractéristiques de la modula tion de la source 3 et une composante de modu lation d'amplitude dépendant de la fréquence du signal haute fréquence par rapport à la fréquence de résonance de la cavité.
Cette variation de la fréquence de résonance de la cavité 2 est illustrée à la fig. 2, le signal de modulation 10 déplaçant la courbe caracté ristique de résonance 11 jusqu'aux positions indiquées en pointillé en 12 et 13. L'amplitude du déplacement de la courbe caractéristique de résonance peut être commandée en agissant sur la source 3. Si la fréquence du signal haute fréquence de l'oscillateur 1 coïncide avec la fréquence de résonance moyenne fo de la cavité, une modulation de fréquence qui est en phase par rapport à la phase du signal de la source de modulation 3 sera superposée au signal haute fréquence considéré.
Cet état est illustré aux fig. 2 et 3 dans lesquelles le signal haute fréquence ayant une fréquence pratiquement identique à la fréquence de résonance moyenne fo de la cavité 2 est représenté en 14, la modulation résultante lorsqu'il y a égalité de phases étant illustrée par la forme d'onde 15 de la figure 3 dans laquelle la composante de modulation d'amplitude pré sente n'est que faible. Le signal de sortie modulé résultant est appli qué à partir du résonateur 2 par la boucle de couplage 16 au détecteur 4, à l'amplificateur 5, et au détecteur de phase 6.
La phase du signal détecté résultant pour la condition d'égalité des fréquences sera comparée avec 1a phase du signal de sortie de la source 3 et, du fait de l'identité de phase, on obtiendra un signal de commande nul, ce qui évidemment ne provoquera pas de réglage de l'accord de l'oscillateur haute fréquence 1.
Si la fréquence du signal haute fréquence émis par l'oscillateur l est différente de la fré quence de résonance moyenne fo de la cavité 2, la modulation de fréquence résultante dudit signal haute fréquence sera telle qu'on obtiendra un déphasage par rapport à la phase du signal de la source 3. A la fig. 2; deux fréquences du signal de l'oscillateur 1 sont représentées en 17 et 18, respectivement.
Si on considère la fré quence 17 correspondant à un déplacement de la fréquence du signal haute fréquence de fo à fi, où fi est une fréquence inférieure<B>à f,</B> la somme algébrique du signal modulateur et du signal haute fréquence injecté provoquera un déplace ment de phase du signal de sortie modulé de la cavité 2 d'une quantité dépendant de 1a fréquence du signal haute fréquence et des amplitudes respectives des deux signaux existant dans la cavité 2.
Ce déplacement de phase est indiqué graphiquement par la forme d'onde 19 qui, lorsqu'elle est détectée, amplifiée et appliquée au détecteur de phase 6, fournit un voltage d'erreur à la sortie du détecteur de phase 6; pro portionnel à la différence entre la fréquence de résonance moyenne fo de la cavité 2 et la fréquence du signal haute fréquence qui doit être stabilisée <B><I>à</I></B> fo. Le signal de commande de sortie du détec teur 6 sera de polarité convenable pour agir sur le système de commande d'erreur 7 d'une manière prédéterminée pour provoquer l'aug mentation de la fréquence de l'oscillateur 1 d'une quantité suffisante de
manière à obtenir la fré quence stabilisée désirée.
La fréquence indiquée en 18 provoquera de même une modulation déphasée dans le résona teur 2 semblable à celle provoquée par la condi tion 17 mais de polarité opposée. La modula tion de fréquence et la modulation d'amplitude résultantes sont indiquées par la forme d'onde 20 de la fig. 3 dont l'enveloppe est détectée par le détecteur 4, amplifiée et- appliquée au détecteur de phase 6 pour comparer sa phase avec celle du signal de la source de modulation 3.
Comme dans le cas de la fréquence indiquée en 17, il apparaîtra un voltage d'erreur proportionnel à la différence entre le signal haute fréquence émis et la fréquence de résonance moyenne fo du résonateur 2, mais d'une polarité provoquant l'excitation du circuit de commande 7 pour qu'il ramène le signal émis à la fréquence stabilisée désirée.
Dans un exemple expérimental de réalisation pratique, on a remarqué que la stabilité de l'oscil lateur stabilisé était extrêmement bonne. En uti lisant un oscillateur comprenant un klystrôn réflex dans l'exemple de réalisation de la fig. 1, et en faisant varier le potentiel continu du réflec teur de 200 volts, aucune variation de fréquence ne peut être décelée par observation de l'aiguille d'un fréquencemètre connecté de manière à mesurer la fréquence du signal de sortie produit par l'oscillateur 1.
A partir de cette observation, on peut en déduire que la présence du gaz à l'intérieur du résonateur n'a pas d'effet nuisible sur le coefficient de surtension - normalement élevé d'une telle cavité. Lorsque l'oscillateur 1 produit une -fréquence de 5 000 mégahertz, le dispositif de réglage automatique de fréquence est capable de maintenir cette fréquence avec une erreur maximum de 25 kilohertz, ce qui indique que le coefficient de surtension de la cavité est extrêmement élevé et permet donc une réponse rapide à la suite de tout déplacement de fréquence.
Le gain du dispositif de réglage automatique de fréquence est suffisant pour sur- monter toute modification légère qui pourrait se produire dans le coefficient de surtension de la cavité quand cette cavité est modulée de la manière indiquée plus haut.
Automatic frequency adjustment device. The present invention relates to a positive automatic frequency adjustment device which is particularly suitable for operation in the very high frequency ranges and in particular in the so-called ultra-short frequency ranges.
Automatic frequency adjustment systems for stabilizing high frequency signals in the high frequency range are of great importance when used with transmission systems using amplitude modulation or frequency modulation to maintain a high frequency. stable high frequency system: by eliminating the unwanted frequency shifts that normally occur. Due to the range of operating frequencies, it is common practice to use waveguide systems with the cavities and associated magic T-junctions.
The use of this type of ultrashort wave system leads to necessarily cumbersome and expensive arrangements which are not as practical, from the point of view of frequency stabilization as might be desired in view of the cost of a cable. such system.
It is therefore an object of the invention to provide a simple and relatively inexpensive automatic frequency adjustment device for stabilizing a source operating at very high frequencies.
The automatic frequency adjustment device according to the invention which is intended to stabilize the frequency of a high frequency source is characterized in that it comprises a cavity resonator coupled to the output of said source, means for making varying the resonant frequency of said cavity, means for detecting the modulated flow rate of said cavity, means cooperating with said detection means and said modulation means for comparing the phases of the signals coming from said detection means and said modulation means , and means for controlling the frequency of said source under the control of the output signal of the means for comparing the phases,
all in order to stabilize the frequency of said source.
An embodiment of the object of the present invention will be explained, by way of example, in the following description given in relation to the accompanying drawings in which: FIG. 1 is a schematic diagram of an embodiment; figs. 2 and 3 are graphical representations of operating characteristics which are used to explain the operation of the automatic frequency control device.
In fig. 1, a high frequency oscillator 1, capable of providing a high frequency signal in the very high frequency range, such as the VHF, UHF and microwave ranges is shown with the automatic frequency adjustment device which is associated with the oscillator for stabilizing the high frequency signal supplied by the latter.
The automatic frequency adjustment device comprises a cavity resonator 2 containing inside it an ionizable gas such as argon, and a modulation source 3 acting on the gas to vary its ionization at the rate of the frequency. of the modulator signal to frequency modulate the high frequency signal injected into the resonator.
The output signal of modulator 2 which is a high frequency signal modulated in frequency and of variable amplitude is detected by rectifier 4 and the resulting sideband is amplified by amplifier 5 and applied to a phase detector 6 in which the phase of the detected signal is compared with the phase of the modulating signal coming from. the source 3. The output of the phase detector 6 emits a signal proportional to the difference between the average resonant frequency fo of the cavity and the high frequency signal which must be stabilized.
This control signal acts on the high frequency oscillator 1 by means of a frequency control device 7, such as a motor control circuit or the reflector of a reflex klystron to correct the frequency of the frequency. signal emitted by said oscillator.
The operation of the automatic frequency adjuster is not limited to a resonator using a spherical cavity and any type of resonant cavity in the desired frequency range can be used and can include any type of gas susceptible. sufficient ionization variations to cause modulation of the average resonant frequency of the cavity by modifying the dielectric constant of said cavity.
In addition, the high frequency oscillator which is to be stabilized can be of any known type such as oscillators of the klystron type and of the magnetron type capable of producing a high frequency signal in the desired frequency range. The frequency control circuit 7 can be any conventional error control circuit which can be associated with the type of high frequency oscillator used and which can be controlled by the control voltage produced by the phase detector 6.
The output signal of oscillator 1 is injected by means of coupling loop 8 into cavity resonator 2, the configuration of which is such that its average resonant frequency fo is practically the frequency at which oscillator 1 should be. stabilized. The cavity 2 contains an ionizable gas which, when ionized, causes a sufficient variation in the dielectric constant of the atmosphere inside the resonant cavity 2, thus modifying the resonant frequency of said resonator.
The modulation source is coupled directly to the cavity resonator 2 by means of a spark gap 9 which, when excited by the modulator signal from the source 3, varies the ionization of said gas at the frequency of the modulator signal . This variation in ionization is sufficient to cause a displacement of the characteristic resonant frequency of cavity 2, so as to superimpose on the injected high frequency signal a frequency modulation component having the characteristics of the modulation of source 3. and an amplitude modulating component depending on the frequency of the high frequency signal with respect to the resonant frequency of the cavity.
This variation of the resonant frequency of cavity 2 is illustrated in FIG. 2, the modulation signal 10 moving the resonance characteristic curve 11 to the positions indicated in dotted lines at 12 and 13. The amplitude of the displacement of the resonance characteristic curve can be controlled by acting on the source 3. If the frequency of the high frequency signal of oscillator 1 coincides with the average resonant frequency fo of the cavity, a frequency modulation which is in phase with respect to the phase of the signal of the modulation source 3 will be superimposed on the high frequency signal considered .
This state is illustrated in figs. 2 and 3 in which the high frequency signal having a frequency substantially identical to the average resonant frequency fo of cavity 2 is shown at 14, the resulting modulation when there is phase equality being illustrated by waveform 15 of FIG. 3 in which the amplitude modulation component present is only weak. The resulting modulated output signal is applied from resonator 2 through coupling loop 16 to detector 4, amplifier 5, and phase detector 6.
The phase of the detected signal resulting for the equal frequency condition will be compared with the phase of the output signal from source 3 and, due to the phase identity, a zero control signal will be obtained, which obviously does not. will not cause tuning of high frequency oscillator 1.
If the frequency of the high-frequency signal emitted by the oscillator l is different from the average resonant frequency fo of the cavity 2, the resulting frequency modulation of said high-frequency signal will be such that a phase shift with respect to the phase will be obtained. signal from source 3. In fig. 2; two frequencies of the signal from oscillator 1 are shown at 17 and 18, respectively.
If we consider the frequency 17 corresponding to a shift in the frequency of the high frequency signal from fo to fi, where fi is a frequency less than <B> than f, </B> the algebraic sum of the modulator signal and the high frequency signal injected will cause a phase shift of the modulated output signal of cavity 2 by an amount dependent on the frequency of the high frequency signal and the respective amplitudes of the two signals existing in cavity 2.
This phase shift is indicated graphically by waveform 19 which, when detected, amplified and applied to phase detector 6, provides an error voltage at the output of phase detector 6; proportional to the difference between the average resonant frequency fo of cavity 2 and the frequency of the high-frequency signal which must be stabilized <B><I>à</I> </B> fo. The output control signal from detector 6 shall be of suitable polarity to act on error control system 7 in a predetermined manner to cause the frequency of oscillator 1 to increase by a sufficient amount of.
so as to obtain the desired stabilized frequency.
The frequency indicated at 18 will likewise cause phase-shifted modulation in resonator 2 similar to that caused by condition 17 but of opposite polarity. The resulting frequency modulation and amplitude modulation are indicated by waveform 20 of FIG. 3 whose envelope is detected by detector 4, amplified and applied to phase detector 6 in order to compare its phase with that of the signal from modulation source 3.
As in the case of the frequency indicated in 17, there will appear an error voltage proportional to the difference between the high frequency signal emitted and the average resonant frequency fo of resonator 2, but of a polarity causing the excitation of the circuit control 7 so that it returns the transmitted signal to the desired stabilized frequency.
In an experimental practical embodiment, it was observed that the stability of the stabilized oscillator was extremely good. By using an oscillator comprising a reflex klystron in the exemplary embodiment of FIG. 1, and by varying the DC potential of the 200 volt reflector, no variation in frequency can be detected by observing the needle of a frequency meter connected so as to measure the frequency of the output signal produced by the oscillator 1.
From this observation, it can be deduced that the presence of gas inside the resonator has no detrimental effect on the coefficient of overvoltage - normally high of such a cavity. When oscillator 1 produces a frequency of 5000 MHz, the automatic frequency tuner is able to maintain this frequency with a maximum error of 25 kilohertz, which indicates that the surge coefficient of the cavity is extremely high and therefore allows a rapid response following any frequency shift.
The gain of the automatic frequency adjuster is sufficient to overcome any slight modification which might occur in the surge coefficient of the cavity when this cavity is modulated in the manner indicated above.