DE3005122A1

DE3005122A1 - Verfahren zur regelung eines passiven masers und nach dem verfahren arbeitender maser

Info

Publication number: DE3005122A1
Application number: DE19803005122
Authority: DE
Inventors: Helmuth-Hugo Brandenberger; Giovanni Busca
Original assignee: Ebauches SA
Current assignee: Oscilloquartz SA
Priority date: 1979-03-09
Filing date: 1980-02-12
Publication date: 1980-09-18
Also published as: DE3005122C2; JPS584473B2; FR2451060A1; GB2044520A; GB2044520B; US4316153A; JPS55124284A; FR2451060B1; NL8001373A; CH635707A5

Description

Beschreibung
zum. Patentgesuch

der Firma Ebauches S.A., faubourg de l'HOpital, CH-2001 Neuchatel

betreffend;

Verfahren zur Regelung eines pa.ssi.ven Masers und na,ch dem Verfahren arbeitender Ma,ser

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines passiven Masers,bei welchem in den Maserhohlraum ein phasenmoduliertes Anrege-signal eingespeist wird, bei dem ferner ausgehend von einem in dem Hohlraum erfaßten Signal ein erstes Fehlersignal gewonnen wird, das repräsentativ ist für die Abweichung zwischen der Trägerfrequenz des Anregesignals und der Frequenz der stimulierten Emission, bei dem weiter dieses erste Signal verwendet wird, um die Frequenz des Anregesignals nachzuregeln, bei dem ferner ausgehend von dem im Hohlraum erfaßten Signal ein zweites Fehlersignal gewonnen wird, das repräsentativ ist für die Abweichung zwischen der Resonanzfrequenz des Hohlraums und der Frequenz des Anregesignals und dieses zweite Fehlersignal verwendet wird zur Nach— regelung der Resonanzfrequenz.

Die Erfindung bezieht sich ferner auf einen passiven Maser, der mit einem Regelverfahren gemäß der Erfindung arbeitet. Dieser Maser eignet sich besonders gut als Frequenznormal wegen seiner ausgezeichneten FrequenzStabilität,

030038/0631

Ein Maser der eingangs genannten Bauart ist insbesondere aus der Veröffentlichung von F.L. Wall"Proceeding of P.T.T.I."1976, Seite 369-380,bekannt. Eine ins einzelne gehende Erläuterung des Standes der Technik folgt weiter unten, um dessen Beschränkungen darzulegen und das Verständnis der Erfindung zu fördern. Es sei hier nur angemerkt, daß das in den Hohlraum eingespeiste Hochfrequenzsignal mit zwei unterschiedlichen ModulationsFrequenzen phasenmoduliert ist: Mit einer relativ niedrigen Frequenz, die dazu dient, die von einem Basisozsillator erzeugte Trägerfrequenz zu regeln und mit einer relativ hohen Frequenz, die für die Regelung der Hohlraumresonanzfrequenz verwendet wird. Ein Maser dieser Bauart arbeitet korrekt in dem Maße, in welchem die beiden Regelschleifen tatsächlich unabhängig sind.

Die vorliegende Erfindung beruht auf einer Analyse, in welchem Maße man tatsächlich Unabhängigkeit der beiden Regelschleifen erzielen kann. Dabei wurde gefunden, daß die Regelschleife der Hohlraumresonanzfrequenz nicht die Regelschleife der Frequenz des An¹-

regesignals stört (die hier auch als Regelschleife des Oszillators bezeichnet wird), daß jedoch umgekehrt die letztere, empfind].ich gegenüber dem sehr schmalen Spektrum oder der sehr schmalen Linie der stimulierten Emission,in das Fehlersignal der Hohlraumregelschleife ein parasitätes Signal einführt, das vollständig dieses korrekte Fehlersignal zerstört. Diese Tatsache wurde experimentell nachgeprüft,und man konnte eine theoretische Erklärung für dieses Phänomen finden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Regelung eines Masers zu schaffen, bei dem das Fehlersignal der Hohlraumregelschleife nicht mehr durch das parasitäte Signal der Oszillator-Regelschleife gestört wird. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 genannten Maßnahmen erreicht, also dadurch, daß man eine einzige Modulation für die beiden Regelschleifen vorsieht, und vorzugsweise das in dem Hohlraum erfaßte Signal einer Phasendiskriminierung unterwirft derart, daß die beiden Fehlersignale voneinander getrennt werden.

030038/0631

Auf diesem Erfindungsgedanken beruht auch der passive Maser, der mit einem solchen Regelverfahren arbeitet und eine Stabilität aufweist, die deutlich besser ist als diejenige von Masern, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, beispielsweise dem Maser der oben genannten Veröffentlichung.

Die Grundlagen der Erfindung und die aus ihr resultierenden Vorteile werden verdeutlicht durch die nachstehende Erläuterung eines Masers nach dem Stand der Technik sowie einer Ausführungsform eines Masers gemäß der Erfindung, welche Ausführungsform jedoch nur als Beispiel anzusehen ist. Dabei wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen.

Fig. 1 zeigt einen bekannten Maser und Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform eines Masers gemäß der

Erfindung.
Fig. 3 erläutert die Arbeitsweise des Masers nach

Fig. 2 mit Hilfe von Zeitdiagrammen Fig. 4 stellt das Spektrum der stimulierten Emission

dar und
Fig. 5 zeigt einen Schaltkreis, der einen Teil des Masers gemäß der Erfindung bildet.

Fig. 1 zeigt schematisiert einen bekannten Maser ähnlich dem, wie er in der oben erwähnten Vorveröffentlichung beschrieben wurde. Ein Oszillator 1 erzeugt ein Signal mit einer Frequenz von 5 MHz. Dieses Signal wird in einem Phasenmodulator 2 mit einer

H
ersten Frequenz^ moduliert, typischerweise 0,3 Hz, erzeugt von einem ersten Generator 2 3* sowie mit einer zweiten Frequenz

r
ο , typischerweise von 12 kHz, erzeugt von einem zweiten Generator 34. Das modulierte Signal wird einem Frequenzmultiplikator 4 zugeführt. Das Signal von 5 MHz wird außerdem einem

- 4

030038/0631

Synthesegerät 4 zugeführt, und die Ausgänge des Multiplikators 4 und des Synthesegerätes 3 werden einem Mischer 5 zugeführt, der ein Signal mit einer Trägerfrequenz &?-. nahe 1420 MHz liefert, das in den Hohlraum 10 eingespeist wird.

Der Resonanzhohlraum 10 1st auf die Eigenfrequenz U) der stimulierten Emission des im Hohlraum enthaltenen Mediums abgestimmt. In dem Äusführungsbeispiels handelt es sich um einen Wasserstoffmaser, wobei der übergang für die stimulierte Emission der übergang vom Zustand F = 1., m„ = 0 zum Zustand

F = 0, kl = 0 eines Wasserstoffatoms ist, das sich in einem b

Magnetfeld befindet, um die Zeemann-Unterniveaus m_F = +1 und m_ = -1 vom Zustand F = 1 zu trennen. Die Eigenfrequenz U„ dieses Übergangs befindet sich nahe 1420 MHz (1420,405751... MHz).

Der Hohlraum 10 kann als ein Bandfilter betrachtet werden, dessen Koeffizient Q je nach dem Hohlraumvolumen zwischen 5000 und 50.000 liegen kann. Für einen Koeffizienten in der Größenordnung von 30.000 kann der Hohlraum mit dem in. ihm enthaltenen Medium als Kombination eines solchen Filters mit einem Filter betrachtet werden, das einen Gütefaktor Q

9 ^H

in der Größenordnung von 10 besitzt.

0300 38/0631

Ein Verstärker 12 erfa,ßt und verstärkt ein Probesignal in dem Hohlraum, Dieses Signal wird durch einen Amplitudendetektor 13 gleichgerichtet, welcher ein Hüllsignal liefert, das alle Amplitudenfluktuationen des Probesignals im Hohlraum abbildet. Dieses Hüllsignal wird einerseits den Regelorganen 20 des Oszillators 1 und andererseits den Regelorganen 30 des Hohlraums 10 zugeführt.

In den Regelorganen 20 des Oszillators 1 wird das vom Amplitudendetektor 13 gelieferte Hüllsignal einem Filter 22 zugeführt, das im wesentlichen die Frequenzen nahe der ersten

Tt

Modulationsfrequenz0? , hier 0,3 Hz, des Generators 24 durchläßt. Das gefilterte Signal wird einem Phasendetektor 2 3 zugeführt, dessen anderer Eingang am Generator 24 liegt,^:um so eineSynchronerfassung zu bewirken, welche festzustellen gestattet, ob die Trägerfrequenz ^ des Hohlraumanregesignals richtig auf die Eigenfrequenze U„ der stimulierten Emission zentriert ist. Jede Frequenzabweichung schlägt sich in einem Fehlersignal am Ausgang des Phasendetektors 23 nieder. Dieses Fehlersignal wird einem Integrator 25 zugeführt und verwendet, um eine variable Kapazität 26 zu steuern, die an denOszillator 1 angekoppelt ist, womit dessen Frequenz im Sinne einer Korrektur leicht nachgestellt werden kann.

In den Regelorganen 30 des Hohlraums 10 wird das Hüllsignal einem Filter 32 zugeführt, das im wesentlichen die Komponenten nahe der zweiten Modulationsfrequenz to passieren läßt, hier also bei etwa 12 kHz. Das gefilterte Signal wird einem Phasendetektor 33 für Synchrondetektion zugeführt, dessen anderer Eingang mit dem zweiten Generator 34 verbunden ist, um die zweite Modulationsfrequenz zuzuführen. Das vom Phasendetektor 33 gelieferte Fehlersignal bezieht sich auf eine Abweichung der Hohlra,umresonanzfrequenz des Hohlraums 10 relativ zur Trägerfrequenz Cq, Dieses Fehlersignal, integriert mittels Integrator 35, wird zur Steuerung einer variablen Kapazität 36 verwendet, die an den Hohlraum 10 angekoppelt ist und mittels der leicht die Resonanzfrequenz ^_n im Sinne einer Korrektur verändert werden kann.

030038/0631

Insgesamt überprüft bei einem solchen Maser das Signal,

Tt

das phasenmoduliert ist mit den Frequenzen£c? (0,3 Hz) bzw. /-ι ■ m

^ (12 kHz), das Spektrum der stimulierten Emission des Wasserm .

Stoffs und die Resonanzkurve des Hohlraums, um jeweils den Oszillator für die stimulierte Emission nachzuregeln bzw. die Resonanzfrequenz des Hohlraums nachzuregeln auf die Trägerfrequenz LO , die vom Oszillator abgeleitet wird. Bei einem solchen Maser werden im wesentlichen die nachteiligen Wirkungen des "Cavity Pulling" (Zieherscheinungen) eliminiert.

Dieser Maser entspricht dem gegenwärtigen Stand der Technik/ von dem die Erfindung ausgeht. Seine Regelung ist befriedigend unter der Voraussetzung, daß die beiden Schleifen tatsächlich unabhängig arbeiten. Es wurde beobachtet, daß dies jedoch nicht den Tatsachen entspricht, sondern zwar die Hohlraumregelung nicht die Oszillatorregelung beeinträchtigt, jedoch die letztere umgekehrt empfindlich ist gegenüber dem sehr schmalen Spektrum der stimulierten Emission und in das Fehlersignal der zweiten Schleife ein sehr kräftiges parasitäres Signal einführt·, das vollständig das richtige Fehlersignal zerstört.

Um zu diesem Schluß zu gelangen, wurde das nachfolgend beschriebene Experiment durchgeführt.

A) Es wird immer nur eine Modulation vorgenommen, und man stellt fest, ob entweder die eine oder die andere Regelschleife getrennt korrekt arbeiten. Insbesondere konnte man die Abweichung (⁰⁰Q- ^₀) zwischen der Hohlraumresonanzfrequenz Q und der Trägerfrequenz Q , geliefert von dem Oszillator, auf einem relativ kleinen Wert von 10 im

4 Langzeitbereich (in der Größenordnung von 10 see) halten.

B) Es wird festgestellt, daß die Oszillatorregelschleife relativ zum Spektrum der stimulierten Emission oder der H—Linie zuverlässig auch bei Vorhandensein der Modulation der zweiten Regelschleife arbeitet, während die zweite Regelschleife offen bleibt.

030038/0631

C) Man schließt beide Regelschleifen und stellt fest, daß die Abstimmung des Hohlraums von der Η-Linie abweicht, wegen der unerwünschten Einflüsse, die sich in der Hohlraumregelschleife bemerkbar machen.

Man stellt fest, daß die Regelschleife des Oszillators auf die Η-Linie ein kräftiges parasitäres Signal erzeugt, das amplitudenmoduliert ist (AM) mit einer Modulationsfrequenz

u> der Regelschleife des Hohlra,ums, selbst wenn der Hohlraum abgestimmt war. Darüber hinaus ist dieses Signal phasenmoduliert mit der Modulationsfrequenz co ι die für die Anregung der H-Linie verwendet wird.

Indem man die Anregemodulation der Η-Linie unterdrückt und die Trägerfrequenz (P von der Frequenz der Η-Linie absetzt, stellt man fest, daß das parasitäre Signal AM von einem Hochfrequenzsignal erzeugt wurde in Wechselwirkung mit der Η-Linie. Die Phase des parasitären AM-Signals unterliegt einem plötzlichen Wechsel um 180°, wenn man die Trägerfrequenz O durch die Η-Linie gehen läßt.

Nachfolgend wird eine vereinfachte theoretische Interpretation der Beobachtungen gegeben.

Wenn man an den Eingang eines leeren Hohlraums ein Signal legt, das im wesentlichen einen Träger £?_o und zwei Seitenbänder umfaßt, die 180° phasenversetzt sind und symmetrisch bei den Frequenzen O + 4? bzw. W₀ -Ü liegen, wobei U^ sehr nahe der Resonanzfrequenz des Hohlraums CO liegt, liefert die Hohlraumregelschleife ein Fehlersignal der Form

E = A £ + D S (1)

σ ο

= (A. - A ) coso t + (D. + D ) sintf t (2)

+ — m + — m

S= (D - D ) cose? t - (A + A ) sintf t (3)

+ — m + - m

030038/0631

-AA-

In diesen Glei.chun.gen repräsentieren die Ausdrücke A , A , A_ die Absorption des Hohlraums: bei unterschiedlichen Frequenzen:

^A ₊ ^{= A(W}Q ⁺ ^
A_o =A(_Wq)

wobei die Absorption in Abhängigkeit von der Frequenz gemäß der Gleichung verläuft

A(fi3) = Y² (4)

r^{2 +}(w- *_c ⁾²

worinydie halbe Breite der Resonanzkurve darstellt.

Die Ausdrücke D , D,, D repräsentieren die Dispersion des

ο + —

Hohlraums bei entsprechenden Frequenzen ^₀, <?~ ⁺tf_mf Üq ~ ^_n' wobei die Dispersion der Gleichung folgt

f _c

Wenn man in den Hohlraum Wasserstoffatome einsetzt, die einer stimulierten Emission unterworfen werden können, muß man in der Gleichung (1) die Ausdrücke A und D entsprechend den folgenden Substitutionen modifizieren:

^Ao ■* ^Ao ^{+ A}H
^Do-* ^Do^+DH

worin A die Verstärkung infolge Vorhandenseins der Wasserstoffatome darstellt und D„ die zugeordnete Dispersion bedeutet.

Die Substitution (6) impliziert einfach eine Änderung der Größe des Ausdrucks (A + A„)£ des Fehlersignals des Hohlraums.

Dagegen hat die Substitution (7) zur Folge, daß in dem Term (D + D„) . S die Dispersion D„ vollständig überwiegt. Das Ver-

OH H

030038/0631

122

hältnis D„/D entspricht nämlich

χι Ο

^DH _ ^QH (^aQ ' "H \ (8)

^Do ^QC ^Q

Es ergibt sich, daß D um mehrere Größenordnungen höher liegt als D . Typischerweise ist D^/D =1 . 1O⁺ für

O χι Ο

(j - Ü_E = 0,3 . 2 /^RAD/sec und
QC"

Man kann den Einfluß der Modulation mit niedriger Frequenz

auf den Träger als eine Frequenzfluktuation ansehen, die bewirkt, daß der Träger periodisch die Η-Linie durchläuft: Daraus ergibt sich, daß D periodisch im gleichen Rhythmus das Vorzeichen ändert, was zu einem periodischen Phasensprung des parasitären Signals AM führt.

Theoretisch müßte sich demnach nach Synchrondetektion und Integration dieses parasitäre Signal annullieren und ermöglichen, das kleine korrekte Fehlersignal wieder aufzufinden; da aber das parasitäre Signal um mehrere Größenordnungen gegenüber dem richtigen Signal größer ist, würde dies an den Synchrondetektor und den Integrator Forderungen bezüglich der exakten Symmetrie stellen, die vollkommen unrealisierbar wären.

Der Erfindung liegt demnach die Schlußfolgerung zugrunde, daß die beiden simultanen Regelschleifen nicht vollständig unabhängig gemacht werden können und daß die Regelung nicht korrekt arbeitet.

- 10 -

030038/0631

Die vorliegende Erfindung erlaubt es, diesen Nachteil zu beheben.. Sie beruht auf der Erkenntnis, daß es möglich ist, nur eine einzige Modulations frequenz z-u verwenden,, da das Hüllsignal, das man aus dem im Hohlraum erfaßten Signal gewinnt und das alle Amplitudenfluktuationen des letzteren abbildet, tatsächlich selbst und allein alle Informationen, enthält, die erforderlich sind, um die Fehlersignale abzuleiten, womit die Frequenz des Anregesignals und auch die Resonanzfrequenz geregelt werden können. Das Hüllsignal enthält zwei Amplitudenmodulationskomponenten mit der Phasenmodulationsfrequenz, nämlich eine Komponente, die repräsentativ ist für die Abweichung zwischen der Trägerfrequenz- des Anregesignals und der Frequenz der stimulierten. Emission, sowie eine Komponente, die repräsentativ ist für die Abweichung zwischen der Resonanzfrequenz des Hohlraums und der Trägerfrequenz. Diese beiden Komponenten sind phasenverschobenr relativ zum Modulations signal, um einen Winkel e„ für die Regelschleife des Oszillators und einen Winkel θ für die Regelschleife des Hohlraums.

Genauer gesagt wird das mit der Modulationsfrequenz» amplitudenmodulierte Signal E definiert durch die Gleichung:

E = (A_o * A_H)£ + (D_o + D_H) S (9)

worin £und S gegeben sind durch die Gleichungen (2) bzw, (3) und ausschließlich abhängen von Parametern des Hohlraums, Wenn die. Trägerfrequenz relativ zur Frequenz der stimulierten Emission versetzt ist, repräsentiert der Term D„ . S die dominierende

ti

Komponente des Fehlersignals, die demgemäß in der Regelschleife des Oszillators verwendet werden kann, um die Trägerfrequenz auf die der stimulierten Emission zu zentrieren, Der Term D„ ist dann Null.. Die Phasenverschiebung 8„ dieser Komponente relativ

Jn

zum Modulationssignal ist derart, daß die Gleichung gilt;

- (10)

Demgegenüber wird je nach-dem, wie stark D„ gegen Null

tendiert, das Signal E die Tendenz zu dem Wert haben:

030038/0631

[K + A_u)fi + D S (11)

O η ^ O

womit das reine Fehlersignal des Hohlraums repräsentiert wird. Diese Komponente kann demgemäß in der Regelschleife für den Hohlraum verwendet werden, um die Resonanzfrequenz auf die Trägerfrequenz zu zentrieren. Die Phasenverschiebung θ dieser Komponente relativ zum Modulationssignal ist derart, daß die Beziehung gilt:

Diese Erkenntnis wird mit Vorteil bei dem Maser gemäß der Erfindung benutzt, der demgemäß eine einzige Modulation für die beiden Regelschleifen verwendet. Dies erlaubt nicht nur, den parasitäten Effekt der Oszillatorregelschleife auf die Hohlraumregelschleife zu vermeiden, sondern auch eine deutliche Verbesserung der Regelqualität.

Es wird nachstehend Bezug genommen auf Fig. 2, die schematisch eine Aufuhrungsform eines Masers gemäß der Erfindung darstellt. Dieser umfaßt zahlreiche Organe, ähnlich jenen des Masers nach Fig. 1, und diese Organe sind mit den gleichen Bezugszeichen markiert.

Der Phasenmodulator 2 ist ausschließlich an den Modulationsgenerator 34 mit 12 KHz angeschlossen, dessen Ausgangssignal einerseits an den Phasendetektor 2 3 der Oszillatorregelschleife und andererseits an den Phasendetektor 33 der Hohlraumregelschleife angelegt ist.

Das Hüllsignal, geliefert vom Amplitudendetektor 13,wird an ein einziges Filter 40 angelegt, das im wesentlichen die Frequenzen nahe der Modulationsfrequenz (12KHz) des Generators 34 durchläßt. Das gefilterte Signal wird einerseits dem Phasendetektor 23 über einen Phasenschieberkreis 42 und andererseits dem Phasendetektor 33 über einen Phasenschieberkreis 44 zugeführt. Die Phasenverschiebung, die durch den Phasenschieber 42 eingeführt wird, ist derart eingestellt, daß die Phase der Komponente für die Regelung des Oszillators jener des Bezugsignals gleichgemacht wird, das an

030038/0631 - 12 -

'AS-

den Detektor 23 vom Modulationsgenerator 34 angelegt wird. In ähnlicher Weise wird die Phasenverschiebung,eingeführt vom Phasenschieber 44,-derart eingestellt, daß die Phase der Komponente für die Hohlraumregelung auf jene des Bezugsignals zurückgeführt wird,das vom Generator 34 geliefert wird.

Unter diesen Bedingungen erzeugt der Phasendetektor 2 3 ein Fehlersignal, das repräsentativ ist für die Abweichung zwischen der Trägerfrequenz des Anregesignals des Hohlraums und der Frequenz der stimulierten Emission. Dieses Fehlersignal wird an den Integrator 25 angelegt, dessen Ausgangssignal die Frequenz des Oszillators 1 über die variable Kapazität 26 in dem Sinne nachstellt, daß die Frequenzabweichung korrigiert wird.

In gleicher Weise erzeugt der Detektor 33 ein Fehlersignal, das repräsentativ ist für die Abweichung zwischen der Trägerfrequenz des . Anregesignals und der Resonanzfrequenz des Hohlraums. Dieses Fehlersignal wird an den Integrator 35 angelegt, dessen Ausgangssignal die Resonanzfrequenz des Hohlraums nachstellt mittels der variablen Kapazität 36 in dem Sinne, daß die Frequenzabweichung korrigiert wird.

Die Qualität der Oszillatorregelung und der Hohlraumregelung hängt natürlich von der Genauigkeit ab, mit der die Phasenschieber 42 bzw. 44 die Komponenten des Hüllsignals, erzeugt vom Amplitudendetektor 13, in der Phase verschieben, um sie jeweils gleichphasig, zu machen mit dem Bezugsignal, das vom Modulationsgenerator 34 erzeugt wird. Die oben angegebenen Formeln drücken nämlich die theoretischen Werte der Phasenverschiebung beider Komponenten des Hüllsignals aus, berücksichtigen jedoch nicht die Phasenverschiebungen infolge der Übertragungsleitungen und der elektronischen Schaltkreise. Es ist demgemäß erforderlich, eine Nachstellung der Phasenverschiebungen vorzunehmen, was, wie nachstehend angegeben, realisiert werden kann.

Um die Phasenverschiebung für die Oszillatorregelschleife durchzuführen, kann man die Modulationsfrequenz um einen Wert versetzen, der kleiner ist als 1 Hz und den Phasenschieberkreis

- 13 - ·

030038/0631

-Ab-

42 derart einstellen, daß man am Ausgang des Phasendetektois ein maximales Fehlersignal erhält. Bei der Einstellung der Phasenverschiebung für die Hohlraumregelschleife kann man entweder die stimulierte Emission eliminieren, indem man die Wasserstoff einspeisung in den Hohlraum unterbricht, oder sein statisches Magnetfeld verringert, oder auch den injizierten Leistungspegel anheben und den Phasenschieberkreis 44 derart einstellen, daß man ein maximales Fehlersignal am Ausgang des Phasendetektors 33 erhält.

Wie bereits angegeben, erlaubt die Erfindung dank der Verwendung einer einzigen Modulation für die beiden Regelschleifen, den parasitäten Effekt der Oszillatorregelschleife auf die Hohlraumregelschleife zu vermeiden. Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung einerrelativ hohe Frequenz (12 KHz) für die Regelschleife der Anregesignalfrequenz des Hohlraums eine Arbeitsweise außerhalb des Durchlaßbandes der Η-Linie eines Filters/ und demgemäß die sehr deutliche Verringerung des Scintillationsrauschens. Die Verwendung einer erhöhten Frequenz gestattet ferner eine Regelung des Oszillators, die schneller anspricht als im Falle des Masers gemäß Fig. 1. Schließlich kann die Regelung des Oszillators in einem erheblich größeren Bereich realisiert werden, da das Fehlersignal bestimmt wird durch eine Dispersionsfunktion, deren Abfall wesentlich langsamer erfolgt als für eine Absorptionsfunktion, wie dies der Fall ist bei dem Maser gemäß Fig. 1.

Es versteht sich, daß die Erfindung nicht auf die beschriebene Ausführungsform beschränkt ist, sondern alle dem Fachmann zur Verfügung stehenden Abwandlungen mit umfaßt.

030038/0631

Zusammenfassung

Die Erfindung betrifft ein Regelverfahren für passive Maser und einen entsprechend ausgebildeten Maser.

Das Regelverfahren für einen Maser mit einem Resananzhohlraum, gefüllt mit einem zur stimulierten Emission anregbaren Medium, bei welchem in den Hohlraum ein phasenmoduliertes Äjjxegungssignal eingespeist wird und aus einem im Hohlraum erfaßten IST-Signal zwei Fehlersignale gewonnen werden, welche die Abweichung der Trägerfrequenz des . Anregesignals von der stimulierten Emissionsfrequenz bzw. die Abweichung der Hohlraumresonanzfrequenz von der Trägerfrequenz repräsentieren, umfaßt eine einzige Modulation für beide Regelschleifen; dabei wird vorzugsweise das IST-Signal einer Phasendiskriminierung unterworfen, um so die beiden Fehlersignale voneinander zu trennen.

Der so arbeitende Maser eignet sich wegen seiner ausgezeichneten Frequenzstabilitat besonders als Frequenznormal«

030038/0631

Leerseite

Claims

Patentansprüche

1.) Verfahren zur Regelung eines passiven Masers mit einem Resonanzhohlraum, der mit einem zu stimulierter Emission anregbaren Medium gefüllt ist, bei welchem Verfahren in den Hohlraum ein phasenmoduliertes Anregesignal eingeführt wird, ausgehend von einem im Hohlraum erfaßten Signal ein erstes, die Abweichung zwischen der . Anregesignal-Trägerfrequenz und der Frequenz der stimulierten Emission repräsentierendes Fehlersignal gewonnen und zur Nachregelung der Trägerfrequenz verwendet wird, und bei dem ausgehend von dem im Hohlraum erfaßten Signal ein zweites, die Abweichung zwischen der Trägerfrequenz und der Hohlraumresonanzfrequenz repräsentierendes Fehlersignal gewonnen und zur Nachregelung der Hohlraumfrequenz verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, da,ß die Phasenmodulation des Anregesignals für den Hohlraum mit einer einzigen Frequenz erfolgt.

2. Verfahren zur Regelung eines passiven Masers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Fehlersignal durch Phasendiskriminierung aus dem im Hohlraum erfaßten Signal gewonnen werden.

3. ·

• · Bassiver Maser mit einem Resonanzhohlraum, der ein zu stimulierter Emission anregbares Medium enthält,

030038/0631

mit einer Einrichtung zum Anlegen eines phasenmodulierten Anregesignals mit einer Trägerfrequenz, die im wesentlichen gleich der Eigenfrequenz der stimulierten Emission ist, an den Hohlraum, mit einer Einrichtung, die auf ein im Hohlraum erfaßtes Signal ansprechend zur Erzeugung eines ersten Fehlersignals ausgebildet ist, das die Abweichung zwischen der Trägerfrequenz und der Frequenz der stimulierten Emission repräsentiert, mit einer auf das erste Fehlersignal ansprechenden Einrichtung zum Nachregeln der Trägerfrequenz, mit einer Einrichtung, die auf das im Hohlraum erfaßte Signal ansprechend zur Erzeugung eines zweiten Fehlersignals ausgebildet ist, das die Abweichung zwischen der Hohlraumresonanzfrequenz und der Trägerfrequenz repräsentiert, und mit einer auf das zweite Fehlersignal ansprechenden Einrichtung zum Nachregeln der Hohlraumresonanzfrequenz, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Anlegen des Abfragesignals an den Hohlraum einen einzigen Modulationsgenerator (34) umfaßt.

4. Passiver Maser _f nach Ansnruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fehlersignalerzeugungseinrichtung für die Gewinnung der Fehlersignale aus dem im Hohlraum erfaßten Signal durch Phasendiskriminierung ausgebildet ist.

5. Passiver Maser, nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

- daß er eine Einrichtung (13) zum Gewinnen des die Amplitudenfluktuation des im Hohlraum erfaßten Signals abbildenden Hüllsignals des letzteren umfaßt, welches Hüllsignal zwei unterschiedliche Phasen aufweisende, mit der Phasenmodulationsfrequenz amplitudenmodulierte Komponenten aufweist, nämlich eine erste, die Abweichung zwischen der Trägerfrequenz des Hohlraums und der Frequenz der stimulierten Emission repräsentierende Komponente sowie eine zweite, die Abweichung zwischen der Resonanzfrequenz des Hohlraums und der Trägerfrequenz repräsentierende Komponente,

- daß die Einrichtung zur Gewinnung· des ersten Fehlersignals einen ersten Phasenschieberkreis (42) umfaßt, an den das Hüllsignal angelegt ist und der für die Verschiebung der Phase der

030038/0631

ersten Komponente im wesentlichen auf die Phase des vom Modulationsgenerator erzeugten Signals ausgebildet ist, sowie einen ersten Phasendetektor (23) um+aßt, dessen Eingänge mit dem Ausgang des ersten Phasenschiebers bzw. dem Generator verbunden sind, und

- daß die Einrichtung zur Gewinnung des zweiten Fehlersignals einen zweiten Phasenschieberkreis (44) umfaßt, an den das Hüllsignal angelegt ist und der für die Verschiebung der Phase der zweiten Komponente im wesentlichen auf die Phase des vom Modulationsgenerator erzeugten Signals ausgebildet ist, sowie einen zweiten Phasendetektor (33) umfaßt, dessen Eingänge mit dem Ausgang des zweiten Phasenschiebers bzw. des Generators verbunden sind.

030038/0631

ORIGINAL