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Perfectionnements aux procédés et systèmes de stabilisation et de détermination de fréquences micro-ondulatoires.
La présente invention concerne de façon générale la dé- termination de la fréquence des oscillateurs à micro-ondes et, en particulier, les procédés et systèmes de stabilisation des fré- quences micro-ondulatoires basés sur l'exploitation des caracté- ristiques de résonance de certains gaz.
Les spectres d'absorption de micro-ondes du gaz ammoniac, du sulfure de carbonyle, des halogénures méthyliques et autres ga: ayant un moment de dipale consistent en "bandes" ayant des réparti tions de fréquences distinctes et différentes pour chaque gaz. Dai le cas de l'ammoniac, à des pressions très basses, chacune de ces "bandes" se subdivise en plusieurs bandes très étroites, chacune ( celles-ci correspondant à une fréquence bien définie dont la vale
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est indépendante de la température, de la pression et d'autres facteurs connus ; elle n'est influencée que par des champs magné- tiques ou électrostatiques relativement puissants.
Les brevets belges 485.797 du 13 novembre 1948 et 486. 661 du 6 janvier 1949 au nom de la demanderesse décrivent des procédés et systèmes pou stabiliser un oscillateur à micro-ondes, de manière que sa fréqu@ ce corresponde à une fréquence de résonance choisie d'un gaz dé- terminé. Il est possible ainsi de créer de nombreuses fréquence: prises dans le spectre des micro-ondes, mais on ne peut pas, au moyen de ces procédés et systèmes, obtenir la stabilisation de f@ quences autres que les fréquences bien distinctes correspondant aux résonances moléculaires des gaz.
Conformément à la présente invention, un oscillateur à micro-ondes peut être stabilisé de telle sorte que sa fréquence, ou un multiple de celle-ci, diffère exactement, d'une quantité v lue quelconque, d'une fréquence de résonance choisie d'un gaz pa: ticulier. On peut ainsi stabiliser à une fréquence quelconque d; le spectre des micro-ondes, avec une précision au moins égale à celle obtenue à des fréquences plus basses, par l'emploi de cris- taux piézo-électriques.
Plus précisément, suivant la présente invention, l'éne; gie produite par un générateur de commande modulé en fréquence est appliquée à une cellule à gaz de manière à créer une série d'impulsions électriques, chacunede calles-ci se produisant à la coïncidence de la fréquence du générateur avec la fréquence de ri sonance moléculaire du gaz. Le générateur de commande modulé en fréquence est aussi connecté à un détecteur auquel se trouve aus relié soit l'oscillateur à micro-ondes à commander soit un ampli ficateur travaillant à la même fréquence ou à une autre fréquenc ayant un rapport numérique fixe avec la première.
Le résultat d la détection est envoyé dans un filtre sélectif servant à laisse DLLser une fréquence qui, ajoutée à ou soustraite de la fréquenc
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désirée de l'oscillateur, ou d'un multiple de celle-ci, est égale à la fréquence de résonance du gnz. Donc, à sa sortie, le filtre donne une seconde série d'impulsions dont le déphasage par rapport à la première série d'impulsions varie en fonction de l'écart en- tre la fréquence de l'oscillateur à micro-ondes et la fréquence de sirée.
Les deux séries d'impulsions sont utilisées ensemble de façon à produire une tension continue de commande dépendant, en amplitude, du déphasage entre impulsions et pouvant être appliquée à l'oscillateur de micro-ondes à commander, afin de réduire l'éca] entre la fréquence de l'oscillateur et la fréquence désirée.
Egalement suivant la présente invention, quand le géné- rateur de micro-ondes stabilisé doit être modulé en fréquence, à des audio ou vidéo-fréquences, par exemple, il est prévu que la cadence de modulation du générateur de commande sera nettement in férieure à la fréquence de modulation la plus basse de l'oscillat commandé ou stabilisé.
L'invention consiste aussi en procédés et systèmes ayar. les caractéristiques décrites et revendiquées ci-après.
L'invention ressortira clairement des dessins annexés, dont :
La Fig. 1 est un schéma de connexions d'un système de commande pour la stabilisation d'un générateur de micro-ondes.
La Fig. 2 donne des courbes servant à l'explication du fonctionnement de la figure 1.
La figure 3 est un schéma de connexions d'une variante du système représenté à la figure 1.
La figure 4 donne des courbes servant à l'explication du fonctionnement de la figure 3.
La figure 5 représente schématiquement un type déter- miné de générateur de micro-ondes devant être réglé conformément aux figures 1 et 3.
La figure 6 est un schéma de connexions montrant des élé
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représentés aux figures 1 et 3 et un amplificateur d'harmoniques pour l'oscillateur stabilisé.
La figure 7 représente schématiquement un autre type de générateur de micro-ondes pouvant être employé dans les sys- tèmes des figures 1 et 3 ; La figure 8 est une table de certains gaz et de leurs fréquences d'absorption dans une partie du spectre des micro-ond'
A la figure 1, le générateur de micro-ondes 10, qui pe@ être un magnétron, un klystron ou un autre type connu d'oscilla- teur pouvant travailler aux très heutes fréquences, est couplé d@ façon appropriée par le guide d'onde 11 ou par une autre ligne dE transmission convenable, à une antenne ou une autre charge repré- sentée, dans son ensemble, par le rectangle 12.
Le filtre 13 est étudié de façon à être sélectif à une fréquence F1 qui ajout: à (ou soustraite de) la fréquence de travail désirée Fo de l'ose: lateur 10, correspond à la fréquence Fg de résonance moléculaire du gaz se trouvant dans la cellule 14. De préférence, cette cel- lule est une partie adaptée de guide d'onde; en variante elle pe@ être une cavité résonnant à la fréquence Fg, quoique ra courbe d@ résonance soit beaucoup plus large que celle du gaz. La cellule : est munie de fenêtres 15,15 qui sont en une matière transparent, à l'énergie micro-ondulatoire et imperméable au gaz : ellespeuve- être, par exemple, en mica de 0,002 à 0,005 pouce (5/100 à 12/10' d'épaisseur.
En général, les gaz ayant des moments de dipôle peuve' présenter des caractéristiques de résonance moléculaire dans le spectre des micro-ondes, les bandes de résonance ayant des répar titions de fréquence distinctes et différentes pour les diffé- rents gaz. A des pressions très faibles, par exemple de l'ordr de 0,3 millimètre de mercure, ces bandes d'absorption, dans le cas du gaz ammoniac par exemple, se subdivisent en plusieurs ban
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des encore plus étroites, chacune d'elles correspondant à une fr .¯.ence ¯ui reste constante malgré les variations de pression, t-j
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pérature et d'autres facteurs connus, à l'exception de champs ma, tiques ou électriques puissants.
Parmi ces gaz, le gaz ammoniac présente un grand nombre de bandes dans la gamme des fréquences correspondant aux longueurs d'onde entre 1,10 centimètre et 1,4 centimètre. D'autres gaz tels que S02, H2O, COS, CH3NH2 et CH30i (figure 8) présentent des caractéristiques d'absorption sélectif dans la région de micro-ondes et procurent encore d'autres fré- quences étalons, une quelconque de celles-ci pouvant être choisii comme fréquence de résonance de la cellule à gaz.
Une fréquence Fg ayant été choisie par le choix d'un g, la fréquence de filtre F1 est ensuite déterminée de façon que la fréquence Fg plus ou moins la fréquence de filtre F1 corresponde à la fréquence désirée Fo de l'oscillateur ou à un multiple de celle-ci.On remarqua que la fréquence de filtre peut être égale à zéro quoiqu'elle soit d'ordinaire de l'ordre de mégacycles.
Le second générateur de micro-ondes 16 est modulé en fréquence de manière à balayer une bande de fréquences assez lar comprenant la fréquence Fg. Ce générateur peut être un magnétro un klystron ou un autre type de générateur de micro-ondes, et pe être modulé en fréquence d'une manière connue quelconque, soit u modulateur mécanique, ou en y appliquant une tension de commande de modulation, par exemple, la tension de sortie d'un générateur de dents de scie fonctionnant à une fréquence de balayage de 60 cycles par seconde ou toute autre fréquence appropriée, pourvu qu'elle soit basse en comparaison avec n'importe quelle fréquenc employée pour la modulation en fréquence du générateur stabilise 10.
Le générateur 16, dénommé ci-après générateur de commande, connecté à la cellule à gaz 14 au moyen du guide d'onde 17, ou d'une autre ligne de transmission appropriée, de sorte que dans chaque cycle de modulation de fréquence du générateur 16, il y un phénomène d'absorption exactement à la fréquence de résonance moléculaire du gaz de la cellule. Par conséquent, dans chaque
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cycle de modulation de fréquence, la sortie du redresseur 18, reli à la ligne de transmission 17 au-delà de la cellule à gaz, varie brusquement, produisant une impulsion de commande qui est utilisée comme c'est exposé ci-après.
Les sorties des deux générateurs 10 et 16 sont appliquée à un redresseur 19 dont le circuit de sortie comprend le filtre 13 susmentionné dont la bande passante est plus étroite que la larges de bande des fréquences admises par la cellule à gaz 14. Ainsi, dans chaque cycle de la basse fréquence de balayage du générateur commande 16 modulé en fréquence, il se produit aux bornes de sortj du filtre 13 une courte impulsion de commande qui peut coïncider, avancer ou retarder par rapport à l'impulsion apparaissant dans le circuit de sortie du redresseur 18, pendant le même cycle de fré- quence de balayage. En résumé, on produit deux séries d'impulsion dont le déphasage relatif dépend de l'écart entre la fréquence pr@ duite Fo et la valeur Fo désirée.
Si la fréquence Fo produite a valeur désirée ou normale, les impulsions apparaissant respective ment dans les circuits de sortie des redresseurs 18 et 19 sont en phase, et comme on le verra ultérieurement, aucun effet de réglag ne se produit qui affecte la fréquence de travail du générateur 1 Quand, au contraire, les impulsions ne sont pas en phase, le dé- phasage est utilisé pour produire un effet de réglage qui réduit l'écart entre la fréquence produite et sa valeur désirée.
Après amplification convenable, les deux séries d'impulsions peuvent être appliquées à un type approprié quelconque de détecteur de phase, tel qu'un circuit redresseur équilibré (figure 1) ou un multivibrateur (figure 3); de manière à former une tension conti! de commande qui peut être appliquée, par exemple, à une électrod@ du tube oscillateur stabilisé. A titre exemplatif, cette tension de commande peut servir de composante variable de la tension de l'anode réflectrice d'un klystron (figure 5), ou de l'anode d'un magnétron classique, ou d'une grille de commande placée dans une cavité d'un magnétron (figure 7).
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Revenant plus en détail à la figure 1, le redresseur mé- langeur 19, ou élément équivalent, est connecté aux deux généra- teurs 10 et 16 par l'intermédiaire de couplages directionnels 20 et 21 formant ensemble un circuit équilibré qui permet l'écoulemer de l'énergie venant des générateurs vers le redresseur 19, mais rend pratiquement nul l'échange d'énergie entre générateurs. Cha- que couplage directionnel peut comprendre une section de guide d'c de couplée au guide associé 11 ou 17 par une paire de fenêtres ou ouvertures dont l'écartement de centre à centre peut valoir envirc un quart de longueur d'onde. A son extrémité fermée, côté guide d'onde 11 ou 17, chaque couplage directionnel contient de préfé- rence un coin d'absorption 22 empêchant les réflexions à l'inté- rieur du couplage.
Chaque couplage directionnel contient aussi, entre le guide d'onde 11 ou 17 et le redresseur 19, un coin de découplage 23. A la jonction des couplages directionnels se trou- vent deux prolongements à angle droit ou cavités, l'un d'eux étar couplé au redresseur 19 et l'autre pouvant être réglé au moyen d'un piston 24, afin de pouvoir adapter l'impédance du redresseur.
Les différents rapports de polarité entre le générateur de micro-ondes 16, la cellule à gaz 14 et le redresseur 18, pour partie décrite jusqu'ici, sont tels que les impulsions à la sortit du redresseur ont une polarité négative, c'est-à-dire que la poin' de l'impulsion correspond à la transmission minima à travers la cellule à gaz. Ces impulsions peuvent être converties en impulsi< positives en choisissant convenablement le nombre d'étages dans 1- plificateur 25 ou par tout autre moyen connu, un transformateur p; exemple.
Afin d'éliminer tout effet de modulation d'amplitude du générateur de commande 16 sur l'amplificateur-détecteur placé dan le circuit de sortie du redresseur 18, on connecte au guide d'ond avant la cellule à gaz 14, un couplage directionnel 26 servant à appliquer la ortie du générateur 16 sur un redresseur 27 de pola
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rité opposée au redresseur 18, mais ayant tous deux une résistan- ce de sortie commune 28. Ainsi, quand la fréquence du générateur 16 varie dans une gamme contenant la fréquence Fg, les sorties des redresseurs sont équilibrées et aucun courant ne passe dans la résistance 28, sauf à la fréquence Fg..
Les impulsions étroite; appliquées au détecteur-amplificateur 25 ,sont amplifiées et re- dressées de manière à obtenir une série d'impulsions étroites pé- riodiques a (voir figure 2), qui, en admettant que la fréquence de balayage imposée au générateur 16 est constante, apparaissent des intervalles réguliers. L'amplificateur 25 est bloqué pendant chaque balayage de retour du générateur 16, de sorte qu'il n'y a qu'une seule impulsion par période de fréquence de balayage ; balayage peut aussi être une onde en dents de scie et on peut éli. miner par filtrage l'impulsion pendant le retour de chaque cycle.
Les impulsions pointues du circuit de sortie de l'ampli ficateur-détecteur 25 sont envoyées dans un circuit de forme 32 comprenant un tube amplificateur 33 servant à appliquer entre les bornes A et B du pont redresseur 34 une série d'impulsions b ayar la même cadence de reproduction que les impulsions a mais dont le arêtes frontales et dorsales sont moins droites que celles des im pulsions a.
Les impulsions produites à la sortie du filtre 13 sont amplifiées et redressées de manière à produire une série d'impul- sions de courant c qui passent dans l'enroulement primaire 35 d' transformateur 36 dont l'enroulement secondaire 37 est mis en sé- rie avec une résistance 38 entre les points C et D du pont redre: seur 34. Le redresseur 38 forme, avec son condensateur 39 en pa. rallèle, un circuit à constante de temps relativement longue, pa exemple, de l'ordre d'une ou deux secondes pour une fiéquence de balayage de 60 cycles par seconde.
Afin de protéger le générate contre de rapides changements de fréquence, la cadence de balaya est augmentée et la constante de temps du circuit RC 38, 39 est
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paccourcie, de manière à pouvoir transmettre les réglages de rectification pour des erreurs qui varient rapidement. Dans le cas où l'oscillateur 10 est modulé en fréquence, il peut être sta bj.lisé en fréquence, en utilisant une fréquence de balayage pour l'oscillateur de commande 16, un peu inférieure à toute fréquence quelconque de modulation appliquée à l'oscillateur 10 et la cons- tante de temps du circuit RC 38,39 est augmentée de façon corres pondante.
L'amplitude et le sens du courant envoyé au circuit 38, dépendent de la relation de temps entre pointes des impulsions ± et pointes des impulsions a, et l'amplitude du potentiel continu au point du redresseur dépend donc du déphasage relatif des deu: séries d'impulsions. Le potentiel continu de commande ainsi obte- nu peut servir, comme indiqué à la figure 5, à faire varier le po- tentiel de l'anode 40 d'un klystron reflex 10A (voir figure 5), représenté comme exemple d'un générateur de micro-ondes pouvant être commandé conformément à la présente invention. Que ce po- tentie dérivé soit utilisé ou non pour stabiliser la fréquence produite, il peut être appliqué à tout dispositif approprié sensi- ble aux potentiels, pour mesurer le glissement de fréquence de l'oscillateur 10.
Il est évident que la tension ainsi obtenue peut être appliquée à d'autres types de tubes à oscillations haute fréquence sensibles aux potentiels et à la fréquence des oscillations pro- duites.
Le système de la figure 3 est identique à celui de la figure 1, sauf en ce qui concerne la manière d'exploiter la diffé- rence de phase entre les deux séries d'impulsions. La description se bornera don@ à cette différence.
Les deux trains d'impulsions de commande a¯ et ± sont appliqués respectivement aux grilles 50 et 51 d'une paire de triod qui font partie d'un multivibrateur 52 du type dénommé "flip-flop"
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Le déphasage entre impulsions a, et ± détermine la valeur moyenne du courant qui passe dans la résistance de sortie 53 du multi- vibrateur et détermine donc l'amplitude de la tension de commande appliquée au générateur stabilisé 10. Le fonctionnement d'un cir cuit "flip-flop" étant bien connu, il n'est pas nécessaire de le décrire ici.
Il suffit de dire que si l'intervalle entre impul- sions appliquées respectivement aux grilles 51 et 50 est court en comparaison du temps qui sépare les impulsions de commande succes sives appliquées à la grille 51, les impulsions de courant tra- versant la résistance 53 ne sont que de courte durée. Si l'inter valle entre impulsions appliquées aux grilles 50 et 51 est aug- menté, les impulsions de courant traversant la résistance 53 ont une durée proportionnellement allongée et le potentiel continu du point B1 est plus élevé, et vice-versa. La résistance 53 forme, avec le condensateur 54 en parallèle, un circuit intégrateur des impulsions de courant, de sorte que la tension de commande varie lentement avec la variation du déphasage entre impulsions.
Le glissement de la fréquence de l'oscillateur par rapport à la fréq ce désirée peut, comme dans le système de la figure 1, être déter miné en lisant l'amplitude de la tension de commande sur un volt- mètre convenablement étalonné, de préférence un voltmètre à lampe un tube à rayons cathodiques ou un autre appareil à impédance éle vée.
Quand la fréquence de l'oscillateur stabilisé 10 du sys tème de la figure 1 ou 3 est beaucoup plus basse aue la fréquence Fg de résonance moléculaire d'un gaz choisi et qu'il n'est pas possible d'étudier ou de réaliser un filtre 13 à bande passante étroite convenant à la moyenne fréquence très élevée F1, on peut appliquer au redresseur de modulation 19 un harmonique de la fré- quence stabilisée, comme indiqué à la figure 6.
A titre d'exemple numérique, s'il faut stabiliser un o
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¯.r W1e fréquence (Fo) de 4.780 mégacycles avec la bande 3,; ;C c!':'i C3teur 55 est réalisé de façon ü apuli.
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quer le cinquième harmonique de cette fréquence (23.900 Me) au redresseur modulateur 19 ; moyenne fréquence 13 est donc prévu pour une bande passante de fréquence F1 de 29,9 mégacycles, différence entre le cinquième harmonique de la fré- quence de travail désirée et la fréquence (23.870,1 mégacycles) de la bande choisie du gaz ammoniac. En général donc la fréquenc stabilisée Fo donne n Fo=Fg+F1 ou n Fo = Fg - F1 où n est égal au degré de l'harmonique.
Il est évident que si l'on applique la fréquence fonda- mentale au modulateur 19, le terme n est égal à l'unité et la de cription de la figure s'applique directement à ce cas. Il faut remarquer aussi que la fréquence de filtre choisie F1 peut être égale à zéro, auquel cas le filtre amplificateur 13 peut avoir comme bande passante celle d'un amplificateur video ou continu.
Dans l'exemple numérique ci-dessus, le générateur de micro-ondes 16 peut être étudié de façon à balayer dans une bande de fréquence allant d'environ 23. 850 mégacycles à 23. 890 méga- cycles, soit une bande de 40 mégacycles à l'intérieur de laquelle la cellule à gaz présente une résonance moléculaire pointue. La fréquence de balayage à laquelle l'oscillateur 16 est modulé de façon à couvrir la gamme de 40 mégacycles, pourra être de60 périodes.
En général, au plus large est la bpnde de fréquences balayée par l'oscillateur de commande 16, au plus basse la fré- quence de balayage : une large bande et une basse fréquence balayage, il y a moins d'impulsions de correction dans l'unité d, temps, ,lais le système de commande est meilleur pour maintenir e stabiliser un oscillateur qui est sujet, par construction, à des glissements importants. La largeur de bande de balayage ne sera pas assez large pour pouvoir comprendre à la fois la somme et l@ difference des fréquences F1 et Fo mais uniquement (Fo + Fi)
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(Fo - F1); de plus, la largeur de bande de balayage ne sera pas assez grande pour pouvoir comprendre plus d'une fréquence de résonance moléculaire du gaz dans la cellule 14.
Quand la tension continue de sortie du détecteur de phase 34 de la figure 1 ou 52 de la figure 3 ne doit servir qu'à 1 mesure du glissement de fréquence dû, par exemple, à la modulatior. en fréquence de l'oscillateur 10, et non pour la stabilisation de cette fréquence, la fréquence de balayage de l'oscillateur 16 sera du même ordre que ou supérieure à la plus haute fréquence de modu- lation et la constante de temps du circuit RC (38,39 de la figure 1 ou 53,54 de la figure 3) sera raccourcie en conséquence.
Dans le cas où l'oscillateur stabilisé 10 n'est pas modu lé à une audio-fréquence qui gênerait la commande désirée décrite ci-dessus, on peut supprimer le filtre moyenne fréquence 13. Le rôle du filtre 13 à bande passante étroite est d'assurer qu'il n'y a pas d'audio-fréquence à la sortie du détecteur amplificateur 42 en dehors du cas où l'oscillateur 16 produit la fréquence de battement propre. On assure ainsi que l'amplificateur 42 est ali- menté uniquement en fonction de la position de la fréquence por- teuse principale produite et qu'il n'est pas alimenté par des fré- c.uences de bande latérale provenant de la modulation.
REVENDICATIONS.
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