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Perfectionne..lents à la stabilisation des oscillateurs à micro-ondes.
La présente invention concerne les procédés et systè- mes pour stabiliser la fréquence d'un oscillateur à micro-ondes, en utilisant la résonance moléculaire aiguë que présente certains gaz aux fréquences micro-ondulatoires.
Le spectre d'absorption des micro-ondes par certains gaz, dont le gaz ammoniac, le sulfure de carbonyle et les halo- génures de méthyle, comprend des bandes de fréquences distinctes spéciales aux différents gaz. Aux très basses pressions, ces "bandes" en régions d'absorption peuvent se subdiviser en plusieurs bandes très étroites, dont chacune correspond à une fréquence mi- cro-ondulatoire précise sur laquelle la température ambiante, la pression et les autres variables courantes n'ont aucun effet.
Conform@ment à la présente invention, la fréquence por-
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tr-se \..' Illl J'ci11-,teur micro-ondes est modulée ùe manière à pro-
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duire des fréquences de bande latérale, au moins une de ces fré- quences étant très voisine de la fréquence de résonance molécu- laire d'un gaz sous faible pression. Le déphasage entre la fré- quence de modulation et une composante de détection faisant par- tie de la sortie de la cellule à gaz est utilisé et, de préfé- rence, amplifié de manière à produire une tension "d'erreur" qui varie en sens eten amplitude suivant le glissement de la fréquen- ce de l'oscillateur à micro-ondes. Cette tension est ensuite ap- pliquée à l'oscillateur dans le but de corriger le glissement.
Plus précisément, dans certaines formes de l'invention convenant spécialement pour la stabilisation d'oscillateurs de grande puissance, les fréquences de l'oscillateur à micro-ondes et d'un oscillateur de modulation à fréquence basse sont mélan- gées dans un modulateur équilibré, ou l'équivalent, de manière à supprimer la fréquence porteuse et à éviter ainsi d'endommager les redresseurs de détection et de saturer la cellule à gaz. Dans d'autres formes de l'invention, convenant aux faibles puissances, on transmet les fréquences porteuse et de bande latérale à travers la cellule à gaz vers la détection.
L'invention consiste aussi en procédés et systèmes dont les nouvelles caractéristiques seront décrites plus loin.
L'invention ressortira clairement de la description dé- taillée donnée ci-après avec référence aux dessins annexés, dont
La figure 1 est un schéma de connexions d'un système à oscillateur stabilisé dans lequel la porteuse est supprimée.
La figure 2 est une représentation servant à expliquer le fonctionnement du système de la figure 1. la figure 3 représente, en perspective, un modulateur équilibré convenant au système de la figure 1.
La figure 4 est un schéma de connexions d'un système à oscillateur stabilisé, dans laquel la porteuse et les fréquences @e bande l@térale sont envoyées à la cellule à gaz.
L : figure 5 représente une variante du système de la
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figure 4.
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Li, figure 6 est un schéma de connexions d'un circuit
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comparateur de phases pouvant tre utilisé dans les systèmes des fleures 1, 4 et 5 pour stabiliser un lytron; et
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L, Figure 7 représente :";Ch'ltique:::-2nt un "J1r:t;n(;tron avec électrode de com-1,nde de fréquence.
De nombreux gaz, quanu ils sont pression r'duite, présentent un effet d'.. b'or¯;ti:)n " r''son:'nce 2i3'ë, aux fréquen- ces micro-onaul' toires. D: ns le cas de l' ar!l:1oni: p--r exemple, plusieurs résonances r.iu'ces se présentent dans une gamme de fré- quences relative.ent troite voisines de 1 fréquence correspon-
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dant à la longueur d'onde de 1,25 centimètre.
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Dans le système de 1" figure 1, l'oscillateur à micro- ondes 10 doit êtrt. stabilisé '. une fréquence (f =w/2f) correspon- dant une de;:; fréquences d'absorption d'un gaz choisie, le gaz étr.nt, par exemple,, l'antiioniac. L'oscillateur est relie à une li- gne de charge et i un cr.nal t11ili[lt(,uè' p,,:r l 'interr/dirire ce lignes de transmis s ior. - -pproprir-'e2, d'habitude des guides d'onde, quoique l'en puisse utiliser pussi des lignes c08xi:lps. Le canal stabilj [' te'...r 13 conprend, enne le système de lé figure 1, un mo- dulateur équilibré 12 auquel on applique 1 fréquence (f1 = '/2y) d'un oscillateur (: ,ncul tior 13.
Com : 1¯ o,:ulr-:ttur 1: est équilibré, sa orti'2 ne contient pas la fréquence rorEs¯ ce l'oscillateur 10, mais au i.ioins ,ew-. bander 1"t,'r;-.1.."s (f2 = + 1- ) et (f3 W- Y ) 2 'W 2 Ir i o" ex#ri:e la fréquence e 1.' l,h;.. se du chanp prouuit p.r l'o:cill.teur pr (e = ? sin cot, t les fréquences >5t F
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.'.-s .o'''cr.ti&3r z c? noaulction par (el = + El sin < t), les frc- ...'.:ic #?#*## r::a sf : es Ci1""I'; produits par le .oc:ulc te.r ''cuilibr" . -.u: <¯.t str j i'-pr('Et'it<-#c par:
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Les champs micro-ondulatoires représentés par l'équation (1) sont appliqués à la cellule à gaz 14 qui peut comprendre une partie de guide d'onde pvec fenêtres hermétiques au gaz à chaque bout, contenant de l'ammoniac pression réduite de manière à présenter de la résonance aiguë.
Au moins une des fréquences de bande latérale fi ou f2 est choisie de façon tomber dans l'in- tervalle de fréquences d'une bande choisie parmiles bandes étroites d'ab- sorption du gaz contenu dans la cellule 14. Si la fréquence de modulation est choisie asses basse, les ceux fréquences de bande latérale se trouveront à l'intérieur de la bande d'absorption choisie. Généralement, lr fréquence de modulation est faible, comparée à la fréquence de l'oscillateur 10 et peut, par exemple, être de l'ordre de 0,15 mégacycle ou moins, quoique, pour certai- nes applications, la fréquence de modulation prisse être plus élevée.
Des banues: latérales semblables peuvent être produites en modulent directement en fréquence l'oscillateur à micro-ondes, mais ce procédé n'est pas préférable, parce que la sortie stabili- sée de l'oscillateur contiendra toujours ces bandes latérales, 5 moins que, dans une . implication déterminée, ces fréquences ne
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tombent en de!or. de le bzznde ppsscinte.
Les effets de résonance produite par certaines des ban- des c'absorption ces gaz sont extrêmement aigus, correspondant à un circuit dont le @ vaut -aviron 70. 000, et, en choisissant une de ces bandes, on peut assurer à la cellule à gaz une caractéris- tique phase-fréquence très sensible. Par conséquent, si l'une ou
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Ips deur fréquences ae bande latér^1P sf- trouvent dans la bande d'absorption, les deux banàes latérales subiront des déphasages notablement différents, pendant leur passage dans la cellule à Gaz.
Les fréquence et phase des champs à la sortie de la cel- lule @ gaz peuvent être exprimées par:
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(2) e4 = E+{+CO' [ (<0> - 'l') t + alJ - .m.,.cos (cJ + c ) t + &1 J où al = angle de déphasage, dû au gaz, de la bande la- térale inférieure, a2 = an-le de déphasage, duau gaz, de la bande latéra- le supérieure.
La sortie de la cellule à gaz est appliquée à un mo- dulateur équilibré 15, ou l'équivalent, auquel on applique aussi la fréquence porteuse de l'oscillateur 10. Le niveau de la por- teuse réintroduite par la ligne 16, est,de préférence, si bas, à cause de l'insertion de l'atténuateur 9, que l'amplitude de la porteuse n'est que légèrement supérieure aux amplitudes des bandes latérales. Ceci a pour effet d'augmenter la profondeur de modulation dans les champs appliqués aux redresseurs du module- teur équilibré 15. Ces champs peuvent être exprimés par:
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(3) e5 = E5 sinwt + cos [(4)-'tI)t + al] - ml cos[('W+f)t+.3 1 où ml est le facteur de modulation renforcé.
En supposant que les redresseurs sont des cristaux identiques ayant une réponse quadratique, leur sortie peut être exprimée par l'équation (4) ci-dessous. Si les cristauxn'ont pas une loi quadratique, la sortie du modulateur contiendra des ter- mes de degrés plus élevés que l'on peut négliger.
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(4 ) e6 = E61 ml sin C(2ca + ) t + a2] - sln[(24J-'f)t + aj -sin(yt+a2)- - sin (t - 81)J ' les circuits étant réglés de telle façon que a2 al .
Grâce au filtre 17 qui sert de filtre et de by-pass, les poten- tiels de sortie représentés par tous les termes de l'équation (4) sauf celui choisi, notamment le dernier, sont éliminés ou atténués, de sorte que la sortie du filtre peut s'exprimer par :
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(5) e7 = I7 [sin (t + a2) + sin (lit - ai)] =
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La sortie du filtre se trouve donc sur la même fréquen- ce que l'oscillateur de moauletion 13, mais elle est déphasée à un degré dépendant du déphasage de l'énergie de bande latérale encouru pendant le passage dans la cellule à gaz.
Quand la fré- quence de la porteuse de l'oscillateur 10 a tendance à dévier de la valeur choisie, les fréquences de bande latérale glissent par rapport à la bande d'absorption choisie du gaz dans la cellule 14 et enregistrent donc chacune un déphasage différent.
Ce déphasage variable a2/2al est compare au poten- tiel de phase constante ou de référence, à fréquence w/2@ de l'oscillateur de modulation 13. On peut utiliser n'importe quel circuit approprié comparateur de phases, représenté dans sa géné- ralité par le comparateur de phases 18. La figure 6 en représente un en détail; il sers décrit plus tard. Le comparateur de phases produit une tension continue "d'erreur" qui peut être appliquée, d'une manière appropriée quelconque, pour régler la fréquence de l'oscillateur 10.
En supposant que le tube oscillateur 10 soit un klystron réflex, par exemple, la tension "d'erreur" peut être utilisée pour corriger le potentiel de l'anode réflectrice. Le sens et l'amplitude de la tension "a'erreur" dépendent du sens et de 1' importance du glissement de fréquence ; à l'oscillateur 10, elle sert à corriger, ou à réduire au minimum, les déviations dans l'un ou dans l'autre sens par rapport à la fréquence dési- rée.
Les trois graphiques de la figure 2 ont été réalisés en prenant une échelle des fréquences exagérées et en supposant que la fréquence de modulation est faible. L'amplitude est portée en ordonnées et la fréquence en abscisses. Les graphiques montrent le glissement de la porteuse et des bandes latérales, quand la fréquence porteuse de l'oscillateur 10 tend à passer au-dessus o en-dessous ce la fréquence normale.
Comme l'incique la première @@@@@@@@ de 1 figure 2, curnd la fréquence augmente, la tension
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"d'erreur fournie par le comparateur de phase 18, à travers la ligne 19, à l'oscillateur 10 a un sens tel qu'elle abaisse la fréquence, tandis que, si la fréquence tombe, comme indiqué par la troisième courbe, le sens de la tension "d'erreur" provoque le relèvement de la fréquence de l'oscillateur. La seconde cour- be de la figure 2 représente les conditions dans lesquelles la porteuse?et les bandes latérales ont les fréquences voulues, sta- bilisées.
Dans le système de la figure 1, il peut y avoir des effets amplitude-fréquence et phase-fréquence dus aux caracté- ristiques de fréquence du système de transmission et de compo- santes autres que la cellule à gaz elle-même. Cependant, le Q de la bande d'absorption du gaz est très élevé , de l'ordre de 70. 000, alors que le Q des autres éléments sera toujours beaucoup moins 'levé de sorte que les effets amplitude-fréquence et phase- fréquence parasites sont minimes et peuvent être compensés par ces réglages de circuit.
Dans le système de la figure 1 ou les autres systèmes décrits, les fréquences de bande latérale peuvent être reproduites par modulation, en fréquence, de l'oscillateur 10, au lieu de mo- dulation en amplitude, mais cela est en général moins bon.
Un montage pouvant remplir les fonctions des modulateurs équilibrés 12 et 15 de la figure 1 et qui comprend aussi la cel- lule à gaz 14, est représenté à la figure 3. En fait, le dispo- sitif comprend deux "Tés magiques" reliés respectivement aux li- gnes 11 et 16 venant de l'oscillateur 10, et reliés entre eux par la partie de la ligne de transmission 11 qui contient la cellule à gaz 14. Le "Té magique" supérieur 12 A remplit le rôle du mo- dulateur équilibré 12 de la figure 1 et comprend la partie de gui- de d'onde 20, d'ou partent, à égale distance des bouts de la par- tie 20, deux bras de guide d'onde 21 et 22, l'un raccordé à la grande face du guide d'onde, l'autre à la face étroite.
Le bras @@ réfiéchit l'énergie venant de l'oscillateur à micro-ondes 10,
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les champs micro-ondulatoires résultantsétant en phase à hauteur des 2 cristaux redresseurs 23 ou équivalents. Un fil est relié à chaque redresseur 23, comne indiqué à la figure 3, pour appli- quer aux redresseurs, la sortie de l'oscillateur de modulation.
En appliquant la fréquence de modulation à chacun des redres- seurs 23, on produit des termes représentant les bandes latéra- les, équation (1), qui sont renvoyées en arrière à la jonction du bras 21 avec le guide- d'onde 20 et s'ajoutent à l'onde de fré- quence de l'oscillateur, si celle-ci est réfléchie par les cris- taux. Comme les champs propagés dans le guide d'onde 20 vers le bras 22 n'excitent celui-ci qu'en vertu de champs latéraux, ces .eux champs excitent le bras 22 en phases opposées. De ce fait, Gans l'excitation du bras 22, les deux champs des banues latérales s'additionnent tandis que les champs réfléchis dus :.. la porteuse s'annulent. Par conséquent, le bras 22 n'amène la cellule à gaz que les bandes latérales.
Par la symétrie de la construction, il est évident que le bras 21 pourrait être connecté à la cellule à gaz et le bras 22 à l'oscillateur, et que l'on obtiendrait des résultats sem- blables.
Le détecteur équilibré 15 A jouant le rôle du détecteur 15 de la figure 1 est ue construction semblable. Les champs de bande latérale, également déphasés ourant leur passage par la cellule à gaz 14, sont envoyés dans le bras 26 du "Té magique" inférieur, de manière-à produire des champs en phase à hauteur des cristaux redresseurs 28, ou équivalents, qui sont disposés sy- métrique;sent sur le guide d'onde 25, de part et d'autre du bras 26.
L'@nergie à fréquence porteuse est introduite par le bras 27 et produit des champs en phase à hauteur des cristaux.
La sortie vers le comparateur de phases 13 pourrait être . rise '. un seul des cristaux 28, mais comme il est plus facile de @ intenir 1 sym@trie et l'équilibre du pont au moyen des deux @@@@@@@@@, il est préférable de combiner la sortie des deux cris-
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taux 28 en phase, pour la composante de détection choisie des fréquences de bande latérale. Comme dans le pont des "Tés magiques", il y a un renversement de phase au plan de jonction E, il faut soit renverser la sortie d'un cristal par rapport à l'autre, soit cha ger le sens de connexion d'un cristal, afin d'obtenir l'addition, en phase, des deux sorties. Les connexions sont représentées reliant les cristaux redresseurs 28 au filtre .
17 (figure 1).
Les pistons 24, représentes à la figure 3, coopèrent avec les bras des "Tés magicues" en qualité de transformateurs d'adaptation d'impédance.
Pour un oscillateur à micro-ondes de faible ou moyenne puissance, le système stabilisateur plus simple de la figure 4 peut convenir. Dans cette variante, les sorties de l'oscillateur à micro-ondes 10 et de l'oscillateur de modulation 13 sont mélan- gées dans un modulateur non équilibré 12B, tel qu'un gristal redresseur unique, ou l'équivalent, de sorte oue l'énergie micro- ondulatoire appliquée à la cellule à gaz 14 contient la fréauence porteuse et les fréquences de bande latérale, dont l'une au moirs tombe dans la bande d'absorption du gaz choisie. Si la fréquence de modulation est assez feible, les trois fréquences tomberont dans la bande.
On produire évidemment des fréouences de modula- tion d'ordre plus élevé que la fréquence de bande latérale plus et moins la fréquence de modulation, mais on peut les négliger.
Les champs entrant dans la cellule à gaz correspondent à l'équa- tion (1) plus un terme correspondant à la fréquence porteuse, et les champs en dehors de la cellule à gaz correspondent à l'équa- tion (2) plus un terme E sin (wt + a3).
En supposant que la caractéristique du redresseur du modu- lateur 15B est quadratique, la sortie du cristal peut s'exprimer par l'équation (6) ci-dessous. Si le cristal n'a pas une loi quadratique, des termes d'ordre plus élevés apparaîtront, qui
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seront négligés.
(6) eg = Eg [*Il . cos [2wt+ a3)]
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Le filtre 17, par filtrage et by-pass appropriés, re- jette ou supprime tous les termes de l'équation (6) sauf celui choisi, notamment le dernier, de sorte que la sortie du filtre peut s'exprimer par :
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(7) 8CJ = Eg ml ( s1n(lf/t + a3 - al) + sin (yt - a3 + a2)j
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La phase variable du produit de détection choisi est comparée, dans le comparateur de phases 18, à la phase fixe de référence donnée par l'oscillateur de modulation 13, de manière à produire une tension continue "d'erreur" appliquée, à travers la ligne de transmission 19 du comparateur de phases, à l'oscillateur à micro- ondes, dans le but de stabiliser la fréquence de celui-ci.
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Comme dans le système de la figure 1, la tension"d'erre' a une polarité qui dépend du sens du glissement de la fréquence porteuse de l'oscillateur 10. Aussi coome dans le système de la figure 1, il peut y avoir des effets parasites d'amplitude- fréquence ou phase-fréquence aus aux caractéristiques de fréquen- ce des composantes autres que la cellule à gaz 14, mais puisque le @ de la bande d'absorption du gaz est de l'ordre de 70.000, ces
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effets parasites dus aux composantes des circuits sont mini- mes et peuvent être supprimés ou compensés par des réglages de circuit.
Si, à cause du choix de la fréquence ce modulation ou de la fréquence porteuse pour la comparaison de phases, les dé- phasages à comparer concernent des fréquences élevées, le compe- rateur de phases peut consister en un dispositif à guide d'onde qui comprend un arrangement avec un "T" comme en 15 A de la figure 3, mais dans lequel les deux parties de guide d'onde qui alimen- tent le "T" et qui conduisent les deux fréquences à comparer, ont des longueurs inégales et sont disposées de telle façon à la jonction avec le "T", qu'une des fréquences est envoyée dans les bras du "T" munis des redresseurs avec des polarisations ins- tantanées opposées, tandis que l'autre fréquence est envoyée dans ces bras avec des polarisations instantanées identiques mais avec un déphasage de 90 par rapport à la première fréquence.
Cependant, de préférence, et comme indiqué à la figure 5, on introduit dans le comparateur de phases les fréquences peu diffé- rentes entre elles provenant du battement de la sortie d'un oscil- lateur haute fréquence 93 avec, d'une part, la fréquence porteu- se de l'oscillateur à micro-ondes et,d'autre part, la composante choisie dans la sortie du détecteur 15 B. Plus exactement, la phase fixe de référence est produite en combinant dans le mélan- geur 30, la fréquence de l'oscillateur 10 ( en avant de la cellu- le 14) et la fréquence de l'oscillateur 93, de manière à produi- re une fréquence-différence appliquée au comparateur de phases 18 A.
La phase variable est produite en combinant dans le mélan- geur 31, la fréquence de l'oscillateur 93 et la composante de dé- tection de porteuse à la sortie de la cellule 14, de manière à produire la même fréquence-différence.
L,' fleure 6 représente, à titre d'exemple,un compara-
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t. r \.le limses peuvent être utilisé --ans le système de la figure 5.
-¯ "i-t- 3\, 31 et 35, 35, ou leurs équivalents, forr.1ent un
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pont de redressement avec bornes 36 et 37, pour la sortie du courant continu. Les bornes comnunes d'une paire de redresseurs 84, 35 sont reliées à la borne d'entrée 38 du comparateur de pha- res 18 A par l'intermédiaire d'un circuit résistance-condensateur 41, 42, et les bornes communes de l'autre paire de redresseurs sont reliées, de manière similaire, à la borne d'entrée 39.
Les bornes 38,39 sont shuntées par une résistance 40 et sont reliées respectivement, par l'intermédiaire de condensateurs de blocage, à un circuit de formation d'impulsions (voir figure 5), de pré- férence d'un type qui transforme la tension de sortie du mélan- geur 30 (ou 31) en deux trains d'impulsions très pointues bien en phase, mais de polarités opposées. La tension de sortie de l'au- tre mélangeur 31 (ou 30) est, de préférence, transformée en dents de scie par des circuits de formation 32 pu@s est appliquée à la borne d'entrée 36 du comparateur de phases.
Pour commander la fréquence d'un klystron reflex, la tension "d'erreur", produite par le comparateur de phases, peut être utilisée pour régler le potentiel de l'anode réflectrice, comme indiqué à la figure 6. En bref, le potentiel de l'anode ré- flectrice 43 eu klystron 10 A dépend de la chute de tension aux bornes d'une résistance 47 se trouvant en circuit entre la sour- ce stabilisée de courant continu 46 et l'anode d'un tube de com- mande 48. La polarisation de la grille de commande du tube 48 com- prend une composante fixe fournie par une batterie 49 ou équiva- lent par l'intermédiaire d'un potentiomètre 40, et une composan- te variable fournis par le comparateur de phase 18 A à travers la ligne de commande 19.
Quand la fréquence porteuse de l'oscilla- teur 10 A dévie dans un sens ou dans l'autre, la polarité de la tension "d'erreur" change en conséquence de manière à faire varier la polarisation du tube régulateur 48 dans un sens tel que la fréquence produite est ramenée vers ou à la valeur désirée. Quand l'oscillateur à micro-ondes est un magnétron (voir figure 7) à gril-
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le ce- COm2ne de fréquence 51, * le. tension nûf erreur" produite par ,
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le comparateur de phases peut être appliquée à la grille dans le but de corriger toute tendance de la fréquence produite à s'écarter de la valeur désirée.
Il est évident que l'invention n'est pas limitée aux systèmes particuliers décrits et représentés à titre d'exemple.
REVENDICATIONS
1.- Procédé pour stabiliser la fréquence d'un oscilla- teur à micro-ondes caractérisé en ce qu'on module la fréquence de l'oscillateur pour produire des fréquences de bande latérale, on applique au moins une des bandes latérales à une masse de gaz présentant de la résonance moléculaire aiguë sur une fréquence voisine de ces fréquences de bande latérale de manière à pro- duire un glissement de phase variant avec la fréquence de l'os- cillateur, on détecte l'énergie micro-ondulatoire transmise par le gaz, et on commande la fréquence de l'oscillateur de façon à réduire au minimum la variation de la différence de phase exis- tant entre la fréquence de modulation telle qu'elle est appli- quée à l'oscillateur à micro-ondes, et telle qu'elle est déri- vée par détection de l'énergie micro-ondulatoire transmise par la cellule.