Emetteur-récepteur à hyperfréquence comprenant un dispositif de régulation en fréquence et en phase, notamment pour l'etude de la resonance paramagnétique electronique
L'invention est relative à un émetteurrécepteur à hyperfréquence comprenant un dis- positif de régulation en fréquence et en phase à commande électronique de fréquence (klystron-reflex, carcinotron, tube à ondes progressives du type TPO, etc.); elle concerne plus particulièrement, mais non exclusivement, un émetteur-réeepteur superhétérodyne à klystron-reflex pour l'étudie de la résonance paramagnétique électronique.
Elle a surtout pour but de perfectionner les dispositifs de régulation du type pré- cite, notamment en ce qui concerne la precision de l'asservissement tant en fréquence qu'en phase.
Un emetteur-recepteur à hyperfréquence comprenant un dispositif de régulation en fré- quence et en phase, selon l'invention, à commande électronique de fréquence pour alimenter une unité d'utilisation comprenant un oscillateur principal qui débite un premier signal, à la fréquence principale de travail, appliqué sur une unité d'utilisation, et un oscillateur local qui débite un deuxième signal, à la fréquence locale d'hétérodyne, appliqué à un mélangeur de réception, qui re çoit également un troisième signal, constitué par l'onde réfléchie par ladite unité d'utilisation, et débite un quatrième signal à la fréquence intermédiaire de réception, chacun de ces oscillateurs comportant un élément de commande dont le potentiel négatif détermine, dans une plage étroite de fréquences opératoires,
la fréquence de fonctionnement effectif de l'oscillateur correspondant, est caractérisé par le fait qu'il comprend,
d'une part, un ensemble de moyens pour réaliser - par battement, dans un mélangeur d'émission, dudit premier signal débité par l'oscillateur principal et dudit deuxième signal débité par l'oscillateur local, de manière à obtenir un cinquième signal à la fréquence intermédiaire d'émission, et par comparaison de phase entre ce cinquième signal et un sixième signal de référence débité par un oscillateur de référence stable - l'accrochage de la phase dudit cinquième signal à la fréquence intermédiaire d'émission sur celle dudit sixième signal de référence,
en appliquant sur l'élément de commande de l'oscillateur local une tension de contrôle qui est fonction de la différence entre les phases dudit cin quième signal et dudit sixième signal et qui modifie le potentiel de cet élément pour annuler cette différence de phase, et
d'autre part, un ensemble pour assurer - par une détection-le synchronisme entre ledit cinquième signal à la fréquence intermédiaire d'émission et ledit quatrième signal à la fréquence intermédiaire de réception, la ten sion produite par ladite détection, qui porte sur le terme imaginaire pur dudit quatrième signal et donc dudit troisième signal, étant appliquée sur l'élément de commande de l'os- cillateur principal pour en modifier le potentiel afin d'assurer ledit synchronisme.
L'invention trouve plus particulièrement application dans les spectromètres de réso- nance paramagnétique électronique.
Et elle pourra, de toute façon, être bien comprise à l'aide du complément de description qui suit, ainsi que du dessin ci-annexe, lesquels complément et dessin sont, bien entendu, donnés surtout à titre d'indication.
La figure unique, de ce dessin, illustre, sous la forme de blocs fonctionnels, un mode de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif, d'un emetteur-recepteur doté des perfectionnements selon l'invention et destiné à des mesures de résonance paramagntique élec- tronique.
Le dispositif décrit réalise un émetteur- récepteur à klystrons-reflex avec régulation de fréquence et de phase.
Soit un émetteur-récepteur superhétérodyne à deux klystrons-reflex 1 et 2, savoir
- un klystron principal 1, dont la cavité la débite un premier signal sl à la fréquence principale de travail Fp, par exemple (comme représenté) à travers un isolateur à ferrite 3, un atténuateur variable 4 et un circulateur à ferrite 5, sur l'unité d'utilisation 6 (qui peut être constituée par une cavité de mesure 7 de résonance paramagnétique électro- nique renfermant dans ce cas - entre les deux pôles d'un éleetro-aimant 8 qui crée un champ magnétique uniforme H d'intensité H - un échan- tillon d'une substance paramagnétique comportant des électrons non pairés),
et
- un klystron local 2 dont la cavité 2a de-- bite un deuxième signal s2 à la fréquence locale dthétérodyne F1, par exemple (comme représenté) à travers un isolateur à ferrite 9, un atténuateur fixe 10 et un déphaseur 11, sur le mélangeur de réception 12 (qui peut etre un mélangeur préamplificateur), qui reçoit également un troisième signal s3 constitué par l'onde réfléchie par ladite unité d'utilisation 6 et débite un quatrième signal s4 à la fréquence intermédiaire de réception Fr, chacun de ces klystrons-reflex 1,2 comportant un réflecteur ou électrode réflectrice, respectivement 13 pour le klystron 1, et 14 pour le klystron 2,
dont le potentiel négatif (qui repousse plus ou mois les électrons envoyés par un canon à électrons et modulé en vitesse par la cavité la, 2a du klystron) détermine, dans une plage étroite de fréquences opératoires, la fréquence de fonctionnement effectif du klystron correspondant, etest-à-dire respectivement la fréquence Fp du signal sl du klystron 1 et la fréquence F1 du signal s2 du klystron 2.
On sait que les klystrons ne présentent pas une stabilité parfaite en fréquence et en phase et c'est pourquoi on est obligé, dans la plupart de leurs applications (notamment pour les mesures de résonance paramagnétique électroni- que), de stabiliser, dans un émetteur-récep- teur, tant la fréquence du signal émis par le klystron principal que la fréquence intermédiaire d'émission résultant d'un battement entre la fréquence principale de travail et la fréquence locale.
A cet effet, on prévoit
- d'une part un ensemble de moyens 15, connu en lui-meme pour réaliser-par battement, dans un mélangeur d'émission 16, d'une fraction dudit premier signal sl, débité par le klystron principal 1 et dérivé par un coupleur directif 17 sur lequel est également branchée une charge 17a, et d'une fraction dudit deuxième signal s2, débité par le klystron local 2 et préleve par un T magique 18 sur lequel est également branchée une charge 18a, de manière à obtenir un cinquième signal s5, à la fréquence intermédiaire d'émission Fe, qui, après amplification dans un amplificateur 19, est comparé, au point de vue de la phase, dans un discriminateur de phase 20,
avec un sixième signal s6 débité par un oscillateur de réfé rence stable 21, tel qu'un oscillateur à quartz-l'accrochage de la phase dudit cin quième signal s5 sur celle dudit sixième signal s6 de l'oscillateur de référence 21 en appliquant sur le réflecteur 14 du klystron local 2 une tension de contrôle tl qui est fonction de la différence entre les phases dudit cinquième signal s5 et dudit sixième signal s6 et qui modifie le potentiel de ce réflecteur 14 pour annuler cette différence de phase, et
d'autre part, un ensemble 22 pour assurer, par détection synchrone, dans des détecteurs synchrones 23 et 24, le synchronisme entre ledit cinquième signal s,
(après amplification dans l'amplificateur 19), à la fréquence in termédiaire d'émission Fe, et ledit quatrième signal s4 (après amplification dans un amplificateur 25) à la fréquence intermédiaire de réception Fr, la tension t2 produite par la détection synchrone dans le détecteur synchrone 24, qui porte sur le terme imaginaire pur du signal s4 et donc du signal s3 (le déphaseur 26 déphasant le signal s de + Étant appliquée sur le réflecteur 3 du klystron principal 1 pour en modifier le potentiel afin d'assurer ledit synchronisme, tandis que la tension t3 produite par la détection synchrone dans le détecteur synchrone 23, qui porte sur le terme réel du signal s4 et donc du signal s3, constitue un signal de mesure,
représentant en particulier l'absorption dudit premier signal sl par la cavité de mesure 7.
Le fonctionnement du dispositif selon la figure unique est le suivant:
Le klystron principal 1 envoie un signal ou onde sl, émis par sa cavité la à la fréquence principale de travail Fp, sur la cavité de mesure 7, à travers l'isolateur 3 qui empêche le retour de toute onde vers la cavité la du klystron 1, l'atténuateur 4 permettant de régler le niveau de l'onde arrivant dans la cavité de mesure 7 et le circulateur 5 permettant, comme représenté par les flèches, à l'onde sl atténuée par l'atténuateur 4, d'arriver dans la cavité 7 et dirigeant l'onde éventuelle réfléchie par la cavité, et constituant le signal S3, vers le mélangeur-préamplificateur 12.
Dans le cas d'une mesure de résonance paramagnétique électronique, l'échantillon paramagnétique de la cavité 7 présente une fréquence de résonance f donnée par la formule f = g # b # H, dans laquelle g est le facteur de Landé pour l'électron, b est la valeur du magneton de Bohr, h est la constante de
Planck et H (comme indiqué précélemment) l'in tensité du champ magnétique H appliquée à la cavite 7.
Si la fréquence Fp envoyée par le klystron 1 sur la cavité 7 est égale à f fréquence de résonance de cette cavité, l'onde ou signal s1 est complètement absorbé et il n'y a pas de réflexion depuis la cavité 7 vers le mélangeur-préamplificateur 12 à travers le circulateur 5; par conséquent, le signal s3 est nul. Par contre, lorsque Fp est différent de f, l'intensité du signal s3 (l'intensité de l'onde réfléchie par la cavité 7) est proportionnelle à la pente de la courbe d'absorption de la cavité 7.
Le klystron local 2 est essentiellement destiné à réaliser le changement de fréquence dans le mélangeur-préamplifieateur 12 et il envoie par conséquent une partie de l'onde ou signal s2 émis par sa cavité 2a vers cette unité 12 à travers l'isolateur 9 empêchant toute onde de revenir à la cavité 2a, le T magique 18, l'atténuateur 10 servant à régler le niveau et le déphaseur 11 permettant de régler la phase de manière que le signal s2, qui est finalement appliqué sur le mélangeuramplificateur 12, ait la phase correcte par rapport au signal ou onde S3. Ce mélangeuramplificateur 12 débite un signal s4 à la fréquence intermédiaire de réception Fr qui est amplifiée par l'amplificateur 25.
Une faible fraction du signal s2 est envoyée vers l'autre branche de sortie du T magique 18, pour atteindre un mélangeur 16 qui reçoit également une partie de l'onde ou signal sl délivré par le klystron principal 1 et dérivé par le coupleur directif 17, par exemple de 20 décibels. Le battement de fréquence Fp de s1 et et de F1 de s2 dans le mélangeur 16 donne le signal s5 à la fréquence intermédiaire d'émission Fe = Fp - Fl. Le signal s5 est amplifié dans l'amplificateur 19, avant d'etre appliqué au discriminateur de phase 20 qui re çoit en référence le signal ou onde s6 délivré par l'oscillateur à quartz 21. Par exemple, la frequence de cet oscillateur (et, par conséquent, la fréquence intermédiaire d'e-mis- sion) est de 30 MHz.
La tension continue qui est une fonction croissante de la diffe rence de phase entre les signaux s6 et s5, est envoyée sur le réflecteur 14 du klystron local 2 pour agir sur celui-ci afin d'obliger la phase de la moyenne frequence du signal s5 à demeurer calée sur la phase de l'onde délivrée par l'oscillateur à quartz 21. On peut ainsi obtenir une synchronisation de phase avec une erreur inférieure à deux degrés.
On réalise donc, par l'ensemble 15, un asservissement en phase du klystron local 2 par rapport à l'oscillateur à quartz 21.
Sur la sortie de l'amplificateur 19, on prélève une fraction du signal sg amplifié, pour réaliser, dans l'unité 22, une détection synchrone du signal s4 amplifié dans l'amplificateur 25. A ce sujet, on remarquera que le cristal ou élément non linéaire du mélangeuramplificateur 12 est polarisé par l'onde ajustée par l'atténuateur 10 et le déphaseur 11, et c'est le signal de battement s4, sortant du mélangeur-préamplificateur 12 et amplifié dans l'amplificateur 25, qui est soumis à une double détection synchrone dans les détecteurs synchrones 23 et 24, la référence pour ces deux détecteurs étant constituée, comme indiqué précédemment, par le signal s5 amplifié dans l'amplificateur 19.
Le détec- teur 23 reçoit le signal sg non déphasé, tandis que la détecteur 24 reçoit ce signal déphasé de # #/2.
L'onde s3 réfléchie par la cavité de mesure 7, lorsque F0 est diffe-rent de f, pre-sente une composante réelle et une composante imaginaire pure. Lorsque l'on prend comme phase de réfé- rence la phase de la composante réelle, c'està-dire le signal s5 non déphasé, la détection synchrone dans le détecteur 23 n'est sensible qu'aux composantes réelles réfléchies par la cavité 7 et délivrées par le mélangeur-préamplificateur 12, le déphaseur 11 ajustant justement la phase de s2 à cet effet.
Par contre, dans le détecteur 24, la référenc rence est constituée par une onde déphasée de # #/2 par rapport à s5 et la détection synchrone n'est sensible qu'au terme imaginaire pur de s4 et, par conséquent, de s3. Or, ce dernier terme correspond au glissement des fréquences d'accord de la cavité 7 par rapport au klystron principal 1, c'est-à-dire au glis- sement de fréquence entre Fp et f. La tension t2, débitée par le détecteur synchrone 24, est donc fonction du glissement de fréquence et elle agit sur le réflecteur 13 du klystron principal 1 pour corriger ce glissement de fréquence. On réalise ainsi l'asservissement en fréquence du klystron principal 1 sur la fréquence de résonance de la cavité 7.
Quant à la composante réelle de s3 et de s4, elle représente l'absorption de l'onde sl dans la cavité 7. De ce fait, la tension de sortie t3 du détecteur synchrone 23 est représenta tive du signal d'absorption X" pour l'e-chan- tillon paramagnétique de la cavité 7 soumis au champ magnétique d'intensité H.
On voit donc que l'enregistrement de t3 permet l'étude de l'absorption et que, par conséquent, l'en- semble de la figure unique peut fonctionner en spectromètre de résonance paramagnétique élec- tronique avec enregistrement automatique, le klystron principal 1 étant asservi en fréquence sur la résonance de la cavité 7, tandis que le klystron local 2. est asservi, d'une part, en fréquence par rapport au klystron principal 1 et, d'autre part, en phase par rapport au quartz de 1'oscillateur de réfé rence 21, l'erreur de fréquence entre les deux klystrons 1 et 2 ne dépassant pas 0,005 Hz.
On établit ainsi un dispositif de régulation pour émetteurs-récepteurs superhétérodynes à klystrons-reflex, qui présente, par rapport aux dispositifs de régulation antérieurs du genre en question, de nombreux avantages, notamment les suivants:
Tout d'abord, il permet de réaliser des mesures précises et automatiques, notamment de résonance paramagnétique électronique.
I1 garantit un excellent asservissement en fréquence du klystron principal sur la réso nance de la cavité ou autre unité de mesure.
I1 réalise l'asservissement en fréquence du klystron local par rapport au klystron principal.
Il réalise enfin un asservissement en phase du battement de moyenne fréquence par rapport à un oscillateur de référence.
Avec un seul cristal, et donc une seule fréquence HF (à 30 MHz), il permet d'asservir les deux klystrons et la MF et d'effectuer une détection superhétérodyne dans un détee- teur de phase.
Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application, non plus qu'à ceux des modes de réalisation, de ses diverses parties, ayantt été plus spécialement envisagés; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes.
Notamment, on peut utiliser, à la place des klystrons, d'autres oscillateurs hyperfréquence possédant un élément de commande élec- tronique, notamment des carcinotrons et des tubes à ondes progressives du type TPO. Par ailleurs, la détection du signal MF pourrait etre d'un type autre que synchrone.