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Perfectionnements apoortés à la stabilisation de la fréquence d'oscillations en micro-ondes.
La présente invention concerne de façon générale la stabilisation de fréquence d'oscillations en micro-ondes.
Conformément à l'invention, on utilise, pour stabiliser les fréquences micro-ondulatoires, le pouvoir sélectif du spectre d'absorption des ultra-hautes fréquences de certains gaz ayant la propriété d'absorber les micro-ondes.
On a déjà proposé et utilisé de nombreux orocédés et systèmes pour stabiliser la fréquence des générateurs de micro-ondes, soit en stabilisant les potentiels de service ou la charge, soit en employant des systèmes de régulation de selfs.
Si les cristaux piézo-électriques sont de bons éléments de régu- lation de la fréquence aux radio-fréquences basses et moyennes,
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ils ne peuvent toutefois s'adanter facilement avion
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des ultra-hautes fréquences. Il est essentiel, bour stabiliser convenablement les ultra-hautes fréquences, de stabiliser la fréquence produite au moyen d'un phénomène de fréquence pratique- ment invariable ou au moyen d'un apoareil fonctionnant dans le même soectre d'ultra-hautes fréquences, de manière générale.
Les spectres d'absorption des micro-ondes de certains gaz tels que le gaz ammoniac, les acides sulfocarboniques et les haloldes de méthyle, peuvent être résonnants ou non. L'absorotion non-résonnante à une fréquence de micro-onde fixe augmente avec le carré de la Dression du gaz, et devient donc négligeable quand la Dression décroît.
Tous les gaz ayant la caractéristique d'absorption réson- nante des micro-ondes présentent plusieurs bandes ou spectres d'absorotion résonnante des micro-ondes, avec une répartition distinctive et différente des fréquences pour chaque gaz. La fréquence de chacune de ces bandes ou spectres d'absorption résonnante a une valeur fixe indéoendante de la température, de la pression et des caractéristiques physiques et dimensions de la chambre gaz. Le seul procédé connu pour faire varier la fréquence de ces bandes ou spectres consiste en l'application d'un champ magnétique ou électrostatique continu relativement intense.
Aussi se propose-t-on, suivant l'invention, d'utiliser la stabilité de fréquence proore à ces bandes spectrales pour stabiliser la fréquence d'un générateur micro-ondes. L'expres- sion "résonance moléculaire" utilisée ici désigne les caractéris- tiques ou propriétés d'un ensemble de molécules de gaz qui don- nent lieu l'absorption sélective de micro-ondes électromagné- tiques d'une ou de fréquences déterminées.
L'absorotion résonnante sur une des fréquences d'absorption résonnante de micro-ondes d'un gaz absorbant particulier reste constante quand la pression de gaz diminue, pourvu que les observerions soient crises exactement sur la fréquence centrale
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de la bande d'absorption. L'absorption résonnante se trouve dans l'acide sulfocarbonique et le gaz ammoniac, tandis que l'absorotion non-résonnante se trouve dans les haloïdes mé- thyliques. Des matières telles que l'éthylamine ou la méthyla- mine présentent en même temps les caractéristiques d'absorotion résonnante et non résonnante et les deux types d'ebsorption peuvent être distingués en particulier par leur dépendance de la pression.
Pour l'acide sulfocarbonique, par exemple, l'absorption dans une bande de résonance de micro-ondes peut être exprimée par:
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où o est le moment de dipôle du gaz, Vo est une des fréquen- ces d'absorotion résonnante, J est le quantum, h est la constan- te de Planck, C est la vitesse de la lumière, I est le moment d'inertie, k est la constante de Boltzmann, T est la température absolue, N est le nombre de molécules Par centimètre cube et ¯ v est la largeur de la bande d'absorption à mi-valeur d'ab- sorotion, en cycles bar seconde. N varie linéairement avec la pression et il en est de même de ¯ v, pour autant qu'à de très faibles pressions de gaz il n'y ait pas d'autres facteurs qui interviennent dans l'équation pour le calcul de la largeur de bande, que les collisions entre les molécules de gaz.
L'absorp- tion de tels gaz aux fréquences de micro-ondes portée en fonction de la pression monte très ranidement avec la pression aux fai- bles valeurs et devient ensuite asymototique à une certaine va- leur limite quand la oression augmente encore. Une augmentation de pression du gaz a comme effet sur l'absorotion résonnante d'augmenter: la bande de fréquence du spectre d'absorotion du gaz sans varier l'amplitude à la fréquence centrale.
La présente invention utilise le soectre d'absorption de fréquence extrêmement étroit aux pressions réduites, de certains gaz absorbant les micro-ondes, pour stabiliser la fréquence d'un
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générateur de micro-ondes tel que, par exemple, un klystron ou un magnétron à micro-ondes. A une pression de 10-2 à 10-3 mm. de mercure, le Q réel (rapport de la fréquence de bande à la largeur de bande) d'une bande spectrale de tels gaz est de l'ordre de 50.000 100.000, indépendamment du gaz à absorption résonnante particulier utilisé.
Dans une forme d'exécution de la présente invention, on utilise, pour stabiliser la fréquence, la caractéristique pro- bre à un klystron générateu de micro-ondes dont la fréquence est en partie réglée par la tension appliquée à l'électrode ré- flectrice. Dans un tel système, la propriété d'absorotion de micro-ondes sélective suivant la fréquence, dans une chambre à gaz, est utilisée pour commander une tension de réglage de fré- quence appliquée l'électrode réflectrice du klystron de ma- nière à maintenir la tension du réflecteur à une valeur cons- tante et à stabiliser ainsi la fréquence oroduite.
Les variations dans l'absorption résonnante des micro-ondes par les gaz sont détectées et comparées aux signaux produits de sorte que la tension de commande résultante règle le signal de fréquence produit de manière anti-réactive.
Dans une seconde forme d'exécution de l'invention, le fait que la fréquence d'un générateur magnétron peut être réglée par un faisceau électronique auxiliaire dirigé à travers une des cavités résonnantes du magnétron, est mis à profit. Dans cette dernière forme d'exécution de l'invention, la propriété d'absorotion de micro-ondes sélective suivant la fréquence dans une chambre gaz absorbant les micro-ondes, est utilisée pour commander l'intensité du faisceau électronique auxiliaire de ré- glage de fréquence dans une ou plusieurs cavités résonnantes du magnétron et donc pour stabiliser la fréquence de travail du magnétron.
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L'invention a pour but de créer des procédés et des dis- positifs pour stabiliser les fréquences des micro-ondes.
L'invention sera bien comprise en se référant au dessin annexé dans lequel:
La figure 1 est une représentation schématique d'une première forme d'exécution appliquée au réglage de la fréquence d'un klystron ou générateur de micro-ondes du type reflex.
La figure 2 est une représentation schématique d'une se- conde forme d'exécution de l'invention appliquée au réglage de la fréquence d'un générateur de micro-ondes du type magnétron.
La figure 3 est un graphique montrant la relation existant entre la fréquence de micro-onde et l'absorotion d'énergie micro ondulatoire dans un gaz pouvant absorber les micro-ondes.
La figure 4 est un graphique montrant la relation exis- tant entre la pression et l'absorotion des micro-ondes dans un tel gaz, et
La figure 5 est un schéma partiel des circuits d'une va- riante des schémas des figures 1 et 2.
Les éléments semblables portent, dans toutes les figures du dessin, les mêmes références.
Une première forme d'exécution de l'invention, servant à stabiliser la fréquence d'un klystron ou générateur de micro- ondes du type reflex, est représentée à la figure 1 du dessin.
Le générateur de micro-ondes 1 comprend une cathode 3, une grille de commande 5, un résonateur à cavité rentrante à ou- verture centrale 7 et une électrode réflectrice 9. Le résonateur à cavité 7 est polarisé positivement par rapport à la cathode 3, et un potentiel de polarisation pour le réglage de l'intensité du faisceau est appliqué à l'électrode de commande 5. L'électrod' réflectrice 9 est polarisée négativement par rapport au résona- teur à cavité 7 au moyen d'une batterie 11 reliée à l'électrode )réflectrice 9 par l'intermédiaire d'une résistance 13. Les tubes
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klystrons courants contiennent un élément d'accord 15 pour accorder la cavité résonnante 7.
Une bouele de couplage de sortie 17 bénétrant à l'intérieur de la cavité résonnante 7 couple l'é- nergie micro-ondulatoire produite par le klystron à un guide d'onde 21 par l'intermédiaire d'une ligne coaxiale 19.
Une oartie du guide d'onde 21, isolée au moyen de fenêtres étanches aux gaz mais perméables aux micro-ondes 23, 25, forme une chambre à gaz 27 remplie d'un gaz pouvant absorber les micro-ondes, tel que le gaz ammoniac. Cette chambre à gaz ne ré- sonne oas sur la fréquence de micro-ondes de travail du généra- teur. Un premier détecteur à cristal 29 est placé à l'intérieur d'une troisième partie 31 du guide d'onde, et répond à l'éner- gie micro-ondulatoire transmise à travers la chambre à gaz 27.
Le détecteur 29 sera pratiquement adapté à l'imoédance caracté- ristique du système guide d'onde et est connecté au circuit d'entrée d'un amplificateur continu 33, dont le circuit de sor- tie est connecté à la résistance 13.
Le guide d'onde 21 est aussi couplé, par l'intermédiaire d'une paire d'ouvertures 35,37 distantes entre elles d'un quart de longueur d'onde à la fréquence de travail, à un guide d'onde directionnel de couolage 39 qui peut, par exemple, être d'un tyoe classique connu. Un élément d'extrémité adapté 41, tel qu'un coin diélectrique libre est placé à l'intérieur de l'extrémité, côté générateur, du guide d'onde directionnel de couolage 39.
Un second détecteur de micro-ondes 43 est olacé à l'intérieur du guide d'onde directionnel de couolage, à l'autre extrémité, et est connecté au circuit d'entrée d'un second amplificateur continu 45. Si on le désire, on oeut intercaler un coin diélec- triaue atténuateur 47, entre l'ouverture de couolage 37 et le second détecteur de micro-ondes 43, afin d'empêcher que des ré- flexions d'ondes, venant du détecteur, n'entrent dans le guide d'onde 21. La sortie du second amplificateur 45 est connectée à
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l'extrémité restante de la résistance 31 et à l'électrode ré- flectrice 9 du générateur klystron 1.
Un circuit de charge, non reorésenté, peut être couplé au générateur de manière classique, oourvu que les variations d'énergie dans le circuit de charge ne dérèglent oas l'équilibre du circuit détecteur.
Au point de vue fonctionnement, les signaux de micro-ondes détectés, dérivés des détecteurs à cristal, sont équilibrés en réglant le couolage des micro-ondes aux détecteurs ou en ajustant le gain des amplificateurs des détecteurs respectifs, quand le générateur de micro-ondes 1 est accordé sur une fréquence de tra- vail voisine de la fréquence centrale d'absorption résonnante du gaz absorbant les micro-ondes se trouvant dans la chambre à gaz 27. Les pertes en micro-ondes dans le gaz varient raoidement avec la fréquence, dans la région d'absorotion maximum de micro- ondes par le gaz, de sorte que la sortie différentielle des amplificateurs de détecteurs 33, 45 varie rapidement en fonction de la fréquence de micro-ondes de travail.
La tension différen- tielle de sortie ainsi appliquée à l'électrode réflectrice 9 du générateur klystron est utilisée pour stabiliser la tension du réflecteur et, par conséquent, la fréquence du générateur.
L'on sait que la fréquence de travail d'un générateur klystron est principalement définie par la tension aooliouée à l'électro- de réflectrice qui détermine les temns de passage des électrons dans le tube.
Il faut remarauer que les amplificateurs 33,45 ne sont pas essentiels au fonctionnement du système, mais ils permettent un réglage de circuit olus souole et une commande de fréquence plus sensible, parce que le gain des circuits de commande défi- nit la précision avec laquelle la tension du réflecteur varie en fonction de la fréquence. Il est clair que la fréquence de tra- vail du générateur klystron doit être réglée de façonce qu'elle corresponde une fréquence légèrement inférieure ou légèrement
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supérieure àla fréquence d'absorption maximum de micro-ondes oar Ip car. absorbant les micro-ondes, suivant les polarités re- latives des détecteurs de micro-ondes 29 et 43.
Cette condition est essentielle pour que le circuit de commande de la fréquence du système -fonctionne dans le bon sens de façon à régler la tension du réflecteur différentiellement, en fonction des variations de fréquence du générateur de micro-ondes. Une bande de résonance d'absorption de micro-ondes oar le gaz est représentée, 3 titre d'exemple, à la figure 3. L'absorption des micro-ondes par le gaz est portée en fonction de la fréquence des signaux de micro-ondes envoyés sur un gaz absorbant les micro-ondes. De tels gaz ont plusieurs fréquences de résonance d'absorotion des micro-ondes, comme il a été dit ci-dessus, et l'on peut choisir, pour la commande, une quelconque des bandes d'absorption résonnante.
L'étendue de commande de fréouence du dispositif est représentée par la partie du graohique 49 comprise entre les points 51 et 53 de la pente, côté basse fréquence, de la courbe de résonance.
Il faut remarquer qu'en travaillant d'un côté de la courbe de résonance, on règlera la tension du réflecteur en fonction de la fréquence de travail de manière anti-réactive, tandis qu'en tra- vaillant de l'autre côté de la courbe de résonance micro-ondula- toire, on fera varier la tension en fonction de la fréquence, de manière réactive. Une telle variation réactive de la tension du réflecteur ne stabilisera pas la fréquence dans le système con- sidéré.
La figure 2 représente une seconde forme d'exécution de l'invention servant à stabiliser la fréquence produite par un générateur de micro-ondes 61 du type magnétron \ cavités multi- bles. Ces magnétrons sont bien connus et comprennent une cathode centrale 63 entourée par olusieurs résonateurs à cavité disposés radialement, chacun d'eux étant représenté schématiquement par les selfs 85 et les condensateurs 67. Un champ magnétique continu
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très Intense est apoliqué au magnétron suivant une direction per- pendiculaire au plan du dessin.
L'on sait que la fréquence de travail de tels magnétrons générateurs de micro-ondes Deut être variée au moyen d'un dispositif à faisceau électronique auxi- liaire couplé à un ou plusieurs résonateurs à cavité, par lequel le faisceau électronique projeté à travers le ou les résonateurs réagit sur l'accord du résonateur. Un tel dispositif à faisceau modulant auxiliaire 70 est représenté schématiquement par une cathode auxiliaire 69, une grille de commande 71 et une anode 73 placées à l'intérieur d'un des résonateurs à cavité du magnétron.
L'anode et la cathode du dispositif à faisceau auxiliaire ont des potentiels de travail servant à projeter le faisceau de micro- ondes avec l'intensité voulue à travers le résonateur à cavité.
Les tensions ou signaux de commande appliques à la grille de commande 71 du dispositif à faisceau auxiliaire 70 varient l'intensité du faisceau électronique de commande, variant donc la réaction du faisceau sur le résonateur cavité du magnétron qu'il traverse et variant, par conséquent, la fréquence micro- ondulatoire de travail du générateur.
Une boucle de sortie de couplage 75, couplée dans un des résonateurs à cavité du magnétron 61, est reliée oar l'intermé- diaire d'une ligne coaxiale 19 et couplée à un guide d'onde de transmission 77 se terminant sur une charge 79. Une paire d'ou- vertures 81,83 distantes entre elles d'un quart de longueur d'onde la fréquence de travail, couple le guide d'onde de transmission 77 à un uremier guide d'onde directionnel de cou- plage 85, dont l'extrémité côté générateur est terminée par un élément de terminaison 87 en forme de coin, semblable au dispo- sitif 41 dans le circuit de la figure 1.
Le guide d'onde direc- tionnel de couplage 85 comprend une paire de fenêtres 91, 93 étanches au gaz mais perméables aux micro-ondes fornant une char@@@ gaz 95 contenant le gaz absorbant les micro-ondes, et
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est terminé Dar un premier détecteur de micro-ondes 97 coublé su circuit d'entrée d'un crémier amplificateur alternatif 99.
Le premier guide d'onde directionnel de couplage 85 est aussi couplé, par une seconde paire d'ouvertures de couplage 101, 103, distantes entre elles d'un quart de longueur d'onde à la fréquen- ce micro-ondulatoire de service, à un second guide d'onde de couplage directionnel 105, dont l'extrémité côte générateur est terminée par un second coin diélectrique adapté en terminaison 107. L'autre bout du second guide d'onde de couplage direction- nel 105 est terminé par un second détecteur de micro-ondes 109 relié à l'entrée d'un second amplificateur alternatif 111.
Les circuits de sortie des amplificateurs 99 et 111 sont reliés à un circuit de sortie équilibré comorenant, bar exem- ble l'enroulement primaire 113 d'un transformateur de sortie 115. La prise médiane 117 de l'enroulement brimaire 113 du transformateur de sortie est mise directement à la terre. L'en- roulement secondaire 119 du transformateur de sortie est couplé à l'entrée d'un modulateur équilibre 121. Les signaux de comman- de dérivés du modulateur équilibré 121 sont applioués à la grille de commande 71 du dispositif à faisceau de modulation auxiliaire du magnétron.
Afin de pouvoir manipuler le modulateur équilibré à une fréquence de modulation basse, on connectera un système de modu- lation classique quelconque, par exemple, eu crémier guide d'onde de couplage directionnel 85, afin de moduler simultanément les signaux de micro-ondes couplés dans la chambreà gaz 95 et dans le second guide d'onde de couplage directionnel 105. Par exem- ple, on peut coupler un modulateur mécanique tel qu'un disposi- tif rotatif excentrique 123, entraîne par un moteur 125, à l'in- térieur du guide d'onde de couplage directionnel 85, à travers
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une fenêtre 135, dans le but de varier l'atténuation dans le guide- 1 lon(le w 'autres caractéristiques de transmission des micro-
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ondes de celui-ci.
Il faut remarquer que tout dispositif modula- teur mécanique ou électrique connu peut être utilisé pour modu- ler à une telle basse fréquence les signaux de micro-ondes cou- oies dans la chambre à gaz et dans le second guide d'onde direc- tionnel. Le moteur 125 entraîne aussi, en synchronisme, un géné- rateur de manipulation a basse fréquence qui est connecte de telle manière au modulateur équilibré 121, que la sortie du gé- nérateur de manipulation est appliquée en phase aux deux tubes du modulateur équilibré. En se reportant àla figure 2, il faut remarquer eue la flèche partant du générateur 127 et celle car- tant du modulateur 121 désignent des bornes reliées entre elles, le retour se faisant car les connexions de terre.
Ainsi le mo- dulateur équilibré est bien manioulé à la fréquence de modula- tion de 30 cycles, afin de donner des signaux de commande de fréquence qui sont fonction de la différence entre les amplitu- des des signaux de sortie des amplificateurs de détecteurs 99,
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111, et d,3xx3ct9iDU3 les signaux de commandeyvarient dans le sens voulu suivant les variations de la fréquence de sortie du magné- tron.
Au point de vue fonctionnement, les signaux de sortie provenant des détecteurs de micro-ondes 97 et 109 sont équili- brés quand la fréquence des micro-ondes de travail est locali- sée dans la partie désirée de la courbe d'absorption des micro- ondes par les gaz, comme Indicué à la figure 3. Quand la fréquen- ce est stabilisée à la valeur voulue, le signal détecté par le modulateur équilibré a une amplitude pratiquement nulle. Mais une légère variation de la fréquence de travail déséquilibrera le circuit du modulateur équilibré, et produira des signaux de commande qui sont appliqués, de manière anti-réactive, à la com- mande d'intensité du faisceau de modulation auxiliaire projeté à travers le résonateur à cavité du magnétron.
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Il faut remarquer Que l'absorption des micro-ondes, dans la chambre à gaz à une des résonances du gaz absorbant les micro-ondes Darticulier utilisé, est une fonction de la pression du gaz, comme le montre le graphique 123 de la figure 4. La plus grande sensibilité et la meilleure sélectivité de commande de fréquence sont obtenues avec des Dressions de gaz de l'ordre de 10-3 mm de mercure.
La figure 5 représente une variante pour les circuits de détection équilibrés des figures 1 et 2, pouvant être utilisée pour obtenir une sortie de détection différentielle, sans néces- sité d'un circuit de couplage de sortie de détection équilibrée.
Dans cette variante de l'invention,, les détecteurs de micro-ondes 29 et 43 sont réunis avec polarités opposées de sorte que leurs tensions de sortie se soustraient réellement, et une tension différentielle, aux bornes de la résistance 13, est appliquée au dispositif de commande de la fréquence du générateur, tel que l'électrode réflectrice 9 dans le circuit de la figure 1. Une disposition semblable peut être prévue pour le circuit de la figure 2, ce qui supprime la nécessité du transformateur équi- libré de sortie 115 couplant les amplificateurs des détecteurs 99,111 au modulateur équilibré 121.
Au point de vue fonctionnement des détecteurs de micro-ondes 29 et 43, si les signaux détectés sont égaux, il n'y a pas de chute de tension aux bornes de la résistance 13. Si le signal provenant du détecteur 43 est supérieurà celui venant du détec- teur 29, le signal de commande résultant devient plus négatif, et la fréquence du klystron augmente oour compenser la chute de fréquence qui a provoqué une plus forte absorption d'énergie par le gaz et une diminution de la sortie du détecteur 29.
Il est évident que le même dispositif général oeut être employé pour stabiliser la fréquence de n'importe quel autre tyoe de générateur de micro-ondes, dont la fréquence peut être
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réglée en appliquant un potentiel de commande. De même, si l'on a décrit ici la transmission par guide d'onde et les éléments de couplage, les lignes coaxiales au autres circuits de coupla- ge de micro-ondes ne sortent pas du cadre de l'invention, et les détecteurs de micro-ondes à cristaux représentés au dessin peuvent être remplacés par tout type courant de détecteur de micro-ondes.
L'invention consiste en de nouveaux procédés et disoosi- tifs pour stabiliser la fréquence de générateurs de micro-ondes en fonction de l'énergie micro-ondulatoire absorbée par un gaz à absorption résonnante de micro-ondes, de sorte que la fré- quence de travail du générateur de micro-ondes est une fonction du spectre d'absorption résonnante des micro-ondes du gaz déter- miné employé. Divers types de circuits et de dispositifs de commande sont décrits, et la sensibilité du système de commande peut être déterminée par le gain de système ou par la pression du gaz absorbant les micro-ondes.
REVENDICATIONS
1) Procédé d'utilisation des caractéristiques d'absorotion résonnante d'un gaz ayant la orooriété d'absorber les micro- ondes, pour stabiliser la fréquence d'une source ou générateur de signaux à micro-ondes, caractérisé en ce qu'on excite ce gaz de manière à y provoquer l'absorotion des micro-ondes par résonai ce moléculaire et on stabilise la fréquence du générateur à la suite de l'absorption de micro-ondes par le gaz.
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Improvements to stabilize the frequency of microwave oscillations.
The present invention relates generally to the stabilization of the frequency of microwave oscillations.
In accordance with the invention, the selective power of the ultra-high frequency absorption spectrum of certain gases having the property of absorbing microwaves is used to stabilize the microwave frequencies.
Numerous methods and systems have already been proposed and used for stabilizing the frequency of microwave generators, either by stabilizing the service potentials or the load, or by employing self-regulating systems.
If piezoelectric crystals are good frequency regulators at low and medium radio frequencies,
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however, they cannot easily meet on a plane
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ultra-high frequencies. It is essential, in order to properly stabilize the ultra-high frequencies, to stabilize the frequency produced by means of a practically invariable frequency phenomenon or by means of an apparatus operating in the same ultra-high frequency range, of In General.
The microwave absorption spectra of certain gases, such as ammonia gas, sulfocarbonic acids and methyl halides, may or may not be resonant. The non-resonant absorption at a fixed microwave frequency increases with the square of the Dression of the gas, and therefore becomes negligible as the Dression decreases.
All gases having the resonant microwave absorption characteristic exhibit several bands or spectra of resonant microwave absorption, with a distinctive and different frequency distribution for each gas. The frequency of each of these bands or resonant absorption spectra has a fixed value independent of the temperature, the pressure and the physical characteristics and dimensions of the gas chamber. The only known method for varying the frequency of these bands or spectra consists of the application of a relatively intense continuous magnetic or electrostatic field.
Thus, according to the invention, it is proposed to use the frequency stability proore to these spectral bands to stabilize the frequency of a microwave generator. The term "molecular resonance" as used herein denotes the characteristics or properties of a set of gas molecules which give rise to the selective absorption of electromagnetic microwaves of a given frequency or frequencies.
The resonant absorption on one of the microwave resonant absorption frequencies of a particular absorbent gas remains constant as the gas pressure decreases, provided that the observations are crises exactly on the center frequency.
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of the absorption band. Resonant absorption is found in sulfocarbonic acid and ammonia gas, while non-resonant absorption is found in methyl haloids. Materials such as ethylamine or methylamine simultaneously exhibit the characteristics of resonant and non-resonant absorption and the two types of absorption can be distinguished in particular by their dependence on pressure.
For sulfocarbonic acid, for example, absorption in a microwave resonance band can be expressed as:
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where o is the gas dipole moment, Vo is one of the resonant absorption frequencies, J is the quantum, h is the Planck constant, C is the speed of light, I is the moment of inertia, k is Boltzmann's constant, T is the absolute temperature, N is the number of molecules per cubic centimeter and ¯ v is the width of the absorption band at half the absorption value, in cycles bar seconds . N varies linearly with the pressure and so does ¯ v, provided that at very low gas pressures there are no other factors involved in the equation for the calculation of the width of band, that collisions between gas molecules.
The absorption of such gases at pressure-dependent microwave frequencies rises very sharply with the pressure at low values and then becomes asymototic to a certain limit value as the temperature increases further. An increase in gas pressure has the effect of increasing the resonant absorption: the frequency band of the gas absorption spectrum without varying the amplitude at the center frequency.
The present invention uses the extremely narrow frequency absorption pattern at reduced pressures, of certain microwave absorbing gases, to stabilize the frequency of a microwave.
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microwave generator such as, for example, a microwave klystron or magnetron. At a pressure of 10-2 to 10-3 mm. of mercury, the actual Q (ratio of band frequency to bandwidth) of a spectral band of such gases is on the order of 50,000 to 100,000, regardless of the particular resonant absorption gas used.
In one embodiment of the present invention, to stabilize the frequency, the characteristic characteristic of a microwave-generating klystron, the frequency of which is in part regulated by the voltage applied to the reflector electrode, is used. . In such a system, the property of frequency selective microwave absorption in a gas chamber is used to control a frequency setting voltage applied to the reflecting electrode of the klystron so as to maintain reflector voltage to a constant value and thus stabilize the oroduct frequency.
Changes in the resonant absorption of microwaves by gases are detected and compared to the signals produced so that the resulting control voltage adjusts the frequency signal produced anti-reactively.
In a second embodiment of the invention, the fact that the frequency of a magnetron generator can be adjusted by an auxiliary electron beam directed through one of the resonant cavities of the magnetron is taken advantage of. In this latter embodiment of the invention, the property of frequency selective microwave absorption in a microwave-absorbing gas chamber is used to control the intensity of the control auxiliary electron beam. frequency in one or more resonant cavities of the magnetron and therefore to stabilize the working frequency of the magnetron.
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The object of the invention is to provide methods and devices for stabilizing microwave frequencies.
The invention will be clearly understood by referring to the appended drawing in which:
FIG. 1 is a schematic representation of a first embodiment applied to the adjustment of the frequency of a klystron or microwave generator of the reflex type.
FIG. 2 is a schematic representation of a second embodiment of the invention applied to the adjustment of the frequency of a microwave generator of the magnetron type.
Fig. 3 is a graph showing the relationship between microwave frequency and absorption of microwave energy in a gas capable of absorbing microwaves.
Fig. 4 is a graph showing the relationship between pressure and microwave absorption in such gas, and
FIG. 5 is a partial circuit diagram of a variant of the diagrams of FIGS. 1 and 2.
Similar elements bear the same references in all the figures of the drawing.
A first embodiment of the invention, serving to stabilize the frequency of a klystron or microwave generator of the reflex type, is shown in Figure 1 of the drawing.
The microwave generator 1 comprises a cathode 3, a control grid 5, a reentrant cavity resonator with central opening 7 and a reflector electrode 9. The cavity resonator 7 is positively polarized with respect to the cathode 3, and a polarization potential for adjusting the intensity of the beam is applied to the control electrode 5. The reflective electrode 9 is negatively polarized with respect to the cavity resonator 7 by means of a connected battery 11. to the reflective electrode 9 via a resistor 13. The tubes
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Current klystrons contain a tuning element 15 to tune the cavity resonator 7.
An output coupling ball 17 beneath the cavity resonator 7 couples the micro-wave energy produced by the klystron to a waveguide 21 via a coaxial line 19.
A part of the waveguide 21, isolated by means of gas-tight windows but permeable to microwaves 23, 25, forms a gas chamber 27 filled with a gas capable of absorbing microwaves, such as ammonia gas. . This gas chamber does not resonate with the generator working microwave frequency. A first crystal detector 29 is placed inside a third part 31 of the waveguide, and responds to micro-wave energy transmitted through the gas chamber 27.
Detector 29 will be substantially matched to the characteristic imoedance of the waveguide system and is connected to the input circuit of a DC amplifier 33, the output circuit of which is connected to resistor 13.
The waveguide 21 is also coupled, via a pair of openings 35, 37 spaced apart from one another by a quarter wavelength at the working frequency, to a directional waveguide of couolage 39 which may, for example, be of a known classic type. A suitable end element 41, such as a free dielectric wedge is placed inside the end, on the generator side, of the directional coupling waveguide 39.
A second microwave detector 43 is located within the directional coupling waveguide at the other end and is connected to the input circuit of a second DC amplifier 45. If desired, a dielectric attenuating wedge 47 can be inserted between the coupling opening 37 and the second microwave detector 43, in order to prevent wave reflections coming from the detector entering the waveguide 21. The output of the second amplifier 45 is connected to
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the remaining end of resistor 31 and to the reflector electrode 9 of the klystron generator 1.
A load circuit, not shown, can be coupled to the generator in a conventional manner, provided that the variations in energy in the load circuit do not disturb the balance of the detector circuit.
Operationally, the detected microwave signals derived from the crystal detectors are balanced by adjusting the coupling of the microwaves to the detectors or by adjusting the gain of the amplifiers of the respective detectors, when the microwave generator 1 is tuned to a working frequency close to the central resonant absorption frequency of the gas absorbing the microwaves in the gas chamber 27. The microwave losses in the gas vary stiffly with the frequency, in the region of maximum microwave absorption by the gas, so that the differential output of the detector amplifiers 33, 45 varies rapidly depending on the working microwave frequency.
The differential output voltage thus applied to the reflector electrode 9 of the klystron generator is used to stabilize the voltage of the reflector and, therefore, the frequency of the generator.
It is known that the working frequency of a klystron generator is mainly defined by the voltage aooliouée at the reflector electrode which determines the transit times of the electrons in the tube.
It should be noted that the 33,45 amplifiers are not essential to the operation of the system, but they allow more sensitive circuit tuning and frequency control, because the gain of the control circuits defines the precision with which the voltage of the reflector varies according to the frequency. It is clear that the working frequency of the klystron generator should be set so that it corresponds to a slightly lower or slightly lower frequency.
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greater than the maximum microwave absorption frequency oar Ip car. absorbing microwaves, according to the relative polarities of the microwave detectors 29 and 43.
This condition is essential for the frequency control circuit of the system to operate in the correct direction so as to adjust the voltage of the reflector differentially, according to the frequency variations of the microwave generator. A resonance band of microwave absorption by gas is shown, by way of example, in FIG. 3. The absorption of microwaves by gas is plotted as a function of the frequency of the microwave signals. waves sent over a microwave absorbing gas. Such gases have several microwave absorption resonant frequencies, as stated above, and any of the resonant absorption bands can be selected for control.
The frequency control range of the device is represented by the part of the graohic 49 between the points 51 and 53 of the slope, low frequency side, of the resonance curve.
Note that by working on one side of the resonance curve, the reflector voltage will be adjusted as a function of the working frequency in an anti-reactive manner, while by working on the other side of the micro-wave resonance curve, the voltage will be varied as a function of the frequency in a reactive manner. Such reactive variation of the reflector voltage will not stabilize the frequency in the system under consideration.
FIG. 2 shows a second embodiment of the invention serving to stabilize the frequency produced by a microwave generator 61 of the magnetron / multi-cavity type. These magnetrons are well known and comprise a central cathode 63 surrounded by several cavity resonators arranged radially, each of them being represented schematically by the inductors 85 and the capacitors 67. A DC magnetic field
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very Intense is apolized to the magnetron in a direction perpendicular to the plane of the drawing.
It is known that the working frequency of such microwave-generating magnetrons can be varied by means of an auxiliary electron beam device coupled to one or more cavity resonators, by which the electron beam projected through the or the resonators react to the tuning of the resonator. Such an auxiliary modulating beam device 70 is schematically represented by an auxiliary cathode 69, a control grid 71 and an anode 73 placed inside one of the cavity resonators of the magnetron.
The anode and the cathode of the auxiliary beam device have working potentials to project the microwave beam with the desired intensity through the cavity resonator.
The voltages or control signals applied to the control grid 71 of the auxiliary beam device 70 vary the intensity of the electronic control beam, thus varying the reaction of the beam on the cavity resonator of the magnetron which it passes through and consequently varying. , the working microwave frequency of the generator.
A coupling output loop 75, coupled into one of the magnetron cavity resonators 61, is connected through a coaxial line 19 and coupled to a transmission waveguide 77 terminating on a load 79 A pair of openings 81, 83 spaced apart from each other by a quarter of a wavelength from the working frequency, couples the transmission waveguide 77 to a first directional coupling waveguide 85 , the generator side end of which is terminated by a wedge-shaped termination element 87, similar to device 41 in the circuit of FIG. 1.
The coupling directional waveguide 85 comprises a pair of gas-tight but microwave permeable windows 91, 93 forming a gas char 95 containing the microwave absorbing gas, and
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is finished Dar a first microwave detector 97 coupled to the input circuit of an AC amplifier 99 creamer.
The first directional coupling waveguide 85 is also coupled, by a second pair of coupling openings 101, 103, separated from each other by a quarter of a wavelength at the operating micro-wave frequency, to a second directional coupling waveguide 105, the generator side end of which is terminated by a second dielectric wedge adapted at the termination 107. The other end of the second directional coupling waveguide 105 is terminated by a second microwave detector 109 connected to the input of a second AC amplifier 111.
The output circuits of amplifiers 99 and 111 are connected to a comorient balanced output circuit, bar example the primary winding 113 of an output transformer 115. The middle tap 117 of the brimary winding 113 of the output transformer is directly earthed. The secondary winding 119 of the output transformer is coupled to the input of a balance modulator 121. The control signals derived from the balanced modulator 121 are fed to the control grid 71 of the auxiliary modulating beam device. magnetron.
In order to be able to manipulate the balanced modulator at a low modulating frequency, any conventional modulating system will be connected, for example, to the directional coupling waveguide creamer 85, in order to simultaneously modulate the coupled microwave signals. in the gas chamber 95 and in the second directional coupling waveguide 105. For example, a mechanical modulator such as an eccentric rotary device 123, driven by a motor 125, can be coupled to the in. - outside of the directional coupling waveguide 85, through
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a window 135, for the purpose of varying the attenuation in the guide 1 (the w 'other transmission characteristics of micro-
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waves of it.
It should be noted that any known mechanical or electrical modulating device can be used to modulate at such a low frequency the microwave signals cut in the gas chamber and in the second directional waveguide. . Motor 125 also drives, in synchronism, a low frequency manipulation generator which is connected to balanced modulator 121 in such a way that the output of the manipulation generator is applied in phase to both tubes of the balanced modulator. Referring to FIG. 2, it should be noted that the arrow starting from generator 127 and that passing from modulator 121 denote terminals connected together, the return being made because of the earth connections.
Thus the balanced modulator is well manipulated at the modulating frequency of 30 cycles, in order to give frequency control signals which are a function of the difference between the amplitudes of the output signals of the detector amplifiers 99,
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111, and d, 3xx3ct9iDU3 the control signals vary in the desired direction according to the variations in the output frequency of the magnetron.
Operationally, the output signals from microwave detectors 97 and 109 are balanced when the frequency of the working microwaves is located in the desired part of the microwave absorption curve. waves by gases, as shown in Figure 3. When the frequency is stabilized at the desired value, the signal detected by the balanced modulator has practically zero amplitude. But a slight variation of the working frequency will unbalance the balanced modulator circuit, and produce control signals which are applied, anti-reactively, to the intensity control of the auxiliary modulation beam projected through the resonator. magnetron cavity.
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It should be noted that the absorption of microwaves, in the gas chamber at one of the resonances of the gas absorbing the particular microwaves used, is a function of the pressure of the gas, as shown in graph 123 of figure 4 The greatest sensitivity and the best frequency control selectivity are obtained with gas concentrations in the order of 10-3 mm Hg.
Figure 5 shows an alternative for the balanced sense circuits of Figures 1 and 2, which can be used to obtain a differential sense output, without the need for a balanced sense output coupling circuit.
In this variant of the invention, the microwave detectors 29 and 43 are joined together with opposite polarities so that their output voltages are actually subtracted, and a differential voltage, across the resistor 13, is applied to the device. generator frequency control, such as reflector electrode 9 in the circuit of figure 1. A similar arrangement can be made for the circuit of figure 2, which eliminates the need for the output balanced transformer 115 coupling the amplifiers of the detectors 99,111 to the balanced modulator 121.
From the point of view of the operation of the microwave detectors 29 and 43, if the signals detected are equal, there is no voltage drop across the terminals of the resistor 13. If the signal coming from the detector 43 is greater than that coming from of detector 29, the resulting control signal becomes more negative, and the frequency of the klystron increases to compensate for the frequency drop which caused greater energy absorption by the gas and a decrease in the output of detector 29.
It is evident that the same general device can be employed to stabilize the frequency of any other type of microwave generator, the frequency of which can be
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regulated by applying a control potential. Likewise, if the waveguide transmission and the coupling elements have been described here, the lines coaxial with the other microwave coupling circuits do not depart from the scope of the invention, and the detectors crystal microwaves shown in the drawing can be replaced by any common type of microwave detector.
The invention consists of novel methods and devices for stabilizing the frequency of microwave generators as a function of the microwave energy absorbed by a microwave resonant absorption gas, so that the frequency The working capacity of the microwave generator is a function of the resonant microwave absorption spectrum of the particular gas employed. Various types of circuitry and control devices are disclosed, and the sensitivity of the control system can be determined by the system gain or by the pressure of the microwave absorbing gas.
CLAIMS
1) Method of using the resonant absorption characteristics of a gas having the orooriety of absorbing microwaves, to stabilize the frequency of a source or generator of microwave signals, characterized in that this gas is excited so as to cause absorption of microwaves therein by molecular resonance and the frequency of the generator is stabilized following absorption of microwaves by the gas.