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Étude d’un système de stabilisation en phase pour un
klystron
M. Olivier
To cite this version:
144
ÉTUDE D’UN
SYSTÈME
DE STABILISATION EN PHASE POUR UN KLYSTRONPar M.
OLIVIER,
Laboratoire de l’Horloge Atomique, C. N. R. S., Besançon.
Résumé. 2014
L’emploi
d’un klystron asservi en phase sur un signal de référence permet de trans-mettre la stabilité enfréquence
du signal auklystron.
On décrit un système d’asservissement d’un X 13 sur le 534 harmonique d’un signal à 225 MHz. L’ensemble se montre particulièrement utile dans la comparaison en fréquence d’un Maser à NH3 et d’un quartz à 100 Khz.Abstract. 2014 The
use of a klystron, phase stabilized on a référence signal permits the transfer of
frequency stability of signal to the klystron. We describe a system of stabilization of an X 13 klystron on the 53th harmonic of a signal at 225 Mc. The system appears to be very useful for the frequency comparison of a NH3 Maser and a quartz at 100 Kc.
,LE JOURNAL DE PHYSIQUE EST LE RADIUM
PHYSIQUE APPLIQUEZ
SUPPLÉMENT AU N° 12.
TOME 23, DÉCEMBRE 1962, PAGE
L’accrochage
enphase
d’ungénérateur
sur lafré-quence d’un
signal
de référencepermet
d’obtenir Je transfert de la stabilité enfréquence
dusignal
deréférence sur le
générateur
asservi. Cesystème
semontre d’une
grande
utilité pour lacomparaison
d’une
horloge
àquartz
avec ungénérateur
molé-culaire,
fonctionnant dans ledomaine
deshyper-fréquences.
I.
Principe.
- Lesystème
à étéproposé
etétu-dié initialement par
Strandberg [1].
Laphase
dusignal
àasservir
estcomparée
dans unphasemètre
à celle du
signal
de référence. La tension d’erreurqui
en résulte estappliquée
augénérateur
àstabi-liser,
de manière à maintenir une différence dedphase
constante entre les deuxsignaux.
Engénéral,
leursfréquences
sontidentiques,
cequi
nécessitel’emploi
d’unamplificateur
continu pour lesignal
d’erreur sortant du détecteur dephase.
L’oscil-lateur est unklystron
réflex X 13 fonctionnantdans la bande X
(11 920
MHz).
Laparticularité
denotre
montage
est que lafréquence
duklystron
asservi n’est paségale
àf r fréquence
dusignal
deréférence,
maisf
-1-f i,
ouf r
est lafréquence
d’un deuxième oscillateur de référence fonctionnant dans ledomaine
desradiofréquences.
La méthodeprésente
l’avantage
d’uneplus grande souplesse
dans le choix de lafréquence
finale et éliminel’amplificateur
continu de réalisationtoujours
déli-cate auprofit
d’unamplificateur
enradiofréquence.
II. Réalisation. - Le
klystron
à asservir estbranché dans une des branches d’un T
hybride
fonctionnant en
mélangeur symétrique.
Lesignal
de
référence
estappliqué
dans la brancheconju-guée.
Les deux branchessymétriques
comportent
les détecteurséquilibrés.
Un
amplificateur
à entréessymétriques
permet
d’ajouter
lessignaux
enopposition
dephase
pro-venant des cristaux. Par
l’emploi
d’unefréquence
intermédiaire à
5
MHz
onpeut
obteniraisément
une bande
passante
trèslarge
avec undéphasage
minimum. La sortie à faible
impédance
est reliée audétecteur de
phase.
Unsystème
déphaseur
catho-dyne
fournit les deux tensionségales
et enoppo-sition de
phase
sur le côté référence.L’emploi
desystèmes
apériodiques
dans cet ensemble lui donneune
large
bandepassante.
Lephasemètre
lui-mêmeprésente l’avantage
d’avoir des entréesdissy-métriques.
La courbe deréponse
est linéaire auvoisinage
duzéro,
qui
seproduit
lorsque
les ten-sions sont enquadrature.
Des
précautions
particulières
sontprises
pouréviter la
présence,
sur la tension decorrection,
d’unrésidu de tension à 5 MHz
qui
peut
provoquer, par modulation duklystron puis
détection dans lesystème mélangeur,
unautoaccrochage ;
le servo-mécanisme se ferms nt sur lui-même pour lafré-quence 5 MHz. On a
soigné
leblindage
et lasymé-trie des différents éléments du
phasemètre
pour éviter cephénomène.
Le contrôle del’accrochage
se fait en observant lafigure
deLissajoux
forméepar le
signal
de référence à 5 MHz et celuiqui
sort del’amplificateur
à 5 MHz.III. Performance. - Ce
système change
lespectre
de bruit duklystron
en le réduisant à lalargeur
dusignal
de référence. Soit V la tension de sortie duklystron :
6J(t)
est
la modulation defréquence
due aubruit,
6Jp la
fréquence
de laporteuse.
6J(t) peut
êtrereprésenté
par undéveloppement
en série :avec :
145
W(£2)
est lapuissance
de modulation de fré-quence en rad . s-1. Le carré moyen des fluctua-tions defréquence
duklystron
estW2(t)@
00
etDe
sont lesfréquences
limites de la bandepassante.
Si l’on suppose que l’on a :a,,1£2,,
1 onpeut
négliger
l’intermodulation et on obtient :On obtient alors le
spectre
depuissance.
On
peut
calculer l’effet de la boucle stabilisante.FIG. 1.
Le schéma du servomécanisme est
indiqué
surla
figure
1.Considérons le n ième terme de V. Il donne
une
modulation de
phase
Ç(Qn).
Cette modulation de la sortie duklystron
a pour résultat une tensionGp
Ç(Qn)
à la sortie du discriminateur dephase.
Gp
est legain
duphasemètre.
La tension
Gp Ç(Qn)
est convertie en modulationde
fréquence
avec ungain
Kf dans leklystron,
cequi
peut
être considéré comme une modulation dephase
avec ungain
.Kp
=Kf jjon
où( j
=yi
-j).
On a donc un
gain
à boucle ouverte :Si on ferme la boucle de
réaction,
le n ème terme est réduit par lefacteur
(
1-Gaz2.)
i-1
et lespectre
depuissance.
de l’oscillateur stabilisé devientPratiquement,
nous avons les valeurs suivantes :On
peut
donner une valeur estimée deQ2(t)
= 108(radis) 2
pour leklystron
nonstabi-lisé. En
supposant
W(Q) indépendant
de 12 dans la bandepassante
et estimantW(Q)
=100rad/s.
On déduitVg J2
est lapuissance
duporteur
Pp.
En
intégrant
Pg(2)
on déduit lapuissance
totale du bruitPgt
duklystron
stabilisé.Si la fluctuation de
l’angle
dephase Ç
dusignal
est donnée par une loi deprobabilité gaussienne :
On
peut
montrer queLa
puissance
de bruit duklystron
stabilisé est ainsi bien en dessous duporteur.
La valeurmoyenne du
déphasage
donnépar Ç 2
est faible.’
IV.
Application
à lamultiplication
defréquence
et à lacomparaison maser-horloge
àquartz.
- Leklystron
asservi enphase
est utilisé comme élément essentiel d’un ensemble decomparaison
de fré-quence «Quartz-Maser
». Leproblème
consiste àobtenir,
parmultiplication
successive de lafré-FIG. 2. -
146
quence d’un
quartz
métrologique
à 5MHz,
unsignal
dont lafréquence
est voisine de 23 870 MHz(fréquence
d’un maser àNH3).
Lapuissance
de cesignal
doit être suffisante pourpermettre
unedé-tection
superhétérodyne
de l’oscillationMaser,
de niveau très faible. Leklystron
asservi satisfait àcette dernière condition. Une étude
préliminaire,
nous a montré que
l’accrochage
enphase
étaitencore
possible
avec unepuissance
de référence de l’ordre de 10-12 watt.La valeur très faible de la
puissance
de référence nécessaire pour l’asservissementpermet
d’utiliserun
harmonique
élevé. La chaine demultiplication
se trouve
simplifiée :
Onpeut
passer directement desfréquences radioélectriques
oul’emploi
descir-cuits à constantes localisées est encore
possible
auxhyperfréquences.
En
pratique,
une chaine demultiplication
délivreune
fréquence
de 225MHz,
parmultiplication
du 5MHz.
On utilise comme référence pourl’accro-chage
enphase
duklystron
le 53eharmonique
du225 MHz. Le
signal
à 225 MHz estappliqué
sur uncrystal multiplicateur
CV 2154placé
dans unguide
d’onde à 3 cm. Celui-ci sert de filtre pour les pre-miers
harmoniques.
L’étude des diversharmo-niques
dusignal
à 225 MHz montre[3]
que nouspouvons obtenir environ 5.10-1° watt au 53e
har-monique,
à lafréquences
11 925MHz,
avec unepuissance
de0,3
watt
à 225 MHz.Ainsi que le montre la
figure 2,
lesystème
permet
de réaliser une liaisonélégante
etrapide
entre lafréquence
délivrée par unquartz
métrologique
etcelle d’un Maser à
NH3,
enpassant
directement d’unniveah
où lestechniques
conventionnelles demultiplication
dé
fréquence
peuvent
s’appliquer,
au domaine des
hyperfréquences
avec desguides
d’ondes à 3 cm.
Des
études
métrologiques
sont en cours à l’aidede cet
appareil.
Le Maser étant considéré comme oscillateur stable deréférence,
lacomparaison
quartz-Maser
permettra
d’étudierexpérimen-talement le
spectre
de bruit dusignal
duklystron
asservi.Je tiens à remercier tout
particulièrement
M. Uebersfeld dont les conseils éclairés m’ont
permis
la réalisation souvent délicate del’appareil
dans le laboratoire del’Horloge Atomique
du C. N. R.S.,
ainsi que M.Mesnage
qui
m’asuggéré
cette voie. Je remercie M. Pretot dont l’aide a étédécisive pour la réalisation
pratique
de l’ensemble.BIBLIOGRAPHIE [1] STRANDBERG, Phase stabilisation of microwave
oscil-lateur. PIRE, July 1955.
[2] VAN SLOOTEN, Synchronisation des oscillateurs. Revue Technique Philips 147.
