Oscillateur à très haute stabilité de fréquence utilisant une cavité supraconductrice

Institut d’Électronique Fondamentale de la Faculté des Sciences d’Orsay Laboratoire associé au C. N. R. S. (Professeur P. G rivet) Bât. 220, Faculté des Sciences — 91-Orsay (Essonne), France

Résumé

Ce travail est consacré à l’étude et à la réalisation d’un oscillateur stable de fréquence réglable au voisinage de 2 911 MHz par l'utilisation d’une cavité supraconductrice à grand coefficient de surtension. Cette dernière est associée à un tube amplificateur à propagation d’onde (T. P. O.); l’ensemble constitue un auto-oscillateur. Le principe de l’oscillateur ainsi que les conditions de fonctionnement sont analysés en détail. On calcule l'influence de divers paramètres tels que le coefficient de surtension de la cavité, la température du bain d’hélium liquide, la température ambiante, les tensions d’alimentation et le facteur de bruit du T. P. O. sur la stabilité en fréquence de l'oscillateur. Cette étude montre que l'oscillateur peut avoir des performances aussi bonnes que celles des meilleures oscillateurs à quartz associés à des multiplicateurs de fréquence. La stabilité à court terme due au bruit de fond est excellente et peut être comparée avec avantage à celle des horloges atomiques et des quartz.

Les résultats expérimentaux montrent que l'oscillateur réalisée en bande S a une stabilité de 4,5.10^-11 par minute pour une puissance de sortie de 1 mW et de 3,4.10^-10 pour 1 W. Ces stabilités pourraient être encore améliorées en utilisant des coefficients de surtension plus élevés (10⁹ au lieu de 10⁸).

Abstract

This work is devoted to the study and the realization of high-stability oscillator, the frequency of which is tunable over a range around 2 911 MHz by utilization of a high Q superconducting cavity. The latter is associated with a traveling wave tube amplifier (T. W. T.) and the whole set up constitutes a self-oscillator. The principle and conditions of oscillation are analyzed in detail. We calculate the influence on the frequency stability of the following parameters: Q factor of the cavity, room and liquid helium bath temperatures, power supply voltage fluctuations and noise factor of the T. W. T. This shows that the oscillator can have performances as good as those of the best quartz oscillators associated with frequency multipliers. Short term stability due to noise is excellent and can be compared with advantage to that of quartz and atomic clocks.

Experimental results show that the S-band oscillator so realized has a stability of 4.5 x 10^-11 per minute for an output power of 1 mW and 3.4 X 10^-10 for 1 W. Greater stabilities could be obtained by improving the cavity Q factor from 10⁸ to 10⁹.