Brevet FR2634898A1 — publié le 19900202

Appareil de mesure de la fréquence de résonance d'une cavité hyperfréquence. L'invention concerne les appareils de mesure continue de la fréquence de résonance d'une cavité hyperfréquence ouverte. Elle est notamment applicable chaque fois qu'on cherche à mesurer de très faibles variations de cette fréquence, causées par des modifications du milieu occupant et environnant la cavité. On peut citer notamment la mesure de l'indice de réfraction radio-*lectrique, du degré hygrométrique et de la permi tivité de l'air dans lequel est plongée la cavité. L'invention concerne plus particulièrement un appareil du type comprenant un oscillateur hyperfréquence commandé par tension et couplé à la cavité, les moyens de bouclage pour prélever un signal sur la cavité et commander la fréquence des oscillateurs pour l'amener la frEquence de résonance de la cavité et des moyens de mesure de la fréquence de l'oscillateur. Un tel dispositif, destiné å mesurer l'indice de réfraction radio-électrique de l'air en altitude, est décrit dans l'article "GaAs FET MICROWAVE REFRACTOMETER FOR TROPOSPHERIC STUDIES" de U.M. YILMAZ et autres, AGARD Conference Proceedings No. 346, pages 9.1-9.5, 1983. Cet appareil comprend un amplificateur hyperfréquence en série avec la cavité et fonctionnant en oscillateur libre au voisinage de la saturation, associé å un Compteur de fréquence.Cet appareil, s'il a l'avan- tage d' & re simple, du moins en apparence, et d'avoir une bonne résolution temporelle, est très sensible aux dérives de phase de l'amplificateur hyperfréquence en fonction de différents paramètres dont la température il est difficile de réduire la dérive de l'amplificateur du fait qu'il fonctionne en régime non linéaire. Du fait du fonctionnement en oscillateur libre au voisinage de la saturation, il existe un risque d'instabilité de l'ensemble du montage : une analyse mathématique fait apparaitre que le système d'équation faisant intervenir la variation de gain et de déphasage de la cavité fonction de la fréquence et la variation du gain et de la phase de l'amplificateur en fonction de l'amplitude du signal ne permet pas, en général, de fixer des conditions de travail écartant les risques. On connaft par ailleurs des appareils de mesure dont la cavité est excitée par un oscillateur à balayage de fréquence : la fréquence de résonance est celle pour laquelle l'amplitude du signal prélevé sur la cavité est maximale. Cette constitution d'appareil a une résolution temporelle souvent insuffisante et elle est très complexe. La présente invention vise a fournir un appareil de mesure continue de la fréquence répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il permet tout à la fois d'obtenir une bonne résolution temporelle et une stabilité en température satisfaisante et ce en ne mettant en oeuvre que des moyens simples. Dans ce but, l'invention propose un appareil du type ci-dessus défini dont les moyens de bouclage comprennent un détecteur à comparaison de phases comparant la phase du signal d'attaque de la cavité et la phase du signal prélevé et fournissant un signal de sortie et des moyens pour amplifier le signal de sortie et l'appliquer sur une entrée de commande de l'amplificateur. Des moyens de déphasage ajustables peuvent être interposés sur la voie de prélèvement du signal pour ajuster le point de fonctionnement du détecteur de phase. Dans un premier mode de réalisation, le signal de sortie est prélevé sur la cavité en un accès diamè- tralement opposé * l'accès recevant le signal d'attaque; dans une variante, le signal de sortie est prélevé sur la voie d'excitation de la cavité en un point tel qu'il y ait recueil du signal réfléchi, ce qui permet de simplifier la construction de la cavité mais ne permet pas un découplage aussi satisfaisant que la première réalisation. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la figure 1 est un synoptique de principe montrant les composants d'un appareil suivant l'invention et les paramètres qui interviennent dans la mesure - la figure 2, similaire a la figure 1, montre une variante de réalisation. L'appareil montré en figure 1 est destiné à mesurer la fréquence de résonance fo d'une cavité hyperfréquence ouverte 10 baignant dans l'air et munie de deux accès 12 et 14 diamètralement opposés. Le signal prélevé sur l'accès 14 diamètralement opposé à l'accès 12 présente, par rapport a un signal d'entrée å fréquence -f proche de fo un déphasage t Kî(f-fo) où R1 est le coefficient de transfert de la cavité 10. L'appareil comprend un oscillateur 16 dont la fréquence de sortie f est proportionnelle à la tension Vf appliquée sur son entrée 18. On a donc f I K3.Vf où K3 est un coefficient de proportionnalité fixe. Dans le cas fréquent d'une cavité 10 ayant une fréquence de résonance variant autour de 10 GHz, on pourra utiliser un oscillateur pour lequel la plage de variations de f est de l'ordre de 10 MHz pour une ten sion, appliquée ne dépassant pas 15 V, ce qui correspond 8 une variation relative de 1/1000, nettement supérieure à la plage de variation de l'indice de l'air atmosphérique. Le signal à fréquence f fourni par l'oscillateur 16 est appliqué sur l'accès 12. Un coupleur de sortie 20 dérive une fraction du signal et l'envoie sur un compteur de fréquence 22. Une autre fraction du signal est dérivée par un second coupleur de sortie 23. Ce signal prélevé est appliqué, par l'intermédiaire d'un déphaseur ajustable 24 de réglage de zéro laissant subsister un résidu de déphasage td dû aux câbles, à l'une des entrées d'un détecteur à comparaison de phases 26 dont l'autre entrée reçoit le signal prélevé par le coupleur 23 La tension Vt du signal de sortie du détecteur de phase est de la forme Vt S K2(t+td) Ce signal de sortie Vt est appliqué à un amplificateur 28 ayant également une fonction de filtrage passe-bas, permettant de donner au temps de réponse de la boucle d'asservissement, aux variations d'indice une valeur appropriée. Dans la pratique, pour des mesures continues d'indice, il est souhaitable de donner au temps de réponse une valeur inférieure à 10 ms. Pour cela, l'amplificateur 26 représenté sur la figure 1 est monté en intégrateur ayant une constante de temps de l'ordre de la fraction de milliseconde. Le gain Ao de l'amplificateur 28 en courant continu doit au surplus être suffisamment élevé pour que le produit Ao.K1.K2.K3 soit très supérieur à l'unité : si on souhaite réduire l'erreur sur l'indice à une valeur inférieure à 10-6, on pourra adopter un gain Ao de 106. Mais des valeurs plus faibles seront souvent acceptables. Dans le cas montré sur la figure 1, la fonction de transfert de l'amplificateur 28 est de la forme Vf = A(p).(Vt+Vd) avec A(p) = AoC1/(1+AoTp)l où T = RC Cette fonction de transfert est obtenue en appliquant sur l'entrée de l'amplificateur, par l'intermé diaire de résistances respectives de même valeur R, la tension V de sortie du comparateur 26 et une tension de référence Vd égale à la tension de décalage du comparateur de phase 26. Pour maintenir l'erreur dans la plage de mesures au dessous du maximum admissible, il sera souvent néces saire d'éviter des variations de température excessives de certains composants. A titre d'exemple on décrira maintenant les caracteristiques de composants permettant d'atteindre une précision de Io-6 sur la mesure de la fréquence de résonance et en conséquence de l'indice. A l'équilibre, du fait que Ao.Kl.K2.K3 est très supérieur à 1, on a f-fo s Vo/(AoKlK2)-Vd/KlR2 - td/Kl (1) où Vo est la tension appliquée à l'oscillateur pour laquelle f=fo. Les trois termes de la relation (1) correspondent respectivement aux erreurs dues à l'oscillateur (dérive de la tension Vo pour laquelle f=fo), a la tension de décalage Vd du détecteur à comparaison de phases 26, et aux cibles de liaison produisant un décalage de phase d non compensé. Le problème principal est celui de l'influence de la température. La dérive de l'amplificateur doit être négligeable par rapport à celle du détecteur de phase : pratiquement ce résultat est atteint avec une dérive de sa tension de décalage ne dépassant pas 0,2 t/*C, ce qui est obtenu sans difficulté majeure. tas variations de le tension de décalage du détecteur 26 en fonction de la température doivent être inférieures à 3 mV sur la plage de température de fonctionnement (2ème terne de 1 'équation (1) , un détecteur ayant une dérive de 30 CtV/'C permet d'arriver à ce résultat. Il faut noter que la valeur absolue de la tension de décalage importe peu car elle peut être annulée par réglage de la tension de décalage de l'amplificateur. En fait l'élément déterminant de la dérive du montage (3éme terme de l'équation (1)) est constitué par le cable. Des essais portant sur les déphasages amenés par les déformations mécaniques et sur ceux amenés par les variations de température ont montré que, à 10 GHz - les déphasages variaient de 0,075 à 0,75 suivant la nature du câble, dans des conditions représentatives (vibrations sous une accélération de 4 G avec une amplitude de 4 mm) - la variation de phase en température allait de 0,02"/"C à O,20/0C suivant la nature en câble et suivant la température. Il a été possible de trouver des câbles sur lesquels l'effet des sollicitations mécaniques, non compensable, reste suffisamment faible pour être acceptable, sans pour autant présenter des dérives trop élevées en température. Le choix s'est porté sur le câble GORE ST 27 G2 dont la dérive maximale est de 45m / C. Cette partie du montage doit être en conséquence régulée en température, par exemple par manchon chauffant thermostaté si la température ambiante est susceptible de varier de plus de tl5 C. Dans la variante de réalisation montrée en figure 2, où les éléments correspondant ê ceux de la figure 1 sont désignés par le même numéro de référence, la cavité 10 comporte un seul accès 12. Mais un coupleur supplémentaire 30 est prévu sur la ligne d'amenée de la tension hyperfréquence d'excitation a l'accès 12. Ce coupleur supplémentaire est placé de façon a recueillir le signal réfléchi par la cavité 10. REVENDICATIONS 1. Appareil de mesure continue de la fréquence de résonance d'une cavité hyperfréquence ouverte, comprenant - un oscillateur hyperfréquence (16) commandé par tension et couplé a la cavité, - des moyens de bouclage pour prélever un signal sur la cavité et commander la fréquence de l'oscillateur pour l'amener a la fréquence de résonance de la cavité, et - des moyens (22) de mesure de la fréquence de 1 'oscillateur, caractérisé en ce que les moyens de bouclage comprennent un détecteur à comparaison de phases (26) comparant la phase du signal d'sttaque et la phase du signal prélevé et fournissant un signal de sortie et des moyens (28) pour amplifier le signal de sortie et l'appliquer sur une entrée de commande de l'oscillateur (16). 2. Appareil selon la revendication 1, caract6- risé en ce qu'il comprend des moyens de déphasage ajustables (24) interposés sur la voie de prélèvement de signal. 3. Appareil selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le signal de sortie est prélevé sur la cavité en un accès (14) diamétralement opposé å l'accès (12) recevant le signal d'attaque ou est prélevé sur la voie d'excitation de la cavité en un point tel qu'il y ait recueil du signal réfléchi. 4. Application de l'appareil selon la revendication 1, 2 ou 3, & la mesure de l'indice de réfraction radio-électrique de l'air dans lequel est plongée la cavité.