CH635707A5

CH635707A5 - Procede d'asservissement d'un maser passif et dispositif de mise en oeuvre.

Info

Publication number: CH635707A5
Application number: CH50980A
Authority: CH
Inventors: Helmuth-Hugo Brandenberger; Giovanni Busca
Original assignee: Ebauches Sa
Priority date: 1979-03-09
Filing date: 1980-01-22
Publication date: 1983-04-15
Also published as: NL8001373A; FR2451060A1; DE3005122A1; JPS55124284A; US4316153A; JPS584473B2; GB2044520B; GB2044520A; FR2451060B1; DE3005122C2

Description

La présente invention permet de remédier à cet inconvénient. Elle repose sur la découverte par les inventeurs qu'il est possible de n'utiliser qu'une seule fréquence de modulation, car le signal d'enveloppe élaboré à partir du signal prélevé dans la cavité (et reproduisant toutes les fluctuations d'amplitude de ce dernier) contient en fait, à lui seul, toute l'information nécessaire à l'élaboration des signaux d'erreur permettant d'asservir la fréquence du signal d'interrogation et la fréquence de résonance. Le signal d'enveloppe contient deux composantes modulées en amplitude à la fréquence de la modulation de phase, à savoir une composante représentative de l'écart entre la fréquence porteuse du signal d'interrogation et la fréquence de l'émission stimulée et une composante représentative de l'écart entre la fréquence de résonance de la cavité et la fréquence porteuse. Ces deux composantes sont déphasées, par rapport au signal de modulation, d'un angle 0H pour la boucle d'asservissement de l'oscillateur et d'un angle 0C pour la boucle d'asservissement de la cavité.

Plus précisément, le signal E modulé en amplitude à la fréquence de modulation com est défini par l'équation:

E = (A + Auì £ + (D + D„) S O n/ o ri

■ (9)

dans laquelle e et S sont donnés par les équations (2) et (3) et dépendent exclusivement des paramètres de la cavité. Si la fréquence porteuse est décalée par rapport à la fréquence de l'émission stimulée, le terme DH S représente la composante dominante du signal d'erreur qui peut donc être utilisée dans la boucle d'asservissement de l'oscillateur pour centrer la fréquence porteuse sur celle de l'émission stimulée. Le terme DH est alors nul. Le déphasage 0h de cette composante par rapport au signal de modulation est tel que:

"tg0« = y/ W do)

ri m

Par contre, au fur et à mesure que DH tend vers zéro, le signal E tend vers la valeur:

(A + A„)e + D S (11)

O H o qui représente le signal d'erreur pure de la cavité. Cette composante peut donc être utilisée dans la boucle d'asservissement de la cavité pour centrer la fréquence de résonance sur la fréquence porteuse. Le déphasage 0C de cette composante par rapport au signal de modulation est tel que:

tg9 = 2 tu Y / ( m~ Y ) (12)

c m 1 m 1

Cette découverte est mise à profit dans le maser selon l'invention qui utilise ainsi une seule modulation pour les deux boucles d'asservissement. Ceci permet non seulement d'éviter

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

5

635 707

l'effet parasite de la boucle d'asservissement de l'oscillateur sur dépend naturellement de la précision avec laquelle les circuits la boucle d'asservissement de la cavité, mais aussi d'améliorer déphaseurs 42 et 44 déphasent les composantes du signal d'enve-

sensiblement la qualité de l'asservissement. loppe produit par le détecteur d'amplitude 13 pour les mettre

On se référera maintenant à la fïg. 2 qui illustre de manière respectivement en phase avec le signal de référence que produit schématique une forme de réalisation d'un maser selon l'inven- 5 le générateur de modulation 34. Les formules données ci-dessus tion. Celui-ci comporte de nombreux organes semblables à ceux expriment, en fait, les valeurs théoriques des déphasages des du maser de la fig. 1. Ces organes portent les mêmes chiffres de deux composantes du signal d'enveloppe, mais elles ne tiennent référence. pas compte des déphasages dus aux lignes de transmission et à

Le modulateur de phase 2 est connecté uniquement au géné- l'électronique. Il est donc nécessaire de procéder à un ajuste-

rateur de modulation 34, à 12 kHz, dont le signal de sortie est io ment des déphasages, qui peut être réalisé comme indiqué ci-

appliqué à la fois au détecteur de phase 23 de la boucle d'asser- après.

vissement de l'oscillateur et au détecteur de phase 33 de la Pour réaliser l'ajustement du déphasage de la boucle d'asser-

boucle d'asservissement de la cavité. vissement de l'oscillateur, on peut décaler la fréquence de modu- •

Le signal d'enveloppe délivré par le détecteur d'amplitude lation à une valeur inférieure à 1 Hz et ajuster le circuit dépha-13 est appliqué à un seul filtre 40 laissant passer essentiellement 15 seur 42 de manière à obtenir, à la sortie du détecteur de phase 23,

les fréquences voisines de la fréquence de modulation ( 12 kHz) un signal d'erreur maximum. En ce qui concerne l'ajustement du du générateur 34. Le signal filtré, est amené, d'une part, au détec- déphasage de la boucle d'asservissement de la cavité, on peut teur de phase 23 par l'intermédiaire d'un circuit déphaseur 42 et, soit éliminer l'émission stimulée en supprimant l'alimentation d'autre part, au détecteur de phase 33 par l'intermédiaire d'un de la cavité en hydrogène ou en réduisant son champ magnéti-

circuit déphaseur 44. Le déphasage introduit par le circuit 42 est 20 que statique, soit augmenter le niveau delà puissance injectée et ajusté de manière à ramener la phase de la composante pour l'as- ajuster le circuit déphaseur 44 de manière à obtenir un signal servissement de l'oscillateur à celle du signal de référence d'erreur maximum à la sortie du détecteur de phase 33.

appliqué au détecteur 23 par le générateur de modulation 34. Comme déjè indiqué, la présente invention permet, grâce à D'une manière similaire, le déphasage introduit par le circuit 44 l'utilisation d'une modulation unique pour les deux boucles est ajusté de manière à ramener la phase de la composante pour 25 d'asservissement, d'éviter l'effet parasite de la boucle d'asservis-

l'asservissement de la cavité à celle du signal de référence fourni sement de l'oscillateur sur la boucle d'asservissement de la par le générateur 34. cavité. En outre, l'utilisation d'une fréquence relativement

Dans ces conditions, le détecteur de phase 23 délivre un élevée ( 12 kHz) pour la boucle d'asservissement de la fréquence signal d'erreur représentatif de l'écart entre la fréquence por- du signal d'interrogation de la cavité permet de travailler en teuse du signal d'interrogation de la cavité et la fréquence de 30 dehors de la bande passante de la raie H d'un filtre et donc de l'émission stimulée. Ce signal d'erreur est appliqué à l'intégra- diminuer de façon très substantielle les bruits de scintillement,

teur 25 dont le signal de sortie ajuste la fréquence de l'oscillateur L'utilisation d'une fréquence élevée permet également un asser-

1 par l'intermédiaire de la capacité variable 26, de manière à cor- vissement de l'oscillateur plus rapide que dans le cas du maser de riger l'écart de fréquence. la figure 1. Enfin, l'asservissement de l'oscillateur peut être

De la même manière, le détecteur 33 produit un signal d'er- 35 réalisé sur une plage notablement plus large étant donné que le reur représentatif de l'écart entre la fréquence porteuse du signal signal d'erreur est déterminé par une fonction de dispersion,

d'interrogation et la fréquence de résonance de celle-ci. Ce dont la décroissance est sensiblement plus lente que pour une signal d'erreur est appliqué à l'intégrateur 35 dont le signal de fonction d'absorption comme c'est le cas pour le maser de la sortie ajuste la fréquence de résonance de la cavité par l'intermé- figure 1.

diaire de la capacité variable 36, de manière à corriger l'écart de « Naturellement l'invention n'est pas limitée aux détails de fréquence. réalisation ci-dessus décrits, dont elle englobe au contraire tou-

La qualité de l'asservissement de l'oscillateur et de la cavité tes les variantes.

1 Blatt Zeichnungen

Claims

635 707 2 REVENDICATIONS La présente invention concerne un procédé d'asservissement

1. Procédé d'asservissement d'un maser passif comprenant d'un maser passif comprenant une cavité résonnante qui con-une cavité résonnante qui contient un milieu susceptible d'émis- tient un milieu susceptible d'émission stimulée, consistant à sion stimulée, consistant à introduire dans ladite cavité un signal introduire dans la cavité maser un signal d'interrogation modulé d'interrogation modulé en phase, à élaborer, à partir d'un signal 5 en phase, à élaborer, à partir d'un signal prélevé dans la cavité, prélevé dans la cavité, un premier signal d'erreur représentatif un premier signal d'erreur représentatif de l'écart entre la fré-de l'écart entre la fréquence porteuse du signal d'interrogation et quence porteuse du signal d'interrogation et la fréquence de la fréquence de l'émission stimulée, à utiliser ce premier signal l'émission stimulée, à utiliser ce premier signal pour ajuster la d'erreur pour ajuster ladite fréquence porteuse, à élaborer à par- fréquence du signal d'interrogation, à élaborer, à partir du signal tir du signal prélevé dans la cavité, un deuxième signal d'erreur io prélevé dans la cavité, un deuxième signal d'erreur représentatif représentatif de l'écart entre la fréquence de résonance de la de l'écart entre la fréquence de résonance de la cavité et la fré-

cavité et ladite fréquence porteuse, et à utiliser ce deuxième quence du signal d'interrogation et à utiliser ce deuxième signal signal d'erreur pour ajuster ladite fréquence de résonance, pour ajuster la fréquence de résonance.

caractérisé en ce que la modulation de phase du signal d'interro- L'invention concerne également un dispositif pour la mise gation de la cavité est effectuée à une seule fréquence. 15 en œuvre du procédé ci-dessus. Le maser asservi convient parti-

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qui les- culièrement bien, en raison de son excellente stabilité de fré-dits premier et deuxième signaux d'erreur sont extraits du signal quence, pour constituer un étalon de fréquence.

prélevé dans la cavité par discrimination de phase. On connaît un maser de ce genre, notamment par l'article

3. Dispositif mettant en œuvre le procédé selon la revendica- F.L. Wall Proceeding of P.T.T.I. 1976, p. 369-380. Une description 1 dans un maser passif comprenant une cavité résonnante 20 tion détaillée en sera donnée ci-après de manière à faire ressortir ( 10) contenant un milieu susceptible d'émission stimulée, des ses limitations et permettre une bonne compréhension de Fin-moyens (34,1,2,3,4, 5) pour appliquer à ladite cavité un signal vention. Il sera seulement utile de mentionner ici que le signal d'interrogation modulé en phase et de fréquence porteuse sen- haute-fréquence introduit dans la cavité est modulé en phase à siblement égale à la fréquence propre de l'émission stimulée, des deux fréquences différentes : une fréquence relativement basse moyens (42,23,25) répondant à un signal prélevé dans la cavité 25 utilisée pour l'asservissement de la fréquence porteuse définie à pour produire un premier signal d'erreur représentatif de l'écart partir de l'oscillateur de base et une fréquence relativement entre ladite fréquence porteuse et la fréquence de l'émission élevée utilisée pour l'asservissement de la fréquence de réson-stimulée, des moyens (26) répondant au premier signal d'erreur nance de la cavité. Un maser de ce style fonctionne correctement pour ajuster ladite fréquence porteuse, des moyens (44,33,35) dans la mesure où les deux boucles de réglage sont effectivement répondant au signal prélevé dans la cavité pour produire un 30 indépendantes.

deuxième signal d'erreur représentatif de l'écart entre la fré- Les inventeurs ont analysé dans quelle mesure on obtient quence de résonance de la cavité et ladite fréquence porteuse et effectivement l'indépendance des deux boucles d'asservisse-

des moyens (36) répondant au deuxième signal d'erreur pour ment. Ils ont découvert que la boucle d'asservissement de la frè-

ajuster la fréquence de résonance de la cavité, caractérisé en ce quence de résonance de la cavité ne gênait pas la boucle d'asser-

que les moyens pour appliquer ledit signal d'interrogation à la 35 vissement de la fréquence du signal d'interrogation (aussi dés-

cavité comportent un seul générateur de modulation (34). ignée boucle d'asservissement de l'oscillateur) mais qu'en revan-

4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que che, cette dernière, sensible à la raie très étroite de l'émission sti-les moyens pour produire les premier et deuxième signaux d'er- mulée, introduisait dans le signal d'erreur de la boucle d'asser-reur sont adaptés à extraire lesdits signaux du signal prélevé vissement de la cavité un signal parasite détruisant complète-dans la cavité par discrimination de phase. 40 ment le signal d'erreur correct. Les inventeurs ont vérifié le fait

5. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé expérimentalement et ils ont pu trouver une explication théori-

- en ce qu'il comporte des moyens (12,13,40) pour obtenir, que à ce phénomène.

à partir du signal prélevé dans la cavité ( 10), un signal d'enve- Le but de la présente invention est de fournir un procédé

loppe reproduisant les fluctuations d'amplitude dudit signal, d'asservissement d'un maser, grâce auquel le signal d'erreur de ledit signal d'enveloppe comportant deux composantes modu- 45 la boucle d'asservissement de la cavité n'est pas gêné par le lées en amplitude à la fréquence de la modulation de phase avec signal parasite de la boucle d'asservissement de l'oscillateur. Ce des phases différentes, à savoir une première composante repré- but est atteint, selon l'invention, par le procédé défini dans la sentative de l'écart entre la fréquence porteuse du signal d'inter- revendication 1.

rogation de la cavité et la fréquence de l'émission stimulée et une L'invention permet d'obtenir un dispositif d'asservissement deuxième composante représentative de l'écart entre la fré- 50 d'un maser passif conférant à celui-ci une stabilité nettement quence de résonance de la cavité et ladite fréquence porteuse; supérieure à celle d'un maser passif asservi de façon classique,

- en ce que les moyens (42,23,25) pour produire le premier tel que celui décrit dans l'article cité.

signal d'erreur comportent un premier circuit déphaseur (42) Les principes de l'invention et ses avantages seront mieux connecté pour recevoir ledit signal d'enveloppe et adapté à compris à l'aide de la description d'un exemple de maser connu ramener la phase de ladite première composante sensiblement à 55 et d'une forme de réalisation d'un dispositif selon l'invention celle du signal produit par ledit générateur de modulation (34) et donnée à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés sur un premier circuit détecteur de phase (23) dont les entrées sont lesquels :

respectivement connectées audit premier circuit déphaseur et - la figure 1 représente un exemple de maser connu, et audit générateur; et - la figure 2 montre une forme de réalisation d'un dispositif

- en ce que les moyens (44,33,35) pour produire le deu- 60 selon l'invention.

xième signal d'erreur comportent un deuxième circuit dépha- La figure 1 représente schématiquement un maser connu seur (44) connecté pour recevoir ledit signal d'enveloppe et semblable à celui décrit dans l'article cité. Un oscillateur 1 proadapté à ramener la phase de ladite deuxième composante sen- duit un signal ayant une fréquence de 5 M Hz. Ce signal est siblement à celle du signal produit par ledit générateur de modu- modulé dans un modulateur de phase 2 à une première fré-lation (34) et un deuxième circuit détecteur de phase (33) dont les 65 quence co£, typiquement de 0,3 Hz, produite par un premier entrées sont respectivement connectées audit deuxième circuit générateur 24, et à une deuxième fréquence ©£, typiquement de déphaseur et audit générateur. 12 kHz, produite par un deuxième générateur 34. Le signal modulé est appliqué à un multiplicateur de fréquence 4. Le

3

635 707

signal 5 M Hz est aussi amené à un synthétiseur 3, et les sorties du la raie de l'émission stimulée de l'hydrogène et la courbe de réso-multiplicateur 4 et du synthétiseur 3 sont amenés à un mixer 5 nance de la cavité pour assurer, respectivement, l'asservissement fournissant un signal ayant une fréquence porteuse coq voisine de l'oscillateur à l'émission stimulée, et l'asservissement de la de 1420 MHz, qui est introduit dans la cavité 10. fréquence de résonance de la cavité à la fréquence porteuse coQ

La cavité résonnante 10 est accordée à la fréquence propre s dérivée de l'oscillateur. Dans ce maser on élimine virtuellement coH de l'émission stimulée du milieu qu'elle contient. Dans les effets adverses du «cavity pulling».

l'exemple donné d'un maser à hydrogène, la transition donnant Un tel maser représente l'état connu de la technique dont lieu à l'émission stimulée est la transition de l'état F = 1, mF = 0 sont partis les inventeurs. Son asservissement est satisfaisant à l'état F = 0, mF, d'un atome d'hydrogène placé dans un champ dans la mesure où les deux boucles sont effectivement indépen-magnétique pour séparer les sous-niveaux Zeemann mF = + 1 io dantes. Les inventeurs ont observé qu'en réalité tel n'était pas le et mF = — 1 de l'état F = 1. La fréquence propre coH de cette cas. Ils ont découvert que la boucle d'asservissement de la cavité transition se situe aux environs de 1420 M Hz ( 1420,405751... ne gênait pas la boucle d'asservissement de l'oscillateur, mais MHZ). Que celle-ci, en revanche, sensible à la raie très étroite de I'émis-

La cavité 10 peut être considérée comme un filtre de bande, sion stimulée, introduisait dans le signal d'erreur de la seconde dont le coefficient Qc varie, selon le volume de la cavité, entre 15 boucle un signal parasite très puissant détruisant complètement 5000 et 50000. Pour un coefficient de l'ordre de 30000, la cavité le signal d'erreur correct.

avec le milieu qu'elle contient, peut être considérée comme la Pour appuyer cette conclusion, les inventeurs ont mené

combinaison d'un tel filtre avec un filtre ayant un facteur de l'expérience suivante.

qualité QH de l'ordre de 10". A) On effectue une seule modulation à la fois et l'on vérifie

Un amplificateur 12 recueille et amplifie un signal prélevé 20 que soit l'une, soit l'autre des deux boucles d'asservissement dans la cavité. Ce signal est redressé par un détecteur d'ampli- fonctionne séparément, de façon correcte. En particulier, on a tude 13 qui fournit un signal d'enveloppe reproduisant toutes les pu conserver l'écart (coc - coQ) entre la fréquence de résonance fluctuations d'amplitude du signal prélevé dans la cavité. Ce de la cavité coc et la fréquence porteuse coQ fournie à partir de signal d'enveloppe est amené, d'une part aux organes d'asservis- l'oscillateur à une valeur relative inférieure à 10- ® dans la région sement 20 de l'oscillateur 1 et, d'autre part, aux organes d'asser- 25 à long terme (de l'ordre de 104 s).

vissement 30 de la cavité 10. B) On vérifie que la boucle d'asservissement de l'oscillateur

Dans les organes d'asservissement 20 de l'oscillateur 1, le par rapport à la raie de l'émission stimulée, ou raie H, fonctionne signal d'enveloppe fourni par le détecteur d'amplitude 13 est correctement aussi en présence de la modulation de la seconde amené à un filtre 22 laissant passer essentiellement les fréquen- boucle d'asservissement, la seconde boucle restant cependant ces voisines de la première fréquence de modulation co^, ici 0,3 30 ouverte.

Hz, du générateur 24. Le signal filtré est amené à un détecteur de C) On ferme les deux boucles à la fois et l'on s'aperçoit que phase 23 dont l'autre entrée est reliée au générateur 24, de l'accord de la cavité s'écarte de la raie H en raison d'effets indé-

manière à effectuer une détection synchrone permettant de sirables se manifestant dans la boucle d'asservissement de la détecter si la fréquence porteuse cûq du signal d'interrogation de cavité.

la cavité est bien centrée surla fréquence propre ©h de l'émission 35 On a vérifié que la boucle d'asservissement de l'oscillateur stimulée. Tout décalage de fréquence se traduit par un signal sur la raie H produisait un puissant signal parasite modulé en d'erreur à la sortie du détecteur de phase 23. Ce signal d'erreur amplitude (AM) ayant la fréquence de modulation &>£, de la est amené à un intégrateur 25 et utilisé pour commander une boucle de réglage de la cavité même lorsque la cavité était capacité variable 26 couplée à l'oscillateur 1, ce qui permet de accordée. De plus, ce signal est modulé en phase à la fréquence faire varier légèrement sa fréquence en vue de la corriger. 40 de modulation coJJ utilisé pour interroger la raie H.

Dans les organes d'asservissement 30 de la cavité 10, le signal En supprimant la modulation d'interrogation de la raie H et d'enveloppe est repris par un filtre 32 laissant passer essentielle- en écartant la fréquence porteuse coQ de la fréquence de la raie H, ment les composantes voisines de la deuxième fréquence de on a vérifié que le signal parasite AM était produit par un signal modulation co£, soit ici environ 12 kHz. Le signal filtré est amené haute-fréquence interagissant avec la raie H. La phase du signal à un détecteur de phase 33 pour une détection synchrone, l'autre 45 AM parasite subit un changement brusque de 180 degrés lors-entrée du détecteur de phase étant reliée au deuxième générateur qu'on laisse la fréquence de porteuse öq traverser la raie H. 34 pour en recevoir la deuxième fréquence de modulation. Le Les inventeurs ont proposé une interprétation théorique signal d'erreur fourni par le détecteur de phase 33 indique un simplifiée de leurs observations.

décalage de la fréquence de résonance de la cavité 10 par rapport Si l'on présente à l'entrée de la cavité vide un signal compre-à la fréquence porteuse coQ. Le signal d'erreur, traité par l'inté- 50 nant essentiellement une porteuse coQ et deux bandes latérales grateur 35, est utilisé pour commander une capacité variable 36 déphasées de 180 degrés et symétriques aux fréquences cûq + com couplée à la cavité 10, ce qui permet d'en faire varier légèrement et coQ - com, coQ étant très voisine de la fréquence de résonnance la fréquence de résonance coc en vue de la corriger. de la cavité coc, la boucle de réglage de la cavité fournit un signal

En résumé, dans un tel maser, le signal modulé en phase aux d'erreur de la forme fréquences co^ (0,3 Hz) et a)£ ( 12 kHz) interroge, respectivement, 55

E = A + D S (1)

O £ O

où e = (A, A ) cos (1) t + (D, + D ) sin a) t (2)

+ — - m + m

S = (D, - D ) cos 03 t - (A, + A ) sin ut (3)

+ - m + - m

635 707

4

Dans ces équations, les expressions A0, A +, A _ représentent l'absorption de la cavité à différentes fréquences:

A+ = A ( wQ + u)m)

A0 = A ( cûq)

A_ = A C oj q - w m),

l'absorption en fonction de la fréquence répondant à l'équation. A ( 03 ) = Y2

y + C 03 - 03q )

dans laquelle y est la demi-largeur de la courbe de résonance.

Les expressions D0, D+, D_ représentent la dispersion de la cavité aux fréquences respectives cûq, coq + com, coq — wm, la dispersion répondant à l'équation

/ \ (03 - 03,, )

J 9 (5)

2 2

Y + ( 03 - 03q)

Si l'on introduit dans la cavité des atomes d'hydrogène susceptibles d'émission stimulée, il faut modifier dans l'équation ( 1) les expressions A0 et D„ selon les substitutions suivantes :

Ao * Ao' + AH <6)

où Ah représente le gain dû à la présence des atomes d'hydrogène, et Dh la dispersion associée.

La substitution (6) implique simplement un changement de l'importance du terme (A» 4- AH) e du signal d'erreur de la cavité.

En revanche, la substitution (7) a pour effet que dans le terme (D0 + Dh) • S, la dispersion DH domine complètement. En effet, le rapport DH/D() vaut

Il en résulte que DH est supérieur de plusieurs ordres de grandeur à D0. Typiquement DH/D0 = 1 • 10+4pour

03q - 03^ =0,3 2îr RAD/sec. et 03q - 03q = 1 • 2TT RAD/sec.

On peut considérer l'effet de la modulation à basse fréquence (o£ sur la porteuse comme une fluctuation de fréquence qui fait que la porteuse traverse périodiquement la raie H : Il en résulte que DH change de signe périodiquement au même rythme, ce qui produit une commutation périodique de la phase du signal parasite AM.

Théoriquement, après détection synchrone et intégration, ce signal parasite devrait donc s'annuler et permettre de retrouver le petit signal d'erreur correct ; mais comme le signal parasite est supérieur de plusieurs ordres de grandeur au signal correct, ceci imposerait pour le détecteur synchrone et l'intégrateur des exigences de symétrie exacte absolument irréalisables.

Les inventeurs en ont donc conclu que les deux boucles simultanées ne peuvent être rendues suffisamment indépendantes et que la régulation ne fonctionne pas correctement.