Brevet FR2626686A1 — publié le 19890804

i La présente invention concerne de façon générale des perfectionnements aux étalons de fréquence, et elle porte en particulier sur des procédés et des dispositifs pour décaler de façon précise la fréquence de sortie d'un étalon atomique. On a appliqué de façon générale le terme "horloge atomique" à tout dispositif dont la constance du rythme repose sur l'utilisation de la fréquence d'une raie spec- trale, c'est-à-dire sur la différence d'énergie entre deux états, pour la mesure d'intervalles de temps. Dans cer- tains cas, ces états sont ceux d'un atome, par exemple les deux états dans lesquels l'état fondamental du césium se sépare dans un champ magnétique; dans d'autres cas, ces états sont ceux d'une molécule, par exemple le spectre de vibration de l'ammoniac. On a construit des horloges atomiques satisfai- santes en employant un jet d'atomes de césium. Le jet est séparé en deux composantes de spin, et la composante for- mée par des atomes dans l'un des deux états possibles, par exemple l'état de spin dirigé vers le haut, est introduite dans une chambre résonnante qui est excitée par un oscil- lateur. Les atomes inversent leurs spins, et donc changent d'état, si la fréquence micro-onde de l'oscillateur est égale à la fréquence de résonance. Une seconde séparation du jet donne ensuite à nouveau deux composantes ayant des spins opposés; on peut mesurer les intensités relatives de ces deux composantes et on peut les utiliser pour main- tenir l'oscillateur à la résonance exacte. La période d'oscillation est donc en coincidence avec la fréquence de la raie spectrale, et on peut compter le nombre d'oscilla- tions dans un intervalle de temps, avec des moyens élec- troniques. De tels étalons de fréquence atomiques fournis- sent les fréquences les plus stables dont on dispose. L'horloge au césium qu'utilise le National Bureau of Standards exige l'emploi de césium à l'état de métal vapo- risé, obtenu à partir d'un four électrique. Le processus atomique fait intervenir une transition dans l'axe de pré- cession (et donc dans le champ électromagnétique) de l'électron externe de l'atome de césium. La fréquence exi- gée, dans la gamme radiofréquence, est de 9 192 631 770 Hz (cycles par seconde), et la précision correspond à une va- -13 riation de moins de 1 x 10-. Les laboratoires de métrologie nationaux main- tiennent en fonction de grands ensembles de telles horlo- ges atomiques pour former les bases légales de la mesure du temps dans leurs pays. Ces ensembles d'horloges (ou "échelles de temps") font l'objet de comparaisons interna- tionales par le Bureau International de l'Heure (BIH), à Paris, pour former le Temps Atomique International (TAI). Le BIH établit également une échelle de temps appelée UTC, qui est un compromis entre le temps atomique pur (TAI) et le "temps terrestre" (UTI). Presque toutes les nations basent leur temps officiel sur le temps UTC décalé d'un nombre entier d'heures correspondant aux zones horaires appropriées. Chaque laboratoire de métrologie participant fait évoluer sa forme de réalisation du temps UTC pour approcher la forme de réalisation du BIH. Outre les laboratoires de métrologie nationaux, de nombreux organismes ont besoin de la précision d'horlo- ges atomiques pour divers systèmes. On peut citer à titre d'exemples les systèmes de télécommunications, les systè- mes de navigation électroniques tels que le Loran-C, le Transit et le Global Positioning System, et des labora- toires scientifiques. Il y a à l'heure actuelle des di- zaines de milliers d'horloges atomiques utilisées dans de telles applications. Bien que des horloges atomiques puissent attein- dre des précisions de marche de 1 x 10- 12, ou mieux, les erreurs correspondantes peuvent s'accumuler jusqu'à des erreurs de plusieurs dizaines de microsecondes en une an- née. Bien que ceci puisse sembler insignifiant, de nom- breux systèmes nécessitent ce niveau de précision et pour- raient fonctionner avec une précision encore supérieure. Comme toutes les horloges, les horloges atomiques dérivent et perdent le synchronisme avec une horloge mère. La dif- férence réside seulement dans la grandeur des nombres, et non dans leur importance. Les horloges atomiques ont une stabilité de fré- quence meilleure que leur précision de fréquence. Autre- ment dit, une fois réglée, la fréquence d'un étalon à jet de césium de type caractéristique ne change que faiblement (1,0 x 10o13). Cependant, au moment de la livraison, la fréquence du jet de césium peut présenter par rapport à l'étalon international un écart s'élevant jusqu'à +/-5,0 x 10 12. Par conséquent, il est souhaitable d'avoir la possibilité d'effectuer des réglages fins (+/-3,0 x 10-11) sur des étalons de fréquence atomiques. Par ce moyen, on pourrait régler ou décaler la fréquence de l'horloge loca- le de façon qu'elle concorde plus étroitement avec les étalons nationaux ou un autre système de référence. Cependant, les échelles de temps reconnues de fa- çon internationale sont délibérément réglées de temps en temps. A la fin de chaque année, il peut être nécessaire de régler les échelles de temps reconnues, pour tenir compte de fluctuations dans l'étalon de fréquence primaire. Bien entendu, pour maintenir l'utilité des étalons de fré- quence atomiques, il est souhaitable de décaler leurs si- gnaux de sortie pour les conformer à l'étalon national. La fréquence de sortie de la plupart des horloges atomiques dépend du champ magnétique constant ("champ C") qui est appliqué aux atomes dans la région d'interaction. Ce champ est ce qu'on appelle le champ Zeeman. Un procédé connu pour le réglage fin de la fréquence de sortie d'hor- loges atomiques, consiste à modifier le champ C. On a ce- pendant découvert il y a plusieurs années que de tels ré- glages du champ C n'étaient pas fiables. On a souvent observé qu'après un réglage du champ C la fréquence retour- nait presque à sa valeur de départ. On est remonté à la source de tels problèmes de stabilité, et on a constaté qu'elle résidait dans les blindages magnétiques et leurs effets d'hystérésis. Les experts déconseillent maintenant de façon générale de modifier le champ C pour effectuer un réglage fin de l'horloge. D'autres procédés de l'art antérieur ont utilisé des systèmes de synthèse de fréquence élaborés, avec des réglages complexes de diviseurs de fréquence, pour modifier la fréquence de sortie du dispositif à résonance atomique. De telles configurations de l'art antérieur ont procuré une résolution de réglage correspondant à un pas minimal d'environ 50 x 10.10 Des perfectionnements récents dans les déphaseurs électroniques ont procuré une certaine amélioration de la résolution, mais à un cot considérable. Des étalons de fréquence atomiques caractéristiques cbncor- dent à 1 x 10 11 près, et ce sont ces petites différences qui doivent être annulées par un réglage fin. Le but principal de l'invention est de procurer un étalon de fréquence atomique perfectionné dont la fréquence de sortie puisse être augmentée ou diminuée sélectivement de façon électronique sur une très petite plage. Un but connexe de l'invention est de procurer un étalon de fréquence atomique dans lequel la fréquence de sortie puisse être réglée de façon précise et stable, par petits incréments, de façon à concorder étroitement avec un étalon national ou une autre référence de système. La présente invention procure un système dans le- quel la fréquence d'un oscillateur à quartz commandé par tension est stabilisée en comparant son signal de sortie avec celui d'un étalon de fréquence obtenu à partir d'un appareil à résonance atomique ou moléculaire. Dans le mode de réalisation préféré, un tube à jet de césium est conçu de façon à résonner à une fréquence de transition prédé- terminée. Le signal de sortie de l'oscillateur est modulé en phase et est synthétisé pour produire une fréquence de transition qui est appliquée à l'entrée du résonateur à jet de césium. Le courant de sortie du résonateur à jet de césium est détecté de façon synchrone et il pilote la fréquence de l'oscillateur local. La valeur absolue et le sens du signal d'erreur sont fonctions de la différence entre la fréquence de transition du résonateur et la fréquence synthétisée. Le signal d'erreur est intégré, et le signal de sortie lissé de l'intégrateur est appliqué à l'entrée de l'oscillateur à quartz commandé par tension. Le circuit précédent cons- titue une boucle d'asservissement fermée qui fonctionne de façon à annuler la tension d'entrée de l'intégrateur. L'intégrateur est caractérisé par un gain élevé en courant continu et une constante de temps relativement longue. L'intégrateur réagit au signal de sortie d'erreur du dé- tecteur de phase en commandant la fréquence de sortie de l'oscillateur à quartz commandé par tension, ce qui a pour effet de corriger toute variation relativement lente de la fréquence synthétisée par rapport à la fréquence de tran- sition du résonateur. Selon une caractéristique importante de l'inven- tion, une tension de décalage prédéterminée est appliquée à l'entrée d'un intégrateur avec sommation,dans la boucle de verrouillage de fréquence, pour réaliser le réglage fin du signal synthétisé induisant la transition. Dans cette configuration, la boucle d'asservissement a pour action d'annuler la tension d'entrée de l'intégrateur, qui est maintenant la somme du signal d'erreur détecté et de la tension de décalage intentionnelle. Dans un sens, la ten- sion de décalage fait fonctionner l'asservissement à une fréquence "décalée". Des variations à longue constante de temps dans le signal de sortie de l'oscillateur à quartz sont corri- gées automatiquement par le signal de réaction qui est appliqué par l'intermédiaire de l'intégrateur à l'entrée de l'oscillateur à quartz commandé par tension. En outre, du fait que la boucle d'asservissement annule la tension résultante à l'entrée de l'intégrateur, le circuit induit une erreur de fréquence qui compense exactement le déca- lage de tension intentionnel dans l'intégrateur. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention seront mieux compris à la lecture de la descrip- tion détaillée qui va suivre d'un mode de réalisation, et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est un schéma synoptique simplifié d'un système de stabilisation de fréquence, dans lequel le signal de sortie d'un oscillateur à quartz est stabili- sé par un résonateur atomique, et dans lequel des moyens électroniques sont prévus pour effectuer un réglage fin de la fréquence de fonctionnement du résonateur atomique; et la figure 2 est un schéma synoptique développé qui illustre un mode de réalisation préféré de l'invention. Dans la description qui suit et les dessins, les éléments similaires sont toujours désignés par les mêmes références numériques. En considérant maintenant la figure 1 des dessins, on voit un oscillateur piloté par quartz, 10,qui produit un signal de sortie 12 dont la fréquence doit être stabili- sée par rapport à une fréquence de transition de mécanique quantique d'un appareil à résonance atomique ou moléculaire 14, comme par exemple un résonateur à jet de césium. Un signal de fréquence d'excitation 16 est élaboré à partir du signal de sortie 12 de l'oscillateur. Le signal de sortie régulé 12 de l'oscillateur 10 est tout d'abord appliqué à une entrée d'un modulateur de phase 18. Le signal de sortie régulé est modulé par un si- gnal de référence de basse fréquence 20 qui est produit par l'oscillateur 22. Dans cette configuration de modula- tion, le signal de sortie régulé 12 constitue le signal porteur, et le signal de référence de basse fréquence 22 constitue le signal d'information. Le signal de sortie 24 du modulateur de phase 18 est appliqué à l'entrée d'un synthétiseur 26 qui produit le signal 16 induisant une transition hyperfine. Le synthétiseur 26 comprend des multiplicateurs de fréquence, consistant en générateurs d'harmoniques et de sous-harmoniques, qui réagissent au signal d'attaque modulé en phase 24 en produisant le si- gnal 16 induisant la transition hyperfine, avec une fré- quence voisine de la fréquence centrale de résonance de la transition hyperfine, fr. Du fait que le signal 16 induisant la transition est modulé à une fréquence relativement basse, par exemple 500 Hz, le signal de sortie 28 du résonateur atomique 14 contient l'information d'erreur de fréquence, à la même fréquence basse. La phase du signal de sortie audio 28 est comparée avec la phase du signal de référence de basse fréquence 20 dans un amplificateur à verrouillage 30, qui comprend un circuit détecteur de phase. On utilise une comparaison de phase pour verrouiller la phase du signal de référence 12 que produit l'oscillateur commandé par tension 10, sur la phase du signal de sortie 28 que pro- duit le résonateur 14. Le nombre de transitions d'états atomiques dans le résonateur de fréquence atomique 14 est maximal lorsque la fréquence du signal 16 induisant la transition et modu- lé en phase, est égale à la fréquence centrale de résonan- ce de la transition hyperfine du résonateur 14. Lorsque la fréquence du signal 16 induisant la transition est infé- rieure ou supérieure à la fréquence centrale de résonance de la transition hyperfine, le nombre de transitions qui apparaissent est inférieur au maximum, d'une quantité re- présentative de la différence de fréquence. La distribution temporelle des transitions d'états varie conformément à la différence entre la fréquence cen- trale du signal 16 induisant la transition et modulé en phase, et la fréquence centrale de résonance de la transi- tion hyperfine. Lorsque la fréquence du signal induisant la transition et la fréquence centrale de résonance coincident, le signal de sortie 28 que produit le résonateur 14 est en phase avec le signal de référence 20, ce qui fait que le signal de sortie 32 de l'amplificateur à verrouillage 30 est égal à zéro. La phase du signal.de sortie 28 du résonateur et la phase du signal de référence 20 sont comparées par le détecteur de phase dans l'amplificateur à verrouillage 30, et celui-ci génère un signal d'erreur à courant continu 32 dont la polarité dépend des phases relatives des signaux de fréquence comparés, et dont la valeur absolue est proportionnelle à l'écart de la fréquence centrale du signal induisant la transition, par rapport à la fréquence centrale de résonance du résonateur. Lorsque la fréquence centrale du signal modulé en phase est supérieure à la fréquence centrale de résonance de la transition hyperfine, un signal d'erreur positif proportionnel à la différence de phase est généré, et lors- que la fréquence centrale est inférieure à la fréquence centrale de résonance, un signal d'erreur négatif propor- tionnel à la différence de phase est émis par l'amplifica- teur à verrouillage 30. - Le signal de sortie 32 de l'amplificateur à ver- rouillage est appliqué à l'entrée de l'oscillateur commandé par tension 10, par l'intermédiaire d'un intégrateur avec sommation, 34. Le signal d'erreur 32 est lissé par l'inté- grateur 34, de façon à produire un signal de correction à courant continu 36. Le circuit précédent constitue une boucle de ver- rouillage de phase qui est sensible à des changements du signal de sortie d'erreur provenant du résonateur 14. Par conséquent, de tels changements sont rapidement compensés sous l'effet du signal de correction à courant continu qui est appliqué à l'entrée de l'oscillateur 10. Une erreur transitoire à court terme, induite par du bruit dans le modulateur ou le circuit synthétiseur, est compensée et le signal d'erreur 32 est ramené à une condition de zéro après la dissipation du transitoire. Cependant,dil existe un signal d'erreur dû à la dérive ou au vieillissement du quartz utilisé dans l'oscillateur 10, il apparaît un si- gnal d'erreur 32 qui augmente ou diminue la fréquence de sortie 12 de l'oscillateur, jusqu'à ce que le décalage de fréquence soit corrigé. Comme mentionné précédemment, il est quelquefois souhaitable d'augmenter ou de diminuer sélectivement la fréquence de sortie de l'étalon 14, sans modifier ses pro- priétés physiques. Conformément à l'invention, la fréqẻn- ce centrale de résonance de la transition hyDerfine du ré- sonateur atomique 14 reste fixe, et un signal de décalage à courant continu 38 est appliqué à l'entrée d'un intégra- teur avec sommation, 34, dans la boucle de verrouillage de fréquence. Du fait que la boucle de verrouillage de fré- quence a pour action d'annuler la tension résultante à l'entrée de l'intégrateur, il apparaîtra un signal d'er- reur de phase 32 qui compense exactement le décalage in- tentionnel que produit le signal de décalage 38. Ceci pro- duit une augmentation ou une diminution correspondante de la fréquence de sortie d'oscillateur du signal 12, et le synthétiseur 26 continue à appliquer à sa fréquence d'en- trée une translation correspondant à un facteur constant. On pourra mieux comprendre la manière selon la- quelle on produit un réglage incrémentiel de la fréquence de sortie du résonateur 14, en considérant le fonctionne- ment d'un étalon de fréquence réglable, représenté par le mode de réalisation préféré de l'invention que montre la figure 2. Initialement, le signal de sortie régulé 12 que produit l'oscillateur à quartz commandé par tension 10 est modulé en phase par le modulateur 18, et est transformé par un circuit synthétiseur 42, dans le circuit svnthêti- seur 26, pour produire un signal 16 induisant la transi- tion hyperfine, qui a une fréquence centrale fc qui est égale à la fréquence centrale de résonance de la transi- tion hyperfine, fr, du résonateur à jet de césium 14. La fréquence du signal de sortie régulé 12 que produit l'éta- lon à oscillateur à quartz commandé par tension, est fixée à une fréquence initiale f Pour régler la fréquence de sortie de l'étalon atomique de façon à lui donner une fréquence supérieure à sa fréquence initiale, le signal de correction à courant continu 36 que produit l'intégrateur 34 est modifié par l'intégration d'une tension de décalage E produite par le signal de décalage à courant continu 38, afin de changer la fréquence du signal de sortie 12 que produit l'oscilla- teur de charge 10, d'une quantité incrémentielle qui est proportionnelle à la différence entre la fréquence initia- le fl et la fréquence supérieure désirée f2'. Sous l'effet de ce décalage de fréquence incrémentiel, la fréquence centrale synthétisée fc est décalée vers une nouvelle fré- quence supérieure à sa valeur initiale, d'une quantité proportionnelle à la différence entre fl et la fréquence désirée f2' Pour un synthétiseur, fsortie/fentrée = cons- tante. Par conséquent, le signal de sortie du synthétiseur doit présenter le même changement proportionnel que l'en- trée. Du fait que la fréquence centrale de résonance de la transition hyperfine, fr' et la nouvelle fréquence centra- le synthétisée fc' ne coïncident plus, il apparaît un si- gnal d'erreur 32 qui est proportionnel'à la différence en- tre fr et fc. Le signal d'erreur est amplifié par l'ampli- ficateur 46 pour produire un signal d'erreur amplifié 32A qui est appliqué à l'une des entrées de l'intégrateur avec sommation 34. Le signal de décalage E et le signal d'erreur. amplifié 32A sont sommés et intégrés par l'intégrateur 34, et ils font ainsi passer à zéro la tension d'entrée résul- tante de l'intégrateur 34. Ceci exige que f soit suffi- o samment supérieure à fr pour produire la tension d'équili- brage 32A capable de compenser la tension de décalage E. Une tension de décalage E de 1 mV produit un dé- calage de fréquence d'environ 1 x 10- 12. Du fait que des étalons de fréquence caractéristiques ont des largeurs de raie d'environ 500 Hz, soit environ 5,0 x 10-8, la possi- bilité d'effectuer un réglaqe sur une plage de +/-3,0 x -11 assure une couverture d'environ 0,1% de la largeur de raie, et produit un réglage raisonnablement linéaire sur la plaqe +/-3,0 x 101. Le signal de décalage à courant continu 38 pour le réglage:fin est produit de façon numérique, par un mi- croprocesseur 48, dans le mode de réalisation préféré. Dans la configuration représentée sur la figure 2, un si- gnal de décalage analogique 50 est sélectionné manuelle- ment dans un dispositif d'entrée de décalage 52. Le signal de décalage analogique 50 est converti en un mot de don- nées numérique par un convertisseur analogique-numérique 54. Le mot de données numérique est appliqué au micropro- cesseur 48 par l'intermédiaire d'un bus de données 56. Le microprocesseur 48 génère un mot de données numérique spécifique qui correspond à l'incrément de décalage dési- ré, et il l'applique par un bus de données 58 à l'entrée d'un convertisseur numérique/analogique 60. Le signal de sortie 38 du convertisseur numérique/analogique 60 est un signal de décalage à courant continu, de précision, qui produit la tension de décalage E désirée sur le noeud de sortie d'un circuit diviseur de tension 62. Bien qu'on ait décrit l'invention en considé- rant un mode de réalisation spécifique, et un étalon à résonateur à jet de césium spécifique, la description qui précède ne doit pas être prise dans un sens limitatif. Di- verses modifications du mode de réalisation décrit, ainsi que d'autres applications de l'invention, apparaîtront à l'homme de l'art sur la base de la description et des illustrations. REVENDICATIONS 1. Etalon de fréquence stabilisé et à fréquence réglable, caractérisé en ce qu'il comprend: un résonateur de fréquence atomique (14) produisant un signal (28) à une fréquence qui correspond à une fréquence de résonance d'une transition de mécanique quantique, un oscillateur à fréquence variable (10) destiné à produire un signal d'éta- lon de fréquence (12) à une première fréquence sélection- née, un oscillateur à fréquence fixe (22) dont la fréquence d'oscillation est relativement basse en comparaison avec la fréquence de sortie de l'oscillateur à fréquence varia- ble (10), un modulateur de phase (18) connecté de façon à recevoir le signal (12) de l'oscillateur à fréquence va- riable et le signal (20) de l'oscillateur à fréquence fixe, et capable de produire un signal de sortie modulé en phase (24), des moyens de multiplication de fréquence (26) con- nectés de façon à recevoir le signal de sortie modulé (24) et à produire à partir de celui-ci un signal (16) indui- sant une transition hyperfine, dont la fréquence est un multiple de la fréquence de l'oscillateur à fréquence va- riable (10), des moyens (30Y destinés à comparer la phase du signal de sortie que produit le résonateur de fréquence atomique (14) sous l'effet de l'application du signal (16) induisant une transition hyperfine, avec la phase du si- gnal de référence de fréquence basse (20), pour générer un signal d'erreur (32) représentatif de leur différence de phase, des moyens de sommation (34) qui appliquent le si- gnal d'erreur de phase (32) à l'entrée de l'oscillateur commandé par tension (10), et des moyens de décalage (40) connectés aux moyens de sommation (34), pour combiner un signal de décalage fixé (38) avec le signal d'erreur (32). 2. Etalon de fréquence stabilisé, du type compre- nant un résonateur de fréquence atomique (14) qui fournit un signal (28) à une fréquence qui correspond à une fré- quence de résonance d'une transition de mécanique quanti- que, un oscillateur à fréquence variable (10) destiné à produire un signal d'étalon de fréquence (12) ayant une fréquence sélectionnée, un oscillateur (22) destiné à pro- duire un-signal de modulation de fréquence relativement basse (20), un modulateur de phase (18) destiné à moduler en phase le signal de sortie (12) de l'oscillateur à fré- quence variable, avec le signal (20) de l'oscillateur à fréquence relativement basse, des moyens de transformation de fréquence (26) connectés de façon à recevoir le signal modulé en phase 124), PDour produire un signal (16) indui- sant une transition hyperfine, en vue de 1' application au résonateur atomique (14), des movens détecteurs de phase (30) connectés à la sortie du résonateur atomique (14) et de l'oscillateur à fréquence relativement basse (22), pour détecter une différence de phase entre les deux signaux (28, 20), et pour produire un signal d'erreur (32Y propor- tionnel à cette différence, et des moyens d'intégration (34) qui sont connectés de façon à recevoir le signal d'erreur (32) et à produire sous l'effet de celui-ci un signal de correction lissé (36), pour modifier la fréquen- ce de sortie de l'oscillateur à fréquence variable (10), caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de décalage (40) connectés à l'entrée de l'intégrateur (34) pour ajou- ter un signal de décalage à courant continu (38) au signal d'erreur de phase (32).