Elisa, une référence de fréquence ultrastable pour l'Agence Spatiale Européenne
Résumé
Elisa is a cryocooled sapphire oscillator (CSO) intented for the new Deep Space Network ground station of the ESA. This oscillator is required to achieve a frequency stability σy (τ) ≤ 3 × 10−15 for τ ∈ [1 − 1000s] and a phase noise Sφ (1Hz) = −96dBc/Hz with scheduled maintenance of 2 years. This frequency standard must include a frequency synthesis with outputs at 10GHz, 100MHz and 5MHz showing identical CSO's stability. Elisa consists of a sapphire resonator (monocristal Al2 O3 puck) excited on whispering gallery modes (WG) and cooled down at 4.2K in a cryocooler. At this temperature unloaded Q-factors are around 1 × 109 . From our knowlege and the literature, W GH15,0,0 mode was chosen. Its resonant frequency was definied to simplify the frequency synthesis conception and to avoid frequency transitions of paramagnetic impurities. It was fixed at 10GHz - D where D is a confidence interval of 10MHz taking into account the manufactering tolerances. It can be easily compensated with the use of a Direct Digital Synthesizer (DDS) included in the frequency synthesis in order to reach 10GHz. The dimensions of the resonator were calculated by finite elements method. Different coupling methods were tested to achieve an efficient modal selection. Every component needed for constructing Elisa was analysed in detail. An original method of diode detector amplitude noise measurement, the design of low noise electronics, the principle of a frequency synthesis based on the use of a DDS and the description of two cryogenic technologies are shown. In the last case, we focused our study on the low mechanical vibration cryocooler. The performances demonstrated by Elisa achieve the specifications of the ESA. A frequency stability better than 3 × 10−15 for τ ∈ [1 − 1000s] was measured. A minimum value of 1.4 × 10−15 at τ = 20s was achieved. The phase noise measurement shows Sφ (1Hz) = −101dBc/Hz. Moreover, the frequency synthesis enables the transfer of the Elisa stability at 10GHz and 100MHz. The long term stability of 4.5 × 10−15 /day classifies Elisa at the state-of-the-art in the cryogenic sapphire oscillator category.
Elisa est un oscillateur saphir cryogénique (CSO) dont la vocation est d'équiper la nouvelle station sol de l'ESA. Les performances requises sont une stabilité de fréquence σy (τ) ≤ 3 × 10−15 pour τ ∈ [1 − 1000 s] et un bruit de phase Sφ (1 Hz) = −93 dB.rad2 /Hz pour une autonomie de 2 ans. Cette référence de fréquence doit également possèder des sorties aux fréquences de 10 GHz, 100 MHz et 5 MHz pilotées par le CSO. Elisa intègre dans une boucle d'entretien un résonateur saphir (Al2 O3 ) excité sur des modes de galeries (WG) et refroidi à 4,2 K dans un cryogénérateur. A cette température, le facteur de qualité à vide peut atteindre 1 × 109 . Le mode opérationnel W GH15,0,0 a été choisi par rapport à notre savoir-faire et à la littérature. Sa fréquence de résonance a été fixée à 10GHz - D où D est un “intervalle de confiance” égal à 10 MHz. La fréquence de 10 GHz est suffisament éloignée des fréquences de transition des ions paramagnétiques présents dans le cristal de saphir et l'écart de fréquence D permet de faire face aux tolérances d'usinage. D peut être compensé par l'intermédiaire d'un “Direct Digital Synthesizer” intégré dans le chaîne de synthèse pour atteindre 10 GHz. Les dimensions du cylindre de saphir ont été calculées par la méthode des éléments finis. Après avoir validé les caractéristiques du résonateur, différentes méthodes de couplage ont été expérimentées dans le but d'atteindre une sélection modale performante. Tous les éléments nécessaire à la construction d'Elisa sont analysés en détails. Une méthode originale de mesure de bruit d'amplitude de détecteurs quadratiques, l'étude d'électroniques faibles bruits, le principe d'une chaîne de synthèse sur base d'un DDS et la description de deux technologies cryogéniques sont présentées. Pour ces dernières, nous avons focalisé notre étude sur un modèle de cryogénérateur à faible vibration mécanique. Les performances démontrées par Elisa satisfont le cahier des charges de l'ESA. Une stabilité de fréquence inférieure à 3 × 10−15 a été mesurée pour τ ∈ [1 − 1000 s]. Elle atteint 1, 4 × 10−15 à τ = 20 s. La mesure de bruit de phase montre Sφ (1 Hz) = −98 dB.rad2 /Hz. La chaîne de synthèse permet le tranfert des performances du CSO aux fréquences de 10 GHz et 100 MHz. La stabilité journalière de 4, 5 × 10−15 place Elisa à l'état-de-l'art.
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