Brevet FR2077965A1 — publié le 19711105

La présente invention a pour objet un procédé de modification des caractéristiques d'une onde hyperfréquence, c'est-à-dire un procédé permettant de faire varier les caractéristiques, telles que l'intensité, la fréquence et la phase, d'une onde 5 hyperfréquence. L'invention a également pour objet un dispositif miniaturisé pour ondes hyperfréquences comportant application dudit procédé et dont la réalisation peut prendre de nombreuses formes. Ce dispositif de très petites dimensions peut par exemple être un atténuateur variable ou non, un filtre accordable ou 10 non, une cavité résonnante, une ligne à retard dont le retard peut être contrôlé très facilement, un modulateur, etc.-. . La modification des caractéristiques d'une onde hyperfréquence se propageant dans un dispositif est généralement obtenue par variation des dimensions ou des particularités élec-15 triques du dispositif. C'est ainsi que pour une cavité résonnante, par exemple, la fréquence d'une onde hyperfréquence injectée dans la cavité varie lorsque l'on modifie des dimensions de la cavité, en déplaçant une paroi par exemple. Son intensité également peut être 20 changée en enfonçant plus ou moins à l'intérieur de la cavité une substance diélectrique absorbante ce qui a pour effet de perturber plus ou moins la configuration des lignes de champs magnétique et électrique à l'intérieur de la cavité. De même, on utilise couramment des diaphragmes variables obturant plus ou 25 moins le trou de couplage de la cavité résonnante par lequel on injecte les ondes hyperfréquences. L'intensité d'une onde hyperfréquence peut également être modifiée en plaçant sur son .parcours un élément réactif tel qu'une diode à semiconducteur polarisée dans le sens direct ou inverse, 30 les variations d'intensité étant dues à la perturbation des lignes de champs électrique et magnétique associés à l'onde hyperfréquence. Dans toutes ces méthodes, on utilise un élément soit passif (un diélectrique par exemple), soit actif (une diode à semiconducteur), des moyens mécaniques permettant de modifier 35 les dimensions d'une cavité résonnante ou d'un guide d'onde ou encore d'obturer plus ou moins un trou de couplage. La réalisation des circuits pour ondes hyperfréquences pose alors de sérieuses difficultés lorsque l'on désire les miniaturiser. 70 0/133 2 2077965 L'invention fournit un procédé et un dispositif correspondant mieux que ceux de l'art antérieur aux exigences de -la pratique, notamment en-ce que ledit procédé permet de faire varier les caractéristiques d'une onde hyperfréquence sans aucun 5 moyen mécanique et en ce que -le dispositif, comportant de nombreux modes de réalisation, peut être, d'une part, facilement intégré à des circuits miniaturisés et, d'autre part., commanda-ble très aisément et progressivement. Dans ce but, l'invention propose un procédé de modifica-10 tion des caractéristiques d'une onde d'hyperfréquence.se propageant dans une structure.composée au moins d'un élément comportant deux couches métalliques superposées et en bon contact électrique sur toute leur surface commune, l'une étant supracon-ductrice, caractérisé en ce que l'on fait agir un champ magnéti-15 que sur ledit élément, la direction dudit champ magnétique étant sensiblement parallèle audit élément, et en ce que l'on fait varier l'intensité dudit champ magnétique de façon à modifier l'épaisseur de la zone de supraconductivité induite dans ladite couche métallique non supraconductrice et, de ce fait, modifier la 2 0 profondeur de pénétration de l'onde hyperfréquence dans ledit élément.. • L'invention propose également un dispositif miniaturisé pour ondes hyperfréquences comportant application dudit procédé, caractérisé en-ce qu'il comporte au moins un élément formé de 25- deux couches métalliques superposées et en bon contact électrique sur toute leur surface commune, l'une -étant supraconductrice, et des-moyens pour créer un champ magnétique de direction sensiblement parallèle auxdites couches. L'invention sera mieux comprise à l'aide.de la descrip-30 tion qui auit.de modes d'exécution de l'invention donnés à titre- d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent dans lesquels: - la fig. 1 montre la variation de l'épaisseur de la zone de supraconductivité induite dans.une couche de zinc asso- 35 ciée à une couche d'un alliage d'indium et de bismuth en fonction de l'intensité du champ magnétique H, . - la fig. 2 illustre le procédé de l'invention, 70 07133 3 2077965 - la fig. 3 représente une cavité résonnante pour ondes hyperfréquences conforme à l'invention, - la fig. 4 représente une ligne de transmission à épaisseur réduite conforme à l'invention et pouvant être utilisée 5 par exemple comme atténuateur ou comme filtre et, - la fig. 5 représente une ligne à retard conforme à 1'invention. L'invention utilise un effet physique appelé "effet de proximité". On désigne par effet de proximité l'influence 10 réciproque sur leurs propriétés supraconductrices de deux métaux juxtaposés et en bon contact électrique, l'un des métaux étant supraconducteur même s'il est considéré isolément. D'un point de vue microscopique, la supraconductivité est due à la présence d'électrons supraconducteurs. Le fait de juxtaposer, 15 à une température déterminée, ton métal normal N à un métal supraconducteur S, offre aux électrons supraconducteurs de S la possibilité de diffuser dans le métal N. On remarque alors l'apparition de propriétés supraconductrices dans N et la création d'une zone de supraconductivité induite d'épaisseur 1_. Cette 20 zone est située dans le métal N directement en contact avec la surface du métal supraconducteur S. L'épaisseur 1^ de la zone de supraconductivité induite dépend très fortement de l'intensité du champ magnétique H appliqué parallèlement à la jonction N - S. Cette variation est représentée sur la fig.l 25 dans laquelle 1 est exprimée en Angstrôms et H en oersteds. On note que les valeurs de H sont très inférieures à celles du champ critique du supraconducteur qui fait passer celui-ci à l'état normal. L'épaisseur 1 dépend des matériaux choisis pour réaliser la jonction N-S, de la valeur de l'intensité du champ magnétique 30 appliqué et du choix de la température de fonctionnement de l'élément N-S. L'épaisseur 1^ est susceptible selon les couples de matériaux choisis d'être de l'ordre de plusieurs milliers d'Angstrôms. Le procédé, selon la présente invention, utilise deux 35 propriétés de la supraconductivité induite dans le métal normal N: d'une part la diminution de la résistance électrique du métal N et d'autre part l'effet MEISSNER, c'est-à-dire l'expulsion de tout champ magnétique d'une région supraconductrice. Ces deux propriétés modifient l'épaisseur de peau du métal normal et donc 40 la pénétration d'une onde hyperfréquence en contact avec le 70 07133 4 2077965 métal N d'un élément N-S. Sur la fig.2, qui illustre le procédé, on a représenté un élément N-S. Lorsqu'une onde hyperfréquence est en contact avec le métal N d'un élément N-S, cette onde pénètre dansr le métal 5 N suivant une profondeur de pénétration £ dépendant (pour un élément donné) de la valeur de l'intensité du champ magnétique H appliqué parallèlement à la jonction de l'élément S-N. Lorsque l'intensité de ce champ magnétique est suffisamment élevée, la supraconductivité induite dans N est pratiquement détruite. La 10 pénétration de l'onde hyperfréquence dans N correspond alors à la valeur £ de l'effet de peau normal. Cette valeur est donnée par la relation: 1/2 P = ( TT e U f > (1) 15 dans laquelle f est la fréquence de l'onde hyperfréquence, y et e représentant respectivement la permittivitê et la conductivité du métal N. On remarque que la valeur £ de l'effet de peau est liée à la fréquence f de 1'onde hyperfréquence. Lorsque l'on diminue l'intensité du champ magnétique H, 2 0 l'épaisseur 1 de la zone de supraconductivité induite augmente. La valeur maximale de 1. est obtenue lorsque l'on supprime l'action de H. Tout flux magnétique étant exclu d'une zone de supraconductivité (effet MEISSNER), la profondeur de pénétration de l'onde hyperfréquence est réduite à une valeur égale à d. 25 La variation de l'intensité du champ magnétique H fournit donc un procédé très commode de faire varier l'épaisseur de peau du métal N. La variation de la profondeur de pénétration de l'onde hyperfréquence entraîne une modification de l'impédance de surface du métal N donc, d'une part, des pertes dans N plus ou moins gran- 30 des pour l'onde hyperfréquence et, d'autre part, une modification de la réponse en phase ou en fréquence selon la structure dont fait partie l'élément N-S. Sur la fig.3 qui représente une cavité résonnante pour ondes hyperfréquences conforme à l'invention, la paroi 2 de ladi- 3 5 te cavité est constituée d'un élément N-S, le métal non supracon ducteur N étant à l'intérieur de la cavité. Les ondes hyperfréquences sont injectées par le trou de couplage 4. Lorsque l'intensité du champ magnétique H, appliqué parallèlement à la paroi 2 70 07133 5 2077965 suivant la direction indiquée par la flèche de la fig.3, est suffisamment élevée, la supraconductivité induite en N par la proximité de S est pratiquement détruite. Lorsque l'on diminue l'intensité de H, l'épaisseur 3. de la zone de supraconductivité 5 induite augmente et la profondeur de pénétration de l'onde hyperfréquence dans le métal N de la paroi 2 diminue. Ainsi, en faisant varier l'intensité de H, la dimension électrique b de la cavité peut être modifiée (voir fig.2) d'une longueur égale à (p - d). La longueur d'onde d'une onde hyperfréquence en résonan-10 ce dans la cavité sur le mode TE0il est donnée par la relation: 1 1 ~1/2 X = 2 ( * + —J— > (2^ b c b et c représentant les dimensions de la cavité comme indiquées 15 sur la fig. 3. Comme la profondeur de pénétration est très inférieure à la dimension b, on peut assimiler la modification de la dimension b à un petit accroissement (p - d). La variation AA de la longueur d'onde, ainsi que la variation Af de la fréquence de 20 résonance, obtenues en dérivant la relation (2), peut alors s'exprimer par la relation: A à _ Af X2 (p - d) frn r~ f ? ' ± 4b 25 Pour une cavité résonnante vers 1010Hz (f = 1010}, la relation (3) conduit à une variation relative de fréquence Af «5 —égale à 10 .On a ainsi un dispositif non mécanique permettant une exploration de fréquence avec des pertes qui ne sont pas plus grandes, que celles d'une paroi de métal normal à même tem-30 pêrature. De plus, l'effet de proximité permet une commande progressive. On peut donc envisager le pilotage en fréquence de la cavité par un asservissement du courant électrique créant le champ magnétique H, à tout signal résultant des variations des caractéristiques de l'onde hyperfréquence. 35 La cavité résonnante représentée sur la fig.3 peut également être utilisée pour atténuer l'intensité d'une onde hyperfréquence dont la fréquence est stable (stabilisée à l'aide d'un klystron, par exemple). En effet, la valeur de la fréquence 70 07133 6 2077965 de résonance étant déterminée par les dimensions de la cavité (relation 2), la variation de la dimension b produite par modification de l'intensité du champ magnétique H, déplace la fréquence de résonance de la cavité. Si la fréquence de l'onde hyperfréquen-5 ce injectée par le trou de couplage 4 est maintenue constante, l'intensité de l'onde hyperfréquence diminue^d'une quantité plus ou moins grande suivant que la fréquence de résonance de la cavité est plus ou moins éloignée de la fréquence de l'onde injectée, 10 De plus, la variation de l'épaisseur de la zone de supra conductivité induite entraîne une modification de la résistance électrique du métal N pour.l'onde hyperfréquence et, de ce fait, une variation des pertes de l'onde dans N dont l'amplitude dépend du couple de métaux choisis. 15 Sur la fig.4, on a représenté une ligne de transmission à épaisseur réduite conforme à l'invention, désignée souvent par le mot anglais "microstrip". Cette ligne se compose principalement de deux éléments N-S 6 et 8 séparés par un diélectrique 10, les métaux non supraconducteurs N étant en contact avec le diélectri-20 que 10. Des moyens non représentés sur la fig.4 permettent de créer un champ magnétique H de direction parallèle aux éléments 6 et 8 et dans le sens de la propagation des ondes hyperfréquences dans le diélectrique 10. Ces moyens peuvent être par exemple un solénoïde entourant la ligne de transmission. Lorsqu'une 25 onde hyperfréquence se propage dans le diélectrique 10, elle pénètre sur une certaine profondeur dans les métaux N. Cette profondeur dépend de l'épaisseur de la zone de supraconductivité induite dans les métaux noii supraconducteurs, laquelle varie avec l'intensité du champ magnétique H. La variation de H 3 0 entraînant une modification de la résistance électrique du métal N par modification de l'épaisseur de peau, les pertes subies par l'onde hyperfréquence se propageant dans le diélectrique 10 pourront donc'être modifiées. Cette ligne de transmission joue donc avantageusement le rôle d'un atténuateur variable. 35 De plus, la bande passante d'une ligne de transmission dépend de l'épaisseur de peau des parois encadrant le diélectrique 10. Cette épaisseur pouvant être très facilement modifiée par supraconductivité induite, la bande passante en fréquence de la ligne de transmission représentée sur la fig.4 peut être 70 07133 7 2077965 facilement modifiée, ou accordée, continuement et progressivement par simple variation de l'intensité du champ magnétique H. Cette ligne de transmission peut donc être utilisée comme filtre de fréquence. 5 II est bien évident qu'une ligne de transmission à épais seur réduite conforme à l'invention peut être constituée d'un seul élément N-S. Le dispositif représenté sur la fig.5 est une ligne à retard supraconductrice à effet de proximité. Cette ligne à retard 10 est formée d'une ligne de transmission à faible épaisseur de diélectrique, ayant au moins un élément N-S pour paroi. Cette ligne peut être réalisée suivant la configuration en créneaux schématisée sur la figure 5 pour augmenter l'amplitude du retard pour un encombrement donné. Les valeurs de f et de 3 sont du 15 même ordre de grandeur et beaucoup plus grandes que la valeur de e. Le retard, c'est-à-dire le décalage entre la vitesse de phase et la vitesse de propagation de l'onde, est dû à la composante induc-tive de l'impédance de surface. Il est d'autant plus important que l'épaisseur e du diélectrique de la structure est faible. 2 0 Pour une structure donnée, on peut faire varier très simplement le retard de l'onde hyperfréquence en modifiant sa profondeur de pénétration dans N par variation du champ magnétique H. On possède donc un moyen très simple de retarder à volonté une onde hyperfréquence et, de ce fait, le dispositif représenté sur la 25 figure 5 peut être utilisé comme une ligne à retard continuement variable. A titre d'exemple, une ligne à retard conforme à l'invention peut être réalisée à l'aide d'un substrat de tantale massif surmonté d'une couche d'oxyde de tantale de quelques centaines 30 d'Angstrôms sur laquelle on évapore la couche N, puis la couche S. La couche N peut être réalisée en étain et la couche S en plomb, l'élément N-S fonctionnant alors à une température approximative de 4,2°K. L'intensité du champ magnétique appliqué est très faible et ne dépasse pas quelques dizaines de Gauss. 35 Les avantages de la présente invention sont nombreux. Ils permettent tout d'abord de réaliser des dispositifs miniaturisés pour ondes hyperfréquences capables, à l'aide de moyens non mécaniques, de modifier les caractéristiques des ondes 70 07133 8 2077965 hyperfréquences. Leur bande d'utilisation en fréquence est extrêmement large: elle peut s'étendre à des fréquences de l'ordre du GHz jusqu'à 100GHz. Leurs.réalisations en série ne présentent pas de difficulté par rapport aux techniques des films minces 5 déjà utilisées dans l'industrie électronique. Enfin leur stabilité dans le temps est excellente. Il va sans dire que la présente invention ne se limite pas aux seuls modes de réalisation qui ont été représentés et décrits à titre d'exemples et que la portée du présent brevet 10 s'étend à tout ou partie de telles dispositions, restant dans le cadre des équivalences, ainsi qu'à toutes applications de telles dispositions. En particulier, le dispositif représenté sur la fig. 4 peut être utilisé comme modulateur d'une onde hyperfréquence en modulant le champ magnétique H. La ligne à retard représen-15 tée sur la fig. 5 peut avoir une autre forme: il importe uniquement qu'elle comporte une épaisseur de diélectrique comparable à la profondeur de pénétration dans N. 70 07133 9 2077965 REVENDICATIONS Ie! Procédé de modification des caractéristiques d'une onde hyperfréquence se propageant dans une structure composée au moins d'un élément comportant deux couches métalliques super-5 posées et en bon contact électrique sur toute leur surface commune, l'une étant supraconductrice, caractérisé en ce que l'on fait agir un champ magnétique sur ledit élément, la direction dudit champ magnétique étant sensiblement parallèle audit, élément et en ce que l'on fait varier l'intensité dudit champ 10 magnétique de façon à modifier l'épaisseur de la zone de supraconductivité induite dans ladite couche métallique non supraconductrice et, de ce fait, modifier la profondeur de pénétration de l'onde hyperfréquence dans ledit élément. 2°) Dispositif miniaturisé pour ondes hyperfréquences 15 comportant application du procédé défini à la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un élément formé de deux couches métalliques superposées et en bon contact électrique sur toute leur surface commune, l'une étant supraconductrice, et des moyens pour créer un champ magnétique de direction sensi-20 blement parallèle auxdites couches. 3°) Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que ledit élément est réalisé par dépôts successifs sur un substrat de deux couches métalliques dont l'une est supraconductrice . 25 4°) Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits dépôts sont effectués sous vide par évaporation thermique des métaux constituant lesdites couches. 5°) Dispositif suivant la revendication 2, 3 ou 4, caractérisé en ce qu'il comporte deux dits éléments superposés, paral-30 lèles et séparés par un matériau diélectrique, les couches métalliques non supraconductrices étant en regard dudit matériau diélectrique, ledit dispositif pouvant être utilisé comme atténuateur et comme filtre de fréquence. 6°) Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé en 35 ce que les pertes dudit atténuateur et la bande passante dudit filtre de fréquence sont variables en fonction de l'intensité dudit champ magnétique. 7°) Dispositif suivant la revendication 2, 3 ou 4, caractérisé en ce qu'il est constitué d'une cavité résonnante pour 70 07133 10 2077965 ondes hyperfréquences dont au moins l'une des parois est réalisée à l'aide dudit élément, ladite couche métallique non supraconductrice étant à l'intérieur de ladite cavité et ladite direction dudit champ magnétique étant sensiblement perpendicu-5 laire à la direction de propagation desdites ondes -hyperfréquences dans ladite cavité. 8°) Dispositif suivant la revendication 7, caractérisé en ce que ses pertes et sa fréquence sont variables en fonction de l'intensité dudit champ magnétique. 10 9°) Dispositif suivant la revendication 2, 3 ou 4, carac térisé en ce que ledit élément constitue une ligne à retard. 10°) Dispositif suivant la revendication 9, caractérisé en ce que le retard est variable en fonction de l'intensité dudit champ magnétique.