Brevet FR2258714A1 — publié le 19750818

La présente invention concerne un dispositif hyperfréquence à jonction JOSEPHSON. On sait que les jonctions JOSEPHSON sont constituées d'une barrière électrique fine isolante ou semi-conductrice entre deux électrodes en matériau supra-conducteur. Dans une forme particulière de réalisation, les jonctions JOSEPHSON sont dites "planes" lorsque la barrière est enserrée entre deux lames électrodes supra-conductrices. Les jonctions JOSEPHSON se sont avérées de bons émetteurs ou récepteurs d'ondes électro-magnétiques et en particulier d'ondes électro-magnétiques hyperfréquence, c'est-à-dire dans la gamme de longueurs d'ondes comprise entre quelques centimètres et quelques microns. L'inconvénient principal des jonctions JOSEPHSON, et notamment des jonctions JOSEPHSON planes, réside dans les difficultés de transmission énergétique entre la jonction JOSEPHSON et le milieu d'utilisation . On sait en effet, qu'une bonne transmission d'énergie électrique ne se présente que lorsque le récepteur est adapté au générateur. De façon plus précise, il faut que l'impédance du récepteur soit du même ordre de grandeur que l'impédance du générateur et pour obtenir ce résultat, on connecte ce récepteur au générateur par l'intermédiaire d'une impédance, dite impédance d'adaptation, qui associée au récepteur, assure le bon couplage entre celui-ci et le générateur. Dans la quasi-totalité des cas, les différences d'impédances entre récepteur et générateur, si importantes soient-elles, peuvent être compensées par des impédances classiques, parfois associées à des transformateurs d' im- pédance. Il n'en est pas de même lorsqu'on a affaire à une jonction JOSEPHSON, En effet, l'impédance d'une jonction JOSEPHSON est proportionnelle à ltépais partie active de la jonction, c1 est-à-dire à l'épaisseur de la seur de laXbarrière électrique et inversement proportionnelle à la largeur de la jonction, c'est-à-dire à la plus petite des deux dimensions situées dans le plan de la jonction.Or, si l'épaisseur est de l'ordre de 10 à 2000 Angstroems AP, la largeur ne peut, pour de simples raisons technologiques de réalisation, quatre plusieurs milliers, ou dizaine de milliers de fois plus importante. Il en résulte que l'impédance d'une jonction JOSEPHSON est extraordinairement faible de l'ordre du millième d'ohm par exemple. Au contraire, l'émetteur ou le récepteur ont généralement une impédance du même ordre de grandeur que celle du vide, soit 377 ohms.En appliquant la relation mathématique bien connue permettant de calculer le taux de transmission entre une jonction JOSEPHSON, ayant une impédance caractéristique de 4.10 3 ohm et un récepteur ou émetteur ayant une impédance propre de l'ordre de 400 ohms, on arrive à un taux de transmission de 4.10 5, ce qui est excessivement faible et confirme l'absolue nécessité de t:r##éder à une adaptation. ..'insertion entre un émetteur ou récepteur et une jonction JOSEPHSON diunr Xrédance d' adaptation classique conduit à raccorder cette impédance sur la partie active de la jonction, c'est-à-dire sur la barrière isolante ou semi-conductrice. L'un des moyens qui a été proposé est de partir d'un guide d'onde rectangulaire et de lui donner une section réduite, progressivement, ou par paliers, par réduction de la plus petite dimension de sa section transversale initiale, ce qui simultanoment assure une réduction corrélative de l'impédance du guide d'onde.Cependant pour obtenir un résultat appréciable, il serait nécessaire de procéder à une réduction dimentionnelle du guide d'onde telle que sa partie la plus réduite soit de l'ordre de I1 épaisseur de la barrière, c'est-à-dire de l'ordre de 10 à 2000 AO. Or les moyens technologiquement utilisables à ce jour ne permettent guère de descendre en dessous du millimètre, en sorte qu'il ne peut être question d'adapter mécaniquement un guide d'onde à la jonction JOSEPHSON. De même, on a proposé de prolonger latéralement la barrière de la jonction en accroissant son épaisseur initialement de l'ordre de 10 à 1000 Angstroems. Mais cette opération qui constitue un prolongement de l'élaboration de la barrière selon les techniques de dépit en couche mince, généralement effectué par pulvérisation cathodique, ne permet guère d'augmenter l'épaisseur du dépôt que d'un ordre de 10, peut être 100, mais en tout cas pas de l'ordre de 106 qui permettrait d'adapter une telle jonction à un guide préalablement lui-m#me mécaniquement adapté comme décrit plus haut. Malgré l'acuité du problème ainsi posé déjà depuis fort longtemps, aucune solution nta été trouvée, en sorte que l'utilisation industrielle des jonctions JOSEPHSON n'a pas été faite à un degré qui aurait été le sien, si l'énergie avait pu être transmise à une jonction JOSEPHSON, ou extraite de celle-ci, avec un rendement convenable. La présente invention a pour but un dispositif hrperfréquence à jonction JOSEPHSON où une adaptation convenable est procurée entre la dite Jonction et un récepteur. Selon l'invention, la zone de confinement pour un champ électro-ma magnétique hyperfréquence est un guide d'onde adaptateur d'impédance ayant un mode de propagation tel qu'il présente pour la fréquence mise en oeuvre une très faible impédance d'onde. Plus particulièrement, la structure hyperfréquence est une structure à propagation dite "transverse magnétique" ayant une fréquence de coupure peu inférieure à la fréquence de travail. Les modes de propagation d'ondes électro-magnétique dans des guides d'ondes sont bien connues et ont été étudiées de façon approfondie ; en particulier, on sait que la propagation d'une onde électro-magnétique, c'est-à-dire d'une onde véhiculant, selon une direction, un champ électrique associé à un champ magnétique, s'effectue sit selon une propagation du type transverse magnétique" (dite TM) ou "onde E" lorsque la composante de l'onde selon la direction de propagation est fournie exclusivement par le champ électrique E (tandis que le champ magnétique est exclusivement "transversal" à la dite direction de propagation) soit selon une propagation du type "transverse élec triquet, ou TE, ou tonde H", lorsque la composante de l'onde selon la direction de propagation est fournie exclusivement par le champ magnétique H (tandis que le champ électrique est exclusivement "transversal" à la dite direction de propagation). En outre, on a défini des impédances d'onde spécifiques à l'un et l'autre de ces modes de propagation TE ou TE, et de plus, on sait que pour un guide d'onde donné et unefréquence donnée, il existe une fréquence dite "fréquence de coupure", en deçà de laquelle la propagation est stoppée, et au voisinage de laquelle, une forte atténuation de transfert de puissance se produit, de sorte qu'il est de règle de stéloigner de cette fréquence de coupure qui risque de perturber le fonctionnement des dispositifs à hyperfréquence.On a bien noté qu'à certains modes de propagation notamment le mode T.M. correspondait au voisinage supérieur de la fréquence de coupure, une impédance considérablement réduite proche de zéro, mais pour la raison précédemment indiquée, cette zone de fréquence a toujours été exclue des zones habituelles de travail. C'est le mérite essentiel de l'invention d'avoir fait une corrélation particulièrement fructueuse entre la très faible impédance caractéristique d'une jonction JOSEPHSON et la très faible impédance spécifique d'un guide d'onde (spécifique à un mode de transmission et à une structure de guide d'onde).On a ainsi pu résoudre de façon particulièrement élégante, sans passer par d'impossibles prouesses mécaniques, le problème de la transmission d'énergie entre une jonction JOSEPHSON et un milieu utilisateur. Sauf cas particulier, l'énergie véhiculée dans le guide d'onde par le mode de dropa station à faible impédance d'onde ne se présente pas sous la forme finalement souhaitable dans la zone d'utilisation et l'on est amené à transférer l'éner- gie électro-magnétique vers la zone d'utilisation par tout moyen classique qui peut être soit un guide d'onde réducteur de la fréquence de coupure, soit un guide d'onde convertisseur de modes de propagation, ou les deux à la fois. En effet, on a vu que l'invention implique d'opérer dans l'adaptateur à faible impédance ou voisinage immédiatement supérieur de la fréquence de coupure or, on sait que cette zone opératoire est particulièrement néfaste pour la transmission de l'énergie hyperfréquence, parce qu'il se produit une atténua tion notable du taux de transmission énergétique. Si, conformément à l'invention, on se place, au voisinage de la jonction JOSEPHSON, dans une zone très peu au dessus de la fréquence de coupure au contraire dès que l'adaptation est faîte, il est préférable de s'en écarter plus substantiellement, et ceci est réalisé simplement en disposant, à la suite immédiate de l'adaptateur de jonction, un guide d'onde ayant une fréquence de coupure plus basse, en sorte que la fréquence de travail, qui est immuable, s'en trouvera d'autant éloignée. Mais une autre suggestion est de devoir opérer, dans la zone avec un mode de propagation différent de celui nécessité par l'adaptation de la jonction JOSEPHSON. Dans ce cas, on place un guide convertisseur de modes. Bien entendu, ce guide convertisseur de mode, forme également guide abaisseur de fréquence de coupure. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui suit, à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique partiellement en coupe d'un dispositif hyperfréquence selon l'invention ; - la figure 2 est une vue en coupe d'un détail de la figure 1 ; - la figure 3 est une vue de dessus selon les flèches 3-3 de la figure 2 ; - la figure 4 est une vue en perspective partielle en coupe d'une autre forme de réalisation du dispositif hyperfréquence selon l'invention. En se référant aux figures 1 à 3, le dispositif hyperfréquence selon l'invention comporte un émetteur-récepteur I à jonction JOSEPHSON 2, ces émetteurs-récepteurs 1 ayant une forme cylindrique adaptée à coulisser dans un guide d'ondes également cylindrique 3 constituant la partie terminale d'un ensemble de guides d'ondes comprenant en outre un guide d'ondes 4 dit réducteur de fréquence de coupure et un guide d'ondes 5 dit convertisseur de mode de propagation. De façon usuelle, la jonction JOSEPHSON 2 est constituée par une barrière électrique 10 en matériau isolant ou semi-conducteur enserré entre une première plaque électrode 11, en matériau supra-conducteur et une seconde plaque électrode 12 également en matériau supra-conducteur. Un courant de polarisation de la jonction est assuré par des conducteurs 13 et 14 noyés dans un isolant 15 et raccordés à l'électrode 11, et par des conducteurs 16 et 17 également supra-conducteur noyés dans l'isolant et raccordés à l'électrode 12. De façon usuelle les électrodes 11 et 12, ainsi que le cas échéant la barrière 10, sont réalisées selon la technique de l'élaboration en couches minces par projection cathodique ou évaporation sous vide. L'émetteur-récepteur 1 comporte, outre le substrat-support isolant 15 et en dessous de celui-ci, une partie conductrice 20 formant réflecteur pour les ondes électro-magnétiques. L'ensemble émetteur-récepteur est monté dans le guide d'ondes 3, à la façon d'un coulisseau réglable en position. Conformément à l'invention, le guide d'ondes 3 est spécifiquement conçu pour transmettre des ondes électro-magnétiques hyperfréquence selon le mode de propagation "transverse magnétique" (T.M.). Ce guide d'ondes 3 a été également conçu pour que sa fréquence de coupure, c'est-à-dire la fréquence en deçà duquel les ondes ne passent pas, soit légèrement inférieure à la fréquence de travail de la jonction JOSEPHSON 2. On réalise ainsi, par la combinaison de ce mode de propagation particulier et en se plaçant au voisinage légèrement supérieur de la fréquence de coupure, une impédance spécifique pour le guide d'ondes 3 qui est pratiquement voisine de zéro, en sorte qu'il y a adaptation d'impédance spécifique du guide d'ondes 3 et celle de la jonction JOSEPHSON qui, comme indiqué précédemment, est également très faible. Le guide d'ondes 4 sert à poursuivre l'adaptation entre le guide d'ondes 3 et le guide d'ondes 5 dans lequel les ondes seront utilisées. En effet, il est bien évident qu'il ne convient pas de poursuivre le transfert des ondes électro-magnétiques dans un guide d'ondes 3 travaillant au voisinage de la fréquence de coupure, car, dans ce guide d'ondes 3, le coefficient de transfert d'énergie est relativement faible alors qu'il est excellent entre la jonction JOSE?RSON et la partie immédiatement voisine de ce guide d'ondes 3. Pour pallier cet inconvénient le guide d'ondes 4 permet notamment de par sa forme une réduction notable entre son extrémité amont 4' et son extrémité aval 4" de la fréquence de coupure qui en 4" est notablement plus faible que celle existant en 4'. il en résulte qu'au niveau de l'extrémité aval 4' du guide d'ondes 4 le transfert des ondes électro-magnétiques, qui s'effectue toujours selon une fréquence immuable, a lieu loin de la fréquence de coupure de la moyenne partie du guide d'ondes 4. En outre dans le guide d'ondes 5 qui fait suite au guide d'ondes 4, non seulement on continue à bénéficier de l'avantage de travailler dans de bonnes conditions de transmission d'énergie parce que l'on se trouve loin de la fréquence de coupure, mais en outre on peut le cas échéant procéder à une conversion du mode de propagation de transmission pour transformer le mode de propagation initial qui on l'a vu était du type "transverse-magnétique" en un autre mode de propagation, soit le cas échéant de type "T.K,", mais établit sur un ordre de fréquence différent, soit de type "transverse électrique" établit sur un ordre de fréquence choisie.On sait, en effet, que si la propagation des ondes électro-magnétiques se divise comme on l'a vu précédemment en 1eux types généraux de propagation, magnétique (transverse électrique) ou électrique (transverse magnétique, et éventuellement pour certaines structures t: ±sverse élcctrique et magnétique (T.E.M.). La structure des champs électrique et magnétique à l'intérieur du guide d'onde pour le type de propagation donné s'établit de façon différente en fonction du mode de propagation de l'onde.C'est la raison pour laquelle une onde .E. ou T.M. est généralement caractérisée par deux nombres entiers "m" et "n" (T.E. mn ou T.M. mn) .' Dans le cas où l'onde se propage dans un guide rectangulaire, "m" est égal au nombre de demi-périodes dont varient les composantes transverses du champ électro- magnétique suivant la direction parallèle au petit coté du guide et "n" est égal au nombre de demi-périodes dont varient les composantes transverses du champ électro-magnétique suivant la direction parallèle au grand coté du guide.Dans le cas où l'onde se propage dans un guide cylindrique, "m" est égal au nombre de périodes dont varient les composantes transverses du champ électro-magnétique suivant un chemin concentrique à la paroi du guide, "n" est égal au nombre de changements de signe, augmenté d'une unité, des composantes transverses du champ électro-magnétique suivant le rayon du guide d'onde. Ainsi que par exemple dans le guide d'ondes 3 représenté à la figure 1, la propagation "T.M." peut être du type le plus simple, c'est-à-dire du type Ce mode de propagation peut se poursuivre dans l'adaptateur dtimpé- dance 4, tandis que dans le guide d'ondes 5, par des moyens appropriés, on peut assurer une propagation de type T.M. et n avec m différent de zéro et n différent de 1, ou du type T.E. m et n étant choisis de façon à assurer la meilleure utilisation souhaitée des ondes électro-magnr#tique. Dans la des#cription, on ne détaille pas les moyens qui permettent ces réductions de fréquence de coupure et ces conversions de mode de propagation, car ils sont fort bien connus des techniciens spécialistes des guides d'ondes. En se référant à la figure 4 on voit qu'on a réalisé ici un dispositif hyperfréquence avec un émetteur-récepteur 1 à jonction JOSEPHSON 2 du type précédemment décrit. Cet émetteur-récepteur 1 est placé dans un guide d'ondes cylindrique 43 jouant le mème rle que le guide d'ondes 3 de la figure 1 débouchant dans un guide d'ondes rectangulaire 55 jouant le role à la fois d'abaisseur de fréquence de coupure conformément au guide d'ondes 4 de la figure 1 et de convertisseur de mode de propagation conformément au guide d'ondes 5 de la figure 1. Généralement ce guide d'ondes 55 est ici de section rectangulaire et comporte de façon classique un réflecteur 56 réglable en position. Les applications de la présente invention concerne tout dispositif hyperfréquence utilisant un rayonnement électro-magnétique émis ou détecté par une jonction JOSEPHSON. De tels dispositifs pouvant servir pour la conservation ou mesure des tensions continues à titre d'étalons de tension pour la magnétométrie excitée par rayonnement haute fréquence, pour la thermométrie des très basses températures et pour la spectrométrie haute fréquence. REVENDICATIONS 1. - Dispositif hyperfréquence à jonction JOSEPHSON constituée d'une barrière électrique fine isolante ou semi-conductrice enserrée entre deux électrodes en matériau supra-conducteur, une zone de confinement pour un champ électromagnétique hyperfréquence, dans laquelle ladite jonction est placée, caractérisé en ce que la dite zone de confinement est un guide d'onde adaptateur d'impédance ayant un mode de propagation tel qu'il présente, pour la fréquence mise en oeuvre, une très faible impédance d'onde. 2. - Dispositif hyperfréquence selon la revendication 1, caractérisé en ce que le guide d'one adaptateur constitue, pour l'onde électro-magnétique, un guide de propagation du type "transverse magnétique" ayant une fréquence de coupure peut inférieure à la fréquence du champ électromagnétique. 3. - Dispositif hyperfréquence selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on inserre, à la suite du guide d'onde adaptateur d'impédance, un guide d'onde réducteur de la fréquence de coupure. 4. - Dispositif hyperfréquence selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que l'on inserre, à la suite du guide d'onde adaptateur d'impédance, un guide d'onde convertisseur de modes de propagation. 5. - Dispositif hyperfréquence selon la revendication 2 ou 4, caractérisé en ce qu'on inserre, à la suite du guide d'onde adaptateur d'impédance, un guide d'onde réducteur de la fréquence de coupure et convertisseur de modes de propagation. 6. - Dispositif hyperfréquence selon la revendication 2, caractérisé en ce que le mode de propagation de l'onde électro-magnétique est du type "transverse magnétique" T.M.01 7. - Dispositif hyperfréquence selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la dite structure est un guide d'onde cylindrique. 8. - Dispositif hyperfréquence selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la dite structure a un guide d'onde rectangulaire.