Brevet FR2942924A1 — publié le 20100910

TRANSPOSEUR DE FREQUENCES HYPERFREQUENCES A DIMENSIONS REDUITES La présente invention se rapporte à un transposeur de fréquences hyperfréquences à dimensions réduites. Un transposeur de fréquences est un dispositif qui permet de décaler la fréquence d'un signal reçu vers une fréquence plus élevée ou plus basse. Comme indiqué sur la figure 1, un transposeur de fréquences 1 est essentiellement composé d'un mélangeur de fréquences 2 et d'un oscillateur local 3. L'une des problématiques concernant ces dispositifs est de réduire leurs dimensions. A l'heure actuelle, la taille des transposeurs de fréquences est principalement déterminée par les dimensions de l'oscillateur local servant de référence. Celui-ci est en général réalisé au moyen d'un résonateur encombrant. Par ailleurs, il est nécessaire de réaliser un circuit d'adaptation (non représenté) de cet oscillateur vis à vis du mélangeur qui est un élément non linéaire mélangeant les signaux les signaux d'entrée E et les signaux provenant de l'oscillateur local. Ce circuit d'adaptation représente également une source d'encombrement. Le principal défaut de ces technologies connues est donc de concevoir le transposeur de fréquences comme un assemblage de blocs ayant des fonctions différentes (oscillateur local et mélangeur), ce qui nécessite des circuits d'adaptation d'impédance. La présente invention a pour objet un transposeur de fréquences hyperfréquences à dimensions réduites ne nécessitant pas de circuits d'adaptation d'impédance. Le transposeur de fréquences conforme à l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte un élément magnéto-résistif en tant qu'élément non linéaire et oscillateur local, cet élément comportant au moins deux couches magnétiques séparées par une couche en matériau non magnétique. Ainsi, grâce à l'invention, il n'est plus nécessaire de réaliser un oscillateur local, ni de circuit d'adaptation d'impédance de l'oscillateur au mélangeur de fréquences. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation, pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé, sur lequel : la figure 1, déjà décrite ci-dessus, est un bloc-diagramme simplifié d'un transposeur de fréquences de l'art antérieur, la figure 2 est schéma de principe d'un transposeur de fréquences conforme à la présente invention, et la figure 3 est un schéma d'un appareillage de test d'un transposeur de fréquences conforme à l'invention. Selon l'invention, on utilise un dispositif magnéto-résistif en tant que transposeur de fréquences, un tel dispositif magnéto-résistif étant schématisé sur la figure 2. Le dispositif magnéto-résistif 4 comporte au moins deux couches magnétiques 5, 6 séparées par une couche 7 en matériau non magnétique (métal, isolant ou semi-conducteur). Un tel composant multicouche est connu par exemple d'après le brevet européen EP0550306. La résistance d'un tel dispositif dépend de l'orientation relative des aimantations, ml et M2, des deux couches magnétiques : _ ù• R = $(mi • m2) On suppose que l'une des deux aimantations est fixe ou maintenue fixe (par un couplage de type magnétique, par exemple un couplage anti-ferromagnétique) , disons M2. Si mi change d'orientation au cours du temps avec une fréquence caractéristique f1, la résistance R du dispositif 4 varie également au cours du temps à la même fréquence : R oc Ro + AR cos (2 1t) Dans cette expression, le terme AR est l'amplitude maximum de variation de résistance au cours du changement de direction de mi, et Ro est la résistance moyenne du dispositif 4. Le mouvement de l'aimantation de la (des) couche(s) magnétique(s) peut être obtenu de deux manières différentes. La première est simplement l'activation de l'aimantation par un bruit blanc, c'est-à-dire un bruit dont I'amplitude est indépendante de la fréquence. Ce bruit peut être notamment le bain thermique dans lequel baigne l'aimantation. Un bruit blanc se traduit dans l'équation du mouvement de l'aimantation par un champ magnétique fluctuant. Comme l'amplitude du bruit est indépendante de la fréquence, il possède une composante à la fréquence de résonance de l'aimantation. Un bruit blanc permet donc d'exciter l'aimantation d'une couche magnétique et ainsi de la mettre en mouvement à sa fréquence de résonance. Cette manière d'exciter l'aimantation ne requiert pas d'apport d'énergie autre que l'énergie thermique ambiante. Plus la température est élevée, plus l'amplitude du mouvement de l'aimantation est grande. La deuxième manière de mettre en mouvement l'aimantation est d'injecter dans le dispositif un courant continu. Dans un dispositif magnéto-résistif, le phénomène de transfert de spin permet de manipuler les aimantations des couches magnétiques. Le phénomène de transfert de spin décrit comment un courant polarisé en spin interagit avec l'aimantation d'une couche magnétique. Cette interaction se traduit par un couple de force agissant sur l'aimantation de la couche magnétique. Pour une densité de courant suffisamment élevée, de l'ordre de 107 A/cm2 dans des structures métalliques et 106 A/cm2 dans les structures à barrière tunnel, ce couple de force compense l'amortissement naturel de l'aimantation (amortissement de Gilbert). Lorsque l'amortissement effectif est nul, l'aimantation se met en mouvement de précession entretenue au cours du temps (voir demande de brevet 2007/0236105 de F.B. Mancoff ). Si un courant hyperfréquences Iin(t) de fréquence fin , caractérisé par lin(t) = Iin cos(2znt) est injecté dans le dispositif, la tension Vout aux bornes du dispositif 4 est : Voue = Ra7in cos (27r,fint) +A. RI in {cos [27r (,fin ù f, )t]+ cos [27r (.fin + .f, )t]} 2 L'expression ci-dessus de la tension de sortie comporte trois termes. Le premier est un signal à la fréquence du signal injecté. Le deuxième est un signal à la différence des fréquences entre le signal injecté et la fréquence caractéristique du mouvement de l'aimantation. Le troisième a une fréquence égale à la somme des fréquences des signaux cités précédemment. Le résultat est donc bien de produire deux signaux décalés en fréquence par rapport à la fréquence du signal injecté. Pour réaliser le dispositif de l'invention, il est possible de concevoir à la fois des structures vannes de spin (entièrement métallliques), des jonctions tunnels magnétiques (avec comme isolant Al2O3 ou MgO) ou des couches semi-conductrices, ce, d'une façon similaire à celle relative aux dispositifs décrits dans ladite demande de brevet US 2007/0236105. Les dispositifs magnéto-résistifs sont utilisés dans de nombreuses applications, notamment pour les têtes de lecture des disques durs. De nombreuses entreprises maîtrisent donc leur fabrication (Seagate, Hitachi, IBM...). Par ailleurs ces dispositifs représentent un élément principal dans la recherche sur l'électronique de spin. Ainsi de nombreux laboratoires possèdent le savoir-faire de leur fabrication (Spintec, IMEC, ...). Le principe de fonctionnement de l'invention a été testé en réalisant l'expérience schématisé par la figure 3. Cette étude portait sur une jonction tunnel magnétique 8 dont la magnétorésistance tunnel est de 100% à température ambiante, de dimensions latérales 150 nm x 50 nm. Via un circulateur 9 (2-4GHz), un courant hyperfréquences à la fréquence fs (dans la gamme 0.1-6 GHz), généré par une source hyperfréquences 10, reliée au circulateur 9, a été appliqué à ce dispositif et on a observé le spectre de puissance sur un analyseur de spectre 11, également relié au circulateur 9. Ce spectre comporte un signal à la fréquence du courant appliqué ainsi que les signaux mixés entre le signal de la source et la fréquence de résonance de la couche �libre� du matériau ferromagnétique (CoFeB), ici à fo=2.4 GHz. Les signaux qui ont pu être observés sont effectivement les signaux à fs+fo et Ifs-fol. REVENDICATIONS1. Transposeur de fréquences hyperfréquences, caractérisé en ce qu'il comporte un élément magnéto-résistif (4) en tant qu'élément non linéaire et oscillateur local, cet élément comportant au moins deux couches magnétiques (5, 6) séparées par une couche en matériau non magnétique (7). 2. Transposeur de fréquences selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est activé par des moyens d'activation thermique assurant le mouvement de l'aimantation de la (des) couche(s) magnétique(s). 3. Transposeur de fréquences selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est activé par des moyens injectant un courant continu qui met l'aimantation de la (des) couche(s) magnétique(s) en régime de précession entretenue au cours du temps. 4. Transposeur de fréquences selon l'une des revendications précédentes, 15 caractérisé en ce qu'il a une structure en vanne de spin. 5. Transposeur de fréquences selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il a une structure à jonctions tunnels magnétiques. 6. Transposeur de fréquences selon la revendication 5, caractérisé en ce que sa structure comporte comme isolant Al203 ou MgO. 20 7. Transposeur de fréquences selon la revendication 5, caractérisé en ce que sa structure comporte comme isolant des couches semi-conductrices.