EP1844499A1 - Utilisation de composants supraconducteurs en couches minces comme inductance variable, dispositifs incluant de tels composants, et procede de commande associe - Google Patents

Utilisation de composants supraconducteurs en couches minces comme inductance variable, dispositifs incluant de tels composants, et procede de commande associe

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EP1844499A1
EP1844499A1 EP06709079A EP06709079A EP1844499A1 EP 1844499 A1 EP1844499 A1 EP 1844499A1 EP 06709079 A EP06709079 A EP 06709079A EP 06709079 A EP06709079 A EP 06709079A EP 1844499 A1 EP1844499 A1 EP 1844499A1
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EP
European Patent Office
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component
frequency
superconductive
inductive
wave
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EP06709079A
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Pierre Bernstein
Jean-François HAMET
Laurence Mechin
Nabil Touitou
Séverine MOUCHEL
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Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F21/00—Variable inductances or transformers of the signal type
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F6/00—Superconducting magnets; Superconducting coils
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10S505/70—High TC, above 30 k, superconducting device, article, or structured stock
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10S505/70—High TC, above 30 k, superconducting device, article, or structured stock
    • Y10S505/701—Coated or thin film device, i.e. active or passive

Definitions

  • the present invention relates to a use of a thin-film superconductor component as variable inductance. It also relates to devices performing such use, as well as a method of controlling the inductance of such a component.
  • This invention is in the field of superconductive electrical and electronic components for the electrical engineering or electronics, telephony, antennas and high frequency components sectors. These components are useful in particular for medical imaging, radar and defense electronics, mobile telephony, as well as television or satellite communication.
  • the production of thin-film superconducting inductive components is generally accomplished by deposition of a superconducting film, generally by vacuum methods such as cathode sputtering. or the pulsed laser ablation, then the lithographic photo definition of one or more turns. In this technique the dimension of the device increases with the value of its inductance.
  • a practical example of embodiment consists of a coil comprising 5 turns whose external diameter is 15 mm, with tracks of 0.4 mm width spaced 0.3 mm having an inductance of 2.12 ⁇ H, which is described in the thesis dissertation supported by Jean-Christophe Ginefri on 16 December 1999 at rUniverRInstitut_dp_Bari.qX: Tp ⁇ -intit-ulé--
  • each inductive component occupies a surface of more than 700mm 2 :
  • the components obtained may be subject to wear. Often, they impose a significant amount of space.
  • An object of the present invention is to overcome all or part of these disadvantages.
  • the authors of the present invention propose a method for producing an inductive superconductive component in thin layers, good performance in inductance value as in miniaturization and integration.
  • This inductive superconductive component has at least two
  • terminals and comprises at least one line segment integrating at least one of these terminals, this line segment constituting a conductive or superconducting layer within a stack of alternately superconductive and insulating films.
  • this line segment may consist of a superconducting line passing through the component and on which this stack is deposited.
  • the present invention proposes to use, as variable-inductance component as a function of the current flowing through it, an inductive superconductive component having at least two terminals and comprising at least one line segment integrating at least one of these terminals.
  • an inductive superconductive component having at least two terminals and comprising at least one line segment integrating at least one of these terminals.
  • a line segment constituting a conductive or superconducting layer within a stack of alternately superconductive and insulating films.
  • the invention proposes an electronic device comprising at least one such inductive superconducting inductor variable component depending on the current flowing therethrough, said superconducting inductive component having at least two terminals and comprising at least one line segment integrating at least one of these terminals, this line segment constituting a conductive or superconductive layer within a stack of alternately superconductive and insulating films.
  • the invention proposes such a use in which the inductance value of the superconductive inductive component is modified or controlled by current control means acting on a direct current which passes through said component.
  • the invention proposes in particular a method for controlling the inductance of a superconductive inductive component, this superconductive inductive component having at least two terminals and comprising at least one line segment integrating at least one of these terminals, this line segment. constituting a conductive or superconductive layer within a stack of alternately superconductive and insulating films, this component being subjected to a voltage or an alternating current, this method comprising an injection of a substantially continuous control current in superposition of the alternating current passing through said superconductive inductive component.
  • a device comprises at least one superconductive inductive component which is crossed by an alternating current.
  • This device further comprises means for controlling or modifying the inductance value of said superconductive inductive component, these means acting on the intensity of a direct current passing through said superconductive inductive component and superimposed on the alternating current.
  • the superconductive inductive component may be used in an electronic circuit performing a frequency filtering, at least one characteristic of which is modified by modifying the inductance of said superconducting inductive component.
  • the superconductive inductive component can also be used within an electronic circuit producing a delay line, at least one of which is modified by modifying the inductance of said superconducting inductive component.
  • the superconductive inductive component may be used in an electronic circuit producing an antenna manufactured from a thin superconducting film, at least one characteristic of this antenna being controlled or modified by modifying the inductance of said inductive component superconductor.
  • the invention also proposes a phase shift radar device comprising a plurality of antennas each comprising at least one electronic circuit including a delay line, this delay line being arranged so that each of said antennas transmits or receives a signal whose phase is shifted relative to that of the neighboring antennas, this arrangement being controlled by modifying the inductance of said superconductive inductive component.
  • Another object of the invention is then to use these variations of inductance to perform new electronic treatments or to perform new electronic treatments that were made in the state of the art very differently or with other types of components.
  • the invention also proposes such a use in which the superconductive inductive component is subjected to a voltage or a wave current. constituting at least one wave, to which it reacts with an inductive behavior varying within the same period of this wave, this variation producing a modification of at least one characteristic of this wave.
  • a device comprises at least one such superconducting inductive component which is subjected to a voltage or an undulatory current constituting at least one wave, to which said component reacts with a varying inductive behavior within the same period of this wave, this variation producing a modification of at least one characteristic of this wave. More particularly, the invention proposes such a use for producing a frequency mixer, as well as a device implementing this use.
  • At least one such superconductive inductive component is subjected: on the one hand to an input wave comprising at least a first component constituting a signal, called an input signal, at a first frequency, called a frequency high, and
  • such a mixer comprises at least one superconductive inductive component mounted in parallel with an oscillator component.
  • such a mixer comprises at least one oscillator component in parallel as well as a serial superconducting inductive component mounted downstream and at the output of which is connected at least one capacitive and inductive assembly producing a low-pass filter.
  • the invention also proposes a system for receiving an electromagnetic radio transmission signal comprising such a mixer.
  • the invention also proposes such a use for producing a frequency modulator, as well as a device implementing this use.
  • At least one such superconducting inductive component is subjected:
  • an input wave comprising at least a first component constituting an input signal at a first frequency, called a low frequency
  • the inductive behavior of said superconductive inductive component then produces an output wave comprising at least a second wave component according to a second frequency, referred to as the high frequency, approximately equal to the sum of the low frequency and the oscillation frequency, said second component constituting a output signal dependent on the input signal.
  • such a modulator comprises at least one oscillator component in parallel and a superconducting inductive component in series mounted downstream and at the output of which is connected at least one capacitive and inductive assembly producing a high-pass filter.
  • the invention then proposes a system for transmitting an electromagnetic radio transmission signal comprising such a modulator.
  • the invention provides an audiovisual broadcasting system or communication or satellite using at least one of these devices.
  • FIG. 1 is a diagram of a stack E of alternately superconducting layers C1 and insulating layers C 2 deposited on a substrate S so as to produce an inductive component
  • FIG. 2A is a view from above of a superconducting line LS comprising an inductive component consisting of alternately superconductive C1 and insulating C2 films;
  • FIG. 2B is a sectional view of a superconducting line LS comprising an inductive component E consisting of alternately superconductive films C1 and insulators C2;
  • FIG. 3A is a photograph of the pattern used for the tests showing the location of the current inputs II and 12, the measurement pads Vl and V2 of the potential difference across a bridge receiving a thin-film inductive component. , as well as the location of it;
  • FIG. 3B represents the photolithographic mask used to make the test pattern of FIG. 3A;
  • FIG. 4 is a diagram of the measuring device used to characterize a superconductive inductive component according to the invention.
  • FIG. 5 illustrates a potential difference measured between the pads Vl and V2 (solid lines) when a current (dotted) sawtooth at the frequency of 1000 Hz flows in the sample;
  • FIG. 7 illustrates a delay line implementing a superconductive inductive component according to the invention
  • FIG. 8 illustrates a schematic diagram of a phase-shift antenna using such delay lines
  • FIG. 9 is a curve representing the value of the difference in potential measured between the pads V1 and V2 as a function of the intensity flowing between the pads II and 12, during a period of an alternating current I A c at a frequency of 2 kHz;
  • FIG. 10 is a curve representing the value of the potential difference measured between the pads V1 and V2 as a function of time, when a reciprocating AC current I AC sawtoothed (dashed) at the frequency of 10 kHz circulates in the sample, in the case where a DC current I DC also circulates in the sample, and for intensities of this DC current I D c respectively 0 A, 5 ⁇ A, and 10 ⁇ A.
  • FIG. 11 illustrates inductance values according to the frequency and for different intensities of this direct current I D c respectively equal to OA (square points), 5 ⁇ A (circles), 10 ⁇ A (rising triangles) and -10 ⁇ A (triangles). descendants);
  • FIG. 12 is a block diagram of a tunable high-pass filter according to the invention.
  • FIG. 13 is a block diagram of a tunable low-pass filter according to the invention.
  • FIG. 14 is a block diagram of a heterodyne mixer according to the prior art, using a diode
  • FIGS. 15 and 16 are schematic diagrams of heterodyne mixers according to the invention.
  • - Figures 17 and 18 are block diagrams of modulators according to the prior art, based on diodes and respectively transistors;
  • FIG. 19 is a block diagram of a modulator according to the invention.
  • the principle implemented in the component and its production method according to the invention comprises a stack E of thin films, or thin layers, alternately superconducting C1 and insulating C2, deposited on a substrate S, with reference to FIG. 1, or well on a superconducting line LS. It is important that the C2 films are insulators and good control of possible defects of growth that might put two fitms ⁇ superconducting neighbors in direct contact. This stack makes it possible to obtain particularly efficient components, inter alia because of a very high inductance value with respect to their size.
  • the principle consists in obtaining a modification of this inductive behavior by passing it through a determined continuous current IDC.
  • the first film deposited to make the stack E is insulating as shown in FIG.
  • inductive components into a superconducting circuit can be carried out as shown in FIGS. 2A and 2B using the thin film deposition techniques well known to those skilled in the art, for example laser ablation, radio-frequency sputtering, vacuum evaporation, chemical vapor deposition and, in general, any deposition technique that makes it possible to obtain thin layers.
  • thin film deposition techniques well known to those skilled in the art, for example laser ablation, radio-frequency sputtering, vacuum evaporation, chemical vapor deposition and, in general, any deposition technique that makes it possible to obtain thin layers.
  • the materials chosen are compounds YBa 2 Cu 3 O 7 -O for superconductive films and LaAIO 3 for insulating films.
  • the thicknesses are lOnm 10 "(8 m) for superconducting films and 4 nm (4.10" 9 m) po ⁇ rles RLMS ⁇ ⁇ ⁇ solalltsr ⁇ 4 pa "ries films were deposited.
  • the films After deposition, the films have been etched so as to obtain the pattern shown in FIG. 3A in which the metallized contacts II, 12 which make it possible to bring the current into the sample and those which make it possible to measure the voltages Vl and V2 at the terminals of the central element, called bridge, of the pattern.
  • the size of the bridge is 10 ⁇ m x 20 ⁇ m.
  • the modification of the value of the inductance can however also be obtained with patterns of the same shape but of different dimensions or with patterns of different shape from that shown in the figures.
  • the measuring device used to characterize the samples of superconductive inductive components according to the invention comprises a generator GBF creating a variable current in the time I (t) which passes through the resistance R and the sample Ech via the contacts II and 12.
  • the potential difference across the resistor R is amplified by a differential amplifier AI and sent to an input YI of the oscilloscope Ose. It makes it possible to know the intensity I (t) of the current passing through the sample.
  • the potential difference across the sample is taken at V1 and V2, amplified by the amplifier Av and sent to the input Yv of the oscilloscope Ose.
  • Figure 5 shows the signals collected in YI and Yv when the sample is at a temperature of 37 K.
  • the sample was placed in a helium cryogenerator but any process to obtain a temperature below critical temperature of the studied sample is suitable.
  • the generator delivers a sawtooth current at the frequency of 1000 Hz.
  • the value of the current I (t) has been directly reported. It is observed that the potential difference V (t) between V1 and V2 is in the form of slots, which indicates that V (t) is proportional to the derivative with respect to the time of I (t). This characteristic indicates that the sample behaves well as an inductive component.
  • the ratio of the amplitude of the signals obtained is in the ratio of the applied frequencies, which again is typical of an inductive component.
  • the inductance of the component produced according to the invention is equal to 535 ⁇ H ⁇ 10 ⁇ H.
  • the components tested did not all have such a high inductance but values of the order of a few tens of microhenry were _ 1 o _ commonly obtained with components of identical shape to that presented here.
  • FIG. 10 shows the value of the potential difference V measured between the pads V1 and V2, during a period of the saw-tooth alternating current IAC at a frequency of 10 kHz, and in the superconducting state. .
  • This potential difference V is represented on three different curves obtained by passing or not the test device by a continuous current IDC.
  • a second curve for this voltage V is obtained.
  • IDC 5 ⁇ A (micro-amperes)
  • IAC 10 ⁇ A (microamperes)
  • a third curve for this voltage V indicates an inductance of the same device tested even lower than the first and second curves.
  • 11 represents a measurement of the inductance of the test device over a frequency range between 100 Hz and 10 kHz, for superimposed continuous DCI values taking the values of 0.5 ⁇ A, + 10 ⁇ A, and -10 ⁇ A (micro -ampées). Over all of this frequency range, it is found that the value of the inductance decreases when the DC current IDC increases in intensity, and in both directions of this current IDC. More particularly in the frequency range where the inductance is substantially constant, ie between 1 and 10 kHz, this inductance is a decreasing function of the intensity of this superimposed continuous current IDC.
  • the invention thus provides an inductive component with variable inductance as a function of current flows through it.
  • the invention thus provides an adjustable or tunable inductive component by controlling a current flowing through it.
  • this variation of inductance within a period then produces an alternating voltage across the component which represents a modified version of the signal carried by this current.
  • this voltage produced would be the time derivative of the current flowing through the component.
  • the voltage produced is a modified image of this derivative, and therefore represents a modified version of the input signal.
  • the invention also provides an inductive modification or signal processing component.
  • the superconducting inductive components obtained by the method according to the invention can find applications in the fields of electrical engineering or electronics, telephony, antennas and passive high frequency components, in particular for medical imaging. as well as radar and defense electronics.
  • superconductive inductive components are implemented in antenna systems.
  • MRI magnetic resonance imaging
  • using tuned antennas it is then possible to make an agreement of an antenna by adjusting the inductance of one or more of the inductive components that it comprises.
  • An important parameter in the efficiency of the antenna is the overvoltage coefficient which is proportional to its inductance.
  • a superconducting antenna makes it possible to increase this coefficient because its ohmic resistance is very weak. It is conceivable to obtain a new increase in the overvoltage coefficient by including in the antenna circuit a device of the type of those described here.
  • a particularly favorable case will be that where the antenna itself is made from a thin superconducting film.
  • superconductive inductive components are implemented in delay lines.
  • Delay lines are in common use in all areas of electronics. The simplest form that can take a delay line is shown in Figure 7.
  • the presence in the circuit of the inductance L and of the capacitor C causes a phase difference between the voltage V and the current L.
  • An example of use is that of the phase shift radars which make it possible to explore the surrounding space with a system of fixed antennas.
  • FIG. 8 A schematic diagram for such a system is shown in FIG. 8.
  • the main line carrying the current I is coupled to the different antennas.
  • Each of these includes in its circuit a delay line.
  • each antenna transmits or receives a signal whose phase is offset from that of the neighboring antennas.
  • By varying this phase shift the direction of the emitted radiation is changed.
  • defense electronics we have long studied the introduction of superconducting components in electronic circuits, particularly for radar and more generally countermeasures. The presence of high inductance components, small in size and whose manufacturing uses processes similar to those used for the rest of the circuit would be an important innovation in this area.
  • the component according to the invention because it is tunable in use, can be advantageously used to modify the characteristics or the behavior of a device in which it is included. This makes it possible, for example, to modify or calibrate the characteristics of a composite and / or active antenna, by global adjustment or differentiated inductance within the delay lines of the individual antennas that compose it.
  • Such powerful and easily integrable inductive components can also be used generically in most general electronics applications, in particular to perform filtering functions of all types, for example high-pass, low-pass or pass-through. bandaged. It is then possible to produce highly integrated and / or miniaturized filters.
  • a component according to the invention makes it possible to integrate an inductance of significant value in a circuit of small size As illustrated in FIGS. 12 and 13 for high-pass and low-pass filters, it is then it is possible to adjustably filter an input voltage V in to obtain an output voltage V out / using a variable inductance L v according to the invention.
  • the use of inductive components according to the invention makes it possible to produce in integrated circuits filters having only capacitors and inductors, which are not very dissipative compared to filters constructed with capacitors and resistances.
  • the component according to the invention can also be used advantageously to produce a type of electronic device called a mixer, and used in particular in heterodyne detection.
  • a mixer is used in the vicinity of a receiving antenna to decode 12 GHz signals received from a direct television satellite, and draw a signal at a frequency of 2 GHz which will be sent by coaxial cable to a demodulator.
  • the mixers are typically made using discrete components which are causes of cost and fragility encumbrance, or using non-linear components, for example diodes, which have certain disadvantages, such as a significant dissipation of energy or the fact of requiring a high signal level.
  • Figure 14 thus illustrates a block diagram of such a diode mixer.
  • FIG. 15 represents a block diagram of a variable inductive component according to the invention, used to perform a mixer function in a simple manner.
  • the current to detect it of frequency f1 with the current iO coming from a local oscillator at the frequency f0, is sent on a component with variable inductance LvI according to the invention.
  • the value of the inductance of the component according to the invention LvI then depends on the current received, according to a function of the magnitude il + iO. More particularly under certain conditions, for example over certain frequency ranges, this function can be written in the form of a relationship comprising a coefficient ⁇ that can be determined by different types of measurements, for example similar to those illustrated in FIGS. 10. Such a relationship can then be written in the following form:
  • LO is the inductance value of the component when the superimposed direct current I D c is zero.
  • This fl-fO frequency component then has the following form:
  • Vf 2 ⁇ . ⁇ .i 0 -ii-fi-sin [2 ⁇ (f 0 -fi) t + ⁇ ]
  • ⁇ is the phase of the signal of the input signal relative to that of the oscillator.
  • This operation can be used, for example, to obtain a signal S2 by extracting it from the signal S1 coming, for example, from a reception antenna.
  • the tunable inductive component according to the invention can also be advantageously used to produce a device including a modulator.
  • a modulator is typically used to obtain a signal at a high frequency from a signal component S2 at a relatively low frequency f2 by adding a wave at a frequency f0 close to f1.
  • modulators typically made using discrete components that are causes of cost and fragility clutter, or using integrated non-linear components, which have certain drawbacks, such as for example a certain dissipation of 'energy.
  • FIGS. 17 and 18 thus represent block diagrams of modulators respectively made using diodes (FIG. 17) and using transistors (FIG. 18).
  • the inductances that are not specified as variable or controlled can of course also be made in the form of a superconductive inductive component, so as to homogenize the device obtained and maintain or improve the gains of the invention, for example in terms of cost, reliability, performance or bulk.
  • the current control according to the invention in particular makes it possible to drive a greater part of functions and adjustments in a fully electronic manner.
  • Such control then allows greater flexibility in the design of the devices concerned, but also to provide new features and performance compared to the state of the art.
  • the production of these components in the form of thin superconducting layers allows for greater miniaturization as well as integration on a much larger scale. This makes it possible to design less dissipative systems, multiply the components, and improve the power and / or reduce the size. Integration also improves the reliability and reproducibility of such devices, and reduces manufacturing costs.
  • the invention is not limited to the examples that have just been described and many adjustments can be made to these examples without departing from the scope of the invention.
  • the number of respectively insulating and superconductive films is not limited to the examples described.
  • the dimensions of the superconductive inductive components as well as their surfaces can evolve according to the specific applications of these components.
  • the respectively superconductive and insulating films can be made from other compounds than those proposed in the example described, provided that these compounds satisfy the physical conditions required for the applications.

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Description

« Utilisation de composants supraconducteurs en couches minces comme inductance variable, dispositifs incluant de tels composants, et procédé de commande associé »
La présente invention concerne une utilisation d'un composant supraconducteur en couches minces comme inductance variable. Elle vise également des dispositifs réalisant une telle utilisation, ainsi qu'un procédé de commande de l'inductance d'un tel composant. Cette invention s'inscrit dans le domaine des composants électriques et électroniques supraconducteurs pour les secteurs de l'électrotechnique ou de l'électronique, de la téléphonie, des antennes et des composants à haute fréquence. Ces composants sont utiles en particulier pour l'imagerie médicale, les radars et l'électronique de défense, la téléphonie mobile, ainsi que la télévision ou la communication par satellite.
La réalisation de composants inductifs supraconducteurs en couches minces est généralement effectuée par dépôt d'un film supraconducteur, généralement par des méthodes de vide telles que la pulvérisation .cathodique . ou l'ablation laser puisée, puis Ia définition par photo lithogravure de une ou plusieurs spires. Dans cette technique la dimension du dispositif croit avec la valeur de son inductance.
Un exemple pratique de réalisation consiste en une bobine comportant 5 spires dont le diamètre extérieur est de 15mm, avec des pistes de 0,4mm de largeur espacées de 0,3mm présentant une inductance de 2,12μH, qui est décrite dans le mémoire de thèse soutenu par Jean- Christophe Ginefri le 16 décembre 1999 à rUniverRité_dp_Bari.q-X:T-p±-intit-ulé--
« Antenne de surface supraconductrice miniature pour l'imagerie RMN à 1,5 Tesla ».
La technique décrite ci-dessus . présente deux inconvénients principaux :
- la surface occupée par chaque composant inductif est importante. Par exemple, le composant décrit au paragraphe. précédent occupe une surface de plus de 700mm2 :
- si le composant est intégré dans un circuit, il est souvent nécessaire de raccorder l'extrémité de la spire intérieure à une ligne supraconductrice. Ceci implique un processus complexe comportant après le dépôt et la gravure des spires : a) le dépôt et la gravure d'un film isolant, b) le dépôt et la gravure sur cet isolant d'un deuxième film supraconducteur présentant des propriétés similaires à celles du premier film. Cette dernière étape est particulièrement délicate car il est nécessaire de réaliser une reprise d'épitaxie, technique qui est difficilement maîtrisable. Il existe d'autres procédés permettant de déposer une bobine en couches minces, mais ils présentent des difficultés de réalisation identiques à celles décrites ici.
Par contre, ces techniques ne permettent pas d'obtenir des composants inductifs dont les caractéristiques d'inductance sont réglables facilement, une fois implantés dans un circuit ou un dispositif électrique ou électronique. Or il peut-être très utile de disposer de composants inductifs dont l'inductance peut être réglée après implantation, par exemple pour effectuer un étalonnage, une mesure, un réglage ou un ajustement au sein d'un appareil incluant de tels composants.
Les dispositifs ou procédés connus pour cela utilisent souvent un ajustement ou un réglage de cette inductance par modification de la géométrie par une action mécanique. Il s'agit par exemple d'ajuster ou de régler la position d'un noyau de ferrite au cœur d'une bobine comme dans le brevet US 4 558 295, ou d'une électrode métallique entre deux parties diélectriques comme le décrit le brevet US 6 556 415 dans le cas d'un circuit résonant. Il peut s'agir également d'un déplacement de contact sur une piste conductrice formant un méandre déposé en couche mince, tel qu'enseigné par la demande de brevet US 2002/01 90835.
Il est également possible d'associer sélectivement, par connexion électrique ou électronique, un certain nombre de sous composants d'inductance connue, comme le propose le brevet US 5 872 489, ce qui présente des limites évidentes, par exemple en terme de nombre de valeurs obtenues et de complexité de réalisation.
Une autre méthode est proposée par le brevet US 5 426 409, qui consiste à contrôler par un courant variable le degré de saturation W
- 3 - magnétique du noyau d'une bobine. Lorsque les contraintes et les fréquences concernées le permettent, il est également possible d'ajuster une inductance par variation de fréquence sur un matériau semi-conducteur (technologie MESFET GaAs, décrite dans le brevet US 6 211 753). Ce type 5 de solution n'est toutefois pas applicable dans tous les cas, et n'est pas toujours non plus miniaturisable au-delà d'une certaine limite.
Avec les solutions connues, les composants obtenus peuvent être sujets à l'usure. Souvent, ils imposent un encombrement non négligeable.
Ils présentent également des limites en matière de plages de fréquences 0 et/ou de performances utilisables. De plus, ils sont souvent difficiles à intégrer dans des circuits fabriqués industriellement et à faible coût.
Un but de la présente invention est de remédier à tout ou partie de ces inconvénients.
Dans la demande de brevet français n°03 09212 du 28 Juillet 2003,
15 les auteurs de la présente invention proposent un procédé de réalisation d'un composant supraconducteur inductif en couches minces, de bonnes performances en valeur d'inductance comme en matière de miniaturisation et d'intégration.
Ce composant supraconducteur inductif présente au moins deux
20 bornes et comprend au moins un segment de ligne intégrant au moins une de ces bornes, ce segment de ligne constituant une couche conductrice ou supraconductrice au sein d'un empilement de films alternativement supraconducteurs et isolants.
Plus particulièrement, ce segment de ligne peut être constitué d'une 25 ligne supraconductrice traversant le composant et sur laquelle est déposé cet empilement.
Au cours du développement et des essais de ce type de composant, dans certaines conditions, les inventeurs ont observé un comportement inductif dont l'inductance varie lorsque l'intensité d'un courant traversant ce 30 composant varie.
La présente invention propose d'utiliser, en tant que composant à inductance variable en fonction du courant le traversant, un composant supraconducteur inductif présentant au moins deux bornes et comprenant au moins un segment de ligne intégrant au moins une de ces bornes, ce - A - segment de ligne constituant une couche conductrice ou supraconductrice au sein d'un empilement de films alternativement supraconducteurs et isolants.
Dans le même esprit, l'invention propose un dispositif électronique comprenant au moins un tel composant inductif supraconducteur à inductance variable en fonction du courant le traversant, ledit composant inductif supraconducteur présentant au moins deux bornes et comprenant au moins un segment de ligne intégrant au moins une de ces bornes, ce segment de ligne constituant une couche conductrice ou supraconductrice au sein d'un empilement de films alternativement supraconducteurs et isolants.
Selon un premier mode de réalisation, l'invention propose une telle utilisation dans laquelle la valeur d'inductance du composant inductif supraconducteur est modifiée ou commandée par des moyens de commande de courant agissant sur un courant continu qui traverse ledit composant.
L'invention propose en particulier un procédé de commande de l'inductance d'un composant inductif supraconducteur, ce composant inductif supraconducteur présentant au moins deux bornes et comprenant au moins un segment de ligne intégrant au moins une de ces bornes, ce segment de ligne constituant une couche conductrice ou supraconductrice au sein d'un empilement de films alternativement supraconducteurs et isolants, ce composant étant soumis à une tension ou un courant alternatif, ce procédé comprenant une injection d'un courant de commande sensiblement continu en superposition du courant alternatif traversant ledit composant inductif supraconducteur.
Dans ce mode de réalisation, un dispositif selon l'invention comprend au moins un composant inductif supraconducteur qui est traversé par un courant alternatif. Ce dispositif comprend en outre des moyens pour commander ou modifier la valeur d'inductance dudit composant inductif supraconducteur, ces moyens agissant sur l'intensité d'un courant continu traversant ledit composant inductif supraconducteur et se superposant au courant alternatif. Dans un tel dispositif, le composant inductif supraconducteur peut être utilisé au sein d'un circuit électronique réalisant un filtrage de fréquence, dont au moins une caractéristique est modifiée par modification de l'inductance dudit composant inductif supraconducteur. Le composant inductif supraconducteur peut également être utilisé au sein d'un circuit électronique réalisant une ligne à retard, dont au moins une caractéristique est modifiée par modification de l'inductance dudit composant inductif supraconducteur.
Plus particulièrement, le composant inductif supraconducteur peut être utilisé au sein d'un circuit électronique réalisant une antenne fabriquée à partir d'un film mince supraconducteur, au moins une caractéristique de cette antenne étant commandée ou modifiée par modification de l'inductance dudit composant inductif supraconducteur.
L'invention propose alors également un dispositif de radar à décalage de phase comprenant une pluralité d'antennes comprenant chacune au moins un circuit électronique incluant une ligne à retard, cette ligne à retard étant agencée de sorte que chacune des desdites antennes émet ou reçoit un signal dont la phase est décalée par rapport à celle des antennes voisines, cet agencement étant commandé par modification de l'inductance dudit composant inductif supraconducteur.
De plus, dans nombre d'applications il peut être utile de disposer d'un traitement modifiant certaines caractéristiques d'une ou plusieurs ondes mettant en jeu un courant alternatif, en particulier pour traiter une composante de cette onde lorsque cette composante représente un signal porteur d'informations.
Un autre but de l'invention est alors d'utiliser ces variations d'inductance pour réaliser des traitements électroniques nouveaux ou pour réaliser de façon nouvelle des traitements électroniques qui étaient réalisés dans l'état de la technique de façon très différente ou avec d'autres types de composants.
Selon un deuxième mode de réalisation, l'invention propose également une telle utilisation dans laquelle le composant inductif supraconducteur est soumis à une tension ou un courant ondulatoire constituant au moins une onde, à laquelle il réagit avec un comportement inductif variant au sein d'une même période de cette onde, cette variation produisant une modification d'au moins une caractéristique de cette onde.
Dans ce mode de réalisation, un dispositif selon l'invention comprend au moins un tel composant inductif supraconducteur qui est soumis à une tension ou un courant ondulatoire constituant au moins une onde, à laquelle ledit composant réagit avec un comportement inductif variant au sein d'une même période de cette onde, cette variation produisant une modification d'au moins une caractéristique de cette onde. Plus particulièrement, l'invention propose une telle utilisation pour réaliser un mélangeur de fréquence, ainsi qu'un dispositif réalisant cette utilisation.
Au sein de ce mélangeur, au moins un tel composant inductif supraconducteur est soumis : - d'une part à une onde d'entrée comprenant au moins une première composante constituant un signal, dit signal d'entrée, à une première fréquence, dite fréquence haute, et
- d'autre part à une onde régulière à une fréquence d'oscillation proche de la fréquence haute. Le comportement inductif dudit composant inductif supraconducteur produit alors une onde de sortie comprenant au moins une deuxième composante ondulatoire selon une deuxième fréquence, dite fréquence basse, valant approxima'tivement la fréquence haute diminuée de la fréquence d'oscillation, ladite deuxième composante constituant un signal de sortie dépendant du signal d'entrée. ______
Selon une particularité, un tel mélangeur comprend au moins un composant inductif supraconducteur monté en parallèle avec un composant oscillateur.
Selon une autre particularité, un tel mélangeur comprend au moins un composant oscillateur en parallèle ainsi qu'un composant inductif supraconducteur en série monté en aval et à la sortie duquel est connecté au moins un montage capacitif et inductif réalisant un filtre passe-bas. L'invention propose également un système de réception d'un signal électromagnétique de transmission hertzienne comprenant un tel mélangeur.
Dans le même esprit, l'invention propose également une telle utilisation pour réaliser un modulateur de fréquence, ainsi qu'un dispositif réalisant cette utilisation.
Au sein de ce modulateur, au moins un tel composant inductif supraconducteur est soumis :
- d'une part à une onde d'entrée comprenant au moins une première composante constituant un signal d'entrée à une première fréquence, dite fréquence basse, et
- d'autre part à une onde régulière à une fréquence d'oscillation.
Le comportement inductif dudit composant inductif supraconducteur produit alors une onde de sortie comprenant au moins une deuxième composante ondulatoire selon une deuxième fréquence, dite fréquence haute, valant approximativement la somme de la fréquence basse et de la fréquence d'oscillation, ladite deuxième composante constituant un signal de sortie dépendant du signal d'entrée.
Selon une particularité, un tel modulateur comprend au moins un composant oscillateur en parallèle ainsi qu'un composant inductif supraconducteur en série monté en aval et à la sortie duquel est connecté au moins un montage capacitif et inductif réalisant un filtre passe-haut.
L'invention propose alors un système d'émission d'un signal électromagnétique de transmission hertzienne comprenant un tel modulateur.
Ainsi, l'invention propose un système de diffusion audiovisuelle ou de communication ou par satellite utilisant au moins l'un de ces dispositifs.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée de modes de mise en œuvre nullement limitatifs, et des dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 est un schéma d'un empilement E de couches alternativement supraconductrices Ci et isolantes C2 déposées sur un substrat S de façon à réaliser un composant inductif ; - la figure 2A est une vue de dessus d'une ligne supraconductrice LS comportant un composant inductif constitué de films alternativement supraconducteurs Cl et isolants C2 ;
- la figure 2B est une vue en coupe d'une ligne supraconductrice LS comportant un composant inductif E constitué de films alternativement supraconducteurs Cl et isolants C2 ;
- la figure 3A est une photographie du motif utilisé pour les tests montrant l'emplacement des entrées de courant II et 12, les plots de mesure Vl et V2 de la différence de potentiel aux bornes d'un pont recevant un composant inductif en couches minces, ainsi que l'emplacement de celui- ci ;
- la figure 3B représente le masque de photolithogravure utilisé pour réaliser le motif de test de la figure3A ;
- La figure 4 est un schéma du dispositif de mesure utilisé pour caractériser un composant inductif supraconducteur selon l'invention ;
- la figure 5 illustre une différence de potentiel mesurée entre les plots Vl et V2 (traits pleins) lorsqu'un courant (pointillés) en dents de scie à la fréquence de 1000 Hz circule dans l'échantillon ;
- la figure 6 représente une comparaison des différences de potentiel mesurées entre les plots Vl et V2 lorsque deux courants en dents de scie de même amplitude Imax =10 microampères mais de fréquences différentes circulent dans l'échantillon ;
- la figure 7 illustre une ligne de retard implémentant un composant inductif supraconducteur selon l'invention ; - la figure 8 illustre un schéma de principe d'une antenne à décalage de phase utilisant de telles lignes à retard ;
- la figure 9 est une courbe représentant la valeur de la différence de potentiel mesurée entre les plots Vl et V2 en fonction de l'intensité circulant entre les plots II et 12, au cours d'une période d'un courant alternatif IAc à une fréquence de 2 kHz ;
- la figure 10 est une courbe représentant la valeur de la différence de potentiel mesurée entre les plots Vl et V2 en fonction du temps, lorsqu'un courant alternatif IAC en dents de scie (pointillés) à la fréquence de 10 kHz circule dans l'échantillon, dans le cas où un courant continu IDC circule également dans l'échantillon, et pour des intensités de ce courant continu IDc valant respectivement 0 A, 5 μA, et 10 μA.
- la figure 11 illustre des valeurs d'inductance selon la fréquence et pour différentes intensités de ce courant continu IDc valant respectivement O A (points carrés), 5 μA (cercles), 10 μA (triangles montants) et -10 μA (triangles descendants) ;
- la figure 12 est un schéma de principe d'un filtre passe-haut accordable selon l'invention ;
- la figure 13 est un schéma de principe d'un filtre passe-bas accordable selon l'invention ;
- la figure 14 est un schéma de principe d'un mélangeur hétérodyne selon l'art antérieur, utilisant une diode ;
- les figures 15 et 16 sont des schémas de principe de mélangeurs hétérodynes selon l'invention ; - les figures 17 et 18 sont des schémas de principe de modulateurs selon l'art antérieur, à base de diodes et respectivement de transistors ;
- la figure 19 est un schéma de principe d'un modulateur selon l'invention.
Le principe mis en œuvre dans le composant et son procédé de réalisation selon l'invention comprend un empilement E de films minces, ou couches minces, alternativement supraconducteurs Cl et isolants C2, déposés sur un substrat S, en référence à la figure 1, ou bien sur une ligne supraconductrice LS. Il est important que les films C2 soient isolants et de bien contrôler d'éventuels défauts de croissance risquant de mettre deux fitms~supraconducteurs voisins en contact direct. Cet empilement permet l'obtention de composants particulièrement performants, entre autres parce que de valeur d'inductance très élevée par rapport à leur taille.
Au sein du comportement inductif de ce composant lorsqu'il reçoit un courant IAC ou une tension alternatifs ou transitoires, le principe consiste à obtenir une modification de ce comportement inductif en le faisant traverser par un courant continu IDC déterminé.
En commandant la valeur de ce courant continu IDC, il est alors possible de commander la valeur d'inductance obtenue pour ce composant. II est ainsi possible de réaliser des composants présentant une inductance de la valeur voulue, ou d'une inductance pouvant être commandée en fonction des besoins.
Il est également possible de réaliser des composants dont la valeur d'inductance peut être modifiée par le passage d'un courant à détecter ou à mesurer, ou par une ou plusieurs grandeurs physico-chimiques à détecter entraînant une variation d'un tel courant.
Dans une forme de réalisation préférée de l'invention, le premier film déposé pour réaliser l'empilement E est isolant comme indiqué sur la figure 1.
L'intégration de composants inductifs dans un circuit supraconducteur peut être effectuée de la façon indiquée sur les figures 2A et 2B en utilisant les techniques de dépôt de films minces bien connues de l'homme de l'art, par exemple l'ablation laser, la pulvérisation cathodique radio-fréquence, l'évaporation sous vide, le dépôt chimique en phase vapeur et de manière générale toute technique de dépôt permettant l'obtention de couches minces.
Il est à noter que dans cette version particulière du procédé selon l'invention correspondant aux figures 2A et 2B, un film supraconducteur Ll déposé sur un substrat S, une fois gravé, constitue une ligne supraconductrice LS sur laquelle sera placé l'empilement inductif E.
Dans un exemple particulier de réalisation selon l'invention fourni à titre non limitatif, les matériaux choisis sont les composés YBa2Cu3O7-O pour les films supraconducteurs et LaAIO3 pour les films isolants. Les épaisseurs sont de lOnm (10"8m) pour les films supraconducteurs et de 4nm (4.10"9m) poϋrles^rlms^solântsrï4~pa"ires de films ont été déposées.
Après dépôt, les films ont été gravés de façon à obtenir le motif représenté sur la figure 3A dans laquelle on distingue les contacts métallisés II, 12 qui permettent d'amener le courant dans l'échantillon et ceux qui permettent de mesurer les tensions Vl et V2 aux bornes de l'élément central, appelé pont, du motif. A titre indicatif et non limitatif, la taille du pont est de lOμm x 20μm. La modification de la valeur de l'inductance peut toutefois être aussi obtenue avec des motifs de même forme mais de dimensions différentes ou avec des motifs de forme différente de celle présentée sur les figures.
Le dispositif de mesure utilisé pour caractériser les échantillons de composants inductifs supraconducteurs selon l'invention, représenté en figure 4, comporte un générateur GBF créant un courant variable dans le temps I(t) qui traverse la résistance R et l'échantillon Ech via les contacts II et 12. La différence de potentiel aux bornes de la résistance R est amplifiée par un amplificateur différentiel AI et envoyée sur une entrée YI de l'oscilloscope Ose. Elle permet de connaître l'intensité I(t) du courant traversant l'échantillon. La différence de potentiel aux bornes de l'échantillon est prélevée en Vl et V2, amplifiée par l'amplificateur Av et envoyée sur l'entrée Yv de l'oscilloscope Ose.
La figure 5 montre les signaux recueillis en YI et Yv lorsque l'échantillon est à une température de 37 K. Dans le cas présent, l'échantillon était placé dans un cryogénérateur à hélium mais tout procédé permettant d'obtenir une température inférieure à la température critique de l'échantillon étudié convient.
Le générateur délivre un courant en dents de scie à la fréquence de 1000 Hz. On a directement reporté la valeur du courant I(t). On observe que la différence de potentiel V(t) entre Vl et V2 présente la forme de créneaux, ce qui indique que V(t) est proportionnelle à la dérivée par rapport au temps de I(t). Cette caractéristique indique que l'échantillon se comporte bien comme un composant inductif. On a reporté sur la figure 6 les signaux V(t) mesurés à 700 Hz et 2kHz pour une valeur du courant crête égale à 10 μA dans les deux cas. Dans cette figure, le trait plein correspond à la tension relevée pour un courant à la fréquence F=700Hz et le trait pointillé à celle relevée pour un courant à la fréquence F=2000Hz.
On observe que le rapport de l'amplitude des signaux obtenus est dans le rapport des fréquences appliquées, ce qui là aussi est typique d'un composant inductif.
Des résultats présentés sur la figure 6, on déduit que l'inductance du composant réalisé selon l'invention est égale à 535 μH ± lOμH. Les composants testés n'ont pas tous présenté une inductance aussi élevée mais des valeurs de l'ordre de quelques dizaines de microhenry ont été _ 1 o _ couramment obtenues avec des composants de forme identique à celui présenté ici.
Sur la figure 9, on constate que la valeur absolue de la tension V entre les plots Vl et V2 décroît lorsque l'intensité du courant IAC augmente en valeur absolue. Cette décroissance correspond à une réduction de l'inductance du dispositif de test quand le courant IAC croît en intensité au sein d'une de ses périodes.
Sur la figure 10, est représentée la valeur de la différence de potentiel V mesurée entre les plots Vl et V2, au cours d'une période du courant alternatif IAC en dents de scie à une fréquence de 10 kHz, et dans l'état supraconducteur. Cette différence de potentiel V est représentée sur trois courbes différentes obtenues en faisant traverser ou non le dispositif de test par un courant continu IDC.
Une première de ces courbes représente la situation avec IDC=O, soit avec un courant uniquement alternatif, et représente un comportement inductif du dispositif de test, Sur cette même figure et pour le même dispositif testé, une deuxième courbe pour cette tension V est obtenue avec un courant superposé IDC=5 μA (micro-ampères), pouvant être considéré comme continu par rapport à la fréquence du courant alternatif IAC. Cette deuxième courbe indique alors une inductance plus faible que la courbe obtenue avec courant alternatif seul. Avec un courant continu superposé plus important, valant IDC=IO μA (micro-ampères), une troisième courbe pour cette tension V indique une inductance du même dispositif testé encore plus faible que les première et deuxième courbes. La figure 11 représente une mesure de l'inductance du dispositif de test sur une plage de fréquence entre 100 Hz et 10 kHz, pour des valeurs de courant continu IDC superposé prenant les valeurs de 0,5μA, +10μA, et -lOμA (micro-ampères). Sur l'ensemble de cette plage de fréquence, on constate que la valeur de l'inductance diminue lorsque le courant continu IDC augmente en intensité, et ce dans les deux sens de ce courant IDC. Plus particulièrement sur la plage de fréquences où l'inductance est sensiblement constante c'est à dire entre 1 et 1OkHz, cette inductance se présente comme une fonction décroissante de l'intensité de ce courant continu superposé IDC. L'invention réalise ainsi un composant inductif à inductance variable en fonction du courant le traverse.
En faisant traverser un tel composant supraconducteur inductif par un courant continu IDC commandé, on peut commander la valeur de l'inductance avec laquelle ce composant réagit à un signal alternatif correspondant.
L'invention réalise ainsi un composant inductif réglable ou accordable, par commande d'un courant le traversant.
De plus, lorsque que le composant est traversé par un courant alternatif, l'intensité instantanée le parcourant varie au cours de chaque période. Ainsi que l'indique la figure 9, l'inductance du composant varie également au cours de chaque période.
En particulier lorsque ce courant alternatif correspond à une onde portant ou incluant un ou plusieurs signaux, cette variation d'inductance au sein même d'une période produit alors aux bornes du composant une tension alternative qui représente une version modifiée du signal porté par ce courant alternatif. Pour un comportement inductif classique, cette tension produite serait la dérivée par rapport au temps du courant qui , traverse le composant. Dans le cas présent, la tension produite est une image modifiée de cette dérivée, et représente donc une version modifiée du signal d'entrée. Ainsi, l'invention réalise également un composant inductif de modification ou de traitement de signal.
Les composants inductifs supraconducteurs obtenus par le procédé selon l'invention peuvent trouver des applications dans les domaines de l'électrotechnique ou de l'électronique, de la téléphonie, des antennes et des composants passifs à haute fréquence, en particulier pour l'imagerie médicale ainsi que les radars et l'électronique de défense.
Dans un premier exemple d'application, des composants inductifs supraconducteurs sont implémentés dans des systèmes d'antennes. Ainsi, dans un certain nombre de cas, par exemple en imagerie médicale par résonance magnétique (IRM) de surface, on utilise des antennes accordées. Il est alors possible de réaliser un accord d'une antenne par réglage de l'inductance d'un ou plusieurs des composants inductifs qu'elle comprend. Un paramètre important intervenant dans l'efficacité de l'antenne est le coefficient de surtension qui est proportionnel à son inductance. Une antenne supraconductrice permet de faire croître ce coefficient car sa résistance ohmique est très faible. On peut penser obtenir un nouvel accroissement du coefficient de surtension en incluant dans le circuit d'antenne un dispositif du type de ceux décrits ici.
Un cas particulièrement favorable sera celui ou l'antenne elle-même est réalisée à partir d'un film mince supraconducteur.
Dans un autre exemple d'application, des composants inductifs supraconducteurs sont mis en œuvre dans des lignes à retard. Les lignes à retard sont d'usage courant dans tous les domaines de l'électronique. La forme la plus simple que peut prendre une ligne à retard est représentée sur la figure 7.
La présence dans le circuit de l'inductance L et du condensateur C provoque une différence de phase entre la tension V et le courant L Un exemple d'utilisation est celui des radars à décalage de phase qui permettent d'explorer l'espace environnant avec un système d'antennes fixes. Un schéma de principe pour un tel système est reporté sur la figure 8. Dans ce dispositif la ligne principale portant le courant I est couplé aux différentes antennes. Chacune de celles-ci comporte dans son circuit une ligne à retard. Il en résulte que chaque antenne émet ou reçoit un signal dont la phase est décalée par rapport à celle des antennes voisines. En faisant varier ce décalage de phase on change la direction du rayonnement émis. En électronique de défense, on étudie depuis longtemps l'introduction de composants supraconducteurs dans les circuits électroniques, en particulier pour les radars et plus généralement les contre-mesures. La présence de composants à forte inductance, de petites dimensions et dont la fabrication utilise des processus similaires à ceux employés pour le reste du circuit serait une innovation importante dans ce domaine.
Dans de telles applications, le composant selon l'invention, du fait qu'il est accordable en cours d'utilisation, peut être avantageusement utilisé pour modifier les caractéristiques ou le comportement d'un dispositif dans lequel il est inclus. Cela permet par exemple de modifier ou d'étalonner les caractéristiques d'une antenne composite et/ou active, par réglage global ou différentié de l'inductance au sein des lignes à retard des antennes individuelles qui la composent.
Les possibilités de réglages de telles antennes individuelles ou composites incluant le composant supraconducteur inductif accordable selon l'invention peuvent également permettre des avancées importantes, dans le domaine de l'imagerie médicale. Par exemple pour l'imagerie par IRM, l'utilisation de telles antennes pourrait permettre de réaliser des images avec différentes valeurs du champ magnétique appliqué. Ceci offrirait un degré de liberté supplémentaire pour optimiser la qualité des images obtenues.
De tels composants inductifs performants et facilement intégrables peuvent également être utilisés de façon générique dans la plupart des applications générales de l'électronique, en particulier pour réaliser des fonctions de filtrage de tous types, par exemple passe-haut, passe-bas ou passe-bande. Il est alors possible de réaliser des filtres très intégrés et/ou miniaturisés.
L'utilisation d'un composant selon l'invention permet en effet d'intégrer une inductance de valeur importante dans un circuit de faible encombrement Ainsi qu'illustré en figures 12 et 13 pour des filtres passe-haut et passe-bas, il est alors possible de filtrer de façon réglable une tension d'entrée Vin pour obtenir une tension de sortie Vout/ en utilisant une inductance variable Lv selon l'invention. Ainsi qu'illustré dans cet exemple, l'utilisation de composants inductifs selon l'invention permet de réaliser dans des circuits intégrés des filtres ne comportant que des condensateurs et des inductances, qui sont peu dissipatifs par rapport à des filtres construits avec des condensateurs et des résistances.
En utilisant les variations d'inductance au sein d'une période ondulatoire, le composant selon l'invention est également utilisable de façon avantageuse pour réaliser un type de dispositif électronique appelé mélangeur, et utilisé en particulier dans la détection hétérodyne.
Les mélangeurs sont très utilisés pour traiter une onde à une certaine fréquence fl, par exemple 12 GHz, en utilisant un oscillateur produisant une onde de fréquence fO, par exemple 10 GHz, de façon à obtenir une onde à une fréquence f2=fl-fθ portant un signal à détecter. De façon typique, un tel mélangeur est utilisé à proximité d'une antenne de réception pour décoder des signaux 12 GHz reçus depuis un satellite de télévision directe, et en tirer un signal à une fréquence voisine de 2 GHz qui sera envoyé par câble coaxial vers un démodulateur.
Dans l'état de la technique, les mélangeurs sont typiquement réalisés à l'aide de composants discrets qui sont causes d'encombrement de coût et de fragilité, ou à l'aide de composants non linéaires, par exemple des diodes, qui présentent certains inconvénients, comme par exemple une dissipation importante d'énergie ou le fait de nécessiter un niveau de signal élevé.
La figure 14 illustre ainsi un schéma de principe d'un tel mélangeur à diode.
A titre d'exemple, la figure 15 représente un schéma de principe d'un composant inductif variable selon l'invention, utilisé pour réaliser une fonction de mélangeur de façon simple. Le courant à détecter il de fréquence fl, avec le courant iO issu d'un oscillateur local à la fréquence fO, est envoyé sur un composant à inductance variable LvI selon l'invention. La valeur de l'inductance du composant selon l'invention LvI dépend alors du courant reçu, selon une fonction de la grandeur il+iO. Plus particulièrement dans certaines conditions, par exemple sur certaines plages de fréquences, cette fonction peut s'écrire sous la forme d'une relation comprenant un coefficient α pouvant être déterminé par différents types de mesures, par exemple similaires à celles illustrées en figures 9 et 10. Une telle relation peut s'écrire alors sous la forme suivante :
Dans laquelle LO est la valeur d'inductance du composant lorsque le courant continu superposé IDc est nul.
En particulier lorsque l'amplitude du courant local iO issu de l'oscillateur est beaucoup plus importante, cette relation correspond à une relation de forme suivante :
Lv= L0-α. i0
Dans ces conditions, si le signal d'entrée est sinusoïdal, la tension de sortie V contient une composante Vf2 ondulant à la fréquence f2=fl-fθ et dépendant du signal d'entrée. Cette composante de fréquence fl-fO présente alors la forme suivante :
Vf2=π.α.i0-ii-fi-sin[2π(f0-fi)t+φ] où ψ est la phase du signal du signal d'entrée par rapport à celui de l'oscillateur. Cette relation indique que le composant inductif variable selon l'invention se comporte bien comme un mélangeur.
La figure 16 est un schéma de principe d'un mélangeur utilisant une inductance variable selon l'invention pour extraire un signal à une fréquence f2, à partir d'un signal Sl à une fréquence fl et en utilisant une onde à la fréquence fO issue d'un oscillateur Ose et proche de fl, avec f2=fl-fθ. Cette opération est utilisable par exemple pour obtenir un signal S2 en l'extrayant du signal Sl provenant par exemple d'une antenne de réception. Par rapport au schéma de la figure 15, le schéma de la figure 16 comporte en outre un condensateur C et une inductance LA, constituant un filtre passe- bas, en sortie d'inductance variable. La présence de ce filtre permet d'isoler en sortie le signal S2 à la fréquence f2=fl-fθ, et peut être utile voire nécessaire pour intégrer ce type de mélangeur au sein d'un dispositif de traitement de signal.
Le composant inductif accordable selon l'invention peut également être avantageusement utilisé pour réaliser un dispositif incluant un modulateur. Un modulateur est typiquement utilisé pour obtenir un signal à une fréquence fl élevée à partir d'une composante signal S2 à une fréquence f2 relativement basse, en lui ajoutant une onde à une fréquence fO proche de fl. L'état de la technique connaît des modulateurs typiquement réalisés en utilisantes composants discrets qui sont causes d'encombrement de coût et de fragilité, ou à l'aide de composants intégrés non linéaires, qui présentent certains inconvénients, comme par exemple une certaine dissipation d'énergie. Les figures 17 et 18 représentent ainsi des schémas de principe de modulateurs réalisés respectivement à l'aide de diodes (fig.17) et à l'aide de transistors (fig.18).
La figure 19 illustre un schéma de principe d'un mélangeur utilisant une inductance variable selon l'invention pour mélanger un signal à une fréquence f2 avec une onde à la fréquence fO issue d'un oscillateur Ose, utilisable par exemple pour coder un signal S2 avant émission. Plus particulièrement dans le cas où la fréquence fO est nettement plus importante que la fréquence f2, l'inductance variable Lv2 effectue le mélange en un signal qui est ensuite filtré par le montage passe-haut constitué par l'inductance LA et le condensateur C. Ce filtrage ne laisse alors passer que la composante ondulatoire VfI de fréquence fl, avec fl=f2+fθ.
Au sein des exemples décrits, les inductances qui ne sont pas précisées comme étant variables ou commandées peuvent bien sûr également être réalisées sous la forme d'un composant inductif supraconducteur, de façon à homogénéiser le dispositif obtenu et conserver ou améliorer les gains de l'invention, par exemple en termes de coût, fiabilité, performances ou encombrement.
Dans tous ces exemples, comme dans d'autres modes de réalisation non décrits ici, la commande par courant selon l'invention permet en particulier de piloter de façon entièrement électronique une plus grande part de fonctions et réglages. Un tel pilotage permet alors une plus grande souplesse dans la conception des appareils concernés, mais également d'apporter des fonctionnalités et des performances nouvelles par rapport à l'état de la technique. De même, la réalisation de ces composants sous forme de couches minces supraconductrices permet une plus grande miniaturisation ainsi qu'une intégration sur une bien plus grande échelle. Cela rend possible de concevoir des systèmes moins dissipatifs, d'en multiplier les composants, et d'en améliorer la puissance et/ou d'en diminuer l'encombrement. L'intégration permet également d'améliorer la fiabilité et la reproductibilité de tels dispositifs, et d'en diminuer les coûts de fabrication.
Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention. Ainsi, le nombre de films respectivement isolants et supraconducteurs n'est pas limité aux exemples décrits. Par ailleurs, les dimensions des composants inductifs supraconducteurs ainsi que leurs surfaces peuvent évoluer en fonction des applications spécifiques de ces composants. De plus, les films respectivement supraconducteurs et isolants peuvent être réalisés à partir d'autres composés que ceux proposés dans l'exemple décrit, pourvu que ces composés satisfassent aux conditions physiques requises pour les applications.

Claims

REVENDICATIONS
1. Utilisation, en tant que composant à inductance variable en fonction du courant le traversant, d'un composant supraconducteur inductif présentant au moins deux bornes et comprenant au moins un segment de ligne collabore avec lesdites bornes et intègre au moins une de ces bornes, ce segment de ligne constituant une couche conductrice ou supraconductrice au sein d'un empilement (E) de films alternativement supraconducteurs (Cl) et isolants (C2).
2. Utilisation selon la revendication 1, dans laquelle la valeur d'inductance du composant inductif supraconducteur est modifiée ou commandée par des moyens de commande de courant agissant sur un courant continu qui traverse ledit composant.
3. Utilisation selon la revendication 1, dans laquelle le composant inductif supraconducteur est soumis à une tension ou un courant ondulatoire constituant au moins une onde, à laquelle il réagit avec un comportement inductif variant au sein d'une même période de cette onde, cette variation produisant une modification d'au moins une caractéristique de cette onde.
4. Utilisation selon l'une des revendications 1 ou 3 pour réaliser un mélangeur de fréquence, dans laquelle le composant inductif supraconducteur (LvI fig.15, 16) est soumis d'une part à une onde d'entrée comprenant au moins une première composante constituant un signal, dit signal d'entrée (Sl), à une première fréquence, dite fréquence haute (fl), et d'autre part à une onde régulière à une fréquence d'oscillation (fO) proche de la fréquence haute (fl), le comportement inductif dudit composant inductif (LvI) supraconducteur produisant une onde de sortie comprenant au moins une deuxième composante ondulatoire selon une deuxième fréquence, dite fréquence basse (f2), valant approximativement la fréquence haute diminuée de la fréquence d'oscillation, ladite deuxième composante constituant un signal de sortie (S2) dépendant du signal d'entrée (Sl).
5. Utilisation selon l'une des revendications 1 ou 3 pour réaliser un modulateur de fréquence, dans laquelle le composant inductif (Lv2 fig.19) supraconducteur est soumis d'une part à une onde d'entrée comprenant au moins une première composante constituant un signal d'entrée (S2) à une première fréquence, dite fréquence basse (f2), et d'autre part à une onde régulière à une fréquence d'oscillation (fO), le comportement inductif dudit composant inductif (Lv2) supraconducteur produisant une onde de sortie comprenant au moins une deuxième composante ondulatoire selon une deuxième fréquence, dite fréquence haute (fl), valant approximativement la somme de la fréquence basse et de la fréquence d'oscillation, ladite deuxième composante constituant un signal de sortie (Sl) dépendant du signal d'entrée (S2).
6. Dispositif électronique comprenant au moins un composant inductif supraconducteur à inductance variable en fonction du courant le traversant, ledit composant inductif supraconducteur présentant au moins deux bornes et comprenant au moins un segment de ligne qui collabore avec lesdites bornes et intègre au moins une de ces bornes, ce segment de ligne constituant une couche conductrice ou supraconductrice au sein d'un empilement (E) de films alternativement supraconducteurs (Cl) et isolants (C2).
7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le composant inductif supraconducteur est traversé par un courant alternatif et en ce qu'il comprend en outre des moyens pour commander ou modifier la valeur d'inductance dudit composant inductif supraconducteur, ces moyens agissant sur l'intensité d'un courant continu traversant ledit composant inductif supraconducteur et se superposant au courant alternatif.
8. Dispositif selon l'une des revendications 6 ou 7, le composant inductif supraconducteur est utilisé au sein d'un circuit électronique réalisant un filtrage de fréquence, dont au moins une caractéristique est modifiée par modification de l'inductance dudit composant inductif supraconducteur.
9. Dispositif selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que le composant inductif supraconducteur est utilisé au sein d'un circuit électronique réalisant une ligne à retard, dont au moins une caractéristique est modifiée par modification de l'inductance dudit composant inductif supraconducteur.
10. Dispositif selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que le composant inductif supraconducteur est utilisé au sein d'un circuit électronique réalisant une antenne fabriquée à partir d'un film mince supraconducteur, au moins une caractéristique de cette antenne étant commandée ou modifiée par modification de l'inductance dudit composant inductif supraconducteur.
11. Dispositif selon la revendication 10, utilisé dans un radar à décalage de phase comprenant une pluralité d'antennes comprenant chacune un circuit électronique incluant au moins une ligne à retard, cette ligne à retard étant agencée de sorte que chacune des desdites antennes émet ou reçoit un signal dont la phase est décalée par rapport à celle des antennes voisines, cet agencement étant commandé par modification de l'inductance dudit composant inductif supraconducteur.
12. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que ce coττrplîsâ7rrπτaLictiT supraconducteur est traversé par un courant constituant au moins une onde, à laquelle ledit composant réagit avec un comportement inductif variant au sein d'une même période de cette onde, cette variation produisant une modification d'au moins une caractéristique de cette onde.
13. Dispositif selon l'une des revendications 6 ou 12, caractérisé en ce que ce composant inductif supraconducteur (LvI fig.15, 16) est soumis d'une part à une onde d'entrée comprenant au moins une première composante constituant un signal, dit signal d'entrée (Sl), à une première fréquence, dite fréquence haute (fl), et d'autre part à une onde régulière à une fréquence d'oscillation (fO) proche de la fréquence haute (fl), le comportement inductif dudit composant inductif (LvI) supraconducteur produisant une onde de sortie comprenant au moins une deuxième composante ondulatoire selon une deuxième fréquence, dite fréquence basse (f2), valant approximativement la fréquence haute diminuée de la fréquence d'oscillation, ladite deuxième composante constituant un signal de sortie (S2) dépendant du signal d'entrée (Sl).
14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il réalise un mélangeur et comprend au moins un composant inductif supraconducteur (LvI, fig.15) monté en parallèle avec un composant oscillateur (Ose).
15. Dispositif selon l'une des revendications 13 ou 14, caractérisé en ce qu'il réalise un mélangeur et comprend au moins un composant oscillateur (Ose) en parallèle ainsi qu'un composant inductif supraconducteur (LvI, fig.16) en série monté en aval et à la sortie duquel est connecté au moins un montage capacitif et inductif réalisant un filtre passe-bas.
16. Dispositif selon l'une des revendications 6 ou 12 à 15, caractérisé en ce qu'il est utilisé au sein un système de réception d'un signal électromagnétique de transmission hertzienne.
17. Dispositif selon l'une des revendications 6 ou 12, caractérisé en ce qτχe~le composant inductif supraconducteur (Lv2 fig.19) est soumis d'une part à une onde d'entrée comprenant au moins une première composante constituant un signal d'entrée (S2) à une première fréquence, dite fréquence basse (f2), et d'autre part à une onde régulière à une fréquence d'oscillation (fO), le comportement inductif dudit composant inductif (Lv2) supraconducteur produisant une onde de sortie comprenant au moins une deuxième composante ondulatoire selon une deuxième fréquence, dite fréquence haute (fl), valant approximativement la somme de la fréquence basse et de la fréquence d'oscillation, ladite deuxième composante constituant un signal de sortie (Sl) dépendant du signal d'entrée (S2).
18. Dispositif selon la revendication 17, caractérisé en ce qu'il réalise un modulateur et comprend au moins un composant oscillateur (Ose) en parallèle ainsi qu'un composant inductif supraconducteur (Lv2, fig.19) en série monté en aval et à la sortie duquel est connecté au moins un montage capacitif et inductif réalisant un filtre passe-haut.
19. Dispositif selon l'une des revendications 6, 12, 17 ou 18, caractérisé en ce qu'il est utilisé au sein un système d'émission d'un signal électromagnétique de transmission hertzienne.
20. Dispositif selon l'une des revendications 6 à 19, caractérisé en ce qu'il est utilisé au sein d'un système de diffusion audiovisuelle ou de communication ou par satellite.
21. Procédé de commande de l'inductance d'un composant inductif supraconducteur, ce composant inductif supraconducteur présentant au moins deux bornes et comprenant au moins un segment de ligne qui collabore avec lesdites bornes et intègre au moins une de ces bornes, ce segment de ligne constituant une couche conductrice ou supraconductrice au sein d'un empilement (E) de films alternativement supraconducteurs (Cl) et isolants (C2), ce composant étant soumis à une tension ou un courant alternatif, ce procédé comprenant une injection d'un courant de eommande—seπsibrlement continu en superposition du courant alternatif traversant ledit composant inductif supraconducteur.
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