Conception et optimisation en bruit de phase d'un oscillateur hyperfréquence à résonateur supraconducteur

Design and optimisation of low phase-noise microwave oscillator with superconductor resonator

• Auteur / Autrice : David Chaudy
• Direction : Olivier Llopis
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electromagnétisme et Systèmes Haute Fréquence
• Date : Soutenance le 02/07/2020
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (Toulouse ; 1968-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Supraconducteurs

Bruit de phase

Oscillateurs

Mots clés libres

Bruit de phase

Oscillateur

Cryogénie

Résonateur

Amplificateur

Hyperfréquences

Supraconducteur

Haute pureté spectrale

Phase-noise

Oscillator

Cryogenic

Resonator

Amplifier

Microwave

Superconductor

High spectral purity.

Résumé

La supraconductivité à haute température critique a conduit au développement de résonateurs planaires à très fort facteur de qualité dans la gamme basse des hyperfréquences (quelques GHz). De tels résonateurs, associés à un circuit d'amplification, permettent de réaliser des sources hyperfréquences de grande pureté spectrale (ou faible bruit de phase). En effet, des coefficients de qualité à vide de l'ordre de 300 000 ont pu être démontrés sur ces résonateurs aux environs de 1 GHz. Toutefois, avant ce travail de thèse, aucun oscillateur à résonateur supraconducteur n'avait pu inclure un système d'amplification lui aussi refroidi. Nous avons donc débuté notre travail par une caractérisation fine à basse température des composants constituant la boucle d'oscillation : le résonateur, le transistor (amplificateur) et le varactor (contrôle de phase). Une caractérisation précise de différents résonateurs supraconducteurs a été réalisée sur une large gamme de température et à différents niveaux de puissance RF. Ce travail nous a permis d'extraire un modèle non-linéaire du résonateur pouvant être utilisé dans une conception de circuit à 1 GHz. En ce qui concerne l'amplificateur, différents transistors ont été testés vis-à-vis de leurs performances en bruit de phase et en gain à 1 GHz et 80 K (puis à 60 K par la suite). Suite à ces mesures, un composant a été sélectionné et modélisé. Le modèle du transistor, extrait à partir des mesures I(V) et de paramètres S à basse température, inclue des sources de bruit permettant de simuler le bruit de phase résiduel du transistor (composante en 1/f et plancher de bruit). En utilisant ce modèle, un amplificateur cryogénique à faible bruit de phase a pu être conçu et optimisé en bruit sur le logiciel Keysight ADS. Un travail similaire a été mené sur des diodes varactors afin d'inclure un circuit d'accord en fréquence pour l'oscillateur, ceci pour permettre un verrouillage de fréquence sur une référence externe. Enfin, à l'aide de ces modèles, un oscillateur tout cryogénique a pu être simulé et réalisé en technologie hybride sur alumine. Il s'agit à notre connaissance du tout premier oscillateur entièrement cryogénique à résonateur supraconducteur. Ce circuit a été mesuré par des techniques de métrologie avancées et les résultats sont présentés dans la thèse.

Recent research on high-temperature superconductors (HTS) has led to the development of planar resonators with a very high quality factor in the low microwave range (some GHz). Such resonators, associated with an amplification circuit, make it possible to produce microwave sources of high spectral purity (or low phase noise). Indeed, quality factors of 300 000 could be demonstrated on these resonators around 1 GHz. However, prior to this thesis work, no oscillator with HTS resonator had been able to include an amplification system that had also been cooled. We began our work by a fine characterization at low temperature of the components constituting the oscillation loop: the resonator, the transistor (amplifier) ??and the varactor (phase control). Accurate characterization of different superconducting resonators has been performed over a wide temperature range and at different RF power levels. This work allowed us to extract a non-linear model of the resonator that can be used in a 1 GHz circuit design. As regards the amplifier, different transistors have been tested with respect to their phase noise and gain performance at 1 GHz and 80 K (and then 60 K thereafter). Following these measurements, a component was selected and modeled. The transistor model, extracted from the I(V) and low temperature S parameters, includes noise sources to simulate the residual phase noise of the transistor (1/f component and noise floor). Using this model, a low noise phase cryogenic amplifier could be designed and noise optimized on the Keysight ADS software. Similar work has been done on varactor diodes to include a frequency tuning circuit for the oscillator to allow frequency lock on an external reference. Finally, using these models, an all cryogenic oscillator could be simulated and realized in hybrid technology on alumina. To our knowledge, this is the first entirely cryogenic oscillator with HTS resonator. This circuit was measured by advanced metrology techniques and the results are presented in the thesis.