Soutenance mémoire
Le bruit de phase des sources micro-ondes
Dans tout système électronique se trouve du bruit. Un bruit électronique correspond à l’ensemble des perturbations de toute nature et de toute origine venant se superposer à un signal utile en un point quelconque de l’espace ou d’une voie de transmission. Le bruit est donc un élément gênant que nous souhaitons faire disparaitre, ou tout au moins réduire à son minimum. Différents types de bruit existent et peuvent provenir de l’environnement extérieur au système (comme les ondes radio, le 50 Hz du réseau électrique ou un enfant s’amusant à taper au marteau sur notre système) ou bien du système lui-même (bruit des composants électroniques, du rayonnement ou du couplage magnétique entre les cartes, des ventilateurs de refroidissement…). Ces bruits sont présents dans tous les systèmes électroniques mais si leurs niveaux sont assez faibles ils peuvent ne pas gêner l’utilisation principale du système. Par exemple dans le cadre d’une enceinte pour écouter de la musique, un bruit sur le signal générant des fluctuations aléatoires de tension, engendrera des grésillements au niveau de l’enceinte. Si ces fluctuations sont du même niveau que le signal émis, elles détérioreront fortement notre musique, tandis qu’avec de très faibles niveaux de bruit nous pourrons écouter tranquillement notre musique sans désagréments. Avoir de faibles niveaux de bruits est donc indispensable pour de nombreuses applications.
Nos travaux de thèse ont porté sur la réalisation d’une source hyperfréquence à haute pureté spectrale (ou faible bruit de phase). De telles sources sont nécessaires dans différents domaines, comme par exemple les systèmes de navigation (comme le système GPS) et les systèmes de métrologie du temps. Les « quartz » dont sont équipées un grand nombre de montres actuelles sont des oscillateurs connus pour leur stabilité fréquentielle. Plus l’oscillateur de la montre est stable, moins il y a besoin de la remettre à l’heure. Dans le cadre de nos travaux, la principale application visée est celle des systèmes RADAR [Chretien 2014] et le critère de stabilité de l’oscillateur porte dans ce cas sur du court terme. Nous allons maintenant détailler ce besoin.
Bruit de phase pour la détection RADAR
Développé au début du 20ème siècle, le RADAR est un système permettant la détection de la vitesse et du positionnement d’objets dans un environnement contrôlé. Son principe de fonctionnement est simple : émettre une onde électromagnétique connue dans l’environnement que l’on souhaite examiner puis recevoir l’onde réfléchie et analyser les modifications qu’elle a subie.
Maintenant que nous comprenons le fonctionnement d’un RADAR, nous pouvons regarder en quoi ses spécifications en bruit sont critiques. Un des éléments non présentés ci-dessus est le niveau de puissance du signal reçu. Ce niveau dépend de nombreux paramètres, la puissance émise, le gain de l’antenne, la distance entre le radar et la cible, l’affaiblissement du milieu dans lequel se propage l’onde et la surface équivalente radar de la cible. Il est courant donc d’avoir des signaux de très faibles niveaux de puissance, pouvant avoisiner le niveau de bruit du récepteur. Il est donc indispensable d’avoir un facteur de bruit (NF) très faible dans le récepteur. Le bruit de phase est quant à lui critique quand il y a plusieurs cibles ou des réflexions indésirables de l’onde émise, mais aussi dans le cas où la vitesse de l’objet est faible.
Afin de réduire le bruit d’un système, il faut regarder l’origine des sources de bruit. Pour le bruit lié à l’environnement d’un système, plusieurs protections peuvent être mises en place afin que ces sources de bruit soient réduites. On peut par exemple placer le système dans une cage de Faraday pour se protéger des ondes RF ou le positionner sur une table antivibratoire pour minimiser les vibrations mécaniques ou enlever le marteau des mains de l’enfant qui tape sur notre appareil ! Mais même si nous protégeons au mieux notre système du monde extérieur celui-ci aura toujours son bruit propre. Voilà pourquoi les travaux présentés dans cette thèse se focaliseront sur la réduction des bruits internes à notre système : un oscillateur hyperfréquence à haute pureté spectrale. Pour cela une conception précise du circuit et un choix des meilleurs composants doit-être réalisé.
Bruit de phase dans un oscillateur
Notre objectif principal est l’obtention de signaux a très haute pureté spectrale [Vernotte 2006], c’est-à-dire à très faible bruit de phase, en gamme micro-onde. Afin de comprendre la nature du bruit de phase d’un signal électronique, regardons tout d’abord un signal idéal.
Un signal d’oscillateur mathématiquement parfait est un signal pouvant s’écrire :
?(?) = ? ∙ sin (2?ft) I.5
A étant l’amplitude de notre signal (son unité dépendra de l’élément mesuré, par exemple, des Volts pour une tension), f étant la fréquence du signal (en Hertz) et t l’instant de la mesure (en seconde).
Bruit de phase résiduel d’un amplificateur
Afin de pouvoir réaliser un oscillateur à faible bruit de phase, nous avons besoin de
comprendre les mécanismes liés au bruit de l’amplificateur. On appelle bruit électrique toutes les perturbations qui se superposent au signal utile. Nous parlons de bruit de phase résiduel quand ces perturbations génèrent une fluctuation de la phase du signal utile. Dans le cadre d’un amplificateur, l’élément générant la plus grande contribution de bruit de phase lors du passage d’un signal est l’élément actif, c’est-à-dire le transistor. Pour les transistors, différents types de bruits ont été observés [Van der Ziel 1986, Plana 1993]. Ces phénomènes peuvent être regroupés en deux catégories : les bruits en excès et les bruits blancs. Un bruit blanc est un bruit indépendant de la fréquence tandis qu’un bruit en excès présente une dépendance en fréquence qui le caractérise (souvent proche du 1/f) et une fréquence de coupure de ce bruit avec le plancher de bruit blanc. Ces bruits proviennent de mouvements désordonnés d’électrons, comme des phénomènes de piégeage-dépiègeage, qui conduisent à faire fluctuer lentement le nombre de porteurs disponibles pour la conduction. On peut traduire ces effets par des fluctuations de courant ou de tension. Ces bruits sont réunis dans la famille des bruits basse fréquence (bruits BF). Ils apparaissent fondamentalement dans une gamme allant de quelques Hertz à quelques Mégahertz. Dans le cas d’un circuit non-linéaire, ils sont également transposés au voisinage de la fréquence porteuse RF par des processus de modulation ou de mélange de fréquence. L’amplitude de ces bruits transposés à haute fréquence suit l’amplitude de la porteuse. On dit qu’il s’agit de bruits multiplicatifs, par opposition aux contributions de bruit directement ajoutées au signal RF comme le bruit thermique haute fréquence. On a donc, au voisinage de la porteuse RF, deux contributions en bruit très différentes : un bruit multiplicatif provenant des basses fréquences et un bruit additif hautefréquence.
Bruit basse fréquence ou bruit en excès
Les deux principales sources de bruit en excès sont le bruit de génération recombinaison (G-R) et le bruit de scintillation en 1/f. D’autres sources de bruit ont aussi été mises en évidence [Van der Ziel 1986] mais quand les procédés technologiques sont suffisamment matures, ils ont un effet très faible, voire plus aucun effet. De même, lorsque la technologie des composants est bien stabilisée, le bruit G-R tend à disparaître et seul le bruit en 1/f est visible à basse fréquence (c’est le cas de nombreux transistors bipolaires à homojonction sur silicium).
Le bruit de G-R est lié aux fluctuations du nombre de porteurs, induites par des défauts de cristallographie créant des trous (ou centres recombinants) qui génèrent des pièges d’énergie. Ces pièges vont, en fonction de leurs états d’occupations faire fluctuer le courant qui traverse le semiconducteur. Ils sont caractérisés par des fréquences de capture spécifiques, qui dépendent de la nature du défaut. Suivant les cas et les technologies, un type de piège est prépondérant (et une fréquence apparait majoritairement sur le spectre de bruit) ou plusieurs types de pièges sont actifs et les fréquences de piégeage-dépiégeage conduisent à un spectre plus complet.
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Table des matières
Introduction générale
I Le bruit de phase des sources micro-ondes
I.1 Bruit de phase pour la détection RADAR
I.2 Bruit de phase dans un oscillateur
I.3 Conversion du bruit de phase dans un oscillateur – modèle de Leeson
I.4 Bruit de phase résiduel d’un amplificateur
I.4.1 Bruit blanc et bruit additif HF
I.4.2 Bruit basse fréquence ou bruit en excès
I.5 Mesure du bruit basse fréquence d’un transistor
I.6 Métrologie du bruit de phase résiduel
I.7 Simulation du bruit de phase
I.8 Etat de l’art des sources micro-ondes à haute pureté spectrale
I.9 Objectifs
I.10 Conclusion
I.11 Bibliographie – chapitre I
II Le résonateur supraconducteur
II.1 Théorie des supraconducteurs
II.2 Le résonateur supraconducteur de l’Unité Mixte de Physique CNRS, Thales, Université Paris-Saclay
II.2.1 Réalisation du composant
II.2.2 Montée en TRL
II.2.3 Machine cryogénique
II.3 Caractérisation du résonateur
II.3.1 Modèle analytique et électrique
II.3.2 Mesure du résonateur
II.3.3 Modélisation du résonateur à l’aide de Keysight ADS
II.4 Conclusion
II.5 Bibliographie – chapitre 2
III Amplificateur cryogénique faible bruit
III.1 Choix du transistor
III.2 Modélisation du transistor sous ADS
III.3 Modélisation des autres composants
III.4 Conception de l’amplificateur cryogénique à faible bruit de phase
III.5 Conclusion
III.6 Bibliographie – chapitre 3
IV Oscillateur tout cryogénique
IV.1 Supports de test
IV.2 Analyseur de bruit de phase E4042B et FSWP26
IV.3 Description des éléments de la boucle d’oscillation
IV.3.1 Le résonateur
IV.3.2 Le coupleur
IV.3.3 Le déphaseur
IV.3.4 L’amplificateur de boucle et l’amplificateur buffer
IV.4 Assemblage de la boucle d’oscillation
IV.5 Condition d’oscillation
IV.5.1 Condition de phase
IV.5.2 Condition d’amplitude
IV.6 Réalisation de l’oscillateur tout cryogénique à 1 GHz
IV.7 Conclusion
IV.8 Bibliographie – chapitre 4
Conclusion générale
