FR2942924A1 - Microwave frequency converter, has magneto-resistive element served as oscillating element comprising magnetic layers that are separated by nonmagnetic layer, where layer is made of insulating metal or semi-conductor material - Google Patents
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Abstract
Description
TRANSPOSEUR DE FREQUENCES HYPERFREQUENCES A DIMENSIONS REDUITES La présente invention se rapporte à un transposeur de fréquences hyperfréquences à dimensions réduites. Un transposeur de fréquences est un dispositif qui permet de décaler la fréquence d'un signal reçu vers une fréquence plus élevée ou plus basse. Comme indiqué sur la figure 1, un transposeur de fréquences 1 est essentiellement composé d'un mélangeur de fréquences 2 et d'un oscillateur local 3. L'une des problématiques concernant ces dispositifs est de réduire leurs dimensions. A l'heure actuelle, la taille des transposeurs de fréquences est principalement déterminée par les dimensions de l'oscillateur local servant de référence. Celui-ci est en général réalisé au moyen d'un résonateur encombrant. Par ailleurs, il est nécessaire de réaliser un circuit d'adaptation (non représenté) de cet oscillateur vis à vis du mélangeur qui est un élément non linéaire mélangeant les signaux les signaux d'entrée E et les signaux provenant de l'oscillateur local. Ce circuit d'adaptation représente également une source d'encombrement. Le principal défaut de ces technologies connues est donc de concevoir le transposeur de fréquences comme un assemblage de blocs ayant des fonctions différentes (oscillateur local et mélangeur), ce qui nécessite des circuits d'adaptation d'impédance. La présente invention a pour objet un transposeur de fréquences hyperfréquences à dimensions réduites ne nécessitant pas de circuits d'adaptation d'impédance. The present invention relates to a transponder of microwave frequencies with reduced dimensions. BACKGROUND OF THE INVENTION A frequency transposer is a device that shifts the frequency of a received signal to a higher or lower frequency. As shown in FIG. 1, a frequency transposer 1 is essentially composed of a frequency mixer 2 and a local oscillator 3. One of the problems concerning these devices is to reduce their dimensions. At present, the size of the frequency transposers is mainly determined by the dimensions of the local oscillator serving as a reference. This is usually done by means of a bulky resonator. Furthermore, it is necessary to perform an adaptation circuit (not shown) of this oscillator with respect to the mixer which is a non-linear element mixing the signals, the input signals E and the signals coming from the local oscillator. This adaptation circuit also represents a source of space. The main defect of these known technologies is therefore to design the frequency transposer as an assembly of blocks having different functions (local oscillator and mixer), which requires impedance matching circuits. The present invention relates to a reduced-frequency microwave frequency transposer that does not require impedance matching circuits.
Le transposeur de fréquences conforme à l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte un élément magnéto-résistif en tant qu'élément non linéaire et oscillateur local, cet élément comportant au moins deux couches magnétiques séparées par une couche en matériau non magnétique. Ainsi, grâce à l'invention, il n'est plus nécessaire de réaliser un oscillateur local, ni de circuit d'adaptation d'impédance de l'oscillateur au mélangeur de fréquences. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation, pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé, sur lequel : la figure 1, déjà décrite ci-dessus, est un bloc-diagramme simplifié d'un transposeur de fréquences de l'art antérieur, The frequency converter according to the invention is characterized in that it comprises a magneto-resistive element as non-linear element and local oscillator, this element comprising at least two magnetic layers separated by a layer of non-magnetic material. Thus, thanks to the invention, it is no longer necessary to produce a local oscillator or an impedance matching circuit from the oscillator to the frequency mixer. The present invention will be better understood on reading the detailed description of an embodiment, taken by way of nonlimiting example and illustrated by the appended drawing, in which: FIG. 1, already described above, is a simplified block diagram of a prior art frequency transposer,
la figure 2 est schéma de principe d'un transposeur de fréquences conforme à la présente invention, et la figure 3 est un schéma d'un appareillage de test d'un transposeur de fréquences conforme à l'invention. Selon l'invention, on utilise un dispositif magnéto-résistif en tant que transposeur de fréquences, un tel dispositif magnéto-résistif étant schématisé sur la figure 2. Le dispositif magnéto-résistif 4 comporte au moins deux couches magnétiques 5, 6 séparées par une couche 7 en matériau non magnétique (métal, isolant ou semi-conducteur). Un tel composant multicouche est connu par exemple d'après le brevet européen EP0550306. La résistance d'un tel dispositif dépend de l'orientation relative des aimantations, ml et M2, des deux couches magnétiques : _ ù• R = $(mi • m2) On suppose que l'une des deux aimantations est fixe ou maintenue fixe (par un couplage de type magnétique, par exemple un couplage anti-ferromagnétique) , disons M2. Si mi change d'orientation au cours du temps avec une fréquence caractéristique f1, la résistance R du dispositif 4 varie également au cours du temps à la même fréquence : R oc Ro + AR cos (2 1t) FIG. 2 is a block diagram of a frequency transposer according to the present invention, and FIG. 3 is a diagram of a test apparatus of a frequency transposer in accordance with the invention. According to the invention, a magnetoresistive device is used as a frequency transposer, such a magneto-resistive device being shown schematically in FIG. 2. The magnetoresistive device 4 comprises at least two magnetic layers 5, 6 separated by a layer 7 of non-magnetic material (metal, insulator or semiconductor). Such a multilayer component is known for example from European Patent EP0550306. The resistance of such a device depends on the relative orientation of the magnetizations, ml and M2, of the two magnetic layers: ## EQU1 ## We assume that one of the two magnetizations is fixed or fixed (by a coupling of magnetic type, for example an anti-ferromagnetic coupling), say M2. If mi changes orientation over time with a characteristic frequency f1, the resistance R of the device 4 also varies over time at the same frequency: R o Ro + AR cos (2 1t)
Dans cette expression, le terme AR est l'amplitude maximum de variation de résistance au cours du changement de direction de mi, et Ro est la résistance moyenne du dispositif 4. Le mouvement de l'aimantation de la (des) couche(s) magnétique(s) peut être obtenu de deux manières différentes. La première est simplement l'activation de l'aimantation par un bruit blanc, c'est-à-dire un bruit dont I'amplitude est indépendante de la fréquence. Ce bruit peut être notamment le bain thermique dans lequel baigne l'aimantation. Un bruit blanc se traduit dans l'équation du mouvement de l'aimantation par un champ magnétique fluctuant. Comme l'amplitude du bruit est indépendante de la fréquence, il possède une composante à la fréquence de résonance de l'aimantation. Un bruit blanc permet donc d'exciter l'aimantation d'une couche magnétique et ainsi de la mettre en mouvement à sa fréquence de résonance. Cette manière d'exciter l'aimantation ne requiert pas d'apport d'énergie autre que l'énergie thermique ambiante. Plus la température est élevée, plus l'amplitude du mouvement de l'aimantation est grande. La deuxième manière de mettre en mouvement l'aimantation est d'injecter dans le dispositif un courant continu. Dans un dispositif magnéto-résistif, le phénomène de transfert de spin permet de manipuler les aimantations des couches magnétiques. Le phénomène de transfert de spin décrit comment un courant polarisé en spin interagit avec l'aimantation d'une couche magnétique. Cette interaction se traduit par un couple de force agissant sur l'aimantation de la couche magnétique. In this expression, the term AR is the maximum amplitude of variation of resistance during the change of direction of mi, and Ro is the average resistance of the device 4. The movement of the magnetization of the layer (s) Magnetic (s) can be obtained in two different ways. The first is simply the activation of the magnetization by a white noise, that is to say a noise whose amplitude is independent of the frequency. This noise can be in particular the thermal bath in which the magnetization bathes. A white noise is reflected in the equation of the motion of the magnetization by a fluctuating magnetic field. As the amplitude of the noise is independent of the frequency, it has a component at the resonance frequency of the magnetization. A white noise thus makes it possible to excite the magnetization of a magnetic layer and thus to set it in motion at its resonant frequency. This way of exciting the magnetization does not require any input of energy other than the ambient thermal energy. The higher the temperature, the greater the amplitude of the movement of the magnetization. The second way to set the magnetization in motion is to inject into the device a direct current. In a magneto-resistive device, the spin transfer phenomenon makes it possible to manipulate the magnetizations of the magnetic layers. The spin transfer phenomenon describes how a spin polarized current interacts with the magnetization of a magnetic layer. This interaction results in a force pair acting on the magnetization of the magnetic layer.
Pour une densité de courant suffisamment élevée, de l'ordre de 107 A/cm2 dans des structures métalliques et 106 A/cm2 dans les structures à barrière tunnel, ce couple de force compense l'amortissement naturel de l'aimantation (amortissement de Gilbert). Lorsque l'amortissement effectif est nul, l'aimantation se met en mouvement de précession entretenue au cours du temps (voir demande de brevet 2007/0236105 de For a sufficiently high current density, of the order of 107 A / cm 2 in metal structures and 106 A / cm 2 in tunnel barrier structures, this force torque compensates for the natural damping of the magnetization (damping of Gilbert ). When the effective damping is zero, the magnetization starts to precession movement maintained over time (see patent application 2007/0236105 de
F.B. Mancoff ). Si un courant hyperfréquences Iin(t) de fréquence fin , caractérisé par lin(t) = Iin cos(2znt) est injecté dans le dispositif, la tension Vout aux bornes du dispositif 4 est : Voue = Ra7in cos (27r,fint) +A. RI in {cos [27r (,fin ù f, )t]+ cos [27r (.fin + .f, )t]} 2 L'expression ci-dessus de la tension de sortie comporte trois termes. Le premier est un signal à la fréquence du signal injecté. Le deuxième est un signal à la différence des fréquences entre le signal injecté et la fréquence caractéristique du mouvement de l'aimantation. Le troisième a une fréquence égale à la somme des fréquences des signaux cités précédemment. Le résultat est donc bien de produire deux signaux décalés en fréquence par rapport à la fréquence du signal injecté. F. B. Mancoff). If a microwave current Iin (t) of fine frequency, characterized by lin (t) = Iin cos (2znt) is injected into the device, the voltage Vout across the device 4 is: V = = Ra7in cos (27r, fint) + AT. RI in {cos [27r (, end ù f,) t] + cos [27r (.fin + .f,) t]} 2 The above expression of the output voltage has three terms. The first is a signal at the frequency of the injected signal. The second is a signal unlike the frequencies between the injected signal and the characteristic frequency of the magnetization motion. The third has a frequency equal to the sum of the frequencies of the signals mentioned above. The result is therefore to produce two signals offset in frequency with respect to the frequency of the injected signal.
Pour réaliser le dispositif de l'invention, il est possible de concevoir à la fois des structures vannes de spin (entièrement métallliques), des jonctions tunnels magnétiques (avec comme isolant Al2O3 ou MgO) ou des couches semi-conductrices, ce, d'une façon similaire à celle relative aux dispositifs décrits dans ladite demande de brevet US 2007/0236105. Les dispositifs magnéto-résistifs sont utilisés dans de nombreuses applications, notamment pour les têtes de lecture des disques durs. De nombreuses entreprises maîtrisent donc leur fabrication (Seagate, Hitachi, IBM...). Par ailleurs ces dispositifs représentent un élément principal dans la recherche sur l'électronique de spin. Ainsi de nombreux laboratoires possèdent le savoir-faire de leur fabrication (Spintec, IMEC, ...). Le principe de fonctionnement de l'invention a été testé en réalisant l'expérience schématisé par la figure 3. Cette étude portait sur une jonction tunnel magnétique 8 dont la magnétorésistance tunnel est de 100% à température ambiante, de dimensions latérales 150 nm x 50 nm. Via un circulateur 9 (2-4GHz), un courant hyperfréquences à la fréquence fs (dans la gamme 0.1-6 GHz), généré par une source hyperfréquences 10, reliée au circulateur 9, a été appliqué à ce dispositif et on a observé le spectre de puissance sur un analyseur de spectre 11, également relié au circulateur 9. Ce spectre comporte un signal à la fréquence du courant appliqué ainsi que les signaux mixés entre le signal de la source et la fréquence de résonance de la couche libre du matériau ferromagnétique (CoFeB), ici à fo=2.4 GHz. Les signaux qui ont pu être observés sont effectivement les signaux à fs+fo et Ifs-fol. To realize the device of the invention, it is possible to design both spin valve structures (entirely metallliques), magnetic tunnel junctions (with as insulator Al2O3 or MgO) or semiconductor layers, ce, d ' a similar way to that relating to the devices described in said patent application US 2007/0236105. Magneto-resistive devices are used in many applications, especially for the read heads of hard disks. Many companies therefore master their manufacture (Seagate, Hitachi, IBM ...). Moreover these devices represent a main element in the research on spin electronics. Thus many laboratories have the know-how of their manufacture (Spintec, IMEC, ...). The operating principle of the invention was tested by carrying out the experiment shown diagrammatically in FIG. 3. This study concerned a magnetic tunnel junction 8 whose tunnel magnetoresistance is 100% at ambient temperature, of lateral dimensions 150 nm × 50 nm. Via a circulator 9 (2-4GHz), a microwave current at the frequency fs (in the range 0.1-6 GHz), generated by a microwave source 10, connected to the circulator 9, was applied to this device and the power spectrum on a spectrum analyzer 11, also connected to the circulator 9. This spectrum comprises a signal at the frequency of the current applied as well as the signals mixed between the source signal and the resonance frequency of the free layer of the ferromagnetic material (CoFeB), here at fo = 2.4 GHz. The signals that could be observed are actually the signals fs + fo and Ifs-fol.
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