National audienceLe choix de composants actifs à faible bruit de phase et leur modélisation est indispensable à la réalisation de sources hyperfréquences à haute pureté spectrale. Différents transistors ont donc été testés vis-à-vis de leurs caractéristiques en gain et en bruit de phase à basse température. Un modèle électrique du composant sélectionné a été extrait et les premières simulations de l'oscillateur cryogénique se révèlent particulièrement prometteuses en termes de pureté spectrale (-155 dBc/Hz à 1 kHz de la porteuse à 1 GHz)

Chaudy, David

d'Allivy Kelly, Olivier

Hode, Jean-Michel

Lemaitre, Yves

Llopis, Olivier

Marcilhac, Bruno

Scientific Publications of the University of Toulouse II Le Mirail

Étude d'une électronique refroidie pour un oscillateur hyperfréquence à résonateur supraconducteur

HAL-INSA Toulouse

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Étude d’une électronique refroidie pour un oscillateur
hyperfréquence à résonateur supraconducteur
David Chaudy, Olivier Llopis, Bruno Marcilhac, Yves Lemaitre, Olivier
d’Allivy Kelly, Jean-Michel Hode
To cite this version:
David Chaudy, Olivier Llopis, Bruno Marcilhac, Yves Lemaitre, Olivier d’Allivy Kelly, et al..
Étude d’une électronique refroidie pour un oscillateur hyperfréquence à résonateur supraconducteur.
Journées Nationales Micro-ondes, May 2017, Saint-Malo, France. 4p. ￿hal-01542526￿
XXèmes Journées Nationales Microondes 
16-19 mai 2017 – Saint-Malo 
XX
èmes
 Journées Nationales Microondes, 16-19 Mai 2017 – Saint-Malo 
 
Étude d’une électronique refroidie pour un oscillateur hyperfréquence 
à résonateur supraconducteur 
D. Chaudy
1,2
, O. Llopis
2
, B. Marcilhac
3
, Y. Lemaitre
3
, O. d'Allivy Kelly
3
, J.-M. Hode
1 
1
Thales Systèmes Aéroportés, 75-77 Avenue Marcel Dassault, 33700 Mérignac 
2
LAAS-CNRS, Université de Toulouse, CNRS, 7 Avenue du Colonel Roche, 31031 Toulouse 
3
Unité Mixte de Physique, CNRS, Thales, Univ. Paris-Sud, Université Paris-Saclay, 91767, Palaiseau, France 
dchaudy@laas.fr 
 
Résumé – Le choix de composants actifs à faible bruit de 
phase et leur modélisation est indispensable à la 
réalisation de sources hyperfréquences à haute pureté 
spectrale. Différents transistors ont donc été testés vis-à-
vis de leurs caractéristiques en gain et en bruit de phase 
à basse température. Un modèle électrique du 
composant sélectionné a été extrait et les premières 
simulations de l’oscillateur cryogénique se révèlent 
particulièrement prometteuses en termes de pureté 
spectrale (-155 dBc/Hz à 1 kHz de la porteuse à 1 GHz). 
1. Introduction 
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), présentant des 
performances meilleures que leurs concurrents basés sur 
des résonateurs piezoélectriques à ondes de volume 
(BAW) ou de surface (SAW). En effet, des coefficients 
de qualité de l’ordre de  150 000 ont pu être démontrés 
sur ces résonateurs aux environs de 1 GHz [1,2,3]. 
Toutefois, à ce jour, aucun oscillateur à résonateur 
supraconducteur n’a pu inclure un système 
d’amplification lui aussi refroidi.  
Le travail présenté se focalise sur la recherche et la 
modélisation d’un transistor pouvant être utilisé pour 
réaliser, dans un premier temps un circuit amplificateur, 
et par la suite un oscillateur complet intégré à 1 GHz, 
fonctionnant à 60 K et incluant le résonateur 
supraconducteur (Figure 1). L’objectif est de dépasser 
d’au moins 10 dB en performance les meilleures sources 
commerciales à 1 GHz, dont la pureté spectrale se situe 
aujourd’hui à environ -140 dBc/Hz à 1 kHz de la 
porteuse.  
 
Figure 1. Résonateur cryogénique : film YBaCuO sur 
un substrat MgO 
2. Sélection de composants 
Les transistors bipolaires SiGe étant connus pour 
leurs bonnes performances en bruit en 1/f et ayant déjà 
été testés lors de différentes études à la température de 
l’azote liquide [4,5], un ensemble de quatre transistors 
SiGe a été évalué pour cette application. Les premières 
mesures ont été menées à 80 K en utilisant l’azote 
liquide come fluide réfrigérant, ce qui facilite la 
procédure expérimentale. Une nouvelle campagne de 
mesure est prévue à 60 K pour valider le modèle à cette 
température, qui devrait être la température de 
fonctionnement de l’oscillateur. La sélection des 
composants est basée sur deux paramètres : le bruit de 
phase résiduel du composant à 1 GHz en émetteur 
commun et à faible compression (1 dB de compression) 
et le gain du composant sur 50  (S21) à cette même 
fréquence. 
Un banc de mesure de bruit de phase résiduel 
(Figure 2) optimisé pour le test de composants à 1 GHz, 
ainsi que des supports spécifiques, ont été réalisés pour 
mesurer précisément ces transistors. Ce banc est basé sur 
une source à quartz à haute pureté spectrale à 100 MHz, 
multipliée par 10 et délivrant à 1 GHz une puissance de 
13 dBm. Il met en œuvre la détection à deux mélangeurs 
par corrélation et, si nécessaire, la réjection du bruit AM 
de la source [6].  
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Les performances obtenues à 293 K et à 80 K pour 
les différents transistors SiGe testés sont présentées dans 
les Tableaux 1 et 2. 
Le transistor choisi parmi ce lot est le TR-2. Comme 
l’illustre la Figure 3, ce transistor possède de très bonnes 
performances en bruit de phase résiduel avec peu de 
dégradations entre les basses températures et la 
température ambiante.  
Figure 2. Banc de mesure de bruit de phase en boucle 
ouverte de composants (transistor = DUT) 
Bruit de phase 
(dBrad²/Hz) et S21 à 1 
GHz et 293 K 
100 
Hz 
1 
kHz 
100 
kHz 
Gain 
(dB) 
TR-1 -149 -157 -166 21,5 
TR-2 -156 -164 -169 20,0 
TR-3 -136 -157 -164 21,3 
TR-4 -163 -170 -175 14,7 
Tableau 1. Bruit de phase et gain RF à température 
ambiante. Le bruit de phase est mesuré à 1 GHz, 
composant en émetteur commun sur 50 Ω et à P1dB
Bruit de phase 
(dBrad²/Hz) et S21 à 1 
GHz et 80 K 
100 
Hz 
1 
kHz 
100 
kHz 
Gain 
(dB) 
TR-1 -130 -155 -162 19,0 
TR-2 -155 -162 -169 21,4 
TR-3 -134 -144 -158 24,4 
TR-4 -147 -156 -169 15,6 
Tableau 2. Bruit de phase et gain RF à basse 
température. Le bruit de phase est mesuré à 1 GHz, 
composant en émetteur commun sur 50 Ω et à P1dB 
Figure 3. Bruit de phase à 1 GHz mesuré à basse 
température et à température ambiante du TR-2 à Ic 
= 30 mA, Vce = 2 V 
Afin de pouvoir contrôler l’adaptation du transistor 
aux basses températures, un ensemble de résistances, 
inductances et capacités ont été testées à ces 
températures afin de vérifier que leurs caractéristiques ne 
varient pas ou peu jusqu’aux températures d’utilisation.  
3. Modèle non-linéaire à basse température
Pour une bonne conception d’oscillateur, la
connaissance et la détermination des grandeurs 
physiques et électriques du composant actif est 
essentielle. C’est pourquoi un lot de transistors TR-2 a 
été caractérisé en régime statique, en dynamique, en bruit 
basse fréquence et en bruit de phase, le tout à 80 K. Ces 
mesures permettent à l’aide du logiciel ADS de Keysight 
la détermination des paramètres du modèle de Gummel-
Poon utilisé. 
Figure 4. Comparaison mesure-modèle pour les 
caractéristiques statiques de trois TR-2 à 80 K 
Figure 5. Comparaison mesure-modèle pour les 
paramètres S11 et S22 du TR-2 refroidis à 80 K 
Figure 6. Comparaison mesure-modèle pour les 
paramètres S21 et S12 du TR-2 refroidis à 80 K 
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Bien que ce modèle conduise à une bonne adéquation 
entre mesures et simulation des caractéristiques statiques 
et dynamiques du transistor (cf. Figures 4 à 7 pour le 
I(V), les paramètres S et la puissance en sortie en 
fonction de la puissance injecté.), les caractéristiques en 
bruit du transistor simulé ne correspondaient pas à la 
réalité. Une modélisation plus poussée des sources de 
bruits intrinsèques au composant a donc été nécessaire. 
Il existe plusieurs méthodes déjà éprouvées qui décrivent 
et modélisent ces sources pour des transistors SiGe à 
température ambiante. Celle choisie est décrite dans la 
référence [7]. Elle consiste en l’ajout de sources de bruits 
en entrée et sortie du transistor. La Figure 8 montre que 
cette méthode permet de bien modéliser le bruit du 
transistor utilisé.  
Figure 7. Comparaison mesure-modèle de la 
caractéristique en puissance du TR-2 refroidi à 80 K 
Figure 8. Bruit de phase mesuré et simulé du TR-2 
chargé sur 50 , à Ic = 20 mA, Vce = 2 V et T= 80 K 
Le résonateur quant à lui est simulé à l’aide de boites 
de paramètres S. Un ensemble de mesures des 
paramètres S du résonateur a été réalisé pour différents 
niveaux de puissance en entrée. Ces mesures permettent 
donc de prendre en compte les effets non-linéaires du 
résonateur.   
4. Simulation de l’oscillateur
Un circuit oscillateur incluant un amplificateur basé
sur le composant TR-2 et un résonateur supraconducteur 
a été simulé à partir du modèle ci-dessus. La topologie 
choisie est celle présentée en Figure 9. Elle consiste en 
une boucle composée de quatre parties élémentaires, 
l’amplificateur, le coupleur, le déphaseur et le 
résonateur. Afin de minimiser le bruit du système, il a été 
décider d’utiliser le moins de composants passifs 
possible. 
Comme l’illustre la Figure 9, ces contraintes ont 
amené à l’utilisation de résistances en entrée et sortie de 
transistor, d’une résistance au niveau de l’éméteur et 
d’une contre réaction base-collecteur. Ces composants 
permettant de stabiliser, d’adapter et d’optimiser en bruit 
de phase résiduel l’amplificateur. Le déphaseur quant à 
lui est réalisé à l’aide de lignes de transmission afin 
d’obtenir les conditions d’oscillation. 
Figure 9. Circuit de l’oscillateur cryogénique 
Les premiers résultats nous montrent d’excellentes 
performances pour cet oscillateur, avec un bruit de phase 
de -155 dBc/Hz à 1 kHz de la porteuse. L’objectif de 
dépasser les sources commerciales semble donc atteint 
au niveau de la simulation. L’étape suivante est donc la 
réalisation physique d’un prototype sur substrat 
d’alumine. 
Figure 10. Bruit de phase simulé d’un oscillateur 
réalisé avec un TR-2 et un résonateur 
supraconducteur (Q0 = 150000). Comparaison avec 
une source commerciale Rakon.
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5. Conclusion
Des caractérisations et une modélisation de
composants hyperfréquences SiGe à 80 K est présentée. 
Le résultat simulé pour l’oscillateur supraconducteur est 
particulièrement prometteur. Nous espérons qu’il pourra 
être confronté à un résultat expérimental en oscillation 
avant la conférence. 
Ce travail est réalisé dans le cadre d'un contrat 
d'étude de la Direction Générale de l’Armement (DGA). 
Références 
[1] J. Kermorvant, « Dissipation par effet Joule en
régime hyperfréquence dans les supraconducteurs à
haute température critique », Thèse, Ecole
Polytechnique, 2010.
[2]M. Reppel and J. C. Mage, "Superconducting
microstrip bandpass filter on LaAlO3 with high out-
of-band rejection," in IEEE Microwave and Guided
Wave Letters, vol. 10, no. 5, pp. 180-182, May 2000.
[3] J.-C. Mage, B. Marcilhac, M. Poulain, Y. Lemaitre,
J. Kermorvant, J.-M. Lesage, « Low noise oscillator
based on 2D superconducting resonator » 2011 EFTF
and IEEE-IFCS conference.
[4] S. Gribaldo, « Modélisation non-linéaire et en bruit
de composants micro-ondes pour applications à faible
bruit de phase », Thèse, Univ. de Toulouse, 2008.
[5]S. Weinreb, J. C. Bardin and H. Mani, "Design of
Cryogenic SiGe Low-Noise Amplifiers," in IEEE
Transactions on Microwave Theory and Techniques,
vol. 55, no. 11, pp. 2306-2312, Nov. 2007.
[6] G. Cibiel, M. Regis, E. Tournier, O. Llopis, « AM
noise impact on low level phase noise 
measurements » IEEE trans. on Ultrasonics 
Ferroelect. and Freq. Control, vol. 49, n° 6, Juin 
2002, pp. 784-788. 
[7] S. Gribaldo, L. Bary, O. Llopis, « SiGe HBT
nonlinear phase noise modeling - X band amplifier
design », Proc. of the EuMA, 2008, v. 4, pp. 177–182.


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