Dispositifs radiofréquences à base des ondes de spin – SWIM

Le projet SWIM vise à développer et à amener au niveau de maturité technologique (TRL) 3, deux dispositifs radiofréquences (RF) à base d’ondes de spin : une ligne à retard et un limiteur de puissance. Le projet s'inscrit dans une stratégie à plus long terme du consortium visant à exploiter les récents progrès en magnonique, la technologie à base de magnons, le quanta des ondes de spin, pour réaliser de nouvelles fonctionnalités analogiques RF (filtre, déphaseur, etc.). Les ondes de spin (ou magnons) sont les excitations collectives qui transportent le moment angulaire de spin dans les matériaux magnétiques. Elles jouent un rôle crucial dans de nombreuses applications micro-ondes grâce à leur relation de dispersion qui est accordable sur une très large gamme de fréquences (plusieurs octaves) et leur longueur d’onde réduite (< 10µm) qui permet de concevoir des fonctions miniaturisées.
D'un point de vue stratégique, notre démarche vise au développement de nouveaux composants analogiques pour les télécommunications et les radars. Le travail proposé par SWIM adresse principalement l’axe 6 (6.1, 6.4, 6.6), la priorité 2023 « Composants innovants pour l’amélioration et la miniaturisation des chaines hyperfréquences et de communication », mais aussi l’axe thématique 5 (5.1, 5.3, 5.4, 5.5).
Nous répondons au besoin réel de miniaturisation de lignes à retard et au besoin de limiteurs hyperfréquences à haute puissance dans le contexte de l’augmentation de la vulnérabilité des systèmes au brouillage fortuit ou intentionnel dans le cadre de la guerre électronique. Ce projet accompagne aussi les changements sociétaux comme par exemple l'internet des objets. Les systèmes électroniques du futur seront multi-modes et multi-bande stimulant une croissance vertigineuse du nombre de composants RF pour les appareils mobiles, la partie critique de la chaîne d'émission/réception étant les composants analogiques frontaux. Notre cible est donc les besoins technologiques sur lesquels les propriétés intrinsèques de la magnonique (longueur d’ondes, accordabilité en fréquence, réponse sélective, fonction limiteur, etc.) procurent des marqueurs différentiant.
SWIM va capitaliser sur les résultats à l’état de l’art acquis par le consortium, tant au niveau du développement matériaux (UMPHY et Lab-STICC), simulations HFSS (UMPHY) et conception des composants magnoniques avancés (TRT), qu’à l’expertise dans la conception des circuits RF (Lab-STICC).
Nous avons récemment commencé à développer (UMPHY) un modèle de simulations multiphysiques sur HFSS afin d’intégrer la physique des ondes de spin sur un outil standard de conception radiofréquences. Le transfert et l’exploitation de ces premiers résultats en régime linéaire permettra d’exploiter l’expertise du partenaire Lab-Sticc en conception de dispositifs et de circuits RF, et d’aboutir à une optimisation sur les deux cas d’usage indiqués précédemment. Cette démarche permettra d’amener les composants RF magnoniques bien au-delà des performances actuelles en termes de pertes d’insertion, largeur de bande, fréquence de fonctionnement, etc. et d’évaluer leur potentiel vis-à-vis des technologies existantes.
Nous souhaitons fabriquer et tester ii) une ligne à retard en bande Ku (retard de quelques dizaines de ns, bande passante de 300MHz, pertes inferieurs à 6dB) ; iii) un limiteur de puissance en bande S (bande passante de 500MHz, puissance de seuil d’au moins 20 dBm, temps de montée inferieur à 200ns). De plus, des études complémentaires sont prévues afin d’étudier la montée en fréquence des différents dispositifs.
Le succès de SWIM nécessite et repose à ce niveau de TRL sur une forte complémentarité (matériaux, magnétisme, design et test hyperfréquences) tels que celle du consortium que nous l’avons rassemblé, qui nous permettra de développer les outils et les prototypes permettant l’intégration futurs de la technologie magnonique à un niveau système par des ingénieurs hyperfréquences non-experts en magnétisme.