In minuscule rondjes naar een compacte alles-in-één-antenne (Onder de radar #16)

Met het formaat van een melkpak kan een quantum-RF-antenne een heleboel veel grotere traditionele antennes vervangen. In het gezamenlijke lab van Thales en CNRS, nabij Parijs, zetten Juan Trastoy en zijn medeonderzoekers hun bekroonde innovatie op het pad naar volwassenheid.

Gewone radioantennes kunnen behoorlijk groot worden. Hoe lager de frequentie die je wilt ontvangen, hoe langer je antenne moet zijn. “Om de FM-signalen rond 100 MHz te kunnen oppikken, moeten autoantennes ongeveer 75 centimeter lang zijn – een kwart van de golflengte. Vroeger staken die antennes als sprieten de lucht in, maar tegenwoordig worden ze netjes om de voorruit heen gelegd”, vertelt Juan Trastoy van Thales. “Onderzeeërs communiceren op veel lagere frequenties, tientallen tot honderden kilohertzen, wat overeenkomt met golven van enkele kilometers. Om die te ontvangen, heb je zelfs antennes nodig van een paar honderd meter lang.”

In het gezamenlijke lab van Thales en het Franse nationale centrum voor wetenschappelijk onderzoek CNRS, nabij Parijs, kijken Trastoy en zijn collega’s naar alternatieven van hanteerbaardere proporties. Een veelbelovende researchrichting vormen de zogeheten quantum-RF-antennes. Niet veel groter dan een melkpak kunnen deze apparaten een breed frequentiebereik oppikken, van DC (0 Hz) tot 30 GHz. De ontwikkeling is niet onopgemerkt gebleven, getuige de innovatieprijs die het team van Trastoy onlangs in de wacht sleepte op de Euronaval-beurs.

Minikoelkast

De quantum-RF-antenne is enkel een ontvanger, maar wel een heel gevoelige. “Van binnenkomende signalen wordt de magnetische signatuur opgepikt als een complexe spanningsrespons, die we vervolgens met een Fouriertransformatie omzetten in een frequentiespectrum”, vat Trastoy de werking samen. “Niet alleen kunnen we de samenstellende frequenties er over een zeer brede band uit halen, en zo het type zender identificeren, maar we kunnen ook bepalen uit welke richting het signaal komt. En omdat we met de magnetische component werken, hebben we geen last van vervormingen in het elektrische veld, zoals die bijvoorbeeld worden veroorzaakt door een boot zelf.”

Het hart van de quantum-RF-antenne wordt gevormd door het zogeheten supergeleidende quantuminterferentiedevice. “Zo’n SQUID bestaat uit een supergeleidende lus van enkele micrometers in doorsnee, met een contact aan de boven- en onderkant en een zeer dunne, niet-supergeleidende barrière in elk van de zijdes”, legt Trastoy uit. “Bij elke barrière treedt een macroscopisch quantumverschijnsel op, dat het Josephson-effect wordt genoemd. Wanneer er een stroom door de lus wordt gestuurd in aanwezigheid van een wisselend extern magnetisch veld, zorgt de interferentie van beide barrières voor een sinusvormige spanningsrespons over de contacten, waarvan de periode omgekeerd evenredig is met de lusgrootte – hoe groter de lus, hoe kleiner de periodiciteit van de sinusrespons.”

Een quantum-RF-antenne rijgt duizenden SQUID’s van verschillende groottes aaneen tot een keten van een paar centimeter lang. De devices worden zo gecombineerd dat hun spanningsresponsen allemaal een dip vertonen bij nul magnetisch veld, terwijl ze elkaar elders overal opheffen. “Zo ontstaat een zogeheten anti-piek rond het nulpunt. Door de steile hellingen aan weerszijden zal een kleine variatie in het magnetisch veld resulteren in een grote variatie in de spanning, wat een zeer nauwkeurige meting van het veld mogelijk maakt – in wezen is het een zeer gevoelige magnetometer. SQUID-arrays staan ook wel bekend als supergeleidende kwantuminterferentiefilters of SQIF’s. Maar het zijn helemaal geen filters, dus ik noem ze liever kwantumantennes.”

De essentiële supergeleidende eigenschappen van de SQUID’s treden pas op bij koeling. “De lussen zijn gemaakt van een keramisch materiaal genaamd yttrium-barium-koperoxide, YBCO, dat gekoeld moet worden om supergeleidend te worden”, verklaart Trastoy. “We hoeven niet helemaal tot de millikelvins te gaan met enorme koelers zoals bij quantumcomputers; voor YBCO is 70-90 K voldoende, dus we hebben alleen een kleine cryostaat nodig. Met deze minikoelkast eromheen, die we betrekken van het Cryogenics team in Eindhoven of Toulouse, is het hele systeem niet veel groter dan een kubus van 20 cm.”

Ultraprecisie

De potentiële toepassingen zijn legio. “Een van de businessunits binnen Thales, SIX GTS, is gespecialiseerd in beveiligde informatie- en communicatiesystemen. Mijn collega’s daar zijn zeer geïnteresseerd om verschillende antennes aan boord van onderzeeërs, schepen of vliegtuigen te vervangen door dit compacte alles-in-één-apparaat”, geeft Trastoy als voorbeeld. “Het zou ook een goede oplossing zijn voor drones, waar geen grote antennes op passen.”

De quantum-RF-antenne is nog werk in uitvoering, merkt Trastoy op. “We hebben het principe gedemonstreerd en een paar behoorlijke prototypes gebouwd – ik schat dat we nu tussen niveau 3 en 4 van technologische volwassenheid zitten. Als onderdeel van Thales Research & Technology, de onderzoeksorganisatie van het bedrijf, gaan we meestal tot TRL 5, waarna we het werk overdragen aan onderdelen als SIX GTS of Defense Mission Systems, DMS. Zij nemen het vanaf daar over tot TRL 9. Onze totale horizon om technologie volwassen genoeg te krijgen om in een product te worden opgenomen is ongeveer tien jaar.”

Een van de belangrijkste uitdagingen is de productie van de SQUID-arrays. “De duizenden supergeleidende lussen met de niet-supergeleidende barrières erin moeten onder alle omstandigheden gelijk reageren. Hoe meer SQUID’s niet synchroon lopen, hoe groter de ruis. Als je bedenkt dat de lussen enkele microns breed zijn en de barrières nog kleiner, slechts enkele tientallen nanometers, kun je je voorstellen hoe uiterst nauwkeurig ze moeten worden vervaardigd. Daarbij is YBCO ook nog eens niet het gemakkelijkste materiaal om mee te werken.”

De SQUID’s worden vervaardigd met elektronenbundellithografie. “We gebruiken machines en processen uit de halfgeleiderindustrie, die we hebben aangepast om een uiterst homogeen resultaat over de hele keten te bereiken”, zegt Trastoy. “We zijn bezig om de fabricagevolwassenheid verder op te krikken en de beste homogeniteit en herhaalbaarheid te bereiken met standaard productieapparatuur en -technieken voor halfgeleiders.”

Nieuwsgierigheid

De groep van Trastoy onderzoekt ook andere toepassingen van supergeleidende materialen, waaronder daadwerkelijke filters. “Door hun zeer lage weerstand hebben supergeleiders een zeer lage dissipatie. Dat maakt ze heel geschikt om resonatoren mee te maken. Wanneer een dergelijke resonator in de nabijheid wordt geplaatst van een speciale elektromagnetische transmissielijn, een zogeheten striplijn, valt zijn resonantiefrequentie weg uit het passerende RF-signaal. Het resultaat is een echt bandsperfilter, dat bijvoorbeeld kan worden gebruikt om signalen van een radar of een satcomsysteem te verwijderen, zodat andere kritieke instrumenten gelijktijdig kunnen worden gebruikt. Deze technologie is iets rijper, TRL 5, en al overgedragen aan Thales DMS.”

“Dit soort geavanceerd onderzoek kunnen doen in zo’n toplab is wat mijn baan bij Thales zo leuk maakt”, besluit Trastoy. “Ik heb de financiële middelen, de faciliteiten en de vrijheid om, binnen de grenzen van mijn expertise, te gaan waar mijn nieuwsgierigheid me brengt.”

Meer weten over werken bij Thales? Op zoek naar een baan bij het leukste high-tech bedrijf van Nederland? Klik hier voor onze vacatures!