CN106464233A - 具有位置反馈的阻抗调谐器 - Google Patents

Abstract

阻抗调谐器包括控制器、RF传输线和可移动电容性物体，该可移动电容性物体被配置用于由控制器命令的相对于传输线的运动以改变阻抗。位置传感器被配置成向控制器提供反馈位置数据，该反馈位置数据指示在电容性物体移动后电容性物体的实际位置。控制器被配置以在闭合环路中利用反馈位置数据来将电容性物体在公差内定位在期望位置处。

Description

具有位置反馈的阻抗调谐器

技术领域

本申请要求于2014年05月31日提交的美国临时申请编号62/006,113和于2015年05月27日提交的美国申请14722599的权益，其全部内容通过引用并入本文。

背景技术

阻抗调谐器通常被用于电子器件的测试、调谐和校准。此外，阻抗调谐器是用于测试无线电频率(RF)和微波(MW)放大器性能测量的最常见的方法。阻抗调谐器可以被用在微波频率和毫米波频率处的负载牵引和噪声测量。

阻抗调谐器包括传输线，诸如板状线(slabline)、同轴线或波导。沿着传输线的诸如探针之类的电容性物体的放置改变由被测器件(DUT)看到的阻抗或电子剖面，该被测器件被连接或耦合至调谐器传输线。可以沿着传输线轴向地放置该物体以影响相位，同时横向于传输线的该物体的移动将改变阻抗大小或伽马效应。在自动化调谐器中，电机被用来沿着传输线和横向于传输线定位电容性物体。

对于准确性，使用电机来沿传输线或横向于传输线重复定位移动是重要的。在GHz范围中的频率的情况下，物体或探针放置中即使很小的误差也能够非常显著。

现在的手动调谐器使用高精度测微仪来测量沿传输线行进的距离，但是它们仍然需要用于定位的用户接口并且被测微仪的精度限制。在一些已知的自动调谐器上，位置(“复位”)传感器被用作参考起始点并且步进电机被用于沿传输线轴线以及横向于传输线驱动物体或探针。步进电机的完整旋转被划分成类似于饼的多个部分。电机的每个小的移动等于饼的一个切片。电机定子包括线圈，当被电力通电时，该线圈产生磁场。电机转子通常也具有响应磁场的磁体。由定子产生的磁场在整个旋转的片段中移动转子。步进电机由一系列电脉冲驱动，其中每个脉冲使得电机以限定的角度(一个完整旋转的一部分)旋转。通过计算发送的脉冲的数目，能够容易地计算移动的量。然而，如果脉冲产生不充足的电流来移动电机从而电机卡住不能移动，那么计算的位置是错误的。

电机可以被附接至螺杆状轴(称为导螺杆)以推进滑座。通过与滑座上的内螺纹接合，支撑电容性物体或探针的滑座沿螺杆状轴行进。当轴由电机旋转时，滑座在一个方向上移动。反转电机将在相反方向上旋转螺杆，其在该相反方向上移动滑座。归因于物理和材料性能，螺杆状轴中的切口(“螺纹”)通常不完全地匹配于滑座上的内螺纹。因此，在反转方向时，移动中的误差变得明显。

如图8中所示出的，另一种常见的方法是在线性齿条传动上使用齿轮驱动滑座。与螺杆状驱动件一样，齿轮中小的不匹配以及其他的制造局限将产生关于滑座停止的确切位置的一些不确定性，即使电机轴被完美地重复。过去使用的该开放回路控制限制了可能的位置准确度。

可能发生的另一个误差是可能存在防止滑座移动的限制。如果发生这个情况，即使到定子的信号已经发送，电机的转子也将不会移动。位置中的该误差将影响之后的所有其他位置需求。

机械阻抗调谐器可以具有多个电机。上述位置准确度的限制分别适用于阻抗调谐器的每个电动轴。为简化说明，图1仅示出了一个电机，但是该原理适用于阻抗调谐器的任何电动部件。

常见的调谐器的配置使用平行于传输线移动的滑座，以及安装在该滑座上以横向于传输线移动电容性物体的一个或多个电机。当滑座移动时，安装在滑座上的电容性物体平行于传输线移动，并且由安装在具有电容性物体的滑座上的各自电机横向于传输线移动。这允许电容性物体在两个维度中独立移动。在该情况下，负载的滑座的质量远大于一个电容性物体。更大的质量需要更多的电动力来移动，并且因此对于发送至步进电机的每个脉冲，更大的质量可能更易于失速或不正确地移动。

附图说明

当结合附图阅读时，本领域技术人员将从以下详细描述中容易地理解本公开的特征和优点，在附图中：

图1是阻抗调谐器的示例性实施例的部分的示意性等距视图。

图2A和图2B示意性地图示了螺杆上的螺纹与滑座上的内螺纹配合，图示了相邻螺纹表面的配合中的缺陷。

图3示意性地图示了使用螺杆/螺母系统和编码器刻度系统的定位位置。

图4是示出使用绝对编码器以用于移动电机至期望位置的过程的示例性实施例的流程图。

图5是示出使用相对编码器以用于移动电机至期望位置的过程的示例性实施例的流程图。

图6是示出使用相对编码器的移动步骤的示例性实施例的细节的流程图。

图7图示了包括控制器/计算机的控制系统，其使用应用软件和调谐器驱动软件编程并且利用位置传感器。

图8图示了使用线性齿条传动上的齿轮来驱动阻抗调谐器滑座的常见方法。

具体实施方式

在以下的详细描述和附图的几个图中，相同的元件使用相同的附图标记标识。附图可能不是按比例的，并且为了说明的目的，相对的特征尺寸可能被夸大。

图1示出了具有并入阻抗调谐器的反馈回路(闭合回路系统)的组件的示例性实施例。反馈回路将有助于识别并准确地将物体移动至它们的预期位置，其具有比当前可用的阻抗调谐器更好的可重复性。示例性实施例通常包括标记为(1)的阻抗调谐器、编码器刻度(2)、被配置以读取编码器刻度并且被安装在可移动滑座(6)上的传感器(3)、被配置用于移动的电机和螺杆轴(4)以及位于阻抗调谐器滑座上的移动项(5)。通常地，可移动物体可以不仅包括可移动滑座(6)，而且还包括电容性探针以及探针电机，该探针电机被安装至滑座并且被配置成以相对于螺杆轴的横向方向移动探针。具有电子控制器、应用软件、驱动器、电动机和滑座的示例性阻抗调谐器例如在题为“Systems and Methods for ImpedanceTuner Initialization”的美国专利2012/0049970，'970公开中描述，其全部内容通过引用并入本文。

'970公开的图2B示出了控制阻抗调谐器的操作的示例性控制器/计算机的示意图，并且相应的示意图在本文中被列为图7，其包括位置传感器。图7图示了控制系统200，其包括控制器/计算机202以及传感器240，该控制器/计算机202用应用软件和调谐器驱动软件编程，该传感器240包括用于感应可移动物体(滑座、探针)位置的限制传感器和位置传感器，该可移动物体的移动由控制器/计算机控制。尽管图7示出了用于两个滑架系统(滑架1和滑架2)的调谐器控制系统的示例，其中每个滑架具有两个探测器，但是该系统可以与一个或多个探测器的单个滑架调谐器或多个滑架调谐器一起使用。通常地，每个滑座将具有它自己的传感器，并且多个滑座可以读取单个公共刻度。可替代地，可以为每个滑座提供分离的刻度。

在通常意义中，阻抗调谐器包括位置传感器，阻抗调谐器在控制器已经命令移动之后，位置传感器用于感应可移动物体(诸如滑座或探针)的实际位置、或指示实际位置的位置。

参照图1，位置传感器包括编码器刻度(2)和传感器(3)。例如，传感器(3)可以是用于读取刻度的光学传感器。为了图示的清楚，与通常在给定应用中采用的相比，编码器刻度被示出具有更粗糙的刻度增量。

传统地，传感器仅仅被用于检测越过移动极限的行进。在图7中所示的示例中，传感器240包括位置传感器，其通过接口电路210被连接至控制器/计算机，以及可选地被连接至一些或所有的电机220A、220B、220C、230A、230B、230C，并且也被连接至一些或所有的电机控制电路222A、222B、222C、232A、232B、232C。滑座1和2的电机220A、230A被配置成平行于传输线移动滑座1和2。每个滑座可以包括两个探针和探针电机220B、220C、230B、230C，这些探针电机被配置成以横向于传输线的方向移动相应的探针。位置传感器可以包括传感器，在滑座和探针被相应电机移动之后，传感器向控制器提供指示滑座和探针的位置的电子信号。电机可以是步进电机，尽管也可以采用诸如DC电机之类的其他电机类型。

图2A和图2B示出了在螺杆上螺母配对的缺陷。下螺纹表示导螺杆螺纹，并且其不完全匹配表示滑座的内螺母螺纹的上螺纹。当导螺杆在图2A中的一个方向上旋转时，螺母在对应方向上移动，并且在配对的螺纹之间形成间隔(因此在图2A中标记出)。当导螺杆以相反方向(图2B)旋转时，螺母以相反方向移动，并且间隔引入位置误差。该误差(也参见图3)不利地影响滑座底座定位的可重复性。

图1中所图示的阻抗调谐器利用电机和螺杆的组合来平行于或横向于传输线移动安装的项。在高频波长的情况下，移动必须是有限的并且以小增量。使用电机和螺杆轴，在它们固有缺陷的情况下，仅仅能够达到所需分辨率的一部分。

具有编码器刻度(2)的位置传感器提供满足或超越阻抗调谐器上需要的电机/螺杆移动的分辨率的位置分辨率。编码器刻度主要是被分为很多片段的标尺。每个编码器刻度的主要部分被分为子子部分。每个子部分组用作条形码。每个条形码组合被传感器读取以表示其位置。参照图3，示出传感器编码器刻度以及可移动件或物体(本实施例中的滑座)。典型的位置传感器可以采用光学技术以使用刻度来感应位置或定位，并且生成能够被控制器读取的电子传感器信号。可以可替代地采用例如磁传感器的其他类型的位置传感器。

位置传感器可以采用绝对编码器或相对编码器。绝对编码器是在没有当前位置的任何先前知识的情况下、绝对位置可以经常从编码器读取的编码器。相对编码器是周期性重复的编码器。相对编码器给出一个移动区间内的精确位置，但是必须知道整体行程的当前区间以便计算绝对位置。相对编码器的示例是精确地指示电机角度的旋转编码器。如果整个行程需要电机的多个旋转，那么一个完整电机旋转的距离是整个行程的一个区间。在这种情况下，该区间(或电机旋转数)必须被分别记录。如果从参考位置起的电机旋转数是R，并且每个旋转的步进数是M1，并且旋转编码器读数是E，那么绝对位置P是P＝E+R*M1。

位置反馈的一方面是如何测量位置。在阻抗调谐器中，理想地，位置反馈应当提供可移动电容性物体的确切位置。但是一些实施例可以使用位置反馈中的近似来节省其他因素，诸如尺寸、复杂性和/或成本。例如，如果使用带有旋转编码器的电机通过导螺杆及螺母移动电容性物体，那么从旋转编码器读取的位置反馈实际上将是电机轴的旋转位置，而不是电容性物体的实际位置。将不会检测归因于导螺杆和螺母组合中螺纹缺陷的误差。然而，位置反馈仍然将指示电容性物体位置，并且旋转编码器实施例可以相对地紧凑并且低成本。如果电机轴与电容性物体之间的机械耦合相当紧凑，那么归因于该近似反馈方法的误差可能足够准确。由于电机驱动件故障或由于摩擦或阻塞而导致的不完整移动的其他移动误差将被检测。此外，完整阻抗调谐器实施例可以包括组合，其中一些电机使用旋转编码器，并且其他电机使用测量实际滑座位置的线性编码器。

当由调谐器控制器初始化软件命令至电机以移动滑座(或探针)时，如果编码器是绝对编码器，则在图4中示出的示例性算法或过程由控制器执行，或者如果编码器是相对编码器，则执行图5和图6中示出的示例性算法或过程。通常地，电机移动滑座直到传感器感应到编码器刻度上的正确位置。传感器检测已经被到达位置的编码器刻度位置和信号。如果软件检测到滑座的位置不在正确的地方，那么电机被给予反向或前进移动的命令，直到到达正确位置。这被认为是系统的反馈回路。

图4示出了由阻抗调谐器控制器执行的示例性算法100，以使用绝对编码器和反馈回路将可移动件(例如探针滑座或探针)移动至期望位置。在步骤102，计算将可移动件移动至期望位置的电机步进数N。在步骤104，控制器使N个脉冲发送到步进电机以移动至期望位置。在步骤106，读取传感器以从位置确定可移动件的实际位置。在步骤108，计算当前位置与实际位置之间的差。如果该差(110)在可接受公差内，移动完成。如果不在，那么操作返回102以计算从实际位置到期望位置移动的步进数，并且重复该过程。

图5图示了使用具有位置传感器的反馈回路的示例性算法150，该位置传感器利用相对编码器。该算法开始于通过控制耦合至可移动件的步进电机接收到将可移动件移动至期望位置的命令。在步骤152，计算从当前位置移动至期望位置的步进数N。在154，移动步骤，N个脉冲被发送至步进电机以移动至期望位置。在该步骤期间，监视编码器以记录其重复的次数来得到绝对位置。在156，计算实际位置与期望位置之间的差。在158，如果该差在可接受公差内，则认为该移动完成。如果该差超过阈值，则过程返回步骤152。

图6进一步详细地图示了算法150的移动步骤154的示例性实施例。在154A，接收命令来移动的步进数N，并且初始化重复数R至零。在154B，计算移动至编码器重复处的步进数M1。每次选择较小步进数M2来移动。如果M2小于N(步骤154C)，发送M2个脉冲至步进电机(154F)，并且N设置为N-M2(154G)。如果M2不小于N，发送N个脉冲至步进电机(154D)并且N被设置为零(154E)。在154H，位置传感器从编码器读取实际位置E。如果编码器位置减小(154I)，R设置为R+1(步骤154K)，并且过程进行至步骤154J。这里，如果N不等于0，操作返回步骤154C。如果N＝0，绝对编码器位置P设置为E+R*M1(154L)，并且移动完成。

通过在移动阻抗调谐器中的电容性物体时使用反馈回路，电机/螺杆系统中的定位误差被减小，从而提供具有更高准确度和可重复性的移动结果。

位置反馈对于一个电机轴比另一个电机轴可能更重要，因此可接受的并且经济的解决方案可以是在一个轴(或更多轴)上、但不是在每个轴上使用位置反馈。例如，电容性物体可以是非常轻的重量，并且易于横向电机移动，而由于滑座电机通常必须移动更多的质量，滑座电机可能更容易丢失脉冲。

同时，如果阻止移动的限制(诸如阻塞或摩擦锁定)发生，位置传感器能够检测到该情况并且向控制器发送错误消息。

除了发生的任何错误，传感器能够确定感应到了什么误差。如果位置丢失，并且用于找到正确位置的连续命令不导致找到位置，则位置中的错误能够被发送返回至控制器软件。例如，如果阻塞发生并且滑座不能够到达它的期望位置(在第一次通过的基础上)，并且不能完成更进一步的移动，则“阻塞”错误能够被发送至软件。

图3示意性地图示了使用螺杆/螺母系统和编码器刻度系统的定位位置。如果从一个方向接近一次特定的期望位置并且从相反方向接近另一次，则螺杆/螺母组合中的位置可重复性误差更加普遍。在反馈回路运动的情况下，由调谐器控制器读取传感器并驱动滑座电机控制，电机将移动滑座，直到其与编码器刻度上的传感器读数对齐。误差被显著减少。

使用位置反馈的另一个优点是可以使用非步进电机的电机类型。例如，通常在较小电机的情况下，在伺服回路中可以使用DC电机，并且其可以提供更快并且更平稳的移动。

尽管前述是本主题的具体实施例的描述和说明，但是在不脱离本发明的范围和精神的情况下，本领域技术人员可以进行各种修改和改变。

Claims (15)

1.一种阻抗调谐器，包括：

控制器；

RF传输线；

可移动电容性物体，被配置用于由所述控制器命令的相对于所述传输线的运动以改变阻抗；

位置传感器，被配置成向所述控制器提供位置反馈数据，所述位置反馈数据指示在所述电容性物体被移动后所述电容性物体的实际位置；以及

其中所述控制器被配置成在闭合环路中利用所述位置反馈数据来将所述电容性物体在公差内定位在期望位置处。

2.根据权利要求1所述的调谐器，其中所述电容性物体被配置用于以平行于所述传输线的方向移动。

3.根据权利要求1所述的调谐器，其中所述电容性物体被配置用于以横向于所述传输线的方向移动。

4.根据权利要求1所述的调谐器，其中所述阻抗调谐器具有多个电机来在多个轴线上移动所述电容性物体，所述多个轴线包括平行于所述传输线以及横向于所述传输线。

5.根据权利要求4所述的调谐器，其中所述多个电机中的每个电机使用位置传感器来为闭合回路操作提供位置反馈数据。

6.根据权利要求4所述的调谐器，其中所述多个电机中的至少一个电机使用位置传感器来提供位置反馈数据，并且所述多个电机中的至少一个电机不使用位置传感器来提供位置反馈数据。

7.根据权利要求1所述的调谐器，包括螺杆/螺母驱动件以用于沿平行于所述调谐器传输线的轴线驱动滑座，其中所述电容性物体被安装至所述滑座，并且其中所述控制器和所述位置传感器被配置来补偿所述螺杆/螺母驱动件中固有的误差。

8.根据权利要求1所述的调谐器，包括电动齿轮，所述电动齿轮接合线性齿条传动以用于沿平行于所述调谐器传输线的轴线驱动所述滑座，其中所述电容性物体被安装至所述滑座，并且其中所述控制器和所述位置传感器被配置成补偿由所述电动齿轮和所述线性齿条传动引入的误差。

9.根据权利要求1所述的调谐器，其中所述位置传感器包括编码器刻度以及用于读取所述编码器刻度的传感器。

10.一种阻抗调谐器，包括：

控制器；

传输线；

电容性物体，被配置用于相对于所述传输线的移动以改变阻抗；

电机，被耦合至所述电容性物体，并且被配置成响应来自所述控制器的命令来移动所述电容性物体；以及

位置传感器，被配置成向所述控制器提供位置数据，所述位置数据指示在所述电容性物体被移动后所述电容性物体的实际位置，并且其中所述电机是非步进电机的电机类型。

11.根据权利要求10所述的调谐器，其中所述调谐器中的所述电机类型是反馈回路中使用的DC电机。

12.一种用于向被测器件呈现可变阻抗的阻抗调谐器，包括：

控制器；

RF传输线；

滑座，能够沿平行于所述传输线的第一轴线移动；

可移动电容性物体，被配置用于由所述控制器命令的相对于所述传输线的移动以改变阻抗；

电动驱动系统，被配置成沿平行于所述传输线的第一轴线以及沿横向于所述传输线的第二轴线移动所述电容性物体，所述驱动系统包括第一电机驱动件和第二电机驱动件，所述第一电机驱动件被耦合至所述滑座以用于沿所述第一轴线移动所述滑座，所述第二电机驱动件被安装至所述滑座并且被耦合至所述电容性物体以用于在横向于所述传输线的方向上移动所述电容性物体；

位置传感器，被配置成向所述控制器提供位置反馈数据，所述位置反馈数据指示在所述电容性物体移动后所述电容性物体沿所述第一轴线的实际位置；以及

其中所述控制器被配置成利用闭合回路中的所述位置反馈数据来将所述电容性物体在公差内定位在沿所述第一轴线的期望位置处。

13.根据权利要求12所述的阻抗调谐器，其中所述第一电机驱动件包括螺杆/螺母驱动件，其中所述控制器和所述位置传感器被配置成补偿所述螺杆/螺母驱动件中固有的误差。

14.根据权利要求12所述的阻抗调谐器，其中所述第一电机驱动件包括电机驱动齿轮，所述电机驱动齿轮接合线性齿条传动以用于沿所述第一轴线驱动所述滑座，并且其中所述控制器和所述位置传感器被配置成补偿由所述电机驱动齿轮和所述线性齿条传动引入的误差。

15.根据权利要求12所述的阻抗调谐器，其中所述第二电机驱动件包括具有第二位置传感器的第二电机，所述第二位置传感器包括用来感应电机轴的移动的旋转编码器，所述第二位置传感器被配置成向所述控制器提供第二位置信号，所述第二位置信号指示所述可移动电容性物体相对于所述传输线的位置，并且所述控制器被配置成补偿由所述第二电机驱动引入的误差。