CN111615773B - 用于阻抗调谐器的宽带探针 - Google Patents

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Abstract

用于阻抗调谐器的多部探针和渐变探针，用以加宽探针的带宽，并且因此加宽调谐器的带宽。多部探针的每个部具有一标称长度，该标称长度等于在操作频带的中点处的四分之一波长。渐变探针具有一长度，该长度等于频率中点的多个四分之一波长。多部探针和渐变探针被配置为将调谐器传输线的特征阻抗逐步或连续地变换到目标阻抗值。

Description

用于阻抗调谐器的宽带探针
背景技术
机械阻抗调谐器使用探针来仿真各种微波和RF测量(诸如，负载牵引(load pull)或源牵引(source pull)测量或噪声参数测量)的阻抗值。调谐器的传输线可以是板状线(slab line)。探针在如下方向上可移动：与调谐器的传输线的中心导体成横向的方向上、以及在沿着中心导体的方向上。随着探针移动靠近中心导体，阻抗失配增加，而随着探针移动远离中心导体，该失配减小。探针可以生成高反射，并用于将板状线的特征阻抗变换为其他阻抗值。如微波工程师所知的，主要缺点是这些探针的窄带。
共同拥有的US 7,589,601描述了多部探针，其中各部由间隙分离开。
附图说明
图1是具有移动托架和探针的自动调谐器的等距剖视图。
图2是具有多部探针的阻抗调谐器的剖视图。
图3A是具有多部探针的备选实施例的阻抗调谐器的剖视侧视图。图3B是图3A的阻抗调谐器和探针的底视图，其示出了每个探针部的槽与其他探针部的槽不同。图3C是示意性的端视图，其图示了探针部槽的加宽、以及相应探针部的截面轮廓中的改变。
图4是具有直的渐变角度的渐变探针的示例性实施例的概略等距视图。
具体实施方式
图1示意性地描绘了自动的、板状线调谐器系统10的一个示例性实施例。在该实施例中，基板12、端板14和平面导体板状体18、20由金属或金属化的电介质材料制成。中心导体16支撑在板状体18、20之间，并且由安配到端壁14中的同轴连接器(在图1中不可见)支撑。导电探针22安装在托架(carriage)24上，以用于横向于中心导体轴的运动。探针马达26沿着横向路径驱动探针22朝向或远离中心导体轴。托架由导螺杆30沿着平行于中心导体轴的路径驱动，导螺杆30由托架驱动马达28驱动。在一个示例性实施例中，移动托架主要导致改变反射的相位，并且垂直(横向地)移动探针主要改变反射的幅度；因此，二者一起(水平和垂直移动)改变由调谐器在参考平面(通常是在中心导体的端部处的连接器的端部)处呈现的阻抗。示例性板状线阻抗调谐器在例如美国专利号7,589,601；8,823,392和8,907,750中描述，其全部内容通过引用并入本文。
在微波和RF电路中，多部四分之一波(multi-section quarter wave)变换器已用于生成针对微条带(microstrip)或同轴线的宽带四分之一波变换器。这些多部变换器在大多数情况下可以使用最大平坦滤波器响应或切比雪夫(Chebyshev)滤波器响应来设计。四分之一波长变换器在例如“Microwave Engineering,”第二版,David M.Pozar,JohnWiley&Sons,Inc.,1998,章节5.4到5.8,页271-295(在下文中被称为“Pozar”)中描述。
根据本发明的一个方面，代替在机械阻抗调谐器中使用探针的一个部而在一个步骤中将主线的特征阻抗变换为非常低或非常高的阻抗值，特征阻抗使用多个相邻探针部而被逐步或逐探针部地变换为中间阻抗值，以最终达到目标阻抗值。此方法如果正确地被执行，将显著地加宽带宽，实际上取决于部的数目而任意地加宽带宽；参见例如Pozar，第277-278页。文献中(例如，Pozar，第278-286页)解释了如何计算针对期望带宽需要多少个部以及变化的阻抗值。
根据本发明的各方面，多部探针被描述以用于在阻抗调谐器中使用，其中每个探针部对应于针对传输线的特定阻抗值。存在实现这样的多部探针的不同方法。在一个实施例中，相同探针部针对期望的宽带宽根据需要被使用若干次，其中探针部被定位成相互紧邻，但被定位在相对于板状线的中心导体的阶梯状高度(stepped height)处。在该示例中，阻抗值处于探针相关于板状线中心导体的给定高度或垂直位置处。在图2所图示的示例中，其中探针22包括三个探针部22A、22B和22C，每个探针部的长度具有一长度，该长度等于在频带的中心频率处的四分之一波长。探针部以固定关系安装在一起，并且安配到探针驱动装置(图2中未示出)，以用于按照成组的(ganged)关系移动朝向或远离中心导体。探针部可以被附接到例如探针支架22D，探针支架22D通过柱(post)结构22E连接到探针驱动装置。探针部也可以制备成整体的一体式结构，来代替被组装在一起的若干分开构造的部。
用于设计多部探针的示例性设计技术如下：
1.确定期望规范，该期望规范关于什么样的最大反射(例如，0.9反射幅度)是在哪个特征阻抗环境(例如，50欧姆)和期望带宽(例如，0.65GHz至9GHz之间)中需要、以及在频带边缘处的期望反射幅度Γm(例如，0.82的反射幅度)。这还将设计的中心频率和每个探针部的长度固定为在中心频率(例如，在以上示例中，4.825GHz)处的四分之一波长。
2.针对设计的每个类型，切比雪夫或二项式(最大平坦)，确定设计常数和所需的部的数目：
初始地估计部的数目N。然后估计常数
Figure BDA0002588453170000031
其中RL是低阻抗目标，并且Z0是系统的特征阻抗，通常为50欧姆。然后，使用频带边缘处所需的反射使用
Figure BDA0002588453170000032
来计算带宽，其中f0为探针的中心(设计)频率。如果带宽是可接受的，则继续；如果带宽太窄或太宽，则重新估计部的数目，并且迭代地重复直到获得满意的带宽，然后部的数目N被确定。
3.一旦部的数目N被确定，则使用以下来确定针对每个部的所要求的特征阻抗值：
估计边际反射(marginal reflection)系数
Figure BDA0002588453170000041
然后从50ohm/Z0负载开始，通过
Figure BDA0002588453170000042
迭代地确定每个部的特征阻抗。
4.估计每个部在中心导体上方的高度，以仿真针对该部所计算的特征阻抗。在此上下文中，每个部的高度是中心导体与该部的槽顶部之间的距离或间隙。此步骤通常可以通过使用完整的3D电磁场(EM)仿真器(例如，(ANSYS的)HFSS或(由Computer SimulationTechnology销售的)CST来执行，或者使用任何其他完整的3D电磁仿真器来执行。
5.一旦每个部的高度以这种方式确定，在最终步骤中，使用3D EM仿真器来仿真整个探针的设计性能，以验证宽带响应，并且如果需要对高度的进一步调整，则进行对高度的最终调整。
多部探针的另一实施例针对所有部使用相同的高度，但是变化截面轮廓(也被称为槽(trough))，以使得对于相继的探针部，槽越来越宽。槽被配置为允许探针部在被移到靠近中心导体时，跨越中心导体。在这种情况下，探针可以被制作为单个整体探针，其中槽的宽度每四分之一波长越来越宽。图3A-图3C图示了使用探针部22A’、22B’、22C’的一个示例性多部探针22’，探针部22A’、22B’、22C’在相对于中心导体18的相等的高度处被安装在一起，但是具有不同的槽配置。与图2的探针22一样，多个探针部彼此相邻地安装，并被安装以用于成组移动(或被制作为单个单体(unitary)结构)。图3B和图3C示出了探针部22B’的槽比探针部22A’的槽宽，并且探针部22C’的槽比探针22B’的槽宽。因此，探针部具有这样的槽，这些槽中的每个槽与先前相邻的探针部相比更宽，其中特征阻抗随着每个加宽的槽而减小。槽宽对应于使用完整3D EM仿真而获得的阻抗。
注意，为了清楚起见，用于连接到探针驱动装置的探针支架和柱从图3A-图3C中省略。
探针的另外的实施例是前两个实施例的组合，即，一多部探针，在该多部探针中，探针高度和槽轮廓二者均变化，即从一探针部到一探针部变化。
更好但更难实现的探针设计是使用渐变的(tapered)四分之一波变换器代替多部变换器。代替通过多部变换器的阶梯式改变，该渐变变换器具有变换器阻抗的连续改变。诸如指数渐变、三角形渐变、Klopfenstein渐变的各种方法可以被用于不同的渐变形状和不同的应用。已知的是，对于这些类型的四分之一波长变换器，Klopfenstein渐变是最佳的渐变形状。参见例如Pozar，第5.8章，第288-295页。
图4图示了具有槽25的渐变探针22’的一个示例性实施例。探针的高度是渐变的，从第一端(图4中的左)到相对端(图4中的右)增加。探针22”将通过柱(图4中未示出)安装到探针驱动装置，使得顶部表面平行于中心导体。
上面描述的两种技术(即，阶梯式高度或变化的槽形状)也可以用于渐变探针，无论其是三角形渐变还是指数渐变或Klopfenstein渐变。
用以设计渐变探针的步骤的一个示例性序列如下：
1.建立针对中心频率、带宽、中心频率处的期望反射以及频带边缘处的期望反射的所要求的规范。
2.估计渐变探针的所需长度L(越长，带宽越宽)。可以从多部探针设计(例如，切比雪夫)来估计该长度，使得渐变探针的长度等于多部探针结构的各部的长度之和。
3.从0直到长度L，确定针对探针的常数和阻抗分布。该分布取决于所选取的渐变类型，指数、三角或Klopfenstein。
4.一旦阻抗分布被确定，现在需要估计探针轮廓。这通过估计对应于该阻抗，探针在中心导体上方的高度的多少来完成。这可以使用3D EM仿真器(例如，HFSS或CST)来完成。针对整个探针的探针高度被估计，即，渐变轮廓或渐变高度如何沿着探针变化。
5.使用3D EM仿真器来仿真探针性能。如果需要，参数(例如，探针长度和探针高度轮廓)可能需要被调整或调谐。
在另外的实施例中，渐变探针可以包含高度渐变和槽轮廓渐变，即，高度和槽轮廓二者均沿着探针长度连续地变化。
所有这些实施例都可以通过接触板状线或不接触板状线的探针来实现。
尽管前述内容已经是本主题的特定实施例的描述和图示，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的范围和精神的情况下对其进行各种修改和改变。

Claims (33)

1.一种用于板状线阻抗调谐器系统的探针，所述板状线阻抗调谐器系统可操作在一频率带宽上，所述调谐器系统包括相对的板状导体平面、探针托架以及驱动系统、以及被设置在所述板状导体平面之间的中心导体，所述驱动系统用于在平行于所述中心导体的纵向方向上移动所述探针托架，所述探针包括：
多个导电探针部，每个探针部具有沿着所述纵向方向的标称长度尺寸，并且其中每个探针部具有限定槽的截面轮廓，所述槽被配置为当所述探针被横向地朝向所述中心导体移动时，跨越所述中心导体；
其中所述探针部被支撑，以用于沿着所述中心导体、并且在横向于所述中心导体的方向上一起移动，每个探针部具有与每个其他探针部不同的特征阻抗，所述探针部被安装在一起，其中在相邻的探针部之间没有间隙；并且
其中形成所述多个导电探针部的所述探针部的数目足以提供针对所述频率带宽的期望的特征阻抗变换，其中所述调谐器系统的所述特征阻抗由所述探针逐探针部地被变换为中间阻抗值，以达到目标阻抗值。
2.根据权利要求1所述的探针，其中所述探针部被定位成相互紧邻，并且被定位在所述槽相对于所述中心导体的阶梯状高度处。
3.根据权利要求1所述的探针，其中所述探针部被定位成相互紧邻，并且被定位在相对于所述中心导体的相同的高度处，并且其中所述多个导电探针部中的每个导电探针部的所述截面轮廓变化，使得针对每个相继的探针部，所述槽更宽。
4.根据权利要求1所述的探针，其中所述探针部被定位成相互紧邻，并且被定位在相对于所述中心导体的阶梯状高度处，并且其中所述多个导电探针部中的每个探针部的所述截面轮廓变化，使得针对每个相继的探针部，所述槽更宽。
5.根据权利要求1所述的探针，其中所述多个导电探针部接触所述板状导体平面。
6.根据权利要求1所述的探针，其中所述多个导电探针部不接触所述板状导体平面。
7.一种用于板状线阻抗调谐器系统的探针，所述板状线阻抗调谐器系统可操作在一频率带宽上，所述调谐器系统包括相对的板状导体平面、探针托架和驱动系统、以及被设置在所述板状导体平面之间的中心导体，所述驱动系统用于在平行于所述中心导体的纵向方向上移动所述探针托架，所述探针包括：
渐变导电探针部，具有沿着所述纵向方向的标称长度尺寸，其中所述渐变导电探针部具有限定槽的截面轮廓，所述槽被配置为当所述探针被横向地朝向所述中心导体移动时，跨越所述中心导体；
其中所述渐变导电探针部被支撑，以用于沿着所述中心导体、并且在与所述中心导体成横向的方向上的移动；并且
其中所述标称长度尺寸足以提供针对所述频率带宽的期望的特征阻抗变换，其中所述调谐器系统的所述特征阻抗被所述探针连续地被变换为中间阻抗值，以达到目标阻抗值。
8.根据权利要求7所述的探针，其中所述渐变导电探针部具有相对于所述中心导体的高度，所述高度沿所述探针长度从最接近所述中心导体的初始高度连续地变化到最远离所述中心导体的最终高度。
9.根据权利要求7所述的探针，其中所述渐变导电探针部的所述截面轮廓变化，使得所述槽沿着所述探针长度从所述探针的第一端到第二探针端而变得更宽。
10.根据权利要求7所述的探针，其中所述渐变导电探针部具有相对于所述中心导体的高度，所述高度沿着所述探针长度从最接近所述中心导体的初始高度连续地变化到最远离所述中心导体的最终高度，并且其中所述探针部的所述截面轮廓变化，使得所述槽沿着所述探针长度从所述探针的第一端到第二探针端而变得更宽，并且其中所述高度是从所述槽的顶部到所述中心导体的距离的量度。
11.根据权利要求7所述的探针，其中所述渐变导电探针部接触所述板状导体平面。
12.根据权利要求7所述的探针，其中所述渐变导电探针部不接触所述板状导体平面。
13.一种板状线阻抗调谐器系统，可操作在一频率带宽上，所述调谐器系统包括：
板状线传输件，包括相对的板状导体平面、以及被设置在所述板状导体平面之间的中心导体；
导电探针；
承载所述探针的探针托架；
托架驱动系统，用于在平行于所述中心导体的纵向方向上移动所述探针托架；
探针驱动系统，用于在相对于所述中心导体的横向方向上移动所述探针，以将所述探针定位成靠近或远离所述中心导体；并且
其中所述探针包括：
多个导电探针部，每个探针部具有沿着所述纵向方向的标称长度尺寸，并且其中每个探针部具有限定槽的截面轮廓，所述槽被配置为当所述探针被横向地朝向所述中心导体移动时，跨越所述中心导体；
其中所述探针部被支撑，以用于沿着所述中心导体、并且在横向于所述中心导体的方向上一起移动，每个探针部具有与每个其他探针部不同的特征阻抗，所述探针部被安装在一起，其中在相邻的探针部之间没有间隙；并且
其中形成所述多个导电探针部的所述探针部的数目足以提供针对所述频率带宽的期望的特征阻抗变换，其中所述调谐器系统的所述特征阻抗由所述探针逐探针部地被变换为中间阻抗值，以达到目标阻抗值。
14.根据权利要求13所述的调谐器系统，其中所述探针部被定位成相互紧邻，并且被定位在相对于所述中心导体的阶梯状高度处。
15.根据权利要求13所述的调谐器系统，其中所述探针部被定位成相互紧邻，并且被定位在相对于所述中心导体的相同的高度处，并且其中所述多个导电探针部中的每个导电探针部的所述截面轮廓变化，使得针对每个相继的探针部，所述槽更宽。
16.根据权利要求13所述的探针，其中所述多个导电探针部接触所述板状导体平面。
17.根据权利要求13所述的探针，其中所述多个导电探针部不接触所述板状导体平面。
18.一种板状线阻抗调谐器系统，可操作在一频率带宽上，所述调谐器系统包括：
板状线传输件，包括相对的板状导体平面、以及被设置在所述板状导体平面之间的中心导体；
探针；
承载所述探针的探针托架；
托架驱动系统，用于在平行于所述中心导体的纵向方向上移动所述探针托架；
探针驱动系统，用于在相对于所述中心导体的横向方向上移动所述探针，以将所述探针定位成靠近或远离所述中心导体；并且
其中所述探针包括：
渐变导电探针部，具有沿着所述纵向方向的标称长度尺寸，其中所述渐变导电探针部具有限定槽的截面轮廓，所述槽被配置为当所述探针被横向地朝向所述中心导体移动时，跨越所述中心导体；
其中所述探针部被支撑以用于沿着所述中心导体、并且在与所述中心导体成横向的方向上的移动；并且
其中所述标称长度尺寸足以提供针对所述频率带宽的期望的特征阻抗变换，其中所述调谐器系统的所述特征阻抗被所述探针连续地被变换为中间阻抗值，以达到目标阻抗值。
19.根据权利要求18所述的调谐器系统，其中所述渐变导电探针部具有相对于所述中心导体的高度，所述高度沿着所述探针长度从最接近所述中心导体的初始高度连续地变化到最远离所述中心导体的最终高度。
20.根据权利要求18所述的探针，其中所述渐变导电探针部的所述截面轮廓变化，使得所述槽沿着所述探针长度从所述探针的第一端到第二探针端而变得更宽。
21.根据权利要求18所述的探针，其中所述渐变导电探针部具有相对于所述中心导体的高度，所述高度沿着所述探针长度从最接近所述中心导体的初始高度连续地变化到最远离所述中心导体的最终高度，并且其中所述渐变导电探针部的所述截面轮廓变化，使得所述槽沿着所述探针长度从所述探针的第一端到第二探针端而变得更宽，并且其中所述高度是从所述槽的顶部到所述中心导体的距离的量度。
22.根据权利要求18所述的探针，其中所述渐变导电探针部接触所述板状导体平面。
23.根据权利要求18所述的探针，其中所述渐变导电探针部不接触所述板状导体平面。
24.一种用于板状线阻抗调谐器系统的探针，所述板状线阻抗调谐器系统可操作在频率带宽上，所述调谐器系统包括相对的板状导体平面、探针托架和驱动系统、以及被设置在所述板状导体平面之间的中心导体，所述驱动系统用于在平行于所述中心导体的纵向方向上移动所述探针托架，所述探针包括：
（i）多个导电探针部，所述多个导电探针部中的每个导电探针部具有沿着所述纵向方向的标称长度尺寸，并且其中每个探针部具有限定槽的截面轮廓，所述槽被配置为当所述探针被横向地朝向所述中心导体移动时，跨越所述中心导体，所述多个导电探针部中的每个导电探针部具有与其他探针部中的每个探针部不同的特征阻抗；或者（ii）渐变导电探针部，具有沿着所述纵向方向的标称长度尺寸，其中所述渐变导电探针部具有限定了槽的截面轮廓，所述槽被配置为当所述渐变导电探针部被横向地朝向所述中心导体移动时，跨越所述中心导体；
其中所述多个导电探针部或所述渐变导电探针部被支撑，以用于沿着所述中心导体、并且在横向于所述中心导体的方向上一起移动，所述多个导电探针部被安装在一起，其中相邻探针部之间没有间隙；并且
其中所述多个导电探针部或所述渐变导电探针部的所述标称长度尺寸足以提供针对所述频率带宽的期望的特征阻抗变换，其中所述调谐器系统的所述特征阻抗由所述探针逐探针部地、或沿着所述渐变导电探针部连续地被变换为中间阻抗值，以达到目标阻抗值。
25.根据权利要求24所述的探针，其中所述多个导电探针部被定位成相互紧邻，并且被定位在所述槽相对于所述中心导体的阶梯状高度处。
26.根据权利要求24所述的探针，其中所述多个导电探针部被定位成相互紧邻，并且被定位在相对于所述中心导体的相同的高度处，并且其中所述多个导电探针部中的每个导电探针部的所述截面轮廓改变，使得针对每个相继的探针部，所述槽更宽。
27.根据权利要求24所述的探针，其中所述多个导电探针部被定位成相互紧邻，并且被定位在相对于所述中心导体的阶梯状高度处，并且其中所述多个导电探针部中的每个导电探针部的所述截面轮廓变化，使得针对每个相继的探针部，所述槽更宽。
28.根据权利要求24所述的探针，其中所述渐变导电探针部具有相对于所述中心导体的高度，所述高度沿着所述探针长度从最接近所述中心导体的初始高度连续地变化到最远离所述中心导体的最终高度。
29.根据权利要求24所述的探针，其中所述渐变导电探针部的所述截面轮廓变化，使得所述槽沿着所述探针长度从所述探针的第一端到第二探针端而变得更宽。
30.根据权利要求24所述的探针，其中所述渐变导电探针部具有相对于所述中心导体的高度，所述高度沿着所述探针长度从最接近所述中心导体的初始高度连续地变化到最远离所述中心导体的最终高度，并且其中所述渐变导电探针部的所述截面轮廓变化，使得所述槽沿着所述探针长度从所述探针的第一端到第二探针端而变得更宽，并且其中所述高度是从所述槽的顶部到所述中心导体的距离的量度。
31.根据权利要求24至30中的任一项所述的探针，其中所述多个导电探针部或所述渐变导电探针部接触所述板状导体平面。
32.根据权利要求24至30中的任一项所述的探针，其中所述多个导电探针部或所述渐变导电探针部不接触所述板状导体平面。
33.一种板状线阻抗调谐器系统，可操作在一频率带宽上，所述调谐器系统包括：
板状线传输件，包括相对的板状导体平面、以及被设置在所述板状导体平面之间的中心导体；
根据权利要求24至30中的任一项所述的探针；
承载所述探针的探针托架；
托架驱动系统，用于在平行于所述中心导体的纵向方向上移动所述探针托架；以及
探针驱动系统，用于在相对于所述中心导体的横向方向上移动所述探针，以将所述探针定位成靠近或远离所述中心导体。
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