JP4782833B2 - 同軸自動インピーダンス・アダプタ - Google Patents

Description

本発明は、電気通信工学の分野に関する。

特に、本発明は同軸自動インピーダンス・アダプタに関する。

従来技術において、同軸スラグ磁気チューナ（インピーダンス・アダプタ）は米国特許US3 792 385（“RCA”）において既に知られている。磁場の印加に応じた伝送線路インピーダンスを供給するため、電磁伝送線路の中央導体や外部導体に静電結合された可動マッチング磁気スラグが用いられている。

また、従来技術として米国特許US6 297 649（“フォーカス・マイクロ波”）により、高調波リジェクション可能な同軸チューナ（インピーダンス・アダプタ）も公知である。

インピーダンス・アダプタの２大メーカーである、“モーリーマイクロウェーブ社（Maury Microwave Corporation）”及び“フォーカスマイクロウェーブ（Focus Microwave）”（登録商標）は、図１の矢印に示すように軸Ox、Oyに沿って互いに独立して移動する１つ又は複数のプランジャを使用している。

両軸に沿ったプランジャの移動は駆動モータを介して行われている。

Ox軸に沿った変位、即ち同軸線路の軸に沿った変位に関して、ブロック全体（モータ＋プランジャ）は、ガイド軸によって移動する。制御ソフトウェアにより、２個のブロックが同じガイド軸上を移動することによるブロック同士の衝突を回避することができる。

Oy軸に沿った変位、即ち同軸線路の軸に垂直な方向の変位に関して、ブランジャは中央導体に接近したり、導体から離反し、これにより中央線路とプランジャとの距離を局部的に変え、ラインの特性インピーダンスを変動させる。

１プランジャ又は複数のプランジャが中央線路から可能な限り離れた位置にある時（プランジャアウト状態）、チューナは５０Ωに等しいインピーダンスを持つようになっている。

このような同軸自動チューナの主な利点は、構成要素（部品）測定に先立ちキャリブレーションできるという点にある。チューナの入出力はベクトルネットワーク・アナライザに接続される。数百もの位置に対し、ベクトルネットワーク・アナライザやチューナの制御ソフトウェアにより、複数の周波数に対し同調分散パラメータを獲得することができる。このチューナ・キャリブレーションが完了した状態で、測定システムを着脱することなく、出力やノイズに関して構成要素を非常に迅速に特徴付けることが可能となる。

両同軸チューナは優れた性能を持つが、後者の性能は同軸コネクタと中央導体との間の移行部分に関連したチューナ挿入損失により急激に減少する。伝送ロスが大きければそれだけ、負荷インピーダンスの反射要因のモジュールがそれだけ弱くなる。結果としてスミス線図のあらゆるインピーダンスを総合（シンセサイズ）できなくなる。

スミス線図上には“デッドゾーン” があることを留意されたい。即ち、スミス線図の“エッジ”と、与えられた周波数のインピーダンス・サークルとの間の領域が“デッドゾーン”と呼ばれる。この領域に存在するインピーダンスは、与えられた周波数に対しては得られない。

同軸チューナには広帯域を有するという利点があり、連続した電圧の通過を可能にするが、挿入損失は高周波数においてその性能を低下させる。

上記チューナは又、かなり嵩張りかつ重量もあり、マイクロ波プローブを使用し、“ウェハ”上で直接、構成要素を測定するときなどは重大な欠点となる。実際、チューナのサイズを考えると、後者は損失を有するケーブルを介して構成要素に接続されている。チューナと構成要素との間の距離は増加し、またチューナと構成要素との間の挿入損失もまた増加する。このような状態の下では、デッドゾーンはより重要である。そのような領域を減じるため、プレマッチング（プレ整合）システムがプローブとチューナとの間に配置される。しかしながら、そのような装置は上述した制限を完全に排除することはできない。更にそのようなプレマッチングシステムはかなりの剛体である。このような構造は、ブロックの変位によって誘起された、マイクロ波プローブ面における振動をかなり増加させる。

既に述べたように、上記チューナにはOx軸に沿うブロックの並進運動がある。このブロック（キャリッジ＋モータ＋プランジャ）の重量はかなりのものであるが、その迅速な変位はかなりの慣性運動と振動を併発する。現在、プローブを使用した測定時、そのような振動はプローブ・構成要素間の接触品質、即ち測定品質を瞬時に劣化させる。構成要素が試験されている時、特に構成要素が高電圧で分極されるような場合、上記作用は構成要素の破壊や、ともすればプローブの破壊をも伴う。

インピーダンス・マッチングを手動でするチューナもまた特許US-2 403 252及びUS-3 793 385により公知であるが、その調整作業は極めて厄介なものであり、特にマッチング部品を交換する際にネジを緩めるようなものはその作業はより厄介である。

文献US-６ 297 649及びUS-2003/0122633により、上述したようなプランジャタイプの２つのモジュールを備えたインピーダンス・アダプタもまた既に知られている。そのプランジャは伝送線路の一般的に高い部分に配置される突出部品である。そのようなプランジャは伝送線路の空間を不均一な形で満たし、負荷のチャージを引き起こす。更に、上記プランジャによる不均整な構造は傾斜面上でのアダプタ使用にとって好ましいものではない。

文献JP-57063901に記述されている解決策と同様に、これら２文献に記述された解決策は、モータに取り付けられた可動キャリッジの使用に基づいている。しかしながら、ここでも上述した問題が残る。即ち、モータの運転によって発生した振動が伝送線路内部のスラグに影響をあたえる可能性があり、またプローブを用いたどんなマイクロ波測定をも効果のないものとする可能性がある。

本発明は、ダブルスラグの同軸チューナを提供することで、従来技術の上記欠点を改善することを目的としている。この新しいインピーダンス・アダプタは出力・ノイズトランジスタの特徴に最善な形で応答するものである。そのチューナは広い周波数帯域で作動されるようになっており、Ox軸に沿った横方向の並進運動だけを有するものである。

この目的のため最も広い意味において、本発明は、２つのスラグを有し、かつOx軸に沿った横方向の並進運動だけを有する同軸インピーダンス・アダプタに関するものである。

一実施形態によれば、本発明は、長手方向に、軸Oｘを有する導電性中央線路を有する伝送線路のための同軸インピーダンス・アダプタであって、該アダプタは、軸Oxに沿う並進運動に沿って移動可能な、前記伝送線路内の２つのスラグと、各々が前記スラグの１つを並進駆動させると共に弾性継手によってスラグより隔離される２つのモータとを有する同軸インピーダンス・アダプタを提供する。これにより、スミス線図上の全てのインピーダンスをスキャンする効果的な装置と、モータによる振動に対しても安定するアダプタとの双方が提供される。

好ましくは、前記インピーダンス・アダプタは、０．２５GHzから２４０GHzまでの周波数帯域で作動する。

一実施形態によれば、前記スラグは円形断面を有し、伝送線路における長手方向にスライドする。スラグは特に、円形断面の伝送ガイドによく適合する。そのようなガイドが長方形断面やその他の形状断面を有する場合、同一断面を有するスラグは、導波領域を満たすように選択されることが好ましい。

所望の用途に応じ、その長手方向において、金属層の積み重ねが少なくとも１つの絶縁層によって絶縁されるような“共鳴”スラグか、又は金属の円筒体からなりその側面には円筒体内側に向かって集中する凹部を備えた“広帯域”スラグが好ましい。その交換可能性によりスラグの組合せを変えることで、負荷漏れや他のマイクロ波干渉を回避しつつ、スミス線図のインピーダンス回復における効率を増加することができる。

短絡回路発生を回避するために、誘電体がインピーダンス・アダプタの中央線路上かスラグ（外・内径）上に形成される。これは、短絡を制限し、かつマイクロ波性能を改善するためのものである。

好ましくは、スラグは交換可能である。

また、モータはその振動を最小限にするために、弾性継手を介しシステムのレスト部から遮断されていることに留意されたい。

一観点によれば、ダブルスラグチューナの原理は、その両端を標準的なコネクタで閉じた円筒体の内側において、５０Ωとは異なる特性インピーダンスを有する２つの線路部分の変位に基づいている。

第２の観点によれば、そのようなチューナの原理は、５０Ωの同軸線路において５０Ωとは異なる特性インピーダンスを持つ２つのスラグの変位に基づいている。

従って、前記スラグは、多くの導波路で５０Ωの値をもつ伝送線路の特性インピーダンスとは異なる特性インピーダンスを有することが通常選択される。

好ましくは、第１スラグは外側導体の径Dの値を変えることで線路のインピーダンスを部分的に減少させる。

例えば、コンピュータ及び／又は電子手段によって、スラグを自動的に駆動し、その正確かつ再現可能な位置決めが可能なようにする。このためには、各スラグは弾性継手によりキャリッジと一体で形成され、アダプタは更に、キャリッジを伝送線路の長手方向に駆動できるモータを備える。その際、モータは自動駆動される。

前記モータはリニア型やステップバイステップ型、或いは圧電式モータでもよく、キャリッジは伝送線路に平行なガイド上に据え付けられ、モータ駆動される。

別の実施形態によれば、各モータは回転式モータであって、関係したスラグが接続された対応キャリッジを並進駆動する修正精密ネジを回転させる。

好ましくは、加速やサーボ制御プロフィールを正確に制御するのと同様に、前記モータは短い変位時間を有するべく最適化される。作動中、プレマッチング・スラグとも呼ばれる１つのスラグは、λを作動波長とした場合、λ／２の距離だけ移動するように配置され、他方第２スラグはこのプレマッチング・スラグに対しλ／２の距離だけ移動するように配置される。

一実施形態によれば、インピーダンス・アダプタは周波数１０GHzで0.98以上の反射要因を持つ。

本発明による同軸自動チューナの利点は以下の通りである。

−既存システムよりもより良いマイクロ波の働き。事実、本発明によればシステムは、高い反射要因において、かなり柔軟性のあるインピーダンス統合性を有する。

−同軸チューナ用として獲得可能な周波数帯域は、０．２５GHzから２４０GHzまでに及ぶこと。

−不自然な部品に対しチューナ性能を適用させるために、スラグを特定用途用スラグに容易に交換可能である。

−提供システムは高い反射要因において非常に高い再現性を提供する。

−伝送線路に沿って唯一の移動があるのに対し、既存システムでは２つの運動があり、その一方は伝送線路に対し直角を成している（伝送線路に非常に接近した運動を伴う）。

−既存システムに比較して高い堅牢性を示す。従来システムの場合、可動スラグは、長い距離をもってサスペンデッド型中央線路に対し（数10μmまで）接近しなければならない。これは重大な破壊の可能性を起こす。これに対し当システムでは、この問題は総合的に解決される。チューナを、いかなる効率の損失なく傾斜面上で作動することも可能である。更に、誘電体の形成により性能が向上し、かつ短絡回路の発生を回避することができる。

−提供システムは、従来システムよりも（振動に関して）より安定している。実際、モータは弾性継手を介してシステムのレスト部から遮断されている。

このことは、測定がプローブを使用して行われる時、非常に重要なポイントとなる。

−可動重心による問題を引き起こさないほどかなりの軽量なスラグ。

−（従来システムのプランジャ装置にとってかわる）スラグ保持システムはより高い再現性のみならず正確なポジショニングをも可能にする。

−（振動の問題を最小限にするための）加速やサーボ制御プロフィールの正確な制御のみならず、短い変位時間を達成するべく、モータやそれに関連するエレクトロニクスが最適化されている。

−このような条件の下で、製造コストは既存システムよりもはるかに低い。

−スラグから遮断されたモータの位置や軽量化されたシステムにより、重心変動がない。

−本発明のシステムは、中央線路に高い堅牢性を与える。実際、後者は一定距離をもって保持され、従来のチューナに見られたようなサスペンデンド型の線路の問題はない。本発明によるチューナの搬送にも問題はない。

−本発明によるチューナは、その設計によって高い分極電圧に耐えることができる。

本発明は、添付図面を参照しながら、その実施形態の一説明としてのみ与えられた以下の記述を読むことによりより一層理解されよう。

本チューナの原理は、５０Ωの同軸線路において５０Ωとは異なる特性インピーダンスを持つ２つのスラグの動作に基づく。同軸スラグの特性インピーダンスは以下の式（１）によって与えられる。そのようなインピーダンス・アダプタを図２に示す。

ここで、ε_rは媒体の誘電率である。

図２は、円筒形状の伝送線路４を示しており、線路の長手方向かつその中心には導電性の中央線路５を有している。伝送線路４の直径は６．９１mmであり、中央線路５の直径は3 mmである。このようにして形成される“伝送線路＋中央線路”アセンブリは５０Ωの特性インピーダンスを持つ。

円筒形のスラグ６a及び６bは、その長さが３．７５mmであり、その外径は伝送経路の内径よりも若干小さく、即ち６．９mmである。各スラグは３．１mmの中心径を有する長手方向の穴を有し、この穴に中央線路５を通すようになっている。これによりスラグは中央線路に沿って容易にスライド可能となる（図２の矢印参照）。各スラグは伝送線路のそれと大きく異なる特性インピーダンスを有し、それは上記寸法を以ってスラグのインピーダンスが約２オームであることを意味する。

図４は、ペアとして使用可能な２つの典型的なスラグを示している。図４aのスラグは円筒形の“共鳴”スラグであり、その長手方向において絶縁層によって隔てられた２つの金属層から構成されている。このような構造により周波数帯域が減少し、スラグは共鳴器のように作用することになる。スラグが作動する周波数帯域を減少させることの利点は、試験される構成要素に課せられる反射要因の値を、１つの周波数だけでなく複数周波数に対しても制御可能になることである。

スラグ４ｂは金属からなり、円筒の形状を有し、その両端面には、外側から、導電する中央線５がスライドする中心部に向かって、連続する凹部が形成されている。そのような凹部はスラグの周波数帯域を増加させる作用がある。これにより後者は広帯域スラグとして作用することになる。

伝送線路４（例えば、正方形や長方形断面を有するもの）の他の形状に関しては、スラグがスライドする導電性中央線路５を除き、使用されるスラグが伝送線路の断面と略同一であって伝送線路の内部形状に最善な状態で適合する限りにおいては適当なものでよい。

外部導体の径Dの値を変更することでスラグは伝送線路のインピーダンスを局部的に変化させる。そのようなインピーダンスの局部変動はチューナの反射要因を変え、即ちチューナのインピーダンスを変えることにもなる。

仮にスラグ６ｂがインピーダンス・ラインZc上をスライドするならば、チューナのインピーダンスはZcを中心とした一定電圧定在波比の円の上を移動することになる。λ／２（λ：作動波長）だけ変位することによりスミス線図上において全円を描くことが可能になる。スラグの特性（内径と長さ）に応じてスミス線図の円の半径が変動する。この時、適応性のない特性を持つ唯１個のスラグを以って全スミス線図をカバーすることは不可能である。その結果、第２スラグ６aが最初のスラグの前に加えられる。これによりプレマッチング（即ち描かれた円の中心の変位）が実行可能になる。

これによりチューナ・インピーダンスは、もはや一定電圧定在波比の円の上を移動することはない。仮に第１スラグ６ｂが導体に沿ってλ／２の距離だけ移動された場合、線図上の全円がプレマッチング・インピーダンスの周囲を辿ることになる。

仮に第２スラグの位置が変化したならば、描かれた円の中心は一定電圧定在波比の円の上を移動する。第２スラグのλ／２の距離移動と、その各位置に対し第１スラグがλ／２の距離だけスキャニングすることで、全スミス線図をカバーできるほどの複合的な円を引くことが可能になる。

描かれた円の特性（円の半径、円の中心が移動する一定電圧定在波比の円）は使用されるスラグの特性に依存する。即ち、例えばスラグのある組合せにより、線図のエッジ上において複数点を得ることも可能であるし、また別の組合せにより、より良い線図カバレッジを持たせることも可能である。これにより、用途において更なる柔軟性を付与することになる。

このようにして製造されたアダプタを、非常に高い精度のステップバイステップモータを２個使用し、かつスラグ変位を達成するための符号化システムと連携させることで自動運転させることができる。モータは夫々キャリッジを駆動する修正精密ネジを回転させる。ネジに据え付けられた各キャリッジはスラグを移動させる。

デッドゾーンの大きさに影響を与えないようにしつつ、試験対象構成要素に対しチューナを最も近い位置に置くことが可能であろう。市販のチューナに関しては、チューナの自動キャリブレーションによって、１つの構成要素を直ちにかつ非常に正確な方法で特徴付けることが可能である。

図３を参照して、インピーダンス・アダプタの実施例を説明する。同インピーダンス・アダプタは：

−直径ｄ₁の内部導体（５）と直径ｄ₂の外部導体（４）であって、そのアセンブリが、図２を引用して説明したアセンブリと同様であり、かつ２つのスラグ６a、６bと共に伝送線路を成すような導体；

伝送線路の各側部に配置される標準的な同軸コネクタ（図示せず）；及び

ガイド（３）に沿ってスライド可能なモータ（１）に装着されたキャリッジ（２）を有する。モータ（１）は、その回転に逆らって作動中に発生する振動を制限することができるリニアタイプである。スラグ６a、６ｂは夫々、振動を減衰する弾性手段が設けられた継手アーム７を介して“キャリッジ２＋モータ１＋ガイド３”のブロックに接続される。振動減衰は、可撓性材料からなるタグを使用した継手アームにおいて達成され、このタグは、片や上記“キャリッジ＋モータ＋ガイド”ブロックの方に、片やスラグの方に夫々位置する２つの金属部品の間に挟まれている。

継手アーム７によるスラグ６の移動を可能にするべく、伝送線路の外部導体４には、伝送線路の長手方向に沿ってスロットが設けられる。

従来技術によるインピーダンス・アダプタの一例を示す図である。 本発明によるインピーダンス・アダプタのスラグ配置例を示す図である。 本発明によるインピーダンス・アダプタの作動を示す図である。 本発明に使用される交換可能な２つのスラグ例を示す図である。

Claims (12)

1. 軸Oｘを有する導電性の中央線路（５）をその長手方向に備えた、伝送線路（４，５）のための同軸インピーダンス・アダプタであって、
   軸Oxに沿う並進運動に沿って移動可能な、前記伝送線路内の２つのスラグ（６）と、各々が前記スラグ（６）の１つを並進駆動させると共に弾性継手（７）によってスラグより絶縁される２つのモータ（１）とを有し、各スラグは１つの継手アームに接続され各継手アームは片や前記モータ（１）の方に、片やスラグ（６）の方に夫々位置する２つの金属部品の間に挟まれている可撓性材料からなるタグを具備する同軸インピーダンス・アダプタ。
2. 前記スラグは円形断面を有し、前記伝送線路において長手方向にスライドすることを特徴とする請求項１に記載の同軸インピーダンス・アダプタ。
3. 前記スラグは、その長手方向において少なくとも１つの絶縁層によって分離された金属層の積層物を含むことを特徴とする前出請求項に記載の同軸インピーダンス・アダプタ。
4. 前記スラグは金属製の円筒体であって、その側面には円筒体の内側に向かう凹部が設けられることを特徴とする請求項２に記載の同軸インピーダンス・アダプタ。
5. 誘電体が前記導電性の中央線路上に配置されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の同軸インピーダンス・アダプタ。
6. 前記誘電体は、前記スラグの内、外径のどちらか一方の上に配置されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の同軸インピーダンス・アダプタ。
7. 前記スラグは、前記伝送線路の特性インピーダンスとは異なる特性インピーダンスを有することを特徴とする請求項１乃至６のすくなくとも１つに記載の同軸インピーダンス・アダプタ。
8. 前記伝送線路は５０オームの特性インピーダンスを有することを特徴とする前出請求項に記載の同軸インピーダンス・アダプタ。
9. 各スラグは、弾性継手によってキャリッジに一体で形成され、アダプタは更に、伝送線路の長手方向に前記キャリッジを並進駆動するモータを有することを特徴とする請求項１乃至８の少なくとも１つに記載の同軸インピーダンス・アダプタ。
10. 前記モータはリニアモータであり、前記キャリッジは前記伝送線路に平行なガイド上に据え付けられることを特徴とする先行請求項に記載の同軸インピーダンス・アダプタ。
11. 前記スラグの１つであって、所謂プレマッチング・スラグ（６a）は、λを作動波長とするとλ／２の距離だけ移動するように配置され、更に第２スラグ（６b）は整合前スラグ（６a）に対し、λ／２の距離だけ移動するように配置されることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１つに記載の同軸インピーダンス・アダプタ。
12. 周波数１０GHzに対し０．９８の反射要因を有することを特徴とする請求項１乃至１１の少なくとも１つに記載の同軸インピーダンス・アダプタ。

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