专利名称：用于高频微型探头组件的夹紧测试夹具的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于高频微型探头组件的夹紧测试夹具。
背景技术：
现代高频示波器探头经常被制造为有源差分探头。差分探头具有两个施加信号，形成这两个信号的差异并作为所期望的输入信号。现在参考图1，来自安捷伦科技有限公司的这样一种用于数字示波器3的现有技术探头构造1具有相对高频的放大器(未示出)，该放大器被承载在外壳2内并通过相当短(四到六英寸)的长度的柔性小直径同轴传输线6耦合到被测试电路或器件，外壳2通过终止于附装组件5中的三或四英尺的长电缆4连接到示波器3，同轴传输线6的末端可以具有承载了实际探头顶端的手持式“浏览头(browser)”(附图未示出浏览头)。浏览头是小组件，其包括插入在短柔性传输线与实际探头顶端之间的阻抗匹配元件或其他无源网络。象示波器探头那样，浏览头通常相当小，但是对于某些位置仍然太大而不能被采用，例如，在两个平行且间隔紧密的印刷电路板组件之间的一个位置。在这样的情况下，用可焊接的探头组件7来代替手持式浏览头，探头组件7的探头顶端8实际上被焊到承载被测量信号的位置。这无需手持浏览头的手工操作，并且将承载短柔性同轴传输线6和阻抗匹配元件9所需的组件保持为最小。这种可焊接探头组件7可以是四分之一英寸长(除了探头顶端)、十六分之三英寸宽和十六分之一英寸高的量级。探头顶端8是较短(1/16”)长度的小直径(例如，0.007”)镍导线，其是可焊接、可弯折(例如，断裂前可弯折十五到三十次)并可更换的。导线更换辊被提供给探头组件，且技术人员使用显微镜和微型焊烙铁来安装新的探头顶端。
现在参考图2。由于各种公知的原因，所期望的是，具有校准测试夹具(10)来容纳可焊接探头组件7。探头的输出以通常的方式耦合到示波器输入信道。校准测试夹具(优选地直接，或者通过电缆11)连接到由示波器提供的前面板校准测试信号(未示出)。当接到这样做的指令时，示波器分析由信道/探头组件组合所测量的已知校准测试信号，以发现并接着构成测量结果的合适的后处理补偿，从而当与其他感兴趣的信号一起使用时用该特定探头组件提供更精确的测量。
一种用于校准测试夹具10的现有技术设计通过来自安捷伦科技有限公司的产品E2655A和E2655B来实现。该设计包括形成在衬底13上并具有夹子14的端接带传输线12，夹子14用于在通常由印制在夹具上的索引标记(15)与槽16的交点指示的两个不同的可能位置中的其中一个处将探头顶端8夹靠传输线，槽16切割到夹子14中。(此处槽用于减小当夹住探头顶端时增大的探头间电容。)在机械上，夹子14的功能可以让人联想到在普通的按压板或塑料夹板上的压印金属夹，其用于提供方便在其上写字的便笺纸，不过测试夹具10上的夹子14小得多并且由绝缘材料制成。带传输线12可以通过端子17(端子17附装到作为夹具10一部分的连接器18)被直接端接，或者可选地通过一定长度的同轴传输线(该同轴传输线将夹具10的下游端连接到由示波器3所占用的信道之一的50Ω测量输入)被端接。
图2所示的设计具有许多限制其效能和便利的缺点。其中，由于夹子14是用于两个探头顶端的单一物件，所以探头组件7必须正确地定位在打开的夹子下方以在夹子被释放之前同时将两个探头顶端正确对准。未对准的探头顶端会将错误的偏差引入到测量结果中，因而是应避免的状况。但是，难以在夹子打开时实现合适的对准并保持到夹子关闭；其趋向于过大地摆动。而且，尽管提供了不大的夹紧力，但是也难以使得被夹的探头顶端在夹子下方改变其位置；其可能反而会弯折或断裂，特别是在它们已经使用过多次的情况下。
此外，夹紧力不总是足以保持被夹的探头。这部分地由于弹簧19并部分地由于弹簧与夹紧边缘21之间的枢轴20的近中心位置。但是，存在仅使弹簧更刚性的限制；夹紧边缘21在其遇到探头顶端8时趋向于成弓形，减小了施加到探头顶端的力。涉及具体夹子14的相关问题是，其总长度迫使探头顶端8与传输线12之间的连接位置朝向测试夹具10的中部。该问题并不严重，但在涉及最高频并要求最高精度的情况下，不需要电缆11以利于将夹具直接连接到示波器前面板上的连接器，并且进一步期望的是，沿着传输线12被探头顶端8接触的位置尽可能地靠近示波器。最后，经验显示，图2所示的构造使得其自身将探头顶端伸直，并接着通过将探头组件7平坦地放置为抵靠衬底13(然后这样扔下它们不管......)来将探头顶端夹紧。这是一个被该设计所纵容的坏习惯。(因为探头的接地屏蔽的附近干扰了带传输线12。)所期望的是，存在既能用较大的力夹紧探头顶端又能允许将各个探头顶端一次夹紧一个的可选设计，以允许重复序列的调整来将两个探头顶端都夹紧在其合适位置上。此外，该合适位置应该尽可能地靠近测试夹具的驱动端。
发明内容
允许差分探头组件顶端相对于测试夹具中的带传输线的反复调整的问题的解决方案是提供用于每个探头顶端的分离的夹子。在优选实施例中，三个相邻的夹子共用共同的轴；双夹子实施例也是可以的。在三夹子实施例中，两个外侧夹子定位在各自的与传输线的中心导体邻接的接地平面上，而中心夹子定位在该中心导体上。三个夹子被中间间隔体垫圈分离，同时作为整体的该群组被沿着轴偏压并抵靠端间隔体，该端间隔体使得整个群组相对于传输线定位。各个夹子的每个在轴的一侧上具有各自的压缩弹簧以对另一侧产生夹紧力，而从轴到弹簧的长度用作各自的指压杆，其允许每个夹子打开以接收探头顶端。从轴到弹簧的长度比从轴到实际夹紧表面的长度大得多，以提供显著增大的夹紧力(每个夹子是分离的一级杠杆)。每个夹子的脚部基本在轴下方，其实际上将探针顶端压靠传输线，而它们的指压杆部分与承载了带传输线的衬底平行地延伸。这允许夹子的位置非常靠近测试夹具的驱动端。传输线由通过第一外壁安装RF连接器传送的施加的测试信号来驱动。多夹子夹具的带传输线可以通过内端子、通过外壁安装端子、通过固定到第二外壁安装RF连接器的端子、或通过位于示波器的利用中间同轴RF传输线(电缆)达到的另一个测量输入处的远端子来端接。
图1是包括用于校准测试夹具(未示出)的可焊接探头组件的现有技术示波器系统的简化组成视图；图2是用于图1的可焊接探头组件的现有技术单夹子校准测试夹具的立体图；图3是改良的多夹子校准测试夹具的第一立体视图；图4是图3的多夹子校准测试夹具从基本相反的方向观察的第二立体视图；图5是图3和4的多夹子测试夹具的一个可选实施例的立体图；且图6是图3和4的多夹子测试夹具的另一个可选实施例的立体图。
具体实施例方式
现在参考图3，图3示出了改良的测试夹具22的局部立体图，测试夹具22具有多个(三个)夹子，多个夹子用于与数字示波器3一起使用的高频差分可焊接探头组件7。(在这里，简单地参考图4也很有帮助，图4从另一个视角从整体上示出了该结构。)托架23用作其上安装各种其他部件的机架，以下给出其说明。托架23可以是例如铜、黄铜或铝之类的金属制成的，因为金属托架对于强度、耐久度、以及促成良好的RF接地是优选的。这并非表示不考虑塑料托架，塑料托架也是可以的，但是优选地用金属托架。托架23的机架功能是(1)承载衬底24(其可以是任何合适的电介质制成的，例如陶瓷或RF4)，衬底24具有由测试信号驱动并与可焊接探头组件7的探头顶端接触的带传输线；(2)用作安装RF连接器38的壁，其中测试信号通过RF连接器38施加到带传输线的输入端，还(在一些实施例中)用作安装另一个连接器或端子(图4中的40)的壁，该另一个连接器或端子耦合到传输线的输出端；和(3)承载轭27，各种夹紧部件通过其安装以将探头顶端8单独地夹靠于带传输线。
让我们开始讨论衬底24及其带传输线。衬底24的顶表面承载处于中心导体26两侧上的两个接地平面25。衬底24的下侧承载了延伸过衬底的整个宽度和长度的接地平面56。通孔28的合适密度的图案将上接地平面部分25连接到下接地平面56。下接地平面56还用导电粘接剂附装到金属托架23，使得其与金属托架紧密电接触，从而更好地用作输入(同轴)RF连接器38的外导体的延展(并还类似地良好连接到输出同轴连接器或端子40的外屏蔽)。
中心导体26具有这样的宽度，其在探头顶端8之一与其接触时，确保另一个探头顶端在接地平面部分25的一个或另一个之上(在其界线内或范围内的意思)。当然，应该理解的是，中心导体26在一端电连接(例如，焊接)到连接器38的中心导体，并在另一端电连接到连接器或端子40的中心导体，其两者(38、40)都优选地是附装(例如，通过螺钉)到托架23的各个端部的壁型部件。
轭27可以是金属制成的，并通过小螺钉(未示出)附装到托架23的下侧。作为可选方案，轭可以是托架的一体的部分，而不是附装的分离的部分(例如，其可以是铸造或模制轭的部分)。轭安装有轴29，轴29承载了三个单独的杆(夹子)33、34和35。(双夹子/杆的实施例也是可以的。)至此，每个杆具有通过其的孔以使轴29穿过；杆35中的相关孔46的位置由虚线表示。通过中空间隔体或隔离件30和31，结合偏压弹簧32，杆沿着轴线对齐到传输线部分上方适当的位置。薄的间隔体垫圈36(不完全可见)可以由轴承载以将杆33与杆34分离，并将杆34与杆35分离。对于间隔体垫圈36的可选方案是每个杆在用于轴的孔附近具有凸脊或毂部。将杆间隔开的理由是，如果在制造或修理期间需要的话，可以允许它们对准传输线部分，以及提供有助于一次只操作一个杆的某种分离。进一步的原因是最小化当探头尖端被夹子夹持时增大的探头间电容的量。在三杆/夹子实施例中，一个杆(34)将定位在传输线的中心导体26上方，而其他两个杆将定位在不同的接地平面部分25上方。在两杆/夹子实施例中，一个杆(34)将定位在传输线的中心导体26上方，而另一个杆将定位在接地平面部分25中的仅一个的上方。在任何情况下，相邻杆的中心对中心间距与探头尖端8的中心对中心间距匹配。
与一次操作一个杆的情况相关，请读者注意以下说明。在三杆实施例中可能出现这样的情况，难以单独操作中心杆34。或许事实确实如此，但是经过思考可以认识到，因为仅存在两个探头尖端且其总是出现在与相邻杆对应的位置处，所以根本不需要操作中心杆34。杆之一将总是中心杆，因为探头尖端之一将总是与中心导体26接触。现在，如果杆34和35处于使用状态，则中心杆34可以被按压以与杆33联结，这是因为杆33不处于使用状态且按压它不是有害的动作。但是，比起单独按压杆34，可能更容易按压33/34的组合。如果杆33和34将处于使用状态，则将发生对称的情况；则与杆34同时按压杆35是激励杆34的简单方式。
最后，如图5所示，可以将“弯折手持延伸部”增加到外侧杆的端部。这可以用于帮助单独地激励外侧杆(例如，当34和35是处于使用状态的杆时，仅杆35)。
现在，考虑探头尖端8如何与传输线进行接触。首先，用户如图所示将它们弯折以与探头组件7的外壳成直角，并且(或者大体)互相平行。使用来自拇指或指甲的压力，用户如分别对于杆34和35的箭头44和45所示按压杆33-35之一(或多于一个)。接着，用户将每个探头顶端滑动到被按压的一个或多个杆的突起“脚部”(即，在相对端部处)之下。(杆35具有脚部43。)释放杆使得来自弹簧37(以及来自图4中的41/42)的弹簧张力将每个探头尖端8夹在相关的角部和衬底24的顶表面(即，传输线)之间。杆33-35是每个分离的，并被各自偏压，这允许容易地调整探头组件7在测试夹具22中的位置，每次调整一个探头尖端。这通过一次释放一个杆(同时由于另一个探头顶端继续被夹住，所以探头组件7保持被夹持)并将松开的探头顶端移动到更好的位置来实现。然后可以类似地调整另一个探头顶端的位置，直到以重复的方式使得两个探头顶端都在沿着传输线长度上的相同位置处与传输线进行接触。优选的这个位置可以由衬底24的顶表面上的索引线39指出。
现在参考图4。在此图中，从相反的方向观察测试夹具。除了观察方向之外，全部情形与图3相同，且图中物体保留了其标号。图4提供了(输入)RF连接器38(优选地，精密APC 3.5mm连接器)及其优选的安装方法的更佳视角，且其还示出了在图3的视角上被阻挡的杆弹簧41和42。现在考虑图4中的物件40，物件40在图3中也不可见。物件40可以是另一个RF连接器，或可以是用于衬底24上的带传输线的永久性附装端子。如果物件40是另一个连接器，则期望的是任一端子将附装到其，或者一定长度的传输线将附装到其，并接着通过连接到示波器的一个输入信道而被端接。这可以取代用于传输线的RF端子，而不是实际的连接器。
从图3和图4两者可以认识到，连接器38是输入连接器。就是说，由示波器(或者可能由测试装备的其他物件)提供的校准测试信号通过输入连接器38施加到校准测试夹具22。如前所述，所示的构造允许探头组件7尽可能地靠近连接器38。
现在参考图5，其中示出了多夹子测试夹具的可选实施例47。注意，在此可替换实施例中，外侧杆48和49具有延伸的“指垫”区域使得更容易单独地(即，作为唯一被致动的杆)致动这些杆。从前面的讨论可知，因为根本不需要单独地致动中心杆34(其致动总是与外侧杆48和49之一的致动相结合)，所以应该不需要对中心杆34装备以这样的延伸部。不过，如果认为需要的话，中心杆34也可以具有某种延伸部，例如，通过简单地制造得更长，或者通过具有突起的顶表面使得其延伸在其他杆的表面上方。
现在参考图6，其中示出了多夹子测试夹具的另一个可选实施例50。此实施例在施加到传输线的信号(除了由被测试探头组件7测量的之外)总是被简单端接且决不会往回施加到示波器的输入信道的情况下比较有用。在这样的情况下，通过就在传输线自身上包括合适的(“内部的”)端子，可以从某些简化的托架54上去除对于第二RF连接器(或壁安装“外部”端子)的需要。因此，图6示出了不存在第二RF连接器/端子(图4中的40)，且衬底53上的传输线(50、51、52)被阻抗性端子(例如，表面安装50Ω电阻)55所端接的多夹子测试夹具实施例50。在此图中表示与先前的图中保持不变的元件的各种其他标号与那些图中的相同。
最后，我们描述了用于差分示波器探头的多夹子测试夹具，其差分示波器探头的“工作端”是可焊接探头组件。这是因为大部分高频探头是差分的。但是应该认识到，探头(以及高频探头)可以另外地具有“单端”输入，该单端输入清楚地参考了接地信号。在这样的情况下，探头仍然是双探头顶端的情况单“输入”和接地。容易认识到，上述的多夹子测试夹具完全可用于这样的单端探头组件，且不限于使用仅具有差分输入的探头。
权利要求
1.一种用于示波器探头的测试夹具，所述测试夹具包括托架，其具有被中间区域分离的第一和第二端；第一RF连接器，其布置在所述托架的所述第一端上；电介质衬底，其布置在所述托架的所述中间区域上并具有至少一个金属表面，在所述金属表面上图案化了具有至少第一和第二导体的传输线；所述第一RF连接器的第一导体和所述第一RF连接器的第二导体，所述第一RF连接器的第一导体连接到所述传输线的第一导体，所述第一RF连接器的第二导体连接到所述传输线的第二导体；轴，其布置在所述电介质衬底之上使得所述电介质衬底在所述轴与所述托架的所述中间区域之间，并还使得所述轴与其上图案化了所述传输线的所述金属表面平行并与所述传输线的所述导体之一的轴线基本成直角；第一和第二杆，其每个具有通过其的孔，且所述轴穿过所述孔以承载所述杆，每个所述杆在其孔的一侧上具有脚部而在另一侧上具有手持部分；所述第一和第二杆被定位为使得所述杆之一绕所述轴的旋转使其脚部与所述传输线的第一导体接触，且所述杆中的另一个绕所述轴的旋转使其脚部与所述传输线的第二导体接触；以及第一和第二弹簧，其分别布置在所述第一和第二杆与所述托架之间，所述第一和第二弹簧将所述第一和第二杆的所述脚部压靠所述电介质衬底。
2.如权利要求1所述的测试夹具，还包括第二RF连接器，其布置在所述托架的所述第二端上并耦合到所述传输线。
3.如权利要求1所述的测试夹具，还包括RF端子，其布置在所述托架的所述第二端上并耦合到所述传输线。
4.如权利要求1所述的测试夹具，还包括RF端子电阻，其在所述传输线的与所述第一RF连接器连接到所述传输线的位置相对的远端处连接到所述传输线。
5.如权利要求1所述的测试夹具，还包括轭部分，其从所述托架延伸并承载所述轴。
6.如权利要求5所述的测试夹具，还包括间隔体，其夹持在所述轴上并被所述轭部分保持，使得将所述第一和第二杆对准在所述传输线的所述第一和第二导体上方。
7.如权利要求6所述的测试夹具，还包括偏压机构，其在沿着所述轴的方向上按压所述间隔体以及所述第一和第二杆，并抵靠所述轭部分的表面。
8.一种用于示波器探头的测试夹具，所述测试夹具包括托架，其具有被中间区域分离的第一和第二端；第一同轴RF连接器，其布置在所述托架的所述第一端上；电介质衬底，其布置在所述托架的所述中间区域上并具有至少一个金属表面，在所述金属表面上图案化了具有中心导体和两个相邻接地平面的带传输线；所述第一同轴RF连接器的中心导体连接到所述带传输线的中心导体；轴，其布置在所述电介质衬底之上使得所述电介质衬底在所述轴与所述托架的平坦区域之间，并还使得所述轴与其上图案化了所述带传输线的所述金属表面平行并与所述带传输线的所述中心导体的轴线基本成直角；第一和第二杆，其每个具有通过其的孔，且所述轴穿过所述孔以承载所述杆，每个所述杆在其孔的一侧上具有脚部而在另一侧上具有手持部分；所述第一和第二杆被定位为使得所述杆之一绕所述轴的旋转使其脚部与所述带传输线的所述中心导体接触，且所述杆中的另一个绕所述轴的旋转使其脚部与所述相邻接地平面之一接触；以及第一和第二弹簧，其分别布置在所述第一和第二杆与所述托架之间，所述第一和第二弹簧将所述第一和第二杆的所述脚部压靠所述电介质衬底。
9.如权利要求8所述的测试夹具，还包括第二RF连接器，其布置在所述托架的所述第二端上并耦合到所述带传输线。
10.如权利要求8所述的测试夹具，还包括RF端子，其布置在所述托架的所述第二端上并耦合到所述带传输线。
11.如权利要求8所述的测试夹具，还包括RF端子电阻，其在所述带传输线的与所述第一RF连接器连接到所述传输线的位置相对的远端处连接到所述带传输线。
12.如权利要求8所述的测试夹具，还包括轭部分，其从所述托架延伸并承载所述轴。
13.如权利要求12所述的测试夹具，还包括间隔体，其夹持在所述轴上并被所述轭部分保持，使得将所述第一和第二杆对准在所述带传输线的各个元件上方。
14.如权利要求13所述的测试夹具，还包括偏压机构，其在沿着所述轴的方向上按压所述间隔体以及所述第一和第二杆，并抵靠所述轭部分的表面。
15.如权利要求8所述的测试夹具，还包括第三杆，其具有通过其的孔且所述轴穿过所述孔，所述第三杆在其孔的一侧上具有脚部并在另一侧上具有手持部分，所述第三杆被定位为使得绕所述轴的旋转使其脚部与不被所述第一和第二杆的任一个的脚部接触的相邻接地平面接触。
16.如权利要求15所述的测试夹具，其中所述第三杆、以及所述第一和第二杆的任一个定位在接地平面上方，外侧杆被中间保持杆分离，而且其中这些外侧杆具有在基本相对的方向上突出的延伸手持部分。
全文摘要
本发明提供了一种示波器探头测试夹具，其提供了用于将每个探头顶端压靠沿着传输线的位置的分离夹子。多个邻近的夹子可以共用共同的轴。一个夹子定位在接地平面上方，该接地平面邻接带传输线的中心导体，而另一个夹子定位在该中心导体上方。各个夹子的每个在轴的一侧上具有各自的压缩弹簧以对另一侧产生夹紧力，而从轴到弹簧的长度用作各自的指压杆，其允许每个夹子打开以接收探头顶端。从轴到弹簧的长度比从轴到实际夹紧表面(脚部)的长度大得多，以提供增大的夹紧力。每个夹子的脚部基本在轴下方，而它们的指压杆部分与承载了带传输线的衬底平行地延伸，这允许夹子的位置靠近测试夹具的驱动端。传输线可以被内端接或通过RF连接器被外端接。
文档编号G01R1/00GK1928570SQ20061008750
公开日2007年3月14日 申请日期2006年6月13日 优先权日2005年9月7日
发明者詹姆斯·E·坎农 申请人:安捷伦科技有限公司