固态阻抗调谐器的制造方法
【专利说明】固态阻抗调谐器
【背景技术】
[0001] 阻抗调谐器用于向被测设备呈现阻抗（也被称为VSWR、ga_a、反射、回波损耗）并 且根据所述阻抗来测量其性能。存在各种形式的阻抗调谐器，包括机械滑动螺钉调谐器，机 械滑动螺钉调谐器使用机械探针结合板状线（slabline)并且其探针位置指示所得到的阻 抗。探针关于板状线的水平位置通常影响向被测设备（DUT)呈现的阻抗的相位，而探针的 竖直位置通常影响向DUT呈现的阻抗的幅度。因为可以以很高的分辨率以极小的步长来移 动探针，所以可以任意生成几千个、几万个或者甚至几十万个阻抗状态。优点包括高的分辨 率、高的点计数、高的功率容量和宽的频率带宽。缺点包括调谐速度以及尺寸和重量。
[0002] 电子阻抗调谐器利用PIN二极管或开关，具有固定的或扫频偏置电压和电流，其 产生非均匀的低密度阻抗曲线。美国专利5034708和5276411中描述了电子或固态阻抗调 谐器的示例，这两个专利的全部内容通过引用被合并在本文中。电子或固态调谐器的优点 包括高的调谐速度以及小的尺寸和重量。缺点包括低的点密度和低的功率容量。
[0003] 重要的是应当注意，高的调谐速度和高的点密度是阻抗调谐器的主要要求中的两 个要求。
[0004] 无源负载牵引（load pull)系统已经广泛地用于特征化微波设备。负载牵引系统 在受控条件下测量DUT，包括由DUT查看的受控的阻抗。受控的阻抗可以包括DUT的任何端 口上的阻抗，并且典型的负载牵引测量会测量多个阻抗下的DUT性能以示出阻抗对DUT性 能的影响。能够被控制和/或改变的一些其它条件包括频率、功率水平、偏置值或温度。 [0005] 在本文档中，阻抗、反射或反射系数全部作为一般术语使用以描述在RF端口处看 到的RF终止。它们是离开RF端口的信号以及进入端口的相同频率的信号的函数。反射系 数通过以下表达式与阻抗相关：
[0007] 其中Z是阻抗，Γ是反射系数。两个术语包含相同的信息，因此如果一个术语已 知，则另一个也已知。因此，在本文档中，它们将可互换地使用。
[0008] 调谐分辨率是指示可用的阻抗在阻抗或反射平面中有多彼此接近的术语。高分辨 率（或者精细分辨率）表示可用阻抗之间的间隙非常小。低分辨率意指可用阻抗之间的间 隙较大。
[0009] 匹配范围是指示能够由调谐器在期望的相位范围上实现的最大反射的术语。作为 阻抗调谐器规范，这一术语通常表示所有或者多数反射相位值（以实现调谐分辨率）。然 而，可以修改用于调谐器系统的这一定义以意指有限的相位范围上的最大反射。例如，很多 功率晶体管在基频需要低的阻抗，因此仅在史密斯图的低阻抗（左侧）需要高的匹配范围。 [0010]自动化负载牵引系统已经广泛地用在机械调谐器中，然而尺寸和低的速度仍然是 限制。使用PIN二极管作为开关元件的固态调谐器也已经用于负载牵引系统，并且这些调 谐器可以提供大的速度优势，但是它们具有有限的调谐分辨率。
【附图说明】
[0011] 本领域技术人员在结合附图阅读时根据下面的详细描述将很容易理解本公开内 容的特征和优点，在附图中：
[0012] 图1是示出固态控制元件阵列的示例性实施例的示意图。
[0013] 图2图示包括连接到组合器电路的两个控制元件阵列的调谐器模块的示例性实 施例。
[0014] 图3图示包括级联在一起并且布置在外壳或封装件（package)内的两个调谐器模 块的固态调谐器系统的另一示例性实施例。图3A图示示例性调谐器系统的外部配置。
[0015] 图4是由包括两个级联的调谐器模块的调谐器系统的示例性实施例提供的不同 的阻抗值的史密斯图表示。
[0016] 图5图示包括级联在一起并且布置在外壳内的三个调谐器模块的调谐器系统的 示例性实施例。
[0017] 图6图示包括级联在一起并且布置在外壳内的四个调谐器模块的调谐器系统的 示例性实施例。
[0018] 图7图示调谐器系统的示例性实施例，其中双固态调谐器和三固态调谐器系统被 组合在一个封装件或外壳中。
[0019] 图8图示用于测量被测设备（DUT)的特性的测量系统的示例性实施例，其中两个 固态调谐器模块被组合在单个封装件中并且用于源调谐，并且三个调谐器被组合在单个封 装件中并且用于负载调谐。
[0020] 图9图示用于测量DUT的特性的测量系统的示例性实施例，其中两个固态调谐器 模块被组合在单个封装件中并且用于源调谐，并且两个双调谐器模块各自被组合在外壳 中，并且被级联在一起并且用于负载调谐。
[0021] 图10图示用于测量DUT的特性的测量系统的示例性实施例，其中两个固态调谐器 模块被组合在单个封装件中并且用于源调谐，并且机械调谐器用于负载调谐。
[0022] 图11图示用于测量DUT的特性的示例性测量系统，其采用被组合在单个封装件中 并且用作负载调谐器的三固态调谐器。
[0023] 图12图示用于测量DUT的特性的另一示例性测量系统，其采用被组合在单个封装 件中并且用作负载调谐器的三固态调谐器，其中DUT、负载调谐器与信号分析器之间连接有 分路器/耦合器。
[0024] 图13是图示用于多个级联的固态调谐器的示例性校准方法的流程图。
[0025] 图14是图示用于多个级联的固态调谐器的另一示例性校准方法的流程图。
[0026] 图15是图示用于多个级联的固态调谐器模块的示例性校准方法的流程图，其中 每个调谐器模块具有外部连接器。
[0027] 图16描绘其中已经安装有多个模块卡的PXI底盘（chassis)的前视图，多个模块 卡包括示例性调谐器模块卡。图17是调谐器模块卡的示意性侧视图。图18是调谐器模块 卡的前视图。
【具体实施方式】
[0028] 在下面的详细描述中以及在附图中的若干图中，相似的元素用相似的附图标记来 识别。附图并未按比例，并且可以出于说明目的而对相关特征尺寸进行放大。
[0029] 以下术语适用于本文中所给出的描述。控制元件是可用于控制阻抗的具有可控的 RF属性的固态设备。示例包括PIN二极管、FET或其它类型的晶体管。控制元件可以用作 每个元件具有两个状态或者具有多于两个状态的开关设备。诸如图1所示的控制元件阵列 是具有多个控制元件的电路。调谐器模块是可以调谐阻抗并且通常包括多个控制元件的固 态电路。例如，图2示出包括两个控制元件阵列和组合器的调谐器模块。图2的示图在本 文中用于表示调谐器模块，但是应当理解，可以使用不同类型的调谐器模块。固态调谐器可 以在一个封装件中包含一个或多个调谐器模块，其中每个调谐器端口具有外部连接器。固 态调谐器系统是在一个封装件中的一个或多个固态调谐器。测量系统包括一个或多个固态 调谐器连同测量仪器。测量系统还可以包括诸如机械调谐器等其它类型的调谐器。
[0030] 本发明的实施例包括采用多个固态调谐器模块的新的电子自动化固态调谐器或 固态调谐器系统，多个固态调谐器模块当被组合激活时可以生成几万个或者几十万个阻抗 状态。这样的固态调谐器可以采用串联或并联级联的多个调谐器模块，其中每个调谐器模 块可以包括组合在一起的多个控制元件阵列。控制元件阵列可以包括以预定长度间隔开的 数目N个控制元件（诸如开关）以及其偏置电路。每个控制元件可以被单独地打开（即到 传导（conductive)状态），或者多个控制元件可以被同时打开，以产生具有固定的幅度和 相位的特定的阻抗。在其它实施例中，到每个控制元件的偏置电压可以具有在打开和关闭 控制元件的电压电平（level)之间的一个或多个中间电平。
[0031] 为了示例而假定每个控制元件阵列具有24个单独的控制元件，并且一次仅激活 一个控制元件，阵列存在25个单独的阻抗状态。因此，两个控制元件阵列组合在其中的调 谐器模块具有25*25 = 625个阻抗组合。串联级联两个调谐器模块提供625*625 = 390, 625 个阻抗状态。
[0032] 同时激活每个阵列中的多个控制元件增加反射的幅度，从而使得能够实现更大的 调谐范围。
[0033] 本发明的实施例包括其中多个调谐器模块被组合到封装件或外壳中的固态调谐 器或调谐器系统。这将减小损失，从而改善匹配范围。这消除了调谐器之间的外部互连，以 改善稳定性和可重复性。减小的损失也改善了匹配范围。
[0034] 这还使得能够将多于两个固态调谐器组合以给出更完全的阻抗覆盖。
[0035] 通常，级联多个调谐器实现了用于组合中的每个调谐器的一个自由度。因此，如果 级联两个调谐器，则可以独立地控制两个频率。如果级联三个调谐器，则可以独立地控制三 个频率。如果级联四个调谐器，则可以独立地控制四个频率，对于任何数目的调谐器以此类 推。
[0036] 将比具有独立的阻抗控制的频率的数目更多的调谐器组合改善了频率之间的调 谐分辨率以及调谐独立性。例如，三个组合的调谐器将改善两个频率处的调谐分辨率以及 独立性。四个或五个组合的调谐器将改善三个频率处的调谐分辨率和独立性，以此类推。这 一原理独立于调谐器是否全部在一个封装件中还是在多个封装件中。然而，单个封装件概 念由于更低的损失、更好的匹配范围和更高的稳定性而仍然提供改进的性能。
[0037] 将两个或多个调谐器放在一个封装件中以控制两个频率，由于更低的损失和更好 的匹配范围而改善了现有技术，但是调谐分辨率和调谐独立性将仍然具有一些限制。
[0038] 组合在一个封装件中的两