Brevet FR2888670A1 — publié le 20070119

ADAPTEUR D'IMPEDANCE AUTOMATIQUE COAXIAL La présente invention se rapporte au domaine de l'électronique et des technologies de communication. La présente invention se rapporte plus particulièrement à un adaptateur d'impédance automatique coaxial. L'art antérieur connaît déjà, par le brevet américain US 3 792 385 ( RCA ), un tuner (adaptateur d'impédance) magnétique à sonde coaxial. Une sonde magnétique d'adaptation déplaçable couplée de façon capacitive au conducteur central et au conducteur extérieur d'une ligne de transmission électromagnétique est utilisée pour fournir une impédance de ligne de transmission en réponse à un champ magnétique appliqué. L'art antérieur connaît également, par le brevet américain US 6 297 649 ( Focus Microwaves ), un tuner (adaptateur d'impédance) coaxial capable de réaliser de la réjection d'harmoniques. Les deux principaux fabricants d'adaptateurs d'impédance: Maury Microwave Corporation et Focus Microwaves (marques déposées) utilisent un ou plusieurs plongeurs qui se déplacent indépendamment l'un par rapport à l'autre suivant l'axe Ox et Oy comme l'indique la figure 1. Le déplacement des plongeurs suivant les deux axes est réalisé par l'intermédiaire de moteurs pilotés. Pour le déplacement suivant l'axe Ox, tout le bloc (moteurs + plongeur) se déplace le long de la ligne coaxiale grâce à un axe de guidage. Un logiciel de commande 2888670 2 permet d'éviter les collisions entre les deux blocs puisqu'ils se déplacent sur le même axe de guidage. Pour le déplacement suivant l'axe Oy, le plongeur s'approche ou s'éloigne du conducteur central faisant varier localement la distance entre la ligne centrale et le plongeur, c'est-à-dire l'impédance caractéristique de la ligne. Lorsque le ou les plongeur(s) se trouve(nt) le plus éloigné(s) possible de la ligne centrale (plongeurs 10 sortis), le tuner présente une impédance égale à 50Q. Ces tuners coaxiaux automatiques présentent l'avantage majeur de pouvoir être étalonnés avant la mesure des composants. L'entrée et la sortie du tuner sont connectées à un analyseur de réseaux vectoriel. Pour plusieurs centaines de positions, un logiciel de commande de l'analyseur de réseaux vectoriel et du tuner permet de faire l'acquisition des quatre paramètres Sii du tuner à plusieurs fréquences. Le calibrage du tuner étant terminé, il est possible de caractériser très rapidement un composant en puissance et/ou en bruit aisément sans montage et démontage du système de mesure. Les tuners coaxiaux présentent d'excellentes performances mais ces dernières sont rapidement réduites par les pertes d'insertion du tuner liées à la transition entre le connecteur coaxial et le conducteur central. Plus les pertes au niveau de la transition sont importantes, plus le module du coefficient de réflexion de l'impédance de charge réalisée est faible. Par conséquent, il ne sera pas possible de synthétiser toutes les impédances de l'abaque de Smith. On pourra remarquer sur un abaque de Smith qu'il y a des zones mortes : la zone comprise entre le bord de l'abaque et le cercle d'impédance à une fréquence donnée est dite zone morte . Les impédances 2888670 3 présentes dans cette zone ne seront pas réalisables à la fréquence donnée. Les tuners coaxiaux présentent l'avantage d'être large bande et de permettre le passage des tensions continues mais les pertes d'insertions réduisent leurs performances à haute fréquence. Ces tuners sont également très volumineux et lourds ce qui présente un grand désavantage lorsque les composants sont mesurés directement sur wafer (galette) à l'aide de pointes hyperfréquences. Effectivement, étant donné la taille du tuner, ce dernier est relié au composant par un câble présentant des pertes. La distance séparant le tuner du composant est augmentée et les pertes d'insertion entre le tuner et le composant également. Dans ces conditions, la zone morte est alors plus importante. Afin de réduire cette zone, un système de préadaptation est placé entre la pointe et le tuner. Cependant ce dispositif ne permet pas de supprimer totalement la limitation précédemment citée. De plus, cette préadaptation est très rigide. Ceci augmente considérablement les vibrations, dans le plan des pointes hyperfréquence, induites par le déplacement des blocs. Ces tuners ont, comme nous l'avons déjà évoqué, un mouvement de translation des blocs suivant l'axe Ox. Le déplacement rapide de ces blocs (chariot + moteur + plongeur), dont la masse est importante, provoque des mouvements d'inertie importants et donc des vibrations. Or, en mesure sous pointes, ces vibrations dégradent rapidement la qualité des contacts entre les pointes et le composant et donc de la qualité de la mesure. Lorsque le composant est sous test, cet effet peut engendrer la destruction de celui-ci et des pointes surtout si le composant est polarisé à forte tension. 2888670 4 La présente invention entend remédier aux inconvénients de l'art antérieur en proposant un tuner coaxial à double slug (à double sondes). Ce nouvel adaptateur d'impédance répond au mieux à la caractérisation des transistors de puissance et de bruit. Ce tuner est prévu pour fonctionner pour des larges bandes de fréquence et ne présente qu'un mouvement de translation latéral suivant l'axe Ox. A cet effet, la présente invention concerne, dans son acception la plus générale, un adaptateur d'impédance coaxial caractérisé en ce qu'il comporte deux sondes ( slugs ) et ne présente qu'un mouvement de translation latéral suivant l'axe Ox. Avantageusement, ledit adaptateur d'impédance fonctionne dans la bande de fréquence s'étendant de 20 0.25 GHz à 240 GHz. De préférence, un diélectrique est déposé sur la ligne centrale de l'adaptateur d'impédance ou sur les slugs (diamètre extérieur et intérieur). Ceci afin de limiter les courts-circuits et d'améliorer les performances hyperfréquences. Avantageusement, les sondes ( slugs ) sont interchangeables. De préférence, les moteurs sont isolés du reste du système via des accouplements élastiques afin de 30 minimiser les vibrations. Selon un aspect, le principe du tuner double slugs est basé sur le déplacement de deux bouts de ligne d'impédance caractéristique différente de 50 Q à l'intérieur d'un cylindre fermé de part et d'autre par des connecteurs standard. 2888670 5 Selon un second aspect, le principe de ce tuner est basé sur le déplacement de deux slugs d'impédance caractéristique différente de 50 Q dans une ligne coaxiale 50 ohms. Avantageusement, le premier slug fait varier localement l'impédance de la ligne en changeant la valeur du diamètre D. De préférence, l'adaptateur d'impédance comporte des moteurs qui font tourner, chacun, une vis rectifiée de précision entraînant un chariot, chaque chariot étant monté sur une vis et entraînant le déplacement d'un slug. Avantageusement, lesdits moteurs sont optimisés afin de présenter des temps de déplacements faibles ainsi qu'un contrôle précis des profils d'accélérations et d'asservissements Selon un mode de réalisation, l'adaptateur d'impédance présente un coefficient de réflexion supérieur à 0,98 à 10 GHz. Les avantages du tuner automatique coaxial selon la présente invention sont les suivants: Des performances hyperfréquences nettement meilleures que les systèmes existants. En effet, selon la présente invention, Le système propose une très grande souplesse de synthèse d'impédance à fort coefficient de réflexion. La bande de fréquence pouvant être réalisée pour les tuners coaxiaux s'étend de 0.25 GHz à 240 GHz. Possibilité d'interchanger aisément les slugs pour des applications spécifiques afin d'adapter les 2888670 6 performances du tuner au regard des composants étudiés. - Le système proposé propose une très grande répétabilité à fort coefficient de réflexion un seul déplacement selon la ligne de transmission existe alors que dans les systèmes existants, il y a deux mouvements dont l'un d'entre eux est perpendiculaire à la ligne de transmission (avec des déplacements très proches de cette ligne). - Une très forte robustesse par rapport aux systèmes existants. Dans les systèmes classiques, la sonde mobile doit s'approcher de la ligne centrale suspendue (à quelques dizaines de pm) et cela sur une longue distance. Cela provoque une grande fragilité. Dans notre système, ce problème est totalement éludé. Le tuner peut même fonctionner sur un plan incliné sans pertes d'efficacité. De plus, le dépôt d'un diélectrique permet d'améliorer les performances et d'éviter les courts-circuits. Le système proposé est beaucoup plus stable (d'un point de vue vibratoire) que les systèmes classiques. En effet, les moteurs sont isolés du reste du système via des accouplements élastiques. Ceci est un point très important lors de mesures sous pointes. - Masse des slugs très faible n'induisant pas de problème de centre de gravité mobile. - Le système de maintien des slugs (remplaçant le système de plongeurs des systèmes classiques) permet un positionnement précis ainsi qu'une très bonne reproductibilité. - Les moteurs et l'électronique associé ont été optimisés afin de présenter des temps de déplacements faibles ainsi qu'un contrôle précis 2888670 7 des profils d'accélérations et d'asservissements (afin de minimiser les problèmes de vibrations). - Dans ces conditions, le coût de réalisation est nettement plus faible que les systèmes existants. - Il n'y a pas de modification du centre de gravité grâce à la position des moteurs isolés des slugs. - Le système selon l'invention permet une grande robustesse de la ligne centrale. En effet, celle-ci est maintenue à distance constante: il n'y a pas de ligne suspendue comme dans les tuners selon l'art antérieur. Le tuner selon l'invention ne pose pas de problème pour le transport. - Le tuner selon l'invention supporte de fortes tensions de polarisation grâce à la conception du tuner. On comprendra mieux l'invention à l'aide de la description, faite ciaprès à titre purement explicatif, d'un mode de réalisation de l'invention, en référence aux figures annexées: la figure 1 illustre un exemple d'adaptateur d'impédance selon l'art antérieur; et la figure 2 illustre un exemple d'adaptateur d'impédance selon la présente invention. Le principe de ce tuner est basé sur le déplacement de deux slugs d'impédance caractéristique différente de 50 SZ dans une ligne coaxiale 50 ohms. Les impédances caractéristiques des slugs coaxiaux sont données par la relation (1). Cet adaptateur d'impédance est représenté Figure 2. 138, (d2 z = loglo Vr dl Où Er est la constante diélectrique du milieu. (1) 2888670 8 Le slug fait varier localement l'impédance de la ligne en changeant la valeur du diamètre D. Cette variation locale d'impédance modifie le coefficient de réflexion du tuner donc l'impédance de celui-ci. Si on coulisse le slug sur la ligne d'impédance Z,, l'impédance du tuner se déplace sur un cercle à TOS (taux d'onde stationnaire) constant centré sur Z,. Un déplacement de % (où ? représente la longueur d'onde de travail) permet de décrire l'ensemble du cercle sur l'abaque de Smith. Selon les caractéristiques du slug (diamètre intérieur et longueur), le rayon du cercle, sur l'abaque de Smith, varie. Il est alors impossible de couvrir l'ensemble de l'abaque avec un seul slug aux caractéristiques non paramétrables. On ajoute alors un deuxième slug devant le premier. Celuici va permettre d'effectuer une pré-adaptation ou prématching en déplaçant le centre du cercle décrit. L'impédance du tuner ne se déplace plus sur un cercle à TOS constant. Si on déplace le premier slug d'une distance Y le long du conducteur, on décrit le cercle entier sur l'abaque autour de l'impédance de préadaptation. Si on fait varier la position du second 25 slug, le centre du cercle décrit se déplace sur un cercle à TOS constant. Parcourir une distance de Y avec le deuxième slug, et pour chaque position de celui-ci balayer une distance de Y avec le premier permet de tracer une multitude de cercles qui permettent de couvrir l'abaque de 30 Smith dans sa globalité. 2888670 9 Les caractéristiques des cercles tracés (rayon, cercle à TOS constant sur lequel se déplace le centre) dépendent des caractéristiques des slugs utilisés. Ainsi, par exemple, une combinaison de slugs permettra d'avoir de nombreux points au bord de l'abaque tandis qu'une autre combinaison permettra une meilleure couverture de l'abaque. Ceci ajoute une souplesse supplémentaire d'utilisation. L'adaptateur réalisé a été automatisé en utilisant deux moteurs pas à pas de très grande précision associés à un système d'encodage pour réaliser le déplacement des slugs. Les moteurs font tourner, chacun, une vis rectifiée de précision qui entraîne un chariot. Chaque chariot monté sur une vis entraîne le déplacement d'un slug. Le tuner pourrait être placé au plus près du composant sous test, n'affectant pas ainsi la taille de la zone morte. Comme pour les tuners commerciaux, l'étalonnage automatique du tuner permet de caractériser un composant en quelques minutes et de façon précise. L'adaptateur d'impédance selon la présente invention tel que présenté Figure 1 comprend un connecteur coaxial standard (1), un axe de guidage des blocs (2), des plongeurs (3), un conducteur extérieur de diamètre d, (4) et un conducteur extérieur de diamètre d2 (5). L'adaptateur d'impédance selon la présente invention comporte également une ligne coaxiale (6) (Zc = 50 Q) fendue permettant le déplacement des plongeurs le long de la ligne. L'invention est décrite dans ce qui précède à titre d'exemple. Il est entendu que l'homme du métier est à 2888670 10 même de réaliser différentes variantes de l'invention sans pour autant sortir du cadre du brevet. 11 REVENDICATIONS, 1. Adaptateur d'impédance coaxial caractérisé en ce qu'il comporte deux sondes ( slugs ) et ne présente 5 qu'un mouvement de translation latéral suivant l'axe Ox. 2. Adaptateur d'impédance coaxial selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il fonctionne dans la bande de fréquence s'étendant de 0.25 GHz à 240 GHz. 3. Adaptateur d'impédance coaxial selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'un diélectrique est déposé. 4. Adaptateur d'impédance coaxiale selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que les sondes ( slugs ) sont aisément interchangeables. 5. Adaptateur d'impédance coaxial selon l'une au moins des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que des moteurs sont isolés du reste du système via des accouplements élastiques. 6. Adaptateur d'impédance coaxial selon l'une au moins des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le principe de ce tuner est basé sur le déplacement de deux slugs d'impédance caractéristique différente de 50 Q dans une ligne coaxiale 50 ohms. 7. Adaptateur d'impédance coaxial selon l'une au moins des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte des moteurs qui font tourner, chacun, une vis rectifiée de précision entraînant un chariot, chaque chariot étant monté sur une vis et entraînant le déplacement d'un slug. 2888670 12 8. Adaptateur d'impédance coaxial selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits moteurs sont optimisés afin de présenter des temps de déplacements faibles ainsi qu'un contrôle précis des profils d'accélérations et d'asservissements 9. Adaptateur d'impédance coaxial selon l'une au moins des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il présente un coefficient de réflexion supérieur à 0,98 à 10 GHz.