(57)【要約】  ビームフォーマモジュールは、パッケージベースと、パッケージベース内に形成された相互接続構造とを含む。ビームフォーマモジュールはまた、パッケージベースに取り付けられた第１の実時間遅延（ＴＴＤ）モジュールを含む。第１のＴＴＤモジュールは、複数の時間遅延線を選択的にアクティブ化することにより、第１のＴＴＤモジュールの信号入力と信号出力との間の信号伝送経路を定義するように構成された複数のスイッチング素子を含む。第１のＴＴＤモジュールの信号入力および信号出力は、相互接続構造に電気的に結合されている。一部の実施形態では、相互接続構造は少なくとも１つのＴＴＤ蛇行線を含み、第１のＴＴＤモジュールの少なくとも１つの時間遅延線は、少なくとも１つのＴＴＤ蛇行線に電気的に結合されている。【選択図】図1
2020537432.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ビームフォーマモジュールであって、
パッケージベース、
前記パッケージベースに封入された少なくとも１つの実時間遅延（ＴＴＤ）蛇行線および少なくとも１つのＲＦ信号伝送線、ならびに
第１のＴＴＤモジュールであって、前記パッケージベースに取り付けられ、複数の時間遅延線を選択的にアクティブ化させることにより、前記第１のＴＴＤモジュールの信号入力と信号出力との間の信号伝送経路を定義する複数のスイッチング素子を備える、第１のＴＴＤモジュールを含み、
前記第１のＴＴＤモジュールの少なくとも１つの前記時間遅延線は、前記パッケージベースに封入された前記少なくとも１つのＴＴＤ蛇行線に電気的に結合され、
前記第１のＴＴＤモジュールの前記信号入力および前記信号出力は、前記少なくとも１つのＲＦ信号伝送線に電気的に結合される、ビームフォーマモジュール。
【請求項２】
前記パッケージベースに封止された蓋をさらに含み、
前記第１のＴＴＤモジュールは、前記パッケージベースと前記蓋との間に形成された気密キャビティ内に配置される、請求項１に記載のビームフォーマモジュール。
【請求項３】
前記蓋に結合された高密度相互接続（ＨＤＩ）回路、および
前記ＨＤＩ回路および前記パッケージベースに埋め込まれた信号線を介して前記第１のＴＴＤモジュールに電気的に結合されたコントローラをさらに含む、
請求項２に記載のビームフォーマモジュール。
【請求項４】
前記パッケージベースは、複数の絶縁層の間およびそれらを通って形成された複数の導電性ルーティング経路を含む相互接続構造を含む、請求項１に記載のビームフォーマモジュール。
【請求項５】
第２のＴＴＤモジュールであって、前記パッケージベースに取り付けられ、かつ複数の時間遅延線を選択的にアクティブ化することにより、前記第２のＴＴＤモジュールの信号入力と前記第２のＴＴＤモジュールの信号出力を結合するように構成された複数のスイッチング素子を含む、第２のＴＴＤモジュールをさらに含み、
前記第２のＴＴＤモジュールの前記時間遅延線の少なくとも１つは、前記パッケージベースに封入された前記複数のＴＴＤ蛇行線の少なくとも１つに結合される、請求項１に記載のビームフォーマモジュール。
【請求項６】
前記パッケージベースに統合され、前記第１および第２のＴＴＤモジュールのそれぞれに電気的に結合された信号結合器をさらに含む、請求項５に記載のビームフォーマモジュール。
【請求項７】
前記パッケージベースの外面に埋め込まれたアンテナ素子をさらに含み、前記アンテナ素子は、前記ＲＦ伝送線を介して前記第１のＴＴＤモジュールに電気的に結合される、請求項１に記載のビームフォーマモジュール。
【請求項８】
前記パッケージベースに取り付けられ、前記第１のＴＴＤモジュールを前記アンテナ素子に電気的に結合する増幅器をさらに含む、請求項７に記載のビームフォーマモジュール。
【請求項９】
前記パッケージベースは、セラミック層およびガラス層のうちの少なくとも１つで形成される、請求項１に記載のビームフォーマモジュール。
【請求項１０】
前記少なくとも１つのＴＴＤ蛇行線に電気的に結合された前記第１のＴＴＤモジュールの前記少なくとも１つの時間遅延線は、
前記複数のスイッチング素子の第１のスイッチング素子と前記第１のＴＴＤモジュールの第１のボンドパッドとの間に結合された第１のオンチップ部分、および
前記複数のスイッチング素子の第２のスイッチング素子と前記第１のＴＴＤモジュールの第２のボンドパッドとの間に結合された第２のオンチップ部分を含み、
前記少なくとも１つのＴＴＤ蛇行線は、前記第１のボンドパッドおよび前記第２のボンドパッドに電気的に結合される、請求項１に記載のビームフォーマモジュール。
【請求項１１】
ビームフォーマモジュールの製造方法であって、
少なくとも１つの時間遅延線および少なくとも１つのＲＦ信号伝送線をパッケージ本体に封入するステップ、
前記パッケージ本体の表面に少なくとも１つの実時間遅延（ＴＴＤ）モジュールを配置するステップ、
前記少なくとも１つのＴＴＤモジュール内の少なくとも１つの時間遅延線を前記パッケージ本体内の前記少なくとも１つの時間遅延線に電気的に結合するステップ、ならびに
前記少なくとも１つのＴＴＤモジュールの信号入力および信号出力を前記少なくとも１つのＲＦ信号伝送線に電気的に結合するステップ、を含む、方法。
【請求項１２】
前記少なくとも１つのＴＴＤモジュールを収容する気密キャビティを形成するために、蓋をパッケージ前記本体に結合するステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記少なくとも１つのＴＴＤモジュールの前記信号入力および前記信号出力の一方に第１のアンテナ素子が電気的に結合されるように、前記パッケージ本体の外面に前記第１のアンテナ素子を埋め込むステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
信号結合器を前記パッケージ本体に封入するステップをさらに含み、前記信号結合器は、前記少なくとも１つのＴＴＤモジュールの前記信号入力および前記信号出力の一方に電気的に結合される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
高密度相互接続（ＨＤＩ）回路を前記パッケージ本体に取り付けるステップ、および
前記ＨＤＩ回路および前記パッケージ本体を通る電気経路を介して、コントローラを前記少なくとも１つのＴＴＤモジュールに電気的に結合するステップをさらに含む、
請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
前記少なくとも１つの時間遅延線の第１の部分を前記パッケージ本体内の第１の時間遅延線の第１の端部に電気的に結合するステップ、および
前記少なくとも１つの時間遅延線の第２の部分を前記第１の時間遅延線の第２の端部に電気的に結合するステップをさらに含む、
請求項１１に記載の方法。
【請求項１７】
実時間遅延（ＴＴＤ）モジュールであって、
ＲＦ信号入力、
ＲＦ信号出力、
可変長の信号経路を定義する複数の時間遅延線を含む伝送線、および
前記ＲＦ信号入力と前記ＲＦ信号出力との間の信号伝送経路を定義するために、前記複数の時間遅延線を選択的にアクティブ化するように制御可能な複数のスイッチング素子を含み、
前記複数の時間遅延線は、少なくとも１つのオフチップ時間遅延線を含み、前記少なくとも１つのオフチップ時間遅延線は、
前記複数のスイッチング素子の第１のスイッチング素子と第１のボンドパッドとの間に結合された第１のオンチップ部分、および
前記複数のスイッチング素子の第２のスイッチング素子と第２のボンドパッドとの間に結合された第２のオンチップ部分を含む、実時間遅延（ＴＴＤ）モジュール。
【請求項１８】
前記第１および第２のボンドパッドは、フリップチップはんだ取り付け用に構成された入力／出力接続を含む、請求項１７に記載のＴＴＤモジュール。
【請求項１９】
前記少なくとも１つのオフチップ時間遅延線は、完全にオンチップの信号伝送経路を介して、または部分的にオフチップの信号伝送経路を介して、前記第１のスイッチング素子を前記第２のスイッチング素子に結合するように選択的に制御可能な少なくとも１つの中間スイッチング素子をさらに含む、請求項１７に記載のＴＴＤモジュール。
【請求項２０】
各々が前記複数の時間遅延線のサブセットを含む複数の遅延段をさらに含み、
少なくとも１つの遅延段は、少なくとも１つのオフチップ時間遅延線および少なくとも１つのオンチップ時間遅延線を含む、請求項１７に記載のＴＴＤモジュール。
【請求項２１】
実時間遅延（ＴＴＤ）ビームフォーマモジュールであって、
パッケージベースであって、
複数の絶縁層、および
前記複数の絶縁層の間およびそれらを通って形成される相互接続構造、を含む、パッケージベース、
前記パッケージベースに封止された蓋、
前記蓋と前記パッケージベースとの間に形成された気密キャビティ内に配置され、前記相互接続構造に電気的に結合された少なくとも１つのＴＴＤモジュールであって、各ＴＴＤモジュールは、前記ＴＴＤモジュールの信号入力と前記ＴＴＤモジュールの信号出力との間の信号伝送線を選択的にアクティブ化するように構成された複数のスイッチを含む、少なくとも１つのＴＴＤモジュール、および
前記パッケージベースの外層に取り付けられた少なくとも１つのアンテナ素子を含み、各アンテナ素子は、前記相互接続構造を介して前記少なくとも１つのＴＴＤモジュールのそれぞれのＴＴＤモジュールに電気的に結合される、実時間遅延（ＴＴＤ）ビームフォーマモジュール。
【請求項２２】
前記少なくとも１つのＴＴＤモジュールは、蓋のないＴＴＤモジュールである、請求項２１に記載のＴＴＤビームフォーマモジュール。
【請求項２３】
前記蓋および前記パッケージベースの少なくとも一方に取り付けられ、前記相互接続構造を介して前記少なくとも１つのＴＴＤモジュールに電気的に結合された高密度相互接続（ＨＤＩ）回路、および
前記ＨＤＩ回路および前記相互接続構造を介して前記複数のＴＴＤモジュールに電気的に結合されたコントローラをさらに含み、前記コントローラは、前記ＴＴＤモジュールの前記複数のスイッチを制御するように構成される、
請求項２１に記載のＴＴＤビームフォーマモジュール。
【請求項２４】
前記相互接続構造は、前記少なくとも１つのＴＴＤモジュールに電気的に結合されたストリップ線信号結合器を含む、請求項２１に記載のＴＴＤビームフォーマモジュール。
【請求項２５】
前記気密キャビティ内に配置され、前記相互接続構造を介して前記少なくとも１つのＴＴＤモジュールに電気的に結合された増幅器をさらに含む、請求項２１に記載のＴＴＤビームフォーマモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、一般に、電気的に走査可能なアレイアンテナまたはフェーズドアレイアンテナ用の実時間遅延（ＴＴＤ）ビームフォーマに関し、より具体的には、１つのアセンブリに統合された複数のＴＴＤモジュールを有し、ＴＴＤモジュールの時間遅延線がアセンブリパッケージに形成されている多機能ＴＴＤビームフォーマに関する。
【背景技術】
【０００２】
電子走査アンテナ（ＥＳＡ）システムまたはフェーズドアレイアンテナ（ＰＡＡ）システムは、複数の固定アンテナ素子からの信号を組み合わせて、空間内において特定の角度で電波ビームを向ける。ビームの特性と角度は、アンテナを物理的に動かすことなく、ビームを様々な方向に電子的に走査する方法で制御される。フェーズドアレイアンテナでの電子ビーム走査は、多くの場合、位相シフタまたは実時間遅延デバイスの使用という２つの方法のいずれかで実現される。ＴＴＤビーム走査は、デバイス固有の帯域幅と、デバイスが位相シフトではなく時間遅延を与えるという点で、位相シフタタイプのアプローチとは異なる。これらの違いにより、ＴＴＤデバイスは、アンテナビームとヌルを形成するための非常に広帯域のアプリケーションで使用できる。これは、電子戦闘システムおよびブロードバンド通信アプリケーションに有利である。
【０００３】
ＴＴＤを介したビーム走査は、ＴＴＤモジュールを使用して各アンテナ素子の励振時間を変更することにより実現される。ＴＴＤモジュールは、様々な長さの時間遅延線に結合された高速スイッチを用いて製造される。特定のアンテナ素子の励振時間は、ＴＴＤモジュール内の時間遅延線の特定の組み合わせを選択することにより制御され、これにより無線周波数（ＲＦ）信号に所望の時間遅延を与える。時間遅延線の選択は、ＲＦ微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチなどの様々なタイプのスイッチング素子を使用して実現でき、これは、ＴＴＤアプリケーションでの実装に有利な有益な分離および挿入損失特性を提供する。これらのＲＦ  ＭＥＭＳスイッチは、電気的に作動する機械的動作を使用して、ＲＦ時間遅延線の開回路または閉回路を実現する。ＲＦ  ＭＥＭＳデバイスがオンの位置にあるとき、ＲＦ伝送線は「閉じ」ており、ＲＦ信号経路にある。ＲＦ  ＭＥＭＳデバイスがオフの位置にあるとき、ＲＦ伝送線は「開いて」おり、ＲＦ信号経路から分離されている。
【０００４】
一般に、上記のＲＦ  ＭＥＭＳスイッチは、たとえば、高周波ＲＦ信号の低挿入損失、低リターン損失、高分離など、いくつかの利点を提供する。しかし、ＲＦ  ＭＥＭＳスイッチは、クリーンで制御された環境にパッケージ化されて、長く再現可能な動作を可能にする必要がある。したがって、ＲＦ  ＭＥＭＳスイッチは、通常、ガラス、金属、またはセラミック材料の基板内に形成されたキャビティに気密封止される。次に、封止されたＲＦ  ＭＥＭＳスイッチキャビティを介して、たとえばプリント基板（ＰＣＢ）などの次のレベルのアセンブリへの相互接続が行われる。これらの相互接続は、貫通石英ビア（ＴＱＶ）技術などを使用して行うことができるが、製造コストを増加させ、歩留まりに悪影響を与える。また、これらの相互接続の長い経路長は、低いＲＦ損失と再現性の高い無給電を維持しようとする場合、特により高いＲＦ周波数（たとえば、８ＧＨｚから１２ＧＨｚのＸ帯域、１２ＧＨｚから１８ＧＨｚのＫｕ帯域、および３０ＧＨｚから３００ＧＨｚのミリ波）でＲＦ  ＭＥＭＳスイッチを使用する場合、非常に問題になる。
【０００５】
ＲＦ  ＭＥＭＳスイッチの相互接続に関連するＲＦ損失を減らすための１つのアプローチは、モノリシックＴＴＤデバイスを使用することである。モノリシックＴＴＤデバイスでは、すべてのＴＴＤ伝送経路がＲＦ  ＭＥＭＳスイッチと同じベース基板上に含まれている。モノリシックＴＴＤデバイス構造は、入力／出力が時々パッケージ化されたＴＴＤデバイスをルーティングすることに関連する問題を軽減するが、特にパッケージ化されたデバイスがより低い周波数で使用するように設計されている場合、全体のサイズが大幅に増加し、その結果ベースＲＦ  ＭＥＭＳスイッチ基板のコストが大幅に増加する。従来技術のモノリシックＴＴＤデバイスは、ベース基板の上に配置され、かつ真空または気密キャビティ内にＲＦ  ＭＥＭＳスイッチを封入するキャップまたは蓋を含む個別にパッケージ化された構造である。この蓋構造も、ＴＴＤデバイスの全体的なサイズおよびコストを増加させる。したがって、モノリシックＴＴＤデバイスにはそれ自体の重大な欠点がある。
【０００６】
ＴＴＤデバイスまたはモジュールに関連する上記のコンポーネントレベルの問題に加えて、ＴＴＤビーム形成システムは、多くのシステムレベルの問題に直面している。各アンテナ素子は個別のＴＴＤモジュールに接続されているため、特に数千のアンテナ素子を備えるシステムの場合、システム全体は多数の接続を含む。したがって、各接続要素のコストを考慮すると、ＴＴＤビーム形成システムの設置には時間と費用がかかる。さらに、アンテナ素子、ＴＴＤモジュール、およびシステムの他の電子制御コンポーネント間の電気接続は通常、同軸ケーブルを使用して行われるが、このことは、各同軸ケーブルの長さおよびその曲がりが、ＴＴＤモジュールとアンテナ素子との間の信号伝送に影響する時間遅延を与えるため、重大な較正の問題につながる。
【０００７】
したがって、既知のＴＴＤビーム形成システムのシステムレベルとコンポーネントレベルの両方の欠点に対処するＴＴＤビームフォーマを設計することが望ましいだろう。コンポーネントレベルでは、低いＲＦ損失を維持し、ベース基板のサイズを最小化しながら、長い伝送経路を形成できるＴＴＤモジュールを設計することが望ましいだろう。システムレベルでは、ＴＴＤモジュールとＴＴＤビームフォーマのアンテナ素子を、パフォーマンス、コスト、および較正時間のばらつきを減らす、再現性のある方法で接続することも望ましいだろう。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様によれば、ビームフォーマモジュールは、パッケージベースと、パッケージベースに封入された少なくとも１つのＴＴＤ蛇行線と少なくとも１つのＲＦ信号伝送線とを含む。さらに、ビームフォーマモジュールは、パッケージベースに取り付けられた第１のＴＴＤモジュールを含む。第１のＴＴＤモジュールは、複数の時間遅延線を選択的にアクティブ化することにより、第１のＴＴＤモジュールの信号入力と信号出力との間の信号伝送経路を定義するように構成された複数のスイッチング素子を含む。第１のＴＴＤモジュールの時間遅延線の少なくとも１つは、パッケージベースに封入された少なくとも１つのＴＴＤ蛇行線に電気的に結合されている。第１のＴＴＤモジュールの信号入力および信号出力は、少なくとも１つのＲＦ信号伝送線に電気的に結合されている。
【０００９】
本発明の別の態様によれば、ビームフォーマモジュールの製造方法は、少なくとも１つの時間遅延線および少なくとも１つのＲＦ信号伝送線をパッケージ本体に封入するステップと、パッケージ本体の表面に少なくとも１つのＴＴＤモジュールを配置するステップとを含む。この方法はまた、少なくとも１つのＴＴＤモジュール内の少なくとも１つの時間遅延線をパッケージ本体内の少なくとも１つの時間遅延線に電気的に結合するステップ、および少なくとも１つのＴＴＤの信号入力および信号出力を少なくとも１つのＲＦ信号伝送線に電気的に接続するステップを含む。
【００１０】
本発明のさらに別の態様によれば、ＴＴＤモジュールは、ＲＦ信号入力、ＲＦ信号出力、可変長の信号経路を定義する複数の時間遅延線を含む伝送線、および複数の時間遅延線を選択的にアクティブ化して、ＲＦ信号入力とＲＦ信号出力との間の信号伝送経路を定義するように制御可能な複数のスイッチング素子を含む。複数の時間遅延線は、少なくとも１つのオフチップ時間遅延線を含む。オフチップ時間遅延線は、複数のスイッチング素子の第１のスイッチング素子と第１のボンドパッドとの間に結合された第１のオンチップ部分と、複数のスイッチング素子の第２のスイッチング素子と第２のボンドパッドとの間に結合された第２のオンチップ部分を含む。
【００１１】
本発明のさらに別の態様によれば、ＴＴＤビームフォーマモジュールは、複数の絶縁層を有するパッケージベースと、複数の絶縁層の間およびそれらを通って形成される相互接続構造とを含む。ＴＴＤビームフォーマモジュールは、パッケージベースに封止された蓋と、蓋とパッケージベースとの間に形成された気密キャビティ内に配置され、相互接続構造に電気的に結合された少なくとも１つのＴＴＤモジュールをさらに含む。各ＴＴＤモジュールは、ＴＴＤモジュールの信号入力とＴＴＤモジュールの信号出力との間の信号伝送線を選択的にアクティブ化するように構成された複数のスイッチを含む。ＴＴＤビームフォーマモジュールは、パッケージベースの外側層に取り付けられた少なくとも１つのアンテナ素子をさらに含む。各アンテナ素子は、相互接続構造を介して少なくとも１つのＴＴＤモジュールのそれぞれのＴＴＤモジュールに電気的に結合される。
【００１２】
これらおよび他の利点および特徴は、添付の図面に関連して提供される本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明からより容易に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
図面は、本発明を実施するために現在考えられている実施形態を示している。
【００１４】
【図１】本発明の実施形態による、複数のビームフォーマモジュールを有するアナログビーム形成システムの簡略化された概略図である。
【図２】本発明の実施形態による、複数のビームフォーマモジュールを有するデジタルビーム形成システムの簡略化された概略図である。
【図３】本発明の一実施形態によるビームフォーマモジュールである。
【図４】本発明の一実施形態による、図３のビームフォーマモジュールで使用可能なＴＴＤモジュールの概略上面図である。
【図５】本発明の一実施形態による、図３のビームフォーマモジュールで使用可能なオフチップ時間遅延線を有するモノリシックＴＴＤモジュールの概略上面図である。
【図６】本発明の代替実施形態による、オンチップ経路とオフチップ経路との間で切り替え可能な時間遅延線を有するＴＴＤモジュールの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の実施形態は、ＰＡＡシステムまたはＥＳＡシステムなどのアプリケーションにおいてビームを形成または受信するシステムを提供する。ビーム形成システムは、特定のアプリケーションに必要な数のアンテナ素子を備えたシステム全体を作製するためにモジュール式に結合できる複数のビームフォーマモジュールまたは「ブリック」を含む。各ビームフォーマモジュールは、多層パッケージベースと、アンテナ素子、信号結合器／分配器、電圧、接地、および制御ロジック線を含むパッケージベースに統合された多数のコンポーネントとを含む。ＴＴＤモジュールおよび各ＴＴＤモジュールをそれぞれのアンテナ素子に電気的に結合するそれぞれの増幅器は、パッケージベース内に形成されたキャビティ内に気密封止される。各ＴＴＤモジュールのスイッチング素子は、制御システムによって制御され、時間遅延線を選択的にアクティブ化し、ＴＴＤモジュールのＲＦ入力とＲＦ出力との間に信号伝送経路を生成する。一部の実施形態では、すべての時間遅延線がオンチップに配置され、これは、すべての時間遅延線がＴＴＤモジュール自体のベース基板上に作られることを意味する。他の実施形態では、ＴＴＤモジュールのより長い時間遅延線の一部は、オフチップに、そしてパッケージベースの多層構造内に延びている。
【００１６】
最初に図１を参照すると、本発明の実施形態による、アナログアンテナまたはビーム形成システム１００の簡略化された概略図が示されている。ビーム形成システム１００は受信機として示されているが、他の実施形態では、送信機として設計されるか、または受信および送信機能を有することができる。ビーム形成システム１００は、複数のビームフォーマモジュールまたはブリック１０２を含む。２つのビームフォーマモジュール１０２のみが示されているが、ビーム形成システム１００は、任意の数のビームフォーマモジュール１０２を含むことができる。各ビームフォーマモジュール１０２は、ＲＦ信号を受信するための複数の放射素子またはパッチ１０６で構成されるアンテナ１０４を含む。複数のビームフォーマモジュール１０２のアンテナ１０４が一体となってアンテナアレイ１０８を形成する。
【００１７】
アンテナ素子１０６は、受信したＲＦ信号を増幅器１１０にフィードし、増幅器１１０は、それぞれのＲＦ信号を増幅してからそれぞれのＴＴＤモジュール１１２に中継する。この場合、増幅器１１０は通常、低雑音増幅器（ＬＮＡ）であるが、代替実施形態では別の方法で構成されてもよい。制御システム１１４は、時間遅延信号を生成する方法で、ＴＴＤモジュール１１２内のスイッチング素子を選択的に制御する信号を供給する。制御システム１１４は、単一のコントローラの形態であってもよいし、ビームフォーマモジュール１０２の様々なコンポーネントを制御する複数のコントローラまたはプロセッサを含んでもよい。
【００１８】
各ＴＴＤダイ１１２は、それぞれの時間遅延信号をそれぞれのモジュールＲＦ結合器１１６に中継し、各モジュールＲＦ結合器１１６は各受信時間遅延信号を結合し、モジュールＲＦ信号をビームフォーマモジュール１０２の外部のシステムＲＦ結合器１１８に出力する。非限定的な一実施形態では、ＲＦ結合器１１６、１１８はウィルキンソンＲＦ電力結合器である。システムＲＦ結合器１１８は、受信した各モジュールＲＦ信号を結合し、システムＲＦ信号を信号処理ユニット１２０に出力する。信号処理ユニット１２０は、局部発振器（ＬＯ）およびミキサ、アナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ、およびシステムＲＦ結合器１１８から受信したシステムＲＦ信号を処理するためのデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）を含む。上述のビーム形成システム１００のフィード構造は、一般に、コーポラルフィード構造として知られている。
【００１９】
図１はアナログビーム形成システムを示しているが、本発明の代替実施形態は、図２に示されているデジタルアンテナまたはビーム形成システム１２２などのデジタルシステムを対象とする。ビーム形成システム１２２は受信機として示されているが、他の実施形態では、送信機として設計されるか、または受信および送信機能を有することができる。図１のアナログビーム形成システム１００と同様に、デジタルビーム形成システム１２２は、複数のビームフォーマモジュールまたはブリック１２４を含む。２つのビームフォーマモジュール１２４のみが示されているが、ビーム形成システム１２２は、任意の数のビームフォーマモジュール１２４を含むことができる。
【００２０】
ビーム形成システム１００（図１）のビームフォーマモジュール１０２と同様に、各ビームフォーマモジュール１２４は、ＲＦ信号を受信するための複数の放射素子１０６から構成されるアンテナ１０４を含む。複数のビームフォーマモジュール１０２のアンテナ１０４が一体となってアンテナアレイ１２６を形成する。アンテナ素子１０６は、受信したＲＦ信号をＬＮＡ１１０にフィードし、ＬＮＡ１１０は、それぞれのＲＦ信号を増幅してからそれぞれのＴＴＤモジュール１１２に中継する。制御システム１１４は、時間遅延信号を生成する方法で、ＴＴＤモジュール１１２内のスイッチング素子を選択的に制御する信号を供給する。ビーム形成システム１００の場合と同様に、ビーム形成システム１２２の制御システム１１４は、単一のコントローラの形態であってもよいし、ビームフォーマモジュール１２４の様々なコンポーネントを制御する複数のコントローラまたはプロセッサを含んでもよい。各ＴＴＤダイ１１２は、それぞれの時間遅延信号をそれぞれのモジュールＲＦ結合器１１６に中継する。
【００２１】
各ＲＦ結合器１１６は、受信した各時間遅延信号を結合し、結合されたＲＦ信号をミキサ１２８に出力する。各ミキサ１２８は、結合されたＲＦ信号をダウンコンバートするためにＬＯ（図示せず）から入力信号１３０を受信する。次に、ミキサ１２８は、それぞれのダウンコンバートされたＲＦ信号をそれぞれのＡ／Ｄコンバータ１３４に出力する。各Ａ／Ｄコンバータ１３４は、ダウンコンバートされたＲＦ信号を、たとえば３２ビットなどの所定数のビットのデジタル信号に変換する。次いで、デジタル信号は、信号処理ユニット１３６に入力される。様々な実施形態によれば、信号処理ユニット１３６は、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）またはグラフィック処理ユニット（ＧＰＵ）、またはデジタルビーム形成システム１２２の動作に関連する高度な処理パワーを実行できる別の処理ユニットの形で提供されてもよい。
【００２２】
図１〜図２には具体的に示されていないが、本発明の実施形態は、垂直および水平偏波の独立ビーム制御用に構成され、各偏波用の別個のビーム制御回路を含んでもよいことが考えられる。その場合、各アンテナ素子１０６は、２対の増幅器１１０とＴＴＤモジュール１１２、すなわち垂直偏波用の第１の増幅器１１０とＴＴＤモジュール１１２の対、および水平偏波用の第２の増幅器１１０とＴＴＤモジュール１１２の対を含んでもよい。あるいは、実施形態は、円偏波用に構成されてもよい。加えて、図１〜図２は、各ビームフォーマモジュール１０２（図１）および各ビームフォーマモジュール１２４（図２）において４つのアンテナ素子１０６および４つの対応するＴＴＤモジュール１１２を示しているが、アンテナ１０４はより少ないまたはより多くのアンテナ素子１０６および対応するＴＴＤモジュール１１２を含んでもよいと考えられる。非限定的な一実施形態では、各ビームフォーマモジュール１０２またはビームフォーマモジュール１２４は、１６個のアンテナ素子１０６と対応するＴＴＤモジュール１１２とを含む。アンテナアレイ１０８（図１）およびアンテナアレイ１２６（図２）は、複雑なＲＦフィード方式の使用を可能にするために、数百または数千のアンテナ素子１０６および対応するＴＴＤモジュール１１２を含んでもよいとも考えられる。
【００２３】
図３は、本発明の一実施形態によるビームフォーマモジュール１２５の断面図である。図１および２のビームフォーマモジュール１０２および１２４と同様に、ビームフォーマモジュール１２５は受信機として示されているが、代替実施形態では送信機として設計されてもよい。ビームフォーマモジュール１２５は、パッケージベースまたは本体１３８と、パッケージベース１３８に封止された蓋１４０とを含む。パッケージベース１３８は、一般に、たとえば、ガラス、セラミック、またはそれらの組み合わせなどの密封に資する無機材料で形成される。図３に示す例示的な構成では、パッケージベース１３８は、内部または内面１６６と外部または外面１６８との間の、電力および接地領域１５８、制御論理領域１６０、ＲＦ結合器領域１６２、およびＲＦパッチアレイ領域１６４を含む４つの領域１５８〜１６４に分割された８つの絶縁層１４２〜１５６を含む。しかしながら、当業者は、特定のアプリケーションの所望の相互接続ルーティングパターンに基づいて、より多くのまたは少ない相互接続層を有するビームフォーマモジュール１２５を製造できることを認識するであろう。
【００２４】
壁１７０は、内面１６６から上方に延び、蓋１４０の封止面を提供する。オプションとして、パッケージベース１３８は、内部または内側層１４２と蓋１４０との間に配置されて蓋のたわみを制限する１つ以上のスタンドオフポストまたはスペーサ１７２（仮想線で示す）を含んでもよい。一部の実施形態では、蓋１４０は、たとえば、はんだ、ガラスフリット、または金などの封止材料（図示せず）の介在層でパッケージベース１３８の壁１７０およびオプションのスタンドオフポスト１７２に結合され、ＬＮＡ１１０およびＴＴＤモジュール１１２を収容する気密キャビティ１７６を形成する。蓋１４０は、コバール（登録商標）またはパッケージ本体１３８との信頼性のある封止を形成する任意の他の材料で形成されてもよい。
【００２５】
ＬＮＡ１１０およびＴＴＤモジュール１１２は、フリップチップ取り付け、ワイヤボンド、または別の既知の取り付け技術を介してパッケージ本体１３８の内部層１４２に電気的に結合される。ＴＴＤモジュール１１２は、所望のＲＦアイソレーションを提供するために、互いに間隔を空けて配置される。一部の実施形態では、複数の個々の気密キャビティ１７６を生成し、ＴＴＤモジュール１１２間の改善されたＲＦ分離を提供するために、オプションのスタンドオフポスト１７２が構築されてもよい。
【００２６】
一部の実施形態では、ビームフォーマモジュール１２５は、蓋１４０および壁１７０の一部に結合された高密度相互接続（ＨＤＩ）回路１７８をさらに含む。コントローラ１８０およびデジタルＩ／Ｏおよび電力ブロック１８２は、ＨＤＩ回路１７８に取り付けられる。システム１２２（図２）などのデジタルビーム形成システムで使用するようにビームフォーマモジュール１２５が構成される実施形態では、オプションのミキサ１２８およびオプションのＡ／Ｄコンバータ１３４（両方とも仮想線で示す）がＨＤＩ回路１７８に結合される。ＨＤＩ回路１７８は、ミキサ１２８、Ａ／Ｄコンバータ１３４、コントローラ１８０、およびＩ／Ｏおよび電力ブロック１８２のデジタルコンポーネントをＨＤＩ回路１７８から蓋１４０および／またはパッケージベース１３８を通って延びる信号線１８４に接続する、ファインピッチ解像度を有する多層相互接続構造（図示せず）を含む。様々な実施形態では、コントローラ１８０は特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）であり、ＨＤＩ回路１７８はＡＳＩＣファンアウト用の多層事前製造ＨＤＩフレックス回路である。信号線１８４は、パッケージベース１３８内に埋め込まれたコンポーネントと気密キャビティ１７６内に配置されたコンポーネントと間の接続を可能にする、複数の電気経路を含む。４本の信号線１８４のみが示されているが、信号線１８４は、ビームフォーマモジュール１２５内の要素への所望の接続を形成するために、任意の数の伝送経路を含むことができる。
【００２７】
以下により詳細に説明するように、パッケージ本体１３８に結合され埋め込まれた様々な電気コンポーネント間に電気経路を提供するために、導電性相互接続構造１７４が絶縁層１４２〜１５６の間およびそれらを通って形成される。当業者は、図３が相互接続構造１７４の１つの例示的な配置のみを示し、また相互接続構造１７４の各電線がデバイス間の１つまたは複数の電線を表すことを認識するであろう。絶縁層１４２〜１５６および相互接続構造１７４は、ビームフォーマモジュール１２５の様々な電気部品間に電気接続を生成するために、任意の既知の積層、堆積、パターニング、および／またはエッチング技術を使用して形成されてもよい。一実施形態では、導電性相互接続構造１７４は、入力／出力（Ｉ／Ｏ）システムの形成を提供する薄型の平面相互接続構造の形態である。
【００２８】
電力および接地信号線１８５、１８６の層は、絶縁層１４２、１４４を含むパッケージ１３８の電力および接地領域１５８内に形成される。電力および接地線１８５、１８６は、ビームフォーマモジュール１２５のコンポーネント、たとえば、ＨＤＩ回路１７８およびＩ／Ｏおよび電力ブロック１８２に結合されて、ビームフォーマモジュール１２５全体に電力を供給し、接地接続を形成する。制御論理信号線１８８は、絶縁層１４６、１４８、１５０を含む、パッケージベース１３８の制御論理領域１６０内にパターン化される。制御論理信号線１８８は、信号線１８４を介してコントローラ１８０に結合され、ＴＴＤモジュール１１２を制御するために使用される。
【００２９】
様々な代替実施形態では、図３に示されるように、パッケージベース１３８のＲＦ結合器領域１６２は、単一の絶縁層または２つ以上の絶縁層１５２、１５４を含むことができる。ＲＦ結合器領域１６２に含まれる絶縁層の数に関係なく、ストリップ線ＲＦ結合器１１６は領域１６２内に封入される。示されるように、ＲＦ結合器１１６は、受動ＲＦ結合構造として実装される。ＲＦ結合器１１６は、伝送線１９４を介して入力／出力ブロック１９２に結合され、ＲＦ結合器１１６の入力は、伝送線１９６を介して各ＴＴＤモジュール１１２に結合される。デジタルシステムの実施形態では、入力／出力ブロック１９２は局部発振器入力として機能し、ミキサ１２８（図２〜図３）と電気的に結合されている。したがって、ＴＴＤモジュール１１２が時間遅延信号をＲＦ結合器１１６に出力すると、ＲＦ結合器１１６は時間遅延信号を結合し、結合ＲＦ信号を入力／出力ブロック１９２に出力し、入力／出力ブロック１９２は結合ＲＦ信号を図２のミキサ１２８などのミキサに出力する。ビームフォーマモジュール１２５がアナログシステムで使用するために製造される実施形態では、入力／出力ブロック１９２は、信号処理ユニット（たとえば、図１の要素１２０）にＲＦ信号を出力する。
【００３０】
ＲＦ経路アレイ領域１６４は、パッケージベース１３８の外側層１５６の外面１６８に埋め込まれたアンテナ素子１０６を含む。アンテナ素子１０６は、各領域１５８〜１６４に封入された伝送線２２６を介して、パッケージベース１３８の内面１６６に取り付けられたＬＮＡ１１０に結合される。ＲＦ経路アレイ領域１６４の外部層１５６は、一般に、アンテナ素子１０６を分離するための、パッケージベース１３８の最も厚い領域である。非限定的な例として、層１４２〜１５０が約２ミルであり、層１５２〜１５４が約１０ミルである場合、層１５６は約３０ミルであってもよい。一実施形態では、外部層１５６はセラミックで形成される。
【００３１】
伝送線１９６は、図４に示される例示的なＴＴＤモジュール２０などのモノリシックデバイスとして構成され得るＴＴＤモジュール１１２の入力信号および出力信号の伝送経路を提供し、これは、マイクロストリップ伝送線または信号線３０全体が共通のベース基板５６上にパターン化されていることを意味する。次に、このベース基板５６は、パッケージベース１３８（図３）の内面１６６に結合される。たとえば、内面１６６が溶融石英またはガラスである実施形態などの代替実施形態では、ＴＴＤモジュール２０の伝送線３０のすべてまたは一部、およびスイッチング素子４４、４６のすべてまたは一部を、パッケージベース１３８の内面１６６（図３）に直接形成またはパターン化することができる。図示された実施形態では、マイクロストリップ伝送線３０は、４セットの直列接続時間遅延段３２、３４、３６、３８を含むようにパターン化され、第１の遅延段３２はＴＴＤモジュール２０の無線周波数（ＲＦ）信号入力４０に結合され、第４の遅延段３８はＴＴＤモジュール２０のＲＦ信号出力４２に結合される。遅延段３２、３４、３６、３８のそれぞれは、入力電子スイッチング素子４４および出力電子スイッチング素子４６を含み、それらはオン位置またはオフ位置のいずれかで選択的に制御され、それぞれのアンテナ素子（図示せず）に送信される送信信号に累積時間遅延を挿入する。ＴＴＤモジュール２０は、４つの遅延段と３６０度の遅延／位相シフト範囲を備えた２５６状態ビームフォーマとして設計されているが、本明細書に開示された概念は、任意の数の遅延段および代替遅延線構成を有するＴＴＤモジュールに拡張されてもよい。
【００３２】
第１の遅延段３２は、ＴＴＤモジュール２０のベース基板５６上にパターン化された４つのマイクロストリップ時間遅延線Ｌ９〜Ｌ１２を含む。各遅延段内の遅延線は、ＲＦ入力信号４０に異なる時間遅延を与える異なる長さを有する。送信信号の位相は、それぞれの遅延線によって与えられる時間遅延に比例してシフトする。第２、第３、および第４の遅延段３４、３６、３８は第１の遅延段３２と同様に形成され、遅延段３４はマイクロストリップ時間遅延線Ｌ１〜Ｌ４を含み、遅延段３６はマイクロストリップ時間遅延線Ｌ１３〜Ｌ１６を含み、遅延段３８はマイクロストリップ時間遅延線Ｌ５〜Ｌ８を含み、これらの時間遅延線はベース基板５６上にパターン化された様々な長さを有する。線セグメント５８、６０、６２は遅延段３２〜３８を相互接続する。４つのマイクロストリップ遅延線の１つでスイッチ４４、４６の所定の対を選択的に閉じることにより、スイッチ４４、４６の残りの対を上記と同様の方法で開いた位置で維持しながら、後続の各遅延段３４〜３８によって追加の位相シフトがＲＦ入力信号４０に与えられる。
【００３３】
スイッチングデバイス４４、４６は、各マイクロストリップ遅延線Ｌ１〜Ｌ１６の端子入力および端子出力でそれぞれベース基板５６上に配置され、それぞれのマイクロストリップ遅延線Ｌ１〜Ｌ１６をアクティブ化するように対で制御される。ＴＴＤモジュール２０では、スイッチングデバイス４４、４６はＲＦ  ＭＥＭＳスイッチである。これらのＲＦ  ＭＥＭＳスイッチ４４、４６は、電気的に作動する機械的動作を使用して、伝送線３０の開回路または閉回路を実現する。各遅延段３４〜３８のＲＦ  ＭＥＭＳデバイス４４、４６の所与の対がオン位置にあるとき、伝送線３０は「閉じて」いる。すべてのＲＦ  ＭＥＭＳデバイス４４、４６がオフ位置にあるとき、伝送線３０は「開いて」おり、ＲＦ  ＭＥＭＳデバイス４４、４６は、ＲＦ信号がＴＴＤモジュール２０のＲＦ出力４２に到達するのを防ぐ。
【００３４】
ＲＦ  ＭＥＭＳスイッチ４４、４６は、選択的ゲート電圧を印加することにより開閉するように制御される。このゲート電圧は、ベース基板５６上にパターン化されたゲート線７２を通じて提供される。ゲート線７２は、ＭＥＭＳスイッチ４４、４６をゲート電圧源またはゲートドライバ７４に電気的に結合する。したがって、信号がＴＴＤモジュール２０を介してアンテナ（図示せず）に送信されるのにかかる時間は、ゲートドライバ７４を使用してＲＦ  ＭＥＭＳスイッチ４４、４６の組み合わせを開閉して、異なる時間遅延線Ｌ１〜Ｌ１６をアクティブ化し、ＲＦ信号に所望の量の位相または時間遅延を与えることによって制御される。
【００３５】
図４のＴＴＤモジュール１１２はモノリシックデバイスとして説明されているが、ＴＴＤモジュール１１２は、デバイスレベルのキャップまたは蓋を含まないため、従来技術のモノリシックＴＴＤモジュールとは異なる。ビームフォーマモジュール１２５（図３）内にパッケージ化されるとき、これらの蓋なしＴＴＤモジュール１１２は、パッケージ本体１３８とパッケージ蓋１４０との間に形成された気密キャビティ１７６内に配置される。
【００３６】
本発明の代替実施形態では、図３のビームフォーマモジュール１２５は、図５のＴＴＤモジュール２００などのオフチップ遅延線接続を有するＴＴＤモジュールの選択遅延線と結合するオプションのＴＴＤ蛇行線１９８も含む。伝送線１９６と同様に、ＴＴＤ蛇行線１９８は、絶縁層１５４の上面にパターン化され、選択絶縁層１４２〜１５２を通って形成された導電性ビアを介して上部導電層１８５に結合される。ここで図５を参照すると、ＴＴＤモジュール２００は、ＴＴＤモジュール２０（図４）と同様のいくつかの類似のコンポーネントを共有し、これらは、必要に応じて共通の部品番号で参照される。ＴＴＤモジュール２００は、１つ以上の時間遅延線Ｌ１０、Ｌ１２が、１つ以上のＴＴＤ蛇行線１９８とのオフチップ接続を可能にする方法で構成されるという点で、ＴＴＤモジュール２０とは異なる。２つの遅延線Ｌ１０、Ｌ１２がオフチップ接続用に構成されているように図５に示されているが、代替実施形態では、各時間遅延線の全長が時間状態間の信号の連続性を維持する方法で定義される限り、特定のＴＴＤモジュールの任意の数の時間遅延線が同様の方法で構成されてもよいと考えられる。
【００３７】
図５に示されるように、遅延段３２の時間遅延線Ｌ１０、Ｌ１２は、それらが２つの部分に構成され、各オンチップ部分２０２、２０６、２１０、２１２が、スイッチング素子４４、４６とベース基板５６上に形成されたボンドパッド２０４、２０８との間に延びている点で、時間遅延線Ｌ１〜Ｌ９、Ｌ１１、Ｌ１３〜Ｌ１６とは異なる。より具体的には、時間遅延線Ｌ１０の第１のオンチップ部分２０２は、それぞれのスイッチ４４からボンドパッド２０４まで延び、時間遅延線Ｌ１０の第２のオンチップ部分２１０は、スイッチ４６とボンドパッド２０８との間に接続される。同様に、時間遅延線Ｌ１２の第１および第２のオンチップ部分２０６、２１２は、対応するスイッチ４４、４６からそれぞれのボンドパッド２０４、２０８まで延びている。
【００３８】
ボンドパッド２０４は、それぞれの時間遅延線Ｌ１０、Ｌ１２の第１のオンチップ部分２０２、２０６を、ビームフォーマモジュール１２５のパッケージベース１３８に埋め込まれたそれぞれのＴＴＤ蛇行線１９８（図３）の入力端に電気的に結合するための接続点として機能する。ボンドパッド２０８は、時間遅延線Ｌ１０およびＬ１２の第２のオンチップ部分２１０、２１２を、対応するＴＴＤ蛇行線１９８の出力端に電気的に結合する。ボンドパッド２０４、２０８とＴＴＤ蛇行線１９８との間の接続は、一般に、パッケージベース１３８の内面１６６上に形成されたフリップチップはんだ接続を介して行われるが、他のタイプの接続を使用してもよい。
【００３９】
各時間遅延線Ｌ１０、Ｌ１２に関連する時間遅延は、そのそれぞれの第１のオンチップ部分２０２、２０６およびそれぞれの第２のオンチップ部分２１０、２１２と、第１、第２のオンチップ部分２０２、２０６、２１０、２１２が結合されるＴＴＤ蛇行線１９８の合計長さに基づいて定義される。したがって、入力フィード経路２０４に接続された２つのＴＴＤ蛇行線１９８は、時間遅延線Ｌ１０、Ｌ１２のオフチップ部分として機能する。したがって、時間遅延線Ｌ１０がその対応するスイッチ対４４、４６によってアクティブ化されると、ＴＴＤモジュール２００に入力された信号は、第１のオンチップ部分２０２を通って対応するボンドパッド２０４に移動する。次いで、信号はパッケージベース１３８に配置されたＴＴＤ蛇行線１９８によって提供されるオフチップ部分を通って流れ、対応するボンドパッド２０８でＴＴＤモジュール２００に戻る。その後、信号は時間遅延線Ｌ１０の第２のオンチップ部分２１０を通過する。ＴＴＤモジュール２００への信号入力は、アクティブ化されるときと同様の方法で時間遅延線Ｌ１２を通って流れる。
【００４０】
パッケージベース１３８にＴＴＤ蛇行線１９８を配置することにより、ＴＴＤモジュール２００自体の時間遅延線よりも長い関連時間遅延を有するＴＴＤモジュール２００の選択遅延線を製造することができる。たとえば、非限定的な実施形態では、ＴＴＤモジュール２００のオンチップ時間遅延線は０度線から４８度線の範囲であってもよいが、オフチップＴＴＤ蛇行線は６４度、１２８度、さらには１９２度の線を含んでもよい。この例では、各線に関連付けられた度数は、アクティブ化されたときに時間遅延信号に加えられる時間遅延の量に対応する。したがって、ＴＴＤ蛇行線１９８は、オンチップ時間遅延線よりも大幅に長くなり得る。
【００４１】
ビームフォーマ１２４のパッケージベース１３８に含まれる時間遅延線Ｌ１０、Ｌ１２のオフチップ部分により、ＴＴＤモジュール２００は、より高いレベルのアセンブリに接続することなく、モノリシックＴＴＤモジュールとして形成されることなく、より長い時間遅延線を利用することができる。したがって、ＴＴＤモジュール２００は、ＴＴＤモジュール２００のベース基板５６の全体サイズ、したがってコストを増加させることなく、またはより高いレベルのアセンブリに接続することによりＲＦ損失を大幅に増加させることなく、低周波数アプリケーションで使用するための長い時間遅延線で設計することができる。
【００４２】
ビームフォーマモジュール１２５内のＲＦ損失をさらに最小化するために、ＲＦ結合器領域１６２の絶縁層１５２、１５４は、図３に示されるように、電力および接地領域１５８ならびに制御論理領域１６０の層１４２〜１５０よりも厚く形成されてもよい。層１５２、１５４の厚さは、ＴＴＤ蛇行線１９８におけるＲＦ損失を軽減するように選択される。非限定的な一実施形態では、層１４２〜１５０のそれぞれは約２ミルの厚さであり、層１５２、１５４のそれぞれは約１０ミルの厚さである。層１５２、１５４は、たとえばセラミックなどの低損失絶縁材料で形成されてもよく、一方、層１４２〜１５０は、たとえばガラスなどの別の材料で形成されてもよい。加えて、ＴＴＤ蛇行線１９８は、ＲＦ損失をさらに軽減するために信号線が別の信号線と交差しないように層１５２〜１５４内に配置される。
【００４３】
図６は、本発明の別の実施形態による、ビームフォーマモジュール１２４で使用可能なＴＴＤモジュール２１４の概略図を示す。ＴＴＤモジュール２１４、ＴＴＤモジュール２０（図４）、およびＴＴＤモジュール２００（図５）に共通のコンポーネントは、必要に応じて共通の参照番号で参照される。ＴＴＤモジュール２１４は、図３のビームフォーマモジュール１２４のパッケージベース１３８内のオフチップ線を利用する代替方法を提供する。時間遅延線Ｌ１〜Ｌ１６がオンチップまたはオフチップ接続に基づいて所定の静的時間遅延を有するＴＴＤモジュール２０（図４）およびＴＴＤモジュール２００（図５）とは異なり、ＴＴＤモジュール２１４内の時間遅延線Ｌ１２の長さは、以下で詳細に説明するように、選択的に制御されてもよい。
【００４４】
ＴＴＤモジュール２１４の時間遅延線Ｌ１２は、第１のオンチップ部分２１８と第２のオンチップ部分２２０とを接続する中間スイッチ２１６を含む。第１および第２のオンチップ部分２１８、２２０もボンドパッド２０４、２０８に接続され、図５に関して説明したのと同様の方法でパッケージベース１３８内のＴＴＤ蛇行線１９８への接続を可能にする。したがって、時間遅延線Ｌ１２に対応するスイッチ４４、４６が閉じていると想定すると、信号は、２つの異なる経路、すなわちオフチップ経路およびオンチップ経路を介して時間遅延線Ｌ１２を進むことができる。中間スイッチ２１６が開いている場合、信号は、スイッチ４４から第１のオンチップ部分２１８を介して入力フィード経路２０４に進み、パッケージベース１３８のＴＴＤ蛇行線１９８を通って出力フィード経路２０８に進み、第２のオンチップ部分２２０を通ってスイッチ４６に進む。しかし、スイッチ４４、４６に加えて中間スイッチ２１６が閉じている場合、信号は、スイッチ４４、４６間の短いオンチップ信号経路に沿って、中間スイッチ２１６を通過するだけである。
【００４５】
ＴＴＤモジュール２１４はまた、時間遅延線Ｌ１２のオンチップ部分２１８、２２０内の共振効果を最小化するために、第１および第２のオンチップ部分内に追加の中間スイッチ２２２、２２４を含む。これらの中間スイッチ２２２、２２４は、オンチップ信号伝送経路を定義するために中間スイッチ２１６がそのゲートドライバ７４によって閉じられると開かれる。オフチップ経路が望まれる場合、中間スイッチ２１６が開かれ、中間スイッチ２２２、２２４は、対応するゲートドライバ７４によって閉じられる。
【００４６】
１つの中間スイッチ構成またはオプションの３つの中間スイッチ構成が時間遅延線Ｌ１２に組み込まれているかどうかに関わらず、時間遅延線Ｌ１２は、短いオンチップ信号伝送経路と長いオフチップ信号伝送経路のオプションを含む。したがって、ＴＴＤモジュール２１４は、短い時間遅延線と長い時間遅延線の両方を同時に組み込むことにより、図５のＴＴＤモジュール２００よりも多種多様な時間遅延線を提供する。このように、オンチップおよびオフチップの信号経路によって提供される多種多様な時間遅延線により、ＴＴＤモジュール２１４はより多様なアプリケーションで使用できるようになり得る。
【００４７】
一部の実施形態では、ＴＴＤモジュール２０（図４）、２００（図５）、および２１４（図６）には、たとえば、はんだ、ガラスフリット、金などの封止材料の介在層で基板５６に接合されるオプションの蓋またはキャップ（図示せず）が設けられる。その場合、遅延段３２〜３８および関連するスイッチング素子４４、４６（およびＴＴＤモジュール２１４の場合はスイッチング素子２１６、２２２、２２４）は、蓋と基板５６との間に形成されたキャビティ内に封入され、真空または気密封止される。キャビティは、たとえば、空気または窒素などの誘電性ガスなどの誘電性媒体で満たすことができるが、これらに限定されない。ＴＴＤモジュール２０、２００、２１４は、各アンテナ素子１０６（図３）に対応する個々のモジュールとして、またはウェーハレベルキャップ内に封止された複数のＴＴＤモジュール２０、２００、２１４を含むウェーハレベルパッケージとしてパッケージ化されてもよい。
【００４８】
したがって、有益には、本発明の実施形態は、広帯域周波数信号処理アプリケーションのためのＴＴＤビーム形成システムモジュールを提供する。ビーム形成システムは、モジュール構造に統合された様々なコンポーネントを有する複数のビームフォーマモジュールを含む。ビームフォーマモジュールは、内面に取り付けられ、かつ外面に埋め込まれた複数のアンテナ素子に電気的に結合された複数のＴＴＤモジュールを有するパッケージベースを含む。パッケージベースは、モノリシックＴＴＤモジュールの必要なしに、または次のレベルのアセンブリを接続する必要なしに、ＴＴＤモジュールに長い時間遅延線を提供するために、信号結合器と、信号結合器に統合され、ＴＴＤモジュールに結合された複数のＴＴＤ蛇行線をとさらに含む。ビームフォーマモジュールは、パッケージ本体に気密封止された蓋と、デジタルコンポーネントをＴＴＤモジュールおよび信号結合器に結合するために蓋とパッケージ本体に取り付けられたＨＤＩ回路とをさらに含む。ビームフォーマモジュールの様々な要素がパッケージベースまたは蓋に統合されているため、ビームフォーマモジュールは、サイズが小さく、高価なケーブルを必要とせずに様々な統合要素間の一貫した信頼性の高い接続を含むモジュール構造を提供する。たとえば、図３に示される伝送線２２６は、従来技術のビームフォーマ構成で使用されていた多数のケーブル接続と置き換えられる。伝送線２２６は、従来技術のケーブル接続よりも短く、固定構成を有するため、ビームフォーマモジュールの再現性が大幅に向上し、したがってシステムの較正時間が短縮される。
【００４９】
さらに、所望の数のビームフォーマモジュールをビーム形成システムに単に追加するだけで、アンテナアレイをビーム形成システムにより簡単に形成することができる。ビーム形成システム１２２のこのモジュール式アセンブリは、各コンポーネントが互いの各コンポーネントとは別個に形成されるビーム形成システムのコンポーネントの典型的な構成に比べて、かなりのスペースを節約する。
【００５０】
より長い時間遅延線の一部をパッケージベースに統合することにより、ＴＴＤモジュールの全体的なサイズとコストを削減できる。さらに、アンテナ素子と様々な電線をパッケージベースに組み込むことで、アンテナ素子と電子部品との間の所定の静的距離を定義することにより、較正時間、変動性、およびコストが削減される。さらに、ビームフォーマモジュールのモジュール構造により、ビーム形成システムのサイズを簡単に拡大または縮小できる。
【００５１】
本発明の一実施形態によれば、ビームフォーマモジュールは、パッケージベースと、パッケージベースに封入された少なくとも１つのＴＴＤ蛇行線および少なくとも１つのＲＦ信号伝送線とを含む。さらに、ビームフォーマモジュールは、パッケージベースに取り付けられた第１のＴＴＤモジュールを含む。第１のＴＴＤモジュールは、複数の時間遅延線を選択的にアクティブ化することにより、第１のＴＴＤモジュールの信号入力と信号出力との間の信号伝送経路を定義するように構成された複数のスイッチング素子を含む。第１のＴＴＤモジュールの時間遅延線の少なくとも１つは、パッケージベースに封入された少なくとも１つのＴＴＤ蛇行線に電気的に結合されている。第１のＴＴＤモジュールの信号入力および信号出力は、少なくとも１つのＲＦ信号伝送線に電気的に結合されている。
【００５２】
本発明の別の実施形態によれば、ビームフォーマモジュールの製造方法は、少なくとも１つの時間遅延線および少なくとも１つのＲＦ信号伝送線をパッケージ本体に封入するステップと、パッケージ本体の表面に少なくとも１つのＴＴＤモジュールを配置するステップとを含む。この方法はまた、少なくとも１つのＴＴＤモジュール内の少なくとも１つの時間遅延線をパッケージ本体内の少なくとも１つの時間遅延線に電気的に結合するステップ、および少なくとも１つのＴＴＤの信号入力および信号出力を少なくとも１つのＲＦ信号伝送線に電気的に接続するステップを含む。
【００５３】
本発明のさらに別の実施形態によれば、ＴＴＤモジュールは、ＲＦ信号入力、ＲＦ信号出力、可変長の信号経路を定義する複数の時間遅延線を含む伝送線、および複数の時間遅延線を選択的にアクティブ化して、ＲＦ信号入力とＲＦ信号出力との間の信号伝送経路を定義するように制御可能な複数のスイッチング素子を含む。複数の時間遅延線は、少なくとも１つのオフチップ時間遅延線を含む。オフチップ時間遅延線は、複数のスイッチング素子の第１のスイッチング素子と第１のボンドパッドとの間に結合された第１のオンチップ部分と、複数のスイッチング素子の第２のスイッチング素子と第２のボンドパッドとの間に結合された第２のオンチップ部分を含む。
【００５４】
本発明のさらに別の実施形態によれば、ＴＴＤビームフォーマモジュールは、複数の絶縁層を有するパッケージベースと、複数の絶縁層の間およびそれらを通って形成される相互接続構造とを含む。ＴＴＤビームフォーマモジュールは、パッケージベースに封止された蓋と、蓋とパッケージベースとの間に形成された気密キャビティ内に配置され、相互接続構造に電気的に結合された少なくとも１つのＴＴＤモジュールをさらに含む。各ＴＴＤモジュールは、ＴＴＤモジュールの信号入力とＴＴＤモジュールの信号出力との間の信号伝送線を選択的にアクティブ化するように構成された複数のスイッチを含む。ＴＴＤビームフォーマモジュールは、パッケージベースの外側層に取り付けられた少なくとも１つのアンテナ素子をさらに含む。各アンテナ素子は、相互接続構造を介して少なくとも１つのＴＴＤモジュールのそれぞれのＴＴＤモジュールに電気的に結合される。
【００５５】
この記述では、例を使用して、最良のモードを含む本発明を開示し、また、任意のデバイスまたはシステムを作製および使用し、組み込まれた方法を実行するなど、当業者が本発明を実施できるようにする。本発明の特許性のある範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が思いつく他の例を含むことができる。そのような他の例は、特許請求の範囲の文言と異ならない構造要素を持っている場合、または特許請求の範囲の文言と実質的な違いを持たない同等の構造要素を含む場合、特許請求の範囲の範囲内にあることを意図している。
【００５６】
限られた数の実施形態のみに関連して本発明を詳細に説明したが、本発明はそのような開示された実施形態に限定されないことを容易に理解されるはずである。むしろ、本発明は、これまで説明されていないが、本発明の精神および範囲に相応する任意の数の変形、変更、置換、または同等の装置を組み込むように修正することができる。さらに、本発明の様々な実施形態が説明されたが、本発明の態様は、説明された実施形態の一部のみを含場合があることを理解されたい。したがって、本発明は、前述の説明によって限定されると見なされるべきではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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