(57)【要約】  アンテナシステムは、複数の実時間遅延（ＴＴＤ）モジュールを含み、各モジュールは、ＴＴＤモジュールの信号入力と信号出力との間の代替ＲＦ信号伝送経路を選択的に定義するように構成された複数のスイッチング素子を有する。コントローラは、複数のＴＴＤモジュールの少なくともサブセット内のスイッチング素子の第１の対を閉じて、第１のＲＦ信号伝送経路をアクティブ化するステップ、複数のＴＴＤモジュールのサブセットのスイッチング素子の第２の対を閉じて、第１のＲＦ伝送経路と並列である第２のＲＦ信号伝送経路をアクティブ化するステップ、およびスイッチング素子の第２の対を閉じた後、ＴＴＤモジュールのサブセットのスイッチング素子の第１の対を開くステップにより複数のＴＴＤモジュールを制御して、メークビフォアブレークスイッチング技術に従ってビームを走査するようにプログラムされる。【選択図】図１
2020537440.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンテナシステムであって、
複数の実時間遅延（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代替ＲＦ信号伝送経路を選択的に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複数の実時間遅延（ＴＴＤ）モジュールと、
前記複数のＴＴＤモジュールの少なくともサブセット内のスイッチング素子の第１の対を閉じて、第１のＲＦ信号伝送経路をアクティブ化するステップ、
前記複数のＴＴＤモジュールの前記サブセットのスイッチング素子の第２の対を閉じて、第２のＲＦ信号伝送経路をアクティブ化するステップであって、前記第２のＲＦ信号伝送経路は前記第１のＲＦ伝送経路と並列であるステップ、および
スイッチング素子の前記第２の対を閉じた後、ＴＴＤモジュールの前記サブセットのスイッチング素子の前記第１の対を開くステップ、により、
前記複数のＴＴＤモジュールを制御してビームを走査するようにプログラムされたコントローラと、を含む、アンテナシステム。
【請求項２】
前記コントローラは、スパースマトリックス制御手順に従って前記複数のＴＴＤモジュールを制御するようにさらにプログラムされる、請求項１に記載のアンテナシステム。
【請求項３】
前記複数のＴＴＤモジュールの前記スイッチング素子は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチを含む、請求項１に記載のアンテナシステム。
【請求項４】
各ＴＴＤモジュールは２５６の動作状態を含む、請求項１に記載のアンテナシステム。
【請求項５】
前記複数のＴＴＤモジュールの前記信号出力と通信するアンテナをさらに含む、請求項１に記載のアンテナシステム。
【請求項６】
ＴＴＤモジュールの前記サブセットのスイッチング素子の前記第１および第２の対が両方とも閉じている間、前記アンテナは国際電気通信連合（ＩＴＵ）互換放射パターンを維持する、請求項５に記載のアンテナシステム。
【請求項７】
前記コントローラは、
第１のＲＦ伝送経路をアクティブ化し、前記第１のＲＦ伝送経路と並列の第２のＲＦ伝送経路をアクティブ化し、その後、前記第２のＲＦ伝送経路と並列の前記第１のＲＦ伝送経路を非アクティブ化するために、ＴＴＤモジュールの第１のサブセットを制御するステップ、および
続いて、第１のＲＦ伝送経路をアクティブ化し、前記第１のＲＦ伝送経路と並列の第２のＲＦ伝送経路をアクティブ化し、その後、前記第２のＲＦ伝送経路と並列の前記第１のＲＦ伝送経路を非アクティブ化するために、ＴＴＤモジュールの第２のサブセットを制御するステップ、により前記ビームを走査するようにさらにプログラムされる、請求項１に記載のアンテナシステム。
【請求項８】
前記コントローラは、スイッチング素子の前記第２の対が閉じる前に、スイッチング素子の前記第１の対に開信号を送信するようにさらにプログラムされる、請求項１に記載のアンテナシステム。
【請求項９】
ビームを走査する方法であって、
実時間遅延（ＴＴＤ）モジュールのＲＦ信号入力とＲＦ信号出力との間の第１のＲＦ伝送経路をアクティブ化することにより、前記複数のＴＴＤモジュールを第１の状態で動作させるステップ、
ＴＴＤモジュールの第１のサブセットの前記第１のＲＦ伝送経路がアクティブのままである間に、前記複数のＴＴＤモジュールの前記第１のサブセットの前記ＲＦ信号入力と前記ＲＦ信号出力との間の第２のＲＦ伝送経路をアクティブ化して、前記複数のＴＴＤモジュールの前記第１のサブセットを中間状態に遷移させるステップであって、前記第２のＲＦ伝送経路は前記第１のＲＦ伝送経路と並列であるステップ、および
ＴＴＤモジュールの前記第１のサブセットの前記第１のＲＦ伝送経路を非アクティブ化して、ＴＴＤモジュールの前記第１のサブセットを第２の状態で動作させるステップ、を含む、方法。
【請求項１０】
前記第１および第２のＲＦ伝送経路をアクティブ化するステップおよび前記第１のＲＦ伝送経路を非アクティブ化するステップは、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチの作動および作動解除ステップを含み、各対はそれぞれの時間遅延線に対応する、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
ＴＴＤモジュールの前記第１のサブセットを前記第１の状態、前記中間状態、および前記第２の状態の間で遷移させる間に、前記複数のＴＴＤモジュールの少なくとも第２のサブセットを前記第１の状態に維持するステップをさらに含む、請求項１０の方法。
【請求項１２】
ＴＴＤモジュールの前記第１のサブセット内の前記第１のＲＦ伝送経路を非アクティブ化した後、ＴＴＤモジュールの第２のサブセットの前記第１のＲＦ伝送経路がアクティブのままである間に、前記複数のＴＴＤモジュールの前記第２のサブセットの前記ＲＦ信号入力と前記ＲＦ信号出力との間の第２のＲＦ伝送経路をアクティブ化するステップ、および
ＴＴＤモジュールの前記第２のサブセットの前記第１のＲＦ伝送経路を非アクティブ化して、ＴＴＤモジュールの前記第２のサブセットを第２の状態で動作させるステップ、をさらに含む、
請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
スパースマトリックスパターンに従って、前記第１の状態、前記中間状態、および前記第２の状態の間を遷移するように前記ＴＴＤモジュールを制御するステップをさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
前記中間状態の持続時間を最小化するために、プリエンファシス技術に従って前記複数のＴＴＤモジュールのスイッチング素子にゲートアクティブ化信号を送信するステップをさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１５】
前記第２のＲＦ伝送経路をアクティブ化するステップは、ＴＴＤモジュールの前記第１のサブセットの少なくとも２つの時間遅延段内の２つの並列時間遅延線をアクティブ化するステップを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１６】
ビーム形成システムであって、
複数のアンテナ素子を含むアンテナと、
実時間遅延（ＴＴＤ）信号を前記複数のアンテナ素子に送信するように構成された複数のダイであって、各ダイは、第１のＲＦ伝送経路がアクティブ化される第１の状態、前記第１のＲＦ伝送経路および前記第１のＲＦ伝送経路と並列である第２のＲＦ伝送経路がアクティブ化される中間状態、および前記第２のＲＦ伝送経路がアクティブ化され、前記第１のＲＦ伝送経路が非アクティブ化される第２の状態で選択的に制御可能な複数のスイッチを含む、ダイと、
前記複数のダイの第１のサブセットを制御して、前記第１の状態から前記中間状態に遷移させ、前記中間状態から前記第２の状態に遷移させ、かつ
前記複数のダイの前記第１のサブセットが前記第２の状態に遷移した後、前記複数のダイの複数の追加のサブセットを連続的に制御して、前記第１の状態から前記中間状態に遷移させ、前記中間状態から前記第２の状態に遷移させる、ようにプログラムされたコントローラと、を含む、
ビーム形成システム。
【請求項１７】
前記複数のダイは複数の時間遅延段を含み、各時間遅延段は複数の遅延線を含む、請求項１６に記載のビーム形成システム。
【請求項１８】
前記複数のダイは、スパースマトリックスパターンに従って前記複数のサブセットに割り当てられる、請求項１６に記載のビーム形成システム。
【請求項１９】
前記コントローラは、
前記複数のダイの第２のサブセットを制御して、前記第１の状態から前記中間状態に遷移させ、前記中間状態から前記第２の状態に遷移させるステップ、および
前記複数のダイの前記第２のサブセットが前記第２の状態に遷移した後、前記複数のダイの第３のサブセットを制御して、前記第１の状態から前記中間状態に遷移させ、前記中間状態から前記第２の状態に遷移させるステップ、により、前記複数のダイの前記複数の追加のサブセットを連続的に制御するようにさらにプログラムされる、請求項１６に記載のビーム形成システム。
【請求項２０】
各ダイの前記スイッチは、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチを含む、請求項１６に記載のビーム形成システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
政府ライセンスの権利
本発明は、空軍研究所によって授与された助成金番号ＦＡ９４５３−０９−Ｃ−０３０５の下で政府の支援を受けてなされた。政府は本発明に一定の権利を有する。
【０００２】
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、より詳細には、メークビフォアブレークとスパースアレイの方法の組み合わせによって制御される、無線周波数（ＲＦ）微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチを組み込んだＴＴＤモジュールを含むＴＴＤビームフォーマに関する。
【背景技術】
【０００３】
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。
【０００４】
ＴＴＤを介したビーム走査は、各アンテナ素子の励振時間を変更することで実現される。ＴＴＤモジュールは、様々な長さの伝送線に結合された高速スイッチを用いて製造される。電子回路とアンテナとの間で信号が送信されるのにかかる時間は、ＲＦ信号に所望の時間遅延を与える伝送線の特定の組み合わせを選択することにより制御される。伝送線の選択は、ＲＦ  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特性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伝送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伝送線はＲＦ信号経路から分離されている。
【０００５】
ＴＴＤモジュールでは、ホットスイッチングと呼ばれる動作モードを使用して、ＲＦ  ＭＥＭＳスイッチを作動および作動解除できる。ホットスイッチングは、ＲＦ  ＭＥＭＳスイッチの端子間に大きな電位が存在する間にＲＦ  ＭＥＭＳスイッチがオフ位置からオン位置に作動したとき、またはＲＦ  ＭＥＭＳスイッチの閉じた接点間で大きな電流が流れている間にＲＦ  ＭＥＭＳスイッチがオン位置からオフ位置に作動解除されたときに発生する。ホットスイッチングのいずれの場合でも、ＲＦ  ＭＥＭＳスイッチの接点で微小アークが発生し、これにより材料の劣化、ひいては接点の寿命が悪化する。ホットスイッチング性能を改善するために、ＲＦ  ＭＥＭＳスイッチの冶金または他の構造的特徴を変更しようとすることは、非常に困難で非常に費用がかかる。したがって、ホットスイッチングによりＴＴＤモジュールは常に「ホット」のままでＲＦ信号を伝えることができるが、ホットスイッチングではＲＦ  ＭＥＭＳスイッチ障害のリスクが高まるため、依然として望ましくない動作モードである。これは、ＲＦ信号が受信アレイよりも信号振幅が数桁高いことが多い送信アレイでは特に問題である。
【０００６】
ＲＦ  ＭＥＭＳスイッチは、コールドスイッチングと呼ばれる別の動作モードによって制御することもできる。コールドスイッチングでは、ＲＦ  ＭＥＭＳスイッチが作動または作動解除される前に、ＲＦ  ＭＥＭＳスイッチへのＲＦ入力が遮断される。ＲＦ  ＭＥＭＳスイッチはＲＦ信号を伝えていないときに動作されるため、ＲＦ  ＭＥＭＳスイッチを動作させても微小アークは発生せず、ホットスイッチング中にＲＦ  ＭＥＭＳスイッチを動作させるようにはＲＦ  ＭＥＭＳスイッチを著しく劣化させない。ＲＦ  ＭＥＭＳスイッチが作動または作動解除された後、ＲＦ信号は再びＲＦ  ＭＥＭＳスイッチに供給される。コールドスイッチングによって提供されるＲＦ  ＭＥＭＳスイッチへの追加の保護にもかかわらず、コールドスイッチングを実行するにはＲＦ入力信号を完全に遮断する必要があるため、コールドスイッチングも望ましくない。このように、ＴＴＤモジュールはスイッチング期間中に出力信号を供給することができない。さらに、この方法は、ＴＴＤモジュールの状態を変更する前に各ＴＴＤモジュールからのＲＦ経路を選択的に無効にする必要があるため、実質的な回路の複雑さとコストを追加する。より単純なアプローチは、多数のＴＴＤモジュールへのＲＦ入力を遮断し、すべてのＴＴＤモジュールの状態を同時に変更することである。しかし、この方法では、アンテナビームパターンが著しく劣化する。
【０００７】
したがって、ＴＴＤモジュールへの入力信号を遮断せずに、スイッチング素子の信頼性と寿命を改善する動作モードを使用して、ＴＴＤモジュールのスイッチング素子を作動させることが望ましい。
【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、アンテナシステムは複数のＴＴＤモジュールを含む。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代替ＲＦ信号伝送経路を選択的に定義するように構成された複数のスイッチング素子を有する。アンテナシステムはまた、複数のＴＴＤモジュールの少なくともサブセット内のスイッチング素子の第１の対を閉じて、第１のＲＦ信号伝送経路をアクティブ化するステップ、複数のＴＴＤモジュールのサブセットのスイッチング素子の第２の対を閉じて、第２のＲＦ信号伝送経路をアクティブ化するステップであって、第２のＲＦ信号伝送経路は第１のＲＦ伝送経路と並列であるステップ、およびスイッチング素子の第２の対を閉じた後、ＴＴＤモジュールのサブセットのスイッチング素子の第１の対を開くステップにより、複数のＴＴＤモジュールを制御してビームを走査するようにプログラムされたコントローラを含む。
【０００９】
本発明の別の態様によれば、ビームを走査する方法は、ＴＴＤモジュールのＲＦ信号入力とＲＦ信号出力との間の第１のＲＦ伝送経路をアクティブ化するステップにより、複数のＴＴＤモジュールを第１の状態で動作させるステップを含む。さらに、この方法は、ＴＴＤモジュールの第１のサブセットの第１のＲＦ伝送経路がアクティブのままである間に、複数のＴＴＤモジュールの第１のサブセットのＲＦ信号入力とＲＦ信号出力との間の第２のＲＦ伝送経路をアクティブ化して、複数のＴＴＤモジュールの第１のサブセットを中間状態にするステップを含み、第２のＲＦ伝送経路は第１の遅延線と並列である。さらに、この方法は、ＴＴＤモジュールの第１のサブセットの第１のＲＦ伝送経路を非アクティブ化して、ＴＴＤモジュールの第１のサブセットを第２の状態で動作させるステップを含む。
【００１０】
本発明のさらに別の態様によれば、ビーム形成システムは、複数のアンテナ素子と、複数のアンテナ素子にＴＴＤ信号を送信するように構成された複数のダイとを含むアンテナを含む。各ダイは、第１のＲＦ伝送経路がアクティブ化される第１の状態、第１のＲＦ伝送経路、および第１のＲＦ伝送経路と並列である第２のＲＦ伝送経路がアクティブ化される中間状態、ならびに第２のＲＦ伝送経路がアクティブ化され、第１のＲＦ伝送経路が非アクティブ化される第２の状態で選択的に制御可能な複数のスイッチを含む。ビーム形成システムは、複数のダイの第１のサブセットを制御して、第１の状態から中間状態に遷移させ、中間状態から第２の状態に遷移させ、複数のダイの第１のサブセットが第２の状態に遷移した後、複数のダイの複数の追加のサブセットを連続的に制御して、第１の状態から中間状態に遷移させ、中間状態から第２の状態に遷移させるようにプログラムされたコントローラをさらに含む。
【００１１】
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】
【００１２】
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。
【００１３】
【図１】ＴＴＤで効果的なビーム走査を有するフェーズドアレイアンテナを備えたアンテナシステムの簡略化された概略図である。
【図２】本発明の一実施形態による、図１のアンテナシステムで使用可能なＴＴＤモジュールの概略上面図である。
【図３】線３−３に沿った図２のＴＴＤモジュールの断面図である。
【図４】本発明の一実施形態による、図２のＴＴＤモジュールで使用可能な例示的な電子スイッチングデバイスの概略図である。
【図５】本発明の実施形態による、図１のアンテナシステムを使用してビームを走査するための技術を示すフローチャートである。
【図６Ａ】本発明の実施形態による、第１のビーム状態、中間状態、および第２のビーム状態の間の図２のＴＴＤモジュールの例示的な遷移を示す。
【図６Ｂ】本発明の実施形態による、第１のビーム状態、中間状態、および第２のビーム状態の間の図２のＴＴＤモジュールの例示的な遷移を示す。
【図６Ｃ】本発明の実施形態による、第１のビーム状態、中間状態、および第２のビーム状態の間の図２のＴＴＤモジュールの例示的な遷移を示す。
【図７】本発明の実施形態による、アンテナ素子が異なるサブセットに分割された図１のフェーズドアレイアンテナの配置の非限定的な例である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の実施形態は、フェーズドアレイアンテナ（ＰＡＡ）システムまたは電気的に走査可能なアンテナ（ＥＳＡ）システムなどのアプリケーションにおいてビームを走査するためのビームフォーマの制御システムを提供する。ビームフォーマは、複数のアンテナ素子と、複数のアンテナ素子に対応する複数のＴＴＤモジュールとを備えたアンテナを含む。各ＴＴＤモジュールは、メークビフォアブレークおよびスパースマトリックス制御手順に従って制御システムによって選択的に作動および作動解除される複数のスイッチまたはスイッチング素子またはデバイスを有する。アンテナ素子によるビーム出力を移動、モーフィング、または走査するために、制御システムは、全体の数のＴＴＤモジュールのセットまたはサブセットのスイッチング素子を選択的に制御して、アンテナ素子およびＴＴＤモジュールのスパースマトリックスに従ってＴＴＤモジュール内の追加の遅延線をアクティブ化または閉じて、ＴＴＤモジュールのサブセットを第１の動作状態から中間状態に遷移させる。並列遅延線がアクティブ化されると、制御システムはＴＴＤモジュールのサブセットのスイッチング素子を制御して、ＴＴＤモジュールのサブセットを介して元のまたは初期の遅延線を非アクティブ化または開き、ＴＴＤモジュールのサブセットを第２の動作状態に遷移させる。コントローラは、ビームが所望の方向を向くよう走査されるまで、ＴＴＤモジュールの追加サブセットのスイッチを使用して同じ動作を実行する。この方法でパラレル信号伝送経路をアクティブ化すると、ＴＴＤモジュールへの信号入力を除去することなく、スイッチング素子の開閉時に微小アークが発生しなくなる。さらに、ＴＴＤモジュールのサブセットのみでこの方法を実行すると、走査手順中にビームが国際電気通信連合（ＩＴＵ）互換の放射パターンを維持することが保証される。
【００１５】
最初に図１を参照すると、本発明の実施形態による、電気的に走査可能な受動アンテナまたはビーム形成システムまたはビームフォーマ１０の簡略化された概略図が示されている。非限定的な一実施形態では、アンテナシステム１０はレーダシステムである。アンテナシステム１０は、信号を送受信するための複数の放射素子１４で構成されるアンテナ１２を含む。これらの放射アンテナ素子１４は、たとえば所定の波長を有するＲＦ変調信号などのＲＦフィードまたはＲＦ入力を提供するソース１６によってフィードされる。このＲＦ入力は、送信／受信スイッチ１８によって、分配器／結合器２０を介して、各アンテナ素子１４に対応する実時間遅延（ＴＴＤ）ビームフォーマまたはモジュール２２に送信される。コントローラまたは制御システム２４は駆動ダイ２６に駆動信号を提供し、駆動ダイ２６は、各ＴＴＤモジュール２２から出力される時間遅延信号を生成する方法でＴＴＤモジュール２２内のスイッチング素子を選択的に制御する。各ＴＴＤモジュール２２は、その時間遅延信号をそれぞれのアンテナ素子１４に出力する。アンテナ素子１４によって受信された信号は、分配器／結合器２０を介して受信機２８に送信される。
【００１６】
図１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、および各偏波に対する別個のビーム制御回路を含むアクティブ走査可能アンテナ用に構成できると考えられる。さらに、図１は４つのアンテナ素子１４と４つの対応するＴＴＤモジュール２２のみを示しているが、複雑なＲＦフィード方式の使用を可能にするために、アンテナ１２が数百または数千のアンテナ素子１４と対応するＴＴＤモジュール２２を含むことが考えられる。より多くのアンテナ素子１４およびＴＴＤモジュール２２はまた、一部が動作不能または断続的であっても効果的な動作を可能にすることができる。
【００１７】
図２は、本発明の一実施形態による、図１のアンテナシステム１０に組み込まれたＴＴＤモジュール２２の概略上面図である。ＴＴＤモジュール２２は、ベース基板５６上にパターン化されたマイクロストリップ伝送線または信号線３０を含み、４組の時間遅延段３２、３４、３６、３８を含む。マイクロストリップ伝送線３０は、当技術分野で既知の堆積、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る。好ましい実施形態では、ベース基板５６は溶融シリカで形成され、これにより、漏れ電流が低減され、スイッチチャネル分離が改善される。別の実施形態によれば、ベース基板５６は、ガラス、アルミナ、石英、ポリイミド、ヒ化ガリウム、シリコン、またはゲルマニウムなどであるがこれらに限定されない、絶縁、半絶縁材料、または半導体材料であってもよい。あるいは、ベース基板５６は、スイッチまたはスイッチング素子またはデバイス４４、４６およびマイクロストリップ伝送線３０を含むように処理された半導体ウェーハであってもよい。
【００１８】
マイクロストリップ伝送線３０は、たとえば、銅、金、タングステン／ニッケル／金スタック、または別の一般的なパッケージング材料などの任意の導電性材料であってもよい。示されるように、マイクロストリップ伝送線３０は、遅延段３２、３４、３６、３８が直列に接続されるようにパターン化され、第１の遅延段３２はＴＴＤモジュール２２の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２２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、以下でさらに詳細に説明するように、それぞれのアンテナ素子１４（図１）に送信される送信信号に累積時間遅延を挿入する。本明細書では要素４０および４２をそれぞれ入力および出力として説明しているが、要素４０、４２の機能を逆にして、要素４０がＲＦ信号出力であり、要素４２がＲＦ信号入力であることが考えられる。同様に、スイッチング素子４４および４６は、ＲＦ信号がＲＦ信号要素４０からＲＦ信号要素４２までＴＴＤモジュール２２を通過するとき、それぞれのマイクロストリップ遅延線Ｌ１〜Ｌ１６のそれぞれ「入力」および「出力」スイッチング素子として機能し、信号が逆方向に進むとき、それぞれ「出力」および「入力」スイッチング素子として機能することを理解されたい。
【００１９】
第１の遅延段３２は、ＴＴＤモジュール２２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。
【００２０】
ＴＴＤモジュール２２は、マイクロストリップ遅延線Ｌ１〜Ｌ１６のすべてが基板５６上に完全に配置されているモノリシックＴＴＤモジュールとして図２に示されている。言い換えれば、各マイクロストリップ遅延線Ｌ１〜Ｌ１６は、オンチップ遅延線である。しかし、一部の実施形態では、マイクロストリップ遅延線Ｌ１〜Ｌ１６の一部またはすべてがオフチップ遅延線であってもよく、これは、それぞれの遅延線のすべてまたは一部が基板５６から離れてＴＴＤモジュール２２の外側の位置、たとえば、ＴＴＤモジュール２２が結合されるパッケージ構造物に形成されることを意味する。これらのオフチップ遅延線は、上記のオンチップ遅延線と同様に機能する（つまり、ＲＦ入力４０とＲＦ出力４２を選択的に結合する）が、オンチップ遅延線よりも大幅に長くなる可能性がある。非限定的な一実施形態では、オフチップ遅延線は、ＴＴＤモジュール２２の外側に形成されたオフチップ部分と一対のオンチップ部分とを含み、第１のオンチップ部分は、スイッチ４４の１つをオフチップ部分の第１の端部に結合し、第２のオンチップ部分は、スイッチ４６の１つをオフチップ部分の第２の端部に結合する。第１および第２のオンチップ部分とオフチップ部分のそれぞれの第１および第２の端部との間の接続は、たとえば基板５６上に形成されたボンドパッドなどの適用可能な接続要素によって行われる。別の実施形態では、オフチップ遅延線は、オフチップ遅延線のどの部分も基板５６上にパターン化されないように形成されてもよい。そのような場合、オフチップ遅延線は、基板５６または図３に関して以下でさらに説明される保護キャップまたは蓋１０２を介してスイッチ４４、４６に直接結合されてもよい。
【００２１】
再び図２を参照すると、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。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上に配置される。スイッチ４４、４６がＭＥＭＳデバイスである実施形態では、スイッチ４４、４６は、複数の堆積、陽極酸化、パターン化、およびエッチングステップを含むビルドアップ技術を使用して形成される。代替実施形態では、スイッチング素子４４、４６は、シャントスイッチ、ＦＥＴスイッチ、または接着剤などの接合材料でベース基板５６に結合された、事前に作成されたスイッチング素子であってもよい。
【００２２】
図示の実施形態では、第１の遅延段３２のマイクロストリップ遅延線Ｌ９〜Ｌ１２および第３の遅延段３６のマイクロストリップ遅延線Ｌ１３〜１６は、スターまたはファンアウト構成を有するように構成され、第２の遅延段３４および第４の遅延段３８のマイクロストリップ遅延線４８〜５４は、線形構成を有するように構成される。しかしながら、遅延段は、特定のアプリケーションの設計仕様に基づいた任意の数の代替構成を有するように構成できると考えられる。
【００２３】
本明細書で開示されるＴＴＤモジュール２２は、４つの遅延段と３６０度の遅延／位相シフト範囲とを備えた２５６状態ビームフォーマとして設計される。ＴＴＤモジュール２２は、Ｋｕ帯域全体にわたって、または１０〜１５ＧＨｚ帯域幅にわたって動作可能である。しかしながら、本明細書に開示される概念は、任意の数の遅延段を有するＴＴＤモジュールに拡張することができ、遅延段の数およびそれらの段内の個々の遅延線の長さは、特定のアプリケーションの所望の遅延量および結果として得られるビーム走査解像度に基づいて決定されると考えられる。同様に、本明細書で開示されるＴＴＤモジュール２２の寸法は約９ｍｍ×７．５ｍｍであるが、当業者はＴＴＤモジュール２２の寸法が特定のアプリケーションおよび／または周波数動作範囲の設計仕様に基づいて変更され得ることを認識する。
【００２４】
本発明の一実施形態によれば、スイッチ４４、４６は、図４に示すＭＥＭＳスイッチ６４と同様のＭＥＭＳスイッチとして提供される。ＭＥＭＳスイッチ６４は、接点６６と、たとえば片持ち梁などの可動要素６８とを含む。一部の実施形態では、可動要素６８は、可動要素６８と一体化され、可動要素６８をベース基板５６などの下にある支持構造に接続する役割を果たすアンカーによって支持されてもよい。図示の実施形態では、可動要素６８は、共通の梁部分に接続された２つの片持ち梁部分を含む片持ち梁である。しかしながら、可動要素６８は、他の実施形態において代替の幾何学的形状を有するように構成され得ることが考えられる。スイッチ６４はまた、電極７０と片持ち梁６８との間に電位差をもたらす電極または駆動手段７０を含む。非限定的な例として、接点６６、片持ち梁６８、および電極７０は、金、金合金、ニッケル、ニッケル合金、白金、タンタル、およびタングステンなどの少なくとも１つの導電性材料で少なくとも部分的に形成される。
【００２５】
図４に示されるように、ＭＥＭＳスイッチ６４の接点６６および可動要素６８は、ベース基板５６上にパターン化された２つのマイクロストリップ線９４ａと９４ｂとの間に形成され、電極７０は、マイクロストリップ線９４ａと９４ｂとの間に配置される。スイッチ６４は、たとえば蒸着、電気めっき、フォトリソグラフィ、ウェットおよびドライエッチングなどの微細加工技術によりベース基板５６上に形成され、それにより、スイッチ６４は、微小電気機械デバイス、ナノエレクトロメカニカルデバイスまたはＭＥＭＳの一部を構成する。そのような実施形態では、ＭＥＭＳスイッチ６４は、数もしくは数十マイクロメートルまたはナノメートル程度の特徴を有するように製造される。
【００２６】
適切に充電されると、ＭＥＭＳスイッチ６４の電極７０は、片持ち梁６８を電極７０および接点６６に引き寄せる静電力を生成する。したがって、電極７０は、ＭＥＭＳスイッチ６４に対してゲートとして作用し、片持ち式可動要素６８を、可動要素６８が接点６６（図４に示す）から分離される非接触、オフ、または開位置と、可動要素６８が接点６６と接触し、接点６６と電気通信を確立する、接触、オン、または閉位置との間で移動させ、これによりマイクロストリップ線９４ａと９４ｂとの間の回路を閉じる。
【００２７】
再び図２を参照すると、本発明の一実施形態では、ＴＴＤモジュール２２のスイッチ４４、４６は、図４に示すものと同様のオーム接触スイッチ機構である。代替実施形態では、ＴＴＤモジュール２２は、容量性接触またはシャントスイッチ機構を含む代替タイプのＭＥＭＳスイッチングデバイスを含んでもよい。あるいは、ＴＴＤモジュール２２は、熱、圧電、電磁気、気泡、ローレンツ力、表面張力、それらの組み合わせ、または当業内で既知のその他の作動方法を含むがこれらに限定されない、他のスイッチ作動技術を使用するスイッチングデバイスで製造できると考えられる。
【００２８】
たとえば、第３の遅延段３６の遅延線Ｌ１５などの所与の遅延線は、遅延線Ｌ１５上の入力スイッチ４４および出力スイッチ４６を閉じることによりアクティブ化される。ＴＴＤモジュール２２のＭＥＭＳスイッチ４４、４６は、ＭＥＭＳスイッチ４４、４６の電極７０に選択的ゲート電圧を印加することにより開位置と閉位置との間を移動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（図２）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（図２）に電気的に結合する。伝送線３０と同様に、ゲート線７２は、たとえば、蒸着、電気めっき、フォトリソグラフィ、ウェットおよびドライエッチングなどの微細加工技術を使用して製造することができる。明確にするために、一部のゲートドライバ７４およびそれらに対応するゲート線７２は図２から省略されているが、ＴＴＤモジュール２２のＭＥＭＳスイッチ４４、４６のそれぞれは、それぞれのゲート線およびドライバに結合されることが理解されるであろう。ＴＴＤモジュール２２は、マイクロストリップ線に結合され、かつＭＥＭＳスイッチ４４、４６が開位置にあるときに接点６６と片持ち梁６８との間に電位差を確立する電源（図示せず）も含む。
【００２９】
ここで図３を参照すると、ＴＴＤモジュール２２は、保護キャップまたは蓋１０２をさらに含むが、これは、下にあるマイクロストリップ伝送線３０を示すために図２から省略されている。マイクロストリップ伝送線３０およびスイッチング素子４４、４６、７８、８０、８２がベース基板５６上に形成された後、キャップ１０２は、たとえばはんだ、ガラスフリット、または金などのシール材料１０４の介在層によりベース基板５６に接合される。４つの第１の遅延段３２〜３８および関連するスイッチング素子４４、４６、７８、８０、８２は、キャップ１０２とベース基板５６との間に形成されたキャビティ１０６内に封入され、真空または気密封止される。キャビティ１０６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。キャップ１０２を含むＴＴＤモジュール２２は、各アンテナ素子１４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（図示せず）内に封止された複数のＴＴＤモジュール２２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。
【００３０】
図示のＴＴＤモジュール２２は、図３に示されるように、ベース基板５６の下に設けられた接地層１０８を備えた埋め込みマイクロストリップ構成で構成される。しかしながら、たとえば２つの接地線（図示せず）がベース基板５６上のマイクロストリップ伝送線３０と同一平面に設けられている接地コプレーナ導波路構成などの代替接地構成を有するＴＴＤモジュール２２を製造できると考えられる。さらに別の代替実施形態では、ＴＴＤモジュール２２は、その全体が参照により組み込まれるセネガル特許第１４／８３９，４０２号に記載されているのと同様の方法で、アンカー３０およびベース基板５６の上に配置された反転接地面（図示せず）で構成される。そのような実施形態では、伝送線３０の幅、長さ、およびルーティングパターンを変更することができ、全体のダイサイズが小さくなる。
【００３１】
ここで図５を参照すると、適宜図１および図２に示されている構造コンポーネントを参照して、たとえば図１のアンテナシステム１０などのアンテナシステムを使用してビームを走査するための技術またはプロセス１１０が、本発明の実施形態によって示されている。本明細書では、プロセス１１０は、アンテナシステム１０のコントローラ２４によって実行されるものとして説明されている。しかしながら、プロセス１１０は、別の実施形態では、異なるアンテナシステムまたはビームフォーマの別のコントローラまたは制御システムによって実行されてもよい。プロセス１１０では、コントローラ２４は、スパースマトリックスまたはアレイ制御手順を使用してアンテナシステムによって形成されたビームを走査し、ＴＴＤモジュール２２の選択された事前定義されたサブセットは、２つの異なるビーム動作状態間でＴＴＤモジュール２２を遷移させるように連続的に制御される。ビーム走査は、ランダム更新シーケンスに基づいて、アンテナシステム１０のポインティングベクトルを１つの離散的な場所から別の場所に経時的にモーフィングさせることによって実現される。以下でより詳細に説明するように、ビームが移動している間の全体的なビームプロファイルの許容可能な劣化に基づいて、スパースマトリックス更新技術を使用して、ＴＴＤモジュール２２のこのランダム更新シーケンスを定義および制御する。
【００３２】
ビーム走査動作中、コントローラ２４は、メークビフォアブレークスイッチング技術を使用して、アンテナシステム１０のサブセットＴＴＤモジュール２２のうちの１つのスイッチ４４、４６（図２）を選択的に動作させ、その後ＴＴＤモジュール２２の残りのサブセットで、連続的にスイッチング技術を実行する。メークビフォアブレークスイッチング技術は、第２の動作ビーム状態に遷移させる前に、ＴＴＤモジュール２２を第１の動作ビーム状態から少なくとも２つの並列遅延線が少なくとも１つの遅延段３２〜３８で同時にアクティブになる中間状態に遷移させる。この動作プロセス１１０の使用により、コントローラ２４は、アンテナ１２でビームを形成または出力し、ＴＴＤモジュール２２を完全に非アクティブ化することなく、かつＴＴＤモジュール２２のスイッチ４４、４６の作動または作動解除中に微小アークを発生させることなく、そのビームを走査することができる。
【００３３】
ビームを形成するために、コントローラ２４は、各ＴＴＤモジュール２２を制御して、各ＴＴＤモジュール２２のＲＦ信号入力４０とＲＦ信号出力４２との間で伝送線３０に沿った第１のＲＦ信号伝送経路がアクティブ化される第１の動作状態にする。第１の信号伝送経路は、各時間遅延段３２〜３８（図２）において１対の入力および出力スイッチ４４、４６を閉じることにより定義される。アンテナシステム１０によって形成されたビームを走査するために、コントローラ２４は、ホットまたはコールドスイッチング動作モードを実装するのではなく、メークビフォアブレークスイッチング技術を実装する。メークビフォアブレークスイッチング技術を使用して、コントローラ２４は、遅延段３２〜３８で既にアクティブな第１の時間遅延線を非アクティブ化または開く前に、ＴＴＤモジュール２２の少なくとも１つの遅延段３２〜３８で第２の時間遅延線をアクティブ化して、ＴＴＤモジュール２２をＲＦ信号入力４０とＲＦ信号出力４２との間の第２のＲＦ信号伝送経路が第１のＲＦ信号伝送経路と並行してアクティブ化される中間状態に遷移させる。コントローラ２４は、閉じたままである第１の対のスイッチ４４、４６と並列の、各適切な遅延段３２〜３８内の第２の対のスイッチ４４、４６を閉じることによりこれを達成する。スイッチ４４、４６の第２の対が閉じられた後にのみ、コントローラ２４はスイッチ４４、４６の第１の対を開き、それにより、ＴＴＤモジュール２２を、中間状態から各ＴＴＤモジュール２２のＲＦ信号入力４０とＲＦ信号出力４２との間で第２のＲＦ信号伝送経路のみがアクティブ化される第２の動作状態に遷移させる。
【００３４】
このように、コントローラ２４は、各ＴＴＤモジュール２２を、並列時間遅延線４８〜５４が同時にアクティブである中間状態を介して、第１の動作状態から第２の動作状態に遷移させる。遷移を行う際に、コントローラ２４は、ビームの現在の位置およびビームの所望の位置に応じて、各ＴＴＤモジュール２２の１つ以上の遅延段３２〜３８内の並列時間遅延線４８〜５４をアクティブ化してもよい。第１のビーム状態から中間状態へ、そして第２のビーム状態への例示的な遷移を図６Ａ〜図６Ｃに示す。ＴＴＤモジュール２２が図６Ａの第１のビーム状態で示されており、段３２の遅延線Ｌ１２、段３４の遅延線Ｌ４、段３６の遅延線Ｌ１５、および段３８の遅延線Ｌ８がアクティブであり、ＲＦ入力４０とＲＦ出力４２との間の第１の信号伝送経路を定義する。図６Ｂに示される中間状態では、段３２の遅延線Ｌ１１は、遅延線Ｌ１２と並行してアクティブ化される。段３４、３６、３８の遅延線Ｌ４、Ｌ１５、Ｌ８はアクティブのままである。所定の期間の後、時間遅延線Ｌ１２が非アクティブ化され、それにより、図６Ｃに示されるように、遅延線Ｌ１１、Ｌ４、Ｌ１５、およびＬ８を通過するＲＦ入力４０とＲＦ出力４２との間の第２の信号伝送経路を定義する。
【００３５】
同じ遅延段の以前にアクティブ化された遅延線と並列の１つの遅延線をアクティブ化すると、ＴＴＤモジュール２２が中間状態に遷移し、ホットスイッチング動作モードに関連する損傷が軽減される。第１のセットが閉じたままで第２のセットのスイッチ４４、４６を閉じることにより、このスイッチ動作は、第１のセットが開いている間に第２セットのスイッチ４４、４６の端子間に存在するであろう大きな電圧電位を排除することで、微小アークを軽減する。合計電流が並列遅延線セグメント間で分割されるため、微小アークが発生する可能性がさらに低下し、その結果各並列遅延線を流れる電流が小さくなる。
【００３６】
メークビフォアブレークスイッチング技術は、微小アークによるスイッチ４４、４６への損傷を軽減するが、２つの時間遅延線セグメント４８〜５４を並列にアクティブ化すると、ＴＴＤモジュール２２は誤ったＲＦ信号をそれぞれのアンテナ素子１４に出力するため、全体のビームを歪める。メークビフォアブレークスイッチング技術によって引き起こされるビーム歪みを軽減するために、コントローラ２４は、スパースマトリックス制御手順を利用して、個々のアンテナ素子１４の選択サブセットとそれらに対応するＴＴＤモジュール２２を連続的に制御して、ある状態から別の状態に遷移させる。
【００３７】
スパースマトリックス制御手順を使用して、コントローラ２４は、アンテナ素子１４およびそれらの対応するＴＴＤモジュール２２の総数を、アンテナ素子１４およびそれらのそれぞれのＴＴＤモジュール２２のいくつかのサブセットを含むスパースマトリックスまたはアレイにセグメント化する。アンテナ素子１４の各サブセットおよびそれぞれのＴＴＤモジュール２２は、それらが誤ったまたは歪んだＲＦ信号を出力している間は瞬間的に「失われる」特定の数および配置のアンテナ素子１４およびＴＴＤモジュール２２を含むが、これは、アンテナ１２がアンテナ素子１４の残りのサブセットの制御を介してＩＴＵ互換の放射パターンを持つビーム出力を継続するためである。別の言い方をすれば、スパースマトリックス制御手順により、アンテナ素子１４の１つのサブセットのＴＴＤモジュール２２は、アンテナ素子１４の残りのサブセットで許容可能な全体のビームプロファイル（すなわち、ＩＴＵ互換の放射パターン）を維持しながら、メークオアブレークスイッチング技術に従って走査することができる。
【００３８】
図７は、アンテナ１２（図１）のアンテナ素子１４を上述のスパースマトリックスアレイのサブセットに分割する方法の非限定的な例を示している。図７の例では、アンテナ１２は１４４個のアンテナ素子１４を含む。１４４個のアンテナ素子１４（および対応するＴＴＤモジュール２２）の３つの異なるサブセットが図７に示されている。アンテナ素子１４の第１のサブセットには「１」のラベルが付けられ、アンテナ素子１４の第２のサブセットには「２」のラベルが付けられ、アンテナ素子１４の第３のサブセットには「３」のラベルが付けられている。残りの番号の付いていないアンテナ素子１４およびそれらに対応するＴＴＤモジュール２２は、同様の方法で追加のサブセットに分割されると考えられる。図７に示される例示的な実施形態では、アンテナ素子１４の第１、第２、および第３のサブセットの各々は、アンテナ素子１４の見かけ上ランダムな配置を含む。ただし、各サブセット内のアンテナ素子１４の特定の位置と配置は、特定のサブセット内のアンテナ素子１４が２つのビーム状態間を遷移するときにアンテナ素子１４の残りのサブセットでビーム機能の許容レベルを維持しながら誤った信号を出力できるようにする、スパースマトリックスパターンに基づいて決定される。
【００３９】
一実施形態では、コントローラ２４は、ＴＴＤモジュール２２のサブセットの数および特定のサブセットへの各ＴＴＤモジュール２２の特定の割り当てを定義する事前定義された静的スパースマトリックスパターンでプログラムされる。あるいは、コントローラ２４は、コントローラ２４が所望のビームおよびビーム走査  特性の詳細に基づいてサブセットの数およびサブセットの割り当てを動的に定義することを可能にするプログラミングを提供されてもよい。スパースマトリックスパターンの定義方法に関係なく、スパースマトリックスパターンは、ビーム走査中のアレイ全体の許容可能なビーム品質を維持する、ＴＴＤモジュール２２のサブセットの制御手順を定義する。次に、アンテナ１２で形成されたビームが正しい位置に走査されるまで、スパースマトリックスパターンに従ってメークビフォアブレークスイッチング技術を一度にＴＴＤモジュール２２のただ１つの所定のサブセットで実装するコントローラ２４により、ビーム走査が実行される。非限定的な一例として、ＴＴＤモジュール２２の各サブセットがＴＴＤモジュール２２の総数の１０％を含む場合、スパースマトリックスパターンは、アンテナ素子１４で形成されたビームが所望の位置に走査されるまで、コントローラ２４が循環する１０の異なる設定を含む。
【００４０】
図５に戻って参照すると、プロセス１１０は、アンテナシステム１０のコントローラ２４がアンテナ素子１４で形成されたビームを走査するように指示されると、ステップ１１２で開始する。そうするために、コントローラ２４は、各ＴＴＤモジュール２２をその現在のまたは第１の動作状態から、ビームの所望の位置に関連する新しいまたは第２の動作状態に遷移させる。各ＴＴＤモジュール２２の現在の動作状態は、各遅延段３２〜３８の時間遅延線のスイッチ４４、４６の第１の対を閉じることによって形成されるマイクロストリップ伝送線３０（図２）を通る第１または元の信号伝送経路によって定義される。たとえば、１つ以上のＴＴＤモジュール２２を通る第１の信号伝送経路は、図６Ａに示されるように、ＲＦ信号入力４０から時間遅延線Ｌ１２、Ｌ４、Ｌ１５、およびＬ８を通り、ＲＦ信号出力４２に至る。
【００４１】
ステップ１１４で、コントローラ２４は、予めプログラムされたスパースマトリックスパターンに基づいて、ＴＴＤモジュール２２の第１の所定のサブセットを現在の動作状態から中間状態に遷移させる。遷移は、第１のＲＦ信号伝送経路と並列の第２のＲＦ信号伝送経路をアクティブ化するために、ＴＴＤモジュール２２の第１のサブセットのそれぞれの少なくとも１つの遅延段３２〜３８内のスイッチ４４、４６の１つの追加の対を閉じることによって実行される。したがって、ＴＴＤモジュール２２の第１のサブセットが中間状態に遷移すると、ＴＴＤモジュール２２の第１のサブセットのそれぞれの少なくとも１つの遅延段３２〜３８は、２つのアクティブな並列時間遅延線を有する。図６Ｂに示される例では、時間遅延線Ｌ１１およびＬ１２は、中間状態で並列にアクティブ化される。所望のビーム走査に応じて、１つ以上の他の遅延段３４、３６、および３８内の時間遅延線も、中間状態中にその段の他のアクティブな遅延線と並行してアクティブ化されてもよい。
【００４２】
ステップ１１６で、ＴＴＤモジュール２２の第１のサブセットが中間状態に遷移した後、コントローラ２４は、新たにアクティブ化された第２の時間遅延線４８〜５４と並列である第１の時間遅延線４８〜５４を非アクティブ化し、それにより、ＴＴＤモジュール２２の第１のサブセットは、第２のまたは新しい動作状態に遷移する。ＴＴＤモジュール２２の第１のサブセットが新しい動作状態に遷移すると、第２のＲＦ信号伝送経路のみがアクティブのままである。図６Ｃに示される例では、ステップ１１６で遅延線Ｌ１２が非アクティブ化され、それにより、Ｌ１１、Ｌ４、Ｌ１５、およびＬ８を通る信号伝送経路が定義される。
【００４３】
ステップ１１８で、コントローラ２４は、ＴＴＤモジュール２２のすべての追加の事前定義されたサブセットが、スパースマトリックス制御手順に従ってそれらの現在の状態から新しい状態に遷移したかどうかを判定する。遷移していない場合、コントローラ２４は、ビームを所望の方向に走査するために、ＴＴＤモジュール２２の残りのサブセットのそれぞれでステップ１１４、１１６を繰り返す。たとえば、プロセス１１０はステップ１１４に戻り、ステップ１１４でコントローラ２４は、ビームを走査し続けるために、ＴＴＤモジュール２２の第２のサブセットを中間状態に遷移させる。次に、ステップ１１６で、コントローラ２４は、ＴＴＤモジュール２２の第２のサブセットを、新たにアクティブな第２の信号伝送経路を備えた新しい状態に遷移させる。コントローラ２４は、ビームを所望の方向に走査するために、ＴＴＤモジュール２２の各サブセットが新しい状態に遷移するまでステップ１１４、１１６を繰り返す。
【００４４】
一部の実施形態では、プロセス１１０は、コントローラ２４がステップ１１４〜１１８を繰り返してビームの走査を継続するかどうかを判定するオプションのステップ１２０を含む。オプションのステップ１２０を使用して、あるビーム状態から別のビーム状態への各ＴＴＤモジュール２２のビームシフト全体を単一のシフトで達成するのではなく、ビームをその所望の最終位置に段階的に走査することができる。この段階的走査手順を使用して、コントローラ２４は、所望のビーム方向に対応する最終状態に到達する前に、ＴＴＤモジュールのサブセットを複数回循環する。オプションとして、コントローラ２４は、スパースマトリックス制御手順を利用して、ＴＴＤモジュール２２の異なるサブセットをシフトする異なるシーケンスおよび／またはビームの各段階的シフトに対するそれらのサブセット内の個々のＴＴＤモジュール２２の異なる割り当てを動的に定義してもよい。このように、コントローラ２４は、実質的に方向を一度に変更する代わりに、ステップ１２０を実施して、ビームをその最終位置に段階的に走査することができる。しかしながら、プロセス１１０がステップ１２０を含むかどうかにかかわらず、プロセス１１０は、ビームが所望の方向を指している状態でステップ１２２で終了する。
【００４５】
ＴＴＤモジュール２２の異なる動作状態間の遷移を改善するために、コントローラ２４はプリエンファシススイッチング技術を実装してもよい。プリエンファシススイッチング技術では、スイッチ４４、４６の対を開閉するためにゲートアクティブ化信号を送信するステップと、スイッチ４４、４６の対を実際に開閉するステップとの時間遅延を考慮する。この時間遅延は、スイッチ４４、４６の並列対が同時に閉じられる時間を最小化するために使用される。たとえば、非限定的な実施形態では、ゲートアクティブ化信号を送信してからスイッチ４４、４６の第２の対を閉じるまでに４マイクロ秒の時間遅延が発生し、一方でゲートアクティブ化信号を送信してからスイッチ４４、４６の第１の対が実際に開くまでに１００ナノ秒の時間遅延が発生する場合がある。その例では、スイッチ４４、４６の第２の対が閉じた後にスイッチ４４、４６の第１の対に開信号を送信する代わりに、コントローラ２４は、プリエンファシススイッチング技術を使用してそれより少し前、たとえば９０ナノ秒前に、開ゲート信号をスイッチ４４、４６の第１の対に送信してもよい。コントローラ２４が、スイッチ４４、４６の第２の対が閉じる９０ナノ秒前に、スイッチの第１の対に開くように信号を送る場合、スイッチの２つの対は、１００ナノ秒ではなく１０ナノ秒だけ同時に閉じられる。このように、プリエンファシススイッチング技術は、スイッチ４４、４６の並列セットが同時に閉じられる時間を短縮し、ＴＴＤモジュール２２が機能しない時間を短縮する。
【００４６】
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ビームフォーマを提供する。ＴＴＤビームフォーマは、ＴＴＤモジュール内のスイッチを制御するコントローラとともに、複数のアンテナ素子とそれぞれのＴＴＤモジュールを含む。コントローラはスイッチを制御して、ＴＴＤモジュールを通る信号伝送経路を複数の時間遅延線を介してアクティブ化する。コントローラがスイッチを動作させてアンテナ素子でビームを形成すると、コントローラは、メークビフォアブレークスイッチング技術とスパースマトリックス制御手順を使用してビームを走査する。コントローラは、並列時間遅延線のスイッチを閉じることにより、ＴＴＤモジュールを１つの動作状態から別の動作状態に遷移させる。これらの並列時間遅延線をアクティブ化すると、閉じたときに大きな電圧電位が端子間に存在せず、開いたときに小さな電流がスイッチに流れるため、スイッチの端子間の微小アークが軽減される。さらに、コントローラは、スパースマトリックスパターンに従って、ＴＴＤモジュールの１つのサブセット内のこれらの並列遅延線を一度にアクティブ化する。スパースマトリックスパターンにより、ＴＴＤモジュールの特定の配置は、任意の所与の時点で誤った信号を瞬間的に出力することができ、それにより、ビームの全体的なビームパターンを大幅に損なうことなく、ＴＴＤモジュールのサブセット内の並列遅延線をアクティブ化できる。したがって、コントローラによって実装されるメークビフォアブレーク技術とスパースマトリックス制御手順の組み合わせにより、ＴＴＤビームフォーマは、ＴＴＤモジュールへの入力フィードを遮断せずに、ＴＴＤモジュールのスイッチの劣化を激化させず、またはアンテナ素子で形成されたビームを非機能的にせずに、連続的に動作できる。
【００４７】
本発明の一実施形態によれば、アンテナシステムは複数のＴＴＤモジュールを含む。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代替ＲＦ信号伝送経路を選択的に定義するように構成された複数のスイッチング素子を有する。アンテナシステムはまた、複数のＴＴＤモジュールの少なくともサブセット内のスイッチング素子の第１の対を閉じて、第１のＲＦ信号伝送経路をアクティブ化するステップ、複数のＴＴＤモジュールのサブセットのスイッチング素子の第２の対を閉じて、第２のＲＦ信号伝送経路をアクティブ化するステップであって、第２のＲＦ信号伝送経路は第１のＲＦ伝送経路と並列であるステップ、およびスイッチング素子の第２の対を閉じた後、ＴＴＤモジュールのサブセットのスイッチング素子の第１の対を開くステップにより、複数のＴＴＤモジュールを制御してビームを走査するようにプログラムされたコントローラを含む。
【００４８】
本発明の別の実施形態によれば、ビームを走査する方法は、ＴＴＤモジュールのＲＦ信号入力とＲＦ信号出力との間の第１のＲＦ伝送経路をアクティブ化することにより、複数のＴＴＤモジュールを第１の状態で動作させるステップを含む。さらに、この方法は、ＴＴＤモジュールの第１のサブセットの第１のＲＦ伝送経路がアクティブのままである間に、複数のＴＴＤモジュールの第１のサブセットのＲＦ信号入力とＲＦ信号出力との間の第２のＲＦ伝送経路をアクティブ化して、複数のＴＴＤモジュールの第１のサブセットを中間状態にするステップを含み、第２のＲＦ伝送経路は第１の遅延線と並列である。さらに、この方法は、ＴＴＤモジュールの第１のサブセットの第１のＲＦ伝送経路を非アクティブ化して、ＴＴＤモジュールの第１のサブセットを第２の状態で動作させるステップを含む。
【００４９】
本発明のさらに別の実施形態によれば、ビーム形成システムは、複数のアンテナ素子と、複数のアンテナ素子にＴＴＤ信号を送信するように構成された複数のダイとを含むアンテナを含む。各ダイは、第１のＲＦ伝送経路がアクティブ化される第１の状態、第１のＲＦ伝送経路、および第１のＲＦ伝送経路と並列である第２のＲＦ伝送経路がアクティブ化される中間状態、ならびに第２のＲＦ伝送経路がアクティブ化され、第１のＲＦ伝送経路が非アクティブ化される第２の状態で選択的に制御可能な複数のスイッチを含む。ビーム形成システムは、複数のダイの第１のサブセットを制御して、第１の状態から中間状態に遷移させ、中間状態から第２の状態に遷移させ、複数のダイの第１のサブセットが第２の状態に遷移した後、複数のダイの複数の追加のサブセットを連続的に制御して、第１の状態から中間状態に遷移させ、中間状態から第２の状態に遷移させるようにプログラムされたコントローラをさらに含む。
【００５０】
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。
【００５１】
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】
2020537440.tif 000003
【図２】
2020537440.tif 000004
【図３】
2020537440.tif 000005
【図４】
2020537440.tif 000006
【図５】
2020537440.tif 000007
【図６Ａ】
2020537440.tif 000008
【図６Ｂ】
2020537440.tif 000009
【図６Ｃ】
2020537440.tif 000010
【図７】
2020537440.tif 000011
【国際調査報告】
2020537440.tif 000012
2020537440.tif 000013