CN111201724B - 真延时波束成形器及操作方法 - Google Patents

Abstract

一种天线系统包括多个真延时(TTD)模块，每个TTD模块包括多个切换元件，多个切换元件被配置为选择性地限定TTD模块的信号输入与TTD模块的信号输出之间的备选RF信号传输路径。控制器被编程以根据先通后断切换技术控制多个TTD模块通过以下方式对波束进行导向：闭合多个TTD模块的至少一个子集内的第一对切换元件，以激活第一RF信号传输路径；闭合多个TTD模块的该子集的第二对切换元件，以激活与第一RF传输路径并联的第二RF信号传输路径；以及在闭合第二对切换元件之后，断开TTD模块的该子集的第一对切换元件。

Description

真延时波束成形器及操作方法

技术领域

本发明的实施例总体上涉及用于电可控阵列天线或相控阵列天线的真延时(TTD)波束成形器，并且更具体地，涉及包括TTD模块的TTD波束成形器，这些TTD模块结合有由先通后断(make-before-break)方法和稀疏阵列方法相结合控制的射频(RF)微机电系统(MEMS)开关。

背景技术

电可控天线(ESA)系统或相控阵列天线(PAA)系统将来自多个固定天线单元的信号进行组合以使无线电波束指向空间中的某一角度。以这样的方式对波束的特性和角度进行控制：在不同方向上对波束以电子方式进行导向，而不在物理上移动天线。相控阵列天线中的电子波束导向通常以以下两种方式之一完成：通过使用移相器和真延时器件。TTD波束导向与移相器类型的方法的不同之处在于，器件的固有带宽，以及器件所引入的是延时而不是相移。这些区别使得TTD器件能够在用于形成天线波束和零点的超宽带应用中使用。这对于电子作战系统和宽带通信应用是有利的。

通过改变每个天线单元的激励时间，实现经由TTD的波束导向。TTD模块是由与不同长度的传输线耦接的高速开关制成的。通过选择传输线的特定组合来控制信号在电子器件与天线之间传输所花费的时间量，这对RF信号引入了期望的延时量。传输线的选择可以使用不同类型的切换元件(比如RF MEMS开关)来实现，RF MEMS开关具有有益的隔离和插入损耗特性，有利于在TTD应用中实现。这些RF MEMS开关使用电力致动的机械运动实现RF传输线中的开路或闭路。当RF MEMS器件处于接通位置时，RF传输线“闭合”并且处于RF信号路径内。当RF MEMS器件处于断开位置时，RF传输线“断开”，并且RF传输线与RF信号路径隔离。

在TTD模块中，可以使用被称作热切换的操作模式来对RF MEMS开关进行致动和去致动(de-actuated)。当RF MEMS开关的端子之间存在大电压电势时将RF MEMS开关从断开位置致动到接通位置，或者当有大电流流过RF MEMS开关的闭合触点时将RF MEMS开关从接通位置去致动到断开位置，发生热切换。在热切换的任意一种情况下，RF MEMS开关触点处都会发生微电弧放电，这加剧了材料的劣化，并因此缩短了触点的寿命。尝试改变RF MEMS开关的冶金特征或其他结构特征来改善热切换性能是非常具有挑战性的并且是非常昂贵的。因此，尽管热切换使得TTD模块能够一直保持是“热”的并传导RF信号，但是热切换仍然是一种不可取的操作模式，因为它增加了RF MEMS开关故障的风险。对于发射阵列中RF信号的信号幅度通常比接收阵列中的高几个数量级的情况，这尤其是成问题的。

还可以根据被称作冷切换的另一操作模式来控制RF MEMS开关。在冷切换中，在对RF MEMS开关进行致动或去致动之前，切断RF MEMS开关的RF输入。由于是在RF MEMS开关不传导RF信号时对其进行操作，因此操作RF MEMS开关将不会像在热切换期间操作RF MEMS开关那样产生微电弧放电或使RF MEMS开关显著劣化。在RF MEMS开关已被致动或去致动之后，再向RF MEMS开关提供RF信号。尽管冷切换对RF MEMS开关提供了额外的保护，但冷切换也是不可取的，因为必须完全关闭RF输入信号来执行冷切换。因此，在切换周期期间，TTD模块不能提供输出信号。此外，由于必须在改变TTD模块的状态之前选择性地禁用来自每个TTD模块的RF路径，所以该方法将相当大程度上增加电路复杂性和成本。一个更简单的方法是，切断大量TTD模块的RF输入，并同时改变所有TTD模块的状态。然而，这种方法将导致天线波束方向图的严重退化。

因此，希望使用改善了切换元件的可靠性和寿命、同时不关闭TTD模块的输入信号的操作模式来对TTD模块的切换元件进行致动。

发明内容

根据本发明的一个方面，一种天线系统包括多个TTD模块。每个TTD模块具有多个切换元件，多个切换元件被配置为选择性地限定TTD模块的信号输入与TTD模块的信号输出之间的备选RF信号传输路径。该天线系统还包括控制器，控制器被编程为控制多个TTD模块通过以下方式对波束进行导向：闭合多个TTD模块的至少一个子集内的第一对切换元件，以激活第一RF信号传输路径；闭合多个TTD模块的该子集的第二对切换元件，以激活第二RF信号传输路径，第二RF信号传输路径与第一RF传输路径并联；以及在闭合第二对切换元件之后，断开TTD模块的该子集的第一对切换元件。

根据本发明的另一方面，一种对波束进行导向的方法包括，通过激活多个TTD模块的RF信号输入与RF信号输出之间的第一RF传输路径，以使TTD模块在第一状态下操作。此外，该方法包括，在多个TTD模块的第一子集的第一RF传输路径保持活动的同时，激活TTD模块的第一子集的RF信号输入与RF信号输出之间的第二RF传输路径，以将多个TTD模块的第一子集转换到中间状态，第二RF传输路径与第一RF传输路径并联。此外，该方法包括，去激活TTD模块的第一子集的第一RF传输路径，以使TTD模块的第一子集在第二状态下操作。

根据本发明的又一方面，一种波束成形系统包括：天线，其包括多个天线单元；以及多个管芯，其被构造成向多个天线单元发送TTD信号。每个管芯包括多个开关，多个开关能够在第一状态、中间状态以及第二状态下被选择性地控制，在第一状态下第一RF传输路径被激活，在中间状态下第一RF传输路径和与第一RF传输路径并联的第二RF传输路径被激活，在第二状态下第二RF传输路径被激活并且第一RF传输路径被去激活。波束成形系统还包括控制器，其被编程为控制多个管芯的第一子集从第一状态转换到中间状态并从中间状态转换到第二状态，以及在多个管芯的第一子集转换到第二状态之后，按顺序控制多个管芯的多个其他子集从第一状态转换到中间状态并从中间状态转换到第二状态。

从下面结合附图提供的本发明优选实施例的详细描述中，将更容易理解这些和其他优点和特征。

附图说明

附图示出了目前预期用于实现本发明的实施例。

在附图中：

图1是具有相控阵列天线的天线系统的简化示意图，该相控阵列天线采用TTD实现波束导向。

图2是根据本发明的一个实施例的能够与图1的天线系统一起使用的TTD模块的示意性俯视图。

图3是沿线3-3截取的图2的TTD模块的截面图。

图4是根据本发明的一个实施例的能够用于图2的TTD模块中的示例性电子切换器件的示意图。

图5是示出根据本发明的实施例的使用图1的天线系统对波束进行导向的技术的流程图。

图6A至图6C示出了根据本发明的实施例的图2的TTD模块在第一波束状态、中间状态以及第二波束状态之间的示例性转换。

图7是根据本发明的实施例的图1的相控阵列天线的布置的非限制性示例，其中相控阵列天线的天线单元被划分成不同的子集。

具体实施方式

本发明的实施例提供了一种用于波束成形器的控制系统，其用于在诸如相控阵列天线(PAA)系统或电可控天线(ESA)系统的应用中对波束进行导向。波束成形器包括具有多个天线单元的天线和与多个天线单元对应的多个TTD模块。每个TTD模块具有多个开关或切换元件或器件，控制系统根据先通后断和稀疏矩阵控制策略选择性地致动和去致动这些开关或切换元件或器件。为了移动、改变或导向天线单元输出的波束，控制系统根据天线单元和TTD模块的稀疏矩阵选择性地控制TTD模块总数的集合或子集的切换元件，以激活或闭合TTD模块内的附加延时线，从而将TTD模块的子集从第一操作状态转换到中间状态。一旦并联的延时线被激活，控制系统就控制TTD模块的子集的切换元件去激活或断开通过TTD模块的子集的原始或初始延时线，以将TTD模块的子集转换到第二操作状态。然后，控制器对TTD模块的其他子集的开关执行相同的操作，直到波束被导向成指向期望的方向。以此方式激活并联的信号传输路径，防止了在未去除TTD模块的信号输入的情况下断开和闭合切换元件时发生微电弧放电。此外，仅对TTD模块的子集执行该方法确保了波束在导向过程期间保持国际电信联盟(ITU)兼容辐射方向图。

首先参考图1，示出了根据本发明的实施例的无源电子导向天线或波束成形系统或波束成形器10的简化示意图。在一个非限制性实施例中，天线系统10是雷达系统。天线系统10包括天线12，天线12由用于发射和接收信号的多个辐射单元14构造而成。这些辐射天线单元14由源16进行馈送，源16提供RF馈入或输入，例如具有预定波长的RF调制信号。该RF输入由发送/接收开关18通过分路器/合路器20发送到与每个天线单元14对应的真延时(TTD)波束成形器或模块22。控制器或控制系统24向驱动器管芯26提供驱动信号，驱动器管芯26选择性地控制TTD模块22内的切换元件使得从每个TTD模块22产生延时的信号输出。每个TTD模块22将其延时的信号输出到各自的天线单元14。天线单元14接收到的信号通过分路器/合路器20被发送到接收器28。

虽然在图1中没有具体示出，但是可以设想，本发明的实施例可以构造成用于包括垂直极化和水平极化的独立波束控制以及每种极化的单独波束控制电路的有源可控天线。另外，虽然图1仅示出了四个天线单元14和四个相应的TTD模块22，但是可以设想，天线12可以包括数百或数千个天线单元14和相应的TTD模块22，从而能够使用复杂的RF馈送方案。更多数量的天线单元14和TTD模块22也可以使得即使它们其中的一些不可操作或间断，也能够使操作有效。

图2是根据本发明的一个实施例的结合在图1的天线系统10中的TTD模块22的示意性俯视图。TTD模块22包括在基板56上图案化的微带传输线或信号线30，以包括四(4)组延时级32、34、36、38。使用本领域已知的沉积、图案化和/或蚀刻技术形成微带传输线30。在优选实施例中，基板56由熔融石英形成，其减少电流泄漏并改进开关通道隔离。根据可选实施例，基板56可以是绝缘、半绝缘材料或半导体材料，例如但不限于，玻璃、氧化铝、石英、聚酰亚胺、砷化镓、硅或锗。可选地，基板56可以是处理成包括开关或切换元件或器件44、46和微带传输线30的半导体晶片。

微带传输线30可以是任何导电材料，例如铜、金、钨/镍/金堆叠，或其他普通封装材料。如图所示，微带传输线30被图案化成使得延时级32、34、36、38串联连接，第一延时级32耦接TTD模块22的RF信号输入40，并且第四延时级38耦接TTD模块22的RF信号输出42。延时级32、34、36、38中的每一个都包括输入电子切换元件44和输出电子切换元件46，输入电子切换元件44和输出电子切换元件46被选择性地控制成处于它们的接通或断开位置，以将累积的延时插入到发送到各自的天线单元14(图1)的传输信号中，如将在下面进一步详细描述的。虽然元件40和42在本文中分别被描述为输入和输出，但是可以设想，元件40、42的功能可以颠倒，使得元件40是RF信号输出，并且元件42是RF信号输入。类似地，应当理解，当RF信号从RF信号元件40通过TTD模块22传输到RF信号元件42时，切换元件44和46用作相应微带延时线L1-L16的相应“输入”和“输出”切换元件，而当信号沿相反方向传输时，切换元件44和46分别用作“输出”和“输入”切换元件。

第一延时级32包括在TTD模块22的基板56上图案化的四个微带延时线L9-L12。每个延时级内的延时线具有不同的长度，以对RF输入信号40引入不同的延时。传输信号的相位与相应的延时线引入的延时成比例地偏移。第二延时级34、第三延时级36和第四延时级38以与第一延时级32类似的方式形成，延时级34包括微带延时线L1-L4，延时级36包括微带延时线L13-L16，并且延时级38包括微带延时线L5-L8，这些微带延时线具有不同的长度并且在基板56上图案化。

TTD模块22在图2中示出为单片TTD模块，其中所有微带延时线L1-L16全部位于基板56上。换句话说，每个微带延时线L1-L16都是片上延时线。然而，在一些实施例中，微带延时线L1-L16中的一些或全部可以是片外延时线，这意味着相应的延时线的全部或一部分未形成在基板56上并且位于TTD模块22外部的位置处，例如，与TTD模块22耦接的封装结构。这些片外延时线的功能将类似于上述的片上延时线(即，选择性地将RF输入40与RF输出42耦接)，但可以显著地长于片上延时线。在一个非限制性实施例中，片外延时线可以包括形成于TTD模块22外部的片外部分和一对片上部分，其中第一片上部分将其中一个开关44耦接到片外部分的第一端，并且第二片上部分将其中一个开关46耦接到片外部分的第二端。第一片上部分和第二片上部分与片外部分的相应的第一端和第二端之间的连接将通过适用的连接元件(例如，形成在基板56上的接合焊盘)来实现。在另一实施例中，片外延时线可以形成为片外延时线没有任何部分在基板56上图案化。在这种情况下，片外延时线可以通过基板56或保护帽或盖102直接与开关44、46耦接，保护帽或盖102将下面参照图3进一步进行描述。

再次参考图2，线段58、60、62将延时级32-38相互连接。通过以与上述类似的方式选择性地闭合四个微带延时线之一上的给定开关对44、46，同时将其余开关对44、46保持在断开位置，每个后续的延时级34-38向RF输入信号40引入额外的相移。切换器件44、46分别位于基板56上每个微带延时线L1-L16的端子输入和端子输出处。在开关44、46为MEMS器件的实施例中，开关44、46使用包括多个沉积、阳极氧化、图案化和蚀刻步骤的构建技术形成。在可选实施例中，切换元件44、46可以是分路开关、FET开关、或利用接合材料(比如粘合剂)耦接到基板56的预制切换元件。

在所示实施例中，第一延时级32的微带延时线L9-L12和第三延时级36的微带延时线L13-16构造成具有星形或扇形展开构造，并且第二延时级34和第四延时级38的微带延时线48-54构造成具有线性构造。然而，可以设想，延时级可以基于特定应用的设计规范而构造成具有任意数目的可选构造。

本文公开的TTD模块22被设计为256状态波束成形器，具有四(4)个延时级和360度的延迟/相移范围。TTD模块22可以在整个Ku频带上或在10-15GHz带宽上操作。然而，可以设想，本文所揭示的概念可以扩展到具有任意数目的延时级的TTD模块，其中延时级的数目和那些延时级内的单独延时线的长度基于特定应用所需的延迟量和得到的波束导向分辨率来确定。同样，虽然本文公开的TTD模块22的尺寸大约为9mm×7.5mm，但是本领域技术人员将认识到，TTD模块22的尺寸可以基于特定应用的设计规范和/或频率操作范围而改变。

根据本发明的一个实施例，开关44、46被实现为MEMS开关，类似于图4中所描绘的MEMS开关64。MEMS开关64包括触点66和可移动元件68，比如悬臂梁。在一些实施例中，可移动元件68能够由锚定件支撑，锚定件可以集成于可移动元件68并且用于将可移动元件68连接到下方的支撑结构上，比如基板56。在所示实施例中，可移动元件68是悬臂梁，其包括与公共梁部分连接的两个悬臂部分。然而，可以设想，在其他实施例中，可移动元件68可以构造成具有可选的几何形状。开关64还包括影响电极70与悬臂梁68之间的电势差的电极或驱动器件70。作为非限制性示例，触点66、悬臂梁68和电极70至少部分地由至少一种导电材料形成，比如金、金合金、镍、镍合金、铂、钽和钨。

如图4所示，MEMS开关64的触点66和可移动元件68形成在基板56上图案化的两个微带线94a与94b之间，电极70位于微带线94a与94b之间。开关64可以通过微制造技术(例如，气相沉积、电镀、光刻、湿法蚀刻和干法蚀刻等)形成在基板56上，使得开关64构成微机电器件、纳米机电器件或MEMS的一部分。在这样的实施例中，MEMS开关64被制造成具有几或几十微米或纳米数量级的特征。

当适当充电时，MEMS开关64的电极70产生将悬臂梁68拉向电极70和触点66的静电力。因此电极70相对于MEMS开关64充当门，使得悬臂式可移动元件68在非接触、断开或开路位置与接触、接通或闭合位置之间移动，在非接触、断开或开路位置，可移动元件68与触点66(图4中所示)分离，在接触、接通或闭合位置，可移动元件68与触点66接触并建立与触点66的电连通，从而闭合微带线94a与94b之间的电路。

再次参考图2，在本发明的一个实施例中，TTD模块22的开关44、46是类似于图4所示的欧姆接触开关机构。在可选实施例中，TTD模块22可以包括替代类型的MEMS切换器件，包括电容性触点或分路开关机构。可选地，可以设想，TTD模块22可以用采用其他开关致动技术的切换器件来制造，其他开关致动技术包括但不限于，热、压电、电磁、气泡、洛伦兹力、表面张力、其组合，或本领域已知的任何其他致动方法。

通过闭合延时线L15上的输入开关44和输出开关46来激活给定的延时线，比如第三延时级36的延时线L15。通过向MEMS开关44、46的电极70施加选择性门控电压，控制TTD模块22的MEMS开关44、46在它们的断开和闭合位置之间移动。该门控电压通过在基板56上图案化的门控线72(图2)提供。门控线72将MEMS开关44、46电耦接到门控电压源或门控驱动器74(图2)。类似于传输线30，可以使用例如气相沉积、电镀、光刻、湿法蚀刻和干法蚀刻等微制造技术来制造门控线72。虽然为了清楚起见，图2中省略了一些门控驱动器74及其对应的门控线72，但是应当理解，TTD模块22的MEMS开关44、46中的每一个都耦接到相应的门控线和驱动器。TTD模块22还包括电源(未示出)，其与微带线耦接，并且当MEMS开关44、46处于断开位置时在MEMS开关44、46的触点66与悬臂梁68之间建立电势差。

现在参考图3，TTD模块22还包括保护帽或盖102，为了说明下方的微带传输线30，在图2中省略了保护帽或盖102。在基板56上形成微带传输线30和切换元件44、46、78、80、82之后，利用密封材料104(例如焊料、玻璃熔块或金)制成的中间层将盖102黏合到基板56上。四个第一延时级32-38以及相关的切换元件44、46、78、80、82被封闭并真空或气密地被密封在盖102与基板56之间形成的空腔106内。空腔106可以填充电介质，例如但不限于，空气或电介质气体，比如氮气。包括帽102的TTD模块22可以封装成与每个天线单元14对应的单独模块，或者封装成包括密封在晶片级帽(未示出)内的多个TTD模块22的晶片级封装。

如图3所示，图示的TTD模块22构造成具有嵌入式微带构造，其中接地层108设置在基板56下方。然而，可以设想，TTD模块22可以制造成具有替代的接地构造，例如接地共面波导构造，其中两条接地线(未示出)被设置成与基板56上的微带传输线30共面。在又一可选实施例中，TTD模块22构造成具有反向接地平面(未示出)，其以与SN 14/839,402中所描述的类似方式定位在锚定件30和基板56上方，SN 14/839,402通过引用整体并入本文。在这样的实施例中，可以改变传输线30的宽度、长度和布线图案，并且可以减小整个管芯尺寸。

现在参照图5，适当地返回参照图1和图2所示的结构部件，示出了根据本发明的实施例的用于使用天线系统(例如图1的天线系统10)对波束进行导向的技术或过程110。过程110在本文中描述为由天线系统10中的控制器24执行。然而，在可选实施例中，过程110可以由不同天线系统或波束成形器的另一控制器或控制系统执行。在过程110中，控制器24使用稀疏矩阵策略或阵列控制策略对天线系统形成的波束进行导向，其中，依次控制TTD模块22的选定预定子集以将TTD模块22在两个不同波束操作状态之间转换。通过基于随机更新序列随时间将天线系统10的指向矢量从一个离散位置改变到另一个离散位置来实现波束导向。稀疏矩阵更新技术用于基于波束移动时整个波束轮廓的可接受退化来定义和控制TTD模块22的该随机更新序列，其将下文更详细地进行描述。

在波束导向操作期间，控制器24使用先通后断切换技术来选择性地操作天线系统10的TTD模块22的其中一个子集的开关44、46(图2)，并且然后以顺序方式对TTD模块22的剩余子集执行切换技术。先通后断切换技术将TTD模块22从第一操作波束状态转换到中间状态，在中间状态下，在转换到第二操作波束状态之前，至少一个延时级32-38中的两条并联的延时线同时活动。使用该操作过程110允许控制器24在天线12处形成或输出波束并对该波束进行导向而无需完全去激活TTD模块22，并且在致动或去致动TTD模块22的开关44、46时不会发生微电弧放电。

为了形成波束，控制器24控制每个TTD模块22处于第一操作状态，在第一操作状态下，在相应的TTD模块22的RF信号输入40和RF信号输出42之间，沿着传输线30的第一RF信号传输路径被激活。通过闭合每个延时级32-38(图2)中的一对输入和输出开关44、46来限定第一信号传输路径。为了对天线系统10形成的波束进行导向，控制器24实施先通后断切换技术，而不是实施热切换或冷切换操作模式。使用先通后断切换技术，在去激活或断开延时级32-38中已经激活的第一延时线之前，控制器24激活TTD模块22的至少一个延时级32-38中的第二延时线，以将TTD模块22转换到中间状态，在中间状态下，RF信号输入40和RF信号输出42之间的第二RF信号传输路径被激活，第二RF信号传输路径与第一RF信号传输路径并联。控制器24通过以下方式来实现这一点：闭合每个适当的延时级32-38中的第二对开关44、46，第二对开关44、46与第一对开关44、46并联，第一对开关44，46保持闭合。只有在第二对开关44、46闭合之后，控制器24才断开第一对开关44、46，从而将TTD模块22从中间状态转换到第二操作状态，在第二状态下，在相应的TTD模块22的RF信号输入40和RF信号输出42之间，只有第二RF信号传输路径被激活。

因此，控制器24经由中间状态将每个TTD模块22从第一操作状态转换到第二操作状态，在中间状态下，并联的延时线48-54同时是活动的。在进行转换时，控制器24可以根据波束的当前位置和波束的期望位置来激活每个TTD模块22的一个或多个延时级32-38中的并联延时线48-54。在图6A至图6C中示出了从第一波束状态到中间状态、然后到第二波束状态的示例性转换。TTD模块22在图6A中描绘为处于第一波束状态，其中，级32的延时线L12、级34的延时线L4、级36的延时线L15以及级38的延时线L8是活动的，以限定RF输入40与RF输出42之间的第一信号传输路径。在图6B所示的中间状态下，与延时线L12并联的级32的延时线L11被激活。级34、36和38的延时线L4、L15和L8保持活动。在预定时间段之后，去激活延时线L12，由此限定RF输入40和RF输出42之间的第二信号传输路径，第二信号传输路径通过延时线L11、L4、L15和L8，如图6C所示。

激活与同一延时级的先前激活的延时线并联的一个延时线，将TTD模块22转换到中间状态，减少了与热切换操作模式相关的损坏。通过在第一组开关保持闭合的同时闭合第二组开关44、46，消除了在第一组开关断开的情况下存在于第二组开关44、46的端子之间的大电压电势，从而使切换操作减少微电弧放电。因为总电流在并联延时线段之间被分配，使得流过每个并联延时线的电流减小，所以进一步降低了微电弧放电的可能性。

虽然先通后断切换技术减少了微电弧放电对开关44、46造成的损坏，但是激活并联的两个延时线段48-54使得TTD模块22向它们各自的天线单元14输出不正确的RF信号，并且因此使整个波束失真。为了减轻先通后断切换技术引起的波束失真，控制器24利用稀疏矩阵控制策略按顺序控制各个天线单元14及其对应的TTD模块22的选定子集从一个状态转换到另一状态。

使用稀疏矩阵控制策略，控制器24将天线单元14及其对应的TTD模块22的总数目分割成稀疏矩阵或阵列，该稀疏矩阵或阵列包括天线单元14的多个子集及其对应的TTD模块22。天线单元14的每个子集和相应的TTD模块22包括特定数目和布置的天线单元14和TTD模块22，并且在它们输出不正确或失真的RF信号时可以被暂时“丢失”，同时通过控制天线单元14的剩余子集，天线12继续输出具有ITU兼容辐射方向图的波束。换句话说，稀疏矩阵控制策略允许根据先通后断切换技术对天线单元14的一个子集的TTD模块22进行导向，同时利用天线单元14的剩余子集，仍然保持可接受的总波束轮廓(即，ITU兼容辐射方向图)。

图7示出了如何将天线12(图1)的天线单元14划分为上述稀疏矩阵阵列的子集的非限制性示例。在图7的示例中，天线12包括144个天线单元14。图7中示出了144个天线单元14(和对应的TTD模块22)的三个不同的子集。天线单元14的第一子集标记为“1”，天线单元14的第二子集标记为“2”，并且天线单元14的第三子集标记为“3”。可以设想，剩余的未编号的天线单元14和它们对应的TTD模块22将以类似的方式被划分成其他子集。在图7所示的示例性实施例中，天线单元14的第一子集、第二子集和第三子集中的每一个包括看起来随机布置的天线单元14。然而，每个子集中的天线单元14的特定位置和布置是基于稀疏矩阵模式确定的，稀疏矩阵模式允许特定子集中的天线单元14在两个波束状态之间转换时输出不正确的信号，同时利用天线单元14的剩余子集保持可接受的波束功能水平。

在一个实施例中，控制器24被编程为具有预定义的静态稀疏矩阵模式，其定义TTD模块22的子集的数目以及每个TTD模块22到特定子集的特定分配。可选地，控制器24可以实现为被编程以允许控制器24基于期望的波束和波束导向特性的细节，动态地定义子集的数目和子集分配。不管稀疏矩阵模式是如何定义的，稀疏矩阵模式定义了TTD模块22的子集的控制策略，其在对波束进行导向的同时在整个阵列中保持可接受的波束质量。然后，根据稀疏矩阵模式，控制器24一次只对TTD模块22的一个预定子集执行先通后断切换技术，直到天线12形成的波束被导向到正确位置。作为一个非限制性示例，如果TTD模块22的每个子集包括TTD模块22总数的10％，则稀疏矩阵模式将包括10个不同的设置，控制器24将循环这10个不同的设置，直到天线单元14形成的波束被导向到期望位置。

返回参考图5，当天线系统10的控制器24被引导以对天线单元14形成的波束进行导向时，过程110开始于步骤112。为了这样做，控制器24将每个TTD模块22从其当前或第一操作状态转换到与波束的期望位置相关联的新的或第二操作状态。每个TTD模块22的当前操作状态由通过微带传输线30(图2)的第一或原始信号传输路径限定，第一或原始信号传输路径是通过闭合每个延时级32-38的延时线中的第一对开关44、46形成的。例如，如图6A所示，通过一个或多个TTD模块22的第一信号传输路径可以从RF信号输入40通过延时线L12、L4、L15和L8延伸到RF信号输出42。

在步骤114处，控制器24基于预编程的稀疏矩阵模式将TTD模块22的第一预定子集从当前操作状态转换到中间状态。通过闭合TTD模块22的第一子集中的每一个的至少一个延时级32-38中的另外一对开关44、46来执行该转换，以激活与第一RF信号传输路径并联的第二RF信号传输路径。因此，当TTD模块22的第一子集已经被转换到中间状态时，TTD模块22的第一子集中的每一个的至少一个延时级32-38具有两个活动的并联延时线。在图6B所示的示例中，在中间状态下，并联的延时线L11和L12被激活。根据期望的波束导向，在中间状态期间，一个或多个其他延时级34、36和38中的延时线也可以与该级中的其他活动的延时线并联地被激活。

在步骤116处，在TTD模块22的第一子集已经转换到中间状态之后，控制器24去激活与新激活的第二延时线48-54并联的第一延时线48-54，使得TTD模块22的第一子集移动到第二或新的操作状态。一旦TTD模块22的第一子集已经转换到新的操作状态，只有第二RF信号传输路径在其中保持活动。在图6C所示的示例中，将在步骤116去激活延时线L12，从而限定通过L11、L4、L15和L8的信号传输路径。

在步骤118处，控制器24根据稀疏矩阵控制策略确定是否TTD模块22的每个其他预定子集都已经从它们的当前状态转换到新的状态。如果没有，则控制器24对TTD模块22的剩余子集中的每一个重复步骤114、116，以导向波束指向期望的方向。例如，过程110可以返回到步骤114，在步骤114中，控制器24将TTD模块22的第二子集转换到中间状态，以便继续对波束进行导向。然后，在步骤116处，控制器24将TTD模块22的第二子集转换到具有新的活动的第二信号传输路径的新状态。控制器24将重复步骤114、116，直到TTD模块22的每个子集都已经转换到新的状态以导向波束指向期望方向。

在一些实施例中，过程110包括任选的步骤120，在步骤120处，控制器24确定是否重复步骤114-118来继续对波束进行导向。任选的步骤120可以用于增量地将波束导向到其期望的最终位置，而不是在每个TTD模块22从一个波束状态到另一个波束状态的单个移位中完成整个波束移位。使用这种增量导向策略，控制器24在达到与期望波束方向对应的最终状态之前多次循环TTD模块的子集。任选地，控制器24可以利用稀疏矩阵控制策略来为波束的每次增量移位动态地定义TTD模块22的不同子集的移位的不同顺序和/或这些子集中的各个TTD模块22的不同分配。因此，控制器24能够实施步骤120以增量地将波束导向到其最终位置，而不是立即进行实质的方向改变。然而，不管过程110是否包括步骤120，过程110在步骤122结束，此时波束指向期望的方向。

为了改善TTD模块22在不同操作状态之间的转换，控制器24可以实施预加重切换技术。预加重切换技术考虑发送门控激活信号以断开或闭合一对开关44、46与该对开关44、46的实际断开或闭合之间的延时。该延时用于最小化同时闭合并联开关对44、46的时间。例如，在非限制性实施例中，在发送门控激活信号与闭合第二对开关44、46之间可能发生4微秒的延时，而在发送门控激活信号与实际断开第一对开关44、46之间可能发生100纳秒的延时。在该示例中，控制器24可以使用预加重切换技术在第二对开关44、46闭合之前的某个时间(例如90纳秒)向第一对开关44、46发送断开门控信号，而不是在第二对开关44、46闭合之后才向第一对开关44、46发送断开信号。如果控制器24在第二对开关44、46闭合之前的90纳秒发送信号通知第一对开关断开，则两对开关将仅同时闭合10纳秒而不是100纳秒。因此，预加重切换技术减少了并联的开关组44、46同时闭合的时间，以减少TTD模块22功能失效的时间量。

有利地，本发明的实施例因此提供了一种用于宽带频率信号处理应用的TTD波束成形器。TTD波束成形器包括多个天线单元和相应的TTD模块，以及控制TTD模块中的开关的控制器。控制器控制开关以借助多个延时线激活通过TTD模块的信号传输路径。一旦控制器操作开关以在天线单元处形成波束，控制器就使用先通后断切换技术和稀疏矩阵控制策略来对波束进行导向。控制器通过闭合并联的延时线的开关，将TTD模块从一个操作状态转换到另一个操作状态。在激活这些并联的延时线时，由于在闭合时在端子之间不存在大的电压电势，并且在断开时流过开关的电流减小，因此减少了开关端子之间的微电弧放电。此外，控制器根据稀疏矩阵模式一次激活TTD模块的一个子集中的这些并联的延时线。稀疏矩阵模式允许TTD模块的特定布置在任意给定时间暂时输出不正确的信号，使得可以激活TTD模块的子集中的并联的延时线，而不会显著损害波束的整个波束方向图。因此，由控制器实现的先通后断切换技术和稀疏矩阵控制策略的结合使得TTD波束成形器能够连续操作，而不会关闭TTD模块的输入馈送、加剧TTD模块的开关的劣化或使在天线单元形成的波束失效。

根据本发明的一个实施例，天线系统包括多个TTD模块。每个TTD模块具有多个切换元件，多个切换元件被配置为选择性地限定TTD模块的信号输入与TTD模块的信号输出之间的备选RF信号传输路径。该天线系统还包括控制器，其被编程为控制多个TTD模块以通过以下方式对波束进行导向：闭合多个TTD模块的至少一个子集内的第一对切换元件，以激活第一RF信号传输路径；闭合多个TTD模块的子集的第二对切换元件，以激活第二RF信号传输路径，第二RF信号传输路径与第一RF传输路径并联；以及在闭合第二对切换元件之后，断开TTD模块的子集的第一对切换元件。

根据本发明的另一实施例，一种对波束进行导向的方法包括通过激活多个TTD模块的RF信号输入与RF信号输出之间的第一RF传输路径，以使TTD模块在第一状态下操作。此外，该方法包括在多个TTD模块的第一子集的第一RF传输路径保持活动的同时，激活TTD模块的第一子集的RF信号输入与RF信号输出之间的第二RF传输路径，以将多个TTD模块的第一子集转换到中间状态，第二RF传输路径与第一RF传输路径并联。此外，该方法包括去激活TTD模块的第一子集的第一RF传输路径，以使TTD模块的第一子集在第二状态下操作。

根据本发明的又一实施例，一种波束成形系统包括：天线，其包括多个天线单元；以及多个管芯，其被构造成向多个天线单元发送TTD信号。每个管芯包括多个开关，多个开关能够在第一状态、中间状态以及第二状态下被选择性地控制，在第一状态下第一RF传输路径被激活，在中间状态下第一RF传输路径和与第一RF传输路径并联的第二RF传输路径被激活，在第二状态下第二RF传输路径被激活并且第一RF传输路径被去激活。波束成形系统还包括控制器，其被编程为控制多个管芯的第一子集从第一状态转换到中间状态并从中间状态转换到第二状态，以及在多个管芯的第一子集转换到第二状态之后，按顺序控制多个管芯的多个其他子集从第一状态转换到中间状态并从中间状态转换到第二状态。

本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使得本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何器件或系统以及执行任何并入的方法。本发明的专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例具有与权利要求的文字语言并无不同的结构元素，或者如果它们包括与权利要求的文字语言没有实质差异的等效结构元素，则这些其他示例旨在落入权利要求的范围内。

虽然仅结合有限数量的实施例详细描述了本发明，但是应当容易理解，本发明不限于这些公开的实施例。相反，可以对本发明进行修改以结合此前未描述但与本发明的精神和范围相当的任何数量的变化、变更、替换或等效布置。另外，虽然已经描述了本发明的各种实施例，但是应当理解，本发明的各方面可以仅包括所描述的实施例中的一些。因此，本发明不应视为受前述说明限制，而是仅由所附权利要求书的范围限制。

Claims (20)

1.一种天线系统，包括：

多个真延时(TTD)模块，每个TTD模块包括多个切换元件，所述多个切换元件被配置为选择性地限定所述TTD模块的信号输入与所述TTD模块的信号输出之间的备选RF信号传输路径；以及

控制器，所述控制器被编程为控制所述多个TTD模块通过以下方式对波束进行导向：

闭合所述多个TTD模块的至少一个子集内的第一对切换元件，以激活第一RF信号传输路径；

闭合所述多个TTD模块的所述子集的第二对切换元件，以激活第二RF信号传输路径，所述第二RF信号传输路径与所述第一RF传输路径并联；以及

在闭合所述第二对切换元件之后，断开所述TTD模块的所述子集的所述第一对切换元件。

2.根据权利要求1所述的天线系统，其中，所述控制器还被编程为根据稀疏矩阵控制策略控制所述多个TTD模块。

3.根据权利要求1所述的天线系统，其中，所述多个TTD模块的切换元件包括微机电系统(MEMS)开关。

4.根据权利要求1所述的天线系统，其中，每个TTD模块包括256种操作状态。

5.根据权利要求1所述的天线系统，还包括与所述多个TTD模块的所述信号输出通信的天线。

6.根据权利要求5所述的天线系统，其中，当所述TTD模块的所述子集的所述第一对切换元件和所述第二对切换元件都闭合时，所述天线保持国际电信联盟(ITU)兼容辐射方向图。

7.根据权利要求1所述的天线系统，其中，所述控制器还被编程为通过以下方式对所述波束进行导向：

控制所述TTD模块的第一子集激活第一RF传输路径、激活与所述第一RF传输路径并联的第二RF传输路径、并且在此之后去激活与所述第二RF传输路径并联的所述第一RF传输路径；以及

随后控制所述TTD模块的第二子集激活第一RF传输路径、激活与所述第一RF传输路径并联的第二RF传输路径、并且在此之后去激活与所述第二RF传输路径并联的所述第一RF传输路径。

8.根据权利要求1所述的天线系统，其中，所述控制器还被编程为在所述第二对切换元件闭合之前，向所述第一对切换元件发送断开信号。

9.一种对波束进行导向的方法，包括：

通过激活多个真延时(TTD)模块的RF信号输入与RF信号输出之间的第一RF传输路径，使所述TTD模块在第一状态下操作；

在所述多个TTD模块的第一子集的所述第一RF传输路径保持活动的同时，激活所述TTD模块的所述第一子集的所述RF信号输入与所述RF信号输出之间的第二RF传输路径，以将所述多个TTD模块的所述第一子集转换到中间状态，所述第二RF传输路径与所述第一RF传输路径并联；以及

去激活所述TTD模块的所述第一子集的所述第一RF传输路径，以使所述TTD模块的所述第一子集在第二状态下操作。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，激活所述第一RF传输路径和所述第二RF传输路径以及去激活所述第一RF传输路径包括：致动以及去致动多对微机电系统(MEMS)开关，每对MEMS开关对应各自的延时线。

11.根据权利要求10所述的方法，还包括：当所述TTD模块的所述第一子集在所述第一状态、所述中间状态以及所述第二状态之间转换时，将所述多个TTD模块的至少第二子集保持在所述第一状态。

12.根据权利要求9所述的方法，还包括：

在去激活所述TTD模块的所述第一子集内的所述第一RF传输路径之后，在所述多个TTD模块的第二子集的第一RF传输路径保持活动的同时，激活所述多个TTD模块的所述第二子集的所述RF信号输入与所述RF信号输出之间的第二RF传输路径；以及

去激活所述TTD模块的所述第二子集的所述第一RF传输路径，以使所述TTD模块的所述第二子集在第二状态下操作。

13.根据权利要求9所述的方法，还包括：根据稀疏矩阵模式，控制所述TTD模块在所述第一状态、所述中间状态以及所述第二状态之间转换。

14.根据权利要求9所述的方法，还包括：根据预加重技术，向所述多个TTD模块的切换元件发送门控激活信号，以使所述中间状态的持续时间最小化。

15.根据权利要求9所述的方法，其中，激活所述第二RF传输路径包括激活所述TTD模块的所述第一子集的至少两个延时级中的两个并联延时线。

16.一种波束成形系统，包括：

天线，包括多个天线单元；

多个管芯，被构造成向所述多个天线单元发送真延时(TTD)信号，每个管芯包括多个开关，所述多个开关能够在第一状态、中间状态以及第二状态下被选择性地控制，其中，在所述第一状态下第一RF传输路径被激活，在所述中间状态下所述第一RF传输路径和与所述第一RF传输路径并联的第二RF传输路径被激活，在所述第二状态下所述第二RF传输路径被激活并且所述第一RF传输路径被去激活；以及

控制器，被编程为：

控制所述多个管芯的第一子集从所述第一状态转换到所述中间状态并从所述中间状态转换到所述第二状态；以及

在所述多个管芯的所述第一子集转换到所述第二状态之后，按顺序控制所述多个管芯的多个其他子集从所述第一状态转换到所述中间状态并从所述中间状态转换到所述第二状态。

17.根据权利要求16所述的波束成形系统，其中，所述多个管芯包括多个延时级，每个延时级包括多个延时线。

18.根据权利要求16所述的波束成形系统，其中，根据稀疏矩阵模式，将所述多个管芯分配到多个子集。

19.根据权利要求16所述的波束成形系统，其中，所述控制器还被编程为通过以下方式按顺序控制所述多个管芯的所述多个其他子集：

控制所述多个管芯的第二子集从所述第一状态转换到所述中间状态并从所述中间状态转换到所述第二状态；以及

在所述多个管芯的所述第二子集转换到所述第二状态之后，控制所述多个管芯的第三子集从所述第一状态转换到所述中间状态并从所述中间状态转换到所述第二状态。

20.根据权利要求16所述的波束成形系统，其中，每个管芯的所述开关包括微机电系统(MEMS)开关。

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