KR20200057090A

KR20200057090A - 실시간 지연 빔 형성기 모듈과 그 제조방법

Info

Publication number: KR20200057090A
Application number: KR1020207013539A
Authority: KR
Inventors: 조셉 알프레드 이안노티; 크리스토퍼 제임스 카푸스타
Original assignee: 제네럴 일렉트릭 컴퍼니
Priority date: 2017-10-13
Filing date: 2018-08-21
Publication date: 2020-05-25
Also published as: CN111201668B; JP7217746B2; EP3695460A1; EP3695460B1; EP3695460A4; CN111201668A; WO2019074580A1; US10784576B2; JP2020537432A; US20190115658A1

Abstract

본 발명은 빔 형성기 모듈에 관한 것으로 이러한 빔 형성기 모듈은 패키지 베이스 내에 형성된 상호연결 구조물과 패키지 베이스를 포함한다. 빔 형성기 모듈은 또한 패키지 베이스에 부착된 TTD 모듈을 포함한다. 제1 TTD 모듈은 복수의 시간 지연 라인들을 선택적으로 활성화함으로써 제1 TTD 모듈의 신호 입력과 신호 출력 사이에 신호 전송 경로를 규정하도록 구성된 복수의 스위칭 소자들을 포함한다. 제1 TTD 모듈의 신호 입력 및 신호 출력은 상호연결 구조물에 전기적으로 결합된다. 일부 실시예들에서, 상호연결 구조물은 적어도 하나의 TTD 미앤더 라인과 그러한 적어도 하나의 TTD 미앤더 라인에 전기적으로 결합되는 제1 TTD 모듈의 시간 지연 라인들 중 적어도 하나를 포함한다.

Description

실시간 지연 빔 형성기 모듈과 그 제조방법

본 발명의 실시예들은 일반적으로 전기적으로 조종 가능한(electrically steerable) 어레이 안테나 또는 위상 어레이 안테나(phased array antenna)에 관한 TTD(true time delay) 빔 형성기들에 관한 것으로, 더 구체적으로는 조립체 패키징(assembly packaging)에서 형성된 TTD 모듈들에 관한 시간 지연 라인들을 갖는 하나의 조립체로 통합된 다중(multiple) TTD 모듈들을 가지는 다기능 TTD 빔 형성기들에 관한 것이다.

ESA(Electronically steered antenna) 시스템들 또는 PAA(phased array antenna) 시스템들은 공간에서 일정한 각도로 라디오파(radio wave)들의 빔을 향하게 하기 위해 다수의 정지된 안테나 요소들로부터의 신호들을 조합한다. 그러한 빔의 특징들 및 각도는 안테나들을 물리적으로 움직이지 않고 상이한 방향들로 빔을 전자적으로 조종(steer)하는 방식으로 제어된다. 위상 배열 안테나에서의 전자 빔 조종은 종종 2가지 방식들 즉, 위상 시프터(phase shifter)들을 통해 또는 실시간 지연 장치들을 통하는 것 중 하나로 달성된다. TTD 빔 조종은 장치가 위상 시프트보다는 시간 지연을 주다는 사실과 장치 고유의 대역폭에 있어서 위상 시프터 타입의 접근과는 상이하다. 이러한 차이로 인해 TTD 장치는 안테나 빔들 및 널(null)들을 형성하기 위해 매우 광대역인 애플리케이션들에서 사용될 수 있다. 이것은 전자전(electronic warfare) 시스템들 및 광대역 통신 애플리케이션들에 유리하다.

TTD를 통한 빔 조종은 TTD 모듈의 사용을 통해 각각의 안테나 소자의 여기 시간을 변경함으로써 달성된다. TTD 모듈은 다양한 길이들의 시간 지연 라인들에 결합된 고속 스위치들로 제작된다. 특별한 안테나 소자의 여기 시간은 무선 주파수(RF: radio frequency) 신호에 바라는 양의 시간 지연을 주는, TTD 모듈 내의 시간 지연 라인들의 특별한 조합을 선택함으로써 제어된다. 시간 지연 라인들의 선택은 RF MEMS(micro-electromechanicla systems) 스위치들과 같은 상이한 타입의 스위칭 소자들을 사용하여 달성될 수 있고, 이는 TTD 적용예들에서 구현하기에 유리한 유익한 격리 및 삽입 손실 특성들을 제공한다. 이들 RF MEMS 스위치들은 RF 시간 지연 라인에서 열린 회로 또는 닫힌 회로를 이루기 위해 전기적으로 동작되는 기계적 움직임을 사용한다. RF MEMS 장치가 온 위치(on position)에 있을 때에는, RF 전송 라인은 "닫히고(closed)" RF 신호 경로에 있다. RF MEMS 장치가 오프 위치(off position)에 있을 때에는, RF 전송 라인은 "열리고(open)" RF 신호 경로로부터 격리된다.

일반적으로, 전술한 RF MEMS 스위치들은 예를 들면 낮은 삽입 손실, 낮은 리턴 손실(return loss), 및 높은 주파수 RF 신호들에 관한 높은 격리와 같은 몇 가지 이익들을 제공한다. 하지만, 길고 반복 가능한 동작을 가능하게 하기 위해서는 깨끗한 제어된 환경에서 RF MEMS 스위치들이 패키징될(packaged) 필요가 있다. 그러므로 RF MEMS 스위치들은 일반적으로 유리, 금속, 또는 세라믹 제료들로 된 기판 내에 형성된 공동에서 밀봉된다. 그런 다음 상호연결들이 예를 들면 PCB(printed circuit board)와 같은 다음 레벨 조립체까지 밀봉된 RF MEMS 스위치 공동을 통해 이루어진다. TQV(through quartz via) 기술 또는 이와 유사한 것을 사용하여 이루어질 수 있는 이들 상호연결들은 제작 비용을 증가시키고 수율에 부정적인 영향을 미친다. 또한, 이들 상호연결들의 긴 경로 길이들은 특히 더 높은 RF 주파수들에서 RF MEMS 스위치들을 사용할 때, 누군가가 낮은 RF 손실과 높게 재현 가능한 파라시틱들(highly reproducible parasitics)을 유지하려고 시도한다면 크게 문제가 된다(예를 들면, 8㎓로부터 12㎓까지의 X 대역(band), 12㎓로부터 18㎓까지의 Ku 대역, 및 30㎓로부터 300㎓까지의 밀리미터 파(millimeter wave)).

RF MEMS 스위치 상호연결들과 연관된 RF 손실을 감소시키는 한 가지 접근법은 모놀리식(monolithic) TTD 장치를 사용하는 것이다. 모놀리식 TTD 장치에서는, TTD 전송 경로들 전부가 RF MEMS 스위치들과 동일한 베이스 기판 상에 포함된다. 모놀리식 TTD 장치 구성이 패키징된 TTD 장치를 온하고 오프하는 입력/출력 라우팅과 연관된 문제점들을 완화시키는데 반해, 전체적인 사이즈를 과감하게 증가시키고 따라서 특히 만약 패키징된 장치가 더 낮은 주파수들에서 사용하기 위해 설계된다면 베이스 RF MEMS 스위치 기판의 비용을 증가시킨다. 종래 기술의 모놀리식 TTD 장치들은 베이스 기판 위에 위치하는 캡 또는 뚜껑(cap or lid)을 포함하고 진공 또는 밀봉된 공동 내에서 RF MEMS 스위치들을 둘러싼다. 이러한 뚜껑 구조물은 또한 TTD 장치의 전체적인 크기 및 비용을 증가시킨다. 그러므로 모놀리식 TTD 장치는 그것 자체의 상당한 결점들을 가진다.

TTD 장치들 또는 모듈들과 연관된 전술한 구성요소 레벨 문제점들 외에, TTD 빔 형성 시스템들은 다수의 시스템 레벨 문제점들에 직면한다. 각각의 안테나 소자가 별개의(separate) TTD 모듈에 연결되기 때문에, 전체적인 시스템은 많은 개수의 연결들을 포함하고, 특히 수천 개의 안테나 소자들을 갖는 시스템에 대해 그러하다. 그러므로 TTD 빔 형성 시스템의 설치는 각각의 연결 소자의 비용을 고려할 때 시간이 많이 걸리고 비용이 많이 든다. 또, 안테나 소자들, TTD 모듈들, 및 시스템의 다른 전자 제어 구성요소들 사이의 전기적 연결은 일반적으로 동축 케이블을 사용하여 이루어지고, 이는 각 동축 케이블의 길이와 같은 중요한 조정 이슈(significant calibartion issue)들을 초래하며 그것들 내의 임의의 벤드(bend)들은 TTD 모듈들과 안테나 소자들 사이의 신호 전송을 주는 시간 지연을 주게 될 것이다.

그러므로 알려진 TTD 빔 형성 시스템들의 구성요소 레벨 결점들과 시스템 레벨 모두를 다루는 TTD 빔 형성기를 설계하는 것이 바람직하게 된다. 구성요소 레벨에서는 낮은 RF 손실들을 유지하고 베이스 기판의 사이즈를 최소화하면서 더 긴 전송 경로들의 형성을 허용하는 TTD 모듈을 설계하는 것이 바람직하게 된다. 시스템 레벨에서는 성능, 비용, 및 조정 시간에 있어서 가변성을 감소시키는 재현 가능한 방식으로, TTD 모듈들과 TTD 빔 형성기의 안테나 소자들을 연결하는 것이 바람직하게 된다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 빔 형성기 모듈은 패키지 베이스와 적어도 하나의 TTD 미앤더 라인 및 패키지 베이스에서 밀봉된(encapsulated) 적어도 하나의 RF 신호 전송 라인을 포함한다. 게다가, 이러한 빔 형성기 모듈은 패키지 베이스에 부착된 제1 TTD 모듈을 포함한다. 제1 TTD 모듈은 복수의 시간 지연 라인들을 선택적으로 활성화함으로써 제1 TTD 모듈의 신호 입력과 신호 출력 사이의 신호 전송 경로를 규정하도록 구성되는 복수의 스위칭 소자들을 포함한다. 제1 TTD 모듈의 시간 지연 라인들 중 적어도 하나는 패키지 베이스에서 밀봉된 적어도 하나의 TTD 미앤더 라인에 전기적으로 결합된다. 제1 TTD 모듈의 신호 입력과 신호 출력은 적어도 하나의 RF 신호 전송 라인에 전기적으로 결합된다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 빔 형성기 모듈의 제조방법은 적어도 하나의 시간 지연 라인과 적어도 하나의 RF 신호 전송 라인을 패키지 몸체에서 밀봉하는 단계와 적어도 하나의 TTD 모듈을 패키지 몸체의 표면상에 배치하는 단계를 포함한다. 이러한 방법은 또한 패키지 몸체에서 적어도 하나의 시간 지연 라인에 적어도 하나의 TTD 모듈에서의 적어도 하나의 시간 지연 라인을 전기적으로 결합시키는 단계와 적어도 하나의 TTD의 신호 입력과 신호 출력을 적어도 하나의 RF 신호 전송 라인에 전기적으로 결합시키는 단계를 포함한다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, TTD 모듈은 RF 신호 입력, RF 신호 출력, 길이가 변하는 신호 경로들을 규정하는 복수의 시간 지연 라인들을 포함하는 전송 라인, 및 RF 신호 입력과 RF 신호 출력 사이의 신호 전송 경로를 규정하기 위해 복수의 시간 지연 라인들을 선택적으로 활성화하도록 제어 가능한 복수의 스위칭 소자들을 포함한다. 복수의 시간 지연 라인들은 적어도 하나의 오프-칩(off-chip) 시간 지연 라인을 포함한다. 오프-칩 시간 지연 라인은 복수의 스위칭 소자들의 제1 스위칭 소자와 제1 본드 패드(first bond pad) 사이에 결합된 제1 온-칩(on-chip)부와 복수의 스위칭 소자들 중 제2 스위칭 소자와 제2 본드 패드 사이에 결합된 제2 온-칩부를 포함한다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, TTD 빔 형성기 모듈은 복수의 절연층들을 가지는 패키지 베이스와 복수의 절연층들 사이에 그리고 복수의 절연층들을 통해 형성된 상호연결 구조물을 포함한다. TTD 빔 형성기 모듈은 패키지 베이스에 밀봉된 뚜껑과 그러한 뚜껑과 패키지 베이스 사이에 형성되고 상호연결 구조물에 전기적으로 결합되고 밀폐된 공동(hermetic cavity) 내에 위치한 적어도 하나의 TTD 모듈을 추가로 포함한다. 각각의 TTD 모듈은 TTD 모듈의 신호 입력과 TTD 모듈의 신호 출력 사이의 신호 전송 라인을 선택적으로 활성화하도록 구성된 복수의 스위치들을 포함한다. TTD 빔 형성기 모듈은 패키지 베이스의 외부 층에 부착된 적어도 하나의 안테나 소자를 추가적으로 포함한다. 각각의 안테나 소자는 상호연결 구조물을 거쳐 적어도 하나의 TTD 모듈의 각각의 TTD 모듈에 전기적으로 결합된다.

이들 및 다른 장점들과 특징들은 첨부 도면들과 관련하여 제공되는 본 발명의 바람직한 실시예들의 후속하는 상세한 기술로부터 더 쉽게 이해될 것이다.

도면들은 본 발명을 실행하기 위해 현재 예측되는 실시예들을 예시한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 빔 형성기 모듈들을 가지는 아날로그(analog) 빔 형성 시스템의 간략화된 개략도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 빔 형성기 모듈들을 가지는 디지털 빔 형성 시스템의 간략화된 개략도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 형성기 모듈을 도시하는 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 3의 빔 형성기 모듈에서 사용 가능한 TTD 모듈의 개략적인 평면도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 3의 빔 형성기 모듈에서 사용 가능한 오프-칩 시간 지연 라인들을 가지는 모놀리식 TTD 모듈의 개략적인 평면도.
도 6은 본 발명의 대안적인 일 실시예에 따른, 온-칩 경로와 오프-칩 경로 사이에서 바뀔 수 있는 시간 지연 라인을 가지는 TTD 모듈의 개략도.

본 발명의 실시예들은 PAA 시스템 또는 ESA 시스템과 같은 적용예에서 빔을 형성 또는 수신하기 위한 시스템을 제공한다. 빔 형성 시스템은 특별한 적용예를 위해 바라는 개수의 안테나 소자들을 갖는 전체 시스템을 생성하기 위해 모듈(modular) 방식으로 함께 결합될 수 있는 복수의 빔 형성기 모듈들 또는 "브릭들(bricks)"을 포함한다. 각각의 빔 형성기 모듈은 다층 패키지 베이스와, 안테나 소자, 신호 결합기(combiner)/분배기(splitter), 그리고 전압, 접지(ground) 및 제어 로직 라인(control logic line)들을 포함하는 패키지 베이스에 통합된 다수의 구성요소들을 포함한다. TTD 모듈(들)과 각각의 안테나 소자에 각각의 TTD 모듈을 전기적으로 결합하는 각각의 증폭기(들)가 패키지 베이스 내에 형성된 공동 내에 밀봉된다. 각각의 TTD 모듈 상의 스위칭 소자들은 시간 지연을 선택적으로 활성화하고 TTD 모듈의 RF 입력과 RF 출력 사이의 신호 전송 경로를 생성하기 위해 제어 시스템에 의해 제어된다. 일부 실시예들에서, 모든 시간 지연 라인들은 칩 상에(on-chip) 위치하는데, 이는 그것들이 TTD 모듈 자체의 베이스 기판상에서 제작된다는 것을 의미한다. 다른 실시예들에서는, TTD 모듈의 더 긴 시간 지연 라인들의 부분이 칩을 벗어나(off-chip) 연장하고 패키지 베이스의 다층 구조물 내로 연장한다.

처음에 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 아날로그 안테나 또는 빔 형성 시스템(100)의 간략화된 개략도가 예시된다. 빔 형성 시스템(100)은 수신기로서 도시되지만, 다른 실시예들에서는 송신기로서 또는 기능적으로 수신하고 송신하는 것으로서 설계될 수 있다. 빔 형성 시스템(100)은 복수의 빔 형성기 모듈들 또는 브릭들(12)을 포함한다. 2개의 빔 형성기 모듈(102)들만이 도시되지만, 빔 형성 시스템(100)은 임의의 개수의 빔 형성기 모듈(102)들을 포함할 수 있다. 각각의 빔 형성기 모듈(102)은 RF 신호들을 수신하기 위해 다중 방사 소자들 또는 패치(patch)들(106)로 구성된 안테나(104)를 포함한다. 복수의 빔 형성기 모듈(102)들의 안테나(104)들은 함께 안테나 어레이(108)를 형성한다.

안테나 소자(106)들은 수신된 RF 신호들을 증폭기(110)들에 공급하고, 이러한 증폭기(110)들은 각각의 RF 신호들을 각각의 TTD 모듈(112)에 중계하기 전에 각각의 RF 신호들을 증폭시킨다. 이 경우, 증폭기(110)들은 일반적으로 LNA(low noise amplifier)들이지만, 대안적인 실시예들에서는 다르게 구성될 수 있다. 제어 시스템(114)은 시간 지연 신호를 발생시키는 방식으로 TTD 모듈(112)들 내에서 스위칭 소자들을 선택적으로 제어하기 위한 신호들을 제공한다. 제어 시스템(114)은 단일 제어기의 형태를 가질 수 있거나 빔 형성기 모듈(102)들의 다양한 구성요소들을 제어하는 다중 제어기들 또는 프로세서들을 포함할 수 있다.

각각의 TTD 다이(112)는 각각의 모듈 RF 컴바이너(116)에 각각의 시간 지연 신호를 중계하고, 그것들 각각은 각각 수신된 시간 지연 신호를 조합하며 빔 형성기 모듈(102)들 외부의 시스템 RF 컴바이너(118)에 모듈 RF 신호를 출력한다. 하나의 비제한적인 실시예에서는, RF 컴바이너들(116, 118)은 윌킨슨(Wilkinson) RF 파워 결합기(power combiner)들이다. 시스템 RF 컴바이너(118)는 각각의 수신된 모듈 RF 신호를 조합하고 시스템 RF 신호를 신호 처리 유닛(120)으로 출력한다. 신호 처리 유닛(120)은 로컬 오실레이터(LO)와 믹서(mixer), A/D(analog-to-digital) 컨버터, 및 시스템 RF 컴바이너(118)로부터 수신된 시스템 RF 신호를 처리하기 위한 디지털 신호 프로세서(DSP)를 포함한다. 전술한 바와 같은, 빔 형성 시스템(100)의 피드 구조물(feed structure)은 흔히 코퍼럴 피드 구조물(corporal feed structure)이라고 알려져 있다.

도 1이 아날로그 빔 형성 시스템을 묘사하는데 반해, 본 발명의 대안적인 실시예들은 디지털 안테나와 같은 디지털 시스템 또는 빔 형성 시스템 또는 도 2에 예시된 빔 형성 시스템(122)에 관계된다. 빔 형성 시스템(122)은 수신기로서 도시되지만, 다른 실시예들에서는 송신기로서 또는 기능적으로 수신하고 송신하게 설계될 수 있다. 도 1의 아날로그 빔 형성 시스템(100)과 유사하게, 디지털 빔 형성 시스템(122)은 복수의 빔 형성기 모듈들 또는 브릭들(124)을 포함한다. 오직 2개의 빔 형성기 모듈(124)들이 도시되지만, 빔 형성 시스템(122)은 임의의 개수의 빔 형성기 모듈(124)들을 포함할 수 있다.

빔 형성 시스템(100)의 빔 형성기 모듈(102)들과 유사한 방식으로(도 1), 각각의 빔 형성기 모듈(124)은 RF 신호들을 수신하기 위한 다중 방사 소자(106)들로 구성된 안테나(104)를 포함한다. 복수의 빔 형성기 모듈(102)의 안테나(104)들이 함께 안테나 소자(126)를 형성한다. 안테나 소자(106)들은 수신된 RF 신호들을 LNA(110)들에 공급하고, 이러한 LNA(110)들은 각각의 TTD 모듈(112)에 그것들을 중계하기 전에 각각의 RF 신호들을 증폭한다. 제어 시스템(114)은 시간 지연 신호를 발생시키는 방식으로 TTD 모듈(112) 내의 스위칭 소자들을 선택적으로 제어하기 위한 신호들을 제공한다. 빔 형성 시스템(100)에서처럼, 빔 형성 시스템(122)의 제어 시스템(114)은 단일 제어기의 형태를 가질 수 있거나 빔 형성기 모듈(124)들의 다양한 구성요소들을 제어하는 다중 제어기들 또는 프로세서들을 포함할 수 있다. 각각의 TTD 다이(die)(112)가 각각의 모듈 RF 컴바이너(116)에 각각의 시간 지연 신호를 중계한다.

각각의 RF 컴바이너(116)는 수신된 각각의 시간 지연 신호를 조합하고 조합된 RF 신호를 믹서(128)에 출력한다. 각각의 믹서(128)는 조합된 RF 신호를 하향 변환(down converting)하기 위해 LO(미도시)로부터 입력 신호(130)를 수신한다. 그런 다음 믹서(128)들은 각각의 하향 변환된 RF 신호를 각각의 A/D 컨버터(134)에 출력한다. 각각의 A/D 컨버터(134)는 하향 변환된 RF 신호를 예를 들면 32비트들과 같은 소정의 개수의 비트들을 갖는 디지털 신호로 변환한다. 그런 다음 디지털 신호가 신호 처리 유닛(136)에 입력된다. 다양한 실시예들에 따르면, 신호 처리 유닛(136)은 FPGA(field-programmable gate array) 또는 GPU(graphics processing unit) 또는 동작하는 디지털 빔 형성 시스템(122)과 연관된 높은 정도의 처리 파워(high degree processing power)를 행할 수 있는 또 다른 처리 유닛의 형태로 제공될 수 있다.

도 1 및 도 2에는 구체적으로 예시되지 않지만, 수직 분극(polarization)과 수평 분극의 독립적인 빔 제어를 위한 본 발명의 실시예들이 구성될 수 있고 각 분극을 위한 별도의 빔 제어 회로를 포함할 수 있다. 그러한 경우, 각각의 안테나 소자(106)는 2쌍의 증폭기들(110)과 TTD 모듈(112)들, 즉 수직 분극을 위한 제1 증폭기(110)와 TTD 모듈(112) 쌍과 수평 분극을 위한 제2 증폭기(110)와 TTD 모듈(112) 쌍을 포함하게 된다. 대안적으로, 원형(circular) 분극을 위한 실시예들이 구성될 수 있다. 게다가, 도 1 및 도 2는 각각의 빔 형성기 모듈(102)(도 1)과 각각의 빔 형성기 모듈(124)(도 2)에서의 4개의 안테나 소자(106)들과 4개의 대응하는 TTD 모듈(112)들을 도시하지만, 더 적거나 더 많은 수의 안테나 소자(106)들과 대응하는 TTD 모듈(112)들을 안테나(104)들이 포함할 수 있다는 점이 예상된다. 하나의 비제한적인 실시예에서는, 각 빔 형성기 모듈(102) 또는 빔 형성기 모듈(124)이 16개의 안테나 소자(106)들과 대응하는 TTD 모듈(112)들을 포함한다. 복잡한 RF 피딩 스킴(feeding scheme)들의 사용을 가능하게 하도록 안테나 어레이(108)(도 1)와 안테나 어레이(126)(도 2)가 수백 또는 수천 개의 안테나 소자(106)들과 대응하는 TTD 모듈(112)들을 포함할 수 있는 것이 또한 예상된다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 형성기 모듈(125)의 단면도이다. 도 1 및 도 2의 빔 형성기 모듈들(102, 124)과 마찬가지로, 빔 형성기 모듈(125)이 수신기로서 도시되지만, 대안적인 실시예들에서는 송신기로서 설계될 수 있다. 빔 형성기 모듈(125)은 패키지 베이스 또는 몸체(138)와 패키지 베이스(138)에 밀봉된 뚜껑(140)을 포함한다. 패키지 베이스(138)는 일반적으로 예를 들면 유리, 세라믹, 또는 그것들의 조합과 같은 밀봉물(hermetic seal)에 도전성인 무기 재료로 형성된다. 도 3의 전형적인 구성예에서는, 패키지 베이스(138)가 파워 및 접지(power and ground) 구역(158), 제어 로직 구역(160), RF 컴바이너 구역(162), 및 RF 패치 어레이 구역(164)을 포함하는, 내부 또는 안쪽 표면(166)과 외부 또는 바깥쪽 표면(168) 사이의 4개의 구역들(158 내지 164)로 나누어진 8개의 절연층들(142 내지 156)을 포함한다. 하지만 당업자라면 특별한 적용예의 바라는 상호연결 라우팅 패턴에 기초한 더 많거나 더 적은 수의 상호연결 층들을 가지는 빔 형성기 모듈(125)이 제작될 수 있다는 것을 인지하게 될 것이다.

벽(170)이 내부 표면(166)으로부터 위쪽으로 연장하고 뚜껑(140)에 대한 밀봉 표면을 제공한다. 선택적으로, 패키지 베이스(138)는 뚜껑 편향(lid deflection)을 제한하기 위해 내부 또는 안쪽 층(142)과 뚜껑(140) 사이에 있는 하나 이상의 스탠드오프(standoff) 포스트들 또는 스페이서들(172)(팬텀(phantom)으로 도시된)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 뚜껑(140)은 벽(170)들과, 예를 들면 솔더(solder), 글라스 프릿트(glass frit), 또는 금과 같은 밀봉 재료(미도시)의 사이에 끼이는 층이 있는 패키지 베이스의 선택적인 스탠드오프 포스트(172)들에 결합되어 LNA(110)들과 TTD 모듈(112)들을 수용하는 밀봉 공동(176)을 형성한다. 뚜껑(140)은 Kovar

또는 패키지 몸체(138)와의 신뢰할 수 있는 씰(seal)을 형성하는 임의의 다른 재료로 형성될 수 있다.

LNA(110)들과 TTD 모듈(112)들은 플립-칩(flip-chip) 부착, 와이어 본드(wire bond)들, 또는 다른 알려진 부착 기술을 통해 패키지 몸체(138)의 내부 층(142)에 전기적으로 결합된다. 바라는 RF 격리를 제공하기 위해 TTD 모듈(112)들은 서로로부터 이격된다. 일부 실시예들에서, 선택적인 스탠드오프 포스트(172)들은 다수의 개별 밀봉 공동(176)들을 생성하고 TTD 모듈(112)들 사이에 향상된 RF 격리를 제공하도록 구성될 수 있다.

빔 형성기 모듈(125)은 일부 실시예들에서는 뚜껑(140)에 결합된 고밀도 상호연결(HDI: high density interconnect) 회로(178)와 벽(170)의 부분들을 추가로 포함한다. 제어기(180)와 디지털 I/O 및 파워 블록(182)이 HDI 회로(178)에 부착된다. 선택적인 믹서(128)와 선택적인 A/D 컨버터(134)(모두 팬텀으로 도시된)는 시스템(122)(도 2)과 같은 디지털 빔 형성 시스템에서 사용하기 위해 빔 형성기 모듈(125)이 구성되는 실시예들에서 HDI 회로(178)에 결합된다. HDI 회로(178)는 믹서(128), A/D 컨버터(134), 제어기(180), 및 I/O 및 파워 블록(182)의 디지털 구성요소들을 HDI 회로(178)로부터 뚜껑(140) 및/또는 패키지 베이스(138)를 통해 연장하는 신호 라인(184)들에 연결하는 고운 피치 해상도(fine pitch resolution)를 갖는 다층 상호연결 구조물(미도시)을 포함한다. 다양한 실시예들에서, 제어기(180)는 ASIC(application-specific integrated circuit)이고 HDI 회로(178)는 ASIC 팬아웃(fanout)을 위한 다층의 미리 제작된 HDI 플렉스(flex) 회로이다. 신호 라인(184)들은 패키지 베이스(138) 내에 임베드(embed)되고 밀봉 공동(176)에 위치하는 구성요소들 사이의 연결을 가능하게 하는 복수의 전기 경로들을 포함한다. 4개의 신호 라인(184)들만이 도시되지만, 신호 라인(184)들은 빔 형성기 모듈(125) 내에서 소자들로의 바라는 연결들을 형성하기 위해 임의의 개수의 전송 경로들을 포함할 수 있다.

아래에 더 상세하게 설명되는 것처럼, 패키지 몸체(138)에 결합되고 패키지 몸체(138) 내에서 임베드되는 다양한 전기 구성요소들 사이에 전기 경로들을 제공하기 위해 절연층들(142 내지 156) 사이에 그리고 절연층들(142 내지 156)을 통해 전도성인 상호연결 구조물(174)이 형성된다. 당업자라면 도 3이 상호연결 구조물(174)의 하나의 전형적인 배열만을 예시하고 상호연결 구조물(174)의 각각의 전기 라인이 장치들 사이의 하나 또는 다수의 전기 라인들을 나타낸다는 것을 인지할 것이다. 절연층(142 내지 156)과 상호연결 구조물(174)은 빔 형성기 모듈(125)의 다양한 전기 구성요소들 사이에 전기적 연결들을 생성하기 위해 임의의 알려진 라미네이션(lamination), 증착(deposition), 패터닝(patterning), 및/또는 에칭 기술들을 사용하여 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 전기적으로 도전성인 상호연결 구조물(174)은 입력/출력(I/O) 시스템의 형성을 위해 제공하는 낮은 프로필을 갖는 평면 형상의(planar) 상호연결 구조물의 형태를 지닌다.

파워 및 접지 신호 라인들(185, 186)의 층들은 절연 층들(142, 144)을 포함하는, 패키지(138)의 파워 및 접지 구역(158) 내에 형성된다. 파워 및 접지 라인들(185, 186)은 빔 형성기 모듈(125) 전체에 걸쳐 파워를 제공하고 접지 연결들을 형성하기 위해, 예를 들면 HDI 회로(178)와 I/O 및 파워 블록(182)과 같은 빔 형성기 모듈(125)이 구성요소들에 결합된다. 제어 로직 신호 라인(188)들은 절연 층들(146, 148, 150)을 포함하는, 패키지 베이스(138)의 제어 로직 구역(160) 내에서 패터닝된다. 제어 로직 신호 라인(188)들은 신호 라인(184)들을 거쳐 제어기(180)에 결합되고 TTD 모듈(112)들을 제어하기 위해 사용된다.

패키지 베이스(138)의 RF 컴바이너 구역(162)은 다양한 대안적인 실시예들에서, 도 3에 도시된 것처럼 하나의 절연층 또는 2개 이상의 절연층들(152, 154)을 포함할 수 있다. 얼마나 많은 절연층들이 RF 컴바이너 구역(162)에 포함되는지에 관계없이, 스트립라인(stripline) RF 컴바이너(116)가 구역(162) 내에서 밀봉된다. 도시된 것처럼, RF 컴바이너(116)는 패시브(passive) RF 결합 구조물(combining structure)로서 구현된다. RF 컴바이너(116)는 전송 라인(194)을 통해 입력/출력 블록(192)에 연결되고, RF 컴바이너(116)의 입력은 전송 라인(196)들을 통해 각각의 TTD 모듈(112)에 결합된다. 디지털 시스템 구현예들에서는, 입력/출력 블록(192)이 로컬 오실레이터 입력으로서 기능을 하고 믹서(128)와 전기적으로 결합된다(도 2 내지 도 3). 그러므로 TTD 모듈(112)들이 RF 컴바이너(116)에 시간 지연 신호를 출력할 때, RF 컴바이너(116)는 시간 지연 신호들을 조합하고 조합된 RF 신호를 도 2의 믹서(128)와 같은 믹서에 조합된 RF 신호를 출력하는 입력/출력 블록(192)에 출력한다. 빔 형성기 모듈(125)이 아날로그 시스템에서 사용하기 위해 제작되는 실시예들에서는, 입력/출력 블록(192)이 RF 신호를 신호 처리 유닛(예컨대, 도 1의 소자(120))에 출력한다.

RF 경로 어레이 구역(164)은 패키지 베이스(138)의 외부 층(156)의 외부 표면(168)에 임베드된 안테나 소자(106)들을 포함한다. 안테나 소자(106)들은 각 구역(158 내지 164)에서 밀봉되는 전송 라인(226)들을 통해 패키지 베이스(138)의 내부 표면(166)에 부착된 LNA(110)들에 결합된다. RF 경로 어레이 구역(164)의 외부 층(156)은 일반적으로 안테나 소자(106)들에 대한 격리를 제공하기 위한 패키지 베이스(138)의 가장 두꺼운 구역이다. 비제한적인 예로서, 만약 층들(142 내지 150)이 대략 2mils이고 층들(152 내지 154)이 대략 10mils이라면, 층(156)은 대략 30mils일 수 있다. 일 실시예에서, 외부 층(156)은 세라믹으로 형성된다.

전송 라인(196)들은 TTD 모듈(112)들의 입력 신호 및 출력 신호에 대한 전송 경로들을 제공하고, 이러한 TTD 모듈(112)들은 도 4에 도시된 전형적인 TTD 모듈(20)과 같은 모놀리식 장치들로서 구성될 수 있으며, 이는 전체 마이크로스트립 전송 라인 또는 신호 라인(30)이 공통 베이스 기판(56)에서 패터닝된다는 것을 의미한다. 그런 다음 이러한 베이스 기판(56)은 패키지 베이스(138)의 내부 표면(166)에 결합된다(도 3). 내부 표면(166)이 용융 실리카 또는 유리인 실시예들과 같은 대안적인 실시예들에서, 전송 라인(30)의 전부 또는 부분들과 TTD 모듈(20)의 스위칭 소자(44, 46)들의 전부 또는 부분들은 패키지 베이스(138)의 내부 표면(166) 상으로 직접 형성되거나 패터닝될 수 있다(도 3). 예시된 실시예에서, 마이크로스트립 전송 라인(30)은 시간 지연 스테이지들(32, 34, 36, 38)의 4개의 직렬로 연결된 세트들을 포함하도록 패터닝되고, 이 경우 제1 지연 스테이지(32)는 TTD 모듈(20)의 RF(radio frequency) 신호 입력(40)에 결합되고 제4 지연 스테이지(38)는 TTD 모듈(20)의 RF 신호 입력(42)에 결합된다. 지연 스테이지들(32, 34, 36, 38) 각각은 각각의 안테나 소자(미도시)에 보내진 전송 신호에서 누적 시간 지연을 삽입하기 위해 그것들의 온(on) 위치 또는 오프(off) 위치에서 선택적으로 제어되는 입력 전자 스위칭 소자(44)와 출력 전자 스위칭 소자(46)를 포함한다. TTD 모듈(20)이 4개의 지연 스테이지들과 360°지연/위상-시프트 범위를 갖는 256개의 상태(state) 빔 형성기로서 설계되는데 반해, 본 명세서에 개시된 개념들은 임의의 개수의 지연 스테이지들과 대안적인 지연 라인 구성들을 가지는 TTD 모듈들로 확장될 수 있다.

제1 지연 스테이지(32)는 TTD 모듈(20)의 베이스 기판 상에 패터닝된 4개의 마이크로스트립 시간 지연 라인들(L9 내지 L12)을 포함한다. 각 지연 스테이지 내의 지연 라인들은 RF 입력 신호(40)에 상이한 시간 지연들을 주는 상이한 길이들을 가진다. 전송 라인의 위상은 각각의 지연 라인들에 의해 주어진 시간 지연에 비례하여 시프트된다. 제2, 제3, 및 제4 지연 스테이지들(34, 36, 38)은 제1 지연 스테이지(32)와 유사한 방식으로 형성되고, 이 경우 지연 스테이지(34)는 마이크로스트립 시간 지연 라인들(L1 내지 L4)을 포함하고, 지연 스테이지(36)는 마이크로스트립 시간 지연 라인들(L13 내지 L16)을 포함하며, 지연 스테이지(38)는 베이스 기판(56) 상에 패터닝된 길이들이 변하는 마이크로스트립 시간 지연 라인들(L5 내지 L8)을 포함한다. 라인 세그먼트들(58, 60, 62)은 지연 스테이지들(32 내지 38)을 상호 연결한다. 전술한 바와 같이 유사한 방식으로 열린 위치에 스위치들(44, 46)의 나머지 쌍들이 유지되면서 4개의 마이크로스트립 지연 라인들 중 하나에서 스위치들(44, 46)의 주어진 쌍을 선택적으로 닫음으로써 각각의 이어지는 지연 스테이지(34 내지 38)에 의해 RF 입력 신호(40)에 추가적인 위상 시프트가 주어진다.

스위칭 장치들(44, 46)은 각각의 마이크로스트립 지연 라인(L1 내지 L16)의 단자 입력 및 단자 출력에서 각각 베이스 기판(56) 상에 위치하고 각각의 마이크로스트립 지연 라인(L1 내지 L16)을 활성화하기 위해 쌍들에서 제어된다. TTD 모듈(20)에서, 스위칭 장치들(44, 46)은 RF MEMS 스위치들이다. 이들 RF MEMS 스위치들(44, 46)은 열린 회로 또는 닫힌 회로를 전송 라인(30)에서 달성하기 위해 전기적으로 작동되는 기계적인 움직임을 사용한다. 각 지연 스테이지(34 내지 38)에서 RF MEMS 장치들(44, 46)의 주어진 쌍이 열린 위치에 있을 때에는, 전송 라인(30)이 "닫힌다(closed)". RF MEMS 장치들(44, 46)의 전부가 오프 위치에 있을 때에는, 전송 라인(30)이 "열리고", RF MEMS 장치들(44, 46)이 RF 신호가 TTD 모듈(20)의 RF 출력(42)에 도달하는 것을 방지한다.

RF MEMS 스위치들(44, 46)은 그것에 선택적인 게이트 전압을 인가함으로써 열리고 닫히게 제어된다. 이러한 게이트 전압은 베이스 기판(56) 상에 패터닝된 게이팅 라인(gating line)(72)들을 통해 제공된다. 게이트 라인(72)들은 MEMS 스위치(44, 46)들을 게이트 전압 소스들 또는 게이트 드라이버(74)들에 전기적으로 결합시킨다. 그러므로 신호가 TTD 모듈(20)을 통해 안테나(미도시)까지 전송되는데 걸리는 시간의 양은 상이한 시간 지연 라인(L1 내지 L16)들을 활성화시키고 RF 신호에 위상 또는 시간 지연의 바라는 양을 주기 위해 게이트 드라이버(74)들을 사용하는 RF MEMS 스위치(44, 46)들의 열리고 닫히는 조합들에 의해 제어된다.

도 4의 TTD 모듈(20)들이 모놀리식 장치들로서 서술되고 있는데 반해, TTD 모듈(112)들은 종래 기술의 모놀리식 TTD 모듈들과는 상이한데 이는 그것들이 장치-레벨 캡들 또는 뚜껑들을 포함하지 않기 때문이다. 빔 형성기 모듈(125) 내에 패키징될 때(도 3), 이들 뚜껑이 없는 TTD 모듈(112)들은 패키지 몸체(138)와 패키지 뚜껑(140) 사이에 형성된 밀봉된 공동(176) 내에 위치한다.

본 발명의 대안적인 실시예들에서, 도 3의 빔 형성기 모듈(125)은 또한 선택적인 TTD 미앤더(meander) 라인(198)들을 포함하고, 이러한 TTD 미앤더 라인(198)들은 도 5의 TTD 모듈(200)과 같은 오프-칩(off-chip) 지연 라인 연결들로 TTD 모듈의 선택 지연 라인들과 결합한다. 전송 라인(196)들과 유사하게, TTD 미앤더 라인(198)들은 절연층(154)의 상면 상에서 패터닝되고 선택 절연 층들(142 내지 152)을 통해 형성된 도전성 비아(conductive via)들을 통해 상부 도전층(185)에 결합된다. 이제 도 5를 참조하면, TTD 모듈(200)은 적절하게 공통 부품 개수들을 갖는 것으로 지칭되는, TTD 모듈(20)과 유사한 구성요소들의 개수를 공유한다(도 4). TTD 모듈(200)은 하나 이상의 시간 지연 라인들(L10, L20)이 하나 이상의 TTD 미앤더 라인(198)들과의 오프-칩 연결을 가능하게 하는 방식으로 구성된다는 점에서 TTD 모듈(20)과는 상이하다. 2개의 지연 라인들(L10, L12)이 도 5에서 오프-칩 연결을 위해 구성되어 있는 것으로 예시되지만, 특별한 TTD 모듈의 임의의 개수의 시간 지연 라인들이 각각의 시간 지연 라인의 전체 길이가 시간 상태들 사이의 신호 연속성을 유지시키는 방식으로 규정되는 한 유사한 방식으로 구성될 수 있는 대안적인 실시예들이 예상된다.

도 5에 예시된 것처럼, 지연 스테이지(32)의 시간 지연 라인(L10, L12)들은 각각의 온-칩 섹션(202, 206, 210, 212)이 베이스 기판(56) 상에 형성된 본드 패드(204, 208)와 스위칭 소자(44, 46) 사이에서 연장하는 2개의 섹션들에서 구성된다는 점에서 시간 지연 라인(L1-L9, L11, L13-L16)들과는 상이하다. 더 구체적으로, 시간 지연 라인(L10)의 제1 온-칩 섹션(202)은 그것의 각각의 스위치(44)로부터 본드 패드(204)까지 연장하는데 반해, 시간 지연 라인(L10)의 제2 온-칩 섹션(210)은 스위치(46)와 본드 패드(208) 사이에서 연결된다. 시간 지연 라인(L12)의 제1 온-칩 섹션(206) 및 제2 온-칩 섹션(212)은 마찬가지로 그것의 대응하는 스위치(44, 46)들로부터 각각의 본드 패드(204, 208)들까지 연장한다.

본드 패드(204)들은 각각의 시간 지연 라인들(L10, L12)의 제1 온-칩 섹션들(202, 206)을 빔 형성기 모듈(125)의 패키지 베이스(138)에 임베드된 각각의 TTD 미앤더 라인들(198)(도 3)의 입력 단부(input end)들에 전기적으로 결합하기 위한 연결점들로서 기능을 한다. 본드 패드(208)들은 시간 지연 라인들(L10, L12)의 제2 온-칩 섹션들(210, 212)을 대응하는 TTD 미앤더 라인들(198)의 출력 단부들에 전기적으로 결합한다. 비록 다른 타입의 연결들이 사용될 수 있을지라도 본드 패드들(204, 208)과 TTD 미앤더 라인들(198) 사이의 연결은 일반적으로 패키지 베이스(138)의 내부 표면(166) 상에 만들어진 플립-칩(flip-chip) 솔더 연결들을 통해 만들어진다.

각각의 시간 지연 라인(L10, L12)과 연관된 시간 지연은 각각의 제1 온-칩 섹션(202, 206)들과 각각의 제2 온-칩 섹션(210, 212)들 그리고 제1 및 제2 온-칩 섹션(202, 206, 210, 212)들이 결합되는 TTD 미앤더 라인(198)의 조합된 길이에 기초하여 규정된다. 그러므로 입력 피드 경로들(204)에 연결된 2개의 TTD 미앤더 라인(198)들은 시간 지연 라인(L10, L12)들의 오프-칩 섹션들로서 기능을 한다. 그러므로 시간 지연 라인(L10)이 그것의 대응하는 스위치 쌍(44, 46)들에 의해 활성화될 때, TTD 모듈(200)로의 신호 입력은 온-칩 섹션(202)을 통해 그리고 대응하는 본드 패드(204) 내로 이동할 것이다. 그런 다음 신호가 패키지 베이스(138)에 위치한 TTD 미앤더 라인(198)에 의해 제공된 오프-칩 섹션을 통해 흐르게 되고 다시 대응하는 본드 패드(208)에서 TTD 모듈(200)로 흐를 것이다. 그 후, 신호는 시간 지연 라인(L10)의 제2 온-칩 섹션(210)을 통과할 것이다. TTD 모듈(200)로의 신호 입력은 활성화될 때 유사한 방식으로 시간 지연 라인(L12)을 통해 흐르게 된다.

패키지 베이스(138)에 TTD 미앤더 라인(198)들을 위치시킴으로써, TTD 모듈(200)의 선택 지연 라인들이 TTD 모듈(200)들 자체 상의 시간 지연 라인들보다 긴 연관된 시간 지연을 가지게 제작될 수 있다. 예를 들면, 비제한적인 실시예에서 TTD 모듈(200)들 상의 온-칩 시간 지연 라인들은 0°라인들로부터 48°라인들까지의 범위를 가질 수 있지만, 오프-칩 TTD 미앤더 라인들은 46°, 128°, 그리고 심지어 192°라인들을 포함할 수 있다. 이 예에서, 각각의 라인과 연관된 °(degree)들의 개수는 활성화될 때 시간 지연 시간에 더해진 시간 지연의 양에 대응한다. 그러므로 TTD 미앤더 라인(198)들은 온-칩 시간 지연 라인들보다 상당히 더 길 수 있다.

빔 형성기(124)의 패키지 베이스(138)에 포함된 시간 지연 라인(L10, L12)들의 오프-칩 부분들은 TTD 모듈(200)이 더 높은 레벨의 조립체에 연결하지 않고 모놀리식 TTD 모듈로서 형성되지 않으면서 더 긴 시간 지연 라인들을 활용하는 것을 허용한다. 그러므로 TTD 모듈(200)은 TTD 모듈(200)의 베이스 기판(56)의 전체적인 사이즈, 그리고 따라서 비용을 증가시키지 않거나 더 높은 레벨 조립체들에 연결함으로써 RF 손실들을 상당히 증가시키지 않으면서 더 낮은 주파수 적용예들로 사용하기 위한 긴 시간 지연 라인들을 가지게 설계될 수 있다.

빔 형성기 모듈(125) 내의 RF 손실들을 더 최소화하기 위해, RF 컴바이너 구역(162)의 절연층(152, 154)들이 도 3에 도시된 것처럼 파워 및 접지 구역(158)과 제어 로직 구역(160)의 층(142 내지 150)들보다 두껍게 형성될 수 있다. 층(152, 154)들의 두께는 TTD 미앤더 라인(198)들에서의 RF 손실들을 완화시키기 위해 선택된다. 하나의 비제한적인 실시예에서, 층(142 내지 150)들 각각은 대략 2mils 두께를 가지고 층(152, 154)들 각각은 대략 10mils 두께를 가진다. 층(152, 154)들은 또한 예를 들면 세라믹과 같은 낮은 손실 절연 재료로 형성될 수 있는데 반해, 층(142 내지 150)들은 예를 들면 유리와 같은 다른 재료로 형성될 수 있다. 게다가, TTD 미앤더 라인(198)들은 어떠한 신호 라인도 RF 손실들을 더 완화시키기 위해 또 다른 것과 교차하지 않도록 층(152 내지 154)들 내에 배치된다.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 빔 형성기 모듈(124)로 사용 가능한 TTD 모듈(214)의 개략도를 보여준다. TTD 모듈(214), TTD 모듈(20)(도 4), 및 TTD 모듈(200)(도 5)에 공통인 구성요소들은 적절하게 공통인 참조 숫자들로 지칭된다. TTD 모듈(214)은 도 3의 빔 형성기 모듈(124)의 패키지 베이스(138)에서 오프-칩 라인들을 활용하는 대안적인 방법을 제공한다. 시간 지연 라인(L1 내지 L16)들이 그것들의 온-칩 또는 오프-칩 연결들에 기초한 소정의 정적인 시간 지연을 가지는 TTD 모듈(20)(도 4) 및 TTD 모듈(200)(도 5)과는 다르게, TTD 모듈(214)에서의 시간 지연 라인(L12)의 길이는 아래에 더 상세하게 기술되는 것처럼 선택적으로 제어될 수 있다.

TTD 모듈(214)에서의 시간 지연 라인(L12)은 제1 온-칩 부분(218)과 제2 온-칩 부분(220)을 연결하는 중간 스위치(216)를 포함한다. 제1 온-칩 부분(218)과 제2 온-칩 부분(220)은 또한 도 5에 대하여 기술된 유사한 방식으로 패키지 베이스(138)에서 TTD 미앤더 라인(198)으로의 연결을 가능하게 하기 위해 본드 패드(204, 208)들에 연결된다. 그러므로 시간 지연 라인(L12)에 대응하는 스위치(44, 46)들이 닫힌다고 가정하면, 2개의 상이한 경로들, 즉 오프-칩 경로와 온-칩 경로를 거쳐 신호가 시간 지연 라인(L12)을 이동시킬 수 있다. 만약 중간 스위치(216)가 열리면, 패키지 베이스(138)에서 TTD 미앤더 라인(198)을 통해 출력 피드 경로(208)로, 그리고 제2 온-칩 부분(220)을 통해 스위치(46)로 온-칩 부분(218)을 거쳐, 스위치(44)로부터 입력 피드 경로(204)로 신호가 이동하게 된다. 하지만, 스위치(44, 46)들 외에 중간 스위치(216)가 닫히면, 신호는 오로지 스위치(44, 46)들 사이의 더 짧은 온-칩 신호 경로를 따라서 그리고 중간 스위치(216)를 가로질러서 이동하게 된다.

TTD 모듈(214)은 또한 시간 지연 라인(L12)의 온-칩 부분(218, 220)들 내의 공진 효과들을 최소화하기 위해 제1 온-칩 부분과 제2 온-칩 부분 내에 추가적인 중간 스위치(222, 224)들을 포함한다. 이들 중간 스위치(222, 224)들은 중간 스위치(216)가 온-칩 신호 전송 경로를 규정하기 위해 그것의 게이트 드라이버(74)에 의해 닫힐 때 열린다. 만약 오프-입 경로가 원해진다면 중간 스위치(216)가 열리게 되고, 중간 스위치(222, 224)들은 그것들의 대응하는 게이트 드라이버(74)들에 의해 닫히게 된다.

하나의 중간 스위치 구성 또는 선택적인 3개의 중간 스위치 구성이 시간 지연 라인(L12)에 통합되는지에 관계없이, 시간 지연 라인(L12)은 더 짧은 온-칩 신호 전송 경로와 더 긴 오프-칩 신호 전송 경로의 옵션을 포함한다. 따라서, TTD 모듈(214)은 짧은 시간 지연 라인과 긴 시간 지연 라인 모두를 동시에 통합함으로써 도 5의 TTD 모듈(200)보다 다양한 시간 지연 라인들을 제공한다. 그러므로 온-칩 신호 경로와 오프-칩 신호 경로에 의해 제공된 더 많이 다양한 시간 지연 라인들이 TTD 모듈(214)로 하여금 더 넓고 다양한 적용예들에서 사용되는 것을 허용할 수 있다.

일부 실시예들에서, TTD 모듈(20)(도 4), TTD 모듈(200)(도 5), 및 TTD 모듈(214)(도 6)에는 예를 들면, 솔더, 글라스 프릿트, 또는 금과 같은 밀봉 재료의 사이에 끼는 층으로 기판(56)에 결합되는 선택적인 뚜껑 또는 캡(미도시)이 제공된다. 그러한 경우, 지연 스테이지(32 내지 38)들과 연관된 스위칭 소자(44, 46)들(그리고 TTD 모듈(214)의 경우에서는 스위칭 소자들(216, 222, 224))이 뚜껑과 기판(56) 사이에 형성된 공동 내에서 둘러싸이고 진공 또는 밀봉된다. 그러한 공동은 예를 들면 공기 또는 질소와 같은 유전성 기체와 같은 하지만 이들에 국한되지 않는 유전성 매질로 채워질 수 있다. TTD 모듈(20, 200, 214)들은 각각의 안테나 소자(16)(도 3)에 대응하는 개별 모듈들로서 또는 웨이퍼-레벨 캡 내에 밀봉된 다중 TTD 모듈(20, 200, 214)들을 포함하는 웨이퍼-레벨 패키지로서 패키징될 수 있다.

그러므로 유익하게, 본 발명의 실시예들은 광대역 주파수 신호 처리 적용예들을 위한 TTD 빔 형성 시스템 모듈들을 제공한다. 이러한 빔 형성 시스템은 모듈 구조물 내로 통합된 다양한 구성요소들을 가지는 복수의 빔 형성기 모듈들을 포함한다. 빔 형성기 모듈은 외부 표면에 임베드된 복수의 안테나 소자들에 전기적으로 결합되고 내부 표면에 부착된 복수의 TTD 모듈들을 가지는 패키지 베이스를 포함한다. 이러한 패키지 베이스는 신호 결합기와 그 안에 통합되고 모놀리식 TTD 모듈에 대한 필요성 없이 TTD 모듈들에 대한 더 긴 시간 지연 라인들을 제공하기 위해 또는 다음 레벨 조립체를 연결하기 위해 TTD 모듈들에 결합되는 복수의 TTD 미앤더 라인들을 더 포함한다. 빔 형성기 모듈은 디지털 구성요소들을 TTD 모듈들과 신호 결합기에 결합하기 위해 패키지 몸체에 밀봉된 뚜껑과 그러한 뚜껑 및 패키지 몸체에 부착된 HDI 회로를 더 포함한다. 빔 형성기 모듈의 다양한 소자들이 패키지 베이스 내로 또는 뚜껑 상으로 통합되기 때문에, 빔 형성기 모듈은 감소된 사이즈를 가지고 값비싼 케이블들에 대한 필요성 없이 다양한 통합된 소자들 사이의 일관되고 신뢰 가능한 연결들을 포함하는 모듈식 구조물을 제공한다. 예를 들면, 도 3에 예시된 전송 라인(226)들은 사용되는 종래 기술의 빔 형성기 구성들의 다수의 케이블 연결들을 대체한다. 전송 라인(226)들은 종래 기술의 케이블 연결들보다 짧고 고정된 구성을 가짐으로써 빔 형성기 모듈의 재현성을 상당히 증가시키고 따라서 시스템 조정 시간을 감소시킨다.

또, 안테나 어레이는 빔 형성 시스템에 바라는 개수의 빔 형성기 모듈들을 간단히 추가함으로써 빔 형성 시스템에서 더 쉽게 형성될 수 있다. 빔 형성 시스템(122)의 이러한 모듈식 조립은 각각의 구성요소가 각가의 다른 구성요소와는 별개로 형성되는 빔 형성 시스템에서 구성요소들의 전형적인 배치에 비해 상당한 양의 공간을 절약한다.

더 긴 시간의 지연 라인들의 부분을 패키지 베이스 내로 통합함으로써, TTD 모듈의 전체적인 사이즈 및 비용이 감소될 수 있다. 게다가, 안테나 소자들과 다양한 전기 라인들을 패키지 베이스 내로 통합하는 것은 안테나 소자들과 전자 구성요소들 사이의 소정의 그리고 정적인 거리를 규정함으로써, 조정 시간, 변화성(variability), 및 비용들을 감소시킨다. 게다가, 빔 형성기 모듈들의 모듈식 구조물은 빔 형성 시스템의 사이즈가 간단한 방식으로 스케일 업(scaled up) 또는 스케일 다운(down)될 수 있게 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 빔 형성기 모듈은 패키지 베이스와 적어도 하나의 TTD 미앤더 라인 그리고 패키지 베이스에서 밀봉된 적어도 하나의 RF 신호 전송 라인을 포함한다. 게다가, 빔 형성기 모듈은 패키지 베이스에 부착된 제1 TTD 모듈을 포함한다. 제1 TTD 모듈은 복수의 시간 지연 라인들을 선택적으로 활성화함으로써 제1 TTD 모듈의 신호 입력과 신호 출력 사이의 신호 전송 경로를 규정하도록 구성된 복수의 스위칭 소자들을 포함한다. 제1 TTD 모듈의 시간 지연 라인들 중 적어도 하나는 패키지 베이스에서 밀봉된 적어도 하나의 TTD 미앤더 라인에 전기적으로 결합된다. 제1 TTD 모듈의 신호 입력 및 신호 출력은 적어도 하나의 RF 신호 전송 라인에 전기적으로 결합된다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 빔 형성기 모듈의 제조방법은 적어도 하나의 시간 지연 라인과 적어도 하나의 RF 신호 전송 라인을 패키지 몸체에서 밀봉하는 단계와 패키지 몸체의 표면상에 적어도 하나의 TTD 모듈을 배치하는 단계를 포함한다. 이러한 방법은 또한 패키지 몸체에서 적어도 하나의 시간 지연 라인에 적어도 하나의 TTD 모듈에서의 적어도 하나의 시간 지연 라인을 전기적으로 결합시키는 단계와 적어도 하나의 TTD의 신호 입력과 신호 출력을 적어도 하나의 RF 신호 전송 라인에 전기적으로 결합시키는 단계를 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, TTD 모듈은 RF 신호 입력, RF 신호 출력, 길이들이 변하는 신호 경로들을 규정하는 복수의 시간 지연 라인들, 및 RF 신호 입력과 RF 신호 출력 사이의 신호 전송 경로를 규정하기 위해 복수의 시간 지연 라인들을 선택적으로 활성화하도록 제어 가능한 복수의 스위칭 소자들을 포함한다. 복수의 시간 지연 라인들은 적어도 하나의 오프-칩 시간 지연 라인을 포함한다. 오프-칩 시간 지연 라인은 복수의 스위칭 소자들의 제1 스위칭 소자와 제1 본드 패드 사이에 결합된 제1 온-칩부와 복수의 스위칭 소자들의 제2 스위칭 소자와 제2 본드 패드 사이에 결합된 제2 온-칩부를 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, TTD 빔 형성기 모듈은 복수의 절연층들을 가지는 패키지 베이스와 복수의 절연층들 사이 그리고 복수의 절연층들을 통해 형성된 상호연결 구조물을 포함한다. TTD 빔 형성기 모듈은 패키지 베이스에 밀봉된 뚜껑과 그러한 뚜껑과 패키지 베이스 사이에 형성된 밀봉 공동 내에 위치하고 상호연결 구조물에 전기적으로 결합된 적어도 하나의 TTD 모듈을 더 포함한다. 각 TTD 모듈은 TTD 모듈의 신호 입력과 TTD 모듈의 신호 출력 사이의 신호 전송 라인을 선택적으로 활성화하도록 구성된 복수의 스위치들을 포함한다. TTD 빔 형성기 모듈은 패키지 베이스의 외부 층에 부착된 적어도 하나의 안테나 소자를 추가적으로 포함한다. 각각의 안테나 소자는 상호연결 구조물을 거쳐 적어도 하나의 TTD 모듈의 각각의 TTD 모듈에 전기적으로 결합된다.

기술된 설명은 최상의 모드를 포함하여 본 발명을 개시하기 위해 예들을 사용하고 또한 임의의 장치들 또는 시스템들을 만들고 사용하는 것과 임의의 통합된 방법들을 수행하는 것을 포함하여 본 발명을 당업자가 실시하는 것을 가능하게 하기 위해 예들을 사용한다. 본 발명의 특허 가능한 범주는 청구항들에 의해 규정되고, 당업자에게 일어나는 다른 예들을 포함할 수 있다. 그러한 다른 예들은 만약 그것들이 청구항들의 어구에 충실한(literal) 언어와는 상이하지 않은 구조적 요소들을 가진다면 또는 그것들이 청구항들의 어구에 충실한 언어들과는 대단치 않은(insubstantial) 차이들을 갖는 동등한 요소들을 가진다면 청구항들의 범주 내에 있는 것으로 의도된다.

본 발명이 오로지 제한된 개수의 실시예들과 관련되어 상세하게 설명되었지만, 본 발명은 그러한 개시된 실시예들에 국한되지 않는다는 점이 바로 이해되어야 한다. 오히려, 본 발명은 지금까지 기술되지 않았지만 본 발명의 취지 및 범주와 잘 맞는 임의의 개수의 변형예들, 대안예들, 대체예들 또는 동등한 배치예(arrangement)들을 통합하도록 수정될 수 있다. 추가로, 본 발명의 다양한 실시예들이 기술되었지만, 본 발명의 양태들은 기술된 실시예들의 일부만을 포함할 수 있다는 점이 이해되어야 한다. 따라서, 본 발명은 전술한 기술 내용에 의해 제한되는 것으로 보아서는 안 되고 첨부된 청구항들의 범주에 의해 의해서만 제한된다.

Claims

빔 형성기 모듈에 있어서:
패키지 베이스(package base);
적어도 하나의 TTD 미앤더 라인(true time delay meander line)과 상기 패키지 베이스에서 밀봉되는(encapsulated) 적어도 하나의 RF 신호 전송 라인(RF signal transmission line); 및
제1 TTD 모듈(first true time delay module)로서, 복수의 시간 지연 라인(time delay line)들을 선택적으로 활성화함으로써 상기 제1 TTD 모듈의 신호 입력과 신호 출력 사이의 신호 전송 경로(transmission path)를 규정하도록 구성되는 복수의 스위칭 소자들을 포함하고 상기 패키지 베이스에 부착되는, 상기 제1 TTD 모듈을 포함하고,
상기 제1 TTD 모듈의 상기 시간 지연 라인들 중 적어도 하나는 상기 패키지 베이스에서 밀봉되는 적어도 하나의 TTD 미앤더 라인에 전기적으로 결합되고;
상기 제1 TTD 모듈의 상기 신호 입력 및 상기 신호 출력은 상기 적어도 하나의 RF 전송 라인에 전기적으로 결합되는, 빔 형성기 모듈.
제1 항에 있어서,
상기 패키지 베이스에 밀폐되는 뚜껑(sealed lid)을 추가로 포함하고,
상기 제1 TTD 모듈은 상기 패키지 베이스와 상기 뚜껑 사이에 형성되는 밀폐된 공동(hermetic cavity) 내에 위치하는, 빔 형성기 모듈.
제2 항에 있어서,
상기 뚜껑에 결합되는 HDI(high density interconnect) 회로; 및
상기 HDI 회로와 상기 패키지 베이스에 임베드되는(embedded) 신호 라인들을 통해 상기 제1 TTD 모듈에 전기적으로 결합되는 제어기를 추가로 포함하는, 빔 형성기 모듈.
제1 항에 있어서,
상기 패키지 베이스는 복수의 절연층들 사이에 그리고 복수의 절연층들을 통해 형성되는 복수의 전도성 라우팅 경로(electrically conductive routing path)들을 포함하는 상호연결 구조물(interconnect structure)을 포함하는, 빔 형성기 모듈.
제1 항에 있어서,
제2 TTD 모듈로서, 상기 패키지 베이스에 부착되고 복수의 시간 지연 라인들을 선택적으로 활성화함으로써 상기 제2 TTD 모듈의 신호 입력과 상기 제2 TTD 모듈의 신호 출력을 결합하도록 구성되는 복수의 스위칭 소자들을 포함하는, 상기 제2 TTD 모듈을 추가로 포함하고,
상기 제2 TTD 모듈의 상기 시간 지연 라인들 중 적어도 하나는 상기 패키지 베이스에서 밀봉되는 상기 복수의 TTD 미앤더 라인들 중 적어도 하나에 결합되는, 빔 형성기 모듈.
제5 항에 있어서,
상기 패키지 베이스에 통합되고 상기 제1 TTD 모듈 및 상기 제2 TTD 모듈 각각에 전기적으로 결합되는 신호 결합기(signal combiner)를 추가로 포함하는, 빔 형성기 모듈.
제1 항에 있어서,
상기 패키지 베이스의 외부 표면에 임베드되는 안테나 소자를 추가로 포함하고, 상기 안테나 소자는 상기 RF 전송 라인을 통해 상기 제1 TTD 모듈에 전기적으로 결합되는, 빔 형성기 모듈.
제7 항에 있어서,
상기 패키지 베이스에 부착되고 상기 안테나 소자에 상기 제1 TTD 모듈을 전기적으로 결합시키는 증폭기를 추가로 포함하는, 빔 형성기 모듈.
제1 항에 있어서,
상기 패키지 베이스는 세라믹의 층 및 유리의 층 중 적어도 하나로 형성되는, 빔 형성기 모듈.
제1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 TTD 미앤더 라인에 전기적으로 결합되는 상기 제1 TTD 모듈의 상기 적어도 하나의 시간 지연 라인은:
상기 복수의 스위칭 소자들의 제1 스위칭 소자와 상기 제1 TTD 모듈의 제1 본드 패드(first bond pad) 사이에 결합되는 제1 온-칩부(first on-chip portion); 및
상기 복수의 스위칭 소자들의 제2 스위칭 소자와 상기 제1 TTD 모듈의 제2 본드 패드 사이에 결합되는 제2 온-칩부를 포함하고,
상기 적어도 하나의 TTD 미앤더 라인은 상기 제1 본드 패드 및 상기 제2 본드 패드에 전기적으로 결합되는, 빔 형성기 모듈.
빔 형성기 모듈의 제조방법에 있어서,
패키지 몸체에 적어도 하나의 시간 지연 라인과 적어도 하나의 RF 신호 전송 라인을 밀봉하는 단계;
상기 패키지 몸체의 표면에 적어도 하나의 TTD 모듈을 배치하는 단계;
상기 적어도 하나의 TTD 모듈에서의 적어도 하나의 시간 지연 라인을 상기 패키지 몸체에서 상기 적어도 하나의 시간 지연 라인에 전기적으로 결합하는 단계; 및
상기 적어도 하나의 TTD 모듈의 신호 입력 및 신호 출력을 상기 적어도 하나의 RF 신호 전송 라인에 전기적으로 결합하는 단계를 포함하는, 빔 형성기 모듈의 제조방법.
제11 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 TTD 모듈을 수용하는 틈이 없게 밀폐되는(hermetically sealed) 공동을 형성하기 위해 상기 패키지 몸체에 뚜껑을 결합하는 단계를 추가로 포함하는, 빔 형성기 모듈의 제조방법.
제11 항에 있어서,
상기 제1 안테나 소자가 상기 적어도 하나의 TTD 모듈의 상기 신호 입력 및 상기 신호 출력 중 하나에 전기적으로 결합되도록 상기 패키지 몸체의 외부 표면에 제1 안테나 소자를 임베드하는 단계를 추가로 포함하는, 빔 형성기 모듈의 제조방법.
제11 항에 있어서,
상기 패키지 몸체에 신호 결합기를 밀봉하는 단계를 추가로 포함하고, 상기 신호 결합기는 상기 적어도 하나의 TTD 모듈의 상기 신호 입력 및 상기 신호 출력 중 하나에 전기적으로 결합되는, 빔 형성기 모듈의 제조방법.
제11 항에 있어서,
HDI 회로를 상기 패키지 몸체에 부착하는 단계; 및
상기 HDI 회로 및 상기 패키지 몸체를 통한 전기 경로들을 통해 상기 적어도 하나의 TTD 모듈에 제어기를 전기적으로 결합하는 단계를 추가로 포함하는, 빔 형성기 모듈의 제조방법.
제11 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 시간 지연 라인의 제1 부분을 상기 패키지 몸체에서 제1 시간 지연 라인의 제1 단부(first end)에 전기적으로 결합하는 단계; 및
상기 적어도 하나의 시간 지연 라인의 제2 부분을 상기 제1 시간 지연 라인의 제2 단부에 전기적으로 결합하는 단계를 추가로 포함하는, 빔 형성기 모듈의 제조방법.
TTD(true time delay) 모듈에 있어서:
RF 신호 입력;
RF 신호 출력;
다양한 길이들을 갖는 신호 경로들을 규정하는 복수의 시간 지연 라인들을 포함하는 전송 라인; 및
상기 RF 신호 입력과 상기 RF 신호 출력 사이의 신호 전송 경로를 규정하기 위해 상기 복수의 시간 지연 라인들을 선택적으로 활성화하도록 제어 가능한 복수의 스위칭 소자들을 포함하고,
상기 복수의 시간 지연 라인들은 적어도 하나의 오프-칩 시간 지연 라인(off-chip time delay line)을 포함하고,
상기 오프-칩 시간 지연 라인은:
상기 복수의 스위칭 소자들의 제1 스위칭 소자와 제1 본드 패드 사이에 결합되는 제1 온-칩부; 및
상기 복수의 스위칭 소자들의 제2 스위칭 소자와 제2 본드 패드 사이에 결합되는 제2 온-칩부를 포함하는, TTD 모듈.
제17 항에 있어서,
상기 제1 본드 패드 및 상기 제2 본드 패드는 플립-칩 솔더 부착(flip-chip solder attachment)을 위해 구성되는 입력/출력 연결들을 포함하는, TTD 모듈.
제17 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 오프-칩 시간 지연 라인은 전체적으로 온-칩 신호 전송 경로를 통해 또는 부분적으로 오프-칩 신호 전송 경로를 통해 상기 제2 스위칭 소자에 상기 제1 스위칭 소자를 결합하도록 선택적으로 제어 가능한 적어도 하나의 중간 스위칭 소자를 추가로 포함하는, TTD 모듈.
제17 항에 있어서,
상기 복수의 시간 지연 라인들의 서브세트(subset)를 각각 포함하는 복수의 지연 스테이지(delay stage)들을 추가로 포함하고,
적어도 하나의 지연 스테이지는 적어도 하나의 오프-칩 시간 지연 라인(off-chip time delay line)과 적어도 하나의 온-칩 시간 지연 라인(on-chip time delay line)을 포함하는, TTD 모듈.
TTD 빔 형성기 모듈에 있어서:
패키지 베이스로서:
복수의 절연층들; 및
상기 복수의 절연층들 사이에 그리고 상기 복수의 절연층들을 통해 형성되는 상호연결 구조물(interconnect structure)을 포함하는, 상기 패키지 베이스;
상기 패키지 베이스에 밀폐되는 뚜껑;
상기 뚜껑과 상기 패키지 베이스 사이에 형성되고 상기 상호연결 구조물에 전기적으로 결합되는 밀폐 공동 내에 위치하는 적어도 하나의 TTD 모듈로서, 각각의 TTD 모듈은 상기 TTD 모듈의 신호 입력과 상기 TTD 모듈의 신호 출력 사이의 신호 전송 라인을 선택적으로 활성화하도록 구성되는 복수의 스위치들을 포함하는, 상기 적어도 하나의 TTD 모듈; 및
상기 패키지 베이스의 외부 층(outer layer)에 부착되고, 각각 상기 상호연결 구조물을 통해 상기 적어도 하나의 TTD 모듈의 각각의 TTD 모듈에 전기적으로 결합되는 적어도 하나의 안테나 소자를 포함하는, TTD 빔 형성기 모듈.
제21 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 TTD 모듈은 뚜껑이 없는 TTD 모듈인, TTD 빔 형성기 모듈.
제21 항에 있어서,
상기 뚜껑과 상기 패키지 베이스 중 적어도 하나에 부착되고 상기 상호연결 구조물에 의해 상기 적어도 하나의 TTD 모듈에 전기적으로 결합되는 HDI 회로; 및
상기 HDI 회로 및 상기 상호연결 구조물을 통해 상기 복수의 TTD 모듈들에 전기적으로 결합되고, 상기 TTD 모듈들의 상기 복수의 스위치들을 제어하도록 구성되는 제어기를 추가로 포함하는, TTD 빔 형성기 모듈.
제21 항에 있어서,
상기 상호연결 구조물은 상기 적어도 하나의 TTD 모듈에 전기적으로 결합되는 스트립라인 신호 결합기(stripline signal combiner)를 포함하는, TTD 빔 형성기 모듈.
제21 항에 있어서,
상기 밀폐 공동 내에 배치되고 상기 상호연결 구조물을 통해 상기 적어도 하나의 TTD 모듈에 전기적으로 결합되는 증폭기를 추가로 포함하는, TTD 빔 형성기 모듈.