[发明专利]真延时波束成形器及操作方法

说明书

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。

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。