CN106415369A - 具有空间混合阶带通滤波器的透镜 - Google Patents

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CN106415369A CN201480079526.1A CN201480079526A CN106415369A CN 106415369 A CN106415369 A CN 106415369A CN 201480079526 A CN201480079526 A CN 201480079526A CN 106415369 A CN106415369 A CN 106415369A
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Abstract

一种装置，包括多个导电元件层和一个基底层。所述导电元件层中的第一层带有第一部分，所述第一部分中包含具有与所述第一层的第二部分中的导电元件的第二结构不同的第一结构的导电元件。所述第一层与所述基底层的一面接触。在导电元件层中的第二层中的导电元件可与所述基底层的另一面接触。所述透镜可包含第一类型的单元体，所述第一类型的单元体包括至少一个具有所述第一结构的导电元件以及被放置在所述基底层不同面上的具有所述第二结构的导电元件。所述第一类型的单元体可提供加载电容性带通滤波响应，而第二类型的单元体可提供带通滤波响应。

Description

具有空间混合阶带通滤波器的透镜
技术领域
本申请总的涉及无线通信系统，更具体地，涉及在电磁(EM)波传输中的透镜的使用。
背景技术
透镜是可将EM波的平面波阵面聚焦到焦点或者反之将从点源发射的球面波准直为平面波的电子器件。这样的基本特征被广泛使用在各种应用(诸如通信、成像、雷达和空间功率合成系统)中。
发明内容
技术问题
在第五代(5G)通信标准可能采用的毫米波频带中，透镜作为克服工作在这样的频带中的天线的增益和波束控制功能中的局限的潜在解决方案，得到了极大关注。
技术方案
本公开各实施例提供带有空间混合阶带通滤波器的透镜以及相关系统和方法。
在一个示例实施例中，一种装置，包括：多个导电元件层和基底层。所述导电元件层中的第一层具有第一部分，所述第一部分包含具有与所述第一层的第二部分中的导电元件的第二结构不同的第一结构的导电元件。
在另一示例实施例中，一种方法，包括：通过透镜发送电磁波。所述透镜包含多个导电元件层和基底层。所述导电元件层中的第一层具有第一部分，所述第一部分包含具有与所述第一层的第二部分中的导电元件的第二结构不同的第一结构的导电元件。
在又一示例实施例中，一种系统，包括：透镜、至少一个天线、发送器或收发器。所述透镜包含多个导电元件层和一个基底层。所述导电元件层中的第一层具有第一部分，所述第一部分包含具有与所述第一层的第二部分中的导电元件的第二结构不同的第一结构的导电元件。所述至少一个天线被配置成通过透镜发送或接收电磁波。所述发送器或收发器被配置成生成用于无线传输的信号或者接收经由天线无线发送的信号。
有益技术效果
本公开实施例还提供几种设计与结构优点。例如，本公开的FSS透镜可减少所使用的金属层和介质层两者的数目，其可简化透镜设计和结构；降低透镜成本、厚度(尺寸)和重量；以及减少或去除可能降低性能的透镜结构中的多余材料。
附图说明
为更完整地理解本公开及其优点，现在将参考以下结合附图给出的描述，其中相似的参考编号表示相似的部分：
图1图解依据本公开的示例无线系统；
图2图解根据本公开的示例演进节点B(eNB)；
图3图解根据本公开的示例用户设备(UE)；
图4图解依据本公开的示例平面频率选择表面(FSS)透镜；
图5图解依据本公开的混合阶带通FSS透镜的示例拓扑的分解图；
图6a和6b图解依据本公开的二阶带通FSS的单元体(unit cell)的示例拓扑的透视图；
图7a至7c图解依据本公开的加载电容性(capacitively-loaded)一阶带通FSS的单元体的示例拓扑的透视图；
图8图解依据本公开的带通FSS的示例拓扑和等效电路模型；
图9a和9b分别图解依据本公开的FSS透镜的示例二阶带通FSS和示例加载电容性一阶带通FSS的等效电路模型；和
图10a和10b分别图解依据本公开的混合阶带通FSS透镜的透射率的示例幅值和相位图。
具体实施方式
在开始以下的本发明的方式之前，对在本专利文件中使用的某些词语和短语进行阐述可能是有好处的。术语“耦合”及其衍生词指的是在两个或更多个元件之间的任何直接或间接通信，无论这些元件是否与另一个进行物理接触。术语“发送”、“接收”和“通信”以及其衍生词，既包含直接通信，也包含间接通信。术语“包含”和“包括”以及其衍生词，指包含，但不限制。术语“或者”为包含，指和/或。短语“有关”以及其衍生词，指包括、被包括、互连、包含、被包含、连接到或与…连接、耦合或与…耦合、与…通信、与…合作、交错、并列、接近、被绑定到或与…绑定、具有、具有…的特性、具有关系或与…具有关系等等。短语“至少其中之一”，当与项目列表使用时，指所列项目的一个或多个的不同组合可被使用，并且列表中可能只需要有一个项目。例如，“A、B和C中至少其中之一”包括以下任何组合：A、B、C、A和B、A和C、B和C以及A和B和C。
在本专利文件中提供对于其它特定词语和短语的定义。本领域一般技术人员应该理解，如果不是大多数情况下，也是在许多情况下，这样的定义适用于这样定义的词语和短语的现在以及将来的使用。
本专利文件中用于描述本公开原理的以下所讨论的图1至10b以及各种实施例仅以说明的方式，而不应该以限制本公开范围的任何方式被解释。本领域一般技术人员将理解本公开的原理可以以任何适当配置的系统或设备来实现。
以下所述的各种图可在可能包括使用正交频分复用(OFDM)或正交频分多址接入(OFDMA)通信技术的无线通信系统中实现。然而，对这些图的描述并不意味着隐含在不同实施例可实现的方式中的物理或结构限制。本公开的不同实施例可使用任何适当的通信技术在任何适当配置的通信系统中实现。
图1图解根据本公开的示例无线网络100。图1中所示的无线网络100的实施例仅用于说明。可以使用无线网络100的其它实施例而会不背离本公开的范围。
如图1所示，无线网络100包括演进节点B(eNB)101、eNB 102、eNB 103。eNB 101与eNB 102和eNB 103通信。eNB 101还与至少一个互联网协议(IP)网络130(诸如因特网、专用IP网络或其它数据网络)通信。
eNB 102为在eNB 102的覆盖区域120内的第一多个用户设备(UE)提供对网络130的无线宽带接入。所述第一多个UE包括可位于小型企业(SB)中的UE 111；可位于公司(E)的UE 112；可位于WiFi热点(HS)内的UE 113；可位于第一居住区(R)的UE 114；可位于第二居住区(R)的UE 115；可以是像蜂窝电话机、无线便携式电脑、无线PDA等的移动设备(M)的UE116。eNB 103为在eNB 103的覆盖区域125内的第二多个UE提供对网络130的无线宽带接入。所述第二多个UE包括UE 115和UE 116。在某些实施例中，eNB 101-103中的一个或多个可使用5G、LTE、LTE-A、WiMAX、WiFi或其它无线通信技术彼此通信以及与UE 111-116通信。
依据网络类型，可使用其它公知的术语替代“演进节点B”或者“eNB”，诸如“基站”或“接入点”。为了方便，在本专利文件中使用术语“演进节点B”和“eNB”指代向远程终端提供无线接入的网络基础设施组件。此外，依据网络类型，使用其它公知的术语替代“用户设备”或“UE”，诸如“移动站”、“用户站”、“远程终端”、“无线终端”或“用户装置”。为了方便，在本专利文件中使用术语“用户设备”和“UE”指代无线接入eNB的远程无线设备，不论UE是移动设备(诸如移动电话机或智能电话机)还是通常被考虑为静止设备(诸如台式电脑或自动售货机)。
虚线示出覆盖区域120和125的近似范围，仅出于说明和解释的目的而被示出为近似圆形。应该清楚地理解，依据eNB的配置以及与天然和人造障碍物相关的无线电环境的差异，与eNB相关的覆盖区域(诸如覆盖区域120和125)可具有包括不规则形状的其它形状。
如下详细描述的，eNB 101-103和/或UE 111-116可包括一个或多个混合阶带通频率选择表面(FSS)透镜。
虽然图1图解了无线网络100的一个示例，但是对图1可进行各种变化。例如，无线网络100可以以任何适当的配置包括任意数目的eNB和任意数目的UE。此外，eNB 101可直接与任何数目的UE通信，并为这些UE提供对网络130的无线宽带接入。类似地，每个eNB 102-103可直接与网络130通信并为UE提供对网络130的直接无线宽带接入。而且，eNB 101、102和/或103可提供对其它或附加外部网络的接入，诸如外部电话网络或其它类型的数据网络。
图2图解了根据本公开的示例eNB 102。图2中所图解的eNB 102的实施例仅用于说明，并且图1的eNB 101和103可具有相同或相似的配置。然而，eNB具有各种不同的配置，而图2并不将本公开的范围限制为任何特定eNB的实现方式。
如图2所示，eNB 102包括多个天线205a-205n、多个RF收发器210a-210n、发送(TX)处理电路215以及接收(RX)处理电路220。eNB 102还包括控制器/处理器225、存储器230以及回程或网络接口235。
RF收发器210a-210n从天线205a-205n接收输入的RF信号，诸如由无线网络100中的UE发送的信号。RF收发器210a-210n将输入的RF信号下变频以生成IF或基带信号。IF或基带信号被发送给RX处理电路220，RX处理电路220通过滤波、解码和/或数字化该基带信号或IF信号来生成处理后的基带信号。RX处理电路220将处理后的基带信号发送给控制器/处理器225以用于进一步的处理。
TX处理电路215从控制器/处理器225接收模拟或数字数据(诸如语音数据、网络数据、电子邮件或者交互视频游戏数据)。TX处理电路215将输出基带数据编码、复用和/或数字化以生成处理后的基带或IF信号。RF收发器210a-210n从TX处理电路215接收输出的处理后的基带或IF信号，并将该基带或IF信号上变频为经由天线205a-205n发送的RF信号。
控制器/处理器225可包括控制eNB 102的整个运行的一个或多个处理器或其它处理设备。例如，控制器/处理器225可根据公知原理通过RF收发器210a-210n、RX处理电路220和TX处理电路215控制前向信道信号的接收以及反向信道信号的发送。控制器/处理器225还可支持附加功能，诸如更高级的无线通信功能。例如，控制器/处理器225可支持波束形成或其中来自多个天线205a-205n的输出信号被不同加权以便将输出信号有效引导到所期望方向的定向路由操作。在eNB 102中通过控制器/处理器225可支持任何其它功能。在某些实施例中，控制器/处理器225包括至少一个微处理器或微控制器。
控制器/处理器225还能够执行驻留在存储器230中的程序和其它进程，诸如基本OS。当执行进程要求时，控制器/处理器225可将数据移入或移出存储器230。
控制器/处理器225也可耦合到回程或网络接口235。回程或网络接口235允许eNB102通过回程连接或通过网络与其它设备或系统通信。接口235可支持通过任何适当的有线或无线连接的通信。例如，当eNB 102被实现作为蜂窝通信系统(诸如支持5G、LTE或LTE-A的系统)的一部分时，接口235可允许eNB 102通过有线或无线回程连接与其它eNB通信。当eNB被实现为接入点时，接口235可允许eNB 102通过有线或无线本地网络或通过有线或无线连接连接到更大网络(例如互联网)进行通信。接口235包括支持通过有线或无线连接进行通信的任何适当的结构，诸如以太网或RF收发器。
存储器230耦合到控制器/处理器225。存储器230中的一部分可包括RAM，存储器230的其它部分可包括闪存或其它ROM。
如下详述，eNB 102可包括一个或多个混合阶带通FSS透镜。
虽然图2图解了eNB 102的一个示例，但是可对图2进行各种变化。例如，eNB 102可包括任意数目的在图2中所示各组件。作为具体示例，接入点可包括多个接口235，控制器/处理器225可支持路由功能以在不同网络地址之间路由数据。作为另一具体示例，虽然被示出为包含TX处理电路215的单个实例和RX处理电路220的单个实例，但是eNB 102可包括各组件(诸如每RF收发器一个)的单个实例。同时，图2中的各组件可被合并、进一步被细分或者被省略，并且可根据具体需要而增加附加组件。
图3图解根据本公开的示例UE 116。图3中所示的UE 116的实施例仅用于说明。图1的UE 111-115可具有相同或相似的配置。然而，UE可具有各种不同配置，而图3并不将本公开的范围限制于任何具体的UE实现方式。
如图3所示，UE 116包括天线305、射频(RF)收发器310、发送(TX)处理电路315、麦克风320和接收(RX)处理电路325。UE 116还包括扬声器330、主处理器340、输入/输出(I/O)接口(IF)345、键盘350、显示器355和存储器360。存储器360包括基本操作系统(OS)程序361和一个或多个应用362。
RF收发器310从天线305接收由网络100的eNB发送的输入RF信号。RF收发器310下变频输入RF信号以生成中频(IF)或基带信号。IF或基带信号被发送给RX处理电路325，RX处理电路325通过滤波、解码和/或数字化该基带信号或IF信号来生成处理后的基带信号。RX处理电路325将处理后的基带信号发送给扬声器330(诸如对于语音数据)或者发送给主处理器340以用于进行进一步处理(诸如对于网络浏览数据)。
TX处理电路315从麦克风320接收模拟或数字语音数据或者从主处理器340接收其它输出基带数据(诸如网页数据、电子邮件或者交互视频游戏数据)。TX处理电路315将输出基带数据编码、复用和/或数字化以生成处理后的基带或IF信号。RF收发器310从TX处理电路315接收输出的处理后的基带或IF信号，并将该基带或IF信号上变频为经由天线305发送的RF信号。
主处理器340可包括一个或多个处理器或其它处理设备，并执行存储器360中存储的基本OS程序以便控制UE 116的整个运行。例如，主处理器340可根据公知原理通过RF收发器310、RX处理电路325和TX处理电路315控制前向信道信号的接收以及反向信道信号的发送。在某些实施例中，主处理器340包括至少一个微处理器或微控制器。
主处理器340还能够执行驻留在存储器360中的其它进程和程序。主处理器340可按执行进程要求将数据移入或移出存储器360。在某些实施例中，主处理器340被配置成基于OS程序361或者响应从eNB或运营商接收的信号而执行应用362。主处理器340还耦合到I/O接口345，I/O接口345为UE 116提供连接到其它设备(诸如笔记本电脑和掌上电脑)的能力。I/O接口345是在这些附件和主处理器340之间的通信通道。
主处理器340还耦合到键盘350和显示器355。UE 116的运营商可使用键盘350输入数据到UE 116中。显示器355可以是液晶显示器或其它能够显示文本和/或至少有限图形(诸如来自网站)的显示器。
存储器360耦合到主处理器340。存储器360中的一部分可包括随机存取存储器(RAM)，存储器360的其它部分可包括闪存或其它只读存储器ROM。
如下详述，UE 116可包括一个或几个混合阶带通FSS透镜。
虽然图3图解UE 116的一个示例，但是可对图3进行各种变化。例如，图3中的各组件可被合并、进一步被细分或省略，以及根据具体需要增加额外的组件。作为具体示例，主处理器340可分为多个处理器，诸如一个或多个中央处理单元(CPU)以及一个或多个图形处理单元(GPU)。此外，虽然图3图解UE116被配置成移动电话机或智能手机6，但是UE可被配置为作为其它类型的移动或静止设备工作。
本公开各实施例认识到并考虑透镜可对在通信系统(包括微波和毫米波(MMW)通信系统)中使用的天线提供若干显著改善的事实。这些改善可包括：对于特定的点到点通信的增加的天线方向性以及改善的链路可用性；提高的天线增益以获得更优信噪比、数据容量和链路可靠性；减小的天线旁瓣以用于更有效地使用天线辐射图以及来自其它无线电干扰更少；以及降低的天线损耗以用于更低的系统功率消耗。透镜提供这些改善的同时保持了在许多微波和MMW通信系统中有用的天线方向图波束控制的能力。而且，这些改善仅使用无源结构实现，以避免与其中有源设备用于这类改善的方法有关的复杂性和能量损耗。
本公开实施例还认识到和考虑通过频率选择表面(FSS)实现的相移可用于设计平面透镜这一事实。在这些透镜中，相移的宽范围可通过调谐高阶带通FSS来覆盖。例如，级联的多个在每个面之间间隔为1/4波长的一阶FSS可增加FSS的整个厚度并提高对EM波的入射角度和极化的频率响应的灵敏度。FSS技术的先进性也使完全由非共振周期结构组成的低剖面(low-profile)高阶带通FSS的合成成为可能。一种类型的FSS使用一对电感和电容层以增加带通响应的一个或几个阶。然而，这种带有多个粘结层的堆叠拓扑由于多粘结层所引起的高成本和性能退化而构成商业MMW应用的瓶颈。
本公开实施例还识别到和考虑用于微波或MMW系统的某些平面透镜技术具有严重的缺点，这阻碍了其实际应用这一事实。这些缺点可包括以下方面：
●体积和尺寸-为获得准直或聚焦的相位变化，全介质透镜厚、体积大且重；以及
●复杂性-涉及多个金属层和介质层，不同和复杂的布局设计的金属层的交替以及在具有与其它介质层不一致的介质和电特性的介质层之间的粘结层的结构增加了平面透镜的成本、重量和插入损耗。
另外，某些高阶带通FSS透镜的缺点可包括以下：
●由于更大数量的基底、金属和粘结层引起的高制造成本；
●由于更大数量的金属线迹而引起的高欧姆损耗；
●由于更大数量的基底和粘结层而引起的高介质损耗；以及
●由于在粘结层和介质层之间在材料特性方面的不匹配而引起的微小制造公差。
因此，本公开各种实施例提供低成本、低剖面(low profile)平面透镜。本公开的透镜可以以各种方式使用，诸如用于增强像UE和eNB这样工作在无线通信平台的辐射元件(例如天线)的增益/方向图。而且，本公开各种实施例提供更薄配置的平面透镜以覆盖具有简化的加载复杂性的元件。而且，本公开各种实施例的透镜可在不使用有源器件的情况下增加RF前端的系统增益，从而改善信噪比(SNR)。另外，接收信号的功耗电平的增加可允许降低整个系统的功耗并得到更可靠的无线连接。
在本公开各种实施例中，平面透镜采用混合阶带通滤波响应，这可允许在保证相移目标的同时减少透镜中的基底层和金属层的数目。在一些实施例中，本公开的平面透镜采用包含一个介质基底和两个金属层的单基底空间混合阶带通滤波器。本方法允许在保证相移的期望目标的同时减少基底层和金属层的数目。例如，一些传统透镜采用三阶带通滤波响应、四个基底、五个金属层以及三个粘结层(这里电感和电容层都被使用)。然而，为达到具有可比的或更大数量的相移，本公开的单基底空间混合阶带通透镜使用一个基底层和两个金属层，并且可不需要粘结层。
图4图解依据本公开的示例平面FSS透镜400。在本说明示例中，通过透镜400的FSS相位响应来实现相移。透镜400的孔径被分为多个不同的区域(诸如Zone1、Zone2、…、ZoneN)，如图4所示，通过FSS的不同区域的光线经历不同数量的相移。更具体说，随着通过透镜400的光线距离透镜400的中心越远，光线所经历的相移就越小，所以在透镜400的中心附近存在较大的相移，而在透镜400的边缘存在较小的相移。
对于具有小型因素需求的紧凑无线设备(诸如UE)来说，减小透镜400的焦距f可能是必需的或者是期望的。减小焦距可涉及使穿过透镜400的相移差值最大化(这里)。通过FSS元件的相移在FSS的通带内的调谐范围来确定的数值。透镜400可通过根据区域的数目而轻微更改FSS元件的尺寸而获取调谐范围。
透镜400的其它设计参数包括透镜孔径(AP)的大小、透镜400的厚度(t)、FSS单元体的尺寸。当孔径大小增加时，聚焦增益增加，但是当固定时，焦距f也增加。透镜厚度与透镜400对于EM波入射角度的灵敏度有关。另外，更小的FSS单元体会带来透镜400的更细的聚焦分辨率，但是要求制造过程更好的容差。可通过考虑在性能、大小和制造条件之间的折中而确定透镜400的上述设计参数。
图5图解依据本公开的混合阶带通FSS透镜500的示例拓扑的分解图。在本说明示例中，透镜500包括基底层505和两个导电元件层510和515。如下详述，透镜500为混合阶，其中透镜500包括加载电容性的一阶带通FSS部分520和二阶带通FSS部分525。层510的部分530被放大以说明层510中存在的导电元件的模式的细节，这在下面详细描述。
图6a和6b图解依据本公开的二阶带通FSS的单元体(unit cell)600的示例拓扑的透视图。在本说明示例中，单元体600为图5中的透镜500的二阶带通FSS部分525的横切面内存在的单元体的示例。图6a中，单元体600以侧视图描述，在单元体600中存在的基底层505的部分605被描述为透明的以便在导电元件层510中的导电元件610的结构是可视的。图6b中，单元体600以俯视图和/或仰视图描述，具有导电元件610和/或导电元件615的结构与基底层505的下层部分605彼此区别开。
单元体600是二阶带通FSS。例如，在基底部分605中的介质和在导电元件610和615中的金属的组合提供对于通过单元体600传播的EM波的带通滤波响应。单元体600的每一面提供单阶带通FSS以使单元体600为二阶带通FSS。几个这样的单元体600形成透镜500的二阶带通FSS部分525。例如，透镜500的外面部分可采用二阶带通FSS。不同的相移量和相移的调谐可通过改变单元体600的特性而获得。这些特性例如包括导电元件层510/515中的导电元件610/615的大小、导电元件层510/515中的导电元件610/615的厚度、g1(导电元件层510/515中的相邻导电元件610/615之间的间隔大小)、g2(导电元件610/615内的间隔大小)、L(导电元件的相对端的间隔之间的长度)、w(导电元件的相同端上的间隔之间的宽度)和/或单元体600中的导电元件610/615的结构的其它特性。
注意在图6a和6b中示出的导电元件610和615的结构是为了说明二阶带通FSS的一个示例。可使用其它适当的结构形状(诸如矩形、三角形和椭圆形)。另外，可依据本公开的原理合适地采用在导电元件610/615内的任意数目的不同尺寸、位置和间隔数。
图7a至7c图解依据本公开的加载电容性的一阶带通FSS的单元体700的示例拓扑的透视图。在本说明实施例中，单元体700是图5中的透镜500的加载电容性的一阶带通FSS部分520的横截面内存在的单元体的示例。
图7a中，单元体700以侧视图描述，在单元体700中存在的基底层505的部分705被描述为透明的以便在导电元件层510中的导电元件710的结构是可视的。图7b中，单元体700从一面720描绘(诸如俯视图和/或仰视图)，具有导电元件710的结构区别于基底层505的下面部分705。图7c中，单元体700从另一面725描绘(诸如仰视图和/或俯视图)，具有导电元件715的结构与基底层505的下面部分705再次区别开来。在各实施例中，导电元件710/715与单元体600中导电元件610/615具有相同结构。
单元体700为加载电容性的一阶带通FSS。例如，在基底部分705中的介质和在导电元件710中的金属的组合提供对于通过单元体700的面720传送的EM波的电容滤波响应。例如，导电元件结构可具有贴片结构，诸如矩形形状，其提供对于通过单元体700的面720传送的EM波的电容滤波响应。类似地，如上关于图6a和6b所讨论的，在基底部分705中的介质和在导电元件715中的金属的组合提供对于通过单元体700的面720传送的EM波的带通滤波响应。因此，单元体700为“被加载电容性的”一阶带通FSS。
几个这样的单元体700形成透镜500的加载电容性一阶带通FSS部分520。例如，透镜500的内部可采用加载电容性一阶带通FSS。不同相移量和相移的调谐可通过改变单元体700的特性而获得。如上关于图6a和6b所讨论的，这些特性例如包括单元体700中的导电元件710/715的结构的大小、厚度、g1、g2、L、w和/或其它特性。另外，面720包括特性g3，其指面720和/或透镜500的层510的部分525中的相邻导电元件710之间的间隙大小。
注意单元体600和700的图解只是示例，用于展示各个导电元件在其各自层内的结构和配置。如图5所示，透镜500包括多个单元体，基底层505在多个单元体中是连续或不间断的。
图8图解依据本公开的带通FSS 800的示例拓扑和等效电路模型。在本说明示例中，FSS 800可以是具有带通滤波金属层结构的透镜500的任何一面的部分，诸如二阶部分525中的层515或层510的部分。如图8所示，在基底层505中的介质和在导电元件层510和/或515中的金属的组合提供对于通过带通FSS 800传送的EM波的带通滤波响应。电路模型805图解包括在包含导电元件和绝缘间隙的单个表面上实现的分流(shunt)电感和分流电容的分流谐振器。
图9a和9b分别图解依据本公开的FSS透镜的示例二阶带通FSS和示例加载电容性一阶带通FSS的等效电路模型。在本说明示例中，电路模型900展示通过FSS透镜的二阶带通FSS带通部分(诸如透镜500中的部分525)传送的EM波所获得的相移电路的等效。如上所述，模型900包括两个带通滤波响应(电容器与电感器并联)。电路模型905展示通过加载电容性一阶带通FSS(诸如透镜500中的部分520)传送的EM波获得的相移电路的等效。如上所述，模型905包括一面上的一个带通滤波响应(电容器与电感器并联)和另一面上的电容性滤波响应。电路模型900和905用于说明FSS透镜500的不同部分的相移特性的等效或近似表示。
在加载电容性一阶带通FSS中的电容性加载降低了在透镜500的工作频率上FSS透镜的500部分520的整个相移值。电容负载可允许FSS透镜500的部分520覆盖不能被仅有带通空间的FSS覆盖的新相移调谐范围。例如，不同阶带通空间FSS的相移调谐范围可重叠。因此，混合阶的仅有带通的FSS可能不提供超出带通FSS中最高阶的额外的相移调谐范围。例如，第一阶和第二阶带通FSS的相移调谐范围可能包含在第三阶带通FSS的相移调谐范围内。另一方面，FSS透镜500的部分520的电容性加载改变了下截止频率响应的斜率，这将FSS透镜500的加载电容性一阶FSS部分520的相移调谐范围移动以覆盖可能没有被FSS透镜500的二阶带通FSS部分525覆盖的范围。
将加载电容性一阶带通FSS部分520与二阶带通FSS部分525组合以形成混合阶带通FSS透镜500，提高了FSS透镜结构的相移调谐范围，而不增加滤波响应的阶数。换句话说，本公开的加载电容性一阶和二阶FSS透镜可提供与三阶带通滤波相当的相移调谐范围，这对于带通滤波器来说是意外的。另外，在提供与三阶带通FSS透镜(其需要多个基底和粘合层)相当的相移调谐范围的同时使用单基底提供了这里所描述的几个优点。
图10a和10b分别图解了依据本公开的混合阶带通FSS透镜的透射率的示例幅值和相位曲线。图10a图解了FSS透镜500的不同部分的幅值响应的曲线1000。图10b图解了FSS透镜500的不同部分的频率响应的曲线1005。如图所示，FSS透镜500的一阶部分的相位响应与FSS透镜500的二阶部分相位响应并不重叠。因此，混合阶FSS透镜500的调谐范围1010被增加。在该示例中，FSS透镜500的调谐范围1010可为大约200°。该调谐范围可大于某些采用更多数量的金属、基底和/或粘结层的三阶带通FSS透镜。因此，在减小现有透镜的大小、厚度和/或制造限制的同时，混合阶带通FSS透镜500可达到获取适当相移调谐范围的期望目标。
在具体实施例中，透镜500可表示针对28.2GHz工作频率设计的单基底混合阶带通FSS透镜，其单元体大小为2.7mm，基底(Rogers 3003)的介质常数和厚度分别为3mm和0.5mm。在这些实施例中，透镜500提供亚波长滤波。例如，导电元件的大小或横向维度和透镜的整个厚度可小于针对通过透镜500的空间相移设计的工作频率的波长。
为达到不同级别的相移，设计参数(诸如g1、g2、g3、w和L)针对二阶和加载电容性一阶带宽部分被合适地调谐。针对28.2GHz设计示例的FSS透镜500的设计参数的数值在曲线1000和1005的图例中被列出。上述数值和维度仅是示例，并不限制依据本公开实施例可使用的其它维度。例如，任意层中导电元件的大小、数目和/或间隙可基于不同因素(诸如相移、透镜厚度和/或制造公差)而增加或减少。
在提供相当或更好的空间相移范围的同时，本公开的混合阶带通FSS透镜500可使用比现有平面透镜更少的金属和介质层。一阶加载电容性元件可放置在FSS透镜500的中心，而二阶元件可放置在透镜外围。在透镜500中心部分使用一阶加载电容性元件更高的绝对相位延迟，以便为准直或聚焦透镜中心附近的EM波提供更大的相位延迟。朝向透镜500的外部区域的二阶元件提供较小的绝对相位延迟，但是贡献用于调谐平面透镜500的准直或聚焦的更宽范围的相位延迟。
依据实现方式，使用本公开的混合阶带通FSS透镜的优点可包括：
●由于单基底层而导致的更低制造成本；
●由于不需要粘结层而导致的更低制造成本；
●由于更少的基底和粘结层而导致的更低介质损耗；以及
●由于更少的金属或导电层而导致的更低欧姆损耗。
在各种实施例中，FSS透镜可提高光束转向角的覆盖率。例如，FSS透镜可包括使通过透镜传播的波以任何期望的角度被聚焦的空间相移器。在其它实施例中，FSS透镜可用于波束展宽(beam broadening)。波束展宽可以在不同辐射角度提供不同水平的波束宽度，这可使能多功能无线通信(例如天线分集)。
虽然以上各种实施例将FSS透镜描述为与贴片阵列天线相结合地使用，但是本公开的FSS透镜也可与任何类型或形状的天线(诸如喇叭天线、单极天线、偶极天线和缝隙天线)一起使用。另外，虽然FSS透镜的形状在一些图中被图解为平面的，但是FSS透镜也可以是弯曲的、非平面的和/或共形透镜(conformal lens)。而且，虽然已经描述了对于导电元件使用金属，但是导电元件可利用其它导电材料来制造。而且，虽然导电元件的形状在某些图中被示为矩形或方形，但是导电元件还可具有其它形状。例如，导电元件可以是六角形、椭圆、圆形、八角形、带有弯曲或直的边缘的形状等等。另外，本公开的FSS透镜可针对涉及几乎任何RF频率范围的应用设计和制造，从几兆赫到几百千兆赫(诸如1MHz到300GHz)。最后，本公开的平面透镜可在无严格制造过程要求的情况下制造并与各种平台集成。例如，本公开平面透镜中的方向图可只有两维而不要求垂直结构。
本公开实施例对无线通信系统和其它应用中的天线提供几个显著改善。例如，本公开的FSS透镜可提供增加的天线增益和方向性，降低天线方向图旁瓣和降低的天线损耗。这些技术上的改进为使用这种透镜的任何产品和系统提供了许多商业和市场优点。例如，本公开的FSS透镜可提供更高的数据吞吐量或更高的数据容量。利用透镜的天线的更高天线增益产生更高的信噪比值，更高的信噪比值提供更高的数据吞吐量和更高的数据容量。
作为另一示例，本公开的FSS透镜可提供更好的连接有效性和更好的连接建立。FSS透镜可提供更高的增益和更强的信号，eNB和UE之间(或其它设备之间)更强的信号水平提供设备之间更可靠的初始连接建立。由于带透镜天线的更高指向性和更高干扰抑制性，本公开的FSS透镜还可提供更可靠的无线连接。波束控制的更高指向性提供具有通信通道或信道的天线方向图的对准。更高的指向性和更小的旁瓣也降低了沿期望通信通道被拦截的不期望信号的电平。本公开的FSS透镜还可提供具有更大的UE范围和更低的eNB密度。更高的天线增益允许UE工作在距离其具有可比性的发射功率的eNB更远的地方，在给定区域内允许更少的eNB。
作为又一示例，本公开的FSS透镜可为移动或消费产品提供更长的电池寿命。所增加的移动天线的增益允许在相当信号水平的情况下降低发射功率。eNB天线所增强的增益可减少在UE上的接收器所需要的功率。所增强的增益可减少UE电路中所消耗的电功率并允许在电池充电周期之间工作更长时间。本公开的FSS透镜也可提供更小的产品或具有更多特点和功能的产品。所提供的增强的天线指向性或增益允许减少天线所使用的区域。额外的区域可为其他系统功能或特点所需要的组件重新分配，或者额外的区域可用于减少UE或eNB的整个大小和体积。
虽然已利用示例实施例描述了本公开，但是对于本领域普通技术人员来说，可建议各种变化和更改。可以预期本公开包含这样的属于所附权利要求范围内的变化和更改。

Claims (22)

1.一种装置，包括：
透镜，包含多个导电元件层和一个基底层；
所述导电元件层中的第一层包含第一部分，所述第一部分包含具有与所述第一层的第二部分中的导电元件的第二结构不同的第一结构的导电元件。
2.如权利要求1所述的装置，其中：
所述第一层与所述基底层的一面接触；以及
在所述导电元件层中的第二层中的导电元件与所述基底层的另一面接触并具有所述第一结构。
3.如权利要求2所述的装置，其中，具有所述第一结构的导电元件的尺寸和厚度在第二导电元件层上变化。
4.如权利要求1所述的装置，其中，所述透镜包含第一类型的单元体，所述第一类型的单元体包括：
至少一个具有所述第一结构的导电元件被放置在所述基底层的一面上；以及具有所述第二结构的导电元件被放置在所述基底层的另一面上。
5.如权利要求4所述的装置，其中，所述第一类型的单元体被配置成提供对于通过所述第一类型的单元体的电磁波的加载电容性带通滤波响应。
6.如权利要求5所述的装置，其中：
所述透镜还包括：第二类型的单元体，其包括被放置在所述基底层的相对面上并具有所述第一结构的导电元件；以及
所述第二类型的单元体被配置成提供对于通过所述第二类型的单元体的电磁波的带通滤波响应。
7.如权利要求1所述的装置，其中，具有所述第一结构和所述第二结构的导电元件的尺寸和厚度在第一导电元件层上变化。
8.如权利要求1所述的装置，其中：
所述第一结构为带通滤波结构；以及
所述第二结构为贴片结构。
9.如权利要求1所述的装置，其中，对于通过所述透镜的电磁波的相移响应的范围基于在所述多个层中的导电元件之间的至少一个间隙。
10.如权利要求1所述的装置，其中，所述透镜仅包括两个导电元件层和一个基底层。
11.如权利要求1所述的装置，其中，所述透镜为混合阶频率选择表面(FSS)，具有：
包含在所述基底层的相对面上的不同结构的导电元件的中心部分；以及
包含在所述基底层的相对面上的具有相同类型的结构的导电元件的外面部分。
12.如权利要求1所述的装置，其中，所述导电元件的横向维度和所述透镜的厚度小于用于空间相移的工作频率的波长。
13.一种方法，包括：
通过包含多个导电元件层和一个基底层的透镜发送电磁波，所述导电元件层中的第一层包含第一部分，所述第一部分包含具有与所述第一层的第二部分中的导电元件的第二结构不同的第一结构的导电元件。
14.如权利要求13所述的方法，其中：
所述第一层与所述基底层的一面接触；以及
在所述导电元件层中的第二层中的导电元件与所述基底层的另一面接触并具有所述第一结构。
15.如权利要求14所述的方法，其中，所述透镜包含第一类型的单元体，所述第一类型的单元体包括：
至少一个具有所述第一结构的导电元件被放置在所述基底层的一面上；以及
具有所述第二结构的导电元件被放置在所述基底层的另一面上。
16.如权利要求15所述的方法，其中，通过所述透镜发送电磁波包括提供对于通过所述第一类型的单元体的电磁波的电容性滤波响应。
17.如权利要求16所述的方法，其中：
所述透镜还包括：第二类型的单元体，其包括被放置在所述基底层的相对面上并具有所述第一结构的导电元件；以及
通过所述透镜发送电磁波包括提供对于通过所述第二类型的单元体的电磁波的带通滤波响应。
18.如权利要求13所述的方法，其中，所述透镜为混合阶频率选择表面(FSS)，具有：
包含在所述基底层的相对面上的不同结构的导电元件的中心部分；以及
包含在所述基底层的相对面上的具有相同类型的结构的导电元件的外面部分。
19.一种系统，包括：
透镜，包含多个导电元件层和一个基底层，所述导电元件层中的第一层包含第一部分，所述第一部分包含具有与在所述第一层的第二部分中的导电元件的第二结构不同的第一结构的导电元件；
至少一个天线，被配置成通过所述透镜发送或接收电磁波；以及
发送器或收发器，被配置成生成用于无线传输的信号或接收经由所述天线无线发送的信号。
20.如权利要求19所述的系统，其中：
所述第一层与所述基底层的一面接触；以及
所述导电元件层中的第二层中的导电元件与所述基底层的另一面接触并具有所述第一结构。
21.如权利要求19所述的系统，其中，所述发送器或收发器、至少一个天线和透镜形成用户设备的一部分。
22.如权利要求19所述的系统，其中，所述发送器或收发器、至少一个天线和透镜形成演进节点B的一部分。
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