CN117178433A - 光学透明的反射阵列 - Google Patents
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Abstract
提供了光学透明的反射阵列制品及其制造和使用方法。该反射阵列制品包括频率选择性表面(FSS)层和接地平面层，该FSS层和接地平面层设置在电介质基底的相对两侧。该FSS层包括被配置为反射入射的毫米波的线状谐振金属元件的图案，并且该接地平面层包括金属基导体网格的图案以提供导电性和高可见光透射率。
Description
背景技术
用于宽带蜂窝网络的第五代技术标准(5G)于2019年开始在全球范围内部署。与其前身一样，5G网络是蜂窝网络，其中服务区域被划分为称为小区的小地理区域。小区中的所有5G无线装置通过小区中的本地天线经由无线电波连接到互联网和电话网络。新的5G网络的主要优点在于将具有更大的带宽，提供高达每秒10吉比特(Gbit/s)的更高下载速度。提高的速度部分地是通过使用比先前蜂窝网络更高频率的无线电波来实现的。已确认针对小型小区回程和无线接入使用在6GHz至100GHz频谱区域内的较高频率无线电波(迄今为止称为微波或毫米波或mmWave)。较高频率的无线电波具有更短的有用物理范围，需要的地理小区较小。使用具有高增益的高方向性天线的视线(LOS)链路直接向移动用户提供聚焦波束。该LOS连接用于补偿在mmWave频率下的较高的路径损耗和信号劣化。
由于移动网络提供商的频率逐渐进入毫米波体系，用于LOS连接的射频(RF)波的波束控制正在成为现代无线通信中不可缺少的一部分。在较高频率下，传播损耗通常会增加，而来自物体(建筑物墙壁、窗玻璃、金属表面)的反射要么变得较差(例如，由于损耗)，要么效率低下(例如，表示漫散射或镜面散射)，这会导致大量的盲区。这个问题通常通过引入更多的塔或有源相位重复天线来解决，这可能不具备高性价比。
发明内容
期望提供用于无线通信中射频(RF)波的波束控制的高性价比解决方案。在一个方面，本公开提供了一种光学透明的反射阵列制品，该光学透明的反射阵列制品包括频率选择性表面(FSS)层，该FSS层包括谐振金属元件的图案，该谐振金属元件被配置为反射在从约1.0mm至约10.0cm的范围内的自由空间波长λ的入射射频(RF)电磁波，每个谐振金属元件包括线状结构；接地平面层，该接地平面层包括由多个迹线形成的图案化导体，该多个迹线限定设置在其主表面上的连续金属网格的单元；和一个或多个电介质层，该一个或多个电介质层夹置在该FSS层和该接地平面层之间。该制品在约380nm至约700nm的自由空间波长范围内基本上是光学透明的。
在另一方面，本公开提供了一种制造光学透明的反射阵列制品的方法。该方法包括：提供频率选择性表面(FSS)层，该FSS层包括谐振金属元件的图案，该谐振金属元件被配置为反射在从约1.0mm至约10.0cm的范围内的自由空间波长λ的入射射频(RF)电磁波，每个谐振金属元件包括线状结构；提供接地平面层，该接地平面层包括由多个迹线形成的图案化导体，该多个迹线限定设置在其主表面上的连续金属网格的单元；以及提供一个或多个电介质层，该一个或多个电介质层夹置在该FSS层和该接地平面层之间。该制品在约380nm至约700nm的自由空间波长范围内基本上是光学透明的。
附图说明
图1是根据一个实施方案的光学透明的反射阵列膜的剖视图。
图2是根据另一个实施方案的光学透明的反射阵列膜的剖视图。
图3A是根据一些实施方案的谐振金属元件的图案的示意性平面图。
图3B是根据一些实施方案的谐振金属元件和金属网格的图案的示意性特写图。
图4是根据一个实施方案的导电图案的例示性几何形状的俯视平面图。
图5是根据一个实施方案的光学透明的反射阵列膜的室外应用的示意图。
图6是根据一个实施方案的光学透明的反射阵列膜的室内应用的示意图。
图7A是反射阵列膜的模拟反射曲线中反射振幅与频率的函数关系图。
图7B是反射阵列膜的模拟反射曲线中相位与频率的函数关系图。
图7C是在30GHz下的反射相位和振幅与环直径的函数关系图。
图7D是反射角与相位梯度的函数关系图。
图7E是所选60°波束控制功能所需的相位变化图。
图7F是谐振金属元件的期望图案的示意图。
图7G是反射波束强度(E场)与球面角的函数关系的等高线图。
图7H是反射波束强度(E场)与极角的函数关系图。
图7I是反射波束强度(E场)与方位角的函数关系图。
图8A是实施例1的反射阵列膜的示意性剖视图。
图8B是实施例2的反射阵列膜的示意性剖视图。
图9是特性设置的示意图。
图10是实施例1的反射阵列膜和铝箔的反射光谱与频率的函数关系图。
图11A是实施例1的反射阵列膜和铝箔在30GHz下垂直入射时的散射曲线图。
图11B是在镜面反射几何形状中实施例1的反射阵列膜和铝箔在30GHz下的反射率曲线图。
在所示实施方案的以下描述中，参考了附图并通过举例说明的方式在这些附图中示出了其中可实践本公开的各种实施方案。应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可利用实施方案并且可进行结构上的改变。图未必按照比例绘制。图中使用的相似数字指代相似的部件。然而，应当理解，在给定图中使用数字指代部件不旨在限制另一个图中用相同数字标记的部件。
具体实施方式
本公开提供了用于无线通信中射频(RF)波的波束控制的高性价比解决方案。光学透明的反射阵列制品被提供用于射频(RF)波的波束控制。该光学透明的反射阵列制品包括频率选择性表面(FSS)层，该FSS层包括谐振金属元件的图案，该谐振金属元件被配置为反射在从约1.0mm至约10.0cm的范围内的自由空间波长λ的入射射频(RF)电磁波，每个谐振金属元件包括线状结构；接地平面层，该接地平面层包括由多个迹线形成的图案化导体，该多个迹线限定设置在其主表面上的连续金属网格的单元；和一个或多个电介质层，该一个或多个电介质层夹置在该FSS层和该接地平面层之间。该制品在约380nm至约700nm的自由空间波长范围内基本上是可见光透明的。本文所述的基本上光学透明的反射阵列制品可以是任何期望的结构，诸如例如膜。
提供了制造光学透明的反射阵列制品(例如膜)的方法。该方法包括：提供频率选择性表面(FSS)层，该FSS层包括谐振金属元件的图案，该谐振金属元件被配置为反射在从约1.0mm至约10.0cm的范围内的波长λ的入射射频(RF)电磁波，每个谐振金属元件包括线状结构；提供接地平面层，该接地平面层包括由多个迹线形成的图案化导体，该多个迹线限定设置在其主表面上的连续金属网格的单元；以及提供一个或多个电介质层，该一个或多个电介质层夹置在该FSS层和该接地平面层之间。
如本文所用，术语“反射阵列”是指由接地平面支持的移相元件的平面阵列，当由馈电天线(其可以在附近或远处、静止或移动)照射时，其在特定方向上反射其RF辐射(或重新分布到多个方向)。
如本文所用，术语“谐振金属元件”或“移相元件”是指在射频(RF)辐射存在的情况下谐振的反射阵列的基本构件，其相位特性取决于其尺寸(几何形状)。
如本文所用，术语“波束控制”是指反射阵列将入射RF辐射重定向特定期望的量(即，没有动态可调谐性)的静态特性。
除非另外指明，否则术语“透明的”、“光学透明的”、“基本上透明的”、“准透明的”可互换使用，并且是指在可见光谱的至少一部分内(约400纳米至约700纳米(nm))具有高光透射率(例如，至少50％，至少55％、至少60％、至少65％、至少70％、至少75％或至少80％)的制品、膜、聚合物材料或粘合剂。在许多实施方案中，在整个可见光谱上具有高透射率。
如本文所用，术语“聚合物”是指为均聚物、共聚物、三元共聚物等的聚合物材料。如本文所用，术语“均聚物”是指为单个单体的反应产物的聚合物材料。如本文所用，术语“共聚物”是指为两种不同单体的反应产物的聚合物材料，并且术语“三元共聚物”是指为三种不同单体的反应产物的聚合物材料。
图1是根据一个实施方案的光学透明的反射阵列膜10的剖视图。光学透明的反射阵列膜10包括设置在电介质层130的第一主表面132上的频率选择性表面(FSS)层110。接地平面层120设置在电介质层130的第二主表面134上。接地平面层120包括图案化导体，该图案化导体由限定连续金属网格的单元的多个迹线形成。
FSS层110包括谐振金属元件的图案，该谐振金属元件被配置为反射入射微波或毫米波，该入射微波或毫米波可以是在从约1.0mm至约10.0cm的范围内的自由空间波长λ的射频(RF)电磁波。图3A是根据一些实施方案的谐振金属元件的图案的示意性平面图。谐振金属元件的图案可以是包括重复单元格(例如，图3A中的重复单元格101)的二维阵列的元结构。
在图3A所示的实施方案中，重复单元格101包括多个移相元件112。单元格101在x轴上具有尺寸dx，在y轴上具有尺寸dy。谐振金属元件112被布置为在至少一个轴上是周期性的，诸如x轴。在该实施方案中，重复单元格101包括六个交替移相元件(图3B中仅示出了六个移相元件中的两个移相元件)。应当理解，重复单元格可以包括任何适当数量的交替移相元件。重复单元格可包括例如1、2、3、4、5、6、7、8或更多个移相元件。当单元格中的移相元件的数量是一个时，FSS层的性能可能降低到镜面状性能(镜面)。当单元格中的移相元件的数量是两个或三个时，FSS层可能难以正确地引导入射RF波束，其中移相元件的图案可能在不同方向上产生许多散射，而非获得一个反射波束。FSS层的RF反射性能可以取决于尺寸dx/m和dy/n，其中m是在x轴上的单元格中的移相元件的数量，并且n是y轴上的单元格中的移相元件的数量。例如，在图3A的实施方案中，m＝6，n＝1。在本公开中，可以选择合适的尺寸dx/m和dy/n，使得λ/10<dy/m<λ和λ/10<dx/n<λ，其中λ是操作频率的自由空间波长，即入射在反射阵列膜上的波的自由空间波长。
为了充当移相元件，谐振金属元件可以包括适当形状的周期性元结构的阵列。在图3A至图3B的实施方案中，每个移相元件具有环形形状。应当理解，移相元件可以包括其他形状的结构，诸如例如“十字”或“加号”形状的结构、设置在环的中心区域的“十字”结构、三角形形状等。
每个谐振金属元件可具有线状结构，其可通过在电介质层130的第一主表面132上提供一种或多种金属材料来形成。谐振金属元件各自可以具有横向尺寸不大于λ的二维几何形状，其中λ是操作频率的自由空间波长，即入射在反射阵列膜上的波的自由空间波长。谐振金属元件各自可具有例如从约10微米至约10000微米范围内的横向尺寸。谐振金属元件各自可具有例如从约1.0微米至约50.0微米范围内的线宽，以及为在操作频率范围内选定金属的趋肤深度厚度的若干倍的厚度。厚度可在例如约0.02微米至约100微米的范围内。谐振金属元件各自具有例如在从0.1到2500的范围内的线宽与厚度的纵横比。
电介质基底130可由柔性膜或刚性基底形成。电介质层130的第二主表面132具有形成于其上的接地平面层120。电介质层130夹置在FSS层110与接地平面层120之间。电介质层130可包括光学透明的聚合物，该光学透明的聚合物包含例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、丙烯酸酯、丁酸酯、聚碳酸酯、聚碳酸酯共聚物、聚醚砜、乙二醇改性的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PETG)等中的至少一者。应当理解，电介质层130可包括任何合适的无机透明电介质材料，诸如例如玻璃。
接地平面层120包括由多个迹线形成的图案化导体，该多个迹线限定设置在电介质基底130的第二主表面134上的连续金属网格的单元。金属网格的迹线具有例如在约1.0微米至约50.0微米范围内的线宽，以及例如在0.02微米至100.0微米范围内的厚度。在一些实施方案中，迹线具有在例如0.1至2500的范围内的线宽与厚度的纵横比。图案化导体具有不大于约1000欧姆/平方的薄层电阻。
连续金属网格具有不小于约50％、不小于约55％、或不小于约60％的开放区域比率。如本文所用，导体微图案的术语“开放区域比率”(或开放区域或开放区域百分比)或导体微图案的区域是指未被导体遮蔽的微图案面积或微图案区域面积的比例。该开放区域(例如，可见光透明的区域)等于1减去由导体图案遮蔽的区域比率，并且可以便利且互换地表示成小数或百分比。被导体图案遮挡的区域比率可与导体图案的密度(例如，限定网格的迹线的密度)互换使用。
应当理解，接地平面层的导电图案可以具有任何合适的几何形状。在一些实施方案中，导电图案可包括例如点、迹线、填充形状或它们的组合。图案化导体由多个导体迹线形成，该多个导体迹线限定设置在电介质层的主表面上的连续金属网格的单元。网格通常理解为意指具有连接迹线的图案几何形状，这些连接迹线由开放区域隔开，以形成单元。导电迹线12可以是线性的，也可以是非线性的。具有线性迹线的网格的示例性实例包括具有六边形以及正方形单元的网格。图5中示出了非线性迹线的示例性图案。
图5示出了根据一些实施方案的设置在电介质基底6的主表面8上的导电图案420的例示性几何形状的俯视平面图。导电图案420包括限定多个开放区域单元14的多个导电迹线12。导电迹线12可形成在电介质基底6的主表面8上。在图5的实施方案中，金属网格的几何形状包括由导电迹线12限定的单元14。
可以使用任何合适的方法制备本文所述的导体图案，诸如在电介质基底的主表面上的谐振金属元件的图案和在电介质基底的相对表面上的连续金属网格。可用于形成导电微图案的金属的示例包括例如金、银、钯、铂、铝、铜、钼、镍、锡、钨、合金以及它们的组合。任选地，导体还可以是复合材料，例如金属填充的聚合物。制备导体图案的方法的示例包括删减法或添加法。示例性的删减法包括将图案化的掩模放置在设置于基底(例如，可见光透明的基底)上的金属涂层上，随后进行选择性蚀刻(其中将金属从未被掩模覆盖的金属涂层的区域中移除，而被掩模覆盖的金属涂层的区域中的金属保留)。合适的掩模包括光刻胶(如本领域已知，通过光刻法图案化)、印刷聚合物(通过例如凹版印刷、柔版印刷或喷墨印刷图案化)或印刷的自组装单层(例如，使用利用弹性体凸纹印模的微接触印刷来印刷)。其他示例性删减法包括最初将图案化的剥离掩模(lift-off mask)放置在基底(例如，可见光透明的基底)上，用金属导体(例如，薄膜金属)对被掩模和不被掩模的区域进行表层涂覆，以及对剥离掩模和任何设置在其上的金属进行洗涤。示例性的添加工艺包括按照所需的图案几何形状的形式在基底(例如，可见光透明的基底)上印刷无电沉积催化剂，随后进行图案化无电金属沉积(例如，铜或镍)。
发现本文使用的用于生成导体图案(例如，接地平面层的连续金属网格)的方法(例如，微接触印刷)特别适合与基于微接触印刷和蚀刻的图案化方法组合，因此使得能够制造特定金属图案设计参数(例如，在约1.0微米至约50.0微米范围内的金属迹线宽度和在0.02微米至100.0微米范围内的厚度)，使得可增加金属网格的开放区域比率，以增加装置的可见光透射率，而基本上不降低接地平面层的导电性。常规方法(例如，使用超薄金属层或刚性透明导电膜作为接地平面层)可能无法实质上增加可见光透射率而不实质上降低该层的导电性。
图2是根据另一个实施方案的光学透明的反射阵列膜20的剖视图。图3是光学透明的反射阵列膜20的示意性平面图。光学透明的反射阵列膜20包括设置在电介质基底230的第一主表面232上的频率选择性表面(FSS)层210。接地平面层220设置在与FSS层210相对的电介质基底230的第二主表面234上。电介质基底230包括光学透明的聚合物的多层230a，该光学透明的聚合物包含例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、丙烯酸酯、丁酸酯、聚碳酸酯、聚碳酸酯共聚物、聚醚砜或乙二醇改性的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PETG)中的至少一者。相邻的聚合物层230a经由光学透明粘合剂(OCA)230b进行层压以形成电介质基底230。应当理解，电介质基底可以包括任何期望的聚合物材料层230a的层(例如，一层或多层)。在一些实施方案中，电介质基底可包括多层构造以赋予该构造任何期望的性质，诸如例如机械强度、颜色着色、UV过滤、冷缩配合特性、用于附接膜的粘合剂、耐腐蚀性、耐化学性、易于清洁等。
FSS层210包括柔性表层215，并且谐振金属元件212和谐振金属元件214的图案设置在柔性表层215的内表面215a上。FSS层210经由光学透明粘合剂(OCA)231层压到电介质基底230的第一主表面232，其中谐振金属元件212的图案夹置在柔性表层215与电介质基底230的第一主表面232之间。在一些实施方案中，谐振金属元件212的图案可形成在电介质基底230的第一主表面232上。然后，可经由光学透明粘合剂(OCA)231将表层、硬涂层或封装层215层压在电介质基底230的第一主表面232上。
接地平面层220包括柔性层225，并且金属网格222设置在柔性层225的内表面225a上。接地平面层220经由光学透明粘合剂(OCA)233层压到电介质基底230的第二主表面234，金属网格222夹置在柔性层225与电介质基底230的第二主表面234之间。在一些实施方案中，金属网格222的图案可形成在电介质基底230的第二主表面234上。然后，表层、硬涂层或封装层225可经由光学透明粘合剂(OCA)233层压在电介质基底230的第二主表面234上。表层、硬涂层或封装层215、225可以包括与电介质基底230相同或不同的一种或多种基本上透明的聚合物材料。表层、硬涂层或封装层可以包括一侧的附接粘合剂层和另一侧的防腐层。
在一些实施方案中，连结层可设置在金属网格与电介质基底的主表面之间。连结层可包括铬、氧化铬、镍铬氧化物或它们的组合中的至少一者。
本文所述的反射阵列膜基本上是可见光透明的。换句话讲，包括电介质基底和在电介质基底两侧的金属图案的反射阵列膜总体上对于在从约380nm至约700nm的自由空间波长范围内的入射可见光是至少60％、至少70％、或至少80％透射的。对于透射至少60％的入射光的反射阵列膜而言，在可见光透明的含义范围之内，包括局部地阻挡光至小于60％透射(例如，0％)的金属图案(例如，FSS层的谐振金属元件、接地平面层的金属基导体网格的图案)；然而，在这种情况下，对于包括金属图案并测量为金属图案宽度(例如，迹线宽度)的最小尺寸的1000倍的近似等轴的区域，平均透射率大于60％、大于70％或大于80％。与“可见光透明”有关的术语“可见”修饰术语“光”，从而规定电介质基底或反射阵列膜对其是基本上可见光透明的光的波长范围。
本公开的反射阵列膜可以结合到用于无线通信中的射频(RF)波的波束控制的各种商业制品或应用中。在基本操作中，反射阵列膜由入射波照射。该波在频率选择性表面(FSS)层的谐振金属或移相元件上感生电流。尽管在设计的相移下，每个移相元件也再辐射次级波。基于波前相位操纵在给定方向上产生相长干涉的特性，源自每个谐振金属或移相元件的次级波将干涉以产生指向反射阵列膜设计方向的初级波束。
图5是根据一个实施方案的光学透明的反射阵列膜的室外应用的示意图。图6是根据另一个实施方案的光学透明的反射阵列膜的室内应用的示意图。无线基站2(例如，“5G”塔)从其覆盖区域内的移动装置发送和接收无线信号。覆盖区域可能被环境中的建筑物或其他结构破坏或阻挡，从而影响无线信号的质量。在图5所示的示例中，建筑物102和建筑物104可能影响基站2的覆盖区域，使得存在非视线(“NLOS”)区域103，在该非视线区中，装置的用户可能没有无线接入、覆盖范围明显缩小或者某种类型的覆盖范围受损。通过在建筑物104的玻璃窗上安装一个或多个光学透明的或准透明的反射阵列膜100，可以改善对NLOS区域103中的用户的无线覆盖。反射阵列膜100可以充当如图所示定位在5G塔2和用户设备(“UE”)(例如，建筑物102、建筑物106中的UE)之间稳健且低成本的中继器，以优化网络覆盖。如图5和图6所示，反射阵列膜100被形成、放置、配置、嵌入或以其他方式连接到建筑物104的一部分，诸如其玻璃窗或室内墙壁。非视线(“NLOS”)区域103中的用户能够从BS100接收被反射阵列膜100反射的无线信号。
当视线(“LOS”)受阻时，常规金属镜也用于无源中继器装置。这些金属镜中继器装置可以将窄波束重定向到NLOS区域。用作微波中续器/中继器的这些金属镜的缺点在于：入射角等于反射角。因此，常规微波无源中继器不太适用于入射角需要与反射角不同的情况。
在本公开中，可以选择由FSS层中的给定位置处的相应移相元件提供的相移，使得移相元件阵列将微波辐射波束从输入角度重定向到期望的输出角度。当移相元件的尺寸特性(例如，移相元件的几何参数)发生变化时，移相元件的反射相位响应从0变化到2π的最小值。例如，本文所述的反射阵列膜可提供以与镜面角不同的角度反射微波辐射的装置(换句话讲，中继器装置为非镜面反射器)。反射阵列膜可用于期望具有将反射波束的方向调谐至期望角度的能力的应用。
为了获得反射阵列制品的期望的反射特性，可以提供空间布置的特征(即，移相元件)的阵列，其作为位置的函数进行相移，使得所有再辐射的波的干涉产生期望的(远场)波束特性。在这种设计中有两部分：1)特征几何形状/尺寸与其相移响应的关系，以及2)空间相移分布与期望的波束控制特性的关系。
第一步可以用任何电磁模拟软件(例如，CST Studio Suite软件)来完成，其中，对于给定的材料参数(介电常数、损耗、厚度)，可以提取单个特征(其接地并且耦合到相同特征的无限阵列，即，使用所谓的Floquet边界条件)的相移响应与特征几何形状的函数关系。通常，0至约300相位扩展是足够的，但是当使用更复杂的多元素特征时，可以实现更大的相位扫描，这可以改善特性，诸如更大的带宽。例如，参见在美国专利申请号16/475165(Yemelong等人，律师档案编号：77556US004)中描述的中继器装置，该文献以引用方式并入本文。当确定从特征几何形状到相移响应的映射时，可以构建元件的阵列(在x和y方向上)以创建特定相移分布。
一般来讲，第二步没有特定的配方。根据期望的波束控制功能的复杂性(例如，多个反射角、复杂的波束轮廓、透镜化)，这可能需要使用导致非常复杂的图案布置的FFT型方法。然而，对于诸如当平面波(由远馈源生成)仅需要被重定向时的情形，则可以设计所谓的恒定相位梯度超表面。所有这些结构都遵循广义的斯奈尔定律，该定律将相移变化与期望的波束控制性能联系起来。这种方法(诸如用于下面将进一步描述的实施例1、实施例2)导致与图3A中所描绘的特征布置相类似的特征布置。
提供了反射阵列膜、反射阵列膜的一部分、制造反射阵列膜的至少一部分的方法以及使用反射阵列膜的方法的各种实施方案。
实施方案1为一种光学透明的反射阵列制品，该光学透明的反射阵列制品包括：
频率选择性表面(FSS)层，该FSS层包括谐振金属元件的图案，该谐振金属元件被配置为反射在从约1.0mm至约10.0cm的范围内的自由空间波长λ的入射射频(RF)电磁波，每个谐振金属元件包括线状结构；
接地平面层，该接地平面层包括由多个迹线形成的图案化导体，该多个迹线限定设置在其主表面上的连续金属网格的单元；和
一个或多个电介质层，该一个或多个电介质层夹置在该FSS层和该接地平面层之间，
其中，该制品在约380nm至约700nm的自由空间波长范围内基本上是光学透明的。
实施方案2为根据实施方案1所述的制品，其中，该谐振金属元件各自具有不大于该自由空间波长λ的横向尺寸。
实施方案3为根实施方案2所述的制品，其中，该谐振金属元件各自具有在约10微米至约10000微米范围内的横向尺寸。
实施方案4为根据实施方案1至4中任一项所述的制品，其中，该谐振金属元件各自具有在约1.0微米至约50.0微米范围内的线宽。
实施方案5为根据实施方案4所述的制品，其中，该谐振金属元件各自具有在0.1至2500范围内的线宽与厚度的纵横比。
实施方案6为根据实施方案1至5中任一项所述的制品，其中，该谐振金属元件包括周期性元结构的阵列，任选地，包括环或交叉中的至少一者。
实施方案7为根据实施方案1至6中任一项所述的制品，其中，该金属网格的迹线具有在约1.0微米至约50.0微米范围内的线宽。
实施方案8为根据实施方案7所述的制品，其中，该迹线具有在0.1至2500范围内的线宽与厚度的纵横比。
实施方案9为根据实施方案1至8中任一项所述的制品，其中，该连续金属网格具有不小于约50％、不小于约55％、或不小于约60％的开放区域比率。
实施方案10为根据实施方案1至9中任一项所述的制品，其中，该图案化导体具有不大于约1000欧姆/平方的薄层电阻。
实施方案11为根据实施方案1至10中任一项所述的制品，其中，该FSS层还包括柔性表层，并且该谐振金属元件的图案设置在该表层和该一个或多个电介质层之间。
实施方案12为根据实施方案11所述的制品，其中，该柔性表层具有在约10微米至约500微米范围内的厚度。
实施方案13为根据实施方案11或12所述的制品，其中，该柔性表层包括硬涂层或聚合物封装层。
实施方案14为根据实施方案1至13中任一项所述的制品，其中，该接地平面层包括柔性层，并且该金属网格设置在该柔性层的内表面上。
实施方案15为根据实施方案14所述的制品，其中，该柔性层具有在约10微米至约500微米范围内的厚度。
实施方案16为根据实施方案1至15中任一项所述的制品，其中，该接地平面层还包括设置在该金属网格与其主表面之间的连结层，该连结层包括铬、氧化铬、镍铬氧化物或它们的组合中的至少一者。
实施方案17为根据实施方案1至16中任一项所述的制品，其中，该一个或多个电介质层包含光学透明的聚合物，任选地，该聚合物包含聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、丙烯酸酯、丁酸酯、聚碳酸酯、聚碳酸酯共聚物、聚醚砜或乙二醇改性的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PETG)中的至少一者。
实施方案18为根据实施方案1至17中任一项所述的制品，其中，该一个或多个电介质层具有在约10微米至约1000微米范围内的厚度。
实施方案19为根据实施方案1至18中任一项所述的制品，其中，该FSS层和该接地平面层经由光学透明粘合剂(OCA)被层压到该一个或多个电介质层。
实施方案20为根据实施方案1至19中任一项所述的制品，该制品具有的厚度不小于约50微米。
实施方案21为一种制造光学透明的反射阵列制品的方法，该方法包括：
提供频率选择性表面(FSS)层，该FSS层包括谐振金属元件的图案，该谐振金属元件被配置为反射在从约1.0mm至约10.0cm的范围内的自由空间波长λ的入射射频(RF)电磁波，每个谐振金属元件包括线状结构；
提供接地平面层，该接地平面层包括由多个迹线形成的图案化导体，该多个迹线限定设置在其主表面上的连续金属网格的单元；以及
提供电介质基底，该电介质基底包括夹置在该FSS层和该接地平面层之间的一个或多个电介质层，
其中，该制品在约380nm至约700nm的自由空间波长范围内基本上是光学透明的。
实施方案22为根据实施方案21所述的方法，其中，提供该FSS层包括在柔性表层上形成该谐振金属元件的图案，并且将该柔性表层层压在该电介质基底上。
实施方案23为根据实施方案21或23所述的方法，其中，提供该接地平面层包括在柔性层上形成该金属网格，并且将该柔性层层压在该电介质基底上。
实施例
这些实施例仅用于说明性目的，并非旨在对所附权利要求的范围进行限制。
建模过程
利用三步建模过程对反射阵列制品进行建模，包括(i)用CST Studio Suite软件(可从美国马萨诸塞州沃尔瑟姆的达索系统公司(Dassault Systèmes Company)商购获得)执行初步电磁模拟，(ii)应用射线光学近似理论(参见等人，IEEE无线通信快报(IEEE Wireless Communications Letters)9.5，(2019))，以及(iii)使用反射阵列理论验证远场性能(参见J.Huang，“反射阵列天线(Reflectarray Antennas)”，IEEE(2007))。
建模过程通常从为谐振结构(例如，图3A或图3B中的金属环)选择适当的几何形状开始，为此需要推导建模参数与结构尺寸的函数关系。这通常利用数字电磁解算器来完成，使用该数字电磁解算器可以评估放置在周期性边界条件(更具体地，Floquet边界条件)中的(接地的)单个元件的性能。例如，在图7A至图7B中，对于直径D＝1.5mm和D＝1.7mm的环(均具有40微米的宽度和1.925mm的重复周期)，典型的振幅和相位曲线被描绘为与频率存在函数关系。两个谐振都在大约30GHz附近，其中该结构表现为吸收器。这是由于在FSS图案和金属接地之间创建多次反射，以及电介质中的有限损耗，导致信号衰减。需注意，所得到的相位扫描约为325°，其略小于通常期望的完整360°扫描，但是对于由该样本给出的相位离散化(每个单元60°)仍然是足够的。一旦完成尺寸扫描，则可以选择所选的频率(在这种情况下为30GHz)，并且所得到的反射曲线可以被绘制为环直径的函数关系图(图7C)。该曲线表示进行最终图案设计所需的关键映射。
对于下一步骤，可以应用经典的射线光学近似理论，以便为选定的反射波束角度找到合适的表面相位轮廓。图7D示出了反射角和相位梯度之间的潜在关系。对于0°至60°转向，这对应于-311.7°/cm的相位梯度。对于30GHz频率，这会导致图7E中所描绘的表面轮廓，该表面轮廓示出了对于所选择的60°波束控制功能所需要的相位变化。将这些值与由图7C给出的直径映射联系起来会产生如图7F所示的最终环形图案设计。需注意，对于该样品，选择的单元周期约为λ/5。较小的环将使图7E中的曲线实现更精细的离散化；尽管如此，所得到的结构变得更不能容忍制造误差。
最后的步骤是验证所设计的装置的远场功能。实现它的一种方式是使用由全标度远场电磁模拟(例如，步骤(i)中的CST模拟)给出的用于各个元件的建模参数，并且将这些参数应用于数值反射阵列理论。相应的数字脚本可以进行编程，并且在图7G至图7I中描绘了反射信号的所得到的值(对于所有这些值，假设具有140mm×140mm尺寸的样本以及1.925mm×1.925mm的单元尺寸)。图7G是由数值反射阵列理论给出的反射波束强度(E场)与球面角θr、/>的函数关系的等高线图。图7H是由数值反射阵列理论给出的反射波束强度(E场)与极角/>的函数关系图。图7I是由数值反射阵列理论给出的反射波束强度(E场)与方位角/>的函数关系图。例如，图7G描绘了等高线图，其中该样本的确在θr＝60°，/>球面角处产生强信号。需注意，根据下面进一步讨论的实验数据，对于θr＝60°，/>的对称方向，不存在反射。最后，还存在弱的镜面波束，这再次与下面进一步讨论的实验观察保持一致。
实施例1和实施例2
实施例1(“0度至60度阵列”)的层压膜横截面示于图8A中。实施例2(“0度至39度阵列”)的层压膜横截面示于图8B中。实施例1具有0.76mm的总厚度并且由在125微米厚的PET层(其还充当外保护层)的顶部上图案化的接地层和FSS层组成，该PET层由电介质层压件分开，该电介质层压件由两个129微米厚的PET膜和一个50um的PET膜制成，所有这些层都由四个50微米厚的OCA层分开。实施例2具有0.68mm的总厚度并且由在125微米厚的PET层的顶部上图案化的接地层和FSS层组成，该接地层和FSS层被向内翻转并且被由一个128微米厚的PET层和两个OCA层制成的电介质堆叠分开。为了接地和图案的外部保护，堆叠的两侧添加了额外的50微米厚的PET层和50微米厚的OCA层上。
下表1中还列出了实施例1和实施例2的简要描述。聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜可以商品名MELINEX ST-504从威斯康星州新柏林的Tekra商购获得。光学透明粘合剂(OCA)可以商品名3M 8212光学透明粘合剂从明尼苏达州奥克代尔的3M显示材料和系统公司(3MDisplay Materials and Systems)商购获得。
表1
制造步骤
以下制造步骤对于实施例A和实施例B都是相同的。每个实施例具有两个铜图案层：环形图案形式的谐振器结构和均匀网格图案形式的接地平面。通过在光学级热稳定的PET膜上溅射涂布连结层和铜晶种层来制备膜基底。通过在溅射/籽晶膜基底上电镀5微米的铜来制备图案化的谐振器结构和接地平面网格图案。然后将曝光的铜与光致抗蚀剂层进行真空层压。通过激光直接成像将光致抗蚀剂曝光，然后将未曝光区域进行显影。图案化的光致抗蚀剂在使用氯化铜蚀刻剂的铜蚀刻步骤中用作掩模，随后进行化学镀锡表面处理。
通过使用光学透明粘合剂(OCA)在图案化的谐振器膜和接地平面膜之间辊式层压插入膜层来制备功能性反射阵列膜。60度和39度样品的接地平面网格图案是相同的。网格层具有周期为192微米且迹线宽度为40微米的正方形重复单元。实施例1的谐振环(标记为“a”至“f”)(“0度至60度阵列”)和实施例2的谐振环(标记为“a”至“h”)(“0度至39度阵列”)的尺寸在下表2中给出。在两个实施例中，所有环都具有40微米的迹线宽度。
表2
反射阵列单元格中的每个环都被分配了特定的直径(实施例1和实施例2的直径在表2中列出)，使得其生成从第一个环的360/n度(实施例1为360/6＝60度，实施例2为360/8＝45度)直到单元格的最后一个环的360度递增地增加的相位响应(如对于任意附加常数所定义的)，其中n是单元格中环的数量。这转化为实施例1的311.7deg/cm和实施例2的237.1deg/cm的相位梯度(这又转化为实施例1的dx＝6dy，dy＝1.925mm和实施例2的dx＝8dy，dy＝1.898mm的晶格周期)。最后，对于30GHz(实施例1)和31.1GHz(实施例2)的操作频率，使用广义的斯奈尔定律，这导致0度至60度(实施例1)和0度至39度(实施例2)的波束控制性能。
表征
实施例1和实施例2的各种反射阵列膜以及5”RF反射镜的波束控制性能使用如图9中所示的定制电弧设置来进行表征。RF反射镜是粘在5微米厚的泡沫顶部上的38微米厚的铝箔。如图9所示，电弧92由半径为0.8米的半圆构成。发射器和接收器喇叭天线94、发射器和接收器喇叭天线96沿着电弧92以不同角度独立地定位，以记录反射波束强度与频率的函数关系。发射器和接收器喇叭94、发射器和接收器喇叭96是ERAVANT WR-28标准增益喇叭天线。它们连接到矢量网络分析仪(Agilent Technologies E836C)的两个端口。
图10是实施例1的反射阵列膜和铝箔(在非镜面和镜面两种几何形状中)的反射光谱图。如图10中所示，样品在0°至60°非镜面几何形状中的反射在约30GHz处达到峰值，这与以上进一步讨论的设计预期完全一致。反射量值是19dB，这比相同非镜面几何形状中的RF反射镜的反射量值高25dB以上。阵列的这种非镜面反射性能与箔片的镜面反射性能相当，在θr＝60°时优于箔片，而在θr＝0°时仅低1dB至2dB。所得到的峰值带宽约为2GHz至3GHz，这应当符合毫米波通信的典型要求(例如，对于n260频带、n261频带)。
由于所设计的示例性反射阵列在30GHz处表现出其峰值性能，因此可以比较非镜面几何形状扫描和镜面几何形状扫描两者的相应反射性能。图11A是实施例1的反射阵列膜和铝箔在30GHz下的非镜面反射曲线图，假定波束为法向入射波束(当θi＝0时θr的扫描)。图11A示出了当入射角固定为0°时在从-80°到+80°的范围内扫描输出角度的结果。首先，可以发现样本仅将波束控制到θr＝+60°的单个方向，在θr＝-60°处不存在信号。然而，除了这种非镜面方向之外，反射阵列样品还表现出较小的镜面(θr＝0°)峰值(其量值低10dB)。这意味着镜面能量泄漏相对较弱，因此阵列产生有效的波束控制。进行了镜面反射扫描，并将结果示于图11B中。图11B是实施例1的反射阵列膜和铝箔在30GHz下的镜面反射曲线图(θi＝θr时的θr扫描)。反射阵列膜的镜面性能实际上弱于箔片样品的镜面性能(对于所有扫描角度，弱约10dB)。这种镜面反射源自谐振元件的实际相位响应的偏差以及反射阵列的接地平面的贡献(参见J.Bubuh和Y.Rahmat-Samii，Y.，IEEE国际天线与传播研讨会(IEEEInternational Symposium on Antennas and Propagation)97-100(2011))。
Claims (20)
1.一种光学透明的反射阵列制品，所述光学透明的反射阵列制品包括：
频率选择性表面(FSS)层，所述FSS层包括谐振金属元件的图案，所述谐振金属元件被配置为反射在从约1.0mm至约10.0cm的范围内的自由空间波长λ的入射射频(RF)电磁波，每个谐振金属元件包括线状结构；
接地平面层，所述接地平面层包括由多个迹线形成的图案化导体，所述多个迹线限定设置在其主表面上的连续金属网格的单元；和
一个或多个电介质层，所述一个或多个电介质层夹置在所述FSS层和所述接地平面层之间，
其中，所述制品在约380nm至约700nm的自由空间波长范围内基本上是光学透明的。
2.根据权利要求1所述的制品，其中，所述谐振金属元件各自具有不大于所述自由空间波长λ的横向尺寸。
3.根据权利要求2所述的制品，其中，所述谐振金属元件各自具有在约10微米至约10000微米范围内的横向尺寸。
4.根据权利要求1所述的制品，其中，所述谐振金属元件各自具有在约1.0微米至约50.0微米范围内的线宽。
5.根据权利要求1所述的制品，其中，所述谐振金属元件包括周期性元结构的阵列，任选地，包括环或交叉中的至少一者。
6.根据权利要求1所述的制品，其中，所述金属网格的迹线具有在约1.0微米至约50.0微米范围内的线宽。
7.根据权利要求1所述的制品，其中，所述连续金属网格具有不小于约50％、不小于约55％、或不小于约60％的开放区域比率。
8.根据权利要求1所述的制品，其中，所述图案化导体具有不大于约1000欧姆/平方的薄层电阻。
9.根据权利要求1所述的制品，其中，所述FSS层还包括柔性表层，并且所述谐振金属元件的图案设置在所述表层和所述一个或多个电介质层之间。
10.根据权利要求9所述的制品，其中，所述柔性表层具有在约10微米至约500微米范围内的厚度。
11.根据权利要求9所述的制品，其中，所述柔性表层包括硬涂层或聚合物封装层。
12.根据权利要求1所述的制品，其中，所述接地平面层包括柔性层，并且所述金属网格设置在所述柔性层的内表面上。
13.根据权利要求12所述的制品，其中，所述柔性层具有在约10微米至约500微米范围内的厚度。
14.根据权利要求1所述的制品，其中，所述接地平面层还包括设置在所述金属网格与其主表面之间的连结层，所述连结层包括铬、氧化铬、镍铬氧化物或它们的组合中的至少一者。
15.根据权利要求1所述的制品，其中，所述一个或多个电介质层包含光学透明的聚合物，任选地，所述聚合物包含聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、丙烯酸酯、丁酸酯、聚碳酸酯、聚碳酸酯共聚物、聚醚砜或乙二醇改性的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PETG)中的至少一者。
16.根据权利要求1所述的制品，其中，所述一个或多个电介质层具有在约10微米至约1000微米范围内的厚度。
17.根据权利要求1所述的制品，其中，所述FSS层和所述接地平面层经由光学透明粘合剂(OCA)被层压到所述一个或多个电介质层。
18.一种制造光学透明的反射阵列制品的方法，所述方法包括：
提供频率选择性表面(FSS)层，所述FSS层包括谐振金属元件的图案，所述谐振金属元件被配置为反射在从约1.0mm至约10.0cm的范围内的自由空间波长λ的入射射频(RF)电磁波，每个谐振金属元件包括线状结构；
提供接地平面层，所述接地平面层包括由多个迹线形成的图案化导体，所述多个迹线限定设置在其主表面上的连续金属网格的单元；以及
提供电介质基底，所述电介质基底包括夹置在所述FSS层和所述接地平面层之间的一个或多个电介质层，
其中，所述制品在约380nm至约700nm的自由空间波长范围内基本上是光学透明的。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，提供所述FSS层包括在柔性表层上形成所述谐振金属元件的图案，并且将所述柔性表层层压在所述电介质基底上。
20.根据权利要求18所述的方法，其中，提供所述接地平面层包括在柔性层上形成所述金属网格，并且将所述柔性层层压在所述电介质基底上。
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