频率选择表面结构及包括频率选择表面结构的天线装置的制作方法

本发明大体上涉及辐射无线电波的天线领域。具体地，本发明涉及一种频率选择表面(frequency selective surface，fss)结构，用于根据施加到fss结构的外部输入来反射和传输无线电波，还涉及一种包括fss结构的天线装置。

背景技术：

1、可重构智能表面(reconfigurable intelligent surface，ris)能够以可控的方式影响天线辐射方向图，因此对于即将到来的第六代(6g)通信系统极具吸引力。ris可以基于各种超材料、电磁带隙结构或人工磁导体。在没有前端移相器的情况下，可调谐超材料可能尤其有益于波束扫描。除了考虑平面天线阵列，通过3d打印或对介质材料(如介电谐振器天线)进行3d成型实现的天线可能是高性能6g通信系统的一个重要研究领域。

2、一般情况下，现有的ris通常实现为不同种类的基于石墨烯的衰减器、吸收结构和反射面。然而，这些ris均是不可调谐的，即对于无线电波来说，这些ris只能是透明的或反射的。例如，这是因为这种ris通常使用不兼容透明状态和反射状态的导体结构，和/或阻止实现透明状态的接地连接(例如，接地层)。为了解决这些问题，需要一种复杂的多层导体结构。

3、另一种潜在方案是使用pin二极管连接导体结构，以实现透明状态和反射状态。然而，这种方案仅限于10ghz以下的频率范围，并且会导致典型值为至少3db的高插入损耗。由于pin二极管在更高频率下会具有电容性质，因此，pin二极管的性能会受到影响，这也限制了其工作频率范围。基于pin二极管的ris还需要复杂的电压馈电网络，该电压馈电网络可能包括数千个组件。当在毫米波范围内使用时，组件的数量急剧增加，从而使电压馈电网络的功耗和实际实现方式变得不再实用且不再可行。

技术实现思路

1、本技术实现要素：简单介绍了一些概念，在具体实施方式中会进一步描述这些概念。本发明内容既不旨在标识本发明的关键特征，也不旨在限制本发明的范围。

2、本发明的目的是提供一种能够增强无线电波的波束转向的fss结构。

3、上述目的是通过所附权利要求中独立权利要求的特征来实现的。进一步的实施例和示例从从属权利要求、具体实施方式和附图中是显而易见的。

4、根据第一方面，提供了一种fss结构。所述fss结构包括介质衬底和设置在所述介质衬底上的至少一个片状元件。所述至少一个片状元件中的每个片状元件由可调谐材料制成。所述可调谐材料可响应于施加到所述可调谐材料上的电信号，在第一状态和第二状态之间切换。所述可调谐材料用于在所述第一状态下反射无线电波，并在所述第二状态下传输所述无线电波。所述fss结构还包括导电子结构，所述导电子结构用于将所述电信号施加到所述至少一个片状元件中的每个片状元件的所述可调谐材料上。所述导电子结构包括至少一个第一导体和至少一个第二导体。所述至少一个第一导体连接到所述至少一个片状元件中的每个片状元件。所述至少一个第二导体设置在所述至少一个片状元件中的每个片状元件附近，使得所述至少一个第二导体与所述至少一个片状元件中的每个片状元件之间存在间隙。通过使用这样配置的fss结构，可以在很宽的角度范围(例如，对于6ghz以下的应用，最高可达360°)内提供波束转向，并实现高增益。此外，通过使用fss结构中的这种导电子结构，可以为射频(例如，毫米波频率)提供简化的电压馈电网络(与现有ris中使用的电压馈电网络相比)。此外，为达到所需的波束转向角度范围，这样配置的fss结构需要的组件(例如，1至4个片状元件)数量减少(与现有的ris相比)。最后，当在建筑物的墙壁和/或屋顶等上使用fss结构时，如果可调谐材料处于第二(透明)状态，则fss结构可以向建筑物内的用户提供无线覆盖范围(例如，通过窗玻璃)；如果可调谐材料处于第一(反射)状态，则fss结构将无线电波重定向到建筑物外的用户。

5、在第一方面的一个实施例中，所述至少一个第二导体包括多个分离导体，所述多个分离导体围绕所述至少一个片状元件中的每个片状元件设置在所述介质衬底上。通过以这种方式实现第二导体，可以使导电子结构(以及fss结构本身)在材料消耗方面的成本更低。

6、在第一方面的一个实施例中，所述至少一个第二导体被配置为连续导电层，所述连续导电层围绕所述至少一个片状元件中的每个片状元件设置在所述介质衬底上。通过以这种方式实现第二导体，可以将电信号(例如，电压)均匀地施加到每个可调谐材料上。

7、在第一方面的一个实施例中，所述至少一个第二导体设置在所述至少一个片状元件中的每个片状元件上。在本实施例中，所述至少一个第二导体与所述至少一个片状元件中的每个片状元件之间的所述间隙填充有介质材料层。当需要使fss结构更紧凑时，第二导体的这种设置可能是有利的。

8、在第一方面的一个实施例中，所述至少一个第二导体被配置为导电网格，所述导电网格设置在所述介质材料层上。通过使用导电网格，可以将电信号均匀地施加到可调谐材料的整个表面上，同时几乎不干扰可调谐材料的第二(透明)状态。

9、在第一方面的一个实施例中，所述介质衬底和所述至少一个片状元件分别具有基于所述无线电波的波长选择的厚度。这样，当可调谐材料处于第二(透明)状态时，可以实现完全透明的fss结构。

10、在第一方面的一个实施例中，所述可调谐材料包括：零带隙半导体、金属绝缘体过渡(metal insulator transition，mit)基材料、过渡金属氧化物(transition metaloxide，tmo)基材料或其组合。这些材料在毫米波频率下表现出更好的特性，从而提高了fss结构在这些频率下的性能。

11、在第一方面的一个实施例中，所述可调谐材料还可响应于所述至少一个片状元件中的每个片状元件上的热作用，在所述第一状态和所述第二状态之间切换。通过使用这种可调谐材料，可以(单独或组合)使用两种不同的方法来控制fss结构(即通过施加电输入信号和热输入信号)，从而更灵活地使用fss结构。

12、在第一方面的一个实施例中，所述至少一个片状元件包括彼此相邻设置在所述介质衬底上的多个片状元件。在本实施例中，所述导电子结构的所述至少一个第一导体包括多个第一导体，所述多个第一导体分别连接到所述多个片状元件中的一个片状元件，所述导电子结构的所述至少一个第二导体包括多个第二导体，所述多个第二导体分别设置在所述多个片状元件中的一个片状元件附近并与所述片状元件具有间隙。通过使用这种多元件fss结构，可以通过在fss结构的各个片状元件的第一状态和第二状态之间切换来同时反射和传输无线电波。因此，fss结构可以同时向建筑物内部和外部的用户提供无线覆盖范围。

13、在第一方面的一个实施例中，所述多个片状元件的数量选择为，使得响应于所述电信号在所述多个片状元件中的每个片状元件中生成的电场均匀分布在所述片状元件上。这样，多个片状元件中的每个片状元件可以更高效地反射或传输无线电波。

14、根据第二方面，提供了一种天线装置。所述天线装置包括壳体和至少一个天线振子，所述至少一个天线振子设置在所述壳体中并用于发射无线电波。所述天线装置还包括根据第一方面的至少一个fss结构。所述至少一个fss结构中的每个fss结构至少部分设置在所述无线电波传播路径上的所述壳体中。所述天线装置还包括电源，所述电源用于经由导电子结构将电信号施加到所述至少一个fss结构中的每个fss结构中的至少一个片状元件中的每个片状元件的可调谐材料上。通过使用天线装置中的fss结构，可以高效地调整天线装置的辐射方向图。

15、在第二方面的一个实施例中，所述至少一个fss结构中的每个fss结构设置在所述至少一个天线振子的近场和所述至少一个天线振子的远场之间。通过以这种方式设置fss结构，可以避免显著的阻抗匹配退化。此外，fss结构的这种设置可以确保天线装置的辐射方向图中不会出现栅瓣。最后，将fss结构设置在天线振子的近场和远场之间的某处可以使天线装置更紧凑。

16、在第二方面的一个实施例中，所述至少一个fss结构中的每个fss结构设置在所述至少一个天线振子的远场中。通过将fss结构设置在天线振子的远场中，可以提高天线装置的性能(与将fss结构设置在天线振子的远场和近场之间的情况相比)，但这样会使天线装置的总尺寸增大。

17、在第二方面的一个实施例中，所述天线装置还包括温控元件，所述温控元件用于对所述至少一个fss结构中的每个fss结构中的所述至少一个片状元件中的每个片状元件施加热作用。通过使用这种温控元件，可以提供其它用于控制fss结构(即通过对fss结构施加热作用)的方法。

18、在第二方面的一个实施例中，所述至少一个fss结构的形状为中空盒或中空管，所述至少一个天线振子设置在所述中空盒或中空管中。fss结构的这种配置可以更高效地调整天线装置的辐射方向图。

19、通过阅读下面的具体实施方式并回顾附图，本发明的其它特征和优点是显而易见的。