CN111799565A - 一种可大幅提高玻璃透波率的超材料结构 - Google Patents

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Abstract

本发明的一种可大幅提高玻璃透波率的超材料结构，通过在原始的玻璃结构上加载一个超材料结构，该超材料结构可以贴合于玻璃或与玻璃保持一定距离，该超材料结构可以为单层金属结构或为多层金属、介质混合结构，使得毫米波雷达的信号以较高的传输效率进行传输，以降低玻璃对于毫米波的损耗，实现在无需改变原有雷达和玻璃结构的基础上，通过在玻璃与毫米波雷达间对电磁波进行调谐，进而大幅提高玻璃的透波率。

Description

一种可大幅提高玻璃透波率的超材料结构
技术领域
本发明涉及电磁超材料领域，更具体地，涉及一种可大幅提高玻璃透波率的超材料结构。
背景技术
汽车防撞雷达，是用于汽车或其他地面机动车辆的雷达。它包括基于不同技术(比如激光、超声波、微波)的各种不同雷达，有着不同的功能(比如发现障碍物、预测碰撞、自适应巡航控制)，以及运用不同的工作原理(比如脉冲雷达、FMCW雷达、微波冲击雷达)。雷达在汽车防撞雷达中有着重要的商业意义。
其中，微波雷达具有全天候，全天时的工作特性，且探测距离远，探测精度高，在汽车前向目标探测系统中，发挥着重要作用。同时融合视觉与激光模块，构建ADAS系统，逐渐成为汽车主动安全的一个新的发展方向。
摄像头搭配77GHz毫米波雷达的ADAS方案已经成为业内主流，但随着市场上配置有77GHz毫米波雷达的车型陆续上市，越来越多的用户反馈：前向毫米波雷达在一些应用场景中失效性较高。
因考虑毫米波雷达车载测量精准性和安装成本，毫米波雷达厂商和车厂一级供应商(Tier1)通常都是建议主机厂将前向毫米波雷达裸露安装在前包围外部，由此在行车中，前向毫米波雷达易被道路飞溅起的泥巴等污物遮挡，导致雷达失效。这也是前向毫米波雷达失明报警的主要因素，除此之外，在寒冷天气，毫米波雷达表面容易结冰，也会导致失效。
除了天气原因，外力碰撞也会导致雷达错位、失效。雷达的探测范围和安装位置在出厂前经过严格标定，如果因为车身剧烈震动、前包围托底、擦碰等外力因素，导致雷达安装位置错位，也会产生雷达信号失准故障。
为了降低雨水、泥巴、结冰、外力碰撞等因素对毫米波雷达的干扰，可以将毫米波雷达从前包围或格栅上移动至前挡风玻璃后。前挡风玻璃具有更好的安装位置，不易被泥巴等污物覆盖，并且在寒冷天气下可以利用车内空调对玻璃进行除冰。前挡风玻璃后的雷达结构也不会因轻微碰撞而产生形变，可以给毫米波雷达提供更为稳定的工作环境。
但这种方案存在一个亟待解决的问题，就是玻璃对于毫米波的损耗一般比较大，因此，如何解决玻璃对于毫米波雷达的损耗，成为目前急需解决的技术问题。
发明内容
本发明提供一种可大幅提高玻璃透波率的超材料结构，以实现在无需改变原有雷达和玻璃结构的基础上，通过在玻璃与毫米波雷达间对电磁波进行调谐，进而大幅提高玻璃的透波率。
根据本发明的一个方面，提供了一种可大幅提高玻璃透波率的超材料结构，所述超材料结构设置在玻璃和毫米波雷达之间，所述超材料结构包括金属层和介质层，所述金属层设置在所述介质层的两侧，且所述金属层上设有槽缝，所述槽缝长度方向与毫米波雷达入射方向垂直设置。
在上述方案基础上优选，所述金属层的厚度小于介质层的厚度。
在上述方案基础上优选，所述毫米波雷达与所述金属层之间还设有一层玻璃覆盖层。
在上述方案基础上优选，所述金属层的边缘与所述介质基板的边缘平齐。
在上述方案基础上优选，所述介质层介电常数介于玻璃与空气之间。
在上述方案基础上优选，所述超材料结构贴合在玻璃表面。
在上述方案基础上优选，所述介质层内间隔嵌入式设置有多层所述金属层。
本发明的一种可大幅提高玻璃透波率的超材料结构，通过在原始的玻璃结构上加载一个超材料结构，该超材料结构可以贴合于玻璃或与玻璃保持一定距离，该超材料结构可以为单层金属结构或为多层金属、介质混合结构，使得毫米波雷达的信号以较高的传输效率进行传输，以降低玻璃对于毫米波的损耗，实现在无需改变原有雷达和玻璃结构的基础上，通过在玻璃与毫米波雷达间对电磁波进行调谐，进而大幅提高玻璃的透波率。
附图说明
图1为将雷达直接安装在玻璃上的等效电路图；
图2为本发明的超导材料结构的安装结构图；
图3为本发明的金属层的剖面图；
图4为本发明的图2的等效电路图；
图5为本发明的实验效果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如将雷达直接安装于挡风玻璃10后，电磁波在空间中传播的等效电路为图1所示，此时电磁波从空气中入射到玻璃10界面，穿透后再次辐射回空气中，由于空气与玻璃10这两种介质的阻抗不匹配，从而导致电路失谐，电路反射增大，传输系数降低。
为了解决空气与玻璃10之间的阻抗不匹配的问题，本发明提供了一种可大幅提高玻璃透波率的超材料结构，该超材料结构设置在玻璃10和毫米波雷达之间，其中，超材料结构包括金属层20和介质层30，金属层20设置在介质层30的两侧，如图2所示，而金属层20上设有槽缝21，槽缝21长度方向与毫米波雷达入射方向垂直设置，具体结构如和图3所示。
使用时，金属层20在等效电路中等效成一个并联的电容和电感电路，因此，图2中的结构的等效电路如图4所示，毫米波雷达输入后，经过空气的传导后输入至超导材料结构衬底介质中，经过超导材料的等效并联电容和电感电路后，再次经过导材料结构衬底介质，穿透超导材料的等效并联电容和电感电路后后再次辐射回空气中。
即通过超材料结构加载，在等效电路中引入新的匹配阻抗和等效的电容、电感，最大限度的让电路匹配，从而降低电路的反射，增大传输系数。
其中，金属层20的厚度小于介质层30的厚度，并为了保护超材料结构，本发明还在毫米波雷达与金属层20之间还设有一层玻璃覆盖层40。
优选的是，所述金属层20为槽缝型镂空结构，所述介质层30为PMI或其他低介电常数材料以获得更高的透波率。
本发明的一种可大幅提高玻璃透波率的超材料结构，该超材料结构可以贴合在玻璃10表面，也可以是设置与在玻璃10表面保持一定距离的位置。而本发明的超导材料结构可以是单层金属结构也可以是多层金属与介质混合结构构成的，即在介质层30中间嵌入式设置有多各金属层20，金属层20之间相互通过介质层30以隔开。
值得说明的是，本发明的金属层20上的槽缝21可以是具备两个终点即形成单极化，也可以是具备四个终点即形成双极化，且无论是单极化还是双极化槽缝21形成的图案均呈中心对称状设置。而超材料结构在等效电路中，可以等效为并联的电容电感电路，也可以等效为串联的电容电感电路。
为了说明本发明的技术效果，采用介电常数为6、厚度为7mm的玻璃10，厚度为0.035mm的金属层20，介电常数为1、厚度为2.6mm的介质层30，厚度为0.035mm的金属层20，介电常数为6/厚度为0.1mm的玻璃10，根据图2由左至右设置，然后测量其插损，测量结果如图5所示。
由图5可以得到，在同样的入射角条件下(24.85°)、不改变玻璃10材质和厚度的基础上，通过有效的超材料加载，使其在毫米波雷达工作频段(77GHz)的插损从2.9dB降低至1dB，插损降低66％，毫米波雷达的有效探测距离增加242％。
本发明的一种可大幅提高玻璃透波率的超材料结构，通过在原始的玻璃10结构上(任意厚度及介电常数的玻璃10、单层玻璃10或多层玻璃10及其他材质复合结构)加载一个超材料结构，该超材料结构可以贴合于玻璃10或与玻璃10保持一定距离，该超材料结构可以为单层金属结构或为多层金属、介质混合结构，使得毫米波雷达的信号以较高的传输效率进行传输，以降低玻璃10对于毫米波的损耗，实现在无需改变原有雷达和玻璃10结构的基础上，通过在玻璃10与毫米波雷达间对电磁波进行调谐，进而大幅提高玻璃10的透波率。
最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种可大幅提高玻璃透波率的超材料结构，其特征在于，所述超材料结构设置在玻璃和毫米波雷达之间，所述超材料结构包括金属层和介质层，所述金属层设置在所述介质层的两侧，且所述金属层上设有槽缝，所述槽缝长度方向与毫米波雷达入射方向垂直设置。
2.如权利要求1所述的一种可大幅提高玻璃透波率的超材料结构，其特征在于，所述金属层的厚度小于介质层的厚度。
3.如权利要求1所述的一种可大幅提高玻璃透波率的超材料结构，其特征在于，所述毫米波雷达与所述金属层之间还设有一层玻璃覆盖层。
4.如权利要求1所述的一种可大幅提高玻璃透波率的超材料结构，其特征在于，所述金属层的边缘与所述介质基板的边缘平齐。
5.如权利要求1所述的一种可大幅提高玻璃透波率的超材料结构，其特征在于，所述介质层介电常数介于玻璃与空气之间。
6.如权利要求1所述的一种可大幅提高玻璃透波率的超材料结构，其特征在于，所述超材料结构贴合在玻璃表面。
7.如权利要求1所述的一种可大幅提高玻璃透波率的超材料结构，其特征在于，所述介质层内间隔嵌入式设置有多层所述金属层。
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