CN117458161B - 双层中空玻璃的5g频段电磁波透射增强结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双层中空玻璃的5G频段电磁波透射增强结构,包括双层中空玻璃,所述双层中空玻璃中填充有空气;所述双层中空玻璃的两个外表面分别设有透明材料薄膜层,所述透明材料薄膜层从内到外依次为OCA光刻胶层、金属图案电路层和透明介质层,所述金属图案电路层为向四个方向周期重复出现的金属图案。本发明能大幅增强双层中空玻璃入射波的透射幅度,应用于5G通信中,大幅提高特定区域通信的通信质量。本发明具有薄膜结构透光率高,减少对玻璃透光性的影响;成本低,易实现低成本批量化生产;使用简单,可将设计好的薄膜粘贴在玻璃上,操作方便;适用性好,可广泛用于现有任意厚度双层中空玻璃,无需替换已装玻璃。
Description
技术领域
本发明属于电磁通信技术领域,具体涉及基于柔性透明材料薄膜改善双层中空玻璃材料在5G频段电磁波透射的结构,可用于提高特定区域特定角度来波方向的5G通信的通信质量。
背景技术
相比第四代移动通信技术,第五代移动通信(5G)技术在速率、时延、连接数以及移动性上都将得到极大提升。但由于频率的上升导致波长减少,因此很多在前代移动通信中没有考虑的影响不能简单忽略,比如电磁波穿透墙壁、窗户等介质层时的反射特性和传输损耗,以及空间中存在的各种电磁信号的干扰。
为了减轻玻璃对于电磁波的透射性能的恶化,同时保持在光频段的高透过率的新型玻璃在近几年受到研究者的关注。超材料以及超表面领域的长足发展为增透玻璃的设计提供了解决方案:通过在玻璃介质上附着以在0.1~0.5入射波长内周期排列的金属图案可以调控超材料的等效介电常数和等效磁导率,这使超材料和空气在大角度斜入射情况下实现宽带阻抗匹配成为可能。
以往的透明导电材料通常以ITO为主,但ITO的资源不可再生性、较差的导电性及不可共形等的缺点对其应用领域产生了限制。ITO的替代技术,有金属网格Cu-Mesh、纳米银线、等技术。目前金属网格Cu-Mesh和纳米银线材料已经实现工业化量产,二者相比,金属网格Cu-Mesh技术更加成熟,广泛应用于光学产品上,其低成本、高成品率且易于共形的优势得到业界广泛认可。
发明内容
本发明为了有效增强透明玻璃的电磁波透射性能,提出一种双层中空玻璃的5G频段电磁波透射增强结构,该结构基于柔性透明材料薄膜改善双层中空玻璃材料在5G频段电磁波透射特性的结构。利用在亚波长内周期排布的金属图案电路对入射的电磁波产生特定的响应,改变玻璃的等效介电常数,使得玻璃介质内的等效波阻抗与空气中的波阻抗相匹配,从而在广角斜入射情况下提高透射性能,优化5G终端工作的电磁环境,提升信号覆盖强度和信号覆盖区域。
为解决上述技术问题,本发明采用了以下技术方案:一种双层中空玻璃的5G频段电磁波透射增强结构,包括双层中空玻璃,所述双层中空玻璃中填充有空气;所述双层中空玻璃的两个外表面分别设有透明材料薄膜层,所述透明材料薄膜层从内到外依次为OCA光刻胶层、金属图案电路层和透明介质层,所述金属图案电路层为向四个方向周期重复出现的金属图案。
进一步的,所述金属图案电路层中周期重复出现的金属图案通过CuMesh工艺印刷制成。
进一步的,所述金属图案电路层中周期重复出现的金属图案的单元形式为方形单元,单元周期为入射波中心频点的0.1~0.5空气波长。
进一步的,所述金属图案电路层中周期重复出现的金属图案为绕中心点90°圆周阵列的四个直角L型金属条,且直角L型金属条的两条直角边分别与方形单元的外边对应平行。
进一步的,所述直角L型金属条的两条直角边的长度L和宽度分别相同,所述金属图案的单元周期T,以及直角边长度L通过下式(1)和(2)确定:
L=-0.2d+4.6+η (1)
式中,L为金属图案的直角边长度,mm;d为单层玻璃厚度,mm;η为修正因子,范围在±0.2中心频点空气波长;
T=0.36d+9.1+δ (2)
式中,T为金属图案周期,mm;d为单层玻璃厚度,mm;δ为修正因子,范围在±0.1中心频点空气波长。
进一步的,所述金属图案电路层中周期重复出现的金属图案包括四个十字形金属结构,所述四个十字形金属结构绕中心点90°圆周阵列设置,且十字形金属结构的横向和纵向分别与方形单元的外边对应平行,所述十字形金属结构的尾端相互连接。
进一步的,所述十字形金属结构的尺寸通过式(3)和(4)确定,
L1=-0.2d+4.6+η (3)
L1为十字形金属结构的宽度,mm;d为玻璃厚度,mm;η为修正因子,范围在±0.2中心频点空气波长;
L2=-0.15d+4.8+η (4)
L2为十字形金属结构尾部的长度,mm;d为玻璃厚度,mm;η为修正因子,范围在±0.2中心频点空气波长。
进一步的,所述金属十字形金属结构的单元周期T通过式(5)确定,
T=0.36d+9.1+δ (5)
T为金属图案周期,mm;d为单层玻璃厚度,mm;δ为修正因子,范围在±0.1中心频点空气波长。
进一步的,所述透明介质层的材质采用PET。
有益效果,与现有技术相比,本发明具有以下优点:
1、本发明应用于通过在任意厚度双层中空玻璃双面外侧表面粘贴透明增透膜的方式,从而在预设的射频频段内,大幅增强特定入射角范围的电磁波在双层中空玻璃材料的透射幅度,本发明可以大幅提高5G频段特定区域的通信质量和信号覆盖强度和覆盖区域;
2、本发明适用范围广,对于两侧厚度不同的双层中空的玻璃材料和特定电磁环境需求,可灵活调整双层中空玻璃两侧粘贴的薄膜的金属图案电路层的尺寸,以实现最佳的透射性能;
3、本发明采用结构不敏感型金属图案电路层图案,对于双层中空玻璃外表面两侧粘贴增透膜对齐要求低,两侧金属图案电路层结构错位不影响正常使用,可大幅提高了安装的灵活度,使得该结构的广泛应用和普及成可能;
4、本发明所述的将透明增透膜通过OCA光刻胶粘接在玻璃的方式属于后装工艺,可以在不更换原有的玻璃设施,如:高铁玻璃、汽车玻璃、玻璃幕墙的情况下,将设计好的透明增透膜粘贴至玻璃表面,该方式大幅提高了应用的灵活度,使得增透玻璃的广泛应用和普及成可能;
5、本发明的透明增透膜均为柔性材料,并且利用OCA光刻胶与玻璃粘接的方式,极大地方便了共形的需求,可用于曲面玻璃,相对于平面玻璃应用更加广泛。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图作简单介绍。
图1为本发明实施例1双层中空玻璃的5G频段电磁波透射增强结构的方案图;
图2为本发明实施例1双层中空玻璃的5G频段电磁波透射增强结构中金属图案电路层的单元结构平面图;
图3为本发明实施例2双层中空玻璃的5G频段电磁波透射增强结构的整体方案图;
图4为本发明实施例2双层中空玻璃的5G频段电磁波透射增强结构的单元结构平面图;
图5为本发明实施例2双层中空玻璃的5G频段电磁波透射增强结构中金属图案电路层的单元结构平面图;
图6为施加本发明实施例1透明材料薄膜层前的全频段传输特性曲线图;
图7为施加本发明实施例1透明材料薄膜层后的全频段传输特性曲线图;
图8为施加本发明实施例2透明材料薄膜层前的全频段传输特性曲线图;
图9为施加本发明实施例2透明材料薄膜层后的全频段传输特性曲线图;
图10为本发明实施例2表面粘合柔性透明材料薄膜的任意厚度双层中空玻璃材料上的全频段增透性能曲线图(仿真与实测对比)。
其中,中空玻璃1、空气层2、透明材料薄膜层3、OCA光刻胶层4、金属图案电路层5、透明介质层6、直角L型金属条7、十字形金属结构8、中心点9。
实施方式
下面结合具体实施例,进一步阐明本发明。应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围,在阅读了本发明之后,本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
在实施方式和申请专利范围中,除非文中对于冠词有特别限定,否则“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述,则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
应该进一步理解的是,本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件,但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解,当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时,它可以直接连接或耦接到其他元件,或者也可以存在中间元件。此外,这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解,除非另外定义,这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语),具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是,诸如通用字典中定义的那些术语,应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义,并且除非像这里一样被特定定义,否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
实施例
如图1和2所示,本发明的双层中空玻璃的5G频段电磁波透射增强结构,包括双层中空玻璃,所述双层中空玻璃中填充有空气;所述双层中空玻璃的两个外表面分别设有透明材料薄膜层,所述透明材料薄膜层从内到外依次为OCA光刻胶层、金属图案电路层和透明介质层,所述金属图案电路层为向四个方向周期重复出现的金属图案。
其中,金属图案电路层中周期重复出现的金属图案的单元形式为方形单元,单元周期为入射波中心频点的0.2~0.3空气波长。其具体形状是绕中心点90°圆周阵列的四个直角L型金属条,且直角L型金属条的两条直角边分别与方形单元的外边对应平行。
如图1所示,本实施例中,所述柔性透明材料薄膜层包括透明介质层周期性金属图案电路层和OCA光刻胶层;所述的透明介质层采用PET材料,所述的金属图案电路层附着在透明介质层上,OCA光刻胶层将附着有金属图案电路层的透明介质层粘接到双层中空玻璃材料的外侧。
其中,所述直角L型金属条的两条直角边的长度L和宽度分别相同,所述金属图案的单元周期T,以及直角边长度L通过下式(1)和(2)确定:
L=-0.2d+4.6+η (1)
式中,L为金属图案的直角边长度,mm;d为单层玻璃厚度,mm;η为修正因子,范围在±0.2中心频点空气波长;
T=0.36d+9.1+δ (2)
式中,T为金属图案周期,mm;d为单层玻璃厚度,mm;δ为修正因子,范围在±0.1中心频点空气波长。
本实施例中周期性金属图案电路层以在入射波长0.2λ-0.3λ为周期排布在透明玻璃层上。本实施例中周期选择为中心频点入射波长0.27λ;两个透明玻璃层的厚度分别为h1和h2,两者之间填充空气,中空玻璃的厚度和尺寸可以根据需求自定义组合。
如图3所示,对贴附柔性透明材料薄膜前后的的双层中空玻璃的介电常数进行仿真设计和实测。从仿真结果可知:从图可以看出,在50°-80°入射角范围内,粘合柔性透明材料薄膜的双层中空玻璃材料电磁波的透射幅度与未粘合柔性透明材料薄膜的双层中空玻璃材料的电磁波的透射幅度相比,粘合柔性透明材料薄膜的双层中空玻璃材料在4GHz-5.5GHz下的电磁波透射性能均有较大提升。
为了直观的体现粘合柔性透明材料薄膜的双层中空玻璃材料相比于未粘合柔性透明材料薄膜双层的中空玻璃材料对电磁波透射幅度的增强,将增透性能定义为:增透性能(dB)=特定入射角下粘合柔性透明材料薄膜的双层中空玻璃材料电磁波透射幅度(dB)-特定入射角下未粘合柔性透明材料薄膜的双层中空玻璃材料电磁波透射幅度(dB)。如图7所示,为处理之后的粘合柔性透明材料薄膜的双层中空玻璃材料的电磁波增透性能, 4-5.5GHz的频率范围内,在50°-80°斜入射角度内,粘合柔性透明材料薄膜的电磁波的双层中空玻璃材料的电磁波透射幅度有大幅度提升,尤其是在中心频点4.85GHz附近,电磁波透射提升更为明显。因此,在入射波的入射角为50°-80°时所述粘合柔性透明材料薄膜的双层中空玻璃材料有良好的电磁波增透效果。
本发明采用的金属层的结构形式对于偏差的冗余度高,在两侧金属层结构同心度较差时对性能影响较小,对于两侧金属蹭结构同心度的一致性要求不高,便于安装使用。应用于建筑外墙、玻璃窗等采用双层玻璃材料的结构,双层玻璃材料为(玻璃-空气-玻璃)的结构,基于现有结构的玻璃尺寸参数确定金属层结构,从而完成设计,采用后装技术。
实施例
如图3-5,本实施例与实施例1不同之处在于,金属图案电路层的金属图案采用的是十字形金属结构,包括四个十字形金属结构,所述四个十字形金属结构绕中心点90°圆周阵列设置,且十字形金属结构的横向和纵向分别与方形单元的外边对应平行,所述十字形金属结构的尾端相互连接。十字形金属结构的单元周期T与实施例1保持一致。十字形金属结构的尺寸通过式(3)和(4)确定,
L1=-0.2d+4.6+η (3)
L1为十字形金属结构的宽度,mm;d为玻璃厚度,mm;η为修正因子,范围在±0.2中心频点空气波长;
L2=-0.15d+4.8+η (4)
L2为十字形金属结构尾部的长度,mm;d为玻璃厚度,mm;η为修正因子,范围在±0.2中心频点空气波长。
本实施例的方形单元中心点到单元边的中心点的矩形金属条和与金属条相垂直的矩形金属枝节组成的十字形金属结构,十字形金属结构以方形周期单元中心为原点,以透明介质层平面垂直方向为轴心,90°旋转而成。玻璃两侧的柔性透明材料薄膜层金属图案电路层为同心结构。
本实施例中以入射波长0.1λ-0.5λ为周期等间隔排布在透明玻璃层上,十字形金属结构宽度为定值,通过改变十字形金属结构中金属枝节尺寸L1和L2来实现不同的性能
如图8-10所示,对贴附柔性透明材料薄膜前后的的双层中空玻璃的介电常数进行仿真设计和实测。从仿真结果可知:在50°-80°入射角范围内,实施本发明柔性透明材料薄膜前后,双层中空玻璃材料在4GHz-5.5GHz下的电磁波透射性能均有较大提升。尤其是在4.85GHz和5.0GHz附近,电磁波投身提升最为明显。
应当理解的是,本发明的应用不限于上述的举例,对本领域普通技术人员来说,可以根据上述说明加以改进或变换,所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (6)
1.一种双层中空玻璃的5G频段电磁波透射增强结构,其特征在于:包括双层中空玻璃,所述双层中空玻璃之间填充有空气;所述双层中空玻璃的两个外表面分别设有透明材料薄膜层,所述透明材料薄膜层从内到外依次为OCA光刻胶层、金属图案电路层和透明介质层,所述金属图案电路层为向四个方向周期重复出现的金属图案;
所述金属图案电路层中周期重复出现的金属图案的单元形式为方形单元,单元周期为入射波中心频点的0.1~0.5空气波长;
所述金属图案电路层中周期重复出现的金属图案为绕中心点90°圆周阵列的四个直角L型金属条,且直角L型金属条的两条直角边分别与方形单元的外边对应平行;
或者,所述金属图案电路层中周期重复出现的金属图案包括四个十字形金属结构,所述四个十字形金属结构绕中心点90°圆周阵列设置,且十字形金属结构的横向和纵向分别与方形单元的外边对应平行,所述十字形金属结构的尾端相互连接。
2.根据权利要求1所述双层中空玻璃的5G频段电磁波透射增强结构,其特征在于:所述金属图案电路层中周期重复出现的金属图案通过CuMesh工艺印刷制成。
3.根据权利要求1所述双层中空玻璃的5G频段电磁波透射增强结构,其特征在于:所述直角L型金属条的两条直角边的长度L和宽度分别相同,所述金属图案的单元周期T,以及直角边长度L通过下式(1)和(2)确定:
L=-0.2d+4.6+η (1)
式中,L为金属图案的直角边长度,单位为mm;d为单层玻璃厚度,单位为mm;η为修正因子,范围在±0.2中心频点空气波长;
T=0.36d+9.1+δ (2)
式中,T为金属图案周期,单位为mm;d为单层玻璃厚度,单位为mm;δ为修正因子,范围在±0.1中心频点空气波长。
4.根据权利要求1所述双层中空玻璃的5G频段电磁波透射增强结构,其特征在于:所述十字形金属结构包括横条和竖条,所述十字形金属结构的尺寸通过式(3)和(4)确定,
L1=-0.2d+4.6+η (3)
L1为横条的长度,单位为mm;d为单层玻璃厚度,单位为mm;η为修正因子,范围在±0.2中心频点空气波长;
L2=-0.15d+4.8+η (4)
L2为横条到竖条根部的距离,单位为mm;d为单层玻璃厚度,单位为mm;η为修正因子,范围在±0.2中心频点空气波长。
5.根据权利要求1所述双层中空玻璃的5G频段电磁波透射增强结构,其特征在于:所述十字形金属结构的单元周期T通过式(5)确定,
T=0.36d+9.1+δ (5)
T为金属图案周期,单位为mm;d为单层玻璃厚度,单位为mm;δ为修正因子,范围在±0.1中心频点空气波长。
6.根据权利要求1所述双层中空玻璃的5G频段电磁波透射增强结构,其特征在于:所述透明介质层的材质采用PET。
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