CN214796783U

CN214796783U - 一种膜

Info

Publication number: CN214796783U
Application number: CN202120351302.9U
Authority: CN
Inventors: 王安娜; 李亚; 张雁茗
Original assignee: China Mobile Communications Group Co Ltd; China Mobile Communications Ltd Research Institute
Current assignee: China Mobile Communications Group Co Ltd; China Mobile Communications Ltd Research Institute
Priority date: 2021-02-08
Filing date: 2021-02-08
Publication date: 2021-11-19
Anticipated expiration: 2031-02-08

Abstract

本实用新型公开了一种膜，包括：透明介质基底与导电材料，其中：透明介质基底一侧有凹槽，所述凹槽的形状是满足阻抗匹配特性或具有平面聚焦特性的单元结构图案组成的阵列；导电材料在凹槽中。制备时，在透明介质基底一侧形成凹槽，所述凹槽的形状是预先设计出的满足阻抗匹配特性或具有平面聚焦特性的单元结构图案组成的阵列；将导电材料填充至凹槽中。应用于减少建筑物对通信信号的衰减。采用本实用新型，能减少电磁波在建筑玻璃上产生的反射，优化电磁波的透过，降低建筑玻璃对电磁波的衰减；同时，增加透过建筑玻璃的电磁波强度。更为环保节能；成本相对更为低廉；更易被用户所接受。

Description

一种膜

技术领域

本实用新型涉及通信技术领域，特别涉及一种膜。

背景技术

随着无线通信技术的发展和推广，电磁波作为信号传输的载体，其传播理论已被广泛应用于移动通信领域。电磁波信号在传播过程中，易受到多种因素的影响产生衰减，从而造成通信传输过程中信号变弱。尤其在城市居民住宅区及写字楼等无线通信需求强烈的区域，要求信号在抵达移动通信终端前尽可能少的产生衰减。因此减少建筑物对通信信号的衰减对于提升移动通信质量至关重要。

根据我国建筑材料国家标准及《建筑玻璃应用技术规程》中的相关规定，在住宅及写字楼等人口密集区域所使用的建筑玻璃不仅对透光率有要求，还需要其满足一定的抗冲击、防爆、耐热、抗风压特性；此外，结合实际应用需求，建筑玻璃通常还需具备防紫外、隔热等功能。因此，建筑玻璃中通常会添加金属及金属氧化物满足性能需求(如铁、三氧化二铁、氧化镁、氧化铝、氧化硼等)，使建筑玻璃的介电常数ε和磁导率μ相较于普通玻璃有所不同。因此建筑玻璃的阻抗与自由空间阻抗无法获得良好的匹配特性，结合电磁波反射损耗理论可知：当材料的电磁参数无法满足阻抗匹配特性条件，则电磁波会在材料表面产生反射，导致信号在穿透材料的过程中产生衰减。以频率2.4GHz的电磁波信号为例，在透过厚度为3-5cm的建筑玻璃时会产生6～8dB的衰减。

如何在不影响建筑玻璃透光率及其他功能的前提下，解决无线电磁信号在建筑玻璃中的衰减问题，成为了亟待解决的技术难题。

现有的在不改变建筑玻璃成分，不影响其功能性的基础上使电磁信号穿透玻璃的主要技术手段是在建筑玻璃上加装有源天线，通过利用信号放大器对电磁信号进行放大实现在更多的电磁信号可以穿透玻璃。

现有在建筑玻璃外侧加装回传天线技术的不足在于至少存在以下问题之一：

有源设备的制造成本较高；

不利于节能；

会使玻璃的透光率降低，用户往往难以接受此技术方案。

实用新型内容

本实用新型提供了一种膜，用以解决以下问题之一或者其组合：有源设备的制造成本较高；不利于节能；会使玻璃的透光率降低，用户往往难以接受此技术方案。

本实用新型提供以下技术方案：

一种膜，包括：透明介质基底与导电材料，其中：

透明介质基底一侧有凹槽，所述凹槽的形状是满足阻抗匹配特性或具有平面聚焦特性的单元结构图案组成的阵列；

导电材料在凹槽中。

实施中，所述透明介质基底是刻有超材料结构单元图案的透明介质基底。

实施中，所述透明介质基底的材料是以下材料之一：聚苯乙烯、聚碳酸酯或环氧树脂。

实施中，所述透明介质基底的厚度为1～10mm。

实施中，所述导电材料是以下材料之一：银纳米线、石墨烯、碳纳米管、过渡金属碳/氮化物。

实施中，所述凹槽深度小于亚微米级。

实施中，进一步包括：

粘胶，位于透明介质基底有凹槽的另一侧。

实施中，所述导电材料在凹槽中的厚度为10～100nm。

实施中，单元结构图案组成的阵列是菱形离散分布的。

实施中，所述单元结构图案为一个十字在一个方括号中。

实施中，方括号形凹槽的长度为2～5mm，十字形凹槽的长度为1～4mm，方括号形凹槽每一边的长度为0.5～2mm，十字形凹槽的宽度为0.1～0.5mm。

一种制备膜的方法，包括：

在透明介质基底一侧形成凹槽，所述凹槽的形状是预先设计出的满足阻抗匹配特性或具有平面聚焦特性的单元结构图案组成的阵列；

将导电材料填充至凹槽中。

实施中，所述凹槽的形状是通过将透明介质基底所用材料的电磁参数导入仿真软件后，结合谐振电路模型预先设计出的。

实施中，通过以下方式之一或者其组合在透明介质基底一侧形成凹槽：化学刻蚀、机械雕刻、激光雕刻。

实施中，通过以下方式之一或者其组合将导电材料填充至凹槽中：浇注、喷涂。

实施中，进一步包括：

在透明介质基底有凹槽的另一侧涂覆粘胶。

一种膜的使用方法，包括：

应用于减少建筑物对通信信号的衰减。

实施中，减少建筑物对通信信号的衰减，是通过将膜粘贴于建筑玻璃表面一侧或两侧来减少的。

本实用新型有益效果如下：

本实用新型实施例提供的技术方案中，透明介质基底一侧有凹槽，所述凹槽的形状是满足阻抗匹配特性或具有平面聚焦特性的单元结构图案组成的阵列；导电材料在凹槽中。由于通过调整膜与建筑玻璃整体的阻抗特性，使之与自由空间阻抗产生匹配，减少电磁波在建筑玻璃上产生的反射，优化电磁波的透过，降低建筑玻璃对电磁波的衰减；同时，协同超材料平面聚焦效应，增加透过建筑玻璃的电磁波强度。

进一步的，还至少具有如下效果之一：

由于膜为无源贴片形式贴装于建筑玻璃内/外侧，不会产生额外的功耗，更为环保节能；

无源贴片的成本相对更为低廉；

由于该膜的材料介质成分为透明的高分子聚合物或透明导电玻璃，故在使用过程中，对玻璃的透光率产生明显的影响可忽略不计，确保了建筑玻璃的美观，更易被用户所接受，同时该种透明超材料膜的安装方式为直接贴装，在不对建筑玻璃的成分产生改变，确保了建筑玻璃的多种功能不受影响，实用方式的简单、易操作性也有利于该透明超材料膜的推广使用。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本实用新型的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为本实用新型实施例中膜的结构示意图；

图2为本实用新型实施例中透明超材料膜阵列设计示意图；

图3为本实用新型实施例中透明超材料膜单元结构图案设计示意图；

图4为本实用新型实施例中制备膜的方法实施流程示意图；

图5为本实用新型实施例中透明超材料膜制备实施流程示意图。

具体实施方式

发明人注意到：

现有解决电磁波在传播过程中遭遇类似建筑玻璃这种阻碍物、电磁屏蔽介质的技术手段是通过在建筑玻璃外侧加装回传天线，用于接收自由空间中的弱电磁信号，再通过射频线缆将信号传输到放置于室内的有源信号放大器进行信号放大，该种技术实现了电磁波在建筑玻璃的有效透过。

但该种技术手段也会存在以下几个问题：首先，有源设备的制造成本较高，并不利于大面积推广使用；其次有源设备会有额外的功耗产生，并不利于节能；此外，在建筑玻璃外侧加装天线，会使玻璃的透光率降低，影响美观，因此用户往往难以接受此技术方案，这也成为了限制该技术方案推广使用的重要因素之一。

为了至少解决上述问题之一，本实用新型实施例中提供了无源且透明超材料膜可通过两种不同的技术原理协同作用实现通信电磁波穿透建筑玻璃。第一种是利用超材料的超常电磁参数性能，将阻抗特性调整至满足阻抗匹配条件，减少电磁波在建筑玻璃表面产生的反射损耗和衰减，实现强化电磁波穿透建筑玻璃的目的；第二种是利用透明超材料膜的平面聚焦效应，实现电磁信号增益，最终强度增加的电磁信号足以穿透建筑玻璃。两种技术原理的协同可实现在不增加功耗、不改变建筑玻璃成分结构、不影响建筑玻璃透光度及其他功能的前提下，强化通信电磁波在建筑玻璃介质的穿透性。

首先对实施的原理进行说明。

根据Veselago、Pendry所提出的理论及实践证明可知：通过构建周期排列的金属或电介质阵列，并对其进行关键物理尺度上的结构有序化设计，可制备出具有超常物理性能的材料，其电磁参数依赖于其基本构成单元的谐振特性，即介电常数ε和磁导率μ为负的超材料。

结合反射损耗原理(

其中，Z_in表示材料阻抗，Z₀表示自由空间阻抗)，可知：如材料的介电常数ε和磁导率μ如无法满足阻抗匹配特性，势必导致反射损耗(RL)的产生，即电磁波在穿透物质过程中大量被反射回自由空间，抵达接收终端的电磁波产生衰减。

而建筑玻璃由于特殊的功能需求，填充了大量的金属及金属氧化物，造成介电常数ε与磁导率μ在一定的电磁频率范围内相差较大，无法实现阻抗匹配，引发电磁波衰减。虽然可以通过改变建筑玻璃的成分及比例来获得满足阻抗匹配特性的电磁参数，但这势必会对建筑玻璃的其他功能造成影响。

基于此，可以根据物理特性、电磁波反射损耗理论以及有效介质理论的基础上提出方案，由于可通过设计不同的结构阵列，获得数值不一的超常电磁参数，膜/建筑玻璃的整体的等效阻抗可调整至与自由空间阻抗相等，满足阻抗匹配条件。此外，可以根据材料的平面聚焦效应可实现对电磁波的汇聚，当建筑玻璃对电磁信号衰减不变的情况下，可透过的电磁波强度会因聚焦效应的影响而增加。透明材料膜的这两种技术原理的协同作用可以在不影响玻璃原有功能和美观的前提下，实现强化建筑玻璃的电磁波透射性能的目的，同时多种原理的协同也为超材料膜的结构阵列设计及材料的选择提供了更高的自由度。

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式进行说明。

图1为膜的结构示意图，如图所示，包括：透明介质基底101与导电材料 102，其中：

导电材料在凹槽中。

具体的，超材料包括透明介质基底和导电材料两个部分。在透明介质基底上刻上超材料的结构单元图案，再填充导电材料，从而具有超材料特性，此时这个整体也可以被称为超材料。

超材料(Metamaterial)，拉丁语词根“meta-”表示“超出、另类”等含义。指的是一类具有特殊性质的人造材料，这些材料是自然界没有的。它们拥有一些特别的性质，比如让光、电磁波改变它们的通常性质，而这样的效果是传统材料无法实现的。超材料的成分上没有什么特别之处，它们的奇特性质源于其精密的几何结构以及尺寸大小。其中的微结构，大小尺度小于它作用的波长，因此得以对波施加影响。

实施中，所述透明介质基底的厚度为1～10mm。

实施中，所述凹槽深度小于亚微米级。

实施中，进一步包括：

粘胶，位于透明介质基底有凹槽的另一侧。

实施中，所述导电材料在凹槽中的厚度为10～100nm。

实施中，单元结构图案组成的阵列是菱形离散分布的。

具体的，方案提供了用于强化通信电磁波穿透建筑玻璃的透明超材料膜，该种贴片式透明超材料膜包括两个部分，透明介质基底(高分子聚合物)、导电材料(如银纳米线、石墨烯、碳纳米管等)。通过在透明介质基底一侧刻蚀出凹槽，例如按照菱形离散分布的

形超材料单元凹槽，且凹槽深度小于亚微米级(100纳米)，将导电材料填充至凹槽中，形成具有高透光率的透明超材料膜。在实际使用过程中直接将其粘贴于建筑玻璃表面一侧/两侧即可。

实施中，所述单元结构图案为一个十字在一个方括号中。

具体实施中，方括号形凹槽的长度为2～5mm，十字形凹槽的长度为1～4 mm，方括号形凹槽每一边的长度为0.5～2mm，十字形凹槽的宽度为0.1～0.5mm。

图2为透明超材料膜阵列设计示意图，如图所示，方案提出了如图2所示的透明超材料阵列，在透明介质基底上刻蚀出呈菱形离散分布的

(一个十字在一个方括号中，或者说，一个方括号中包含有一个十字)形凹槽，再由银纳米线填充凹槽中，阵列设计如图2所示。如在厚度为1～10mm厚的聚酰亚胺透明薄膜上，按照“◇”菱形的排列方式，由内向外离散式雕刻出多个

形凹槽，且凹槽深度小于100nm，再向凹槽中填充银纳米线。例中，离散式是指各单元结构并不相连、不连续，彼此独立。

图3为透明超材料膜单元结构图案设计示意图，如图所示，在透明超材料膜中，银纳米线的填充厚度在10～100nm之间。透明超材料膜中的

形单元结构如图3所示，其中，L1的尺寸为2～5mm，L2的尺寸为1～4mm，L3 为0.5～2mm，所有填充凹槽的线宽W均为0.1～0.5mm。

具体实践中，还可以采用别的图案，例如可能会存在同心离散分布：有很多个同心圆，内圈的圆上由六个这样的构成，外层的5个这样的图案，再外层四个。但是这样的图案可能存在很多，具体的可以一个一个进行仿真来确定具有与菱形离散分布的

同样或者相近似效果的图案。

图4为制备膜的方法实施流程示意图，如图所示，可以包括：

步骤401、在透明介质基底一侧形成凹槽，所述凹槽的形状是预先设计出的满足阻抗匹配特性或具有平面聚焦特性的单元结构图案组成的阵列；

步骤402、将导电材料填充至凹槽中。

具体的，可以获取透明超材料膜各部分所用材料的电磁参数(例如：透明介质基底材料、导电材料)；

将各项数据导入仿真软件中(例如：电磁仿真软件CST studio suite、三维电磁仿真软件Ansoft HFSS、多物理场仿真模型Comsol Multiphysics等)，结合谐振电路模型，即可设计出满足阻抗匹配特性(或具有平面聚焦特性)的超材料单元结构图案及阵列。

具体的，结合化学刻蚀或机械雕刻、激光雕刻等多种技术手段，可以在透明介质基底(高分子聚合物，如聚苯乙烯、聚碳酸酯、环氧树脂等)上刻出根据仿真软件所设计的超材料图案，形成超材料凹槽阵列。

具体的，可以将导电材料(如银纳米线、石墨烯、碳纳米管、过渡金属碳 /氮化物等)采用浇注、喷涂等方式填充至刻蚀形成的图案凹槽中。

实施中，还可以进一步包括：

在透明介质基底有凹槽的另一侧涂覆粘胶。

具体的，可以在透明介质基底未经过刻蚀的一面涂覆粘胶，将/导电材料组成的透明超材料膜粘贴于建筑玻璃内/外侧(电磁波入射表面)。

相应的，本实用新型实施例中还提出了膜的使用方法，包括：

应用于减少建筑物对通信信号的衰减。

下面以实例进行说明。

图5为透明超材料膜制备实施流程示意图，如图所示，透明超材料膜的加工路线主要包括：

选择透明介质基底参数，确定粘胶参数；

仿真设计超材料单元结构及阵列；

刻蚀凹槽；

填充导电材料；

涂胶；

粘贴安装。

综上可知，在本实用新型实施例提供的技术方案中，提供了透明超材料膜，利用超材料超常电磁参数特性，通过贴装于建筑玻璃内/外侧，在不破坏建筑玻璃成分、透光率及特殊功能的前提下，实现对透明超材料膜和建筑玻璃组成的整体阻抗匹配特性的，优化减少建筑玻璃对电磁波信号的衰减，同时结合超材料的平面聚焦效应产生协同作用，强化通信电磁波穿透建筑玻璃。

具体的还提供了透明超材料膜、及其制备技术方案、使用方案。

膜包括：透明介质基底、导电材料。

制备时，可以如下：

将透明介质基底材料和导电材料的各项参数(电磁参数、厚度)导入软件中进行仿真设计出超材料阵列；

在透明介质基底上刻蚀出超材料阵列凹槽(凹槽深度小于亚微米级)，填充导电材料至凹槽中；

涂粘胶，直接贴装于建筑玻璃内/外侧进行应用。

还提供了透明超材料膜的结构单元，包括两个部分，分别是透明介质基底和由导电材料填充形成的

图案的超材料单元。

图案的超材料单元按照菱形阵列离散分布于透明介质基底上；

透明介质基底材料为厚度为1～10mm聚苯乙烯、聚碳酸酯或环氧树脂；

导电材料为银纳米线、石墨烯、碳纳米管或过渡金属碳/氮化物；

导电材料的填充厚度为10～100nm；

超材料单元尺寸可以为：L1的尺寸为2～5mm，L2的尺寸为1～4mm，L3 为0.5～2mm，线宽W为0.1～0.5mm。

目前在解决电磁波透射玻璃的问题上，常用技术手段是在建筑玻璃外侧加装回传天线，经由射频线缆，结合室内的有源信号放大设备实现电磁波的透过传播。现有的技术手段所涉及使用的有源设备成本较高，不便于大范围推广使用；用户因考虑玻璃透光率、美观等因素往往排斥选择该技术手段；此外，有源设备的使用还会带来额外的功耗，不利于节能环保。

本方案采用了无源的超材料膜，通过调整膜/建筑玻璃整体的阻抗特性，使之与自由空间阻抗产生匹配，减少电磁波在建筑玻璃上产生的反射，优化电磁波的透过，降低建筑玻璃对电磁波的衰减；同时，协同超材料平面聚焦效应，增加透过建筑玻璃的电磁波强度。该种膜为无源贴片形式贴装于建筑玻璃内/ 外侧，不会产生额外的功耗，更为环保节能；其次无源贴片的成本相对更为低廉；而由于该膜的材料介质成分为透明的高分子聚合物或透明导电玻璃，故在使用过程中，对玻璃的透光率产生明显的影响可忽略不计，确保了建筑玻璃的美观，更易被用户所接受，同时该种透明超材料膜的安装方式为直接贴装，在不对建筑玻璃的成分产生改变，确保了建筑玻璃的多种功能不受影响，实用方式的简单、易操作性也有利于该透明超材料膜的推广使用。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种膜，其特征在于，包括：透明介质基底与导电材料，其中：

导电材料在凹槽中。

2.如权利要求1所述的膜，其特征在于，所述透明介质基底是刻有超材料结构单元图案的透明介质基底。

3.如权利要求2所述的膜，其特征在于，所述透明介质基底的材料是以下材料之一：聚苯乙烯、聚碳酸酯或环氧树脂。

4.如权利要求1所述的膜，其特征在于，所述透明介质基底的厚度为1～10mm。

5.如权利要求1所述的膜，其特征在于，所述导电材料是以下材料之一：银纳米线、石墨烯、碳纳米管、过渡金属碳/氮化物。

6.如权利要求1所述的膜，其特征在于，所述凹槽深度小于亚微米级。

7.如权利要求1所述的膜，其特征在于，进一步包括：

粘胶，位于透明介质基底有凹槽的另一侧。

8.如权利要求1所述的膜，其特征在于，所述导电材料在凹槽中的厚度为10～100nm。

9.如权利要求1所述的膜，其特征在于，单元结构图案组成的阵列是菱形离散分布的。

10.如权利要求1至9任一所述的膜，其特征在于，所述单元结构图案为一个十字在一个方括号中。

11.如权利要求10所述的膜，其特征在于，方括号形凹槽的长度为2～5mm，十字形凹槽的长度为1～4mm，方括号形凹槽每一边的长度为0.5～2mm，十字形凹槽的宽度为0.1～0.5mm。