CN115557711B - 一种5G信号增透的Low-E玻璃及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
一种5G信号增透的Low‑E玻璃及其设计方法，本发明涉及一种Low‑E玻璃及其设计方法。本发明要解决现有Low‑E玻璃对5G波段电磁波屏蔽效能高、配套基站成本高的问题。5G信号增透的Low‑E玻璃由Low‑E膜层与玻璃基底组成，所述的Low‑E膜层由多个结构单元均布而成；设计方法：一、建立仿真模型；二、输入缝隙宽度w、Low‑E膜层面电阻及结构单元边长a的数值范围；三、得出a参数序列对应结构的电磁波透过率；四、确定满足5G波段透过的结构；五、选择发射率最低的结构。本发明用于5G信号增透的Low‑E玻璃及其设计。
Description
技术领域
本发明涉及一种Low-E玻璃及其设计方法。
背景技术
Low-E玻璃又称低辐射玻璃，是在玻璃表面镀覆金属或其他金属氧化物组成的膜系产品。其镀膜层具有对可见光高透过及对中远红外线高反射的特性，使其与普通玻璃及传统的建筑用镀膜玻璃相比，具有优异的隔热效果和良好的透光性。根据加工工艺不同可以分为在线低辐射玻璃和离线低辐射玻璃两种。在线低辐射玻璃是在浮法玻璃生产线上，用磁控溅射方法在浮法玻璃基底表面上溅射一层半导体薄膜。而离线低辐射玻璃膜层通常采用高真空溅射的方法将膜层逐层溅射到基底表面，光学性能更好。
在线低辐射玻璃在生产过程中经常采用In2O3、SnO2、ZnO等掺杂宽带半导体材料，它们都属于n型半导体材料，都处于半简并或简并状态下，载流子浓度很高，可以达到1018～102cm-3，其电阻率可以达到10-3～10-4Ω/sq以下，其导电性能接近金属。离线低辐射玻璃一般为电介质/金属/电介质多层结构，金属层为功能层，通常选择Ag作为功能层。介质材料通常为In2O3、CdO、SnO2、ZnO、TiO2等透明导电薄膜或者Si3N4不导电材料，通过膜层厚度和折射率的设计可以实现更高的透过率和低辐射性能。值得注意的是，为实现红外低辐射特性，无论是离线还是在线低辐射玻璃均采用高导电透明导电膜层，其导电性能良好，导致低辐射玻璃天然存在对电磁波的强屏蔽作用，常见Low-E玻璃对信号屏蔽效果可以达到24-40dB以上。
通常通讯基站被安放在房顶、街道。室内的通讯通过室外通讯基站发射信号穿过窗户到室内实现。随着5G通讯技术的普及，用于信号传输的电磁波频率越来越高，网络的数据传输速率也越来越高。而频率越高，电磁波在传播介质中的衰减也越大，即信号穿过障碍物时衰减幅度越大。相较于前几代通讯技术，5G通讯信号受Low-E玻璃影响更加严重。这导致采用Low-E玻璃做幕墙的大型高层写字楼内部手机信号差。为解决这一问题，室内必须引入额外的信号基站，大幅增加了Low-E玻璃的配套费用，阻碍了Low-E玻璃的推广。因此，Low-E玻璃的5G信号增透问题已经成为玻璃行业亟需解决的重大难题。
发明内容
本发明要解决现有Low-E玻璃对5G波段电磁波屏蔽效能高、配套基站成本高的问题，而提供一种5G信号增透的Low-E玻璃及其设计方法。
一种5G信号增透的Low-E玻璃，5G信号增透的Low-E玻璃由Low-E膜层与玻璃基底组成；所述的Low-E膜层由多个结构单元均布而成，所述的结构单元的边长a为0.1mm～25mm，相邻结构单元之间的缝隙宽度w为0.001mm～5mm。
一种5G信号增透的Low-E玻璃的设计方法，它是按以下步骤进行：
一、在电磁仿真软件中建立Low-E玻璃的电磁仿真模型；
二、根据加工精度确定最小缝隙宽度w，确定Low-E膜层面电阻，在电磁仿真软件中输入缝隙宽度w、Low-E膜层面电阻及结构单元边长a的数值范围；
三、将结构单元边长a的数值范围平均分为若干等份，生成a参数序列，导入电磁仿真软件中并运行，得到a参数序列对应结构的电磁波透过率；
四、将a参数序列对应结构的电磁波透过率导出，确定出满足5G波段透过的结构；
五、从步骤四中满足5G波段透过的结构中选择发射率最低的结构，得到5G信号增透的Low-E玻璃。
本发明的有益效果是：
本发明提出的设计方法与结构可以实现Low-E玻璃的5G信号增透，同时红外发射率满足实际的节能需求。相较于现有的Low-E玻璃屏蔽效能约为20dB～40dB，提出的5G信号增透的Low-E玻璃屏蔽效能仅为3dB，实现了5G信号的大幅增透。同时设计的Low-E玻璃结构红外发射率在0.2以下，满足低发射特性，进而节约了能源。5G信号增透的Low-E玻璃设计，解决了现有使用Low-E玻璃做幕墙的建筑内部手机信号差、配套基站成本高的问题。
本发明用于一种5G信号增透的Low-E玻璃及其设计方法。
附图说明
图1为Low-E膜层随面电阻变化的平均电磁屏蔽效能图(0-10GHz)；
图2为容性周期谐振结构的理论电学特性；
图3为实施例一5G信号增透的Low-E玻璃中Low-E膜层的结构示意图；
图4为实施例一5G信号增透的Low-E玻璃的结构示意图；
图5为实施例一5G信号增透的Low-E玻璃中正方形结构单元边长与缝隙宽度变化对通带截止频率的影响图；
图6为实施例一5G信号增透的Low-E玻璃中正方形结构单元边长与缝隙宽度变化对填充率的影响图；
图7为实施例一5G信号增透的Low-E玻璃中正方形结构单元边长与缝隙宽度变化对红外发射率的影响图，其中虚线代表5G波段透过分界线，实线代表填充率比例分界线；
图8为实施例二5G信号增透的Low-E玻璃中正方形结构单元边长与缝隙宽度变化对红外发射率的影响图，其中虚线代表5G波段透过分界线，实线代表填充率比例分界线；
图9为实施例三5G信号增透的Low-E玻璃的结构示意图；
图10为实施例三5G信号增透的Low-E玻璃中正方形结构单元边长、缝隙宽度及玻璃间隔厚度变化对红外发射率的影响图，其中虚线代表5G波段透过分界线，实线代表填充率比例分界线；
图11为实施例四5G信号增透的Low-E玻璃中Low-E膜层的结构示意图；
图12为实施例四5G信号增透的Low-E玻璃中等边三角形结构单元边长与缝隙宽度变化对红外发射率的影响图，其中虚线代表5G波段透过分界线，实线代表填充率比例分界线；
图13为实施例五5G信号增透的Low-E玻璃中Low-E膜层的结构示意图；
图14为实施例五5G信号增透的Low-E玻璃中正六边形结构单元边长与缝隙宽度变化对红外发射率的影响图，其中虚线代表5G波段透过分界线，实线代表填充率比例分界线。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式一种5G信号增透的Low-E玻璃，5G信号增透的Low-E玻璃由Low-E膜层与玻璃基底组成；所述的Low-E膜层由多个结构单元均布而成，所述的结构单元的边长a为0.1mm～25mm，相邻结构单元之间的缝隙宽度w为0.001mm～5mm。
原理：
Low-E玻璃往往由其表面的Low-E膜层与玻璃基底构成。玻璃基底由于其损耗角正切较小几乎不对电磁波损耗，Low-E膜层对手机信号的屏蔽起主导作用。根据5G信号波段划分，我国三大运营商以及欧洲国家普遍采用Sub-6GHz频段，因此Low-E膜系需要在6GHz以下实现增透。图1为Low-E膜层随面电阻变化的平均电磁屏蔽效能图(0-10GHz)；由图1可知，随着Low-E膜系面电阻的下降，膜系对宽频电磁波电磁屏蔽效能迅速提升。而为了良好的低辐射特性，Low-E膜层的面电阻往往很小，这导致Low-E膜层电磁屏蔽性能极强。Low-E玻璃的红外低发射率与电磁透过性能是固有矛盾。
本具体实施方式通过将Low-E膜层刻蚀缝隙实现多个结构单元均布，设计周期谐振结构的形状实现了其透波波段的调节。如图2所示，图2为容性周期谐振结构的理论电学特性，通过设计一种“低频透过，高频阻断”的容性周期谐振结构，实现了现有Low-E玻璃的5G信号增透效果，这是由于频率较低时，激励电场的交变周期较长，结构单元边缘将产生电荷累积，此时结构吸收的电磁波能量较少。而高频率时，激励电场的交变周期较短，电子在结构单元内将呈现振荡状态，此时吸收电磁波能量较多。另外一方面，设计的周期谐振结构需要满足较高的填充率以满足低红外发射率性能。因此理论上存在这样的超材料结构满足5G透波性能。但是5G波段透过与红外低发射率这两方面的限制使得周期谐振结构设计成为了极具挑战性的工作。
本实施方式的有益效果是：
本实施方式提出的设计方法与结构可以实现Low-E玻璃的5G信号增透，同时红外发射率满足实际的节能需求。相较于现有的Low-E玻璃屏蔽效能约为20dB～40dB，提出的5G信号增透的Low-E玻璃屏蔽效能仅为3dB，实现了5G信号的大幅增透。同时设计的Low-E玻璃结构红外发射率在0.2以下，满足低发射特性，进而节约了能源。5G信号增透的Low-E玻璃设计，解决了现有使用Low-E玻璃做幕墙的建筑内部手机信号差、配套基站成本高的问题。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的结构单元为正方形、正六边形或等边三角形；当所述的结构单元为正方形或正六边形时，结构单元阵列设置；当所述的结构单元为等边三角形时，结构单元按正三角及倒三角交错排列设置。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是：于所述的5G信号增透的Low-E玻璃中的玻璃基底为单层或多层。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述的5G信号增透的Low-E玻璃中设有空气腔体、真空腔体或夹胶层。其它与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述的Low-E膜层的面电阻为0.01Ω/sq～100Ω/sq。其它与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述的Low-E膜层的厚度为1nm～5μm；所述的玻璃基底的厚度为0.7mm～20mm。其它与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述的Low-E膜层的材质为ITO、Ag、In2O3、CdO、SnO2、ZnO、TiO2和Si3N4中的一种其中几种的组合。其它与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：本实施方式一种5G信号增透的Low-E玻璃的设计方法，它是按以下步骤进行：
一、在电磁仿真软件中建立Low-E玻璃的电磁仿真模型；
二、根据加工精度确定最小缝隙宽度w，确定Low-E膜层面电阻，在电磁仿真软件中输入缝隙宽度w、Low-E膜层面电阻及结构单元边长a的数值范围；
三、将结构单元边长a的数值范围平均分为若干等份，生成a参数序列，导入电磁仿真软件中并运行，得到a参数序列对应结构的电磁波透过率；
四、将a参数序列对应结构的电磁波透过率导出，确定出满足5G波段透过的结构；
五、从步骤四中满足5G波段透过的结构中选择发射率最低的结构，得到5G信号增透的Low-E玻璃。
具体实施方式根据实际薄膜加工能力与加工精度，Low-E膜层面电阻与最小缝隙宽度已经被确定，唯一需要确定的就是单元边长a。
具体实施方式设计方法及结构可适用于多种材料，仅需提取Low-E薄膜材料的面电阻以及对应的发射率即可完成设计。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式八不同的是：步骤四中所述的5G波段为6GHz以下。其它与具体实施方式八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式八或九之一不同的是：步骤五中所述的发射率具体是按以下公式进行计算：εtotal＝εLow-E×RLow-E+εsubstrate(1–RLow-E)，其中εLow-E为Low-E膜层的红外发射率，RLow-E为Low-E膜层占整个表面的填充比例，εsubstrate为玻璃基底的红外发射率。其它与具体实施方式八或九相同。
依据本具体实施方式公式，对于相同材质相同阻值的Low-E膜层，由于εLow-E的值比较小，因此其填充比例越高发射率便越低，越满足节能需求。但同时，结构单元的尺寸影响填充比例，进而影响着5G信号的透过率，因此需要综合考虑Low-E特性、5G信号透过以及加工精度实现设计。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一，结合图3及4具体说明：
一种5G信号增透的Low-E玻璃的设计方法，它是按以下步骤进行：
一、在电磁仿真软件中建立Low-E玻璃的电磁仿真模型；
二、设缝隙宽度w＝0.1mm～0.5mm，确定Low-E膜层面电阻，在电磁仿真软件中输入缝隙宽度w＝0.1mm～0.5mm、Low-E膜层面电阻及结构单元边长a＝1mm～5mm；
三、将结构单元边长a与缝隙宽度w的数值范围平均分为若干等份，生成a与w参数序列，导入电磁仿真软件中并运行，得到a与w参数序列对应结构的电磁波透过率；
四、将a与w参数序列对应结构的电磁波透过率导出，确定出满足5G波段透过的结构；
五、从步骤四中满足5G波段透过的结构中选择发射率最低的结构，得到5G信号增透的Low-E玻璃；步骤五中所述的发射率具体是按以下公式进行计算：εtotal＝εLow-E×RLow-E+εsubstrate(1–RLow-E)，其中εLow-E为Low-E膜层的红外发射率，RLow-E为Low-E膜层占整个表面的填充比例，εsubstrate为玻璃基底的红外发射率。
所述的5G信号增透的Low-E玻璃由Low-E膜层与玻璃基底组成；所述的Low-E膜层由多个结构单元均布而成；所述的结构单元为正方形，且结构单元阵列设置；所述的5G信号增透的Low-E玻璃中的玻璃基底为单层；所述的玻璃基底的厚度为1.1mm；所述的Low-E膜层的面电阻为1Ω/sq；所述的Low-E膜层的厚度为1200nm；所述的Low-E膜层的材质为ITO薄膜。
图5为实施例一5G信号增透的Low-E玻璃中正方形结构单元边长与缝隙宽度变化对通带截止频率的影响图；为探究并最终确定针对5G信号增透同时红外低发射率的单元尺寸a。以5G信号衰减3dB为5G波段透过与不透过的分界，当单元边长a在虚线分界线以下时，设计的结构满足5G信号透波需求。
图6为实施例一5G信号增透的Low-E玻璃中正方形结构单元边长与缝隙宽度变化对填充率的影响图；对于特定缝隙宽度，单元边长越大，其Low-E膜层填充率就越高。而发射率随着Low-E膜层填充率的升高而明显降低，因此需要尽可能增大单元边长a，对于特定加工精度与面电阻的玻璃，满足5G透波性能兼具低发射率的最优结构，为图5中虚线上的点对应的单元边长。
图7为实施例一5G信号增透的Low-E玻璃中正方形结构单元边长与缝隙宽度变化对红外发射率的影响图，其中虚线代表5G波段透过分界线，实线代表填充率比例分界线。由图可知，在虚线上的点是满足5G透波同时低红外发射率最优结构，因此仅需考虑虚线上的最优个体即可。随着虚线从右到左，缝隙宽度依次降低，而结构对应的发射率逐渐降低。这是由于缝隙宽度越小，满足5G透波结构的填充率就越高，从而可以有效降低发射率。因此全图中最优的点为点1单元边长a＝2mm，缝隙宽度w＝0.1mm，所能实现的发射率为0.0927。值得注意的是，根据加工精度不同其缝隙宽度可以减小或增大。图7中展示了缝隙宽度w＝0.1～0.5mm的连续变化情况，从而解释了选择最小的加工精度作为w值的合理性。实际本发明提出的设计方法仅需要计算w等于实际加工精度时，不同a值对应结构的透过率与发射率即可获得最终结构。
实施例二：本实施例与实施例一不同的是：所述的玻璃基底的厚度为1.8mm；所述的Low-E膜层的面电阻为5Ω/sq；所述的Low-E膜层的厚度为260nm。其它与实施例一相同。
图8为实施例二5G信号增透的Low-E玻璃中正方形结构单元边长与缝隙宽度变化对红外发射率的影响图，其中虚线代表5G波段透过分界线，实线代表填充率比例分界线。由于ITO薄膜阻值的提高，导致膜层发射率上升，因此相同填充比例条件下较1Ω/sq薄膜发射率上升。同时由于ITO薄膜阻值上升，对入射电磁波损耗增强。相同缝隙宽度，满足5G信号透过需要更小的单元边长。图中最优的点为点1其单元边长a＝1.7mm，缝隙宽度w＝0.1mm，所能实现的发射率为0.1908。而这也说明所提出策略在不同阻值Low-E膜层上的适用性。
实施例三：结合图9具体说明，本实施例与实施例二不同的是：所述的5G信号增透的Low-E玻璃中的玻璃基底为两层，所述的5G信号增透的Low-E玻璃中设有空气腔体或真空腔体，且两层玻璃间隔厚度h＝1mm、2mm、3mm、4mm及5mm。其它与实施例二相同。
图10为实施例三5G信号增透的Low-E玻璃中正方形结构单元边长、缝隙宽度及玻璃间隔厚度变化对红外发射率的影响图，其中虚线代表5G波段透过分界线，实线代表填充率比例分界线。由图可知，当玻璃间隔厚度h＝1mm时，a＝1.1mm，w＝0.1mm，红外发射率为0.23；玻璃间隔厚度h＝2mm时，a＝1.7mm，w＝0.1mm，红外发射率可为0.19；玻璃间隔厚度h＝3mm时，a＝2.2mm，w＝0.1mm，红外发射率为0.17；当玻璃间隔厚度为h＝4mm，a＝2.5mm，w＝0.1mm，红外发射率为0.164；当玻璃间隔厚度为h＝5mm，a＝3.0mm，w＝0.1mm，红外发射率为0.155。由此可见，Low-E玻璃与其他玻璃组合形成的中空或真空玻璃依然具有5G透波性能与低发射率性能。
实施例四：结合图11具体说明，本实施例与实施例二不同的是：所述的结构单元为等边三角形，且结构单元按正三角及倒三角交错排列设置。其它与实施例二相同。
图12为实施例四5G信号增透的Low-E玻璃中等边三角形结构单元边长与缝隙宽度变化对红外发射率的影响图，其中虚线代表5G波段透过分界线，实线代表填充率比例分界线。图上最优点为a＝2.6mm，w＝0.1mm，红外发射率为0.171。
实施例五：结合图13具体说明，本实施例与实施例二不同的是：所述的结构单元为正六边形，结构单元阵列设置。其它与实施例二相同。
图14为实施例五5G信号增透的Low-E玻璃中正六边形结构单元边长与缝隙宽度变化对红外发射率的影响图，其中虚线代表5G波段透过分界线，实线代表填充率比例分界线。图上最优点为a＝1mm，w＝0.1mm，红外发射率为0.2。
Claims (5)
1.一种5G信号增透的Low-E玻璃，其特征在于5G信号增透的Low-E玻璃由Low-E膜层与玻璃基底组成；所述的Low-E膜层由多个结构单元均布而成，所述的结构单元的边长a为1mm～5mm，相邻结构单元之间的缝隙宽度w为0.1mm～0.5mm；
所述的结构单元为正方形、正六边形或等边三角形；当所述的结构单元为正方形或正六边形时，结构单元阵列设置；当所述的结构单元为等边三角形时，结构单元按正三角及倒三角交错排列设置；
所述的Low-E膜层的面电阻为1Ω/sq～5Ω/sq；所述的Low-E膜层的厚度为0.26μm～1.2μm；所述的玻璃基底的厚度为1.1mm～1.8mm；
所述的5G信号增透的Low-E玻璃中的玻璃基底为单层或双层，当所述的5G信号增透的Low-E玻璃中的玻璃基底为两层，所述的5G信号增透的Low-E玻璃中设有空气腔体或真空腔体，且两层玻璃间隔厚度h＝1mm～5mm。
2.根据权利要求1所述的一种5G信号增透的Low-E玻璃，其特征在于所述的Low-E膜层的材质为ITO、Ag、In2O3、CdO、SnO2、ZnO、TiO2和Si3N4中的一种其中几种的组合。
3.如权利要求1所述的一种5G信号增透的Low-E玻璃的设计方法，其特征在于它是按以下步骤进行：
一、在电磁仿真软件中建立Low-E玻璃的电磁仿真模型；
二、根据加工精度确定最小缝隙宽度w，确定Low-E膜层面电阻，在电磁仿真软件中输入缝隙宽度w、Low-E膜层面电阻及结构单元边长a的数值范围；
三、将结构单元边长a的数值范围平均分为若干等份，生成a参数序列，导入电磁仿真软件中并运行，得到a参数序列对应结构的电磁波透过率；
四、将a参数序列对应结构的电磁波透过率导出，确定出满足5G波段透过的结构；
五、从步骤四中满足5G波段透过的结构中选择发射率最低的结构，得到5G信号增透的Low-E玻璃。
4.根据权利要求3所述的一种5G信号增透的Low-E玻璃的设计方法，其特征在于步骤四中所述的5G波段为6GHz以下。
5.根据权利要求3所述的一种5G信号增透的Low-E玻璃的设计方法，其特征在于步骤五中所述的发射率具体是按以下公式进行计算：εtotal＝εLow-E×RLow-E+εsubstrate(1-RLow-E)，其中εLow-E为Low-E膜层的红外发射率，RLow-E为Low-E膜层占整个表面的填充比例，εsubstrate为玻璃基底的红外发射率。
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