1.本实用新型属于通信和新型人工电磁材料领域，尤其涉及一种基于透明金属材料的入射波增透玻璃。
背景技术：2.随着5g应用的发展，sub-6g波段和毫米波波段的使用开始在通信应用中普及。普通纯玻璃在大角度斜入射时的较差透射性能对于室内通信的通信质量有着严重影响。 tm极化模式的入射波由于布儒斯特角的存在，透射性能在大角度斜入射情况下的衰减并不显著；但对于te极化模式的入射波，其透射性能会随入射角的增大而急剧下降。
3.为了减轻玻璃对于电磁波的透射性能的恶化，在光频段和射频段同时保持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射频段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入射波长λ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宽带阻抗匹配成为可能。
4.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、较差的导电性对其应用领域产生了限制。ito的替代技术，有金属网格、纳米银线、碳纳米管以及石墨烯等材料。目前碳纳米管与石墨烯无法实现工业化量产，并且材料导电效果无法满足要求；而金属网格和纳米银线材料已经实现工业化量产，二者相比，metal mesh技术更加成熟，得到业界广泛认可。
5.根据《optically and radio frequency(rf)transparent meta-glass》提出的玻璃超表面可以在毫米波频段实现大角度斜入射的增透，但存在以下技术缺点：
6.1.其透明导电薄膜——多层氮化铝(aln)和纳米银(ag)薄膜存在加工昂贵，工艺复杂，无法共形，且导电薄膜的必须沉积在玻璃上，无法单独制备透明导电薄膜。
7.2.该论文所述的玻璃超表面的设计需要在玻璃的两侧都沉积透明导电薄膜，限制了玻璃超表面的应用场景。
8.3.该论文所述的玻璃超表面的玻璃介质板的厚度需要在1/10波长左右，若将论文所述的设计应用于目前主流的sub6g通信波段，玻璃介质板的厚度需要在10mm左右，该厚度远远超过了汽车玻璃、高铁玻璃的厚度，限制了其应用场景。根据已经报道的资料， ntt docomo设计出了在毫米波波段的微波增透玻璃，但是其增透超表面的介质为硬介质板，不可共形；且厚度较大，对其应用产生了限制。
技术实现要素：9.实用新型目的：为了有效增强透明玻璃的电磁波透射性能，本实用新型提供了一种基于透明导电材料的入射波增透玻璃。利用在亚波长内周期排布的金属网格图案对入射的电磁波产生电响应，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。
10.技术方案：为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：一种基于透明金属材料的入射波增透玻璃，所述增透玻璃包括网格图案层、第一透明玻璃层；所述网格图案层包括n个金属网格图案，所述网格图案包括金属方环，并且金属方环的四个顶角处沿方环对角线向内延伸有矩形金属条；所述n个网格图案依次排列在第一透明玻璃层的第一侧面，所述金属方环和矩形金属条的材料为金属网格或纳米银线，n为大于等于1的整数。
11.优选的，如果所述方环和矩形金属条的材料为金属网格，则所述n个网格图案依次排列附着在pet层上，附着有网格图案的pet层粘接在第一透明玻璃层的第一侧面。
12.优选的，所述附着有网格图案的pet层通过光胶层粘接在第一透明玻璃层的第一侧面。将pet层，金属网格图案层，oca光胶层一起作为透明增透膜。
13.优选的，如果所述方环和矩形金属条的材料为纳米银线，则方环和矩形金属条依次刻蚀排列在第一透明玻璃层的第一侧面。
14.优选的，所述增透玻璃还包括第二透明玻璃层，所述第一透明玻璃层的第一侧面连接第二透明玻璃层，所述网格图案层位于第一透明玻璃层和第二透明玻璃层之间。
15.对于只有单层的透明玻璃，本实用新型提出一种基于透明金属材料的入射波增透玻璃实现入射波的增透方法，该方法工作原理如下：将入射波以一定入射角入射在上述增透玻璃上以实现对入射波的增透；其中，所述增透玻璃上的金属方环的边长p与选定的中心频点的波长λ比值在0.2-0.3之间，所述矩形金属条长度l和所述金属方环的边长p 的比值在0.3-0.4之间，其中，λ为选定的中心频点的波长。
16.对于多层的透明玻璃，本实用新型提出一种基于透明金属材料的入射波增透玻璃实现的入射波的增透方法，该方法工作原理如下：将入射波以一定入射角入射在上述增透玻璃上以实现对入射波的增透；其中，所述增透玻璃上的金属方环的边长p与选定的中心频点的波长λ比值在0.2-0.3之间，所述矩形金属条长度l和所述金属方环的边长p 的比值在0.3-0.4之间，其中，λ为选定的中心频点的波长。
17.优选的，所述金属方环的线宽w和矩形金属条的线宽w均大于0.1mm。
18.优选的，所述第一透明玻璃层或者第二透明玻璃的厚度h与入射波波长λ的比值在 0.03-0.05之间，其中，λ为选定的中心频点的波长。
19.本实用新型利用在入射波长λ内周期排布的金属网格图案对入射的电磁波产生电响应，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，从而在大角度斜入射情况下抑制反射。电磁波产生的电响应不在强谐振区，因此损耗的电磁能量可以忽略不计，因此可以通过抑制反射的方式提升透射性能。所述周期也即指的是金属网格方环的边长。
20.传统的电磁超表面通过将在入射波长λ内周期排布特定的金属图案刻蚀在介质板上，从而对电磁波的幅度、相位、极化等特性产生影响。本实用新型的金属网格层的构成材料为新型的透明导电材料——金属网格(metalmesh)。金属网格是一种导电材料，在pet、cop、pc等基材上通过各种工艺，形成极细的金属网格线，网格线线宽一般小于10μm。金属网格材料表面的金属网格线代替ito材料表面的ito，导电效果远远优于传统的ito，透明度高，可靠性高的优点。金属网格可以实现在较低方阻的情况下保持高透明度的特点，这使低损耗的透明超表面的设计成为可能，因此可以用金属网格材料代替普通金属来设计图案
从而调控入射电磁波的透过率。纳米银线作为另一种具有较低方阻且保持高透明度的导电材料，同样可以作为本实用新型的金属网格层的材料。需要指出的是，纳米银线和金属网格均为现有的材料，金属网格层的材料并不是本实用新型的重点。
21.本实用新型的增透玻璃表面的设计，第一种技术方案，比如仅在玻璃的一侧用oca 光胶粘贴透明增透薄膜，便可以对入射角在0-85度范围的入射波内对入射波实现透射增强功能。其中，入射角定义为：入射波的传播方向与增透玻璃的法线的夹角；第二种技术方案，增透玻璃还包括第二透明玻璃层，所述第一透明玻璃层的第一侧面连接第二透明玻璃层。相比于论文《optically and radio frequency(rf)transparent meta-glass》，极大的简化了增透玻璃的制备和设计，减小了加工成本，提高了增透玻璃的环境适应性，拓展了应用场景。
22.有益效果：与现有技术相比，本实用新型的技术方案具有以下有益技术效果：
23.1.本实用新型仅通过在玻璃表面粘贴透明增透膜的方式，从而在预设的射频频段内，大幅增强入射角在0-85度内入射波的te极化模式和tm极化模式的透射幅度，并且玻璃上的金属网格单元的中心对称设计使得透射幅度对斜入射的方位角变化不敏感。综上，本实用新型可以大幅提高室内通信的通信质量。
24.2.本实用新型所述的通过在玻璃表面粘贴透明增透膜的方式，在预设的射频频段内，大幅增强入射角在0-85度内入射波的te极化模式和tm极化模式的透射幅度，并且， te模式和tm模式的透射相位基本一致，且透射相位随入射角的变化具有不敏感性。透射相位性能的保证提高了圆极化波信号的传输的保真度，使得增透玻璃可以用于线极化、圆极化信号的传输，拓展了增透玻璃的应用场景。
25.3.本实用新型所述的将透明增透膜通过oca光胶粘接在玻璃的一侧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。
26.4.本实用新型所述的仅在玻璃的一侧通过oca光胶粘贴透明增透膜的方式，与已有的在玻璃两侧都附着增透膜的方案相比，大幅缩减了应用成本；并且将透明膜粘接在玻璃的室内一侧，可以避免酸雨、雷电、风雪等外界环境对透明膜的损耗，提高了环境适应性。
27.5.本实用新型所述的透明增透膜通过oca粘接在玻璃夹层中间的方式属于前装工艺，玻璃夹层对于透明膜的保护可以极大程度上避免外界环境对透明膜的影响，与后装工艺相比具有更高的环境适应性。
28.6.本实用新型的透明增透膜均为柔性材料，并且利用oca光胶与玻璃粘接的方式，极大地方便了共形的需求，使得弯曲的增透玻璃的设计成为可能。
附图说明
29.图1(a)-图1(c)是对0-85
°
入射角范围内的te和tm极化模式的入射波具有透射增强功能的一种增透玻璃结构图，其中，图1(a)是增透玻璃单元的结构示意图，图 1(b)是增透玻璃单元的层叠结构示意图，图1(c)是增透玻璃的金属网格图案层，虚线框中是其中一个单元的图案结构。
30.图2是对0-85
°
入射角范围内的te和tm极化模式的入射波具有透射增强功能的另
一种增透玻璃结构，其增透玻璃单元的层叠关系如图2所示。该种增透玻璃结构的金属网格图案层与图1(c)所示的金属网格图案层具有相同的图案结构，因此不在重复说明。
31.图3(a)-图3(c)是金属网格的方阻分别为0.1ω，0.2ω，0.5ω，1ω的增透玻璃和普通平板玻璃的te极化模式的透射幅度曲线图，其中，图3(a)是斜入射角度为0
°
时te极化模式下的透射幅度曲线图，图3(b)是斜入射角度为40
°
tm极化模式下的透射幅度曲线图，图3(c)是斜入射角度为80
°
tm极化模式下的透射幅度曲线图。
32.图4(a)-图4(c)是附加有金属网格的方阻分别为0.1ω，0.2ω，0.5ω，1ω的透明增透膜的玻璃和普通平板玻璃的tm极化模式的透射幅度曲线图，其中，图4(a) 是斜入射角度为0
°
时tm极化模式下的透射幅度曲线图，图4(b)是斜入射角度为40
°ꢀ
tm极化模式下的透射幅度曲线图，图4(c)是斜入射角度为80
°
tm极化模式下的透射幅度曲线图。
33.图5(a)-图5(b)是在方阻为0.1ω，中心频点为2.6ghz时，在0
°‑
85
°
斜入射角度内，增透玻璃的透射幅度和普通平板玻璃的透射幅度以及增透玻璃的增透性能。其中，图5(a)为在0
°‑
85
°
入射角度内，增透玻璃和普通平板玻璃对te极化模式入射波的透射幅度以及增透玻璃的增透性能；图5(b)为在0
°‑
85
°
入射角度内，增透玻璃和普通平板玻璃的tm极化模式入射波的透射幅度以及增透性能。
34.图6(a)-图6(b)是在方阻为0.1ω，中心频点为1ghz时，在0
°‑
85
°
斜入射角度内，增透玻璃的透射幅度和普通平板玻璃的透射幅度以及增透玻璃的增透性能图。其中，图6(a)为在0
°‑
85
°
入射角度内，增透玻璃和普通平板玻璃对te极化模式入射波的透射幅度以及增透玻璃的增透性能；图6(b)为在0
°‑
85
°
入射角度内，增透玻璃和普通平板玻璃的tm极化模式入射波的透射幅度以及增透性能。
35.图7(a)-图7(b)是在方阻为0.1ω，中心频点为10ghz时，在0
°‑
85
°
斜入射角度内，增透玻璃的透射幅度和普通平板玻璃的透射幅度以及增透玻璃的增透性能图。其中，图7(a)为在0
°‑
85
°
入射角度内，增透玻璃和普通平板玻璃对te极化模式入射波的透射幅度以及增透玻璃的增透性能；图7(b)为在0
°‑
85
°
入射角度内，增透玻璃和普通平板玻璃的tm极化模式入射波的透射幅度以及增透性能。
具体实施方式
36.下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本实用新型，应理解这些实例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围，在阅读了本实用新型之后，本领域技术人员对本实用新型的各种等价形式的修改均落于本技术所附权利要求所限定的范围。
37.本实用新型的第一种实施方式如图1(a)-图1(c)所示，所述的对在0-85
°
入射角范围内的te和tm极化模式的入射波具有透射增强功能的增透玻璃结构，包括透明增透膜和透明玻璃；所述的透明增透膜包括pet层，金属网格图案层，oca光胶层；所述的金属网格图案附着在pet层上，oca光胶层将附着有金属网格图案的pet层粘接到透明玻璃的一侧。该实施方式所设计的增透玻璃的中心频点为2.6ghz，其覆盖的增透频段为2-3.2ghz。
38.说明书附中的图1(b)，从上到下分别为pet层，金属网格图案层，oca光胶层、玻璃层。
39.所述金属网格图案层以在入射波长λ为周期排布在透明玻璃上。所述金属网
0.5db，若增透性能大于该阈值，则可将衰减效果忽略不计。因此，增透玻璃与普通平板玻璃相比，在入射波的入射角为80
°
时，tm 模式的透射幅度的衰减可以忽略不计。
46.为了直观的体现增透玻璃相比于普通平板玻璃在0
°‑
85
°
入射角范围内透射幅度的增强，将增透性能定义为：增透性能(db)＝入射波对增透玻璃的透射幅度(db)-入射波对普通平板玻璃的增透幅度(db)。
47.如图5(a)-图5(b)所示，在方阻为0.1ω时，中心频点为2.6ghz时，在0-85
°
斜入射角度内，增透玻璃的te极化模式的透射幅度均高于普通平板玻璃的透射幅度。并且随着斜入射角度的增加，te极化模式的增透性能逐渐增加。在入射角为0
°
时，增透性能为0.8db，在入射角为40
°
时，增透性能为1.1db，在入射角为80
°
时，增透性能为11.2db。因此，在入射波的入射角为0-85
°
时所述增透玻璃有良好的增透效果。
48.如图5(a)-图5(b)所示，在方阻为0.1ω时，中心频点为2.6ghz时，增透玻璃在0
°‑
55
°
角度内tm极化模式的透射幅度高于普通平板玻璃的透射幅度，在55
°‑
85
°
角度内，增透玻璃的tm极化模式的透射幅度与普通平板玻璃的透射幅度几乎保持一致；在入射角为80
°
时增透性能为-0.39db，增透玻璃的透射幅度相较于普通平板玻璃的透射幅度的衰减可以近似忽略不计，整体上增透玻璃对tm极化模式具有透射增强的效果。
49.本实用新型所述的增透玻璃对于电磁波的透射增强功能不是只在单一频点的情况下，其透射增强具有一定带宽，定义增透带宽为：在增透玻璃的透射幅度大于普通平板玻璃的透射幅度情况下的频带宽度。定义相对增透带宽为：增透带宽/增透带宽的中心频点，如图5(a)-图5(b)所示，在方阻为0.1ω时，增透玻璃的te极化模式的增透带宽为2.15ghz-3.3ghz，其相对增透带宽为42.2％。
50.如图3(a)-图3(c)、图4(a)-图4(c)、图5(a)-图5(b)所示，本实用新型的第一种实施方式的仿真数据仅是增透波段的中心频点为2.6ghz，增透频段为 2ghz-3.2ghz的性能展示。本实用新型提出的基于透明金属材料的入射波增透玻璃，通过改变结构的参数：单元周期p，线宽w,延伸直条的长度l，普通平板玻璃的厚度h，可以调整指定的增透波段的中心频点。以2.6ghz为中心频点原点，若要提高中心频点，则需要同时减小单元周期p和延伸直条长度l和玻璃的厚度h；若要降低中心频点，则需要同时增加单元周期p和延伸直条长度l和玻璃的厚度h；单元周期p、延伸直条长度l、普通平板玻璃的厚度h的选取与入射波波长λ有关。
51.一般的，单元周期p与入射波波长λ的比值需要保持在0.2-0.3之间，延伸直条长度 l和单元周期p的比值需要保持在0.3-0.4之间，平板玻璃的厚度h与入射波波长λ的比值可选在0.03-0.05之间，使其在sub-6g这样波长较大的频段内，对于较薄的玻璃厚度(比如，厚度小于5mm)，仍可现实增透效果。其中，线宽w对增透玻璃的增透性能影响较小，可以根据实物加工的需要较为灵活的选择，为了保证金属网格的方阻稳定性，线宽w通常需要大于0.1mm。通过调整结构参数，增透玻璃的中心频点的选择范围可以扩展到1-60ghz，对应300mm-5mm波长。选定一个中心频点f0之后，其典型增透频段为 f0±
10％到f0±
50％。
52.如图6(a)-图6(b)所示，在方阻为0.1ω时，中心频点为1ghz时，在0-85
°
入射角范围内，增透玻璃的te极化模式的透射幅度均高于普通平板玻璃的透射幅度。并且随着斜入射角度的增加，te极化模式的增透性能逐渐增加。在入射角为0
°
时，增透性能为0.53db，在入射角为40
°
时，增透性能为1.2db，在斜入射倾斜角为80
°
时，增透性能为9.7db。
53.如图6(a)-图6(b)所示，在方阻为0.1ω时，中心频点为1ghz时，增透玻璃在 0
°‑
45
°
入射角范围内tm极化模式的透射幅度高于普通平板玻璃的透射幅度，在45
°‑
85
°
入射角范围内，增透玻璃的tm极化模式的透射幅度与普通平板玻璃的透射幅度几乎保持一致；在入射角为80
°
时增透性能为-0.48db，增透玻璃的透射幅度相较于普通平板玻璃的透射幅度的衰减可以近似忽略不计，整体上增透玻璃对tm极化模式具有透射增强的效果。
54.如图7(a)-图7(b)所示，在方阻为0.1ω时，中心频点为10ghz时，在0-85
°
入射角范围内，增透玻璃的te极化模式的透射幅度均高于普通平板玻璃的透射幅度。并且随着斜入射角度的增加，te极化模式的增透性能逐渐增加。在入射角为0
°
时，增透性能为0.9db，在入射角为40
°
时，增透性能为1.9db，在入射角为80
°
时，增透性能为12.9db。
55.如图7(a)-图7(b)所示，在方阻为0.1ω时，中心频点为10ghz时，增透玻璃在0
°‑
50
°
入射角范围内tm极化模式的透射幅度高于普通平板玻璃的透射幅度，在50
°ꢀ‑
72
°
入射角范围内，增透玻璃的tm极化模式的透射幅度与普通平板玻璃的透射幅度几乎保持一致；在入射角为72
°
时增透性能为-0.5db，增透玻璃的透射幅度相较于普通平板玻璃的透射幅度的衰减可以近似忽略不计，整体上增透玻璃对tm极化模式具有透射增强的效果。
56.按照上述参数之间的关系,中心频点为1ghz的增透玻璃的结构参数设计为：单元周期p＝77.1mm，线宽w＝2mm,延伸直条的长度l＝22.7mm，金属网格的厚度为8.5μm，平板透明玻璃的厚度h为10mm。中心频点为10ghz的增透玻璃的典型结构参数为：单元周期p＝8mm，线宽w＝0.8mm,延伸直条的长度l＝2.6mm，金属网格的厚度为8.5μm，平板玻璃的厚度h为1.1mm。
57.如图6(a)，图6(b)，图7(a)，图7(b)所示，经过结构参数调整后，中心频点分别为1ghz和10ghz下的增透玻璃的依旧保持较好的增透性能，证明了适当的调整结构参数可以改变增透玻璃的增透频段。所述的增透玻璃具有较为灵活的频段可调性，适用于5g通信的sub6g波段和毫米波波段，具有较高的应用价值。
58.本实用新型的设计的增透玻璃的对于电磁波的透射增强功能的原理如下：在入射的电磁波的激励下，亚波长内周期排布的金属网格图案产生电磁响应，改变增透玻璃的等效介电常数，使得各个入射角度的入射波在空气中的波阻抗与增透玻璃内的等效波阻抗相匹配，减小了各个角度的入射波的反射幅度；同时，由于亚波长内周期排布的金属网格图案在入射波的激励下产生的谐振为弱谐振而非强谐振，因此损耗的能量较小。综上所述，增透玻璃在保持低能量损耗的情况下，大幅减小了各个入射角度的入射波的反射幅度，从而有效的增强了在0-85
°
入射角范围内下入射波的透射幅度。
59.进一步需要说明的是，因为sub-6g频段的入射波对应的波长≥5cm，所以针对现有设施或者设备的玻璃而言，本实用新型的增透方法可以在小于波长λ的玻璃厚度 (0.03-0.05λ)上实现电磁波的增透效果，这个是本实用新型方案的有益效果、但非限定条件；对于玻璃厚度非限定的应用场景或者较高频段的应用场景，如毫米波波段，其波长为10mm至1mm，通过优化单元周期p、直条长度l、线宽w等图形结构的尺寸，本实用新型方法同样也适用。
60.以上所述仅是本实用新型的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
技术特征：1.一种基于透明金属材料的入射波增透玻璃，其特征在于，所述增透玻璃包括网格图案层、第一透明玻璃层；所述网格图案层包括n个金属网格图案，所述网格图案包括金属方环，并且金属方环的四个顶角处沿方环对角线向内延伸有矩形金属条；所述n个网格图案依次排列在第一透明玻璃层的第一侧面，所述金属方环和矩形金属条的材料为金属网格或纳米银线，n为大于等于1的整数。2.根据权利要求1所述的一种基于透明金属材料的入射波增透玻璃，其特征在于，如果所述金属方环和矩形金属条的材料为金属网格，则所述n个网格图案附着在pet层上，附着有网格图案的pet层粘接在第一透明玻璃层的第一侧面上。3.根据权利要求2所述的一种基于透明金属材料的入射波增透玻璃，其特征在于，所述附着有网格图案的pet层通过光胶层粘接在第一透明玻璃层的第一侧面上。4.根据权利要求1所述的一种基于透明金属材料的入射波增透玻璃，其特征在于，如果所述金属方环和矩形金属条的材料为纳米银线，则金属方环和矩形金属条刻蚀排列在第一透明玻璃层的第一侧面上。5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种基于透明金属材料的入射波增透玻璃，其特征在于，所述增透玻璃还包括第二透明玻璃层，所述第一透明玻璃层的第一侧面连接第二透明玻璃层，所述网格图案层位于第一透明玻璃层和第二透明玻璃层之间。
技术总结本实用新型提出一种基于透明金属材料的入射波增透玻璃，所述增透玻璃包括网格图案层，第一透明玻璃层；所述网格图案层包括多个金属网格图案，所述网格图案包括方环，并且方环的四个顶角处沿方环对角线向内延伸有矩形金属条；所述多个网格图案依次排列在第一透明玻璃层的第一侧面；所述方环和直条结构的材料为金属网格或纳米银线。本实用新型的技术方案仅通过在玻璃表面粘贴透明增透膜的方式，从而在指定的射频频段内，大幅增强入射波的TE极化模式和TM极化模式的透射幅度，进而通过本实用新型的技术方案可以大幅提高室内通信的通信质量。质量。质量。
技术研发人员：苗龙 程强 蒋睿哲 姜汝丹
受保护的技术使用者：江苏易珩空间技术有限公司
技术研发日：2021.08.31
技术公布日：2022/7/5
