作者 | Zhou Ming

隨著越來越多的汽車采用大面積玻璃車窗，為駕駛員和乘客帶來更好的空間感和通透性的同時(shí)，汽車防曬設(shè)計(jì)成為一個(gè)痛點(diǎn)。近日某品牌的三層鍍銀玻璃成為發(fā)布會(huì)上宣傳的熱點(diǎn)，根據(jù)網(wǎng)上信息，該車采用行業(yè)領(lǐng)先的“夾層玻璃+三銀鍍膜工藝”，在保持可見光透過性的同時(shí)，有效隔絕了99.5% 紫外線、97.6% 紅外線，讓車內(nèi)的整體溫度大幅度下降。同時(shí)在前擋風(fēng)玻璃ETC 安裝位做了除銀工藝，這樣就不影響 ETC 的使用。

 

 

 

這里提到的三層鍍銀屬于Low-E玻璃（又稱低輻射玻璃），是在玻璃表面鍍上多層金屬及其他化合物組成的多層結(jié)構(gòu)。相比于更加昂貴的金（Au），銀（Ag）作為鍍膜材料可以降低成本，因此也成為隔熱鍍膜的首選材料。那么三層鍍銀的玻璃到底會(huì)不會(huì)對(duì)電磁波產(chǎn)生屏蔽作用呢？今天我們通過CST的大場景信號(hào)覆蓋仿真方法來分析一下。

 

三銀Low-E玻璃建模

 

 

三銀Low-E玻璃的層疊結(jié)構(gòu)

 

三銀Low-E玻璃是多層結(jié)構(gòu)，上圖的層疊和真實(shí)情況可能會(huì)有偏差，僅供參考。鍍層采用磁控濺射工藝進(jìn)行加工，鍍層的厚度通常在幾十納米到幾百納米。這么薄的材料如果采用3D建模，會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)格數(shù)量超級(jí)多。CST的Thinpanel材料可以解決這個(gè)難題，Thinpanel在定義時(shí)也非常方便，先定義好每一層材料的參數(shù)，然后按照層疊順序輸入厚度即可。

 

 

CST的Thinpanel材料定義界面

 

定義好的三銀Low-E玻璃

 

發(fā)射天線建模

在這個(gè)案例中，我們需要一個(gè)發(fā)射天線來模擬基站信號(hào)。真實(shí)的基站模型非常復(fù)雜，為了提高仿真效率，用一個(gè)喇叭天線來替代基站。利用Antenna Magus創(chuàng)建一個(gè)喇叭天線，只需要輸入天線的關(guān)鍵參數(shù)，不到一分鐘喇叭天線創(chuàng)建完畢。

 

Antenna Magus創(chuàng)建喇叭天線

 

創(chuàng)建好的喇叭天線模型

 

手機(jī)天線建模

手機(jī)天線模型來自CST component library，選擇port4對(duì)應(yīng)的WiFi天線。該WiFi天線的工作頻點(diǎn)是2.4G，中國移動(dòng)的5G信號(hào)頻率主要分布在2515MHz-2675MHz和4800MHz-4900MHz兩個(gè)頻段，我們需要對(duì)天線進(jìn)行一些優(yōu)化，讓天線工作在2.6G。

 

CST手機(jī)天線模型

 

手機(jī)天線S參數(shù)（優(yōu)化前）

 

利用CST自帶的優(yōu)化器就能發(fā)揮大作用。優(yōu)化變量：天線振子的長度；優(yōu)化目標(biāo)：工作頻點(diǎn)2.6G，S44參數(shù)小于10dB。短短幾分鐘，天線已經(jīng)優(yōu)化完畢。對(duì)比S參數(shù)可以明顯看出優(yōu)化后的S參數(shù)結(jié)果。

 

 

CST自帶的優(yōu)化器設(shè)置

 

手機(jī)天線S參數(shù)（優(yōu)化后）

 

整車建模仿真

下圖是創(chuàng)建好的整車模型，手機(jī)放置在車內(nèi)駕駛員的位置。為了更好地對(duì)比，除了玻璃之外，車身其他位置的縫隙全部用金屬填充。設(shè)置兩種不同材料的玻璃：普通玻璃和三銀玻璃。

 

“手機(jī)+整車”全3D模型

 

在后面的展示中，為了提升仿真效率，手機(jī)3D模型用近場源替代，如下圖所示。這里需要說明的是，“手機(jī)+整車”全3D建模的優(yōu)點(diǎn)是精度高，但是網(wǎng)格數(shù)量多，仿真比較耗時(shí)。“手機(jī)近場源+整車”的優(yōu)點(diǎn)是仿真速度快，手機(jī)周圍近距離有金屬的話，提取近場源時(shí)必須要考慮金屬反射的影響。

 

 

“手機(jī)近場源+整車”模型

 

下面是采用近場源激勵(lì)，對(duì)比兩種玻璃的電場分布。可以明顯看出三銀玻璃對(duì)電磁場有明顯的屏蔽作用，高頻電磁波很難穿透。不過這是比較理想的情況，在真實(shí)的汽車上，玻璃邊緣及車門邊緣等位置都存在縫隙，高頻電磁場還是可以穿透一部分。

 

 

普通玻璃的電場分布（車頭位置）

 

三銀玻璃的電場分布（車頭位置）

 

大場景建模及信號(hào)覆蓋仿真

接下來是創(chuàng)建大場景模型，模型中包括建筑物、路面等，長度超過300m，寬度超過150m，如下圖所示。大場景信號(hào)覆蓋仿真需要用到混合算法，場源計(jì)算利用CST的時(shí)域TLM算法，大場景計(jì)算利用高頻A求解器。在創(chuàng)建混合仿真流程時(shí)有兩種方法，一種是利用CST的Assembly功能，另一種是手動(dòng)導(dǎo)入發(fā)射和接收的遠(yuǎn)場源。

 

 

大場景信號(hào)覆蓋仿真模型

 

樓頂天線的發(fā)射信號(hào)（A-solver）

 

汽車位置的場強(qiáng)分布

 

接下來我們比較三種情況下F參數(shù)的差異：1、全車采用三銀玻璃；2、只有前風(fēng)擋采用三銀玻璃；3、全車采用普通玻璃。下圖是F參數(shù)的仿真結(jié)果，可以看出當(dāng)全車都采用三銀玻璃時(shí)，會(huì)導(dǎo)致信號(hào)衰減20dB以上，相當(dāng)于超過90%的信號(hào)被衰減。如果只在前風(fēng)擋位置采用三銀玻璃，電磁波還可以從其他位置進(jìn)入車內(nèi)，因此對(duì)手機(jī)通信質(zhì)量的影響不大。

 

 

F參數(shù)結(jié)果

 

我們還可以通過A求解器的信道分析功能去觀測收發(fā)天線之間的PDP、CIR、AoA、AoD等結(jié)果。如下圖所示，到達(dá)接收天線有兩條射線，其中一條是LOS射線（到達(dá)時(shí)間173.7ns），另一條是經(jīng)過地面反射的射線（到達(dá)時(shí)間179.9ns），射線長度51米。

 

 

Propagation Rays

 

Power Delay Profile

 

射線路徑長度統(tǒng)計(jì)

 

結(jié)論

全車都采用三銀玻璃，且車身沒有大的縫隙時(shí)，手機(jī)通信質(zhì)量會(huì)明顯降低。如果只在前風(fēng)擋位置采用三銀玻璃，電磁波還是從其他位置進(jìn)入車內(nèi)，因此對(duì)手機(jī)通信質(zhì)量的影響不大。

溫馨提示：

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