作者 | Zhou Ming
随着越来越多的汽车采用大面积玻璃车窗，为驾驶员和乘客带来更好的空间感和通透性的同时，汽车防晒设计成为一个痛点。近日某品牌的三层镀银玻璃成为发布会上宣传的热点，根据网上信息，该车采用行业领先的“夹层玻璃+三银镀膜工艺”，在保持可见光透过性的同时，有效隔绝了99.5% 紫外线、97.6% 红外线，让车内的整体温度大幅度下降。同时在前挡风玻璃ETC 安装位做了除银工艺，这样就不影响 ETC 的使用。
这里提到的三层镀银属于Low-E玻璃（又称低辐射玻璃），是在玻璃表面镀上多层金属及其他化合物组成的多层结构。相比于更加昂贵的金（Au），银（Ag）作为镀膜材料可以降低成本，因此也成为隔热镀膜的首选材料。那么三层镀银的玻璃到底会不会对电磁波产生屏蔽作用呢？今天我们通过CST的大场景信号覆盖仿真方法来分析一下。
三银Low-E玻璃建模
三银Low-E玻璃的层叠结构
三银Low-E玻璃是多层结构，上图的层叠和真实情况可能会有偏差，仅供参考。镀层采用磁控溅射工艺进行加工，镀层的厚度通常在几十纳米到几百纳米。这么薄的材料如果采用3D建模，会导致网格数量超级多。CST的Thinpanel材料可以解决这个难题，Thinpanel在定义时也非常方便，先定义好每一层材料的参数，然后按照层叠顺序输入厚度即可。
CST的Thinpanel材料定义界面
定义好的三银Low-E玻璃
发射天线建模
在这个案例中，我们需要一个发射天线来模拟基站信号。真实的基站模型非常复杂，为了提高仿真效率，用一个喇叭天线来替代基站。利用Antenna Magus创建一个喇叭天线，只需要输入天线的关键参数，不到一分钟喇叭天线创建完毕。
Antenna Magus创建喇叭天线
创建好的喇叭天线模型
手机天线建模
手机天线模型来自CST component library，选择port4对应的WiFi天线。该WiFi天线的工作频点是2.4G，中国移动的5G信号频率主要分布在2515MHz-2675MHz和4800MHz-4900MHz两个频段，我们需要对天线进行一些优化，让天线工作在2.6G。
CST手机天线模型
手机天线S参数（优化前）
利用CST自带的优化器就能发挥大作用。优化变量：天线振子的长度；优化目标：工作频点2.6G，S44参数小于10dB。短短几分钟，天线已经优化完毕。对比S参数可以明显看出优化后的S参数结果。
CST自带的优化器设置
手机天线S参数（优化后）
整车建模仿真
下图是创建好的整车模型，手机放置在车内驾驶员的位置。为了更好地对比，除了玻璃之外，车身其他位置的缝隙全部用金属填充。设置两种不同材料的玻璃：普通玻璃和三银玻璃。
“手机+整车”全3D模型
在后面的展示中，为了提升仿真效率，手机3D模型用近场源替代，如下图所示。这里需要说明的是，“手机+整车”全3D建模的优点是精度高，但是网格数量多，仿真比较耗时。“手机近场源+整车”的优点是仿真速度快，手机周围近距离有金属的话，提取近场源时必须要考虑金属反射的影响。
“手机近场源+整车”模型
下面是采用近场源激励，对比两种玻璃的电场分布。可以明显看出三银玻璃对电磁场有明显的屏蔽作用，高频电磁波很难穿透。不过这是比较理想的情况，在真实的汽车上，玻璃边缘及车门边缘等位置都存在缝隙，高频电磁场还是可以穿透一部分。
普通玻璃的电场分布（车头位置）
三银玻璃的电场分布（车头位置）
大场景建模及信号覆盖仿真
接下来是创建大场景模型，模型中包括建筑物、路面等，长度超过300m，宽度超过150m，如下图所示。大场景信号覆盖仿真需要用到混合算法，场源计算利用CST的时域TLM算法，大场景计算利用高频A求解器。在创建混合仿真流程时有两种方法，一种是利用CST的Assembly功能，另一种是手动导入发射和接收的远场源。
大场景信号覆盖仿真模型
楼顶天线的发射信号（A-solver）
汽车位置的场强分布
接下来我们比较三种情况下F参数的差异：1、全车采用三银玻璃；2、只有前风挡采用三银玻璃；3、全车采用普通玻璃。下图是F参数的仿真结果，可以看出当全车都采用三银玻璃时，会导致信号衰减20dB以上，相当于超过90%的信号被衰减。如果只在前风挡位置采用三银玻璃，电磁波还可以从其他位置进入车内，因此对手机通信质量的影响不大。
F参数结果
我们还可以通过A求解器的信道分析功能去观测收发天线之间的PDP、CIR、AoA、AoD等结果。如下图所示，到达接收天线有两条射线，其中一条是LOS射线（到达时间173.7ns），另一条是经过地面反射的射线（到达时间179.9ns），射线长度51米。
Propagation Rays
Power Delay Profile
射线路径长度统计
结论
全车都采用三银玻璃，且车身没有大的缝隙时，手机通信质量会明显降低。如果只在前风挡位置采用三银玻璃，电磁波还是从其他位置进入车内，因此对手机通信质量的影响不大。
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