CN104659485B

CN104659485B - 一种抗金属装置及wifi天线

Info

Publication number: CN104659485B
Application number: CN201410043435.4A
Authority: CN
Inventors: 曾文波; 赵嘉
Original assignee: Guangxi University of Science and Technology
Current assignee: Guangxi University of Science and Technology
Priority date: 2014-01-29
Filing date: 2014-01-29
Publication date: 2017-10-20
Anticipated expiration: 2034-01-29
Also published as: CN104659485A

Abstract

本发明公开了一种抗金属装置及包含所述抗金属装置的WIFI天线，涉及无线电领域，所述抗金属装置包括若干个在二维平面上周期性排列、无缝拼接的电磁带隙单元,所述电磁带隙单元为上下底面为正方形的板块，分为在上的介质层和在下的金属层，通过侧面与其他电磁带隙单元的侧面对接实现无缝拼接，所述金属层上分布有三个按照设定形状和位置分布的缝隙区，所述抗金属装置在WIFI频段下能有效降低金属表面对天线性能的影响，提高天线在最大接收方向的增益；所述WIFI天线内置有所述抗金属装置，能有效接收信号，且体积小，加工安装简单，适合汽车配套企业批量生产。

Description

一种抗金属装置及WIFI天线

技术领域

本发明涉及无线电领域，特别是WIFI天线领域。

背景技术

无线局域网（Wireless Local Area Networks，WLAN）是一种利用射频(RadioFrequency RF)技术进行据传输的***，该技术能使各种网络设备以无线的方式快速地接入以太网（INTERNET）。目前，WLAN的协议标准主要包括工作于2.4 GHz的802.11b 和802.11g 标准和工作于5.8 GHz的802.11a 标准。

WIFI(Wireless Fidelity，无线保真)技术是一个基于IEEE 802.11系列标准的无线网路通信技术，目的是改善基于IEEE 802.11标准的无线网路产品之间的互通性，与WLAN一样，WIFI的主要工作频段有2.4 GHz （802.11a）和5.8 GHz（802.11b、g、n）。WIFI主要用于将移动终端（手提电脑、PDA、手机、平板电脑等）以无线方式互相连接。目前，WIFI技术已经深入到人们的日常生活当中，基于WIFI技术的无线传输、无线上网无处不在。

但是在汽车环境下，现有的技术不能适应WIFI技术的需要。具有WIFI功能的移动设备在移动的车内接收WIFI信号，效果欠佳。在车上配置WIFI天线可使移动的汽车实现对WIFI等信号的有效接收，将WIFI 信号转发到车内，使车内的WIFI终端更加有效地接收到WIFI信号。

现有的车载天线（如拉杆天线、车窗印刷天线、车顶“鱼脊”天线等），只能接收频率较低的调频/调幅广播信号，不能接收频率较高高的微波信号（例如WIFI信号）。而现有的WIFI天线直接配置在车上，受金属车壳的影响很大，难以有效接收WIFI信号，原因是在微波频段，汽车金属车壳对微波天线而言，是无限大的良导体，天线的特性（特别是阻抗和辐射特性、方向性）受金属环境影响很大，离金属表面越近，影响越大，置于车壳表面时对WIFI信号接收不良，不能直接用作车载天线特别是车顶天线。

发明内容

本发明的目的在于提供在一种可以使天线在金属表面有效接收WIFI信号的抗金属装置和在金属表面有效接收WIFI信号的WIFI天线。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

所述抗金属装置包括在二维平面上周期性排列、无缝拼接的多个电磁带隙单元,所述电磁带隙单元为边长为Lx的正方形板块，厚度为h，分为上下两层，下层为介质层，上层为金属层，通过侧面与其他电磁带隙单元的侧面对接实现无缝拼接，所述金属层上分布有三个缝隙区：

第一缝隙区包括四条依次首尾直角连接的等宽直缝隙线，线宽均为Ws，线长为0.17Lx，所述直缝隙线分别与所述电磁带隙单元底面四边平行且与四边距离相等；

第二缝隙区包括四个依次首尾连接的第一外翻边U形缝隙线单元，所述第一外翻边U形缝隙线单元包括一个底边缝隙线、两个等长的侧边缝隙线和两个等长外翻边缝隙线，两个所述侧边缝隙线位于所述底边缝隙线的同一侧，各通过一端分别与所述底边缝隙线的两端成直角连接，形成一个U形结构，通过另一端分别与两个所述外翻边缝隙线的一端成直角连接，两个所述外翻边缝隙线位于所述U形结构的外侧；所述底边缝隙线、侧边缝隙线和外翻边缝隙线等宽，宽度均为Ws，所述侧边缝隙线长为0.09Lx，所述底边缝隙线长为0.17Lx，所述外翻边缝隙线长为0.165Lx；每个所述第一外翻边U形缝隙线单元的U形凸起部分朝向所述电磁带隙单元金属层中心，所述底边缝隙线分别与所述电磁带隙单元底面四边平行且与四边距离相等；

第三缝隙区包括四个第二外翻边U形缝隙线单元和八个直角L形缝隙线单元，所述第二外翻边U形缝隙线单元与所述第一外翻边U形缝隙线单元具有相同的形状和尺寸，所述L形缝隙线单元包括一个长边缝隙线和一个短边缝隙线，长边缝隙线长为0.25Lx，宽度为0.5Ws，短边缝隙线长为0.15Lx，宽度为Ws，每两个所述直角L形缝隙线单元的长边缝隙线端点相连，连接点分别位于所述电磁带隙单元金属层的四个顶点，所述长边缝隙线外侧边沿分别与所述电磁带隙单元金属层四边重合，所述短边缝隙线位于所述电磁带隙金属层内部，四个所述第二外翻边U形缝隙线单元的两个端点分别与两个L形缝隙线的短边端点连接，每个所述外翻边U形缝隙线单元的U形凸起部分朝向所述电磁带隙单元底面中心；

所述WIFI天线包含有所述抗金属装置，所述抗金属装置与信号接收装置组合，用聚乙烯材料或其它高频低损耗介质填充并粘合成一体，也可以其他方式固定连接，形成一个天线整体。

进一步的，所述电磁带隙单元的参数是Lx为14～18毫米，Ws为0.4～1.8毫米，抗金属的效果更好。

本发明可以带来如下技术效果：所述抗金属装置，其电磁作用类似理想的磁导体表面，当包括所述抗金属装置的所述抗金属装置放置在天线与金属表面之间时，能有效降低金属表面对天线性能的影响，提高天线在最大接收方向的增益，从而使天线在车顶或其它金属表面上获得较好的电气性；电磁带隙单元越多，抗金属装置就越大，覆盖的金属面积也越大，其抗金属的效果就越明显，当然所占空间也就越大，通过选取合适的电磁单元数量和排列方式，可以得到适合的电磁结构尺寸，既能达到有效接收WIFI信号的效果，又能尽量少占空间；本发明还把电磁带隙机构内置于天线内，和信号接收器组合起来，形成一个天线整体，方便安装、使用，体积小，适合汽车配套企业批量生产。

附图说明

图1为抗金属装置的俯视图；

图2为抗金属装置的主视图；

图3为电磁带隙单元示意图；

图4为电磁带隙单元的A-A剖视图；

图5为WIFI天线整体结构示意图；

图6为信号接收器结构示意图；

图7为实施例2的仿真阻抗特性图；

图8为实施例2在2.4G频段的仿真方向图；

图9为实施例2在5.8G频段的仿真方向图；

图10为实施例3在2.4G频段的仿真方向图；

图11为实施例3在5.8G频段的仿真方向图；

图12为实施例4在2.4G两个频段内的仿真方向图；

图13为实施例4在5.8G两个频段内的仿真方向图。

具体实施方式

下面结合附图实例对本发明详细说明。

具体实施例1

本实施例是抗金属装置的具体实施例。

结合附图1、2 所示，本抗金属装置实施例包括64个在二维平面上按8×8矩阵周期性排列、无缝拼接的多个电磁带隙单元8,所述电磁带隙单元为边长为16毫米的正方形板块，采用厚度为0.5毫米的RF4单面印刷电路板制成，分下层为相对介电常数ε _r＝4.4、损耗角正切tans＝0.02的介质层10，上层为金属层9，通过侧面与其他电磁带隙单元的侧面对接实现无缝拼接，所述金属层上分布有三个缝隙区：第一缝隙区11包括四条依次首尾直角连接的等宽直缝隙线，线宽均为0.4毫米，线长均为2.72毫米，所述直缝隙线分别与所述电磁带隙单元底面四边平行且与四边距离相等；第二缝隙区12包括四个依次首尾连接的第一外翻边U形缝隙线单元，所述第一外翻边U形缝隙线单元包括一个底边缝隙线、两个等长的侧边缝隙线和两个等长外翻边缝隙线，两个所述侧边缝隙线位于所述底边缝隙线的同一侧，各通过一端分别与所述底边缝隙线的两端成直角连接，形成一个U形结构，通过另一端分别与两个所述外翻边缝隙线的一端成直角连接，两个所述外翻边缝隙线位于所述U形结构的外侧；所述底边缝隙线、侧边缝隙线和外翻边缝隙线等宽，宽度均为0.4毫米，所述侧边缝隙线长为1.44毫米，所述底边缝隙线长为2.72毫米，所述外翻边缝隙线长为2.64毫米；每个第一外翻边U形缝隙线单元的U形凸起部分朝向所述电磁带隙单元金属层中心，所述底边缝隙线分别与所述电磁带隙单元底面四边平行且与四边距离相等；第三缝隙区13包括四个第二外翻边U形缝隙线单元和八个直角L形缝隙线单元，所述第二外翻边U形缝隙线单元与第一外翻边U形缝隙线单元具有相同的形状和尺寸，所述直角L形缝隙线单元包括一个长边缝隙线和一个短边缝隙线，长边缝隙线长为4毫米，宽度为0.2毫米，短边缝隙线长为2.4毫米，宽度为0.4毫米，每两个所述直角L形缝隙线的长边缝隙线端点相连，连接点分别位于所述电磁带隙单元金属层的四个顶点，所述长边缝隙线外侧边沿分别与所述电磁带隙单元金属层四边重合，所述短边缝隙线位于所述电磁带隙金属层内部，四个所述第二外翻边U形缝隙线单元的两个端点分别与两个L形缝隙线的短边端点连接，每个所述第二外翻边U形缝隙线单元的U形凸起部分朝向所述电磁带隙单元底面中心。

具体实施例2

本实施例是WIFI天线实施例。

结合附图3、4所示，本WIFI天线包括一个信号接收器和一个实施1所述的抗金属装置，所述信号接收器采用长、宽均为128毫米、厚为0.5毫米、相对介电常数ε _r＝4.4、损耗角正切tans＝0.02的RF4单面印刷电路板；所述单面印刷电路板的金属层制成共面波导结构馈电的圆形单极子结构，包括一个圆形辐射器、一个共面波导结构和两个金属地，所述圆形辐射器半径为18毫米，所述共面波导结构长为46毫米，宽为5毫米，所述金属地长、宽均为42毫米，与所述共面波导结构的间距为0.8毫米，同轴馈线在馈电点2馈电，其中同轴线内导体联接馈电点，外导体联接连接金属地，信号接收器与抗金属装置按形状对应的方式平行放置，信号接收器的介质层与抗金属装置的金属层相邻且有空隙，距离为6.6毫米，用聚乙烯材料填充并粘合成一体。

结合图5、6和7所示，本实施例具有良好的阻抗特性。常规单极子平面WIFI天线(TA)在自由空间有很好的阻抗特性，在1.7 – 6.4 GHz 频率范围内，天线回波损耗小于-10dB,这一频率范围覆盖了WIFI 的2.4-2.485 GHz频段和5.15-5.825 GH频段。但当将该天线置于金属表面时，天线阻抗特性恶化，在上述WIFI频段内，天线回波损耗大于-10 dB，表明常规设计的天线TA不能直接置于金属表面（车顶）使用。而本实施例在上述提及的WIFI频段，回波损耗小于-10 dB。

本实施例置于金属表面时，在WIFI两个频段内，在水平面具有近似的全方向性，即曲线B，在垂直面上近似为单向辐射性，即曲线A，如图6、7所示。

下表所示为本实施例置于金属表面时，在不同频率点上的增益仿真结果，可以看出，本实施例具有很好的增益效果。

具体实施例3

本实施例是WIFI天线实施例。

本实施例与实施例1的区别在于W_S选值不同，本实施例中W_S＝0.4毫米，另选取d=6毫米，其余相同。

本实施例置于金属表面时，在WIFI两个频段内，在水平面也具有近似的全方向性，即曲线B，在垂直面上也近似为单向辐射性，即曲线A，如图8、9所示。

具体实施例4

本实施例与实施例2的区别在于W_S选值不同，本实施例中W_S＝1.8毫米，另选取d=12毫米，其余相同。

本实施例置于金属表面时，在WIFI两个频段内，在水平面也具有近似的全方向性，即曲线B，在垂直面上也近似为单向辐射性，即曲线A，如图10、11所示。

综上所述，当把常规设计的WIFI 平面天线TA置于金属表面时，天线的阻抗特性明显恶化导致不能使用，但将本实施例置于金属表面时，天线能在WIFI 的2.4-2.485 GHz频段和5.15-5.825 GH频段具有良好的阻抗特性和较为满意的辐射方向图。

Claims

1.一种抗金属装置，其特征在于：包括64个在二维平面上周期性排列、无缝拼接的多个电磁带隙单元,所述电磁带隙单元为上下底面为正方形的板块，底面边长为Lx，板块厚度为h，分为上下两层，下层为介质层，上层为金属层，通过侧面与其他电磁带隙单元的侧面对接实现无缝拼接，所述金属层上分布有三个缝隙区：

第三缝隙区包括四个第二外翻边U形缝隙线单元和八个直角L形缝隙线单元，所述第二外翻边U形缝隙线单元与所述第一外翻边U形缝隙线单元具有相同的形状和尺寸，所述L形缝隙线包括一个长边缝隙线和一个短边缝隙线，长边缝隙线长为0.25Lx，宽度为0.5Ws，短边缝隙线长为0.15Lx，宽度为Ws，每两个所述直角L形缝隙线单元的长边缝隙线端点相连，连接点分别位于所述电磁带隙单元金属层的四个顶点，所述长边缝隙线外侧边沿分别与所述电磁带隙单元金属层四边重合，所述短边缝隙线位于所述电磁带隙金属层内部，四个所述第二外翻边U形缝隙线单元的两个端点分别与两个L形缝隙线的短边端点连接，每个所述第二外翻边U形缝隙线单元的U形凸起部分朝向所述电磁带隙单元底面中心。

2.根据权利要求1所述的抗金属装置，其特征在于：所述电磁带隙单元的参数是Lx为14～18毫米，Ws为0.4～1.8毫米。

3.一种WIFI天线，包括一个信号接收器，其特征在于还包括一个抗金属装置，所述抗金属装置包括64个在二维平面上周期性排列、无缝拼接的多个电磁带隙单元,所述电磁带隙单元为边长为Lx的正方形板块，厚度为h，分为上下两层，下层为介质层，上层为金属层，通过侧面与其他电磁带隙单元的侧面对接实现无缝拼接，所述金属层上分布有三个缝隙区：

4.根据权利要求3所述的WIFI天线，其特征在于：所述电磁带隙单元的参数是Lx为14～18毫米，Ws为0.4～1.8毫米。