CN103022659B - 基于超材料天线的无线接入设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于超材料天线的无线接入设备，其包括无线接入设备主体和安装在所述无线接入设备主体上且与之进行信号传输的天线，所述天线包括介质基板、金属结构、馈线及参考地，所述馈线与所述金属结构相互耦合，所述参考地包括位于所述介质基板相对两表面的第一参考地单元及第二参考地单元，所述第一参考地单元使所述馈线的一端形成微带线。本发明基于超材料天线的无线接入设备通过精密地控制天线金属结构的拓扑形态及合理布局所述微带线，便得到需要的等效介电常数和磁导率分布，使天线能够在工作频段内实现较好地阻抗匹配，高效率地完成能量转换，并得到理想的辐射场型，增益高，此外，所述天线占用体积小，因而无线接入设备的整体体积小，对环境要求低。

Description

基于超材料天线的无线接入设备

技术领域

本发明涉及无线无线接入设备技术领域，尤其涉及一种基于超材料天线的无线接入设备。

背景技术

WLAN是一种灵活的数据通信系统，其能够被实现作为对有线局域网(LAN)的扩展或替代。典型地，WLAN使用射频(RF)技术在空中发送和接收数据，而不依赖任何物理连接。将被发送的数据叠加在无线载波上，使得在接收端能够将其精确地提取。假设是在不同射频上发射无线电波，则在相同的时间、同样的空间中存在多个无线载波，而不彼此干扰。为了提取数据，无线接收机调谐到一个频率上，而丢弃所有其它频率。

在典型的WLAN系统中，WLAN系统通常包括接入点(Access Point，AP)，所说接入点设置有用于收发电磁波信号的天线。例如，专利申请号为200520055478.0的中国专利公开了一种通常用于无线接入点的半波对称振子结构的天线，该天线包括：相对成一直线设置的第一、第二对称部和一馈线，馈线通过与设置于第一、第二对称部一端的馈线接入点电性连接，所述第一对称部包括并列设置的第一、第三辐射部，该第二对称部包括并列设置的第二、第四辐射部，其中，该第一、第二辐射部工作于第一频段，两者成一直线相对设置，且长度相等，均等于其上传输电磁波波长的四分之一；而上述第三、第四辐射部工作于第二频段，两者成一直线相对设置，且长度相等，均等于其上传输电磁波波长的四分之一。然而，上述现有的天线体积大，不符合电子产品小型化的需要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，针对上述现有技术的不足，提出一种基于超材料天线的无线接入设备，该无线接入设备的天线对环境要求低，增益高，能够在工作频段内实现较好地阻抗匹配，高效率地完成能量转换，并得到理想的辐射场型，该无线接入设备整体体积小。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，提出一种基于超材料天线的无线接入设备，其包括无线接入设备主体和安装在所述无线接入设备主体上且与之进行信号传输的天线，所述天线包括介质基板、金属结构、馈线及参考地，所述金属结构、馈线及参考地均置于所述介质基板上，所述介质基板呈长方板状，所述馈线与所述金属结构相互耦合，所述参考地包括位于所述介质基板相对两表面的第一参考地单元及第二参考地单元，所述第一参考地单元使所述馈线的一端形成微带线；所述第一参考地单元设置有相互电连接的第一金属面单元及第二金属面单元，所述第一金属面单元与所述馈线的一端位置相对，使所述馈线的一端形成所述微带线；所述第二参考地单元设置有第三金属面单元，所述第三金属面单元与所述第二金属面单元位置相对；所述第二参考地单元还设置有第四金属面单元，所述第四金属面单元位于所述馈线一端的一侧，并位于所述馈线的延伸方向上。

进一步地，所述第一参考地单元及第二参考地单元相互电连接。

进一步地，所述介质基板设置有若干金属化通孔，所述第一参考地单元与所述第二参考地单元通过所述金属化通孔实现电连接。

进一步地，所述介质基板位于所述第二金属面单元及所述第三金属面单元处开设有若干金属化通孔，所述第二金属面单元与所述第三金属面单元通过所述金属化通孔电连接。

进一步地，所述第三金属面单元位于所述金属结构的一端，所述第三金属面单元呈长方面板状，其延伸方向与所述馈线的延伸方向相同。

进一步地，所述介质基板位于所述第一金属面单元及所述第四金属面单元处开设有若干金属化通孔，所述第一金属面单元与所述第四金属面单元通过所述金属化通孔电连接。

进一步地，所述金属结构为互补式开口谐振环结构、互补式螺旋线结构、开口螺旋环结构、双开口螺旋环结构、互补式弯折线结构、互补式开口谐振环结构的衍生结构、互补式开口谐振环结构的复合后结构、互补式开口谐振环结构组阵后的结构中的任一种。

进一步地，所述金属结构设置有框体及位于所述框体内的两螺旋线，所述两螺旋线相互连接形成开口螺旋环，所述开口螺旋环与所述框体连接，所述螺旋线的自由端呈面板状。

综上所述，本发明基于超材料天线的无线接入设备通过精密地控制天线金属结构的拓扑形态及合理布局所述微带线，便得到需要的等效介电常数和磁导率分布，使天线能够在工作频段内实现较好地阻抗匹配，高效率地完成能量转换，并得到理想的辐射场型，增益高，此外，所述天线占用体积小，因而无线接入设备的整体体积小，对环境要求低。

附图说明

图1是本发明基于超材料天线的无线接入设备的原理框图；

图2是本发明基于超材料天线的无线接入设备的主视图；

图3是本发明基于超材料天线的无线接入设备的后视图；

图4是图1所示本发明的S参数的仿真图；

图5a为互补式开口谐振环结构的示意图；

图5b所示为互补式螺旋线结构的示意图；

图5c所示为开口螺旋环结构的示意图；

图5d所示为双开口螺旋环结构的示意图；

图5e所示为互补式弯折线结构的示意图；

图6a为图5a所示的互补式开口谐振环结构其几何形状衍生示意图；

图6b为图5a所示的互补式开口谐振环结构其扩展衍生示意图；

图7a为三个图5a所示的互补式开口谐振环结构的复合后的结构示意图；

图7b为两个图5a所示的互补式开口谐振环结构与图5b所示为互补式螺旋线结构的复合示意图；

图8为四个图5a所示的互补式开口谐振环结构组阵后的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明基于超材料天线的无线接入设备做进一步的描述：

超材料天线基于人工电磁材料技术设计而成，人工电磁材料是指将金属片镂刻成特定形状的拓扑金属结构，并将所述特定形状的拓扑金属结构设置于一定介电常数和磁导率基材上而加工制造的等效特种电磁材料，其性能参数主要取决于其亚波长的特定形状的拓扑金属结构。在谐振频段，人工电磁材料通常体现出高度的色散特性，换言之，天线的阻抗、容感性、等效的介电常数和磁导率随着频率会发生剧烈的变化。因而可采用人工电磁材料技术对上述天线的基本特性进行改造，使得金属结构与其依附的介质基板等效地组成了一个高度色散的特种电磁材料，从而实现辐射特性丰富的新型天线。

请参阅图1至图3，本发明基于超材料天线的无线接入设备为无线接入点(AP)，其包括无线接入设备主体1和安装在所述无线接入设备主体1上且与之进行信号传输的天线2。所述无线接入设备主体1包括顺秩电连接的微处理器模块11、基带处理模块12、射频处理模块13及前端放大模块14，所述微处理器模块11连接有数据业务通信接口模块15及存储器16。所述无线接入设备主体1为现有技术，在此不再赘述。所述天线2包括介质基板21、金属结构22、馈线23及参考地，所述介质基板21呈长方板状，其可由高分子聚合物、陶瓷、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料等材质制成。在本实施例中，所述介质基板21的材质采用玻纤材质(FR4)制成，因而不仅成本低，而且可保证在不同的工作频率中保持良好的天线工作特性。

所述金属结构22、馈线23及参考地均置于所述介质基板21的表面上，所述金属结构22与所述介质基板21形成超材料，所述超材料的性能取决于所述金属结构22，在谐振频段，超材料通常体现出高度的色散特性，即其阻抗、容感性、等效的介电常数和磁导率随着频率会发生剧烈的变化，因而通过改变所述金属结构22及介质基板21的基本特性，便使得所述金属结构22与介质基板21等效地组成一个按照洛伦兹材料谐振模型的高度色散的特种电磁材料。

请参阅图1及图4至图8，所述金属结构22可为互补式开口谐振环结构、互补式螺旋线结构、开口螺旋环结构、双开口螺旋环结构、互补式弯折线结构、互补式开口谐振环结构的衍生结构、互补式开口谐振环结构的复合后结构、互补式开口谐振环结构组阵后的结构中的任一种或类似的拓扑金属结构或金属蚀刻图案，所述金属结构22的形状有无穷多种，并不局限于上述所举的结构。在本实施例中，所述金属结构22设置有框体221及位于所述框体221内的两螺旋线222，所述两螺旋线222相互连接形成开口螺旋环，所述开口螺旋环与所述框体221连接，所述螺旋线222的自由端呈面板状，所述面板状的端部可增加天线的受波面积。本实施例的工作频段是2.4GHZ～2.49GHZ及5.72GHZ～5.85GHZ，上述该两频段的增益分别可达3.58dBi及3.14dBi，由图3可知，本发明的发射系数较小。

所述馈线23设置在所述金属结构22的一侧，并沿着所述金属结构22的长度方向延伸，其与所述金属结构22相互耦合，其中，所述馈线23的一端弯折延伸至所述金属结构22端部一侧。此外，可根据需要在所述馈线23与金属结构22之间的空间中嵌入容性电子元件，通过嵌入容性电子元件调节馈线23与金属结构22之间的信号耦合，由公式：可知电容值的大小和工作频率的平方成反比，所以当需要的工作频率为较低工作频率时，可以通过适当的嵌入容性电子元件实现。加入的容性电子元件的电容值范围通常在0-2pF之间，不过随着天线工作频率的变化嵌入的电容值也可能超出0-2pF的范围。

所述参考地位于所述馈线23的一侧，使所述馈线23的位于所述金属结构22端部的一端形成微带线231。在本实施例中，所述参考地包括第一参考地单元24及第二参考地单元25，所述第一参考地单元24及第二参考地单元25分别位于所述介质基板21的相对两表面。所述第一参考地单元24设置有相互电连接的第一金属面单元241及第二金属面单元242。所述第二参考地单元25与所述馈线23位于所述介质基板21的同一侧，并设置有第三金属面单元251及第四金属面单元252。

所述第一金属面单元241与所述馈线23位置相对，使所述馈线23的位于所述金属结构22端部的一端形成所述微带线231，即所述参考地为虚拟地。所述第二金属面单元242与所述第三金属面单元251位置相对。所述第三金属面单元251位于所述金属结构22的一端，所述第三金属面单元251呈长方面板状，并与所述馈线23的延伸方向相同。所述介质基板21位于所述第二金属面单元242及所述第三金属面单元251处开设有若干金属化通孔26，所述第二金属面单元242与所述第三金属面单元251通过所述金属化通孔26电连接。

所述第四金属面单元252位于所述馈线23一端的一侧，并位于所述馈线23的延伸方向上。所述介质基板21位于所述第一金属面单元241及所述第四金属面单元252处开设有若干金属化通孔26，所述第一金属面单元241与所述第四金属面单元252通过所述金属化通孔26电连接。通过第一金属面单元241与所述馈线23的一端形成所述微带线231，因而可减少外部信号对在所述馈线23上传送的信号干扰，提高天线增益，实现较好的阻抗匹配，节省材料，成本低。所述第一金属面单元241至第四金属面单元252之间通过巧妙的位置设置，因而使所述参考地占用较小的空间，便实现较大的面积。此外，通过设置所述金属化通孔26，因而可进一步提高所述参考地的面积。

综上所述，本发明基于超材料天线的无线接入设备通过精密地控制天线金属结构22的拓扑形态及合理布局所述微带线231，便得到需要的等效介电常数和磁导率分布，使天线能够在工作频段内实现较好地阻抗匹配，高效率地完成能量转换，并得到理想的辐射场型，增益高，此外，所述天线占用体积小，因而无线接入设备的整体体积小，对环境要求低。

上面结合附图对本发明的较佳实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，例如，所述金属结构22与所述馈线23之间设置有连接件，使所述金属结构22与所述馈线23相互电连接，即所述金属结构22与所述馈线23之间采用感性耦合方式等，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于超材料天线的无线接入设备，包括无线接入设备主体和安装在所述无线接入设备主体上且与之进行信号传输的天线，其特征在于：所述天线包括介质基板、金属结构、馈线及参考地，所述金属结构、馈线及参考地均置于所述介质基板上，所述介质基板呈长方板状，所述馈线与所述金属结构相互耦合，所述参考地包括位于所述介质基板相对两表面上的第一参考地单元及第二参考地单元，所述第一参考地单元使所述馈线的一端形成微带线；

所述第一参考地单元设置有相互电连接的第一金属面单元及第二金属面单元，所述第一金属面单元与所述馈线的一端位置相对，使所述馈线的一端形成所述微带线；

所述第二参考地单元设置有第三金属面单元，所述第三金属面单元与所述第二金属面单元位置相对；

所述第二参考地单元还包括第四金属面单元，所述第四金属面单元位于所述馈线一端的一侧，并位于所述馈线的延伸方向上。

2.根据权利要求1所述的基于超材料天线的无线接入设备，其特征在于：所述第一参考地单元及第二参考地单元相互电连接。

3.根据权利要求2所述的基于超材料天线的无线接入设备，其特征在于：所述介质基板设置有若干金属化通孔，所述第一参考地单元与所述第二参考地单元通过所述金属化通孔实现电连接。

4.根据权利要求1或2或3所述的基于超材料天线的无线接入设备，其特征在于：所述介质基板位于所述第二金属面单元及所述第三金属面单元处开设有若干金属化通孔，所述第二金属面单元与所述第三金属面单元通过所述金属化通孔电连接。

5.根据权利要求4所述的基于超材料天线的无线接入设备，其特征在于：所述第三金属面单元位于所述金属结构的一端，所述第三金属面单元呈长方面板状，其延伸方向与所述馈线的延伸方向相同。

6.根据权利要求1所述的基于超材料天线的无线接入设备，其特征在于：所述介质基板位于所述第一金属面单元及所述第四金属面单元处开设有若干金属化通孔，所述第一金属面单元与所述第四金属面单元通过所述金属化通孔电连接。

7.根据权利要求1或2或3所述的基于超材料天线的无线接入设备，其特征在于：所述金属结构为互补式开口谐振环结构、互补式螺旋线结构、开口螺旋环结构、双开口螺旋环结构、互补式弯折线结构、互补式开口谐振环结构的衍生结构、互补式开口谐振环结构的复合后结构、互补式开口谐振环结构组阵后的结构中的任一种。

8.根据权利要求1或2或3所述的基于超材料天线的无线接入设备，其特征在于：所述金属结构设置有框体及位于所述框体内的两螺旋线，所述两螺旋线相互连接形成开口螺旋环，所述开口螺旋环与所述框体连接，所述螺旋线的自由端呈面板状。