本实用新型涉及路由器技术领域，特别涉及一种基于金属外壳的移动式MIMO WiFi路由器。
背景技术：
随着物联网和大数据时代的来临，对于支持各种可移动电子设备的无线局域网扮演着越来越重要的角色。目前，支持无线局域网的电子设备已经得到了广泛普及，但是要使得移动电子设备能够随时随地的访问因特网，必须附近存在可连接的无线局域网接入点。目前许多路由器只能在固定地点的有线网络使用，无法提供电子设备进行随时随地的无线网接入口。普通路由器一般以塑胶材料作为路由器的外壳，并且天线裸露在外面。这样会导致移动性差，不美观，易摔坏，不便携带。对于很多路由器只是工作于2.4GHz或是工作于5.8GHz而无法将兼容两频段进行连接通信等缺点。鉴于目前许多路由器的缺陷，特提出此实用新型。
技术实现要素：
本实用新型要解决的技术问题在于，提供一种基于金属外壳的移动式MIMOWiFi路由器，满足了人们在外旅游或者出差时，能够获取即时快速的移动网络的便捷需求。
为解决上述技术问题，本实用新型提供如下技术方案：一种基于金属外壳的移动式MIMO WiFi路由器，包括主控制器模块、电源模块、存储器模块、移动通信网络收发模块、WiFi通信模块、外围接口模块，所述电源模块、存储器模块、移动通信网络收发模块、WiFi通信模块、外围接口模块均与所述主控制器模块连接；其中
所述主控制器模块用于对各模块之间的数据处理与任务控制；
所述电源模块用于给所述移动式MIMO WiFi路由器的各模块提供电源；
所述存储器模块用于给所述移动式MIMO WiFi路由器自身存储信息以及客户临时数据浏览、下载和共享使用；
所述SIM卡模块用于放置各运营商SIM卡，并使用运营商授权的SIM卡接入移动通信网络；
所述移动通信网络收发模块用于移动通信网络数据收发；
所述WIFI通信模块用于接入并使用有线宽带网络数据；所述无线射频模块用于将移动网络数据或者有线宽带网络数据转化为WiFi信号，并发送出去。
进一步地，所述主控制器模块包括主控芯片、时钟电路单元以及复位电路单元，所述时钟电路单元和复位电路单元均连接所述主控芯片。
进一步地，所述主控芯片采用2.4GHz与5.8GHz双频MIMO路由器芯片。
进一步地，所述电源模块包括电池、稳压电路和整流电路。
进一步地，所述存储器模块包括只读内存单元、随机动态存储器以及非易失性RAM。
进一步地，所述移动通信网络收发模块为2G/3G/4G/5G通信移动通信网络模块，所述移动通信网络收发模块包括多频段MIMO偶极子天线或多频MIMO微带天线，所述多频段MIMO偶极子天线或多频MIMO微带天线用于实现2G/3G/4G/5G通信射频信号收发功能；
所述多频段MIMO偶极子天线或多频MIMO微带天线设置于所述移动式MIMO WiFi路由器的顶层或底层；所述多频段MIMO偶极子天线或多频MIMO微带天线通过射频匹配网络与所述移动通信模块进行信号传输用以实现3G/4G/5G无线网络射频信号的收发功能。
所述多频段MIMO偶极子天线或多频MIMO微带天线均采用平面共形结构设计；其中，所述多频段MIMO偶极子天线采用G型互补弯折结构以实现宽频小型化；所述多频MIMO微带天线采用多分枝辐射结构用以实现多频特性，或采用短路结构用以实现宽频小型化以及金属不敏感特性。
进一步地，所述以太网有线模块包括以太网芯片和以太网口。
进一步地，所述无线射频模块包括MIMO缝隙天线，所述MIMO缝隙天线用于收发WiFi射频信号。
进一步地，所述MIMO缝隙天线包括移动路由器金属外壳与特殊缝隙开槽结构以实现工作于2.4GHz与5.8GHz的双频段特性，所述MIMO缝隙天线通过WiFi射频匹配网络与所述主控制器模块包括的2.4GHz与5.8GHz双频MIMO路由器芯片互联以实现双频通信。
进一步地，所述的移动式MIMO WiFi路由器还包括SD/TF卡接口，所述SD/TF卡接口与所述主控制器模块连接，所述SD/TF卡接口用于放置SD/TF卡，使得SD/TF卡的外部数字设备数据能够与路由器数据进行交换。
采用上述技术方案后，本实用新型至少具有如下有益效果：
1、本实用新型的移动式MIMO WiFi路由器采用特殊的金属机身结构，解决现有塑料外壳路由器不能满足一些顾客对产品美观与金属质感的追求，并且体积较小以便于携带，具有牢固和不易摔坏等优点；
2、本实用新型的移动式MIMO WiFi路由器中具有多模(2G/3G/4G/5G)：为了保证路由器能够正常接入移动通信网路，设计了尺寸小且工作于多频段的新型内置移动通信MIMO天线；所述内置移动通信MIMO天线采用新型互补偶极子结构单元与新型多分支短路加载辐射单元结构；所述新型互补偶极子结构通过特殊开槽实现小型化与宽频化；新型多分支短路加载辐射单元结构，通过设计特殊的四个辐射分支臂实现天线多频段，同时通过对单元结构进行短路加载降低天线对金属地板敏感特性且实现天线小型化且；通过加载匹配网络以实现天线多模、多通道切换；
3、本实用新型设计了基于金属外壳的新型双频(2.4/5.8GHz)MIMO WiFi缝隙天线：设计了利用金属外壳一体化工作于2.4GHz和5.8GHz的双频段WiFi天线，通过外壳上设计新型缝隙结构实现双频段覆盖，解决普通缝隙天线工作在单一频段较难满足未来主流WiFi系统2.4/5.8GHz频段共存问题；所述MIMO缝隙天线合理利用金属外壳，实现移动路由器天线内置效果，由此可合理利用金属外壳资源，并从而减小路由器的尺寸，同时兼容了2.4GHz和5.8GHz频段；
4、本实用新型的新型MIMO缝隙天线通过在金属边框上两垂直面设计可使辐射方向隔离，同时路由器内部设计新型隔离电路结构，进一步降低天线之间耦以解决MIMO天线隔离度问题，实现可靠高速的WiFi无线接入；
5、本实用新型的移动式MIMO WiFi路由器不仅可用于旅游，出差等移动性较强的环境而且也可以作为家庭固定式路由器；在旅途或是户外等活动时，路由器可以采用接入无线2/3/4/5G网络，为多客户提供无线局域网络接口，同时也可以在目的地和出发地，将路由器接入有线网络进行使用；这样可以提供给客户不同的接入网模式，而一般的路由器会只提供无线网络接入或是只能提供有线网络接入；
6、本实用新型的移动式MIMO WiFi路由器还适合应用于车载移动场合下的WiFi接入，可用于公交巴士、地铁、高铁以及其他移动车辆的WiFi网络接入。
附图说明
图1是本实用新型移动式MIMO WiFi路由器的电路系统互联示意图；
图2是本实用新型移动式MIMO WiFi路由器的电源模块结构示意图；
图3是本实用新型移动式MIMO WiFi路由器的电源开关、SD、SIM卡槽、以及以太网口的结构示意图；
图4是本实用新型移动式MIMO WiFi路由器的microUSB电源接口和路由器运行LED显示灯示意图；
图5(a)是本实用新型实施例中WiFi天线工作在双频四通道情况下的WiFi通信系统框图；
图5(b)是本实用新型实施例中WiFi天线工作在双频双通道情况下的WiFi通信系统框图；
图6是本实用新型移动式MIMO WiFi路由器的双频MIMO WiFi缝隙天线结构图；
图7是本实用新型移动式MIMO WiFi路由器的WiFi MIMO天线隔离结构图；
图8(a)是本实用新型移动式MIMO WiFi路由器的MIMO缝隙天线S11参数图；
图8(b)是本实用新型移动式MIMO WiFi路由器的MIMO缝隙天线S22参数图；
图8(c)是本实用新型移动式MIMO WiFi路由器的MIMO缝隙天线S21参数图；
图8(d)为本实用新型移动式MIMO WiFi路由器的MIMO缝隙天线在加载隔离结构与未加载结构条件下的S21对比图；
图9是本实用新型移动式MIMO WiFi路由器的移动通信系统框图；
图10是本实用新型移动式MIMO WiFi路由器的金属外壳矩形开槽结构示意图；
图11(a)是本实用新型移动式MIMO WiFi路由器的2/3/4/5G移动通信网络接入基于偶极子互补结构的多频段天线结构图；
图11(b)是本实用新型移动式MIMO WiFi路由器的偶极子天线在路由器开槽结构上结构示意图；
图12(a)是本实用新型移动式MIMO WiFi路由器的多频偶极子天线在加匹配网络后的高频带S11参数图；
图12(b)是本实用新型移动式MIMO WiFi路由器的多频偶极子天线在加匹配网络后的低频带S11参数图；
图13是本实用新型移动式MIMO WiFi路由器采用的基于微带天线的多频段MIMO天线单个阵子结构图；
图14(a)为本实用新型移动式MIMO WiFi路由器单个阵子结构的MIMO天线设计示意图；
图14(b)为本实用新型移动式MIMO WiFi路由器两个阵子结构的MIMO天线设计示意图；
图14(c)为本实用新型移动式MIMO WiFi路由器四个阵子结构的MIMO天线设计示意图；
图14(d)为本实用新型移动式MIMO WiFi路由器八个阵子结构的MIMO天线设计示意图；
图15是本实用新型基于金属外壳的移动式MIMO WiFi路由器的装配示意；
图16是本实用新型基于金属外壳的移动式MIMO WiFi路由器侧视效果；
图17是本实用新型基于金属外壳的移动式MIMO WiFi路由器3G/4G模式移动通信多频天线S参数图；
图18是本实用新型基于金属外壳的移动式MIMO WiFi路由器4G/5G模式移动通信多频天线S参数图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细说明。
本实用新型提供了一种基于金属外壳的移动式MIMO WIFI路由器，如图1所示，为移动式MIMO WIFI路由器系统各模块互联框图，主要结构包括主控制器模块、电源管理模块、存储器模块、移动通信网络收发模块、WiFi射频模块以及外围接口电路(SIM卡模块、以太网有线模块、TF卡模块、显示模块)；其中，电源管理模块、存储器模块、移动通信网络收发模块、WiFi无线射频模块以及围接口电路(SIM卡模块、以太网有线模块、TF卡模块、显示模块)均与所述主控制器模块连接；移动通信收发模块负责2G/3G/4G/5G等移动网络接入功能，其包括移动通信多频天线，移动通信多频天线用于连接外部2G/3G/4G/5G无线网络；WiFi无线射频模块包括MIMO缝隙天线，MIMO缝隙天线用于发射WiFi信号。其中外围接口电路的SIM卡模块直接连接到移动通信收发模块，负责接入移动通信网络，SIM卡可以采用现有的手机卡，也可以是定制的SIM流量卡。其中外围接口电路的有线网口与WiFi射频主控芯片的以太网接口电路连接实现有线网通信。其中外围接口电路的显示窗口分可为固定显示和动态显示窗口。
电源管理模块是给整个移动式MIMO WiFi路由器系统提供电源，具体电源管理系统框图如图2所示。其中，电源管理模块分别为主控模块存储器模块、移动通信网络收发模块、WiFi无线射频模块以及围接口电路(SIM卡模块、以太网有线模块、存储卡模块、显示模块)提供各模块所需电源。其中的存储卡模块可以为TF卡、SD卡等接口模块。
如图3所示，本实用新型移动式MIMO WiFi路由器设置的网口1、存储卡槽2与SIM卡槽3、电源提示灯4、电源模块的启动键5等分别位于移动式MIMO WiFi路由器边框的侧面上。通过系统软件设置可以通过有线网口1实现无线网络转有线网络功能，可在没有有线网接入的情况下实现有线网输出；同时通过系统软件设置也可实现有线网转无线WiFi的功能，可以在有线网接入情况下实现无线路由器功能。当有运营商SIM卡接入时主控制器模块会根据SIM卡槽3种类接入具体运营商所属移动通信网络，实现2G/3G/4G/5G无线网络数据处理和响应。其中通过存储卡槽2接口可扩展外部存储空间。路由器在保持电源电路正常工作的情况下，按下电源的启动键5电源提示灯4将亮起。
电源模块是为路由器(移动式MIMO WiFi路由器)的各个芯片和模块给予适配电源，其中电源采用USB接口6供电。如图4所示，电源接口在金属外壳的另一侧面，图4中，除了电源接口6，还有路由器工作时的LED固定显示窗口与动态显示窗口13。
其中的固定显示窗口由LED显示灯组成，共有6种显示功能：是当路由器接入电源，并且各个功能芯片和模块电源正常，此时显示灯7亮起，显示灯7为POWER灯，表示路由器运行正常；当插入SIM卡时，SIM卡与主控制模块建立连接，主控制芯片连接到移动通信网络收发模块，移动通信网络收发模块通过工作于移动通信多频天线，实现与最近基站的连接，当连接成功时，2G/3G/4G/5G通信显示灯8亮起；除了对无线网进行连接以外，在家庭或者办公室可以进行有线网的接入，当接入有线网时，网口LED灯会闪烁，当接入成功后，LED显示灯9亮起；有客户连接入WIFI路由器提供的局域网接口，若客户WIFI连接成功，则WiFi的LED显示灯10也亮起；无论是无线网络还是有线网络，在实现了连接时，LINK显示灯11都会闪烁；当插入TF卡后建立数据交换时ETH显示灯12会亮起。其中的动态显示窗口13为路由器输出显示界面，路由器当前系统工作情况，如无线信号连接强弱程度以及电源内部锂电池使用情况可通过动态显示窗口13查看。
WiFi MIMO双频天线和匹配网络以及WiFi无线通信收发模块互联电路框图如图5(a)和图5(b)所示，路由器的主控制器模块与WiFi无线通信模块通过相关信号接口电路实现数据的实时处理。WiFi MIMO天线通过射频匹配网络完成WiFi通信模块射频信号收发功能，射频匹配网络用以实现2.4GHz和5.8GHz信号工作时WiFi通信模块与WiFi MIMO天线的阻抗匹配功能。其中射频匹配网络可分为独立馈四端口馈电与分时双端口馈电。可通过对蛇形缝隙开槽进行2.4GHz与5.8GHz频段端口独立馈电使WiFi天线工作在双频四通道情况下，系统框图如图5(a)所示，也可以通过射频开关切换分别使2.4GHz与5.8GHz频段其中一路导通使WiFi天线工作在双频双通道情况下，系统框图如图5(b)所示。
所述WiFi MIMO天线的结构图如图6所示，其中MIMO缝隙天线14和MIMO缝隙天线15基于金属外壳的设计，该天线利用金属外壳面上进行开槽，通过特殊的MIMO缝隙天线14结构，使天线能够实现双频段工作，WiFi MIMO天线单元分别位于路由器相邻的两个侧面上，形状为由一个蛇形开MIMO槽缝隙14以及内部微带馈线组成，通过耦合馈电激励，实现天线双频辐射特性，该缝隙可看作有特殊开槽耦合谐振结构的辐射天线。所述MIMO缝隙天线位于路由器的相邻两侧，主要是MIMO缝隙天线14和MIMO缝隙天线15的辐射方向形成交叉极化，从而降低了天线之间的耦合度，使两个天线工作是相互干扰较少，其中两个天线的金属地16即是所述WiFi路由器的金属边框。在图6中MIMO缝隙天线14和MIMO缝隙天线15虽然位于路由器的正交的侧面上，但是路由器由于整体尺寸紧凑使得两个MIMO天线单元的隔离度受到影响，需采用内部特殊结构进行隔离，达到MIMO系统所需的隔离度。其中WiFi MIMO天线的特殊隔离结构17如图7所示。通过矩形金属片上面开槽结构设计实现WiFiMIMO天线隔离特性。其中图7为隔离结构17具体模型。其中的隔离结构17上采用特殊开槽结构18设计，开槽结构18的长度与MIMO WiFi天线工作波长相关，可以等效为具有滤波特性的缺陷地结构，以实现MIMO WiFi天线的隔离。针对该路由器结构经不同位置装配实验优化本实用新型采用对角线装配隔离结构17实现WiFi MIMO天线的隔离特性。也可进行非对角线装配实现隔离特性，需要指出的是，采用对角线和非对角线装配都是本实用新型专利所保护的范围。
所述WiFi MIMO缝隙天线系统由隔离结构17、两个相同阵元结构组成。该系统所设计的新型隔离结构与阵元结构的优点在于满足MIMO天线隔离度的情况下，利用路由器金属外框可实现MIMO天线双频辐射特性。图8(a)、图8(b)、图8(c)、图8(d)分别是所述WiFi MIMO天线的不同S参数图，图8(a)和图8(b)分别为MIMO缝隙天线14端口反射S11参数图和MIMO缝隙天线15端口反射S22参数图，由图8(a)和图8(b)S参数图可知所述WiFi MIMO缝隙天线系统工作带宽均覆盖了低频2.4GHz和高频5.8GHz的WiFi无线工作频段，满足当前主流WiFi系统所需工作频段带宽要求。图8(c)为MIMO天线的隔离参数图，可知其工作频段内MIMO天线单元间的隔离度在整个频段内都S12值都小于-10dB。为了证明隔离结构17有效性，图8(d)给出了采用隔离结构17与不采用隔离结构17时S12对比值，其中曲线19为不加隔离结构时S12值，曲线20为增加隔离结构后的S12值。显然未增加隔离结构17时的曲线19的S12值在低频2.4GHz接近-5dB，增加隔离结构17后的曲线20的S12值在低频2.4GHz附近为接近-15dB，有10db隔离性能的显著提高。
由于基于金属外壳的移动式MIMO WIFI路由器处于移动的状态下，路由器采用连接2/3G/4G/5G无线网络接入，再通过WiFi无线通信模块进行数据转发。其中2/3G/4G/5G无线网络接入通过移动通信网络收发模块、匹配电路、多频移动通信天线实现。2/3G/4G/5G无线网络接入系统框图如图9所示。主控制器模块链接到射频匹配网络与移动通信模块，主控模块通过移动通信模块工作现场具体监控到的网络实际情况对射频匹配网络进行反馈，通过射频匹配网络内部的射频开关切换电路选择合适的匹配电路通道与移动通信多频天线连接，从而保证2/3G/4G/5G信号无线最优化接入，路由器的主控制器模块与移动通信模块协作进行数据处理，实现2/3G/4G/5G无线网络通信功能。
因所述路由器基于金属边框设计，对移动通信多频天线电磁信号具有屏蔽特性，为解决金属结构对移动通信多频天线电磁屏蔽问题，本实用新型提出了一种采用金属外壳底面和顶部矩形开槽结构设计21如图10所示。矩形开槽结构设计21一方面为移动通信多频天线提供设计空间，另一方面可避免全金属外壳引起的电磁信号屏蔽问题。本实用新型提出一种移动通信多频天线，该天线采用互补偶极子结构，如图11(a)所示。所述该偶极子天线22形状为矩形金属贴片加C型开槽组成形状类似字母G字结构，采用开槽技术可有效增加电流路径以及拓宽天线工作频段，实现天线小型化与多频段特性。其中图11(a)所示的23结构为偶极子天线馈电点。安装在路由器底部和顶部的开槽结构21内的偶极子天线为2*1MIMO结构，俯视效果图如图11(b)所示。
偶极子天线还需要加载匹配网络实现阻抗匹配，使其能够覆盖2/3/4/5G无线通信频段，通过切换匹配网路中的射频开关可以选择移动通信网的高频段和底频段，这样就可以实现2/3/4/5G网络的优化链接。由图12(a)、图12(b)可以看到通过切换匹配网络中开关，可以得到覆盖无线蜂窝网高频段图12(a)和低频段图12(b)工作频带典型示意图。移动通信多频天线22置于基于金属外壳的MIMO WIFI路由器的低部或顶部，路由器通过该天线实现与基站建立连接，实现无线2/3/4/5G网络的数据传输。
基于金属外壳的移动式MIMO WiFi路由器，通过移动通信多频天线，移动通信网络收发模块以及SIM卡模块，将附近的无线网基站与路由器建立通信连接，实现无线网络的数据传输。主控制器模块在建立2/3/4/5G网络通信的基础上，将数据传输到路由器的各个连接终端。此时将开放WiFi无线接入口，让客户接入无线局域网，实现电子设备接入因特网。同时主控制器模块会将接入客户信息和流量产生的情况存储在存储器模块，同时主控制器模块的主控芯片(2.4GHz与5.8GHz双频MIMO路由器芯片)通过管理存储器模块，实现任务的调配和限制接入用户量人数。
基于金属外壳的移动式MIMO WiFi路由器，通过网口，以及以太网芯片所搭接的以太网有线模块，将和家庭、酒店或办公室等有固定的有线网络进行连接。这样，将由有线网络和具有金属外壳的MIMO WiFi路由器建立通信连接，实现有线网络传输。主控制器模块在建立有线网络通信的基础上，将数据传输到路由器的各个连接终端。同时将开放WiFi无线接入口，让客户接入无线局域网，让具有无线通信的电子设备接入因特网。对于金属外壳的移动式MIMO WiFi路由器可以在满足移动性的同时，也可以提供在目的地和出发地提供有线高速的数据传输。在客户接入到路由器中，主控制器模块将实时监测客户数和流量使用数量。当客户连入的数量较多而无法为已连入的客户提供有效的数据传输时，会启动限制客户接入功能，将所采用的流量进行有效记录，当流量超额时，将启动流量超额报警和流量限制。
安装在路由器底部和顶部的开槽结构21内的偶极子天线22为2*1MIMO结构，为提高移动通信系统容量，本实用新型同时采用多阵列MIMO天线结构设计。本实用新型同时提出了一种多分枝结构的小型化微带天线单元。天线单元具体结构如图13所示的天线单元24的具体结构，其中标号25为新型多分枝辐射臂结构，其中标号26为对地短路加载点，其中标号27为天线馈电点。天线采用新型多分枝辐射臂结构25可实现宽频带特性，采用对地短路加载点26可实现天线小型化，该短路结构类似于平面倒F天线的短路点。
图14(a)、图14(b)、图14(c)、图14(d)即为基于金属外壳的MIMO WiFi路由器的多阵列MIMO天线设计演化图。其中图14(a)为单个阵子结构，图14(b)为两个阵子结构(2*1)的一种特殊装配情况，图14(c)为四个阵子结构(2*2)的一种特殊装配情况，图14(d)为八个阵子结构(2*4)的一种特殊装配情况。
图15为移动通信多频MIMO天线2*4阵列总体装配示意图，分为三层结构，顶层为新型天线阵列结构，中间层为天线介质基地，底层为金属外壳路由器结构表层。针对6GHz以下工作频段，为减小中间层微带天线介质基板厚度，本设计引入高介电常数低损耗的陶瓷材料作为图15所示的中间层介质基板以满足客户对天线厚度要求。其中图16为装配后的路由器侧视效果图。其中图17为通过适当修改新型多分枝辐射臂结构25并采用相对介电常数9.6的陶瓷基板时多分枝辐射臂微带MIMO阵列单元工作于3G/4G通信频段下的天线带宽S参数图。图18为通过适当修改新型多分枝辐射臂结构25并采用相对介电常数9.6的陶瓷基板时多分枝辐射臂微带MIMO阵列单元工作于4G/5G(3.4GHz～3.6GHz/4.8GHz～5.0GHz)通信频段下的天线带宽S参数图。
移动通信多频MIMO天线置于路由器的底部或顶部，由移动通信多频偶极子天线22经过底部和顶部的开槽结构21与外部移动蜂窝基站实现通信。也可由移动通信多频MIMO天线24与外部蜂窝移动基站实现通信。
其中所述WiFi MIMO缝隙天线14与WiFi MIMO缝隙天线15置于路由器的两个相邻的侧面上，MIMO缝隙天线地即为基于金属外壳移动式路由器的金属外壳，路由器的底部四周和边框均为金属构成。电源接口，卡槽，电源提示灯等均位于路由器的侧面上。
需要声明的是S参数图影响因素很多，上述全部S参数只是某种特殊情况结果，通常情况下因路由器外壳类型，天线结构参数，板材介质参数，内部电路结构等因素影响测试或仿真结果将会与文中所述S参数不一致，但不影响本实用新型的所有天线结构均属于权利保护范围。
尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解的是，在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种等效的变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同范围限定。