SE506106C2 - Antennförstärkare - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 566 106 2 förstärkare. På ömse sidor om det mittplacerade filtret för sändarbandet sitter anslutningar för anslutning till en antenn resp. till en nedledning till en fast station. Det beskrives också en anordning där det första och det andra filtret för mottagningsbandet är anordnade sida vid sida i var sin kavitet, med filtret för sändarbandet monterat vinkelrätt däremot, i en särskild kavitet och varvid kopplingen sinsemellan sker via aperturer och inkopplande förstaresonatorer.

En antennförstärkare av det avsedda slaget är avsedd att monteras uppe i ett torn, som kan vara 60 meter högt, och där service sker genom att servicemannen klättrar på stege och arbetar utomhus. Det är därför ett syfte enligt uppfinningen att en förstärkare av avsett slag skall vara hanterlig, lätt utbytbar och effektiv. Antennförstärkaren skall också kunna massframställas till ett rimligt pris, med hänsyn till det stora antal som behövs för en utbyggd mobiltelefontrafik. Den skall vara lätt att ansluta, oöm och så liten och lätt som ~möjligt.

En viktig synpunkt är därvid att man vill kunna fullt ut utnyttja de möjligheter som ges genom integrerade kretsar, om de direkt, utan exempelvis koaxialkopplingsdon, med kopplingsförluster och distorsioner som är så små som möjligt, kan erhålla anslutning till filteranordningarna.

Dessa syften uppnås enligt uppfinningen genom en antennförstärkare av det slag som anges i den kännetecknande delen av patentkrav 1.

Två väsentliga särdrag i äkta kombination bidrar härtill: Konstruktionen av comb-line-filter med anslutning via kopplingspinnar för dess in- och utgångar och upptagna i en hästskoformat omvikt kavitet bildad av ett metallhölje och en förstärkare på ett mönsterkort, med ingången anpassat ansluten till filtret via en mot kretskortet infogad vinkelrätt inkommande anslutningspinne. Genom denna konstruktion uppnås på ingången en särdeles förlustarm BNsDoc1o 506 106 3 anslutning, särskilt i jämförelse med en via koaxialförbindelse gjord koppling till en separat förstärkare. Genom sammanläggningen av mönsterkortet till en rigid metallkonstruktion som upptar själva filtret fullbordas 5 kombinationen.

Den uppfinningsmässiga kombinationen kan utnyttjas antingen med en kombination med gemensam uppledning och nedledning, eller med separata upp- och nedledningar. I det förra fallet 10 fordras filter inte bara för att utseparera mottagarsignalen utan också för att föra den förstärkta mottagarsignalen till den gemensamma upp- och nedledningen.

För kombinationen med gemensam upp- och nedledning anordnas enligt en variant en filteranordning där tvá parallellt 15 anordnade filter har nära varandra liggande ingångar och dessa dessutom är inbördes förenade med ett annat filter, utan behov av hybridisering mellan Coax Cavity och Comb Line.

Det visar sig då enligt uppfinningen vara möjligt att förena de tre filtren och de nämnda två in/utgàngarna till en enda 20 kavitet med två parallella raka partier och ett omböjt, förenande parti, som upptar det mittersta filtret.

Bland det man önskar förbättrat är därvid isolationen mellan sänder- och mottagarbanden, minska förlusterna i Tx-vägen och 25 minska olinjäriteten i sändarbandet, något som är ägnat att minska förekomsten av s.k. spurious intermodulation products, minsta möjliga brusfaktor för mottagningen och största möjliga effektiva utstrålning för sändningen liksom låg vikt och storlek. 30 Själva förstärkaren är därvid monterad i ett mönsterkort förlagt intill kaviteten, och inkopplingen sker genom inkopplingspinnar, antingen direkt med induktiv koppling eller med kapacitiv koppling, till ledningar i kretskortet av 35 typ microstrip eller stripline och med vederbörlig anpassning.

Vid mobilkommunikation ligger vanliga frekvensband vid 1700 - 2000 MHz resp. vid 800 - 1000 Mz. Frekvensavstàndet mellan BNSDOCIDI 10 15 20 25 30 35 506 106 4 sändar- och mottagningsband är i allmänhet 20 MHz. Det rör sig om frekvensomràden lämpliga för tillämpning av mikrovàgsteknik.

Uppfinningen skall nu närmare belysas i utföringsexempelform i anslutning till figurerna.

Fig. 1 visar ett schematiskt diagram över en antennförstärkare för duplexoperation, i enlighet med tidigare känd teknik.

Fig. 2 visar ett schematiskt diagram över en antennförstärkare med ett kombinerat filter enligt uppfinningens grundläggande princip.

Pig. 3 visar schematiskt ett omvikt dual duplex-filter i enlighet med föreliggande uppfinnings principer.

Fig. 4A, 4B och 5 visar perspektivvyer av ett konstruerat filter.

Fig. 6 A - C visar en màttsatt ritning av ett exempel på ett dual duplex-filter.

Fig. 7 och 8 visar exempel på induktiv inkoppling till ett kretskort.

Fig. 9 A,B och 10 A,B visar frekvenskurvediagram för ett injusterat exemplar av den i Fig. 6 A - C visade utföringsformen, med frànkopplad förstärkare resp. med fungerande förstärkare för från antennsidan kommande signaler.

Fig. Fig. ll A, B och 12 A, B visar anpassnings- resp. transmissionskurvor för samma utföringsform.

Fig. 13 visar en delvis som sprängskiss utförd skiss som visar den allmänna konstruktionen av en annan utföringsform av uppfinningen.

Den schematiska fig. l visar en känd antennförstärkare inkopplad mellan en antenn och en uppledning (Tower Mounted low noise Amplifier, TMA). Medelst tvà duplexfilter erhålles två ledningsgrenar, den ena Tx för sändarsignalen, den andra Rx för den mottagna signalen, vilka alltså kan skiljas åt genom filter tack vare att de ligger inom olika frekvensband.

Dylika bredbandsfilter brukar vara sammansatta av resonatorer med något olika avstämningsfrekvenser i s.k. comb-line- BNSDOCID: 10 15 20 25 30 35 506 106 5 filter. Tydligtvis åtgår i denna konfiguration fyra sådana filter, nämligen i vardera duplexern ett bandpassfilter för Tx- och ett för RX-frekvensbandet. Lågbrusförstärkaren LNA är inkopplad i Rx-grenen.

I enlighet med en grundläggande princip för uppfinningen, angiven i svenska patentansökan 9502604-3 av den 14 juli 1995 och ej allmänt tillgänglig, eliminerar man nu ett av fyra filter, i enlighet med schemat i Fig. 2. Transceiver- anslutningen BTS kommer därvid att kunna leverera sändareffekt till antennen endast via Tx, avstämt till dess frekvensband. Antennens mottagna signal kan endast ta sig via Rxl till ingången på lågbrusförstärkaren LNA, vars utsignal via filtret Rx2 passerar till BTS.

En jämförelse med Fig. 1 visar att man i Tx-vägen utöver elimineringen av ett filter också reducerar från 4 anslutningspunkter till 2. Såvitt avser Tx-vägen halveras sålunda i princip anslutningsförlusterna. Därmed uppnås en förbättring i ERP (Effective Radiative Power).

För frekvenser inom bandet 1700 - 2000 MM: kan längden på en filterlåda med rak kavitet hållas vid en någorlunda måttlig längd, men för bandet 800 - 1000 Mmz blir emellertid längden konstruktionsmässigt ungefär dubbelt så stor. Man har därför intresse av att kunna vika densamma redan för att korta längden. Anslutningarna 3 och 4 för förstärkaren LNA kommer då varandra närmare, vilket ytterligare underlättar deras anslutning till ett och samma kretskort. vid en utveckling av denna grundtanke har filterkombinationen i Fig. 3 framkommit. Inkopplingselementen för antenn resp. sändarmottagare är anordnade tillsammans med Tx-filtret i en böjd del av en kavitet, medan Rx-filtren är monterade i var sin parallell rak del av samma kavitet, vilka utgör förlängningar på ömse sidor av böjen, som upptar l80°.

Kopplingselementen mot sändare och antenn förläggas ungefär vid böjens ändar. Kopplingselementen 3 och 4 vid kaviteternas BNSDOCID: 10 15 20 25 30 35 506 106 6 motsatta ändar hamnar nu pà bekvämt avstånd fràn varandra, vilket underlättar en integrerad inkoppling av en förstärkare på ett utanpå filterkonstruktionen monterat kretskort.

Konstruktion av combline-filter av det enligt uppfinningen aktuella slaget undandrar sig i stor utsträckning analytisk behandling. Konstruktionen sker därför lämpligen genom simulering i datamaskin. Rent generellt börjar man därvid med ansatser och successiva beräkningar bestämma kopplingskoefficienterna, dvs. avstànden mellan de successiva resonanskretsarna, för att erhålla en lämplig bandbredd.

Detta fastlägger den mekaniska konstruktionen. Justering av filtren sker sedan med tillhjälp av en nätverksanalysator.

Som inledningsvis nämnts, är isolationen mellan frekvensbanden Tx och Rx en av de viktiga faktorerna. I princip kan detta uppnås antingen genom filter med högt polantal, vilket emellertid är förenat med motsvarande höga förluster, eller använda färre poler och införa extra nollställen. I konstruktionen enligt Fig. 3 har därför vid inkopplingselementen 3 och 4 insatts notchar N som fungerar som smalbandiga bandspärrfilter, inställda till en tangerande frekvens mellan Rx- och Tx-banden. Därmed ökar brantheten och separationen. Då dessa element är förlustfria i resp. passband, minimeras filterförlusterna.

Som nämnts, har inkopplingselementen 3 och 4 funktionen att koppla signalen mellan LNA och Rx-filter, men de används samtidigt för inkoppling av notcharna N. En annan viktig fördel med denna typ av inkopplingselement är att tredje ordningens intermodulationsprodukter (IM3) minimeras. IM3 är ett mått pà enhetens linearitet.

I Pig. 4 A visas en perspektivvy av ett öppnat filter enligt uppfinningen, och Pig. 4 B visar dess avtagna lock från insidan. Pig. 5 visar den i Fig. 4 A ej visade "undersidan" med ett kretskort med delvis blott schematiskt visad förstärkningskrets. Den omböjda kaviteten, med tvärsnittet 21 x 36 mm, är upptagen i massiv aluminium och försilvrad pà BNsDomD; 10 15 20 25 30 35 506 106 7 ytan. Anslutningarna för antenn och BTS, liksom förut betecknade 1 och 2, är gjorda med koaxialkontakter l'och 2' under anpassning till 50 ohm via omböjda tenar, som inträder i kaviteten och när locket är påsatt elektriskt och mekaniskt skruvade vid locket via hål 1" resp. 2". Fràn botten av kaviteten i Fig. 4A uppsticker pelare 10 för Tx och ll för Rx, vilka fungerar som resonansernas induktanser, och från locket inkommer trimskruvar 12, som med pelarnas överytor bildar reglerbara kapacitanser för resonanskretsarna.

Notcharna N har också kapacitetsbestämmande skruvar 12 (delvis skymda i Fig. 4B). Uttagen 3 och 4 (Fig. 3) är ordnade genom pelare 13, som är monterade i locket (Fig. 4B) och utgår genom hål i botten (Pig. 4A) till kretskortsanslutningar 14, och är där inlödda. Fig. 4A och 4B visar anordningen före detta tillverkningssteg.

Dessa lödpunkter 14 visas i Pig. 5 pà rätsidan av kretskortet 20. Kretskortet 20 är gjort av ett plastmaterial med låga förluster och pà undersidan försett med ett jordplan (ej visat), vilket gör det möjligt att uppbygga kretsar i microstrip och inkoppla anslutningarna direkt till filtrets för förstärkaren LNA avsedda in- och utgångar. Denna inkoppling visas i Fig. 6 och 7. Pelarnas 13 ändar är avsmalnande vid 15 och dragna genom ett hàl upptaget genom kretskortet 20 (och genom jordplanet) och på andra sidan om detta förbundna via en lödfog 14 till en mikrostrip-ledning 21. Genom en dylik genomgång kan man åstadkomma en anpassning till 50 ohm, och ett eventuellt uppstàende fasfel kan regleras med en i Fig. 8 visad omgivande jordpad 22 och en icke visad kondensator. Pâ kretskortet som visas i Fig. 5 har den där befintliga förstärkaren LNA ej utritats utan bara antytts med streckade symboler, med hänsyn till att själva förstärkaren till sin typ är känd för fackmannen. - Denna anslutning mellan filter och förstärkarkrets är av induktiv typ - men även kapacitiv koppling är möjlig.

EXEMPEL Ett specifikt utförande av en filterkombination av angivet slag framgår av i mm máttsatta Fig. 6 A-C, som visar vyer av BNSDOCID: <5E7__5O6106C2_l > 10 15 20 25 30 35 506 106 8 den i Fig. 4A, 48 och 5 visade anordningen, varur fullständiga mått kan hämtas av ett utföringsexempel.

Ett filter enligt konfigurationen i Fig. 3 uppbyggdes sålunda, ehuru med tre resonatorer i Tx-delen och resp. 6 resonatorer i Rx-delarna. De avsedda frekvensbandsgränserna var för Tx 1,850 - 1,875 GHz och för Rx 1,755 - 1,780 GHz.

Fig. 9 A, B resp. 10 A, B visar förstärkarkonstruktionens prestationer. A-kurvorna visar terminalanpassning, B-kurvorna TMA:s transmissions-karakteristik.

Man kan i Pig. 10 B särskilt lägga märke till att signaler i mottagarbandet förstärkts med drygt 12 dB. Fig. 9 B visar att om förstärkarens funktion bortfaller, konstruktionen är oskadlig, i det att signalerna går ostörda igenom filterkonstruktionen.

Figurerna 11A och B och figurerna 12 A och B visar filterkurvor för resp. den ena Rx- och Tx-vägen. A-kurvorna visar terminalanpassning, Kurvan i Fig. 11 B visar transmissionen mellan anslutningar 1 och 3 (som liknar den mellan 2 och 4, som därför ej visas), medan Fig. 12 B visar transmissionen mellan 1 och 2. Av kurvorna framgår att mycket höga dämpningsvärden uppnås.

Förstärkaren år en lågbrusförstärkare uppbyggd på ett kretskort, med den höga precision i anpassningar m.m. som är möjlig vid denna teknik. Genom en sådan inkoppling minimerar man förlusterna och kan erhålla en optimerad låg brusfaktor för mottagningsbandet Rx.

Som inledningsvis nämnts, kan uppfinningen även tillämpas på det fall då separata ledningar används för uppledning av sändareffekt och nedledning av mottagna signaler. En schematisk vy i Pig. 13 visar en dylik konstruktion. För bättre förståelse har av den filtret upptagande kaviteten endast ritats ut en bottenyta 30 med däri fästa resonatorpinnar 11 och notchpinnar N, jämte därbredvid locket 31. Genom filtret mellan kopplingspinnarna 1 och 2 kopplas BNSDOCID: 10 15 20 25 BNSDOCID' 506 106 9 sändareffekten till antennen. Den från antennen kommande mottagna signalen går via det med sex resonatorpoler försedda, krökta filtret till utkopplingspinnen 13, som på samma sätt som i Fig. 7 och 8 utkopplar signalen till den pá kretskortet 20 monterade förstärkaren. I Fig. 14 visas tydligare hur denna utkoppling med anpassning sker till en standardiserad koaxialkontakt. - Vid locket visas skruvar 32, vilka i den hopsatta apparaturen är inskruvade i inkopplingspinnarna 1, 2 och 13. Locket är givetvis också fastskruvat i de icke visade väggarna till kaviteten, som i likhet med vad som visas för det först beskrivna utförandet är urfräst ur ett aluminiumstycke samt invändigt försilvrad.

Varje resonatorpinne ll kompletteras i locket av en genom ett motstàende hål inskruvad trimskruv 12, som låses med en lásmutter 33. Ehuru bara en sådan uppsättning visats, inser man att det finns en för varje resonator och en för varje notch-resonator N.

Man får här en synnerligen praktisk, monolitisk anordning, som tack vare den hästskoaktigt krökta filterkonstruktionen erhåller hanterlig längd. Det är, sà som visas, möjligt att förlägga samtliga tre anslutningar pà samma sida i rad som koaxialkontakter på ett inbördes avstånd som medger bekväm pá- och avmontering av koaxialkablar.

WSOB 106C2 I _ >

Claims (7)

10 15 20 25 30 35 506 106 10 Patentkrav

1. Antennförstärkare med en antennanslutning, en till antennanslutningen via ett första bandpassfilter (Tx) för sändarfrekvenser ansluten sändaringàng (2) och en till antennanslutningen via ett andra bandpassfilter (Rx: Rxl) för mottagarfrekvenser ansluten ingång till en förstärkare för mottagarfrekvenser, vilken har en utgång som är anslutningsbar till en mottagare, kännetecknad av att bandpassfiltren utgöres av comb-line- filter som har sina resonatorer upptagna i en hästskoformat omvikt kavitet bildad av ett metallhölje, och förstärkaren är uppbyggd i ett kretskort i microstrip- eller eller stripline- teknik och med en ingång anpassat ansluten via en vinkelrätt mot kretskortet infogad anslutningspinne (Pig. 7), och av att vid kavitetens báda ändar är anordnade var sin anslutningspinne (3, 4).

2. Antennförstärkare enligt krav 1, kännetecknad av att vid kavitetens båda ändar, utanför de där anordnade anslutningspinnarna (3, 4), är anordnade var sin notch- resonator (N).

3. Antennförstärkare enligt krav 1 eller 2, kännetecknad av att två comb-line-filter är anordnade i den hästskoformade kaviteten, ett första (Tx), för sändarfrekvenser, helt upptaget i hästskoformens ena skänkel, ett andra (Rx) för mottagarfrekvenser, upptaget i hästskoformens övriga del, innefattande den andra skänkeln och kröken, varvid det andra filtret har ett större antal resonatorer än det första.

4. Antennförstärkare enligt krav 1 eller 2, kännetecknad av att tre combline-filter är anordnade i den hästskoformat omvikta kaviteten, med var sitt bandpassfilter för mottagarfrekvens (Rx) vid hästskoformens resp. skänklar och ett bandpassfilter för sändarfrekvens vid dess krök, med antenn- resp. nedledningsanslutande kopplingspinnar (1,2) mellan comb-line-filtren och invid skänklarnas ändar var sin aNsDoc|o; 10 15 20 25 506 106 ll kopplingspinne (3,4) för anslutning till den kretskortsmonterade förstärkarens resp. ingång och utgång.

5. Antennförstärkare enligt något av föregående krav, kännetecknad av att anslutningen till den kretskortsmonterade förstärkarens ingång är gjord med en anslutningspinne (13) som med sina ena ände är fästad vid en vägg i kaviteten och dess andra ände är utdragen genom ett hål i en motsatt vägg i kaviteten samt är i kontakt med en i kretskortet anordnad, impedansanpassad kretskortsledare (21), utgörande en induktiv koppling till kretskortsledaren.

6. Antennförstärkare enligt något av krav 1 - 4, kännetecknad av att nämnda anslutningspinne är med sin ena ände fästad vid en vägg i hålrummet samt via ett hål i en motsatt vägg i hålrummet kapacitivt förbunden med en i det nämnda kretskortet anordnad, impedansanpassad kretskortsledare.

7. Antennförstärkare enligt något av föregående krav, kännetecknad av att de nämnda antenn- resp. nedledningsanslutande koppingspinnarna är kopplade till var sin koaxialanslutning. BNSDOCID: