SE516788C2

SE516788C2 - Mounting of an antenna assembly including a printed circuit board secured to a rigid metal reflector possibly by adhesive tape

Info

Publication number: SE516788C2
Application number: SE9904370A
Authority: SE
Inventors: Bjoern Lindmark; Per-Anders Arvidsson
Original assignee: Allgon Ab
Priority date: 1999-12-01
Filing date: 1999-12-01
Publication date: 2002-03-05
Also published as: SE9904370D0; SE9904370L

Abstract

A printed circuit board (10) carries a thin metal ground plane layer (11) on its front side and apertures (12) serving is radiating elements in order to couple high frequency electromagnetic power between a feed network on the rear side and a radiating patch (30). The feed network includes micro-strips (13) each associated with an aperture so that two orthogonally polarized microwave carriers with superimposed mobile telephone signals are transferred to the radiating patch, while shielding boxes (14) prevent backward radiation and propagation of radiation in a longitudinal direction on the rear side. AN Independent claim is included for an antenna assembly.

Description

20 25 30 516 788 2 Sådana plana antennkonstruktioner består vanligen av ett ledande jordplan med en apertur. En matningsledning i microstrip är anordnad tvärs över aperturen. Vidare är en strålande patch anordnad parallellt med jordplanet ovanför och på avstånd från aperturen. Vidare är en öppen skärmad, jordad låda anordnad på motsatt sida om jordplanet för att rikta antennstrålningen väsentligen mot patchen. 20 25 30 516 788 2 Such planar antenna structures usually consist of a conductive ground plane with an aperture. A supply line in microstrip is arranged across the aperture. Furthermore, a radiating patch is arranged parallel to the ground plane above and at a distance from the aperture. Furthermore, an open shielded, grounded box is arranged on the opposite side of the ground plane to direct the antenna radiation substantially towards the patch.

SE-C2-504 950 och SE-C2-504 951 beskriver några metoder att kyla en krets integrerad i en antennanordning, varvid luft bringas att strömma i en kavitet och kylflänsar dimensioneras för att förbättra antennfunktionen.SE-C2-504 950 and SE-C2-504 951 describe some methods of cooling a circuit integrated in an antenna device, whereby air is caused to flow in a cavity and cooling flanges are dimensioned to improve the antenna function.

Vid konstruktion av en antenn för små basstationer är det önskvärt att integrera basstationen i antennenheten eller att placera antennen i basstationen i syfte att erhålla en kompakt enhet. Antennelementet kan därvid anslutas till RF- och digitalkretsarna utan omständliga anslutnings- och kabel- arrangemang. Vid integrering av antennen och basstationen måste man kompromissa ifråga om de båda enheternas elektro- mekaniska utformning. Basstationen avger värme och dess kretsar kräver i allmänhet EMI-skydd eller avskärmning från omgivningen. Enligt konventionell teknik för placering av kretsarnas elektriska komponenter anordnas ett kretskort (PCB) med tryckta kretsar i två (ett enda skikt är möjligt) eller flera skikt, till vilka komponenterna anslutes genom lödning.When designing an antenna for small base stations, it is desirable to integrate the base station into the antenna unit or to place the antenna in the base station in order to obtain a compact unit. The antenna element can then be connected to the RF and digital circuits without cumbersome connection and cable arrangements. When integrating the antenna and the base station, the electromechanical design of the two units must be compromised. The base station emits heat and its circuits generally require EMI protection or shielding from the environment. According to conventional technology for placing the electrical components of the circuits, a circuit board (PCB) with printed circuits is arranged in two (a single layer is possible) or several layers, to which the components are connected by soldering.

Komponenterna placeras normalt på båda sidor om kretskortet, antingen genom ytmontering eller via-montering. Kretskortet är normalt inneslutet i en ledande (metallisk eller metalliserad) låda för att åstadkomma avskärmning. Lådan eller huset kan även förses med kylflänsar för att öka värmeöverföringen från de inneslutna kretsarna. 70249 - svensk text; Ol-ÛB-Zl 10 15 20 25 30 516 788 3 En antenn av ovan nämnt slag är särskilt lämpad för utformning i PCB-teknik. Naturligtvis kommer antennelementet att överföra RF-energi som kan påverka funktionen hos basstationens kretsar om de ej är avskärmade på lämpligt sätt. Emellertid kan en antenn anordnad direkt på ett kretskort ej stråla på grund av avskärmningen. Å andra sidan skulle placeringen av en antenn utanför kretsarnas avskärmning kräva minst ett ytterligare kretskort, vilket medför extra komponenter och monterings- kostnader. Uppfinningen hänför sig mot denna bakgrund till att åstadkomma en transceiverkrets och minst ett antennelement på samma kretskort under bibehållande av fullgod isolering mellan de båda.The components are normally placed on both sides of the circuit board, either by surface mounting or via mounting. The circuit board is normally enclosed in a conductive (metallic or metallized) box to provide shielding. The box or housing can also be fitted with cooling fins to increase the heat transfer from the enclosed circuits. 70249 - Swedish text; Ol-ÛB-Zl 10 15 20 25 30 516 788 3 An antenna of the kind mentioned above is particularly suitable for design in PCB technology. Of course, the antenna element will transmit RF energy which may affect the operation of the base station circuits if they are not properly shielded. However, an antenna mounted directly on a circuit board cannot radiate due to the shielding. On the other hand, the placement of an antenna outside the shielding of the circuits would require at least one additional circuit board, which entails additional components and assembly costs. Against this background, the invention relates to providing a transceiver circuit and at least one antenna element on the same circuit board while maintaining adequate isolation between the two.

Såsom kommer att framgå av denna beskrivning finns även ett antal andra antennkonstruktioner som kan fungera bra i kretskortsteknologi.As will be apparent from this description, there are also a number of other antenna designs that can work well in circuit board technology.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Sålunda är uppfinnings huvudsyfte att integrera transceiver- kretsar och en antenn pà ett kretskort. Ytterligare ett syfte är att åstadkomma isolation mellan kretsarna och antennen. Ännu ett syfte är att åstadkomma en effektiv strålande anordning i konstruktionen enligt uppfinningen.SUMMARY OF THE INVENTION Thus, the main object of the invention is to integrate transceiver circuits and an antenna on a circuit board. Another object is to provide isolation between the circuits and the antenna. Yet another object is to provide an effective radiating device in the construction according to the invention.

Dessa och andra syften uppnås med anordningar enligt bifogade krav, samtidigt som ovanstående problem löses.These and other objects are achieved with devices according to the appended claims, while at the same time solving the above problems.

En särskild fördel med uppfinningen är att kretskortet kan användas för all signalöverföring i anordningen, varvid den således är lämpad för automatisk montering och kostnads- effektiv tillverkning i stor skala. Vidare möjliggör 70249 - svensk text; 01-03-21 10 15 20 25 30 516 788 uppfinningen en mycket kompakt konstruktion, som har låg vikt och är enkel att hantera vid installation.A particular advantage of the invention is that the circuit board can be used for all signal transmission in the device, whereby it is thus suitable for automatic assembly and cost-effective manufacture on a large scale. Furthermore, 70249 - Swedish text enables; 01-03-21 10 15 20 25 30 516 788 invention a very compact construction, which has low weight and is easy to handle during installation.

Andra fördelaktiga utföringsformer av uppfinningen anges i de beroende kraven och i nedanstående detaljbeskrivning.Other advantageous embodiments of the invention are set out in the dependent claims and in the following detailed description.

Det skall påpekas att arrangemanget med ett ledande jordplan vid öppningens botten tjänar till att rikta strålningen.It should be pointed out that the arrangement with a conductive ground plane at the bottom of the opening serves to direct the radiation.

Emellertid är det fullt möjligt att utnyttja uppfinningen för strålning såväl framåt som bakåt, varvid det väsentliga är isolationen mellan antennelementet och kretsarna.However, it is quite possible to use the invention for radiation both forwards and backwards, the essential being being the insulation between the antenna element and the circuits.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Fig. l visar en utföringsform av uppfinningen, varvid ett metallhus är försett med en icke ledande kåpa och inrymmer ett kretskort med såväl transceiverkretsar (ej visade) som ett antennelement, varvid det senare är elektriskt isolerat och är anordnat vid en öppning i huset.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 shows an embodiment of the invention, wherein a metal housing is provided with a non-conductive housing and accommodates a circuit board with both transceiver circuits (not shown) and an antenna element, the latter being electrically insulated and arranged at an opening. in the House.

Fig. 2 visar ett tvärsnitt genom en utföringsform som liknar den i Fig. l med en skärmad låda som är fastlödd vid kretskortet.Fig. 2 shows a cross section through an embodiment similar to that of Fig. 1 with a shielded box soldered to the circuit board.

Fig. 3 visar ett tvärsnitt genom ytterligare en utföringsform med en annorlunda utformad avskärmningskavitet.Fig. 3 shows a cross section through a further embodiment with a differently designed shielding cavity.

Fig. 4 visar ett tvärsnitt genom ännu en utföringsform med en avskärmad kavitet utformad som tryckta kretsar på kortet.Fig. 4 shows a cross section through yet another embodiment with a shielded cavity formed as printed circuits on the board.

Fig. 5A-5D visar alternativa antenntyper jämfört med dem i fig. 1-4. 70249 - svensk text: 01-03-21 10 15 20 25 30 n o » ø o ' I' ' | v I 0 °' no 516 788 5 BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMER Med hänvisning till fig. l visas en antenn integrerad med en basstation med små dimensioner i ett mobiltelefonsystem som kan utgöra en del av ett GSM-nät. Den integrerade anordningen 1 har ett delvis ledande hus 2 med icke visade fästorgan baktill anordnade för montering av anordningen l på en vägg eller pà en stolpe. Syftet med att använda en basstation med små dimensioner är i allmänhet att öka signalstyrkan i ett område där signalerna är svaga fràn en närbelägen, större basstation, så att man erhåller större täckning. Minst lika viktigt kan vara ett önskemål att åstadkomma en basstation med små dimensioner för ökning av antalet samtal som systemet kan hantera inom ett visst område. Basstationen har i allmänhet ett matningsgränssnitt. Ett dylikt gränssnitt innefattar normalt kablar och anslutningar för strömförsörjning av de aktiva komponenterna i basstationen liksom signalöverföring av tal- och datasignaler. Gränssnittet kan innefatta strålande organ för signalöverföring och solpaneler för strömförsörjning.Figs. 5A-5D show alternative antenna types compared to those in Figs. 1-4. 70249 - svensk text: 01-03-21 10 15 20 25 30 n o »ø o 'I' '| DESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS Referring to Fig. 1, there is shown an antenna integrated with a small dimension base station in a mobile telephone system which may form part of a GSM network. The integrated device 1 has a partially conductive housing 2 with fastening means (not shown) arranged at the rear for mounting the device 1 on a wall or on a post. The purpose of using a base station with small dimensions is generally to increase the signal strength in an area where the signals are weak from a nearby, larger base station, so that greater coverage is obtained. At least as important may be a desire to provide a base station with small dimensions for increasing the number of calls that the system can handle within a certain area. The base station generally has a feed interface. Such an interface normally comprises cables and connections for power supply of the active components in the base station as well as signal transmission of voice and data signals. The interface may include radiating means for signal transmission and solar panels for power supply.

Huset 2 inrymmer basstationens kretsar i enlighet med fig. 1.The housing 2 houses the circuits of the base station in accordance with Fig. 1.

Kretsarna (som emellertid ej visas i fig. l) är monterade på ett kretskort (PCB) 3, som har ett ledande mönster i ett skikt på ena eller båda sidorna och normalt även inuti för förbindning av de olika kretskomponenterna. Det ledande mönstret kan givetvis bilda dylika komponenter, i synnerhet för radiofrekvens. Samma kretskort kan även innefatta ett antennelement, som i denna föredragna utföringsform utgörs av en aperturmatad patchantenn. Integreringen av antennen och transceiverkretsarna på samma kretskort kombineras med en elektrisk separering av antennen och kretsarna, så att antennen ej stör kretsarnas funktion. Separeringen åstadkommes 70249 - svensk text; 01-03-21 10 15 20 25 30 516 788 6 genom en ledande kavitet 7, som är utformad som en urtagning i det ledande huset och genom kretskortet under bildande av en inneslutning av det strålande antennmönstret på kretskortet.The circuits (which are not shown in Fig. 1), however, are mounted on a circuit board (PCB) 3, which has a conductive pattern in a layer on one or both sides and normally also inside for connecting the various circuit components. The conductive pattern can of course form such components, in particular for radio frequency. The same circuit board may also comprise an antenna element, which in this preferred embodiment consists of an aperture-fed patch antenna. The integration of the antenna and the transceiver circuits on the same circuit board is combined with an electrical separation of the antenna and the circuits, so that the antenna does not interfere with the operation of the circuits. The separation is achieved 70249 - Swedish text; Through a conductive cavity 7, which is formed as a recess in the conductive housing and through the circuit board, forming an enclosure of the radiating antenna pattern on the circuit board.

Kopplingen mellan de ledande kavitetsväggarna på kretskortets framsida och dess baksida måste vara sådan, att den till antennen matade energin ej lämnar kaviteten och åstadkommer felfunktion hos kretsarna. Lämpligen är förbindningen ledande.The connection between the conductive cavity walls on the front of the circuit board and its back must be such that the energy supplied to the antenna does not leave the cavity and cause malfunction of the circuits. Conveniently, the connection is conductive.

Huset i fig. 1 innefattar vidare ett ledande, skärmande skal 2' och en icke ledande skyddskåpa 2", som genomsläpper strålningsenergi till och från antennelementet. Det ledande skalet är förbundet med signaljord och detta gäller i den föredragna utföringsformen samtliga väggar hos den ledande kaviteten på baksidan av kretskortet 3, antingen konduktivt eller kapacitivt.The housing in Fig. 1 further comprises a conductive, shielding shell 2 'and a non-conductive protective cover 2 ", which transmit radiant energy to and from the antenna element. The conductive shell is connected to signal ground and this applies in the preferred embodiment to all walls of the conductive cavity. on the back of the circuit board 3, either conductively or capacitively.

Antennelementet består av ett jordat skikt 8 på kretskortets framsida, som är försett med en slits 9 och har en matarledning 10 i mikrostrip förlöpande över densamma pà kretskortets baksida. Kavitetens 5 sidor och botten riktar antennstràlningen mot en patch ll placerad i öppningen 8.The antenna element consists of a grounded layer 8 on the front of the circuit board, which is provided with a slot 9 and has a supply line 10 in microstrip extending over it on the back of the circuit board. The sides and bottom of the cavity 5 direct the antenna radiation towards a patch ll placed in the opening 8.

Patchen uppbärs av det ledande huset medelst icke ledande ben (ej visade). Matningsledningen 10 i mikrostrip är ansluten till transceiverns RF-kretsar och förlöper därför genom den ledande kavitetens 5 väggar till en avdelning som skärmas av huset 4. Kylflänsar 12 är utformade på huset 4 för att förbättra luftströmning eller värmeöverföring från transceiverkretsarna till den omgivande luften.The patch is supported by the conductive housing by means of non-conductive legs (not shown). The microstrip supply line 10 is connected to the RF circuits of the transceiver and therefore extends through the walls of the conductive cavity 5 to a compartment shielded by the housing 4. Cooling flanges 12 are formed on the housing 4 to improve air flow or heat transfer from the transceiver circuits to the ambient air.

Likadana delar har samma hänvisningssiffror i fig. l-4. Med hänvisning till fig. 2 viss ett arrangemang, som liknar det i fig. 1, varvid emellertid flera detaljer visas, nämligen ett antennelement bestående av det jordade skiktet 8, slitsen 9, 70249 - svensk text; Ol-O3-2l 10 15 20 25 30 i 516 188 ::_«:1§1:::~.;¿f 7 matningsledningen 10, patchen ll och en avskärmad låda 13 tillverkad av metallplåt bockad till formen av en öppen låda och försedd med ett flertal stift 14, som gör elektrisk och mekanisk kontakt med kretskortets jordade skikt 8. Förenklade kretskomponenter antydes med siffran 15.Similar parts have the same reference numerals in Figs. 1-4. With reference to Fig. 2, an arrangement similar to that of Fig. 1 is shown, in which, however, several details are shown, namely an antenna element consisting of the grounded layer 8, the slot 9, 70249 - Swedish text; Ol-O3-2l 10 15 20 25 30 i 516 188 :: _ «: 1§1 ::: ~.; ¿F 7 the supply line 10, the patch ll and a shielded box 13 made of sheet metal bent into the shape of an open box and provided with a plurality of pins 14, which make electrical and mechanical contact with the grounded layer 8 of the circuit board. Simplified circuit components are indicated by the numeral 15.

Med hänvisning till fig. 3 visas ett annat arrangemang som alternativ till den skärmande lådan i fig. 2. Härvid består den skärmande lådan av separata väggar 16 och en ledande platta 17, som eventuellt utgör en del av huset. Hela anordningen hålls samman medelst skruvar 18.Referring to Fig. 3, another arrangement is shown as an alternative to the shielding box in Fig. 2. In this case, the shielding box consists of separate walls 16 and a conductive plate 17, which may form part of the housing. The whole device is held together by means of screws 18.

Med hänvisning till fig. 4 visas ytterligare ett arrangemang som skiljer sig från de skärmande lådorna i fig. 2 och 3. Den skärmande lådan består av väggar i form av ledande viahål 20, som förbinder ett ledande bakre sidoskikt 19 med det jordade skiktet 8. I denna utföringsform är kretskortet något tjockare än i fig. 2 och 3.Referring to Fig. 4, another arrangement is shown which differs from the shielding boxes in Figs. 2 and 3. The shielding box consists of walls in the form of conductive via holes 20, which connect a conductive rear side layer 19 to the grounded layer 8. In this embodiment, the circuit board is slightly thicker than in Figs. 2 and 3.

Fig. 5A visar ett alternativt utformat antennelement jämfört med föregående figurer. Den visade delen av kretskortet är väsentligen densamma som är synlig ovanför husöppningen 5 i fig. 1. Antennelementet har en resonansslits 21, som exciteras av en mikrostripledning 22 på kretskortets baksida.Fig. 5A shows an alternatively designed antenna element compared to the previous figures. The part of the circuit board shown is substantially the same as is visible above the housing opening 5 in Fig. 1. The antenna element has a resonant slot 21, which is excited by a microstrip line 22 on the back of the circuit board.

Fig. 5B visar ännu en alternativ antenn, som har två slits- kopplade patchar 23, 24 i stället för den som visas i fig. 1.Fig. 5B shows another alternative antenna, which has two slit-coupled patches 23, 24 instead of the one shown in Fig. 1.

Fig. 5C visar ännu en alternativ antenn, som utgör en tryckt dipol med L-formiga ledare på ömse sidor av kretskortet. 70249 - svensk text: 01-03-21 10 15 . . I | en 516 788 8 Fig. 5D visar ytterligare en alternativ antenn, som utgörs av en tryckt spiral 27 med en matarledning 28 på baksidan, vilken är ansluten via ett viahàl 29 till spiralens 27 mitt.Fig. 5C shows another alternative antenna, which constitutes a printed dipole with L-shaped conductors on either side of the circuit board. 70249 - svensk text: 01-03-21 10 15. . I | Fig. 5D shows a further alternative antenna, which consists of a pressed coil 27 with a supply line 28 at the rear, which is connected via a via hole 29 to the center of the coil 27.

Uttrycket transceiver betyder i denna beskrivning en anordning, som kan motta och/eller sända signaler. I före- liggande uppfinning åstadkommes mottagning och/eller sändning med ett hjälp av ett antennelement.The term transceiver in this specification means a device which can receive and / or transmit signals. In the present invention, reception and / or transmission is provided by means of an antenna element.

Uppfinningstanken kan tillämpas på olika anordningar.The inventive concept can be applied to various devices.

Utföringsformerna utgör föredragna anordningar. Emellertid är annorlunda funktion hos transceivern möjlig. Exempelvis kan anordningen utgöras av en repeter i ett telefonsystem eller en så kallad masttoppförstärkare med en integrerad antenn. 70249 - svensk text: 01-03-21The embodiments constitute preferred devices. However, different operation of the transceiver is possible. For example, the device may consist of a repeater in a telephone system or a so-called mast peak amplifier with an integrated antenna. 70249 - Swedish text: 01-03-21

Claims

A patent antenna in a wireless telecommunication system, of the combination of: a housing (2) comprising transceiver circuits (15), a substantially planar circuit board (3). ) with printed circuits, which circuit board supports said circuits (15) and has a front side (3 ') and a back side (3 "), a ground plane (8) and a supply interface (10), said housing having fastening means for attaching the housing at the desired location, a conductive portion (4) and at least one electrically shielded cavity (5) with an open side, said conductive portion (4) being at least partially electrically conductive and located substantially laterally on the front of said circuit board (3), so that at least one opening is located substantially centrally in said conductive portion (4), said shielding cavity (5) being located substantially centrally and extending to the back of the circuit board (3), said conductive portion (4) being electrically connected to said ground plane, said leading party (4) and said shielding cavity are electrically interconnected and extend through the circuit board (3), and an antenna element (8, 9, 10, 11) formed at least partially on the circuit board (3) at said open side of said shielding cavity (5). , so that the antenna element has a radiation path through the opening of said conductive portion (4) on the front side of the circuit board (3). 70249 - Swedish text; 0l ~ O3-2l lO 15 20 25 30 51 6 7 8 8 'z-. Fi -.'. = '_52 10

Antenna according to claim 1, characterized in that said conductive portion (4) and said shielding cavity (5) are conductively connected through the circuit board (3).

Antenna according to claim 1, characterized in that said conductive portion (4) and said shielding cavity (5) are capacitively connected via the circuit board (3).

An antenna according to any one of the preceding claims, characterized in that said aperture is substantially in the shape of a square, a rectangle, a circle, an X or a bow.

Antenna according to any one of the preceding claims, characterized in that said shielding cavity (19) is formed as an integral part of the circuit board with a plurality of via holes (20) forming the side walls of the cavity.

Antenna according to any one of the preceding claims, characterized in that said antenna element consists of an aperture-coupled patch antenna (II) with at least one patch placed at a distance from the front side (3 ') of the circuit board.

Antenna according to one of the preceding claims, characterized in that two orthogonal slots are used to effect double polarization.

Antenna according to one of the preceding claims, characterized in that the antenna element constitutes a resonant slot (9) which is excited by a microstrip line (10).

Antenna according to one of the preceding claims, characterized in that the antenna element consists of a printed dipole (25, 26). 70249 - Swedish text; 01-03-21 10 15 20 25 u o n. ua o 11

Antenna according to one of the preceding claims, characterized in that the antenna element consists of a printed spiral element (27).

11. ll. Antenna according to one of the preceding claims, characterized in that the antenna element consists of a slot-fed dielectric IeSOnatOr.

Antenna according to one of the preceding claims, characterized by a group of at least two antenna elements.

Antenna according to one of the preceding claims, characterized in that the housing (2) consists of a metal housing.

An antenna according to any one of the preceding claims, characterized in that said conductive portion (4) comprises, at least on the front side (3 ') of the circuit board, a flow promoting part (12) which serves to cool the transceiver circuits.

Antenna according to claim 14, characterized in that said flow-promoting part comprises a heat sink (12).

A transceiver comprising an antenna according to any one of the preceding claims. 70249 - Swedish text; 01-03-21