SE516789C2

SE516789C2 - Mounting of an antenna assembly including a printed circuit board secured to a rigid metal reflector possibly by adhesive tape

Info

Publication number: SE516789C2
Application number: SE9904369A
Authority: SE
Inventors: Bjoern Lindmark
Original assignee: Allgon Ab
Priority date: 1999-12-01
Filing date: 1999-12-01
Publication date: 2002-03-05
Also published as: SE9904369D0; SE9904369L

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 7 89 n o I . u n u nr PCT/SE97/00776 med samma sökande. Det senare dokumentet inbegripes häri genom hänvisning. 20 25 30 516 7 89 n o I. u n u No. PCT / SE97 / 00776 with the same applicant. The latter document is incorporated herein by reference.

Sådana plana antennkonstruktioner består vanligen av en ledande, jordad platta eller en apertur. En matningsledning i microstrip är anordnad tvärs över aperturen. Vidare är en strålande patch anordnad parallellt med plattan ovanför och på avstånd från aperturen. Vidare är en öppen skärmad, jordad låda anordnad på motsatt sida om plattan för att rikta antennstrålningen väsentligen mot patchen.Such planar antenna constructions usually consist of a conductive, grounded plate or an aperture. A supply line in microstrip is arranged across the aperture. Furthermore, a radiant patch is arranged parallel to the plate above and at a distance from the aperture. Furthermore, an open shielded, grounded box is arranged on the opposite side of the plate 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 genom via-montering. Krets- kortet är normalt inneslutet i en ledande (metallisk eller metalliserad) låda för att åstadkomma avskärmning. Lådan eller 70248 - svensk text; 91-03-21 10 15 20 25 30 516 7 8 9 ïjï* å? - âfš - huset kan även förses med kylflänsar för att öka värmeöver- föringen från de inneslutna kretsarna.The components are normally placed on both sides of the circuit board, either by surface mounting or by via mounting. The circuit board is normally enclosed in a conductive (metallic or metallized) box to provide shielding. The box or 70248 - Swedish text; 91-03-21 10 15 20 25 30 516 7 8 9 ïjï * å? - âfš - the housing can also be fitted with cooling fins to increase the heat transfer from the enclosed circuits.

I en basstation är det önskvärt att utforma ett strålande element i kretskortet. I anordningen enligt uppfinningen användes en aperturkopplad patchantenn som strålande element.In a base station, it is desirable to design a radiating element in the circuit board. In the device according to the invention, an aperture-coupled patch antenna is used as a radiating element.

Antennen har en apertur i jordplanet på ett kretskort och en strålande patch anordnad ovanför densamma. En sida på patchen uppgår till ungefärligen 1/3 till 1/2 av en våglängd, och för att patchen skall kunna stràla krävs en öppning som är väsentligt större, så att radiovàgorna ej blockeras. Det aperturkopplade patcharrangemanget är företrädesvis dubbel- polariserat. Detta àstadkommes på enkelt sätt genom en kryss- formig apertur. Det är möjligt att minska storleken på de båda slitsarna i aperturen till en storlek som är väsentligt mindre än patchen, dvs längden på respektive slits skall vara mindre än sidan på en patch, vilken i sin tur är mindre än apertur- öppningen. Sålunda är den ytarea som erfordras på kretskortet mindre än den yta som krävs för öppningen. Detta är väsentligt eftersom man önskar utnyttja så mycket som möjligt av krets- kortet för RF- och digitalkretsar.The antenna has an aperture in the ground plane on a circuit board and a radiant patch arranged above it. One side of the patch amounts to approximately 1/3 to 1/2 of a wavelength, and in order for the patch to be able to radiate, an opening that is significantly larger is required, so that the radio waves are not blocked. The aperture-coupled patch arrangement is preferably double-polarized. This is achieved in a simple way through a cross-shaped aperture. It is possible to reduce the size of the two slots in the aperture to a size that is significantly smaller than the patch, ie the length of each slot must be smaller than the side of a patch, which in turn is smaller than the aperture opening. Thus, the surface area required on the circuit board is smaller than the area required for the opening. This is important because you want to use as much as possible of the circuit board for RF and digital circuits.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Ett huvudsyfte med uppfinningen är följaktligen att åstadkomma en slitskopplad patchantenn på ett volymbesparande sätt i kombination med en transceiver, såsom en basstation med små dimensioner. Detta och andra syften uppnås vid anordningar enligt bifogade patentkrav, varvid samtidigt ovanstående problem löses.SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, a major object of the invention is to provide a wear-coupled patch antenna in a volume-saving manner in combination with a transceiver, such as a small-sized base station. This and other objects are achieved with devices according to the appended claims, whereby at the same time the above problems are solved.

En särskild fördel med uppfinningen är att kretskortet kan användas för all signalöverföring i anordningen, varvid den 70248 - svensk text; 01-03-21 10 15 20 25 30 516 789 således är lämpad för automatisk montering och kostnads- effektiv tillverkning i stor skala. Vidare möjliggör uppfinningen en mycket kompakt konstruktion, som har låg vikt och är enkel att hantera vid installation.A special advantage of the invention is that the circuit board can be used for all signal transmission in the device, whereby the 70248 - Swedish text; 01-03-21 10 15 20 25 30 516 789 is thus suitable for automatic assembly and cost-effective manufacturing on a large scale. Furthermore, the invention enables 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. 1 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.

Pig. 2 visar ett tvärsnitt genom en utföringsform som liknar den i fig. l, ehuru den tydligare illustrerar uppfinnings- tanken.Pig. Fig. 2 shows a cross section through an embodiment similar to that of Fig. 1, although it more clearly illustrates the inventive idea.

BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMER Med hänvisning till fig. 1 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 l har ett delvis ledande hus 2 med icke visade fästorgan baktill anordnade för montering av anordningen l på en vägg 70248 - svensk text; 01-03-21 10 15 20 25 30 516 739 eller på en stolpe. Syftet med att använda en basstation med små dimensioner är i allmänhet att öka signalstyrkan i ett område där signalerna är svaga från 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 strömför- sörjning.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 70248 - Swedish text; 01-03-21 10 15 20 25 30 516 739 or on a pole. 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. 1) 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 genom en ledande kavitet 5, som är utformad som en urtagning i det ledande huset och genom kretskortet under bildande av en inneslutning av det strålande antennmönstret på kretskortet.However, the circuits (not shown in Fig. 1) 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 effected through a conductive cavity 5, 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 pà kretskortets framsida 3' och dess baksida 3" måste vara sådan, att den till antennen matade energin ej lämnar kaviteten och 70248 - svensk text; Ûl-03-2l 10 15 20 25 30 516 789 - » o - . n åstadkommer felfunktion hos kretsarna. Lämpligen är förbindningen ledande.The connection between the conductive cavity walls on the front side 3 'of the circuit board and its back side 3 "must be such that the energy supplied to the antenna does not leave the cavity and 70248 - Swedish text; Ûl-03-2l 10 15 20 25 30 516 789 -» o - n causes malfunction of the circuits, preferably the connection is conductive.

Huset i fig. 1 innefattar vidare ett ledande, skärmande skal 2 och en icke ledande skyddskàpa 2", som genomsläpper stràlningsenergi 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 in the preferred embodiment all walls of the conductive cavity of the back of the circuit board 3, either conductively or capacitively.

Antennelementet består av ett jordplan 8 på kretskortets framsida, som är försett med en slits 9 och har en matarledning 10 i mikrostrip förlöpande över densamma på kretskortets baksida. Kavitetens 5 sidor och botten riktar antennstrålningen mot en patch 11 placerad i öppningen.The antenna element consists of a ground plane 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 11 placed in the opening.

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 pà 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 är försedda med samma hänvisningssiffror i fig. 1 och 2. Med hänvisning till fig. 2 visas ett arrangemang som liknar det i fig. 1, varvid dock visas en första patch 11 och en andra patch 16 och, med större tydlighet, det geometriska förhållandet mellan patchstorlek, storlek på matningsorganen, öppningens djup och öppningens snedställda väggar. Avståndet mellan öppningen 17-18 i husets ledande parti 4 är väsentligt mindre än längden på vardera patchen 11, 16, vilken sträcker sig från 11' till 11" respektive från 16' till 16". Pà detta 70248 ~ svensk text; 01-03-21 10 15 20 25 Q n ~ . nu 516 789 sätt har kretsarna i huset större inbördes avstånd än med en öppning med parallella sidor, och antennfunktionen förbättras genom de större dimensionerna hos patcharna 11, 16, vilka är belägna på avstånd från kretskortet. Antennelementet består av jordplanet 8, slitsen 9, företrädesvis ett kryss, matar- ledningen 10, företrädesvis i form av ett dubbelpolariserat matningsarrangemang, patcharna ll och 16 samt en skärmad låda 13 tillverkad av metallplàt som bockats till formen av en öppen låda och är försedd med ett flertal stift 14 som gör elektrisk och mekanisk kontakt med kretskortets jordplan 8.Similar parts are provided with the same reference numerals in Figs. 1 and 2. With reference to Fig. 2, an arrangement similar to that of Fig. 1 is shown, however, a first patch 11 and a second patch 16 are shown and, more clearly, the the geometric relationship between the patch size, the size of the feeders, the depth of the opening and the sloping walls of the opening. The distance between the opening 17-18 in the conductive portion 4 of the housing is substantially less than the length of each patch 11, 16, which extends from 11 'to 11 "and from 16' to 16", respectively. On this 70248 ~ Swedish text; 01-03-21 10 15 20 25 Q n ~. now 516 789 ways, the circuits in the housing have a greater mutual distance than with an opening with parallel sides, and the antenna function is improved by the larger dimensions of the patches 11, 16, which are located at a distance from the circuit board. The antenna element consists of the ground plane 8, the slot 9, preferably a cross, the supply line 10, preferably in the form of a double-polarized supply arrangement, the patches 11 and 16 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 making electrical and mechanical contact with the ground plane 8 of the circuit board.

Förenklade kretskomponenter anges med siffran 15. Ett skäl att använda två patchar i stället för en kan vara att anpassa strålningsmönstret från antennen. Ännu ett skäl är att öka antennens bandbredd.Simplified circuit components are indicated by the number 15. One reason to use two patches instead of one may be to adjust the radiation pattern from the antenna. Another reason is to increase the bandwidth of the antenna.

Uttrycket transceiver betyder i denna beskrivning en anordning, som kan motta och/eller sända signaler. I föreliggande uppfinning àstadkommes 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 repeater i ett telefonsystem eller en så kallad masttoppförstärkare med en integrerad antenn. 70248 - 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. 70248 - Swedish text; 01-03-21

Claims

lO 15 20 25 30 516 789 PATENT REQUIREMENTS

An antenna included in a wireless telecommunication system, comprising: - a substantially flat circuit board (3) with front and back (3 ', 3 "), a first part of an antenna element comprising a ground plane (8) with a slot ( 9) on the front side and a supply net (10) on the rear side, which supply net is arranged to excite said slot in said ground plane, - a conductive housing (2) with a substantially flat front side and at least one opening with an upper wall, a bottom wall and side walls , said first part of the antenna element on the circuit board being located on said bottom wall of the opening, characterized in - that the side walls (5) of the opening diverge in such a way that the surface area of said bottom wall is substantially less than a maximum area of the opening.

Antenna according to claim 1, characterized in that a plurality of substantially flat patches (11, 16) are located in the diverging opening, so that they are excited by said slot (9).

Antenna according to claim 1 or 2, characterized in that the antenna element is arranged for double-polarized operation by using a cross-shaped slot arrangement in said ground plane and a pair of substantially symmetrical supply lines, which are arranged on said rear side.

Antenna according to one of the preceding claims, characterized in that the conductive housing (2) is made of metal. 70248 - Swedish text; 01-11-23 516- 789

Antenna according to claim 4, characterized in that the conductive housing (2) has a plurality of grooves or flanges (12) outside the diverging opening. 70248 - Swedish text; 01-11-23