SE516789C2 - Antenn ingående i ett trådlöst kommunikationssystem - Google Patents

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.

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.

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.

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.

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.

I en basstation är det önskvärt att utforma ett strålande element i kretskortet. I anordningen enligt uppfinningen användes en aperturkopplad patchantenn som strålande 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.

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.

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.

Andra fördelaktiga utföringsformer av uppfinningen anges i de beroende kraven och i nedanstående detaljbeskrivning.

Det skall påpekas att arrangemanget med ett ledande jordplan vid öppningens botten tjänar till att rikta strålningen.

Emellertid är det fullt möjligt att utnyttja uppfinningen för strålning såväl framåt som bakåt, varvid det väsentliga är isolationen mellan antennelementet och kretsarna.

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.

Pig. 2 visar ett tvärsnitt genom en utföringsform som liknar den i fig. l, ehuru den tydligare illustrerar uppfinnings- tanken.

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.

Huset 2 inrymmer basstationens kretsar i enlighet med 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Uppfinningstanken kan tillämpas på olika anordningar.

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; 01-03-21

Claims (5)

lO 15 20 25 30 516 789 PATENTKRAV

1. Antenn ingående i ett trådlöst telekommunikationssystem, omfattande: - ett väsentligen plant kretskort (3) med fram- och baksida (3', 3"), en första del av ett antennelement inne- fattande ett jordplan (8) med en slits (9) på framsidan och ett matningsnät (10) pà baksidan, vilket matningsnät är anordnat att excitera nämnda slits i nämnda jordplan, - ett ledande hus (2) med en väsentligen plan framsida och minst en öppning med en övre vägg, en bottenvägg samt sidoväggar, - varvid nämnda första del av antennelementet på kretskortet är beläget på nämnda bottenvägg av öppningen, kännetecknad av - att öppningens sidoväggar (5) divergerar på så sätt, att ytarean hos nämnda bottenvägg är väsentligt mindre än en maximal area hos öppningen.

2. Antenn enligt krav 1, kännetecknad av att ett flertal väsentligen plana patchar (ll, 16) är belägna i den diver- gerande öppningen, så att de exciteras av nämnda slits (9).

3. Antenn enligt krav l eller 2, kännetecknad av att antennelementet är inrättat för dubbelpolariserad drift genom användning av ett kryssformigt slitsarrangemang i nämnda jordplan och ett par väsentligen symmetriska matnings- ledningar, som är anordnade på nämnda baksida.

4. Antenn enligt något av föregående krav, kännetecknad av att det ledande huset (2) är tillverkat av metall. 70248 - svensk text; 01-11-23 516- 789

5. Antenn enligt krav 4, kännetecknad av att det ledande huset (2) har ett flertal spàr eller flänsar (12) utanför den divergerande öppningen. 70248 - svensk text; 01-11-23