Optimalisatie van draadloze testsystemen en antennes voor snelle communicatie

Elk jaar worden consumenten verblind door de nieuwste smartphones en draadloze apparaten die op de markt komen. Voordat deze opgewaardeerde gadgets in de schappen komen, is er een uitgebreid ontwerp- en testproces om ze te ontwikkelen. Antennes, een essentieel onderdeel van draadloze apparaten, worden consequent bijgewerkt om gelijke tred te houden met de voortschrijdende technologie zoals 5G en het Internet of Things (IoT). Er wordt verwacht dat ze een grotere bandbreedte hebben, voldoen aan de veiligheidsvoorschriften en klein genoeg zijn om in micro-ontwerpen te passen.

Om technici te helpen bij het werken met draadloze apparatuur, heeft Bluetest (gevestigd in Göteborg, Zweden) gebruiksvriendelijke nagalmtestsystemen (RTS) ontwikkeld die de prestaties van draadloze apparaten en antennes meten. Vandaag de dag is Bluetest marktleider in over-the-air, multiple-input-multiple-output (MIMO) testen. Het bedrijf gebruikt simulatie om ervoor te zorgen dat de componenten van hun RTS-ontwerpen zijn geoptimaliseerd voor prestaties.

Evolutie van nagalmtesten

Sinds het begin van de jaren veertig zijn de prestaties van antennes getest in echovrije kamers of microgolfabsorberende kamers. In dit type kamer wordt een antenne gedraaid en wordt de uitgestraalde intensiteit in verschillende richtingen gemeten. De gegevens die met deze testmethode worden verkregen, zijn relatief eenvoudig te interpreteren, maar echovrije kamers zijn vaak duur en door hun grote omvang zijn ze onpraktisch.

In de jaren zestig werd een ander type kamer ontwikkeld - de nagalmkamer - die oorspronkelijk werd gebruikt voor het testen van elektromagnetische compatibiliteit (EMC). In tegenstelling tot echovrije kamers, reflecteren galmkamers elektromagnetische golven (of geluid voor het akoestische equivalent) in plaats van het te absorberen. "Je kunt in dit soort kamers zeer hoge veldintensiteiten genereren, wat een geweldige functie is om de immuniteit te testen en hoe gevoelig een apparaat is wanneer het wordt uitgestraald met krachtige elektromagnetische velden", zegt Robert Rehammar, chief technology officer bij Bluetest.

Eind jaren negentig leerde men dat galmkamers ook kunnen worden gebruikt om bepaalde antenneparameters te testen. De belangrijkste eigenschap van een kleine antenne is bijvoorbeeld de efficiëntie, of het quotiënt tussen het vermogen dat u in de antenne steekt in vergelijking met hoeveel vermogen daadwerkelijk wordt uitgestraald (meestal gemeten in dB). "Wat werd gerealiseerd, is dat je de efficiëntie van antennes in galmkamers kunt meten en het bleek dat je dit voor een kleine antenne heel snel en nauwkeurig kunt doen", zei Rehammar.

Tegen het begin van de populariteit van het nagalmtestsysteem begon PerSimon Kildal, een professor in antennesystemen aan de Chalmers University of Technology in Zweden, een onderzoeksproject naar galmkamers en hun vermogen om antennes te analyseren. Na het bestuderen van deze kamers, werd Kildal geïnspireerd om een ​​bedrijf te starten op basis van zijn bevindingen en Bluetest was geboren. Rond 2010 werd 4G - de vierde generatie mobiele systemen (ook bekend als LTE) - geïntroduceerd, samen met MIMO. Als gevolg daarvan, zei Rehammar, "kwamen er veel zeer gecompliceerde vragen naar boven, zoals:'Hoe gaan we de prestaties van deze systemen testen?'"

Antenneprestaties meten

De nagalmsystemen van Bluetest (Figuur 1) voeren passieve en actieve tests uit om te bepalen of een apparaat al dan niet is geoptimaliseerd. Passieve tests meten voornamelijk de antenne-efficiëntie, terwijl actieve tests het totale uitgestraalde vermogen en de totale isotrope gevoeligheid in respectievelijk de zender en ontvanger van het te testen apparaat (DUT) meten. Tijdens actieve tests worden de zender en ontvanger in de TU Delft ingeschakeld. Actieve metingen helpen om een ​​overzicht te geven van hoe de TU Delft als geheel presteert. Beide tests helpen ervoor te zorgen dat het apparaat, zoals een mobiele telefoon, voldoet aan de voorschriften en de eisen van de klant.

Alle nagalmtestsystemen en producten van Bluetest zijn ontworpen en geproduceerd in Göteborg. De RTS bevat een breed scala aan componenten, zoals wanden van reflecterend materiaal, een referentieantenne, vier tot 16 meetantennes met verschillende polarisaties, modusroerders, RF-interfaces en meer. Wanneer het productieproces is voltooid, wordt het systeem verpakt in een grote houten wieg en verzonden naar klanten over de hele wereld.

Ontwerp, fabricage, test en validatie

Bluetest is bezig met het ontwerpen van nieuwe technologie voor gebruik in hun RTS voor millimetergolftoepassingen, waaronder de 5G mmWave-band, waar de middenfrequentie een orde van grootte hoger is dan die van conventionele microgolftoepassingen. Snelle communicatie is afhankelijk van een brede bandbreedte, die wordt geleverd door een hoge draaggolffrequentie.

Een van de meest populaire antenne-ontwerpen voor breedbandtoepassingen is de Vivaldi-antenne - een taps toelopende sleufantenne. "Als het op antennes aankomt, moeten we alles kunnen testen, van de lage cellulaire banden rond 650 MHz tot meer dan 40 GHz", zegt Rehammar.

De golflengte in ontwerpen van millimetergolfapparaten is veel kleiner dan de microgolfgolflengte en elke kleine fysieke vervorming als gevolg van thermisch-structurele effecten of fabricagetolerantiefouten zou een ongewenste invloed hebben op de prestaties. Daarom is het van cruciaal belang om de prestaties van dergelijke apparaten te valideren met behulp van simulatie. Bluetest gebruikte COMSOL Multiphysics®-simulatie om hun antenne- en circuitontwerpen te optimaliseren, inclusief de Vivaldi-antenne.

Het eerste prototype van het Vivaldi-antenneontwerp werd gemodelleerd in FR4-substraat (een composietmateriaal bestaande uit geweven glasvezel en epoxyhars) met een dikte van 1,6 mm. Door de eerste iteratie van deze antenne te simuleren, konden Rehammar en zijn team zien dat er een paar problemen waren met betrekking tot de montage, grootte, stabiliteit en efficiëntie bij het werken op lage frequenties. Dankzij deze bevindingen konden ze een verbeterde Vivaldi-antenne simuleren door Bézier-curven in hun model te implementeren (Figuur 2).

Bluetest simuleerde, ontwierp en testte ook de efficiëntie van een breedband monopole antenne voor ultrabreedband werken van 6 GHz tot 67 GHz. Dit type antenne wordt in hun RTS gebruikt voor 5G-metingen; het helpt het systeem ook veelzijdiger te maken omdat het tijdens een meting kan worden gebruikt zonder de standaard testantenne te hoeven wisselen.

Het gebruik van simulatie is niet beperkt tot antenneontwerpen. Om de prestaties van de galmkamer te verbeteren, onderzocht Bluetest niet alleen de resonantie-eigenmodes van een aangepaste holte, maar ontwikkelde het ook circuit-naar-golfgeleiderovergangen.

Bijblijven met de technologische vooruitgang

Bij Bluetest gelooft Rehammar dat simulatietechnologie en meettechnologie elkaar volledig aanvullen. "In de beginfase van het bouwen van een ontwerp heb je simulatie nodig, en om te bevestigen dat je fysieke apparaat goed werkt, moet je metingen doen", zegt Rehammar. De systemen van Bluetest worden constant geüpdatet om gelijke tred te houden met de vooruitgang van draadloze technologie, vooral binnen de ontwikkelingsindustrie voor mobiele telefoons.

"Vóór 5G werkten mobiele systemen tot ongeveer 2,6 GHz en nu heb je 5G-systemen die tot 40 GHz kunnen werken", zegt Rehammar. Om op koers te blijven met dit oprukkende veld, heeft Bluetest gewerkt aan het ondersteunen van zoveel mogelijk frequentiebanden. Met behulp van simulatie kan Bluetest zich concentreren op het verbeteren van hun RTS-testtijd en meetnauwkeurigheid, terwijl de testcomplexiteit op een hoog niveau blijft.

Dit artikel is geschreven door Rachel Keatley, contentschrijver bij COMSOL, Burlington, MA. Ga voor meer informatie naar hier .

COMSOL Multiphysics is een geregistreerd handelsmerk van COMSOL AB .