Optimaliseren van Draadloze Testsystemen en Antennes voor Ultrasnelle Connectiviteit

Elk jaar worden consumenten verbijsterd door de nieuwste smartphones en draadloze apparaten die de markt bereiken. Voordat deze geüpgrade gadgets de planken bereiken, zit er een uitgebreid ontwerp- en testproces in de ontwikkeling ervan. Antennes, een cruciale component van draadloze apparaten, worden consistent bijgewerkt om bij te blijven met vooruitgaande technologie zoals 5G en het Internet of Things (IoT). Ze worden verwacht om grotere bandbreedte te hebben, veiligheidsregelgeving te voldoen, en klein genoeg te zijn om in micro-ontwerpen te passen.

Bluetest's Reverberatie Testsystemen

Om ingenieurs die met draadloze apparatuur werken te helpen, heeft Bluetest (gevestigd in Göteborg, Zweden) eenvoudig te gebruiken reverberatie testsystemen (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 te zorgen dat de componenten van hun RTS-ontwerpen geoptimaliseerd zijn voor prestaties.

Evolutie van Reverberatietesten

Sinds de vroege jaren '40 is antenneprestaties getest in anechoïsche kamers, of microgolf-absorberende kamers. In dit type kamer wordt een antenne gedraaid en zijn gestraalde intensiteit gemeten in verschillende richtingen. De data verkregen uit deze testmethode is relatief gemakkelijk te interpreteren, maar anechoïsche kamers neigen duur te zijn en hun grote grootte maakt ze onhandig.

In de jaren '60 werd een ander type kamer ontwikkeld – de reverberatiekamer – die oorspronkelijk gebruikt werd voor elektromagnetische compatibiliteit (EMC) testen. In tegenstelling tot anechoïsche kamers, reflecteren reverberatiekamers elektromagnetische golven (of geluid voor de akoestische equivalent) in plaats van het te absorberen. "Je kunt erg hoge veldintensiteiten in dit type kamer genereren, wat een geweldige eigenschap is voor immuniteitstesten en hoe gevoelig een apparaat is wanneer het bestraald wordt met hoge-vermogen elektromagnetische velden," zei Robert Rehammar, chief technology officer bij Bluetest.

In de late jaren '90 leerden mensen dat reverberatiekamers ook gebruikt kunnen worden om bepaalde antenneparameters te testen. Bijvoorbeeld, een kleine antenne's belangrijkste eigenschap is zijn efficiëntie, of het quotiënt tussen het vermogen dat je in de antenne stopt vergeleken met hoeveel vermogen er daadwerkelijk gestraald wordt (meestal gemeten in dB). "Wat gerealiseerd werd is dat je antenne-efficiëntie in reverberatiekamers kunt meten en het bleek dat voor een kleine antenne, je dat heel snel en nauwkeurig kunt doen," zei Rehammar.

Rond het begin van de populariteit van het reverberatietestsysteem, startte PerSimon Kildal, een professor antennesystemen aan Chalmers University of Technology in Zweden, een onderzoeksproject over reverberatiekamers en hun vermogen om antennes te analyseren. Na het bestuderen van deze kamers, werd Kildal geïnspireerd om een bedrijf op te richten op basis van zijn bevindingen en Bluetest werd geboren. Rond 2010 werd 4G – de vierde generatie mobiele systemen (ook bekend als LTE) – geïntroduceerd, samen met MIMO. Als resultaat, zei Rehammar, "Doen een heleboel heel ingewikkelde vragen op zoals, 'Hoe gaan we de prestaties van deze systemen testen?'"

Meting van Antenneprestaties

Bluetest's reverberatiesystemen (Figuur 1) voeren passieve en actieve tests uit om te bepalen of een apparaat geoptimaliseerd is. Passieve tests meten voornamelijk antenne-efficiëntie, terwijl actieve tests de totale gestraalde kracht en totale isotrope gevoeligheid meten in de transmitter en ontvanger van het device under test (DUT), respectievelijk. Tijdens actieve tests zijn de transmitter en ontvanger in de DUD aangedreven. Actieve metingen helpen een overzicht te geven van hoe de DUT als geheel presteert. Beide tests helpen ervoor te zorgen dat het apparaat, zoals een mobiele telefoon, voldoet aan regelgeving en klanteisen.

Alle reverberatietestsystemen en producten van Bluetest zijn ontworpen en geproduceerd in Göteborg. De RTS bevat een grote verscheidenheid aan componenten, zoals muren van reflectorisch materiaal, een referentie-antenne, vier tot zestien meetantennes met verschillende polarisaties, mode roerders, RF-interfaces, en meer. Wanneer het productieproces compleet is, wordt het systeem verpakt in een groot houten kraag en naar klanten over de hele wereld verstuurd.

Ontwerp, Fabricatie, Test, en Validatie

Bluetest is in het proces van het ontwerpen van nieuwe technologie voor gebruik in hun RTS voor millimetergolf-toepassingen, inclusief de 5G mmWave-band, waar de centrumfrequentie een orde van grootte hoger is dan die van conventionele microgolftoepassingen. Hoge-snelheidscommunicatie steunt op een brede bandbreedte, wat geleverd wordt door een hoge dragerfrequentie.

Een van de meest populaire antenneontwerpen voor breedbandtoepassingen is de Vivaldi-antenne – een getapte sleufantenne. "Als het op antennes aankomt, moeten we in staat zijn om alles te testen van de lage cellulaire banden rond 650 MHz tot boven de 40 GHz," zei Rehammar.

De golflengte in millimetergolf-apparaatontwerpen is veel kleiner dan de microgolfgolflengte en elke kleine fysieke vervorming door thermisch-structurele effecten of fabricatietolerantiefouten zou de prestaties ongewild beïnvloeden. Daarom is het kritiek 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.

De 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. Het simuleren van de eerste iteratie van deze antenne stelde Rehammar en zijn team in staat om te zien dat er een paar problemen waren met betrekking tot de montages, grootte, stabiliteit, en efficiëntie tijdens het opereren bij 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 ultra-breedband opererend van 6 GHz tot 67 GHz. Dit type antenne wordt in hun RTS voor 5G-metingen gebruikt; het helpt ook het systeem meer veelzijdigheid te bieden omdat het tijdens een meting gebruikt kan worden zonder de standaard testantenne te wisselen.

Het gebruik van simulatie is niet beperkt tot antenneontwerpen. Om de prestaties van de reverberatiekamer te verbeteren, onderzocht Bluetest niet alleen de resonantie-eigenmodes van een aangepaste kaviteit, maar ontwikkelde ook circuit-naar-golfgeleider overgangen.

Bijblijven met Technologische Vooruitgang

Bij Bluetest gelooft Rehammar dat simulatie-technologie en meettechnologie elkaar volledig aanvullen. "In de beginfasen van het bouwen van een ontwerp, heb je simulatie nodig, en om te bevestigen dat je fysieke apparaat goed werkt, moet je metingen doen," zei Rehammar. Bluetest's systemen worden consistent bijgewerkt om bij te blijven met de vooruitgang van draadloze technologie, met name binnen de mobiele telefoonontwikkelingsindustrie.

"Voor 5G, werkten mobiele systemen tot ongeveer 2,6 GHz en nu heb je 5G-systemen die tot 40 GHz kunnen lopen," zei Rehammar. Om op spoor te blijven met dit vooruitgaande veld, heeft Bluetest gewerkt aan het ondersteunen van zoveel mogelijk frequentiebanden. Met de hulp van simulatie kan Bluetest zich richten op het verbeteren van hun RTS testtijd en meetnauwkeurigheid, terwijl de testcomplexiteit op een hoog niveau gehouden wordt.

Dit artikel is geschreven door Rachel Keatley, Content Writer bij COMSOL, Burlington, MA. Voor meer informatie, bezoek hier.

COMSOL Multiphysics is een geregistreerd handelsmerk van COMSOL AB.