Оптимизация беспроводных испытательных систем и антенн для высокоскоростной связи

Каждый год потребители ослеплены новейшими смартфонами и беспроводными устройствами, которые появляются на рынке. Прежде чем эти модернизированные гаджеты поступят на прилавки, их разработка проходит обширный процесс проектирования и тестирования. Антенны, важнейший компонент беспроводных устройств, постоянно обновляются, чтобы идти в ногу с развитием технологий, таких как 5G и Интернет вещей (IoT). Ожидается, что они будут иметь большую пропускную способность, соответствовать правилам безопасности и быть достаточно компактными, чтобы вписываться в микропроекты.

Чтобы помочь инженерам, работающим с беспроводным оборудованием, компания Bluetest (штаб-квартира в Гётеборге, Швеция) разработала простые в использовании системы тестирования реверберации (RTS), которые измеряют производительность беспроводных устройств и антенн. Сегодня Bluetest является лидером на рынке беспроводного тестирования с несколькими входами и несколькими выходами (MIMO). Компания использует моделирование, чтобы гарантировать, что компоненты их проектов RTS оптимизированы для производительности.

Эволюция тестирования реверберации

С начала 1940-х годов характеристики антенн проверялись в безэховых камерах или помещениях, поглощающих микроволновое излучение. В камере этого типа антенна вращается, и интенсивность ее излучения измеряется в разных направлениях. Данные, полученные с помощью этого метода тестирования, относительно легко интерпретировать, но безэховые камеры, как правило, дороги, а их большой размер делает их громоздкими.

В 1960-х годах был разработан другой тип камеры — реверберационная камера, которая изначально использовалась для испытаний на электромагнитную совместимость (ЭМС). В отличие от безэховых камер, реверберационные камеры отражают электромагнитные волны (или звук для акустического эквивалента), а не поглощают его. «В камерах такого типа можно генерировать поле очень высокой напряженности, что является отличной возможностью для проверки иммунитета и определения того, насколько чувствительно устройство при облучении мощными электромагнитными полями», — сказал Роберт Рехаммар, главный технический директор Bluetest.

В конце 1990-х люди узнали, что реверберационные камеры также можно использовать для проверки определенных параметров антенны. Например, наиболее важным свойством небольшой антенны является ее эффективность, или отношение мощности, которую вы вкладываете в антенну, к фактической излучаемой мощности (обычно измеряется в дБ). «Выяснилось, что можно измерить эффективность антенны в реверберационных камерах, и оказалось, что для небольшой антенны это можно сделать очень быстро и точно», — сказал Рехаммар.

В начале популярности системы реверберационных испытаний ПерСаймон Килдал, профессор антенных систем Технологического университета Чалмерса в Швеции, начал исследовательский проект по реверберационным камерам и их способности анализировать антенны. Изучив эти камеры, Килдал решил основать компанию, основанную на его выводах, и так родился Bluetest. Примерно в 2010 году вместе с MIMO было представлено 4G — четвертое поколение мобильных систем (также известное как LTE). В результате, по словам Рехаммара, "появилось множество очень сложных вопросов, например:"Как мы собираемся тестировать производительность этих систем?"

Измерение производительности антенны

Реверберационные системы Bluetest (рис. 1) выполняют пассивные и активные тесты, чтобы определить, оптимизировано ли устройство. Пассивные тесты в основном измеряют эффективность антенны, в то время как активные тесты измеряют общую излучаемую мощность и общую изотропную чувствительность в передатчике и приемнике тестируемого устройства (ИУ) соответственно. Во время активных испытаний передатчик и приемник в тестируемом устройстве включены. Активные измерения помогают получить общее представление о работе тестируемого устройства в целом. Оба теста помогают убедиться, что устройство, например мобильный телефон, соответствует нормам и требованиям клиентов.

Все системы и продукты Bluetest для испытаний на реверберацию разрабатываются и производятся в Гётеборге. RTS содержит широкий спектр компонентов, таких как стенки из отражающего материала, эталонная антенна, от четырех до 16 измерительных антенн с различной поляризацией, мешалки мод, радиочастотные интерфейсы и многое другое. Когда производственный процесс завершен, система упаковывается в большую деревянную подставку и отправляется клиентам по всему миру.

Проектирование, изготовление, тестирование и проверка

Bluetest находится в процессе разработки новой технологии для использования в своих RTS для приложений миллиметрового диапазона, включая диапазон 5G mmWave, где центральная частота на порядок выше, чем у обычных микроволновых приложений. Высокоскоростная связь зависит от широкой полосы пропускания, которая обеспечивается высокой несущей частотой.

Одной из самых популярных конструкций антенн для широкополосных приложений является антенна Вивальди — антенна с конической щелью. «Когда дело доходит до антенн, нам нужно иметь возможность тестировать все, что угодно, от низкочастотных диапазонов сотовой связи от 650 МГц до более 40 ГГц, – сказал Рехаммар.

Длина волны в конструкциях устройств миллиметрового диапазона намного меньше, чем длина волны микроволн, и любые незначительные физические искажения из-за тепловых структурных эффектов или погрешности изготовления могут нежелательно повлиять на их характеристики. Поэтому очень важно проверить производительность таких устройств с помощью моделирования. Компания Bluetest использовала моделирование COMSOL Multiphysics® для оптимизации своих антенн и схем, включая антенну Вивальди.

Первый прототип конструкции антенны Вивальди был смоделирован на подложке FR4 (композитный материал, состоящий из тканого стекловолокна и эпоксидной смолы) толщиной 1,6 мм. Моделирование первой версии этой антенны позволило Рехаммару и его команде увидеть, что существует несколько проблем, связанных с ее установкой, размером, стабильностью и эффективностью при работе на низких частотах. Благодаря этим выводам им удалось смоделировать улучшенную антенну Вивальди, внедрив в свою модель кривые Безье (рис. 2).

Bluetest также смоделировал, спроектировал и проверил эффективность широкополосной несимметричной антенны для работы в сверхширокополосном диапазоне от 6 ГГц до 67 ГГц. Этот тип антенны используется в их RTS для измерений 5G; это также помогает сделать систему более универсальной, поскольку ее можно использовать во время измерения без переключения стандартной тестовой антенны.

Использование моделирования не ограничивается конструкциями антенн. Чтобы улучшить характеристики реверберационной камеры, Bluetest не только исследовал собственные резонансные моды индивидуального резонатора, но и разработал переходы между схемой и волноводом.

Идти в ногу с развитием технологий

В Bluetest Рехаммар считает, что технология моделирования и технология измерения полностью дополняют друг друга. «На начальных этапах создания проекта вам необходимо моделирование, и чтобы убедиться, что ваше физическое устройство работает правильно, вы должны провести измерения», — сказал Рехаммар. Системы Bluetest постоянно обновляются, чтобы идти в ногу с развитием беспроводных технологий, особенно в сфере разработки мобильных телефонов.

«До 5G мобильные системы работали на частоте примерно до 2,6 ГГц, а теперь у вас есть системы 5G, которые могут работать на частоте до 40 ГГц, — сказал Рехаммар. Чтобы не отставать от этой развивающейся области, Bluetest работает над поддержкой как можно большего количества частотных диапазонов. С помощью моделирования Bluetest может сосредоточиться на улучшении времени тестирования RTS и точности измерений, сохраняя при этом сложность тестирования на высоком уровне.

Эта статья написана Рэйчел Китли, автором контента в COMSOL, Берлингтон, Массачусетс. Для получения дополнительной информации посетите здесь .

COMSOL Multiphysics — зарегистрированная торговая марка COMSOL AB .