Оптимизация беспроводных тестовых систем и антенн для ультрабыстрой связи

Эволюция реверберационного тестирования: от анехойдальных камер к MIMO

Каждый год потребители очаровываются новейшими смартфонами и беспроводными устройствами, выходящими на рынок. Прежде чем эти обновлённые гаджеты достигают полок, в их разработку входит обширный процесс проектирования и тестирования. Антенны, ключевой компонент беспроводных устройств, постоянно обновляются для следования за передовыми технологиями, такими как 5G и Интернет вещей (IoT). Ожидается, что они будут иметь большую полосу пропускания, соответствовать регламентам безопасности и быть достаточно маленькими для микродизайнов.

Чтобы помочь инженерам, работающим с беспроводным оборудованием, Bluetest (Гётеборг, Швеция) разработал простые в использовании реверберационные тестовые системы (RTS), измеряющие производительность беспроводных устройств и антенн. Сегодня Bluetest — лидер рынка в over-the-air тестировании multiple-input-multiple-output (MIMO). Компания использует симуляцию для обеспечения оптимизации компонентов их RTS дизайнов для производительности.

История: от анехойдальных камер (1940-е) к реверберационным (1960-е)

С начала 1940-х годов производительность антенн тестировалась в анехойдальных камерах — комнатах, поглощающих микроволны. В такой камере антенна вращается, а её излучаемая интенсивность измеряется в разных направлениях. Данные от этого метода относительно легко интерпретировать, но анехойдальные камеры склонны быть дорогими, и их большой размер делает их неудобными.

В 1960-х был разработан другой тип камеры — реверберационная камера — изначально для тестирования электромагнитной совместимости (EMC). В отличие от анехойдальных камер, реверберационные камеры отражают электромагнитные волны (или звук для акустического эквивалента) вместо поглощения. «Вы можете генерировать очень высокие интенсивности поля внутри такого типа камеры, что является отличной особенностью для тестирования иммунитета и того, насколько чувствительно устройство, когда оно облучается высокомощными электромагнитными полями», — сказал Роберт Рехаммар, технический директор Bluetest.

Открытие 1990-х: тестирование антенн в реверберационных камерах

В конце 1990-х люди узнали, что реверберационные камеры также можно использовать для тестирования определённых параметров антенн. Например, самое важное свойство малой антенны — её эффективность, или отношение между мощностью, вкладываемой в антенну, по сравнению с тем, сколько мощности реально излучается (обычно измеряется в дБ). «Что было осознано — что можно измерить эффективность антенны в реверберационных камерах, и оказалось, что для малой антенны это можно сделать очень быстро и точно», — сказал Рехаммар.

Основание Bluetest и эпоха 4G/MIMO

К началу популярности реверберационных тестовых систем Пер Симон Килдал, профессор антенных систем в Технологическом университете Чальмерса в Швеции, начал исследовательский проект по реверберационным камерам и их способности анализировать антенны. После изучения этих камер Килдал был вдохновлен основать компанию на основе своих находок, и родилась Bluetest. Вокруг 2010 года был введён 4G — четвёртое поколение мобильных систем (также известное как LTE) — вместе с MIMO. В результате, сказал Рехаммар, «Возникло множество очень сложных вопросов вроде: "Как мы собираемся тестировать производительность этих систем?"»

Измерение производительности антенн: пассивные и активные тесты

Реверберационные системы Bluetest (Рисунок 1) выполняют пассивные и активные тесты для определения, оптимизировано ли устройство. Пассивные тесты преимущественно измеряют эффективность антенны, в то время как активные тесты измеряют общую излучённую мощность и общую изотропную чувствительность в передатчике и приёмнике устройства под тестом (DUT) соответственно. Во время активных тестов передатчик и приёмник в DUT включены. Активные измерения помогают дать обзор того, как DUT выполняется в целом. Оба теста помогают обеспечить, что устройство, такое как мобильный телефон, соответствует регламентам и требованиям клиентов.

Все реверберационные тестовые системы и продукты Bluetest проектируются и производятся в Гётеборге. RTS содержит широкий спектр компонентов, такие как стены из отражающего материала, референсная антенна, 4–16 измерительных антенн с разными поляризациями, мод-стирреры, RF интерфейсы и многое другое. Когда производственный процесс завершён, система упаковывается в большой деревянный крейдл и отправляется клиентам по всему миру.

Проектирование, фабрикация, тест и валидация с COMSOL Multiphysics

Bluetest в процессе проектирования новой технологии для использования в их RTS для миллиметроволновых применений, включая 5G mmWave диапазон, где центральная частота на порядок выше, чем у обычных микроволновых применений. Высокоскоростная связь опирается на широкую полосу пропускания, предоставляемую высокой несущей частотой.

Один из самых популярных антенных дизайнов для широкополосных применений — антенна Вивальди — коническая щелевая антенна. «Когда речь идёт об антеннах, нам нужно иметь возможность тестировать всё от низких сотовых полос около 650 МГц до более чем 40 ГГц», — сказал Рехаммар.

Длина волны в миллиметроволновых дизайнах устройств намного меньше микроволновой длины волны, и любое незначительное физическое искажение из-за термоструктурных эффектов или ошибок толеранса фабрикации нежелательно повлияет на её производительность. Поэтому критически важно валидировать производительность таких устройств с помощью симуляции. Bluetest использовал симуляцию COMSOL Multiphysics® для оптимизации своих антенных и цепных дизайнов, включая антенну Вивальди.

Первый прототип дизайна антенны Вивальди моделировался в субстрате FR4 (композитный материал из сплетённого стекловолокна и эпоксидной смолы) толщиной 1.6 мм. Симуляция первой итерации этой антенны позволила Рехаммару и его команде увидеть несколько проблем, связанных с её монтированием, размером, стабильностью и эффективностью на низких частотах. Благодаря этим находкам они смогли промоделировать улучшенную антенну Вивальди, внедрив кривые Безье в свою модель (Рисунок 2).

Bluetest также симулировал, спроектировал и протестировал эффективность широкополосной монопольной антенны для ультраширокополосной работы от 6 ГГц до 67 ГГц. Этот тип антенны используется в их RTS для 5G измерений; он также помогает предоставить системе больше универсальности, потому что он может использоваться во время измерения без переключения стандартной тестовой антенны.

Использование симуляции не ограничивается антенными дизайнами. Для улучшения производительности реверберационной камеры Bluetest не только исследовал резонансные собственные моды кастомизированной полости, но также разработал переходы цепь-волновод.

Синергия симуляции и измерений для следования за технологиями

В Bluetest Рехаммар верит, что технология симуляции и технология измерений полностью дополняют друг друга. «На начальных стадиях построения дизайна нужна симуляция, и чтобы подтвердить, что ваше физическое устройство работает правильно, нужно делать измерения», — сказал Рехаммар. Системы Bluetest последовательно обновляются для следования за продвижением беспроводных технологий, особенно в индустрии разработки мобильных телефонов.

«До 5G мобильные системы работали до примерно 2.6 ГГц, а теперь у вас есть 5G системы, которые могут работать до 40 ГГц», — сказал Рехаммар. Чтобы оставаться в тренде этого продвигающегося поля, Bluetest работала над поддержкой максимально возможного количества частотных полос. С помощью симуляции Bluetest может фокусироваться на улучшении времени теста RTS и точности измерений, сохраняя сложность тестирования на высоком уровне.

Эта статья написана Рэйчел Китли, контент-райтер COMSOL, Берлингтон, МА. Для получения дополнительной информации посетите .

COMSOL Multiphysics — зарегистрированная торговая марка COMSOL AB .