Optimierung von drahtlosen Testsystemen und Antennen für Hochgeschwindigkeitskommunikation

Jedes Jahr werden die Verbraucher von den neuesten Smartphones und drahtlosen Geräten, die auf den Markt kommen, geblendet. Bevor diese verbesserten Gadgets in die Regale gelangen, gibt es einen umfangreichen Design- und Testprozess, der in ihre Entwicklung einfließt. Antennen, ein wichtiger Bestandteil drahtloser Geräte, werden ständig aktualisiert, um mit fortschreitenden Technologien wie 5G und dem Internet der Dinge (IoT) Schritt zu halten. Sie sollen eine größere Bandbreite haben, Sicherheitsbestimmungen erfüllen und klein genug sein, um in Mikrodesigns zu passen.

Um Ingenieuren zu helfen, die mit drahtlosen Geräten arbeiten, hat Bluetest (mit Sitz in Göteborg, Schweden) benutzerfreundliche Nachhalltestsysteme (RTS) entwickelt, die die Leistung von drahtlosen Geräten und Antennen messen. Heute ist Bluetest ein Marktführer im Bereich Over-the-Air-Multiple-Input-Multiple-Output-Tests (MIMO). Das Unternehmen verwendet Simulationen, um sicherzustellen, dass die Komponenten seiner RTS-Designs leistungsoptimiert sind.

Entwicklung der Nachhallprüfung

Seit den frühen 1940er Jahren wurde die Antennenleistung in schalltoten Kammern oder mikrowellenabsorbierenden Räumen getestet. Bei diesem Kammertyp wird eine Antenne gedreht und ihre abgestrahlte Intensität in verschiedene Richtungen gemessen. Die aus dieser Testmethode gewonnenen Daten sind relativ einfach zu interpretieren, aber schalltote Kammern sind in der Regel teuer und aufgrund ihrer Größe unhandlich.

In den 1960er Jahren wurde ein anderer Kammertyp entwickelt – die Hallkammer – die ursprünglich für die Prüfung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) verwendet wurde. Im Gegensatz zu schalltoten Räumen reflektieren Hallräume elektromagnetische Wellen (oder Schall für das akustische Äquivalent), anstatt sie zu absorbieren. „Sie können in dieser Art von Kammer sehr hohe Feldstärken erzeugen, was ein großartiges Merkmal zum Testen der Immunität ist und wie empfindlich ein Gerät ist, wenn es mit starken elektromagnetischen Feldern bestrahlt wird“, sagte Robert Rehammar, Chief Technology Officer bei Bluetest.

Ende der 1990er-Jahre erfuhr man, dass man mit Hallkammern auch bestimmte Antennenparameter testen kann. Die wichtigste Eigenschaft einer kleinen Antenne ist beispielsweise ihre Effizienz oder der Quotient zwischen der Leistung, die Sie in die Antenne stecken, und der tatsächlich abgestrahlten Leistung (normalerweise in dB gemessen). „Es wurde festgestellt, dass man den Antennenwirkungsgrad in Hallkammern messen kann, und es stellte sich heraus, dass man dies für eine kleine Antenne sehr schnell und genau tun kann“, sagte Rehammar.

Zu Beginn der Popularität des Nachhallprüfsystems startete PerSimon Kildal, Professor für Antennensysteme an der Chalmers University of Technology in Schweden, ein Forschungsprojekt über Nachhallkammern und ihre Fähigkeit, Antennen zu analysieren. Nach dem Studium dieser Kammern war Kildal inspiriert, auf der Grundlage seiner Erkenntnisse ein Unternehmen zu gründen, und Bluetest war geboren. Um 2010 herum wurde 4G – die vierte Generation mobiler Systeme (auch bekannt als LTE) – zusammen mit MIMO eingeführt. Als Ergebnis, sagte Rehammar, „tauchten viele sehr komplizierte Fragen auf, wie ‚Wie werden wir die Leistung dieser Systeme testen?‘“

Messen der Antennenleistung

Die Nachhallsysteme von Bluetest (Abbildung 1) führen passive und aktive Tests durch, um festzustellen, ob ein Gerät optimiert ist oder nicht. Passive Tests messen hauptsächlich den Antennenwirkungsgrad, während aktive Tests die gesamte abgestrahlte Leistung und die gesamte isotrope Empfindlichkeit im Sender bzw. Empfänger des zu testenden Geräts (DUT) messen. Während aktiver Tests werden Sender und Empfänger im DUT eingeschaltet. Aktive Messungen helfen dabei, einen Überblick darüber zu geben, wie sich das DUT als Ganzes verhält. Beide Tests tragen dazu bei sicherzustellen, dass das Gerät, z. B. ein Mobiltelefon, die Vorschriften und Kundenanforderungen erfüllt.

Alle Nachhalltestsysteme und -produkte von Bluetest werden in Göteborg entwickelt und hergestellt. Das RTS enthält eine Vielzahl von Komponenten, wie Wände aus reflektierendem Material, eine Referenzantenne, vier bis 16 Messantennen mit unterschiedlichen Polarisationen, Modenrührer, HF-Schnittstellen und mehr. Wenn der Produktionsprozess abgeschlossen ist, wird das System in eine große Holzwiege verpackt und an Kunden auf der ganzen Welt verschickt.

Design, Herstellung, Test und Validierung

Bluetest ist dabei, eine neue Technologie zu entwickeln, die in seinem RTS für Millimeterwellenanwendungen verwendet werden soll, einschließlich des 5G-mmWave-Bands, bei dem die Mittenfrequenz eine Größenordnung höher ist als bei herkömmlichen Mikrowellenanwendungen. Hochgeschwindigkeitskommunikation ist auf eine große Bandbreite angewiesen, die durch eine hohe Trägerfrequenz bereitgestellt wird.

Eines der beliebtesten Antennendesigns für Breitbandanwendungen ist die Vivaldi-Antenne – eine sich verjüngende Schlitzantenne. „Wenn es um Antennen geht, müssen wir in der Lage sein, alles von den niedrigen Mobilfunkbändern um 650 MHz bis über 40 GHz zu testen“, sagte Rehammar.

Die Wellenlänge in Konstruktionen von Millimeterwellengeräten ist viel kleiner als die Mikrowellenwellenlänge, und jede geringfügige physikalische Verzerrung aufgrund von thermisch-strukturellen Effekten oder Herstellungstoleranzfehlern würde ihre Leistung in unerwünschter Weise beeinträchtigen. Daher ist es wichtig, die Leistung solcher Geräte mithilfe von Simulationen zu validieren. Bluetest nutzte die COMSOL Multiphysics®-Simulation, um seine Antennen- und Schaltungsdesigns einschließlich der Vivaldi-Antenne zu optimieren.

Der erste Prototyp des Vivaldi-Antennendesigns wurde in einem FR4-Substrat (einem Verbundmaterial aus gewebter Glasfaser und Epoxidharz) mit einer Dicke von 1,6 mm modelliert. Durch die Simulation der ersten Iteration dieser Antenne konnten Rehammar und sein Team feststellen, dass es einige Probleme in Bezug auf Montage, Größe, Stabilität und Effizienz beim Betrieb bei niedrigen Frequenzen gab. Dank dieser Ergebnisse konnten sie eine verbesserte Vivaldi-Antenne simulieren, indem sie Bézier-Kurven in ihr Modell implementierten (Abbildung 2).

Bluetest simulierte, konstruierte und testete auch die Effizienz einer Breitband-Monopolantenne für den Ultrabreitbandbetrieb von 6 GHz bis 67 GHz. Dieser Antennentyp wird in ihrem RTS für 5G-Messungen verwendet; Es trägt auch dazu bei, das System vielseitiger zu machen, da es während einer Messung verwendet werden kann, ohne die Standard-Testantenne wechseln zu müssen.

Die Verwendung von Simulation ist nicht auf Antennenkonstruktionen beschränkt. Um die Leistung der Hallkammer zu verbessern, untersuchte Bluetest nicht nur die Resonanzeigenmoden eines kundenspezifischen Hohlraums, sondern entwickelte auch Schaltkreis-zu-Wellenleiter-Übergänge.

Mit dem technologischen Fortschritt Schritt halten

Rehammar ist bei Bluetest davon überzeugt, dass sich Simulationstechnik und Messtechnik vollständig ergänzen. „In der Anfangsphase der Entwicklung eines Designs benötigen Sie eine Simulation, und um zu bestätigen, dass Ihr physisches Gerät ordnungsgemäß funktioniert, müssen Sie Messungen durchführen“, sagte Rehammar. Die Systeme von Bluetest werden ständig aktualisiert, um mit den Fortschritten der drahtlosen Technologie Schritt zu halten, insbesondere in der Mobiltelefonentwicklungsbranche.

„Vor 5G arbeiteten mobile Systeme mit bis zu etwa 2,6 GHz, und jetzt gibt es 5G-Systeme, die mit bis zu 40 GHz betrieben werden können“, sagte Rehammar. Um mit diesem fortschreitenden Feld Schritt zu halten, hat Bluetest daran gearbeitet, so viele Frequenzbänder wie möglich zu unterstützen. Mithilfe der Simulation kann sich Bluetest auf die Verbesserung der RTS-Testzeit und Messgenauigkeit konzentrieren und gleichzeitig die Testkomplexität auf einem hohen Niveau halten.

Dieser Artikel wurde von Rachel Keatley, Content Writer bei COMSOL, Burlington, MA, verfasst. Weitere Informationen finden Sie unter hier .

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