Optimierung drahtloser Testsysteme und Antennen für ultraschnelle Konnektivität

Jedes Jahr werden Verbraucher von den neuesten Smartphones und drahtlosen Geräten begeistert, die auf den Markt kommen. Bevor diese aufgerüsteten Gadgets die Regale erreichen, steckt ein umfangreicher Design- und Testprozess in ihrer Entwicklung. Antennen, eine entscheidende Komponente drahtloser Geräte, werden kontinuierlich aktualisiert, um mit fortschreitender Technologie wie 5G und dem Internet der Dinge (IoT) Schritt zu halten. Sie sollen größere Bandbreite haben, Sicherheitsvorschriften erfüllen und klein genug für Mikro-Designs sein.

Bluetest: Reverberation Test Systems

Um Ingenieure zu unterstützen, die mit drahtloser Ausrüstung arbeiten, hat Bluetest (Göteborg, Schweden) einfach zu bedienende Reverberation Test Systems (RTS) entwickelt, die die Leistung von drahtlosen Geräten und Antennen messen. Heute ist Bluetest Marktführer bei Over-the-Air Multiple-Input-Multiple-Output (MIMO) Tests. Das Unternehmen nutzt Simulation, um sicherzustellen, dass die Komponenten ihrer RTS-Designs für Leistung optimiert sind.

Entwicklung des Reverberation Testing

Seit den frühen 1940er Jahren wurde Antennenleistung in anechoischen Kammern, also mikrowellenabsorbierenden Räumen, getestet. In dieser Kammer wird eine Antenne gedreht und ihre abgestrahlte Intensität in verschiedenen Richtungen gemessen. Die Daten dieser Testmethode sind relativ einfach zu interpretieren, aber anechoische Kammern sind teuer und ihre große Größe macht sie unhandlich.

In den 1960er Jahren wurde eine andere Kammerart entwickelt – die Reverberationskammer – die ursprünglich für elektromagnetische Verträglichkeit (EMC) Tests genutzt wurde. Im Gegensatz zu anechoischen Kammern reflektieren Reverberationskammern elektromagnetische Wellen (oder Schall für das akustische Äquivalent) statt sie zu absorbieren. „Man kann sehr hohe Feldstärken in dieser Art von Kammer erzeugen, was ein großartiges Merkmal für Immunitätstests und die Empfindlichkeit eines Geräts bei Bestrahlung mit hochleistungsfähigen elektromagnetischen Feldern ist“, sagte Robert Rehammar, CTO bei Bluetest.

Ende der 1990er Jahre erkannte man, dass Reverberationskammern auch zur Prüfung bestimmter Antennenparameter genutzt werden können. Zum Beispiel ist die wichtigste Eigenschaft einer kleinen Antenne ihre Effizienz – der Quotient aus der in die Antenne eingespeisten Leistung und der tatsächlich abgestrahlten Leistung (typischerweise in dB gemessen). „Man erkannte, dass man Antenneneffizienz in Reverberationskammern messen kann und es sich herausstellte, dass man dies für kleine Antennen sehr schnell und präzise tun kann“, sagte Rehammar.

Zu Beginn der Popularität von Reverberation Testing Systems startete PerSimon Kildal, Professor für Antennensysteme an der Chalmers University of Technology in Schweden, ein Forschungsprojekt zu Reverberationskammern und ihrer Fähigkeit zur Antennenanalyse. Nach dem Studium dieser Kammern wurde Kildal inspiriert, ein Unternehmen auf Basis seiner Erkenntnisse zu gründen – Bluetest war geboren. Um 2010 wurde 4G – die vierte Generation mobiler Systeme (auch LTE bekannt) – eingeführt, zusammen mit MIMO. Dies führte, so Rehammar, zu „vielen sehr komplizierten Fragen wie: ‚Wie werden wir die Leistung dieser Systeme testen?‘“

Messung der Antennenleistung

Bluetests Reverberationssysteme führen passive und aktive Tests durch, um zu bestimmen, ob ein Gerät optimiert ist. Passive Tests messen vorwiegend Antenneneffizienz, während aktive Tests die gesamte abgestrahlte Leistung und die gesamte isotrope Empfindlichkeit im Sender und Empfänger des Device Under Test (DUT) messen. Während aktiver Tests sind Sender und Empfänger im DUT eingeschaltet. Aktive Messungen geben einen Überblick darüber, wie das DUT als Ganzes performt. Beide Tests helfen sicherzustellen, dass das Gerät, wie ein Mobiltelefon, Vorschriften und Kundenanforderungen erfüllt.

Alle Reverberation Test Systeme und Produkte von Bluetest werden in Göteborg entworfen und produziert. Das RTS enthält eine Vielzahl von Komponenten wie Wände aus reflektierendem Material, eine Referenzantenne, vier bis 16 Messantennen mit verschiedenen Polarisationen, Mode Stirrer, RF-Schnittstellen und mehr. Nach Abschluss der Produktion wird das System in eine große Holzwiege verpackt und an Kunden weltweit versandt.

Design, Fertigung, Test und Validierung

Bluetest entwickelt neue Technologie für ihre RTS für Millimeterwellen-Anwendungen, einschließlich des 5G mmWave-Bands, wo die Mittelfrequenz eine Größenordnung höher liegt als bei konventionellen Mikrowellenanwendungen. Hochgeschwindigkeitskommunikation beruht auf breiter Bandbreite, die durch eine hohe Trägerfrequenz bereitgestellt wird.

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

Die Wellenlänge in Millimeterwellen-Gerätedesigns ist viel kleiner als die Mikrowellenwellenlänge, und jede geringfügige physische Verzerrung durch thermisch-strukturelle Effekte oder Fertigungstoleranzfehler würde die Leistung unerwünscht beeinträchtigen. Daher ist es kritisch, die Leistung solcher Geräte mittels Simulation zu validieren. Bluetest nutzte COMSOL Multiphysics® Simulation zur Optimierung ihrer Antennen- und Schaltungsdesigns einschließlich der Vivaldi-Antenne.

Der erste Prototyp des Vivaldi-Antennendesigns wurde in FR4-Substrat (ein Verbundmaterial aus gewebtem Glasfaser und Epoxidharz) mit 1,6 mm Dicke modelliert. Die Simulation der ersten Iteration dieser Antenne erlaubte Rehammar und seinem Team zu sehen, dass es einige Probleme bezüglich Montage, Größe, Stabilität und Effizienz bei niedrigen Frequenzen gab. Dank dieser Erkenntnisse konnten sie eine verbesserte Vivaldi-Antenne simulieren, indem sie Bézier-Kurven in ihr Modell implementierten.

Bluetest simulierte, entwarf und testete auch die Effizienz einer Breitband-Monopolantenne für Ultra-Breitband von 6 GHz bis 67 GHz. Diese Antennenart wird in ihrem RTS für 5G-Messungen genutzt; sie verleiht dem System auch mehr Vielseitigkeit, da sie während einer Messung ohne Wechsel der Standard-Testantenne verwendet werden kann.

Der Einsatz von Simulation beschränkt sich nicht auf Antennendesigns. Zur Leistungssteigerung der Reverberationskammer untersuchte Bluetest nicht nur die Resonanz-Eigenmoden eines angepassten Hohlraums, sondern entwickelte auch Schaltung-zu-Wellenleiter-Übergänge.

Schritt halten mit technologischem Fortschritt

Bei Bluetest glaubt Rehammar, dass Simulations- und Messtechnologie sich vollständig ergänzen. „In den Anfangsphasen eines Designs braucht man Simulation, und um zu bestätigen, dass das physische Gerät ordnungsgemäß funktioniert, muss man Messungen durchführen“, sagte Rehammar. Bluetests Systeme werden kontinuierlich aktualisiert, um mit dem Fortschritt der drahtlosen Technologie Schritt zu halten, besonders in der Mobilfunkentwicklungsbranche.

„Vor 5G operierten mobile Systeme bis etwa 2,6 GHz, und jetzt haben Sie 5G-Systeme, die bis 40 GHz laufen können“, sagte Rehammar. Um in diesem voranschreitenden Feld auf Kurs zu bleiben, arbeitet Bluetest daran, so viele Frequenzbänder wie möglich zu unterstützen. Mit Hilfe von Simulation kann Bluetest sich auf die Verbesserung der RTS-Testzeit und Messgenauigkeit konzentrieren, während die Testkomplexität auf hohem Niveau gehalten wird.

Dieser Artikel wurde von Rachel Keatley, Content Writer bei COMSOL, Burlington, MA, verfasst. Für weitere Informationen besuchen Sie hier.

COMSOL Multiphysics ist eine eingetragene Marke von COMSOL AB [Link].