Optimisation des systèmes de test sans fil et des antennes pour les communications à haut débit

Chaque année, les consommateurs sont éblouis par les derniers smartphones et appareils sans fil qui arrivent sur le marché. Avant que ces gadgets améliorés n'atteignent les étagères, leur développement nécessite un processus de conception et de test approfondi. Les antennes, un composant primordial des appareils sans fil, sont constamment mises à jour pour suivre l'évolution des technologies telles que la 5G et l'Internet des objets (IoT). Ils doivent avoir une plus grande bande passante, respecter les réglementations de sécurité et être suffisamment petits pour s'adapter aux micro-conceptions.

Pour aider les ingénieurs travaillant avec des équipements sans fil, Bluetest (basé à Göteborg, en Suède) a développé des systèmes de test de réverbération (RTS) faciles à utiliser qui mesurent les performances des appareils et des antennes sans fil. Aujourd'hui, Bluetest est un leader du marché des tests MIMO (multiple-input-multiple-output) en direct. L'entreprise utilise la simulation pour s'assurer que les composants de ses conceptions RTS sont optimisés pour les performances.

Évolution des tests de réverbération

Depuis le début des années 1940, les performances des antennes ont été testées dans des chambres anéchoïques ou des salles absorbant les micro-ondes. Dans ce type de chambre, une antenne est mise en rotation et son intensité rayonnée est mesurée dans différentes directions. Les données obtenues grâce à cette méthode de test sont relativement faciles à interpréter, mais les chambres anéchoïques ont tendance à être coûteuses et leur grande taille les rend peu maniables.

Dans les années 1960, un autre type de chambre a été développé - la chambre de réverbération - qui était à l'origine utilisée pour les tests de compatibilité électromagnétique (CEM). Contrairement aux chambres anéchoïques, les chambres de réverbération réfléchissent les ondes électromagnétiques (ou le son pour l'équivalent acoustique) au lieu de les absorber. "Vous pouvez générer des intensités de champ très élevées à l'intérieur de ce type de chambre, ce qui est une excellente fonctionnalité pour tester l'immunité et la sensibilité d'un appareil lorsqu'il est rayonné par des champs électromagnétiques de haute puissance", a déclaré Robert Rehammar, directeur de la technologie chez Bluetest.

À la fin des années 1990, les gens ont appris que les chambres de réverbération pouvaient également être utilisées pour tester certains paramètres d'antenne. Par exemple, la propriété la plus importante d'une petite antenne est son efficacité, ou le quotient entre la puissance que vous mettez dans l'antenne par rapport à la puissance réellement rayonnée (généralement mesurée en dB). "Ce qui a été réalisé, c'est que vous pouvez mesurer l'efficacité de l'antenne dans les chambres de réverbération et il s'est avéré que pour une petite antenne, vous pouvez le faire très rapidement et avec précision", a déclaré Rehammar.

Vers le début de la popularité du système de test de réverbération, PerSimon Kildal, professeur de systèmes d'antennes à l'Université de technologie de Chalmers en Suède, a lancé un projet de recherche sur les chambres de réverbération et leur capacité à analyser les antennes. Après avoir étudié ces chambres, Kildal a été inspiré pour créer une entreprise basée sur ses découvertes et Bluetest est né. Vers 2010, la 4G - la quatrième génération de systèmes mobiles (également connue sous le nom de LTE) - a été introduite, ainsi que le MIMO. En conséquence, a déclaré Rehammar, "Beaucoup de questions très compliquées sont apparues comme, 'Comment allons-nous tester les performances de ces systèmes ?'"

Mesure des performances de l'antenne

Les systèmes de réverbération de Bluetest (Figure 1) effectuent des tests passifs et actifs pour déterminer si un appareil est optimisé ou non. Les tests passifs mesurent principalement l'efficacité de l'antenne, tandis que les tests actifs mesurent la puissance rayonnée totale et la sensibilité isotrope totale dans l'émetteur et le récepteur de l'appareil testé (DUT), respectivement. Pendant les tests actifs, l'émetteur et le récepteur du DUT sont sous tension. Les mesures actives aident à donner un aperçu de la façon dont le DUT fonctionne dans son ensemble. Ces deux tests permettent de s'assurer que l'appareil, tel qu'un téléphone mobile, est conforme aux réglementations et aux exigences des clients.

Tous les systèmes et produits de test de réverbération de Bluetest sont conçus et fabriqués à Göteborg. Le RTS contient une grande variété de composants, tels que des murs en matériau réfléchissant, une antenne de référence, quatre à 16 antennes de mesure avec différentes polarisations, des agitateurs de mode, des interfaces RF, etc. Lorsque le processus de production est terminé, le système est emballé dans un grand berceau en bois et envoyé aux clients du monde entier.

Conception, fabrication, test et validation

Bluetest est en train de concevoir une nouvelle technologie à utiliser dans leur RTS pour les applications à ondes millimétriques, y compris la bande 5G mmWave, où la fréquence centrale est d'un ordre de grandeur supérieur à celle des applications micro-ondes conventionnelles. La communication à haut débit repose sur une large bande passante, qui est fournie par une fréquence porteuse élevée.

L'une des conceptions d'antenne les plus populaires pour les applications à large bande est l'antenne Vivaldi - une antenne à fente conique. "En ce qui concerne les antennes, nous devons être en mesure de tester n'importe quoi, des bandes cellulaires basses autour de 650 MHz jusqu'à plus de 40 GHz", a déclaré Rehammar.

La longueur d'onde dans les conceptions de dispositifs à ondes millimétriques est beaucoup plus petite que la longueur d'onde des micro-ondes et toute distorsion physique mineure due à des effets de structure thermique ou à une erreur de tolérance de fabrication aurait un impact indésirable sur ses performances. Par conséquent, il est essentiel de valider les performances de tels dispositifs à l'aide de la simulation. Bluetest a utilisé la simulation COMSOL Multiphysics® pour optimiser ses conceptions d'antennes et de circuits, y compris l'antenne Vivaldi.

Le premier prototype de la conception de l'antenne Vivaldi a été modélisé dans un substrat FR4 (un matériau composite composé de fibre de verre tissée et de résine époxy) d'une épaisseur de 1,6 mm. La simulation de la première itération de cette antenne a permis à Rehammar et à son équipe de voir qu'il y avait quelques problèmes liés à son montage, sa taille, sa stabilité et son efficacité tout en fonctionnant à basses fréquences. Grâce à ces découvertes, ils ont pu simuler une antenne Vivaldi améliorée en implémentant des courbes de Bézier dans leur modèle (Figure 2).

Bluetest a également simulé, conçu et testé l'efficacité d'une antenne monopôle large bande pour une bande ultra large fonctionnant de 6 GHz à 67 GHz. Ce type d'antenne est utilisé dans leur RTS pour les mesures 5G; cela aide également à fournir au système plus de polyvalence car il peut être utilisé pendant une mesure sans changer l'antenne de test standard.

L'utilisation de la simulation ne se limite pas aux conceptions d'antennes. Pour améliorer les performances de la chambre de réverbération, Bluetest a non seulement étudié les modes propres de résonance d'une cavité personnalisée, mais a également développé des transitions circuit-guide d'ondes.

Suivre l'évolution de la technologie

Chez Bluetest, Rehammar pense que la technologie de simulation et la technologie de mesure se complètent complètement. "Au début de la construction d'une conception, vous avez besoin d'une simulation, et pour confirmer que votre appareil physique fonctionne correctement, vous devez effectuer des mesures", a déclaré Rehammar. Les systèmes de Bluetest sont constamment mis à jour pour suivre l'évolution de la technologie sans fil, en particulier dans l'industrie du développement de téléphones mobiles.

"Avant la 5G, les systèmes mobiles fonctionnaient jusqu'à environ 2,6 GHz et maintenant vous avez des systèmes 5G qui peuvent fonctionner jusqu'à 40 GHz", a déclaré Rehammar. Pour rester sur la bonne voie avec ce domaine en progression, Bluetest a travaillé sur la prise en charge d'autant de bandes de fréquences que possible. Avec l'aide de la simulation, Bluetest peut se concentrer sur l'amélioration du temps de test RTS et de la précision des mesures, tout en maintenant la complexité des tests à un niveau élevé.

Cet article a été rédigé par Rachel Keatley, rédactrice de contenu chez COMSOL, Burlington, MA. Pour plus d'informations, visitez ici .

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