Optimisation des systèmes de test sans fil et antennes pour connectivité ultra-rapide

Chaque année, les consommateurs sont éblouis par les derniers smartphones et dispositifs sans fil arrivant sur le marché. Avant que ces gadgets améliorés n'atteignent les rayons, il y a un processus intensif de conception et de test pour les développer. Les antennes, composant primordial des dispositifs sans fil, sont constamment mises à jour pour suivre l'avancée technologique comme la 5G et l'Internet des Objets (IoT). Elles doivent avoir une bande passante plus grande, respecter les réglementations de sécurité, et être assez petites pour s'intégrer dans des micro-designs.

Bluetest : systèmes de test en chambre réverbérante faciles d'utilisation

Pour aider les ingénieurs travaillant avec l'équipement sans fil, Bluetest (basée à Göteborg, Suède) a développé des systèmes de test en chambre réverbérante (RTS) faciles à utiliser qui mesurent la performance des dispositifs sans fil et antennes. Aujourd'hui, Bluetest est leader sur le marché des tests en champ libre, multiple-entrées-multiples-sorties (MIMO). L'entreprise utilise la simulation pour garantir que les composants de leurs designs RTS sont optimisés pour la performance.

Évolution des tests en chambre réverbérante

Depuis le début des années 1940, la performance des antennes a été testée dans des chambres anéchoïques, ou pièces absorbant les micro-ondes. Dans ce type de chambre, une antenne est rotée et son intensité radiée est mesurée dans différentes directions. Les données de cette méthode sont relativement faciles à interpréter mais les chambres anéchoïques sont coûteuses et leur grande taille les rend encombrantes.

Dans les années 1960, un autre type de chambre a été développé — la chambre réverbérante — initialement utilisée pour les tests de compatibilité électromagnétique (CEM). Contrairement aux chambres anéchoïques, les chambres réverbérantes réfléchissent les ondes électromagnétiques (ou le son pour l'équivalent acoustique) au lieu de les absorber. « On peut générer des intensités de champ très élevées dans ce type de chambre, ce qui est une excellente caractéristique pour tester l'immunité et la sensibilité d'un dispositif quand il est irradié par des champs électromagnétiques de haute puissance », a déclaré Robert Rehammar, directeur technique chez Bluetest.

À la fin des années 1990, on a appris que les chambres réverbérantes peuvent aussi tester certains paramètres d'antennes. Par exemple, la propriété la plus importante d'une petite antenne est son efficacité, ou le quotient entre la puissance mise dans l'antenne comparée à la puissance réellement rayonnée (généralement mesurée en dB). « Ce qu'on a réalisé, c'est qu'on peut mesurer l'efficacité d'antenne en chambre réverbérante et il s'est avéré que pour une petite antenne, on peut le faire très vite et avec précision », a dit Rehammar.

Vers le début de la popularité des systèmes de test réverbérant, Per-Simon Kildal, professeur de systèmes d'antennes à l'Université de Technologie Chalmers en Suède, a lancé un projet de recherche sur les chambres réverbérantes 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 née. Vers 2010, la 4G — la quatrième génération de systèmes mobiles (aussi connue sous le nom LTE) — a été introduite, avec le MIMO. En conséquence, a dit Rehammar, « Beaucoup de questions très compliquées ont surgi comme : "Comment allons-nous tester la performance de ces systèmes ?" »

Mesure de la performance d'antenne

Les systèmes réverbérants de Bluetest effectuent des tests passifs et actifs pour déterminer si un dispositif est optimisé. Les tests passifs mesurent predominantly l'efficacité d'antenne, tandis que les tests actifs mesurent la puissance totale rayonnée et la sensibilité isotrope totale dans l'émetteur et le récepteur du dispositif testé (DUT), respectivement. Pendant les tests actifs, l'émetteur et le récepteur du DUT sont alimentés. Les mesures actives aident à donner une vue d'ensemble de la performance du DUT dans son ensemble. Les deux tests aident à garantir que le dispositif, comme un téléphone mobile, respecte les réglementations et exigences clients.

Tous les systèmes de test réverbérant et produits de Bluetest sont conçus et produits à Göteborg. Le RTS contient une grande variété de composants, comme des murs en matériau réfléchissant, une antenne de référence, 4 à 16 antennes de mesure avec différentes polarisations, des mélangeurs de modes, interfaces RF, et plus. Quand le processus de production est complet, le système est emballé dans une grande caisse en bois et envoyé aux clients dans le monde entier.

Conception, fabrication, test et validation pour ondes millimétriques

Bluetest est en train de concevoir une nouvelle technologie pour leurs RTS pour applications ondes millimétriques, incluant la bande 5G mmWave, où la fréquence centrale est d'un ordre de grandeur plus élevée que celle des applications micro-ondes conventionnelles. La communication haute vitesse repose sur une large bande passante, fournie par une haute fréquence porteuse.

L'un des designs d'antenne les plus populaires pour applications à large bande est l'antenne Vivaldi — une antenne à fente évasée. « Quand il s'agit d'antennes, nous devons pouvoir tester n'importe quoi, des bandes cellulaires basses autour de 650 MHz jusqu'à plus de 40 GHz », a dit Rehammar.

La longueur d'onde dans les designs d'appareils ondes millimétriques est bien plus petite que la longueur d'onde micro-ondes et toute distorsion physique mineure due à des effets thermo-structuraux ou erreurs de tolérance de fabrication impacterait indésirablement sa performance. Il est donc critique de valider la performance de tels dispositifs par simulation. Bluetest a utilisé la simulation COMSOL Multiphysics® pour optimiser leurs designs d'antennes et circuits incluant l'antenne Vivaldi.

Itérations de design Vivaldi : courbes de Bézier

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

Bluetest a aussi simulé, conçu, et testé l'efficacité d'une antenne monopôle large bande pour ultra-large bande fonctionnant de 6 GHz à 67 GHz. Ce type d'antenne est utilisé dans leurs RTS pour mesures 5G ; il aide aussi 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 n'est pas limitée aux designs d'antennes. Pour améliorer la performance de la chambre réverbérante, Bluetest a non seulement investigué les modes propres de résonance d'une cavité personnalisée mais a aussi développé des transitions circuit-guide d'ondes.

Simulation et mesure : complémentarité pour suivre l'avancée technologique

Chez Bluetest, Rehammar croit que la technologie de simulation et la technologie de mesure se complètent complètement. « Aux stades initiaux de construction d'un design, vous avez besoin de simulation, et pour confirmer que votre dispositif physique fonctionne correctement, vous devez faire des mesures », a dit Rehammar. Les systèmes de Bluetest sont constamment mis à jour pour suivre l'avancée de la technologie sans fil, surtout dans l'industrie du développement de téléphones mobiles.

« Avant la 5G, les systèmes mobiles opéraient jusqu'à environ 2,6 GHz et maintenant vous avez des systèmes 5G qui peuvent tourner jusqu'à 40 GHz », a dit Rehammar. Pour rester sur la bonne voie dans ce domaine en avance, Bluetest a travaillé à supporter autant de bandes de fréquence que possible. Avec l'aide de la simulation, Bluetest peut se concentrer sur l'amélioration de leur temps de test RTS et la précision de mesure, tout en gardant la complexité des tests à un niveau élevé.

Cet article a été écrit par Rachel Keatley, rédactrice chez COMSOL, Burlington, MA. Pour plus d'information, visitez ici.

COMSOL Multiphysics est une marque déposée de COMSOL AB.