Optimización de antenas y sistemas de prueba inalámbricos para comunicaciones de alta velocidad

Cada año, los consumidores quedan deslumbrados por los últimos teléfonos inteligentes y dispositivos inalámbricos que llegan al mercado. Antes de que estos dispositivos actualizados lleguen a los estantes, hay un extenso proceso de diseño y prueba para desarrollarlos. Las antenas, un componente primordial de los dispositivos inalámbricos, se actualizan constantemente para mantenerse al día con la tecnología avanzada, como 5G e Internet de las cosas (IoT). Se espera que tengan un mayor ancho de banda, cumplan con las normas de seguridad y sean lo suficientemente pequeños como para caber en microdiseños.

Para ayudar a los ingenieros que trabajan con equipos inalámbricos, Bluetest (con sede en Gotemburgo, Suecia) ha desarrollado sistemas de prueba de reverberación (RTS) fáciles de usar que miden el rendimiento de las antenas y los dispositivos inalámbricos. En la actualidad, Bluetest es líder del mercado en pruebas inalámbricas de múltiples entradas y múltiples salidas (MIMO). La empresa utiliza la simulación para garantizar que los componentes de sus diseños RTS estén optimizados para el rendimiento.

Evolución de las pruebas de reverberación

Desde principios de la década de 1940, el rendimiento de la antena se ha probado en cámaras anecoicas o salas de absorción de microondas. En este tipo de cámara, se gira una antena y se mide su intensidad radiada en diferentes direcciones. Los datos obtenidos con este método de prueba son relativamente fáciles de interpretar, pero las cámaras anecoicas tienden a ser costosas y su gran tamaño las hace difíciles de manejar.

En la década de 1960, se desarrolló un tipo diferente de cámara, la cámara de reverberación, que se utilizó originalmente para pruebas de compatibilidad electromagnética (EMC). A diferencia de las cámaras anecoicas, las cámaras de reverberación reflejan ondas electromagnéticas (o sonido para el equivalente acústico) en lugar de absorberlas. “Puede generar intensidades de campo muy altas dentro de este tipo de cámara, lo cual es una gran característica para probar la inmunidad y cuán sensible es un dispositivo cuando se irradia con campos electromagnéticos de alta potencia”, dijo Robert Rehammar, director de tecnología de Bluetest.

A fines de la década de 1990, la gente aprendió que las cámaras de reverberación también se pueden usar para probar ciertos parámetros de la antena. Por ejemplo, la propiedad más importante de una antena pequeña es su eficiencia, o el cociente entre la potencia que pones en la antena en comparación con la potencia que realmente se irradia (típicamente medida en dB). "Lo que se descubrió es que se puede medir la eficiencia de la antena en cámaras de reverberación y resultó que, para una antena pequeña, se puede hacer de manera muy rápida y precisa", dijo Rehammar.

Hacia el comienzo de la popularidad del sistema de prueba de reverberación, PerSimon Kildal, profesor de sistemas de antenas en la Universidad Tecnológica de Chalmers en Suecia, inició un proyecto de investigación sobre cámaras de reverberación y su capacidad para analizar antenas. Después de estudiar estas cámaras, Kildal se inspiró para iniciar una empresa basada en sus hallazgos y nació Bluetest. Alrededor de 2010, se introdujo 4G, la cuarta generación de sistemas móviles (también conocida como LTE), junto con MIMO. Como resultado, dijo Rehammar, "surgieron muchas preguntas muy complicadas como, '¿Cómo vamos a probar el rendimiento de estos sistemas?'"

Medición del rendimiento de la antena

Los sistemas de reverberación de Bluetest (Figura 1) realizan pruebas pasivas y activas para determinar si un dispositivo está optimizado o no. Las pruebas pasivas miden predominantemente la eficiencia de la antena, mientras que las pruebas activas miden la potencia radiada total y la sensibilidad isotrópica total en el transmisor y receptor del dispositivo bajo prueba (DUT), respectivamente. Durante las pruebas activas, el transmisor y el receptor del dispositivo bajo prueba están encendidos. Las mediciones activas ayudan a dar una visión general del rendimiento del dispositivo bajo prueba en su conjunto. Ambas pruebas ayudan a garantizar que el dispositivo, como un teléfono móvil, cumpla con las normas y los requisitos del cliente.

Todos los productos y sistemas de prueba de reverberación de Bluetest están diseñados y producidos en Gotemburgo. El RTS contiene una amplia variedad de componentes, como paredes hechas de material reflectante, una antena de referencia, de cuatro a 16 antenas de medición con diferentes polarizaciones, agitadores de modo, interfaces de RF y más. Cuando se completa el proceso de producción, el sistema se empaqueta en una gran cuna de madera y se envía a clientes de todo el mundo.

Diseño, Fabricación, Prueba y Validación

Bluetest está en el proceso de diseñar una nueva tecnología para usar en su RTS para aplicaciones de ondas milimétricas, incluida la banda 5G mmWave, donde la frecuencia central es un orden de magnitud más alta que la de las aplicaciones de microondas convencionales. La comunicación de alta velocidad se basa en un ancho de banda amplio, proporcionado por una frecuencia portadora alta.

Uno de los diseños de antena más populares para aplicaciones de banda ancha es la antena Vivaldi, una antena de ranura cónica. “Cuando se trata de antenas, debemos poder probar cualquier cosa, desde las bandas celulares bajas alrededor de 650 MHz hasta más de 40 GHz”, dijo Rehammar.

La longitud de onda en los diseños de dispositivos de ondas milimétricas es mucho más pequeña que la longitud de onda de microondas y cualquier distorsión física menor debida a efectos termoestructurales o errores de tolerancia de fabricación afectaría de manera indeseable su rendimiento. Por lo tanto, es fundamental validar el rendimiento de dichos dispositivos mediante simulación. Bluetest utilizó la simulación COMSOL Multiphysics® para optimizar sus diseños de antenas y circuitos, incluida la antena Vivaldi.

El primer prototipo del diseño de la antena de Vivaldi se modeló en sustrato FR4 (un material compuesto formado por tejido de fibra de vidrio y resina epoxi) con un espesor de 1,6 mm. La simulación de la primera iteración de esta antena permitió a Rehammar y su equipo ver que había algunos problemas relacionados con su montaje, tamaño, estabilidad y eficiencia mientras operaba a bajas frecuencias. Gracias a estos hallazgos, pudieron simular una antena Vivaldi mejorada mediante la implementación de curvas de Bézier en su modelo (Figura 2).

Bluetest también simuló, diseñó y probó la eficiencia de una antena monopolo de banda ancha para banda ultraancha que opera de 6 GHz a 67 GHz. Este tipo de antena se utiliza en sus RTS para medidas 5G; también ayuda a proporcionar al sistema una mayor versatilidad porque se puede usar durante una medición sin cambiar la antena de prueba estándar.

El uso de la simulación no se limita a los diseños de antenas. Para mejorar el rendimiento de la cámara de reverberación, Bluetest no solo investigó los modos propios de resonancia de una cavidad personalizada, sino que también desarrolló transiciones de circuito a guía de ondas.

Mantenerse al día con el avance de la tecnología

En Bluetest, Rehammar cree que la tecnología de simulación y la tecnología de medición se complementan completamente. “En las etapas iniciales de la construcción de un diseño, necesita simulación, y para confirmar que su dispositivo físico funciona correctamente, debe realizar mediciones”, dijo Rehammar. Los sistemas de Bluetest se actualizan constantemente para mantenerse al día con el avance de la tecnología inalámbrica, especialmente dentro de la industria del desarrollo de teléfonos móviles.

“Antes de 5G, los sistemas móviles funcionaban hasta aproximadamente 2,6 GHz y ahora tienes sistemas 5G que pueden funcionar hasta 40 GHz”, dijo Rehammar. Para mantenerse al día con este campo de avance, Bluetest ha estado trabajando para admitir tantas bandas de frecuencia como sea posible. Con la ayuda de la simulación, Bluetest puede concentrarse en mejorar el tiempo de prueba de RTS y la precisión de la medición, al mismo tiempo que mantiene la complejidad de la prueba a un alto nivel.

Este artículo fue escrito por Rachel Keatley, redactora de contenido en COMSOL, Burlington, MA. Para obtener más información, visite aquí .

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