Optimizando sistemas de prueba inalámbrica y antenas para conectividad ultra-rápida

Cada año, los consumidores se deslumbran con los últimos smartphones y dispositivos inalámbricos que llegan al mercado. Antes de que estos gadgets mejorados lleguen a las estanterías, hay un extenso proceso de diseño y prueba que se lleva a cabo en su desarrollo. Las antenas, un componente primordial de los dispositivos inalámbricos, se actualizan constantemente para mantenerse al día con la tecnología en avance como 5G e Internet de las Cosas (IoT). Se espera que tengan mayor ancho de banda, cumplan regulaciones de seguridad y sean lo suficientemente pequeñas para encajar en micro-diseños.

Bluetest: sistemas de prueba en cámara de reverberación (RTS) fáciles de usar

Para ayudar a ingenieros que trabajan con equipos inalámbricos, Bluetest (con sede en Gotemburgo, Suecia) ha desarrollado sistemas de prueba en cámara de reverberación (RTS) fáciles de usar que miden el rendimiento de dispositivos inalámbricos y antenas. Hoy, Bluetest es líder de mercado en pruebas over-the-air, multiple-input-multiple-output (MIMO). La empresa usa simulación para asegurar que los componentes de sus diseños RTS estén optimizados para rendimiento.

Evolución de las pruebas en cámara de reverberación

Desde principios de 1940, el rendimiento de antenas se ha probado en cámaras anecoicas, o habitaciones absorbentes de microondas. En este tipo de cámara, una antena se rota y su intensidad radiada se mide en diferentes direcciones. Los datos obtenidos de 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 los años 1960, se desarrolló un tipo diferente de cámara — la cámara de reverberación — que se usaba 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. "Puedes generar intensidades de campo muy altas dentro de este tipo de cámara, lo cual es una gran característica para probar inmunidad y qué tan sensible es un dispositivo cuando se irradia con campos electromagnéticos de alta potencia", dijo Robert Rehammar, director técnico de Bluetest.

A finales de los años 1990, se descubrió que las cámaras de reverberación también pueden usarse para probar ciertos parámetros de antenas. Por ejemplo, la propiedad más importante de una antena pequeña es su eficiencia, o el cociente entre la potencia que pones en la antena comparada con cuánta potencia se irradia realmente (típicamente medido en dB). "Lo que se descubrió es que puedes medir la eficiencia de antena en cámaras de reverberación y resultó que para una antena pequeña, puedes hacerlo muy rápido y con precisión", dijo Rehammar.

Hacia el inicio de la popularidad del sistema de prueba de reverberación, PerSimon Kildal, profesor de sistemas de antenas en la Universidad de Tecnología Chalmers en Suecia, inició un proyecto de investigación sobre cámaras de reverberación y su capacidad para analizar antenas. Tras estudiar estas cámaras, Kildal se inspiró para crear una empresa basada en sus hallazgos y nació Bluetest. Alrededor de 2010, se introdujo el 4G — la cuarta generación de sistemas móviles (también conocido 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 antenas

Los sistemas de reverberación de Bluetest (Figura 1) realizan pruebas pasivas y activas para determinar si un dispositivo está optimizado. Las pruebas pasivas miden predominantemente la eficiencia de la antena, mientras que las pruebas activas miden la potencia total radiada y la sensibilidad isotrópica total en el transmisor y receptor del dispositivo bajo prueba (DUT), respectivamente. Durante las pruebas activas, el transmisor y receptor en el DUT están encendidos. Las mediciones activas ayudan a dar una visión general de cómo el DUT funciona como un todo. Ambas pruebas ayudan a asegurar que el dispositivo, como un teléfono móvil, cumpla regulaciones y requisitos del cliente.

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

Diseño, fabricación, prueba y validación con simulación

Bluetest está en proceso de diseñar nueva tecnología para usar en sus RTS para aplicaciones de ondas milimétricas, incluyendo la banda 5G mmWave, donde la frecuencia central es un orden de magnitud mayor que la de aplicaciones de microondas convencionales. La comunicación de alta velocidad depende de un ancho de banda amplio, que proporciona una alta frecuencia portadora.

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, necesitamos 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 diseños de dispositivos de ondas milimétricas es mucho menor que la longitud de onda de microondas y cualquier distorsión física menor debido a efectos termo-estructurales o error de tolerancia de fabricación impactaría indeseablemente su rendimiento. Por lo tanto, es crítico validar el rendimiento de tales dispositivos usando simulación. Bluetest usó simulación COMSOL Multiphysics® para optimizar sus diseños de antena y circuitos, incluyendo la antena Vivaldi.

El primer prototipo del diseño de antena Vivaldi se modeló en sustrato FR4 (material compuesto de fibra de vidrio tejida y resina epoxi) con espesor de 1.6 mm. Simular 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 operando a bajas frecuencias. Gracias a estos hallazgos, pudieron simular una antena Vivaldi mejorada implementando curvas Bézier en su modelo (Figura 2).

Bluetest también simuló, diseñó y probó la eficiencia de una antena monopolo de banda ancha para operación ultra-ancho de banda de 6 GHz a 67 GHz. Este tipo de antena se usa en sus RTS para mediciones 5G; también ayuda a proporcionar al sistema más versatilidad porque puede usarse durante una medición sin cambiar la antena de prueba estándar.

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

Manteniéndose al día con el avance tecnológico

En Bluetest, Rehammar cree que la tecnología de simulación y la tecnología de medición se complementan completamente. "En las etapas iniciales de construcción de un diseño, necesitas simulación, y para confirmar que tu dispositivo físico funciona correctamente, tienes que hacer mediciones", dijo Rehammar. Los sistemas de Bluetest se actualizan consistentemente para mantenerse al día con el avance de la tecnología inalámbrica, especialmente dentro de la industria de desarrollo de teléfonos móviles.

"Antes del 5G, los sistemas móviles operaban hasta aproximadamente 2.6 GHz y ahora tienes sistemas 5G que pueden correr hasta 40 GHz", dijo Rehammar. Para mantenerse en pista con este campo en avance, Bluetest ha estado trabajando en soportar tantas bandas de frecuencia como sea posible. Con la ayuda de la simulación, Bluetest puede enfocarse en mejorar su tiempo de prueba RTS y precisión de medición, manteniendo la complejidad de prueba en un nivel alto.

Este artículo fue escrito por Rachel Keatley, Escritora de Contenido en COMSOL, Burlington, MA. Para más información, visite aquí.

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