고속 통신을 위한 무선 테스트 시스템 및 안테나 최적화

매년 소비자들은 시장에 출시되는 최신 스마트폰과 무선 장치에 눈이 부시게 됩니다. 이러한 업그레이드된 가제트가 선반에 도달하기 전에 개발에 들어가는 광범위한 설계 및 테스트 프로세스가 있습니다. 무선 장치의 가장 중요한 구성 요소인 안테나는 5G 및 사물 인터넷(IoT)과 같은 첨단 기술을 따라잡기 위해 지속적으로 업데이트됩니다. 대역폭이 더 크고 안전 규정을 충족하며 마이크로 설계에 맞을 만큼 충분히 작아야 합니다.

무선 장비로 작업하는 엔지니어를 돕기 위해 Bluetest(스웨덴 예테보리에 기반)는 무선 장치 및 안테나의 성능을 측정하는 사용하기 쉬운 반향 테스트 시스템(RTS)을 개발했습니다. 오늘날 Bluetest는 무선 MIMO(다중 입력 다중 출력) 테스트 시장의 선두 주자입니다. 이 회사는 시뮬레이션을 사용하여 RTS 설계의 구성 요소가 성능에 최적화되어 있는지 확인합니다.

잔향 테스트의 진화

1940년대 초반부터 안테나 성능은 무반사실 또는 마이크로파 흡수실에서 테스트되었습니다. 이 유형의 챔버에서는 안테나가 회전하고 방사 강도가 다른 방향에서 측정됩니다. 이 테스트 방법에서 얻은 데이터는 비교적 해석하기 쉽지만 무향실은 비용이 많이 들고 크기가 커서 다루기 어렵습니다.

1960년대에는 원래 전자기 적합성(EMC) 테스트에 사용되었던 다른 유형의 챔버인 잔향 챔버가 개발되었습니다. 무향실과 달리 잔향실은 전자기파(또는 음향 등가물의 경우 소리)를 흡수하는 대신 반사합니다. Bluetest의 최고 기술 책임자인 Robert Rehammar는 "이런 종류의 챔버 내부에서 매우 높은 필드 강도를 생성할 수 있습니다. 이는 내성을 테스트하고 장치가 고출력 전자기장으로 방사될 때 장치가 얼마나 민감한지를 테스트하는 데 훌륭한 기능입니다."라고 말했습니다.

1990년대 후반에 사람들은 잔향 챔버를 사용하여 특정 안테나 매개변수를 테스트할 수도 있다는 것을 알게 되었습니다. 예를 들어, 소형 안테나의 가장 중요한 속성은 효율성, 즉 실제로 방사되는 전력(일반적으로 dB 단위로 측정)과 비교하여 안테나에 투입한 전력 간의 몫입니다. Rehammar는 "실현된 것은 잔향실에서 안테나 효율을 측정할 수 있다는 것이며 작은 안테나의 경우에도 매우 빠르고 정확하게 측정할 수 있다는 것입니다."라고 말했습니다.

잔향 테스트 시스템이 대중화되기 시작하면서 스웨덴 Chalmers University of Technology의 안테나 시스템 교수인 PerSimon Kildal은 잔향 챔버와 안테나 분석 능력에 대한 연구 프로젝트를 시작했습니다. 이 챔버를 연구한 후 Kildal은 그의 발견을 기반으로 회사를 시작하도록 영감을 받았고 Bluetest가 탄생했습니다. 2010년 즈음에는 MIMO와 함께 4세대 모바일 시스템(LTE라고도 함)인 4G가 도입되었습니다. 결과적으로 Rehammar는 "'이 시스템의 성능을 어떻게 테스트할 것인가?'와 같은 매우 복잡한 질문이 많이 나타났습니다."라고 말했습니다.

안테나 성능 측정

Bluetest의 잔향 시스템(그림 1)은 수동 및 능동 테스트를 수행하여 장치가 최적화되었는지 여부를 결정합니다. 수동 테스트는 주로 안테나 효율을 측정하는 반면 능동 테스트는 DUT(테스트 대상 장치) 송신기 및 수신기에서 각각 총 복사 전력과 총 등방성 감도를 측정합니다. 활성 테스트 중에는 DUT의 송신기와 수신기의 전원이 켜집니다. 활성 측정은 DUT가 전체적으로 어떻게 작동하는지에 대한 개요를 제공하는 데 도움이 됩니다. 두 테스트 모두 휴대폰과 같은 장치가 규정 및 고객 요구 사항을 충족하는지 확인하는 데 도움이 됩니다.

Bluetest의 모든 잔향 테스트 시스템과 제품은 Gothenburg에서 설계 및 생산됩니다. RTS에는 반사 재료로 만들어진 벽, 기준 안테나, 서로 다른 편파가 있는 4~16개의 측정 안테나, 모드 교반기, RF 인터페이스 등과 같은 다양한 구성 요소가 포함되어 있습니다. 생산 공정이 완료되면 시스템을 대형 나무 요람에 포장하여 전 세계 고객에게 보냅니다.

설계, 제작, 테스트 및 검증

Bluetest는 5G mmWave 대역을 포함하여 밀리미터파 애플리케이션을 위한 RTS에 사용할 새로운 기술을 설계하는 중입니다. 여기서 중심 주파수는 기존 마이크로파 애플리케이션보다 훨씬 더 높습니다. 고속 통신은 높은 반송파 주파수가 제공하는 넓은 대역폭에 의존합니다.

광대역 애플리케이션을 위한 가장 인기 있는 안테나 설계 중 하나는 테이퍼 슬롯 안테나인 Vivaldi 안테나입니다. Rehammar는 "안테나의 경우 650MHz 주변의 낮은 셀룰러 대역에서 최대 40GHz 이상까지 모든 것을 테스트할 수 있어야 합니다."라고 말했습니다.

밀리미터파 장치 설계의 파장은 마이크로파 파장보다 훨씬 작으며 열 구조적 효과 또는 제조 허용 오차로 인한 사소한 물리적 왜곡은 성능에 바람직하지 않은 영향을 미칩니다. 따라서 시뮬레이션을 사용하여 이러한 장치의 성능을 검증하는 것이 중요합니다. Bluetest는 COMSOL Multiphysics® 시뮬레이션을 사용하여 Vivaldi 안테나를 포함한 안테나 및 회로 설계를 최적화했습니다.

Vivaldi 안테나 설계의 첫 번째 프로토타입은 1.6mm 두께의 FR4 기판(직조 유리 섬유와 에폭시 수지로 구성된 복합 재료)으로 모델링되었습니다. 이 안테나의 첫 번째 반복을 시뮬레이션하여 Rehammar와 그의 팀은 저주파에서 작동하는 동안 장착, 크기, 안정성 및 효율성과 관련된 몇 가지 문제가 있음을 알 수 있었습니다. 이러한 발견 덕분에 모델에 베지어 곡선을 구현하여 개선된 비발디 안테나를 시뮬레이션할 수 있었습니다(그림 2).

Bluetest는 또한 6GHz ~ 67GHz에서 작동하는 초광대역용 광대역 모노폴 안테나의 효율성을 시뮬레이션, 설계 및 테스트했습니다. 이 유형의 안테나는 5G 측정을 위한 RTS에 사용됩니다. 또한 표준 테스트 안테나를 전환하지 않고 측정 중에 사용할 수 있기 때문에 시스템에 보다 다양한 기능을 제공합니다.

시뮬레이션의 사용은 안테나 설계에만 국한되지 않습니다. 잔향실의 ​​성능을 향상시키기 위해 Bluetest는 맞춤형 공동의 공명 고유 모드를 조사했을 뿐만 아니라 회로에서 도파관으로의 전환도 개발했습니다.

기술 발전에 발맞추기

Bluetest에서 Rehammar는 시뮬레이션 기술과 측정 기술이 서로를 완벽하게 보완한다고 믿습니다. Rehammar는 "설계를 구축하는 초기 단계에서 시뮬레이션이 필요하고 물리적 장치가 제대로 작동하는지 확인하려면 측정을 해야 합니다."라고 말했습니다. Bluetest의 시스템은 특히 휴대폰 개발 산업 내에서 무선 기술의 발전에 발맞추기 위해 지속적으로 업데이트되고 있습니다.

Rehammar는 "5G 이전에는 모바일 시스템이 최대 약 2.6GHz로 작동했지만 이제는 최대 40GHz로 실행할 수 있는 5G 시스템을 갖게 되었습니다. 이 발전하는 분야를 따라잡기 위해 Bluetest는 가능한 한 많은 주파수 대역을 지원하기 위해 노력하고 있습니다. 시뮬레이션의 도움으로 Bluetest는 테스트 복잡성을 높은 수준으로 유지하면서 RTS 테스트 시간과 측정 정확도를 개선하는 데 집중할 수 있습니다.

이 기사는 COMSOL, Burlington, MA의 콘텐츠 작가인 Rachel Keatley가 작성했습니다. 자세한 내용은 을 참조하십시오. 여기 .

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