초고속 연결을 위한 무선 테스트 시스템 및 안테나 최적화

매년 소비자들은 시장에 출시되는 최신 스마트폰과 무선 기기에 현혹됩니다. 이 업그레이드된 기기들이 선반에 도달하기 전에는 광범위한 설계와 테스트 과정이 있습니다. 무선 기기의 핵심 구성요소인 안테나는 5G와 사물인터넷(IoT) 같은 기술 발전에 맞춰 지속적으로 업데이트됩니다. 더 큰 대역폭, 안전 규정 준수, 마이크로 디자인에 맞는 소형화가 요구됩니다.

블루테스트의 리버버레이션 테스트 시스템

스웨덴 예테보리 소재 블루테스트(Bluetest)는 무선 기기와 안테나 성능을 측정하는 사용하기 쉬운 리버버레이션 테스트 시스템(RTS)을 개발해 엔지니어들을 지원합니다. 오늘날 블루테스트는 공중파 다중입출력(MIMO) 테스트 분야의 시장 선도 기업입니다. 회사는 시뮬레이션을 사용해 RTS 설계 구성요소들이 성능에 최적화되도록 합니다.

리버버레이션 테스트의 진화

1940년대 초부터 안테나 성능은 무반향실(anechoic chambers)에서 테스트되어 왔습니다. 이 챔버에서 안테나를 회전시키며 다양한 방향의 복사 강도를 측정합니다. 이 테스트 방법으로 얻은 데이터는 해석이 비교적 쉽지만, 무반향실은 비싸고 큰 크기로 불편합니다.

1960년대에는 전자파 적합성(EMC) 테스트용으로 처음 사용된 리버버레이션 챔버(reverberation chambers)라는 다른 유형의 챔버가 개발되었습니다. 무반향실과 달리 리버버레이션 챔버는 전자파(음향 equivalent의 경우 소리)를 흡수하는 대신 반사합니다. "이런 챔버 내부에서 매우 높은 필드 강도를 생성할 수 있는데, 이는 고전력 전자파에 조사됐을 때 기기의 면역성과 민감도를 테스트하는 훌륭한 기능입니다."라고 블루테스트 CTO 로베르트 레하마르가 말했습니다.

1990년대 후반, 리버버레이션 챔버가 특정 안테나 파라미터 테스트에도 사용될 수 있음을 알게 되었습니다. 예를 들어 소형 안테나의 가장 중요한 특성은 효율성(안테나에 입력한 전력 대비 실제 복사 전력의 비율, 통상 dB 단위)입니다. "소형 안테나에서 리버버레이션 챔버로 효율성을 측정할 수 있고, 매우 빠르고 정확하게 할 수 있다는 것이 밝혀졌습니다."라고 레하마르가 말했습니다.

리버버레이션 테스트 시스템 인기 초기에 스웨덴 찰머스 공과대학 안테나 시스템 교수 페르시몬 킬달이 리버버레이션 챔버와 안테나 분석 능력 연구 프로젝트를 시작했습니다. 이 챔버들을 연구한 후 킬달은 발견을 바탕으로 회사를 설립했고 블루테스트가 탄생했습니다. 2010년경 4G(모바일 시스템 4세대, LTE)와 MIMO가 도입되면서, 레하마르에 따르면 "이 시스템들의 성능을 어떻게 테스트할 것인가 같은 매우 복잡한 질문들이 많이 생겼습니다."

안테나 성능 측정

블루테스트의 리버버레이션 시스템(그림 1)은 수동 및 능동 테스트를 수행해 기기 최적화 여부를 판단합니다. 수동 테스트는 주로 안테나 효율성을 측정하고, 능동 테스트는 테스트 대상 기기(DUT)의 송신기와 수신기에서 총복사전력과 총등방성감도를 각각 측정합니다. 능동 테스트 중 DUT의 송신기와 수신기는 전원이 켜진 상태입니다. 능동 측정은 DUT가 전체적으로 어떻게 수행되는지 개요를 제공합니다. 두 테스트 모두 모바일 폰 같은 기기가 규정과 고객 요구사항을 충족하는지 보장하는 데 도움이 됩니다.

블루테스트의 모든 리버버레이션 테스트 시스템과 제품은 예테보리에서 설계·생산됩니다. RTS는 반사 소재 벽, 레퍼런스 안테나, 서로 다른 편파의 4~16개 측정 안테나, 모드 스타러, RF 인터페이스 등 다양한 구성요소를 포함합니다. 생산 완료 후 시스템은 대형 나무 요람에 포장돼 전 세계 고객에게 발송됩니다.

설계, 제작, 테스트, 검증

블루테스트는 밀리미터파 애플리케이션(중심 주파수가 기존 마이크로파 애플리케이션보다 10배 높은 5G mmWave 대역 포함)에 사용할 RTS 신기술을 설계 중입니다. 고속 통신은 넓은 대역폭에 의존하며, 이는 높은 반송파 주파수가 제공합니다.

광대역 애플리케이션에 가장 인기 있는 안테나 설계 중 하나는 비발디 안테나(Vivaldi antenna) - 테이퍼드 슬롯 안테나입니다. "안테나 측면에서 우리는 650MHz 대 저주파 셀룰러 밴드부터 40GHz 이상까지 모든 것을 테스트할 수 있어야 합니다."라고 레하마르가 말했습니다.

밀리미터파 기기 설계에서 파장은 마이크로파 파장보다 훨씬 작고, 열-구조적 효과나 제작 공차 오류로 인한 사소한 물리적 왜곡도 바람직하지 않게 성능에 영향을 미칩니다. 따라서 시뮬레이션을 사용해 이런 기기들의 성능을 검증하는 것이 중요합니다. 블루테스트는 COMSOL Multiphysics® 시뮬레이션을 사용해 비발디 안테나를 포함한 안테나와 회로 설계를 최적화했습니다.

첫 번째 비발디 안테나 설계 프로토타입은 1.6mm 두께 FR4 기판(직조 유리섬유와 에폭시 수지 복합 소재)으로 모델링되었습니다. 이 안테나 첫 반복 시뮬레이션으로 레하마르 팀은 마운팅, 크기, 안정성, 저주파 동작 효율성 관련 몇 가지 이슈를 확인했습니다. 이 발견 덕분에 베지에 곡선을 모델에 구현해 개선된 비발디 안테나를 시뮬레이션할 수 있었습니다(그림 2).

블루테스트는 6GHz~67GHz 초광대역 동작용 광대역 모노폴 안테나 효율성도 시뮬레이션, 설계, 테스트했습니다. 이 안테나 유형은 5G 측정용 RTS에 사용되며, 표준 테스트 안테나 전환 없이 측정 중 사용 가능해 시스템에 더 많은 다재다능함을 제공합니다.

시뮬레이션 사용은 안테나 설계에 국한되지 않습니다. 리버버레이션 챔버 성능 향상을 위해 블루테스트는 맞춤형 캐비티의 공진 고유모드 조사뿐만 아니라 회로-파이드 전환도 개발했습니다.

기술 발전에 발맞추기

블루테스트에서 레하마르는 시뮬레이션 기술과 측정 기술이 완전히 상호 보완적이라고 믿습니다. "설계 초기 단계에는 시뮬레이션이 필요하고, 물리적 장치가 제대로 작동하는지 확인하려면 측정을 해야 합니다."라고 레하마르가 말했습니다. 블루테스트 시스템은 특히 모바일 폰 개발 산업 내 무선 기술 발전에 맞춰 지속적으로 업데이트됩니다.

"5G 이전에는 모바일 시스템이 약 2.6GHz까지 동작했지만 이제 40GHz까지 동작하는 5G 시스템이 있습니다."라고 레하마르가 말했습니다. 이 진보하는 분야를 따라잡기 위해 블루테스트는 가능한 많은 주파수 대역 지원에 힘써왔습니다. 시뮬레이션 도움으로 블루테스트는 RTS 테스트 시간과 측정 정확도 개선에 집중하면서 테스트 복잡성을 높은 수준으로 유지할 수 있습니다.

이 기사는 COMSOL 벌링턴 MA 콘텐츠 라이터 레이첼 키틀리가 작성했습니다. 자세한 정보는 여기를 방문하세요.

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