Otimização de sistemas de teste sem fio e antenas para comunicação de alta velocidade

Todos os anos, os consumidores ficam deslumbrados com os mais recentes smartphones e dispositivos sem fio que chegam ao mercado. Antes que esses gadgets atualizados cheguem às prateleiras, há um extenso processo de design e teste para desenvolvê-los. As antenas, um componente primordial dos dispositivos sem fio, são constantemente atualizadas para acompanhar o avanço da tecnologia, como 5G e Internet das Coisas (IoT). Espera-se que eles tenham maior largura de banda, atendam aos regulamentos de segurança e sejam pequenos o suficiente para caber em microprojetos.

Para ajudar os engenheiros que trabalham com equipamentos sem fio, a Bluetest (com sede em Gotemburgo, Suécia) desenvolveu sistemas de teste de reverberação (RTS) fáceis de usar que medem o desempenho de dispositivos e antenas sem fio. Hoje, a Bluetest é líder de mercado em testes over-the-air, multiple-input-multiple-output (MIMO). A empresa usa simulação para garantir que os componentes de seus projetos RTS sejam otimizados para desempenho.

Evolução do teste de reverberação

Desde o início da década de 1940, o desempenho da antena foi testado em câmaras anecóicas ou salas de absorção de micro-ondas. Nesse tipo de câmara, uma antena é girada e sua intensidade irradiada é medida em diferentes direções. Os dados obtidos com este método de teste são relativamente fáceis de interpretar, mas as câmaras anecóicas tendem a ser caras e seu tamanho grande as torna pesadas.

Na década de 1960, um tipo diferente de câmara foi desenvolvido - a câmara de reverberação - que foi originalmente usada para testes de compatibilidade eletromagnética (EMC). Ao contrário das câmaras anecóicas, as câmaras de reverberação refletem ondas eletromagnéticas (ou som para o equivalente acústico) em vez de absorvê-las. “Você pode gerar intensidades de campo muito altas dentro desse tipo de câmara, o que é um ótimo recurso para testar a imunidade e a sensibilidade de um dispositivo quando é irradiado com campos eletromagnéticos de alta potência”, disse Robert Rehammar, diretor de tecnologia da Bluetest.

No final da década de 1990, as pessoas aprenderam que as câmaras de reverberação também podem ser usadas para testar certos parâmetros da antena. Por exemplo, a propriedade mais importante de uma pequena antena é sua eficiência, ou o quociente entre a potência que você coloca na antena em comparação com a quantidade de potência realmente irradiada (normalmente medida em dB). “O que se percebeu é que você pode medir a eficiência da antena em câmaras de reverberação e descobriu-se que, para uma pequena antena, você pode fazer isso com muita rapidez e precisão”, disse Rehammar.

No início da popularidade do sistema de teste de reverberação, PerSimon Kildal, professor de sistemas de antenas da Chalmers University of Technology, na Suécia, iniciou um projeto de pesquisa sobre câmaras de reverberação e sua capacidade de analisar antenas. Depois de estudar essas câmaras, Kildal se inspirou para iniciar uma empresa com base em suas descobertas e a Bluetest nasceu. Por volta de 2010, o 4G - a quarta geração de sistemas móveis (também conhecido como LTE) - foi introduzido, juntamente com o MIMO. Como resultado, disse Rehammar, "muitas perguntas muito complicadas surgiram como:'Como vamos testar o desempenho desses sistemas?'"

Medindo o desempenho da antena

Os sistemas de reverberação da Bluetest (Figura 1) realizam testes passivos e ativos para determinar se um dispositivo está otimizado ou não. Os testes passivos medem predominantemente a eficiência da antena, enquanto os testes ativos medem a potência total irradiada e a sensibilidade isotrópica total no transmissor e receptor do dispositivo sob teste (DUT), respectivamente. Durante os testes ativos, o transmissor e o receptor no DUT são ligados. As medições ativas ajudam a fornecer uma visão geral de como o DUT funciona como um todo. Ambos os testes ajudam a garantir que o dispositivo, como um telefone celular, atenda aos regulamentos e aos requisitos do cliente.

Todos os sistemas e produtos de teste de reverberação da Bluetest são projetados e produzidos em Gotemburgo. O RTS contém uma grande variedade de componentes, como paredes feitas de material refletivo, uma antena de referência, quatro a 16 antenas de medição com diferentes polarizações, agitadores de modo, interfaces RF e muito mais. Quando o processo de produção é concluído, o sistema é embalado em um grande berço de madeira e enviado para clientes em todo o mundo.

Projeto, fabricação, teste e validação

A Bluetest está projetando uma nova tecnologia para usar em seus RTS para aplicações de ondas milimétricas, incluindo a banda 5G mmWave, onde a frequência central é uma ordem de magnitude maior do que as aplicações convencionais de micro-ondas. A comunicação de alta velocidade depende de uma ampla largura de banda, que é fornecida por uma alta frequência de portadora.

Um dos designs de antena mais populares para aplicações de banda larga é a antena Vivaldi — uma antena de slot cônico. “Quando se trata de antenas, precisamos ser capazes de testar qualquer coisa, desde as bandas celulares baixas em torno de 650 MHz até mais de 40 GHz”, disse Rehammar.

O comprimento de onda em projetos de dispositivos de ondas milimétricas é muito menor do que o comprimento de onda de micro-ondas e qualquer pequena distorção física devido a efeitos térmico-estruturais ou erro de tolerância de fabricação teria um impacto indesejável em seu desempenho. Portanto, é fundamental validar o desempenho de tais dispositivos usando simulação. A Bluetest usou a simulação COMSOL Multiphysics® para otimizar seus projetos de antenas e circuitos, incluindo a antena Vivaldi.

O primeiro protótipo do projeto da antena Vivaldi foi modelado em substrato FR4 (um material composto de fibra de vidro trançada e resina epóxi) com espessura de 1,6 mm. A simulação da primeira iteração desta antena permitiu que Rehammar e sua equipe vissem que havia alguns problemas relacionados à sua montagem, tamanho, estabilidade e eficiência ao operar em baixas frequências. Graças a essas descobertas, eles conseguiram simular uma antena Vivaldi aprimorada implementando curvas de Bézier em seu modelo (Figura 2).

A Bluetest também simulou, projetou e testou a eficiência de uma antena monopolo de banda larga para operação de banda ultralarga de 6 GHz a 67 GHz. Este tipo de antena é utilizado em seu RTS para medições 5G; também ajuda a fornecer mais versatilidade ao sistema, pois pode ser usado durante uma medição sem trocar a antena de teste padrão.

O uso de simulação não se limita a projetos de antenas. Para melhorar o desempenho da câmara de reverberação, a Bluetest não apenas investigou os modos próprios de ressonância de uma cavidade personalizada, mas também desenvolveu transições de circuito para guia de onda.

Acompanhando o avanço da tecnologia

Na Bluetest, Rehammar acredita que a tecnologia de simulação e a tecnologia de medição se complementam completamente. “Nos estágios iniciais da construção de um projeto, você precisa de simulação e, para confirmar que seu dispositivo físico está funcionando corretamente, você precisa fazer medições”, disse Rehammar. Os sistemas da Bluetest são constantemente atualizados para acompanhar o avanço da tecnologia sem fio, especialmente no setor de desenvolvimento de telefones celulares.

“Antes do 5G, os sistemas móveis operavam até cerca de 2,6 GHz e agora você tem sistemas 5G que podem rodar até 40 GHz”, disse Rehammar. Para acompanhar este campo de avanço, a Bluetest tem trabalhado para suportar o maior número possível de bandas de frequência. Com a ajuda da simulação, a Bluetest pode se concentrar em melhorar o tempo de teste RTS e a precisão da medição, mantendo a complexidade do teste em alto nível.

Este artigo foi escrito por Rachel Keatley, redatora de conteúdo da COMSOL, Burlington, MA. Para mais informações, visite aqui .

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