Aprimorando Sistemas de Teste Sem Fio e Antenas para Conectividade Ultra-Rápida

Todos os anos, consumidores são deslumbrados pelos últimos smartphones e dispositivos sem fio que chegam ao mercado. Antes desses gadgets atualizados chegarem às prateleiras, há um extenso processo de design e teste que entra no desenvolvimento deles. Antenas, um componente primordial de dispositivos sem fio, são consistentemente atualizadas para acompanhar tecnologia avançada como 5G e Internet das Coisas (IoT). Espera-se que tenham maior largura de banda, atendam regulamentações de segurança, e sejam pequenas o suficiente para caber em micro-designs.

Bluetest: Líder em Sistemas de Teste por Reverberação

Para ajudar engenheiros trabalhando com equipamentos sem fio, a Bluetest (baseada em Gotemburgo, Suécia) desenvolveu sistemas de teste por reverberação (RTS) fáceis de usar que medem o desempenho de dispositivos sem fio e antenas. 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 designs RTS são otimizados para desempenho.

Evolução do Teste por Reverberação

Desde o início dos anos 1940, desempenho de antena tem sido testado em câmaras anecoicas, ou salas absorvedoras de micro-ondas. Neste tipo de câmara, uma antena é rotacionada e sua intensidade irradiada é medida em diferentes direções. Os dados obtidos deste método de teste são relativamente fáceis de interpretar, mas câmaras anecoicas tendem a ser caras e seu grande tamanho as torna difíceis de manejar.

Nos anos 1960, um tipo diferente de câmara foi desenvolvido — a câmara de reverberação — que foi originalmente usada para teste de compatibilidade eletromagnética (EMC). Diferente de câmaras anecoicas, 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 deste tipo de câmara, o que é um ótimo recurso para testar imunidade e quão sensível um dispositivo é quando irradiado com campos eletromagnéticos de alta potência," disse Robert Rehammar, diretor de tecnologia na Bluetest.

No final dos anos 1990, soube-se que câmaras de reverberação também podem ser usadas para testar certos parâmetros de antena. Por exemplo, a propriedade mais importante de uma antena pequena é sua eficiência, ou o quociente entre a potência que você coloca na antena comparado a quanta potência é realmente irradiada (tipicamente medido em dB). "O que se percebeu é que você pode medir eficiência de antena em câmaras de reverberação e descobriu-se que para uma antena pequena, você pode fazer isso muito rápido e com precisão," disse Rehammar.

No início da popularidade do sistema de teste por reverberação, PerSimon Kildal, professor de sistemas de antena na Chalmers University of Technology na Suécia, iniciou um projeto de pesquisa sobre câmaras de reverberação e sua capacidade de analisar antenas. Após estudar estas câmaras, Kildal foi inspirado a iniciar uma empresa baseada 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, junto com MIMO. Como resultado, disse Rehammar, "Muitas perguntas muito complicadas surgiram como, 'Como vamos testar o desempenho destes sistemas?'"

Medindo Desempenho de Antena

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

Todos os sistemas de teste por reverberação e produtos 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, mode stirrers, interfaces RF, e mais. Quando o processo de produção está completo, o sistema é embalado em um grande berço de madeira e enviado a clientes ao redor do mundo.

Design, Fabricação, Teste e Validação

A Bluetest está no processo de projetar 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 que a de aplicações de micro-ondas convencionais. Comunicação de alta velocidade depende de largura de banda ampla, que é fornecida por uma alta frequência portadora.

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

O comprimento de onda em designs de dispositivos de ondas milimétricas é muito menor que o comprimento de onda de micro-ondas e qualquer distorção física menor devido a efeitos termoestruturais ou erro de tolerância de fabricação impactaria indesejavelmente seu desempenho. Portanto, é crítico validar o desempenho de tais dispositivos usando simulação. A Bluetest usou simulação COMSOL Multiphysics® para otimizar seus designs de antena e circuito, incluindo a antena Vivaldi.

O primeiro protótipo do design da antena Vivaldi foi modelado em substrato FR4 (um material compósito feito de fibra de vidro tecida e resina epóxi) com espessura de 1,6 mm. Simular a primeira iteração desta antena permitiu a Rehammar e sua equipe ver que havia alguns problemas relacionados à sua montagem, tamanho, estabilidade e eficiência ao operar em baixas frequências. Graças a estas descobertas, eles puderam simular uma antena Vivaldi melhorada implementando curvas Bézier em seu modelo (Figura 2).

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

O uso de simulação não se limita a designs de antena. Para melhorar o desempenho da câmara de reverberação, a Bluetest não apenas investigou os autovalores de ressonância de uma cavidade customizada, mas também desenvolveu transições circuito-guia de onda.

Mantendo-se Atualizado com o Avanço da Tecnologia

Na Bluetest, Rehammar acredita que tecnologia de simulação e tecnologia de medição se complementam completamente. "Nos estágios iniciais de construção de um design, você precisa de simulação, e para confirmar que seu dispositivo físico está funcionando corretamente, você tem que fazer medições," disse Rehammar. Os sistemas da Bluetest são consistentemente atualizados para acompanhar o avanço da tecnologia sem fio, especialmente dentro da indústria de desenvolvimento de telefones móveis.

"Antes do 5G, sistemas móveis operavam até cerca de 2,6 GHz e agora você tem sistemas 5G que podem rodar até 40 GHz," disse Rehammar. Para manter-se no caminho com este campo avançado, a Bluetest tem trabalhado em suportar o máximo de bandas de frequência possível. Com a ajuda da simulação, a Bluetest pode focar em melhorar seu tempo de teste RTS e precisão de medição, mantendo a complexidade do teste em alto nível.

Este artigo foi escrito por Rachel Keatley, Escritora de Conteúdo na COMSOL, Burlington, MA. Para mais informação, visite .

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