Mengoptimalkan Sistem Uji Nirkabel dan Antena untuk Komunikasi Berkecepatan Tinggi

Setiap tahun, konsumen terpesona oleh smartphone dan perangkat nirkabel terbaru yang beredar di pasaran. Sebelum gadget yang ditingkatkan ini mencapai rak, ada proses desain dan pengujian ekstensif yang dilakukan untuk mengembangkannya. Antena, komponen terpenting perangkat nirkabel, diperbarui secara konsisten untuk mengikuti kemajuan teknologi seperti 5G dan Internet of Things (IoT). Mereka diharapkan memiliki bandwidth yang lebih besar, memenuhi peraturan keselamatan, dan cukup kecil untuk masuk ke dalam desain mikro.

Untuk membantu para insinyur yang bekerja dengan peralatan nirkabel, Bluetest (berbasis di Gothenburg, Swedia) telah mengembangkan sistem uji gema (RTS) yang mudah digunakan yang mengukur kinerja perangkat nirkabel dan antena. Saat ini, Bluetest adalah pemimpin pasar dalam pengujian over-the-air, multiple-input-multiple-output (MIMO). Perusahaan menggunakan simulasi untuk memastikan bahwa komponen desain RTS mereka dioptimalkan untuk kinerja.

Evolusi Pengujian Gema

Sejak awal 1940-an, kinerja antena telah diuji di ruang anechoic, atau ruang penyerap gelombang mikro. Dalam ruang jenis ini, antena diputar dan intensitas pancarannya diukur dalam arah yang berbeda. Data yang diperoleh dari metode pengujian ini relatif mudah untuk diinterpretasikan, tetapi ruang anechoic cenderung mahal dan ukurannya yang besar membuatnya sulit digunakan.

Pada 1960-an, jenis ruang yang berbeda dikembangkan - ruang gema - yang pada awalnya digunakan untuk pengujian kompatibilitas elektromagnetik (EMC). Tidak seperti ruang anechoic, ruang gema memantulkan gelombang elektromagnetik (atau suara untuk akustik yang setara) alih-alih menyerapnya. “Anda dapat menghasilkan intensitas medan yang sangat tinggi di dalam ruangan semacam ini, yang merupakan fitur hebat untuk menguji kekebalan dan seberapa sensitif suatu perangkat ketika diradiasikan dengan medan elektromagnetik berdaya tinggi,” kata Robert Rehammar, kepala petugas teknologi di Bluetest.

Pada akhir 1990-an, orang mengetahui bahwa ruang gema juga dapat digunakan untuk menguji parameter antena tertentu. Misalnya, properti antena kecil yang paling penting adalah efisiensinya, atau hasil bagi antara daya yang Anda masukkan ke antena dibandingkan dengan berapa banyak daya yang sebenarnya terpancar (biasanya diukur dalam dB). “Yang disadari adalah Anda bisa mengukur efisiensi antena di ruang gema dan ternyata untuk antena kecil, Anda bisa melakukannya dengan sangat cepat dan akurat,” kata Rehammar.

Menjelang awal popularitas sistem pengujian gema, PerSimon Kildal, seorang profesor sistem antena di Universitas Teknologi Chalmers di Swedia, memulai proyek penelitian tentang ruang gema dan kemampuan mereka untuk menganalisis antena. Setelah mempelajari kamar-kamar ini, Kildal terinspirasi untuk memulai sebuah perusahaan berdasarkan temuannya dan lahirlah Bluetest. Sekitar 2010, 4G — sistem seluler generasi keempat (juga dikenal sebagai LTE) — diperkenalkan, bersama dengan MIMO. Akibatnya, kata Rehammar, “Banyak pertanyaan yang sangat rumit muncul seperti, 'Bagaimana kita akan menguji kinerja sistem ini?'”

Mengukur Kinerja Antena

Sistem gema Bluetest (Gambar 1) melakukan pengujian pasif dan aktif untuk menentukan apakah perangkat dioptimalkan atau tidak. Pengujian pasif sebagian besar mengukur efisiensi antena, sedangkan pengujian aktif mengukur daya terpancar total dan sensitivitas isotropik total masing-masing pada pemancar dan penerima perangkat yang diuji (DUT). Selama pengujian aktif, pemancar dan penerima di DUT dihidupkan. Pengukuran aktif membantu memberikan gambaran tentang bagaimana kinerja DUT secara keseluruhan. Kedua pengujian membantu memastikan bahwa perangkat, seperti ponsel, memenuhi peraturan dan persyaratan pelanggan.

Semua sistem dan produk uji gema Bluetest dirancang dan diproduksi di Gothenburg. RTS berisi berbagai macam komponen, seperti dinding yang terbuat dari bahan reflektif, antena referensi, empat hingga 16 antena pengukuran dengan polarisasi berbeda, mode pengaduk, antarmuka RF, dan banyak lagi. Ketika proses produksi selesai, sistem ini dikemas dalam tempat kayu besar dan dikirim ke pelanggan di seluruh dunia.

Desain, Fabrikasi, Uji, dan Validasi

Bluetest sedang dalam proses merancang teknologi baru untuk digunakan dalam RTS mereka untuk aplikasi gelombang milimeter, termasuk pita 5G mmWave, di mana frekuensi pusatnya lebih tinggi daripada aplikasi gelombang mikro konvensional. Komunikasi berkecepatan tinggi bergantung pada bandwidth yang lebar, yang disediakan oleh frekuensi pembawa yang tinggi.

Salah satu desain antena yang paling populer untuk aplikasi pita lebar adalah antena Vivaldi — antena slot yang meruncing. “Dalam hal antena, kami harus dapat menguji apa pun dari pita seluler rendah sekitar 650 MHz hingga lebih dari 40 GHz,” kata Rehammar.

Panjang gelombang dalam desain perangkat gelombang milimeter jauh lebih kecil daripada panjang gelombang gelombang mikro dan distorsi fisik kecil apa pun karena efek termal-struktural atau kesalahan toleransi fabrikasi akan berdampak tidak baik pada kinerjanya. Oleh karena itu, sangat penting untuk memvalidasi kinerja perangkat tersebut menggunakan simulasi. Bluetest menggunakan simulasi COMSOL Multiphysics® untuk mengoptimalkan antena dan desain sirkuitnya termasuk antena Vivaldi.

Prototipe pertama desain antena Vivaldi dimodelkan pada substrat FR4 (bahan komposit yang terbuat dari anyaman fiberglass dan resin epoksi) dengan ketebalan 1,6 mm. Simulasi iterasi pertama antena ini memungkinkan Rehammar dan timnya untuk melihat bahwa ada beberapa masalah yang berkaitan dengan pemasangan, ukuran, stabilitas, dan efisiensi saat beroperasi pada frekuensi rendah. Berkat temuan ini, mereka dapat mensimulasikan antena Vivaldi yang ditingkatkan dengan menerapkan kurva Bézier ke dalam model mereka (Gambar 2).

Bluetest juga mensimulasikan, merancang, dan menguji efisiensi antena monopole pita lebar untuk operasi pita lebar ultra dari 6 GHz hingga 67 GHz. Jenis antena ini digunakan dalam RTS mereka untuk pengukuran 5G; ini juga membantu menyediakan sistem dengan lebih banyak keserbagunaan karena dapat digunakan selama pengukuran tanpa mengganti antena uji standar.

Penggunaan simulasi tidak terbatas pada desain antena. Untuk meningkatkan kinerja ruang gema, Bluetest tidak hanya menyelidiki mode resonansi eigen dari rongga yang disesuaikan, tetapi juga mengembangkan transisi sirkuit-ke-panduan gelombang.

Mengikuti Kemajuan Teknologi

Di Bluetest, Rehammar percaya bahwa teknologi simulasi dan teknologi pengukuran saling melengkapi satu sama lain. “Pada tahap awal membangun desain, Anda memerlukan simulasi, dan untuk memastikan perangkat fisik Anda berfungsi dengan baik, Anda harus melakukan pengukuran,” kata Rehammar. Sistem Bluetest terus diperbarui untuk mengikuti kemajuan teknologi nirkabel, terutama dalam industri pengembangan ponsel.

“Sebelum 5G, sistem seluler beroperasi hingga sekitar 2,6 GHz dan sekarang Anda memiliki sistem 5G yang dapat berjalan hingga 40 GHz,” kata Rehammar. Untuk tetap berada di jalur dengan bidang yang maju ini, Bluetest telah bekerja untuk mendukung sebanyak mungkin pita frekuensi. Dengan bantuan simulasi, Bluetest dapat fokus pada peningkatan waktu pengujian RTS dan akurasi pengukuran, sekaligus menjaga kompleksitas pengujian pada tingkat yang tinggi.

Artikel ini ditulis oleh Rachel Keatley, Penulis Konten di COMSOL, Burlington, MA. Untuk informasi lebih lanjut, kunjungi di sini .

COMSOL Multiphysics adalah merek dagang terdaftar dari COMSOL AB .