Meningkatkan Sistem Pengujian Nirkabel dan Antena untuk Konektivitas Ultra-Cepat

Setiap tahun, konsumen dibekuk dengan ponsel pintar dan perangkat nirkabel terbaru yang hadir ke pasar. Sebelum gadget yang ditingkatkan ini mencapai rak, ada proses desain dan pengujian yang luas yang terlibat dalam mengembangkannya. Antena, komponen utama perangkat nirkabel, terus diperbarui untuk mengikuti kemajuan teknologi seperti 5G dan Internet of Things (IoT). Mereka diharapkan memiliki bandwidth yang lebih besar, memenuhi regulasi keselamatan, dan cukup kecil untuk muat dalam desain mikro.

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

Evolusi Pengujian Reverberasi

Sejak awal tahun 1940-an, performa antena telah diuji di kamera anekoid, atau kamera penyerap mikrogelombang. Dalam jenis kamera ini, antena diputar dan intensitas radiasinya diukur di berbagai arah. Data yang diperoleh dari metode pengujian ini relatif mudah ditafsirkan tetapi kamera anekoid cenderung mahal dan ukurannya besar membuatnya sulit digunakan.

Pada tahun 1960-an, jenis kamera yang berbeda dikembangkan — kamera reverberasi — yang awalnya digunakan untuk pengujian kompatibilitas elektromagnetik (EMC). Berbeda dengan kamera anekoid, kamera reverberasi memantulkan gelombang elektromagnetik (atau suara untuk setara akustik) alih-alih menyerapnya. “Anda dapat menghasilkan intensitas medan yang sangat tinggi di dalam jenis kamera ini, yang merupakan fitur hebat untuk pengujian imunitas dan seberapa sensitif suatu perangkat saat diirradiasi dengan medan elektromagnetik daya tinggi,” kata Robert Rehammar, chief technology officer di Bluetest.

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

Pada awal popularitas sistem pengujian reverberasi, PerSimon Kildal, profesor sistem antena di Universitas Teknologi Chalmers di Swedia, memulai proyek penelitian tentang kamera reverberasi dan kemampuannya untuk menganalisis antena. Setelah mempelajari kamera ini, Kildal terinspirasi untuk memulai perusahaan berdasarkan temuan dan Bluetest lahir. Sekitar 2010, 4G — generasi keempat sistem seluler (juga dikenal sebagai LTE) — diperkenalkan, bersama dengan MIMO. Akibatnya, kata Rehammar, “Banyak pertanyaan yang sangat rumit muncul seperti, ‘Bagaimana kita akan menguji performa sistem ini?’”

Mengukur Performa Antena

Sistem reverberasi Bluetest (Gambar 1) melakukan pengujian pasif dan aktif untuk menentukan apakah suatu perangkat dioptimalkan. Pengujian pasif terutama mengukur efisiensi antena, sedangkan pengujian aktif mengukur total daya teriradi dan sensitivitas isotrofik total dalam transmiter dan penerima perangkat diuji (DUT), masing-masing. Saat pengujian aktif, transmiter dan penerima di DUT dinyalakan. Pengukuran aktif membantu memberikan gambaran umum tentang bagaimana DUT berperforma secara keseluruhan. Keduanya membantu memastikan bahwa perangkat, seperti ponsel pintar, memenuhi regulasi dan persyaratan pelanggan.

Semua sistem dan produk pengujian reverberasi Bluetest dirancang dan diproduksi di Gothenburg. RTS berisi berbagai macam komponen, seperti dinding dari bahan refleksif, antena referensi, empat hingga 16 antena pengukuran dengan polarisasi yang berbeda, pengacak mode, antarmuka RF, dan lebih banyak. Setelah proses produksi selesai, sistem dikemas dalam keranjang kayu besar dan dikirim ke pelanggan di seluruh dunia.

Desain, Pembuatan, Uji, dan Validasi

Bluetest sedang dalam proses merancang teknologi baru untuk digunakan dalam RTS mereka untuk aplikasi gelombang milimeter, termasuk band 5G mmWave, di mana frekuensi pusat adalah satu urutan magnitudo lebih tinggi dari aplikasi mikrogelombang konvensional. Komunikasi kecepatan tinggi bergantung pada bandwidth yang luas, yang disediakan oleh frekuensi pembawa yang tinggi.

Salah satu desain antena yang paling populer untuk aplikasi wideband adalah antena Vivaldi — antena slot runcing. “Saat berkaitan dengan antena, kita perlu dapat menguji apa pun dari band seluler rendah sekitar 650 MHz hingga di atas 40 GHz,” kata Rehammar.

Panjang gelombang dalam desain perangkat gelombang milimeter jauh lebih kecil dari panjang gelombang mikrogelombang dan setiap distorsi fisika kecil akibat efek termal-struktural atau kesalahan toleransi pembuatan akan secara tidak diinginkan mempengaruhi performanya. Oleh karena itu, sangat penting untuk memvalidasi performa perangkat semacam itu menggunakan simulasi. Bluetest menggunakan simulasi COMSOL Multiphysics® untuk mengoptimalkan desain antena dan sirkuit mereka termasuk antena Vivaldi.

Prototipe pertama dari desain antena Vivaldi dimodelkan pada substrat FR4 (materi komposit yang terdiri dari serat kaca yang dipintal dan harta epoksi) dengan ketebalan 1,6 mm. Mensimulasikan iterasi pertama antena ini memungkinkan Rehammar dan timnya untuk melihat bahwa ada beberapa masalah terkait pemasangannya, ukuran, stabilitas, dan efisiensi saat beroperasi pada frekuensi rendah. Berkat temuan ini, mereka mampu mensimulasikan antena Vivaldi yang ditingkatkan dengan menerapkan kurva Bézier ke dalam model mereka (Gambar 2).

Bluetest juga mensimulasikan, merancang, dan menguji efisiensi antena monopola wideband untuk ultra-wideband yang beroperasi dari 6 GHz hingga 67 GHz. Jenis antena ini digunakan dalam RTS mereka untuk pengukuran 5G; juga membantu memberikan sistem lebih banyak serbaguna karena dapat digunakan selama pengukuran tanpa beralih ke antena tes standar.

Penggunaan simulasi tidak terbatas pada desain antena. Untuk meningkatkan performa kamera reverberasi, Bluetest tidak hanya menyelidiki eigenmode resonansi rongga khusus tetapi juga mengembangkan transisi sirkuit-ke-waveguide.

Menjaga Kemajuan Teknologi

Di Bluetest, Rehammar percaya bahwa teknologi simulasi dan teknologi pengukuran melengkapi satu sama lain sepenuhnya. “Pada tahap awal membangun desain, Anda memerlukan simulasi, dan untuk mengonfirmasi bahwa perangkat fisik Anda bekerja dengan benar, Anda harus melakukan pengukuran,” kata Rehammar. Sistem Bluetest selalu diperbarui untuk mengikuti kemajuan teknologi nirkabel, terutama dalam industri pengembangan ponsel pintar.

“Sebelum 5G, sistem seluler beroperasi hingga sekitar 2,6 GHz dan sekarang Anda memiliki sistem 5G yang dapat beroperasi hingga 40 GHz,” kata Rehammar. Untuk tetap selaras dengan bidang yang berkembang ini, Bluetest telah bekerja untuk mendukung sebanyak mungkin band frekuensi. Dengan bantuan simulasi, Bluetest dapat fokus pada meningkatkan waktu pengujian RTS dan akurasi pengukuran, sambil menjaga kompleksitas pengujian pada tingkat 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 COMSOL AB.