高速通信のための無線テストシステムとアンテナの最適化

毎年、消費者は市場に出回っている最新のスマートフォンやワイヤレスデバイスに目がくらんでいます。これらのアップグレードされたガジェットが棚に届く前に、それらを開発するための広範な設計およびテストプロセスがあります。ワイヤレスデバイスの最も重要なコンポーネントであるアンテナは、5Gやモノのインターネット（IoT）などの高度なテクノロジーに対応するために常に更新されています。それらは、より広い帯域幅を持ち、安全規制を満たし、マイクロデザインに適合するのに十分小さいことが期待されています。

Bluetest（スウェーデンのヨーテボリに拠点を置く）は、ワイヤレス機器を扱うエンジニアを支援するために、ワイヤレスデバイスとアンテナのパフォーマンスを測定する使いやすい残響テストシステム（RTS）を開発しました。現在、Bluetestは、無線、多入力多出力（MIMO）テストのマーケットリーダーです。同社はシミュレーションを使用して、RTS設計のコンポーネントがパフォーマンスに最適化されていることを確認しています。

残響テストの進化

1940年代初頭以来、アンテナの性能は無響室またはマイクロ波吸収室でテストされてきました。このタイプのチャンバーでは、アンテナが回転し、その放射強度がさまざまな方向で測定されます。この試験方法から得られたデータは比較的簡単に解釈できますが、無響室は高価である傾向があり、サイズが大きいため扱いにくくなっています。

1960年代に、別のタイプのチャンバー（残響室）が開発されました。これは、もともと電磁両立性（EMC）テストに使用されていました。無響室とは異なり、残響室は電磁波（または音響に相当する音）を吸収するのではなく反射します。ブルーテストの最高技術責任者であるロバート・レハマーは、次のように述べています。

1990年代後半、人々は残響室を使用して特定のアンテナパラメータをテストできることを学びました。たとえば、小さなアンテナの最も重要な特性は、その効率、つまり実際に放射される電力量（通常はdBで測定）と比較したアンテナに投入する電力間の商です。 「実現されたのは、残響室でアンテナ効率を測定できることでした。小さなアンテナの場合、非常に高速かつ正確に測定できることがわかりました」とRehammar氏は述べています。

残響テストシステムの人気の始まりに向けて、スウェーデンのチャルマース工科大学のアンテナシステムの教授であるPerSimon Kildalは、残響チャンバーとそのアンテナ分析能力に関する研究プロジェクトを開始しました。これらの部屋を研究した後、キルダルは彼の発見に基づいて会社を始めるように促され、ブルーテストが生まれました。 2010年頃、MIMOとともに第4世代のモバイルシステム（LTEとも呼ばれます）である4Gが導入されました。その結果、Rehammar氏は、「「これらのシステムのパフォーマンスをどのようにテストするのか」など、非常に複雑な質問がたくさん出てきました」と述べています。

アンテナ性能の測定

Bluetestの残響システム（図1）は、パッシブテストとアクティブテストを実行して、デバイスが最適化されているかどうかを判断します。パッシブテストは主にアンテナ効率を測定し、アクティブテストはテスト対象デバイス（DUT）の送信機と受信機の合計放射電力と合計等方性感度をそれぞれ測定します。アクティブなテスト中は、DUTの送信機と受信機の電源がオンになります。アクティブな測定は、DUTが全体としてどのように機能するかについての概要を示すのに役立ちます。どちらのテストも、携帯電話などのデバイスが規制や顧客の要件を満たしていることを確認するのに役立ちます。

Bluetestの残響テストシステムと製品はすべて、ヨーテボリで設計および製造されています。 RTSには、反射材料で作られた壁、基準アンテナ、異なる偏波の4〜16個の測定アンテナ、モードスターラー、RFインターフェイスなど、さまざまなコンポーネントが含まれています。製造プロセスが完了すると、システムは大きな木製のクレードルにパッケージ化され、世界中の顧客に送られます。

設計、製造、テスト、および検証

Bluetestは、中心周波数が従来のマイクロ波アプリケーションよりも1桁高い、5Gミリ波帯域を含むミリ波アプリケーションのRTSで使用する新しいテクノロジーを設計中です。高速通信は、高い搬送周波数によって提供される広い帯域幅に依存しています。

広帯域アプリケーションで最も人気のあるアンテナ設計の1つは、Vivaldiアンテナ（テーパースロットアンテナ）です。 「アンテナに関しては、650MHz付近から40GHzを超える低セルラー帯域まで、あらゆるものをテストできる必要があります」とRehammar氏は述べています。

ミリ波デバイス設計の波長はマイクロ波波長よりもはるかに小さく、熱構造効果または製造公差誤差による小さな物理的歪みは、その性能に望ましくない影響を及ぼします。したがって、シミュレーションを使用してそのようなデバイスのパフォーマンスを検証することが重要です。 Bluetestは、COMSOLMultiphysics®シミュレーションを使用して、Vivaldiアンテナを含むアンテナと回路設計を最適化しました。

Vivaldiアンテナ設計の最初のプロトタイプは、厚さ1.6 mmのFR4基板（ガラス繊維とエポキシ樹脂の織物で構成された複合材料）でモデル化されました。このアンテナの最初の反復をシミュレートすることで、Rehammarと彼のチームは、低周波数での動作中の取り付け、サイズ、安定性、および効率に関連するいくつかの問題があることを確認できました。これらの調査結果のおかげで、モデルにベジェ曲線を実装することで、改良されたVivaldiアンテナをシミュレートすることができました（図2）。

Bluetestはまた、6 GHz〜67 GHzで動作する超広帯域用の広帯域モノポールアンテナの効率をシミュレート、設計、およびテストしました。このタイプのアンテナは、5G測定のRTSで使用されます。また、標準のテストアンテナを切り替えることなく測定中に使用できるため、システムの汎用性を高めるのにも役立ちます。

シミュレーションの使用はアンテナ設計に限定されません。残響室の性能を向上させるために、Bluetestは、カスタマイズされたキャビティの共振固有モードを調査しただけでなく、回路から導波管への遷移も開発しました。

テクノロジーの進歩に追いつく

ブルーテストでは、Rehammarはシミュレーション技術と測定技術が完全に相互に補完し合うと信じています。 「設計構築の初期段階では、シミュレーションが必要です。物理デバイスが正しく機能していることを確認するには、測定を行う必要があります」とRehammar氏は述べています。 Bluetestのシステムは、特に携帯電話開発業界内で、ワイヤレステクノロジーの進歩に対応するために、一貫して更新されています。

「5G以前は、モバイルシステムは最大約2.6 GHzで動作していましたが、現在は最大40GHzで動作する5Gシステムがあります」とRehammar氏は述べています。この進歩する分野を軌道に乗せるために、Bluetestは可能な限り多くの周波数帯のサポートに取り組んできました。シミュレーションの助けを借りて、Bluetestは、テストの複雑さを高いレベルに保ちながら、RTSテスト時間と測定精度の向上に集中できます。

この記事は、マサチューセッツ州バーリントンのCOMSOLのコンテンツライターであるRachelKeatleyによって書かれました。詳細については、をご覧ください。 ここ 。

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