ワイヤレステストシステムとアンテナの最適化で超高速接続を実現

毎年、消費者は市場に投入される最新スマートフォンやワイヤレスデバイスに魅了されます。これらのアップグレードされたガジェットが店頭に並ぶ前には、広範な設計とテストプロセスが行われています。ワイヤレスデバイスの至上コンポーネントであるアンテナは、5GやIoTなどの技術進歩に対応するため常に更新され、より広い帯域幅、安全規制準拠、マイクロデザインへの収まる小型化が求められています。

レバレーションテストの進化

1940年代以来、アンテナ性能は無響室（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、アンテナを回転させ、異なる方向への放射強度を測定。このテスト手法で得られるデータは比較的解釈しやすいですが、無響室は高価で大型化しがちです。

1960年代には、電磁両立性（EMC）テスト用として、レバレーションチャンバーと呼ばれる異なるタイプのチャンバーが開発されました。無響室とは異なり、レバレーションチャンバーは電磁波（音響相当では音）を吸収するのではなく反射します。「この種のチャンバー内では非常に高い電界強度を生成できるため、デバイスが高電力電磁界で照射された際の耐性と感度をテストするのに最適な機能です」と、BluetestのCTOロバート・レハマー氏は述べています。

1990年代後半には、レバレーションチャンバーが特定アンテナパラメータのテストにも使用できることが判明。例えば、小型アンテナの最重要特性は効率（アンテナに投入した電力と実際に放射される電力の商、通常dBで測定）です。「小型アンテナの場合、レバレーションチャンバーで非常に高速かつ正確に効率測定できることが分かりました」とレハマー氏。

レバレーションテストシステムの普及初期に、スウェーデン・チャルマース工科大学のアンテナシステム教授ペール・シモン・キルダル氏がレバレーション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。研究成果に触発され会社を設立し、Bluetestが誕生しました。2010年頃、第4世代移動システム（LTE）である4GとMIMOが導入され、「これらのシステム性能をどうテストするか」といった非常に複雑な問題が多数浮上したとレハマー氏は振り返ります。

アンテナ性能測定

Bluetestのレバレーションシステム（図1）は、パッシブテストとアクティブテストを実行し、デバイスが最適化されているか判定。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被験デバイス（DUT）の送信機と受信機における総放射電力と全方位感度をそれぞれ測定。アクティブテストではDUTの送受信機を電源オンにします。アクティブ測定はDUT全体としての性能概要を把握するのに役立ちます。両テストとも、モバイルフォンなどのデバイスが規制と顧客要件を満たすことを確認するのに役立ちます。

Bluetestの全レバレーションテストシステムと製品は、ヨーテボリで設計・製造されています。RTSには、反射材壁、リファレンスアンテナ、異なる偏光を持つ4〜16本の測定アンテナ、モードスターラー、RFインターフェースなど多様なコンポーネントが含まれます。製造完了後、システムは大型木製クレードルに梱包され世界中の顧客へ出荷されます。

設計・製造・テスト・検証

Bluetestは、ミリ波アプリケーション（5Gミリ波帯を含む）でRTSに使用する新技術の設計を進行中。中心周波数は従来マイクロ波アプリケーションの1桁高いオーダーです。高速通信は広帯域幅に依存し、これは高キャリア周波数によって提供されます。

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一つは、テーパードスロットアンテナであるビバンディアンテナ。「アンテナに関しては、650MHz付近の低セルラーバンドから40GHz超まで、あらゆるものをテストできる必要があります」とレハマー氏。

ミリ波デバイス設計での波長はマイクロ波波長よりはるかに小さく、熱構造効果や製造公差エラーによる微小な物理的歪みが性能に悪影響を及ぼします。したがって、シミュレーションを用いてこのようなデバイスの性能を検証することが極めて重要です。BluetestはCOMSOL Multiphysics®シミュレーションを用いて、ビバンディアンテナを含むアンテナと回路設計を最適化しました。

ビバンディアンテナ設計の最初のプロトタイプは、厚さ1.6mmのFR4基板（織り込みガラス繊維とエポキシ樹脂の複合材料）でモデリング。このアンテナの最初のイテレーションをシミュレーションすることで、レハマー氏とチームは、低周波動作時のマウント、サイズ、安定性、効率に関するいくつかの問題を発見。これらの知見により、ベジェ曲線をモデルに実装することで改良されたビバンディアンテナをシミュレーションしました（図2）。

Bluetestはまた、6GHz〜67GHzの超広帯域で動作するワイドバンドモノポールアンテナの効率をシミュレーション、設計、テスト。このタイプのアンテナは5G測定用RTSで使用され、標準テストアンテナを切り替えずに測定中に使用できるため、システムの汎用性向上にも寄与します。

シミュレーションの活用はアンテナ設計に限定されません。レバレーションチャンバーの性能向上のため、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-導波管遷移も開発しました。

技術進歩への追従

Bluetestでは、レハマー氏はシミュレーション技術と測定技術が完全に補完し合うと考えています。「設計の初期段階ではシミュレーションが必要で、物理デバイスが正しく動作することを確認するには測定を行う必要があります」とレハマー氏。Bluetestのシステムは、特にモバイルフォン開発業界におけるワイヤレス技術の進歩に合わせて継続的に更新されています。

「5G以前はモバイルシステムが約2.6GHzまでで動作していましたが、今では5Gシステムが40GHzまで動作可能です」とレハマー氏。この進化する分野に追従するため、Bluetestは可能な限り多くの周波数帯をサポートするよう取り組んでいます。シミュレーションの助けを借りて、BluetestはRTSテスト時間と測定精度の改善に注力しつつ、テスト複雑性を高いレベルで維持できます。

この記事は、COMSOLバーリントンMAのコンテンツライター、レイチェル・キートリー氏によって執筆されました。詳細情報はこちらをご覧ください。

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