Optimizing Antenna Test Systems with RF Simulation at Bluetest

高速通信用のワイヤレステストシステムとアンテナの最適化

Rachel Keatley 著
2020 9月

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, それらの開発に入る広範な設計とテストの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.

スウェーデンのイェーテボリに本拠を置く会社であるBluetest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. 今日, 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. Bluetestの最高技術責任者（CTO）であるRobert Rehammar 氏は, シミュレーションを使用して, BluetestのRTS設計のコンポーネントがパフォーマンスに対して最適化されていることを確認しています.

スタートアップからワイヤレステストソリューションの世界的な大国まで

1940年代初頭以来, アンテナの性能は無響室, 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. このテスト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, 無響室は高価になる傾向があり, 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（残響チャンバー）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（または音響的に同等の音）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非常に高い電界強度を生成できます. これは, イミュニティをテストするための優れた機能であり, 高出力の電磁場が放射されたときのデバイスの感度です」とRehammar氏は述べています.

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ー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, または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.

残響試験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Per-Simon Kildal氏は, 残響室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. 研究室での研究の後, Kildal氏は彼の発見に基づいて会社を設立したいと考えるようになりました. ― その結果, Bluetestが誕生しました. 数年間, Bluetestは小さな研究スタートアップでしたが, 2010年に会社は大幅に 成長しました. この頃, MIMOとともに4G, つまり第4世代のモバイルシステム（LTEとも呼ばれます）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多数出てきました」と述べています.

Bluetestにとって幸運なことに, 4GおよびMIMOテストに残響チャンバーを使用すると, 高速で手頃な価格で正確であるため, 非常に効率的であることがわかりました.「今日, 本質的に世界中のすべての携帯電話ベンダーは, アンテナと無線の性能をテストするためにBluetest機器を使用しています」とRehammar氏は述べています.

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ますが, 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. アクティブテスト中, 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, ヨーテボリの本社で設計および製造されています. RTSには, 反射材で作られた壁, 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インターフェースなど, さまざまなコンポーネントが含まれています. 製造工程が完了すると, システムは大きな木箱に梱包され, 世界中の顧客に送られます. 「残響テストシステムの優れた点の1つは, コンピューターや測定機器と比較すると非常に大きいにもかかわらず, 無線テストシステムの場合 は非常に小さいことです」とRehammar氏は述べています.

設計, 製造, テスト, 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（mmWave）アプリケーションの残響テストシステム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, COMSOL Multiphysics^® ソフトウェアとアドオンRFモジュールを使用して, 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（ガラス繊維織物とエポキシ樹脂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, 低周波数で動作しているときの取り付け, 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. これらの発見のおかげで, 彼らはベジェ曲線をモデルに実装することにより, 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測定用の残響テストシステムで使用されています. 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, RFモジュールを使用して回路から導波管への遷移も開発しました.

技術の進歩についていく

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互いに完全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, ワイヤレス技術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で動作できる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.

ワイヤレステクノロジーの将来については, Rehammarは, Bluetestが, インターネットアクセスがない、世界の一部の地域への提供を支援する役割を果たすことができることを望んでいます. Rehammarは言います：「世界には、まだ安定したインターネットアクセスがない人々が何十億もおり, 私たちが今後10年以内に, この状況に変化を起こすことに貢献できることを切に望んでいます.」