针对高速通信优化无线测试系统和天线

每年，消费者都会对上市的最新智能手机和无线设备感到眼花缭乱。在这些升级的小工具上架之前，有一个广泛的设计和测试过程来开发它们。天线是无线设备的重要组成部分，不断更新以跟上 5G 和物联网 (IoT) 等先进技术。预计它们将具有更大的带宽，符合安全法规，并且足够小以适合微设计。

为了帮助工程师使用无线设备，Bluetest（位于瑞典哥德堡）开发了易于使用的混响测试系统 (RTS)，用于测量无线设备和天线的性能。今天，Bluetest 是无线、多输入多输出 (MIMO) 测试的市场领导者。该公司使用仿真来确保其 RTS 设计的组件针对性能进行了优化。

混响测试的演变

自 1940 年代初以来，天线性能已在消声室或微波吸收室中进行了测试。在这种类型的暗室中，旋转天线并在不同方向测量其辐射强度。从这种测试方法中获得的数据相对容易解释，但消声室往往价格昂贵，而且体积大，不便于使用。

在 1960 年代，开发了一种不同类型的腔室——混响室——最初用于电磁兼容性 (EMC) 测试。与消声室不同，混响室反射电磁波（或声学等效的声音）而不是吸收它。 Bluetest 首席技术官 Robert Rehammar 说：“您可以在这种室内产生非常高的场强，这是测试抗扰度以及设备在受到大功率电磁场辐射时的敏感度的一个很好的功能。”

在 1990 年代后期，人们了解到混响室也可用于测试某些天线参数。例如，小型天线最重要的特性是其效率，或者说是您输入天线的功率与实际辐射的功率（通常以 dB 为单位）之间的商。 “人们意识到，您可以在混响室中测量天线效率，事实证明，对于小型天线，您可以非常快速且准确地进行测量，”Rehammar 说。

在混响测试系统开始流行时，瑞典查尔姆斯理工大学天线系统教授 PerSimon Kildal 开始了一个关于混响室及其分析天线能力的研究项目。在研究了这些房间之后，Kildal 受到启发，根据他的发现创办了一家公司，Bluetest 诞生了。大约在 2010 年左右，与 MIMO 一起推出了 4G——第四代移动系统（也称为 LTE）。结果，Rehammar 说，“出现了很多非常复杂的问题，比如‘我们将如何测试这些系统的性能？’”

测量天线性能

Bluetest 的混响系统（图 1）执行无源和有源测试，以确定设备是否经过优化。无源测试主要测量天线效率，而有源测试分别测量被测设备 (DUT) 发射器和接收器的总辐射功率和总各向同性灵敏度。在主动测试期间，DUT 中的发射器和接收器通电。有源测量有助于概述 DUT 的整体性能。这两项测试都有助于确保手机等设备符合法规和客户要求。

Bluetest 的所有混响测试系统和产品都是在哥德堡设计和生产的。 RTS 包含多种组件，例如由反射材料制成的墙壁、参考天线、4 到 16 个具有不同极化的测量天线、模式搅拌器、RF 接口等。生产过程完成后，系统会被包装在一个大型木制摇篮中，并发送给世界各地的客户。

设计、制造、测试和验证

Bluetest 正在设计新技术，以在其 RTS 中用于毫米波应用，包括 5G 毫米波频段，其中心频率比传统微波应用高一个数量级。高速通信依赖于高载频提供的宽带宽。

最流行的宽带应用天线设计之一是 Vivaldi 天线——一种锥形缝隙天线。 “在天线方面，我们需要能够测试从 650 MHz 左右到超过 40 GHz 的低蜂窝频段，”Rehammar 说。

毫米波器件设计中的波长远小于微波波长，并且由于热结构效应或制造公差误差导致的任何轻微物理变形都会对其性能产生不利影响。因此，使用仿真验证此类设备的性能至关重要。 Bluetest 使用 COMSOL Multiphysics® 仿真来优化他们的天线和电路设计，包括 Vivaldi 天线。

Vivaldi 天线设计的第一个原型是在厚度为 1.6 毫米的 FR4 基板（由编织玻璃纤维和环氧树脂组成的复合材料）中建模的。对这种天线的第一次迭代进行仿真后，Rehammar 和他的团队发现在低频运行时存在一些与安装、尺寸、稳定性和效率相关的问题。由于这些发现，他们能够通过在模型中实现贝塞尔曲线来模拟改进的 Vivaldi 天线（图 2）。

Bluetest 还模拟、设计和测试了宽带单极天线的效率，用于 6 GHz 至 67 GHz 的超宽带工作。这种类型的天线在其 RTS 中用于 5G 测量；它还有助于为系统提供更多的多功能性，因为它可以在测量期间使用，而无需切换标准测试天线。

仿真的使用不限于天线设计。为了提高混响室的性能，Bluetest 不仅研究了定制腔体的谐振本征模，还开发了电路到波导的转换。

跟上技术的进步

在 Bluetest，Rehammar 认为仿真技术和测量技术是完全互补的。 “在构建设计的开始阶段，您需要进行仿真，为了确认您的物理设备工作正常，您必须进行测量，”Rehammar 说。 Bluetest 的系统不断更新，以跟上无线技术的进步，尤其是在手机开发行业。

“在 5G 之前，移动系统的运行频率最高可达 2.6 GHz，而现在您拥有的 5G 系统的运行频率最高可达 40 GHz，”Rehammar 说。为了跟上这一先进领域的步伐，Bluetest 一直致力于支持尽可能多的频段。借助仿真，Bluetest 可以专注于提高 RTS 测试时间和测量精度，同时将测试复杂度保持在较高水平。

本文由马萨诸塞州伯灵顿 COMSOL 的内容作家 Rachel Keatley 撰写。欲了解更多信息，请访问 这里 .

COMSOL Multiphysics 是 COMSOL AB 的注册商标 .