5G-antennes meten in de galmkamer

We gebruiken steeds meer (slimme) apparaten die verbonden zijn met het 5G-netwerk. De hoogfrequente antennes die hierin zitten zijn vaak geïntegreerd met chips, en dat maakt het testen een stuk lastiger. TU/e-onderzoeker Anouk Hubrechsen ging aan de slag met een concept uit de akoestiek en laat zien dat haar unieke table-top galmkamer hoogfrequente antennes veel accurater en sneller kan doormeten.

Ze schreef haar proefschrift als een praktische handleiding, en overtuigt ondertussen als CEO van spin-off Antennex steeds meer bedrijven deze nieuwe meetmethode te gebruiken.

Antennes voor 5/6G-systemen maken is al geen sinecure, omdat chips vaak geïntegreerd zijn, maar het doormeten ervan lukt bijna niemand. Want waar je een chip normaliter meet door hem aan te sluiten, moeten nu de kwaliteitseisen bepaald worden met de antenne eraan vast. Die kan je niet zomaar met een kabel aansluiten, de elektromagnetische golven verplaatsen zich door de lucht. En dus moeten ook chips ‘door de lucht’ gemeten worden. Bovendien moeten al die honderden antennes getest worden, in verschillende settings, waarin ze elkaar – onbedoeld – kunnen beïnvloeden.

“Ik houd wel van een uitdaging”, zegt Anouk Hubrechsen in een interview met Cursor. Met een succesvol resultaat, want dankzij een nieuwe meetmethode kreeg ze het voor elkaar om hoogfrequente antennes op veel punten nauwkeurig en snel te meten. Onlangs verdedigde ze haar proefschrift cum laude aan de faculteit Electrical Engineering.

Bottleneck testcapaciteit

De huidige antennes worden over het algemeen getest in een anechoïsche kamer: een ruimte waarin de muren alle echo’s absorberen. Zowel de set-up als de interpretatie van de meetgegevens zijn hier tijdrovend en vragen veel expertise.

 “Veel bedrijven zijn meer dan een derde van hun ontwikkelingstijd kwijt aan het doormeten van hun antennes” benadrukt ze. “Er zijn steeds meer 5G toepassingen, ieder apparaat moet getest worden. We lopen echt tegen een bottleneck aan qua testcapaciteit.”

Alle golven reflecteren

Het roer moet dus om, meent Hubrechsen, en daarom deed ze binnen de antennemeetgroep van de TU/e onderzoek naar een geheel andere meetkamer: een ‘reverberation chamber’ met metalen muren die juist alle golven reflecteren.

“Het concept van de galmkamer bestaat al lang en komt uit de akoestische hoek. Wij werken alleen niet met geluidsgolven, maar met elektromagnetische golven. Door de weerkaatsingen kunnen we de werkelijkheid veel beter nabootsen. Bovendien kun je daardoor in veel kortere tijd alle energie opvangen die de antenne uitzendt. In de conventionele meetsystemen moet je punt voor punt mechanisch de kamer scannen en alles uiteindelijk samenvoegen, in een galmkamer wordt alles in één keer gemeten.

“Ook is op een simpelere manier te meten of een apparaat op de juiste frequentie uitstraalt en of het maximum niet overschreden wordt zoals bijvoorbeeld bij mobiele telefoons belangrijk is. Voor bepaalde kwaliteitsaspecten van antennes is deze methode daarom heel veel accurater, schaalbaarder en tot wel honderd keer sneller.”

Open mindset

Er werd een prototype galmkamer gebouwd om specifiek hoogfrequente antennes te meten, een uitgebreid validatieproces door Hubrechsen volgde. Een stukje pionierswerk, erkent ze na enig aandringen.

“Toen ik met mijn PhD-project begon, werkte ik in de eerste galmkamer die tot zo’n hoge frequentie kon. Ik heb veel verschillende kanten van deze kamer gezien en ben door al die metingen stapsgewijs achter veel problemen gekomen. En heb gaandeweg ontdekt hoe deze op te lossen zijn. Door met een open mindset te kijken, en minder vast te houden aan een stochastisch proces waarin modellen soms blind gebruikt worden, hebben we de vertaalslag naar een daadwerkelijk product kunnen maken.”

Praktisch handboek

Hoewel de resultaten van Hubrechsens werk aantonen dat de galmkamer veel voordelen biedt boven de huidige meettechnieken, heeft ze nog steeds te maken met twijfelende onderzoekers. Dat komt volgens haar omdat in een galmkamer de antennerichting moeilijker te bepalen is dan in een dode kamer, terwijl voor hoogfrequente antennes die hun stralen bundelen voor een sterk signaal die richting juist belangrijk is.

Anntennerichting

Ze laat echter zien dat voor veel metingen de antennerichting minder belangrijk is dan wordt aangenomen. Voor metingen waarin het wél van belang is ontwikkelde ze samen met haar collega’s voor de galmkamer een nieuwe methodiek. Om mensen nu te overtuigen van de kracht van de galmkamer voor het meten van de nieuwste eigenschappen van antennesystemen – antenne én elektronica –, besloot ze haar proefschrift als een praktisch handboek te schrijven en alle ins en outs te tonen. “De techniek achter de galmkamer is lastiger te begrijpen. Iets dat meer intuïtief is, wordt meer vertrouwd. Dan moet ik het maar laten zien. Want als mensen zelf ondervinden hoe goed het werkt zijn ze om.”

En dat ziet ze nu bij steeds meer gebruikers, ook bij Antennex, het eerste bedrijf dat een handzaam hoogfrequent model galmkamer voor bedrijfsmatig gebruik op de markt brengt.