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.

De ontwikkeling van nieuwe generaties draadloze netwerken zit in een stroomversnelling. Momenteel vindt de overstap van 4G naar 5G plaats, maar de volgende generatie, het nog snellere 6G, staat al te wachten. Steeds meer apparaten communiceren via deze draadloze netwerken en bevatten kleine antennes – soms tot wel honderden – die op hoge frequentie zenden en ontvangen.

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”, vertelt Anouk Hubrechsen met een glimlach. 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. Afgelopen donderdag verdedigde ze haar proefschrift cum laude aan de faculteit Electrical Engineering.

Bottleneck testcapaciteit

De huidige antennes worden over het algemeen getest in een zogenaamde anechoïsche kamer. Dat is een ruimte waarin de muren alle echo’s absorberen en daarom ook wel bekend staat als ‘dode kamer’, legt Hubrechsen uit.  Maar zowel de set-up als de interpretatie van de meetgegevens zijn 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.”

Het roer moet dus om, meent Hubrechsen, en daarom deed ze binnen de antennemeetgroep van de TU/e onderzoek naar een geheel andere meetkamer. In eerste instantie werden zij en haar collega’s wantrouwend bekeken om hun afwijkende visie. Want waar in de anechoïsche kamer alles geabsorbeerd wordt, gebruikt Hubrechsen in haar ‘reverberation chamber’ 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 die de antenne uitzendt opvangen. 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.

Hubrechsen 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.”

Niet vanzelf

En dat ziet ze nu bij steeds meer gebruikers, ook in haar rol als CEO van TU/e spin-off ANTENNEX, het eerste bedrijf dat een handzaam hoogfrequent model galmkamer voor bedrijfsmatig gebruik op de markt brengt. Haar PhD-traject is verre van conventioneel, geeft ze schoorvoetend toe. Vorig jaar werd ze gevraagd CEO te worden van ANTENNEX, dat in 2021 door de antennemeetgroep werd opgericht.

Steeds vaker werden ze door grote bedrijven gevraagd hun antennes door te meten. Ook Hubrechsen voert al sinds haar bachelorstage meetservices uit. “Na een jaar als PhD-student heb ik door werkomstandigheden het besluit genomen te stoppen met het project, en ben ik  met een nieuw PhD-onderzoek gestart in een andere onderzoeksgroep. Qua timing was het niet het meest praktische om anderhalf jaar later CEO te worden van een startend bedrijf”, zegt ze lachend.

Na een korte stilte vervolgt ze op serieuze toon: “Ik heb best hard moeten vechten om alles op tijd af te ronden naast het runnen van een bedrijf, wat echt wel zijn tol heeft geëist. Daarnaast heb ik ook een flinke portie geluk gehad. Goede studenten, veel mensen die achter mij staan en geholpen hebben, en nu een fris team en investeerders die een nieuwe draai met ANTENNEX willen maken. Een geweldige uitdaging, maar een proefschrift in sneltreinvaart in de avonduren en weekenden afmaken is echt geen aanrader.”