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밀리미터파 주파수 측정 기술로 '5G 도입' 선도
이나리 기자 | 승인 2017.05.09 13:09

[EPNC=이나리 기자] 연구 영역이 테라헤르츠 주파수까지 확장되는 가운데, 개발자들은 보통 설계나 시뮬레이션, 측정, 분석 과정에서 발생할 수 있는 문제에 대해 과소평가하기 쉽다. 베이스밴드나 RF, 마이크로파 신호와 비교할 때, 밀리미터파 범위에서의 신호는 매우 다르게 동작한다.

예를 들어, 10㎜(30GHz), 1㎜(300GHz) 또는 0.3㎜(1THz) 파장은 대기에서 높은 전파 손실을 보이고, 특히 산소나 물, 이산화탄소 분자의 공진 주파수에서 더욱 높게 나타난다. 이런 차이로 인해 파워 발생, 교정된 측정과 필요한 결과를 얻기가 점점 더 어려워지고 있다.

밀리미터파 연구분야의 엔지니어들은 높은 주파수와 광대역폭에서 정확하고 반복 가능한 측정에 대한 해결책을 제시하며, 키사이트의 도움을 필요로 하고 있다. 측정 과학과 밀리미터파에 대한 전문 지식을 갖춘 키사이트는 현재 높은 주파수를 위한 상용 솔루션 개발에 집중하고 있다. 최근 키사이트는 110GHz 또는 그 이상에서의 측정을 지원하는 솔루션을 제공하고 있다.

키사이트 N9041B UXA X-시리즈 신호 분석기

기술 혁신과 새로운 기회

밀리미터파 기술은 수십 년 동안 개발과 제조에 고비용을 지원할 수 있는 우주항공, 방위, 백홀의 분야에서 주로 사용돼 왔다. 최근에는 제조 기술의 발전으로 밀리미터파 디바이스 가격이 낮아져서 일반 산업분야에도 이전보다 큰 가격 장벽 없이 접근할 수 있게 됐다.

예를 들어 CMOS 반도체 기술을 사용하는 개발자는 500GHz 이상의 fτ를 갖는 디바이스를 생산하고 있으며, 일부 개발자는 이 효율적인 기술을 테라헤르츠 범위로 확장하려 하고 있다.

그동안 키사이트는 밀리미터파 컴포넌트에서 획기적인 연구와 개발을 계속해 왔다. 마이크로웨이브 반도체 기술의 자체 기술력으로 300GHz 이상의 트랜지스터 스위칭 주파수를 지원하는 차세대 인화 인듐(InP) 공정의 개발이 가능하게 됐다. 이로 인해 IC와 오실로스코프와 같은 제품에서 광대역폭 구현과 리얼타임 성능을 제공할 수 있게됐다.

[그림 1] 키사이트의 110㎓ 신호 분석기는 밀리미터파 디자인을 지원한다.

성공적인 측정을 위한 방법

신호 유도와 파워 발생 등 2가지 분야에서는 정확하고 반복 가능한 결과를 제공하는 상용 테스트 장비를 구성하는데 큰 어려움이 따른다. 도파관(waveguide)이 중요한 예 중 하나다. 밀리미터파 장비의 정상적인 작동을 보장하기 위해서는 거의 완벽에 가까워야 한다. 100GHz에서 1THz 사이의 신호를 다루기 위해서는 서로 다른 도파관 밴드를 사용해야 한다. 밀리미터 파장에서의 플랜지 연결 왜곡은 신호의 품질을 저하시키고 신호 전력을 감소시키는 원치 않는 반사를 유발할 수 있기 때문이다.

밀리미터파 주파수에서 증폭기 효율과 선형성을 동시에 유지하기가 어렵기 때문에 적절한 파워 레벨을 제공하는 것은 힘든 과제이기도 하다. 그리고 이것은 신호 발생기 또는 네트워크 분석기가 생성할 수 있는 최대 파워 레벨을 제한하는 경향이 있다. 이와 관련해 광대역폭은 밀리미터파의 뛰어난 기능이다. 그러나 광대역 측정은 계측기에 더 많은 노이즈를 유발하고 노이즈 플로어를 높인다. 더 낮은 최대 파워와 높은 노이즈 플로어의 조합은 결과적으로 광대역 스펙트럼 측정의 동적 범위(dynamic range)를 축소시킨다.

이런 문제가 일단 해결이 되면, 다음으로 큰 과제는 장비와 테스트 설정을 교정하는 것이다. 밀리미터파 주파수에서 정확하게 파워 레벨을 교정하는 것 또한 어려운 일이지만, 측정 정확도를 보장하고 테스트 중인 디바이스(DUT)의 손상을 방지하기 위해서는 파워를 세밀하게 제어해야 한다.

이 같은 주파수에서의 측정은 과학의 한 분야로도 볼 수 있으며, 엔지니어들은 평소 습관을 버리고 보다 정밀한 접근 방식이 필요하다. 예를 들어, 측정 설정에 있어서는 계측기, 케이블, 액세서리 등의 모든 단계에 세심한 주의가 필요하다.

이는 완벽한 연결, 출력 신호의 깨끗한 업컨버전, 입력 신호의 정확한 다운컨버전, 낮은 레벨의 내부 불요 신호(spurious signals), 제대로 관리된 내부 고조파(harmonics)와 같은 세부 사항을 보장하기 위한 조치를 취하는 것을 의미한다. 이런 요소는 네트워크 분석이나 수동 소자(S-파라미터) 또는 능동 소자(X-파라미터)의 특성화에서와 같이 스펙트럼과 신호 분석에 있어서도 중요하다.

한 가지 더 중요한 차이점이 있다. 어떤 경우에는 계측기와 DUT 간의 연결이 케이블 또는 도파관을 통하는 대신 OTA(Over The Air)를 통해 이뤄져야 한다. OTA 상황에서는 테스트 설정의 방사 환경을 제어하고 교정해야 한다. 반복 측정을 보장하기 위해서는 DUT의 방향 요소를 지속적으로 제어하거나 제재하는 방법이 있어야 한다.

리더십의 역사는 ‘진행 중’

상용 애플리케이션에서도 밀리미터파 사용이 증가하고 있는 가운데, 키사이트는 오랜 기간 동안 이 분야의 혁신을 실현해 왔다. 초기 기가헤르츠(Giga Hertz) 제품은 1967 년으로 거슬러 올라간다. HP 8410 네트워크 분석기는 12GHz까지 측정할 수 있었고, S-파라미터를 계산할 수 있었다. 키사이트 최초의 밀리미터파 장비는 1980년대 후반 업컨버터와 함께 26.5GHz 이상을 지원하는 신호 발생기와 45MHz에서 100GHz를 지원하는 광대역 네트워크 분석기의 출시였다.

그 이후로 67GHz 네트워크 분석기(PNA, 2006년)와 50GHz 핸드형 스펙트럼, 종합 분석기(FieldFox, 2015년)가 소개됐다. 다른 예로 ▲90GHz 광대역 오실로스코프(86100D Infiniium DCA-X) ▲68GHz 광대역 트랜시버(E7760A) ▲1.1THz 까지 확장할 수 있는 67GHz 마이크로웨이브 네트워크 분석기(PNA-X) ▲1.1THz 까지 확장할 수 있는 67GHz 아날로그 신호 발생기(E8257D PSG) ▲63GHz 오실로스코프(Infiniium Z- 시리즈) ▲50GHz PXIe 벡터 신호 분석기(M9393A)가 있다.

가장 최근인 2016년 10월 키사이트는 N9041B UXA X-시리즈 신호 분석기를 출시했으며, 이 신호 분석기는 업계 최초로 3Hz에서 110GHz까지 연속 스위프 주파수 범위를 제공한다. 1GHz의 분석 대역폭을 지원하며, 더욱 넓은 대역폭의 분석이 필요한 경우를 위해 5GHz의 IF 출력을 제공해 외부 키사이트 오실로스코프에 연결하여 분석할 수 있다. 고급 프론트엔드 회로는 저손실과 효율적인 믹싱을 구현하고, 밀리미터파 대역에서 광대역 변조 신호를 특성화할 때 -150dBm/Hz의 낮은 DANL(Displayed Average Noise Level)을  제공하고 있다.

두 솔루션 파트너인 VDI(Virginia Diode, Inc.)와 OML의 주파수 확장기를 통해 많은 키사이트 신호 발생기, 신호 분석기, 네트워크 분석기는 50GHz에서 1.5THz사이의 주파수를 처리할 수 있다. 예를 들어 최근에 출시한 솔루션은 최대 1.5THz의 스펙트럼 분석 기능을 포함하고 있다.

[그림 2] N9041B UXA 신호 분석기의 첨단 프론트엔드 설계로 가능한 매우 낮은 DANL을 보여주는 밴드 밀도 마커 값(녹색 텍스트, 오른쪽 상단의 트레이스).

키사이트 소프트웨어 제품은 밀리미터파 주파수에서 설계와 시뮬레이션, 측정, 분석을 위한 솔루션을 제시한다. 설계와 시뮬레이션을 위한 소프트웨어 솔루션은 차세대 디바이스와 시스템의 개발을 가속화하는 효율적인 워크플로우를 제공한다.

키사이트 EEsof EDA 제품군에는 설계자가 첫 번째 프로토타입을 통해 처음으로 설계하는데 도움이 되는 회로 시뮬레이터, 디바이스 모델링 솔루션이 포함돼 있다. 사실 N9041B R&D팀은 분석기의 프론트엔드에 사용된 밀리미터파 필터를 정확히 설계하기 위한 최초 과정으로 키사이트의 ADS(Advanced Design System) 소프트웨어를 사용했다.

글 : 제니퍼 스타크 키사이트테크놀로지스 신호분석 브랜드 매니저

이나리 기자  narilee@epnc.co.kr

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