5G로 확산되는 방산용 밀리미터파 기술
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5G로 확산되는 방산용 밀리미터파 기술
  • 선연수 기자
  • 승인 2020.01.16 08:45
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[테크월드=선연수 기자] 문제를 해결하고 성능을 향상시키기 위해 갈수록 더 높은 주파수를 사용하고 있다. 밀리미터파(mmWave) 주파수를 사용해 통신이나 방산 분야에서 어렵고 까다로운 문제들을 해결하려는 노력을 예로 들 수 있다. 지난 수년 동안 방산 업계가 애플리케이션은 다르나 비슷한 용도를 위해 개발한 성과들이 5G 통신 시스템에 활용되고 있다. 통신 분야는 기존 기법들을 능가하는 더 높은 데이터 속도를 요구하며, 최근 28GHz, 39GHz까지 높아지고 있다.

 

더 높은 주파수를 지원하는 IC 개발 작업이 늘어남에 따라, 군이 전장에서 다뤄야 할 기술의 수도 증가하게 됐다. 예를 들어, 방산 애플리케이션 상에서 해상에서 좌초된 대원들을 구조할 때, 우수한 분해능의 고주파 레이더를 활용하면 물체를 더 세밀하게 식별할 수 있다. 통신용으로 개발되는 IC는 보다 손쉽게 배포할 수 있도록 가격대가 낮아야 하며, 대량생산에 적합해야 한다. 또한, 다양한 애플리케이션에서 솔루션의 기능을 검증할 수 있는 테스트 장비가 필요하다.

이 글에서는 여러 분야에서 공유되는 공통 기술들이 어떻게 서로 영향을 주고받고, 이로 인해 IC 공급 사슬에 어떤 변화가 일어나는지 알아본다. 또한, 밀리미터파 주파수를 활용해 오늘날 직면한 과제들을 해결할 솔루션에 대해 소개한다.

 

복잡하게 얽힌 무선 시스템 세계

산업에서는 특정 분야에서 개발된 기술이 의도치 않게 다른 분야에서 활용되는 경우가 종종 발생한다. 일례로, 전자레인지는 레이더를 연구하던 엔지니어가 실험 중 자신이 점심으로 먹을 음식이 녹는 것을 보고 우연히 개발한 것이다. 오늘날 5G 통신 분야에서는 당초 방산용으로 개발된 위상 어레이 안테나의 활용이 시도되고 있다. 미래에는 5G 기술의 발전으로 이룬 신기술이 방산 분야에서 활용되는 사례가 생기고, 두 산업이 지속적으로 영향을 주고받는 순환 관계로 발전할 수도 있을 것이다.

위성 통신 기술 분야 역시 변화를 맞고 있다. 지구 정지 궤도(GEO, Geosynchronous) 위성으로부터 벗어나, 더 높은 데이터 스루풋과 더 넓은 커버리지를 제공할 수 있는 지구 저궤도(LEO, Low Earth orbit) 위성이 시험 중이다. 이런 구상은 특정 네트워크를 위해 지구 궤도를 도는 GEO 위성을 불과 몇 기 정도 사용하던 것에서 향후 수천 기로 늘리는 방향으로 이동한다. 현재 많은 통신 사업자들이 광대역 인터넷용 LEO 위성군을 개발하기 위해 노력 중이며, 위성 공급 경쟁을 펼치는 많은 기업들이 군사 관제와 통신용 핵심 GEO 위성을 완성했던 방산 업체들이다.

다른 분야에서 개발된 기술 활용 사이클은 다양한 시장에서 이어져 왔으며, 앞으로도 계속될 것이다. 이제 밀리미터파 주파수가 방산과 통신용으로 유용한 이유를 살펴보자.

 

대역폭 증가를 통한 스루풋 향상

지난 20년간 모바일 통신이 빠르게 보급되면서 갈수록 더 빠른 데이터 속도가 요구되고 있다. 업계에서는 몇 년을 주기로 새 무선 표준을 마련하고 새 프로토콜을 사용해 데이터 스루풋을 높여왔다. 스루풋을 높이기 위해서는 더욱 정교한 변조 방식이 사용되며, 이를 통해 여러 개의 정보를 동시에 전송할 수 있다.

변조 방식이 정교해질수록 더 많은 데이터를 전송할 수 있지만, 어느 시점에 다다르면 변조를 더 복잡하게 하더라도 스루풋을 크게 향상시킬 수 없다. 공통적인 신호 변조 방법은 캐리어 주파수를 중심으로, 일련의 주파수 범위에 걸쳐 신호를 확산하는 것이다. 따라서 변조 신호의 대역폭(FBW)을 늘리고, 더 넓은 주파수 범위에 걸쳐 신호를 확산하는 방법으로도 스루풋을 향상시킬 수 있다. DC 아래까지 미치지 않도록 하면서도, 신호를 확산할 수 있는 양을 계속 늘리기 위해서는 캐리어 주파수(FC)를 높여야 한다. 동시에 전송할 수 있는 데이터의 양을 늘리기 위해 조금씩 더 높은 주파수 대역으로 옮기다 보니, 밀리미터파 주파수까지 이르게 된 것이다.

 

[그림 1] 캐리어 주파수 중심의 변조 대역폭

 

5G가 전자전에 미치는 영향

오늘날 군사적 마찰은 점점 더 전자적으로 이뤄지고 있으며, 그 결과 ‘전자전(Electronic warfare)’ 개념으로 발전하게 된다. 전자전의 핵심 요소 중 하나가 레이더다. 레이더는 신호를 전송하고 되돌아오는 신호를 포착해 시야각을 매핑한다. 개발된 지 100년이 넘은 레이더 시스템으로 사람의 시각으로 감지할 수 없는 물체를 식별해낼 수 있다. 레이더를 보유한 진영은 그렇지 못한 상대보다 훨씬 유리할 수 있다. 이런 이유들로, 레이더 기술은 지속적으로 개발되고 발전돼 왔다.

이제 레이더는 기상 예보나 항공기 관제에 일상적으로 사용될 뿐만 아니라, 자동차와 같은 새로운 적용 분야로의 도입도 늘어나는 추세다. 자동차는 레이더를 활용해 차와 물체 간 거리를 감지할 수 있으며, UHF(Ultra High Frequency)나 VHF(Very High Frequency) 주파수 대의 전통적인 저주파 레이더 시스템은 장거리 조기 감지 레이더로 사용돼 왔다. 빠른 속도로 이동하는 항공기는 더욱 높은 분해능과 더 작은 안테나를 활용하는 X-대역 주파수(8GHz~12GHz)를 주로 사용한다. 전투기에서 미사일을 배치하고 요격하기 위해 사용되는 레이더 시스템은 Ka 대역 주파수(33GHz~37GHz)로 동작한다. 또한, 94GHz를 활용한 유도 무기, 미사일용 시스템 개발이 늘어나고 있다.

레이더 시스템은 주파수가 높아질수록 물체를 정확하게 식별할 수 있는 분해능, 각도 분해능 등 다양한 기능적인 이점을 가져다준다. 첫 번째 이점은 특정 각도 분해능 달성에 필요한 안테나 크기를 줄일 수 있어, 무기의 크기를 줄일 수 있다는 점이다. 두 번째는 주파수가 높아질수록 주어진 안테나 크기 내에서 각도 분해능을 높일 수 있는 점이다. 레이더의 거리 분해능은 변조 대역폭에 비례하며, 앞서 언급했듯 더 높은 주파수일수록 향상된다. 따라서 특정 애플리케이션에서 높은 분해능이 필요할 경우 높은 주파수를 사용하는 것이 유리하다.

전통적으로 방산 업체들의 전자전 시스템은 2~18GHz에서 동작해 왔다. 이 범위는 S, C, X, Ku 대역 레이더를 포괄하지만, 위협 범위가 점점 늘어남에 따라 더 넓은 범위를 감시하고 대응해야 한다.

28GHz와 39GHz에서 동작하는 5G 장비는 기존 미사일 유도에 사용해 온 Ka 대역 주파수에 가깝다. 새롭게 개발되는 전자전 시스템은 24~44GHz에 이르는 5G 주파수를 커버하도록 확장될 것이며, 이 주파수 대역에서 더 많은 군사용 전자 장비들이 나타날 것이다. 전자전에서 중요한 임무 중 하나는 위협을 감지하고 상대방이 눈치채지 못하도록 전자적인 교란을 일으키는 것이다. 다양한 주파수에서 위협이 다가올 수 있기에, 이를 감지할 수 있는 장비와 재밍(Jamming) 장비 또한 넓은 주파수 대역에 대응할 수 있어야 한다.

방산 분야에 사용돼 온 핵심 기술은 5G 통신에서도 유용하게 활용될 수 있다. 방산 분야에 이어 5G에도 여러 가지 이점을 제공하는 위상 어레이 안테나 기술이 그 예다. 이 기술 중 여러 데이터 스트림이나 방사 패턴을 전송할 수 있는 능력을 통해 방산 분야에서는 전투기가 여러 목표물을 한 번에 추적할 수 있게 했다면, 5G 통신에서는 여러 명의 사용자에게 데이터를 한 번에 전송할 수 있도록 하는 것이다. 또한, 방산 분야에서는 에너지를 한 방향으로 향하게 하는 빔 포밍 기법으로 인터셉트(Intercept)나 재밍 가능성을 낮출 수 있고, 통신 분야에서는 사용자에게 정보를 더욱 효율적으로 제공할 수 있도록 만들어 전력 소모를 줄이는 것이다. 두 적용 분야 모두 빔을 거의 즉시 전환할 수 있으며, 이외에도 더 많은 이점들이 두 분야에 공존한다.

 

5G가 IC에 미치는 영향

세상은 모바일 통신에 많이 의존하고 있다. 5G 셀룰러 인프라 관련 기술은 통신 장비 회사나 IC 회사에 중요한 성장 동력이 되고 있으며[그림 2], 기회를 포착하기 위해 차세대 제품 개발에 수십억 달러의 투자가 이뤄지고 있다. 이런 시스템을 구성하는 핵심 요소가 바로 네트워크를 통한 데이터 전송에 사용되는 IC다. 이에 따라 IC 공급 사슬 전반에 변화가 일고 있으며, 파운드리부터 최종 테스트 솔루션까지 대대적인 혁신이 진행되는 중이다.

 

[그림 2] 5G IC 공급 사슬

웨이퍼 제조 서비스를 제공하고 IC용 기초 소재를 제공하는 많은 반도체 파운드리 회사들은 혁신을 이어가고 있다. 경쟁에서 앞서길 원하는 많은 파운드리 회사들은 5G 기술로 인한 기회를 잡기 위해 새로운 공정 기술을 개발하고 있다. 일례로, 전자 빔 리소그래피에 비해 경제성이 우수한 광학 리소그래피로 전환, 비용에 민감한 시장이기에 하나의 공정 노드에 새로운 기능을 통합하는 시도 등을 꼽을 수 있다.

새로운 공정 기술이 등장할 때마다 IC 설계도 같이 발전한다. IC 설계자들은 하나의 공정 노드에 새로운 기능을 통합해 이전보다 우수한 성능을 끌어낼 수 있으며, 이로 인해 집적도가 높고 편리하게 설계할 수 있는 칩들이 등장하고 있다. 밀리미터파 주파수로의 확장을 통해 얻는 또 다른 이점은 저렴한 패키징을 활용할 수 있으며, 더 손쉽게 어셈블리할 수 있다는 것이다.

밀리미터파 주파수를 사용하는 전통적인 방산 어셈블리는 칩-앤-와이어 어셈블리다. 즉, 소형 금속 하우징에 와이어 본딩을 사용해 칩들을 접속하는 방식이다. 이는 대량 어셈블리에는 적합하지 않으며 표면실장 어셈블리 기법에 비해 더 많은 비용이 든다. 기존에는 크기 상의 제약으로 인해 이 기법을 이용했으나, 더 높은 집적도를 가진 더 작은 패키지에서 우수한 성능을 실현해냄으로써 표면실장 어셈블리가 더욱 매력적인 기법이 된 것이다.

28GHz와 39GHz의 위상 어레이 안테나와 관련 IC들에 대해, 무선(OTA, Over-the-air) 테스트와 같은 솔루션을 실제로 사용할 수 있게 됐다. 이전에는 위상 어레이 안테나를 테스트하기 위해 크기가 크고, 구축이 어려우며, 비용이 많이 드는 무반향 체임버(Anechoic chamber)가 필요했다. 그러나 이제는 더 낮은 비용과 작은 크기의 기성품으로 테스트 솔루션을 사용할 수 있다. 이를 통해 대규모 투자 없이도 최종 제품을 측정하기 위해 더 많은 업체들이 포괄적인 안테나 솔루션을 제공할 수 있게 됐다. 기존에는 방산 업체들과 대학에서만 주로 사용되던 위상 어레이 안테나 기술을 상업 분야에도 활용할 수 있게 된 것이다. 통신 기업들은 5G에서 이 기술들을 활용할 수 있으며, 방산 산업에서도 새로운 종류의 위협을 더 잘 방어할 수 있게 됐다. 아직 미숙한 안테나 엔지니어들도 규격화된 표준 기반 장비가 제공하는 정확한 측정 기법을 사용해, 해결이 어려웠던 문제를 좀 더 빠르게 해결할 수 있다.

이런 추세에 따라 방산 분야뿐 아니라 통신용으로 점점 더 많은 밀리미터파 제품이 출시되고 있다. 셀룰러 인프라용으로 사용되는 제품은 방산·계측용으로 사용되는 것과 거의 비슷한 사양과 기능을 가진다. 즉시 사용할 수 있는 IC와 테스트 솔루션이 늘어남으로써 최종 제품 개발 소요 시간을 단축하고, 방산용 밀리미터파 주파수에 가해지는 위협으로부터 방어력을 높일 수 있다.

 

5G 기술 확산 솔루션

아나로그디바이스(이하 ADI)는 계측·방산용뿐만 아니라 5G 통신용 솔루션 개발을 위해 대대적으로 투자하고 있다. 통신용 제품은 대부분 주파수 대역이 더 좁기에, 성능을 좀 더 쉽게 최적화할 수 있다. 방산용은 다양한 주파수로 위협이 가해질 수 있기에, 넓은 대역폭이 요구된다.

HMC863ALC4는 28GHz 5G 통신 인프라용으로 적합한 전력 증폭기(PA, Power Amplifier) 제품으로, 24~29.5GHz를 지원하며 0.5W 이상의 RF 전력을 제공한다. 이는 소형 4×4mm 표면실장 패키지로 제공되며, 40dBm에 가까운 TOI(Third-order Intercept)를 특징으로 한다. [그림 3]은 이 제품의 성능을 보여준다.

 

[그림 3] HMC863A의 온도별 이득(왼쪽)과 OIP3(오른쪽)

ADI는 방산·계측용으로 20~44GHz를 지원하는 ADPA7005를 제공한다. 이는 한 옥타브 이상의 동작 대역폭을 가지며, 전체 대역에 걸쳐 1W 이상의 포화 출력 전력을 제공한다. 전체 동작 주파수 범위에서 공칭 15dB로 이득(Gain)이 일관돼, 시스템에 쉽게 통합할 수 있다. 40dBm 이상의 TOI는 고도의 변조 입력 신호를 측정하거나 발생시키기에 적합하며, [그림 4]가 ADPA7005의 TOI와 포화 전력을 보여준다.

 

[그림 4] ADPA7005의 온도별 포화 전력(왼쪽)과 OIP3(오른쪽)

통신 네트워크의 발전은 주변 산업에 많은 영향을 준다. 이런 변화의 중심에 있다는 것은 물체를 물리적으로 타격하지 않는 전자전의 신무기 개발에 점점 더 많은 데이터의 형태의 정보가 요구됨을 의미한다. 이를 충족하기 위해 오늘날의 애플리케이션들은 점점 더 높은 주파수 대역으로 이동하고 있으며, 현재 변화의 시작 단계에 와 있다.

 

글: 키스 벤슨(Keith Benson) 아나로그디바이스 증폭기 제품 담당 디렉터

자료제공: 아나로그디바이스

 

- 이 글은 테크월드가 발행하는 월간 <EPNC 電子部品> 2020년 1월 호에 게재된 기사입니다.


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