차세대 무선기기 측정을 위한 유연한 솔루션 구현
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차세대 무선기기 측정을 위한 유연한 솔루션 구현
  • 신동윤
  • 승인 2020.02.21 17:13
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차세대 무선 애플리케이션을 위한 연결되는 장치의 수가 급속히 증가함에 따라 더 빠르고 혁신적이며 비용 효율적인 측정 솔루션에 대한 요구가 높아지고 있다. 비용 절감이나 측정 처리량 개선의 필요성은 설계 검증 단계와 대량생산 제품 검증 등 모든 부분에서 요구되고 있다. 측정 엔지니어는 단일 측정 스테이션에서 DUT(Device Under Test, 측정 대상 장치)의 연결 수를 줄이고 여러 DUT를 병렬로 측정할 수 있는 방법을 찾고 있다.

실제 측정 애플리케이션이 다양하기 때문에 '일체형' 솔루션을 구현하는 것은 사실상 불가능하다. 많은 측정 애플리케이션의 사양은 설계 프로세스와 동시에 정의되기 때문에 장비 공급업체는 다양하고 고유한 사용자 정의 솔루션의 설계와 제작에 민첩하게 대응해야 한다. 이런 측정 시스템의 소요 시간은 고객의 제품 출시 시간에 직접적인 영향을 미치기 때문에 공급업체는 고객의 요구사항에 맞게 조정할 수 있는 솔루션을 신속하게 제공할 수 있어야 한다.
여기서는 미니서킷(Mini-Circuits)의 다양한 측정 솔루션을 통해 대량 측정 애플리케이션에서 효율성을 향상시키기 위해 RF 스위치를 구성하는 방법에 대해 알아본다. 특히 미니서킷의 측정 솔루션은 다양한 요구사항을 수용할 수 있도록 빌딩 블록 방식으로 제작되기 때문에 2주 이내에 맞춤형 주문이 가능하다는 장점이 있다.

스위치 매트릭스와 자동화된 신호 라우팅
실제 측정 애플리케이션에 사용되는 RF나 마이크로파 스위치는 신호 트래픽을 관리하고 자동화하기 위해 스위치 매트릭스로 함께 구성하는 경우가 많다. 모든 측정 신호는 스위치 매트릭스를 통과하므로 이 성능은 측정의 정확성이나 반복성, 효율성에 직접적인 영향을 미친다. 
주어진 측정 시스템을 구축할 때, 측정 엔지니어는 가장 효율적인 방식으로 DUT를 올바르게 측정하는 데 집중해야 한다. 가장 중요한 것은 사용된 측정 솔루션이 필요한 전력 레벨에서 올바른 신호를 DUT에 전달하고 측정 포트 간의 절연을 유지함으로써 측정의 무결성(Integrity)을 확보하는 것이다.  
측정 애플리케이션을 위한 RF 스위치의 주요 성능 파라미터는 다음과 같다.

  • 절연: 스위치가 'ON' 신호포트에서 'OFF' 포트로 RF 신호누출 억제 정도
  • 삽입 손실: 전송 선을 따라 발생하는 내부 손실로 인해 입력에서 출력으로의 감쇠
  • 파워 핸들링: 스위치가 손상을 입지않고 받을 수 있는 최대 정격 RF 입력 전력
  • 스위칭 시간: 한 상태에서 다른 상태로 전환하는 데 걸리는 시간으로 일반적으로 ms(millisecond)에서 ns(nanosecond)에 이른다.
  • 스위치 수명: 스위치가 고장 전까지 완료 할 수 있는 스위치 사이클 수

복잡한 애플리케이션마다 측정 시스템의 스위치 매트릭스 라우팅과 성능을 결정하는 것은 특히 시스템 요구 사항이 특정 애플리케이션에 고유 한 경향이 있기 때문에 비용과 시간이 많이 소요될 수 있다. 이 작업에서 고객을 지원하기 위해 미니 서킷은 신호 라우팅을 위한 고차(High-order) 스위치 매트릭스를 포함한 광범위한 종류의 모듈을 통한 완전 맞춤형 통합 솔루션을 제공한다. 이런 시스템이 특정 시스템에 기계식 또는 솔리드 스테이트(Solid state)스위칭을 통합하는지 여부는 고객의 특정 시스템 요구 사항에 따라 결정된다.

기계식 스위치와 솔리드 스테이트 스위치: 주요 특징
측정 애플리케이션을 위한 실제 스위치 매트릭스 예를 살펴보기 전에 사용 가능한 여러 스위치 유형 사이의 상대적인 장단점을 검토하는 것이 좋다.  RF 스위치는 전기 기계식이나 솔리드 스테이트의 두 가지 기본 방식을 통해 구성된다[그림 1].

[그림 1] SP8T 전자기계식 스위치 MSP8T-12D+(왼쪽)과 Dual SPDT 솔리드 스테이트 스위치 USB-2SP2T-DCH(오른쪽). 모든 측정 요구를 충족하는 단일 스위치 설계는 없다. 따라서 성능이나 속도, 스위칭 사이클에 대한 절충이 종종 필요하다.
[그림 1] SP8T 전자기계식 스위치 MSP8T-12D+(왼쪽)과 Dual SPDT 솔리드 스테이트 스위치 USB-2SP2T-DCH(오른쪽). 모든 측정 요구를 충족하는 단일 스위치 설계는 없다. 따라서 성능이나 속도, 스위칭 사이클에 대한 절충이 종종 필요하다.

기계식 스위치는 더 높은 전력을 지원하는 경우가 많으며 손실이 적고 절연 상태가 더 좋다. 그러나 스위칭 시간이 느리고 크기가 더 크며 수백만 번의 스위칭 사이클 후에 반복성이 저하되기 시작한다. 반면 솔리드 스테이트 스위치는 훨씬 빠른 스위칭 속도와 더 많은 스위칭 사이클에 걸쳐 반복성이 뛰어나다. 이런 속성은 스위칭 속도가 측정 처리량과 직접 관련돼 있고 사용량이 많은 경우 스위치를 훨씬 적게 교체할 수 있기 때문에 특히 대량 생산 라인에서의 측정 애플리케이션에 적합하다. 
또한 낮은 전력 처리와 낮은 절연이라는 한계도 있다. 특히 절연은 측정 시스템에서 보정이 더 어렵기 때문에 자동화된 측정에 특히 중요한 매개변수다. 절연 상태가 불량한 스위치는 표류하는 신호가 측정 경로로 유입되어 측정 무결성을 떨어뜨릴 수 있기 때문이다. 이로 인해 시스템 정확도가 저하되고 불확실성과 타이밍 요구사항을 결정하는 데 어려움이 발생할 수 있다. 
미니서킷은 개선된 솔리드 스테이트 스위치 설계를 통해 넓은 대역폭에서 절연 성능을 개선함으로써 낮은 절연으로 인한 몇 가지 문제를 해결했다. 미니서킷은 DC에서부터 8GHz 범위의 주파수와 50~110dB의 절연 범위를 갖춘 다양한 USB 제어 솔리드 스테이트 스위치를 제공하고 있다. 기계식 스위치의 전체 라인업 기능과 결합된 이런 장점은 엔지니어가 기본 측정 설정에서 개별 컴포넌트를 사용하거나 완전히 통합된 맞춤형 솔루션을 채택할 수 있도록 다양한 옵션을 제공한다.

[표 1] 미니서킷의 주요 솔리드 스테이트 스위치 제품군
[표 1] 미니서킷의 주요 솔리드 스테이트 스위치 제품군

적용 사례: 이동통신 네트워크 측정을 위한 고차 스위칭 시스템
한 이동통신 사업자가 새로운 기지국(BTS) 장비를 검증하기 위한 측정 솔루션을 설정하고 있었다. 새로운 BTS 노드의 각 채널을 평가해 사양을 충족하는지 검증하고 새로운 장비가 상호 부정합 작용 없이 기존 장비와 함께 작동하는지 확인 해야 하며, 새로운 BTS 장비를 통해 지원되는 핸드셋의 유효성을 검증해야 했다.
이 기능을 위해 고객은 6개의 독립 측정 스테이션을 20개의 기지국 채널 중 일부 또는 전체에 연결하는 신호 라우팅 시스템을 필요로 했다. 필요한 경우 여러 사용자가 동일한 BTS에 연결할 수 있어야 하지만 어느 측정 스테이션이 어떤 BTS에 액세스할 수 있는지를 제한하는 제어 메커니즘도 필요 했다.
이런 요구사항을 충족하기 위해 미니서킷은 20×6 비 차단 완전 액세스 스위치 매트릭스인 ZT-20X6NB를 개발했다. 이 양방향 스위치 매트릭스는 600MHz~6GHz에 이르는 전 세계 주요 통신 대역을 커버하며, 여러 입력포트를 동일한 출력포트로 동시에 라우팅할 수 있도록 포트 B1~B6을 포트 A1~A20의 모든 조합에 연결하도록 프로그래밍할 수 있다[그림 2].
이 비 차단 시스템 구성은 유연성을 갖추고 있어, 고객이 기존에 구축해 사용하고 있던 다중 사용자, 다중장치 측정 시스템에 이상적이다.
이 시스템은 전면 패널에서 쉽게 액세스할 수 있는 26개의 RF 연결(N 형)을 갖춘 5U 높이의 10인치 랙 장착형 섀시로 설계됐다[그림 3]. 여기에는 내장 터치 스크린과 함께 USB와 이더넷 제어 인터페이스가 포함돼 있어, 사용자에게 다양한 제어 옵션을 제공할 수 있다. 소프트웨어 지원은 네트워크를 통한 원격 제어나 USB 연결을 통한 GUI 애플리케이션을 통해 제공된다. 윈도우 환경과 HTTP/Telnet 지원을 위한 액티브X, .NET API 객체는 일반적인 프로그래밍 환경과의 호환성을 보장한다.

[그림 2] ZT-20X6NB 스위치 매트릭스를 활용한 다중사용자 기지국 측정시스템의 기능도
[그림 2] ZT-20X6NB 스위치 매트릭스를 활용한 다중사용자 기지국 측정시스템의 기능도
[그림 3] 6U 높이의 10인치 랙 장착형 섀시, ZT-20X6NB
[그림 3] 6U 높이의 10인치 랙 장착형 섀시, ZT-20X6NB

적용 사례: 고속 처리 요구를 위한 솔리드 스테이트 스위칭 통합
600MHz~6GHz의 통신 측정 애플리케이션을 지원하는 다른 예를 살펴 보자. 
[그림 4]는 8×24 스위치 매트릭스 하위 어셈블리를 보여준다. 이 장치는 신호 조절을 위해 프로그래밍 가능한 감쇠기가 포함된 24×48 시스템의 일부이다. 이 경우 스위치 매트릭스는 최대 12dB의 경로 손실을 제공하고 측정 포트 간에 120dB의 절연을 제공해야 한다. 여기서 목표는 30ms 미만의 DUT 측정 시간의 처리 요구를 충족시키는 것이다.
이 시스템은 설계 요구사항을 충족시키기 위해 기계식 스위치와 솔리드 스테이트 스위치를 조합해 적용했다. 8포트 측에는 0.2dB 삽입 손실과 90dB 절연 기능을 제공하는 기계식 SP4T 스위치(MSP4TA-18+)를 사용했다. MSP4TA의 20ms 스위칭 속도는 신호 라우팅 계획 단계에서 필요한 전체 측정 시간을 충족시켜준다. 
[그림 4]는 SP4T 스위치 이외의 정교한 스위칭 네트워크를 보여준다. 이 신호 라우팅을 수행하고 측정 시간 요구 사항을 충족시키기 위해 SPI 제어 RF SP10T 솔리드 스테이트 스위치(SPI-SP10T-63)가 사용됐다. 이 제품의 6μsec라는 짧은 스위칭 속도를 통해 전체 솔리드 스테이트 스위칭 경로를 거치는 시간이 기계식 스위치가 단일 사이클을 수행하는 것보다 짧은 시간에 사이클링할 수 있다.  또한 이 통신 애플리케이션의 요구 사항을 충족시킬 수 있는 80dB 절연과 +27dBm 파워 핸들링 기능을 제공한다. 이 사례에서는 두 가지 스위칭 유형의 이점을 활용하고 광범위한 측정을 수행할 수 있다는 것을 보여주고 있다.

[그림 4] 스위치 매트릭스 디자인은 각 스위치의 고유한 성능 파라미터를 활용하도록 최적화됐다.
[그림 4] 스위치 매트릭스 디자인은 각 스위치의 고유한 성능 파라미터를 활용하도록 최적화됐다.

최대 40GHz까지 확장 가능
앞서 설명한 두가지 사례는 미니서킷이 복잡한 측정 요구사항에 맞춰, 맞춤형 RF스위치 매트릭스를 구축할 수 있다는 것을 보여주는 극히 일부 사례에 불과하다.
5G 측정이나 기타 고주파 측정 요구사항을 지원하기 위해 미니서킷은 유사한 방식으로 구성할 수 있는 최대 26.5~40GHz의 동작 주파수 범위를 가진 기계식 스위치를 제공하고 있다.
업계에서 점점 더 많은 수의 다양한 무선 장치를 개발하기 위해 노력하면서 RF 측정을 위한 빠르고 합리적인 비용으로 도입할 수 있는 솔루션의 필요성이 계속 증가하고 있다. 이런 추세를 고려해, 맞춤형 스위치 매트릭스가 측정 셋업 단계의 효율성을 향상시키는 데 어떤 도움을 줄 수 있는지에 대해 알아 봤다. 미니서킷은 최대 40GHz까지 커버하는 시스템과 신호 감쇠량 제어, 신호 증폭, 신호 분배 등과 같은 다른 기능을 통합한 시스템을 통해 많은 고객과 함께 성공적인 작업을 지원해 나갈 것이다.

 

글: 치맨슘(Chi Man Shum) 미니서킷 시험 및 평가부문 부사장

자료제공: 미니서킷(Mini-Circuits)


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