mmWave란?

mmWave는 무선 주파수 스펙트럼에서 파장이 매우 짧은 약 20~100GHz의 대역을 가리키는 용어입니다. 이 대역의 스펙트럼은 사용량이 적으므로 mmWave 기술은 통신 시스템에 사용 가능한 대역폭을 크게 늘리는 것을 목표로 합니다.

mmWave 주파수의 시스템 설계가 어려운 이유로는 경로 손실 증가, 다이버시티를 제한하는 산란 감소, 보다 큰 대역폭의 사용에 따라 더 현저해지는 잡음의 영향, 한정된 전력 버짓과 송신기 선형성 등이 있습니다. 안테나 배열 및 RF 프론트엔드에 대한 혁신적인 설계 접근법을 통해 이러한 영향을 경감하려면 mmWave 전파 채널에 대한 정확한 이해가 필요합니다. 아래 섹션에서는 다음 항목에 대한 자세한 내용을 살펴볼 수 있습니다.

mmWave MIMO 시스템의 안테나 및 배열 설계
RF 프론트엔드와 트랜시버의 광대역 설계 및 분석
레이 트레이싱 기법을 사용한 mmWave 채널 모델링

mmWave 시스템의 안테나 및 배열 설계

mmWave 주파수에서 동작하도록 설계된 안테나와 배열은 6GHz 미만의 범위에서 작동하는 동일한 안테나에 비해 공명 주파수가 더 높고 파장은 더 작습니다. 따라서 mmWave 안테나는 기하학적 크기가 비교적 작고 배열이 매우 간소합니다.

미니어처 안테나의 설계 최적화

mmWave 주파수에서는 안테나를 조밀하게 배치하여 대기 흡수로 인한 높은 감쇠를 효과적으로 보상하는 고지향성 빔포밍 시스템을 만들 수 있습니다. 그 결과 대부분의 mmWave 시스템은 MIMO 아키텍처를 가짐으로써 더 낮은 주파수에서 작동하는 시스템과 대등한(심지어 더 높기도 한) 처리량을 달성합니다. 예를 들어 Otava는 MATLAB^® 및 Simulink^®를 사용하여 5G mmWave 빔포머 집적 회로를 개발하고 모델링했습니다.

5G mmWave 빔포머를 구현하는 Simulink 모델의 블록 다이어그램.

Otava mmWave 빔포머 IC의 RF Blockset 모델로 EVM, ACLR, EIRP, 빔폭의 정확한 예측이 가능합니다.

mmWave 안테나 배열을 통합할 때는 안테나 소자 간의 근접성으로 인해 발생하는 상호 결합 및 누설 등의 효과를 정확히 추정하는 것이 중요합니다. 상호 결합이 MIMO 통신에 미치는 효과 예제에서 볼 수 있듯이, 수신되는 신호의 상관도가 높으면 배열이 하나의 대형 안테나처럼 기능함에 따라 빔 조향의 효과가 크게 떨어집니다. 무한 배열 분석을 사용하여 대규모 배열에서 상호 결합 모델링하기 예제에서 보여주는 것처럼 중첩의 원리를 격리된 안테나 소자에 적용하면(더 낮은 동작 주파수에서 자주 쓰이는 방식) 결합을 무시하게 되어 mmWave 배열을 부정확하게 모델링할 수 있습니다.

또한 mmWave 프론트엔드는 수백 메가헤르츠, 심지어 기가헤르츠 범위에 이르는 매우 큰 시뮬레이션 대역폭에서 작동하도록 설계되는 경우가 많습니다. 이처럼 큰 대역폭에 걸친 안테나 배열 설계에서는 RF Blockset Antenna 블록을 사용하여 안테나 배열이 있는 RF 시스템 모델링하기 예제에 나와 있듯이 주파수 범위 전반에서 임피던스와 원거리 방사 패턴을 정확히 추정하는 것이 중요합니다. 배열은 패턴의 주파수 종속성으로 인해 빔 편이의 영향을 받을 수 있습니다. 달리 설명하자면, 빔 지향 각도가 신호 주파수의 함수로서 원치 않는 방향으로 변할 수 있습니다.

60GHz에서 동작하는 8소자 원형 패치 배열의 원거리 방사 패턴과 결합의 효과를 보여주는 S-파라미터가 표시된 스크린샷.

(왼쪽) 60GHz에서 동작하는 8소자 원형 패치 배열의 원거리 방사 패턴, (오른쪽) 결합의 효과를 보여주는 S-파라미터.

mmWave 주파수의 RF 프론트엔드 및 트랜시버 설계

mmWave 프론트엔드와 트랜시버는 분산 및 손실 문제가 한정된 전력 버짓과 맞물려 설계하기가 까다롭습니다. 이 비디오에서 볼 수 있듯이, 바람직하지 않은 효과를 실험실 프로토타이핑 전에 예상하고 완화하려면 정확한 mmWave 거동 모델과 전용 시뮬레이션 기법이 필요합니다.

MATLAB에서 RF 회로 포락선 시뮬레이션 지원하기

RF 성분 간의 주파수 종속 임피던스 불일치는 그러한 불일치로 인해 가용 전력 버짓을 몇 dB나 감소시킬 수 있으므로 무시할 수 없습니다. 또한 임피던스는 전체적인 잡음 여유에도 영향을 미쳐서 가용 SNR을 더욱 감소시킬 수 있습니다. 이러한 이유로 RF 및 mmWave 구성요소의 모델링과 분석에는 S-파라미터 데이터가 필요합니다.

mmWave 주파수에서 필터, 정합, 급전 회로망 같은 수동 소자는 전송선, 스터브, 공명 구조 등의 분산 소자를 사용하여 구현됩니다. 이러한 소자의 분석에는 분산, 방사, 효율을 추정하는 전자기적 기법이 필요합니다.

증폭기와 믹서 같은 mmWave 구성요소의 경우에는 주파수 함수로서 비선형 효과를 정확히 모델링해야 하는데, 이는 대역 내 스펙트럼 재성장으로 이어지거나 다른 시스템의 바람직하지 않은 간섭원이 될 수 있기 때문입니다. 또한 mmWave 프론트엔드는 큰 동작 대역폭과 제한된 선택도로 인해 간섭자 감도 저하에 더욱 취약해집니다.

분산 및 메모리 효과도 mmWave 주파수에서 전력 증폭기에 영향을 미칩니다. 메모리와 비선형성의 결합 효과는 DPD 같은 선형화 기법으로 완화할 수 있습니다. 그러나 mmWave에서 이러한 알고리즘은 테스트와 프로토타이핑이 어려우므로 초기 시스템 시뮬레이션을 위한 정확한 광대역 모델이 필요합니다.

Qorvo CMD240 광대역 증폭기 특성을 동작 주파수 함수로서, 그리고 계산된 RF 버짓과 함께 수신기의 일부분으로서 보여주는 스크린샷.

왼쪽에는 Qorvo CMD240 광대역 증폭기 특성을 동작 주파수의 함수로서 보여주는 그래프가 있습니다. 오른쪽에는 동일한 증폭기가 계산된 RF 버짓과 함께 수신기의 일부분으로서 표시됩니다.

mmWave 시스템의 레이 트레이싱

mmWave 시스템에서 안테나 빔폭은 매우 좁고, 신호 손실은 6GHz 미만의 범위보다 mmWave 주파수에서 더욱 큽니다. 또한 대부분의 신호 경로는 가시선이며, mmWave 주파수에서는 다중경로가 수행하는 역할의 중요성이 전통적인 이동 통신 주파수에 비해 떨어집니다. 이러한 손실 증가로 인해 mmWave에서는 빔포밍이 꼭 필요합니다. 그 외에도 이런 주파수에서는 대규모 MIMO도 필수적입니다.

레이 트레이싱은 mmWave 시스템에서 중요한 모델링 기법입니다. 이러한 시스템은 6GHz 미만의 시스템보다 다중경로의 확산성이 낮으므로 레이 트레이싱은 실제 mmWave 채널을 클러스터 지연선 모델이나 탭 지연선 모델보다 정확히 근사합니다. 레이 트레이싱에는 지형과 건물을 포함한 정확한 지역 환경 모델링이 필요합니다. MATLAB을 통해 OpenStreetMap^®을 사용해서 건물을 RF 모델링 시나리오로 손쉽게 가져올 수 있습니다. 가져온 건물 데이터로 mmWave 레이 트레이싱을 수행할 때는 건물의 재료를 지정하는 것이 중요한데, 재료마다 방사되는 파형의 편파와 전력 손실에 미치는 영향이 다르기 때문입니다. MATLAB을 통해 다양한 재료를 지정하거나 명시적인 재료 지정 없이 재료의 전기적 속성을 지정할 수 있습니다.

mmWave 주파수에서 레이 트레이싱을 수행할 때는 지점 간 분석과 커버리지 분석으로 단일 링크와 네트워크의 성능을 각각 예측할 수 있습니다. 지점 간 분석에서는 가시선과 반사 경로 간의 상대적 감쇠를 나타낼 수 있습니다. 아래 그림은 이러한 mmWave 분석의 결과를 보여줍니다.