기술기고문
5G와 함께 다양한 산업 분야로 확산되는 밀리미터파 기술
글: 키스 벤슨(Keith Benson), 증폭기 제품 담당 디렉터 / 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)
머리말
문제 해결 및 성능 향상을 위해 갈수록 더 높은 주파수를 사용하는 추세다. 밀리미터파 주파수를 사용하여 통신이나 방산 분야에서 어렵고 까다로운 문제들을 해결하려는 노력이 그러한 예이다. 5G 통신 시스템은 지난 수 년 동안 방산 업계가 애플리케이션은 다르지만 비슷한 용도를 위해 개발한 성과들을 활용하고 있다. 이들 통신 분야에서는 기존 기법들을 능가하기 위해 계속해서 더 높은 데이터 속도를 필요로 하는데, 최근에는 28GHz와 39GHz까지 올라가고 있다.
이처럼 더 높은 주파수에서 IC 개발 작업이 증가한 결과, 군이 전장에서 다뤄야 할 기술의 수 역시 늘어나게 됐다. 방산 애플리케이션의 경우, 예를 들어 해상에서 좌초된 대원들을 구조할 때, 보다 향상된 분해능을 지원하는 고주파 레이더를 활용하면 물체를 더 세밀하게 식별할 수 있다. 통신 용으로 개발되는 IC는 보다 손쉽게 배포가 가능하도록 가격대가 낮아야 하며 대량생산에도 적합해야 한다. 또한 다양한 애플리케이션에서 솔루션의 기능을 검증할 수 있는 테스트 장비가 필요하다.
이 글에서는 다양한 분야들에 걸쳐서 공유되는 공통 기술들이 어떻게 서로 영향을 주고받고, 이로 인해서 IC 공급 사슬에 어떤 변화들이 일어나고 있는지 살펴본다. 아울러, 밀리미터파 주파수를 활용함으로써 오늘날 직면한 과제들을 어떻게 해결할 수 있는지 설명하고, 이와 관련한 ADI의 솔루션을 소개한다.
복잡하게 얽혀 있는 무선 시스템의 세계
산업계에서는 어떤 분야에서 개발된 기술이 의도치 않게 다른 분야에서 활용되는 사례들이 종종 발생한다. 일례로, 전자레인지는 레이더를 연구하던 엔지니어가 시험 중에 자신이 점심으로 먹을 음식이 녹는 것을 보고 우연히 개발하게 된 것이다. 이와 비슷하게, 오늘날의 5G 통신 분야에서는 당초 방산용으로 개발된 위상 어레이 안테나를 활용하려는 시도가 이루어지고 있다. 어쩌면 미래에는 5G 기술의 발전 덕분에 가능해진 신기술이 방산 분야에서 활용되는 사례가 생기면서, 둘 사이의 관계가 지속적으로 서로 영향을 주고받는 순환 관계로 발전할 수도 있을 것이다.
이와 비슷하게 위성 통신 기술 분야 역시 변화를 맞고 있다. 지구 정지 궤도(GEO) 위성으로부터 벗어나, 더 높은 데이터 쓰루풋과 보다 나은 커버리지를 제공할 수 있는 LEO(지구 저궤도) 위성을 시험 중이다. 이러한 구상은 특정 네트워크를 위해 지구 궤도를 도는 GEO 위성을 불과 몇 기 정도 사용하던 것을 향후 수천 기로 늘리는 방향으로 옮겨 간다. 현재 많은 통신 사업자들이 광대역 인터넷용으로 새로운 LEO 위성군을 개발하려 노력 중인데, 이 위성을 공급하고자 경쟁하고 있는 기업들 중 많은 수가 군사 관제 및 통신용 핵심 GEO 위성을 완성했던 바로 그 방산 업체들이다.
다른 분야에서 개발된 기술을 활용하는 이러한 사이클은 다양한 시장에서 계속 이어져 왔으며 앞으로도 계속될 것이다. 이제, 밀리미터파 주파수가 어떤 점에서 방산과 통신용으로 유용한지 살펴보기로 한다.
더 높은 주파수 덕분에 더 빠른 데이터 속도와 더 넓은 통신 대역폭 가능
지난 20년 사이에 모바일 통신이 빠르게 보급되면서 갈수록 더 빠른 데이터 속도가 요구되고 있다. 이에 업계에서는 몇 년 주기로 새로운 무선 표준을 마련하고 새로운 프로토콜을 사용해서 데이터 쓰루풋을 높여왔다. 쓰루풋을 높이는 것은 더 정교한 변조 방식을 사용해서 가능하다. 이를 통해 여러 개의 정보를 동시에 전송할 수 있다. 변조 방식이 정교해질수록 더 많은 데이터를 전송할 수 있지만 어느 시점에는 변조를 더 복잡하게 하더라도 쓰루풋을 크게 향상하지 못하는 지점에 이르게 된다. 신호를 변조하는 공통적인 방법은 캐리어 주파수를 중심으로 일련의 주파수 범위에 걸쳐서 신호를 확산하는 것이다. 따라서 변조 신호의 대역폭(FBW)을 늘려서 더 넓은 주파수 범위에 걸쳐서 신호를 확산하는 방법으로도 쓰루풋을 향상할 수 있다. DC 아래로까지 미치지 않도록 하면서 신호를 확산할 수 있는 양을 계속해서 늘리기 위해서는 캐리어 주파수(FC)를 높여야 한다.
동시에 전송할 수 있는 데이터 양을 늘리기 위해 계속해서 조금씩 조금씩 더 높은 주파수 대역으로 옮겨가다 보니 이제는 밀리미터파 주파수까지 이르게 된 것이다.
그림 1: 캐리어 주파수를 중심으로 한 변조 대역폭
5G가 전자전에 미치는 영향
오늘날의 군사적 마찰은 점점 더 전자적으로 이루어지고 있는데, 그 결과 ‘전자전(electronic warfare)’ 개념으로 발전하게 되었다. 전자전을 위한 핵심 요소 중의 하나가 레이더이다. 레이더는 신호를 전송해서 되돌아오는 신호를 포착해서 레이더의 시야각을 매핑한다. 레이더 시스템이 개발된 지는 100년이 넘었으며, 레이더를 사용하면 사람의 시각으로 감지할 수 없는 물체를 감지하고 식별할 수 있다. 레이더를 보유하고 있는 진영은 그렇지 못한 상대보다 훨씬 유리할 수 있다. 이런 이유에서 레이더 기술이 지속적으로 개발되고 발전해 왔다. 이제 레이더는 기상 예보나 항공기 관제에 일상적으로 사용될 뿐만 아니라 자동차 같은 새로운 용도에도 점점 더 많이 도입되고 있다. 레이더를 활용하여, 자동차는 차와 물체 사이의 거리를 감지할 수 있다. UHF 및 VHF 주파수 대의 전통적인 저주파 레이더 시스템은 매우 긴 거리에 걸쳐서 조기 감지 레이더로 사용되어 왔다. 빠르게 이동하는 항공기는 보다 높은 분해능과 더 작은 안테나를 활용하는 X-대역 주파수(8GHz~12GHz)를 주로 사용한다. 전투기에서 미사일을 배치 및 요격하기 위해 사용되는 레이더 시스템은 Ka 대역 주파수(33GHz~37GHz)로 동작한다. 유도 무기와 미사일용으로 94GHz를 활용하는 개발이 점점 늘어나고 있다. 레이더 시스템용으로는 주파수가 높아질수록 여러 가지 이점을 누릴 수 있는데, 이러한 이점은 물체를 보다 정확히 식별하는 데 도움이 되는 거리 분해능과 각도 분해능 측면에서 살펴볼 수 있다. 더 높은 주파수를 사용함으로써 얻을 수 있는 첫번째 이점은, 특정한 각도 분해능을 달성하는데 필요한 안테나 크기를 줄일 수 있다는 점이다. 이 점은 무기의 크기를 작게 해야 하는 경우에 중요하다. 또 다른 이점은, 주파수가 높아질수록 주어진 안테나 크기에서 각도 분해능을 높일 수 있다는 것이다. 레이더의 거리 분해능은 변조 대역폭에 비례하며, 앞에서 언급했듯이 더 높은 주파수일수록 향상된다. 따라서 특정 애플리케이션에서 높은 분해능이 필요할 때에는 높은 주파수를 사용하는 것이 유리하다.
전통적으로 방산 업체들의 전자전 시스템은 2GHz ~ 18GHz에서 동작해 왔다. 이 범위는 S, C, X, Ku 대역 레이더를 포괄한다. 위협의 범위가 점점 더 증가함에 따라, 레이더 시스템들은 이러한 위협에 대응하기 위해 더 넓은 범위를 감시해야 할 필요가 있다. 28GHz와 39GHz에서 동작하는 5G 장비는 기존에 미사일 유도에 사용해 온 Ka 대역 주파수에 가깝다. 새롭게 개발되는 전자전 시스템은 24GHz ~ 44GHz에 이르는 5G 주파수를 커버하도록 확장될 것이며, 군사용으로 더 많은 전자 장비들이 이 주파수 대역에서 등장할 것이다. 전자전에 있어서 중요한 임무 중 하나는 위협을 감지하고 상대방이 눈치채지 못하도록 전자적으로 교란하는 것이다. 다양한 주파수에서 위협이 행해질 수 있으므로, 이러한 위협을 감지하기 위한 장비와 재밍 장비도 폭 넓은 주파수 대역을 대응할 수 있어야 한다.
방산 애플리케이션에 사용되어온 핵심 기술은 5G 통신에도 유용하게 활용될 수 있는 것으로 드러나고 있다. 위상 어레이 안테나 기술은 방산 업계에서와 마찬가지로 5G에도 여러 이점을 제공할 수 있다. 한 가지 예로서, 여러 데이터 스트림이나 방사 패턴을 전송할 수 있는 능력을 들 수 있다. 이러한 능력은 방산 애플리케이션에서는 전투기가 한 번에 여러 목표물을 추적할 수 있게 하고, 5G 통신에서는 한 번에 여러 명의 사용자에게 데이터를 전송할 수 있게 해준다. 이와 유사하게, 방산 애플리케이션은 에너지를 한 방향으로 향하게 하는 빔 포밍 기법을 통해 인터셉트나 재밍 가능성을 낮출 수 있다. 통신 애플리케이션에서는 정보가 사용자에게 좀더 효율적으로 집중될 수 있게 함으로써 전력 소모를 줄일 수 있다.
또 다른 이점으로 두 애플리케이션 모두 빔을 거의 즉시 전환할 수 있다는 점을 들 수 있으며, 이 외에도 더 많은 다양한 이점들이 통신과 방산 분야 모두에 존재한다.
5G가 IC에 미치는 영향
오늘날 세상은 모바일 통신에 크게 의존하고 있다. 5G 셀룰러 인프라에 관련된 기술들은 통신 장비 회사나 IC 회사들에게 중요한 성장 동력이 되고 있다(그림 2). 이러한 성장 기회를 포착하기 위해서 차세대 제품 개발에 수십억 달러의 투자가 이루어지고 있으며, 이러한 시스템을 구성하는 핵심 요소가 네트워크를 통한 데이터 전송에 사용되는 IC들이다. 이러한 흐름에 발맞춰서 IC 공급 사슬 전반에 걸쳐서 변화가 일어나고 있다. 파운드리부터 최종 테스트 솔루션에 이르기까지 모든 단계에 걸쳐서 대대적인 혁신이 일어나고 있는 중이다.
웨이퍼 제조 서비스를 제공하고 IC용 기초 소재를 제공하는 많은 반도체 파운드리 회사들이 혁신을 거듭하고 있다. 많은 파운드리 회사들이 경쟁에서 앞서 나가고 새로운 5G 기술이 가져오는 기회를 포착하기 위해서 새로운 공정 기술을 개발하고 있다. 하나의 예로서 전자 빔 리소그래피에 비해서 경제성이 우수한 광학 리소그래피로 전환하고 있는 사례를 들 수 있다. 또 한편으로, 비용에 민감한 이 시장에서 경쟁력을 높이기 위해 하나의 공정 노드에 새로운 기능을 통합하려는 시도들도 꼽을 수 있다.
새로운 공정 기술이 등장할 때마다 IC 설계도 발전한다. 하나의 공정 노드에 새로운 기능을 통합하면, IC 설계자들은 이전에 가능했던 것보다 더 높은 수준의 성능을 끌어낼 수 있다. 그 결과, 어느 때보다 집적도가 높고 편리하게 설계할 수 있는 칩들이 등장하고 있다. 밀리미터파 주파수로 확장함으로써 또 다른 이점은, 저렴한 패키징을 활용할 수 있고 어셈블리를 더 손쉽게 할 수 있다는 것이다. 밀리미터파 주파수를 사용하는 전통적인 방산 어셈블리는 칩-앤-와이어 어셈블리다. 즉, 소형 금속 하우징에 와이어 본딩을 사용해서 칩들을 접속한다. 이 방식은 대량 어셈블리에는 적합하지 않으며 표면실장 어셈블리 기법에 비해 비용이 더 많이 든다. 기존에 이 기법을 사용한 주된 이유는 크기 상의 제약 때문이었다. 그런데 더 높은 집적도와 더 작은 패키지에서 더 높은 성능이 가능해지면서 표면실장 어셈블리가 훨씬 더 매력적이게 되었다.
28GHz와 39GHz에서 위상 어레이 안테나와 관련 IC들에 대한 무선(over-the-air) 테스트 같은 테스트 솔루션을 실제로 사용할 수 있게 되었다. 이전에는 위상 어레이 안테나를 테스트하기 위해서는 크기가 크고, 구축하기가 어렵고, 비용이 많이 드는 무반향 체임버가 필요했다. 하지만 이제는 훨씬 더 낮은 가격대와 더 작은 크기의 기성품으로 이러한 테스트 솔루션을 사용할 수 있게 되었다. 이로써 최종 제품을 측정하기 위해서 대규모 투자 없이도 더 많은 업체들이 포괄적인 안테나 솔루션을 제공할 수 있게 되었다. 위상 어레이 안테나가 기존에는 방산 업체들과 대학들에서만 주로 사용하던 기술에서 이제는 상업적으로 좀더 널리 사용될 수 있는 기술로 자리잡게 된 것이다. 5G가 가져다주는 기회를 포착하고자 하는 통신 기업들이 이 새로운 기술을 활용할 수 있게 되었을 뿐만 아니라, 방산용으로도 이 기술을 사용해서 새로운 종류의 위협을 더 잘 방어할 수 있다. 덜 숙련된 안테나 엔지니어들이라도 규격화된 표준 기반 장비가 제공하는 정확한 측정 기법을 사용해서 이전에 해결할 수 없던 문제들을 좀더 빠르게 해결할 수 있게 되었다.
그림 2: 5G IC 공급 사슬
그림 3: HMC863A의 온도별 이득(왼쪽)과 OIP3(오른쪽)
그림 4: ADPA7005의 온도별 포화 전력(왼쪽)과 OIP3(오른쪽)
이러한 추세에 따라서 방산 애플리케이션용뿐 아니라 통신용으로도 점점 더 많은 밀리미터파 제품이 출시되고 있다. 셀룰러 인프라용으로 사용되는 제품은 방산 및 계측용으로 사용되는 것과 사양이나 기능이 거의 비슷하다. 이처럼 즉시 사용할 수 있는 IC와 테스트 솔루션이 늘어남으로써 최종 제품을 개발하는 데 걸리는 시간을 단축할 수 있게 되었으며, 방산용으로 밀리미터파 주파수에 행해지는 위협을 더 잘 방어할 수 있게 되었다.
5G 효과를 다양한 업계로 확산하는 아나로그디바이스의 솔루션
아나로그디바이스는 계측 및 방산용뿐 아니라 5G 통신용 솔루션 개발을 위해서도 대대적으로 투자하고 있다. 통신용 제품은 대체로 주파수 대역이 더 좁기 때문에 성능을 좀더 손쉽게 최적화할 수 있다. 방산용의 경우, 다양한 주파수로 위협이 행해질 수 있으므로 넓은 대역폭을 필요로 한다.
HMC863ALC4는 28GHz 5G 통신 인프라용으로 적합한 전력 증폭기(PA) 제품으로서, 24GHz ~ 29.5GHz를 지원하며 0.5W 이상의 RF 전력을 제공한다. 소형 4mm x 4mm 표면실장 패키지로 제공되며, 40dBm에 가까운 TOI(third-order intercept)가 특징이다. 그림 3은 이 제품의 성능을 보여준다.
또한 아나로그디바이스는 방산 및 계측용으로 20GHz ~ 44GHz를 지원하는 ADPA7005를 제공한다. ADPA7005는 동작 대역폭이 한 옥타브 이상이며, 전체 대역에 걸쳐서 1W 이상의 포화 출력 전력을 제공한다. 전체 동작 주파수에 걸쳐서 이득이 공칭 15dB로 일관되기 때문에 시스템에 쉽게 통합할 수 있다. 또한 40dBm 이상의 TOI는 고도의 변조 입력 신호를 측정하거나 발생시키기 위해서 이상적이다. 그림 4는 이 제품의 TOI와 포화 전력을 보여준다.
통신 네트워크의 발전은 주변 분야들에 많은 영향을 미치고 변화를 일으킨다. 이러한 변화의 중심에 있는 것은, 물체를 물리적으로 타격하지 않는 전자전의 신무기 개발에 점점 더 많은 정보들이 데이터의 형태로 필요해지고 있다는 점이다. 이러한 요구를 충족하기 위해 오늘날의 애플리케이션들은 점점 더 높은 주파수 대역으로 옮겨가고 있으며, 지금은 그러한 변화의 시작 단계에 와 있다.
머리말
문제 해결 및 성능 향상을 위해 갈수록 더 높은 주파수를 사용하는 추세다. 밀리미터파 주파수를 사용하여 통신이나 방산 분야에서 어렵고 까다로운 문제들을 해결하려는 노력이 그러한 예이다. 5G 통신 시스템은 지난 수 년 동안 방산 업계가 애플리케이션은 다르지만 비슷한 용도를 위해 개발한 성과들을 활용하고 있다. 이들 통신 분야에서는 기존 기법들을 능가하기 위해 계속해서 더 높은 데이터 속도를 필요로 하는데, 최근에는 28GHz와 39GHz까지 올라가고 있다.
이처럼 더 높은 주파수에서 IC 개발 작업이 증가한 결과, 군이 전장에서 다뤄야 할 기술의 수 역시 늘어나게 됐다. 방산 애플리케이션의 경우, 예를 들어 해상에서 좌초된 대원들을 구조할 때, 보다 향상된 분해능을 지원하는 고주파 레이더를 활용하면 물체를 더 세밀하게 식별할 수 있다. 통신 용으로 개발되는 IC는 보다 손쉽게 배포가 가능하도록 가격대가 낮아야 하며 대량생산에도 적합해야 한다. 또한 다양한 애플리케이션에서 솔루션의 기능을 검증할 수 있는 테스트 장비가 필요하다.
이 글에서는 다양한 분야들에 걸쳐서 공유되는 공통 기술들이 어떻게 서로 영향을 주고받고, 이로 인해서 IC 공급 사슬에 어떤 변화들이 일어나고 있는지 살펴본다. 아울러, 밀리미터파 주파수를 활용함으로써 오늘날 직면한 과제들을 어떻게 해결할 수 있는지 설명하고, 이와 관련한 ADI의 솔루션을 소개한다.
복잡하게 얽혀 있는 무선 시스템의 세계
산업계에서는 어떤 분야에서 개발된 기술이 의도치 않게 다른 분야에서 활용되는 사례들이 종종 발생한다. 일례로, 전자레인지는 레이더를 연구하던 엔지니어가 시험 중에 자신이 점심으로 먹을 음식이 녹는 것을 보고 우연히 개발하게 된 것이다. 이와 비슷하게, 오늘날의 5G 통신 분야에서는 당초 방산용으로 개발된 위상 어레이 안테나를 활용하려는 시도가 이루어지고 있다. 어쩌면 미래에는 5G 기술의 발전 덕분에 가능해진 신기술이 방산 분야에서 활용되는 사례가 생기면서, 둘 사이의 관계가 지속적으로 서로 영향을 주고받는 순환 관계로 발전할 수도 있을 것이다.
이와 비슷하게 위성 통신 기술 분야 역시 변화를 맞고 있다. 지구 정지 궤도(GEO) 위성으로부터 벗어나, 더 높은 데이터 쓰루풋과 보다 나은 커버리지를 제공할 수 있는 LEO(지구 저궤도) 위성을 시험 중이다. 이러한 구상은 특정 네트워크를 위해 지구 궤도를 도는 GEO 위성을 불과 몇 기 정도 사용하던 것을 향후 수천 기로 늘리는 방향으로 옮겨 간다. 현재 많은 통신 사업자들이 광대역 인터넷용으로 새로운 LEO 위성군을 개발하려 노력 중인데, 이 위성을 공급하고자 경쟁하고 있는 기업들 중 많은 수가 군사 관제 및 통신용 핵심 GEO 위성을 완성했던 바로 그 방산 업체들이다.
다른 분야에서 개발된 기술을 활용하는 이러한 사이클은 다양한 시장에서 계속 이어져 왔으며 앞으로도 계속될 것이다. 이제, 밀리미터파 주파수가 어떤 점에서 방산과 통신용으로 유용한지 살펴보기로 한다.
더 높은 주파수 덕분에 더 빠른 데이터 속도와 더 넓은 통신 대역폭 가능
지난 20년 사이에 모바일 통신이 빠르게 보급되면서 갈수록 더 빠른 데이터 속도가 요구되고 있다. 이에 업계에서는 몇 년 주기로 새로운 무선 표준을 마련하고 새로운 프로토콜을 사용해서 데이터 쓰루풋을 높여왔다. 쓰루풋을 높이는 것은 더 정교한 변조 방식을 사용해서 가능하다. 이를 통해 여러 개의 정보를 동시에 전송할 수 있다. 변조 방식이 정교해질수록 더 많은 데이터를 전송할 수 있지만 어느 시점에는 변조를 더 복잡하게 하더라도 쓰루풋을 크게 향상하지 못하는 지점에 이르게 된다. 신호를 변조하는 공통적인 방법은 캐리어 주파수를 중심으로 일련의 주파수 범위에 걸쳐서 신호를 확산하는 것이다. 따라서 변조 신호의 대역폭(FBW)을 늘려서 더 넓은 주파수 범위에 걸쳐서 신호를 확산하는 방법으로도 쓰루풋을 향상할 수 있다. DC 아래로까지 미치지 않도록 하면서 신호를 확산할 수 있는 양을 계속해서 늘리기 위해서는 캐리어 주파수(FC)를 높여야 한다.
동시에 전송할 수 있는 데이터 양을 늘리기 위해 계속해서 조금씩 조금씩 더 높은 주파수 대역으로 옮겨가다 보니 이제는 밀리미터파 주파수까지 이르게 된 것이다.
그림 1: 캐리어 주파수를 중심으로 한 변조 대역폭
5G가 전자전에 미치는 영향
오늘날의 군사적 마찰은 점점 더 전자적으로 이루어지고 있는데, 그 결과 ‘전자전(electronic warfare)’ 개념으로 발전하게 되었다. 전자전을 위한 핵심 요소 중의 하나가 레이더이다. 레이더는 신호를 전송해서 되돌아오는 신호를 포착해서 레이더의 시야각을 매핑한다. 레이더 시스템이 개발된 지는 100년이 넘었으며, 레이더를 사용하면 사람의 시각으로 감지할 수 없는 물체를 감지하고 식별할 수 있다. 레이더를 보유하고 있는 진영은 그렇지 못한 상대보다 훨씬 유리할 수 있다. 이런 이유에서 레이더 기술이 지속적으로 개발되고 발전해 왔다. 이제 레이더는 기상 예보나 항공기 관제에 일상적으로 사용될 뿐만 아니라 자동차 같은 새로운 용도에도 점점 더 많이 도입되고 있다. 레이더를 활용하여, 자동차는 차와 물체 사이의 거리를 감지할 수 있다. UHF 및 VHF 주파수 대의 전통적인 저주파 레이더 시스템은 매우 긴 거리에 걸쳐서 조기 감지 레이더로 사용되어 왔다. 빠르게 이동하는 항공기는 보다 높은 분해능과 더 작은 안테나를 활용하는 X-대역 주파수(8GHz~12GHz)를 주로 사용한다. 전투기에서 미사일을 배치 및 요격하기 위해 사용되는 레이더 시스템은 Ka 대역 주파수(33GHz~37GHz)로 동작한다. 유도 무기와 미사일용으로 94GHz를 활용하는 개발이 점점 늘어나고 있다. 레이더 시스템용으로는 주파수가 높아질수록 여러 가지 이점을 누릴 수 있는데, 이러한 이점은 물체를 보다 정확히 식별하는 데 도움이 되는 거리 분해능과 각도 분해능 측면에서 살펴볼 수 있다. 더 높은 주파수를 사용함으로써 얻을 수 있는 첫번째 이점은, 특정한 각도 분해능을 달성하는데 필요한 안테나 크기를 줄일 수 있다는 점이다. 이 점은 무기의 크기를 작게 해야 하는 경우에 중요하다. 또 다른 이점은, 주파수가 높아질수록 주어진 안테나 크기에서 각도 분해능을 높일 수 있다는 것이다. 레이더의 거리 분해능은 변조 대역폭에 비례하며, 앞에서 언급했듯이 더 높은 주파수일수록 향상된다. 따라서 특정 애플리케이션에서 높은 분해능이 필요할 때에는 높은 주파수를 사용하는 것이 유리하다.
전통적으로 방산 업체들의 전자전 시스템은 2GHz ~ 18GHz에서 동작해 왔다. 이 범위는 S, C, X, Ku 대역 레이더를 포괄한다. 위협의 범위가 점점 더 증가함에 따라, 레이더 시스템들은 이러한 위협에 대응하기 위해 더 넓은 범위를 감시해야 할 필요가 있다. 28GHz와 39GHz에서 동작하는 5G 장비는 기존에 미사일 유도에 사용해 온 Ka 대역 주파수에 가깝다. 새롭게 개발되는 전자전 시스템은 24GHz ~ 44GHz에 이르는 5G 주파수를 커버하도록 확장될 것이며, 군사용으로 더 많은 전자 장비들이 이 주파수 대역에서 등장할 것이다. 전자전에 있어서 중요한 임무 중 하나는 위협을 감지하고 상대방이 눈치채지 못하도록 전자적으로 교란하는 것이다. 다양한 주파수에서 위협이 행해질 수 있으므로, 이러한 위협을 감지하기 위한 장비와 재밍 장비도 폭 넓은 주파수 대역을 대응할 수 있어야 한다.
방산 애플리케이션에 사용되어온 핵심 기술은 5G 통신에도 유용하게 활용될 수 있는 것으로 드러나고 있다. 위상 어레이 안테나 기술은 방산 업계에서와 마찬가지로 5G에도 여러 이점을 제공할 수 있다. 한 가지 예로서, 여러 데이터 스트림이나 방사 패턴을 전송할 수 있는 능력을 들 수 있다. 이러한 능력은 방산 애플리케이션에서는 전투기가 한 번에 여러 목표물을 추적할 수 있게 하고, 5G 통신에서는 한 번에 여러 명의 사용자에게 데이터를 전송할 수 있게 해준다. 이와 유사하게, 방산 애플리케이션은 에너지를 한 방향으로 향하게 하는 빔 포밍 기법을 통해 인터셉트나 재밍 가능성을 낮출 수 있다. 통신 애플리케이션에서는 정보가 사용자에게 좀더 효율적으로 집중될 수 있게 함으로써 전력 소모를 줄일 수 있다.
또 다른 이점으로 두 애플리케이션 모두 빔을 거의 즉시 전환할 수 있다는 점을 들 수 있으며, 이 외에도 더 많은 다양한 이점들이 통신과 방산 분야 모두에 존재한다.
5G가 IC에 미치는 영향
오늘날 세상은 모바일 통신에 크게 의존하고 있다. 5G 셀룰러 인프라에 관련된 기술들은 통신 장비 회사나 IC 회사들에게 중요한 성장 동력이 되고 있다(그림 2). 이러한 성장 기회를 포착하기 위해서 차세대 제품 개발에 수십억 달러의 투자가 이루어지고 있으며, 이러한 시스템을 구성하는 핵심 요소가 네트워크를 통한 데이터 전송에 사용되는 IC들이다. 이러한 흐름에 발맞춰서 IC 공급 사슬 전반에 걸쳐서 변화가 일어나고 있다. 파운드리부터 최종 테스트 솔루션에 이르기까지 모든 단계에 걸쳐서 대대적인 혁신이 일어나고 있는 중이다.
웨이퍼 제조 서비스를 제공하고 IC용 기초 소재를 제공하는 많은 반도체 파운드리 회사들이 혁신을 거듭하고 있다. 많은 파운드리 회사들이 경쟁에서 앞서 나가고 새로운 5G 기술이 가져오는 기회를 포착하기 위해서 새로운 공정 기술을 개발하고 있다. 하나의 예로서 전자 빔 리소그래피에 비해서 경제성이 우수한 광학 리소그래피로 전환하고 있는 사례를 들 수 있다. 또 한편으로, 비용에 민감한 이 시장에서 경쟁력을 높이기 위해 하나의 공정 노드에 새로운 기능을 통합하려는 시도들도 꼽을 수 있다.
새로운 공정 기술이 등장할 때마다 IC 설계도 발전한다. 하나의 공정 노드에 새로운 기능을 통합하면, IC 설계자들은 이전에 가능했던 것보다 더 높은 수준의 성능을 끌어낼 수 있다. 그 결과, 어느 때보다 집적도가 높고 편리하게 설계할 수 있는 칩들이 등장하고 있다. 밀리미터파 주파수로 확장함으로써 또 다른 이점은, 저렴한 패키징을 활용할 수 있고 어셈블리를 더 손쉽게 할 수 있다는 것이다. 밀리미터파 주파수를 사용하는 전통적인 방산 어셈블리는 칩-앤-와이어 어셈블리다. 즉, 소형 금속 하우징에 와이어 본딩을 사용해서 칩들을 접속한다. 이 방식은 대량 어셈블리에는 적합하지 않으며 표면실장 어셈블리 기법에 비해 비용이 더 많이 든다. 기존에 이 기법을 사용한 주된 이유는 크기 상의 제약 때문이었다. 그런데 더 높은 집적도와 더 작은 패키지에서 더 높은 성능이 가능해지면서 표면실장 어셈블리가 훨씬 더 매력적이게 되었다.
28GHz와 39GHz에서 위상 어레이 안테나와 관련 IC들에 대한 무선(over-the-air) 테스트 같은 테스트 솔루션을 실제로 사용할 수 있게 되었다. 이전에는 위상 어레이 안테나를 테스트하기 위해서는 크기가 크고, 구축하기가 어렵고, 비용이 많이 드는 무반향 체임버가 필요했다. 하지만 이제는 훨씬 더 낮은 가격대와 더 작은 크기의 기성품으로 이러한 테스트 솔루션을 사용할 수 있게 되었다. 이로써 최종 제품을 측정하기 위해서 대규모 투자 없이도 더 많은 업체들이 포괄적인 안테나 솔루션을 제공할 수 있게 되었다. 위상 어레이 안테나가 기존에는 방산 업체들과 대학들에서만 주로 사용하던 기술에서 이제는 상업적으로 좀더 널리 사용될 수 있는 기술로 자리잡게 된 것이다. 5G가 가져다주는 기회를 포착하고자 하는 통신 기업들이 이 새로운 기술을 활용할 수 있게 되었을 뿐만 아니라, 방산용으로도 이 기술을 사용해서 새로운 종류의 위협을 더 잘 방어할 수 있다. 덜 숙련된 안테나 엔지니어들이라도 규격화된 표준 기반 장비가 제공하는 정확한 측정 기법을 사용해서 이전에 해결할 수 없던 문제들을 좀더 빠르게 해결할 수 있게 되었다.
그림 2: 5G IC 공급 사슬
그림 3: HMC863A의 온도별 이득(왼쪽)과 OIP3(오른쪽)
그림 4: ADPA7005의 온도별 포화 전력(왼쪽)과 OIP3(오른쪽)
이러한 추세에 따라서 방산 애플리케이션용뿐 아니라 통신용으로도 점점 더 많은 밀리미터파 제품이 출시되고 있다. 셀룰러 인프라용으로 사용되는 제품은 방산 및 계측용으로 사용되는 것과 사양이나 기능이 거의 비슷하다. 이처럼 즉시 사용할 수 있는 IC와 테스트 솔루션이 늘어남으로써 최종 제품을 개발하는 데 걸리는 시간을 단축할 수 있게 되었으며, 방산용으로 밀리미터파 주파수에 행해지는 위협을 더 잘 방어할 수 있게 되었다.
5G 효과를 다양한 업계로 확산하는 아나로그디바이스의 솔루션
아나로그디바이스는 계측 및 방산용뿐 아니라 5G 통신용 솔루션 개발을 위해서도 대대적으로 투자하고 있다. 통신용 제품은 대체로 주파수 대역이 더 좁기 때문에 성능을 좀더 손쉽게 최적화할 수 있다. 방산용의 경우, 다양한 주파수로 위협이 행해질 수 있으므로 넓은 대역폭을 필요로 한다.
HMC863ALC4는 28GHz 5G 통신 인프라용으로 적합한 전력 증폭기(PA) 제품으로서, 24GHz ~ 29.5GHz를 지원하며 0.5W 이상의 RF 전력을 제공한다. 소형 4mm x 4mm 표면실장 패키지로 제공되며, 40dBm에 가까운 TOI(third-order intercept)가 특징이다. 그림 3은 이 제품의 성능을 보여준다.
또한 아나로그디바이스는 방산 및 계측용으로 20GHz ~ 44GHz를 지원하는 ADPA7005를 제공한다. ADPA7005는 동작 대역폭이 한 옥타브 이상이며, 전체 대역에 걸쳐서 1W 이상의 포화 출력 전력을 제공한다. 전체 동작 주파수에 걸쳐서 이득이 공칭 15dB로 일관되기 때문에 시스템에 쉽게 통합할 수 있다. 또한 40dBm 이상의 TOI는 고도의 변조 입력 신호를 측정하거나 발생시키기 위해서 이상적이다. 그림 4는 이 제품의 TOI와 포화 전력을 보여준다.
통신 네트워크의 발전은 주변 분야들에 많은 영향을 미치고 변화를 일으킨다. 이러한 변화의 중심에 있는 것은, 물체를 물리적으로 타격하지 않는 전자전의 신무기 개발에 점점 더 많은 정보들이 데이터의 형태로 필요해지고 있다는 점이다. 이러한 요구를 충족하기 위해 오늘날의 애플리케이션들은 점점 더 높은 주파수 대역으로 옮겨가고 있으며, 지금은 그러한 변화의 시작 단계에 와 있다.
제품스펙