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RF 신호 체인의 주요 특성 및 성능 지표

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글/안톤 파튜첸코(Anton Patyuchenko), 아나로그디바이스, FAE 

머리말

20세기가 막 시작될 무렵만 해도 RF 신호 체인의 기반이 되는 RF 엔지니어링은 새롭게 떠오르는 분야였다는 점에서, 이 기술은 역사가 그리 오래된 편은 아니다. 오늘날 RF 기술과 무선 기기들은 우리 생활 속 깊이 뿌리를 내리고 있어, 만약 이들 기술이 없다면 현대 문명이 어떻게 살아남을 수 있을지 상상하기 어렵다. 이 글의 주제인 RF 신호 체인에 크게 의존하는 사례는 우리 사회에 셀 수 없이 많다.

본격적인 논의에 들어가기 전에, RF라는 용어가 실제로 무엇을 의미하는지 이해할 필요가 있다. ‘RF가 무엇을 뜻하는가’는 언뜻 쉬운 질문처럼 보일 수 있다. 우리 모두는 RF가 무선 주파수를 의미한다는 것을 알고 있으며, 일반적인 정의는 이 용어를 전자기 스펙트럼의 MHz에서 GHz 부분까지 넓혀 특정 범위의 주파수와 연결하여 설명한다. 그러나 이 같은 정의를 자세히 들여다보고 비교해 보면, 모든 정의가 스펙트럼의 RF 부분의 실제 경계를 다르게 정의한다는 것을 깨닫게 된다. 게다가 특정 주파수와 전혀 관련 없는 다른 맥락에서 이 용어를 광범위하게 사용하는 경우도 종종 있다는 사실에 더욱 당황스러워진다. 그렇다면 RF란 과연 무엇인가?

RF를 정의할 때는 위상 천이, 리액턴스(reactance), 소산(dissipation), 잡음, 방사, 반사 및 비선형성 등 RF의 두드러진 특성에 초점을 맞춤으로써 그 개념의 기반을 다질 수 있다. 이는 RF를 다른 용어와 구별하기 위해 단일한 측면이나 특정 수치 값에 의존하기보다 가능한 모든 측면들을 아우르는 현대적인 정의 방식이다. 이를 통해 RF라는 용어를 그 개념의 기반이 되는 이처럼 다양한 특성들을 공유하는 모든 회로 또는 소자들에 적용할 수 있다.

논의를 위한 컨텍스트를 정했으므로, 이제 이 글의 주요 주제로 돌아가 보자. 먼저, 그림 1에서 일반적인 형식으로 표시한 RF 신호 체인을 살펴보기로 한다. 그림 1에서는 분산 요소 회로 모델을 사용하여 회로에서의 위상 천이를 설명한다. 짧은 RF 파장에서 이는 무시할 수 없으므로 이러한 유형의 시스템에 이 회로 근사 모델을 일괄 적용할 수는 없다. RF 신호 체인은 고속 ADC 및 DAC뿐 아니라 감쇠기, 스위치, 증폭기, 검출기, 합성기 및 기타 RF 아날로그 부품과 같은 다양한 디스크리트 부품을 포함할 수 있다. 이 모든 소자들이 결합하여 특정 애플리케이션을 구현하며, 애플리케이션의 전체적인 성능은 이들 디스크리트 부품의 복합 성능에 의해 결정된다.

[그림 1] 일반적인 RF 신호 체인

따라서 목표 애플리케이션의 특정 요구사항을 만족하는 시스템을 설계하려면 RF 시스템 엔지니어는 실제 시스템 수준의 관점에서, 그 바탕을 이루는 주요 개념과 원칙을 일관되게 이해하고 있어야 한다. 사실, 이 글의 작성 동기 중 하나는 이러한 지식의 중요성을 강조하기 위함이다. 이는 크게 두 부분으로 나눠볼 수 있는데, 첫 번째 부분의 목표는 RF 디바이스를 특성화하고 성능을 정량화하는 데 사용되는 주요 특성과 지표를 간략하게 알아보는 것이다. 두 번째 부분의 목표는 목표 애플리케이션을 위한 RF 신호 체인 개발에 사용할 수 있는 광범위한 개별 부품들과 유형에 대한 체계적인 개요를 제공하는 것이다. 이 글에서는 논의의 첫 번째 부분에 초점을 맞추고 RF 시스템과 관련한 주요 특성과 성능 지표를 알아보기로 한다.

RF 용어 소개

완전한 RF 시스템과 개별 기능 블록의 특성화에 사용되는 다양한 규격이 있다. 애플리케이션이나 활용 사례에 따라 이러한 특성의 일부는 결정적으로 중요하고 나머지 다른 특성들은 덜 중요하거나 관련이 없을 수도 있다. 이 한 편의 글에서 그처럼 복잡한 주제를 완벽하게 종합적으로 분석하기란 사실상 불가능할 것이다. 그렇지만, 복잡한 구성을 형성하는 공통의 실마리를 따라가면서 RF 시스템의 속성과 특성에 대해 균형 있고 이해하기 쉽게 안내함으로써 가장 일반적인 RF 성능 측면에 대해 간략하지만 포괄적인 개요를 제공하고자 한다.

기본적인 특성

산란 행렬(또는 S-행렬, S-matrix)은 RF 시스템의 동작을 설명하기 위해 알아야 하는 기본 용어이다. S-행렬을 사용하면 가장 복잡한 RF 네트워크도 단순한 N-포트 블랙 박스로 나타낼 수 있다. 그림 2는 일반적인 2포트 RF 네트워크(증폭기, 필터 또는 감쇠기 등)의 사례를 보여준다. 여기서 V+는 포트 n에 입사하는 전압파의 복소 진폭이고, V-는 포트 n에서 반사되는 전압파의 복소 진폭이다. 모든 포트가 정합된 부하에서 종단될 때 네트워크를 산란 행렬로 설명할 수 있다. 산란 행렬에서 요소 또는 S파라미터는 이러한 전압파들 간의 관계에서 RF 에너지가 시스템을 통해 어떻게 전파되는지를 정량화한다. 이제 S파라미터를 사용하여 일반적인 RF 네트워크의 주요 특성을 나타내 보자.

[그림 2] S-행렬로 설명한 2포트 네트워크

S21은 네트워크가 정합되었을 때 포트 1에서 2까지의 전달 계수와 같다(S12도 유사하게 정의 가능). 로그 스케일에서 그 크기 |S21|는 입력 전력에 대한 출력 전력의 비율로 설명하며, 이를 이득 또는 스칼라 로그 이득이라 한다. 이 파라미터는 증폭기와 다른 RF 시스템의 핵심적인 특성이며, 음수 값을 취할 수 있다. 음의 이득은 내재적 또는 부정합 손실을 나타내며, 주로 감쇠기 및 필터의 일반적인 속성인 삽입 손실(IL)이라고 하는 상호 관련된 값으로 표시된다.

이제 동일한 포트에서 입사 및 반사파를 고려하면, 그림 2와 같이 S11과 S22를 정의할 수 있다. 이들 항은 다른 포트가 정합된 부하에서 종단되는 경우 대응하는 포트에서의 반사 계수 |Γ|과 같다. 공식 (1)을 사용하여 반사 계수의 크기를 반사 손실(RL)과 관련지을 수 있다.

반사 손실은 포트에 입사되는 전력과 소스로 다시 반사되는 전력의 비율로 설명할 수 있다. 어떤 포트에서 이 비율을 추정하는지에 따라 입력과 출력의 반사 손실을 구별할 수 있다. 반사 손실은 항상 음이 아닌 수량으로, 네트워크의 입력 또는 출력 임피던스가 소스 쪽의 포트에 나타나는 임피던스와 얼마나 잘 정합하는지를 나타낸다. 

IL 및 RL과 S파라미터의 이러한 간단한 관계는 모든 포트가 정합되는 경우에만 유효하다는 점에 주의해야 한다. 이는 네트워크 자체를 설명하는 S-행렬의 정의에 대한 주요 조건이다. 네트워크가 정합되지 않으면 내재하는 S파라미터는 변경되지 않지만, 포트에 나타나는 반사 계수와 이들 사이의 전달 계수는 확실히 달라질 수 있다.

주파수 범위와 대역폭

앞서 설명한 이러한 모든 기본량은 주파수 범위에서 계속 변화한다. 이는 모든 RF 시스템에 공통적인 기본 특성으로서, 이러한 시스템이 동작할 수 있는 주파수를 정의하고, 논의 주제를 또 하나의 핵심 성능 지표인 대역폭(BW)으로 자연스럽게 이어준다.

이 용어는 신호 특성만을 가리키는 것이기는 하지만, 형식의 일부는 이러한 신호를 처리하는 RF 시스템을 설명하는 데 사용된다. 일반적인 정의에서 대역폭은 특정 기준에 의해 제한되는 주파수 범위를 정의하지만, 특정 애플리케이션 컨텍스트에 따라 달라지는 다른 의미를 가질 수 있다. 논의를 보다 완벽하게 하기 위해 그 의미를 나타내는 몇 가지 용어에 대한 간략한 정의를 알아본다.

• 3dB BW는 신호 전력 레벨이 최대 값의 절반을 넘는 주파수 범위를 가리킨다.

• 순시 BW(IBW) 또는 실시간 BW는 시스템이 리튜닝 없이 생성 또는 획득할 수 있는 최대 연속 대역폭을 정의한다.

• 점유 BW(OBW)는 전체 총 신호 전력의 정해진 비율을 포함하는 주파수 범위이다.

• 분해능 BW(RBW)는 일반적 의미에서 여전히 분해할 수 있는 두 주파수 성분 간의 최소한의 분리를 말한다. 예를 들어 스펙트럼 분석기에서는 최종 필터 스테이지의 주파수 범위를 말한다.

이 용어들은 다양한 유형의 대역폭 정의에 대한 몇 가지 예시일 뿐이다. 그러나 그 의미와 관계없이 RF 신호 체인의 대역폭은 대체로 아날로그 프런트엔드(AFE)뿐 아니라 고속 아날로그-디지털 컨버터(ADC)또는 디지털-아날로그 컨버터(DAC)의 샘플링 속도와 대역폭에 의해 결정된다.

비선형성

RF 시스템의 특유의 속성은 다양한 주파수에서 달라질 뿐 아니라 신호의 서로 다른 전력 레벨에서도 달라진다. 앞서 설명한 기본 특성은 일반적으로 소신호 S파라미터를 사용하여 나타낼 수 있지만, 이 파라미터는 비선형 효과를 설명하지 못한다. 그러나 일반적인 경우 RF 네트워크를 통과하는 전력 레벨이 지속적으로 증가하면 비선형 효과가 더 뚜렷해져 궁극적으로 성능이 저하된다.

흔히 RF 시스템이나 부품에 대해 선형성이 우수하다고 말할 때는 비선형성을 설명하는 주요 지표들 목표 애플리케이션의 요구 사항을 만족한다는 것을 의미한다. RF 시스템의 비선형 동작을 정량화하는 데 일반적으로 사용되는 주요 지표 몇 가지를 살펴보기로 한다.

고려해야 하는 첫 번째 파라미터는 공통 디바이스가 선형에서 비선형 모드로 전환하는 지점, 즉 출력 1dB 압축점(OP1dB)이다. 이 지점은 시스템의 이득이 1dB 감소하는 출력 전력 레벨이다. 이는 디바이스의 동작을 포화 출력 전력(PSAT)이 정의하는 포화 수준으로 설정하는 전력 증폭기의 필수적인 특성이다. 전력 증폭기는 일반적으로 신호 체인의 최종 단계에 속하므로, 이들 파라미터는 주로 RF 시스템의 출력 전력 범위를 정의한다.

시스템이 비선형 모드에 있으면, 시스템은 신호를 왜곡하기 시작하여 스퓨리어스 주파수 성분 또는 스퍼(spur)를 생성한다. 스퍼는 dBc 단위의 반송파 신호 레벨과 관련하여 측정되며, 고조파 및 상호 변조 성분으로 분류할 수 있다(그림 3). 고조파는 기본 주파수의 정수배(H1, H2, H3 고조파 등)로 나타나는 신호인 반면, 상호 변조 성분은 2개 이상의 기본 신호가 비선형 시스템에 존재할 때 나타나는 신호이다. 만약 첫 번째 기본 신호가 주파수 f1에 있고 두 번째 신호가 f2에 있으면, 2차 상호 변조 성분이 그것의 합과 차 주파수 f1 + f2 및 f2 - f1뿐 아니라 f1 + f1 및 f2 + f2(후자는 이미 H2 고조파로 알려져 있다)에서 나타난다. 2차 상호 변조 성분과 기본 신호의 조합은 3차 상호 변조 성분을 생성하며, 이중 두 가지(2f1 - f2 및 2f2 - f1)는 원 신호에 가까워서 필터링이 쉽지 않기 때문에 특히 중요하다. 스퓨리어스 주파수 성분을 갖는 비선형 RF 시스템의 출력 스펙트럼은 상호 변조 왜곡(IMD)을 나타내며, 상호 변조 왜곡은 시스템의 비선형성을 설명하는 중요한 용어이다.

[그림 3] 고조파와 상호 변조 성분

2차 상호 변조 왜곡(IMD2)과 3차 상호 변조 왜곡(IMD3)과 관련된 스퓨리어스 성분은 원하는 신호에 간섭을 일으킨다. 이 심각도 수준을 정량화하는 데 사용되는 주요 성능 지수는 인터셉트 포인트(IP)이다. 2차(IP2)와 3차(IP3) 인터셉트 포인트를 구분할 수 있다. 그림 4에서 보는 바와 같이 이들 포인트는 해당 스퓨리어스 성분의 전력이 동일한 수준의 기본 성분에 도달하는 입력(IIP2, IIP3) 및 출력(OIP2, OIP3) 신호 전력 레벨에 대한 가설점(hypothetical point)을 정의한다. 인터셉트 포인트는 순수한 수학적 개념이지만, 비선형 효과에 대한 RF 시스템의 내성을 나타내는 가장 중요한 척도이다.

[그림 4] 비선형 특성의 정의

잡음

이번에는 모든 RF 시스템에 내재하는 또 다른 중요한 특성인 잡음을 알아보기로 하자. 이 용어는 여러 다양한 측면을 포함하는 전기 신호의 변동을 설명한다. 스펙트럼과 잡음이 신호와 잡음 발생 메커니즘에 영향을 미치는 방식에 따라, 잡음은 다양한 유형과 형식으로 분류할 수 있다. 많은 종류의 잡음원이 있지만, 잡음이 시스템 성능에 미치는 궁극적인 영향을 이해하기 위해서는 물리적 특성을 자세히 살펴볼 필요가 없다. 우리는 잡음 지수(NF)라고 하는 주요 성능 지수로 설명되는 하나의 이론적 잡음 발생기를 사용하는 시스템의 간단한 잡음 모델을 활용할 수 있다. 이 모델은 시스템에 의해 발생하고 입력 SNR에 대한 출력 SNR의 로그 비율로 정의되는 신호 대 잡음비(SNR)의 저하를 정량화한다. 선형 스케일로 표시되는 잡음 지수를 잡음 인자라 한다. 이는 RF 시스템의 핵심적인 특성으로, 전체 성능을 좌우할 수 있다.

간단한 선형 수동 디바이스의 경우 잡음 지수는 |S21|에 의해 정의되는 삽입 손실과 같다. 여러 개의 능동 및 수동 부품으로 구성된 보다 복잡한 RF 시스템의 경우, 개별 잡음 인자(Fi)와 전력 이득(Gi)으로 설명하고, 잡음은 다음과 같은 프리스(Friis) 공식에 따라 신호 체인으로 캐스케이드 된다(각 스테이지에서 임피던스가 정합된다고 가정).

이로부터 RF 신호 체인의 처음 두 스테이지가 시스템의 전체 잡음 지수를 결정하는 주요 원인이라는 결론을 내릴 수 있다. 이러한 이유로 수신기 신호 체인의 프론트 엔드에 저잡음 증폭기와 같이 잡음 지수가 가장 낮은 부품을 사용한다.

이제 신호 생성에 특별히 사용되는 디바이스 또는 시스템을 살펴보겠다고 하면, 이들의 잡음 성능을 특성화하기 위해, 잡음원의 영향을 받는 신호 특성을 언급하는 것이 일반적이다. 이러한 특성은 위상 지터와 위상 잡음으로서, 이 두 가지는 시간 영역(지터)과 주파수 영역(위상 잡음)에서 신호 안정성을 나타내는 서로 밀접하게 관련된 용어이다. 어떤 용어를 선호하는지는 일반적으로 애플리케이션에 따라 달라진다. 예를 들면 RF 통신에서는 위상 잡음이라는 용어를 사용하는 것이 일반적이며, 디지털 시스템에서는 지터라는 용어를 자주 보게 된다. 위상 지터는 신호의 위상에서 작은 변동을 정의하는 반면, 위상 잡음은 그것의 스펙트럼 표현을 뜻한다. 스펙트럼 표현은 반송파로부터 다양한 오프셋에서 1Hz 대역폭에 포함된 반송파와 관련된 잡음 전력 레벨에 의해 특징 지워지며, 이 대역폭에 걸쳐 균등하다고 간주된다(그림 5 참조).

[그림 5] 위상 잡음 특성의 예시

다양한 파생 파라미터

지금까지 살펴본 가장 중요한 성능 지수들은 다양한 애플리케이션 분야에서 RF 신호 체인의 성능 정량화에 사용되는 광범위한 파생 파라미터의 기초가 된다. 예를 들어 잡음과 스퓨리어스 용어를 결합하면 동적 범위(DR)라는 용어가 정의된다. 동적 범위는 시스템이 바람직한 특성을 갖는 동작 범위를 설명한다. 그림 4에서 보듯이 이 범위가 제일 낮은 쪽에서 잡음에 의해 제한되고 제일 높은 쪽에서 압축점에 의해 제한되면, 선형 동적 범위(LDR)를 말할 수 있다. 그리고 만약 제일 높은 쪽이 상호 변조 왜곡이 허용될 수 없는 최대 전력 레벨로 정의된다면, 스퓨리어스 프리 동적 범위(SFDR)에 대해 말할 수 있다. 단, 애플리케이션에 따라 LDR 및 SFDR 용어의 실제 정의가 달라질 수 있다는 점에 주의해야 한다.

정해진 SNR로 출력 신호를 생성하기 위해 시스템이 처리할 수 있는 최저 신호 레벨은 수신기 시스템에서 또 다른 중요한 특성인 감도(sensitivity)를 정의한다. 감도는 주로 시스템 잡음 지수와 신호 대역폭에 의해 결정된다. 수신기에 내재하는 잡음은 감도뿐 아니라 다른 시스템 규격을 제한한다. 예를 들어 데이터 통신 시스템의 위상 잡음 또는 지터는 아이(eye) 다이어그램의 성좌점을 이상적인 위치에서 벗어나게 함으로써 시스템의 오류 벡터 크기(EVM)를 저하시키고 더 높은 비트 오류율(BER)을 초래한다.

결론

RF 신호 체인의 특성을 나타내기 위한 많은 특성과 성능 지표가 있다. 이들 특성과 지표는 서로 다른 시스템 측면을 다루며, 그 중요성과 관련성은 애플리케이션마다 다를 수 있다. 한 편의 글에서 이들 모두를 다룰 수는 없지만, 이 글에서 살펴본 기본 특성들을 이해함으로써 RF 엔지니어는 이를 레이더나 통신, 측정 또는 기타 어떤 RF 시스템이든 목표 애플리케이션의 주요 요구사항과 규격에 맞춰 손쉽게 해석할 수 있을 것이다.

아나로그디바이스(ADI)는 시스템 설계에 대한 깊이 있는 전문지식과 함께 업계에서 가장 광범위한 RF, 마이크로파 및 밀리미터파 솔루션 포트폴리오로 RF 애플리케이션의 가장 까다로운 요구사항을 해결한다. 안테나에서 비트까지 가장 광범위한 ADI의 디스크리트 및 완전 통합 솔루션은 DC에서부터 100GHz를 넘어 전체 스펙트럼을 지원하고 업계 최고 성능을 제공함으로써 통신, 시험 및 계측, 산업, 항공우주 및 방산 애플리케이션에서 다방면의 RF 및 마이크로파 설계를 구현할 수 있게 한다. 

참고 문헌

[1] M. S. Gupta. “What Is RF?” IEEE Microwave Magazine, Vol. 2, No. 4. December 2001.

[2] David M. Pozar. Microwave Engineering, 4th Edition. Wiley, 2011.

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