5G RF 설계의 숨겨진 과제

5G의 등장은 다양한 RF 설계 과제를 도입했습니다. 어떤 것은 명확하고, 어떤 것은 덜 명확합니다. 예를 들어, 밀리미터파(mmWave)와 관련된 어려움은 널리 논의되었지만, 신호 무결성과 하드웨어 비용도 주요 문제로 꼽힙니다. 이러한 과제의 전체적인 범위를 공개하기 전에, 누구에게 영향을 미치는지 잠시 생각해보겠습니다. 5G는 전체 에코시스템에 대해 주요한 변화를 초래한다는 점에서 독특합니다. 5G의 전체 혜택을 누리기 위해서는 이동통신사와 최종 사용자가 모두 새로운 사고방식을 받아들여야 합니다. 안테나 설계자, 마이크로파 회로 설계자, 심지어 PCB 설계와 같은 겉보기에 관련 없을 것 같은 분야에서 일하는 사람들조차도 새로운 문제에 직면하고 있습니다. 이제 이러한 문제가 왜 5G가 매우 광범위하면서도 미묘한 설계 과제를 제공하는지 자세히 살펴보겠으며 (몇 가지 해결책도 함께 알아보겠습니다!)

열악한 전파와 배열 안테나

화제를 모으는 주제부터 시작해봅시다: 신호 전파. 이전의 셀룰러 기술과는 달리, mmWave(밀리미터파)는 멀리까지 전달되지 않습니다. 건물, 지형, 사람들, 심지어 날씨조차도 mmWave 신호를 약화시킬 수 있습니다. 이로 인해 발생하는 분명한 결과는 이동통신 사업자들이 최종 사용자와 더 가까운 곳에 더 많은 기지국이 필요하다는 것입니다.   그러나 기지국이 많다고 해도 신호 전파는 여전히 문제가 될 수 있습니다. 무엇보다도, 사람의 몸은 mmWave 주파수를 뛰어나게 흡수하는 성질을 갖고 있습니다. 이는 손으로 휴대폰을 잡기만 해도 신호가 사용할 수 없게 될 수 있음을 의미합니다. 결과적으로 mmWave 시스템에는 일반적으로 다수의 안테나가 필요하며, 더 중요하게는 안테나 어레이(antenna arrays)가 요구됩니다.   많은 안테나 엔지니어들이 안테나 어레이 경험이 부족하기 때문에, 이러한 요건은 큰 도전 과제가 됩니다. 많은 경우, 엔지니어링 팀은 mmWave 신호가 낮은 감쇄 경로를 찾을 수 있도록 빔포밍(beamforming) 및 빔스티어링(beam-steering) 기술에 익숙한 추가 인재를 투입해야 할 필요가 있습니다. (그림 1 참조)

신호 무결성 및 간섭

그러나 고려해야 할 또 다른 관점이 있습니다. 약한 신호를 다룰 때는 dB의 아주 작은 단위도 중요합니다. 이는 mmWave와 관련된 과제가 안테나를 훨씬 넘어선다는 것을 의미합니다.   그 안테나에 연결되는 피드, 트레이스 및 연결부는 모두 우수한 끝에서 끝 신호 무결성(SI)을 염두에 두고 설계되어야 합니다. 이러한 구성 요소들이 40GHz 이상의 주파수를 처리하고 있다는 점을 감안하면, 이는 결코 쉬운 일이 아닙니다.   문제를 더욱 복잡하게 만드는 것은, mmWave 신호가 일반적인 5G 장치 내에서 많이 존재하는 RF 신호 중 하나에 불과하다는 사실입니다. 우선, 5G 스펙트럼에는 mmWave 외에도 sub-6GHz 주파수가 포함되어 있습니다. Sub-6GHz 신호는 셀룰러 장비 설계자들에게 더 익숙하며, LTE 기술과 쉽게 공존합니다. 그러나 이러한 신호의 존재만으로도 설계자들이 이전보다 더 넓은 스펙트럼을 처리해야 함을 의미합니다.   더욱이, 5G 장치에는 일반적으로 Wi-Fi, 블루투스, UWB, NFC와 같은 다양한 RF 기술이 탑재되어 있습니다. mmWave 시스템에서 발생하는 누출은 다른 주파수 대역에 영향을 미칠 가능성이 있습니다. 더 높은 주파수 신호가 본질적으로 누출에 더 취약하다는 점을 감안하면, 이러한 위험을 과소평가해서는 안 됩니다.   이러한 문제를 해결하기 위해 엔지니어 팀은 더 협력적이어야 합니다.   우리의 “Design Engineer Tell-All” 설문조사에 따르면, 90%의 엔지니어링 팀은 최근 몇 년간 변화했으며, 설계 엔지니어링 팀은 범위, 전문성 및 전문화 측면에서 확대되었습니다. 이것은 협업이 필수적임을 입증합니다.   SI 엔지니어는 상호 연결 및 전송 라인 성능을 평가해야 하고, 전자기학 전문가들은 동시에 RF 누출을 조사해야 합니다. 설계 선택은 일반적으로 타협으로 이루어진다는 점을 명심하십시오. 예를 들어, SI를 개선하는 변경이 새로운 누출 문제를 야기할 수 있으며, 팀은 이러한 균형을 평가하기 위해 협력해야 합니다.

회로 기판 설계 및 비용 고려 사항

물론, 5G 기기의 설계에는 다양한 소재와 제조 선택이 수반됩니다. 지난 몇 년 동안 RF 시스템과 안테나를 위한 전체 제조 공정이 극적으로 변화하면서 새로운 설계 옵션의 지평이 열렸습니다.   소박한 인쇄 회로 기판(PCB)을 생각해 보세요. 이미 많은 PCB가 유연한 인쇄 회로(FPC)로 대체되고 있는데, 이는 포장이 더 용이하기 때문입니다. 이러한 변화는 이 글의 범위를 넘어서는 많은 함의를 가지지만, FPC에 사용되는 재료는 계속해서 진화하고 있어 비용과 성능 사이에 복잡한 균형을 형성하고 있습니다.   현재는 도금된 플라스틱과 저손실 액정 고분자(LCP)로 만든 성형 및 적층 재료로의 전환이 진행되고 있습니다. 이러한 재료들은 비용을 상당히 줄일 수 있지만, 유전율과 관련된 새로운 문제를 야기하기도 합니다. mmWave와 관련된 전파 문제 및 약한 신호 강도에 대한 문제로 돌아가 보면, 부적절한 적층 재료 선택이 허용할 수 없는 신호 열화를 일으킬 수 있다는 점은 누구나 쉽게 이해할 수 있습니다.   결론은? 5G 기기의 성공에 있어, 소재 엔지니어와 제조 전문가들은 안테나 전문가 및 마이크로파 회로 설계자만큼이나 중요하다는 점입니다.

협업은 일찍 시작됩니다

확실히, 모든 팀은 설계 변수의 올바른 균형을 이루기 위해 조화롭게 협력해야 합니다. 최상의 결과를 얻기 위해서는 이러한 협력이 설계 프로세스의 초기에 시작되어야 합니다. 기기 설계가 거의 완료된 후에 RF 설계를 시작하던 과거의 방식은 더 이상 유효하지 않습니다. 마찬가지로, 제조 가능성 또한 처음부터 고려되어야 합니다.   이러한 전체적인 사고방식을 시작하는 것은 상충되는 설계 목표를 피하기 위해서만 중요한 것이 아닙니다. 이는 또한 공급업체가 어려운 설계 결정을 얼마나 잘 지원할 수 있는지에 대한 정보를 제공합니다. 여기에서 몰렉스(Molex)가 도움을 줄 수 있습니다.   몰렉스 엔지니어들은 RF, 신호 무결성, 안테나 및 제조 부문에서 수십 년의 전문 지식을 보유하고 있으며, 이는 복잡한 5G 설계 문제를 해결하는 데 필요합니다. 5G에 대한 우리의 투자는 최첨단 5G 제조 장비와 기술 덕분에 최고 정밀도의 부품을 설계할 수 있게 해주며, 고주파 RF 테스트 챔버는 mmWave 스펙트럼까지 제품의 성능을 보장할 수 있도록 도와줍니다.   몰렉스가 커넥터 분야의 전문성으로 가장 잘 알려져 있을 수 있지만, 이러한 다른 뛰어난 분야들도 고객을 지원하는 데 있어 매우 중요합니다. 우리의 목표는 고객의 5G 설계 여정에서 자문 역할을 하는 것입니다. 우리는 이 새로운 이동통신 시대의 복잡성을 이해하며, 고객이 최첨단 기기를 생산할 수 있도록 지원하게 되어 매우 기쁩니다.