5G RF 설계의 숨겨진 과제

5G의 도래는 다양한 RF 설계 과제를 도입했습니다. 이 중 일부는 명백하고, 일부는 그렇지 않습니다. 예를 들어, 밀리미터파(mmWave)와 관련된 어려움은 널리 논의되었지만, 신호 무결성과 하드웨어 비용 또한 주요 문제입니다. 이러한 과제의 전체 범위를 밝히기 전에, 누가 영향을 받는지 잠시 생각해 보겠습니다. 5G는 전반적인 생태계에 있어 주요한 변화를 만들어내는 독특한 기술입니다. 최대한의 이점을 얻기 위해, 이동 통신사와 최종 사용자 모두 새로운 사고방식을 채택해야 합니다. 안테나 설계자, 마이크로파 회로 설계자, 심지어 PCB 설계와 같이 관련이 없어 보이는 분야에서 일하는 사람들까지도 새로운 문제에 직면해 있습니다. 이제 과제를 자세히 살펴보고 5G가 왜 이렇게 폭넓고 미묘한 설계 과제를 제공하는지(그리고 몇 가지 해결책도) 알아보겠습니다.

열악한 전파 대 배열 안테나

헤드라인을 장식하는 신호 전파 문제부터 시작해보겠습니다. 기존의 셀룰러 기술과 달리 mmWave는 멀리까지 전파되지 않습니다. 건물, 지형, 사람들, 심지어 날씨마저 mmWave 신호를 약화시킬 수 있습니다. 그 결과, 이동통신사는 최종 사용자와 가까운 곳에 더 많은 기지국을 설치해야 한다는 점이 분명합니다.   하지만 기지국이 충분히 있어도 신호 전파는 문제가 될 수 있습니다. 결국 사람의 몸은 mmWave 주파수를 훌륭하게 흡수하기 때문입니다. 이는 핸드폰을 잡는 손 하나만으로도 신호를 사용할 수 없게 만들 수 있다는 뜻입니다. 결과적으로 mmWave 시스템에는 일반적으로 여러 개의 안테나—그리고 더욱 중요한 안테나 배열이 필요합니다.   많은 안테나 엔지니어들이 안테나 배열에 대한 경험이 부족하기 때문에 이 요구사항은 큰 도전 과제가 됩니다. 많은 경우, 엔지니어링 팀은 빔포밍 및 빔 스티어링 기술에 익숙한 추가 인력을 투입하여 mmWave 신호가 낮은 감쇠 경로를 찾을 수 있도록 해야 합니다. (그림 1 참조)

신호 무결성과 간섭

하지만 고려해야 할 다른 관점이 있습니다: 약한 신호를 다룰 때, dB의 작은 단위까지도 중요합니다. 이는 mmWave와 관련된 도전 과제가 안테나를 훨씬 넘어선다는 것을 의미합니다.   안테나로 들어가는 피드, 트레이스, 연결부는 모두 우수한 종단 간 신호 무결성(SI)을 염두에 두고 설계되어야 합니다. 이 구성 요소들이 40 GHz 이상의 주파수를 처리해야 하기 때문에, 이는 결코 간단한 문제가 아닙니다.   이 문제를 더욱 복잡하게 만드는 것은, mmWave 신호가 일반적인 5G 디바이스 내에서 발견되는 많은 RF 신호들 중 하나일 뿐이라는 사실입니다. 우선, 5G 스펙트럼은 mmWave 외에도 sub-6 GHz 주파수를 포함합니다. Sub-6 GHz 신호는 셀룰러 장비 설계자들에게 더 익숙하며, LTE 기술과 쉽게 공존할 수 있습니다. 그러나 이러한 신호의 존재 자체만으로도 설계자들이 이전보다 더 넓은 주파수 범위를 다뤄야 함을 의미합니다.   더욱이, 5G 디바이스는 일반적으로 Wi-Fi, Bluetooth, UWB, NFC 등 다양한 RF 기술로 가득 차 있습니다. mmWave 시스템에서 발생하는 누설은 다른 주파수 대역에 영향을 미칠 가능성이 있습니다. 고주파 신호는 본질적으로 누설에 더 취약하기 때문에, 이에 대한 위험을 과소평가해서는 안 됩니다.   이러한 문제를 해결하기 위해, 엔지니어링 팀은 더욱 협력적이어야 합니다.   “Design Engineer Tell-All” 설문 조사에 따르면, 최근 몇 년간 90%의 엔지니어링 팀들이 변화했으며, 설계 엔지니어링 팀이 범위, 전문성, 특화 역량 면에서 확장되어 협업이 필수적임을 입증하고 있습니다.   SI 엔지니어가 인터커넥트와 전송선 성능을 평가해야 하는 동시에, 전자기 전문가들은 RF 누설을 검토해야 합니다. 설계 선택은 일반적으로 타협으로 이루어진다는 점을 기억해야 합니다. 예를 들어, SI를 개선하는 변경이 새로운 누설 문제를 유발할 수 있으며, 팀은 이러한 절충안을 평가하기 위해 협력해야 합니다.

회로 기판 설계 및 비용 고려 사항

물론, 5G 기기 설계에는 많은 재료 및 구조 선택도 포함됩니다. 지난 몇 년 동안 RF 시스템 및 안테나의 전체 제조 공정이 극적으로 변화하여 설계 옵션의 새로운 지평을 열었습니다.   소박한 인쇄 회로 기판(PCB)을 생각해 보십시오. 이미 많은 PCB가 포장이 더 쉬운 플렉서블 인쇄 회로(FPC)로 대체되었습니다. 이러한 변화는 이 글의 범위를 넘어서는 여러 가지 의미를 가지고 있지만, FPC에 사용되는 재료는 계속해서 진화하고 있으며, 비용과 성능 간에 복잡한 균형을 만들어 내고 있습니다.   현재는 저손실 액정 폴리머(LCP)로 만들어진 도금 플라스틱, 성형 및 적층 재료로 이동하고 있습니다. 이러한 재료는 비용을 크게 절감할 수 있지만, 동시에 유전율과 관련된 새로운 문제를 일으킬 수도 있습니다. mmWave와 관련된 전파 문제와 약한 신호 강도에 대한 점으로 돌아가 보면, 잘못된 적층 재료 선택이 허용할 수 없는 신호 저하를 초래할 수 있다는 점을 쉽게 알 수 있습니다.   결론은? 5G 기기의 성공에 있어서 재료 엔지니어와 제조 전문가들은 안테나 전문가 및 마이크로파 회로 설계자만큼이나 중요합니다.

협업은 초기 단계에서 시작됩니다

실제로 모든 팀은 설계 변수의 올바른 균형을 달성하기 위해 조화를 이루어 작업해야 합니다. 최상의 결과를 얻기 위해 이러한 협업은 설계 프로세스 초기에 시작되어야 합니다. 디바이스가 거의 완성될 때까지 RF 설계를 시작하지 않던 이전의 방식은 더 이상 유효하지 않습니다. 마찬가지로 제조 가능성도 처음부터 고려되어야 합니다.   이러한 총체적인 사고방식으로 시작하는 것은 상충하는 설계 목표를 피하는 것뿐만 아니라, 공급업체가 어려운 설계 결정을 지원하기 위해 얼마나 잘 준비되어야 하는지 알리는 데도 중요합니다. 여기에서 Molex가 도움이 될 수 있습니다.   Molex 엔지니어들은 RF, 신호 무결성, 안테나, 제조 분야에서 수십 년에 걸친 전문성을 가지고 있어 다면적인 5G 설계 과제를 해결하는 데 필요한 기술을 제공합니다. 5G에 대한 저희의 투자는 최첨단 5G 제조 장비 및 기술 덕분에 최고의 정밀도로 부품을 제작할 수 있도록 하며, 고주파 RF 시험실을 활용해 mmWave 스펙트럼에 이르기까지 제품 성능을 보장합니다.   Molex는 커넥터 분야에서의 전문성으로 잘 알려져 있지만, 이러한 다른 전문 분야 또한 고객을 지원하는 데 중요합니다. 저희의 목표는 5G 설계 여정에서 조언자로서의 역할을 수행하는 것입니다. 새로운 셀룰러 통신 시대의 복잡성을 이해하며, 최첨단 디바이스를 생산할 수 있도록 지원하는 데 큰 기대를 가지고 있습니다.