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RF설계의 어려운점

저주파회로를 만들듯이 회로를 만들면 주파수가 올라갈수록 결과가 점점 더 맞지 않게 된다. 100Mhz를 넘어서면 선로간의 간섭이 늘어나며 결과가 망가지고, 급기야 300Mhz를 넘어서면 SPICE류의 알고리즘은 더 이상 정확도를 보장할 수 없게 된다. 왜일까?

짧아진 파장

저주파의 설계방식으로 고주파회로 제작시 가장 1차적으로 문제가 되는 부분중 하나가 바로 파장이 짧다는 것이다. 저주파의 AC신호라면 선로나 회로의 크기에 비해 파장이 매우 길기 때문에 별다른 고려가 필요하지 않지만, 일단 300Mhz만 넘어가도 파장이 cm 단위로 내려오기 시작한다. Ghz 대역으로 넘어오면 1/4 파장의 길이가 회로전체 크기와 맞먹는 경우까지 발생하기 시작하는데, 짧아진 파장이 선로를 타고 흐르면서 위상의 중첩이 발생하게 된다. 파장이 길 때는 AC 파형이 선로상에서 중첩되더라도 위상차가 미미하기 때문에 파형의 왜곡은 거의 일어나지 않는다. 하지만 파장이 짧은 고주파의 경우, 1/4파장의 위상이 어긋나서 겹친다면 신호파형은 완전히 뭉게진다. 이러한 문제를 피하려면 결국 회로 크기 자체가 작아질 수밖에 없고, 회로나 component 구조의 길이나 크기, 폭 등 모든 dimension을 고려해야만 하게 된다.

저주파를 설계하던 엔지니어라 해도, 같은 회로도임에도 불구하고 선로를 어떻게 구현하느냐에 따라 결과값의 차이가 있다는 것을 잘 알 것이다. RF에서는 그 역할이 극도로 강조되어, 결국 RF 회로설계는 구조설계처럼 여겨지게 된다. 즉 구조 자체가 회로이다.

늘어나는 crosstalk

저주파에도 선로간의 간섭, 즉 crosstalk가 존재한다. 주파수가 올라갈수록 각 선로는 점점 더 안테나가 되어 많은 양의 전자파 에너지를 방사하게 되고, RF 회로에서 coupling(선로간의 에너지가 서로 반응하는 현상)은 매우 중요한 영향을 주게된다. 결국 파장문제와 더불어 RF 회로는 점점 더 구조 설계의 개념처럼 되어 간다.

RF에서는 역으로 이러한 coupling을 이용하여 회로 설계를 하는 경우도 많다. 즉 RF에서 crosstalk는 저주파에서처럼 억제되어야 할 대상의 개념정도가 아니라, 아예 모든 선로에서 crosstalk와 copuling은 당연히 존재한다고 가정하고 그 양을 조절할 수 있어야 한다.

늘어나는 감쇄 (attenuation)

주파수가 올라가면서 생기는 문제점 중의 하나가 바로 감쇄(attenuation)문제이다. 고주파에서는 유전체의 tangent delta나 도체의 도전율과 같은 loss factor의 영향에 더욱 민감해지기 때문에, 감쇄의 영향만으로 회로가 오동작할 수 있다.

이러한 RF회로나 구조물 설계에서의 감쇄문제 보다도 더 골치아픈 문제는 사실 대기중의 전자파 감쇄문제이다. RF는 공기중을 매질로 전자파를 주고 받는 시스템인데, 주파수가 올라갈수록 대기중의 성분이나 장애물에 대한 감쇄나 왜곡의 영향이 점점 더 늘어나게 된다. 특히 수분에 크게 영향을 받게 되어 날씨에 따라서도 송수신 성능이 오락가락 할 수 있다. 그래서 RF 회로/시스템을 설계할 때 중요하게 고려해야 하는 것중 하나가 무선채널환경이다. 여기서 말하는 채널이란 말의 의미는 공기중의 잡음이나 감쇄 조건을 의미하며, 전자파를 이용한 모든 RF공학에서 유념해 두어야 할 부분이다.

높은 안테나 이득의 필요

RF는 기본적으로 무선을 의미하기 때문에 안테나가 필수품이다. 하지만 고주파에 사용되는 안테나는 짧아진 파장과 더불어 실제 사용시에 요구되는 spec으로 인해 작게 만들어야 하는 경우가 대부분이다. 하지만 알다시피 안테나가 작아질수록, 그 이득도 줄어들게 된다. 그래서 RF에서는 보다 작은 안테나로 보다 높은 이득을 끌어내기 위한 많은 기술들이 필요해진다.

넓어지는 대역폭( bandwidth)

RF회로나 구조 설계 자체와 관련된 문제는 아니지만, 설계에 고려되어야 할 중요한 부분중 하나이다. 10Mhz에서의 1%에 해당하는 대역폭은 100khz정도이다. 하지만 10Ghz에서는 그 1%가 100Mhz나 된다. 즉 고주파로 올라갈수록 통신용으로 사용되는 주파수의 기본 대역폭 또한 증가해야만 하기 때문에, 절대적으로 보다 많은 주파수 자원의 소모가 필요하게 된다.

만약 고주파에서 더욱 좁은 대역폭을 사용하면 사용가능한 주파수 채널은 늘어나겠지만, 주파수에 비해 좁은 대역폭을 구현할 수 있는 회로를 만드는 것은 상당히 어려운 일이다. 설사 구현했다 하더라도 외부의 조그만 환경변수에 의해 크게 오락가락할 소지가 있기 때문에, 많은 RF 설계자를 괴롭히는 문제가 될 수 있다.