밀리미터파 기술의 기초

밀리미터파 기술이란 무엇이며 다른 저주파 기술과 비교하여 어떤 특징이 있습니까?

이 기사에서는 주파수, 전파 특성, 일반적인 응용 분야의 장단점을 포함하여 밀리미터파(mmWaves)를 소개합니다.

밀리미터파란 무엇입니까?

이름에서 알 수 있듯이 밀리미터파는 파장(λ)이 약 1mm(정확히 말하면 1~10mm)인 전자기파입니다. f =c 방정식을 사용하여 해당 파장을 주파수로 변환 /λ, 여기서 c 는 빛의 속도입니다(3 x 10 ⁸ ). m/s), 30-300GHz의 주파수 범위를 제공합니다. 밀리미터파 대역은 ITU(International Telecommunication Union)에서 "초고주파"(EHF) 대역으로 지정됩니다. "밀리미터파"라는 용어는 종종 "mmWave"로 단축되기도 합니다.

그림 1은 mmWave 스펙트럼을 활용하는 애플리케이션의 예를 포함하고 있으며 다른 전자기 주파수 대역과 관련하여 mmWave 스펙트럼의 위치를 ​​보여줍니다.

그림 1. 밀리미터파 스펙트럼 개요. 이미지 제공:Analog Devices

이제 기본적인 정의가 끝났으므로 밀리미터파 신호가 전파되는 방식에 대해 이야기해 보겠습니다.

밀리미터파 전파

밀리미터파 신호 전파의 특징은 다음과 같습니다.

<울>

높은 여유 공간 경로 손실

상당한 대기 감쇠

확산 반사

제한된 침투 깊이

다음 하위 섹션에서는 이러한 네 가지 전파 특성을 각각 더 자세히 조사합니다.

여유 공간 경로 손실

밀리미터파 무선 주파수(RF) 통신의 한 가지 제한 사항은 두 안테나 간의 직접적인 가시선 통신을 위한 FSPL(자유 공간 경로 손실)입니다. FSPL은 파장의 제곱에 반비례하며 다음 방정식으로 제공됩니다.

$$FSPL =\left( \frac{4πd}{λ} \right) ^2$$

여기서:

<울>

d 두 안테나 사이의 거리(m)입니다.

λ m 단위의 파장입니다.

이 방정식에서 알 수 있듯이 파장이 10배 감소하면 자유 공간 경로 손실이 100배 증가합니다. 따라서 밀리미터 파장의 감쇠는 FM 라디오 또는 Wi-Fi와 같은 기존 통신 주파수의 감쇠보다 수십 배 더 높습니다.

RF 통신 계산에서 이 손실 방정식은 종종 GHz 단위로 측정된 주파수와 km 단위로 측정된 거리와 함께 dB 단위의 결과를 제공하도록 변환됩니다. 이 변환 후 방정식은 다음과 같습니다.

$$FSPL(dB) =20 * log_{10}(d) + 20 * log_{10}(f) + 92.45$$

여유 공간 경로 손실을 평가하기 위한 무료 계산기는 여기에서 사용할 수 있습니다.

대기 감쇠

밀리미터파 전송의 또 다른 단점은 대기 감쇠입니다. 이 파장 범위에는 대기 가스(주로 산소(O2)와 수증기(H2O) 분자)의 존재로 인한 추가 감쇠가 있습니다.

그림 2에서 볼 수 있듯이 대기 감쇠는 특정 대역에서 매우 심각할 수 있습니다.

그림 2. 주파수 및 고도에 따른 대기 감쇠. 이미지 제공:5G Americas

예를 들어 산소 피크는 5mm(60GHz)입니다. 비는 전체 스펙트럼에서 감쇠를 증가시킵니다.

확산 반사

더 긴 파장은 종종 장애물 주변의 전송을 돕기 위해 직접(정반사) 반사 전력에 의존합니다(거울과 같은 반사 생각). 그러나 많은 표면이 밀리미터파에서 "거친" 것처럼 보이기 때문에 다양한 방향으로 에너지를 보내는 확산 반사가 발생합니다. 이것은 그림 3에서 볼 수 있습니다.

그림 3. 확산 및 정반사. 이미지 제공:Hermary

따라서 더 적은 반사 에너지가 수신 안테나에 도달할 가능성이 높습니다. 따라서 밀리미터파 전송은 장애물에 의한 그림자에 매우 취약하며 일반적으로 가시선 전송으로 제한됩니다.

제한된 침투

밀리미터파는 파장이 더 짧기 때문에 대부분의 재료에 깊숙이 침투하지 않습니다. 예를 들어, 일반적인 건축 자재에 대한 연구에 따르면 감쇠 범위는 약 1~6dB/cm이고 70GHz에서 벽돌 벽을 통한 침투 손실은 1GHz에서보다 5배 더 높을 수 있습니다. 야외에서는 단풍도 대부분의 밀리미터 흔들림을 차단합니다. 따라서 대부분의 밀리미터파 통신은 가시선 작업으로 제한됩니다.

mmWave 주파수의 장점

많은 응용 분야에서 자유 공간 경로 손실, 대기 감쇠, 확산 반사 및 밀리미터파 신호의 제한된 침투가 유해합니다. 그러나 이러한 특성은 특정 응용 프로그램에서 이점으로 악용될 수도 있습니다. 밀리미터파의 장점은 다음과 같습니다.

<울>

광대역폭

높은 데이터 전송률

낮은 지연 시간

작은 안테나

제한된 범위

제한된 반사

제한된 침투

높은 해상도

이러한 각각의 장점과 일부 응용 프로그램에서 어떻게 활용되는지는 다음 하위 섹션에서 설명합니다.

광대역폭 및 높은 데이터 전송률

통신 애플리케이션의 경우 넓은 대역폭은 더 높은 피크 데이터 속도를 의미합니다. 이는 주어진 데이터 속도에 대해 더 많은 동시 통신 채널을 처리하거나 단일 통신에서 더 많은 데이터를 보낼 수 있는 기능을 의미할 수 있습니다. 더 낮은 주파수 스펙트럼은 많이 사용되므로 이러한 바람직한 넓은 대역폭을 제공하지 않습니다.

예를 들어, 3GPP의 5G NR(New Radio) 사양은 6GHz 미만에서는 100MHz의 최대 채널 대역폭을 할당하지만 24GHz 이상의 대역에서는 최대 400MHz를 할당합니다. 이러한 5G 사양이 계속 발전함에 따라 일부 당사자는 mmWave 스펙트럼에서 더 넓은 대역폭 할당을 위해 로비를 벌이고 있습니다.

밀리미터파가 27.5GHz 및 31GHz의 위성 통신에 오랫동안 사용되어 온 것은 이러한 넓은 대역폭과 높은 데이터 속도 때문입니다. 탄화규소(SiC) 및 질화갈륨(GaN)을 비롯한 고주파 회로 기술의 발전과 관련 제조 비용 절감으로 인해 밀리미터파 통신이 5G NR과 같은 지상파 마스크 시장 소비자 애플리케이션에 도입되고 있습니다.

낮은 대기 시간

통신 네트워크의 대기 시간은 여러 의미를 가질 수 있습니다. 단방향 통신과 관련하여 대기 시간은 데이터 패킷을 보내는 소스에서 동일한 데이터 패킷을 수신하는 대상까지의 시간입니다. 밀리미터파의 주파수가 높을수록 더 짧은 시간에 더 많은 데이터를 전송할 수 있습니다. 따라서 고정된 데이터 패킷 크기의 경우 고주파 시스템은 저주파 시스템보다 대기 시간이 짧습니다.

낮은 대기 시간은 산업 자동화, 무선 증강 또는 가상 현실, 자동 운전 시스템을 포함하여 시간에 민감한 많은 애플리케이션에 중요합니다. 밀리미터파의 넓은 대역폭은 전송 시간 간격을 단축하고 무선 인터페이스 대기 시간을 줄여 대기 시간이 짧은 애플리케이션의 도입 및 지원을 용이하게 합니다.

작은 안테나

밀리미터파의 가장 중요한 이점 중 하나는 더 작은 안테나와 어레이에서 이러한 더 작은 안테나 요소를 많이 사용하여 빔포밍을 가능하게 하는 능력입니다. 예를 들어, 자동차 레이더는 24GHz에서 77GHz로 전환하고 있습니다. 파장은 그림 4와 같이 3배 이상 작기 때문에 안테나 어레이 면적은 9배 이상 더 작을 수 있습니다.

그림 4. 24GHz 및 77GHz에 대한 상대적 안테나 어레이 크기. 이미지 제공:Texas Instruments

5G와 같은 밀리미터파 통신 시스템에는 매우 작은 안테나 요소의 대규모 어레이도 사용될 것입니다. 빔포밍은 더 높은 품질의 신호와 장거리 통신을 위해 개별 사용자에게 방사된 전력을 집중할 수 있습니다. 적응형 빔포밍을 사용하면 사용자 수와 송신 안테나에 대한 위치에 따라 빔을 동적으로 변경할 수도 있습니다.

제한된 범위, 반사 및 투과

제한된 범위, 확산 반사 및 제한된 침투 깊이는 실제로 통신에 이점이 될 수 있습니다. 이러한 특성을 활용하여 많은 소형 셀을 간섭 없이 서로 매우 가깝게 배치할 수 있습니다. 이것은 주파수 스펙트럼의 공간 재사용을 제공하므로 더 많은 고대역폭 소비자가 지역에서 지원될 수 있습니다.

해상도 향상

레이더 애플리케이션에서 밀리미터파 신호의 더 높은 주파수와 증가된 대역폭은 더 정확한 거리 측정, 더 정확한 속도 측정 및 두 개의 밀접하게 떨어진 물체 사이를 분해하는 기능을 지원합니다.

밀리미터파 기술의 응용

레이더

수년 동안 항공우주 레이더 애플리케이션은 밀리미터파 기술의 주요 애플리케이션이었습니다. 넓은 대역폭은 물체까지의 거리를 결정하고, 가까이 있는 두 개의 멀리 있는 물체를 분석하고, 대상에 대한 상대 속도를 측정하는 데 이상적입니다.

예를 들어, 가장 기본적인 형태에서 두 물체가 서로 직접적으로 움직이거나 멀어진다고 가정할 때 도플러 주파수 편이(Δf)는 다음 방정식으로 제공됩니다.

$$Δf =\frac{(2 * V_{rel})}{λ}$$

어디

<울>

브렐 상대 속도(m/s)

λ는 파장(m)

주파수 이동은 파장이 짧을수록(밀리미터파와 같이) 더 크기 때문에 결과적인 주파수 이동을 측정하는 것이 더 쉽습니다. 더 작은 다중 요소 안테나와 적응형 빔포밍을 사용할 수 있는 능력은 밀리미터파를 레이더 애플리케이션에 이상적이게 합니다.

밀리미터파 레이더가 항공우주 분야에 바람직한 것과 같은 이유로 비상 제동, 적응형 순항 제어(ACC) 및 사각지대 감지를 비롯한 자동화된 차량 애플리케이션에 널리 채택되고 있습니다(그림 5 참조).

그림 5. 자율주행차용 밀리미터파 레이더의 응용. 이미지 제공:Rohde &Schwarz

거리와 상대 속도를 빠르고 정확하게 측정하는 능력은 자율 주행 차량 운영에 분명히 중요합니다.

통신

위성 시스템은 넓은 대역폭, 짧은 대기 시간, 작은 안테나 및 다중 안테나 어레이 빔포밍으로 인해 통신에 오랫동안 밀리미터파를 사용했습니다. 이러한 동일한 기능으로 인해 많은 지상 통신 네트워크에서 밀리미터파를 사용하게 되었습니다.

예를 들어, 증가된 대역폭으로 인해 밀리미터파는 초고화질(UHD) 비디오의 무선 전송을 지원할 수 있습니다. 또한 더 작은 안테나는 스마트폰, 디지털 셋톱 박스, 게임 스테이션 등과 같은 장치와의 통합을 지원합니다. 밀리미터파를 사용할 새로운 산업 표준에는 Gb/s 데이터 속도를 위한 5G 및 IEEE 802.11ad WiGig가 있습니다.

특히 실내 및 도시 환경에서 밀리미터파의 공간 재사용 및 적응형 빔포밍을 통해 그림 6에서 볼 수 있는 것처럼 많은 사용자에게 고대역폭 통신을 전달할 수 있습니다.

그림 6. 고정 및 모바일 사용자를 모두 지원하는 적응형 빔포밍. Phys.org를 통한 Fujitsu의 이미지 제공

Massive MIMO(다중 입력 다중 출력) 시스템은 공간 다이버시티, 공간 다중화 및 빔포밍을 활성화하여 더 적은 전력을 사용하면서 더 많은 사용자에게 더 나은 기능을 제공합니다.

보안 스캐너

밀리미터파는 인체 보안 스캐너에도 사용됩니다. 수천 개의 송신 및 수신 안테나가 함께 작동하여 그림 7과 같이 고정밀 스캔을 수행합니다.

그림 7. 밀리미터파 바디 스캐너 시스템. 이미지 제공:Rohde &Schwarz

이러한 시스템은 70GHz에서 80GHz 사이의 주파수 범위에서 전송하고 약 1mW의 전력만 방출합니다. 밀리미터파는 대부분의 의복을 통과하여 피부와 기타 표면에서 반사되어 수신 안테나로 다시 전달됩니다. 수신된 신호는 개인의 상세한 이미지를 생성하고 의복 아래에 숨겨진 물품을 드러내는 데 사용할 수 있습니다. 밀리미터파의 낮은 전력과 제한된 침투 깊이로 향상된 안전성을 제공합니다.

밀리미터파의 기타 응용

이것은 밀리미터파 기술의 많은 응용 프로그램 중 일부에 불과합니다. 제안되거나 구현된 기타 응용 프로그램에는 다음이 포함되지만 이에 국한되지는 않습니다.

<울>

전파 천문학

토양 수분 평가

적설량 측정

빙산 위치

악천후 시 광학 감지 보완

날씨 지도

풍속 측정

의료 치료

요약

밀리미터파는 오랫동안 레이더 애플리케이션에 사용되어 왔으며 가장 두드러진 것은 고속 데이터 통신인 새로운 애플리케이션에 점점 더 많이 적용되고 있습니다. 단파장과 고유한 전파 특성은 이 분야에서 일하는 설계 엔지니어에게 도전과제이자 기회를 제공합니다.