[논문]THz 대역의 무선통신시스템 기술

정태진

THz 대역의 무선통신시스템 기술 원문보기

정보와 통신 : 한국통신학회지 = Information & communications magazine, v.27 no.2, 2010년, pp.20 - 26

초록
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THz 대역의 주파수 범위는 일반적으로 100GHz ~ 10THz 사이로서, 전자파의 투과성과 광파의 직진성을 동시에 가지고 있다. THz 캐리어 주파수는 대기의 수분에 강하게 흡수되어 1THz 이상에서 1 [dB/m] 정도의 대기 전파감쇠가 발생하나 0.1 [dB/m] 정도의 비교적 낮은 주파수 윈도우가 존재하여 이 영역의 주파수 스펙트럼을 이용한 무선통신시스템의 개발이 활발히 진행되고 있다. 최근 RF MMIC의 기술개발 동향을 고려해 볼 때 무선통신시스템 응용을 위한 가장 유력한 THz 주파수 대역은 H-밴드(220 ~ 325GHz)이다. H-밴드에서 가용한 주파수 대역폭은 약 45GHz 이상이며, 이러한 초광대역폭을 이용하여 10Gbps급 이상의 데이터 전송속도를 ASK 또는 BPSK와 같은 간단한 변조방식으로 용이하게 실현할 수 있다. 본고에서는 THz 대역에서 무선통신 응용을 위한 전파특성 및 주파수 대역, 무선링크 특성과 THz 송수신기 기술에 대하여 알아본다.

AI 본문요약
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문제 정의

300GHz 이상의 주파수는 현재 비 면허 대 역으로 남아있다. 본고에서는 THz 대역에서 무선통신 응용을 위한 전파특성 및 주파수 대역, 무선링크 특성과 THz 송수신기 기술에 대하여 알아본다.

가설 설정

여기서 , 氏은 수신기 입력전력 (dBm), Pge 송신기 출력전력(dBm), Gt 및 G, 은 송신 및 수신 안테나 이득(dBi), L는 캐리어 주파수仪)에서 링크 거리에 따른 경로손실과 대기가스에 의한 감쇠의 총합(dB) 이고, 媒은 링크마진(dB)으로 전파가 자유공간을 전송될 때 신호의 페이딩 영향 및 시스템에서 고려하지 못한 기타 손실을 고려하기 위한 것이다. G = G 라 가정하였으며, 안테나이득 계산에 사용된 파라미터는 fc = 220GHz, PM = 0 dBm, U = lOdB, BER = 1(产에서 ASK 변조방식의 SNR = 20.2dB 이다. 수신기의 잡음지수(NF)는 10dB로 가정하였으며, 대기 가스에 의한 감쇠는 2.
TH疚 대 역의 통신채널은 기존 밀리미터파 대 역의 다중경로 NLOS(Non-LineOf-Sight) 환경과는 달리 고지향성 안테나를 사용흐}는 LOS 환경이다. 다중경로에 의한 전파는 실내 공간의 벽면, 천정, 바닥 및 가구 등에 의한 반사로 인해 LOS 신호에 비해 크기가 아주 작아서 채널 모델링에서 의미있는 다중경로(Significant Multipath)로 작용하지못할 것이다. 따라서 LOS에 의한 경로손실만이 존재하는 AWGN(Added White Gaussian Noise) 환경으로 생각할 수 있다.
2dB 이다. 수신기의 잡음지수(NF)는 10dB로 가정하였으며, 대기 가스에 의한 감쇠는 2.4[dB/km]를 고려하였다. (그림 3) 은 무선링크의 거리에 따라 통신 대역폭이 5 ~ 50GHz 일때안테나 이득을 나타낸다闻.

제안 방법

이들이 저널에 발표한 논문의 대다수는 옥내 통신시스템에 적용하기 위한 채널모델 및 시스템 레벨의 무선링크 시뮬레이션 연구가 주류를 이루고 있다. 이들의 주 관심 주파수는 300GHz 및 350GHz 대역이며, 이대 역에서 가용한 대 역폭은 47GHz로 계산하였다 특히, 실내 다중경로 환경 에서 NLOS(Non-LineQf-Sight)를 극복하기 위하여 THz 미러(Mirror)를 이용하여 실내의 벽면으로부터 반사되는 'Directed NLOS" 개념을 제안하였다同.
THz 대역에서 최초의 무선전송 실험은 2004년 독일의 Braunschweig 대학에서 수행되었대9L 적외선광의 펨토초 레이저 펄스를 이용하여 최대 Im 거리까지 오디오 신호를 전송하였고, 본 실험을 확장하여 동 대학의 통신실험실 (TCL)에서는 300G也의 캐리어 주파수에서 RF 부품을 이용하여 송수신기를 구성하고 6MHz의 대역폭을 갖는 아나로그 비디오신호를 10m 거리까지 전송하였다17]. (그림 5) 는간단한 서브하모닉 믹서와 혼 안테나로 구성된 THz 송신기와 수신기의 구성도이며, LO신호는 16GHz를 9배 주파수를체배하여 발생시켰다.

성능/효과

(그림 7) 은 게이트 길이 50nm의 Metamorphic HEMT 기술을 이용한 210GHz 1단 공통 소스(Common Source) 증폭기 회로 구성이며, 이를 이용한 4단증폭 LNAMMIC의 이득 및 잡음 성능을 나타낸대 12]. 180 ~ 220GHz에서 이득은 16 dB, 잡음지수 (NF)는 4.8 dB의 성능을 보였다. 여기서, 母와 f或는 각각 400 GHz와 420 GHz 이다.
THz 대역의 전자파는 수증기(HQ) 등 대기의 수분에 강하게 흡수되며, 플라스틱, 나무, 종이 , 옷감 등 비 이온화 물질은 투과하고 금속에는 반사하는 특성을 가지고 있다. 지난 30년간을 관찰해 본 결과, 무선 데이터 속도의 지수적 성장을 감안하면 무선의 전송용량은 매 1.5년마다 2배씩 증가해 왔으며, 현재 시점에서 10년 이내에 약 15Gbps의 데이터 속도가필요할 것으로 판단되며 , 초고속 통신기술의 발전으로 데 이터 전송속도는 유선 통신시스템의 용량에 접근할 것이다田.

후속연구

사이의 주파수 대 역폭을 사용한다. 따라서, 이들은 미래의 요구사항을 만족하는 충분히 높은 데이터 속도를 제공할 수 없으며, 향후 무선 근거리 통신네트워크는 조만간 TH疚대 역으로 이동할 것으로 예측된다. TH以 대 역은 기존의 밀리미터파에서 가용한 통신 대 역폭 보다 훨씬 넓은 대역폭을 제공해 줄 수 있어 아주 매력적이다.
등 수동부품 기술의 개발에 좌우된다. 따라서, 핵심 RF MMIC의 기반기술 개발이 시급하며 , 아울러 송수신기의 시스템 기술에 대한 연구도 지속적으로 추진되어야 한다.
이 Ultta-HDTV는 33메가 픽셀(7, 680 X 4, 320)의 해상도를 가지며, 비압축 비디오 스트림 전송을 위하여 24Gbps의 전송속도가 요구된다. 미 래 무선통신 시스템의 기가 비트급 전송속도는 대단히 넓은 주파수 대 역폭(10GHz 이상)을 요구하는 다양한 분야에 응용될 것으로 기대된다.
이 RF MMIC 들은 THz 대역에서 레이다, 이미징, 통신 등에 응용된다. 현재의 기술수준을 고려해 볼 때 G-대 역(140 ~ 220 GHz) 및 H-대역(220 ~ 325GHz)의 RF MMIC 핵심부품은 5년 이내에상용화될 것으로 기대되며, 이를 이용한 초고속(lOGbps급이상) 무선전송 시스템이 개발될 것으로 생각된다. RF 송수신기를 구성하는 핵심부품으로는 국부발진기(LO), 믹서 (Mixer), 전력증폭기(PA), 저잡음증폭기 (INA), 필터, 안테나 등이다.

참고문헌 (15)

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