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문제 정의
- 본 논문에서는 집적회로 기반 RF 프론트엔드를 이용한 100 GHz 대역 이상의 최근 유 · 무선 통신 시연 사례를 살펴보았다.
- 본 논문에서는 최근 집적회로 기반 테라헤르츠 대역 송수신 RF 프론트엔드(이하 “송수신기”라 칭함) 관련 연구 중, 100 GHz 이상 주파수 대역의 실제 유 · 무선 통신 시연사례를 살펴봄으로써 최근 연구 동향을 파악하고자 한다.
제안 방법
- 10-Gbit Ethernet 망의 “last mile” 무선 전송용으로 개발된 120 GHz QPSK 송수신기를 이용하여 170 m 떨어진 두 빌딩간 10 Gbps로 한 시간 동안 무오류(error-free) 무선 통신 시연을 하였다([그림 10]).
- 22 m의 거리에서 100 Gbps 무선 통신을 시연하였다([그림8]). 100 Gbps의 목표 전송율을 달성하기 위해서, 적절한 수준의 신호대 잡음비(16.5 dB)와 RF 대역폭(25 GHz)이 요구되는 16-QAM 방식을 채택했다. 선형성이 좋은 HEMT 기반 저항성(resistive) 주파수 변환기 구조를 채택하였고, RF와 IF 간의 분리도(isolation)가 충분히 크게끔 임피던스 정합회로를 설계하였다.
- 점대점(point-to-point) 무선 통신에 사용되어 기존 밀리미터파 링크 대비 전송율 확장이 가능하고, 광통신망의 “last mile” 링크를 대체하여 망 구축비용 절감 및 재난 시 우회경로 제공 등의 장점을 제공할 수 있다. 170 m 거리에서 120GHz 대역 10 Gbps QPSK[2], 40 m 거리에서 240 GHz 대역 96Gbps 8-PSK 무선 전송을 구현하였다.[12]
-
2-2-2 410 GHz 대역 5 Gbps OOK 유전체 도파관 통신[21]
28 nm CMOS 기반 410 GHz OOK 송신기 칩과 3-D 프린터로 제작한 혼(horn) 안테나를 이용하여 13 cm 길이의 유전체 도파관으로 5 Gbps 전송을 시연하였다([그림 6]). 송신기 칩은 트리플 푸쉬(triple-push) 방식의 발진기로 410 GHz 신호를 생성하고, 디지털 입력에 따라 발진기의 바이어스 전압을 조정함으로써 OOK 변조를 수행한다.
- 40 nm CMOS 기반 210 GHz OOK 송수신기 및 온 칩 안 테나를 이용하여 1 cm 거리에서 10—12 이하의 비트 오율(Bit Error Rate: BER)로 10.7 Gbps 무선 통신을 시연하였다([그림 2]).
- 각 변조 방식의 시연된 스펙트럼 효율을 비교하기 위하여, “정규화된 전송율(normalized rate)”을 무선 전송율과 RF 반송파 주파수의 비율로 정의하였다.
- 고속 HEMT 기반 300 GHz 대역 도파관 모듈을 이용하여 2.22 m의 거리에서 100 Gbps 무선 통신을 시연하였다([그림8]). 100 Gbps의 목표 전송율을 달성하기 위해서, 적절한 수준의 신호대 잡음비(16.
- 고속 HEMT 기반 진행파(travelling-wave) OOK 변조기와 전력 증폭기를 하나의 칩으로 집적하였고, LO 체배기 · 증폭기 모듈, 30 dBi혼 안테나와 함께 송신기를 구성하였다.
- 고속 InP-HBT 공정 기반 140 GHz 대역 QPSK 송수신기 칩을 이용하여 1.8 m 거리에서 2.3×10—3의 BER로 48 Gbps 무선 통신을 시연하였다([그림 7]).
- 통신 시연을 위하여 13 cm 길이의 PTFE 유전체 도파관 끝을 테이퍼링(tapering)하여 혼안테나에 삽입하였다. 도파관을 통과한 신호는 상용 수신기 모듈로 10 GHz로 하향 변환하고, 고속 오실로스코프로 획득(acquisition) 후 소프트웨어상에서 복조하였다.
- 수신기는 고속 HEMT 기반 QPSK 수신 모듈 및 디코더 보드 등으로 구성되었다. 반송파 재생(carrier recovery)이 필요 없는 차동(differential) 방식 QPSK의 채택으로 수신기 복잡도를 경감하였다. 매우 높은 경로 손실을 보 상하기 위하여 송수신 모두 49 dBi 고이득 카세그레인(Casse- grain) 안테나를 사용하였다.
- 선형성이 좋은 HEMT 기반 저항성(resistive) 주파수 변환기 구조를 채택하였고, RF와 IF 간의 분리도(isolation)가 충분히 크게끔 임피던스 정합회로를 설계하였다.
- 제작된 주파수 변환기 칩은 도파관 모듈 형태로 패키징하였고, 전력 증폭기, 저잡음 증폭기, LO 체배기 등 다른 도파관 모듈과 함께 송수신 시스템을 구성하였다. 송신기의 16-QAM IF 신호는 AWG에서 생성하였고, 수신기의 IF 출력은 고속 오실로스코프를 사용하여 복조하였다. 상당히 높은 경로 손실을 보상하기 위하여 송수신 모두 50 dBi고이득 혼 안테나를 사용하였다.
- 통신 시연 시, 기저 대역 I/Q 신호는 임의파형 발생기(Arbitrary Waveform Generator: AWG)로 생성하였다. 수신기 출력은 고속 오실로스코프로 획득 후 신호 처리를 거쳐 BER 등을 계산하였다. 통신 거리가 1.
- 전력 증폭기의 최대 포화 출력은 10 dBm이다. 수신기 칩은 고속 HEMT 기반 6-단 저잡음 증폭기, Schottky 다이오드 포락선 검파기, 기저 대역 3-단 증폭기로 구성하였고, 16 dBi 혼 안테나와 함께 하나의 모듈로 패키징하였다.
- 수신기의 잡음 지수와 변환 이득은 각각 15 dB와 25 dB로 측정되었고, 260 mW를 소모한다. 온 칩 안테나는 차동 슬롯 루프(slotted loop)의 형태로 설계하였고, 실리콘 기판의 두께를 조절하여 방사 패턴, 이득, 효율 등을 최적화하였다. 설계된 온 칩 안테나의 이득 및 효율은 각각 1.
- . 온 칩안테나를 사용하여 1 cm 거리에서 210 GHz 대역 10.7 GbpsOOK[8], 2 cm 거리에서 240 GHz 대역 16 Gbps QPSK[11], 4cm 거리에서 260 GHz 대역 10 Gbps OOK의 무선 전송을 시연하였다[13]. 외부 혼(horn) 안테나를 사용하여 5 cm의 거리에서 300 GHz 대역 56 Gbps 16-QAM 전송을 구현하였다.
- 7 GbpsOOK[8], 2 cm 거리에서 240 GHz 대역 16 Gbps QPSK[11], 4cm 거리에서 260 GHz 대역 10 Gbps OOK의 무선 전송을 시연하였다[13]. 외부 혼(horn) 안테나를 사용하여 5 cm의 거리에서 300 GHz 대역 56 Gbps 16-QAM 전송을 구현하였다.[17]
- 제작된 주파수 변환기 칩은 도파관 모듈 형태로 패키징하였고, 전력 증폭기, 저잡음 증폭기, LO 체배기 등 다른 도파관 모듈과 함께 송수신 시스템을 구성하였다.
- 쿼츠(quartz) 기판에 제작된 4.62 cm 길이의 실리콘 유전체 도파관으로 165 GHz 12.1 Gbps OOK 전송을 시연했고[7], 13 cm 길이의 PTFE 유전체 도파관에서 410 GHz 5 Gbps OOK 전송을 시연하였다.
- 키오스크 다운로드 시스템용으로 개발된 300 GHz OOK송수신 모듈을 이용하여 1 m 거리에서 10—6 이하의 BER로20 Gbps 무선 전송을 시연하였다([그림 9]).
- 99 dBm으로 측정되었다. 통신 시연을 위하여 13 cm 길이의 PTFE 유전체 도파관 끝을 테이퍼링(tapering)하여 혼안테나에 삽입하였다. 도파관을 통과한 신호는 상용 수신기 모듈로 10 GHz로 하향 변환하고, 고속 오실로스코프로 획득(acquisition) 후 소프트웨어상에서 복조하였다.
- 하나의 칩에 집적된 65 nm CMOS 기반 260 GHz OOK 송수신기 및 안테나를 이용하여 4 cm 거리에서 10 Gbps 무선통신을 시연하였다([그림 4]). 송신기의 60 GHz 차동 부고조파(sub-harmonic) LO를 두 개의 90° 하이브리드로 네 개의 위상으로 나눈다.
대상 데이터
- 위 조건하에서 집계된 사례는 모두 21건으로 <표 1>에 정리하였다. 100～165 GHz[1]～[7], 210～260 GHz[8]～[13], 300GHz[14]～[20] 및 410 GHz[21] 등의 주파수 대역을 사용하였다. 통신 거리는 온 칩 · 온 보드 안테나를 사용한 경우, 수 cm,고이득 외부 안테나를 사용한 경우 170 m에 이르며, 5 Gbps부터 105 Gbps까지의 전송율을 시연하였다.
- 65 nm CMOS 기반 240 GHz QPSK 송수신기 칩 및 온 칩안테나를 이용하여 2 cm 거리에서 10—4의 BER로 16 Gbps 무선 통신을 시연하였다([그림 3]).
- 반송파 재생(carrier recovery)이 필요 없는 차동(differential) 방식 QPSK의 채택으로 수신기 복잡도를 경감하였다. 매우 높은 경로 손실을 보 상하기 위하여 송수신 모두 49 dBi 고이득 카세그레인(Casse- grain) 안테나를 사용하였다. 루프백(loopback) 시연으로 측 정한 수신기 출력 신호 대 잡음비에 따르면 개발된 120 GHz QPSK 시스템은 2 km 거리에서 10 Gbps 전송이 가능한 성 능을 가진 것으로 파악된다.
- 10-Gbit Ethernet 망의 “last mile” 무선 전송용으로 개발된 120 GHz QPSK 송수신기를 이용하여 170 m 떨어진 두 빌딩간 10 Gbps로 한 시간 동안 무오류(error-free) 무선 통신 시연을 하였다([그림 10]). 송신기는 인코더 보드, 고속 HEMT 기반 QPSK 송신 모듈 및 전력 증폭기 모듈, 도파관 대역통과 필터 등으로 구성되었다. 송신기의 포화 출력은 15 dBm으로 측정되었다.
- 송신기의 60 GHz 차동 부고조파(sub-harmonic) LO를 두 개의 90° 하이브리드로 네 개의 위상으로 나눈다.
- 송신기의 포화 출력은 15 dBm으로 측정되었다. 수신기는 고속 HEMT 기반 QPSK 수신 모듈 및 디코더 보드 등으로 구성되었다. 반송파 재생(carrier recovery)이 필요 없는 차동(differential) 방식 QPSK의 채택으로 수신기 복잡도를 경감하였다.
- 유전체 도파관은 100 μm 두께의 쿼츠 기판에고저항 실리콘으로 마이크로머시닝(micro-machining) 공정을 이용하여 제작하였다.
- 쿼츠(quartz) 기판에 제작된 4.62 cm 길이의 실리콘 유전체 도파관과 65 nm CMOS 기반 165 GHz 송수신기 칩을 이용하여 10—12 이하의 BER로 12.1 Gbps OOK 전송을 시연했다([그림 5]).
- 수신기 출력은 고속 오실로스코프로 획득 후 신호 처리를 거쳐 BER 등을 계산하였다. 통신 거리가 1.8 m로 경로 손실이 상당히 높아서 송수신 모두 40 dBi 고이득 혼 안테나를 사용하였다.
성능/효과
- 설계된 온 칩 안테나의 이득 및 효율은 각각 1.55 dBi 및 14 % 이고, 30 GHz의 대역 폭을 가진다.
- 송신기 칩은 변압기로 결합된 교차 결합(cross-coupled) 기본 주파수(fundamental) 발진기와 스위치 기반 OOK변조기로 구성되었다. 송신기의 출력 전력, 효율, on-off 비율은 각각 0.66 dBm, 10.6 %, 30 dB로 측정되었다. 수신기 칩은 공통 모드 잡음 제거를 위한 의사 차동(pseudo-differential)구조의 포락선 검파기 및 5-단 제한 증폭기(limiting amplifier)로 구성된다.
- 송신기의 측정된 EIRP는 +1dBm 이고, 전력 소모는 220 mW이다. 수신기의 잡음 지수와 변환 이득은 각각 15 dB와 25 dB로 측정되었고, 260 mW를 소모한다. 온 칩 안테나는 차동 슬롯 루프(slotted loop)의 형태로 설계하였고, 실리콘 기판의 두께를 조절하여 방사 패턴, 이득, 효율 등을 최적화하였다.
- 송수신기는 하나의 온 칩 광대역 누설파(leaky wave) 안테나를 공유하며, 이는 칩 면적의 감소로 이어진다. 안테나는 동등한 효율을 갖는 패치형 안테나보다 5～6배 넓은 대역폭을 갖게끔 설계되었으며, 4.5 dBi의 이득, 26.3 %의 효율 및 30 GHz의 대역폭 특성을 보인다. 송신기는 688 mW를 소모하며, +5 dBm의 EIRP를 출력하고, 수신기의 전력소모는 485 mW이다.
- 온 칩 피드(feed) 안테나를 포함한 혼(horn) 안테나의 이득은 13.3 dB이고, 송신기 EIRP는 —3.99 dBm으로 측정되었다.
후속연구
- 향후 테라헤르츠 통신의 상용화를 위해서는 저전력 광대역 프론트엔드 설계 기술, 광대역 고효율 안테나 기술, 저손실 · 저가 패키징 기술, 저전력 아날로그-디지탈 변환 기술, 시나리오별 채널 모델링 기술 등에 관한 지속적인 후속 연구가 필요할 것으로 사료된다.
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