종종 모바일 WiMAX라고도 하는 IEEE 802.16e 표준은 광대역 무선 액세스(BWA) 시스템을 위한 무전 인터페이스를 의미하며 로밍과 핸드오프를 사용해 랩탑과 이동전화가 작동할 수 있도록 해준다.

와이맥스 설계용 모멘텀 GX를 통한 1차 통과 정확도

글│윌리암 클라우젠, 모너 아다다, 애질런트테크놀로지스(주)

 종종 모바일 WiMAX라고도 하는 IEEE 802.16e 표준은 광대역 무선 액세스(BWA) 시스템을 위한 무전 인터페이스를 의미하며 로밍과 핸드오프를 사용해 랩탑과 이동전화가 작동할 수 있도록 해준다. 이 기술은 과거에는 비싼 가격으로 인해 불가능했던 시스템을 어플리케이션에 배치할 수 있는 새로운 가능성을 열어주어 BWA 업계에 새로운 활력을 불어넣을 것으로 기대된다.

 모바일 WIMAX의 기본적인 구성요소인 용량 개선 멀티안테나 기술인 MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) 기술은 고처리율을 확장하고 네트워크 용량을 향상시킴으로써 이동성과 관련된 일부 이슈를 해결해주고 있다. 이러한 장점에도 불구하고 비용 및 전력 소비는 계속적으로 설계자에게 과제로 남을 것이며 이는 특히 최적의 시스템 성능을 얻으려 시도하는 경우에 해당된다. 다행히도 애질런트 Genesys 사용자들은 현재 이러한 과제를 해결하도록 특수 설계되고 업계에 의해 검증된 3D-Planar EM 시뮬레이션 기술을 사용할 수 있다. Momentum GX라 불리는 이 솔루션은 설계자들이 설계 흐름 내에서 고주파수 WiMAX 회로 및 상호 연결의 물리적 성능을 최적화하고 검증할 수 있도록 해준다.

WiMAX: 기본사항

 WiMAX 회로의 설계 및 검증에서 Momentum GX의 역할을 보다 잘 이해하려면 먼저 WiMAX(Worldwide Inter-operability for Microwave Access)에 대해 확실히 이해해야 한다. LAN(Local Area Network) 또는 WAN(Wide Area Network)과는 대조적으로 WiMAX는 IEEE 802.16 사양에 기반한 MAN(Metro Area Network)이며 라이센스된 대역과 라이센스되지 않은 대역을 모두 지원한다. WiMAX는 가시거리(line-of-sight) 없이도 최대 30마일 또는 50km의 서비스 거리에서 고정 사용자와 이동 사용자 모두에게 상호 운용 가능한 광대역 무선 연결을 제공하며, 75메가비트의 높은 데이터 속도도 제공할 수 있다. WiMAX는 T1 속도에서 단일 기지국으로 수백 개의 업체와 가정에 서비스를 제공하기 충분한 대역폭을 갖추고 있다.

 WiMAX의 차별화 요소는 변조 방식과 적응성이다(그림 1참조). WiMAX는 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)이라는 기법을 사용하는데, 여기에서는 데이터가 각 기호에 대한 여러 부반송파를 통해 전송된다. 부반송파는 서로간의 간섭을 최소화하도록 간격 지정되므로 부반송파의 직교 집합이 생성된다. 또한 다중 부반송파를 통한 전송에서는 신호를 더욱 낮은 기호 속도로 전송할 수 있다. 다시 말해, 설계자는 협대역 간섭이나 다른 송신기의 간섭의 영향을 덜 받으면서 동일한 처리율(예: 초당 비트율)을 달성할 수 있다. 양호한 다중경로 수신은 모바일 서비스에 필수적이다.

그림 1. WiMAX 적응변조 및 부호화는 기호율을 느리게 함으로써 다중 경로 문제를 극복한다. 신호 대 노이즈의 비율이 최고인 경우 QAM 변조를 사용하면 큰 규모의 고객 베이스에 대한 고속의 액세스가 가능하다.

 또한 WIMAX는 기호 속도를 둔화시킴으로써 다중경로 이슈를 극복하도록 해주는 AMC(Adaptive Modulation and Coding) 기술도 제공한다. 본질적으로 이 기술을 통해 WiMAX 시스템은 무선 링크의 신호 대 노이즈 비율(SNR) 조건에 따라 신호 변조 방식을 조정할 수 있다. 무선 링크의 품질이 높은 경우 최고의 변조 방식이 사용되어 시스템에 더 높은 용량을 제공한다. 신호 페이딩 중에 WiMAX 시스템은 낮은 단계의 변조 방식으로 전환되어 연결 품질과 링크 안정성을 유지할 수 있다. 결과적으로 시스템이 기지국과 가까운 경우 256QAM으로 송수신할 수 있다. 시스템이 더욱 멀리 이동하거나 SNR이 감소하게 됨에 따라 QPSK 또는 BTSK로 역행한다.

RF 엔지니어의 WIMAX 설계 과제

 WiMAX 시스템의 설계는 오늘날의 RF 엔지니어에게 많은 과제를 제기한다(그림 2참조). 예를 들어 WiMAX는 TDD (Time Domain Duplex) 또는 FDD(Frequency Domain Duplex) 방식에 대한 지원을 제공한다는 것을 고려하라. 몇몇 경우에서, WiMAX는 두 듀플렉싱 방식을 모두 지원하며 이로 인해 설계자의 회로 및 구조가 상당히 복잡해지며 스위칭 네트워크를 사용해야 할 수도 있다. 또한 WiMAX는 2~11GHz 사이의 더 높은 주파수 대역에서 작동한다. 이러한 주파수에서 설계자는 증가한 기생 효과, 신호 무결성을 저하시키는 네트워크 사이의 더 작은 회로의 커플링, 그리고 집중 및 분산 구성요소의 비이상적인 동작과 같은 많은 문제에 직면한다.

그림 2. 극초단파 또는 RF 필터를 사용하는 WiMAX 시스템 프런트 엔드 수신기 또는 송신기의 기본도. 이의 개발에는 믹서 디자인, IF 필터 디자인, 오실레이터 디자인 등이 필요하다.

 설계자들로 하여금 소자 값 및 이러한 값이 회로에 미치는 영향을 파악할 수 있게 해주는 폐쇄형 설계 솔루션이 존재하지만, 이러한 솔루션은 WiMAX 시스템이 작동하는 더 높은 주파수에서 필요한 정확도 수준을 제공하지 못한다. 그리고 오늘날의 많은 WiMAX 설계가 사실상 모바일 방식이라서 배터리에 의해 구동되기 때문에 설계자가 해결해야 하는 전력 소비와 관련된 많은 문제와 이슈가 존재한다. 더욱 복잡한 문제는 설계자들이 방사 효과, 비용 제약 및 제조용이성도 해결해야 한다는 것이다.

 이러한 기술적인 이슈를 효과적으로 해결하려면 Genesys 환경에서 사용 가능하며 제조 전에 구성요소 파라미터를 계획하고 최적화하고 지정할 수 있는 Spectrsys와 같은 최고 수준의 RF 시스템 설계 툴이 필요하다. 또한 필터, 믹서 및 공진기와 같은 모든 시스템 구성요소의 개발 속도를 높여주는 합성 플랫폼도 필요하다. 노이즈 피겨, 위상 노이즈, 상호변조, 스퓨리어스 효과 등과 같은 사항을 검증하려면 선형 및 비선형 시뮬레이션 기술이 모두 필요하다. 그리고 제품이 제조 가능하며 원하는 수율을 달성할 수 있도록 보장하기 위해 설계자는 수율 분석 툴을 사용해야 한다. 더욱 중요한 것은 제조 단계로 넘어가기 전에 성능을 최적화하고 검증하기 위한 정확한 EM 설계 툴이 필요하다는 것이다.

효과적인 솔루션

 완전한 툴 패키지를 갖춘 애질런트 Genesys 솔루션은 WiMAX 시스템 설계를 수행하는 오늘날의 RF 엔지니어의 요구사항을 완벽하게 지원한다. 그리고 이 솔루션은 이제 DC부터 광에 이르기까지 어디서든 복잡한 다중 계층 3D-Planar 네트워크를 시뮬레이션하기 위한 업계 검증 기술인 Momentum GX가 제공된다.

 Momentum GX는 Genesys와 함께 완벽히 작동하여 S, Y 또는 Z 파라미터를 계산하고 생성한다. Momentum GX는 다중 계층 보드 분석을 위한 Z 방향 전류를 갖춘 2차원적인 3D EM 시뮬레이터이다. MoM(method of moments)에 기반한 Momentum GX는 RF 및 마이크로파 엔지니어가 자신의 패시브 모델의 정확도 범위를 확장할 수 있도록 해준다. 등각 구조 메싱 시스템은 소자를 정합시키거나 기생 효과를 고려하는 것 등을 통해 설계자가 다양한 거리에서 매우 작은 구성요소와 매우 큰 구성요소의 최적 커버리지를 얻도록 해준다.

 등각 메싱 외에도 Momentum GX는 두 가지 EM 솔버, 즉 RF 모드 및 전파장 마이크로파 시뮬레이션 모드를 32비트 및 64비트 버전 두 가지로 제공한다. RF 모드는 설계자에게 훨씬 빠른 시뮬레이션 방법을 제공하는 준정적 모드이다. 전파장 분석은 수행하지 않지만 회로 크기가 파장의 반 미만인 경우 전파장 분석이 필요 없다. 설계자가 전파 효과, 방사 효과를 설명해야 하거나 회로가 파장의 반보다 큰 어떤 것에 접근하기 시작할 경우에는 전파장 마이크로파 모드를 사용할 수 있다.

 또한 Momentum GX는 Genesys 상호 시뮬레이션 기술도 제공하는데, 이 기술을 통해 설계자는 구성요소를 EM 시뮬레이션에 포함시키고 그 결과를 하나의 조합으로서 검사할 수 있다. AFS(Adap-tive Frequency Sweep) 기능은 설계자에게 훨씬 적은 수의 포인트로 광대역 주파수 정보를 제공한다. 또한 회로와 트레이스 사이의 정확한 커플링을 위한 두꺼운 메탈 모델링도 설명한다.

 Momentum GX는 그 기능성으로 인해 패시브 정합 구조 또는 필터의 설계 및 구성요소 모델링에 적합하다. 일반적으로 마이크로스트립 소자에 사용되는 폐쇄형 모델은 더 높은 주파수에서만큼은 정확하지 않다. 또한 Momentum GX는 설계자가 구성요소를 패드 상에 배치하고 이러한 패드가 최종 응답에 미치는 영향을 분석하는 데 유용한 레이아웃 검증은 물론 신호 무결성에도 사용할 수 있다. 후자의 경우, Momentum GX를 사용하여 설계자는 보드 내의 각기 다른 계층 사이에 발생하는 커플링 정도를 파악할 수 있다. 또한 이 솔루션은 특히 WiMAX에서 매우 중요한 작업인 안테나 설계에도 사용할 수 있으며, LTCC(Low Temperature Co-Fired Ceramic) 재료 설계를 설계하고 검증하는 데도 사용 가능하다.

Momentum GX의 기타 용도는 다음과 같다.

▶새로운 토폴로지. 네트워크를 설명할 폐쇄형 솔루션 또는 방정식이 없는 경우, 네트워크를 모델링하고 분석하기 위해서는 Momentum GX와 같은 툴이 필수적이 된다.

▶제조용이성. Momentum GX는 기판 유전율 변동 안의 변경이 갖는 효과와 이러한 변경이 최종 설계에 미치는 영향을 살펴보는 데 사용할 수 있다.

▶구성요소 수 줄이기. 높은 주파수에서 매우 작은 캐패시터와 인덕터를 인쇄된 소자로 교체할 수 있지만, 이러한 소자를 설명하는 모델은 매우 적으며 일반적으로 매우 정확하지 않다. Momentum GX는 정확한 EM 모델을 생성한다.

▶스텝, 티 및 개방 접지와 같은 표준 구조를 위한 개선된 패시브 모델. 많은 다중 계층 설계에서, 설계자는 결국 신호 라인 또는 파워 라인이 통과할 수 있도록 접지 개방을 이룰 수 있다.

 그림 3에 나타난 바와 같이 Momen-tum GX의 3D-Planar EM 기술은 구성요소 값을 사용하지 않고 그리드 치수의 사용에 의존하는 일반적인 그리드 기반 EM 솔버와는 크게 다르다. 예를 들어, 115mil 폭 라인과 20mil의 그리드 셀을 갖는 그리드를 가정해보자. 이 시나리오에서 설계자는 라인이 100mil 또는 200mil인 상황에 스냅하거나 분석할 수 있다. 115mil을 보기 위해 설계자는 그리드 크기를 5mil로 변경해 툴이 그리드 지점에서 스냅할 수 있도록 해야 한다. 그러나 그리드 치수를 변경하면 문제 해결에 소요되는 시간과 더불어 매트릭스 크기가 커진다. 일부 경우 부분적으로 솔루션 공간이 다중 기가바이트의 메모리를 겨냥한 것일 수도 있기 때문에 설계자는 문제를 전혀 해결하지 못할 수 있다.

그림 3. 기본적인 맨해튼 그리드 기반의 EM 솔버는 그리드 치수를 사용하기 때문에“대/소”문제 (예를 들어 먼 거리와 작은 치수)가 나타나는데 최소 소자용 그리드를 제작하면 많은 메모리가 필요하고 최대 소자용 그리드를 제작하면 부정확성이 대두된다.

 또한, 일반적인 그리드 기반 EM 솔버는 작은 소자 또는 다른 크기의 소자 사이의 거리가 먼 ??큰/작은?? 문제를 겪을 수 있다. 그림 3에서 나선형 인덕터를 통해 이 문제를 목격할 수 있다. 분명한 것은, 너무 거친 메시가 사용되었고 충분히 정확하게 메싱되지 않았다는 점이다. 그 결과 시뮬레이터는 실제로 나선형 인덕터인 경우 이를 솔더 블롭으로 쉽게 분해할 수도 있다. 동일한 이슈가 그림 3의 구불구불한 라인에 대해서도 적용된다. 그 경우 필수적으로, 설계자가 가장 작은 소자를 통해 정확도를 얻기 위해 그리드를 생성한다면 결국 솔루션 공간이 매우 커질 수 있다. 매트릭스를 해결할 때의 일반적인 경험 법칙은 솔루션 공간이 증가함에 따라 필요한 계산의 수도 증가한다는 것이다(예: 2배 정도). 간단히 말해 ??큰/작은?? 문제는 설계자에게 매우 힘겨운 과제가 될 수 있다.

 고유한 등각 메싱 기법으로 인해 Momentum GX는 가장 작은 구조를 포함한 모든 구조에 대해 훨씬 더 정확하므로 "큰/작은" 문제를 극복할 수 있다. 그림 4는 그림 3에 나타난 것과 동일하며 Momentum GX에서 메싱된 네트워크를 보여준다. 가장 작은 소자에서도 정확도 손실이 발생하지 않는다는 점에 유의하라. 반대로, 작은 메시가 발생하는 경우에서도, 나선형 인덕터가 고유하게 메싱되고 정확한 결과를 얻기에 충분한 정보를 제공한다는 것을 분명히 알 수 있다. 이는 구불구불한 라인과 마이크로스트립 구성요소의 경우에도 마찬가지이다. 이 경우 조금 더 크게 메싱되어 설계자가 다양한 구조를 정확하게 시뮬레이션할 수 있다. 이 접근법을 사용할 경우 훨씬 적은 메모리가 요구되며 솔루션 속도로 더욱 빨라진다. 이 회로의 물리적 길이가 작동 주파수의 파장에 비해 작을 경우 설계자는 Momentum GX의 RF 모드를 사용하여 프로세스 속도를 훨씬 더 높일 수 있다.

그림 4. Momentum GX는 등각 메쉬 기술을 채택함으로써 모든 지오메트리의 시뮬레이션이 보다 정확할 뿐 아니라 필요한 메모리도 훨씬 적고 전반적인 솔루션 시간이 더욱 빨라졌다.

Momentum GX 사용

 Momentum GX는 WiMAX 회로 설계 시 특히 유용성을 발휘한다. Momentum GX의 사용을 보다 잘 이해하려면 3.4~ 3.6GHz 범위에서 작동하는 간단한 3폴 Butterworth 마이크로파 필터의 설계 예를 살펴보자. Genesys합성 툴은 빠르고 쉬운 필터 설계에 사용된다.

 시작을 위해, 설계자는 먼저 설계에 사용될 필터 유형, 모양 및 하위 유형을 선택하기 위해 탭 및 옵션 프로세스를 거쳐야 한다(그림 5참조). 선택되는 필터의 유형은 설계 규모, 제조의 규모와 용이성 측면에서 받아들일 수 있는 사항을 비롯한 여러 요소에 따라 좌우된다. 일부 필터는 다른 필터보다 긴밀한 간격 허용오차를 필요로 한다. 필터의 "생산 비용"도 필터의 반복적인 주파수 응답만큼 중요한 요소이다. 모든 분산 네트워크가 작동 주파수의 4분할파 또는 절반의 배수로 반복 주파수 응답을 보여준다는 사실에 주의하자. 예를 들어, 콘(cone) 필터는 다른 필터에 비해 가장 작은 크기를 제공하며 설계자가 반복 대역 통과가 발생할 위치를 선택할 수 있도록 해준다. 하지만 안타깝게도 캐패시터와 같은 구성요소를 더 많이 추가해야 하기 때문에 비용도 더 든다.

그림 5. Momentum GX 극초단파 필터 합성 다이얼로그를 통해 디자이너는 필터 유형(예; 대역 패스 도는 저역 패스), 필터 모양(예; Chebyshev 또는 Bessel), 그리고 필터 서브 타입(예; 스텝, 헤어핀, 에지 결합, 인터 디지털) 등을 포함하여 다양한 필터 디자인을 선택할 수 있다.

 필터를 선택한 후에는(이 경우, 에지 커플링 필터) 설계자가 50Ω 또는 다른 일부 임피던스 값을 가질 수 있는 레퍼런스 임피던스를 설정해야 한다. 이 필터가 다른 설계에도 포함된 경우 설계자는 더 높거나 낮은 레퍼런스 임피던스를 선택할 수도 있다. 그 다음에는 대역 에지에서의 감쇠, 필터 순서 및 주파수가 선택되므로, 설계자는 공진기, Zo를 제어할 수 있으며 공진기의 무부하 대기열을 최적화할 수 있다. 옵션으로서 설계자는 탭 입력 및 입력 라인의 길이를 지정할 수 있다. 필터 셋업 이후에는 레이아웃이 선택되고 생성된다. 제조 프로세스도 선택되고(예: 공면, 스트립 라인, 반전 스트립 라인, 마이크로스트립, 랩 라인 등), 설계에서는 Momentum GX를 통한 분석 준비가 완료된다.

그림 6은 선택한 필터를 위해 Momentum GX가 생성한 메시를 포함한 Momentum GX 시뮬레이션의 결과를 보여준다. 결과가 필터 응답의 변동을 보여준다는 점에 유의하라. 빨간색 트레이스는 합성된 선형 네트워크 응답을 나타내며 손실을 포함한다. 녹색 트레이스는 Momentum GX 시뮬레이션 또는 필터를 나타내며, 주파수에서 더 높은 편이가 발생했고 대역폭이 약간 감소했음을 보여준다. 다시 말해 필터가 약간 언더커플링되었으며 따라서 그 길이가 약간 길어졌다. 이는 쉽게 해결할 수 있는 문제이지만, 필터 성능을 정확하게 표시하는 Momentum GX의 기능이 없다면 발견하지 못했을 수도 있다.

그림 6. 일괄 회로와 Momentum GX 시뮬레이션 결과와 극초단파 필터 디자인의 사례가 예시되어 있다. 합성된 필터와 Momentum GX 반응 사이의 변동이 보인다.

 특히 10% 이상(예: 15% 정도)의 대역폭을 갖는 필터와 같은 일부 필터의 경우, 에지 커플링 필터 등에서의 입력 및 출력 커플링이 매우 좁아질 수 있다. 따라서, 제조 허용오차에서 이 수준을 유지하기란 매우 까다로울 수도 있다. Genesys는 이 이슈에 대한 해결 방법을 제공하는 탭 모델이 특징이지만, 폐쇄형 탭 모델은 정확도와 주파수가 제한된다(그림 7). Momentum GX는 필터 적합성을 구현하기 위해 탭을 리튜닝 또는 리포지셔닝함으로써 이 문제의 해결을 지원한다. 그런 다음 필터를 설계하는 데 사용되는 모델을 개선함으로써 추가 도움을 제공한다.

그림 7. 탭 입력 필터 모델은 추가 커플링 옵션을 추가함으로써 제조 가능성을 개선했다.

 이 시점에서, 설계는 제조가능성을 위한 임박한 검증 단계인 RTM(Re-lease to Manu-facturing) 준비가 거의 완료되었다. 이 단계는 매우 중요한데, 그 이유는 보드를 이전 단계로 돌려보냈다가 이 보드가 예상했던 것과 다르다는 사실만 알게 되면 매우 당혹스러울 것이기 때문이다. 이러한 위험을 최소화하기 위해서는 보드의 유전율을 스위핑해야 한다. 그림 8A는 범위가 4.1~4.9GHz인 Er의 Momentum GX 스웹트 시뮬레이션 결과를 보여준다. 중심 주파수가 3.3GHz에서 3.6GHz로 변경된 점에 유의하자. 이 정보를 통해 설계자는 제조 프로세스 또는 기판의 유전율에 대한 허용오차를 지정할 수 있다. 그림 8B는 해당 필터에 대한 라인의 간격 치수 및 폭에 기반한 몬테 카를로 선형 분석을 보여준다.

 이 예에서 얻을 수 있는 다음과 같은 많은 주요 교훈이 있다.

▶폐쇄형 분산 모델은 제한된다. 방사 효과와 손실 모델링은 주파수와 정확도 측면에서 제한된다.

▶인접 컨덕터 커플링은 두꺼운 메탈을 설명하지 못한다. 다시 말해 두께가 0인 라인은 실제로 없다.

▶경유 모델은 일반적으로 동급의 집중형 모델로 제한되며 비인접 커플링은 존재하지 않는다. 라인 간 커플링을 위한 모델은 단일 쌍 커플링 라인에만 사용된다. 이들 모델은 모양에 영향을 미치거나 미칠 수 있는 3번째 또는 4번째 공진기는 고려하지 않는다.

▶제조용이성을 보장하려면 스웹트 분석이 필요하다.

결론

 WiMAX, 특히 모바일 WiMAX는 오늘날 신흥 이동통신 시장이다. WiMAX의 확산은 현재 시장 수요에 부응하는 것과 관련된 다양한 설계 과제를 극복할 수 있는 설계자 역량에 의해 결정될 것이다. Genesys 제품 패키지에 추가된 Momentum GX는 이제 설계자에게 패시브 회로 및 회로 모델의 범위와 정확도를 크게 확장하는 데 필요한 기능과 유연성을 제공한다. 고유한 메싱 기술과 다중 계층에서 임의 모양을 분석하는 것은 물론 커플링 및 기생 효과를 시뮬레이션할 때 실세계 설계 구조도 고려할 수 있는 기능을 갖춘 Momentum GX는 1차 통과 설계의 성공을 보장하기 위한 필수 불가결한 툴이다.