2011년 10월 18일 화요일

[자료: RF 기초 강의실] RF란 무엇인가

자료: http://www.rfdh.com/bas_rf/begin/whatisrf.php3
출처: RF 기초 강의실 ( )

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[임시알림] 본 글은 기존의 RF&통신 메뉴의 기초강의실 업그레이드판입니다.
RF 란 정확히 어떤 분야, 어떤 일, 어떤 물건을 지칭하는 걸까요? RF를 오래 해오신 분들에게야 뭐 어렵겠냐 싶은 문제겠지만, 아직 RF에 익숙치 않으신 분이라면 아마도 알딸딸 아리까리 하실 수도 있을 것입니다. 본 글은 RF의 범주가 어떻냐를 논하기 전에, RF란 정확히 뭘 말하는 건지 명확히 정의해 드리기 위해 아주 기초적으로 정리한 글입니다. RF가 뭔지 잘 모르시겠단 분들은, 차근차근 꼼꼼히 읽어보시기 바랍니다. ^^

 RF = 무선 (Wireless)
거두 절미하고, RF 니 뭐니 하는 건 우선 '무선(Wireless)'의 무언가를 말하고 있습니다. 무언가를 전달하거나 감지하는데, 전선 같은게 필요없이 그냥 선 없이 처리 가능하다는 것이지요. 우리 주변에 무선으로 동작하는 것은 사방에 널려 있기 때문에, 일반인에게도 무선이란 단어는 친숙한 단어입니다.
- 누구나 가지고 다니는 핸드폰, 삐삐 - 집에서 흔히 사용하는 무선전화 - 무선 자동차 시동기 (일명 삑삑이) - 버스카드, 교통카드, 신분증 태그 - 쇼핑센터의 무선 RF 바코드 태그 - 텔레비젼, 라디오, 방송 - GPS, 위치인식 - 일기예보 (기상 레이더)
위에 열거한 것들은 현대인이라면 누구나 소지하거나 접하는, 아주 흔한 것들이죠. 즉 RF가 뭔지 모른다 해도 무선이란 개념에 대해선 너무 익숙해서 그다지 신기해하는 사람도 없습니다. 기술적 배경을 모르는 일반인에게, 무선하면 제일 먼저 떠오르는 게 뭐냐고 물어보면 대부분 비슷한 답을 하게 됩니다. 바로 "안테나"이죠. 안테나는 무선기기에서 가장 티나게 밖에 나와 있는 녀석이다보니 누구에게나 친숙한 RF component가 되었지요. 하지만 안테나가 무선 RF의 전부일까요? 당연히 그럴리가 없겠죠. ^^;

물론 안테나는 매우 중요한 부품인 것은 사실이지만, 무선시스템의 일부 일뿐입니다. 그저 특성상 잘 보이게 밖에 달아야 하는 경우가 많기 때문에 대표적인 상징처럼 여겨질 뿐, 진짜 핵심은 바로 안테나를 포함한, 그 밑에 연결된 무선 주파수 송수신부입니다.
우리가 RF라 불리우는 '기술적 영역' 은 바로 저 무선 송수신부 전체를 의미하게 됩니다. 신호를 고주파로 올려서 각종 증폭, 필터링 등의 과정을 거쳐 보내고 받는 정밀한 아날로그 회로단이죠. 안테나와 그 안테나로 전파를 쏘고 받기 위한 각종 회로, 구조물, 주변장치 전반이 바로 RF라 불리우는 분야입니다.

주의할 점은, 무선장치 전체를 RF라고 하지는 않습니다. 무선 송수신 장치에는 디지털부도 있고 논리처리부도 있습니다. RF 부는 그러한 데이터를 유선으로 보내지 않고, 무선화해서 보내기 위해 존재하는 각종 아날로그 신호처리단을 말하게 됩니다.

무선이라는 시스템을 어떻게 만드는 걸까?
바로 그 해답을 쥐고 있는 기술, 그것을 바로 RF라 부르는 것입니다.

 전파 (Electromagnetic Wave)

일단 무선이란게 성립하려면, 전선이 아닌 공기중에 신호를 보내고 받아야 하겠지요. 바로 그러한 역할을 하는게 전파입니다. 학문적으로 정확히 풀어서 정의하면 전자기파 (Electromagnetic Wave)라고 부르는 전자기적 파동에 의해, 정보가 선 없이도 오갈 수 있게 된 것이지요.
공기 혹은 부도체를 매질로 전자기적 파동이 전해지는 이러한 현상을 통해 우리는 무선의 RF 시스템을 구축할 수 있게 됩니다. 이러한 전자기파는 옛~날 Maxwell이란 사람이 이론적으로 수식계산을 하다가 그 존재를 예측했고,(참 똑똑한 양반..) 설마하고 그걸 연구하던 Hertz 란 사람이 실험을 통해 전자기파가 존재함을 증명했습니다. 그 뒤에 상업적 혜안이 밝은 사업가인 Marconi란 사람이 무선전신을 성공시켜 상업화에 대성공시키면서, 전파란 존재는 아주 친숙한 존재가 되어 버린 것이죠.
실제로, 눈에 안보이는 전파로 신호를 변환해서 보내고 받는 안테나 이외의 부분은, 모두 선로로 연결된 유선회로입니다. 안테나 밑에 위치한 송수신부의 각종 회로들은 하나하나 전송선로를 이용해 물리적으로 연결됨으로써 시스템이 구성되고 있지요. 안테나는 이러한 유선상의 교류(AC)신호를 전자기파로 변환해주는 역할, 또는 그 반대 역할을 하고 있습니다.
img1.gif
그래서 어찌보면, RF 시스템에서 직접적으로 전파와 관련된 장비는 안테나 뿐입니다. 나머지는 밑에서 유선으로 동작하는 평범한 전자회로 처럼 보이는데.. 결국 그냥 그런 유선 전자회로랑 그게그거 아닌가? 라는 생각이 들지도 모릅니다. 과연 그럴까요?
RF회로가 다른 전자회로와 구분지어 설명되고 특별한 놈처럼 다루어지는 이유는, 전파를 다루는 무선회로라는 점 때문이 아닙니다. 더 큰 이유는, 바로 아래에 설명되는 문제 때문입니다.

 고주파 (High Frequency)는 어려워!
실제로 RF가 특수하다거나, 어렵게 느껴지게 되는 가장 큰 원인은, RF에서 다루는 주파수가 매우 높은 고주파가 많기 때문입니다. 주파수가 높으면 파장이 짧아지고, 그 때문에 선로간 간섭도 심해지며 선로길이 하나하나가 회로소자로 동작해 버리면서 설계가 점점 까다로와 집니다.
저주파에서는 회로가 설계된대로 동작되는 경우가 많습니다. 특히 디지털의 경우, 많은 특성을 미리 예상해서 거의 적중시킬 수 있습니다. 하지만 고주파 아날로그 RF에선 얘기가 좀 다릅니다. 설계된 그대로 동작하는 경우가 오히려 드물지요. 그래서 RF에는 제작 후에 특성을 조율하는 단계인 '튜닝'이 아주 필수적인 코스가 되어버립니다.
그렇다면 왜 이렇게 힘들게 고주파를 써야만 할까요??
이 문제는 각종 교재에 잘 설명되어 있고, 여러 가지 답이 존재합니다. 성능적 문제, 에러에 강하게 하기 위한 내성 문제등등.. 하지만 아주 근본적으로 피할 수 없는 현실적 제 1 원인이 있습니다.
같은 지역, 같은 주파수에서 동시에 여러 신호가 겹치면 바로 '혼선'이 발생해 버리게 되지요. 마치 내가 전화하는데 남의 전화소리가 치고 들어와서 혼선이 일어나듯이..... 물론 CDMA와 같은 고성능 디지털 변복조 시스템에선 같은 주파수 대역에서 수십명까진 동시에 통신이 가능하지만, 특수한 경우입니다.
기본적으로 동일한 공간에서 종류가 다른 신호는 서로 다른 주파수를 써야만 합니다. 이정도는 일반인 및 초보자도 쉽게 이해할 수 있습니다. 하지만 문제는, 주파수를 사용해야 할 무선장치는 수도 없이 많은데 주파수라는 것은 제한되어 있다는 점입니다.
TV, 라디오, 인공위성, 핸드폰, 삐삐, 무선전화, 무전기 등등 무선장비는 수도 없이 우리 주변에 많은데, 새로운 주파수를 할당하려 하다보면 점점 더 높은 주파수를 쓸 수밖에 없게 됩니다. 이러한 주파수 자원부족에 대한 문제는 성능이니 이론이니를 따질 필요도 없이 현실적으로 제한되는 문제인 것이지요.
예를 들어 Cellular 이동전화(011,017)은 800MHz 대에서 사용주파수가 정해지고, PCS(016,018,019)는 1.8GHz에서 정해졌습니다. 하지만 단순히 주파수의 회절이나 투과, 전파거리등에 의한 통화품질을 놓고 본다면 낮은 주파수인 800MHz가 유리한 점이 많습니다. 그렇다면 왜 PCS 서비스는 1.8GHz를 선택했을까요? 그렇죠. 답은 간단합니다. 한참 나중에 출범한 이동통신 서비스가 쓸만한 주파수대역으로 남은게 그 주파수였으니까요 ^^;
물론 실제로 저렇게 단순하게만 정한 것은 아니지만, 어쨌건 시스템이 발달할수록 저주파쪽은 더 이상 쓸 주파수대가 남아있지 않아서 점점 높은 주파수로 올라가서 쓰는 수밖에 없게 됩니다.
그러다 보니 자연~스럽게 고주파 신호처리에 대한 기술이 점점 발달될 수밖에 없습니다. 역으로, 고주파 RF 기술이 점점 더 발달됨에 따라 높은 주파수를 활용하는 것이 점점 더 쉬워지게 된 것이기도 하구요.
물론 고주파가 된다고 단점만 있는건 결코 아닙니다. 회로나 시스템 자체를 만들기가 어렵긴 하지만, 주파수가 높기 때문에 파장이 짧은 점을 이용하여 안테나나 회로를 좀더 작게 만들 수 있습니다. 그때문에 시스템을 작게 만들기 위해서라도 고주파가 유리해서 선택하는 경우도 많습니다. 여러분 주변에, 800MHz를 사용하는 011 핸드폰과 1.8GHz를 사용하는 016 핸드폰의 안테나를 뽑아서 길이를 한번 비교해보세요. 파장이 짧은 016 쪽이 안테나가 더 짧다는 것을 확인할 수 있습니다. (안테나로 귀를 파는 행위는 삼갑시다) 또한 고주파에선 어쩔 수 없이 넓은 대역폭을 사용하게 되는데, 그 때문에 부수적으로 더 많은 양의 데이터를 전송할 수 있는 능력도 겸하게 됩니다.
고주파 회로에서는 일반 저주파 전자회로 개념에 +α 가 필요합니다. 맘먹은대로 만 안되기 때문에 다른 어떤 분야보다도 노하우가 중요하고, 설계 자체보다 실제에서 어떻게 구현하느냐가 더욱 어려운 분야가 바로 RF이지요. 정말 정상적으로는 예측하기 어려운 요상한 문제들을 많이 만나게 됩니다.
다르게 말하면, RF는 참으로 다른 어느 분야보다 노가다가 많이 필요한 분야입니다.. -.,-

 Radio(라디오)
자, 이번엔 단어의 어원도 한번 풀어헤쳐 보겠습니다. RF는 Radio Frequency의 약자입니다.
말만 들어선 라디오의 주파수처럼 해석됩니다. 그렇다면 89.1MHz는 KBS, 91.9MHz는 MBC , 95.1MHz는 교통방송... 이런 라디오 주파수를 말하는 걸까요?? 의외로 처음들었을 때 이런 생각을 하시는 분들이 여럿 계시더군요.
어원부터 꼼꼼하게 짚고 넘어가도록 하겠습니다. 우선, 두산대백과 사전의 정의에 의하면 Radio의 정의는 아래와 같습니다.
라디오 (radio)
본래는 넓은 의미에서의 무선 전체를 가리키는 말이었으나 이것이 변천되어 전파에 의한 음성방송과 이를 수신하는 기기, 즉 수신기를 가리키게 되었다. 라디오는 사용주파수대에 따라서 중파방송(표준방송)·단파방송·초단파방송(FM방송)으로 분류되며..... 어쩌구저쩌구이러쿵저러쿵 (중략)
그리고 만약 주변에 영영사전이 있으시다면, Radio 라는 단어를 찾아보시기 바랍니다. 아마 이렇게 나와있을 것입니다.
Radio = Wireless
그렇습니다. 애초부터 Radio란 말의 원래 어원은 선(wire)이 없는(less), 즉 '무선'이라는 의미이며, Radiate (전자파,파동,열 등을 복사하다) 라는 단어와 같은 어원을 갖고 있습니다.
다시 정의하면, Radio란 말의 근원적 정의는 결국 '무선'이라는 개념 전체를 지칭하는 것입니다. 우리가 흔히 말하는 전파음성방송을 의미하는 공중파 라디오는, 전파란 것이 처음 알려지기 시작하면서 가장 대중에게 친숙한 무선매체가 되어버렷기 때문에 '라디오(무선)'이라는 명칭이 그대로 정착화된 것입니다.

 Frequency (주파수)
고등학교 시간에 배우는 파동에 대해 다시 한번 간략히 정의해 보도록 하겠습니다.
f : 주파수 (frequency)
T : 신호의 주기 (Period)
λ : 파장 (Wavelength)
c : 빛의 속도 (3 x 10^8 m/s)
모든 신호는 주기적 교류파형 형태를 가지며, 저러한 일정한 sine 파형을 정해진 룰로 왜곡(변조 = modulation) 시켜서 어떤 의미를 담아 전달하게 됩니다.
주기(T)는 신호가 다시 원래 위치로 돌아오는 시간을 의미하며, 주파수는 T의 역수로써 결국 1초동안 몇 번 진동하느냐?를 나타내는 진동수입니다. 주파수가 높다는 의미는, 저 위의 고주파 설명 부분에 나온 그림처럼 정해진 시간동안 파형이 훨씬 빽빽해진다는 의미가 됩니다.
그리고 파장(λ : 람다)은 한 주기에 빛의 속도를 곱한, 즉 빛의 속도를 주파수로 나눈 값입니다. 파장이 의미하는 바는 실제의 물리적인 전자기파동의 한주기 길이를 의미하게 됩니다. 아래에 여러 주파수의 공기중 파장을 간단하게 계산한 표를 나타내었습니다.
주파수
파장
100 MHz
3 m
300 MHz
1 m
1GHz
30 cm
2 GHz
15 cm
3 GHz
10 cm
30 GHz
1 cm
100 GHz
3 mm
전자기파 자체는 파동을 의미하기 때문에, 반드시 주파수가 존재합니다. 또한 그 주파수에 따라 참으로 다양한 특성을 나타내게 되지요.
RF (Radio Frequency)라는 말에서 주요한 의미는 사실 'Radio' 라는 단어에 몰려있습니다. 무선을 의미하는 Radio와, 주파수를 의미하는 Frequency가 합쳐진 RF(무선주파수)라는 말은, 결국 가장 핵심이 되는 이 두 개념을 적당히 버무린 단어입니다.

 Microwave & Millimeter wave
RF 분야에서 Microwave (마이크로웨이브) 라는 말을 자주 접하게 되는데, RF와 Microwave의 차이가 뭔지 모르겠다는 분들도 많습니다. 다시 정의한다면, RF는 어떤 무선장비분야를 통칭하는 기술분야입니다. 그에 반해 Microwave는 특정한 주파수 대역을 일컫는 주파수 명칭입니다.
통상 고주파라 많이 불리우는 Microwave는 300MHz ~ 300GHz의 주파수 대역을 부르는 학문적 용어입니다. 실제로 Microwave가 고주파 대역자체를 지칭하는 말이기 때문에, 결국 마이크로웨이브 = 고주파 라는 식의 해석으로 용어가 사용되는 경우도 많습니다.
여기서 Micro(마이크로)의 의미는, 파장이 매우 작아진다라는 의미입니다. 간혹 파장이 마이크로미터(μm)단위여서 그렇게 부르는거 아닌가 혼동하시는 분들이 있는데, 절대 아닙니다. 그냥 파장이 작다는 의미로 쓰인 접두사입니다. 이러한 Microwave 주파수 대역은 범위에 따라 여러 가지 band 명칭이 있는데, 아래와 같습니다.
RF쟁이라면 주파수 범위에 따른 명칭들을 알고 있으면 도움이 많이 될 것입니다. 일반적으로 이동통신은 현재 L band에서 중점적으로 이루어지고 있고, S band에서는 차세대의 여러 통신이 준비되고 있습니다. C band나 X band 쯤 되면 주로 위성통신용으로 많이 사용되고, 그이상의 주파수 Ku, K, Ka band는 위성, LMDS, 군사용 등 분야에 적용됩니다.
반면, Millimeter wave라는 용어가 있습니다. 여기서 밀리미터(mm)는 정말로 파장이 mm 단위급인 주파수를 말합니다. 1GHz에서의 공기중 파장은 30cm입니다. 10GHz의 파장은 3cm, 30GHz의 파장은 1cm가 되어, 30GHz가 넘어가면 파장이 cm 이하의 mm단위로 내려가 버리게 되죠. 바로 그래서 30GHz 이상의 아주 고주파는 Millimeter wave 라는 명칭으로 따로 부르기도 합니다. 즉 Millimeter wave는 Microwave 중에서도 더 높은 대역을 일컫는 별도의 용어이지요.
언뜻 보면 Microwave는 Millimeter wave보다 더더욱 파장이 작은, 즉 파장이 mm단위가 아니라 μm 라서 더욱 높은 고주파를 부르는 말인 줄로 혼동하는 경우를 종종 봅니다. 다시한번 정의하지만, Microwave는 매우 작은 파장을 가지는 주파수대역이란 의미에서의 접두사 Micro- 입니다.
그런데 실제로는 30GHz에서부터 딱 잘라서 Millimeter wave 라고 부르지는 않고, 10GHz 후반이나 20GHz 대역 역시 그냥 Millimeter wave에 포함해서 부르긴 합니다. 왜냐면 20GHz나 30GHz나 설계방법, 접근방법 및 측정 방법도 비슷해지기 때문입니다. 하지만 그 이전의 주파수와는 확연히 구분되기 때문에 실제로 20GHz가 넘으면 Millimeter wave로 칭하게 됩니다.
용어의 정의에만 너무 얽매이면 안되지용~ RF용어에도 다 유도리가 있습니다.

 RF란?
RF에서 꼭 기억해야 할 키워드는 아래의 두 단어입니다.
무선 (Wireless) 고주파 (High Frequency)
결국 RF가 의미하는 것은 아래와 같습니다.
 100~300Mhz 이상의 고주파 무선통신 및 고주파를 이용하는 장비설계, 연구 공학분야 일체
이러한 RF의 개념을 더욱 깊이 하고픈 분은 아래 글을 연속적으로 참고하시기 바랍니다.

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