무선(OTA) 테스트 방법에 대한 필요성 대두
밀리미터파(mmWave) 기술의 도입은 5G 상용화와 동의어이며, 더 빠른 연결 속도에 대한 초기 결과는 놀라울 정도입니다. 예를 들어, 밀리미터파 대역을 활용하면 1~2Gbps의 연결 속도를 기대할 수 있어, 일반적인 HD 영화 한 편을 1분도 채 걸리지 않아 다운로드할 수 있습니다. 또한 30 Mbps의 업로드 속도는 영상을 클라우드에 기록적인 속도로 전송할 수 있게 해줍니다. 이러한 사용자 경험은 스마트폰과 스몰 셀 간의 안테나 연결을 통해 가능해지며, 자세히 살펴볼 가치가 있습니다.
이전 블로그 게시물에서, '5G로의 대이동이 시작되었다'에서 5G-IF 메커니즘을 포함한 신호 분배 인프라에 대해 다뤘습니다. 이번 후속 글에서는 스마트폰의 안테나 역할을 하는 밀리미터파(mmWave) 빔포밍 모듈의 놀라운 기술적 성과와 설계부터 생산에 이르는 워크플로우를 살펴보겠습니다.
링크 예산에 따른 설계
설계 단계에서는 링크 예산을 준수하기 위해 모든 무선 링크에 대해 철저한 계산을 수행해야 합니다. 이러한 계산은 최적의 성능을 보장하기 위해 다음 그림에서 간략하게 설명된 바와 같이 무선 매개변수를 기반으로 이루어집니다. 이 경우, 단일 안테나 소자가 아닌 안테나 어레이가 사용된 것으로 보아 밀리미터파(mmWave) 애플리케이션에 중점을 두고 있습니다.
링크의 송신 측에서는 송신 전력(PTX)과 송신 안테나 이득(GTX)이 커버리지의 초기 조건을 설정합니다. 수신 측에서는 수신 전력(PRX)과 수신 안테나 이득(GRX)이 링크를 완성합니다. 송신기와 수신기 사이의 거리(D)는 커버리지에 대한 제약 조건을 결정합니다. 이러한 링크 예산 계산을 지배하는 것은 1945년 벨 연구소의 헤럴드 T. 프리스(Herald T. Friis)가 도출한 프리스 방정식입니다.
마지막으로, 링크 예산 산정 시 다음과 같은 대기 흡수 특성, 특히 주파수가 높아질수록 증가하는 감쇠 현상을 고려해야 하며, 이는 고도와 습도 수준에 따라 달라질 수 있습니다.
밀리미터파(mmWave) 통신 링크의 기술적 경이로움은 프리스(Friis) 방정식에서 다루는 안테나 이득과 관련이 있습니다. 파장이 짧아질수록(예: 60GHz의 경우 5mm), 전기적으로 큰 안테나 어레이를 구축하여 이득을 높일 수 있습니다. 사실, 5G용 밀리미터파 통신 링크를 진정으로 가능하게 하는 것은 바로 이러한 빔포밍 기술입니다.
패키지 내 안테나(AiP)
5G 스마트폰을 분해해 보면 알 수 있듯이, 미리 정해진 밀리미터파(mmWave) 링크 예산에 부합하도록 기기 전체에 여러 개의 안테나 모듈이 배치되어 있습니다. 이러한 안테나 모듈은 퀄컴(Qualcomm)의 다음 안테나 인 패키지(AiP)와 유사한 형태를 띠며, 이는 대량 생산을 고려할 때 시험 대상 장치(DUT)가 됩니다.
이 안테나 모듈은 얇은 두께로 설계되어 소형 5G 스마트폰 디자인에 완벽하게 통합됩니다. 밀리미터파(mmWave) 기술 구현의 일환으로, 이 안테나 모듈이 5G 스마트폰의 외곽을 따라 여러 개 배치됩니다. 마찬가지로, 연결을 수립하기 위해서는 스몰 셀 기지국에도 이에 대응하는 안테나가 필요합니다. 이러한 방식으로 밀리미터파 링크를 통해 데이터를 전송할 준비가 완료됩니다.
선구적인 새로운 무선 전송 테스트 방법
탐구해야 할 과제는 송수신 작동을 위한 내장형 밀리미터파 회로와 빔포밍 안테나 구조가 탑재된 이 신형 밀리미터파 장치를 어떻게 테스트할 것인가 하는 점입니다. 안테나가 패키지의 일부로 포함된 만큼, 테스트 방식도 대량 생산 환경에서 활용하기 편리한 무선(OTA) 방식을 포함하도록 발전해야 합니다.
안테나에 대한 간단한 설명을 드리자면, 설계 단계에서 이 무선 장치의 특성을 분석하기 위해서는 무반향실이 필요합니다. 실제 배치 환경을 모방하는 이 원거리장(far-field) 접근 방식에서는, 장치를 받침대 위에 올려놓고 회전시켜 피시험 장치(DUT)의 물리적 방향에 따른 안테나 방사 패턴을 확인합니다. 이 챔버는 두 가지 목적을 수행합니다. 첫째, 주변 신호의 간섭을 방지하고, 둘째, 반사가 없는 테스트 환경을 조성합니다. 챔버의 전체 크기는 작동 파장에 비례하며, 밀리미터파(mmWave) 기술의 경우 챔버는 비교적 작습니다. 하지만 양산에 필요한 수준의 자동화를 구현하기에는 충분히 작지 않습니다.
OTA 삽입을 구현하기 위해 필요한 공정은 다음의 새로운 실리콘 워크플로우에 나와 있습니다. 웨이퍼 선별 후, 빔포밍 모듈은 패키징 결함(및 이상치)을 파악하기 위한 테스트가 필요합니다. 사이트 밀도가 높은 OTA 삽입 방식은 테스트 비용을 절감하고(사이트 밀도가 낮은 방식에 비해) 밀리미터파 기술의 도입을 가속화할 것입니다.
웨이퍼 선별 단계에서 RFIC 테스트의 워크플로는, 안테나 구조가 적용된 후속 패키징 공정을 위해 ‘정상 칩(KGD)’을 확보해야 한다는 점에서 매우 명확합니다. 따라서 핵심 과제는 대량 생산에 대응할 수 있는 OTA 솔루션을 어떻게 구축할 것인가 하는 점에 있습니다.
OTA 설계에서 챔버의 중요성
먼저, 테스트 전략의 일환으로 단일 사이트 설계 방식을 고려합니다. 이후, 이 단일 사이트 설계는 테스트 비용 목표를 충족하기 위해 원하는 사이트 밀도로 쉽게 확장될 수 있어야 합니다. 이 설계 방식은 사용 가능한 설치 공간, 안테나 배치, 부품 취급 및 향후 사이트 밀도 증가에 대비하기 위해 표준 핸들러를 선정하는 것에서 시작됩니다. 표준 핸들러를 활용하면 기존 RF 핸들러를 통해 규모의 경제 효과를 얻어 비용을 절감할 수 있습니다.
무반향실 방식과 비교했을 때 가장 먼저 제기되는 문제는, 기존의 챔버 크기(소형 모델이라 할지라도)로는 표준 핸들러와 연동하는 데 실용적이지 않다는 점입니다. 대신, 밀리미터파(mmWave)의 모범 사례를 반영하여 최적화되고, 더 높은 사이트 밀도로 확장 가능한 길을 열어줄 수 있는 더 작은 크기의 챔버가 필요합니다. 각 무반향실은 마찬가지로 피시험 장치(DUT)를 밀폐해야 하며, 목표 파장과 패키지 크기에 따라 추가적인 설계 최적화가 필요할 것입니다.
다음으로, 전체 테스트 전략의 일환으로 챔버 설계 과정을 살펴보겠습니다. 일반적으로 검증된 엔지니어링 평가 키트를 출발점으로 삼지만, 그렇지 않은 경우에는 처음부터 새로운 설계를 해야 합니다. 어느 쪽이든, 챔버 설계에는 대개 안테나 전문가가 모델을 구축하여 원거리 필드(far-field)를 설계해야 하며, 이를 통해 대형 무반향실과 소형 양산용 챔버 간의 예측 결과와 실제 결과를 비교할 수 있게 됩니다. 다시 강조하자면, 이 허가된 밀리미터파 대역에서는 1dB의 차이도 중요하므로, 이 단일 테스트 사이트에서 재현 가능한 결과를 도출해야 합니다. 챔버 설계의 복잡성은 결코 사소하지 않으며, 안테나 패키지의 폼 팩터, 크기, 빔포밍 안테나 레이아웃은 물론, 밀리미터파 모듈이 실제 배포를 위해 최적화되는 과정에서 발생할 수 있는 다양한 변수까지 모두 수용해야 합니다.
챔버 설계와 더불어, 신호 분배를 포함한 물리 계층 상호 연결의 필수 요건도 충족해야 합니다. 단일 사이트 설계는 전자기(EM) 신호의 수평 및 수직 편파를 모두 포함하여 빔포밍 안테나의 조준선을 최적화할 것이며, 이는 해결하기 그리 어렵지 않은 문제입니다.
인터커넥트 및 챔버 설계와 관련하여, 안테나 빔포밍 기능에 대한 테스트 전략을 수립해야 하며, 이는 (전체 빔포밍 패턴이 아닌) 개별 안테나 소자를 테스트하는 방식이 가장 비용 효율적입니다. 이를 위해서는 테스트 안테나를 피시험 장치(DUT)에 대해 정밀하게 배치해야 합니다. 이 단계에서는 테스트 결과의 재현성과 정확성을 모두 보장하기 위해 수많은 기계적 및 전자기적 과제를 해결해야 합니다. 또한 예측 결과와 실제 결과를 비교하기 위해 밀리미터파(mmWave) 전문 지식, 정밀한 기계 가공 기술, 그리고 세심한 시뮬레이션 작업이 필요합니다.
마지막으로, 피시험 장치(DUT)에 대한 적절한 단일 사이트 테스트 설계가 마련되었으므로, 이제 교정 및 유지보수 문제(예: 교체 키트)를 포함한 실제 테스트 커버리지를 고려해야 합니다. 테스트 비용을 최소화하기 위해 고려해 볼 만한 몇 가지 널리 사용되는 루프백 방식이 있습니다:
- 리크백(Leakback). 이 가장 비용이 적게 드는 방식은 피시험 장치(DUT)를 작동시킨 후 안테나 노드 간에 발생하는 누설 전류를 측정하여 DUT의 품질을 대략적으로 평가합니다. DUT는 이러한 방식으로 작동하도록 설계되지 않았기 때문에 선호되는 방법은 아닙니다.
- 라디에이트백(Radiateback). 이는 외부 반사기를 사용하여 안테나 노드에 피드백 메커니즘을 도입함으로써 (리크백 방식에 비해) 피시험 장치(DUT)의 품질을 더 정밀하게 평가할 수 있게 해주는, 비용이 더 많이 드는 방식입니다. 하지만 수신 경로에 과도한 전력이 유입되는 경우가 많고, 피시험 장치가 이러한 방식으로 작동하도록 설계되지 않았다는 점에서 이 방식 또한 이상적이지 않습니다.
- 방사 시험. 이 방식은 피시험 장치(DUT)와 시험기가 적절한 신호 레벨로 상호작용하여 합격/불합격 여부를 판단하는 보다 정량적인 시험을 수행할 수 있다는 점에서 무반향실 방식과 가장 유사합니다. 또한 이 특성 분석 방식을 통해 피시험 장치(DUT)를 교정할 수도 있습니다.
이 단일 사이트 OTA 설계 프로세스의 각 단계는 타당하지만, 전체 시스템 엔지니어링 작업량을 감당하려면 전문가 수준의 다학제적 팀이 필요합니다. 더욱 복잡한 점은 이 프로세스가 소비자 가전 제품의 특성을 지니고 있어 패키지 크기, 폼 팩터 및 안테나 배치에 대해 여러 차례의 반복 작업이 필요할 가능성이 높다는 것입니다. 단일 DUT는 물론 서로 다른 대역에서 작동하는 여러 DUT에 대한 운영을 효율화하기 위해서는 전체 워크플로우를 아우르는 단일 사이트 OTA 설계 프로세스가 필요합니다. 또한 양산 친화적인 환경을 위한 OTA 설비를 구축하는 데 있어 챔버 설계가 가장 중요합니다. 이러한 단일 사이트 OTA 설계 프로세스는 표준 핸들러 기능을 활용하여 현재 및 미래의 다양한 제품 조합에 대한 목표 생산 예산을 달성하는 데까지 확장 적용될 수 있습니다.
테라다인의 밀리미터파용 OTA 솔루션
직접 해결하려는 방식이 공급망 관리에 차질을 빚기 전에, 테라다인의 밀리미터파(mmWave) 애플리케이션용 양산 준비 완료 OTA 솔루션을 검토해 보시기 바랍니다. 당사의 시스템 엔지니어링 접근 방식은 OTA 테스트 방법이 필요한 신형 기기를 위한 설계부터 양산까지의 워크플로를 지원합니다. 테라다인은 대량 생산 모범 사례를 준수하여 워크플로 문제를 해결함으로써, 양산까지의 시간을 단축하는 데 기여합니다.
테라다인(Teradyne)은 신흥 밀리미터파(mmWave) 테스트 방법론 분야의 자랑스러운 선구자입니다. 당사의 전문가급 다학제 팀은 설계부터 생산에 이르는 귀사의 운영 프로세스를 효율화할 수 있는 특허 받은 방법을 보유하고 있으며, 여기에는 맞춤형 무반향실 요소를 통합한 x8 사이트 기반의 최종 핸들러 솔루션이 포함됩니다. 이 워크플로에는 단일 사이트 설계 및 다중 사이트로의 확장성뿐만 아니라, 시뮬레이션 예측 결과와 실제 결과를 비교하기 위한 모범 사례도 포함되어 있습니다. 이를 통해 신흥 기기들에 대해 재현 가능한 OTA 결과를 제공하는 검증된 솔루션을 바탕으로 생산까지의 시간을 단축할 수 있습니다.
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데이비드 본드란 테라다인(Teradyne)의 무선 제품 매니저로, 밀리미터파(mmWave) 애플리케이션을 포함한 대량 생산용 ATE 솔루션을 담당하고 있습니다. 그는 록웰 인터내셔널(Rockwell International), 왓킨스-존슨(Watkins-Johnson), 퍼시픽 모노리틱스(Pacific Monolithics), 캘리포니아 마이크로웨이브(California Microwave), 안리쓰(Anritsu), OML, 라이트포인트(LitePoint), 어드밴테스트(Advantest), 아스트로닉스 테스트 시스템즈(Astronics Test Systems) 등에서 엔지니어링 및 마케팅 직책을 역임했습니다. 데이비드는 캘리포니아 주립 폴리테크닉 대학교 포모나(California State Polytechnic University, Pomona)에서 전기공학 학사 학위를 취득했습니다.