RF 설계 프로토타입 개발을 위한 더 나은 방법: X-Microwave

글: 제이콥 치올피(Jacob Ciolfi) 어소시에이트 센트럴 애플리케이션 엔지니어 / 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)


개요

오늘날 평가 보드 기반의 RF 설계 프로토타입 개발은 상당한 엔지니어링 시간과 자원을 필요로 하면서도, 결과물은 단일 보드로 제작했을 때의 최종 시스템 성능을 정확히 반영하지 못한다. X-Microwave 모듈형 시스템을 사용해서 RF 설계 프로토타입을 개발함으로써 RF 신호 체인 테스트에 소요되는 시간과 자원을 크게 줄일 수 있다. 60GHz까지, 깔끔하고 컴팩트하면서 PCB 성능에 가까운 프로토타입을 한나절만에 구축 및 테스트할 수 있기 때문이다. 이 글에서는 X-Microwave 플랫폼과 이 플랫폼의 장점, 이 플랫폼을 사용한 프로토타입 개발 절차에 대해서 설명한다.

머리말

RF 설계의 통상적인 프로토타입 개발 절차는 신호 체인 상의 각 부품에 대해서 평가 보드를 입수하고 RF 케이블로 보드들을 연결해서 단일 PCB로 제작했을 때 전체 신호 체인이 어떻게 동작할지를 대략적으로 가늠해 보는 것이다. 그런데 이 방법은 길게 이어진 평가 보드 PCB 트레이스와 많은 양의 케이블과 커넥터로 인해 상당한 삽입 손실이 발생한다. 각 평가 보드마다 서로 다른 특정 전압 요건들 때문에 프로토타입 결과물을 작동시키는 데에도 상당한 시간과 노력이 들어가야 한다. 또한 RF 부품이 특정한 전원 레일 시퀀싱으로 다중 전압을 필요로 하는 경우도 드물지 않은데, 위반될 경우 부품을 손상시킬 수 있다. 전원과 RF 와이어만으로도 번잡스러운데 만약 어떤 보드에 디지털 제어가 필요하다면 일은 훨씬 더 복잡해진다. 전원을 켰을 때 첫 번째 시도에 전체 시스템이 제대로 작동하지 않는다면 이제부터 디버깅 작업은 인내심 시험 과정으로 빠르게 전환된다. 프로토타입 개발 작업은 RF 엔지니어링 세계에서 골치 아픈 일로 잘 알려져 있다. 이 때 더 쉽고 빠르게 보다 정확한 프로토타입을 개발할 수 있게 하는 솔루션이 바로 X-Microwave이다.

상상해 보라. 당신은 이제 막 RF 신호 체인 구상을 마쳤다. 이제 실험실로 가서 부품들을 연결하고 60분만에 프로토타입을 완성한다. 단일 12 VDC 전원, 단일 발생기, 스펙트럼 분석기를 연결하고 전원을 켰을 때 단번에 시뮬레이션 예측값 대비 1dB 오차 이내의 측정 결과를 얻을 수 있다. 만약 증폭기가 동작하는 것이 만족스럽지 않다면 육각 렌치를 사용해서 10분 안에 증폭기를 교체하고 새로 업데이트한 설계를 테스트할 수 있다.

Figure 1. A full X-Microwave prototype, including power and digital control, consisting of an FMC-XMW bridge board, an X-Microwave signal chain, and a Raspberry Pi.
그림 1. 전원과 디지털 제어를 포함한 전체적인 X-Microwave 프로토타입으로서, FMC-XMW 브리지 보드, X-Microwave 신호 체인, 라즈베리 파이로 이루어졌다.

바로 이것이 X-Microwave를 사용할 때의 프로토타입 개발 경험이다. X-Microwave는 모듈형 RF 프로토타입 개발 플랫폼으로서, 특수한 장비 없이도 손쉽게 변경 가능한 신호 체인을 한 시간 안에 빌드할 수 있다. 단일 IC RF 보드로서 X-Microwave 블록들을 연결해서 신호 체인을 빌드할 수 있으며, 60GHz의 주파수를 지원하는 부품들도 에코시스템에 포함된다. 솔더링이 필요 없이 육각 나사를 사용해서 RF 접속이 이루어지므로 설치가 견고하고 단순하다. 평가 보드를 사용할 때보다 전원 공급과 디지털 제어가 훨씬 쉽고, 단일 12 VDC 전원을 사용해서 제어 보드와 라즈베리 파이, FPGA, 그 밖에 다른 드라이버로 전원을 공급할 수 있다. 따라서 X-Microwave 모듈형 설계를 사용해서 빠르게 신호 체인을 수정하고, 디버그 시간을 크게 단축하며, 프로토타입을 컴팩트하고 휴대하기 쉽게 만들 수 있다.

X-Microwave 솔루션

X-Microwave를 사용하면 단일 PCB로 제작했을 때의 최종 설계에 가까운 성능을 매우 신속하게 달성할 수 있다. X-Microwave 프로토타입은 IC 블록들을 연결해서 전체적인 신호 체인을 빌드할 수 있다. 증폭기에서부터 믹서, 스위치, PLL, VCO에 이르기까지 X-Microwave 에코시스템에서 다양한 신호 체인 요구를 충족하도록 수천 가지의 RF 블록들을 제공한다. 각각의 RF 블록은 패키지 형태나 다이 형태로 된 단일 RF IC와, 이 제품과 최적의 동작과 매칭을 위한 주변 수동 부품들로 이루어진다. X-Microwave는 RF 레이아웃과 설계에 특별히 주의를 기울임으로써 디바이스가 되도록 데이터 시트 사양에 가깝게 동작하도록 한다. 각각의 RF 블록에는, IC부터 블록 가장자리까지 접지된 단일 평면 도파관 트레이스가 이어진다. RF 접속은 인접한 블록들까지 솔더리스 GSG(ground-signal-ground) 인터커넥트를 사용해서 이루어진다. 이들 인터커넥트는 연속된 PCB 트레이스에 가깝게 만드는 것으로서, 평가 보드들을 길게 연결한 것보다 X-Microwave 프로토타입이 최종 시스템 성능을 훨씬 더 정확하게 반영하도록 한다. X-Microwave의 GSG 점퍼 접속은 각각의 삽입 손실이 수 분의 1 데시벨에 불과하며, 신호 체인에서 부품 수가 증가하고 더 많은 인터커넥트가 필요할수록 X-Microwave를 사용하는 것과 평가 보드를 사용하는 것 사이에 삽입 손실 차이는 더 커진다.

Figure 2. An X-Microwave signal chain.
그림 2: X-Microwave 신호 체인

RF 블록들을 프로토플레이트 상에 탑재하고, 신호 체인 끝에 SMA 프로브 블록을 연결해서 보드로 RF 신호를 들여보내고 내보낸다. 또한 X-Microwave는 월(wall)과 리드(lid)를 사용해서 RF 블록을 에워쌈으로써 캐비티 효과를 시뮬레이트할 수 있다.

Figure 3. A bias and control block (bottom) connecting to an RF block (top). A protoplate is not pictured.
그림 3: 바이어스 및 제어 블록(아래)을 RF 블록(위)으로 연결. 프로토플레이트는 찍히지 않음.

프로토플레이트 하단에 전용 바이어스 및 제어 보드를 탑재해서 전원과 제어 신호를 제공할 수 있다. 각각의 능동 RF X-Microwave 블록들은 레귤레이트 전압, 전원 시퀀싱, 디지털 제어를 위해 필요한 회로를 탑재한 전용 바이어스 및 제어 보드와 짝을 이룬다. 이 바이어스 및 제어 보드를 프로토플레이트 상에서 짝이 되는 RF 보드 바로 하단에 탑재하고, 스프링 핀을 사용해서 상단의 RF 보드와 전기적으로 연결한다. 이 전용 블록이 전원 시퀀싱과 바이어스를 알아서 처리하므로 프로토타입 설계자는 보다 중요한 작업에 집중할 수 있다. 바로 RF 성능이다.

X-Microwave 프로토타입은 평가 보드들을 연결한 것보다 최종 설계에 훨씬 더 가깝게 동작하며, 이 차이는 RF 체인에서 부품 수가 늘어날수록 커진다. X-Microwave 프로토타입을 사용해서 설계를 검증함으로써 훨씬 더 확신을 가지고 설계를 평가할 수 있으며, PCB 반복 작업을 최소화하고, 개발 시간을 줄일 수 있다.

전체적인 RF 신호 체인 프로토타입 빌드

X-Microwave를 사용해서 RF 설계를 하는 방법은 일반적인 RF 신호 체인을 설계하는 방식과 유사하다. 필요한 X-Microwave 블록을 빠르게 검색할 수 있도록 X-Microwave가 부품 검색 기능을 제공한다. 유형, 사양, 제조사 별로 부품을 검색할 수 있다. 또한, IC 제조사의 사이트를 보면 이 에코시스템을 지원하는 부품에 대해서 웹페이지 상에 X-Microwave 배너를 표시하고 있는 것을 볼 수 있다.

Figure 4. The X-Microwave banner on the HMC8402-DIE webpage.
그림 4: HMC8402-DIE 웹페이지 상의 X-Microwave 배너
Figure 5. An example of X-Microwave’s parametric search feature, sorted by manufacturer.
그림 5: X-Microwave의 파라메트릭 검색 기능을 이용한 제조사별 검색 결과.
Figure 6. An example of an X-Microwave library within Genesys’s part selector, with parts searchable by RF IC part number.
그림 6: Genesys의 부품 선택 툴에서 RF IC 부품 번호로 검색한 부품들의 X-Microwave 라이브러리 예시

원하는 부품을 선택했으면 그 다음 단계는 제안된 신호 체인을 시뮬레이션하는 것이다. Keysight의 Genesys®소프트웨어는 RF 시뮬레이션 툴로서, X-Microwave 모델들을 포함하는 라이브러리를 제공한다. 이들 X-Microwave 모델은 트레이스를 디임베딩(de-embedding)할 필요 없이 RF X-Microwave 블록을 시뮬레이션할 수 있으므로, 디임베딩 한 IC 시뮬레이션에 비해서 X-Microwave 보드의 시뮬레이션 정확도를 높일 수 있다. 이 방대한 X-Microwave 라이브러리는 Genesys에 포함되어 있지 않은 경우 IC 제조사가 직접 제공한다.

Genesys로 시뮬레이션을 실시하고 만족스러운 성능을 확인했다면 그 다음은 X-Microwave 레이아웃 툴로 넘어간다. 여기서 한 시간 안에 전체적인 RF 레이아웃을(전원을 추가하는 것을 포함해서) 완성할 수 있다. 이 레이아웃 툴은X-Microwave를 통해 온라인으로 이용할 수 있다. RF 엔지니어는 이 레이아웃 툴을 사용해서 신호 체인의 X-Microwave 블록들을 프로토플레이트 상에 어떻게 배치할지 계획할 수 있다. RF 블록들을 배치한 다음에는 버튼을 한 번 클릭하는 것만으로 바이어스 및 제어 보드를 자동으로 추가할 수 있다. 신호 체인에 사용된 모든 부품이 오른쪽 상단의 BOM(bill of materials)으로 즉시 업데이트된다. 여기서는 ‘Export CSV’ 버튼도 볼 수 있다. 이 .csv 파일에는 BOM이 들어있으므로 이것을 X-Microwave로 보내서 공식적으로 견적을 받아보고 주문을 할 수 있다.

Figure 7. An example design in X-Microwave’s layout tool showing a planned signal chain and highlighting the part selector and BOM functionality.
그림 7: X-Microwave의 레이아웃 툴을 이용한 설계 예시.구상하는 신호 체인, 부품 선택, BOM을 볼 수 있다.

신호 체인을 빌드하기 위해서는 RF 블록, 바이어스, 제어 보드 외에도, 블록들을 전기적으로 연결하고 기계적으로 탑재하기 위해 BOM 상에 몇몇 부품들이 추가로 필요하다는 것을 알 수 있다. 먼저, 프로토플레이트가 필요하다. 프로토플레이트는 32 x 32와 16 x 16의 두 가지 크기로 판매된다. 여기서 32와 16은 X-Microwave의 격자 단위(보드 상에서 나사 구멍들의 간격)이다. 또한 GSG 점퍼와 앵커가 필요하다. GSG 점퍼는 작은 크기의 유연한 직사각형 회로로서, 인접한 RF 블록들 사이에 끼워서 RF 커넥션을 형성한다. 앵커는 GSG 점퍼 안으로 끼워 넣어 점퍼를 RF 블록에 고정시키고 전기적 연결이 이루어지도록 한다.

Figure 8. An X-Microwave probe, available as 2.92 mm or 1.85 mm (2.92 mm shown).
그림 8: X-Microwave 프로브. 2.92mm와 1.85mm 크기의 제품을 이용할 수 있다. (사진에 보이는 것은 2.92mm)

이 신호 체인에 외부 RF 신호 소스를 연결하려면 X-Microwave 프로브가 필요하다. 이 프로브는 사용하고자 하는 주파수에 따라서 2.92mm와 1.85mm의 두 가지 크기를 이용할 수 있다. 2.92mm는 50GHz까지 사용할 수 있고, 1.85mm는 X-Microwave의 67GHz 테스트 한계 이상으로까지 작동할 수 있다고 제조사들은 말한다. 또 모든 것들을 프로토플레이트에 고정하기 위한 나사도 필요하다. 총 7가지의 나사 길이를 사용할 수 있다. 가장 짧은 것은 바이어스와 제어 보드를 부착하기 위한 것이고, 가장 긴 것은 X-Microwave 월 에지 위로 뚜껑을 부착하기 위한 것이다. 끝으로 나사를 조이기 위한 1/16인치 육각 렌치와 작은 물건들을 집기 위한 핀셋이 필요하다. 주문한 RF 블록, 바이어스와 제어 블록이 도착하면 X-Microwave 온라인 레이아웃 툴에서 작성한 맵에 따라 연결하면 된다.

Figure 9. A GSG placement procedure (top). GSG and anchor (bottom).
그림 9: GSG 탑재 절차(위), GSG와 앵커(아래)

이제는 테스트에 앞서 보드의 전원을 켜고 디지털 제어를 연결할 차례이다. 전원과 디지털 제어를 연결하기 위해서는 AD-FMCXMWBR1-EBZ브리지 보드가 좋은 선택이다. 이 브리지 보드는 최대 8개의 GPIO 라인, 각각 8개의 칩 선택 라인을 제공하는 2개의 SPI 버스, 2개의 I2C 버스를 제공한다. 또한 이 브리지 보드는 두 가지 디지털 제어 모드가 가능하다. (1) 브리지 보드에 곧바로 라즈베리 파이를 연결하고 몇 라인의 파이썬 스크립트를 사용해서 간편하게 체인을 구동하거나, (2) FPGA를 브리지 보드의 FMC 커넥터를 통해서 X-Microwave 신호 체인에 인터페이스하고 하드웨어 프로토타입과 함께 양산에 가까운 소프트웨어를 개발하고 테스트할 수 있다. 브리지 보드로 연결된 단일 12VDC 전원이 X-Microwave 신호 체인에 7개의 전원 레일을 제공한다. 이 중에서 3개는 포텐셔미터를 사용해서 조절 가능하다. 브리지 보드 레벨 쉬프터 같은 그 밖의 몇몇 설정은 점퍼를 사용해서 선택할 수 있다. 끝으로, 단 2개의 케이블을 사용해서 브리지 보드를 X-Microwave 프로토타입에 연결하면 된다. 이로써 RF 랩 벤치 상에서 번잡스러움을 없앨 수 있다. 이것은 바나나 케이블과 엘리게이터 클립이 정신없이 뒤엉켜 있는 것과는 극명하게 대조된다. 이미 컴팩트하고 정돈된 X-Microwave RF 프로토타입에다 디지털 제어와 전원을 위해서 브리지 보드가 깔끔한 솔루션을 더함으로써 전체적인 하드웨어 솔루션 크기를 최소화하고 휴대를 용이하게 한다. 그런 다음에는 X-Microwave 프로토타입을 시연하기 위한 RF 소스와 RF 측정 툴만 있으면 된다.

깔끔하게 정돈된 랩 벤치와 모듈형 에코시스템은 좀더 빠르고 생산적으로 디버깅을 할 수 있게 하므로, 작업자가 신경 쓸 일을 줄이고 엔지니어링 시간을 단축할 수 있게 해준다.

Figure 10. An FMC-XMW bridge board, AD-FMCXMWBR1-EBZ.
그림 10: FMC-XMW 브리지 보드인 AD-FMCXMWBR1-EBZ

맺음말

X-Microwave는 기존에 평가 보드를 사용해서 RF 프로토타입을 개발할 때의 모든 골치 아픈 일들에 대한 솔루션을 제시한다. X-Microwave는 최대 60GHz까지 보다 정확한 성능의 프로토타입을 더 빨리 개발할 수 있도록 한다. 더 컴팩트하고 손쉽게 변경이 가능한 설계를 달성할 수 있으며 신호 체인 디버깅과 테스트를 간편하게 할 수 있다. ADI의 FMC-X-Microwave 브리지 보드는 X-Microwave 프로토타입의 휴대성을 더욱 높인다. 전원을 위한 단일 12VDC 전원과 디지털 제어를 위한 라즈베리 파이만 있으면 되므로, 신호 체인을 작은 구두 상자 안에 들어가는 데모로 만들고 프레젠테이션을 준비하는 동안에 셋업을 마칠 수 있다. 그러려면 현재의 프로토타입 개발 방식보다 비용이 더 비쌀 것이라고 생각하기 쉽지만, 처음에 개시 비용을 제외하고는 X-Microwave를 사용해서 프로토타입을 개발할 때의 비용은 평가 보드를 사용해서 시스템을 빌드할 때의 비용과 비슷하다. 일부 X-MWblocks® 는 평가 보드를 사용할 때보다 더 경제적이기도 하다. 엔지니어링 시간을 단축함으로써 수익성에 보탬이 된다는 점은 차치하고도 말이다.

감사의 말씀

이 글을 작성하는 데 도움을 주신 많은 분들께 감사의 말씀을 드린다. 이 프로젝트를 이끌어 주시고 글을 어떻게 써야 할지 조언해 주신 Steve Ruscak과 Jeff Stevens에게 감사를 드린다. 실험실에서 도움을 아끼지 않았던 RF 멘토들로서 Wesley Harris와 Sydney Wells에게, 귀한 조언과 제안을 해주신 Carolyn Reistad에게도 깊은 감사를 드린다.


저자 소개

제이콥 치올피(Jacob Ciolfi)는 현장 순환 수습 프로그램의 어소시에이트 엔지니어로서, RF 애플리케이션을 전문으로 한다. 우스터 공과대학을 졸업하고(전기 컴퓨터 공학 학사학위) 2021년에 아나로그디바이스에 입사했다. 여가 시간에 배구, 요리, 여행을 즐긴다.