비정지궤도 위성 애플리케이션을 위한 최적의 안테나 프런트 엔드 부품 선택 방법

글: 짐 라이언(Jim Ryan) 제품 마케팅 매니저 / 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)

개요

위성 통신(satcom)에 능동 전자주사식 안테나(active electronically scanned antenna, AESA)가 도입되면서 통신사업자와 이용자들에게 뛰어난 유연성을 제공할 수 있게 되었다. 이 글에서는 이러한 빔 포밍 어레이에 사용하기 위한 안테나 프런트 엔드(FE) 부품(저잡음 증폭기(LNA)와 전력 증폭기(PA)) 선택 방법에 대해 알아본다.

머리말

위성 기술의 역사는 어느덧 60년이 넘었다. 초기의 위성은 발사와 크기 제약 때문에 지구 저궤도(low Earth orbit, LEO) ⁱ로 발사했다. 하지만 사람들에게 가장 친숙한 것은 지구 정지 궤도(geosynchronous Earth orbit, GEO)ⁱⁱ 위성일 것이다. GEO 위성은 텔레콤, 위성 TV, 지구 관측 같은 다양한 주요 서비스를 제공해 왔으며, 정부 기관과 군사용으로도 다양한 서비스를 제공해 왔다. 그런데 이제 LEO와 지구 중궤도(medium Earth orbit, MEO)ⁱⁱⁱ가 대규모 위성군에 일련의 데이터 기반 서비스(위성 통신, 지구 관측 및 지도작성, 내비게이션, 위치추적 등)를 제공하기 위한 가장 매력적인 궤도로 떠오르는 변화가 일어나고 있다. 그림 1은 LEO, MEO, GEO 궤도를 비교해서 나타낸 것이다.

이 같은 비정지궤도(non-GEO)로의 전환은 발사 비용 저하, 위성을 위한 대량 제조 기법의 채택, 통신 및 안테나 기술과 센서의 기술적 진화, 위성간 연결을 위한 광학 기술, 그리고 이러한 대규모 프로그램 지원에 대대적인 민간 자금을 사용할 수 있게 된 것 등이 복합적으로 맞물리면서 가능해졌다.

LEO에서 우주 비행체 수가 늘어나는 것은 궤도상(on-orbit) 위성 통신 링크 설계 엔지니어에게 새로운 과제들을 안겨준다. GEO의 고정형 통신 링크와 달리, 초당 7.5킬로미터 대의 속도로 지구 궤도를 돌면서 지상국들과 통신하기 위해서는 링크를 적응 가능하게 만들어야 한다. 이러한 첨단 위성 통신 시스템에 AESA를 도입하면, 안테나 신호를 의도하는 표적 방향으로 적응식으로 조종할 수 있을 뿐 아니라, 다중 빔을 지원할 수 있으므로 동시에 여러 사용자를 지원할 수도 있다. 궤도상 위성은 부품 선택에 있어서 특정 요구 사항들을 충족해야 하는데, 특히 안테나 소자들을 송신 및 수신 신호 체인에 연결하는 FE 부품을 선택할 때 더욱 그렇다. 이 글에서는 이러한 시스템에서 FE(증폭기) 부품을 선택할 때 어떤 점들을 고려해야 할지 알아본다.

GEO에서 LEO로 전환

GEO 위성이 잘 해 왔는데 왜 바뀌고 있을까?

GEO 위성은 발사 비용이 많이 든다는 단점이 있긴 하지만, 그 대신 다른 중요한 장점을 갖고 있다. 궤도가 지구 자전과 일치하므로 하늘에서 고정된 위치에 떠 있다는 것이다. 그러므로 고정된 위치의 위성 안테나와 비교적 낮은 비용의 VSAT(very small aperture terminal) 단말기 및 파라볼릭 접시형 안테나를 사용할 수 있었다. 이러한 장비들을 사용해서 데이터 서비스와 우리가 익히 아는 DTH(direct-to-home) 위성 TV 서비스를 제공한다. 그림 2에서 보듯이, GEO 위성은 지구 커버리지가 매우 넓기 때문에 3개의 GEO 위성만으로 지구 전체를 커버할 수 있다.^iv

이 같은 GEO의 장점에도 불구하고 LEO 위성으로 전환하게 된 데에는 몇 가지 이유가 있다. 주로 통신 네트워크의 진화와 관련이 있다. 우리는 고도로 연결된 세상에서 살고 있다. 하지만 현실적으로 세계의 많은 사람들은 여전히 인터넷 연결이 제공되지 않거나 열악한 지역에서 살고 있다. 예를 들어 적도면에 위치한 GEO는 극지역에서 서비스 제공이 나빠지는데, LEO에 대규모 위성군을 사용함으로써 이들 지역에 비교적 높은 속도의 연결 서비스를 제공할 수 있다. 현재 인터넷 연결이 잘 이뤄지고 있는 지역에서는 LEO 위성군을 사용해서 컨슈머와 B2B 모두에 데이터 속도를 더욱 높임으로써 광통신에 버금가는 속도를 제공할 수 있다. LEO 위성군은 규모에 있어서 더 많은 수의 위성을 사용할 수 있으므로 이중화를 통해서 네트워크 레질런시를 높일 수 있다는 점에서 유리하다. 이러한 탄력성은 상업용 용도뿐 아니라 정부 기관 및 군사용에서 특히 중요하다. 또한 상대적으로 낮은 제조 및 발사 비용은 새로운 기술이 등장했을 때 위성 네트워크를 손쉽게 업그레이드할 수 있게 해준다.

위성 궤도

비정지궤도 위성군은 특정 궤도 또는 궤도 조합에서 여러 개의 위성들로 이루어진다. 인기 있는 궤도들로는 위성이 적도를 따라 도는 적도 궤도(MEO 상의 SES O3b mPOWER 위성군), 적도 궤도로부터 몇 도 기울어져서 지구 자전과 같은 방향으로 서쪽에서 동쪽으로 도는 경사 궤도, 각각의 위성이 극점 위로 지나가면서 특정한 경로를 따르는 극 궤도(OneWeb 등)를 들 수 있다. 텔레샛(Telesat)의 라이트스피드(Lightspeed)와 스페이스X(SpaceX)의 스타링크(Starlink) 같은 많은 대규모 LEO 위성군은 북반구에서 최대의 커버리지를 제공하기 위해 경사 궤도와 극 궤도를 조합해서 사용할 계획이다. 경사 궤도는 특정 위도까지만 동작할 수 있기 때문이다. 이 세 가지 궤도 범주 중에서 극 궤도가 지구 커버리지가 가장 우수하지만, 극 궤도는 위치추적을 위해 추가적인 연료를 사용하므로, 경사 궤도에서 운용되는 위성 쉘(shell)들과 함께 추가적인 북위 커버리지를 제공하기 위한 용도로 주로 사용된다. 또한 극 궤도는 방사선에 더 많이 노출된다. 위성들은 환상 면에 배열되며, 각 위성들은 지상으로부터 일정한 높이를 갖는다. 위성군의 크기는 이 면의 수를 면당 위성 수로 곱한 것이다(그림 3). ^v

LEO 위성군

몇몇 위성군들이 LEO에 수백 혹은 수천 개의 소형 위성을 쏘아올렸거나 쏘아올릴 계획이다. LEO 위성은 위성통신을 위해 GEO 링크에 두 가지 확실한 이점을 제공한다. 첫째, 궤도의 높이 때문에 신호의 지연시간을 줄인다. 지상에서 LEO 위성까지 신호 경로가 훨씬 짧으므로(GEO 위성의 1/35 이내), 신호 지연시간을 25ms 내외로 열 배 정도 낮춰준다. 따라서 LEO 위성 통신은 데이터 집약적 실시간 서비스의 토대가 되는 5G 서비스를 확대하는 데 기여할 것으로 기대된다. 두 번째 이점은, 개별 LEO 위성의 데이터 용량을 훨씬 더 좁은 지역으로 집중시킬 수 있으므로 개별 사용자들에게 훨씬 더 높은 데이터 대역폭을 제공할 수 있다는 것이다. 다만 이것은 위성군의 전체 데이터 용량에 따라 달라질 수 있다. 커버리지 영역 내에서 위성은 통상적으로 여러 다운링크 빔을 생성해서 다수의 사용자/허브들을 연결한다. 이러한 공간 분할 빔은 할당된 주파수를 재사용할 수 있게 함으로써, 빔간 간섭을 피하고 데이터 가용성을 최적화할 수 있게 해준다. 대용량 위성(High throughput satellite: HTS및 vHTS) 또한 이러한 데이터 집중을 제공할 수 있다. 하지만 GEO 위성의 전반적인 데이터 용량은 통상적인 LEO 위성군보다 낮다.^vi높은 데이터 용량을 가진 대규모 위성군의 한계점은, 특정 시점에 사용자들에게 이 전체 데이터 용량의 일부(33 ~ 50%)만을 사용할 수 있다는 것이다. 그 이유는 위성군의 많은 위성이 바다 위나 사람이 거주하지 않는 지역 위를 비행하고 있을 것이기 때문이다.

위성군 규모가 비용과 미션 수명에 미치는 영향

군집 위성은 대량 제조 기법을 사용해서 제작 비용을 낮출 수 있다. 게다가 미션 수명이 더 짧고 방사선 환경에 덜 영향을 받게 되므로 더 저렴한 부품이나 밀폐를 하지 않은 부품, 혹은 플라스틱 패키지 부품을 사용할 수 있다. LEO 위성의 미션 수명은 통상 5 ~ 7년이다. 이는 LEO에서는 대기 항력(atmospheric drag)이 높기 때문에 궤도를 유지하기 위해서 더 많은 연료를 사용하는데 LEO 위성은 크기가 작아 연료 용량이 제한적이기 때문이다. 통상적으로 LEO 위성에서는 방사선 요구 조건이 덜 까다롭다. 예를 들어 LEO 위성에 사용하고자 하는 부품의 총 이온화 선량(TID)^vii 허용치는 30krad 대이다. 이에 비해 GEO 미션의 경우는 더 긴 미션 수명과 더 높은 방사선 노출로 인해 통상 100krad가 요구된다.

LEO의 과제와 주요 기술

위성군에 대한 데이터 흐름을 관리하기가 갈수록 더 복잡해지고 있다. 데이터는 무선 링크나 광 링크를 사용하는 위성간 링크(ISL)를 통해서 위성군으로부터 지상국(Earth station)으로 전달된다. 이렇게 해야 하는 이유는, LEO 위성이 항상 지상국의 시야에 들어오는 것은 아니기 때문이다.

비정지궤도 위성은 지구에서 봤을 때 GEO 위성의 고정된 위치와는 다르게 움직인다. 이는 궤도를 유지하는 데 필요한 궤도 속도와 관련이 있다. LEO 위성은 대기 항력이 높고 궤도가 낮기 때문에 높은 궤도에 있는 위성보다 더 빨라야 한다. 스타링크 위성군을 위해 예정되어 있는 위성 하나는 지구 상공의 550킬로미터에 위치한다. 이 고도에서 비행 속도는 초당 7.5킬로미터인데, 이는 이 개별 위성은 4.1분 동안만 사용자에게 보인다는 것을 뜻한다. GEO 위성의 사용자는 위성을 향해 고정형 안테나를 사용할 수 있으나, LEO 위성 서비스 사용자는 LEO 위성이 상공을 지나는 궤적을 추적할 수 있는 안테나를 사용해야 한다. 마찬가지로 LEO 위성의 안테나 역시 궤도를 따라 움직이면서 지상에 서비스를 제공하고자 하는 지역을 추적할 수 있어야 한다. O3b 위성군 같이 MEO에서 운용되는 위성은 기계식으로 조종하는 안테나를 사용하고 있다. 이것이 가능한 것은 궤도 속도가 낮기 때문이다. 하지만 LEO 위성은 기계식 스티어링 시스템이 추적 요구 사항을 충족할 수 없기 때문에 일정한 형태의 AESA를 사용해야 한다. LEO에서는 스티어링 가능한 빔과 함께 여러 개의 빔을 필요로 하는 것이 일반적이다. 다중 빔을 사용하면 위성이 여러 데이터 게이트웨이 또는 서비스 지역에 서비스와 데이터 쓰루풋을 최적화할 수 있다. 그러므로 LEO 애플리케이션에서는 다중 빔의 전자적 빔 스티어링을 개별적으로 지원할 수 있는 안테나가 필요하다. 어떤 위성군은 위성당 최대 16개의 스티어링 가능 사용자 빔을 계획하기도 한다.

위성군에 이러한 유연성을 달성하기 위해서는 빔 스티어링을 지원하면서 통신 링크를 유지할 수 있는 안테나를 도입해야 한다. 통신 링크는 일차적으로 위성통신/EO 업링크/다운링크와, 이차적으로 추적, 텔레메트리, 제어(TT&C) 링크들이다.

AESA와 빔 포밍

전통적인 파라볼릭 안테나는 통상적으로 송신기와 수신기에 대해 단일 피드를 가지고 있으며, 고정된 위치를 향하도록 하거나 기계식 스티어링이 가능하다. 전자식 빔 스티어링 어레이 안테나는 여러 개의 안테나 소자들로 구성되는데, 메인 로브(주엽)를 형성하기 위해 어레이 내의 인접 소자들을 구조적으로 결합해서 소자들의 방사 패턴을 설계한다(그림 4). 이 메인 로브가 방사 에너지를 원하는 방향으로 전송한다. 전송되는 모든 에너지를 메인 로브가 전달하는 것이 이상적이겠지만, 비이상적인 특성 때문에 약간의 에너지는 원치 않는 방향인 사이드 로브(부엽)로 향할 것이다. 안테나 설계는 메인 로브에서 에너지를 극대화하고 사이드 로브에서 에너지를 최소화하는 것을 추구한다. 메인 로브는 개별 안테나 소자들의 진폭과 위상을 조절하여 형태를 잡고 스티어링할 수 있다. 최신 IC 기술은 조절가능한 이득 및 위상을 구현함으로써 수 마이크로초 대에 빠르게 업데이트할 수 있으므로, 위성 및 공중 애플리케이션에서 대규모 어레이로 빠르게 스티어링할 수 있다.^viii 위성이 지구에 가까워질 경우 사이드 로브가 간섭을 일으킬 수 있기 때문에, LEO 애플리케이션에서는 사이드 로브를 줄이는 것이 중요하다.

AESA 용 프런트 엔드 부품 선택

위성통신 시스템은 주파수 분할 이중화(FDD) 시스템으로서, 송신기와 수신기가 서로 다른 주파수로 동작한다. 대개 이들 시스템은 할당된 주파수 대역의 업링크와 다운링크용으로 별도의 안테나를 사용한다.

항공우주 및 방산 분야의 일반적인 애플리케이션들과 마찬가지로, 크기, 무게, 전력소모, 비용(SWaP-C)은 시스템과 서브시스템의 부품 선택을 좌우하는 중요한 요소들이다. 궤도상(on-orbit) 애플리케이션의 경우, 발사와 관련해서 크기와 무게에 제약이 있다. 시스템이 크고 무거울수록 발사하는 데 훨씬 더 많은 비용이 든다. 대규모 위성군의 경우, 각각의 위성을 사전 지정된 폼 팩터 안에 집어넣어야 한다. 그렇게 해야 로켓 발사대에서 다중의 위성을 발사할 수 있다. 또한 궤도상 시스템은 거의 전적으로 태양광 에너지와 배터리 백업 시스템에 의존하므로 부품을 선택할 때 전력 소모를 중요하게 고려해야 한다.

궤도상 애플리케이션용 어레이 안테나 설계 엔지니어는 어레이 크기와 소자 간격에 있어서 프런트엔드 부품들(수신 안테나용 LNA, 송신 안테나용 드라이버/PA)을 되도록 작게 해야 한다. 이유는 어레이의 각 소자들이 저마다의 프런트 엔드에 여러 개의 부품들을 필요로 하는 데다, 추적 손실을 낮추려면 이들 부품을 되도록 안테나 소자 가까이에 배치해야 하는데 그러면 직접적으로 잡음 수치를 늘릴 것이기 때문이다. 통상적인 구현은 각각의 소자들이 저마다 프런트엔드 디바이스(수신기용 LNA와 송수신기용 드라이버 및 PA)를 사용하면서 한 개의 빔 포밍 코어 칩이 여러 개의 안테나 소자를 맡도록 하는 것이다. 고 이득 수신 안테나는 요구되는 입력 이득을 달성하기 위해 여러 개의 고 이득 LNA를 직렬로 배치함으로써 프런트 엔드단을 구현할 수 있다. 이 경우, 주파수가 높을수록 소자간 간격을 좁힐 수 있기 때문에 부품 크기가 중요하다. Ka 밴드 수신기(26GHz~28GHz)의 경우에 소자 간격은 λ/2 래티스 피치일 때 5mm 이내이다. LEO 애플리케이션에서 넓은 스캔 각도를 유지하기 위해서는 어레이 소자들을 λ/2 피치로 배열해야 한다. GEO 플랫폼에 사용되는 안테나 어레이는 스캔 요건이 그리 까다롭지 않으므로(9), 소자들의 최소 간격에 있어서 좀더 여유가 있다. 2 x 2mm 패키지의 최신 LNA 폼 팩터는 주요 부품들을 좀 더 수월하게 배치할 수 있게 해주며, 많은 제품들이 패키지 내부에 DC 블록과 RF 쵸크를 포함하고 있어 레이아웃 작업을 더욱 간소화한다.

궤도상 애플리케이션용 증폭기를 선택할 때는 디바이스 성능이 중요하다. LEO 위성 수신기 안테나용으로는 잡음 지수(NF, dB 단위)가 무엇보다 중요하다. 이 잡음 지수는 곧 시스템 잡음 지수로 이어지고, 이는 어레이에서 필요로 하는 소자 수에 영향을 미치며, 이는 다시 안테나 크기에 영향을 미친다. 앞서도 언급했듯이 LEO 위성은 GEO 위성보다 크기가 작으므로 안테나를 탑재하기 위한 공간이 제한적일 수 있다. 통상적인 어레이의 경우, 어레이 크기를 적당한 수준으로 유지하기 위해서는 2dB 미만의 시스템 잡음 수치가 요구된다. 시스템 NF를 1dB 낮추면 안테나 소자 수를 절반으로 줄일 수 있다. 따라서 시스템 NF에 있어서 상당한 비중을 차지하는 LNA NF가 중요하다. LNA 이득 역시 중요하다. 수신 신호를 회수하고 증폭하기 위해서 높은 이득이 필요하기 때문이다. 통상적으로 충분한 이득을 제공하기 위해 여러 스테이지로 프런트엔드 LNA를 구현한다. 통신 링크는 변화무쌍한 대기 상태에 상관없이 안정성을 유지할 수 있어야 하는데, 그러기 위해서는 프런트엔드 디바이스 선형성(출력 IP3으로 측정)이 중요하다. 수신기 신호 강도는 주로 송신하는 지상국에 의해서 결정되는데, (복소 변조 방식을 사용해서) 가능한 최대의 데이터 레이트를 유지하기 위해서는 수신기 선형성이 중요하다.ADL8142(저전력 Ka 밴드 LNA) 같은 제품은 수신 경로에서 특정 변동성을 보상하기 위해 전력 소모(I_DQ) 를 조절하는 방법으로 선형성을 조절할 수 있다. 송신 안테나에서 프런트엔드에 해당하는 부분은 드라이버 증폭기나 PA이다. 이 역시도 가능한 높은 송신 속도를 위해서는 선형성이 중요하다. 하지만 여기서는 출력 전력(OP1dB)이 각각의 안테나 소자가 기여할 수 있는 전력량을 결정한다. 궤도상 애플리케이션의 경우에는 두 가지 이유에서 출력 증폭기의 전력 부가 효율(PAE)이 중요하다. (1) 태양광 패널(또는 배터리 백업)로부터 이용할 수 있는 전력이 제한적이고, (2) 효율이 떨어지는 증폭기는 변환되지 못한 전력이 발생하는 열을 처리하기 위해서 더 많은 냉각을 필요로 하기 때문이다.

위성통신용 ADI의 IC 제품

아나로그디바이스(Analog Devices)는 위성통신, 민수 및 군용 레이더, 5G 통신을 비롯해서 빔 포밍 기술을 사용하는 일련의 애플리케이션을 위한 다양한 디바이스 제품을 제공한다. 특히 위성통신을 위한 ADAR3000 과 ADAR3001은 각각 위성에서의 Ka 밴드 송신 및 수신 빔 포밍을 지원한다. 두 제품 모두 프로그램 가능한 시간 지연과 감쇠를 사용해서 4 채널 및 16 채널 빔 포밍이 가능하다. 두 제품 모두 컴팩트한 BGA 패키징으로 제공된다. 이들 빔 포밍 IC와 함께 사용할 수 있게 빔 분배를 위한 ADAR5000(4:1 윌킨슨 스플리터/컴바이너)을 제공하며, 이와 함께 안테나 프런트엔드 디바이스로는 Ka 밴드(23GHz~31GHz)의 궤도상 애플리케이션용으로 설계된 ADL8142 LNA를 사용할 수 있다. 소형 2 x 2mm LFCSP/QFN 패키지를 적용한 ADL8142는 낮은 잡음 지수(1.6dB), 높은 선형성(20dBm OIP3), 높은 이득(27dB)이 특징이며, 1.5V 전압 레일을 사용해서 전력 소모가 50mW에 불과하다. 그림 5는 ADL8142의 이득과 잡음 지수를 보여준다. ADL8142는 COTS 버전과상업용 우주 버전으로 제공된다. 송신단에서는ADL8107(8 ~ 15GHz, 28dB 이득, 19dBm P1dB)이나 이득과 선형성이 높은 HMC498(17 ~ 24GHz, 22dB 이득, 26dBm P1dB) 같은 제품을 소자 드라이버로 사용할 수 있다. 그림 6은 ADL8107의 이득과 출력 P1dB를 보여준다.

맺음말

빔 포밍 안테나는 첨단 비정지궤도 위성군이 유연한 고 대역폭 데이터 통신을 제공하고 이 기술이 보편적으로 널리 사용되도록 하는 데 중요한 역할을 한다. 빔 포밍 안테나 설계 엔지니어들을 위해, ADI는 데이터 컨버터에서부터 주파수 컨버터와 빔포머, FE 부품에 이르기까지 포괄적인 구성의 신호 체인 부품들을 제공한다. 안테나 FE는 신호 체인 전반에서 중요하다. 전체 시스템의 잡음 성능을 좌우할 뿐 아니라, 특정한 기계적 및 전력 소모 제약을 충족해야 하기 때문이다. ADI는 ADL8142 LNA 같이 궤도상 위성통신 고유의 요구 사항들을 충족하는 고성능 디바이스 제품군을 계속해서 개발하고 있다.

참고문헌

¹ Keith Benson. “Phased Array Beamforming ICs Simplify Antenna Design.” Analog Dialogue, Vol. 53, No. 01, January 2019.
² ADL8142 data sheet. Analog Devices, Inc., 2022.
³ ADL8107 data sheet. Analog Devices, Inc., 2022.

ⁱ LEO is defined as being between ~160 km and 2000 km above the Earth’s surface.
ⁱⁱ GEO is defined as being 35,786 km (22,236 miles) above Earth’s surface.
ⁱⁱⁱ MEO is between LEO and GEO—for example, O3b is in MEO at 8000 km above Earth’s surface.
^iv Coverage is limited in northern and southern latitudes.
^v There may also be some additional satellites used as backup for redundancy.
^vi Telesat Lightspeed was originally designed for 15 Tbps data capacity from 294 satellites. A typical VHTS would offer 2 Tbps to 3 Tbps data capacity (2022).
^vii TID—cumulative exposure to ionizing sources can cause shifts in device thresholds, increased leakage, or nonfunctionality.
^viii Refer to the following articles for more details on beamforming.

저자 소개

짐 라이언(Jim Ryan)은 아일랜드 리머릭에 위치한 아나로그디바이스(Analog Devices) 우주용 제품 그룹의 제품 마케팅 매니저이다. 리머릭 대학에서 전자공학 학사학위 및 컴퓨터 시스템 박사학위를 취득했으며, 오픈 대학(영국)에서 MBA를 취득했다. ADI에 30년 넘게 재직하면서 테스트 엔지니어링, 제품 애플리케이션, 마케팅을 비롯한 다양한 직책을 역임했으며, 정밀 컨버터, 컨슈머 A/V, RF를 비롯한 다양한 제품을 담당했다.