RF의 범위는 어디까지인가?

RF의 정의 자체는 그럭저럭 납득이 가더라도, 실제로 RF라는 분야를 처음 접하는 사람이라면 사실 어디까지가 RF이고, 또 통신이란 것과는 무엇이 다른지 헷갈리는 경우를 많이 보게 됩니다. 또 오래 일한 분들이라해도, 자신이 일한 분야에 따라 RF의 정의나 범위가 다른 경우도 많이 있습니다.

이 글은 RF라는 분야의 정의가 아직까지도 애매하게 느껴지는 분들을 위해 쓰여진 글입니다.

 

RF는 아날로그 !

한가지 확실히 짚고 넘어갈 수 있는 것은, RF는 분명히 아날로그 단입니다. 디지털 RF라는 식의 용어가 아주 가끔 쓰이는 것이 보이는데, 다른 의미에서 그런 용어가 붙여진 것일 뿐 RF는 분명히 죽었다가 깨어나도 아날로그입니다.

아날로그 신호라면 자연상태의 sine파형태의 연속적인 주기신호성분을 말합니다. 일반인들은 디지털 하면 1,0 으로 구성된 신호라고 생각하는 경우가 많겠지만, 틀린 정의입니다. 디지털 신호란 시간축으로 sampling되고, 각각 신호의 크기가 연속적으로 분포하는 것이 아니라 단계별로 구분되는 신호를 말하지요. RF신호는 실제로 공기중에 내뿜어서 자연상태에서 진행되어 수신됩니다. 원천신호를 처리하는 baseband 까지만 디지털로 처리되고, 그다음부터는 아날로그 신호로 변환되어 각종 증폭과 믹싱, 필터링이 일어나는 것입니다. 이것 역시 통신이라는 관점에서 주로 생각한 문제이고, RF는 통신 이외에도 많은 응용분야가 있습니다.

그렇다고 RF가 철저하게 아날로그만 포함하고 있는 것은 아닙니다. 중심은 아날로그이지만, PLL이나 LPA처럼 디지털적인 control이 필요한 경우도 분명히 존재합니다. 그외 기지국 RF단 관리시에도 디지털 스위치등의 control이 필요하기도 하고, 급기야 SDR(Software Defined Radio)와 같은 분야로 인해 RF에 디지털부가 접목되는 예가 점점 많아지고 있습니다. 그래서 디지털에 대한 기본적인 지식도 필요한 경우도 있습니다.

하지만 분명한 것은, RF는 철저히 아날로그신호가 중심입니다. 그러한 신호들에 대한 주변적인 control개념으로 주로 디지털이 삽입될 뿐입니다. RF 엔지니어링은 어디까지나 아날로그 엔지니어링이란 점! 그리고 아무리 모든 기술이 점차 디지털화되어 가고, SDR 같은 개념이 나오더라도 기본적으로 RF와 같은 아날로그 기술은 디지털로 완전대치될 수는 없습니다. 아무리 LP판이 사라지고 CD가 판을 친다해도, 결국 그것을 해독하여 우리의 귀로 전달되는 소리는 아날로그인 것과 마찬가지입니다.

 

무선 및 이동통신에서의 RF

현대의 거의 모든 통신시스템은 IF를 사용하는 (수퍼)헤테로다인 방식을 사용하고 있습니다. 그래서 통신 시스템은 아래와 같이 3단계 구조로 되어 있습니다. baseband는 실제 음성, 영상 등의 정보를 직접 다루는 신호영역을 말하며, 최근에는 대부분 디지털화되어 있지요. 그것을 전송하기 위해 우선 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환시킨후, 직접 전송 주파수를 올리지 않고 IF(중간주파수)로 한번 올린 후 다시 RF 주파수로 올리게 됩니다.

우리가 통신에서 말하는 RF부라는 것은 바로 IF단 이후의 실제 캐리어 주파수를 다루는 고주파 송수신단을 지칭합니다. 수십MHz 대역을 주로 사용하는 IF부에 비해 RF부는 보통 수백MHz에서 GHz이상의 각종 캐리어 주파수를 다루게 되지요. 실제로 저주파 전자회로라고 부를 수 있는 IF단보다 주파수가 높아서 구현하기가 훨씬 까다롭습니다. 바로 이러한 이유로 RF단 = 고주파 신호단으로 자연스럽게 분류되기도 해서 RF는 기본적으로 최소 수백MHz ~ 수GHz의 초고주파 영역처럼 여겨집니다.

이러한 RF부는 기본적으로 아래와 같은 구조를 가지게 됩니다.

이것이 바로 우리가 주로 언급하는 RF입니다. IF단에서 넘어온 신호는 고주파 캐리어로 변환한 후 높은 전력으로 증폭, 처리해서 안테나로 송신하고, 안테나에서 수신된 신호는 잡음을 줄이면서 신호크기를 키운후 주파수를 하향변환하여 IF부로 보내줍니다. 실제로 전자파로 변환되어 공기중으로 신호를 쏘고 받는, 무선통신의 핵심 part입니다.

위의 각종 회로들은 RF부를 구성하기 위한 핵심회로들입니다. 통신의 RF부는 amp와 mixer, filter, antenna 등 구성형식은 거의 동일하며, 많은 종류의 부품으로 구성되지는 않습니다. 하지만 수백MHz에서 수십 GHz에 달하는 각종 캐리어주파수를 소화해야 하고, 다양한 통신규격과 방식을 소화해야 하지요. 그래서 저런 동일한 구조를 가지면서도 굉장히 다양한 종류의 통신용 RF부가 구성될 수 있습니다.

RFDH에 오시는 대부분의 분들이 바로 이러한 통신용 RF부를 다루거나, RF부에 필요한 각종 부품이나 소재를 다루시는 분들일 것입니다. 뻔한 회로처럼 보이지만, 참으로 다양한 제품과 방법, 그리고 설계법이 존재하는 까다로운 분야입니다. 고주파 RF 신호는 저주파에서는 발생하지 않는 별의별 문제들이 항상 도사리고 있고, 짧은 파장과 수많은 parasitic들로 인해 설계하고 만들기가 무척이나 까다롭지요.

많은 초심자분들이 RF란 개념과 통신의 개념을 무척 혼동하고 계십니다. 특히 학생들은 거의 구분을 못하는게 당연할 수도 있습니다. 통신의 입장에서 RF는 최종단에서 송수신을 가능하게 해주는 고주파 아날로그단을 지칭하게 됩니다. 즉 무선통신을 위한 중요한 한 부분인 것이죠. 하지만 반대로 RF의 입장에서는, 무선통신은 RF의 다양한 응용분야중 하나로 분류됩니다. 그걸 구분하는 것은 별로 의미가 없어 보일지도 모르지만, 적어도 통신을 중점에 두느냐, RF에 중점을 두느냐에 따라 관점이 180도 달라질 수 있다는 점을 잘 생각해보실 필요가 있습니다. 통신과 RF는 서로 속하는 관계가 아니라 별도의 분야인데, 무선통신이라는 부분에서 서로 공유하는 부분이 있는 것입니다. 통신 = RF는 절대 아니라는 점을 다시 강조합니다.

 

통신이 아닌 RF 

많은 경우, RF는 무선통신의 한분야로만 인식되는 듯 합니다. 하지만 실제로 RF라는 방대한 분야에서 통신이 차지하는 비중은 50% 이하라고 합니다. 통신은 우리 주변에서 가장 쉽게 접하는 분야이고, 국내만 하더라도 이동통신 시장의 비약적인 성장에 의해 RF는 다 무선통신을 위한 용도라는 분위기가 생긴 듯 합니다. 여기서는 우리가 흔히 접하는 통신 이외의 RF응용분야를 둘러보도록 하겠습니다.

 ▶ Radar , Detector (레이다, 계측, 탐사)

  통신에만 익숙한 분들은 잘 믿어지지 않겠지만, RF분야에서 Radar engineering이 차지하는 비중은 통신과 맞먹습니다. 레이다 하면 전쟁영화에 나오듯이 안테나가 빙빙돌면서 비행기 잡는 거 말하는게 아니냐.. 라고 말하면 같은 RF 엔지니어링을 하는 사람으로서 좀 민망한 얘기지요.(^^;;;)

  물론 그런 국방용 레이다도 존재하지만,  위성을 통한 원격탐사나 차량충돌 방지용 및 거리 계측용, 원격온도탐지기 등 산업적으로 레이다의 응용분야는 굉장히 방대합니다. 레이다는 그런 비행기잡는 단순한 목적이 아니라, 전자파를 쏘고 돌아오는 것을 받음으로써 얻을 수 있는 많은 정보들, 즉 detection을 위한 용도로 광범위하게 응용되고 있는 것입니다.

  다만 이런저런 이유로 위와 같은 연구개발은 국내에서는 통신에 비해 그 세력이 약한 것이 사실입니다. 시장흐름의 측면이 그렇고, 무엇보다도 대체로 수익을 얻기에 기간이 길다는 문제가 있습니다. 그래서 이런 레이다/detection 과 관련된 연구개발은 거의 미국을 중심으로 이루어지고 있습니다. 특히 위성쪽 탐지레이다 같은 경우 산업적으로 상당한 금액과 영향력을 차지하고 있지만, 전세계가 미국에 의존하고 있습니다.

  국내에서는 몇몇 업체에 의해 경찰의 과속감지 카메라를 detection하는 RF장비가 개발생산되어 전량 미국에 수출되고 있습니다. 이 제품은 미국에서는 합법적인 레이다 디텍터이고, 미국시장의 상당수가 이미 국산품이 장악하고 있다고 합니다.

  레이다는 통신에서 사용하는 RF처리 기술을 포함하면서, 전자파 신호처리 기술 및 고도의 장비기술이 추가적으로 필요한 분야입니다. RF의 완성은 레이다공학에서라는 말이 있을 정도이죠. 실제로 미국에 의해 주도된 각종 RF기술은 결국 2차대전 당시의 레이다 기술에서 파생되었다고 해도 과언이 아닙니다. 우리의 생활이 된 CDMA가 군사보안통신기술에 근원을 하고 있다는 점은 이미 널리 알려진 사실이지요. 이런 측면에서 이런 원천기술에 가까운 산업을 키우는 것도 국가적으로 중요하다고 생각되지만, 당장 돈이 되는 데만 집중할 수밖에 없는 것이 기업의 현실이기도 합니다.

▶ 각종 고주파 재료/장비기술

  많은 RF 엔지니어들은 주로 회로나 device, 시스템을 다루고, 또한 통신과 관련된 제품을 다루고 있을 것입니다. RF라는 복잡한 분야를 위해선 이런 응용기술들 뿐만 아니라 각종 세라믹, 자성체, 유전체, 도체 등의 다양한 재료기술들이 필요합니다. 또한 LTCC나 MEMS, MMIC 의 공정처럼 RF응용을 위한 각종 제반공정기술들 역시 RF를 위한 기술분야로 포함할 수 있습니다.

회로나 시스템만이 아니라 그것의 주변적인 것들 - 케이블, 커넥터, 고주파 기판류등 역시 고주파 특성을 만족시키기 위해서 많은 연구개발이 필요한 분야입니다. 고주파 아날로그 신호라면 대부분 RF에 쓰인다고 해도 과언이 아니므로 결국 고주파 특성을 반영한 모든 회로적 구성요소에 대한 모든 기술도 RF의 한 분야로 다루어집니다.

  또한 고주파 신호를 측정하는 각종 계측기 설계와 테스팅 역시 RF를 구현하기 위한 아주아주 중요한 기술입니다. 측정장비 기술이야 말로 고주파 기술을 구현하는데 기반이 되는 핵심 기술이지만 agilent나 anritsu 같은 외국회사들이 거의 주도하고 있는 상황입니다.

▶ RFID (비접촉식 무선인식)

  최근들어 많은 활용이 이루어지면서 크게 관심을 끌고 있는 분야입니다. RFID는 버스카드, 회사의 출입카드, 매장에서의 도난방지용 TAG, 고속도로 자동요금 징수기 등으로 우리 생활이 이미 많이 보급되어 있습니다.

RFID는 무선주파수를 사용한다는 측면에서 분명히 RF의 한 분야로 분류될 수는 있지만, 사용하는 주파수들이 낮아서 RF보다는 일반 전자회로레벨에서 접근되는 경우가 더 많습니다. 또한 아직 국내에서는 RFID 응용기술은 많지만 RFID core tag나 수신 안테나 개발 기술이 축적되어 있지 않아서 집중적인 투자가 필요한 분야이지요.

RFID의 기술은 현재의 고주파 통신기술과 상당히 거리가 있어서, 오히려 정보를 얻기가 매우 어려운 분야입니다. 하지만 이 분야 역시 점점 더 세계적으로 시장도 커지고 수익성도 결코 떨어지지 않기 때문에, 많은 연구개발과 투자가 필요한 분야입니다.

▶ 고전적인 저주파 RF기술

  무선 리모콘이나 RF 마우스, 키보드 등에 사용되는 RF기술도 따지고 보면 근거리용 통신기술이긴하지만, 저주파 전자회로 레벨의 회로적 개념이 더 강조되는 분야입니다. 엄밀히 말해서 최근의 통신/비통신용 고주파 기술이 필요할 정도로 복잡하지는 않습니다. 근거리용으로 간단한 정보를 전달하기 위한 각종 저주파 RF기술도 많습니다.

그 외에 평판디스플레이 공정에서 플라즈마 평탄화를 위해 수십 kHz에서 동작하는 loop 안테나를 이용하는 ICP/TCP 기술처럼, 비RF분야 내에서 RF라고 불리우는 분야가 존재합니다. 또는 RF가열기와 같은 분야처럼 수 kHz ~ 수 MHz 의 저주파 교류신호의 방사를 이용하는 경우 역시 해당분야에선 나름대로 RF라고 부릅니다. 정통 RF라고 보기엔 다소 거리감이 있지만 저주파 RF기술로서 다루어질 수는 있을 것입니다.

이러한 저주파 레벨의 RF기술들은, 상대적으로 기존의 전자회로기술로 충분히 해결된다는 측면에서 RFDH에선 거의 다루지 않고 있습니다. 이것에 대해서는 아래의 단원을 참조해보실까요?

 

RF에서의 저주파와 고주파

이런 질문도 많습니다. "어느 주파수부터 RF라고 불러야 하나요?"

자, 그렇다면 주파수가 높아야만 RF일까요? 물론 그렇지는 않습니다. 60Hz도 전자기파로 방사될 수 있습니다. 높다, 낮다는 어느정도 상대적인 개념이지요.

저주파냐 고주파건 외부로 방출되는 전자기파를 다룬다면 그것은 분명히 RF라는 분야에 포함되긴 하지만, 주파수의 높낮음에 따라 그 특성이 다르다는 점이 중요합니다. 그 경계점이 정확히 얼마라고 지정된 값은 없지만, Microwave로 규정되기 시작하는 주파수, 300MHz를 저주파와 고주파의 경계로 삼는 경우가 많습니다. 300MHz는 파장이 1m 이하로 내려오기 시작하는 지점이지요. EMI 적 측면에서 보면 300MHz 이하는 자기장이 주요한 factor가 되지만, 300MHz 이상에서는 전기장이 주요한 factor가 되기도 합니다. 여하튼 파장이 m단위 이하의 cm단위로 내려온다는 것은, 회로나 시스템을 구성할 때 짧은 파장에 의한 각종 위상차나 발진문제등이 복잡해진다는 의미가 되지요.

위에 언급된대로 무선통신에서의 RF는 수십MHz~ 100MHz대의 IF단에 반대되는 개념으로 RF라는 용어가 사용되기 때문에, RF는 보통 300~400MHz 이상의 높은 주파수대를 일컫습니다. 하지만 RFID나 RF가열장치 등의 무선통신 아닌 RF분야에서는 수kHz도 엄연히 RF인 것이죠. 다만 이동통신분야의 엔지니어들이 다수를 형성하고 있는 국내 RF계에서는 고주파 RF단에 대한 정보교류가 활발한 반면, 고전적인 저주파 RF 계열에 대한 정보교류는 거의 없다고 해도 과언이 아닙니다. 300MHz 대 이하의 RF기술은 많은 역사를 가진 전통적인 RF기술이고, 일반 전자회로 수준의 여러 정보들을 통해서도 구현이 가능하다고 여겨지기 때문일 것입니다. 또한 상대적으로 저주파 RF를 다루는 엔지니어의 숫자가 적다는 점도 있습니다.

결론적으로 저주파건 고주파건 무선을 이용하는 각종 아날로그 회로단은 분명히 RF가 맞습니다. 다만 고주파쪽 기술이 좀더 어렵고, 새로운 기술이 많이 출몰하는 분야이므로 그쪽에 대한 각종 정보교류가 활발한 것이지요.

 

결론

RF는 근본적으로 전자파를 이용하기 위한 아날로그 하드웨어입니다. 적어도 이제 막 RF에 입문하신 분들이라면 RF라는 분야의 범위가 어디까지인지에 대한 전반적인 개념을 잡는데 도움이 되었길 바랍니다.

 

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