무선 주파수(RF) 기술은 현대 통신의 핵심으로, 기기, 가정, 산업을 연결하는 무선 시스템의 근간이 된다. 고속 5G 네트워크와 위성 통신부터 IoT 기기, 차량용 레이더 시스템에 이르기까지 RF 시스템은 세상을 움직이는 보이지 않는 네트워크의 원동력이다. 엔지니어가 RF 설계와 이러한 설계의 과제를 이해하는 것은 전자 분야에 존재하는 한계를 극복하기 위해 필수적이다.
RF 설계는 독특하고 복잡한 분야로 이론적 지식, 실무적 전문성, 창의적 문제 해결이 모두 조화를 이루어야 하는 분야다. 신호가 2진법이고 예측 가능한 디지털 시스템과 달리, RF는 동적인 아날로그 영역에서 작동하기 때문에 약간의 조정만으로도 성능에 큰 영향을 미칠 수 있다.
지난 50년 동안 RF 설계에는 상당한 변화가 있었다. 새로운 세대의 RF 설계자가 등장하면서 최신 설계는 성능을 최적화하고 기생 효과를 모델링하며 궁극적으로 개발 시간을 단축하기 위해 시뮬레이션에 더욱 집중하고 있다.
아마추어 무선에서 시작된 디지키(DigiKey)는 RF 시스템을 사용하는 엔지니어가 신호 무결성, 전력 관리 및 잡음 감소와 같은 요소를 고려하는 동시에 크기, 비용 및 규정 준수와 같은 실제 제약 조건을 탐색할 수 있도록 지원하는 기업으로 발전했다. 디지키는 칩, 안테나, RF 커넥터를 비롯한 우수한 하드웨어 부품을 제공함으로써 RF 커뮤니티를 지속적으로 지원하고 있다.
최근 저명한 물리학자이자 코보(Qorvo)의 아날로그 엔지니어인 Mike Engelhardt와 ‘Let’s Talk Technical‘ 세션을 가지고 RF 설계를 위한 시뮬레이션에 대해 이야기 했다. Mike는 엔지니어로서 LTspice와 QSPICE를 비롯한 회로 시뮬레이션 소프트웨어에 기여한 바가 크다. 아래 Q&A는 이날 나누었던 대화 내용을 바탕으로 작성되었으며, 코보의 QSPICE 개발과 RF 엔지니어 및 혼합 신호 설계자를 위한 시뮬레이션 혁신에 대한 내용이다.
Q: RF 엔지니어들은 전통적으로 SPICE보다 주파수 도메인 시뮬레이터를 선호해 왔다. 새로운 접근 방식이 필요하게 된 이유는 무엇인가
A: 전통적으로 RF 엔지니어들은 주파수 도메인 또는 고조파 밸런스 시뮬레이터에 크게 의존해 왔는데, 이는 SPICE 툴로는 스퓨리어스 고조파 발생과 저레벨 비선형성을 정확하게 시뮬레이션하기 어려웠기 때문이다. QSPICE는 정밀한 시간 영역 시뮬레이션을 통해 회로 동작을 보다 완벽하고 사실적으로 파악할 수 있어 엄청난 변화를 일으켰다.
시간 도메인 시뮬레이션을 통해 설계자는 물리적 바이어스 포인트와 전체 회로 비선형성을 직접 작업해 실제 전력 손실을 파악하고 주파수 도메인 분석에 내재된 가정을 피할 수 있다. 주파수 동작은 RF 설계의 핵심이지만, QSPICE는 실제 바이어스 지점에서 실제 회로를 선형화하는 첫 번째 원칙부터 처리하므로 설계 흐름이 더 정확하고 오류 발생 가능성이 적다.
Q: QSPICE는 대량의 시뮬레이션 데이터를 시각화해야 하는 과제를 어떻게 해결하나
A: 시각화로 인해 시뮬레이션 툴에서 종종 병목 현상이 발생하는데, 기존 SPICE 프로그램은 효율적으로 플로팅할 수 있는 데이터보다 더 많은 데이터를 생성하기 때문이다. QSPICE는 비디오 게임에서 사용되는 것과 동일한 GPU 기반 그래픽 기술을 활용하여 이 문제를 해결한다. 이를 통해 기존 도구보다 최대 10만 배 빠른 속도로 방대한 양의 데이터를 압축하거나 충실도 저하 없이 렌더링할 수 있다.
그래픽 엔진은 게임에서 차용한 기술인 트라이앵글 테셀레이션을 사용해 놀라운 속도와 선명도로 데이터를 표시한다. 이 기술을 통해 사용자는 압축되지 않은 실제 시뮬레이션 결과를 확인하고 정확한 FFT를 수행해 스퓨리어스 신호와 고조파를 쉽게 식별할 수 있다.
Q: 최신 설계 작업을 하는 RF 엔지니어에게 구체적으로 어떤 이점이 있나
A: 시뮬레이션의 핵심은 이해를 심화시키는 데 있다. 시뮬레이션을 통해 설계자가 직관을 구축하고, 동작을 탐색하며 실제 벤치에서는 불가능한 방식으로 설계를 개선할 수 있다. RF 회로의 경우 이는 특히 중요하다.
기저대역 설계와 달리 RF 회로는 인쇄 회로 기판의 물리적 레이아웃에 의해 의도하지 않은 반응성 요소인 PCB 기생에 취약하다. 시뮬레이션에서 설계자는 이러한 기생 효과를 해제해 핵심 회로 동작을 분리하고 연구할 수 있다. 기생 효과를 분리하는 이 기능을 통해 어떤 요소가 실제로 성능에 영향을 미치는지 더 명확하게 파악할 수 있다.
벤치에서는 이러한 종류의 분석이 거의 불가능하다. 물리적 PCB에서 기생 효과를 ‘해제’할 수 없으며, 멀티레이어 기판에 내장된 구성 요소를 쉽게 수정하거나 그 경로를 변경할 수도 없다. 시뮬레이션은 테스트, 반복, 학습을 위한 깔끔하고 유연한 환경을 제공한다.
Q: 기술이 기가헤르츠 범위로 발전함에 따라 고주파 현상을 시뮬레이션하는 데 있어 가장 큰 과제는 무엇인가
A: 가장 중요한 과제는 물리적 레이아웃에서 발생하는 의도하지 않은 유도성, 정전 용량성 또는 저항 소자인 기생 효과를 정확하게 식별하는 것이다. 고주파에서는 작은 기생 효과도 회로 동작에 큰 영향을 미칠 수 있다.
전선 또는 트레이스 유도 용량에 대한 기본적인 공식으로 상당 부분 해결할 수 있지만, 실제 어려움은 집중 소자 모델이 제대로 작동하지 않을 때 발생한다. 솔레노이드, 스트립 라인 및 직선 와이어용 내장 모델이 포함된 QSPICE 분산으로 인해 부품의 동작은 빈도에 따라 달라진다.
유전체 및 자성체와 같은 소재는 원자 수준에서 주파수 의존적 특성을 나타내므로 광대역의 집중 소자 모델을 만드는 것은 사실상 불가능하다. 이러한 경우 설계자는 기생 효과를 제거하려는 시도가 아니라, 기생 효과의 불가피한 영향을 고려하여 방어적으로 설계하는 방식으로 전환해야 한다.
Q: RF 설계자의 사용자 경험 측면에서 QSPICE는 어떠한 사항을 개선했나
A: 대부분의 전자 CAD 도구에는 최신 사용자 인터페이스 설계가 적용되지 않았는데, QSPICE는 인체공학적이고 직관적인 상호 작용에 집중함으로써 혁신을 이뤄냈다. 예를 들어, 작업의 흐름을 방해하는 모달 팝업 대화 상자 대신 QSPICE는 기본 제공되는 텍스트 편집 기능을 사용해 사용자가 시각적으로나 정신적으로 계속 회로도에 집중할 수 있도록 한다.
또한 QSPICE는 기존의 도구 모음 탐색을, 상황에 맞게 바로 사용할 수 있는 오른쪽 클릭 메뉴로 대체해 마우스 이동을 최소화하므로 사용자가 집중할 수 있다. 흐름과 효율성을 우선시하는 설계이므로 엔지니어가 불필요한 방해 요소 없이 설계 프로세스에 몰입할 수 있다.
Q: 혼합 신호 설계자의 경우 QSPICE의 장점은 무엇인가
A: QSPICE는 뛰어난 혼합 모드 시뮬레이션 성능을 제공해 모든 설계자가 고급 기능을 사용할 수 있도록 지원한다. 시뮬레이션 중에 실행되는 실행 가능한 오브젝트 코드로 직접 C++ 및 Verilog를 네이티브 컴파일할 수 있다. 그 결과 5GHz 미만으로 실행되는 프로세서에서 5GHz와 같은 고주파 신호를 시뮬레이션할 때를 제외하고는 디지털 로직이 실제 하드웨어보다 빠르게 평가된다.
상자를 회로도에 끌어다 놓고 코드를 입력한 후 실행하면 된다. QSPICE는 필요한 모든 컴파일러를 기본으로 제공해 경험을 간소화하고 설계자가 복잡한 아날로그-디지털 상호 작용을 쉽고 빠르게 시뮬레이션할 수 있도록 지원한다.
