범위가 30GHz에서 300GHz까지인 스펙트럼을 밀리미터파(mmWave) 대역 또는 밀리미터파 스펙트럼이라고 합니다.
밀리미터파 신호는 공기 중에서 빛과 동일한 속도인 3 x 108 m/s로 전파됩니다. 따라서 이 주파수 범위에 해당하는 파장은 10mm에서 1mm입니다.
실제 적용시, 24GHz 이상의 주파수를 밀리미터파로 간주하며 마이크로파와 원적외선파가 겹치는 파장 범위에 해당합니다. 따라서 밀리미터파는 두 스펙트럼의 특성을 모두 갖습니다. 국제전기통신연합(ITU)은 이 무선 주파수 대역을 "극고주파(Extremely High Frequency, EHF)"로 분류하고 있습니다.
밀리미터파의 전파 특성:
밀리미터파 신호의 전파 특성은 다음과 같습니다:
- 높은 자유 공간 경로 손실
- 큰 대기 감쇠
- 확산 반사
- 제한된 침투 깊이
다음 하위 섹션에서 이 네 가지 전파 특성을 보다 자세히 살펴보겠습니다.
자유 공간 경로 손실(Free Space Path Loss, FSPL):
밀리미터파 무선 주파수 통신의 한 가지 단점은 두 안테나 간의 가시선(Line-of-sight) 통신에서 발생하는 자유 공간 경로 손실입니다. FSPL은 파장의 제곱에 반비례하며, 다음과 같은 식으로 표현됩니다:
여기서:
- d는 두 안테나 사이의 거리(m)이며,
- λ는 파장(m)입니다.
RF 통신 계산에서 이런 손실 공식의 결과는 일반적으로 데시벨(dB) 단위가 되도록 변환되며, 주파수는 GHz 단위로, 거리는 km 단위로 측정됩니다. 변환된 공식은 다음과 같습니다.
위 그래프는 다양한 주파수에서의 자유 공간 경로 손실을 보여줍니다. 거리가 1옥타브(2배) 변하면 감쇠(Attenuation)는 6dB가 변합니다. 예를 들어, 거리가 2km에서 4km로 증가하면 감쇠는 6dB가 증가합니다. 짧은 거리에서도 자유 공간 경로 손실이 매우 높을 수 있다는 점에 주목할 필요가 있습니다. 이는 밀리미터파 통신 시스템의 설계 및 설치에 큰 도전 과제가 됩니다.
대기 감쇠(Atmospheric Attenuation):
밀리미터파 전송의 특징 중 하나는 대기 감쇠입니다. 대기 중의 수증기와 산소는 전자기파를 흡수할 수 있기 때문에 밀리미터파 응용에 대한 연구는 주로 “대기 창(Atmospheric window)” 주파수 대역과 “감쇠 피크(Attenuation peak)” 주파수 대역에 집중되어 있습니다.
“대기 창”은 전자기파가 대기를 통과할 때 반사, 흡수 및 산란은 적고 전송율은 높은 주파수 대역을 의미합니다.
일반적으로 “대기 창” 주파수 대역은 점대점(Point-to-point) 통신에 적합하며 “감쇠 피크” 주파수 대역은 네트워크 보안 요구 사항을 충족하는 다중 분기 다이버시티(Multi-branch diversity)기반의 보안 네트워크 및 시스템에 적합합니다.
확산 반사(Diffuse Reflections):
파장이 길수록 장애물을 피해 전송하기 위해 직접 반사(정반사)된 전력에 의존하는 경우가 많습니다(거울과 같은 반사를 떠올리면 됩니다). 그러나 밀리미터파에게 있어 대다수의 표면은 “고르지 않기” 때문에, 에너지를 여러 방향으로 분산시키는 확산 반사가 발생합니다.
따라서, 반사된 에너지가 수신 안테나에 도달할 가능성이 낮습니다. 밀리미터파 전송은 장애물로 인한 음영에 매우 취약하므로 일반적으로 가시선 전송으로 제한됩니다.
제한된 침투 깊이(Limited Penetration):
밀리미터파는 파장이 짧기 때문에 대부분의 물질 깊숙이 침투하거나 통과하지 못합니다.
예를 들어, 일반적인 건축 자재를 대상으로 한 연구에서 감쇠 범위는 약 1~6dB/cm였으며, 벽돌 벽을 통과할 때의 침투 손실은 70GHz가 1GHz보다 5배 더 높을 수 있는 것으로 나타났습니다. 실외에서는 나뭇잎도 대부분의 밀리미터파를 차단합니다. 따라서 대부분의 밀리미터파 통신은 가시선 통신으로 제한됩니다.
밀리미터파 기술의 장점:
1. 넓은 대역폭과 높은 데이터 전송 속도: 밀리미터파 주파수 범위는 일반적으로 26.5GHz에서 300GHz까지이며, 최대 273.5GHz의 대역폭을 갖습니다. 이는 DC부터 마이크로파까지의 대역폭보다 10배 더 넓은 수준입니다.
또한, 밀리미터파 대역은 높은 주파수 범위를 가지므로 낮은 주파수 스펙트럼보다 더 높은 데이터 전송 속도를 제공합니다.
2. 작아진 안테나 크기: 밀리미터파는 파장이 매우 짧기 때문에 이 주파수에서 사용되는 안테나는 매우 작을 수 있습니다. 이로 인해 더 많은 안테나 소자를 더 작은 공간에 집적할 수 있으며, 위상 배열 안테나(Phase array antennas), 전자식 조향 안테나(Electronically steered antennas) 및 다양한 안테나 기술을 활용할 수 있습니다.
3. 좁은 빔 폭: 동일한 안테나 크기에서 밀리미터파의 빔 폭은 마이크로파보다 훨씬 좁습니다. 예를 들어, 12cm 안테나의 경우 9.4GHz에서 빔 폭이 18도인 반면, 94GHz에서는 단 1.8도로 줄어듭니다. 따라서 밀리미터파는 서로 더 근접한 더 작은 목표물을 식별하거나 목표물의 세부 정보를 더욱 명확하게 관찰할 수 있습니다.
4. 강력한 탐지 능력: 밀리미터파의 광대역 스펙트럼은 다중 경로 효과 및 불필요한 반향 신호를 억제하는 데 활용될 수 있습니다. 다양한 주파수를 사용할 수 있어 상호 간섭을 효과적으로 제거할 수 있습니다. 목표물의 시선 속도(Radial velocity)에 따라 큰 도플러 천이(Doppler frequency shift)를 얻을 수 있어서, 저속으로 움직이거나 진동하는 물체의 탐지 및 인식 능력이 향상됩니다.
5. 제한된 범위, 반사, 침투 깊이: 제한된 범위, 확산 반사, 그리고 침투 깊이는 실제로 통신에 유리하게 작용할 수 있습니다. 이러한 특성을 활용해 많은 스몰 셀(small cell)을 간섭 없이 서로 매우 가깝게 배치할 수 있습니다. 이를 통해 스펙트럼의 공간 재사용이 가능해져, 한 지역에서 더 많은 고대역폭 사용자를 지원할 수 있습니다.
밀리미터파 기술의 응용 분야:
1. 레이더
오랜 기간, 항공 우주 레이더 응용 분야는 밀리미터파 기술의 주요 활용처였습니다. 넓은 대역폭은 물체까지의 거리 측정, 서로 가까운 두 개의 먼 물체 구분, 그리고 목표물의 상대 속도 측정에 이상적입니다.
For many years, aerospace예를 들어, 두 물체가 서로를 향해 정면으로 이동하거나 멀어지는 가장 기본적인 형태를 가정했을 때 도플러 천이(Δf)는 다음 식으로 표현됩니다: Δf= (2*Vrel)/λ
여기서,
- Vrel은 상대 속도(m/s)이며,
- λ는 파장(m)입니다.
밀리미터파처럼 파장이 짧을수록 주파수 천이는 더 크기 때문에 도플러 효과로 인한 주파수 변화를 측정하기가 더 쉽습니다. 또한, 더 작은 다중 소자 안테나와 적응형 빔 포밍을 활용할 수 있기 때문에 밀리미터파는 레이더 응용 분야에 적합합니다.
밀리미터파 레이더가 항공 우주 응용 분야에 적합한 이유와 같은 이유로 비상 제동, 적응형 크루즈 컨트롤(ACC), 그리고 사각지대 감지와 같은 자율주행 차량 응용 분야에도 널리 채택되고 있습니다.
자율주행 차량 운영에 있어 거리와 상대 속도를 빠르고 정확하게 측정할 수 있는 능력은 매우 중요합니다.
2. 통신
위성 시스템은 넓은 대역폭, 낮은 지연 시간, 소형 안테나, 다중 안테나 배열 빔 포밍이 가능한 밀리미터파를 오랫동안 통신에 사용해 왔습니다. 이러한 특징들로 인해 많은 지상 통신 네트워크도 밀리미터파를 도입하고 있습니다.
예를 들어, 대역폭이 증가함에 따라 밀리미터파는 초고화질(UHD) 비디오의 무선 전송을 지원할 수 있게 되었습니다. 또한, 소형 안테나는 스마트폰, 디지털 셋톱 박스, 게임 스테이션 등과 같은 장치에 통합할 수도 있습니다. 밀리미터파를 사용할 차세대 산업 표준에는 Gb/s급 데이터 전송 속도를 지원하는 5G 및 IEEE 802.11ad WiGig가 있습니다.
특히 실내 및 도시 환경에서 밀리미터파의 공간 재사용과 적응형 빔 포밍으로 인해 더 많은 사용자가 고대역폭 통신을 사용할 수 있습니다.
3. 보안 스캐너
밀리미터파는 전신 보안 스캐너에도 사용됩니다. 수천 개의 송수신 안테나가 동시에 작동하여 아래 그림에서 보여주는 것처럼 높은 정밀도로 스캔을 수행합니다.
이 시스템은 70GHz에서 80GHz 사이의 주파수 범위로 신호를 전송하며, 약 1mW의 전력만 방출합니다. 밀리미터파는 대부분의 옷을 통과하고 피부와 기타 표면에서 반사되어 수신 안테나로 돌아옵니다. 수신된 신호는 개인의 상세한 이미지를 생성하고, 옷 아래에 숨겨진 물체를 탐지하는 데 사용될 수 있습니다. 밀리미터파의 낮은 출력 및 제한된 침투 깊이는 안전성을 더욱 향상시킵니다.
밀리미터파의 기타 응용 분야:
밀리미터파 기술은 다양한 분야에서 활용됩니다. 위의 사례들은 그중 일부에 불과하며, 그 밖의 응용 분야는 다음과 같습니다:
- 전파 천문학
- 토양 수분 평가
- 적설량 측정
- 빙산 탐지
- 악천후 시 광학 탐지 보완
- 기상 지도 제작
- 풍속 측정
- 의료 치료
결론:
밀리미터파 기술은 지난 10년 동안 가장 빠르게 성장한 기술 중 하나입니다. 고속 데이터, 초고화질 멀티미디어, HD 게임, 보안 및 감시 등에 대한 수요가 증가함에 따라 밀리미터파 기술은 한 단계 더 나아갈 것입니다. 또한, 밀리미터파 기술은 지속적으로 발전하여, 미래에는 더욱 다양한 응용 분야를 제공할 것입니다.