전력 증폭기 부품을 통해 mmWave 응용 제품 구현

이전에는 동일한 스펙트럼 대역에 추가 비트를 압축하는 점점 더 복잡한 변조 방식을 통해 무선 데이터 전송률을 높였습니다. 그러나, 이러한 접근 방식이 실제 한계에 도달하면서, 앞으로는 상업용 5G 생산 응용 제품을 설계하든 고용량 군사용 링크를 설계하든 상관없이 더 밀집된 변조가 아니라 더 넓은 대역폭에 의존하게 될 것입니다. 이러한 변화로 인해 설계자들은 밀리미터파(mmWave) 스펙트럼으로 전환하게 되는데, 여기서 풍부한 스펙트럼은 새로운 용량을 실현하는 동시에 매우 다른 설계 과제를 야기합니다.

5G 통신 시스템은 원래 방위 회사가 수년간 수행한 연구로 인한 혜택을 누리고 있습니다. 예를 들어, 빔 조향 및 여러 대상의 동시 추적을 가능하게 하는, 방위 분야에서 개발된 위상 배열 안테나 기술은 이제 여러 사용자에게 동시 데이터 스트림을 전송하기 위해 5G 응용 분야에서 널리 채택되고 있습니다. 또한 상업용 시스템은 멀티 기가비트 링크에 필요한 대역폭에 액세스하기 위해 28GHz 및 39GHz 같은 대역에서 점점 더 많이 운영되고 있습니다.

Analog Devices, Inc.와 같은 기업은 방위 산업 응용 분야에서 쌓은 mmWave 전문 기술을 활용하여 방위 성능 요구 사항과 상업용 인프라에 필요한 제조 가능성을 모두 준수하는 표준 부품을 제공합니다. 고주파 IC의 첨단 표면 실장 패키징은 5G를 대량 배포로 확장하는 데 중요한 역할을 수행했습니다.

5G 및 방위 산업은 모두 첨단 고주파 하드웨어에 의존합니다. 5G 네트워크는 처리량을 최대화하기 위해 특정하고 좁은 스펙트럼 대역에 최적화되지만, 전자전(EW)과 같은 군사 응용 분야는 스펙트럼 인식을 보장하기 위해 넓은 작동 대역폭을 필요로 합니다. 이러한 차이에도 불구하고, 5G에서 넓은 변조 대역폭을 요구하는 흐름은 상호 이익이 되는 제조상의 혜택을 창출했습니다.

이러한 분야가 mmWave 기술로 수렴됨에 따라 상업용 배포에 필요한 제조 규모가 실현되었습니다. 또한 이전에는 수량이 적고 고가인 '칩 전선' 조립 공정에 의존했던 군사용 응용 제품의 제작 비용을 크게 감소시켰습니다.

이러한 규모는 고집적 무선 주파수 IC(RFIC), 위상 배열 모듈, 접근 가능한 테스트 솔루션에 의존하는데, 이러한 기술은 과거에는 대규모 방위 산업 계약업체의 예산이나 전문성을 보유하지 못했던 소규모 설계 업체들도 점점 더 사용할 수 있게 되었습니다.

이러한 상호 교류는 공유된 테스트 인프라도 형성했습니다. 과거에는 28GHz 및 39GHz에서 위상 배열 안테나를 테스트하려면 크고 비싼 무반향실이 필요했습니다. 5G의 광범위한 확산은 저렴한 기성 OTA 테스트 솔루션의 개발로 이어졌으며, 이를 통해 방위 산업 기업들은 큰 자본 투자 없이도 제품 개발 문제를 신속하게 해결할 수 있게 되었습니다. 검증된 응용 분야별 빌딩 블록 제공을 통해 모든 규모의 설계 업체들이 mmWave를 관리 가능한 서브시스템으로 접근할 수 있게 되었으며, 유망한 mmWave 응용 제품을 블록 다이어그램에서 배치 가능한 하드웨어로 더 쉽게 구현할 수 있습니다.

스펙트럼 혁신

수십 년간, 무선 혁신은 근본적으로 다른 두 가지 방법에서 발전해 왔습니다. 하나는 더 많은 정보를 각각의 다른 신호 상태(기호)로 인코딩하는 것이고, 다른 하나는 정보를 운반하는 데 사용할 수 있는 스펙트럼 공간을 확장하는 것입니다.

단순한 변조 방식은 견고성 및 신호 무결성을 우선시하고, 복잡한 방식은 기호당 추가 비트를 운반함으로써 데이터 처리량을 향상시킵니다. 기본 변조는 신호 비트와 같은 작은 양의 정보를 통해 각각의 기호를 나타냅니다. 설계자는 더 복잡한 변조 방식(예: QAM)을 사용해 기호당 더 많은 정보를 인코딩하거나 고주파 mmWave 대역폭에서 더 넓은 스펙트럼 채널에 액세스하여 시스템 성능을 개선할 수 있습니다.

변조는 데이터가 반송파에 어떻게 담겨 전달되는지를 결정하지만, 데이터 비트가 의도된 목적지에 도달하도록 보장하는 것은 전력 증폭기(PA)의 역할입니다. 상업용 5G에서 PA는 고처리량 위상 배열을 지원하기 위해 지정된 주파수 대역 내에서 효율성 및 선형성을 우선시합니다. 그러나 군사용 시스템은 레이더 명료성, 위성 통신, 사용 편의성을 향상시키기 위해 대개 더 넓은 주파수 범위와 추가적인 전력을 목표로 합니다.

점점 더 정교해지는 변조에서도, 지정된 반송파 주파수(F_C) 대역을 통해 전송할 수 있는 데이터의 양에는 근본적인 제한이 있습니다. 한 가지 주요 원칙은 데이터 처리량이 채널 폭(예: 변조 신호의 대역폭(F_BW)에 직접 연관되어 있다는 것입니다. 더 높은 데이터 전송률을 달성하려면 더 넓은 반송파 주파수 채널이 필요합니다. 마치 혼잡한 1차선 도로에서 10차선 고속도로로 전환하는 것과 같습니다(그림 1).

그림 1: 반송파 주파수를 중심으로 한 변조 대역폭 표현(이미지 출처: Analog Devices, Inc.)

또한 DC 한계도 고려해야 하는데, 이는 신호가 0Hz 아래로 확장될 수 없다는 것을 의미합니다. 신호가 변조되면, 엔지니어가 측파대라고 부르는 반송파 주파수 주변으로 확산됩니다. 그러나 반송파 주파수가 너무 낮을 경우 이 신호의 일부가 이론적으로 해당 한계 아래로 확장되며, 이는 실제로는 불가능합니다. 따라서, 엔지니어는 전체 신호가 사용 가능한 스펙트럼 내에 충분히 포함되도록 하기 위해 반송파 주파수를 더 높은 주파수(예: mmWave 대역의 주파수)로 올려야 합니다. 고주파 작동에서 이 '절대 접지'는 처음부터 넓은 고속 채널을 가능하게 하는 요인입니다.

이 두 가지 원칙은 설계자가 상업용 5G 및 방위 시스템을 위해 mmWave 주파수로 전환하는 이유를 설명하는 데 도움이 됩니다. 변조 복잡성이 실제 제한에 도달한 후에는, 처리량을 크게 증가시키는 유일한 방법은 반송파 주파수를 더 높이 이동하고 훨씬 더 넓은 스펙트럼 레인을 개방하는 것입니다. 따라서, mmWave로의 이동은 단순한 트렌드가 아니라, 현대 응용 분야가 요구하는 대규모 데이터 전송률과 고해상도 감지를 달성하기 위한 실질적 요구 사항입니다.

설계 과제 해결

mmWave 주파수로 전환하면 상업용 및 방위 시스템 모두에 영향을 미치는 무선 하드웨어의 실제 설계가 형성됩니다.

• 주파수가 높아지면 파장을 압축하여 안테나 소형화를 구현합니다. 이러한 소형화를 통해 배열을 칩 또는 콤팩트 모듈에 직접 통합할 수 있습니다.
• 파장이 짧을수록 빔이 좁아져 각 해상도가 개선됩니다. 즉, 레이더는 밀접하게 배치된 대상을 구별할 수 있고, 5G 기지국은 개별 사용자에 에너지를 정확하게 집중시킬 수 있습니다.
• 이러한 기술의 광범위한 상업용 배치는 표면 실장 기술(SMT)로의 전환으로 이어졌습니다. SMT는 플라스틱 또는 세라믹 패키지의 고집적 모듈을 자동으로 생산할 수 있도록 지원합니다.

이러한 근본적인 변화는 다음과 같은 mmWave 시스템을 구축하는 설계자에게 기회이자 새로운 엔진니어링 과제를 나타냅니다.

• 경로 손실 증가, 안테나 효율성 감소, 비선형성에 대한 감도 상승, 열 효과, 기생 레이아웃 문제를 일으키는 고주파 작동.
• RF 프런트엔드 부품에 엄격한 요구를 가하는 넓은 대역폭 요구 사항과, 5G의 위상 배열 빔포밍이나 방위 분야의 고해상도 레이더와 같은 시스템 수준의 제약 조건으로 인해 더욱 복잡해지는 설계 과정.

상업 분야 설계자는 포괄적인 5G 인프라를 대규모로 지원하기 위해 효율성, 선형성, 통합 간에 균형점을 찾아야 합니다. 반면 방위 분야 설계자는 레이더, 위성 통신, 전술 통신을 위해 종종 더 높은 출력 전력, 더 넓은 대역폭, 여러 대역에 걸쳐 적용 가능한 작동이 필요합니다.

엔지니어는 특수 IC 중에서 선택해야 합니다. 이러한 선택은 응용 분야에서 성능 최적화를 우선시하는지 또는 작동 다양성을 우선시하는지에 따라 달라집니다.

mmWave 주파수에서는 경로 손실이 크게 증가하며 고차수 변조 방식은 왜곡에 더 취약합니다. 결과적으로 상업용 5G의 경우, 위상 배열 안테나는 각각의 대역폭에서 높은 처리량을 효율적으로 제공하는지 확인하는 것이 중요합니다. 군사용 시스템도 유사한 문제에 직면하지만, 레이더 범위 또는 위성 통신(SATCOM) 링크에 대한 출력 전력을 최대화하는 데 주력하는 경우가 많습니다.

이러한 필요 사항을 해결하기 위해 ADI의 HMC863ALC4는 5G 응용 분야를 위한 24GHz ~ 29.5GHz 범위 내의 좁은 대역에서 피크 효율성을 위해 조정할 수 있는, 대역폭 최적화 PA를 제공합니다. 이 제품은 높은 선형성, 17dB의 이득, +21dBm의 출력 전력을 제공하며, 소비된 DC 전력 대비 추가로 생성된 RF 전력을 나타내는 지표인 22.5%의 전력 부가 효율(PAE)을 달성합니다. 콤팩트한 4mm × 4mm SMT 패키지에 구현되는 이러한 특징은 상업용 설계자가 자동화된 조립 공정을 지원하면서도 강력한 처리량을 유지할 수 있도록 합니다. EV1HMC863ALC4 평가 기판(그림 2)은 RF 프런트 엔드 설계를 확정하기 전에 설계자에게 PA 성능, 열 특성, 바이어스 네트워크 및 측정 구성을 검증할 수 있는 하드웨어 플랫폼을 제공합니다.

그림 2: EV1HMC863ALC4는 mmWave 협대역 응용 제품의 실제 성능을 특성화하기 위한 평가 플랫폼을 제공합니다(이미지 출처: Analog Devices, Inc.).

방위 분야 설계자들은 높은 레이더 해상도나 다중 대역 통신을 달성하기 위해 더 넓은 대역폭에서 작동하는 경우가 많으며, 이러한 목표를 달성하기 위해 효율을 희생하기도 합니다. 이러한 경우, ADPA7005CHIP PA는 20GHz ~ 44GHz의 넓은 작동 범위를 제공하고, 주파수 하위 대역에 따라 일반적으로 8% ~ 13%의 PED를 달성합니다. 이 제품은 +33dBm의 출력 전력, 14dB의 이득, 45%의 단순 DC-RF 효율을 제공하며, 이 모두는 콤팩트한 7mm × 7mm SMT 패키지에 구현되어 있어 콤팩트한 모듈로의 통합을 간소화할 수 있습니다. 넓은 커버리지와 높은 출력을 갖춘 이 제품은 고해상도 레이더부터 장거리 통신에 이르는 유연한 고성능 방위 응용 제품에 적합합니다. ADPA7005-EVALZ 테스트 플랫폼(그림 3)은 광대역 mmWave 응용 분야를 위한 더 복잡한 설계를 개발하면서 열 완화를 제공하는 데 도움이 되는 방열판을 포함하고 있습니다.

그림 3: EVAL-ADPA7005AEHZ 평가 기판은 더 복잡한 광대역 mmWave 응용 제품 개발을 지원합니다(이미지 출처: Analog Devices, Inc.).

결론

mmWave 주파수로의 전환은 글로벌 통신 및 방위 기술에서 중요한 변화를 의미합니다. 위상 배열 5G 인프라든 콤팩트한 크기의 EW 시스템이든, mmWave 모듈을 통합하려면 열 성능과 신호 성능을 유지하면서 자동화되고 반복 가능한 조립을 지원하는 부품이 필요합니다. 대역폭, 선형성, 효율을 신중하게 고려해 설계된 ADI의 PA 부품을 활용하면 설계자는 상업용 및 군사용 응용 분야 모두에서 mmWave 시스템의 요구 사항을 충족할 수 있습니다.