기술기고문
마이크로파 무선 성능은 높이고 크기는 줄이는 24GHz ~ 44GHz 광대역 통합 업컨버터와 다운컨버터
글: 제임스 웡(James Wong), 카세이 차초풀로스(Kasey Chatzopoulos), 무르타자 타히랄리 (Murtaza Thahirally) / 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)
아나로그디바이스(ADI)는 한 쌍의 고도로 통합된 마이크로파 업컨버터 및 다운컨버터 칩인 ADMV1013과 ADMV1014를 출시했다. 이들 IC는 24GHz ~ 44GHz에서 50Ω 정합으로 매우 넓은 주파수 범위에서 동작하며 1GHz 이상의 순시 대역폭을 지원할 수 있다. ADMV1013 및 ADMV1014의 성능 특성은 백홀과 프런트홀로 널리 사용되는 28GHz와 39GHz 대역을 포괄하는 소형 5G 밀리미터파(mmW) 플랫폼 및 다른 많은 초광대역폭 송신기 및 수신기 애플리케이션을 손쉽게 설계 및 구현할 수 있게 한다.
각 업컨버터 및 다운컨버터 칩은 통합 수준이 높다(그림 1). 이들은 동위상(I) 및 직교 위상(Q) 믹서와 온칩 직교 위상 천이기를 통합하고 있어, 베이스밴드에서 RF로 직접 상향 변환 또는 그 반대로(DC ~ 6GHz에서 동작) 혹은 중간 주파수(IF)로 또는 그 반대로(800MHz ~ 6GHz에서 동작) 변환할 수 있게 설정이 가능하다. 업컨버터 RF 출력은 전압 가변 감쇠기(voltage variable attenuator, VVA)가 있는 온칩 송신 드라이버 증폭기를 포함하며, 다운컨버터의 RF 입력은 저잡음 증폭기(low noise amplifier, LNA)와 이득단 및 VVA를 포함한다. 두 칩의 국부 발진기(local oscillator, LO) 체인은 통합된 LO 버퍼, 주파수 4체배기, 그리고 프로그래밍 가능한 대역 통과 필터로 구성된다. 대부분의 프로그래밍과 보정 기능은 SPI 인터페이스를 통해 제어되므로 이들 IC를 소프트웨어를 이용해 전례 없는 성능 수준으로 손쉽게 구성할 수 있다.
그림 1. (a) ADMV1013 업컨버터 칩 블록 다이어그램. (b) ADMV1014 다운컨버터 칩 블록 다이어그램.
ADMV1013 업컨버터 세부 사항
ADMV1013은 두 가지 모드의 주파수 변환을 제공한다. 첫번째는 베이스밴드 I와 Q에서 RF로 직접 상향 변환하는 방식이다. 이 I/Q 모드에서 베이스밴드 I와 Q 차동 입력은 한 쌍의 고속 송신 디지털-아날로그 컨버터(DAC) 등에서 생성한, 이를 테면 DC에서 최대 6GHz의 신호를 받아들일 수 있다. 이러한 입력은 0V ~ 2.6V의 설정가능한 공통 모드 범위를 가지므로 대부분의 DAC의 인터페이스 요구사항을 수용할 수 있다. 따라서 특정 공통 모드 전압을 갖는 DAC를 선택할 경우, 업컨버터의 레지스터를 해당 VCM 전압에 대한 최적의 바이어스에 맞춰 쉽게 설정할 수 있으므로 인터페이스 설계를 간소화한다. 두번째 모드는 직교 디지털 업컨버터 디바이스에 의해 생성된 신호와 같은 복소 IF 입력에서 RF로의 단일 사이드밴드 상향 변환 방식이다. ADMV1013은 I/Q 모드에서 I와 Q 믹서의 DC 오프셋 오차를 디지털로 교정할 수 있는 특별한 기능으로 RF 출력에 개선된 LO 누설을 제공한다. 보정 후 달성 가능한 LO 누설은 최대 이득 시 RF 출력에서 –45dBm 정도로 낮다. 다이렉트 컨버전 무선 설계를 어렵게 만드는 더 까다로운 과제는 사이드밴드 억제를 악화시키는 I/Q 위상 불균형이다. 여기에 더해, 사이드밴드가 항상 마이크로파 캐리어와 너무 가까이 있어 필터가 제 기능을 발휘하지 못한다는 점이 어려움을 가중시킨다. ADMV1013은 사용자가 레지스터 튜닝을 통해 I/Q 위상 불균형을 디지털로 교정할 수 있도록 함으로써 이러한 문제를 해결한다. 일반 동작 시, 업컨버터는 26dBc의 보정되지 않은 사이드밴드 억제를 보여준다. 온칩 레지스터를 사용할 경우, 사이드밴드 억제는 보정 후 약 36dBc로 향상된다. 두 교정 기능 모두 SPI를 통해 접근하므로 별도의 회로가 필요 없다. I/Q 모드의 경우, 베이스밴드에서 I와 Q DAC의 위상 균형을 더 조정하면 억제 효과를 더욱 높일 수 있다. 이러한 성능 향상 기능은 외부 필터링을 최소화하면서 마이크로파 주파수에서 무선 성능을 향상시킨다.
그림 2. 6mm × 6mm 크기의 표면 실장 패키지인 ADMV1013를 평가 보드에서 볼 수 있다
이 제품에는 LO 버퍼가 통합되어 있어 0dBm의 드라이브만 있으면 된다. 따라서 이 디바이스는 ADF4372 또는 ADF5610과 같이 전압 제어 발진기(voltage controlled oscillator, VCO)를 통합한 합성기로부터 편리하게 직접 구동할 수 있어 외부 부품을 더욱 줄일 수 있다. 온칩 주파수 4체배기는 LO 주파수를 원하는 캐리어 주파수로 곱해 프로그래밍 가능한 대역 통과 필터를 통과시킴으로써 원하지 않는 고조파를 감소시킨 후 믹서의 직교 위상 발생기 단에 제공한다. 이러한 방식은 믹서로 주입되는 스퓨리어스를 크게 감소시킬 뿐 아니라, 외부에 저렴한 저주파수 합성기/VCO를 이 디바이스와 함께 사용할 수 있게 한다. 변조된 RF 출력은 VVA를 중간에 통합하고 있는 한 쌍의 증폭기 단을 통해 증폭된다. 이득 제어는 35dB 범위에서 사용자 조정이 가능하며, 캐스케이드된 최대 변환 이득은 23dB이다. ADMV1013은 40핀 LGA(land grid array) 패키지로 제공된다(그림 2 참조). 이들 디바이스는 이러한 기능들이 결합돼 최소한의 외부 부품만 필요로 하면서 전례 없는 성능과 최고의 유연성, 사용 편의성을 제공한다. 이에 따라 스몰셀 기지국과 같은 소형 마이크로파 플랫폼을 실현할 수 있다.
ADMV1014 다운컨버터 세부 사항
ADMV1014 역시 LO 경로에 LO 버퍼, 주파수 4체배기, 프로그래밍 가능한 대역 통과 필터, 직교 위상 천이기와 같이 유사한 소자들을 포함한다. 차이점은 ADMV1014는 하향 변환 디바이스로 설계되므로(그림 1b 블록 다이어그램 참조) RF 프런트 엔드에 LNA가 있고, 이어 VVA와 증폭기가 있다는 점이다. 연속적인 19dB 이득 조정 범위는 VCTRL 핀에 인가되는 DC 전압에 의해 제어된다. 옵션으로, 사용자는 ADMV1014를 I/Q 모드에서 마이크로파로부터 베이스밴드 DC로의 직접 변환 복조기로 사용할 수 있다. 이 모드에서 복조된 I와 Q 신호는 각각의 I와 Q 차동 출력에서 증폭된다. 이득 및 DC 공통 모드 전압은 SPI를 통해 레지스터로 설정할 수 있으므로 차동 신호를 예컨대 한 쌍의 베이스밴드 아날로그-디지털 컨버터(ADC) 등에 DC 커플링 할 수 있다. 또는 ADMV1014를 단일 종단 I와 Q IF 포트에 허상 제거(image-reject) 다운컨버터로 사용할 수 있다. 어느 모드에서나 I와 Q 위상 및 진폭 불균형을 SPI를 통해 교정할 수 있기 때문에 베이스밴드나 IF로 복조할 때 다운컨버터의 허상 제거 성능이 향상된다. 전체적으로 다운컨버터는 24GHz ~ 42GHz 주파수 범위에서 17dB의 최대 변환 이득으로 총 5.5dB의 캐스케이드된 잡음 지수를 제공한다. 동작 주파수가 최대 44GHz 대역의 끝부분에 가까워져도 캐스케이드된 NF는 여전히 6dB의 놀라운 수준을 나타낸다.
그림 3. 평가 보드에 탑재된 조금 더 작은 5mm × 5mm 패키지의 ADMV1014
5G mmW 무선 성능 향상
그림 4는 채널당 –20dBm 입력 전력에서 256 QAM으로 변조된 4개의 독립된 100MHz 채널에 대해 5G NR 파형을 사용하여 28GHz 주파수에서 측정한 다운컨버터의 성능을 보여준다. 그 결과 –40dB(1% rms)의 측정된 EVM은 mmW 5G가 요구하는 높은 차수의 변조 구조를 복조할 수 있다는 것을 보여준다. 업/다운컨버터의 1GHz 이상의 대역폭 성능과 업컨버터의 23dBm의 OIP3, 다운컨버터의 0dBm의 IIP3의 결합은 높은 차수 QAM 변조와 높은 데이터 처리량을 지원할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 이들 디바이스는 위성 및 지구국 광대역 통신 링크, 보안 무선 통신, RF 테스트 장비, 레이더 시스템과 같은 다양한 애플리케이션에 유용하게 활용할 수 있다. 이들 디바이스는 탁월한 선형성 및 허상 제거 성능으로 뛰어난 경쟁력을 제공하고, 초소형 솔루션 크기와 소형 폼팩터, 고성능 마이크로파 링크 특성들을 결합하고 있어 광대역 기지국 구현에 활용될 수 있다.
그림 4. 28GHz에서 측정된 EVM 성능(% rms) vs. 입력 전력과 그에 대응하는 256 QAM 성운 다이어그램
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카세이 차초풀로스(Kasey Chatzopoulos)는 아나로그디바이스의 마이크로파 통신 사업부(MCG) 제품 애플리케이션 매니저이다. MCG에서 마이크로파 통합 주파수 변환, RF 튜닝 필터, 빔포머 제품을 지원하는 업무를 맡고 있다. 2012년에 매사추세츠 다트머스 대학에서 전기공학(EE) 학사학위를, 2017년에 매사추세츠 로웰 대학에서 전기공학 석사학위를 받았다. 2012년 아나로그디바이스/히타이트마이크로웨이브에 입사해 제품 엔지니어를 거쳐 RF 및 마이크로파 사업부에서 제품 및 애플리케이션 팀을 담당했다. 이후 마이크로파 통신 사업부로 옮겨 설계 평가 매니저, 제품 라인 매니저 직책을 각각 2년 간 맡았다. 2019년부터는 제품 애플리케이션 매니저를 맡고 있다. 문의: kasey.chatzopoulos@analog.com.
무르타자 타히랄리(Murtaza Thahirally)는 아나로그디바이스의 마이크로파 통신 사업부(MCG) 애플리케이션 엔지니어이다. MCG에서 마이크로파 통합 주파수 변환 제품을 지원하는 업무를 맡고 있다. 2012년에 우스터 폴리텍 공대에서 전기컴퓨터 공학(ECE)과 경제학 학사학위를 받았으며, 2016년에 퍼듀 대학에서 ECE 석사학위를 받았다. 2012년 아나로그디바이스에 입사하여 3년 간 RF 및 마이크로파 사업부에서 제품 엔지니어로 일했으며, 이후 마이크로파 통신 사업부로 옮겨 4년 간 애플리케이션 엔지니어로 근무하고 있다. 문의: murtaza.thahirally@analog.com.
아나로그디바이스(ADI)는 한 쌍의 고도로 통합된 마이크로파 업컨버터 및 다운컨버터 칩인 ADMV1013과 ADMV1014를 출시했다. 이들 IC는 24GHz ~ 44GHz에서 50Ω 정합으로 매우 넓은 주파수 범위에서 동작하며 1GHz 이상의 순시 대역폭을 지원할 수 있다. ADMV1013 및 ADMV1014의 성능 특성은 백홀과 프런트홀로 널리 사용되는 28GHz와 39GHz 대역을 포괄하는 소형 5G 밀리미터파(mmW) 플랫폼 및 다른 많은 초광대역폭 송신기 및 수신기 애플리케이션을 손쉽게 설계 및 구현할 수 있게 한다.
각 업컨버터 및 다운컨버터 칩은 통합 수준이 높다(그림 1). 이들은 동위상(I) 및 직교 위상(Q) 믹서와 온칩 직교 위상 천이기를 통합하고 있어, 베이스밴드에서 RF로 직접 상향 변환 또는 그 반대로(DC ~ 6GHz에서 동작) 혹은 중간 주파수(IF)로 또는 그 반대로(800MHz ~ 6GHz에서 동작) 변환할 수 있게 설정이 가능하다. 업컨버터 RF 출력은 전압 가변 감쇠기(voltage variable attenuator, VVA)가 있는 온칩 송신 드라이버 증폭기를 포함하며, 다운컨버터의 RF 입력은 저잡음 증폭기(low noise amplifier, LNA)와 이득단 및 VVA를 포함한다. 두 칩의 국부 발진기(local oscillator, LO) 체인은 통합된 LO 버퍼, 주파수 4체배기, 그리고 프로그래밍 가능한 대역 통과 필터로 구성된다. 대부분의 프로그래밍과 보정 기능은 SPI 인터페이스를 통해 제어되므로 이들 IC를 소프트웨어를 이용해 전례 없는 성능 수준으로 손쉽게 구성할 수 있다.
그림 1. (a) ADMV1013 업컨버터 칩 블록 다이어그램. (b) ADMV1014 다운컨버터 칩 블록 다이어그램.
ADMV1013 업컨버터 세부 사항
ADMV1013은 두 가지 모드의 주파수 변환을 제공한다. 첫번째는 베이스밴드 I와 Q에서 RF로 직접 상향 변환하는 방식이다. 이 I/Q 모드에서 베이스밴드 I와 Q 차동 입력은 한 쌍의 고속 송신 디지털-아날로그 컨버터(DAC) 등에서 생성한, 이를 테면 DC에서 최대 6GHz의 신호를 받아들일 수 있다. 이러한 입력은 0V ~ 2.6V의 설정가능한 공통 모드 범위를 가지므로 대부분의 DAC의 인터페이스 요구사항을 수용할 수 있다. 따라서 특정 공통 모드 전압을 갖는 DAC를 선택할 경우, 업컨버터의 레지스터를 해당 VCM 전압에 대한 최적의 바이어스에 맞춰 쉽게 설정할 수 있으므로 인터페이스 설계를 간소화한다. 두번째 모드는 직교 디지털 업컨버터 디바이스에 의해 생성된 신호와 같은 복소 IF 입력에서 RF로의 단일 사이드밴드 상향 변환 방식이다. ADMV1013은 I/Q 모드에서 I와 Q 믹서의 DC 오프셋 오차를 디지털로 교정할 수 있는 특별한 기능으로 RF 출력에 개선된 LO 누설을 제공한다. 보정 후 달성 가능한 LO 누설은 최대 이득 시 RF 출력에서 –45dBm 정도로 낮다. 다이렉트 컨버전 무선 설계를 어렵게 만드는 더 까다로운 과제는 사이드밴드 억제를 악화시키는 I/Q 위상 불균형이다. 여기에 더해, 사이드밴드가 항상 마이크로파 캐리어와 너무 가까이 있어 필터가 제 기능을 발휘하지 못한다는 점이 어려움을 가중시킨다. ADMV1013은 사용자가 레지스터 튜닝을 통해 I/Q 위상 불균형을 디지털로 교정할 수 있도록 함으로써 이러한 문제를 해결한다. 일반 동작 시, 업컨버터는 26dBc의 보정되지 않은 사이드밴드 억제를 보여준다. 온칩 레지스터를 사용할 경우, 사이드밴드 억제는 보정 후 약 36dBc로 향상된다. 두 교정 기능 모두 SPI를 통해 접근하므로 별도의 회로가 필요 없다. I/Q 모드의 경우, 베이스밴드에서 I와 Q DAC의 위상 균형을 더 조정하면 억제 효과를 더욱 높일 수 있다. 이러한 성능 향상 기능은 외부 필터링을 최소화하면서 마이크로파 주파수에서 무선 성능을 향상시킨다.
그림 2. 6mm × 6mm 크기의 표면 실장 패키지인 ADMV1013를 평가 보드에서 볼 수 있다
이 제품에는 LO 버퍼가 통합되어 있어 0dBm의 드라이브만 있으면 된다. 따라서 이 디바이스는 ADF4372 또는 ADF5610과 같이 전압 제어 발진기(voltage controlled oscillator, VCO)를 통합한 합성기로부터 편리하게 직접 구동할 수 있어 외부 부품을 더욱 줄일 수 있다. 온칩 주파수 4체배기는 LO 주파수를 원하는 캐리어 주파수로 곱해 프로그래밍 가능한 대역 통과 필터를 통과시킴으로써 원하지 않는 고조파를 감소시킨 후 믹서의 직교 위상 발생기 단에 제공한다. 이러한 방식은 믹서로 주입되는 스퓨리어스를 크게 감소시킬 뿐 아니라, 외부에 저렴한 저주파수 합성기/VCO를 이 디바이스와 함께 사용할 수 있게 한다. 변조된 RF 출력은 VVA를 중간에 통합하고 있는 한 쌍의 증폭기 단을 통해 증폭된다. 이득 제어는 35dB 범위에서 사용자 조정이 가능하며, 캐스케이드된 최대 변환 이득은 23dB이다. ADMV1013은 40핀 LGA(land grid array) 패키지로 제공된다(그림 2 참조). 이들 디바이스는 이러한 기능들이 결합돼 최소한의 외부 부품만 필요로 하면서 전례 없는 성능과 최고의 유연성, 사용 편의성을 제공한다. 이에 따라 스몰셀 기지국과 같은 소형 마이크로파 플랫폼을 실현할 수 있다.
ADMV1014 다운컨버터 세부 사항
ADMV1014 역시 LO 경로에 LO 버퍼, 주파수 4체배기, 프로그래밍 가능한 대역 통과 필터, 직교 위상 천이기와 같이 유사한 소자들을 포함한다. 차이점은 ADMV1014는 하향 변환 디바이스로 설계되므로(그림 1b 블록 다이어그램 참조) RF 프런트 엔드에 LNA가 있고, 이어 VVA와 증폭기가 있다는 점이다. 연속적인 19dB 이득 조정 범위는 VCTRL 핀에 인가되는 DC 전압에 의해 제어된다. 옵션으로, 사용자는 ADMV1014를 I/Q 모드에서 마이크로파로부터 베이스밴드 DC로의 직접 변환 복조기로 사용할 수 있다. 이 모드에서 복조된 I와 Q 신호는 각각의 I와 Q 차동 출력에서 증폭된다. 이득 및 DC 공통 모드 전압은 SPI를 통해 레지스터로 설정할 수 있으므로 차동 신호를 예컨대 한 쌍의 베이스밴드 아날로그-디지털 컨버터(ADC) 등에 DC 커플링 할 수 있다. 또는 ADMV1014를 단일 종단 I와 Q IF 포트에 허상 제거(image-reject) 다운컨버터로 사용할 수 있다. 어느 모드에서나 I와 Q 위상 및 진폭 불균형을 SPI를 통해 교정할 수 있기 때문에 베이스밴드나 IF로 복조할 때 다운컨버터의 허상 제거 성능이 향상된다. 전체적으로 다운컨버터는 24GHz ~ 42GHz 주파수 범위에서 17dB의 최대 변환 이득으로 총 5.5dB의 캐스케이드된 잡음 지수를 제공한다. 동작 주파수가 최대 44GHz 대역의 끝부분에 가까워져도 캐스케이드된 NF는 여전히 6dB의 놀라운 수준을 나타낸다.
그림 3. 평가 보드에 탑재된 조금 더 작은 5mm × 5mm 패키지의 ADMV1014
5G mmW 무선 성능 향상
그림 4는 채널당 –20dBm 입력 전력에서 256 QAM으로 변조된 4개의 독립된 100MHz 채널에 대해 5G NR 파형을 사용하여 28GHz 주파수에서 측정한 다운컨버터의 성능을 보여준다. 그 결과 –40dB(1% rms)의 측정된 EVM은 mmW 5G가 요구하는 높은 차수의 변조 구조를 복조할 수 있다는 것을 보여준다. 업/다운컨버터의 1GHz 이상의 대역폭 성능과 업컨버터의 23dBm의 OIP3, 다운컨버터의 0dBm의 IIP3의 결합은 높은 차수 QAM 변조와 높은 데이터 처리량을 지원할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 이들 디바이스는 위성 및 지구국 광대역 통신 링크, 보안 무선 통신, RF 테스트 장비, 레이더 시스템과 같은 다양한 애플리케이션에 유용하게 활용할 수 있다. 이들 디바이스는 탁월한 선형성 및 허상 제거 성능으로 뛰어난 경쟁력을 제공하고, 초소형 솔루션 크기와 소형 폼팩터, 고성능 마이크로파 링크 특성들을 결합하고 있어 광대역 기지국 구현에 활용될 수 있다.
그림 4. 28GHz에서 측정된 EVM 성능(% rms) vs. 입력 전력과 그에 대응하는 256 QAM 성운 다이어그램
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저자 소개
제임스 웡(James Wong)은 아나로그디바이스의 RF 제품 마케팅 매니저이다. 25년 이상 수석 마케팅 및 영업 직책을 맡았다. 또한 25년 넘게 RF, 아날로그 회로, 시스템을 설계해 왔다. 문의: james.wong@analog.com.카세이 차초풀로스(Kasey Chatzopoulos)는 아나로그디바이스의 마이크로파 통신 사업부(MCG) 제품 애플리케이션 매니저이다. MCG에서 마이크로파 통합 주파수 변환, RF 튜닝 필터, 빔포머 제품을 지원하는 업무를 맡고 있다. 2012년에 매사추세츠 다트머스 대학에서 전기공학(EE) 학사학위를, 2017년에 매사추세츠 로웰 대학에서 전기공학 석사학위를 받았다. 2012년 아나로그디바이스/히타이트마이크로웨이브에 입사해 제품 엔지니어를 거쳐 RF 및 마이크로파 사업부에서 제품 및 애플리케이션 팀을 담당했다. 이후 마이크로파 통신 사업부로 옮겨 설계 평가 매니저, 제품 라인 매니저 직책을 각각 2년 간 맡았다. 2019년부터는 제품 애플리케이션 매니저를 맡고 있다. 문의: kasey.chatzopoulos@analog.com.
무르타자 타히랄리(Murtaza Thahirally)는 아나로그디바이스의 마이크로파 통신 사업부(MCG) 애플리케이션 엔지니어이다. MCG에서 마이크로파 통합 주파수 변환 제품을 지원하는 업무를 맡고 있다. 2012년에 우스터 폴리텍 공대에서 전기컴퓨터 공학(ECE)과 경제학 학사학위를 받았으며, 2016년에 퍼듀 대학에서 ECE 석사학위를 받았다. 2012년 아나로그디바이스에 입사하여 3년 간 RF 및 마이크로파 사업부에서 제품 엔지니어로 일했으며, 이후 마이크로파 통신 사업부로 옮겨 4년 간 애플리케이션 엔지니어로 근무하고 있다. 문의: murtaza.thahirally@analog.com.
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