[Key 기고] 앰프는 T/R 모듈 성능에 어떤 영향을 미치는가
  • 2023-12-04
  • 신윤오 기자, yoshin@elec4.co.kr
  • Gabi Duncan, 키사이트테크놀로지스


T/R 모듈의 작동 성능은 내부 앰프 성능에 따라 결정됩니다. 작동 성능은 전력 앰프와 저노이즈 앰프 성능의 영향을 받습니다. 그러나 앰프는 완벽하게 특성화하기가 가장 어려운 시스템 콤포넌트입니다. 최신 네트워크 분석기의 유연한 하드웨어 및 고급 소프트웨어 기능이 어떻게 측정 정확성과 반복성을 개선하면서 앰프 성능 검증을 간소화할 수 있는지 알아보겠습니다.  



칩당 복수 T/R 모듈, GaN 전력 앰프(PA)와 같은 콤포넌트 기술의 추세에 따라 위상 어레이의 크기와 비용이 계속 감소하고(그림 1 참조), 시장 응용 잠재력도 확대되고 있습니다. 위성 및 5G 통신 시스템에서 위상 어레이 구현이 점점 현실화되면서 엔지니어의 주요 관심사가 기본 기능 달성에서 성능 최적화로 바뀌고 있습니다. T/R 모듈은 다음 세 가지 주요 기능을 통해 위상 어레이에서 시스템 성능을 설정합니다.

- 전송 신호 부스팅으로 방사 전력 극대화
- 수신 작동시 시스템 노이즈 지수 설정
- 빔 스티어링 제어 및 각도 정확성 제공 
 
그림 1. 4x4 위상 어레이 안테나의 예. 빨간색 윤곽선으로 표시된 네 개의 개별 빔포머 집적 회로(BFIC)가 안테나를 구동한다.


T/R 모듈 작동의 특성화는 테스트 시스템의 성능과 유연성에 많은 부담을 줍니다. 테스트 시스템은 송신 및 수신 테스트 모드를 모두 지원하면서, 동시에 정확성을 유지하고 스루풋을 극대화해야 합니다. T/R 모듈의 성공적인 작동에는 Phase Shifter, 감쇠기, 리미터와 같은 많은 콤포넌트 파트가 영향을 미치지만 모듈의 송수신 성능을 가장 엄격하게 제한하는 것은 앰프입니다. 따라서 T/R 모듈과 위상 어레이의 성능을 최적화하려면(그림 2 참조) 엔지니어가 먼저 수신기 저노이즈 앰프(LNA)와 송신기 PA를 특성화해야 합니다. 

그림 2. BFIC에 연결된 모든 안테나에 T/R 모듈이 연결되어 있다.


T/R 모듈 앰프가 그토록 중요한 이유는 무엇인가요?

LNA와 PA는 각각 수신 경로의 첫 번째 단계와 송신 경로의 마지막 단계에서 작동합니다. 따라서 엔지니어는 LNA 노이즈 지수와 이득 측정에 따른 데이터를 사용하여 수신 감도를 최적화합니다. 수신의 경우 또한, PA 왜곡 작동을 기반으로 선형성과 효율성을 최적화합니다.

LNA는 수신 작동 시 시스템 링크 버짓, 노이즈 지수, 이어서 T/R 모듈의 검출 가능한 최소 신호 레벨을 판별합니다. 노이즈 지수에 대한 Friis 공식에 따르면(그림 3 참조) 첫 번째 증폭 단계의 노이즈 지수, F1은 전체 수신기의 최소 노이즈 지수를 설정합니다.
 
 
그림 3. Friis 공식은 총 수신기 노이즈 지수, Ftotal이 각 단계의 노이즈 지수, Fn과 이득, Gn을 나타냄을 보여준다. 첫 번째 단계 노이즈 지수, F1은 전체 수신기 노이즈 지수에 가장 많이 영향을 미친다.


송신기 경로의 경우, 왜곡 효과, 특히 전력 앰프에서 비롯된 비선형 왜곡 효과가 성능에 중대한 영향을 미칩니다(안테나 앞 마지막 콤포넌트인 전력 앰프가 중요한 역할을 합니다. 전력 앰프 왜곡은 송신 신호의 품질에 직접적인 영향을 미칩니다). 필터링은 영향을 미치지 않으므로 대역 내 왜곡이 특정 문제를 야기합니다. 통신 시스템 산업은 대역 내 왜곡의 기준 성능지수인 에러 벡터 크기(EVM)(그림 4 정의 참조)를 고려합니다. 

802.11ac, 5G New Radio(NR)와 같은 변조 표준은 허용 가능한 최소 EVM 레벨을 설정합니다. 표준이 엄격해지면서 PA 변조 왜곡과 EVM가 정확하게 캡처 및 최적화되어야 합니다.

 
그림 4. EVM의 정의는 심볼 클럭 전환 시 시간 경과에 따른 에러 벡터의 제곱 평균(RMS)이다. 에러 벡터는 특정 시점에서 적합한 레퍼런스 신호와 측정된 신호의 벡터 차이이다.


전력 앰프는 에너지 소모에도 가장 많은 영향을 미칩니다. 바이어스는 앰프가 보다 선형적이지만 비효율적으로 작동하는지 또는 효율적이지만 왜곡이 크게 작동하는지 여부를 결정합니다. 선형성과 효율성의 이러한 상충 관계는 T/R 모듈의 성능을 극대화하려면 엔지니어가 PA 효율성을 최적화하면서 동시에 엄격한 규제 표준에 따라 선형성을 유지해야 함을 의미합니다. 

전송 선형성과 수신 감도 테스트의 과제는 무엇일까요?

IP3 또는 1 dB 압축 포인트와 같은 측정을 포함하는 모든 일반적인 정현파 (CW) 및 투톤 테스트의 경우, 벡터 네트워크 분석기(VNA)를 테스트 장치로 선택합니다.  그러나 최신 통신 표준에서는 광대역 신호의 복잡한 변조를 요구합니다. 과거, EVM, ACPR과 같은 변조 광대역 신호 왜곡 측정을 테스트할 때, 신호 분석기와 신호 발생기를 구성해야 했습니다.

완벽한 특성화를 위해 두가지 개별 테스트 셋업을 전환하는 데는 소중한 테스트 시간이 낭비되는 것은 물론 두 스테이션 간의 결과를 상관시키는 것도 어려운 작업이었습니다. 또한 감쇠기, 부스터 앰프 등 신호 분석기에서 EVM 측정을 수행하는 데 필요한 외부 테스트 픽스처로 인해 측정 불확실도가 높았습니다.

기존 설정의 경우, 송신 경로 측정에서 수신 경로 측정으로 전환하려면 엔지니어가 테스트 대상 디바이스(DUT)의 방향을 바꾸고 다시 연결한 후 수신 모드로 전환한 다음 재교정 과정을 거쳐야 했습니다. 이 경우 엔지니어는 VNA 셋업에서 콜드 소스 노이즈 지수 방법을 사용하거나 신호 분석기 테스트 세트에서 Y-지수 방법을 수행했습니다. 신호 분석기를 사용하는 Y-지수 방법은 DUT의 노이즈 지수를 캡처하기 위해 외부 노이즈 소스가 추가로 필요했습니다.

원격 측정 기술 발전은 T/R 모듈 특성화를 간소화하는 데 어떻게 도움이 되나요?

T/R 모듈의 이중 지향성과 통합을 고려할 때 과거 정확하고 반복 가능한 특성화를 수행하면서 동시에 테스트 주기 시간을 최소화하기는 쉽지 않았습니다. 기존 테스트 셋업의 한계로 인해 동시 측정은 난이도가 매우 높고 시간이 많이 소요되었으며 오류 발생 확률도 높았습니다. 

최신 네트워크 분석기에는 내장형 업컨버터, 다중 포트의 노이즈 수신기 등 하드웨어가 많이 통합되어 있어 송수신 경로 모두 테스트 셋업의 유연성이 향상되었습니다. 이러한 유연성으로 인해 VNA 셋업 방향을 자유롭게 설정할 수 있으며 엔지니어가 테스트 세트를 한 번 연결하고 교정한 후 다양한 송수신 모드 측정값을 수집할 수 있습니다. 소프트웨어 애플리케이션 기능의 확장으로 네트워크 분석기에서 직접 스펙트럼 및 신호 분석이 가능하므로 CW 및 투톤 테스트에 사용되는 동일한 셋업에서 변조 신호 EVM 및 ACPR 측정을 완벽하게 벡터 수정할 수 있습니다. 

벡터 및 소스 교정을 EVM 측정에 적용함으로써 VNA가 기준면을 DUT의 기준면으로 옮겨 최저 잔여 EVM을 제공합니다(그림 5 참조). 이는 네트워크 분석기가 전력 앰프 EVM 결과에서 모든 테스트 시스템 오류 영향을 제거함을 의미합니다. 
 
그림 5. 벡터 교정에 앞서 VNA가 케이블 및 커넥터 등 포트 이외의 모든 것을 측정한다. 교정 후에는 VNA가 테스트 기준면을 DUT의 기준면으로 옮겨 모든 픽스처에 맞게 수정한다.


최신 네트워크 분석기에 대한 직접 수신기 액세스는 엔지니어가 부스터 앰프 또는 지향성 커플러를 측정에 반복 적용하면서 수신기의 VNA 교정과 순시 변조 신호의 품질을 유지할 수 있는 점에서 테스트 세트 유연성을 크게 높일 수 있습니다. 

결론

레이더 어플리케이션 전용 토폴로지와 콤포넌트 기술 발전으로 통신 산업에서 위상 어레이를 실질적으로 활용할 수 있게 되었습니다. 위상 어레이 기능은 T/R 모듈 성능의 영향을 받습니다. 또한 T/R 모듈 작동은 내부 앰프의 작동에 가장 많은 영향을 받습니다. 그러나 앰프는 전통적인 테스트 세트로 완벽하게 특성화하기에 가장 어려운 시스템 콤포넌트입니다. 

최신 네트워크 분석기는 LNA 및 PA의 정확한 특성화를 위한 테스트 셋업 통합에 필요한 유연한 하드웨어 및 고급 소프트웨어 기능을 제공합니다. 벡터 및 소스 수정은 통합 하드웨어 및 직접 수신기 접속과 함께 DUT의 기준면에서 정확하고 반복 가능한 CW, 투톤 및 변조 신호 측정을 실행할 수 있는 단일 테스트 세트를 생성합니다. 


저자 소개

Gabi Duncan은 키사이트 항공우주 및 방위, 비지상 네트워크 기술 부문 RF 제품 포트폴리오 마케팅 매니저로, 전기 공학 전문가이다. 그녀는 이전에 센서 어플리케이션 엔지니어와 전력 IC 제품 마케팅 엔지니어로 근무한 경력이 있다.

 

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