전방위적으로 더 빠른 데이터 속도에 대한 요구가 갈수록 높아지면서 현재의 4G 무선 네트워크 용량은 한계에 이르고 있다. 미래의 수요에 대처하려면 차세대 5G 네트워크는 10배 이상 용량을 증가시킬 필요가 있다.
5G 표준은 아직 확정되지 않았지만 관련 기업들은 대체로 대역폭을 현재의 20㎒ 스펙트럼에서 최소 100㎒까지 증가시킬 필요가 있다는데 결론을 모으고 있다. 반면 일부는 보다 과감하게 200㎒까지 추진하고 있다. 이와 같은 속도로 증가시킬 경우 주파수 스펙트럼은 3.6㎓ 또는 그 이상이 돼야 한다.
이러한 요구에 부합하기 위한 리니어 테크놀로지의 LTC5593 듀얼 수동 다운컨버팅 믹서는 3.6㎓에서 탁월한 선형성과 동적 범위 성능을 제공하고 200㎒ 이상의 평탄 신호 대역폭을 지원함으로써 매우 견고한 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 수신기를 구현할 수 있다.
MIMO 기술은 와이파이(Wi-Fi)와 4G 네트워크와 같은 시스템에서 스펙트럼 대역폭이 제한될 때 순 데이터 전송과 수신 성능을 현저히 증가시킴으로써 유용성을 입증했다.
5G 시스템이 보다 높은 주파수로 이동함에 따라 LTC5593은 2.3㎓에서 4.5㎓까지 정합되는 연속적인 50Ω을 제공하고 2.6㎓ 및 3.6㎓ 대역에서 멀티밴드 수신기를 지원한다. 보다 낮은 대역을 위한 LTC5590, LTC5591, LTC5592 등은 핀 호환 믹서가 다른 모든 LTE 수신기를 지원한다.
[표1]은 각 믹서의 주파수 커버리지와 일반 3.3V 성능을 보여주고 있다. 이들 믹서는 높은 변환 이득, 낮은 잡음 지수(NF), 높은 선형성 및 낮은 DC 전력 소모를 제공한다. 일반적인 전력 변환 이득은 8dB이며 IIP3은 26dBm, 잡음 지수는 10dB, 전력 소모는 1.3W다.
LTC5593 듀얼 고성능 믹서 제품군은 원격 무선 헤드(RRH, Remote Radio Head)에서와 같은 무선 인프라 MIMO 수신기에 이상적이다. 이러한 시스템은 극히 작고 자체적인 기능을 갖추고 있는데다 날씨의 영향을 받지 않는 케이스로 제공되기 때문에 소형 크기와 많은 전자장치로 인해 발생하는 열 관리 문제의 어려움이 따른다.
듀얼 채널 솔루션은 부품 수를 줄여주고 LO 신호 라우팅을 간소화해 보드 공간 절약에 효과적이다. 또 각각의 LTC5593은 RF 및 LO 발룬, 이중 평형 믹서, LO 버퍼 증폭기, 차동 IF 증폭기를 포함하고 있어 전체 솔루션 크기와 복잡성, 비용을 추가로 줄여준다.
◇ 믹서 설명
[그림1]의 간략화한 블록 다이어그램은 수동 이중 평형 믹서 코어를 사용해 IF 출력 증폭기를 구동하는 듀얼 믹서 토폴로지를 보여준다. 믹서 코어는 4개의 스위치드-MOSFET 구조이며 통상 약 7㏈의 변환 손실을 갖는다. 하지만 이 경우 손실은 후위의 온칩 IF 증폭기 이득에 의해 보상되고 남아 전체 전력 이득이 약 8㏈가 된다. 차동 IF 출력은 표준 200Ω 인터페이스에 최적화됐으며 차동 IF 필터와 가변 이득 증폭기를 직접 구동할 수 있어 외부 부품을 최소화한다.
LO 경로는 공유된 발룬을 사용해 단일 종단 입력을 차동 LO로 변환하고 그런 다음 각 채널에 대해 독립적인 버퍼 증폭기를 구동한다. 이러한 개별적인 LO 구동 토폴로지는 두 믹서에 모두 LO 신호의 위상 적합성을 유지하면서 탁월한 채널 절연을 제공한다.
또 VCO에 대한 원하지 않는 부하 풀링이나 교란을 방지하기 위해 두 믹서 단이 둘 다 또는 하나가 켜지고 꺼질 때에도 일정한 50Ω LO 입력 임피던스 정합이 모든 동작 모드에서 유지된다.
1.5pF 외부 직렬 커패시터 C2를 추가하면 2.1㎓에서 3.4㎓까지 50 임피던스 정합이 달성된다. 이 커패시터는 DC 블로킹에도 필요하다. 3.6㎓ 이상의 대역에서는 커패시터의 소스 측에
10nH의 션트 인덕터를 추가하면 LO에서 우수한 리턴 손실을 얻을 수 있다. [그림2]는 다양한 동작 조건에서 LTC5593의 LO 입력 리턴 손실을 보여준다. 이러한 특성은 외부 LO 버퍼 단의 필요를 없애준다.
전통적인 기지국은 온도 제어 환경을 유지하고 이러한 부품들이 최대 +85도(°C)까지 동작하도록 요구한다. 그러나 소형 셀 기지국과 원격 무선 헤드는 부품에 더 까다로운 환경을 요구하며 최대 +105도(°C)로 동작할 수 있어야 한다. LTC5593 믹서는 이러한 요구를 만족하기 위해 +105°C에서 동작하도록 설계되고 테스트됐다.
솔루션 크기를 최소화하기 위해 LTC5593 믹서 제품군은 소형 5㎜×5㎜ 24리드 QFN 패키지로 제공된다. 소형 패키지 크기 외에도 전체 솔루션 크기를 더욱 줄일 수 있도록 많은 부품을 통합함으로써 필요한 외부 부품 수를 약 19개로 줄일 수 있어 보드 공간과 복잡성, 비용을 최소화한다.
◇ 수신기 애플리케이션
[그림3]은 2채널 수신기를 구현하는 LTC5593 믹서의 기능 다이어그램을 보여준다. 단일 종단 RF 신호가 증폭되고 필터링 된 후에 믹서 입력에 인가된다. 이번 예시에서는 차동 IF 신호 경로가 이용되므로 IF 발룬이 필요하지 않다. SAW 필터, IF 증폭기 및 집중소자(lumped-element) 대역 통과 필터는 모두 차동이다. 회로 부품 값에서 볼 수 있듯이 이 예제의 수신기는 150㎒ IF 대역폭을 지원한다. 차동 핀의 저항을 낮추면 더 높은 대역폭을 달성할 수 있다. 이때 이득은 약간 감소한다.
많은 MIMO 수신기는 믹서 출력에서 원하지 않는 스퍼와 잡음을 차단하기 위해 고선택성 SAW 필터를 사용한다. 믹서의 8데시벨(㏈) 변환 이득은 이러한 필터의 높은 삽입 손실을 보상하고 시스템 잡음 플로어에 미치는 영향을 감소시킨다. 전체 믹서 성능은 필터 손실을 수용할 수 있게 하면서 수신기가 감도와 스퓨리어스 요구를 만족할 수 있게 한다.
멀티채널 수신기에서 또 다른 중요한 성능 목표는 채널 간 절연이다. 채널 간 절연은 구동되는 채널 출력의 IF 레벨에 대한 구동되지 않은 채널 출력의 IF 레벨이다. 이 파라미터는 시스템 성능 저하를 피하기 위해 보통 안테나간 절연보다 10㏈ 더 높게 지정된다. 정밀한 IC 설계를 기반으로 LTC5593은 3.6㎓에서 44㏈, 2.6㎓에서 52㏈ 채널간 절연을 달성하므로 많은 멀티채널 애플리케이션 요구사항을 만족한다.
◇ 전력 소모와 솔루션 크기
멀티밴드·멀티모드 기지국 토폴로지가 성숙 단계에 접어들고 4G에서 향후 5G 네트워크로 이행하는 시스템 정의가 더욱 정교해짐에 따라 무선 인프라 시스템은 하드웨어와 소프트웨어 변경을 최소화하면서 다양한 밴드 또는 모드 요구사항을 구현할 수 있는 플랫폼 구성으로 방향을 전환하고 있다. LTC559x 듀얼 믹서 제품군은 모두 공통 핀아웃을 공유하므로 모든 대역에서 동일한 보드 레이아웃을 손쉽게 사용할 수 있다.
무선 통신이 지속적으로 성장하면서 피코셀과 펨토셀 같은 소형 기지국의 이용이 크게 늘어나고 있으며 이에 따라 더 많고 더 작은 소형 기지국을 필요로 할 뿐 아니라 원격 무선 헤드의 사용이 증가하고 있다. 이는 더 높은 통합과 더 작은 솔루션 크기를 요구하면서 인프라 시스템에 대한 요구가 더욱 까다로워지고 있다.
셀의 수가 증가함에 따라 에너지 비용이 가파르게 상승하기 때문에 전력 소모 또한 점점 더 중요해지고 있다.
한편 원격 무선 헤드가 수동 냉각에 의존하므로 열 응력이 중요한 문제가 된다. 단순히 솔루션 크기를 줄이는 것만으로는 충분하지 않은데 시스템 크기를 줄이면 전력 밀도와 접합부 온도가 높아지고 잠재적으로 부품의 신뢰성이 저하될 수 있기 때문이다. 따라서 시스템 전력 소모와 크기를 같이 줄여야 하며 이때 RF 성능을 저하시키지 않아야 하므로 이러한 목표는 달성하기 쉽지 않다.
기존에는 2개의 개별 믹서를 단일 칩에 결합해 2와트의 전체 전력 소비를 제공했다. 전력 소모를 줄이기 위해 LTC5593 믹서 제품군은 5V 대신 3.3V에서 동작하도록 설계됐다. 저전압 회로 설계 기법은 변환 이득, IIP3 또는 잡음 성능에 영향을 미치지 않으면서 전력 소모를 감소시킨다.
낮은 전원 전압의 영향을 받는 유일한 파라미터는 출력 P1㏈ 성능으로 약 10.4㏈m이다. P1dB는 200Ω 부하 임피던스를 구동할 때 IF 증폭기의 개방 콜렉터에서 출력 전압 변동에 의해 제한된다. 더 높은 P1dB를 필요로 하는 애플리케이션을 위해 이들 믹서는 특별히 IF 증폭기에서 5V 전원을 사용할 수 있도록 설계됐다. 더 높은 이 전압은 P1㏈를 13.7㏈m로 향상시킨다.
[표1]에서 보듯이 듀얼 믹서는 두 채널 작동 시 1.3W가 약간 넘는 전력을 사용하면서 탁월한 성능을 달성한다. 추가적인 전력 절감을 위해 독립적인 인에이블 제어를 사용해 필요에 따라 각 채널을 개별적으로 셧다운 할 수 있다. 선형성 요구가 낮아도 되는 경우 ISEL 핀을 이용해 저전류 모드로 전환하면 DC 전력 소모를 더욱 줄일 수 있다.
◇ 맺음말
LTC5593 듀얼 수동 다운컨버팅 믹서는 더 높은 주파수와 더 넓은 대역폭을 요구하는 향후 5G 멀티채널 인프라 수신기의 까다로운 요구사항을 충족할 수 있는 높은 성능을 제공한다.
이들 믹서는 높은 변환 이득, 낮은 NF, 높은 선형성을 결합해 전체적인 시스템 성능을 향상시키는 것은 물론 낮은 전력 소모와 소형 솔루션 크기는 점점 더 소형화되는 기지국과 원격 무선 헤드의 더욱 엄격한 요구를 만족한다.
글 :
빌 벡위스(Bill Beckwith) 과학자 스태프,
쉬둥 왕(Xudong Wang) 리니어 RFIC 디자인 시니어 엔지니어,
톰 스칠츠(Tom Schiltz) 리니어 RFIC 디자인 엔지니어
자료제공 :리니어테크놀로지(www.linear.com)
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