휴대형 기기의 스마트 전력 관리



Special Feature  

성공적인 펨토셀 설계는 특징, 기능, 가격이 균형을 이루어 펨토셀 신흥 시장을 위한 최적의 조합을 제공해야 한다. 이런 점을 고려할 때 펨토셀에서 가장 중요한 전력 증폭기(PA) 요구사항은 탁월한 RF와 DC 성능, 멀티 모드 지원, 다중 표준 지원, 신뢰도등을 포함한다. ANADIGICS는 소재를 신중하게 선택하고 적절한 설계 원리를 적용해 탁월한 펨토셀 솔루션의 설계와 개발을 가능하게 하는 고성능 전력 증폭기 모듈을 생산하고 있다.

글: 조 코자렐리(Joe Cozzarelli) 전무이사 / 브로드밴드 RF 프러덕트 라인
마헨드라 씽/ 무선 RF제품 마케팅 및 애플리케이션 총괄
Mahendra Singh Director Of Marketing And Applications For Wireless RF Products
아나디직스(ANADIGICS) / www.anadigics.com

스마트폰 숫자가 늘어나고 휴대폰당 데이터 트래픽 용량이 기하급수적으로 증가함에 따라 이동통신사업자들은 통신망 인프라의 구축 및 업그레이드와 관련해 매우 어려운 결정을 내려야 하는 상황에 직면하고 있다. 경제성과 서비스 품질이라는 두 가지 관점에서 스몰 셀 솔루션은 경쟁 우위를 제공할 수 있는 중요한 해결 방법처럼 생각된다.
전통적인 인프라 모델은 지리적 영역을 담당하는 매크로셀로 구성된다. 또한 마이크로셀은 종종 매크로셀이 커버 할 수 없는 갭을 메우는 데 사용하기도 한다. 매크로셀 및 마이크로셀에서 일반적으로 통화는 이동통신 사업자에게 임대 받은 지상 T1 회선 또는 마이크로파 백홀(backhaul)을 통해 목적지로 도달한다. 특정 지역에서 발신 요청이 매크로셀 연결 용량을 일정하게 초과할 때마다 이동통신사업자는 셀을 추가해야 했다. 그러나 애플(Apple)의 iPhone 및 삼성의 Epic 4G 같은 기능이 많은 스마트폰이 증가 함에 따라 이런 전통적인 접근 방법은 용랑 초과 문제에 부딪치고 뒤처지게 되었다.

차세대 요구를 충족하는 셀 방식 인프라

이동통신사업자들은 수많은 스마트폰 고객들이 거의 항상 세션에 참여하고 있는 새로운 운영 환경에 직면하고 있다. 스마트폰 및 스마트폰과 연결된 장치에서 실행되는 소셜 네트워킹(social networking), 근접 서비스(proximity service), 수많은 애플리케이션은 많은 사람이 네트워크에 가상적으로 항상 연결되는 환경을 만들고 있다.
펨토셀과 같은 스몰 셀 장비는 기존 네트워크 인프라를 업그레이드하고 4G를 가능하게 하는 매력적인 옵션을 제공한다. 또한 가정, 상점, 업소 안에 휴대폰 사용자를 연결하는 수십 만개의 소형 로컬 셀 기지국(cell site)을 추가해 매크로셀 모델을 강화한다.
업계 기구인 펨토 포럼(Femto Forum)은 펨토셀 시장이 2014년에 약 4천9백만 개의 액세스 포인트로 성장하고 펨토셀을 통해 전 세계의 1억1천4백만 사용자가 이동통신망에 액세스할 것으로 전망한다. 수요가 증가함에 따라 서비스 지역 전체에 무선 신호를 전파하는 펨토셀에서 RF 전력 증폭기 모듈의 성능은 펨토셀 설계의 핵심이 될 것이다.
성공적인 펨토셀 설계는 특징, 기능, 가격이 균형을 이루어 펨토셀 신흥 시장을 위한 최적의 조합을 제공해야 한다. 이런 점을 고려할 때 펨토셀에서 가장 중요한 전력 증폭기(PA) 요구사항은 탁월한 RF와 DC 성능, 멀티 모드 지원, 다중 표준 지원, 신뢰도등을 포함한다. 펨토셀 설계를 좌우하는 PA 선택에서 가장 중요한 한 가지 고려사항은 PA 자체의 제조에 사용하는 반도체 공정이다.

GaAs의 장점

비소갈륨(GaAs)은 대부분의 모바일 단말기 및 저전력과 중전력 인프라 용도에 사용되는 PA 개발에 사용되는 공정이다. GaAS의 우수한 성능 특성 때문에 3G 및 4G 네트워크에서도 선호된다. InGaP HBT(인듐-갈륨-인화물 이종 접합 쌍극 트랜지스터)가 GaAs 기반으로 하여 가장 최근에 개발된 것이다.
아나디직스(ANADIGICS) InGaP-PlusTM 공정은 동일한 GaAs 다이에서 쌍극과 FET 장치를 조합하므로 대개 칩에서 구현할 수 없는 기능을 작은 표면 실장 부품에 편리하게 통합할 수 있다. 스위치, 스텝 감쇄기, 전력 검출기, 전압 조정기는 아나디직스 전력 증폭기내에서 주로 사용된다.

최고의 RF 성능

아나디직스는 펨토셀, 피코셀(picocell), 가정의 고객 댁내 장치(CPE)에 사용할 balanced 및 single ended 방식의 전력 증폭기 모듈 제품군을 설계하고 있다. 각 모듈은 무선통신사업자가 많이 사용하는 주파수 대역 중 하나 이상에서 최적의 성능을 제공하도록 특별하게 설계되었다. 특정 기능은 용도에 따라 모듈별로 다르지만, 설계 방식은 비슷하다. 다양한 제품군은 다양한 표준을 준수해야 하고 다양한 주파수 대역에서 사용할 수 있는 펨토셀 제품을 개발해야 하는 설계자들에게 큰 도움이 된다.

PA 모듈을 설계할 때는 선형성, 양호한 서비스에 적합한 RF 전력, 첨두 전력 대 평균 전력 비(PAR)가 높은 고용량 파형의 처리 능력을 고려해야 한다. 아나디직스 PA 모듈은 높은 전력, 뛰어난 선형성, 신뢰도를 높이는 우수한 방열 성능을 가지고 있다. 이런 제품들은 펨토셀 용도의 요구사항을 충족하는 기본으로서 모바일 단말기와 광대역 인프라 제품을 위한 PA 솔루션 개발에 아나디직스의 축적된 경험들이 이용된다.
최고의 선형 성능과 완전한 기능 통합을 조합하는 모듈 개발 목표를 구현하기 위해 아나디직스는 GaAs 장치의 우수한 효율과 광대역 능력을 활용했고 개발 공정에 최신 RF 회로 시뮬레이션과 열 분석 도구를 사용했다. 아나디직스 설계팀은 획득한 특허, InGaP-Plus 기술의 전력 성능을 활용해 많이 사용되는 무선 대역별로 공통 기능을 탑재한 single ended 및 balanced 방식의 PA 모듈을 개발했다.

올해 초에는 평균 전력이 +24.5dBm인 single ended AWB7123 및 AWB7127 부품이 출시되었다. 올해 후반에는 이 부품의 balanced 버전이 출시될 예정이다. AWB7223(1.9GHz) 및 AWB7227(2.1GHz)는 WCDMA 또는 LTE처럼 첨두 전력 대 평균 전력 비 파형이 높고 선형 출력을 최대 +27dBm까지 제공하도록 설계된 4.5V PA 모듈이다. 이정도 출력은 가정이나 소형 사무실 공간에서 서비스 할 수 있는 수준 이상이다. 이 글은 AWB7227에 초점을 맞춘다.
그림 1은 WCDMA 높은 PAR 파형으로 구동한 AWB7227의 스펙트럼 성능을 보여준다. 10.5dB PAR의 64채널 파형인 테스트 모드 1에서도 ACP 요구사항에 대한 성능 마진이 충분하다.

멀티 모드 유연성

AWB 시리즈는 다중 반송파 작동을 지원하도록 설계되었다. 그림 2는 최대 간격의 WCDMA Test Mode 1 64DPCH 반송파 2개에서 AWB7227의 성능을 보여준다.

다중 표준 지원

AWB 시리즈는 향후 확장을 염두에 두고 설계되었다. 이 방법에 따라 펨토셀은 표준에 유연하게 대처하고 마이그레이션 및 확장 전략을 지원할 수 있다. 그림 3은 10MHz fully filled 64 QAM(50RB) 테스트 모델을 이용한 FDD LTE 파형에서 AWB7227의 성능을 보여준다.

장기간 신뢰도 및 전력 효율

전력 증폭기의 고장까지 평균 시간(MTTF)을 최대로 늘리는 것은 인프라 애플리케이션, 특히 펨토셀의 설계에서 중요하다. MTTF의 주요 인자는 접합 온도와 반도체 자체다. 수년 동안 InGaP RF PA는 월등한 성능 특성 때문에 펨토셀 전력 범위에 사용되는 장치가 되었다. InGaP 기술은 자체적으로 우수한 신뢰도를 제공하며 최고의 전력 효율을 자랑한다. 그림 4는 아나디직스 AWB7227 PA 디자인이 우수한 전력 부가 효율(PAE)을 제공함을 보여준다.

그림 5는 CW 신호와 85 oC 케이스 온도의 정격 전력으로 구동하는 동안 정격 전압에서 얻은 AWB7227의 열 스캔이다. 측정한 다이 접합 온도는 115℃이었고, 이는 PA가 DC 전력을 RF 전력으로 변환하는 효율이 우수하다는 점을 의미한다. 높은 PAE와 매우 낮은 접합 온도는 가장 긴 MTTF로 이어지고 펨토셀 제품의 전체 신뢰도를 높일 수 있다. 또한 높은 효율은 전체 전력 소비도 줄이므로 배터리 백업과 같은 펨토셀 기능이 가능하고 '녹색(Green)' 운동에도 부합된다.

아나디직스는 소재를 신중하게 선택하고 적절한 설계 원리를 적용해 탁월한 펨토셀 솔루션의 설계와 개발을 가능하게 하는 고성능 전력 증폭기 모듈을 생산하고 있다. 서비스 제공자와 소비자 모두를 위한 스몰 셀 시장은 성장하고 있기 때문에, 아나디직스는 AWB 시리즈처럼 3G 및 4G 무선 네트워크에 유비쿼터스 서비스와 높은 서비스 품질을 제공하는 장치를 계속 출시할 것이다.

 

 

그림 1. AWB7227의 스펙트럼 성능(WCDMA 높은 PAR 파형으로 구동)

그림 2. 최대 간격의 WCDMA Test Mode 1 64DPCH 반송파 2개

그림 3. FDD LTE 파형에서 AWB7227 성능

그림 4. 전력 부가 효율(PAE) 제공

그림 5. 정격 전압에서 얻은 AWB7227 열 스캔
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