[첨단 헬로티]
매시브 MIMO(M-MIMO) 무선 기술은 종반으로 접어들고 있는 4G LTE 셀룰러 기지국용으로 인기가 빠르게 높아지고 있다. 스몰 셀을 사용해서 셀룰러 커버리지의 빈곳을 효과적으로 메우고 서비스 속도를 높이고자 하는 밀 집된 도심 지역에서 특히 그렇다. 이아키텍처가 성공하는 이유는 그만한 장점들이 있기 때문이다.
태동하는 5G 네트워크용으로도 이 아키텍처가 널리 사용될 것으로 보인다. 이 아키텍처는 스펙트럼 효율과 전송 신뢰성 면에서 유리하다. 5G를 위해서는 설계자가 다중 대역에서 동시적인 트랜시버 채널 수를 크게 늘리면서 모든 필요한 하드웨어를 이전 세대와 같거나 더 작은 크기로 집어넣 어야 한다.
이를 위해서는 다음과 같은 과제들을 해결해야 한다.
◎ 채널 수가 늘어나면 기지국과 그주변으로 더 많은 RF 전력이 집중 된다. 따라서 채널들 사이에 상호 간섭이 발생하지 않도록 분리, 즉절연하는 것이 중요하다.
◎ 고전력 신호가 존재하는 상황에서 강건성을 유지하기 위해서는 리시버 프런트 엔드 소자의 동적 범위 성능을 향상시켜야 한다.
◎ 솔루션 크기도 중요하다.
◎ 전자 기기들과 트랜스미터의 전력이 높아짐에 따라서 열 관리 문제도 해결해야 한다.
이처럼 다양한 무선 서비스와 서로 다른 송신 방법들을 지원할 수 있도록 더 높은 데이터 전송 속도에 대한 요구가 높아짐에 따라, 시스템 설계 자들은 보다 복잡한 회로를 이전과 비슷한 수준의 크기, 전력, 비용 수준 으로 구현해야 하는 상황에 처하게 됐다. 기지국 타워에 더 많은 트랜시버 채널을 추가하면 더높은 쓰루풋을 달성할 수 있지만, 시스템 복잡성과 비용을 허용 가능한 수준으로 유지하기 위해 각 채널들을 더높은 RF 전력 레벨에서 운용하는 것 역시 중요하다. 더 높은 RF 전력을 위해서, 하드웨어 설계자들이 자신의 RF 프런트 엔드 설계에 가질 수 있는 선택권은 많지 않은데, 기존 솔루션을 사용한다면 높은 바이어스 전력과 복잡한 주변장치 회로가 필요하기 때문에 당초의 설계 목표를 달 성하기가 쉽지 않다.
아나로그디바이스(Analog Devices)는 시분할 다중화(TDD) 시스템 설계를 위해 고전력 스위치와 저잡음 증폭기(LNA)를 멀티칩 모듈 형태로 통합한 제품을 출시했다.
A D I의 새로운 A D R F5 5 4 5 A / ADRF5547/ADRF5549 제품군은 1.8GHz부터 5.3GHz까지 셀룰러 대역을 지원하며, M-MIMO 안테나 인터페이스에 사용하기에 적합하도록 설계되었다. 실리콘 공정에 기반한 고전력 스위치와 GaAs 공정을 기반으로 한 고성능 LNA를 통합함으 로써 높은 RF 전력을 처리할 수 있을 뿐만 아니라 통합 수준도 향상됐다.
듀얼 채널 아키텍처
그림 1은 M-MIMO RF 프런트 엔드 용으로 ADRF5545A/ADRF5547/ ADRF5549를 사용한 애플리케이션 블록 다이어그램을 보여준다. 이들 디바이스는 고전력 스위치 뒤에 붙는 2스테이지 LNA를 포함한다. 이 트랜 시버의 수신 모드 시에는, 스위치가 입력 신호를 LNA 입력으로 연결한 다. 송신 모드 시에는, 입력을 50Ω 종단으로 연결해서 안테나 인터페이 스로 적절히 매칭하도록 하고 LNA를 안테나의 반사 전력으로부터 차단시 킨다. 통합적인 듀얼 채널 아키텍처 이므로 설계자가 자신의 MIMO를 기존의 한계인 8 x 8(8개 트랜스미터 x 8 개 리시버) 구성을 넘어서 16 x 16, 32 x 32, 64 x 64, 혹은 그 이상으로 손쉽게 확장할 수 있다.
그림 1. M-MIMO RF 프런트 엔드 블록 다이어그램
넓은 동작 대역폭
그림 2는 ADRF5545A/ADRF5547/ADRF5549 각각의 이득 특성과 주파수 커버리지를 보여준다. 이들 디바이스는 널리 사용되는 셀룰러 대역들을 지원하며, 전력 증폭 기나 필터처럼 함께 사용되는 다른 부품들과 잘 맞도록 설계되었다.
그림 2. ADRF5545A/ADRF5547/ADRF5549의 이득 특성
고전력 보호 스위치
이들 디바이스는 실리콘 공정으로 제조된 고전력 스위치를 포함하므로 바이어스 발생을 위한 외부 부품을 사용할 필요가 없다. 이 스위치는 단일 5V 전원으로 실행되고 전류 소모는 10mA에 불과하며, 음(-)의 전압이나 레벨 시프터를 사용할 필요 없이 표준 디지털 마이크로컨트롤러로 직접 인터페이스 할 수 있다.
PIN 다이오드 기반 스위치를 사용한 제품과 비교하면, 이실리콘 스위치는 80%의 바이어스 전력과 90%의 회로 보드 면적을 절약한다.
이 스위치는 연속 동작일 때 9dB의 PAR(peak-toaverage ratio)을 갖는 평균전력 10W의 RF 신호를 처리할 수 있으며, 결함 상태일 때 정격 전력의 두 배를 견딜수 있다.
ADRF5545A/ADRF5547/ADRF5549는 10W 전력을 처리할 수 있는 업계 최초의 제품들로서, 고전력 M-MIMO 설계에 적합하다. 만약 각 안테나 소자로부터더 큰 전력 전송이 가능하다면 더 적은 수의 트랜스미터를 가지고도 기지국으로부터 동일한 RF 전력을 받을 수있다. 그림 3은 ADRF5545A/ADRF5547/ADRF5549의 아키텍처를 나타낸 것으로, 양쪽 채널에 동일한 디바이스 핀을 사용해서 고전력 스위치에 대한 전원 공급 및 제어가 이루어 지는 것을 알 수 있다. LNA는 각각 별도의 전원 공급 및 제어 신호를 사용한다.
그림 3. ADRF5545A/ADRF5547/ADRF5549 회로 아키텍처
낮은 잡음 지수
2스테이지 LNA는 GaAs 공정을 사용해서 제조되며, 단일 5V 전원을 사용해서 동작하고, 외부 바이어스-티 (bias-tee) 인덕터를 필요로 하지 않는다. 주파수에 대해 이득이 평탄한 특성을 가지며, 고이득 및 저이득 모드에서 각각 32dB와 16dB 크기로 이득을 프로그램 할 수 있다. 또한 이들 디바 이스는 저전력 모드가 특징이어서, 송신 동작 시 LNA를 파워다운해서 바이어스 전력을 절약할 수 있다. 이들 디바이스는 스위치의 삽입 손실을 포함한 잡음 지수가 1.45dB로 매우 낮아, 고전력 및 저전력 M-MIMO 시스 템에 사용하기에 적합하다. 그림 4는 각 대역에서 ADRF5545A/ADRF5547/ADRF5549의 잡음 지수 성능을 보여준다.
그림 4. ADRF5545A/ADRF5547/ADRF5549의 잡음 지수
크기 소형화, 외부 부품 최소화
전원 핀 상에 1차 디커플링 커패시터와 RF 신호 핀 상에 DC 차단 커패시터를 제외하고는, 이들 디바이스는 어떠한 튜닝 또는 매칭 부품을 필요로 하지 않는다. RF 입력과 출력은 50Ω으로 매칭된다. 이 LNA는 매칭 및 바이어스 인덕터를 내장하고 있다. 따라서 인덕터 같은 비싼 부품을 사용할 필요가 없어 BOM을 줄일 수 있을 뿐 아니라 인접한 트랜시버들 사이에 채널간 누화와 관련된 하드웨어 설계를 간소화한다.
또한 이들 디바이스는 6mm x 6mm 표면실장 패키지로 제공되며, 하단에 열 성능을 향상시키는 패들을 포함한다. 케이스 동작 온도 범위는 -40℃ ~ +105℃이다. 3개 제품 모두 동일한 패키지와 동일한 핀아 웃을 사용하기 때문에, 동일한 회로 보드 상에서 이들 디바이스를 교체하여 사용할 수 있다. 그림 5는 이 디바이스를 탑재한 평가 보드를 보여준다. 평가 보드는 ADI나 대리점을 통해서 구입할 수 있다.
글 / 빌게 바이라크치(Bilge Bayrakci) 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)
