오늘날 무선으로 동작하는 모든 것들이 RF 전력 측정을 필수사항으로 급격히 변화시키고 있다. 본 고는 이러한 무선 시스템의 성능을 최적화하기 위해 RF 신호 수준을 정확하게 측정할 수 있는 많은 유용한 기법들에 대해 설명한다. 또한 다양한 애플리케이션 요건들에 대해 선택 가능한 접근법들에 대해서도 논의할 것이다.
휴대형 시스템을 위한 RF 전력 측정 기법
글│블라디미르 드보르킨(Vladimir Dvorkin), 애플리케이션 엔지니어링 매니저
앤디 모(Andy Mo), 애플리케이션 엔지니어
제임스 웡(James Wong), 제품 마케팅 매니저
리니어 테크놀로지
수용 가능한 성능을 끌어내면서 저전력 회로를 설계하는 것은 어려운 태스크이다. 특히 이러한 태스크를 수행할 때 RF 주파수는 기술적 과제를 증대시킨다. 오늘날 무선으로 동작하는 모든 것들이 RF 전력 측정을 필수사항으로 급격히 변화시키고 있다. 본고는 이러한 무선 시스템의 성능을 최적화하기 위해 RF 신호 수준을 정확하게 측정할 수 있는 많은 유용한 기법들에 대해 설명한다. 또한 다양한 애플리케이션 요건들에 대해 선택 가능한 접근법들에 대해서도 논의할 것이다.
RF 신호는 단일 캐리어 CW(conti-nuous wave)에서부터 멀티-캐리어 CW, 그리고 높은 크레스트-팩터(crest-factor) 웨이브 형태를 포함하는 QAM (Quadrature Amplitude Modulation)에 이르기까지 많은 형태를 취할 수 있다. 이러한 매우 다양한 신호들의 전력 수준을 측정하기 위해서는 그 각각의 특성뿐만 아니라 요구되는 측정 정확도에 대해 이해하고 있어야 한다. TDD(Time Divi-sion Duplexing) 시스템에서와 같이 신호가 돌발적이라면 타임 도메인 측정을 고려해야 하기 때문에 보다 복잡해진다. 모든 경우에 있어서 올바른 감지기(detector) 타입을 선택함으로써 설계 태스크를 단순화시킬 수 있다.
피크 감지를 통한 RF 전력 측정
CW 파형 측정의 가장 간단한 예를 살펴보자. 진폭이 달라질 수 있지만, 신호가 사전에 지정된 시간 간격 내에 있는 한 진폭은 상대적으로 일정하며, 모든 실용적인 목적을 위해서라면 리니어 테크놀로지의 LTC5532와 같은 피크 레벨 감지기를 통해 정확한 측정을 할 수 있다. 이 디바이스는 온칩 온도 보상 기능과 2MHz 대역폭 출력 버퍼를 통합한 초고속 쇼트키 감지기(Schottky detector)로 구성되어 있다. 내부 쇼트키 회로는 들어오는 RF 신호의 피크를 감지하고 피크-홀드(peak-hold) 필터링을 수행하여 RF 입력 피크 레벨에 비례하는 DC 출력 전압을 생성한다.
LTC5532는 활성 모드에서 500μA 공급 전류로 동작하는 초저전력 디바이스이다. 하지만, 내부 쇼트키 회로는 7GHz RF 신호를 감지할 수 있다. 6-리드 2mm × 2mm 플라스틱 DFN 패키지로 제공되는 이 제품의 다른 버전인 LTC5532EDC는 기생성분(parasitic)이 낮고, 12GHz 이상에서 동작이 가능하다.
그림 1은 11.5GHz~12GHz에서 매칭된 이 12GHz 감지기의 RF 입력을 나타낸 것이다. 따라서 이것의 입력 회로를 지향성 커플러(directional coupler) 또는 RF 소스의 결합 출력(coupled output)에 연결할 수 있다. 감지기 출력 증폭기 이득은 2개의 비반전 이득(non-inverting gain)을 가지는 내부 증폭기 주변 루프에 인접한 10k의 R2 및 R3 레지스터에 의해 외부에서 설정된다.
그림 1. 12GHz RF 피크 감지기 회로
12GHz 주파수에서 회로 보드 재료는 입력 임피던스 매칭에 영향을 줄 수 있는 회로 기생성분을 유입시킬 수 있다. 하지만, 표준 FR-4 PC 보드 재료를 사용함으로써 수용 가능한 성능을 달성할 수 있다. RF 입력 매칭은 2개의 1.2pF 커패시터, C1과 C3로 구성된다. 디바이스의 RF 입력이 내부적으로 DC 바이어스(bias)되기 때문에 C3 커패시터는 또한 DC 차단 목적으로도 사용된다. RF 입력 매칭은 특정 애플리케이션 레이어 또는 다양한 동작 주파수들에 맞춰 다시 최적화되어야 한다.
12GHz에서 RF 입력 반사 손실(Return Loss)은 10dB로 측정되었다. 그림 2는 12GHz RF 입력 신호가 -24dBm에서 8dBm까지 스위프(sweep)될 때 감지기의 전송 특성을 표시한 플롯(plot)을 보여준다. -24dBm에서 8dBm는 유용한 감지 범위이다.
그림 2. 12GHz 감지기의 특성
낮은 레벨의 RF 신호 측정 위해 높은 동적 범위의 감지기 사용
매우 낮은 레벨의 RF 신호에 대한 측정을 필요로 하는 애플리케이션의 경우, 보다 우수한 민감도를 가진 높은 동적 범위의 감지기가 필요하다. AGC(Auto-matic Gain Control) 피드백 제어를 제공할 목적으로 RSSI를 측정하는 수신기에서 일반적으로 이와 같은 기능을 사용한다. 다른 애플리케이션으로는 전계 강도 미터기(field strength meter instrument)가 있다. 이러한 형태의 신호 측정의 경우, 신호의 평균 파워를 측정하는 로그 감지기(log detector) 형태가 적합하다. 높은 동적 범위와 탁월한 민감도 외에도 로그 감지기는 낮은 주파수들로 확장 가능한 탁월한 대역폭 특성을 가지고 있다. 그 출력은 mV/dB 로그-리니어(log-linear) 스케일링 시에 일정한 출력 기울기를 제공하여 사용을 간편하게 해준다.
그림 3에 높은 동적 범위의 로그 감지기 회로의 예를 나타내었다. LT5538은 리니어 테크놀로지의 로그 감지기로 60dB 이상의 동적 범위를 가지고 있다. IC가 40MHz에서 3.8GHz까지 동작할 수 있으며, 보는 바와 같이 회로는 40MHz에서 2.2GHz까지 적절하게 매칭되도록 설계되어 모든 이동통신 대역을 포함하는 넓은 주파수 범위를 커버할 수 있다. 감지기는 -68dBm정도의 작은 신호도 식별한다. 이것의 동적 범위는 ±1dB의 정확도로 거의 70dB까지 확장된다. 보다 낮은 주파수, 예를 들어 880MHz에서는 동적 범위가 74dB까지 향상된다.
그림 3. 높은 동적 범위의 로그 감지기 회로
온도 편차(Temperature drift)는 고정밀 계측기기에서뿐만 아니라 이동통신기지국과 같은 많은 고성능 무선 시스템에 있어서 어려운 문제이다. 일반적인 요구 정확도는 ½dB 이상이며, 지정된 최고 온도 이상에 대해서도 이와 같은 허용 오차가 유지된다. LT5538은 이러한 요구 정확도를 넓은 동적 범위에 대해 보장하기 때문에 온도에 대한 골치 아픈 보정 작업에 대한 요구를 최소화할 수 있다.
LT5538은 4GHz의 최대 동작 주파수를 달성하는데 29mA 공급전류를 소모한다. 디바이스는 셧다운 성능을 가지고 있다. 슬립 모드(sleep mode)에서 디바이스는 100μA 이하의 정지 전류를 소모한다. 디바이스는 온 상태로 전환될 수 있으며, 300ns 내에 측정을 개시할 수 있다. 따라서 이 감지기는 버스트-모드(burst-mode) 측정이 가능하여 휴대용 애플리케이션에서 전력소모를 절감시킨다.
높은 크레스트-팩터 신호의 실제 파워 측정 방법
최신 광대역 무선 데이터 시스템은 복잡한 변조 파형들을 사용한다. 예를 들어, WiMAX와 LTE (4세대 통신, Long Term Evolution)는 고차 QAM 변조(high-order QAM modulation) 방식으로 각각 변조되는 복수의 반송파(carrier)를 사용한다. 이러한 RF 신호는 12dB의 PAPR(peak-to-average power ratio)를 가지며, 본질적으로 간헐적이기 때문에 정확하게 측정하는 것이 어렵다. 단순한 변조 파형을 보정하는 것도 성공하기가 쉽지 않은 LUT(look-up table)를 통한 보정이 일반적으로 시도된다. 하지만, 보다 복잡한 변조 방식이 증가함에 따라 LUT를 통한 보정은 적합하지 않다.
리니어 테크놀로지의 새로운 RMS 감지기인 LT5581는 이러한 부정확성의 문제를 해결할 수 있도록 도와준다. 디바이스는 높은 크레스트-팩터 신호에 대해 매우 정확한 파워 측정을 가능하게 하는 온-칩 RMS 측정 회로를 사용한다. 10MHz에서 최고 6GHz까지의 신호를 측정할 수 있다. 낮은 주파수에서는 40dB의 동적 범위를 가지며, 높은 주파수에서는 30dB의 동적 범위를 가진다. 뿐만 아니라 디바이스는 온도에 대해 탁월한 정확도를 제공하기 때문에 반복 가능한 측정 기능을 제공한다. 이러한 모든 성능과 더불어 디바이스는 단지 1.4mA의 공급전류만을 소모한다.
RF 입력은 단일단(single-ended)이기 때문에 RF 밸룬 트랜스포머(RF balun transformer)가 필요하지 않다. 디바이스의 넓은 대역폭은 3G 또는 4G 광대역 무선 데이터 모뎀 카드, 3G 또는 4G 스마트폰, WiMAX 데이터 모뎀 카드, 고성능 휴대용 라디오 등과 같은 다중대역 주파수를 지원한다.
단일단 RF 입력을 RF PA 증폭기와 같은 RF 소스로부터 직접 가져올 수 있다. 이와 같은 계측의 예로는 그림 4의 5.8GHz WLAN 또는 WiMAX 트랜스미터 PA 증폭기 전력 제어 회로 등이 있다. 감지기의 RF 입력은 604Ω과 75Ω의 전압 분할기로 구성된 20dB 저항 감지기를 통해 PA 출력으로 들어간다. 이러한 저항 탭(resistive tap)은 지향성 커플러에 대한 요구를 제거하여 비용을 절감시킨다. 1.8pF DC 차단 커패시터는 감지기의 임피던스에 매칭된다. 전체 저항 탭 회로는 0.2dB 이하의 삽입 손실(insertion loss)를 PA 출력에 유입시킨다. 0.2dB 이하의 삽입손실은 적당한 양이다.
그림 4. 5.8GHz RMS 감지기의 구현
결합 정확도를 향상시키기 위하여 604Ω 및 75Ω 레지스터는 1%의 허용오차 컴포넌트가 되며, 1.8pF는 5% 또는 그보다 우수해야 한다. 저항 탭에 대한 권고 컴포넌트 값은 참고만 하라. 실제 구현시의 값은 부품의 배치, PC 보드의 기생성분, PA 및 안테나의 파라미터 등에 따라 다소 달라질 수 있다. 하지만, 지향성 커플러를 사용하는 경우에는 일정 정도의 지향성을 제공할 수 있다는 점에서 장점을 가지지만, 저항 탭 회로는 그렇지 못하다. 다시 말해, PA가 과도한 반사 전력(reflected power)을 가지는 경우, 커플러가 이를 차단해서 측정 정확도에 최소한의 영향력을 가지게 된다. 이것은 저항 탭 회로에 대해서는 해당되지 않기 때문에 저항 탭 회로는 측정 오류를 최소화시킨다.
그림 5는 PA 증폭기 출력이 파워 범위에서 스위프할 때의 감지기의 전송 기능을 나타낸 것이다. 5.8GHz에서 감지기는 25dB의 동적 범위 성능을 제공하며, 이러한 성능은 전력 제어 목적에서 일반적으로 충분하다. 2.1GHz 또는 880MHz와 같은 보다 낮은 주파수에서 LT5581의 동적 범위는 40dB까지 향상된다.
그림 5. 5.8GHz 감지기의 응답
결론
측정에 필요한 최적의 솔루션을 제공하기 위해 측정되는 신호에 따라 다양한 RF 감지기를 선택할 수 있다. 쇼트키 피크 감지기는 동적 범위가 제한되는 동안에는 고정 진폭 파워 측정에 적합하다. 로그 감지기는 낮은 레벨의 신호를 측정하는 데 있어서 보다 높은 동적 범위와 탁월한 민감도를 가진다. 높은 크레스트-팩터 신호의 경우, RMS 감지기가 가장 정확한 측정 결과를 제공한다.