E-Band 백홀 테스트 세트에서 전력 및 다이나믹 레인지 확장

배경

Ericsson의 2022 모빌리티 보고서에 따르면, 글로벌 모바일 데이터 트래픽은 고정 무선 액세스(Fixed Wireless Access) 사용량을 제외하고 2028년까지 4배 증가하여 월간 총 325 엑사바이트 또는 스마트폰당 평균 46 GB에 이를 것으로 예상됩니다. 이러한 급격한 소비 증가를 지원할 수 있는 네트워크 사업자의 능력은 기지국과 코어 네트워크를 연결하는 백홀 시스템의 속도와 용량에 달려 있습니다. 이에 따라 셀룰러 백홀 장비 시장은 2020년과 2025년 사이에 178억 5천만 달러에서 322억 9천만 달러로 연평균 12.6% 성장할 것으로 예상됩니다. 아직 초기 개발 단계에 있는 E-Band 시스템에 더 좁게 초점을 맞추면, 그 성장률은 22.3%로 뛰어오릅니다(같은 기간 동안 5억 3,400만 달러에서 14억 6천만 달러로).

백홀 시스템은 광케이블 연결 또는 점대점(P2P) 마이크로파 무선 링크를 통해 네트워크 노드에서 집선점으로 신호 트래픽을 전송합니다. 사업자들은 역사적으로 광케이블의 우수한 속도와 용량 대 무선 백홀의 낮은 비용, 빠른 배치 및 뛰어난 유연성 사이에서 트레이드오프에 직면해 왔습니다. E-Band 범위(71~76 및 81~86 GHz)의 P2P 링크는 광케이블에 필요한 토지 사용 및 건설에 대한 대규모 투자 없이 데이터 전송률을 높이는 인기 있는 솔루션이 되었습니다.

일반적인 기준으로, 이진 변조 방식의 경우 𝐵 Hz 대역폭을 가진 채널의 이론적 최대 데이터 전송률은 초당 2 ⋅ 𝐵 비트임을 상기하십시오. 최신 광케이블은 케이블 유형, 연결 거리 및 기타 요인에 따라 1~10 Gbps 수준의 데이터 전송률을 지원할 수 있습니다. 따라서 무선 링크가 비슷한 데이터 속도를 달성하려면 약 0.5~5 GHz의 대역폭이 필요합니다. E-Band 범위에서의 동작은 시스템 설계자가 낮은 비율 대역폭에서 이 범위의 공칭 대역폭을 달성할 수 있게 하며, 더 낮고 확립된 주파수에서의 스펙트럼 혼잡으로 인한 전송 제한 없이 가능합니다.

실질적인 수준에서, 이러한 시스템을 구현하는 데는 여러 가지 과제가 있으며, 그 중 가장 중요한 것은 일반적으로 67 GHz 이하에서 작동하는 산업 표준 네트워크 분석기 장비의 범위를 훨씬 넘어서는 테스트 설정을 구축하는 문제입니다. 이 기사에서는 E-Band 장치 측정을 수행할 때 테스트 운영자가 직면하는 가장 일반적인 두 가지 어려움을 설명합니다. 각 시나리오에 대한 사용 사례가 데모로 제공되며, 각각 다른 Mini-Circuits E-Band 증폭기를 사용하여 일반적인 밀리미터파 테스트 설정의 고유한 한계를 극복합니다. 각 경우에 증폭기가 시스템 성능에 미치는 영향을 검증하기 위해 Mini-Circuits Deer Park 기술 센터 연구소의 실제 테스트 설정 측정값이 제시됩니다.

E-Band 무선 백홀 테스트 요구 사항

주요 OEM에서 현재 제공하는 테스트 장비는 일반적으로 67 GHz의 기본 상한 주파수 제한을 가지고 있습니다. E-Band 테스트 설정은 VNA와 피측정 장치(DUT) 사이에 주파수 확장 모듈을 사용하여 VNA 주파수 범위와 관심 애플리케이션 대역 간에 변환합니다. 송신 경로에서 확장기의 출력은 종종 제품 평가 테스트에 필요한 신호 전력에 훨씬 못 미칩니다. 이러한 부족은 DUT 전에 어댑터와 케이블을 통과하는 밀리미터파 신호의 고유한 손실과 더 큰 설정에서 여러 테스트 픽스처에 신호를 분배하는 데 사용되는 스위치 또는 스플리터로 인해 더욱 가중됩니다. 따라서 필요한 전력을 생성하기 위해 외부 드라이버 증폭기가 필요합니다.

수신 측에서 최소 식별 가능 신호는 수신기의 노이즈 플로어에 의해 설정되며, 방송 장치에서 들어오는 신호는 종종 계측기가 측정하기에 너무 작습니다. 저잡음 증폭기를 프론트 엔드에서 사용하여 작은 신호를 계측기의 사용 가능한 다이나믹 레인지로 증폭할 수 있습니다. LNA는 원하는 신호와 노이즈를 모두 증폭하면서 추가 노이즈(장치의 잡음 지수로 특성화됨)를 기여하므로, 적합한 증폭기는 충분한 이득뿐만 아니라 낮은 잡음 지수와 좋은 다이나믹 레인지를 갖추어 전체 측정 시스템의 품질에 대한 영향을 최소화해야 합니다.

E-Band 범위에서 적합한 광대역 성능을 가진 증폭기를 설계하고 제작하는 고유한 과제로 인해 시장에서 사용 가능한 옵션이 제한적이며, 특히 재고 가용성 부족이 개발 일정에 최대 6개월의 납기 시간을 추가할 수 있는 엔지니어링 테스트 사용자의 경우 더욱 그렇습니다. Mini-Circuits는 재고 가용성을 갖추고 이러한 테스트 시스템의 요구 사항을 충족하도록 특별히 설계된 일련의 증폭기를 도입했습니다. 다음 사례는 이 시리즈의 두 모델을 사용하여 E-Band 테스트 세트에서 출력 전력을 증가시키고 수신기 다이나믹 레인지를 확장하는 것을 보여줍니다.

E-Band 소스 전력 확장을 위한 드라이버 증폭기

앞서 논의한 바와 같이, 고주파에서의 테스트는 종종 주파수 확장기가 있는 일반적인 테스트 설정이 제공할 수 있는 것 이상의 추가 드라이브 전력을 필요로 합니다. 예를 들어, 테스트 중인 E-Band 증폭기 칩이 15 dB의 이득과 +25 dBm의 P1dB를 가지고 있다면, 0 dBm 출력 전력을 가진 일반적인 주파수 확장 테스트 세트는 DUT를 압축으로 구동할 수 없습니다. 이 경우, 추가 증폭을 사용하여 소스의 다이나믹 레인지를 확장할 수 있습니다. 다음 예는 Keysight의 N5293AX03 주파수 확장기와 함께 Mini-Circuits ZVA-71863HP+를 사용할 때 달성 가능한 소스 전력 확장을 보여줍니다.

먼저, 분석기를 완전히 교정하고 포트 1을 포트 2에 연결하고 “B” 수신기에서 전력을 플로팅하여 사용 가능한 소스 전력을 기록했습니다. 그림 2에 표시된 바와 같이, 이 구성에서 71~86 GHz 범위에서 소스로부터 대략 +2 dBm을 사용할 수 있었습니다:

다음으로, ZVA-71863HP+ 증폭기를 포트 1에 추가하고 온도가 안정화되도록 했습니다. 유사한 측정을 반복하면 이제 증폭기 출력에서 최대 +25 dBm의 소스 전력을 사용할 수 있음을 보여줍니다. 테스트 설정의 간단한 블록 다이어그램은 그림 3에, 증폭기 출력 전력에 대한 측정 플롯은 그림 4에 나와 있습니다:

더 높은 로컬 전력을 달성하는 것이 유용할 수 있지만, 이 구성에서 소스 전력 교정을 실행하여 전체 71~86 GHz 대역에서 일정한 출력 전력을 달성할 수도 있습니다. 이 경우, 그림 5에 표시된 바와 같이 전력은 +23 dBm(전체 관심 대역에서 증폭기에서 달성 가능한 최소 출력 전력)으로 레벨링되었습니다:

따라서 이제 DUT를 71~86 GHz에서 소스로부터 최대 +23 dBm의 출력 전력으로 테스트할 수 있습니다. 앞서 예로 든 증폭기 칩의 경우, 이는 15 dB의 이득과 +25 dBm의 P1dB를 가진 DUT를 압축으로 구동하기에 충분한 소스 전력 이상을 제공합니다.

수신기 감도 향상을 위한 저잡음 프리앰프

반대로, 매우 낮은 수준의 신호를 수신하고 측정할 때 측정 시스템의 수신기 감도를 높이기 위해 프리앰프를 사용하는 것이 일반적입니다. 이 경우, 저잡음 증폭기가 수신 체인에서 DUT 뒤에 배치되어 시스템에 가능한 한 적은 노이즈를 추가하면서 신호 증폭을 효과적으로 제공합니다.

예를 들어, Keysight의 N5293AX03 주파수 확장기의 노이즈 플로어는 −112 dBm(일반값)으로 공시되어 있습니다. 매우 낮은 수준의 신호가 −120 dBm에서 수신되면, 시스템의 노이즈 플로어에 묻혀 측정이 불가능해집니다. 그러나 프리앰프로 Mini-Circuits ZVA-71863LNX+ 증폭기를 사용하면 저수준 신호가 증폭되어 정확하게 구별할 수 있습니다. 다음 예는 이러한 수신기 감도 개선을 보여줍니다.

먼저, 분석기를 완전히 교정하고 소스 출력에서 −120 dBm의 단일 톤을 설정했습니다. 이것은 75 GHz에서 측정 가능한 −60 dBm 톤을 생성한 다음 소스 뒤에 교정된 60 dB 감쇠기를 추가하여 달성했습니다. 스펙트럼 분석기의 결과 측정(그림 6)은 톤이 측정 시스템의 노이즈 플로어 아래에 있기 때문에 톤을 표시하지 않습니다. 노이즈 플로어가 공시된 −112 dBm 일반값에 매우 가깝습니다:

다음으로, 수신기 포트에 Mini-Circuits ZVA-71863LX+를 추가했습니다. 이것은 증폭기의 이득만큼 신호를 증폭시켰으며, 이 경우 75 GHz에서 약 35 dB였습니다. 동일한 −120 dBm 입력 신호가 소스에서 생성되었습니다. 수신기에서의 결과 측정은 약 −85 dBm의 전력 수준에서 톤을 명확히 보여줍니다(−120 dBm 입력 + 35 dB 이득 = −85 dBm 측정값). 측정의 노이즈 플로어가 변경되지 않은 것은 다음과 같기 때문입니다…

-174\frac{\text{dBm}}{\text{Hz}} + 10\log(RBW[\text{Hz}]) + GAIN[\text{dB}] + NF[\text{dB}]

…가 여전히 테스트 세트의 노이즈 플로어 아래에 있으므로, 측정 대역폭(10 log(𝑅𝐵𝑊[Hz]))에서 증폭기의 이득과 잡음 지수의 추가는 수신기 감도에 식별 가능한 영향을 미치지 않습니다. 프리앰프에서 추가되는 잡음 지수와 이득 양 사이에는 뚜렷한 트레이드오프가 있습니다. 높은 수준의 신호 증폭을 추가하려면(따라서 더 낮은 수준의 신호를 분해할 수 있으려면), 잡음 지수가 가능한 한 낮게 유지되는 것이 중요합니다.

이 예에서 사용된 측정 설정의 간단한 블록 다이어그램은 그림 7에, 결과 측정 플롯은 그림 8에 나와 있습니다:

따라서 ZVA-71863LNX+를 프리앰프로 추가하면 시스템의 전체 잡음 지수를 저하시키지 않으면서 시스템 노이즈 플로어 훨씬 아래의 입력 신호를 효과적으로 측정할 수 있습니다. 이 모델은 높은 이득(일반값 37 dB)과 ±1.75 dB 평탄도 및 낮은 잡음 지수(일반값 4.5 dB)의 독특한 조합을 달성하여 여기서 시연된 것과 같은 저수준 E-Band 신호의 광대역 측정에 이상적입니다.

다용도성, 사용 편의성 및 재고 가용성

이 기사에서 시연된 사용 사례는 주파수 스펙트럼 전반에 걸친 다양한 테스트 애플리케이션에서 업계에서 일반적으로 사용되는 방법입니다. E-Band 테스트의 고유한 과제는 VNA에 주파수 확장기 모듈을 연결하는 효과, 밀리미터파 신호의 손실 특성, 그리고 이러한 애플리케이션을 지원할 수 있는 증폭기의 가용성에서 비롯됩니다. Mini-Circuits는 벤치 수준의 부품 테스트에서 생산 환경의 고처리량 칩셋 테스트에 이르기까지 E-Band 테스트 애플리케이션에 원하는 성능을 목표로 ZVA-71863HP+ 중전력 증폭기와 ZVA-71863LNX+ 저잡음 증폭기를 개발했습니다. 이것들은 이 글을 쓰는 시점에 최대 95 GHz까지의 커넥터형 증폭기 및 기타 부품의 Mini-Circuits의 증가하는 포트폴리오 중 두 가지 예에 불과합니다.

Mini-Circuits의 E-Band 증폭기는 단일 공급 전압, 시퀀싱 불필요, 오작동으로 인한 손상을 방지하는 광범위한 내장 DC 보호 기능으로 사용하기 쉽게 설계되었습니다. 모든 모델은 재고에서 제공되어, 이러한 제품의 높은 생산 비용으로 인해 많은 공급업체가 재고를 유지하지 않아 생산 납기 시간을 기다리는 데 소요되는 수 주를 절약할 수 있습니다.

아래 표는 V- 및 E-Band 테스트 애플리케이션을 위한 Mini-Circuits의 현재 증폭기 포트폴리오를 요약합니다. 최대 1W 출력 전력으로 Ku-부터 Ka-Band 주파수를 커버하는 추가 고주파 증폭기 모델도 재고에서 제공되지만 이 기사의 범위를 벗어나므로 표시되지 않았습니다. 공중(over-the-air) 테스트를 지원하기 위해 도파관 인터페이스와 최대 110 GHz까지 커버하는 설계도 후기 개발 단계에 있습니다. 당사는 고객 수요에 맞추어 개발 파이프라인을 지속적으로 검토하고 있습니다. 카탈로그, 개발 중인 모델 또는 테스트 애플리케이션에 대한 특정 요구 사항에 대해 질문이 있으시면 당사 엔지니어와 귀하의 요구 사항을 논의하기 위해 연락해 주십시오.

V – E-Band 커넥터형 증폭기 재고 보유

참고 문헌

“Mobile Data Traffic Forecast.” Ericsson Mobility Report, Telefonaktiebolaget LM Ericsson, June 2023, www.ericsson.com/en/reports-and-papers/mobility-report/dataforecasts/mobile-traffic-forecast