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GaN-on-SiC 모놀리식 마이크로파 집적회로 전력증폭기

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글/마이크 질(Mike Ziehl), 발짓 챈드호크(Baljit Chandhoke), 마이크로칩테크놀로지

갈륨나이트라이드온실리콘카바이드(GaN-on-SiC) 모놀리식 마이크로파 집적회로(MMIC) 전력증폭기(PA)는 Ka 밴드 위성 통신과 5G 밀리미터웨이브(초고주파·㎜Wave) 네트워크에서 점점 늘어나고 있는 과제 및 문제를 해결할 수 있는 기술로 주목 받고 있다.

이전보다 다양한 애플리케이션에서 더 높은 성능을 충족하기 위한 RF 전력증폭기(PA)에 대해 새로운 기술적인 요구가 증가하고 있으며, 이를 실제로 구현하는데 들어가는 비용과(설계의) 복잡성, RF PA의 크기와 무게를 증가시키지 않아야 하며 더 높은 게인을 얻을 수 있도록 제공해야 한다. 더불어, 이전 기술과 비교해 왜곡에 훨씬 더 민감한, 고차원 변조 방식을 수용할 수 있도록 필요한 선형성과 효율성을 제공할 수 있어야 한다. 그러나 제한된 보드 공간에서 보다 콤팩트한 솔루션을 개발하려는 이러한 목표는 첨두 전력 대 평균전력비(PAPR)를 줄이려는 노력과 상충돼 어려움을 겪고 있다.

이러한 문제 해결을 위해 차세대 기술로 갈륨나이트라이드(GaN) 모놀리식 마이크로파 집적회로(MMIC) 전력증폭기(PA)가 주목받고 있으며, 실제 가장 필요한 곳에서 점점 더 많이 사용되고 있다. 개발자들은, 우주 및 지상 기반의 상업용 및 방위산업용 위성 통신부터 테스트 장비에 이르기까지 다양한 애플리케이션에서 이 기술을 적절히 구현해 나가며 갈륨나이트라이드(GaN) 모놀리식 마이크로파 집적회로의 가치를 극대화할 수 있다. 

특히 이 기술을 5G 네트워크에 활용하는 것에 대한 기대가 높아지는 가운데, 통신사업자들이 가장 혼잡한 사용자 지역에서 미사용 밀리미터파웨이브(mmWave) 대역에 대한 이 기술의 사용 기대가 가장 눈에 띈다.

새로운 시대에서 마주한 새로운 요구

항공우주 및 방위산업 분야에서는 빠르게 진화하고 있는 상업용 우주 시장이 수십 년 동안 가장 극적인 변화를 겪고 있다. 이와 비슷한 상황이 5G 모바일 통신 산업에서도 일어나고 있으며, 인구 밀도가 높은 도심 지역에서 데이터 사용량이 늘면서 데이터 정체가 증가함에 따라 문제가 제기되고 있다.

이러한 애플리케이션의 경우, 시스템은 비디오 및 광대역 데이터에 필요한 높은 속도의 데이터 전송률을 충족하기 위해 고성능 전력 기술에 의존한다. 전체 전송 경로에서의 성능을 개선하기 위해서는, 상충하는 요구 사항들을 최대한 효율적으로 처리할 수 있는 고성능 RF PA를 포함하는 새로운 전력 솔루션이 필요하다.

예를 들어, PA는 왜곡 결과가 최소화되는 선형 지역에서 반드시 작동할 수 있어야 한다. 하지만 동시에 이 지역에서는 전달되는 RF 출력파워가 낮아서, 필요한 만큼의 게인을 얻기 위해 요구되는 것보다 더 많은 게인 스테이지가 필요하며 이로 인해 복잡성, 비용, 크기 및 무게가 증가하게 된다.

더욱 복잡한 문제는, 해당 PA가 변환 효율을 극대화하고 가능한 한 많은 전력을 생성하기 위해 포화점 이상 혹은 포화점 인근에서 작동되는 경우, 반드시 디지털 전치 왜곡 또는 다른 기법을 사용하여 불가피한 AM-AM 및 AM-PM 왜곡을 보정해야 한다. 

AM-AM 왜곡은 종종 PA의 비선형성으로 인해 발생하며, 입력 전력에 대한 PA의 압축 또는 피크, 게인 왜곡을 의미한다. AM-PM 왜곡은 입력 전력에 대한 출력 위상의 변화를 뜻하는 것으로서, 종종 PA의 비선형 캐패시터에 의해 발생한다.

또 다른 어려움은 64/128/256 직교 진폭 변조(QAM)와 같이 위성 통신에 사용되는 고차 변조 방식들이 비선형 동작에 극히 민감하다는 것이다. 신호의 성상도 주위를 ‘이동’하기 때문에 신호의 상태를 파악하기가 어렵다.

내부 상태는 전력이 덜 필요하므로 왜곡되지 않을 수 있으나, 외부 상태는 다른 상황이며, 증폭기가 압축 상태에서 구동될 때 왜곡이 발생한다. 이상적인 경우, 위성 전송을 위한 변조 방식이 직교 위상 편이 변조(QPSK)보다 스펙트럼 효율이 높지만 QAM 보다 왜곡에 대한 저항이 더 크다. 진폭 위상 편이 변조(APSK)는 효율과 저항 두 면에서 가장 뛰어나고 전치 왜곡에 적합해 점점 더 많이 사용되고 있다.

또한, 증폭기가 신호 증폭하는 평균 출력에 대한 최고 전력의 비율을 뜻하는 PAPR을 필요한 만큼 어떻게 달성할 것인가 하는 것도 또다른 어려운 과제이다. PAPR이 중요한 이유는 전송할 수 있는 데이터의 양은 평균 전력에 비례하지만, 특정 포맷에 필요한 증폭기의 크기는 피크 전력에 달려 있기 때문이다. 앞에서 언급한 문제들은 특히 위성 및 5G 애플리케이션에서 GaN MMIC PA가 출시되기 전부터 개발자들을 당혹하게 만들었던 몇 가지 문제들 중 단지 일부에 지나지 않는다.

Ka-band 위성통신에 당면한 과제와 그 해결

NASA가 민간 부문에서도 우주에 저궤도(LEO) 위성을 발사 및 배치할 수 있도록 허용하면서부터, 우주 발사 기업들과 위성 운영 회사들에게 새로운 기회들이 많이 생겨나고 있다. 현재 이러한 위성들 수천 개가 지구를 돌면서 광대역 인터넷 접속부터 네비게이션, 해양 감시 및 원격 센싱에 이르기까지 다양한 서비스를 제공하고 있다.

이러한 위성들 대부분은 저주파 대역보다 4배 이상 넓은 27.5에서 31GHz의 Ka-band 대역 스펙트럼에서 작동한다. 이 주파수 대역은 비디오 및 기타 데이터 집약적인 애플리케이션에 의해 발생하는 쓰나미 같은 트래픽 급증을 처리하는 중요한 역할을 담당하고 있으며, 이 부분에GaN MMIC 기술이 매우 적합하다.

GaN은 이러한 주파수 대역에서 전통적인 전력원으로 사용되어온 진행파관(TWT)과 비교해 상당한 이점들을 제공한다. TWT는 효율성이 낮고 더 낮은 주파수를 가지며 매우 높은 동작 전압을 필요로 한다. GaN은 본질적으로(혹은 태생적으로) 방사선 내성을 가지고 있는데, 이는 위성이 매우 높은 지구동기궤도에 있을 때 유용한 이점을 제공한다.

GaN 기반 증폭기는 기존 TWT 기반 제품들보다 크기가 훨씬 작기 때문에, 능동 위상 배열 안테나와 함께 사용하기에도 더 적합하며, 복잡하고 번거로운 전력 결합기도 필요하지 않다. 

GaN 증폭기는 갈륨비소(GaAs)의 대안으로 제시되고 있으며, 더 작은 지상 수신 범위에서 더 많은 RF 전력을 제공하며, 더 높은 전압에서 작동한다. 이 때문에 일반적으로 저전력 드라이버 단계에서는 GaAs 증폭기가 선호되기는 하지만 효율면에서는 GaN 증폭기가 더 높다.

5G 네트워크에서 발생하는 밀도 문제 해결

24GHz부터 100GHz 사이의 RF 스펙트럼은 소형 기지국 서비스 지역과 중계기를 사용하는 인근 지역 확장에 초점을 맞춘 5G 네트워크 구현을 위해 매우 적합하다. 이 mmWave 스펙트럼은 TV, 라디오 및 현재 800MHz에서 3000 MHz 사이에서 작동하는 4G LTE 네트워크를 포함한 신호 트래픽의 증가로 인해 혼잡해진 하위 주파수 대역과 비교하여 매우 적은 사용량을 보이고 있다. 

그림 1은 5G mmWave를 위한 주파수 대역 확산 예상 분포도이다. 

저주파수 대역이 훨씬 더 먼 거리를 커버하기는 하지만, 데이터 속도는 느리다. 반면 고주파수 대역은 더 좁은 면적을 커버하지만 훨씬 더 많은 데이터를 전송할 수 있다. 이러한 특징이 바로 5G 통신사업자들이 자신들의 네트워크 중 밀도가 가장 높은 지역에서 필요로 하는 것이다(그림 2). 

통신사업자들은 경기장, 쇼핑몰, 컨벤션 센터 또는 인구 밀집도가 높은 소규모 지역이나 데이터 혼잡이 문제가 되는 모든 곳에서 mmWave 대역 사용을 통해 데이터 대역폭을 늘릴 수 있다. 소도시와 시골 마을과 같은 나머지 커버리지 영역에서는 6-GHz 이하의 주파수 대역을 활용하는 솔루션과 2 GHz 미만의 주파수 대역이면 충분하다.

5G 네트워크는 매크로 기지국과 소형 기지국 서비스 지역으로 구성된다. 매크로 기지국은 mmWave 백홀용 광섬유 링크를 사용해 코어 네트워크와 연결되며, 휴대 전화와 직접 통신하거나 사용자 장비 모바일 기기에 통신하는 소형 기지국 서비스 지역과 직접 통신할 수 있어 최종 연결을 제공한다. 또한, 피코셀과 펨토셀은 사무실 건물 내부에서 네트워크 연결을 제공한다. 이러한 환경에서는 연결이 약하거나 사용자 밀도가 높을 수 있다.

피코셀과 펨토셀은 1W 미만의 출력 전력으로 소형 지역 내 커버리지를 개선할 수 있다. 고밀도 소형 서비스 지역은 출력 전력이 10W에 이르며, 최대 50미터까지 연결을 제공한다. 저밀도 소형 서비스 지역은 출력 전력을 최대 160W까지 유지하며 최대 500미터 연결을 제공한다. 매크로 기지국은 최대 출력 전력이 480W이며 서비스 지역은 최대 2.5km이다.

5G 실효 등방성 복사 전력(EIRP)은 미국연방통신위원회(FCC)에서 규정하고 있다. 기지국 송신 전력 제한은 75 dBm/100MHz이고 최대 전송 가능 전력은 기지국의 경우 55-dBm EIRP, 휴대 전화의 경우 43-dBm EIRP이다. 이러한 수준의 EIRP를 제공하는 전력증폭기는 변조 방식별 17-dB 인접 채널 누설비(ACLR) 및 변조 방식(QAM 64 = EVM 8%, QAM 256 = EVM 3%)에 기반한 에러 벡터 크기(EVM)에 대한 선형성 요구 조건을 반드시 충족시켜야 한다.

GaN은 5G 뉴라디오(NR) 펨토셀 및 피코셀 기지국 구축을 mmWave 대역으로 확장시킬 수 있으며, 이를 통해 필요한 대역폭과 상당한 데이터 전송 속도를 제공할 수 있다. 수평형 확산 금속 산화물 반도체(LDMOS) MOSFET는 3.5GHz 초과 주파수에서 필요한 성능을 달성할 수 없다. GaAs도 매우 큰 다이로 옮기지 않고서는 mmWave 대역에서 충분히 높은 전력을 제공할 수 없다.

GaN은 고주파수와 전력, 광대역폭 및 필요한 열 특성, 게인, 낮은 대기 시간 및 높은 스위칭 속도에 대한 적절한 조합을 제공한다. 또한 5G NR 기지국 타워에 필요한 높은 전력 효율을 제공해 5G와 4G/3G를 모두 커버할 수 있도록 해준다. 하지만 GaN에는 여전히 추가적인 요소가 필요하다. 

GaN-on-SiC이 주는 큰 이점들

SiC 기판은 이러한 애플리케이션에서 GaN 기술의 가능성을 실현하는 데 핵심적인 역할을 한다. 실리콘과 비교해 3배의 밴드갭과 GaAs의 2.4배의 밴드갭을 가진, GaN은 고전력 및 고주파 장치에 더 적합하다. 밴드 갭이 더 넓기 때문에 스위칭 및 전도 손실을 감소시킬 수 있으며, 이에 따라 고전력, 고주파 RF 애플리케이션에 전력을 공급할 때 크기, 무게 및 총 솔루션 비용을 줄일 수 있다.

한 단계 더 나아가, SiC 기반 기판을 사용함으로써 실리콘 기반 웨이퍼에 비해 MMIC가 더 우수한 열 전도성을 제공하도록 해 전력 밀도를 개선할 수 있으며, GaN과 더 나은 격자 정합(lattice match)을 통해 웨이퍼 수율을 향상시키고 LDMOS 기술과 비교하여 패키지 크기를 20% 줄이면서 효율성을 개선한다.

이러한 장점들을 함께 사용하면 항공 및 우주 기반 시스템의 크기, 무게, 전력 및 비용(SWaP-C)을 크게 개선시킬 수 있으며, 그 결과, 고전력 밀도 및 수율의 최상의 조합, 가장 작은 설치 공간과 무게의 감소, 최고 전력 지원 및 최적의 효율성을 제공한다. 또한, 255ºC의 접합 온도에서 1백만 시간 이상의 고전력 작동 및 최대 수명을 지원한다.

예를 들어, 이 공정 기술을 사용하는 3단계 MMIC PA는 24V 및 22-dB 소신호 게인에서 바이어스된 경우, 27.5에서 31GHz까지의 10-W 포화 출력 전력에서 22%의 추가 전력 효율을 달성할 수 있다(그림 3). 이러한 유형의 PA는 또한 256-QAM과 같은 복잡한 변조 방식을 지원하며, 대체 GaAs MMIC에 비해 전력 소비를 30% 이상 줄일 수 있다. 더 나아가, 27.5GHz에서 31GHz 범위에서 39-dBm의 포화 출력 전력, 22%의 추가전력 효율(PAE) 및 22dB의 소신호 게인을 달성할 수 있다

GaN RF PA 제품을 평가할 때에는 이들 제품이 백 오프(backed off) 상태에서도 선형 애플리케이션에 사용될 수 있는지 확인하는 것이 중요하다. 또한, 해당 대역 전체에 걸쳐 반사 손실이 15dB로 50Ω까지 뛰어난 광대역 입력 및 출력 정합을 제공하는 균형 잡힌 아키텍처를 갖추고 있어야 한다.

출력에 dc 차단 캐패시터를 포함하면, PA를 다음의 상위 어셈블리에 쉽게 통합할 수 있다. 여기에서 개발자들이 PA의 성능을 더 쉽게 모델링하고 시스템 내에서 PA를 더 신속하게 설계할 수 있도록 해주는 컴팩트한 모델을 이용할 수 있는지 여부도 중요하다.

GaN MMIC PA 공급업체들이 더욱 다양한 주파수 범위에 걸쳐 제품을 확장하면서, 베어 다이, 패키징된 MMIC 증폭기 제품, 그리고 개별 고전자이동도 트랜지스터(HEMT) 기기와 같은 보완 제품을 내놓음에 따라, RF 전력 증폭기에 대한 선택지는 계속 늘어날 것이다. 이러한 제품들은 위성 통신 네트워크와 5G NR 기지국과 같은 특수한 요구사항을 충족하며, 고차 변조 기술을 사용할 때 겪게 되는 선형성과 효율성에 대한 어려운 점들을 해결하는데도 도움이 될 것이다. 

이처럼 시스템 개발자들은(새로운 기술인 GaN-on-SiC MMIC PA를 통하여)비용, 크기, 무게, 복잡성 또는 PAPR에 대한 상충 없이 GaAs, LDMOS 및 TWT 기반 증폭기보다 더 나은 성능을 달성할 수 있다. 

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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