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RF 전력 증폭기와 프런트엔드 모듈 측정의 기초

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전력 증폭기(PA)는 현대 무선 분야에서 가장 필수적인 RF 통합 회로(RFIC)에 속한다. 통합 프런트 엔드 모듈(FEM)의 이산 구성요소 또는 부품으로서 PA는 무선 트랜스미터의 성능에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 셀룰러 PA의 전력 부가 효율(PAE)은 모바일 디바이스의 배터리 수명을 좌우하며, 해당 선형성은 전송된 신호를 복조하는 리시버의 능력에 영향을 미칠 수 있다.

이산 구성요소와 프런트 엔드 모듈 비교

GSM 및 UMTS와 같은 기술이 도입된 초창기에는 모바일 디바이스에서 이산 증폭기를 각 GSM 및 UMTS 무선에 사용하는 것이 일반적이었다. 그러나 무선 스펙트럼 대역의 사용이 증가하고 LTE 및 WLAN 기술의 도입에 따라 통합 기능이 강화된 RF 프런트 엔드 기술이 필요하게 되었다. 현재는 벤더들이 PA, 저노이즈 증폭기(LNA), 다이플렉서, 스위치 등 더 많은 디바이스를 단일 구성요소에 패키지로 포함시켜 제공하는 빈도가 늘어나고 있다. 결과적으로 오늘날의 RF 테스트 엔지니어는 이산 PA 대신 통합 기능이 강화된 FEM(그림 1) 테스트를 공통적으로 수행해야 한다. 주로 FEM에 필요한 측정이 이산 구성요소의 측정과 동일하다고 하더라도, 통합 FEM 테스트에는 테스트 중인 디바이스(DUT)를 설정하는 추가적인 단계가 일반적으로 필요하다.
엔지니어들은 RF PA의 성능을 특성화할 때 디바이스의 게인, 선형성, 효율을 이해하기 위해 다양한 측정 및 테스트 기법을 사용할 수 있다. 실제로, 디바이스를 특성화하는 데 필요한 특정 측정은 증폭기의 의도된 어플리케이션에 따라 달라진다. 예를 들어, 게인 및 효율과 같은 메트릭이 모든 PA에 중요한 경우에도, 무선 통신 디바이스는 별도의 주요 항목에 대한 측정이 필요하다. PA의 가장 중요한 메트릭 중 하나인 EVM는 변조된 신호를 전송하도록 설계되었으며, 인접 채널 누설비(ACLR)는 UMTS 또는 LTE PA에 가장 중요한 측정치 중 하나이다.

게인 및 출력 전력

RF PA의 두 가지 중요한 특징은 게인 및 출력 전력이다. 게인은 디바이스의 입력 및 출력 전력 사이의 관계를 나타낸다. 일반적으로 PA는 출력 전력이 디바이스의 포화 영역에 도달할 때 게인 드롭을 통해 광범위한 입력 전력 레벨에 걸쳐 상대적으로 지속적인 게인을 보여준다. 이 효과를 게인 압축이라고 한다.
PA의 가용 최대 출력 전력을 특성화하는 가장 일반적인 방법 중 하나는 1dB 압축 포인트 메트릭을 사용하는 것이다. 그림 2에 표시된 1dB 압축 포인트는 PA가 그 외에 선형 작동 영역에서 제공하는 게인보다 정확히 1dB 더 적은 게인을 제공하는 작동 포인트를 나타낸다. 예를 들어, PA가 선형 작동 영역에서 18dB을 제공하는 경우 1dB 압축 포인트는 PA가 정확히 17dB의 게인을 제공하는 출력 전력에서 정의된다.
1dB 압축 포인트를 테스트할 때 RF 신호 생성기와 RF 신호 분석기의 조합이나 전력 보정 벡터 네트워크 분석기 중 하나를 사용할 수 있다. RF 신호 생성기와 신호 분석기의 조합은 1dB 압축 포인트를 측정하는 가장 빠른 방법을 제공하며, 연속 웨이브 신호 생성기 또는 벡터 신호 생성기(VSG)를 사용하여 이 측정을 수행할 수 있다.
신호 생성기의 전력 레벨을 스윕하고 RF 신호 분석기로 PA의 출력 전력을 측정하는 입력 전력의 함수로서 게인을 측정할 수 있다. 양산 테스트에 고려할만한 한 가지 최적화 기법은 그림 3에 표시된 대로 서로 다른 전력 레벨에서 일련의 CW 톤 대신 램프 웨이브폼을 생성하도록 VSG를 설정하는 것이다. 벡터 신호 분석기(VSA)로 램프 신호를 수집하면 입력 전력을 출력 전력과 쉽게 연계하고 게인과 입력 전력의 차이를 판별할 수 있다. 이 램프 신호 방법은 본질적으로 신호 생성기를 여러 단계로 설정하는 방식보다 훨씬 빠를 뿐만 아니라 귀중한 테스트 시간을 단축할 수 있다.
게인 및 전력 측정의 정확도를 향상시키는 데 중요한 한 가지 기법은 계측기와 테스트 중인 PA 사이에 소형 감쇠기 또는 패드를 사용하는 것이다. 그림 4에 표시된 대로, PA 입력 및 출력에 인라인 고정 감쇠기를 모두 사용하면 불일치 오류로 인한 전력 오차가 크게 줄어든다...(중략)