고성능 RF 신호 체인에서 SWaP 요건을 최적화하는 방법

고성능 무선 연결에 대한 수요는 스마트폰부터 노트북, 태블릿, 웨어러블, 드론, 액세스 포인트, 스마트 홈 및 사물 인터넷(IoT)이 지원되는 응용 제품에 이르기까지 다양한 응용 분야에서 계속 증가하고 있습니다. 이러한 장치의 설계자에게 중요한 차별화 요소는 최종 사용자의 경험(UX)이며, 이는 배터리 수명뿐만 아니라 무선 신호의 품질, 성능 및 신뢰성에 의해 대부분 결정됩니다. 장치의 크기와 무게 또한 웨어러블에서는 특히 중요한 차별화 요소입니다. 설계자로서 이러한 매개변수를 최적화하려면 무선 주파수(RF) 신호 체인의 모든 측면을 면밀히 살펴보아야 하며, 이는 전문가와 RF 초보자 모두에게 힘든 과제가 될 수 있습니다.

이 기사에서는 RF 신호 체인의 다양한 부분을 검토하고 안테나 튜너, RF 크로스 스위치, 안테나 다이버시티 스위치, 저잡음 증폭기(LNA) 및 저잡음 RF 트랜지스터가 고성능 솔루션에 어떻게 기여하는지 설명하며 제어 인터페이스 옵션도 살펴봅니다. 그런 다음 Infineon의 우수한 부품을 제시하고 점점 더 까다로워지는 SWaP(크기, 무게, 전력) 요구사항을 충족하며 고성능 RF 설계를 지원하는 방법을 보여줍니다. 이 기사는 콤팩트 RF 솔루션을 위한 두 개의 소형 무연 패키지(TSNP) 옵션을 비교하는 것으로 마무리합니다.

안테나 필수품

오늘날의 인터넷 연결(IoT) 장치에 있어 안테나 성능은 매우 중요한 역할을 합니다. 튜닝은 단일 안테나가 여러 주파수 대역에서 우수한 성능을 제공하고 보다 콤팩트하고 효율적인 솔루션에 기여할 수 있도록 합니다. 설계자는 RF 신호 체인의 안테나 튜너 섹션에 있는 스위치를 사용하여 안테나로의 전력 전송을 극대화하고 특정 응용 제품의 요구 사항에 따라 그 성능을 최적화할 수 있습니다(그림 1).

그림 1: 안테나 튜닝 스위치는 안테나 성능을 최적화하기 위해 튜너 섹션에서 사용됩니다. (이미지 출처: Infineon)

RF 크로스 스위치

많은 응용 제품에서, 안테나 튜닝은 최적의 성능을 보장하기 위해 필요조건이지만 충분조건은 아닙니다. 이러한 경우, 2개 이상의 안테나가 필요할 수 있습니다. RF 크로스 스위치를 신호 체인에 추가하여, 송신 전력 또는 수신기 감도 높임을 통해 주어진 상황에서 최고의 성능을 제공하는 안테나를 선택하게 할 수 있습니다(그림 2). RF 크로스 스위치는 유용한 안테나 스와프를 지원하기 위해 효율적이고 빠른 스위칭을 제공해야 하며, 효율적이고 신뢰할 수 있는 시스템 작동을 지원하기 위해 높은 분리성, 낮은 삽입 손실 및 저 고조파를 생성해야 합니다.

그림 2: RF 크로스 스위치를 사용하면 업링크 또는 다운링크에서 최고 성능의 안테나를 선택할 수 있습니다. (이미지 출처: Infineon)

다이버시티 스위치 및 LNA

최적의 안테나로의 전환을 하는 것만으로는 요구되는 대역폭을 지원하기에 부족한 경우도 있습니다. 이럴 경우, 다이버시티 경로라 불리는 추가 채널이 RF 신호 체인에 더해집니다. 안테나 다이버시티는 송신 및 수신의 품질과 신뢰성을 향상합니다. 다이버시티 스위치는 Wi-Fi 네트워킹 장비부터 스마트폰 및 태블릿 컴퓨터에 이르기까지 다양한 응용 제품에서 사용됩니다. 이 스위치는 신호 수신에서 다중 경로 전파 방해를 보완하는 데 사용될 수 있습니다. 수신기는 들어오는 신호를 모니터하고 상대적인 신호 강도를 기반으로 안테나의 선택을 바꿉니다. RF 크로스 스위치의 경우와 마찬가지로, 다이버시티 스위치는 높은 분리성 및 낮은 삽입 손실을 가지고 저 고조파를 생성해야 합니다.

LNA는 RF 신호 체인의 또 다른 핵심 부분입니다(그림 3). 안테나 관리에 대한 다양한 접근 방식과 마찬가지로, LNA를 사용하면 수신 품질이 향상되고 데이터 속도를 높일 수 있습니다. LNA는 고정 이득 형식이 있고, 또는 성능을 미세 조절할 수 있는 다중 계단식 이득 형식도 있습니다. 모놀리식 극초단파 집적 회로(MMIC) 기술을 기반으로 하는 LNA는 전통적으로 갈륨 비소(GaAs) 기술을 사용하여 생산되었습니다. 보다 최근에 개발된 실리콘 게르마늄(SiGe) LNA MMIC는 더 저렴한 비용으로 요구되는 주파수를 지원할 수 있습니다. LNA는 매우 작은 패키지에 쉽게 통합할 수 있는 초소형 장치입니다. 또한 LNA MMIC는 ESD(정전기 방전) 보호 기능이 포함된 제품도 있으며, 낮은 전력 소비 특성은 SWaP(크기, 무게, 전력)이 중요한 고려 사항인 모바일 장치 및 웨어러블에 매우 적합합니다.

그림 3: 다이버시티 스위치 및 LNA를 사용하면 수신 품질을 향상하고 데이터 속도를 높일 수 있습니다. (이미지 출처: Infineon)

제어 인터페이스

안테나 튜닝 스위치, 크로스 스위치 및 다이버시티 스위치는 시스템 컨트롤러와의 인터페이스가 일반적으로 필요합니다. 간단한 구현에서는, 다목적 입/출력(GPIO) 인터페이스가 자주 사용됩니다. GPIO는 특정 용도로 고정되지 않은, 소프트웨어로 제어할 수 있는 IC 위에 부착된 시그널 핀이며, 필요에 따라 입력이나 출력, 또는 둘 다로 작동되도록 프로그래밍할 수 있습니다.

보다 복잡한 제어 요구 사항을 충족하기 위해, 일반적으로 모바일 산업 프로세서 인터페이스(MIPI) 표준이 사용됩니다. MIPI RF 프런트 엔드(RFFE) 제어 인터페이스는 고성능 RF 신호 체인에 사용하도록 최적화되었기 때문에 빠르고, 반자동이며, 광범위한 제어 기능을 제공합니다. MIPI RFFE는 버스당 최대 19개의 장치를 포함할 수 있습니다(최대 4개의 리더 장치 및 15개의 팔로워 장치). LNA, 안테나 튜너, 스위치, 전력 증폭기 및 필터와 함께 사용하도록 설계되었습니다. MIPI RFFE는 RF 신호 체인의 설계, 구성 및 통합을 용이하게 할 수 있으며, 다른 공급업체의 부품 사용을 지원합니다.

MIPI를 제어할 수 있는 LNA

설계자는 고성능 RF 신호 체인을 위하여 Infineon의 BGA9H1MN9E6329XTSA1 LNA를 사용할 수 있습니다. MIPI 인터페이스는 8가지 이득 모드와 11가지 바이어스 모드를 제어하여 RF 환경에서 변화하는 조건을 능동적으로 수용하는 방법으로 시스템 작동 범위를 넓힐 수 있습니다(그림 4). 1.4GHz ~ 2.7GHz 사이의 3GPP 대역에서 사용하도록 설계되었습니다(주로 B1, B3, n41, B21 대역용). 0.6dB(데시벨) 잡음 지수와 5.8mA(밀리암페어) 전류에서 최대 20.2dB 이득을 제공할 수 있습니다. 1.1V ~ 2.0V의 공급 전압으로 작동하며 JEDEC47/20/22를 기반으로 하는 산업용 응용 분야에 적합합니다.

그림 4: 이 LNA에서의 MIPI 인터페이스는 성능 최적화를 위해 8개의 작동 이득 모드와 11개의 바이어스 모드를 제어할 수 있습니다. (이미지 출처: Infineon)

이 제품이 까다로운 SWaP(크기, 무게, 전력) 요구사항을 충족하는 데 도움이 되는 몇 가지 특징이 있습니다. 이는 다음과 같습니다.

• 크기: 9핀 TSNP-9의 크기는 1.1mm × 1.1mm이고 높이가 0.375mm이므로 제한된 공간의 응용 제품에 적합합니다.
• 무게: TSNP-9 패키지는 가벼운 무게가 요구되는 경우에 사용하도록 최적화되었습니다.
• 전력: BGA9H1MN9E6329XTSA1 LNA는 바이패스 전류가 2μA에 불과하므로 배터리 구동 시간이 길어집니다.

안테나 다이버시티 스위치

Infineon의 BGS12WN6E6327XTSA1 광대역 SPDT(Single pole Double throw) 다이버시티 스위치는 일반적으로 160나노초(ns)의 스위칭 속도와 통합 제어 논리(디코더) 및 ESD 보호 기능을 갖추고 있습니다(그림 5). Wi-Fi, Bluetooth 및 초광대역 RF 신호 체인에 사용하도록 설계된 두 단자 중 하나는 다이버시티 안테나에 연결할 수 있으며 1밀리와트 기준으로 최대 26dB까지 처리할 수 있습니다. MOS 기술로 제작되었으며 GaAs 장치와 같은 수준의 성능을 보여주지만, 외부 DC 전압이 유입이 예측되지 않는 이상 RF 단자에 외부 DC 차단 커패시터가 불필요합니다.

칩에는 단일 CMOS 또는 TTL 호환 가능 제어 신호로 구동되는 CMOS 논리가 포함됩니다. 이는 높은 단자 간 격리와 최대 9GHz의 낮은 삽입 손실을 특징으로 합니다. 크기와 무게를 줄이기 위해, 이 장치는 0.7mm × 1.1mm 규격과 최대 높이 0.375mm인 PG-TSNP-6-10 패키지로 제공됩니다. 36µA(밀리암페어)의 통상 공급 전류와 2nA(나노암페어)의 제어 전류로 최대 4.2V의 공급 전압으로 작동할 수 있어 배터리 구동 장치의 실행 시간을 최대화합니다.

그림 5: BGS12WN6E6327XTSA1 SPDT 다이버시티 스위치는 160ns의 시간으로 전환할 수 있으며 통합 제어 논리 및 ESD 보호를 포함합니다. (이미지 출처: Infineon)

RF 크로스 스위치

Infineon의 BGSX22G6U10E6327XTSA1 RF CMOS 크로스 스위치는 GSM, WCDMA, LTE 및 5G 응용 제품을 위해 특별히 설계되었습니다. 이 양극 이중 투하(DPDT) 스위치는 최대 7.125GHz 주파수에서 낮은 삽입 손실, 낮은 고조파 생성 및 RF 단자 간 높은 격리성을 특징으로 합니다. 1.3마이크로초(µs)의 전환 시간으로 5G 사운딩 참조 신호(SRS) 응용 제품을 지원할 수 있습니다. GPIO 제어 인터페이스가 있으며 1.6V ~ 3.6V의 공급 전압으로 작동합니다. PG-ULGA-10 패키지는 크기가 1.1mm × 1.5mm이고 두께가 0.60mm이며 공간 및 무게가 제한된 응용 제품에 최적화되어 있습니다. 이 저전력 장치의 통상 공급 전류는 25µA이고 제어 전류는 2nA입니다.

안테나 튜닝 스위치

Infineon의 BGSA14M2N10E6327XTSA1은 최대 7.125GHz의 응용 제품에 최적화된 단극 4투(SP4T) 안테나 튜닝 스위치가 필요한 설계에서 사용할 수 있습니다. 4개의 0.85Ω(Ω) ON-저항 단자는 높은 Q 튜닝 응용 제품에 사용하도록 설계되었습니다. MIPI RFEE 디지털 제어 인터페이스는 RF 신호 체인에서 쉽게 구현할 수 있습니다. OFF 상태에서 4V의 피크 전압 능력과 160펨토패럿(fF)의 낮은 정전 용량은 큰 손실 없이 RF 안테나 정합 회로에서 인덕터 및 커패시터로 전환하는 데 적합합니다(그림 6). 1.3mm × 0.95mm 크기와 0.375mm 높이의 TSNP-10-9 패키지는 22µA 전류 소비가 결합되어 까다로운 SWaP 응용 제품을 지원할 수 있게 합니다.

그림 6: BGSA14M2N10E6327XTSA1은 RF 안테나 매칭 회로에서 인덕터와 커패시터를 효율적으로 전환할 수 있습니다. (이미지 출처: Infineon)

RF 트랜지스터

고성능 RF 신호 체인은 송수신기 및 RF 앰프 섹션으로부터 시작됩니다. 이를 위해서는 Infineon의 BFP760H6327XTSA1 광대역 NPN RF 헤테로 접합 양극 트랜지스터(HBT)와 같은 RF 전력 트랜지스터가 필요합니다. 그 특징은 다음과 같습니다.

• 5.5GHz, 3V, 10mA에서 0.95dB의 낮은 최소 잡음 지수(NF_min)
• 5.5GHz, 3V, 30mA에서 16.5dB의 높은 최대 전력 이득(G_ms)
• 5.5GHz, 3V, 30mA에서 27dBm의 출력(OIP₃)에 3차 교차점을 갖는 높은 선형성

이 전력 트랜지스터는 산업용 응용 제품에 적합합니다. 무선 및 위성 통신 시스템, GPS 네비게이션 장치, 모바일 멀티미디어 장치 및 기타 고성능 RF 응용 제품에 사용하도록 설계되었습니다.

TSNP 패키지 옵션

작은 크기의 TSNP 패키지는 PC 기판에서 안정적인 기하 공차를 필요로 하며, NSMD(Non-Solder Mask Defined) 패드 설계를 사용해야 합니다. NSMD의 패드 허용 오차는 납땜 레지스트에 비해 낮습니다. NSMD의 경우, PC 기판의 트레이스는 100µm 이하여야 합니다. 통상적으로, 위에서 설명된 BGA9H1MN9E6329XTSA1 LNA, BGS12WN6E6327XTSA1 안테나 다이버시티 스위치 및 BGSA14M2N10E6327XTSA1 안테나 튜닝 스위치에서 사용되는 하단 전용 TSNP용 PC 기판 패드는 패키지 패드 아웃라인을 그대로 옮긴 후, 패드 측면 주변에 25μm씩 추가하는 방식으로 설계됩니다.

설계자는 TSNP 패드 스타일이 여러 종류라는 것을 인지하고 있어야 합니다. 표준 패드가 있고, 광학 리드 팁 검사(LTI)용으로 설계된 패드도 있습니다(그림 7). LTI 장치는 PC기판 패드가 패키지 아웃라인을 넘어 최소 400μm까지 확장되어야 하므로 더 큰 실장 면적이 필요합니다(그림 7). LTI 설계는 광학 검사를 지원하지만, 가능한 가장 작은 솔루션 크기를 요구하는 SWaP이 중요한 설계에는 적합하지 않을 수 있습니다.

그림 7: TSNP 패키지는 표준 패드(왼쪽) 또는 광학 LTI에 최적화된 더 큰 패드(오른쪽)를 사용할 수 있습니다. (이미지 출처: Infineon)

결론

SWaP 고려 사항은 휴대용 및 웨어러블 무선 장치에서 안테나 튜너, RF 크로스 스위치, 안테나 다이버시티 스위치, LNA 및 저잡음 RF 트랜지스터를 지정할 때 중요합니다. 위에서 살펴본 바와 같이, Infineon은 까다로운 SWaP 요구 사항을 충족하는 고성능 RF 신호 체인 응용 제품에서 사용할 수 있는 다양한 장치를 설계자에게 제공합니다. 설계자는 이러한 장치를 사용하여 RF 신호 체인의 신뢰성과 대역폭을 최적화하고 배터리 수명을 연장할 수 있습니다.

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