우수한 LNA가 실행 가능한 안테나 프런트 엔드의 핵심인 이유

모든 학생이 RF와 무선 링크에 대해 배우는 첫 번째 교훈은 안테나가 상호성을 준수한다는 것입니다. 이는 안테나의 송수신 특성이 동일하며, 두 모드 사이에서 송수신 이득, 빔 폭 또는 방사 패턴과 같은 속성의 차이가 없음을 의미합니다. 송신 모드의 안테나 사양을 알고 있다면 수신 모드에서도 해당 사양을 알 수 있습니다. 물론 더 높은 송전용 안테나는 전력 처리에 필요한 만큼 물리적으로 더 큰 소자로 만들어지는 경우가 종종 있지만, 상호성은 여전히 유효합니다.

메타표면과 메타렌즈를 활용하는 비가역 안테나에 관한 연구가 일부 있지만, 아직 연구개발 단계이므로 이 글에서는 다루지 않습니다.

상호성이 단순화된 설계 원리를 의미하는 것은 분명하지만, 안테나보다 송신측과 수신측 안테나 경로가 훨씬 더 많습니다. 송신측은 결정론적 기능이므로 상당히 쉬운 작업을 수행하는데, 상대적으로 강하며 알려진 신호를 정의된 속성과 함께 전력 증폭기(PA)에 통과시켜 안테나에 '전달'합니다. 캐리어를 변조하는 신호의 상세한 내용을 제외하고는 대부분이 경로에 알려져 있으며, 안테나와 거의(전부는 아니지만) 관련이 없습니다.

대조적으로, 수신기 신호 경로는 훨씬 더 어렵고 무작위적인 시나리오에서 작동합니다. 어떻게든 소량의 RF 신호 전력을 찾아 캡처하고 전자기(EM) 필드 트랜스듀서로 작동하여 해당 전력을 가용 전압으로 변환해야 합니다. 대역 내 잡음과 다양한 유형 및 소스의 전파 방해, 일부 송신기 드리프트를 비롯하여 일부 응용 부품에서 도플러 유도 주파수 편이가 발생하더라도 이 작업을 수행해야 합니다.

어떤 경우에 수신 전력은 밀리와트(mW) 정도이고 대부분의 경우에는 마이크로와트(μW) 정도로 매우 낮으므로 안테나에서 생성되는 해당 전압은 대개 마이크로볼트 정도입니다. 전압이 너무 낮아서 대부분의 경우 복조용으로 직접 사용할 수 없으니 해결책은 간단합니다. 증폭만 하면 됩니다. 좀 더 자세히 살펴보면 GPS 신호의 수신되는 신호 전력은 일반적으로 1mW 기준(dBm), -127dB ~ -25dB 사이이며 실행 가능한 Wi-Fi 신호 범위는 -50dBm ~ -75dBm입니다.

낮은 SNR은 상호 보완적인 문제

증폭 솔루션에서는 수신기 문제의 해답 일부만 얻을 수 있습니다. 마이크로볼트 신호라도 몇 배로 증폭시키는 것은 어렵지 않습니다. 그러나 원래 신호에도 잡음이 있으며 실제로 수신된 신호를 복조 및 디코딩하는 능력에 영향을 주는 것은 신호 대 잡음 비(SNR)입니다. 수신된 신호를 증폭하면 내장형 잡음도 증폭됩니다. 더 높은 수동 이득을 가진 더 큰 안테나를 사용하면 수신 신호 전력이 증가하지만 수신 SNR은 변하지 않습니다.

시스템 성능의 주요 지표 중 하나는 비트 오류율(BER) 대 SNR입니다(그림 1). 이러한 곡선의 세부 사항은 수신 신호 강도, SNR 및 송신기에서 사용되는 원시 데이터의 오류 수정 코드(ECC) 인코딩 유형을 포함한 여러 요인에 따라 달라집니다. 이와 같은 이유로 인해, 더 자세한 그래프에서는 수정되지 않은 원시 비트 스트림과 수정된 비트 패턴(직교 진폭 변조(QAM))에 대한 BER 대 SNR을 보여줍니다.

그림 1: BER 대 SNR의 표준 플롯은 시스템 성능에 관해 많은 것을 보여줍니다. 256-QAM과 같은 고급 변조 기술은 유효 데이터 전송률을 증가시킬 수 있지만 주어진 SNR에서 BER의 페널티가 있는 것에 유의해야 합니다. (이미지 출처: Julia Computing, Inc.)

허용되는 최저 BER에서 성공적인 복조를 발생시킬 수 있는 일반적인 SNR 값은 무엇일까요? 물론 보편적인 답은 없지만 수용 가능한 Wi-Fi 신호 SNR은 20dB ~ 40dB, 전체 아날로그 구식 TV의 경우 40~50dB이고 셀룰러 링크의 경우 거의 동일합니다.

당연히 극단적인 예도 있습니다. 1977년에 발사되어 현재 지구에서 177억km 이상 떨어진 보이저 1호와 보이저 2호 우주선에서는 여전히 신호가 수신되고 있습니다. 이러한 신호는 1aW(아토와트)(또는 100경분의 1와트)미만의 신호 전력과 몇 dB에 불과한 SNR을 가진 23와트 송신기에서부터 여기까지 도달합니다. 이를 어느 정도 보완할 수 있도록 데이터 전송률은 수신 신호 강도가 훨씬 높을수록 수 킬로비트/초(Kbit/s)에서 약 100비트/초(bit/s)로 줄어듭니다.

LNA가 해결책!

엔지니어링 계에는 '무선'의 초창기부터 전해 내려오는 진부한 표현이 있습니다. 잡음이 없으면 대부분의 시스템 설계가 훨씬, 훨씬 더 쉽다는 것이죠. 이 표현은 수신기의 안테나 링크에도 적용됩니다. 이유는 단순합니다. 약한 수신 신호를 '게인-업'하는 데 필요한 증폭기는 안테나와 수신기 프런트 엔드 간의 상호 연결 케이블과 마찬가지로 해당 신호에서 자체 잡음의 원인이 됩니다.

수신된 신호를 증폭해야 한다는 것은 딜레마를 동반합니다. 한쪽에서는 증폭되지 않은 신호가 너무 약해서 유용하지 않지만, 증폭은 신호 크기를 증가시키는 반면 SNR을 저하시켜 잠재적인 링크 성능까지 낮아지게 합니다. 이 딜레마는 잡음을 가능한 한 적게 발생시키는 증폭기를 선택하면 상당 부분 해결할 수 있습니다.

프런트 엔드 저잡음 증폭기(LNA)에는 신호에 추가되는 잡음의 양과 제공할 수 있는 이득의 두 가지 주요 파라미터가 있습니다. 매우 특수한 아날로그 프로세서로 제작된 LNA는 한 가지(자체적으로 추가된 잡음이 거의 없는 이득 제공)를 잘 수행하며 LNA가 아닌 응용 부품에는 적합하지 않습니다.

한 가지 예를 들면 Skyworks Solutions의 SKY67180-306LF는 셀룰러 중계기, LTE, GSM, WCDMA 응용 부품용 소형/매크로 셀 사이트, S 대역 및 C 대역 초저잡음 수신기 등과 같은 1.5GHz ~ 3.8GHz 응용 부품용 2단계 고이득 LNA입니다(그림 2).

그림 2: Skyworks Solutions SKY67180-306LF는 0.8dB NF를 포함하는 1.5GHz~3.8GHz용 2단계 31dB 이득 LNA입니다. 첫 번째 단계는 낮은 잡음 지수에 최적화되어 있고 두 번째 단계는 추가 이득을 제공합니다. (이미지 출처: Skyworks Solutions)

이 16리드 QFN 소자의 첫 번째 단계에서 초저잡음 지수(NF)에 GaAs pHEMT 트랜지스터를 사용하는 반면, 출력 단계(이종 접합 양극 트랜지스터)에서는 높은 선형성과 효율성으로 해당 주파수에서 추가 이득을 제공합니다. 그 결과 LNA는 3.5GHz에서 잡음 플로어(NF)가 0.8dB이며 31dB 이득을 갖게 됩니다.

또 다른 중요한 문제는 LNA를 물리적으로 어디에 배치하느냐입니다. 수신기 회로의 나머지 부분과 함께 배치하는 편이 더 쉬운 방법입니다. 그러나 이렇게 배치하면 증폭된 신호를 LNA에서 시스템으로 전달하는 케이블의 불가피한 열잡음이 증폭되지 않은 신호에 추가되어 SNR을 더욱 감소시킵니다. 이러한 이유로 매우 작은 애퍼처 단자(VSAT) 위성 안테나와 같은 소비자 응용 부품에서도 LNA를 접시 안테나의 초점에 정확히 배치합니다.

결론

안테나의 송신기와 수신기 기능은 상호성을 준수하지만 실제로 발생하는 문제는 다양합니다. RF 안테나 환경에서 전용 LNA는 SNR에 미치는 영향을 최소화하면서 수신된 신호 레벨을 가용 값으로 높일 수 있는 최선의 또는 유일한 방법인 경우가 많습니다. 특정 주파수 대역에 맞게 조정되고 신호 레벨/SNR 딜레마를 해결할 수 있는 이득 값을 가진 특수 LNA를 사용할 수 있습니다.

관련 내용

'5G LNA를 위한 실험적 공정 최대한 활용하기'

https://www.digikey.com/en/articles/get-the-most-out-of-exotic-processes-for-5g-lnas

'무선 설계의 저잡음 및 전력 증폭기에 대한 기본 이해'

https://www.digikey.com/en/articles/understanding-the-basics-of-low-noise-and-power-amplifiers-in-wireless-designs

'수신기 감도를 극대화하는 저잡음 증폭기'

https://www.digikey.com/en/articles/low-noise-amplifiers-maximize-receiver-sensitivity

참고 자료:

• Increase Broadband Speed, 'Wi-Fi Setup Guide: What is a Good Signal Level or Signal-to-Noise Ratio (SNR) for Wi-Fi?'
• Nordic Semiconductor, 'GPS functionality test'
• The Great Courses Daily, 'Voyager 2” Sends Messages from Interstellar Space with Minimal Signal'
• National Radio Astronomy Observatory, 'How Strong is the Signal from the Voyager 1 Spacecraft When it Reaches Earth?'
• IEEE Communications Society, 'Voyager - A Space Exploration Mission Like No Other'