FM 라디오에 적합하도록 설계된 수동 구조를 적절한 증폭기 회로로 직접 연결한 능동 안테나 모듈이 최신 휴대전화 애플리케이션에 빠르게 채택되고 있다. 이와 같은 능동 안테나 디자인을 위해서는 풋프린트가 소형이고 ESD에 대한 견고성이 높은 고이득 저잡음 증폭기가 매우 중요한 요소이다.


BGB719N7ESD는 공간 절약형 패키지로 높은 이득을 달성하고 전류 소모를 낮춘다.
글 | 호셈 쵸익 (Houssem Chouik)
인피니언 테크놀로지스

오늘날 많은 휴대전화와 휴대기기에 FM 라디오 리시버 모듈이 사용되고 있으며, 헤드셋 코드를 FM 안테나로 사용하고 있다. 하지만, 헤드셋 코드를 FM 리시버용 안테나로 사용하는 것은 이상적인 솔루션이 아니다. 수신이 겨우 허용 가능한 수준일 수 있고 유선 헤드셋 코드가 번잡스럽고, 이 코드 때문에 블루투스 이어폰을 사용할 수 없기 때문이다. 유선 헤드셋을 안테나로 이용하는 방법 대신에, 휴대전화에 수동 안테나를 내장하는 방법이 있을 수 있다. 그러나, 이 방법은 FM 방송 대역 파장이 1미터 대이고 휴대전화에 소형 폼팩터가 요구되므로 전기적으로 이와 같은 내장 안테나의 크기를 심각하게 제한함으로써 안테나 이득을 크게 저하시킬 수 있고, 결과적으로 FM 리시버 감도를 크게 떨어뜨릴 수 있다.
이러한 경우에 “능동 안테나” 기법을 이용할 수 있다. 이 기법은 전기적으로 소형의 내장 FM 안테나로 적절한 저잡음 증폭기(Low Noise Amp
lifier, LNA)를 직접 연결함으로써 FM 리시버 감도가 떨어지는 것을 상당히 회복할 수 있다. FM 라디오에 적합하도록 설계된 수동 구조를 적절한 증폭기 회로로 직접 연결한 능동 안테나 모듈이 최신 휴대전화 애플리케이션에 빠르게 채택되고 있다. 이와 같은 능동 안테나 디자인을 위해서는 풋프린트가 소형이고 ESD(Electrostatic Discharge)에 대한 견고성이 높은 고이득 저잡음 증폭기가 매우 중요한 요소이다.

내장 안테나의 설계 과제
능동 안테나는 여러 가지 장점도 있지만 몇 가지 설계상의 과제를 해결해야 한다. 단말기 안으로 안테나를 내장할 때는 두 가지 문제가 발생한다. 첫째, 전기적으로 소형이고 두께가 얇은 안테나는 입력 리액턴스가 높고, 입력 저항이 낮고, 방사 효율이 낮으므로 다른 회로 소자와 임피던스 매칭을 달성하기가 어렵다. 두 번째 문제점은 휴대전화 단말기 내부에서 FM 안테나와 인접하게 배치되는 송신 안테나와 절연하는 것이다. 실제적으로 대부분의 방사를 일으키는 주범은 새시 상의 RF 전류이다. 그러므로 새시로 연결되어 있는 다른 안테나가 매우 높은 수준의 신호 누설을 겪게 된다.
전기적으로 소형의 내장 안테나는 안테나 이득이 크게 낮아짐으로써 결과적으로 외장 헤드셋 케이블 안테나에 비해서 리시버 감도가 떨어지게 된다. 이와 같은 감도 저하를 보정하기 위해서는 능동 안테나 토폴로지를 이용해야 한다. 능동 안테나 시스템의 중요한 구성요소로서 LNA와 함께, 대부분의 경우에 외부적인 ESD 보호가 요구되며 안테나 다이버시티 스위칭을 위해서 SPDT 스위치가 필요하다. 이 스위치는 휴대기기가 유선 외부 헤드셋과 내장 임베디드 안테나 사이를 전환할 수 있도록 한다.
고성능 LNA를 이용해서 리시버 감도를 높일 수 있다. 하지만 이러한 용도로 이용하기 위한 최적의 LNA를 설계하기 위해서는 몇 가지 과제를 해결해야 한다. 휴대전화는 배터리 사용 시간을 연장하기 위해서 전류 소모가 매우 낮아야 하는데, 이 점은 LNA에 높은 선형성이 요구되는 것과 완전히 반대되는 것이다. 그 밖에 LNA의 요구사항은 power-off 기능, RF 입력 포트에서 높은 ESD 견고성, 소형의 크기, 적은 수의 외부 부품을 필요로 하는 것 등을 포함한다.

능동 안테나 솔루션
임베디드 안테나의 크기를 축소하면 시스템에서 높은 손실을 발생시켜서 리시버의 성능, 다시 말해 리시버 감도를 떨어뜨린다. LNA와 적절하게 설계된 안테나 방사기를 이용해서 리시버 감도를 향상시킴으로써 이 문제를 해결할 수 있다. 능동 안테나는 크기가 매우 작기 때문에 안테나 임피던스가 매우 높고, 그러므로 LNA를 이와 같은 높은 임피던스로 매칭할 수 있어야 하고 잡음 지수가 낮아야 한다. 또한 휴대기기에 이용하기 위한 LNA는 전류 소모가 적어야 하고, power-off 기능이 있어야 하고, 동일한 단말기 내부에 셀룰러 대역 트랜스미터가 같이 있으므로 선형성이 높아야 한다. LNA를 월드와이드 FM 대역(76~108 MHz)으로 이용할 수 있도록 해야 하고 시스템 레벨에서 뛰어난 ESD 견고성을 달성할 수 있도록 RF 입력 포트에서 ESD 견고성이 뛰어나도록 설계해야 한다.

더 작은 크기로 더 높은 이득 및 더 낮은 전류
인피니언의 BGB719N7ESD 디바이스는 높은 이득, 낮은 잡음, 높은 ESD 견고성, 낮은 전력 소비, 낮은 왜곡을 요구하는 FM 안테나 시스템에 이용할 수 있도록 설계된 향상된 성능의 LNA MMIC 제품이다. 이 디바이스는 인피니언 테크놀로지스의 SiGe:C 기술을 기반으로 하고 있다.

BGB719N7ESD 디바이스의 주요 특징:
· 월드와이드 FM 대역 지원(76~108 MHz)
· 적은 수의 외부 부품(3개 외부 커패시터만 필요)
· 초소형 로우 프로파일 리드리스 패키지 TSNP-7-6
· 2.8 mA에 불과한 전류 소모로 높은 이득 제공
· 능동 바이어싱 회로를 통합함으로써 온도, 전원 전압, 프로세스 변동에 대해서 안정적인 동작 가능
· 모든 핀에 대해서 ESD 보호(Human Body Model, HBM으로 1.5 kV)
· 높은 입력 압축(IP1dB = typ. -6 dBm)
· 높은 입력 임피던스
· 최신 SiGe:C 기술을 이용해서 뛰어난 잡음 성능(1.2 dB)
· 넓은 동작전압 범위: 1.5~4.0 V
· Power-off 기능
· 무연(RoHS 준수) 및 무할로겐(WEEE 준수) 제품

BGB719N7ESD는 초소형 리드리스 TSNP-7-6 패키지(1.26 mm × 1.4 mm × 0.31 mm)로 위에서 말하는 모든 성능 요구들을 충족한다. 능동 바이어싱 회로를 통합함으로써 온도 변동과 프로세스 변동에 대해서 일관된 DC 동작을 가능하게 한다. 이 디바이스 제품은 휴대전화, PDA, 휴대형 FM 라디오, MP3 플레이어 등을 비롯한 모든 유형의 휴대기기에 이용할 수 있다.
이전 세대 디바이스(BGB717 L7ESD)와 비교해서 BGB719 N7ESD는 FM 라디오 애플리케이션에 이용하도록 여러 가지 향상을 달성했다. 풋프린트 크기가 더 작아졌고(20 mm2에서 6mm2으로 축소), 이득이 높아졌고(21 dB에서 23 dB로), 전원 전류가 감소했고(ICC = 3.0 mA에서 2.8 mA로), 안정성이 높아졌고, 외부 수동소자 수가 감소했다(7개에서 3개로).
BGB719N7ESD는 최대 2 kV(HBM)에 이르는 ESD 스트라이크를 충분히 보호할 수 있는 온칩 ESD 보호회로를 통합하고 있다. LNA의 전위부에 인피니언의 ESD 보호 다이오드 ESD0P8RFL을 추가하면, 시스템의 ESD 성능을 RF 입력 핀에서 IEC61000-4-2에 따라서 최대 8 kV 접촉 방전으로 향상시킬 수 있다. 이 외부 ESD 보호 다이오드는 소형 리드리스 TSLP-4-7 패키지(1.2 mm × 0.8 mm × 0.39 mm)로제공되며 기생 커패시턴스는 0.8 pF에 불과하다.
인피니언의 이 제안 애플리케이션은 휴대기기의 내장 FM 라디오 안테나에 이용하기 위한 ESD 견고성이 뛰어난 LNA를 제공한다. 디바이스는 TSL 패키지의 소형 폼팩터를 특징으로 함으로써 소형의 크기를 요구하는 휴대기기 디자인에 적합하다. LNA는 0402 커패시터를 이용해서 8 mm × 8 mm 크기의 면적으로 편리하게 구현할 수 있다. 또한 BGB719N7ESD를 이용한 애플리케이션 회로는 DC 바이어스 회로를 통합함으로써 최소한의 외부 SMD 부품을 필요로 하므로 필요한 PCB 공간을 더욱 더 줄일 수 있으며 전체적인 시스템 비용을 낮출 수 있다.
BGB719N7ESD는 전기적으로 짧은 하프 루프 안테나와 모노폴 안테나로 편리하게 매칭할 수 있다. 그러므로 LNA 입력으로 단일의 수동 소자만을 필요로 한다. 하프 루프 안테나의 경우에는 30 pF 대의 션트 커패시턴스가 필요하다. 모노폴 안테나를 이용하는 애플리케이션인 경우에는 300 nH 대의 션트 인덕턴스가 필요하다.
인피니언의 웹사이트(http://www.infineon.com/fmradio)에서 BGB719N7ESD FM 라디오 애플리케이션 노트를 볼 수 있다.