2020년 9월 21일 월요일

T Technical Report

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자동차 능동 안테나 설계를 위한 효과적인 증폭기 선택 방법

현재 자동차 업계는 통합 지상파ㆍ위성통신용 원격 샤크핀(Shark-fin)형 안테나 모듈로 대대적 전환이 이뤄지고 있다. 샤크핀 모듈은 컴팩트한 안테나 구조를 기반으로 원거리 라디오 교신을 하기 때문에 최적의 안테나 성능 구현을 위한 고성능 통합 저소음 증폭기(LNA)가 필요하다. 샤크핀형 안테나가 확산되기 전에는 자동차 유리에 인쇄된 평면 안테나인 유리 안테나 기술이 대세였다. 유리 안테나는 여전히 인기며 자동차의 뒤 창문과 옆 창문에 설치돼 샤크핀 안테나처럼 원거리 라디오 교신을 한다. 유리 안테나도 성능을 극대화하기 위해 로컬 LNA를 활용한다. 이처럼 LNA는 샤크핀과 유리 안테나 설계에 보편적으로 널리 사용된다.  


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나자레노 로제티(Nazzareno Rossetti) 아날로그ㆍ전력관리 전문가 및 저자
-키쇼어 레이첼라(Kishore Racherla) 맥심 인터그레이티드 자동차 RF 제품라인 비즈니스 매니저
-아담 하이베르그(Adam Heiberg) 맥심 인터그레이티드 무선통신개발자 

원격 안테나 문제
안테나 원격 배치는 애플리케이션에 따라 다른 식으로 성능에 영향을 미치다. FM 밴드에서 안테나는 대부분 RF 케이블 임피던스 50Ω나 75Ω에 매칭돼 전력을 최적화해 전송한다. 하지만 안테나와 수신기 사이의 케이블 손상에 따라 잡음지수 역시 증가된다. 긴 케이블은 잡음지수가 1dB를 넘어서며 같은 정도의 감도 손상이 발생할 수 있다. LNA를 안테나와 케이블 사이에 배치하면 이 같은 현상은 대부분 사라진다.
 
AM동작에 있어 안테나의 원거리 배치는 다른 방식으로 성능에 영향을 주지만 민감도 손상을 초래하는 것은 마찬가지다. 전형적인 AM 안테나는 기하구조에 따라 3pF 와 100pF 사이 값을 갖게 되며 시리즈 커패시터로 모델화되는 상당히 높은 소스의 임피던스를 갖는다.
 
안테나와 수신기를 연결하는 케이블의 분로 커패시턴스는 소스 커패시턴스를 가지는 커패시티브 디바이더를 형성한다. 긴 케이블은 100pF 이상의 분로 커패시턴스를 만들어 시그널을 상당히 약화시킬 수 있다. 높은 임피던스 입력과 낮은 임피던스 출력의 LNA를 안테나와 케이블 사이에 배치하면 최대 시그널을 전송할 수 있다. AM 및 FM 동작에 있어 리모트 LNA를 이용해 안테나 신호 레벨을 올리면 케이블에 픽업되는 주변 잡음에 대한 영향을 덜 받도록 해 더 확실한 라디오 솔루션이 되도록 할 수 있다.
 
일반적인 능동 안테나 솔루션
능동 안테나 LNA의 성능과 요구사양은 애플리케이션에 따라 달라진다. 일부 능동 안테나 솔루션에는 AGC(Automatic Gain Control)가 요구되는 한편 다른 솔루션은 최저의 비용으로 고정 이득 LNA를 사용한다. 일부 솔루션은 정류된 공급 전압을 능동 안테나에 제공하지만 다수의 솔루션은 배터리로 작동된다. 일부 디자인은 특히 높은 이득이 필요하고 다른 디자인은 AGC 범위에 민감할 수 있다. 그 결과 안테나 솔루션 공급자는 개별소자 솔루션을 계속 재설계하지 않더라도 또는 외부 능동/수동 소자를 많이 필요로 하는 비싼 IC를 사용하지 않더라도 다양한 업계 요구사항을 맞춰야 하는 어려움이 생긴다.  
 
일부 벤더는 능동 안테나용 통합 AM/FM 솔루션을 제공한다. 하지만 이 솔루션은 AGC용 외장PIN 다이오드와 정류된 전원을 요구하며 배터리로 작동될 경우 외장 패스 트랜지스터가 필요하다. (그림 1)
 

[그림 1] 외장 부품을 갖춘 능동 안테나 솔루션
 
외장 부품은 비용을 높이고 솔루션 풋프린트(Footprint)를 확대하기 때문에 개별 소자를 사용한 설계에 비해 경쟁력을 크게 높이지 못한다. 물리적 크기 확장 외에 또 다른 단점은 필요한 이득 공급 전압 혹은 풋프린트 변경 등으로 보드를 재설계할 경우가 생길 수 있다. 이는 항상 공급량이 부족한 추가 설계 리소스를 필요로 한다. 한정된 리소스와 공간 때문에 안테나 제공업자에게 이상적 솔루션은 고성능 저비용 유연한 IC다. 이는 재설계 부품 목록 변경 보드 재설계 없이도 일련의 요구사항을 쉽게 충족시킨다.
 
이상적 능동 안테나 솔루션
능동 안테나 설계를 위한 이상적 솔루션으로 MAX2180A가 있다. 이 솔루션은 선택 가능한 애플리케이션 컨피규레이션을 갖춘 AM/FM 저소음 증폭기다. MAX2180A는 AM/ FM AGC와 고압 레귤레이터를 통합하는 자체기술의 고전압 CMOS 프로세스를 사용한다. 외장 PIN 다이오드 외장 레귤레이터나 패스 트랜지스터의 필요성을 제거함으로써 MAX2180A는 전체 안테나 솔루션 크기를 최소화한다. 고도의 통합 작업을 통해 MAX2180A 4mm x 4mm TQFP 패키지가 최소 안테나 모듈 내 쉽게 들어갈 수 있다.

 

[그림 2] 선택 가능한 컨피규레이션을 갖춘 MAX2180A 통합 LNA
 
AM/FM 시그널 패스는 유연성을 최대화하고 튜너를 다운스트림하기 위해 원활한 인터페이스를 구현할 수 있는 조정 가능한 최대 이득과 AGC 범위를 포함한다. 이 이득 값과 AGC 어택포인트는 외장핀들을 통해 선택되며 같은 PCB 내에서 서로 다른 컨피규레이션을 신속히 구현할 수 있도록 한다. (그림 2)
 
또한 MAX2180A는 6V(그림 3)까지 작동을 지원한다. 이는 엔진 시동 시 큰 폭의 순간전압강하가 발생하는 출발ㆍ정지 기술을 사용하는 차량에 활용될 수 있다. 전기시스템은 일단 차량이 출발하면 상대적으로 일정한 14V 공급 수준을 유지하기 때문에 순간전압강하는 중요치 않은 문제였다. 하지만 새로운 출발ㆍ정지 기술을 통해 엔진은 차량이 움직이지 않을 때 엔진은 자동으로 꺼진다. 엔진은 자주 재시동될 것이며 전파 신호는  반복적인 재시동을 통해 디바이스 공급전압 순간강하에도 기능을 유지해야 한다.

[그림 3] MAX2180A배터리 부족상태 작동
 
풋프린트가 급격히 감소하고 요구사항은 다양화되는 오늘날 환경에서 신속한 자동차 애플리케이션 능동 안테나 구축은 더욱 강조된다. 이 같은 상황에서 앞서 언급한 과제를 해결하는 이상적 솔루션은 모든 능동형 부품 및 다양한 수동형 부품을 솔루션에 통합하는 것이다. 이 솔루션은 주요 내부 파라미터를 설정하는 선택핀의 형태와 새로운 출발ㆍ정지 기술을 사용하는 차량을 지원하는 작동전압에 유연성을 더할 수 있다. 자세한 MAX2180A AM/FM 자동차 안테나 LNA 정보는 맥심 웹사이트(www.maximintegrated.com/MAX2180A)에서 확인할 수 있다.