[논문]RF 저잡음증폭기(LNA) 설계 및 성능 분석과 최적 파라미터 도출에 관한 연구

류태영; 이창식

RF 저잡음증폭기(LNA) 설계 및 성능 분석과 최적 파라미터 도출에 관한 연구
A Study on analysis performance and The optimum parameter of RE Low Noise Amplifier Design 원문보기

류태영 (대구대학교 정보통신공학부) , 이창식 (대구대학교 정보통신공학부)

RF 전파는 신호레벨이 비교적 작고 간섭 현상에 매우 민감한 특성을 가지고 있다. 따라서 이러한 미소한 입력전파의 수신시 수신기 전체의 감도를 높이고 잡음을 줄일 목적으로 사용되는 고주파 증폭기가 저잡음 증폭기이다. 본 논문에서는 FET 증폭기를 이용한 LNA설계시 직렬 궤환에 의한 최소잡음과 최소입력정재파비의 최적 설계 파라미터를 검증한다. LNA의 기본적 특성 분석과 IMT-2000 구역의 1. 9GHZ대의 휴대단말기용 LNA와 블루투스용 2.4GHz대의 LNA 그리고, 지능형교통시스템에 응용되는 5.8GHz대의 단거리전용통신 LNA를 구현하고 각 주파수별로 특성이 다른 BJT, FET 증폭기를 적용하여 설계하고 성능 분석 및 최적의 파라미터를 도출하였다.

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문제 정의

본 연구에서는 수 GHz대 LNA의 잡음지수를 최소화하고 회로의 안정도를 개선하는 소자 파라미터를 추출하기 위해 1단 증폭기 및 2단 증폭기에 대해 Performance 시뮬레이션을 하였다. 설계된 1단 LNA의 경우 BJT와 FET 모두 이론적인 설계 값과 거의 일치하며 직렬 인턱턴스의 증가에 의한 궤환 작용이 NF와 안정도 K를 크게 개선함을 보였다.

제안 방법

주파수 범위를 5GHz 이상대로 확장하면 기존Lump 회로 소자 구성에 한계가 있으므로 Microstrip Distribute 회로 소자를 사용해야 하며, 발열 및 고주파 특성을 고려하여 Substrate 기판은 유전체 기판을 사용한다. 따라서 앞의 1단 LNA 에서 사용한 MESFET의 기본 회로에 Microstrip 소자를 적용하여 5.8GHz대 2단 FET LNA를 설계한다. 시뮬레이션 하기 위한 설계회로는 (그림 10)와 같이 NE34018 MESFET 를 사용하였다.
실용 LNA를 구현하기 위해 ISM-band 2.4GHz Transceiver의 LNA를 설계하고 특성 파라미터를 측정하였다. 2단 으로 구성한 LNA의 목표 사양은<표 3>과 갈이 설정하였다.
시뮬레이션 하기 위한 설계회로는 (그림 10)와 같이 NE34018 MESFET 를 사용하였다. 실용 LNA를 위해서 (그림 8)의 BJT의 경우와 마찬가지로 2단으로 LNA를 구성하고 각 단의 최적 잡음지수 및 증폭도를 결정하여 특성 시뮬레이션을 행하였다. (그림 10)는 설계된 실용적인 5.
설계한 2단 LNA는 HP의 AT-41486 8JT를 사용하였다. 첫 단의 저잡음 증폭단은 저잡음 자수(low noise figure) 특성을 나타나게끔 설계이론에 의한 임피던스 정합을 시도하였으며 두 번째 단 증폭기는 가능한 큰 이득을 얻기 위하여 20dB 이득을 튜닝에 의하여 유지할 수 있도록 설계하였다 Optimise결과로부터 회로를 set하고 Bias 점을 선정하였다. 이 시뮬레이션에서 첫 번째 단의 Bias 점은 Vce=3V, lc=5mA이고, 두 번째 단은 Vce=3V, Z=5mA이다.

대상 데이터

2단 으로 구성한 LNA의 목표 사양은<표 3>과 갈이 설정하였다. 설계한 2단 LNA는 HP의 AT-41486 8JT를 사용하였다. 첫 단의 저잡음 증폭단은 저잡음 자수(low noise figure) 특성을 나타나게끔 설계이론에 의한 임피던스 정합을 시도하였으며 두 번째 단 증폭기는 가능한 큰 이득을 얻기 위하여 20dB 이득을 튜닝에 의하여 유지할 수 있도록 설계하였다 Optimise결과로부터 회로를 set하고 Bias 점을 선정하였다.
8GHz대 2단 FET LNA를 설계한다. 시뮬레이션 하기 위한 설계회로는 (그림 10)와 같이 NE34018 MESFET 를 사용하였다. 실용 LNA를 위해서 (그림 8)의 BJT의 경우와 마찬가지로 2단으로 LNA를 구성하고 각 단의 최적 잡음지수 및 증폭도를 결정하여 특성 시뮬레이션을 행하였다.
회로에 사용된 FET는 ATF10136 이며 Bias 점을 VDS=3.7V, IDS=20mA로 했을 때의 시뮬레이션 결과를 에 보였다.

성능/효과

설계된 1단 LNA의 경우 BJT와 FET 모두 이론적인 설계 값과 거의 일치하며 직렬 인턱턴스의 증가에 의한 궤환 작용이 NF와 안정도 K를 크게 개선함을 보였다. 1단 FET 시뮬레이션 결과, 인덕터 또는 저항에 의한 직렬 궤환 작용이 비궤환에 비해 약 3~4dB 정도 이득이 감쇠되었으나, 입력 VSWR이 크게 개선되고 낮은 NF, 101 상의 안정도 K를 얻을 수 있어 LNA에서 요구되는 특 성과 잘 일치하고 있다. 그러나, 인덕턴스의 증가는 결과적으로 부궤환을 걸어주게 되어 LNA의 이득을 감소시키므로 실용상은 2단 LNA 구성을 필요로 할 수 있다.
6dB이다. 2.4GHz 2단 BJT LNA의 종합적인 성능 특성을 보였다.
<표 1>는 source 인덕터에 의한 부궤환의 영향으로 이득이 다소 감소함을 보인다. 그러나 NF와 안정도 K가 개선되었고 특히, VSWR이 현저히 개선됨을 보여 입출력의 정합이 잘 이루어지고 있음을 보인다. 이와 같은 특성 개선은 LNA의 요구 조건에 잘 부합되므로 초단 LNA 설계에서 부궤환이 매우 중요한 역할을 하고 있음을 알 수 있다.
본 연구에서는 수 GHz대 LNA의 잡음지수를 최소화하고 회로의 안정도를 개선하는 소자 파라미터를 추출하기 위해 1단 증폭기 및 2단 증폭기에 대해 Performance 시뮬레이션을 하였다. 설계된 1단 LNA의 경우 BJT와 FET 모두 이론적인 설계 값과 거의 일치하며 직렬 인턱턴스의 증가에 의한 궤환 작용이 NF와 안정도 K를 크게 개선함을 보였다. 1단 FET 시뮬레이션 결과, 인덕터 또는 저항에 의한 직렬 궤환 작용이 비궤환에 비해 약 3~4dB 정도 이득이 감쇠되었으나, 입력 VSWR이 크게 개선되고 낮은 NF, 101 상의 안정도 K를 얻을 수 있어 LNA에서 요구되는 특 성과 잘 일치하고 있다.
(그림 8)에 시뮬레이션으로부터 설계한 2단 BJT 실용 LNA의 회로와 Layout을 보였다. 시뮬레이션 결과 입력 및 출력 Return Loss는 2.4GHz 부터 2.47GHz 영역에서 15dB이하이고 이득은 약 21.7dB, NF는 약 1.87dB 이하로 각각 측정되었다. 또한, Two-Tone 실험에서는 OIP3가 약 23.

후속연구

그러나, 인덕턴스의 증가는 결과적으로 부궤환을 걸어주게 되어 LNA의 이득을 감소시키므로 실용상은 2단 LNA 구성을 필요로 할 수 있다. 블루투스용 2.4 GHz대의 BJT를 사용하여 설계한 1단, 2단 LNA는 모두 좋은 성능을 보였으며, 5.8GHz의 지능형교통시스템에 사용되는 LNA는 현재로서도 사용함에 불편이 없으나 이득 부분을 조금 추가하여 주면 더욱 보완 될 것으로 보이며 FET 및 기판 재료에 기인하는 것으로 판단되어 최적의 LNA 파라미터 도출을 위한 연구가 계속 되어야 할 것으로 기대 된다.

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