수동 부품과 마찬가지로 RF 회로에 사용되는 능동 부품은 일반적으로 저주파 아날로그 시스템에서 발견되는 능동 부품과 많은 특성을 공유합니다. 그러나 RF 설계에 매우 특화된 특정 부품이 있습니다. 또한, 다양한 반도체 기술을 사용하여 RF 부품이 매우 높은 주파수에서 적절한 성능을 유지하도록 하는 경우가 많습니다.
증폭기
연산 증폭기를 중심으로 구축되는 증폭기 회로는 저주파 및 고주파 아날로그 설계에서 매우 일반적입니다. RF 시스템에는 전력 증폭기와 저잡음 증폭기라는 두 가지 기본 유형의 증폭기가 있습니다. 전자는 전송 전에 RF 신호의 전력 레벨을 높이는 데 사용되고, 후자는 안테나에서 수신한 (종종 매우 작은) 신호를 증폭하는 데 사용됩니다.
파워 앰프
전력 증폭기 또는 PA는 안테나로 전송되기 전에 신호의 전력 레벨을 높이는 데 사용됩니다. 오디오 회로에서도 비슷한 상황이 발견됩니다. 오디오 신호의 진폭은 전압 측면에서 완벽하게 적절할 수 있지만 스피커 코일에 많은 양의 전류를 공급하려면 전력 증폭기가 필요합니다. 오디오에서 더 많은 전류는 더 많은 전력에 해당하며, 이는 다시 더 큰 볼륨에 해당합니다. RF에서 더 높은 전력은 더 긴 범위를 의미합니다.
저잡음 증폭기
저잡음 증폭이 필요한 비 RF 애플리케이션이 많이 있지만, 구체적인 문구인 "저잡음 증폭기"는 RF 맥락에서만 일반적입니다. 사실, 우리는 보통 이 용어의 축약 버전인 LNA를 듣습니다.
안테나에서 전달되는 수신 신호는 매우 작은 크기일 수 있으며, 게다가 노이즈에 묻혀 있습니다. 이 신호는 추가 처리를 위해 증폭되어야 하지만, 신호 대 잡음비의 추가 저하를 최소화하는 것도 중요합니다. 따라서 저잡음 증폭기는 최소한의 노이즈를 제공하면서 높은 전압 이득을 제공하도록 설계되었습니다.
LNA의 노이즈 성능은 "노이즈 지수"(NF)를 통해 정량화되며, 이는 증폭기에서 생성된 SNR 저하량(dB)에 해당합니다. 따라서 이상적인 증폭기는 NF = 0dB이고 노이즈 성능이 감소함에 따라 NF가 증가합니다.
믹서
또 다른 기본 RF 구성 요소는 믹서입니다. 이 이름은 오해의 소지가 있습니다. RF 믹서는 오디오 믹서처럼 신호를 결합 하지 않습니다 . 오히려 RF 믹서는 두 개의 입력 주파수를 취하고 곱셈을 통해 세 번째 출력 주파수를 생성합니다. 즉, 믹서는 주파수 변환을 수행합니다 .
믹서는 신호의 세부 사항을 유지하는 방식으로 신호를 더 높거나 더 낮은 주파수로 전환할 수 있도록 합니다. 예를 들어, 정보를 전달하는(즉, 변조된) 기저대역 신호는 무선 전송에 적합한 더 높은 주파수로 전환할 수 있으며, 전송된 신호는 기저대역 신호에 존재했던 중요한 변조 세부 사항을 유지합니다.
위상 잠금 루프
주기적 신호의 실제 생성은 수동 구성 요소의 도메인과 더 밀접하게 관련되지만, 능동 구성 요소는 이러한 주기적 신호를 조작하는 데 사용됩니다. 위상 잠금 루프(PLL)는 실제로 하위 구성 요소(최소한 위상 검출기, 저역 통과 필터, 전압 제어 발진기(VCO) 및 주파수 분배기)로 구성된 시스템으로, 하나의 입력 주파수에서 다양한 출력 주파수를 생성할 수 있습니다.
PLL을 고정밀 온도 보상 발진기와 결합하면 고정밀이지만 고정된 기준 주파수가 고정밀이지만 가변적인 출력 주파수를 생성할 수 있는 시스템으로 변환됩니다 . PLL과 결합된 발진기는 신디사이저, 즉 다양한 주파수를 생성할 수 있는 구성 요소라고 합니다.
발진기 주파수를 조정하는 이러한 기능은 RF 설계에서 매우 중요합니다. 특정 시스템은 간섭을 피하기 위해 다른 채널에서 작동해야 할 수 있으므로 발진 회로는 주파수에 따라 조정 가능해야 합니다. 또한 인접 채널 간의 주파수 간격은 비교적 작을 수 있으므로 조정이 정확해야 합니다.
데이터 변환기
역사적 RF 엔지니어링 맥락에서 표준 구성 요소는 아니지만 아날로그-디지털 변환기(ADC)와 디지털-아날로그 변환기(DAC)가 많은 RF 시스템에서 점점 더 중요해지고 있다는 것을 인식하는 것이 중요합니다. ADC와 DAC를 사용하면 RF 시스템이 디지털 신호 처리 기술이 제공하는 특수 기능과 소프트웨어 기반 솔루션과 관련된 일반적인 유연성과 편의성의 이점을 누릴 수 있습니다.
"소프트웨어 정의 무선"(SDR)이라는 용어는 RF 신호 체인의 중요한 부분을 구현하기 위해 소프트웨어에 의존하는 무선 통신 시스템을 말합니다. 데이터 컨버터는 이러한 시스템에서 중요한 구성 요소입니다. 예를 들어 DAC를 사용하여 기저대역 파형을 직접 생성하거나 ADC를 사용하여 수신된 기저대역 파형을 디지털화할 수 있습니다(그 후 디지털 신호 프로세서에서 추가 분석).
SDR 수신 경로의 예.
SDR은 설계를 더욱 복잡하게 만들 수 있지만, 특정 애플리케이션에서 특히 가치 있는 장점을 제공합니다.
RF 반도체
실리콘은 여전히 반도체 제조에서 지배적인 재료입니다. 그러나 다른 재료는 RF 시스템에 존재하는 높은 신호 주파수와 더 잘 호환됩니다. RF 반도체에 사용되는 세 가지 대체 재료는 질화 갈륨(GaN), 비소화 갈륨(GaAs), 실리콘 게르마늄(SiGe)입니다. 특수 반도체 기술을 사용하면 매우 높은 주파수, 즉 100GHz 이상에서 적절한 성능을 유지하는 장치를 제작할 수 있습니다.
IC 내부
저주파 장치와 마찬가지로 RF 집적 회로의 기본 활성 구성 요소는 트랜지스터입니다. 그러나 지금까지 우리는 여러 트랜지스터로 구성될 수 있는 장치를 지칭하기 위해 "구성 요소"라는 단어를 사용했습니다. 이에 대한 정당성을 이해하는 것이 중요합니다. 고성능, 고주파 RF 구성 요소를 설계하는 것은 매우 어렵고 많은 RF 엔지니어의 기술 범위에 속하지 않습니다. 실용적인 RF 엔지니어링은 이러한 구성 요소를 기능적 회로로 결합한 다음 발생하는 다양한 복잡한 문제를 처리하는 데 중점을 둡니다.
요약
- RF 시스템용 능동 부품은 특수 기능을 제공하거나, 표준 기능을 제공하면서도 고주파에서 성능을 유지하는 능력이 더 뛰어난 경우도 있습니다.
- RF 증폭기는 일반적으로 전력 증폭기(PA) 또는 저잡음 증폭기(LNA)로 분류됩니다. 전자는 전송을 준비하기 위해 전력 이득을 제공하고 후자는 고전압 이득과 저잡음 지수를 제공합니다.
- RF 믹서는 두 개의 입력 신호를 곱하여 주파수 변환을 수행합니다.
- 위상 잠금 루프(PLL)를 발진기와 결합하여 주파수 합성기를 만들 수 있습니다.
- ADC와 DAC는 일부 RF 장치에서 중요한 구성 요소입니다. 이들은 현대 무선 시스템에서 점점 더 흔해지고 있으며 소프트웨어 정의 라디오에서 필수적입니다.
- SiGe, GaAs, GaN은 고성능 RF 애플리케이션에서 실리콘보다 우수한 특수 반도체 소재입니다.