Small active antenna using a CMOS Low-Noise Amplifier (LNA) is one of the most advanced small antennas. This antenna increases the receiving performance by the gain of active devices and is easy to implement multi-band. Therefore, the implementation of this antenna is very necessary solution that miniaturization and convenience of a personal wireless receiver is a growing issue.
For implementing the active antenna, a low-noise amplifier (LNA) is an important component that determines the gain and noise characteristics of the active antenna. Therefore, The LNA was designed using noise canceling technique to minimize noise figure. The LNA chip is implemented in 0.18μm RF CMOS process. Measurement results show that the gains are 23dB(174~216MHz), 18dB(650~750MHz) and 13dB(1450~1490MHz) and the NF value below 2dB(150MHz~1600MHz). The LNA drains 20mA from 1.8V supply and the die area is $400 \times 260 um^2$.
LNA should be designed with the antenna to minimize the noise from the active antenna and to optimize the input matching condition and the gain of the active antenna. The Method of the transformation 1-port antenna to equivalent 2-port circuit is used to design the active antenna. It makes the active antenna that considering the impedance characteristics of antenna. In addition, to measure the performance of the active antenna, the equivalent circuits that made of inductors and capacitors is needed. They can make the measurement of the active antenna simple and accurate by only using the noise figure analyzer and s-parameter network analyzer.
The active antenna is composed two-wire helical antenna and two LNAs. It is working for T-DMB (174 ~ 216MHz) and DVB-H (650MHz ~ 750MHz). Measurement results show that gains are 20 ~ 24dB (174 ~ 216MHz) and 17dB (650MHz ~ 750MHz) and the NF value is from 1.7dB to 3.2dB.
이 논문은 지상파 TV 수신기를 위한 광대역하고, 낮은 잡음지수와 높은 이득을 가지는 능동형 헬리컬 안테나에 대한 것이다. 이 능동형 안테나는 전기적으로 짧은 (파장에 비해 매우 짧은) 안테나와 잡음 상쇄 단을 포함하는 두 단으로 설계된 CMOS 저잡음 증폭기를 포함한다. 주파수는 T-DMB 대역인 180MHz ~ 210MHz, DVB-H의 일부 대역인 650MHz ~ 750MHz 와 L-Band인 1450MHz ~ 1490MHz를 포함한다.
안테나 임피던스와 저잡음 증폭기와의 입력 임피던스 정합을 시뮬레이션 하기 위해서 안테나 2포트 네트워크 변환 방법을 이용하였다. 이 방법은 1포트 안테나를 2포트 회로를 동등하게 변환하는 방법으로 능동형 안테나를 잡음에 최적화되도록 시뮬레이션 할 수 있다.
능동형 안테나의 성능을 측정하기 위하여, 인덕터와 캐패시터로 구성된 안테나의 등가회로가 필요하다. 이 방법을 이용하여 능동형 안테나의 성능을 S-parameter Network Analyzer와 Noise Figure Analyzer만을 이용하여 쉽게 측정 할 수 있다.
저잡음 증폭기는 TSMC 0.18um RF CMOS 공정을 이용하여 설계되었으며 Agilent사의 Advanced Design System 2006으로 시뮬레이션 되었다. 안테나와의 직접적인 정합을 쉽게 하기 위해 입력 임피던스는 50옴 정합이 되어있지 않으며 출력 임피던스는 50옴으로 정합되어 있다. 시뮬레이션 결과로 잡음지수는 0.82dB ~ 1.0dB이며 이득은 대역마다 다른 이득을 갖는다. T-DMB 대역은 약 23dB, DVB-H 대역은 약 18dB 그리고 L-Band 대역은 13dB의 이득을 갖는다.
최종적으로 Two-wire Helical Antenna와 2개의 CMOS LNA로 만들어진 Active Antenna와 One-wire Helical Antenna, 2개의 LNA, 3개의 Switch로 이루어진 Active Antenna가 설계되었다. 첫 번째 Active Antenna는 LNA를 서로 on/off 시키면서 Reconfigurable 하게 주파수 대역을 선택할 수 있고, 두 번째 Active Antenna는 Switch와 LNA를 on/off 시켜서 주파수 대역을 선택적으로 사용할 수 있다.
측정결과는 첫 번째 Active Antenna에 대해서만 이루어 졌으며 T-DMB 대역은 약 20~24dB의 high gain를 가지며, DVB-H 대역은 약 17dB의 high gain과 1.7~3.2dB의 low noise figure를 가진다. 두 번째 Active Antenna는 모의 실험 결과, T-DMB 대역에서 22~25dB의 gain, 2.5~3.5dB의 noise figure, DVB-H 대역에서 16dB의 gain, 3.5dB의 noise figure, L-Band에서는 14dB의 gain, 2.2dB의 noise figure가 시뮬레이션 되었다. 위와 같이 Handheld용 수신단에 사용할 CMOS 공정을 이용한 고이득, 저잡음의 Active Antenna가 원하는 주파수에서 동작함을 확인하였다.
