At the present age, There are many representative mobile digital broadcasting standards, for example, T-DMB, DVB-H, MediaFlo, ISDN-T and CMMB, etc. However, used frequency bands are different from each others, T-DMB(174M~216MHz), MediaFlo and UHF DVB-H(470M~806MHz), L-band T-DMB(1450M~1492MHz), etc. Moreover, for instance, in the case of T-DMB(174M~216MHz), to make resonance by using only passive monopole antenna structure, antenna length will be about 37.5cm that is relatively too long to being used in the mobile application like mobile handsets. In recently, market demands combined receiving system that can cover various mobile digital broadcasting standards, and demands small receiving system size.
In this environment, the Active antenna can be used by two reasons. At first, total antenna size can be reduced by matching circuit part. Active antenna consists of a passive antenna structure and an active matching circuit. By using matching circuit, imaginary impedance of passive antenna can be eliminated, therefore, physical size of total active antenna be reduced. Secondly, multi-band implementation by using only one physical antenna structure can be possible. Until now, there have been passive matching circuits to make total antenna multiband, however they have been limited to one or two frequency bands. However, by using active matching circuit, total antenna can cover more than three frequency bands.
In this paper, CMOS active matching circuit for multiband broadcasting receiving active antenna is presented. By this time, active matching circuits of active antenna mainly implemented by HEMT devices. In despite of high noise figure of CMOS compared with HEMT, power consumption of CMOS matching circuit is much smaller than that of HEMT. The presented CMOS matching circuit can be impedance matched with base passive antenna at three frequency bands. Therefore, the total active antenna can be used at three mobile digital broadcasting standards those are T-DMB(174M~216MHz), DVB-H(470M~806MHz) and L-band T-DMB(1450M~1492MHz).
When design active matching circuit for multiband active antenna, impedance matching with passive antenna structure is most important and difficult. Power matching and noise matching, both should be considered when design the input part of active matching circuit. The presented CMOS matching circuit mainly focused on low noise figure and good input impedance matching, that is S11 parameter. Moreover, to reduce power consumption dramatically, sub-threshold region is used at main NMOS transistor. Configuration of CMOS matching circuit is Common-gate with gain boosting inductor.
Designed size of base helical antenna is 5cm, CMOS matching circuit is designed correspond to impedance of base helical antenna. Matching circuit is implemented on 0.13um RF CMOS process with off-chip LC input matching components. Chip size is 750690 includes ESD pads(Core size is 440380). CMOS matching circuit drains 2mA from 1.2V DC power supply. Measurement results show that NF value are about 4dB, 3.5dB, 4.5dB at VHF T-DMB(174M~216MHz), UHF DVB-H(470M~806MHz) and L-band T-DMB(1450M~1492MHz), respectively. And, S21 values are 15dB, 10dB, 4dB at VHF T-DMB, UHF DVB-H(470M~806MHz) and L-band T-DMB, respectively.
현시대에, 많은 대표적인 이동 디지털 방송 표준들이 있다. 예를 들면, T-DMB, DVB-H, MediaFlo, ISDN-T 그리고 CMMB가 있다. 하지만, 사용 주파수 대역은 표준마다 서로 다르다. T-DMB는 174M~216MHz에서, MediaFlo 와 UHF DVB-H는 470M~806MHz에서, 그리고 L-band T-DMB는 1450M~1492MHz에서 사용된다. 그리고 Moreover, T-DMB(174M~216MHz)의 경우를 예로들면, 모노폴 안테나 구조를 사용하여 안테나공진을 시키기위해선, antenna의 길이는 약 37.5cm가 되어야 한다. 이것은 이동 단말기등에 응용되기에는 상대적으로 긴 길이이다.
최근에 시장은, 여러 이동 디지털 방송 표준들을 포함할 수 있고, 작은 크기를 가지는 수신 시스템이 요구되고 있다.
이러한 환경에서, 능동형 안테나는 두 가지 이유로 큰 후보가 된다. 첫째로, 전체 안테나 크기가 정합회로부에 의해 작아질 수 있다. 능동형 안테나는 수동 안테나구조와 능동 정합회로로 구성된다. 정합회로를 사용함으로써, 수동 안테나부의 허수부 임피던스는 제거될 수 있다. 두번째로, 던 하나의 물리적 수동 안테나 구조를 사용하여 다중대역으로 안테나를 구성하는 것이 가능해진다. 지금까지, 전체 안테나를 다중대역으로 구성하기 위한 수동 정합회로는 있었다. 하지만, 그것은 두 주파수 대역까지만 포함한다는 한계가 있다. 이에 반해, 능동정합회로를 사용하면, 전체안테나는 3가지 이상의 사용주파수대역을 포함할 수 있다.
이 논문에서는, 다중대역 방송 수신용 능동안테나를 위한 CMOS 정합회로가 제시된다. 이 시점에서 HEMT 소자를 사용한 능동형 안테나를 위한 능동 정합회로는 존재한다. HEMT에 비해 CMOS의 잡음특성은 좋지 않은데, CMOS 전력소모는 HEMT의 그것보다 훨씬 적다. 본 논문에서 제시된 CMOS 정합회로는 기준 수동 안테나부와 세 개의 대역에서 임피던스 정합한다. 따라서 전체 능동형 안테나는 T-DMB(174M~216MHz), DVB-H(470M~806MHz) 그리고 L-band T-DMB(1450M~1492MHz)의 세 이동 디지털 방송 표준을 포함할 수 있다.
다중대역 능동형 안테나를 설계할 때, 수동안테나부와의 임피던스 정합이 가장 중요하고 어렵다고 할 수 있다. 정합회로부의 입력부를 구현할 시에는, 안테나임피던스와의 잡음정합과과 전력정합 두 가지 측면에서 고려하여야 한다. 제시된 CMOS 정합회로는 주로 작은 잡음지수와 좋은 전력정합(S11)에 초점을 맞추어 설계되었다.그리고 전력 소모를 크게 줄이기 위해, 주 증폭단으로 사용되는 NMOS 트랜지스터가 sub-threshold 영역에서 동작하도록 하였다.
구현된 기준 헬리컬 안테나의 크기는 5cm이고, 기준 헬리컬 안테나에 대응하여 CMOS 정합회로가 설계되었다. 정합회로는 0.13um RF CMOS process를 통해 구현되었고 입력 정합 요소로 off-chip LC 소자들이 사용되었다. 칩의 크기는 ESD pad들을 포함하여 750um*690um이다. 정합회로는 1.2V DC power supply를 사용하고 2mA를 소모한다. 측정결과는 NF의 경우, VHF T-DMB(174M~216MHz), UHF DVB-H(470M~806MHz) and L-band T-DMB(1450M~1492MHz) 각각의 대역에서 약 4dB, 3.5dB, 4.5dB를 보였다. 그리고 이득(S21)의 경우, VHF T-DMB, UHF DVB-H(470M~806MHz) and L-band T-DMB 각각의 대역에서 약 15dB, 10dB, 4dB를 보였다.
