LTE/11ac引領(lǐng)潮流　手機射頻前端設計翻新

物聯(lián)網(wǎng)(IoT)帶動(dòng)的議題持續在國內外各種正式與非正式的場(chǎng)合發(fā)燒，人們對無(wú)所不在的智慧產(chǎn)品，或所謂智慧的應用注入更多的想像空間。近年來(lái)，在市場(chǎng)規 模飽和的壓力下，各行各業(yè)隨時(shí)都抱持著(zhù)下一代嵌入式智慧(Embedded Intelligence)產(chǎn)品能早日到來(lái)的希望。

現今，任何物體只要冠上「智慧」，人們便會(huì )趨之若鶩。智慧的物體(Smart Object)在物聯(lián)網(wǎng)的架構上，即指人們可以在任何時(shí)間、任何地方使用智慧的產(chǎn)品，并享用智慧的成果。當具性?xún)r(jià)比的智慧產(chǎn)品改變人們的生活，甚至依賴(lài)它 時(shí)，市場(chǎng)規模的巨大成長(cháng)便是可預期的，這也是物聯(lián)網(wǎng)上、中、下游廠(chǎng)商戮力研發(fā)追求成長(cháng)的基石。
物聯(lián)網(wǎng)的智慧元素，來(lái)自于機器對機器 (Machine to Machine, M2M)的自動(dòng)溝通，以及大量資訊的無(wú)線(xiàn)傳遞和網(wǎng)路運算，由事件的起源直至事件成果的聰明呈現，符合人們對事件解決的期待，同時(shí)將人們無(wú)效率的干涉降至最 低。上億臺機器間的相互溝通，以及大量資訊的傳遞與云端的資料運算，都必須仰賴(lài)可靠的基礎建設，才得以即時(shí)、無(wú)誤地完成介面轉換與資訊分配。

現階段支援3G/4G長(cháng)程演進(jìn)計劃(Long Term Evolution, LTE)、無(wú)線(xiàn)區域網(wǎng)路(Wi-Fi)/802.11ac等基礎建設，并符合無(wú)線(xiàn)通訊標準的終端產(chǎn)品，有智慧型手機、穿戴式裝置、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡與智慧家庭產(chǎn)品 等，這些產(chǎn)品也將隨物聯(lián)網(wǎng)高速、高頻寬、高效益的本質(zhì)需求，注入技術(shù)創(chuàng )新與智慧化功能的挑戰與愿景。

拆解支援4G/LTE、Wi- Fi/802.11ac智慧型的無(wú)線(xiàn)終端產(chǎn)品，如智慧型手機、射頻前端模組(Radio Frequency Frond-end Module, RF FEM)的創(chuàng )新技術(shù)，也將是成就所謂智慧的、無(wú)界的、高效率的、高性?xún)r(jià)比的重要關(guān)鍵技術(shù)。

達成全球無(wú)縫連接　手機支持多模/多頻成關(guān)鍵

LTE 與Wi-Fi/802.11ac的標準化規格，使得結合智慧型手機的相關(guān)物聯(lián)網(wǎng)應用，成為消費市場(chǎng)最可預見(jiàn)的曙光。內建4G LTE與802.11ac標準化規格的智慧型手機，其無(wú)縫連接(Seamless Connectivity)可支持物聯(lián)網(wǎng)全域網(wǎng)(Ubiquitous Networks)的基本特征，同時(shí)提供寬頻影音與即時(shí)控制的智慧化個(gè)人與家庭相關(guān)應用。

4G LTE的建議頻率多達四十四個(gè)，依據國情不同，使用頻段也各有差異，又為了與過(guò)去傳統的3G與全球行動(dòng)通訊系統(GSM)互相通聯(lián)，達成全球無(wú)縫連接，并 游走于各頻段，因此具有支持多模(Multimode)、多頻(Multiband)的架構，已成為手機射頻前端的關(guān)鍵技術(shù)。

在各國 頻譜資源有限與相對昂貴的使用費率下，以高效能的數位調變技術(shù)來(lái)達到高傳輸速度的需求，已是目前LTE與Wi-Fi/802.11ac空中介面(Air Interface)的標準。但這樣的技術(shù)將會(huì )衍生出劣化訊號的峰均功率比(Peak to Average Power Ratio, PAPR)，增加更多的電能消耗，并降低手機的電池使用效率。在綠能環(huán)保意識的提升，以及人們對手機使用時(shí)間增長(cháng)的要求下，降低射頻前端元件功耗的封包追 蹤(Envelop Tracking, ET)技術(shù)，也已成為新一代智慧型手機的關(guān)鍵指標。

在LTE行動(dòng)通訊與Wi-Fi/802.11ac無(wú)線(xiàn)網(wǎng)路的引領(lǐng)下，翻新的多模多頻射頻前端設計，將帶動(dòng)智慧型手機與相關(guān)的可穿戴式裝置，更貼近物聯(lián)網(wǎng)的智慧物件與智慧終端產(chǎn)品。

多模多頻的射頻前端需求

支 援無(wú)國界漫游的LTE智慧型手機，加以考量功耗與精巧外型，那么多頻多模的射頻前端設計便是唯一的選項。放眼全球射頻前端元件制造商，如 Skyworks、RFMD、Anadigics與立積電子(RichWave)，甚至包含積極跨入整合主晶片與射頻前端模組的高通 (Qualcomm)，這些廠(chǎng)商在進(jìn)行相關(guān)產(chǎn)品研發(fā)時(shí)，皆以支持多模多頻的設計為目標。

綜觀(guān)而言，4G/LTE智慧型手機支援五模， 分別為分頻多工(Frequency-division Duplex, FDD)-LTE、分時(shí)多工(Time-division Duplex, TDD)-LTE、分時(shí)同步分碼多重存取(TD-SCDMA)、寬頻分碼多重存取(WCDMA)與GSM，此外，多頻(由使用地區與營(yíng)運商的運轉頻段決 定)與全球漫游已是各國營(yíng)運商和消費者的基本需求。

歐洲電信標準協(xié)會(huì )(European Telecommunications Standards Institute, ETSI)在技術(shù)文件3GPP TS 36.101中，定義支援4G/LTE四十四個(gè)頻段范圍，其中頻段(Band)1?32為分頻多工、頻段33?44為分時(shí)多工，詳細的LTE各頻段頻率分 布可參考表1。

手機射頻前端模組主要包含行動(dòng)通訊LTE相關(guān)之射頻元件，如天線(xiàn)開(kāi)關(guān)模組(Antenna Switch Module, ASM)、功率放大器(Power Amplifier, PA)、雙工器(Duplixer)、表面聲波濾波器(Surface Acoustic Wave Filter, SAW)、薄膜體聲波諧振(Film Bulk Acoustic Resonator, FBAR)濾波器，與無(wú)線(xiàn)網(wǎng)路Wi-Fi/802.11ac及全球衛星定位系統(Global Position System, GPS)相關(guān)之射頻前端元件。顯而易見(jiàn)地，射頻前端元件中功率放大器的創(chuàng )新設計，直接牽動(dòng)著(zhù)手機射頻前端的細部架構。

功率放大器由支 援2G行動(dòng)通訊的固定封包(Constant Envelop)單一模式功能的分離器件，演進(jìn)至提供支援2.5G行動(dòng)通訊的50Ω輸入輸出介面的四頻段(Quad-band)(GSM/通用分組無(wú)線(xiàn)業(yè) 務(wù)(GPRS)/GSM增強速率演進(jìn)(EDGE))功率放大器晶片模組，再由支援3G行動(dòng)通訊單模的線(xiàn)性功率放大器，進(jìn)一步演化提供LTE的空中介面、并 向下相容與支援多頻段之多模多頻功率放大器(Multimode Multiband PA, MMMB PA)。
多模多頻功率放大器架構

近年來(lái)，射頻前端模組供應商于手機市場(chǎng)上，已有幾種不同功能的多模多頻功率放大器，以提供系統晶片商之平臺設計參考，或原始設計制造商(ODM)之客制化建 議?；旧?，多模多頻功率放大器依其支援的通訊模式，可以區分成單模的功率放大器(Single-mode PA)、融合模式的功率放大器(Converged-mode PA)與混合模式的功率放大器(Hybrid-mode PA)，這三種模式的功率放大器在性能、電路板(PCB)面積與價(jià)格上都有其不同的考量。

支援GSM/GPRS/EDGE四頻段(800/900MHz與1800/1900MHz)的功率放大器，與支援3G/4G LTE單模單頻段的功率放大器，即是目前市場(chǎng)最常使用的單模式的功率放大器，圖1是由單模的功率放大器組成的典型手機射頻前端方塊圖。

圖1　單模功率放大器組成的手機射頻前端方塊圖

該多模多頻的射頻前端架構，主要由天線(xiàn)開(kāi)關(guān)模組、2G/2.5G四頻段功率放大器及五至六個(gè)單模3G/4G LTE功率放大器組成，可支援五模十三頻(表2)全球漫游功能。這種單模單頻的功率放大器，因對特定的頻段與負載阻抗(Load-line)有著(zhù)最佳化的 設計，因此在既定規格的發(fā)射功率(Output Power)下，有著(zhù)最好的功率附加效益(Power Added Efficiency, PAE)。

雖然單模式功率放大器的方案可以提供較好的發(fā)射性能，但因其功率放大器的數量隨使用頻段增加，又不同地區須使用不同數量的功率放大器，再加上印刷電路板面積大、布線(xiàn)復雜且無(wú)法一版通用，因此造成手機設計困難度、料件及PCB成本皆提高。

融合模式的功率放大器，顧名思義是采用單一功率放大器適用多種通訊模式的設計。由融合模式功率放大器組成的射頻前端架構，將進(jìn)一步減少功率放大器的使用數量。

以圖2為例，僅使用兩個(gè)融合模式的功率放大器取代2G/2.5G四頻段功率大器，以及五至六個(gè)單模3G/4G LTE功率放大器，大幅度減少料件成本與PCB布線(xiàn)的面積。因此，由融合模式的功率放大器所組成的多頻多模射頻前端架構，其除能有效降低手機成本與PCB 布線(xiàn)復雜度外，共用的PCB設計還可以縮短新款手機的研發(fā)時(shí)程。

圖2　融合模式功率放大器組成的多模多頻射頻前端架構

然而，在射頻性能上多模多頻融合模式的功率放大器仍有設計上無(wú)法最佳化的缺點(diǎn)。2G/2.5G的最小移頻鍵控(GMSK)訊號特征是固定封包，4G/LTE 的16正交振幅調變(QAM)的訊號特征非固定封包(Non-constant Envelope)，兩者在功率放大器的偏壓工作點(diǎn)、負載阻抗與匹配電路的設計上是頗有差異的。舉例來(lái)說(shuō)，若將輸出GSM 35dBm功率放大器的輸出級電晶體大小與相同的匹配電路，工作于LTE 27dBm的輸出功率，PAE的不彰是顯而易見(jiàn)的。綜上所述，多模多頻融合模式的功率放大器，在工作于不同模式下有著(zhù)性能上的差異，無(wú)法達到多模工作時(shí)功 率附加效益的最佳化設計。

另一種混合模式功率放大器(Hybrid-Mode PA)的方案架構可參考圖3，雖然稍有增加PCB大小與功率放大器的數量，不過(guò)，若能改進(jìn)融合模式功率放大器耗能的缺點(diǎn)，也將會(huì )是另一種考慮合理性?xún)r(jià)比的設計。

圖3　混合模式功率放大器組成的多模多頻射頻前端架構

混合模式的多模多頻功率放大器，是依其頻段與線(xiàn)性度(2G/2.5G或4G LTE)的規格要求，區分成四路功率放大路徑，兩路的功率放大器提供2G/2.5G的高頻段(High Band)與低頻段(Low Band)使用，另兩路的功率放大器提供3G/4G LTE的高頻段與低頻段使用。四路的功率放大器可以分別依其工作的頻段與線(xiàn)性度的不同，進(jìn)行功率電晶體尺寸與匹配電路的最佳化設計。

混合模式功率放大器的多模多頻射頻其端架構，就射頻性能而言，優(yōu)于融合模式功率放大器組成的射頻前端架構，也可以與單模功率放大器組成的射頻前端架構性能相 當。就PCB面積大小而言，卻也須要適度增加功率放大器晶片的大小與PCB的面積，不過(guò)，隨著(zhù)系統晶片封裝微型化技術(shù)演進(jìn)，有限面積增加已是市場(chǎng)上的趨勢。

多頻多模整合需求　PA設計面臨挑戰

不論融合式的功率放大器或是混合模式的功率放大器，其設計的挑戰皆來(lái)自于多模多頻的整合需求，性能要符合多模多頻的要求，其規格也要媲美并取代單模的功率放大器，同時(shí)還要達到縮小體積、降低模組價(jià)格與提升量產(chǎn)良率的目的。

在 維持相同增益、線(xiàn)性度、輸出功率與雜訊抑制的條件下，多模多頻功率放大器的設計挑戰就是功率附加效益的優(yōu)化設計，換言之，就是降低電流的消耗，增加手機通 話(huà)的時(shí)間。在符合鄰近頻道泄漏(Adjacent Channel Leakage Ratio, ACLR)與誤差向量大小(Error Vector Magnitude, EVM)的線(xiàn)性度情況下，功率放大器的輸出級電晶體尺寸大小與負載阻抗的優(yōu)化，是以達到最大的輸出線(xiàn)性功率與最好的PAE為目標。但是當功率放大器操作在 低功率或PAPR高的數位調變情況下，由于輸出功率的輸出倒退(Output Back-Off, OBO)，造成PAE的急速下降。

LTE 相對于2G/3G高PAPR的訊號本質(zhì)(4G/LTE上行的PAPR約6.0?8.0dB)，對功率放大器之設計，有著(zhù)PAE的效率問(wèn)題。近代數位調變的 技術(shù)將更多的資料壓縮在一頻道上傳送，導致訊號波幅(Waveform)的波峰因數(Crest Factors)或稱(chēng)PAPR增加，也使得電源因應訊號波幅動(dòng)態(tài)調整的封包追蹤成為一項重要的節能技術(shù)。封包追蹤電源供應(ET Power Supply, ETPS)是高速高頻寬的動(dòng)態(tài)電源技術(shù)(圖4)，追蹤輸入射頻訊號的波幅，即時(shí)提供功率放大器的電源電壓，偏壓于接近飽和的工作區，提升功率放大器的 PAE。

圖4　ETPS方塊圖

ETPS 之工作原理為調變功率放大器之供電端，使其工作電壓即時(shí)地跟隨輸入射頻訊號之波幅變動(dòng)，以避免不必要的功耗。ETPS在架構上的組成通常包含線(xiàn)性式電源供 應器(Linear-Mode Power Supply, LPS)、電流感測(Current Sensor, CS)與交換式電源供應器(Switch-Mode Power Supply, SPS)。LPS是追蹤輸入射頻訊號的波幅，提供電源電壓與電流。當CS檢測出高波幅時(shí)，會(huì )切換至SPS提供大電壓與電流(圖5)。ET的設計挑戰是具有 二至三倍的訊號波道的頻寬能力，精確地追蹤射頻訊號的波幅，同時(shí)不產(chǎn)生失真，在高峰值功率輸出與高動(dòng)態(tài)變化的調變訊號下，能夠不增加雜訊，并且能維持 80%的電源轉換效率。

圖5　ETPS電源電壓輸出波形

新 一代的智慧型手機配備Wi-Fi/802.11ac，使得網(wǎng)路飆速能力與日俱增，提供串流影音(Video Streaming)與家庭劇院等多媒體的無(wú)線(xiàn)應用，帶給人們即時(shí)的視覺(jué)享受與便利。802.11ac的1.3Gbit/s高速傳輸資料量為 802.11n的三至四倍，而其80MHz/160MHz高頻寬與1.8%誤差向量大小的高線(xiàn)性度需求，也是設計高效率功率放大器的挑戰。記憶效應 (Memory Effect)的抑制、動(dòng)態(tài)輸入振幅對輸出振幅(AM/AM)與輸入振幅對相位差(AMP/PM)的非線(xiàn)性效應、雜訊泄漏與行動(dòng)通訊的相互干擾、靜電、過(guò) 載與突波保護等相關(guān)設計，也是功率放大器的重要議題。

突破射頻前端設計桎梏　串聯(lián)數位控制介面成標準

在2G或3G 傳統手機之射頻前端模組的控制功能，如通訊模式/頻道的選擇、射頻元件的啟動(dòng)或關(guān)閉、類(lèi)比偏壓的調整等，大多使用并聯(lián)的通用輸入輸出(GPIO)介面，但 在LTE多模多頻的射頻前端架構下，隨著(zhù)使用頻段與功率放大器的數量增加，數位控制的介面也由并聯(lián)的GPIO方式轉變成串聯(lián)的數位控制介面。

串 聯(lián)的數位控制介面可以使用固定的輸入/輸出(I/O)控制腳，對于不同頻段/模式，或者是功率放大器數量的組合，有著(zhù)相同的控制功能。近期業(yè)界在手機的射 頻或類(lèi)比系統的I/O介面上，也定義行動(dòng)產(chǎn)業(yè)處理器介面(MIPI)的串聯(lián)，此一串聯(lián)介面的協(xié)定，減少了I/O控制的數量與復雜度，也使PCB設計的再利 用性提高，因此，逐漸成為手機多模多頻射頻前端的標準I/O介面。

物聯(lián)網(wǎng)大勢將至　創(chuàng )新智慧運用推陳出新

面臨物聯(lián)網(wǎng)世代的到來(lái)，各行各業(yè)莫不積極投入創(chuàng )新技術(shù)的研發(fā)，其中，由無(wú)線(xiàn)射頻識別(RFID)、感測元件、無(wú)線(xiàn)感測網(wǎng)路(WSN)、潛入智慧及云端運算至智慧型的創(chuàng )新應用，皆帶來(lái)極大的想像空間與希望。

物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng )新的智慧應用，在高速4G/LTE行動(dòng)通訊與無(wú)線(xiàn)網(wǎng)路Wi-Fi/802.11ac的基礎建設下，意味著(zhù)大量資料在M2M與無(wú)線(xiàn)網(wǎng)路世界里可靠的傳遞。