CMOS與MEMS方案走紅　移動(dòng)裝置RF架構改弦更張

射頻微機電(RF MEMS)、互補式金屬氧化物半導體(CMOS)RF方案將大舉進(jìn)駐行動(dòng)裝置。多頻多模4G手機現階段最多須支持十五個(gè)以上頻段，引發(fā)內部RF天線(xiàn)尺寸與功耗過(guò)大問(wèn)題；為此，一線(xiàn)手機廠(chǎng)已計劃擴大導入RF MEMS組件，透過(guò)軟件定義無(wú)線(xiàn)電(SDR)、天線(xiàn)頻率調整等新技術(shù)，降低天線(xiàn)數量、尺寸并增強訊號接收效能與帶寬。

同時(shí)，CMOS RF亦挾著(zhù)硅材料/制程成本低、產(chǎn)能充足等優(yōu)勢，持續瓜分傳統砷化鎵(GaAs)、硅鍺(SiGe)RF市占；近期，芯科實(shí)驗室(Silicon Labs)更發(fā)動(dòng)新攻勢，率先推出CMOS RF數字接收器單芯片，提供媲美傳統RF組件效能，并減輕數字無(wú)線(xiàn)電(Digital Radio)系統占位空間及物料成本，有助擴張CMOS RF勢力。

Cavendish Kinetics總裁暨執行長(cháng)Dennis Yost(圖1)表示，隨著(zhù)智能型手機持續擴增須支持的頻段，如何維持RF天線(xiàn)性能，且不影響系統占位空間與耗電量表現，已成為RF組件和手機廠(chǎng)商的產(chǎn)品發(fā)展重點(diǎn)，因而帶動(dòng)新一波RF技術(shù)革命，給予能同時(shí)兼顧尺寸和效能的RF MEMS方案崛起契機。

Yost透露，內建RF MEMS的長(cháng)程演進(jìn)計劃(LTE)手機可望于今年夏天競相出籠，目前RF MEMS組件供貨商Cavendish Kinetics正與多家手機業(yè)者緊密合作，初期將鎖定高階LTE多頻多模手機應用，待逐步達到量產(chǎn)經(jīng)濟規模后，再往下朝中低階手機市場(chǎng)扎根。

RF MEMS基于機械式諧振結構，只要改變內部隔板距離就能使電容流量產(chǎn)生變化，可免除外部電容與開(kāi)關(guān)等零組件，減輕天線(xiàn)總體功耗與體積；此外，其具備可編程能力，亦可支持SDR功能，并實(shí)現天線(xiàn)頻率調整、可調式阻抗匹配等控制方案，協(xié)助簡(jiǎn)化RF前端模塊(FEM)設計、增強訊號接收效能、帶寬及減少天線(xiàn)數量。由于RF MEMS優(yōu)勢顯著(zhù)，因此近來(lái)已有不少手機廠(chǎng)研擬改搭此方案，以全面改善傳統RF天線(xiàn)的功能缺失。

然而，高通(Qualcomm)、聯(lián)發(fā)科等處理器大廠(chǎng)近來(lái)積極強化RF方案，前者更率先推出業(yè)界首款CMOS功率放大器(PA)，大幅改善RF效能與成本，引發(fā)RF MEMS市場(chǎng)擴展速度將放緩的疑慮。Cavendish Kinetics營(yíng)銷(xiāo)與業(yè)務(wù)發(fā)展執行副總裁Larry Morrell解釋?zhuān)幚砥鳂I(yè)者的RF方案僅對處理器端的訊號增強與噪聲消除有益，對優(yōu)化RF天線(xiàn)尺寸與傳輸功耗的效果有限，因此RF MEMS仍將是推動(dòng)LTE多頻多模手機設計成形的關(guān)鍵角色。

Morrell補充，手機廠(chǎng)對換料的評估通常較慎重，以免增加投資風(fēng)險，但實(shí)際上RF MEMS因減少周邊零組件用量，整體物料清單(BOM)成本反而比傳統RF設計更優(yōu)異，且在各種LTE頻段中平均能提高35%傳輸效率，勢將大舉攻占LTE、LTE-Advanced多頻多模手機RF應用版圖。

Yost更強調，2014?2016年，RF MEMS技術(shù)將再度躍進(jìn)，包括RF前端模塊的功率放大器、濾波器(Filter)和雙工器(Duplexer)均可動(dòng)態(tài)調整(圖2)，進(jìn)而達成更高效率；另外，由于RF MEMS兼容CMOS制程并支持數字接口，未來(lái)亦可望與邏輯芯片進(jìn)一步結合，實(shí)現更高整合度的手機系統解決方案。

圖2 2013∼2016年RF MEMS技術(shù)演進(jìn)藍圖

多頻多模LTE掀革命　SDR進(jìn)駐手機RF設計

事實(shí)上，手機升級至LTE行動(dòng)通訊規格后，因電信商各自布建分頻雙工(FDD)或分時(shí)(TD)-LTE網(wǎng)絡(luò )，且各國運行頻譜規畫(huà)也不一，已導致手機增強天線(xiàn)功能的需求更加殷切；所以相關(guān)芯片商與系統廠(chǎng)除轉攻新興RF技術(shù)外，亦正競相開(kāi)發(fā)SDR技術(shù)，期藉軟件編程功能，自動(dòng)偵測并切換至使用者所在地的最佳LTE頻段，以最小幅度的RF硬件變動(dòng)，優(yōu)化手機效能。

Tensilica創(chuàng )辦人暨技術(shù)長(cháng)Chris Rowen表示，SDR技術(shù)將是加速LTE手機上市，并實(shí)現全球漫游的關(guān)鍵推手，繼輝達(NVIDIA)在Tegra 4i中率先導入LTE軟件定義調制解調器(Modem)，打響SDR技術(shù)在手機RF應用中的第一炮后，目前至少還有二十幾家處理器業(yè)者計劃跟進(jìn)，讓旗下芯片能支持SDR方案，以協(xié)助系統廠(chǎng)改善LTE手機天線(xiàn)的尺寸與耗電量。

Rowen更強調，未來(lái)LTE手機升級導入多重輸入多重輸出(MIMO)、載波聚合(Carrier Aggregation)功能后，對天線(xiàn)的性能要求更將大幅攀升，廠(chǎng)商為兼顧高效能與低功耗、小體積設計，將應用SDR技術(shù)發(fā)展特定基頻RF子系統或增強型接收器(Turbo Receiver)，以滿(mǎn)足LTE甚至LTE-Advanced的設計需求。

不僅LTE多頻多模的設計趨勢牽動(dòng)行動(dòng)裝置RF架構轉變，由于行動(dòng)裝置業(yè)者對廣播音頻質(zhì)量，以及相關(guān)RF組件的尺寸和成本要求愈來(lái)愈嚴格，因而也成為刺激RF技術(shù)演進(jìn)的另一股強勁驅動(dòng)力?，F階段，CMOS RF技術(shù)已被芯片商和系統廠(chǎng)視為重點(diǎn)布局方案。

芯科實(shí)驗室副總裁暨廣播產(chǎn)品總經(jīng)理James Stansberry(圖3)表示，數字無(wú)線(xiàn)電科技可大幅提升廣播音頻質(zhì)量并傳送更多信息予用戶(hù)，將開(kāi)創(chuàng )廣播產(chǎn)業(yè)新視野。然而，相關(guān)系統仍受制于零組件用量龐大、高成本及高耗電等RF設計問(wèn)題，而延宕市場(chǎng)發(fā)展腳步。為改善此弊病，借重CMOS RF的功能特色與生產(chǎn)優(yōu)勢已是業(yè)界共同努力目標。

其中，芯科實(shí)驗室日前已利用CMOS RF與SDR技術(shù)，搶先業(yè)界發(fā)布新一代數位接收器單芯片，透過(guò)整合低噪聲放大器(LNA)、低壓差線(xiàn)性穩壓器(LDO)、自動(dòng)增益控制(AGC)和數字信號處理器(DSP)等大量零組件，可在不損及RF性能與效率的前提下，大幅改進(jìn)體積與功耗。此外，還可透過(guò)SDR功能完整支持調頻(FM)、高音質(zhì)廣播(HD Radio)和數字音頻傳輸(DAB)/DAB+等標準，全面提升RF系統價(jià)值。

Stansberry指出，CMOS技術(shù)能提高RF周邊組件整合度(圖4)，將使裝置內部RF系統減輕物料成本及耗電量。以RF數字接收器為例，CMOS RF單芯片較傳統兩塊印刷電路板(PCB)分離式RF設計，大幅縮減80%占位空間及50%以上成本；同時(shí)還能結合各種模擬組件與數字校正機制，優(yōu)化RF高頻效率、動(dòng)態(tài)電壓范圍和抗噪聲能力，補強CMOS制程材料先天特性不佳的缺陷。

圖4 CMOS RF接收器架構圖

事實(shí)上，CMOS制程不僅可降低RF組件生產(chǎn)難度，在擴產(chǎn)方面也相對材料特殊的砷化鎵制程方案容易許多，甚至能與基頻處理器、內存等組件整合為系統單芯片(SoC)，因而被視為RF產(chǎn)業(yè)新星。

隨著(zhù)消費性電子、行動(dòng)裝置支持更多無(wú)線(xiàn)功能、體積不斷縮小且出貨量急遽擴大，其內部RF系統成本及尺寸也須持續下降，且要有充分產(chǎn)能才能滿(mǎn)足市場(chǎng)要求。因此，近來(lái)各種消費性或可攜式電子導入CMOS RF的需求已顯著(zhù)攀升，包括電視調諧器(TV Tuner)、AM/FM發(fā)射器與接收器等均快速轉向CMOS RF設計。