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手機射頻系統整合的不歸路
 

【作者: 歐敏銓】   2006年01月25日 星期三

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今日的手機,正朝向「三多」的方向發展,即多媒體(multimedia)、多系統(multi-systems)和多模(multi-modes)。這三多對於手機終端的開發帶來很大的挑戰,其中多媒體應用的技術著重在基頻、應用處理器、加速器和高階作業系統(HLOS)的整合處理架構;多系統(GSM/GPRS/EDGE/WCDMA)和多模(3GPP、Wi-Fi、Bluetooth、GPS、DVB-H)方面的挑戰則集中於射頻部分的設計。


手機射頻系統可分為天線(Antenna)、收發器(Transceiver)、功率放大器(PA)和被動元件(Passive),這些元件所佔的面積往往超過整個電路板的一半以上。因此,不論就多系統/多模或空間利用的角度,射頻系統都有必要朝整合的方向進展。目前的整合方向有兩種,一是從晶片本身下手,二是以模組化的方式來解決。


單晶片整合的方式,主要的決定因素在於製程。收發器由於採用SiGe、Si BiCMOS或CMOS等矽製程,所以元件整合的可行性較高,目前的技術上已能將原本獨立分散的接收端與發送端的元件(如Mixers、Filters),乃至於鎖相迴路(PLL)整合為以矽製程為主的收發器IC。未來可望見到更多的元件被整合在收發器當中,例如將迴路濾波器(loop filter)、壓控振盪器(VCO)和DCXO(digitally-controlled crystal oscillator)變容器等元件整合為高整合度收發器,為系統提供尺寸小卻功能強大的收發功能。


然而,採用GaAs HBT或InGaP HBT等製程開發的PA元件,仍無法與矽製程的元件做單晶片的整合;在製程不相容的情況下,就得朝模組化的方向進行整合。目前多模射頻模組化的作法上包括天線開關模組(Antenna Switch Module, ASM)、功率放大器模組(Power Amplifier Module, PAM)、前端模組(Front End Module, FEM)以及發射器模組等,例如可將T/R Switches、Duplexers、以及PA等元件整合為一個功率放大器模組。


除了收發器與PA外,天線設計也是一大關鍵。在天線技術上有兩個發展的面向,一是採用空間分集及空間多工的智慧型天線設計策略,另外則是有限的設備空間中採用最佳化的小型天線設計技術,例如偶極天線(Dipole Antenna)、單極天線(Monopole Antenna)、平板天線(Patch Antenna)與短路天線(PIFA Antenna)等。其中最佳化的考量必須透過審慎考慮天線的位置、距離以及接地面的規劃等,來滿足高隔離性、寬頻、高整合度、小尺寸和低成本等要求。


一台小小的手機,其內部的電路與元件組合已歷經多次的改朝換代。整合,似乎是一條不歸路,但是否有止境,最終能發展出一個最簡單的系統型式呢?只要市場的需求還在變化,這種結果恐怕就不會出現;整合了舊的功能、有了多的空間,就會有新的功能和元件想放進來。手機,還真是個令人捉摸不定的東西。


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