CMOS与MEMS方案走红　移动装置RF架构改弦更张

    由于智慧手机支援多频多模LTE已成定局，且对内部元件尺寸、成本要求更加严格，因而驱动半导体开发商加速研发创新射频(RF)技术与解决方案，包括RF MEMS、CMOS RF元件及软体定义无线电(SDR)技术，皆已受到行动装置制造商青睐。

射频微机电(RF MEMS)、互补式金属氧化物半导体(CMOS)RF方案将大举进驻行动装置。多频多模4G手机现阶段最多须支援十五个以上频段，引发内部RF天线尺寸与功耗过大问题；为此，一线手机厂已计划扩大导入RF MEMS元件，透过软体定义无线电(SDR)、天线频率调整等新技术，降低天线数量、尺寸并增强讯号接收效能与频宽。  
同时，CMOS RF亦挟着矽材料/制程成本低、产能充足等优势，持续瓜分传统砷化镓(GaAs)、矽锗(SiGe)RF市占；近期，芯科实验室(Silicon Labs)更发动新攻势，率先推出CMOS RF数位接收器单晶片，提供媲美传统RF元件效能，并减轻数位无线电(Digital Radio)系统占位空间及物料成本，有助扩张CMOS RF势力。  

抢搭RF MEMS　4G手机天线规格大突破


图1    Cavendish Kinetics总裁暨执行长Dennis Yost认为，RF MEMS系未来5∼10年手机设计中的关键技术，已吸引不少业者投入研发。
Cavendish Kinetics总裁暨执行长Dennis Yost(图1)表示，随着智慧型手机持续扩增须支援的频段，如何维持RF天线性能，且不影响系统占位空间与耗电量表现，已成为RF元件和手机厂商的产品发展重点，因而带动新一波RF技术革命，给予能同时兼顾尺寸和效能的RF MEMS方案崛起契机。  

Yost透露，内建RF MEMS的长程演进计划(LTE)手机可望于今年夏天竞相出笼，目前RF MEMS元件供应商Cavendish Kinetics正与多家手机业者紧密合作，初期将锁定高阶LTE多频多模手机应用，待逐步达到量产经济规模后，再往下朝中低阶手机市场扎根。  

RF MEMS基于机械式谐振结构，只要改变内部隔板距离就能使电容流量产生变化，可免除外部电容与开关等零组件，减轻天线总体功耗与体积；此外，其具备可编程能力，亦可支援SDR功能，并实现天线频率调整、可调式阻抗匹配等控制方案，协助简化RF前端模组(FEM)设计、增强讯号接收效能、频宽及减少天线数量。由于RF MEMS优势显著，因此近来已有不少手机厂研拟改搭此方案，以全面改善传统RF天线的功能缺失。  

然而，高通(Qualcomm)、联发科等处理器大厂近来积极强化RF方案，前者更率先推出业界首款CMOS功率放大器(PA)，大幅改善RF效能与成本，引发RF MEMS市场扩展速度将放缓的疑虑。Cavendish Kinetics行销与业务发展执行副总裁Larry Morrell解释，处理器业者的RF方案仅对处理器端的讯号增强与杂讯消除有益，对优化RF天线尺寸与传输功耗的效果有限，因此RF MEMS仍将是推动LTE多频多模手机设计成形的关键角色。  

Morrell补充，手机厂对换料的评估通常较慎重，以免增加投资风险，但实际上RF MEMS因减少周边零组件用量，整体物料清单(BOM)成本反而比传统RF设计更优异，且在各种LTE频段中平均能提高35%传输效率，势将大举攻占LTE、LTE-Advanced多频多模手机RF应用版图。  

Yost更强调，2014?2016年，RF MEMS技术将再度跃进，包括RF前端模组的功率放大器、滤波器(Filter)和双工器(Duplexer)均可动态调整(图2)，进而达成更高效率；另外，由于RF MEMS相容CMOS制程并支援数位介面，未来亦可望与逻辑晶片进一步结合，实现更高整合度的手机系统解决方案。  


图2    2013∼2016年RF MEMS技术演进蓝图

多频多模LTE掀革命　SDR进驻手机RF设计
事实上，手机升级至LTE行动通讯规格后，因电信商各自布建分频双工(FDD)或分时(TD)-LTE网路，且各国运行频谱规画也不一，已导致手机增强天线功能的需求更加殷切；所以相关晶片商与系统厂除转攻新兴RF技术外，亦正竞相开发SDR技术，期藉软体编程功能，自动侦测并切换至使用者所在地的最佳LTE频段，以最小幅度的RF硬体变动，优化手机效能。 

Tensilica创办人暨技术长Chris Rowen表示，SDR技术将是加速LTE手机上市，并实现全球漫游的关键推手，继辉达(NVIDIA)在Tegra 4i中率先导入LTE软体定义数据机(Modem)，打响SDR技术在手机RF应用中的第一炮后，目前至少还有二十几家处理器业者计划跟进，让旗下晶片能支援SDR方案，以协助系统厂改善LTE手机天线的尺寸与耗电量。 

Rowen更强调，未来LTE手机升级导入多重输入多重输出(MIMO)、载波聚合(Carrier Aggregation)功能后，对天线的性能要求更将大幅攀升，厂商为兼顾高效能与低功耗、小体积设计，将应用SDR技术发展特定基频RF子系统或增强型接收器(Turbo Receiver)，以满足LTE甚至LTE-Advanced的设计需求。 

不仅LTE多频多模的设计趋势牵动行动装置RF架构转变，由于行动装置业者对广播音讯品质，以及相关RF元件的尺寸和成本要求愈来愈严格，因而也成为刺激RF技术演进的另一股强劲驱动力。现阶段，CMOS RF技术已被晶片商和系统厂视为重点布局方案。 

成本/尺寸超优　CMOS RF接收器崛起


图3    芯科实验室副总裁暨广播产品总经理James Stansberry提到，处理器与CMOS RF的整合设计方式也备受期待。
芯科实验室副总裁暨广播产品总经理James Stansberry(图3)表示，数位无线电科技可大幅提升广播音讯品质并传送更多资讯予使用者，将开创广播产业新视野。然而，相关系统仍受制于零组件用量庞大、高成本及高耗电等RF设计问题，而延宕市场发展脚步。为改善此弊病，借重CMOS RF的功能特色与生产优势已是业界共同努力目标。 

其中，芯科实验室日前已利用CMOS RF与SDR技术，抢先业界发布新一代数位接收器单晶片，透过整合低杂讯放大器(LNA)、低压差线性稳压器(LDO)、自动增益控制(AGC)和数位讯号处理器(DSP)等大量零组件，可在不损及RF性能与效率的前提下，大幅改进体积与功耗。此外，还可透过SDR功能完整支援调频(FM)、高音质广播(HD Radio)和数位音讯广播(DAB)/DAB+等标准，全面提升RF系统价值。 

Stansberry指出，CMOS技术能提高RF周边元件整合度(图4)，将使装置内部RF系统减轻物料成本及耗电量。以RF数位接收器为例，CMOS RF单晶片较传统两块印刷电路板(PCB)分离式RF设计，大幅缩减80%占位空间及50%以上成本；同时还能结合各种类比元件与数位校正机制，优化RF高频效率、动态电压范围和抗杂讯能力，补强CMOS制程材料先天特性不佳的缺陷。 


图4    CMOS RF接收器架构图
事实上，CMOS制程不仅可降低RF元件生产难度，在扩产方面也相对材料特殊的砷化镓制程方案容易许多，甚至能与基频处理器、记忆体等元件整合为系统单晶片(SoC)，因而被视为RF产业新星。 

随着消费性电子、行动装置支援更多无线功能、体积不断缩小且出货量急遽扩大，其内部RF系统成本及尺寸也须持续下降，且要有充分产能才能满足市场要求。因此，近来各种消费性或可携式电子导入CMOS RF的需求已显著攀升，包括电视调谐器(TV Tuner)、AM/FM发射器与接收器等均快速转向CMOS RF设计。