CMOS與MEMS方案走紅　行動裝置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方案將大舉進駐行動裝置。多頻多模4G手機現階段最多須支援十五個以上頻段，引發內部RF天線尺寸與功耗過大問題；為此，一線手機廠已計畫擴大導入RF MEMS元件，透過軟體定義無線電(SDR)、天線頻率調整等新技術，降低天線數量、尺寸並增強訊號接收效能與頻寬。 

同時，CMOS RF亦挾著矽材料/製程成本低、產能充足等優勢，持續瓜分傳統砷化鎵(GaAs)、矽鍺(SiGe)RF市占；近期，芯科實驗室(Silicon Labs)更發動新攻勢，率先推出CMOS RF數位接收器單晶片，提供媲美傳統RF元件效能，並減輕數位無線電(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Dennis Yost(圖1)表示，隨著智慧型手機持續擴增須支援的頻段，如何維持RF天線性能，且不影響系統占位空間與耗電量表現，已成為RF元件和手機廠商的產品發展重點，因而帶動新一波RF技術革命，給予能同時兼顧尺寸和效能的RF MEMS方案崛起契機。 

Yost透露，內建RF MEMS的長程演進計畫(LTE)手機可望於今年夏天競相出唬�目前RF MEMS元件供應商Cavendish Kinetics正與多家手機業者緊密合作，初期將鎖定高階LTE多頻多模手機應用，待逐步達到量產經濟規模後，再往下朝中低階手機市場紮根。

RF MEMS基於機械式諧振結構，只要改變內部隔板距離就能使電容流量產生變化，可免除外部電容與開關等零組件，減輕天線總體功耗與體積；此外，其具備可編程能力，亦可支援SDR功能，並實現天線頻率調整、可調式阻抗匹配等控制方案，協助簡化RF前端模組(FEM)設計、增強訊號接收效能、頻寬及減少天線數量。由於RF MEMS優勢顯著，因此近來已有不少手機廠研擬改搭此方案，以全面改善傳統RF天線的功能缺失。 

然而，高通(Qualcomm)、聯發科等處理器大廠近來積極強化RF方案，前者更率先推出業界首款CMOS功率放大器(PA)，大幅改善RF效能與成本，引發RF MEMS市場擴展速度將放緩的疑慮。Cavendish Kinetics行銷與業務發展執行副總裁Larry Morrell解釋，處理器業者的RF方案僅對處理器端的訊號增強與雜訊消除有益，對優化RF天線尺寸與傳輸功耗的效果有限，因此RF MEMS仍將是推動LTE多頻多模手機設計成形的關鍵角色。 

Morrell補充，手機廠對換料的評估通常較慎重，以免增加投資風險，但實際上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技術將再度躍進，包括RF前端模組的功率放大器、濾波器(Filter)和雙工器(Duplexer)均可動態調整(圖2)，進而達成更高效率；另外，由於RF MEMS相容CMOS製程並支援數位介面，未來亦可望與邏輯晶片進一步結合，實現更高整合度的手機系統解決方案。 

圖2 2013∼2016年RF MEMS技術演進藍圖

多頻多模LTE掀革命　SDR進駐手機RF設計

事實上，手機升級至LTE行動通訊規格後，因電信商各自布建分頻雙工(FDD)或分時(TD)-LTE網路，且各國咝蓄l譜規畫也不一，已導致手機增強天線功能的需求更加殷切；所以相關晶片商與系統廠除轉攻新興RF技術外，亦正競相開發SDR技術，期藉軟體編程功能，自動偵測並切換至使用者所在地的最佳LTE頻段，以最小幅度的RF硬體變動，優化手機效能。 

Tensilica創辦人暨技術長Chris Rowen表示，SDR技術將是加速LTE手機上市，並實現全球漫遊的關鍵推手，繼輝達(NVIDIA)在Tegra 4i中率先導入LTE軟體定義數據機(Modem)，打響SDR技術在手機RF應用中的第一砲後，目前至少還有二十幾家處理器業者計畫跟進，讓旗下晶片能支援SDR方案，以協助系統廠改善LTE手機天線的尺寸與耗電量。 

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

不僅LTE多頻多模的設計趨勢牽動行動裝置RF架構轉變，由於行動裝置業者對廣播音訊品質，以及相關RF元件的尺寸和成本要求愈來愈嚴格，因而也成為刺激RF技術演進的另一股強勁驅動力。現階段，CMOS RF技術已被晶片商和系統廠視為重點布局方案。 

芯科實驗室副總裁暨廣播產品總經理James Stansberry(圖3)表示，數位無線電科技可大幅提升廣播音訊品質並傳送更多資訊予使用者，將開創廣播產業新視野。然而，相關系統仍受制於零組件用量龐大、高成本及高耗電等RF設計問題，而延宕市場發展腳步。為改善此弊病，借重CMOS RF的功能特色與生產優勢已是業界共同努力目標。 

其中，芯科實驗室日前已利用CMOS RF與SDR技術，搶先業界發布新一代數位接收器單晶片，透過整合低雜訊放大器(LNA)、低壓差線性穩壓器(LDO)、自動增益控制(AGC)和數位訊號處理器(DSP)等大量零組件，可在不損及RF性能與效率的前提下，大幅改進體積與功耗。此外，還可透過SDR功能完整支援調頻(FM)、高音質廣播(HD Radio)和數位音訊廣播(DAB)/DAB+等標準，全面提升RF系統價值。 

Stansberry指出，CMOS技術能提高RF周邊元件整合度(圖4)，將使裝置內部RF系統減輕物料成本及耗電量。以RF數位接收器為例，CMOS RF單晶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；同時還能結合各種類比元件與數位校正機制，優化RF高頻效率、動態電壓範圍和抗雜訊能力，補強CMOS製程材料先天特性不佳的缺陷。 

圖4 CMOS RF接收器架構圖

事實上，CMOS製程不僅可降低RF元件生產難度，在擴產方面也相對材料特殊的砷化鎵製程方案容易許多，甚至能與基頻處理器、記憶體等元件整合為系統單晶片(SoC)，因而被視為RF產業新星。 

隨著消費性電子、行動裝置支援更多無線功能、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，且要有充分產能才能滿足市場要求。因此，近來各種消費性或可攜式電子導入CMOS RF的需求已顯著攀升，包括電視調諧器(TV Tuner)、AM/FM發射器與接收器等均快速轉向CMOS RF設計。