在低頻與高頻兩種不同的環境中整合RF無線系統，所採用的方式有極大的差異性。高頻與低頻系統分別以2.4 GHz為分水嶺。在高頻方面，最重要的系統是無線通訊。由於CMOS比雙極技術更能滿足頻寬的需求，故預料將成為最被業界廣泛採納的技術。然而，除了某些特定系統外，大致而言RF-CMOS不會和數位CMOS整合在單一晶片，但許多未設置晶圓廠的廠商或設計業者可能採取與垂直整合廠商不一樣的策略。而在低頻系統方面，最重要的產品為行動通訊，RF在這些系統的應用主要為被動元件。本文討論整合被動元件與技術所衍生的需求以及選擇方案，以及RF主動元件在多重晶片或模組化方案中所扮演的角色。於此僅探討關於消費性的手持式裝置，因為對於業者而言，整合手機基地台的優先次序並不是最急切的。

前言

RF是大型通訊系統在傳送資訊時不可或缺的功能。RF通常與這類系統的其它功能相互獨立：例如數位訊號處理（Digital Signal Processing；DSP）。RF的傳送與接收通常由不同的IC負責。由於面臨降低系統體積與成本的需求，業界形成一股將RF與系統其它功能進行整合的趨勢，其中最主要的就是DSP。除了整合RF與非RF元件的趨勢外，RF本身也出現其它層面的整合趨勢。這股趨勢源自於系統須運用不同的技術滿足RF功能的需求。例如，某些系統需要針對接收訊號進行過濾，然後再把訊號傳送至低頻雜訊放大器（Low Noise Amplifier；LNA）。在接收端過濾器方面，通常採用陶瓷或表面聲波（Surface Acoustic Wave；SAW）技術，因此就無法整合在收發器IC。

RF根據其不同特性可區分成三種類型，因此會衍生不同的整合需求。這些類別包括：

系統類型

低頻與高頻系統之間有極大的差異性，因為高頻系統在傳送與接收時，傳送端與接收端須在彼此的傳輸範圍內，但低頻系統在通訊時則沒有傳輸範圍的限制，因此有較大的涵蓋範圍。雖無法在兩者之間劃出明確的界限，但兩者之間通常介於2至5 GHz的頻率範圍內，且可依據像是發送器輸出功率以及接收器的靈敏度加以區別。為便於討論，在過程中一律假設傳送頻率為2.4 GHz。在高頻方面，直接視線型系統（line-of-sight）可區分為長距離與短距離系統。長距離系統包括像雷達、衛星鏈結系統、基地台鏈結、固式無線寬頻存取（Fixed Wireless Broadband Access；FWBA），這類系統需要的傳輸功率高於短距離系統，例如像藍芽、802.11a、802.11b、WLAN等。後者通常被歸類為 「無線連結」。因此每種類別的整合問題皆須分開考慮。

長距離通訊系統通常不屬於消費性市場，在成本與產品體積上面臨的壓力也較小。但是效能卻是這類系統主要的考量因素，尤其是發送器的輸出功率以及接收器的靈敏度。雖然整合在這些系統的確扮演重要之角色，但重要性僅排在中間地位。因此對這類系統僅做簡單介紹。

高頻率（＞2.4 GHz）環境整合

應用在無線通訊的短距離系統屬於消費性市場，一方面須因應成本與產品規格的壓力，另一方面亦須滿足資料持續成長的需求（語音、資料、串流視訊）。一般而言，這些系統皆為可攜式並採用電池供電，業者延長產品的待機與通話時間以因應市場需求。在較高的頻率（2 GHz以上）運作能獲得一些優勢，例如：擁有較大的頻寬（與運作頻率有一定的比率）達到較大的資料傳輸量；由於受限於較短的傳輸距離／傳輸範圍／涵蓋範圍因素（參照註解一），故能輕易達到適當的接收器靈敏度。另外尚有某些因素之故，接收器的噪音訊號比率（S/N）會較高，或者傳送器的輸出功率會較低。例如：802.11b WLAN標準在2.4 GHz頻率下提供11 Mbps的傳輸速度，而802.11a標準在5 GHz的頻率下能提供54 Mbps的傳輸速度。運用較寬的頻帶與較複雜的調變機制，會對線性訊號（linearity）產生較嚴苛的要求，這類特性尤其與發送器有密切關係。也需要更高的頻率對系統技術選擇功能產生直接的影響。

註解一：Although this is generally true, many systems operate in frequency bands, e.g. at 2.4 GHz that are open to all kinds of applications. This can increase the number of transmitters even within the line of sight, e.g. microwave ovens that interfere with Bluetooth applications is a notorious example.

《圖一　CMOS與BiCMOS（Bipolar）技術的最高振盪頻率fmax的發展[1]》

假設fmax與運作頻率有直接關聯，CMOS提供很高的成功機率協助業者開發這些應用。此外，CMOS技術可輕易滿足在選擇性、S/N訊噪比以及輸出功率等方面的規範。但這些因素促使系統須持續降低供電電壓，故縮小電壓的動態範圍。

雖然CMOS在高頻方面有些優勢，但BiCMOS仍有許多更好的優點促使業者採用。技術方面的因素包括：雙極技術已研發更好的RF模組、電晶體的參數匹配以及設計團隊對於BiCMOS設計具有更多經驗等實質因素。但兩者在規格上的差異並不明顯，例如運用0.18μm CMOS或BiCMOS製程的藍芽收發器皆已問市。

假如CMOS是最佳的技術選擇，業界的趨勢將會是採用標準（數位）CMOS，並且將不再增加更多的元件選擇在原本已是多層光罩製程的元件上。數位功能會佔據大量的晶片空間，而耗費掉高比例的成本。在CMOS運用主流中，單一晶片元件中整合數位與RF功能是否可行，這個問題的答案有兩個層面。就技術層面而論，運用標準CMOS技術確實可行，而在COMS轉移至RF的趨勢方面：發展更高阻抗的基板，以降低基板上產生的串音，運用較厚的介電材料讓被動元件達到更高的品質，將會是促使其成功的因素。從整合的角度來看，運用標準CMOS支援RF功能以及將數位與RF功能整合至單一晶片，這種作法並沒有明顯的利益。主要的原因在於數位與RF的模組與函式上存有根本上的差異。數位電路通常採用VHDL/Verilog程式語言進行設計。針對縮小版元件進行重新設計，這對於研發人員而言是相當簡單的。支援CMOS技術的數位函式通常比CMOS更早問市，而且會伴隨每個技術演進而不斷地發展。隨著數位設計的效率大幅度、持續的超越技術發展前提之下，讓研發業者能在下個製程問市之前完成數位設計。

從RF設計的觀點來看，模組與函式通常在製程發展完成以及RF元件完成特性規畫後才會問市。由於RF功能通常沒有1：1可重複使用的區塊，故須從頭開始研發。RF函式通常落後數位元件一至二年後才會問市。在發展的過程中，新一代的CMOS技術卻早一步成形。運用主流CMOS技術開發RF元件，意謂至少會落後一個技術世代製程。將數位與RF元件整合至單一晶片意謂數位功能會使用較舊世代的CMOS技術（等於更高的成本或功能比）。通常業者不願意見到這種狀況。業者亦不願意見到被動元件（電感）與RF或類比功能無法隨著技術一同演進。這導致在每個新一代晶片中，RF元件所佔據面積逐漸超越數位元件。

數位與RF技術整合至單一晶片的其它限制包括：

就技術層面而言，在較高頻率環境的短距離通訊系統，最佳的解決方案應是多重晶片封裝與模組，這類產品的數位與RF功能整合在不同的IC，而這些IC採用不同的(Bi)CMOS製程。最新一代CMOS的數位元件比RF更為先進。業者已將這些解決方案供應給垂直整合製造商，但與封測廠商合作的無晶圓廠業者則尚未獲得多重晶片封裝以及特殊模組方案。因此，無晶圓廠業者很可能須繼續獨立發展整合數位與RF元件的單晶片方案。

無線通訊系統亦需要天線與交換器（頻率選擇、Tx-Rx接收／發送交換以及天線的多元化）。

《圖二　嵌入天線的藍芽模組》

低頻率（＜2.4 GHz）的整合

在低於2.4 GHz的頻率方面，微細胞通訊系統是目前最普及和最重要的應用。由於微細胞通訊系統需要降低成本與體積，尤其是在手機方面，使得供應商不斷追求進一步的元件整合。系統採用的元件就是整合的動力來源。這些元件須符合微細胞系統嚴苛的技術規範。

《圖三　CDMA RF前端元件區塊圖》

接收器端的元件須具備較高的靈敏度與選擇性，業者通常在產品中嵌入一組接收濾波器來滿足這些需求，例如表面聲波（SAW）濾波器。系統運用低雜訊放大器（LNA）來達到較高的訊噪比（S/N），放大器採用電感來調節發射功率，以便在雜訊與增益匹配之間取得最佳的平衡點。LNA功能通常整合在單一晶片的收發器IC中。現今主流CMOS IC都包含基頻功能。現今的收發器功能都採用BiCMOS技術，但目前有逐漸朝向CMOS發展的態勢。致於無線連結標準是否呈現相同趨勢（CMOS 1/多重晶片），目前尚不明確，主要這類技術需要更高的系統效能。在此同時，多重頻率以及系統的整合亦持續推展。風險較低的方法能協助業者發展結合各種具備RF功能的單一化基頻和通訊協定引擎。

另一項主要挑戰在於傳送（Transmit；TX）通道。這些多向、不受傳輸範圍限制的系統需要較高的輸出功率（24至33dBm）。較理想的功率放大器（Power Amplifier；PA）功能方案為矽（Si）雙極或GaAs HBT（Si LDMOS），主要原因是採取應用較為容易（單一供應商）以及理想的效能（功率提升效率）。業者亦可採用矽鍺HBT，但獲得的效益不及矽晶型BJT [4,5]。在最終放大器方面，需要一組低損耗率的輸出匹配電路，但這類電路很難支援單一晶片環境。通常這類功能會部份整合在基板，搭配分離式SMD，或是運用低成本的被動式整合（Passive Integration；PI）晶片。

所採用的技術包括：支援功率放大的GaAs HBT、支援功率放大趨動器的Si BiCMOS技術、支援輸出匹配的偏移階段與功率控制迴路[6] Si PI晶片。

《圖四　BGY284，四頻式GSM功率放大器模組》

現今的手機大多具備多頻功能，且有愈來愈多的機種支援多模功能。這些功能需要在功率放大器、接收通道以及天線之間進行大量的切換與過濾處理。切換部份通常運用GaAs pHEMT或p-i-n二極體，未來可能會採用RF-MEMS。多工濾波器的接收與傳送各自獨立、多工濾波器的頻率選擇以及諧波過濾器等元件配合前端被動元件，一同置於通往天線的電路上。在多頻功率放大模組之後，進一步整合的目標就是TX-FE模組。

《圖五　BGY281，三頻GSM TX-FEM》

下一步就是在封裝中加入收發器功能，建構完整的無線電模組。以低廉的成本在微細胞系統中整合所有不同技術，是一項艱鉅的挑戰。System on Silicon （SOS）整合可支援收發器功能，其中包括LNA在內。但接收端濾波器仍須置於晶片外部。很明顯可看出功率放大器以及RF前端（front-end；FE）元件無法置於晶片內，因應系統需要多方面的技術。儘管運用單一技術支援所有功能，在技術上是可行的，但必須運用複雜的製程技術以及許多光罩設計流程（進而降低元件良率），致使單一晶片的整合無法達到成本效益。整體而言，業者面臨的挑戰在於被動以及多重技術封裝。在LTCC或有機發光基板上進行模組整合是較理想的選擇。所有FE與功率放大器供應商皆採用這種策略。

朝向減少被動元件數量（先前被動元件整合）的關鍵方案就是PASSI技術。

《圖六　PASSI(技術的切面圖》

這套系統包含145 pF/mm2電容與4％（3(）的精準度，以及Q-factors係數超過50的電感。它亦可作為一套發展平台，用來整合p-i-n二極體元件、高密度電容以及未來的MEMS可變電阻與交換器。在相同基礎下的另一項發展就是徹體波（Bulk Acoustic Wave；BAW）技術，能取代濾波器中的陶瓷元件以及SAW技術。BAW技術可採用許多方法，以下介紹其中一項。

《圖七　ChipScalePackaged BAW過濾器的切面圖》

BAW領先SAW技術的長處在於效能（損耗、發熱量等特性）、體積以及成本。尤其是在高於1 GHz的頻率中，SAW技術需要採用次微米顯影科技。SAW濾波器因本身的次微米結構，故在超過2 GHz的頻率其損耗會迅速攀升，相較之下BAW技術可支援至少10 GHz [3]。大致而言，BAW濾波器無法整合至晶片，標準晶圓廠製程技術方面，由於在額外增加光罩製程以及良率的限制下，難以吸引業者將BAW技術整合至(Bi)CMOS製程。因此BAW濾波器可能會作成獨立元件，以覆晶模式置於矽晶片或模組化基板上。

晶片內部模組與PI的整合讓設計業者在進行系統分割時能獲得最高的彈性，並針對特定系統在效能與成本之間達到最佳的平衡點。不僅在FE與PA之間的整合是如此，收發器功能與功率管理等方面的整合也是相同的狀況。以下介紹Ultra Integration技術可能產生的結果。系統包含一組主動收發器IC，以覆晶模式連結在被動IC上，內含收發器功能所需要的電容（解耦合，RF）、電感以及電阻，所有組件再以覆晶模式裝在HVQFN封裝上。

《圖八　超高整合度的System In Package》

這種組合（不含封裝）可在模組基板上運用RF-sub-system模式，容納功率放大器、控制迴路、匹配元件、RF交換以及濾波器等功能（例如BAW）。在這種模式下，單一模組就能提供一套完整的RF系統解決方案。

微細胞產品市場存在一項非技術性的趨勢，就是將所有RF功能交由外部元件負責，促使下一波「全系統解決方案」成為一種可接受的商業模式。上述的整合趨勢將延續至基頻以及功率管理。在全系統解決方案方面，仍面臨許多問題：所有功能是否須採用最高等級（best-in-class；BIC）的方案，倘若如此，是否單一廠商能供應或者有其它供應貨源（second sourcing）能推出標準化介面，系統解決方案又將包含哪些元素？我們可合理假設若功能方案（例如GSM電話）發展成熟，代工業者將它視為一般元件（通訊管線）而不是帶來競爭優勢的方案，則全系統解決方案將出現大幅的成長。直到目前為止，認定系統分割是現今可行的模式，RF與基頻功能之間有明確的界限。然而，若連線標準方面的新趨勢成功發展（RF與數位元件整合至單一晶片）且在微細胞通訊領域成為可行方案，則RF整合可在TX-FEM類型產品上就不再繼續演進，而不會發展至Full Radio Functions的模式。對於SIP整合而言，朝向全系統解決方案的整合模式裡僅僅是代表在封裝中嵌入不同的元件。

結論

RF系統分為頻率低於2.4 GHz的微細胞應用，以及頻率高於2.4 GHz的無線連結應用，採用高頻率是為了滿足更高資料傳輸率的需求。在較高的頻率方面，主流CMOS技術將提供業界目前與未來所需的傳輸頻寬。然而，但這種(RF)-CMOS與標準數位CMOS之間的最大差異就是落後一個技術世代。將數位與RF技術整合至單一晶片可能在技術上是次佳的方案，但卻是無晶圓廠業者的最佳的設計哲學。垂直整合廠商可選擇在多重晶片封裝中嵌入多重技術，將功能加以區隔。

在微細胞領域，整合問題主要集中在眾多的被動元件上，這類元件是多頻、多重系統環境必備的要素。像是GaAs HBT等支援主動元件的製程以及支援被動元件整合的製程技術目前都已開始被採用（例如PASSI）或正著手研發當中。將數位與RF元件整合在單一晶片將發展為一種可行的技術。現今業者通常在天線在模組層級上完成設計後，才開始進行RF與功率放大器的設計整合，因為這種模式能在最低的成本與最高的彈性下提供所需的多重技術整合，進而達到最佳的效能。收發器、功率管理以及基頻功能運用SMD搭配封裝IC技術融入於系統中。

整體而言，模組整合（Systems In Package）可能成為主流方案，因為它在低廉的成本下提供多重技術整合以及各種額外的特性，例如嵌入型天線（隨插即用功能）。（作者任職於飛利浦半導體RF模組商業部門）

參考資料：

[1] P. Baltus, J. Six, "How Fast Can You Go? Efficient Design Methods for RF Transceivers at 5GHz and Beyond", Proc. ESSCIRC, Firenze, Italy, pp. 19-24, Sept. 2002

[2] Tallis Blalack, Youri Leclercq, C.Patrick Yue, "On-chip RF Isolation Techniques", Proc. IEEE-BCTM, Monterey, pp. 205-210, Sept. 2002

[3] H.P.Loebl, C.Metzmacher, D.N.Peligrad, R.Mauczok, M.Klee, W.Brand, R.F.Milsom, P.Lok, F.van Straten, A.Tuinhout, J.W.Lobeek, "Solidly Mounted Bulk Acoustic Wave Filters for the GHz Frequency Range", Proc. IEEE-UFFC, Munich, Session 3D-2, Oct. 2002

[4] Keith Nellis, Kevin Choi, Nai-Shuo Cheng, Peter Zampardi, and M.F. Chang, "A Comparison of Si BJT, SiGe HBT, and GaAs HBT Technologies for Linear Handset PA Applications", IEEE Topical Workshop on Power Amplifiers for Wireless Communications, Paper 1.2, San Diego, CA, 2002

[5] Rik Jos, "Future developments and technology options in Cellular Phone Power Amplifiers: from power amplifier to integrated RF front-end module", Proc. IEEE-BCTM, Minneapolis, pp. 118-125, Sept. 2000

[6] Dima Prikhodko, Freek van Straten, Pieter Lok, "Power Sense by means of RF current mirror technology". RF design 2002