移動設(shè)備多功能化催生芯片整合天線

　　隨著網(wǎng)絡(luò)的普及，集Wi-Fi、藍(lán)牙、GPS等射頻模塊于一身的移動設(shè)備更加常見。對此，為了滿足便攜設(shè)備更輕巧的需求，并整合多種射頻無線模塊，催生了天線整合于芯片技術(shù)，通過此技術(shù)，將可加速實(shí)現(xiàn)數(shù)字家庭生活。

　　人們對于網(wǎng)絡(luò)的依賴程度日益提高，發(fā)展出越來越多移動上網(wǎng)設(shè)備。先前消費(fèi)者主要通過個人計(jì)算機(jī)(PC)、筆記本電腦或手機(jī)上網(wǎng)，演變至今，蘋果(Apple)的iPhone、iPad，與電子書(E-reader)、智能型手機(jī)等移動上網(wǎng)設(shè)備在市場各領(lǐng)風(fēng)騷時，其背后傳遞出來的信息是：消費(fèi)者十分在意且對于網(wǎng)絡(luò)信息的取得和網(wǎng)絡(luò)人際間互動的方便性有所需求。

　　而這些信息的傳送或交流主要是依賴移動設(shè)備內(nèi)建的無線局域網(wǎng)絡(luò)(Wi-Fi)、3G和全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)等射頻(RF)無線模塊(RF SiP Module)或RF系統(tǒng)封裝組件(RF SiP Component)，也就是移動上網(wǎng)設(shè)備須整合以上聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，并加入其他附屬條件，方可實(shí)現(xiàn)多重功能性。

移動設(shè)備多功能化SiP組件不可少

　　擁有前述內(nèi)建組件的移動設(shè)備產(chǎn)品在現(xiàn)今來說并非少數(shù)，在手機(jī)、數(shù)字相機(jī)及其他可即插即用的移動設(shè)備中，內(nèi)建Wi-Fi、藍(lán)牙(Bluetooth)和GPS導(dǎo)航系統(tǒng)已是必然的趨勢，目前在市場上所供應(yīng)的這些RF無線設(shè)備，就外觀格式可分為RF無線模塊和RF系統(tǒng)級封裝組件。

　　一般來說，RF無線模塊(圖1)其主要設(shè)計(jì)方向是采用已封裝完成之球柵數(shù)組(BGA)IC，搭配標(biāo)準(zhǔn)之表面黏著組件(SMD)組件并設(shè)計(jì)在類似郵票孔外型的基板上，其外觀尺寸介于15mm×15mm×3mm至20mm×20mm×3mm之間，而對于隔離干擾和防止電磁干擾(EMI)的方式是采用金屬隔離罩(Shielding Cover)，市場上以這種RF無線模塊為主要生產(chǎn)模式的產(chǎn)品有Wi-Fi模塊、GPS模塊及無線遙控模塊等。

圖1 RF無線模塊

　　至于RF系統(tǒng)封裝(SiP)組件(圖2)，則是采用晶圓級芯片尺寸封裝(WLCSP)IC或是直接使用裸片(Die/Wafer)來設(shè)計(jì)，同樣是搭配標(biāo)準(zhǔn)SMD組件設(shè)計(jì)或使用嵌入式組件，最后再將成品封裝成單顆BGA/柵格數(shù)組(LGA)形狀的IC，其外觀尺寸介于8mm×8mm×1.5mm至12mm×12mm×1.5mm之間，供終端系統(tǒng)用戶設(shè)計(jì)應(yīng)用。

圖2 RF系統(tǒng)封裝組件

　　而在產(chǎn)品制造流程上，它就是一顆SMD組件，生產(chǎn)流程中產(chǎn)品容易上件。目前市場的主流產(chǎn)品有功率放大器(PA)SiP、射頻前端模塊(FEM)SiP、Wi-Fi SiP、GPS SiP等。其產(chǎn)品類別較多，應(yīng)用面也比較廣泛，雖然其研發(fā)設(shè)計(jì)難度相對復(fù)雜和困難，但終端系統(tǒng)用戶在使用上卻很方便。

多重天線與有限空間陷入兩難

　　RF系統(tǒng)級封裝組件或是RF無線模塊的設(shè)計(jì)，其RF電路方塊圖都如圖3，通常的設(shè)計(jì)是在和天線的接口上留一50Ω的接腳，讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)者自行決定天線的種類，或建議客戶使用何種類型之天線，但這也常常造成RF SiP和天線間因50Ω阻抗的匹配問題，而使得RF SiP的特性因此大打折扣。

圖3 RF系統(tǒng)封裝組件

　　例如接收發(fā)射頻率偏移、帶寬不足、接收感度下降或是RF輸出功率不夠造成傳輸距離的不足等問題，而這些問題往往造成系統(tǒng)廠商必須設(shè)置RF相關(guān)部門來解決，進(jìn)而增加相關(guān)成本和延誤產(chǎn)品上市時間。所以如何提供完整的RF SiP解決方案是RF SiP設(shè)計(jì)廠商必須面對的問題。

　　一般天線的設(shè)計(jì)步驟如圖4所示。天線的設(shè)計(jì)從應(yīng)用需求、初步規(guī)格及形狀尺寸的確定，進(jìn)入電磁仿真軟件的反復(fù)仿真和修正，然后再依據(jù)仿真結(jié)果去實(shí)際制作天線，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)分析儀測試其阻抗和返回?fù)p失后，再送到無反射實(shí)驗(yàn)室測量其電磁場形和增益等相關(guān)數(shù)據(jù)，最后才完成符合規(guī)格需求的天線，這樣的設(shè)計(jì)所需花費(fèi)的時程約150天，如果再加上電磁仿真軟件(約新臺幣500萬元)和網(wǎng)絡(luò)分析儀等相關(guān)儀器(約新臺幣300萬元)的投資，其基本的成本費(fèi)用將超過新臺幣1,000萬元以上，更別說加上高頻無反射實(shí)驗(yàn)室的設(shè)置和購買相關(guān)儀器設(shè)備，將使其投資成本呈倍數(shù)增加。

圖4 天線的設(shè)計(jì)步驟

　　一般來說，將天線整合至手持移動設(shè)備內(nèi)，有著空間限制的問題。天線的整體特性并不是只看其本身的特性規(guī)格而已，而是和其周圍的凈空區(qū)和接地面積的大小成正比。這樣的設(shè)計(jì)限制對于手持移動設(shè)備(如手機(jī)、數(shù)字相機(jī)等)的設(shè)計(jì)者而言，是件艱難的任務(wù)。更有甚者，當(dāng)IEEE 802.11n這類多重輸入多重輸出(MIMO)的多天線系統(tǒng)更為盛行時，如何在產(chǎn)品內(nèi)整合多支天線及釋放出足夠的空間給這些天線使用，在在考驗(yàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師的智能。

將天線整合于芯片有助優(yōu)化信號接收力

　　一般Wi-Fi/BT或是GPS等RF無線模塊對天線的選用，不外乎是陶瓷平板天線(Ceramic Patch Antenna)(圖5)、芯片天線(Chip Antenna)(圖6)、陶瓷PIFA及印刷式天線(Printed Antenna)，這些天線各有其功能和特性，端看使用場所和應(yīng)用來決定。

圖5 陶瓷平版天線

圖6 芯片天線

　　Wi-Fi無線模塊會使用芯片天線與印刷式天線，主因是成本和體積小的考慮，而GPS系統(tǒng)使用的天線大部分是使用陶瓷平板天線，因其有良好的方向特性和較佳的增益特性，能接收天空衛(wèi)星送下來的信號強(qiáng)度很微弱的右旋圓極化波(RHCP)信號。

　　在天線整合于芯片(Antenna on Chip) GPS SiP的設(shè)計(jì)上是使用可收右旋圓極化波(RHCP)的陶瓷平板天線直接放置在GPS SiP上，主要原因除了它是右旋圓極化波設(shè)計(jì)外，此天線還具有優(yōu)秀的方向特性和增益特性，可以接收天空衛(wèi)星傳送的微弱信號，使得GPS系統(tǒng)能獲得足夠的信號信息來解出正確的坐標(biāo)位置。 而將天線整合于芯片的設(shè)計(jì)上的另外一個重要原因是可以大幅減低RF SiP所占用之主板面積，使系統(tǒng)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)有更多之空間利用率。

RF SiP再進(jìn)化開發(fā)時間大幅縮短

　　這次實(shí)驗(yàn)所使用之天線是12mm×12mm×3.5mm的陶瓷平板天線，其用網(wǎng)絡(luò)分析儀測量之Return Loss(S11)，如圖7所示，電磁場圖顯示可對照圖8～10。而圖11是天線整合于芯片GPS SiP的原型，尺寸是12mm×12mm×5mm，使用12mm×12mm×3.5mm的陶瓷平板天線。就實(shí)際測量其載波噪聲比(C/N)比數(shù)據(jù)來看，天線整合于芯片GPS SiP的值是比將天線擺放在GPS SiP旁邊差1～2分貝(dB)。但定位時間，如熱開機(jī)(Hot Start)、冷啟動(Cold Start)、熱啟動(Warm Start)的時間都在可接受的范圍內(nèi)(表1)。

圖7 Antenna's Return Loss

圖8 Antenna H Plane

圖9 Antenna E Plane

圖10 GPS Antenna 3D場形圖

圖11 天線整合于芯片GPS SiP

表1 實(shí)際測量的C/N比數(shù)據(jù)

　　根據(jù)以上的實(shí)測數(shù)據(jù)，天線整合于芯片是RF SiP的具整體解決方案之一，可讓系統(tǒng)廠商不用煩惱對使用RF無線模塊或是RF系統(tǒng)級封裝組件在天線上所遭遇到的設(shè)計(jì)問題，而可以專心去發(fā)展他們本身的核心技術(shù)。

Google TV添動能數(shù)位生活唾手可得

　　2010年5月中Google發(fā)布Google TV，并期望Google TV能夠成為家庭的數(shù)字娛樂中心，讓用戶可以快速上網(wǎng)瀏覽數(shù)據(jù)，通過顯示在電視上的搜尋列，搜尋節(jié)目或YouTube等網(wǎng)站上的內(nèi)容。

　　以上操作都只須按個鈕即可在電視上完成。這代表著家電系統(tǒng)廠也必須面對這網(wǎng)絡(luò)信息爆炸的浪潮，其相關(guān)產(chǎn)品必然要和網(wǎng)絡(luò)鏈接在一起，而這也正是數(shù)字智能家庭生活的趨勢。

　　移動上網(wǎng)設(shè)備須整合射頻無線模塊或系統(tǒng)封裝組件等諸多聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，并加入其他附屬條件，方可實(shí)現(xiàn)多重功能性。從數(shù)字生活網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟(DLNA)的推廣到Google TV的誕生，預(yù)示著數(shù)字智能家庭生活已經(jīng)是觸手可及，而對于數(shù)字智能家庭生活的實(shí)現(xiàn)，使用天線整合于芯片的RF SiP為快速導(dǎo)入市場及節(jié)約成本的新選擇。