物聯網(IoT)帶動的議題持續在國內外各種正式與非正式的場合發燒，人們對無所不在的智慧產品，或所謂智慧的應用注入更多的想象空間。近年來，在市場規模飽和的壓力下，各行各業隨時都抱持著下一代嵌入式智慧(Embedded Intelligence)產品能早日到來的希望。

現今，任何物體只要冠上“智慧”，人們便會趨之若鶩。智慧的物體(Smart t)在物聯網的架構上，即指人們可以在任何時間、任何地方使用智能的產品，并享用智能的成果。當具性價比的智慧產品改變人們的生活，甚至依賴它時，市場規模的巨大成長便是可預期的，這也是物聯網上、中、下游廠商戮力研發追求成長的基石。

物聯網的智能元素，來自于機器對機器(Machine to Machine, M2M)的自動溝通，以及大量資信的無線傳遞和網絡運算，由事件的起源直至事件成果的聰明呈現，符合人們對事件解決的期待，同時將人們無效率的干涉降至最低。上億臺機器間的相互溝通，以及大量資信的傳遞與云端的資料運算，都必須仰賴可靠的基礎建設，才得以即時、無誤地完成接口轉換與資信分配。

現階段支持3G/4G長期演進計劃(Long Term Evolution, LTE)、無線區域網絡(Wi-Fi)/802.11ac等基礎建設，并符合無線通信標準的終端產品，有智能型手機、穿戴式裝置、無線網卡與智慧家庭產品等，這些產品也將隨物聯網高速、高頻寬、高效益的本質需求，注入技術創新與智能化功能的挑戰與愿景。

拆解支持4G/LTE、Wi-Fi/802.11ac智能型的無線終端產品，如智能型手機、射頻前端模組(Radio Frequency Frond-end Module, RF FEM)的創新技術，也將是成就所謂智慧的、無界的、高效率的、高性價比的重要關鍵技術。

達成全球無縫連接　手機支持多模/多頻成關鍵

LTE與Wi-Fi/802.11ac的標準化規格，使得結合智能型手機的相關物聯網應用，成為消費市場最可預見的曙光。內建4G LTE與802.11ac標準化規格的智能型手機，其無縫連接(Seamless Connectivity)可支持物聯網全局網(Ubiquitous Networks)的基本特征，同時提供寬頻影音與即時控制的智慧化個人與家庭相關應用。

4G LTE的建議頻率多達四十四個，依據國情不同，使用頻段也各有差異，又為了與過去傳統的3G與全球移動通信系統(GSM)互相通聯，達成全球無縫連接，并游走于各頻段，因此具有支持多模(Multimode)、多頻(Multiband)的架構，已成為手機射頻前端的關鍵技術。

在各國頻譜資源有限與相對昂貴的使用費率下，以高效能的數位調變技術來達到高傳輸速度的需求，已是目前LTE與Wi-Fi/802.11ac空中接口(Air Interface)的標準。但這樣的技術將會衍生出劣化信號的峰均功率比(Peak to Average Power Ratio, PAPR)，增加更多的電能消耗，并降低手機的電池使用效率。在綠能環保意識的提升，以及人們對手機使用時間增長的要求下，降低射頻前端組件功耗的封包追蹤(Envelop Tracking, ET)技術，也已成為新一代智能型手機的關鍵指標。

在LTE移動通信與Wi-Fi/802.11ac無線網絡的引領下，翻新的多模多頻射頻前端設計，將帶動智能型手機與相關的可穿戴式裝置，更貼近物聯網的智能對象與智能終端產品。

多模多頻的射頻前端需求

支持無國界漫游的LTE智能型手機，加以考慮功耗與精巧外型，那么多頻多模的射頻前端設計便是唯一的選項。放眼全球射頻前端組件制造商，如Skyworks、RFMD、Anadigics與立積電子(RichWave)，甚至包含積極跨入整合主芯片與射頻前端模組的高通(Qualcomm)，這些廠商在進行相關產品研發時，皆以支持多模多頻的設計為目標。

綜觀而言，4G/LTE智能型手機支持五模，分別為分頻多任務(Frequency-pision Duplex, FDD)-LTE、分時多任務(Time-pision Duplex, TDD)-LTE、分時同步分碼多重存取(TD-SCDMA)、寬頻分碼多重存取(WCDMA)與GSM，此外，多頻(由使用地區與營運商的運轉頻段決定)與全球漫游已是各國營運商和消費者的基本需求。

歐洲電信標準協會(European Telecommunications Standards Institute, ETSI)在技術文件3GPP TS 36.101中，定義支持4G/LTE四十四個頻段范圍，其中頻段(Band)1?32為分頻多任務、頻段33?44為分時多任務，詳細的LTE各頻段頻率分布可參考表1。

手機射頻前端模組主要包含移動通信LTE相關之射頻組件，如天線開關模組(Antenna Switch Module, ASM)、功率放大器(Power Amplifier, PA)、雙工器(Duplixer)、表面聲波濾波器(Surface Acoustic Wave Filter, SAW)、薄膜體聲波諧振(Film Bulk Acoustic Resonator, FBAR)濾波器，與無線網絡Wi-Fi/802.11ac及全球衛星定位系統(Global Position System, GPS)相關之射頻前端組件。顯而易見地，射頻前端組件中功率放大器的創新設計，直接牽動著手機射頻前端的細部架構。

功率放大器由支持2G移動通信的固定封包(Constant Envelop)單一模式功能的分離器件，演進至提供支持2.5G移動通信的50輸入輸出接口的四頻段(Quad-band)(GSM/通用分組無線業務(GPRS)/GSM增強速率演進(EDGE))功率放大器芯片模組，再由支持3G移動通信單模的線性功率放大器，進一步演化提供LTE的空中接口、并向下兼容與支持多頻段之多模多頻功率放大器(Multimode Multiband PA, MMMB PA)。

多模多頻功率放大器架構

近年來，射頻前端模組供應商于手機市場上，已有幾種不同功能的多模多頻功率放大器，以提供系統芯片商之平臺設計參考，或原始設計制造商(ODM)之客制化建議。基本上，多模多頻功率放大器依其支持的通信模式，可以區分成單模的功率放大器(Single-mode PA)、融合模式的功率放大器(Converged-mode PA)與混合模式的功率放大器(Hybrid-mode PA)，這三種模式的功率放大器在性能、電路板(PCB)面積與價格上都有其不同的考慮。

支持GSM/GPRS/EDGE四頻段(800/900MHz與1800/1900MHz)的功率放大器，與支持3G/4G LTE單模單頻段的功率放大器，即是目前市場最常使用的單模式的功率放大器，圖1是由單模的功率放大器組成的典型手機射頻前端方塊圖。

圖1、單模功率放大器組成的手機射頻前端方塊圖

該多模多頻的射頻前端架構，主要由天線開關模組、2G/2.5G四頻段功率放大器及五至六個單模3G/4G LTE功率放大器組成，可支持五模十三頻(表2)全球漫游功能。這種單模單頻的功率放大器，因對特定的頻段與負載阻抗(Load-line)有著優化的設計，因此在既定規格的發射功率(Output Power)下，有著最好的功率附加效益(Power Added Efficiency, PAE)。

雖然單模式功率放大器的方案可以提供較好的發射性能，但因其功率放大器的數量隨使用頻段增加，又不同地區須使用不同數量的功率放大器，再加上印刷電路板面積大、布線復雜且無法一版通用，因此造成手機設計困難度、料件及PCB成本皆提高。

融合模式的功率放大器，顧名思義是采用單一功率放大器適用多種通信模式的設計。由融合模式功率放大器組成的射頻前端架構，將進一步減少功率放大器的使用數量。

以圖2為例，僅使用兩個融合模式的功率放大器取代2G/2.5G四頻段功率大器，以及五至六個單模3G/4G LTE功率放大器，大幅度減少料件成本與PCB布線的面積。因此，由融合模式的功率放大器所組成的多頻多模射頻前端架構，其除能有效降低手機成本與PCB布線復雜度外，共享的PCB設計還可以縮短新款手機的研發時程。

圖2、融合模式功率放大器組成的多模多頻射頻前端架構

然而，在射頻性能上多模多頻融合模式的功率放大器仍有設計上無法優化的缺點。2G/2.5G的最小移頻鍵控(GMSK)信號特征是固定封包，4G/LTE的16正交振幅調變(QAM)的信號特征非固定封包(Non-constant Envelope)，兩者在功率放大器的偏壓工作點、負載阻抗與匹配電路的設計上是頗有差異的。舉例來說，若將輸出GSM 35dBm功率放大器的輸出級電晶體大小與相同的匹配電路，工作于LTE 27dBm的輸出功率，PAE的不彰是顯而易見的。綜上所述，多模多頻融合模式的功率放大器，在工作于不同模式下有著性能上的差異，無法達到多模工作時功率附加效益的優化設計。

另一種混合模式功率放大器(Hybrid-Mode PA)的方案架構可參考圖3，雖然稍有增加PCB大小與功率放大器的數量，不過，若能改進融合模式功率放大器耗能的缺點，也將會是另一種考慮合理性價比的設計。

圖3、混合模式功率放大器組成的多模多頻射頻前端架構

混合模式的多模多頻功率放大器，是依其頻段與線性度(2G/2.5G或4G LTE)的規格要求，區分成四路功率放大路徑，兩路的功率放大器提供2G/2.5G的高頻段(High Band)與低頻段(Low Band)使用，另兩路的功率放大器提供3G/4G LTE的高頻段與低頻段使用。四路的功率放大器可以分別依其工作的頻段與線性度的不同，進行功率電晶體尺寸與匹配電路的優化設計。

混合模式功率放大器的多模多頻射頻其端架構，就射頻性能而言，優于融合模式功率放大器組成的射頻前端架構，也可以與單模功率放大器組成的射頻前端架構性能相當。就PCB面積大小而言，卻也須要適度增加功率放大器芯片的大小與PCB的面積，不過，隨著系統芯片封裝微型化技術演進，有限面積增加已是市場上的趨勢。

多頻多模整合需求　PA設計面臨挑戰

不論融合式的功率放大器或是混合模式的功率放大器，其設計的挑戰皆來自于多模多頻的整合需求，性能要符合多模多頻的要求，其規格也要媲美并取代單模的功率放大器，同時還要達到縮小體積、降低模組價格與提升量產良率的目的。

在維持相同增益、線性度、輸出功率與雜信抑制的條件下，多模多頻功率放大器的設計挑戰就是功率附加效益的優化設計，換言之，就是降低電流的消耗，增加手機通話的時間。在符合鄰近頻道泄漏(Adjacent Channel Leakage Ratio, ACLR)與誤差矢量大小(Error Vector Magnitude, EVM)的線性度情況下，功率放大器的輸出級電晶體尺寸大小與負載阻抗的優化，是以達到最大的輸出線性功率與最好的PAE為目標。但是當功率放大器操作在低功率或PAPR高的數位調變情況下，由于輸出功率的輸出倒退(Output Back-Off, OBO)，造成PAE的急速下降。

LTE相對于2G/3G高PAPR的信號本質(4G/LTE上行的PAPR約6.0?8.0dB)，對功率放大器之設計，有著PAE的效率問題。近代數位調變的技術將更多的資料壓縮在一頻道上傳送，導致信號波幅(Waveform)的波峰因數(Crest Factors)或稱PAPR增加，也使得電源因應信號波幅動態調整的封包追蹤成為一項重要的節能技術。封包追蹤電源供應(ET Power Supply, ETPS)是高速高頻寬的動態電源技術(圖4)，追蹤輸入射頻信號的波幅，即時提供功率放大器的電源電壓，偏壓于接近飽和的工作區，提升功率放大器的PAE。

圖4、ETPS方塊圖

ETPS之工作原理為調變功率放大器之供電端，使其工作電壓即時地跟隨輸入射頻信號之波幅變動，以避免不必要的功耗。ETPS在架構上的組成通常包含線性式電源供應器(Linear-Mode Power Supply, LPS)、電流傳感(Current Sensor, CS)與交換式電源供應器(Switch-Mode Power Supply, SPS)。LPS是追蹤輸入射頻信號的波幅，提供電源電壓與電流。當CS檢測出高波幅時，會切換至SPS提供大電壓與電流(圖5)。ET的設計挑戰是具有二至三倍的信號波道的頻寬能力，精確地追蹤射頻信號的波幅，同時不產生失真，在高峰值功率輸出與高動態變化的調變信號下，能夠不增加雜信，并且能維持80%的電源轉換效率。

圖5、ETPS電源電壓輸出波形

新一代的智能型手機配備Wi-Fi/802.11ac，使得網絡飆速能力與日俱增，提供串流影音(Video Streaming)與家庭劇院等多媒體的無線應用，帶給人們即時的視覺享受與便利。802.11ac的1.3Gbit/s高速傳輸資料量為802.11n的三至四倍，而其80MHz/160MHz高頻寬與1.8%誤差矢量大小的高線性度需求，也是設計高效率功率放大器的挑戰。記憶效應(Memory Effect)的抑制、動態輸入振幅對輸出振幅(AM/AM)與輸入振幅對相位差(AMP/PM)的非線性效應、雜信泄漏與移動通信的相互干擾、靜電、過載與突波保護等相關設計，也是功率放大器的重要議題。

突破射頻前端設計桎梏　串聯數位控制接口成標準

在2G或3G傳統手機之射頻前端模組的控制功能，如通信模式/頻道的選擇、射頻組件的啟動或關閉、類比偏壓的調整等，大多使用并聯的通用輸入輸出(GPIO)接口，但在LTE多模多頻的射頻前端架構下，隨著使用頻段與功率放大器的數量增加，數位控制的接口也由并聯的GPIO方式轉變成串聯的數位控制接口。

串聯的數位控制界面可以使用固定的輸入/輸出(I/O)控制腳，對于不同頻段/模式，或者是功率放大器數量的組合，有著相同的控制功能。近期業界在手機的射頻或類比系統的I/O界面上，也定義移動產業處理器界面(MIPI)的串聯，此一串聯接口的協定，減少了I/O控制的數量與復雜度，也使PCB設計的再利用性提高，因此，逐漸成為手機多模多頻射頻前端的標準I/O界面。

物聯網大勢將至　創新智慧運用推陳出新

面臨物聯網時代的到來，各行各業莫不積極投入創新技術的研發，其中，由無線射頻識別(RFID)、傳感組件、無線傳感網絡(WSN)、潛入智慧及云端運算至智能型的創新應用，皆帶來極大的想象空間與希望。

物聯網創新的智慧應用，在高速4G/LTE移動通信與無線網絡Wi-Fi/802.11ac的基礎建設下，意味著大量資料在M2M與無線網絡世界里可靠的傳遞。