物聯(lián)網(wǎng)（IoT）帶動的議題持續(xù)在國內(nèi)外各種正式與非正式的場合發(fā)燒，人們對無所不在的智能產(chǎn)品，或所謂智能的應(yīng)用注入更多的想像空間。近年來，在市場規(guī)模飽和的壓力下，各行各業(yè)隨時都抱持著下一代嵌入式智能（Embedded Intelligence）產(chǎn)品能早日到來的希望。

　　現(xiàn)今，任何物體只要冠上「智能」，人們便會趨之若鶩。智能的物體（Smart Object）在物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)上，即指人們可以在任何時間、任何地方使用智能的產(chǎn)品，并享用智能的成果。當(dāng)具性價比的智能產(chǎn)品改變?nèi)藗兊纳?，甚至依賴它時，市場規(guī)模的巨大成長便是可預(yù)期的，這也是物聯(lián)網(wǎng)上、中、下游廠商戮力研發(fā)追求成長的基石。

　　物聯(lián)網(wǎng)的智能元素，來自于機器對機器 （Machine to Machine， M2M）的自動溝通，以及大量資訊的無線傳遞和網(wǎng)路運算，由事件的起源直至事件成果的聰明呈現(xiàn)，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，以及大量資訊的傳遞與云端的資料運算，都必須仰賴可靠的基礎(chǔ)建設(shè)，才得以即時、無誤地完成介面轉(zhuǎn)換與資訊分配。

　　現(xiàn)階段支援3G/4G長程演進計劃（Long Term Evolution， LTE）、無線區(qū)域網(wǎng)路（Wi-Fi）/802.11ac等基礎(chǔ)建設(shè)，并符合無線通訊標(biāo)準(zhǔn)的終端產(chǎn)品，有智能型手機、穿戴式裝置、無線網(wǎng)卡與智能家庭產(chǎn)品等，這些產(chǎn)品也將隨物聯(lián)網(wǎng)高速、高頻寬、高效益的本質(zhì)需求，注入技術(shù)創(chuàng)新與智能化功能的挑戰(zhàn)與愿景。

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

　　達成全球無縫連接　手機支持多模/多頻成關(guān)鍵

　　LTE 與Wi-Fi/802.11ac的標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)格，使得結(jié)合智能型手機的相關(guān)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，成為消費市場最可預(yù)見的曙光。內(nèi)建4G LTE與802.11ac標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)格的智能型手機，其無縫連接（Seamless Connectivity）可支持物聯(lián)網(wǎng)全域網(wǎng)（Ubiquitous Networks）的基本特征，同時提供寬頻影音與即時控制的智能化個人與家庭相關(guān)應(yīng)用。

　　4G LTE的建議頻率多達四十四個，依據(jù)國情不同，使用頻段也各有差異，又為了與過去傳統(tǒng)的3G與全球行動通訊系統(tǒng)（GSM）互相通聯(lián)，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(gòu)，已成為手機射頻前端的關(guān)鍵技術(shù)。

　　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(shù)位調(diào)變技術(shù)來達到高傳輸速度的需求，已是目前LTE與Wi-Fi/802.11ac空中介面（Air Interface）的標(biāo)準(zhǔn)。但這樣的技術(shù)將會衍生出劣化訊號的峰均功率比（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(huán)保意識的提升，以及人們對手機使用時間增長的要求下，降低射頻前端元件功耗的封包追蹤（Envelop Tracking， ET）技術(shù)，也已成為新一代智能型手機的關(guān)鍵指標(biāo)。

　　在LTE行動通訊與Wi-Fi/802.11ac無線網(wǎng)路的引領(lǐng)下，翻新的多模多頻射頻前端設(shè)計，將帶動智能型手機與相關(guān)的可穿戴式裝置，更貼近物聯(lián)網(wǎng)的智能物件與智能終端產(chǎn)品。

　　多模多頻的射頻前端需求

　　支援無國界漫游的LTE智能型手機，加以考量功耗與精巧外型，那么多頻多模的射頻前端設(shè)計便是唯一的選項。放眼全球射頻前端元件制造商，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(guān)產(chǎn)品研發(fā)時，皆以支持多模多頻的設(shè)計為目標(biāo)。

　　綜觀而言，4G/LTE智能型手機支援五模，分別為分頻多工（Frequency-division Duplex， FDD）-LTE、分時多工（Time-division Duplex， TDD）-LTE、分時同步分碼多重存?。?a href="http://www.brongaenegriffin.com/soft/data/43-47/" target="_blank">TD-SCDMA）、寬頻分碼多重存?。?a href="http://www.brongaenegriffin.com/soft/data/43-48/" target="_blank">WCDMA）與GSM，此外，多頻（由使用地區(qū)與營運商的運轉(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)協(xié)會（European Telecommunications Standards Institute， ETSI）在技術(shù)文件3GPP TS 36.101中，定義支援4G/LTE四十四個頻段范圍，其中頻段（Band）1？32為分頻多工、頻段33？44為分時多工，詳細(xì)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行動通訊LTE相關(guān)之射頻元件，如天線開關(guān)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(wǎng)路Wi-Fi/802.11ac及全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（Global Position System， GPS）相關(guān)之射頻前端元件。顯而易見地，射頻前端元件中功率放大器的創(chuàng)新設(shè)計，直接牽動著手機射頻前端的細(xì)部架構(gòu)。

　　功率放大器由支援2G行動通訊的固定封包（Constant Envelop）單一模式功能的分離器件，演進至提供支援2.5G行動通訊的50Ω輸入輸出介面的四頻段（Quad-band）（GSM/通用分組無線業(yè)務(wù)（GPRS）/GSM增強速率演進（EDGE））功率放大器芯片模組，再由支援3G行動通訊單模的線性功率放大器，進一步演化提供LTE的空中介面、并向下相容與支援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(gòu)

　　近年來，射頻前端模組供應(yīng)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(tǒng)芯片商之平臺設(shè)計參考，或原始設(shè)計制造商（ODM）之客制化建議?；旧?，多模多頻功率放大器依其支援的通訊模式，可以區(qū)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量。

　　支援GSM/GPRS/EDGE四頻段（800/900MHz與1800/1900MHz）的功率放大器，與支援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(gòu)，主要由天線開關(guān)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，可支援五模十三頻（表2）全球漫游功能。這種單模單頻的功率放大器，因?qū)μ囟ǖ念l段與負(fù)載阻抗（Load-line）有著最佳化的設(shè)計，因此在既定規(guī)格的發(fā)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(fā)射性能，但因其功率放大器的數(shù)量隨使用頻段增加，又不同地區(qū)須使用不同數(shù)量的功率放大器，再加上印刷電路板面積大、布線復(fù)雜且無法一版通用，因此造成手機設(shè)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訊模式的設(shè)計。由融合模式功率放大器組成的射頻前端架構(gòu)，將進一步減少功率放大器的使用數(shù)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(gòu)，其除能有效降低手機成本與PCB 布線復(fù)雜度外，共用的PCB設(shè)計還可以縮短新款手機的研發(fā)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(gòu)

　　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(shè)計上無法最佳化的缺點。2G/2.5G的最小移頻鍵控（GMSK）訊號特征是固定封包，4G/LTE 的16正交振幅調(diào)變（QAM）的訊號特征非固定封包（Non-constant Envelope），兩者在功率放大器的偏壓工作點、負(fù)載阻抗與匹配電路的設(shè)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最佳化設(shè)計。

　　另一種混合模式功率放大器（Hybrid-Mode PA）的方案架構(gòu)可參考圖3，雖然稍有增加PCB大小與功率放大器的數(shù)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(shè)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(gòu)

　　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(guī)格要求，區(qū)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最佳化設(shè)計。

　　混合模式功率放大器的多模多頻射頻其端架構(gòu)，就射頻性能而言，優(yōu)于融合模式功率放大器組成的射頻前端架構(gòu)，也可以與單模功率放大器組成的射頻前端架構(gòu)性能相當(dāng)。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(tǒng)芯片封裝微型化技術(shù)演進，有限面積增加已是市場上的趨勢。