CA技術推動 RF元件走向高整合/MIPI設計

2021-01-20

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射頻前端天線開關(Switch)、低雜訊放大器(LNA)模組整合度躍升。

載波聚合(CA)已成新一代LTE系統不可或缺的重要技術，而為達到同時聚合二到四組不同頻段的目的，併兼顧成本、效能及元件尺寸考量，高整合度且採行動產業處理器介面(MIPI)的天線開關、低雜訊放大器模組重要性已與日俱增。

英飛凌射頻及保護元件/電源管理及多元電子事業處協理麥正奇(右)表示，載波聚合技術的應用趨勢將帶動射頻前端元件設計朝高整合方向邁進。

左為英飛凌電源管理及多元電子事業處經理黃正宇。

英飛凌(Infineon)射頻及保護元件/電源管理及多元電子事業處協理麥正奇表示，過去3G時代全球採用的頻段數量約二十多個，如今邁入LTE時代，電信商採用的頻段數量總計上看四十個，且還須兼顧4G對3G系統的向下相容性，讓行動通訊系統的設計更趨複雜，因此主天線、分集天線(Diversity Antenna)、天線開關、天線調諧開關及低雜訊放大器等射頻元件用量都將大幅增加。

以高階LTE智慧型手機為例，其支援頻段數量約十二到十六個，為符合同時於多頻段運作的需求，該裝置可能須分別由三組高/中/低頻應用的主天線、三組分集天線、一到三組不等的天線開關/天線調諧開關/低雜訊放大器等元件，構成射頻前端系統。

即便是中低階智慧型手機，為了增加行動通訊系統的靈敏度及線性度，採用主天線以外的分集天線設計及增加天線開關、天線調諧開關的用量，亦已成了勢不可當的潮流。

麥正奇進一步指出，除了LTE衍生出的多頻多模需求導致射頻元件用量增加之外，另一個值得關注的重點，就是因應LTE-A及FDD/TDD-LTE融合組網而生的載波聚合技術趨勢，亦將為射頻前端系統設計帶來新的挑戰;如當天線須同時接收二到四組不同聚合頻段的LTE訊號時，要如何讓開關切換到正確的對應頻段，並讓天線調諧器調整到最準確的匹配電路以優化天線效能，並簡化複雜的走線數量，就成了嚴峻的設計考驗。

事實上，高整合度的射頻前端方案，已成載波聚合應用趨勢下的重要解方。

英飛凌電源管理及多元電子事業處經理黃正宇表示，射頻前端系統的配置方式會隨著終端應用市場、成本、電池大小、擺放設計等考量而呈現多種風貌，不過，通常高整合度的封裝方案將更能符合載波聚合的需求，例如將兩個天線開關封裝於同一模組內，比分離式設計方案，可以更小的尺寸同時對應到兩組天線，而模組內的兩個天線開關則采獨立運作，並同時輸出兩個不同聚合頻段的訊號至後端的數據機模組。

另一方面，高整合的低雜訊放大器模組亦為大勢所趨，如英飛凌的低雜訊放大器模組目前即能整合至多四個LTE頻段，以符合載波聚合的應用需求;此外，近日市場上首款LNA多工器模組(LNA Multiplexer Module, LMM)亦已面世，該模組整合一顆低雜訊放大器及天線開關，以更小的封裝方案媲美三頻低雜訊放大器的效能，更捨棄通用型輸入輸出(GPIO)介面設計，改採MIPI介面，因而可大幅減少系統繞線數量。

黃正宇分析，隨著載波聚合時代的來臨，射頻前端系統設計複雜度隨之攀升，亦將加速MIPI介面成為射頻前端系統的主流。

他透露，過去每個射頻元件須透過三條走線以形成GPIO的控制介面，換言之，若射頻前端系統有八個天線開關，則至少須設計八組GPIO介面;而MIPI介面則只須一組走線，即可相容於所有射頻元件，不僅能減少I/O介面及接腳(Pin)數量，亦讓PCB繞線更容易，也因此現今許多射頻元件商已加速開發MIPI介面方案，以進一步簡化載波聚合射頻前端系統設計複雜度。