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移动设备多功能化催生芯片整合天线

2013-04-07 来源：微波射频社区字号：大中小

随着网络的普及，集Wi-Fi、蓝牙、GPS等射频模块于一身的移动设备更加常见。对此，为了满足便携设备更轻巧的需求，并整合多种射频无线模块，催生了天线整合于芯片技术，通过此技术，将可加速实现数字家庭生活。

人们对于网络的依赖程度日益提高，发展出越来越多移动上网设备。先前消费者主要通过个人计算机(PC)、笔记本电脑或手机上网，演变至今，苹果(Apple)的iPhone、iPad，与电子书(E-reader)、智能型手机等移动上网设备在市场各领风骚时，其背后传递出来的信息是：消费者十分在意且对于网络信息的取得和网络人际间互动的方便性有所需求。

而这些信息的传送或交流主要是依赖移动设备内建的无线局域网络(Wi-Fi)、3G和全球卫星定位系统(GPS)等射频(RF)无线模块(RF SiP Module)或RF系统封装组件(RF SiP Component)，也就是移动上网设备须整合以上联网技术，并加入其他附属条件，方可实现多重功能性。

移动设备多功能化SiP组件不可少

拥有前述内建组件的移动设备产品在现今来说并非少数，在手机、数字相机及其他可即插即用的移动设备中，内建Wi-Fi、蓝牙(Bluetooth)和GPS导航系统已是必然的趋势，目前在市场上所供应的这些RF无线设备，就外观格式可分为RF无线模块和RF系统级封装组件。

一般来说，RF无线模块(图1)其主要设计方向是采用已封装完成之球栅数组(BGA)IC，搭配标准之表面黏着组件(SMD)组件并设计在类似邮票孔外型的基板上，其外观尺寸介于15mm×15mm×3mm至20mm×20mm×3mm之间，而对于隔离干扰和防止电磁干扰(EMI)的方式是采用金属隔离罩(Shielding Cover)，市场上以这种RF无线模块为主要生产模式的产品有Wi-Fi模块、GPS模块及无线遥控模块等。

图1 RF无线模块

至于RF系统封装(SiP)组件(图2)，则是采用晶圆级芯片尺寸封装(WLCSP)IC或是直接使用裸片(Die/Wafer)来设计，同样是搭配标准SMD组件设计或使用嵌入式组件，最后再将成品封装成单颗BGA/栅格数组(LGA)形状的IC，其外观尺寸介于8mm×8mm×1.5mm至12mm×12mm×1.5mm之间，供终端系统用户设计应用。

图2 RF系统封装组件

而在产品制造流程上，它就是一颗SMD组件，生产流程中产品容易上件。目前市场的主流产品有功率放大器(PA)SiP、射频前端模块(FEM)SiP、Wi-Fi SiP、GPS SiP等。其产品类别较多，应用面也比较广泛，虽然其研发设计难度相对复杂和困难，但终端系统用户在使用上却很方便。

多重天线与有限空间陷入两难

RF系统级封装组件或是RF无线模块的设计，其RF电路方块图都如图3，通常的设计是在和天线的接口上留一50Ω的接脚，让系统设计者自行决定天线的种类，或建议客户使用何种类型之天线，但这也常常造成RF SiP和天线间因50Ω阻抗的匹配问题，而使得RF SiP的特性因此大打折扣。

图3 RF系统封装组件

例如接收发射频率偏移、带宽不足、接收感度下降或是RF输出功率不够造成传输距离的不足等问题，而这些问题往往造成系统厂商必须设置RF相关部门来解决，进而增加相关成本和延误产品上市时间。所以如何提供完整的RF SiP解决方案是RF SiP设计厂商必须面对的问题。

一般天线的设计步骤如图4所示。天线的设计从应用需求、初步规格及形状尺寸的确定，进入电磁仿真软件的反复仿真和修正，然后再依据仿真结果去实际制作天线，经过网络分析仪测试其阻抗和返回损失后，再送到无反射实验室测量其电磁场形和增益等相关数据，最后才完成符合规格需求的天线，这样的设计所需花费的时程约150天，如果再加上电磁仿真软件(约新台币500万元)和网络分析仪等相关仪器(约新台币300万元)的投资，其基本的成本费用将超过新台币1,000万元以上，更别说加上高频无反射实验室的设置和购买相关仪器设备，将使其投资成本呈倍数增加。

图4 天线的设计步骤

一般来说，将天线整合至手持移动设备内，有着空间限制的问题。天线的整体特性并不是只看其本身的特性规格而已，而是和其周围的净空区和接地面积的大小成正比。这样的设计限制对于手持移动设备(如手机、数字相机等)的设计者而言，是件艰难的任务。更有甚者，当IEEE 802.11n这类多重输入多重输出(MIMO)的多天线系统更为盛行时，如何在产品内整合多支天线及释放出足够的空间给这些天线使用，在在考验产品设计工程师的智能。

将天线整合于芯片有助优化信号接收力

一般Wi-Fi/BT或是GPS等RF无线模块对天线的选用，不外乎是陶瓷平板天线(Ceramic Patch Antenna)(图5)、芯片天线(Chip Antenna)(图6)、陶瓷PIFA及印刷式天线(Printed Antenna)，这些天线各有其功能和特性，端看使用场所和应用来决定。

图5 陶瓷平版天线

图6 芯片天线

Wi-Fi无线模块会使用芯片天线与印刷式天线，主因是成本和体积小的考虑，而GPS系统使用的天线大部分是使用陶瓷平板天线，因其有良好的方向特性和较佳的增益特性，能接收天空卫星送下来的信号强度很微弱的右旋圆极化波(RHCP)信号。

在天线整合于芯片(Antenna on Chip) GPS SiP的设计上是使用可收右旋圆极化波(RHCP)的陶瓷平板天线直接放置在GPS SiP上，主要原因除了它是右旋圆极化波设计外，此天线还具有优秀的方向特性和增益特性，可以接收天空卫星传送的微弱信号，使得GPS系统能获得足够的信号信息来解出正确的坐标位置。而将天线整合于芯片的设计上的另外一个重要原因是可以大幅减低RF SiP所占用之主板面积，使系统产品的设计有更多之空间利用率。

RF SiP再进化开发时间大幅缩短

这次实验所使用之天线是12mm×12mm×3.5mm的陶瓷平板天线，其用网络分析仪测量之Return Loss(S11)，如图7所示，电磁场图显示可对照图8～10。而图11是天线整合于芯片GPS SiP的原型，尺寸是12mm×12mm×5mm，使用12mm×12mm×3.5mm的陶瓷平板天线。就实际测量其载波噪声比(C/N)比数据来看，天线整合于芯片GPS SiP的值是比将天线摆放在GPS SiP旁边差1～2分贝(dB)。但定位时间，如热开机(Hot Start)、冷启动(Cold Start)、热启动(Warm Start)的时间都在可接受的范围内(表1)。