隨著網絡的普及，集Wi-Fi、藍牙、GPS等射頻模塊于一身的移動設備更加常見。對此，為了滿足便攜設備更輕巧的需求，并整合多種射頻無線模塊，催生了天線整合于芯片技術，通過此技術，將可加速實現數字家庭生活。

人們對于網絡的依賴程度日益提高，發展出越來越多移動上網設備。先前消費者主要通過個人計算機(PC)、筆記本電腦或手機上網，演變至今，蘋果(Apple)的iPhone、iPad，與電子書(E-reader)、智能型手機等移動上網設備在市場各領風騷時，其背后傳遞出來的信息是：消費者十分在意且對于網絡信息的取得和網絡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備內建的無線局域網絡(Wi-Fi)、3G和全球衛星定位系統(GPS)等射頻(RF)無線模塊(RF SiP Module)或RF系統封裝組件(RF SiP Component)，也就是移動上網設備須整合以上聯網技術，并加入其他附屬條件，方可實現多重功能性。

移動設備多功能化SiP組件不可少

擁有前述內建組件的移動設備產品在現今來說并非少數，在手機、數字相機及其他可即插即用的移動設備中，內建Wi-Fi、藍牙(Bluetooth)和GPS導航系統已是必然的趨勢，目前在市場上所供應的這些RF無線設備，就外觀格式可分為RF無線模塊和RF系統級封裝組件。

一般來說，RF無線模塊(圖1)其主要設計方向是采用已封裝完成之球柵數組(BGA)IC，搭配標準之表面黏著組件(SMD)組件并設計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模式的產品有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)來設計，同樣是搭配標準SMD組件設計或使用嵌入式組件，最后再將成品封裝成單顆BGA/柵格數組(LGA)形狀的IC，其外觀尺寸介于8mm×8mm×1.5mm至12mm×12mm×1.5mm之間，供終端系統用戶設計應用。

圖2 RF系統封裝組件

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

多重天線與有限空間陷入兩難

RF系統級封裝組件或是RF無線模塊的設計，其RF電路方塊圖都如圖3，通常的設計是在和天線的接口上留一50Ω的接腳，讓系統設計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系統封裝組件

例如接收發射頻率偏移、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廠商必須設置RF相關部門來解決，進而增加相關成本和延誤產品上市時間。所以如何提供完整的RF SiP解決方案是RF SiP設計廠商必須面對的問題。

一般天線的設計步驟如圖4所示。天線的設計從應用需求、初步規格及形狀尺寸的確定，進入電磁仿真軟件的反復仿真和修正，然后再依據仿真結果去實際制作天線，經過網絡分析儀測試其阻抗和返回損失后，再送到無反射實驗室測量其電磁場形和增益等相關數據，最后才完成符合規格需求的天線，這樣的設計所需花費的時程約150天，如果再加上電磁仿真軟件(約新臺幣500萬元)和網絡分析儀等相關儀器(約新臺幣300萬元)的投資，其基本的成本費用將超過新臺幣1,000萬元以上，更別說加上高頻無反射實驗室的設置和購買相關儀器設備，將使其投資成本呈倍數增加。

圖4 天線的設計步驟

一般來說，將天線整合至手持移動設備內，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格而已，而是和其周圍的凈空區和接地面積的大小成正比。這樣的設計限制對于手持移動設備(如手機、數字相機等)的設計者而言，是件艱難的任務。更有甚者，當IEEE 802.11n這類多重輸入多重輸出(MIMO)的多天線系統更為盛行時，如何在產品內整合多支天線及釋放出足夠的空間給這些天線使用，在在考驗產品設計工程師的智能。

將天線整合于芯片有助優化信號接收力

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，能接收天空衛星送下來的信號強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的設計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計外，此天線還具有優秀的方向特性和增益特性，可以接收天空衛星傳送的微弱信號，使得GPS系統能獲得足夠的信號信息來解出正確的坐標位置。 而將天線整合于芯片的設計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，使系統產品的設計有更多之空間利用率。

RF SiP再進化開發時間大幅縮短

這次實驗所使用之天線是12mm×12mm×3.5mm的陶瓷平板天線，其用網絡分析儀測量之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。就實際測量其載波噪聲比(C/N)比數據來看，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(Hot Start)、冷啟動(Cold Start)、熱啟動(Warm Start)的時間都在可接受的范圍內(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 實際測量的C/N比數據

根據以上的實測數據，天線整合于芯片是RF SiP的具整體解決方案之一，可讓系統廠商不用煩惱對使用RF無線模塊或是RF系統級封裝組件在天線上所遭遇到的設計問題，而可以專心去發展他們本身的核心技術。

Google TV添動能數位生活唾手可得

2010年5月中Google發布Google TV，并期望Google TV能夠成為家庭的數字娛樂中心，讓用戶可以快速上網瀏覽數據，通過顯示在電視上的搜尋列，搜尋節目或YouTube等網站上的內容。

以上操作都只須按個鈕即可在電視上完成。這代表著家電系統廠也必須面對這網絡信息爆炸的浪潮，其相關產品必然要和網絡鏈接在一起，而這也正是數字智能家庭生活的趨勢。

移動上網設備須整合射頻無線模塊或系統封裝組件等諸多聯網技術，并加入其他附屬條件，方可實現多重功能性。從數字生活網絡聯盟(DLNA)的推廣到Google TV的誕生，預示著數字智能家庭生活已經是觸手可及，而對于數字智能家庭生活的實現，使用天線整合于芯片的RF SiP為快速導入市場及節約成本的新選擇。

作者：蒲震偉，鉅景科技