对症下药克服讯号共存挑战射频SiP模块迈向多频多模

对症下药对症下药对症下药对症下药克服克服克服克服讯号共存挑战讯号共存挑战讯号共存挑战讯号共存挑战射频射频射频射频SiP模块迈向多频多模模块迈向多频多模模块迈向多频多模模块迈向多频多模新通讯2009年7月号101期文．黄忠谔/陈圣文面对日新月异的可携式产品，由于研发团队所能使用的产品开发时程越来越短，以系统级封装(SysteminPackage,SiP)技术包装的射频模块，可在如芯片大小般的空间内提供多系统高整合度的多频多模射频通讯功能，且组装方式如同使用集成电路组件般简单方便，又易于反复测试，因此近来在市场上获得普遍欢迎。除了协助硬件设计工程师简化开发工作外，通常开发射频SiP模块产品的公司都拥有精良的软硬件、射频电路设计与测试的研发支持团队，为客户解决扰人的射频电路设计与软件撰写控制等技术问题，因此就软件面而言，采用SiP模块来开发终端产品，亦有助于节省软件开发的时间。因此，SiP模块解决方案已经成为协助终端产品制造商解决开发时间挑战的一帖良药。射频SiP模块封装技术本身亦不断有所突破，如无线局域网络(WLAN)、蓝牙(Bluetooth)、全球卫星定位系统(GPS)和DVB-H行动电视接收等功能，在早期仅能以一个封装将单一功能与其配套的周边电路整合起来，到现在已能在同一封装内整合不同技术。可以预见，随着人们对便携式产品的通讯传输能力的要求越来越高，以及产品设计周期日益缩短的情况加剧，便携式电子产业对SiP解决方案的依赖将会持续提升，因此未来市面上将可见到拥有更多不同频段与不同功能的射频技术整合在一颗SiP内的产品上市。讯号共存为射频模块开发首要关卡讯号共存为射频模块开发首要关卡讯号共存为射频模块开发首要关卡讯号共存为射频模块开发首要关卡虽然市场上对整合多系统的射频SiP需求有增无减，但对于SiP模块供货商而言，射频讯号彼此间的干扰却是无可回避的整合挑战。以最常见的WLAN与蓝牙Combo模块为例，两者都在2.4GHz频段操作，且两种射频传输技术在手持式产品中的普及率也很高，因此这两种无线通信技术间的干扰问题也最为严重。SiP模块供货商如何让WLAN和蓝牙的射频讯号能够有效地共存，就显得相当重要。除了共享通讯频段所带来的干扰问题外，在可携式产品上，产品制造商为了追求系统尺寸小型化，通常会采用WLAN和蓝牙共天线的设计，这也会带来天线使用优先权的问题，例如当蓝牙功能开启时，将会影响WLAN数据的传输量。从整个系统的层次来看，射频SiP模块供货商除了必须注意到同一个模块上的不同射频讯号互相干扰的问题外，射频SiP模块上的讯号与手持式产品上原有的行动通讯讯号彼此共存性的问题也必须予以关注。因此，射频SiP模块的讯号共存问题，实际上应分为模块内与系统级两个层次来探讨。本文第一个部分将针对同一颗射频SiP模块上的多种通讯技术如何实现讯号共存进行探讨，首先介绍最基本蓝牙跳频技术，接着介绍不同的射频前端(RFFrontEnd)电路设计以及韧体控制方式来有效使用射频SiP模块，使其提供良好的射频讯号的共存性，让不同功能的射频讯号皆能正常操作。本文第二个部分更进一步针对射频模块讯号与行动通讯讯号彼此共存性的问题进行讨论，并试图从天线隔离度设计与带通滤波器(BandPassFilter)的选择来提供解答。跳频技术奠定讯号共存基础跳频技术奠定讯号共存基础跳频技术奠定讯号共存基础跳频技术奠定讯号共存基础虽然多频多模射频SiP模块种类相当多，依实际应用与客户需求有不同的搭配，但实现射频讯号共存的做法可一以贯之，因此本文先以使用相同的2.4GHz的WLAN加蓝牙的射频SiP模块为例，简单介绍几个有助于实现讯号共存目标的机制。事实上，早在蓝牙1.2版问世之际，蓝牙芯片制造商就开始在芯片中实作自适应性跳频功能(ＡＦH），以提升蓝牙讯号对同频干扰的抵抗能力，例如当蓝牙芯片侦测到干扰讯号或是发现附近有WLAN讯号存在时，就会自动跳到其他闲置的频段，以避免讯号互相干扰的情况发生。这种机制就是目前业界最基本的射频讯号共存实作方式。天线共享势在必行天线共享势在必行天线共享势在必行天线共享势在必行纯纯纯纯RF开关开关开关开关/搭配耦合器各有拥护者搭配耦合器各有拥护者搭配耦合器各有拥护者搭配耦合器各有拥护者射频SiP模块搭配射频开关(RFSwitch)来实现天线共享，是目前双模产品最常见的设计方式。从早期两颗SiP模块外部加上一颗单刀双掷(SPDT)开关的共天线设计(图1a)，目前已经进化到将一单刀三掷开关(SP3T)与WLAN、蓝牙芯片共同整合封装在同一颗SiP内(图1b)的程度。近来由于单芯片双模解决方案的流行，也有些设计是以单芯片搭配SP3T开关整合封装在同一颗SiP内的设计方式(图1c)。图1以射频开关方式实现天线共享此类射频前端电路设计结构相当简单易懂，但是实际应用上须搭配韧体进行有效的开关控制，并搭配3WBT-Coex的讯号接口，来安排WLAN和蓝牙的优先权与共存性。若芯片与模块上对韧体控制开关不够有效率，最常发生的问题是在蓝牙持续处于传输(TX)与接收(RX)的状态下，导致WLAＮ长时间无法进行接收(RX)的动作，造成与无线基地台(AP)断线，因此此类设计必须在韧体开发方面花费较多心力。相较于纯粹使用射频开关来实现天线共享必须投注大量心力在韧体开发，使用耦合器(Coupler)和射频开关来设计单天线结构即可用纯硬件的方式来解决天线共享问题，降低韧体开发的复杂性与困难度，并有效提高两种系统皆在工作时，WLAN传输与接收的能力。目前业界有一种设计方式如图2，此方式是将蓝牙的TX/RX与WLANRX经由耦合器连接到单刀双掷开关，此法比图1a所示的架构好一些，但蓝牙TX会因为经过耦合器而产生功率损耗，影响传输距离。另外一种方式如图3，是利用单刀三掷开关外加耦合器，此法让蓝牙的TX单独走一路，因此蓝牙功率与传输距离不会被牺牲，但相对来说，WLAN和蓝牙的RX会因为经过耦合器而产生一些功率耗损。若用户对RX接收能力有特别的要求，可以在这条路径上外加低噪声功率放大器(LowNoiseAmplifier,LNA)来增加接收能力。图2以单刀双掷开关加耦合器方式设计单天线结构图3以单刀三掷开关加耦合器方式设计单天线结构天线隔离天线隔离天线隔离天线隔离/带通滤波器实现系统级讯号共存带通滤波器实现系统级讯号共存带通滤波器实现系统级讯号共存带通滤波器实现系统级讯号共存射频SiP模块主要的产品应用就是在手持式产品上，因此与现有不同频段的行动通讯讯号共存亦为不可避免的设计目标。目前利用射频SiP技术整合的模块可支持的通讯技术有WLAN、蓝牙、GPS等，行动套接字则主要是各种使用不同频段的蜂巢网络技术。对设计者而言，最重要的两项设计重点为天线的隔离度(Isolation)与带通滤波器的挑选。图4可以说明行动通讯讯号与WLAN和蓝牙讯号的操作频段及其最大输出功率；在天线设计方面，每个讯号源所使用的天线与其他天线之间至少要必须设计有15dBm以上的隔离度，以减少射频讯号彼此间的干扰。图4行动通讯射频讯号操作频段与最大输出功率从图5可看出GSM、数字通讯系统(DCS)、个人通讯服务(PCS)等行动通讯讯号与WLAN和蓝牙2.4GHz的操作频率较远，虽然谐波(Harmonic)效应可能仍会造成干扰，但可由行动通讯讯号端的表面声波滤波器(SAWFilter)或射频SiP模块端的带通滤波器处理。但如果手持式装置所使用的行动通讯系统是WCDMA，由于其操作频率与WLAN和蓝牙非常接近，且最大输出也远大于WLAN和蓝牙，所以最容易影响双模射频SiP模块的讯号。图5在WCDMA频段有较大抑制的带通滤波器S21模拟图图5为一针对WCDMA频段有较大抑制的带通滤波器S21模拟图，此滤波器针对2.1GHz可高达-44dBm的抑制；但相对的，因为滤波器旁带设计较为陡峭，在2.4GHz的带通部分会比一般滤波器多出1.5～2dBm的插入耗损(InsertionLoss)，使得WLAN和蓝牙传输与接收能力降低。因此笔者建议，如果不须考虑与WCDMA频段讯号的共存，通常应避免选用这类滤波器。提升共存机制运作效率将成重大工程挑战提升共存机制运作效率将成重大工程挑战提升共存机制运作效率将成重大工程挑战提升共存机制运作效率将成重大工程挑战在同一个射频SiP模块上整合更多频段讯号已经是必然的趋势，除了现有的WLAN+蓝牙或WLAN+蓝牙＋GPS外，未来WiMAX也很有可能被纳入射频SiP模块中。如何寻求更好更有效率与更佳的共存性设计，将是开发射频模块的工程师最大的挑战。(本文作者任职于海华科技)