LTE/11ac引领潮流　手机射频前端设计翻新

的趋势。

多频多模整合需求　PA设计面临挑战

不论融合式的功率放大器或是混合模式的功率放大器，其设计的挑战皆来自于多模多频的整合需求，性能要符合多模多频的要求，其规格也要媲美并取代单模的功率放大器，同时还要达到缩小体积、降低模组价格与提升量产良率的目的。

在 维持相同增益、线性度、输出功率与杂讯抑制的条件下，多模多频功率放大器的设计挑战就是功率附加效益的优化设计，换言之，就是降低电流的消耗，增加手机通 话的时间。在符合邻近频道泄漏(Adjacent Channel Leakage Ratio, ACLR)与误差向量大小(Error Vector Magnitude, EVM)的线性度情况下，功率放大器的输出级电晶体尺寸大小与负载阻抗的优化，是以达到最大的输出线性功率与最好的PAE为目标。但是当功率放大器操作在 低功率或PAPR高的数位调变情况下，由于输出功率的输出倒退(Output Back-Off, OBO)，造成PAE的急速下降。

LTE 相对于2G/3G高PAPR的讯号本质(4G/LTE上行的PAPR约6.0?8.0dB)，对功率放大器之设计，有着PAE的效率问题。近代数位调变的 技术将更多的资料压缩在一频道上传送，导致讯号波幅(Waveform)的波峰因数(Crest Factors)或称PAPR增加，也使得电源因应讯号波幅动态调整的封包追踪成为一项重要的节能技术。封包追踪电源供应(ET Power Supply, ETPS)是高速高频宽的动态电源技术(图4)，追踪输入射频讯号的波幅，即时提供功率放大器的电源电压，偏压于接近饱和的工作区，提升功率放大器的 PAE。

图4　ETPS方块图

ETPS 之工作原理为调变功率放大器之供电端，使其工作电压即时地跟随输入射频讯号之波幅变动，以避免不必要的功耗。ETPS在架构上的组成通常包含线性式电源供 应器(Linear-Mode Power Supply, LPS)、电流感测(Current Sensor, CS)与交换式电源供应器(Switch-Mode Power Supply, SPS)。LPS是追踪输入射频讯号的波幅，提供电源电压与电流。当CS检测出高波幅时，会切换至SPS提供大电压与电流(图5)。ET的设计挑战是具有 二至三倍的讯号波道的频宽能力，精确地追踪射频讯号的波幅，同时不产生失真，在高峰值功率输出与高动态变化的调变讯号下，能够不增加杂讯，并且能维持 80%的电源转换效率。

图5　ETPS电源电压输出波形

新 一代的智慧型手机配备Wi-Fi/802.11ac，使得网路飙速能力与日俱增，提供串流影音(Video Streaming)与家庭剧院等多媒体的无线应用，带给人们即时的视觉享受与便利。802.11ac的1.3Gbit/s高速传输资料量为 802.11n的三至四倍，而其80MHz/160MHz高频宽与1.8%误差向量大小的高线性度需求，也是设计高效率功率放大器的挑战。记忆效应 (Memory Effect)的抑制、动态输入振幅对输出振幅(AM/AM)与输入振幅对相位差(AMP/PM)的非线性效应、杂讯泄漏与行动通讯的相互干扰、静电、过 载与突波保护等相关设计，也是功率放大器的重要议题。

突破射频前端设计桎梏　串联数位控制介面成标准

在2G或3G 传统手机之射频前端模组的控制功能，如通讯模式/频道的选择、射频元件的启动或关闭、类比偏压的调整等，大多使用并联的通用输入输出(GPIO)介面，但 在LTE多模多频的射频前端架构下，随着使用频段与功率放大器的数量增加，数位控制的介面也由并联的GPIO方式转变成串联的数位控制介面。

串 联的数位控制介面可以使用固定的输入/输出(I/O)控制脚，对于不同频段/模式，或者是功率放大器数量的组合，有着相同的控制功能。近期业界在手机的射 频或类比系统的I/O介面上，也定义行动产业处理器介面(MIPI)的串联，此一串联介面的协定，减少了I/O控制的数量与复杂度，也使PCB设计的再利 用性提高，因此，逐渐成为手机多模多频射频前端的标准I/O介面。

物联网大势将至　创新智慧运用推陈出新

面临物联网世代的到来，各行各业莫不积极投入创新技术的研发，其中，由无线射频识别(RFID)、感测元件、无线感测网路(WSN)、潜入智慧及云端运算至智慧型的创新应用，皆带来极大的想像空间与希望。

物联网创新的智慧应用，在高速4G/LTE行动通讯与无线网路Wi-Fi/802.11ac的基础建设下，意味着大量资料在M2M与无线网路世界里可靠的传递。