物聯網（IoT）帶動的議題持續在國內外各種正式與非正式的場合發燒，人們對無所不在的智能產品，或所謂智能的應用注入更多的想像空間。近年來，在市場規模飽和的壓力下，各行各業隨時都抱持著下一代嵌入式智能（Embedded Intelligence）產品能早日到來的希望。

　　現今，任何物體只要冠上「智能」，人們便會趨之若鶩。智能的物體（Smart Object）在物聯網的架構上，即指人們可以在任何時間、任何地方使用智能的產品，并享用智能的成果。當具性價比的智能產品改變人們的生活，甚至依賴它時，市場規模的巨大成長便是可預期的，這也是物聯網上、中、下游廠商戮力研發追求成長的基石。

　　物聯網的智能元素，來自于機器對機器 （Machine to Machine， M2M）的自動溝通，以及大量資訊的無線傳遞和網路運算，由事件的起源直至事件成果的聰明呈現，符合人們對事件解決的期待，同時將人們無效率的干涉降至最低。上億臺機器間的相互溝通，以及大量資訊的傳遞與云端的資料運算，都必須仰賴可靠的基礎建設，才得以即時、無誤地完成介面轉換與資訊分配。

　　現階段支援3G/4G長程演進計劃（Long Term Evolution， LTE）、無線區域網路（Wi-Fi）/802.11ac等基礎建設，并符合無線通訊標準的終端產品，有智能型手機、穿戴式裝置、無線網卡與智能家庭產品等，這些產品也將隨物聯網高速、高頻寬、高效益的本質需求，注入技術創新與智能化功能的挑戰與愿景。

　　拆解支援4G/LTE、Wi- Fi/802.11ac智能型的無線終端產品，如智能型手機、射頻前端模組（Radio Frequency Frond-end Module， RF FEM）的創新技術，也將是成就所謂智能的、無界的、高效率的、高性價比的重要關鍵技術。

　　達成全球無縫連接　手機支持多模/多頻成關鍵

　　LTE 與Wi-Fi/802.11ac的標準化規格，使得結合智能型手機的相關物聯網應用，成為消費市場最可預見的曙光。內建4G LTE與802.11ac標準化規格的智能型手機，其無縫連接（Seamless Connectivity）可支持物聯網全域網（Ubiquitous Networks）的基本特征，同時提供寬頻影音與即時控制的智能化個人與家庭相關應用。

　　4G LTE的建議頻率多達四十四個，依據國情不同，使用頻段也各有差異，又為了與過去傳統的3G與全球行動通訊系統（GSM）互相通聯，達成全球無縫連接，并游走于各頻段，因此具有支持多模（Multimode）、多頻（Multiband）的架構，已成為手機射頻前端的關鍵技術。

　　在各國頻譜資源有限與相對昂貴的使用費率下，以高效能的數位調變技術來達到高傳輸速度的需求，已是目前LTE與Wi-Fi/802.11ac空中介面（Air Interface）的標準。但這樣的技術將會衍生出劣化訊號的峰均功率比（Peak to Average Power Ratio， PAPR），增加更多的電能消耗，并降低手機的電池使用效率。在綠能環保意識的提升，以及人們對手機使用時間增長的要求下，降低射頻前端元件功耗的封包追蹤（Envelop Tracking， ET）技術，也已成為新一代智能型手機的關鍵指標。

　　在LTE行動通訊與Wi-Fi/802.11ac無線網路的引領下，翻新的多模多頻射頻前端設計，將帶動智能型手機與相關的可穿戴式裝置，更貼近物聯網的智能物件與智能終端產品。

　　多模多頻的射頻前端需求

　　支援無國界漫游的LTE智能型手機，加以考量功耗與精巧外型，那么多頻多模的射頻前端設計便是唯一的選項。放眼全球射頻前端元件制造商，如 Skyworks、RFMD、Anadigics與立積電子（RichWave），甚至包含積極跨入整合主芯片與射頻前端模組的高通 （Qualcomm），這些廠商在進行相關產品研發時，皆以支持多模多頻的設計為目標。

　　綜觀而言，4G/LTE智能型手機支援五模，分別為分頻多工（Frequency-division Duplex， FDD）-LTE、分時多工（Time-division Duplex， TDD）-LTE、分時同步分碼多重存取（TD-SCDMA）、寬頻分碼多重存取（WCDMA）與GSM，此外，多頻（由使用地區與營運商的運轉頻段決定）與全球漫游已是各國營運商和消費者的基本需求。

　　歐洲電信標準協會（European Telecommunications Standards Institute， ETSI）在技術文件3GPP TS 36.101中，定義支援4G/LTE四十四個頻段范圍，其中頻段（Band）1？32為分頻多工、頻段33？44為分時多工，詳細的LTE各頻段頻率分布可參考表1。

　　手機射頻前端模組主要包含行動通訊LTE相關之射頻元件，如天線開關模組（Antenna Switch Module， ASM）、功率放大器（Power Amplifier， PA）、雙工器（Duplixer）、表面聲波濾波器（Surface Acoustic Wave Filter， SAW）、薄膜體聲波諧振（Film Bulk Acoustic Resonator， FBAR）濾波器，與無線網路Wi-Fi/802.11ac及全球衛星定位系統（Global Position System， GPS）相關之射頻前端元件。顯而易見地，射頻前端元件中功率放大器的創新設計，直接牽動著手機射頻前端的細部架構。

　　功率放大器由支援2G行動通訊的固定封包（Constant Envelop）單一模式功能的分離器件，演進至提供支援2.5G行動通訊的50Ω輸入輸出介面的四頻段（Quad-band）（GSM/通用分組無線業務（GPRS）/GSM增強速率演進（EDGE））功率放大器芯片模組，再由支援3G行動通訊單模的線性功率放大器，進一步演化提供LTE的空中介面、并向下相容與支援多頻段之多模多頻功率放大器（Multimode Multiband PA， MMMB PA）。

　　多模多頻功率放大器架構

　　近年來，射頻前端模組供應商于手機市場上，已有幾種不同功能的多模多頻功率放大器，以提供系統芯片商之平臺設計參考，或原始設計制造商（ODM）之客制化建議。基本上，多模多頻功率放大器依其支援的通訊模式，可以區分成單模的功率放大器（Single-mode PA）、融合模式的功率放大器（Converged-mode PA）與混合模式的功率放大器（Hybrid-mode PA），這三種模式的功率放大器在性能、電路板（PCB）面積與價格上都有其不同的考量。

　　支援GSM/GPRS/EDGE四頻段（800/900MHz與1800/1900MHz）的功率放大器，與支援3G/4G LTE單模單頻段的功率放大器，即是目前市場最常使用的單模式的功率放大器，圖1是由單模的功率放大器組成的典型手機射頻前端方塊圖。

　　圖1　單模功率放大器組成的手機射頻前端方塊圖

　　該多模多頻的射頻前端架構，主要由天線開關模組、2G/2.5G四頻段功率放大器及五至六個單模3G/4G LTE功率放大器組成，可支援五模十三頻（表2）全球漫游功能。這種單模單頻的功率放大器，因對特定的頻段與負載阻抗（Load-line）有著最佳化的設計，因此在既定規格的發射功率（Output Power）下，有著最好的功率附加效益（Power Added Efficiency， PAE）。

　　雖然單模式功率放大器的方案可以提供較好的發射性能，但因其功率放大器的數量隨使用頻段增加，又不同地區須使用不同數量的功率放大器，再加上印刷電路板面積大、布線復雜且無法一版通用，因此造成手機設計困難度、料件及PCB成本皆提高。

　　融合模式的功率放大器，顧名思義是采用單一功率放大器適用多種通訊模式的設計。由融合模式功率放大器組成的射頻前端架構，將進一步減少功率放大器的使用數量。

　　以圖2為例，僅使用兩個融合模式的功率放大器取代2G/2.5G四頻段功率大器，以及五至六個單模3G/4G LTE功率放大器，大幅度減少料件成本與PCB布線的面積。因此，由融合模式的功率放大器所組成的多頻多模射頻前端架構，其除能有效降低手機成本與PCB 布線復雜度外，共用的PCB設計還可以縮短新款手機的研發時程。

　　圖2　融合模式功率放大器組成的多模多頻射頻前端架構

　　然而，在射頻性能上多模多頻融合模式的功率放大器仍有設計上無法最佳化的缺點。2G/2.5G的最小移頻鍵控（GMSK）訊號特征是固定封包，4G/LTE 的16正交振幅調變（QAM）的訊號特征非固定封包（Non-constant Envelope），兩者在功率放大器的偏壓工作點、負載阻抗與匹配電路的設計上是頗有差異的。舉例來說，若將輸出GSM 35dBm功率放大器的輸出級電晶體大小與相同的匹配電路，工作于LTE 27dBm的輸出功率，PAE的不彰是顯而易見的。綜上所述，多模多頻融合模式的功率放大器，在工作于不同模式下有著性能上的差異，無法達到多模工作時功率附加效益的最佳化設計。

　　另一種混合模式功率放大器（Hybrid-Mode PA）的方案架構可參考圖3，雖然稍有增加PCB大小與功率放大器的數量，不過，若能改進融合模式功率放大器耗能的缺點，也將會是另一種考慮合理性價比的設計。

　　圖3　混合模式功率放大器組成的多模多頻射頻前端架構

　　混合模式的多模多頻功率放大器，是依其頻段與線性度（2G/2.5G或4G LTE）的規格要求，區分成四路功率放大路徑，兩路的功率放大器提供2G/2.5G的高頻段（High Band）與低頻段（Low Band）使用，另兩路的功率放大器提供3G/4G LTE的高頻段與低頻段使用。四路的功率放大器可以分別依其工作的頻段與線性度的不同，進行功率電晶體尺寸與匹配電路的最佳化設計。

　　混合模式功率放大器的多模多頻射頻其端架構，就射頻性能而言，優于融合模式功率放大器組成的射頻前端架構，也可以與單模功率放大器組成的射頻前端架構性能相當。就PCB面積大小而言，卻也須要適度增加功率放大器芯片的大小與PCB的面積，不過，隨著系統芯片封裝微型化技術演進，有限面積增加已是市場上的趨勢。