現在的無線電裝置有哪些射頻(RF)前端元件？只要拆解行動電話，就會發現一組功能各異的晶片，無線通訊就靠這組晶片。典型的手機配置由許多元件組成，這樣才能提供無線通訊功能(圖1)。
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| 圖1 典型的手機配置由許多元件所組成 |
典型手機配置元件
典型的手機配置包括天線、雙工器(Duplexer)、功率放大器(Power Amplifier, PA)、射頻收發器、基頻處理器等。
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要在手機中整合不同的天線其實不簡單。因為每項標準都有不同的頻率，當然要使用特定的天線，才能獲得最高效能。有時候工程師為了要能共用天線，便會用濾波或預估損耗的技術，來使用非理想長度的天線。例如一般的手機，工程師為了能夠讓手機在不同國家使用，所以須要支援多種不同的頻帶，以支援全球行動通訊系統(GSM)頻帶為例，最低380MHz、最高1,900MHz。根據無線電訊號波長的計算結果，即可判斷天線長度為何，如公式1所示。
.....................................................公式1
因此，根據簡易的偶極天線設計程式，天線的長度可能是7.5公分到37公分不等。不只是共用天線，手機製造商還得面對另一道難題：天線與電子元件阻抗匹配的問題。當天線接觸到非理想的媒介，例如金屬接點或接地，都會改變天線的阻抗，造成訊號反射或衰減。面對如此的情況，目前最新的技術是使用微機電系統(MEMS)做即時的阻抗匹配調整。
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有了雙工器，就可以透過同一條共用天線來收發主要行動訊號；而手機搭載的雙工器就像一種快速切換裝置。來自基地台的訊號在透過射頻收發器進行降轉換前，通常先會經過低雜訊放大器(LNA)以增強訊號，最後傳送到基頻處理器(圖2)。訊號產生功能會透過功率放大器增強訊號，再回傳至基地台。 |
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手機最重要的元件之一就是功率放大器，能夠增強已產生的射頻訊號。取決於不同的標準，功率放大器可以輸出高達30dBm(1瓦)的功率。這對電池的影響遠超過其他手機元件，所以工程師必須盡量提高放大器的效能。 |
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射頻收發器是基頻處理器主要的前端裝置，可將所選的射頻頻率訊號降轉換為中頻訊號(通常低於100MHz)，並且進一步處理成基頻訊號(0Hz)以取得原本所傳輸的複雜資料。除此之外，也可以從處理器來升轉換基頻資料，通常會透過I/Q調變器直接轉換成射頻頻率。 |
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雖然基頻處理器並非本技術文件的重點，但是工程師也必須了解此元件的功能。基頻處理器收集射頻收發器所擷取的資料，再透過解調變和其他訊號處理技術來擷取原始資料；資料內容千變萬化，可能包含影音資訊或是上網用的瀏覽器位元資訊。基頻處理器也可以透過訊號處理和調變技術來反向處理這些資料。基頻處理器不只能管理實體資料，也能夠處理手機收發訊號的相關要求，以便與基地台保持聯繫。 |
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射頻前端元件製造方式獨特
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| 圖2 手機接收(如左圖)並產生(如右圖)射頻訊號 |
射頻前端裝置(如功率放大器)與其他行動裝置元件的差別之一，就是製造方式。由於矽(Si)的屬性不太適合微波式訊號，通常不會用來製造射頻裝置，所以功率放大器和其他射頻前端裝置都採用砷化鎵(GaAs)，這一種很常見的半導體化合物。
不過，有些新型裝置也會使用磷化銦(InP)、矽鍺(SiGe)和氮化鎵(GaN)等材質。這些化合物的優點在於電晶體接面更敏銳，還可以接受更高頻率的訊號，但缺點是製造成本較高，而且晶圓體積偏小。基於上述種種原因，業界致力於將微波裝置轉向矽材質發展。
射頻前端元件測試茲事體大
如果沒有經過適當的測試，手機與其所有元件的研發過程可能會帶來許多問題和差錯。這些問題可能會彼此加乘，讓狀況更加惡化，進一步降低手機的整體效能。
因此，工程師務必測試個別元件以確保品質，同時測試手機本身以確認整體能有效運作。傳統的做法是，封裝所有的半導體元件後就會馬上進行測試。但由於研發與製作新晶圓有成本考量，所以進行封裝前必須先掌握所有和矽有關的問題。
經過證實，這類常見測試可以有效掌握半導體元件的相關問題。特性測試也可以協助工程師掌握晶片功能。
射頻前端元件測試項目
下列段落會集中討論特性測試、生產測試或共同的測試項目。有些測試可同時用於封裝晶片與晶圓測試。這類測試共分為五種：射頻功率量測、頻譜量測、網路分析、調變精確度量測、直流電(DC)量測。
射頻功率量測
最常見的裝置量測包含Tx功率和傳輸功率。裝置的輸出功率必須符合裝置設計。若要量測輸出功率，可以運用多種量測設備，例如功率計、向量訊號分析器(VSA)和向量網路分析器(VNA)。
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| 圖3 PVT量測通常用於脈衝訊號 |
功率對時間(Power Versus Time, PVT)可量測訊號的脈衝功率(Burst Power)與平均功率，常用於脈衝射頻訊號(Bursted RF Signal)(圖3)，例如GSM或無線區域網路(WLAN)。通常訊號周遭會放置遮罩，確保符合測試標準。
增益(Gain)是功率放大器的主要量測項目之一，增益=Pin-Pout這個公式中的Pin代表輸入至放大器的功率，Pout則是執行放大功能後的輸出功率。如果知道輸入功率為何，一般而言只要善加運用校準技術，就能把已知的輸出功率當成Pin的參考數值。功率計等高精確度裝置可用來量測Pout；向量訊號分析器等量測產品則可在量測相對增益的同時量測功率增益。
工程師可以藉由折返損耗進一步掌握原始訊號經過射頻前端裝置時的反射狀況。如要量測電壓駐波比(VSWR)以提供最佳阻抗匹配，這一點非常重要。由於折返損耗涉及輸入與輸出訊號的比率，通常會使用向量網路分析器進行量測。有時候也可以使用向量訊號產生器(VSG)、向量訊號分析器和耦合器，不過在執行硬體系統校準時務必特別小心。
功率效益是更重要的量測項目之一，因為這決定了功率放大器能否有效運用行動裝置的電池電力。功率效益越高，電池就越持久，這是裝置製造商所樂見的狀況。計算功率效益的方式有很多，取決於該裝置是否屬於高增益放大器。
....................................................................公式2
在公式2中，Pout代表放大器所量測的功率，PDC代表電力來源或電池模擬器所提供的功率，Pin則是輸入功率，通常都是測試訊號或連續波形(CW)訊號。
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| 圖4 1db壓縮點就是實際的放大曲線偏離理想的線性放大曲線剛好1dB的位置 |
1dB壓縮點也是重要的量測項目。因為功率放大器會盡量提高輸出功率，所以最後都會趨向非線性變化，偏離理想的線性輸出曲線。圖4清楚說明了這樣的偏離狀況。
一旦功率輸入(Pin)有所提升，功率放大器就會開始飽和，並且在最大功率輸出持平，此時的輸出功率稱為Psat。實際的放大曲線偏離理想的線性放大曲線1dB的位置，就稱為1dB壓縮點。訊號會在自然的飽和點受到壓縮。就功率放大器的設計而言，最好能盡量接近1dB壓縮點，因為功率效益也很接近這個水平。
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| 圖5 功率放大器的伺服功能是指，控制迴路在不同的功率強度之間來回擺盪，直到輸出功率與所需的功率會合為止。 |
伺服(Servoing)是功率放大器特有的概念。由於必須得知校準過的輸出功率，這時就得運用功率控制技巧來判斷最後的增益值，方法是建立控制迴路以擷取所需的輸出功率，同時控制產生器功率，直到達成所需的輸出功率為止。簡言之，這個功能會透過比例控制迴路在不同的功率強度間來回擺盪，直到輸出功率的強度趨向所需的功率並且會合為止(圖5)。
三階交調截取(TOI)與互調失真(IM3)兩者的關係非常密切，可用來掌握射頻系統的線性度。相較於儀器功率，這兩項規格對三階失真產品的影響不容小覷。三階失真產品會干擾原始訊號，進而減損訊噪特色。這樣一來，更高階或更複雜的調變架構也很難在系統內正常運作。
諧波也是很重要的量測項目，因為這會影響裝置的輸出結果，並且干擾其他的射頻訊號，或是違反美國聯邦通信委員會(Federal Communications Commission, FCC)或其他政府通信單位的相關規定。諧波的量測範圍最大到不同標準的第七階。例如，工程師可以量測1,800MHz PCS頻帶的諧波，最高至第七階(大約為12.6GHz)。
混附訊號(Spur)也是設計階段常見的量測項目。混附訊號會影響訊噪比(SNR)，所以必須修改設計，才能在所量測的頻譜中排除這種訊號。
頻譜量測
鄰近通道功率可量測特定通道與其兩個鄰近通道分配功率的方式。只要計算該通道的總功率和兩個相鄰通道的總功率，即可量測此項目。取決於所量測的技術標準，鄰近通道功率的量測標準也會有所差異。舉例來說，分碼多重存取(CDMA)無線標準的傳輸範圍規定在4.096MHz的頻帶內。此外，鄰近通道功率的量測誤差為5MHz，而且必須至少比通道內平均功率低70dB。
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| 圖6 這個WCDMA波形說明了ACPR(也稱為ACLR)比率 |
鄰近通道功率洩漏比(ACLR)是載波產出功率與鄰近通道產出功率強度的比率，經常用於寬頻CDMA量測。就其他的標準而言，這通常稱為鄰近通道功率比(ACPR)。執行此量測項目的原因有二：這可以量測任何鄰近通道的干擾狀況，目標載波外的其他頻譜也會受到影響；更重要的是，這也可以量測載波所引發的三階互調產出。圖6說明了特定寬頻分碼多重存取(WCDMA)訊號的量測狀況。
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| 圖7 GSM訊號的ORFS量測 |
輸出射頻頻譜(ORFS)是一項窄頻量測，由於第三代合作夥伴計畫(3GPP)定義了調變與切換，因此可量測行動站傳送器的通道外頻譜的能量。這項量測通常用於GSM、整體封包無線電服務(GPRS)和增強型整體封包無線電服務(EGPRS)，因為GMSK(Gaussian Minimum Shift Keying)調變(僅限相位)可用來傳輸並接收資料(圖7)。
ORFS量測可計算偏離載波頻率的不同頻率功率，進而判斷有多少突波洩漏至其他頻帶。每項誤差的功率可回頭參照至載波功率，並且回報dBc數值。
ORFS量測有兩種：調變ORFS量測可檢驗突波中央的頻率，切換ORFS量測則可檢驗突波緩升及緩降部分的頻率。若針對特定頻率，切換ORFS所回報的數值會比調變ORFS高。就3GPP規格來說，所定義的頻率誤差可用於調變與切換：
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+/-200kHz、+/-250kHz、+/-400kHz、+/-600kHz、+/-1.2MHz、+/-1.8MHz。
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+/-400kHz、+/-600kHz、+/-1.2MHz、+/-1.8MHz。
涉及振幅與相位調變時，例如QPSK或16QAM，通常都會採用錯誤向量幅度(EVM)量測。
互補累積分布函數(CCDF)是一種統計式量測方法，可用來分析訊號的功率特色。這種方式可顯示出某訊號可在特定期間以某種功率維持多久時間。就CDMA或WCDMA訊號而言，訊號傳輸時較少出現偏高的功率尖峰。這些峰值對於適當傳輸資料而言非常重要，但如果尖峰持續太久，可能代表功率放大器裝置的工作負荷較大。圖8說明了此狀況，其中比較了特定期間較為活躍的尖峰傳輸與正常的尖峰傳輸。 |
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網路分析
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| 圖8 互補累積分布函數 |
電壓駐波比是干擾波形中最大與最小振幅的比率，可以公式3表示：
.............................................公式3
p為反射係數，定義為
A=反射波，R=入射波
如果傳輸線路出現任何阻抗不匹配，會造成傳播中的訊號部分反射(圖9)。阻抗差異決定了反射強度，而失配區段的長度則決定從該區段反射出的最低訊號頻率。電壓駐波比，就是這種訊號反射的量測方式。
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| 圖9 如果傳輸線路出現任何阻抗不匹配，會造成傳播中的訊號部分反射。 |
折返損耗也是類似電壓駐波比的反射量測單位，通常以dB表示。使用上述的反射係數，即可得出公式4：
以dB為單位的折返損耗=-20log(p) .............公式4
工程師可以量測正向折返損耗，也就是功率放大器等射頻前端裝置最常執行的項目，也可以量測反向折返損耗，這經常用於評估射頻收發器。
調變精確度量測
相位與頻率錯誤(PFER)是GSM、GPRS和EGPRS訊號常見的量測項目。由於調變訊號完全以相位為主(GMSK)，振幅不會變動，所以必須透過量測才能判斷相位品質與調變品質。一般而言，常見的量測項目包含均方根(RMS)與尖峰相位。均方根相位錯誤可提供整個突波內相位錯誤的均方根平均，而尖峰相位錯誤可以指出突波中最糟的相位錯誤。
錯誤向量幅度量測的是出現減損時的解調器效能。已接收符號的錯誤向量定義如下：I/Q平面中已接收符號與理想符號位置之間的向量。若要計算錯誤向量幅度，必須取得錯誤向量強度與預估星座點強度之間的比率。此外，調變錯誤比(MER)是數位調變訊號的訊噪比。
直流電量測
工程師可以在射頻前端的不同部分測量電流，包括裝置運作所需的供電電壓，以及數位通道電壓、Vramp或動作模式與頻率控制線路的電壓量測。
洩漏電流通常針對射頻前端等半導體裝置。洩漏電流量測有助於判斷半導體裝置的針腳隔離狀況。只要使用電源量測單位(SMU)，即可量測任何特定針腳的洩漏電流。
Vdetect是量測功率放大器輸出控制線路的電壓。Vdetect提供了裝置電池的控制訊號，決定功率放大器的Vbatt所需的功率。
射頻前端設計的良窳是行動裝置能否完全發揮通訊功能的重要指標，因此其量測過程極為關鍵，然而，行動裝置射頻前端元件由於製程技術不同於系統內部其他矽晶片，因此測試考量也迥然不同，測試工程師除須對射頻前端元件配置有所掌握外，亦應熟稔各項測試項目之量測關鍵，方能確保最佳設計成果。
(本文作者任職於美商國家儀器)