面對日新月異的可攜式產品，由於研發團隊所能使用的產品開發時程越來越短，以系統級封裝(System in Package, SiP)技術包裝的射頻模組，可在如晶片大小般的空間內提供多系統高整合度的多頻多模射頻通訊功能，且組裝方式如同使用積體電路元件般簡單方便，又易於反覆測試，因此近來在市場上獲得普遍歡迎。
除了協助硬體設計工程師簡化開發工作外，通常開發射頻SiP模組產品的公司都擁有專精的軟硬體、射頻電路設計與測試的研發支援團隊，為客戶解決擾人的射頻電路設計與軟體撰寫控制等技術問題，因此就軟體面而言，採用SiP模組來開發終端產品，亦有助於節省軟體開發的時間。因此，SiP模組解決方案已經成為協助終端產品製造商解決開發時間挑戰的一帖良藥。
射頻SiP模組封裝技術本身亦不斷有所突破，如無線區域網路(WLAN)、藍牙(Bluetooth)、全球衛星定位系統(GPS)和DVB-H行動電視接收等功能，在早期僅能以一個封裝將單一功能與其配套的周邊電路整合起來，到現在已能在同一封裝內整合不同技術。
可以預見，隨著人們對可攜式產品的通訊傳輸能力的要求越來越高，以及產品設計週期日益縮短的情況加劇，可攜式電子產業對SiP解決方案的依賴將會持續提升，因此未來市面上將可見到擁有更多不同頻段與不同功能的射頻技術整合在一顆SiP內的產品上市。
訊號共存為射頻模組開發首要關卡
雖然市場上對整合多系統的射頻SiP需求有增無減，但對於SiP模組供應商而言，射頻訊號彼此間的干擾卻是無可迴避的整合挑戰。以最常見的WLAN與藍牙Combo模組為例，兩者都在2.4GHz頻段操作，且兩種射頻傳輸技術在手持式產品中的普及率也很高，因此這兩種無線通訊技術間的干擾問題也最為嚴重。SiP模組供應商如何讓WLAN和藍牙的射頻訊號能夠有效地共存，就顯得相當重要。
除了共用通訊頻段所帶來的干擾問題外，在可攜式產品上，產品製造商為了追求系統尺寸小型化，通常會採用WLAN和藍牙共天線的設計，這也會帶來天線使用優先權的問題，例如當藍牙功能開啟時，將會影響WLAN資料的傳輸量。從整個系統的層次來看，射頻SiP模組供應商除了必須注意到同一個模組上的不同射頻訊號互相干擾的問題外，射頻SiP模組上的訊號與手持式產品上原有的行動通訊訊號彼此共存性的問題也必須予以關注。
因此，射頻SiP模組的訊號共存問題，實際上應分為模組內與系統級兩個層次來探討。本文第一個部分將針對同一顆射頻SiP模組上的多種通訊技術如何實現訊號共存進行探討，首先介紹最基本藍牙跳頻技術，接著介紹不同的射頻前端(RF Front End)電路設計以及韌體控制方式來有效使用射頻SiP模組，使其提供良好的射頻訊號的共存性，讓不同功能的射頻訊號皆能正常操作。本文第二個部分更進一步針對射頻模組訊號與行動通訊訊號彼此共存性的問題進行討論，並試圖從天線隔離度設計與帶通濾波器(Band Pass Filter)的選擇來提供解答。
跳頻技術奠定訊號共存基礎
雖然多頻多模射頻SiP模組種類相當多，依實際應用與客戶需求有不同的搭配，但實現射頻訊號共存的做法可一以貫之，因此本文先以使用相同的2.4GHz的WLAN加藍牙的射頻SiP模組為例，簡單介紹幾個有助於實現訊號共存目標的機制。
事實上，早在藍牙1.2版問世之際，藍牙晶片製造商就開始在晶片中實作自適應性跳頻功能(ＡＦH），以提升藍牙訊號對同頻干擾的抵抗能力，例如當藍牙晶片偵測到干擾訊號或是發現附近有WLAN訊號存在時，就會自動跳到其他閒置的頻段，以避免訊號互相干擾的情況發生。這種機制就是目前業界最基本的射頻訊號共存實作方式。
天線共用勢在必行 純RF開關/搭配耦合器各有擁護者
射頻SiP模組搭配射頻開關(RF Switch)來實現天線共用，是目前雙模產品最常見的設計方式。從早期兩顆SiP模組外部加上一顆單刀雙擲(SPDT)開關的共天線設計(圖1a)，目前已經進化到將一單刀三擲開關(SP3T)與WLAN、藍牙晶片共同整合封裝在同一顆SiP內(圖1b)的程度。近來由於單晶片雙模解決方案的流行，也有些設計是以單晶片搭配SP3T開關整合封裝在同一顆SiP內的設計方式(圖1c)。
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| 圖1 以射頻開關方式實現天線共用 |
此類射頻前端電路設計結構相當簡單易懂，但是實際應用上須搭配韌體進行有效的開關控制，並搭配3W BT-Coex的訊號介面，來安排WLAN和藍牙的優先權與共存性。若晶片與模組上對韌體控制開關不夠有效率，最常發生的問題是在藍牙持續處於傳輸(TX)與接收(RX)的狀態下，導致WLAＮ長時間無法進行接收(RX)的動作，造成與無線基地台(AP)斷線，因此此類設計必須在韌體開發方面花費較多心力。
相較於純粹使用射頻開關來實現天線共用必須投注大量心力在韌體開發，使用耦合器(Coupler)和射頻開關來設計單天線結構即可用純硬體的方式來解決天線共用問題，降低韌體開發的複雜性與困難度，並有效提高兩種系統皆在工作時，WLAN傳輸與接收的能力。
目前業界有一種設計方式如圖2，此方式是將藍牙的TX/RX與WLAN RX經由耦合器連接到單刀雙擲開關，此法比圖1a所示的架構好一些，但藍牙TX會因為經過耦合器而產生功率損耗，影響傳輸距離。另外一種方式如圖3，是利用單刀三擲開關外加耦合器，此法讓藍牙的TX單獨走一路，因此藍牙功率與傳輸距離不會被犧牲，但相對來說，WLAN和藍牙的RX會因為經過耦合器而產生一些功率耗損。若用戶對RX接收能力有特別的要求，可以在這條路徑上外加低雜訊功率放大器(Low Noise Amplifier, LNA)來增加接收能力。
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| 圖2 以單刀雙擲開關加耦合器方式設計單天線結構 |
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| 圖3 以單刀三擲開關加耦合器方式設計單天線結構 |
天線隔離/帶通濾波器實現系統級訊號共存
射頻SiP模組主要的產品應用就是在手持式產品上，因此與現有不同頻段的行動通訊訊號共存亦為不可避免的設計目標。目前利用射頻SiP技術整合的模組可支援的通訊技術有WLAN、藍牙、GPS等，行動通訊端則主要是各種使用不同頻段的蜂巢網路技術。
對設計者而言，最重要的兩項設計重點為天線的隔離度(Isolation)與帶通濾波器的挑選。圖4可以說明行動通訊訊號與WLAN和藍牙訊號的操作頻段及其最大輸出功率；在天線設計方面，每個訊號源所使用的天線與其他天線之間至少要必須設計有15dBm以上的隔離度，以減少射頻訊號彼此間的干擾。
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| 圖4 行動通訊射頻訊號操作頻段與最大輸出功率 |
從圖5可看出GSM、數位通訊系統(DCS)、個人通訊服務(PCS)等行動通訊訊號與WLAN和藍牙2.4GHz的操作頻率較遠，雖然諧波(Harmonic)效應可能仍會造成干擾，但可由行動通訊訊號端的表面聲波濾波器(SAW Filter)或射頻SiP模組端的帶通濾波器處理。但如果手持式裝置所使用的行動通訊系統是WCDMA，由於其操作頻率與WLAN和藍牙非常接近，且最大輸出也遠大於WLAN和藍牙，所以最容易影響雙模射頻SiP模組的訊號。
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| 圖5 在WCDMA頻段有較大抑制的帶通濾波器S21模擬圖 |
圖5為一針對WCDMA頻段有較大抑制的帶通濾波器S21模擬圖，此濾波器針對2.1GHz可高達 -44dBm的抑制；但相對的，因為濾波器旁帶設計較為陡峭，在2.4GHz的帶通部分會比一般濾波器多出1.5～2dBm的插入耗損(Insertion Loss)，使得WLAN和藍牙傳輸與接收能力降低。因此筆者建議，如果不須考慮與WCDMA頻段訊號的共存，通常應避免選用這類濾波器。
提升共存機制運作效率將成重大工程挑戰
在同一個射頻SiP模組上整合更多頻段訊號已經是必然的趨勢，除了現有的WLAN+藍牙或WLAN+藍牙＋GPS外，未來WiMAX也很有可能被納入射頻SiP模組中。如何尋求更好更有效率與更佳的共存性設計，將是開發射頻模組的工程師最大的挑戰。
(本文作者任職於海華科技)