電信業者和行動裝置製造商都在努力建立4G生態系統，使行動通訊技術的重要性愈來愈高，尤其是長程演進計畫(LTE)近來更大掀風潮。然而，4G生態系統面臨不少問題，儘管LTE將使視訊和資料交換量達到更高水準，但現有基地台間的連線都針對低資料傳輸率做規畫，導致為數眾多的基地台基礎設施無法支援所需的高資料傳輸量。
提升RF收發器整合度 矽鍺化合物製程嶄露鋒芒
為滿足電信業者提高基地台容量的需求，無線網路回傳技術便應運而生，其使用E-Band(71G?76GHz和81G?86GHz)無線網路回傳可開啟10GHz頻率範圍；而使用V-Band(57G?64GHz)則可開啟7GHz頻率範圍，如此一來，視訊和資料服務的資料傳輸速率便能超過1Gbit/s等級，足以提供LTE網路使用。
針對新一代無線網路回傳技術，英飛凌(Infineon)已率先開發出適用的封裝式射頻(RF)收發器系統產品，可完整支援E-Band無線電，以及V-Band無線電。圖1顯示採用相關晶片組的E-Band分時雙工(TDD)解決方案，由於封裝式RF收發器採用模組化配置，同一個通用架構便能支援60、70和80GHz三個回傳頻率範圍，且封裝格式統一，因此系統廠可輕鬆設計三種同樣大小的無線電版本。
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| 圖1 採用矽鍺RF收發器的E-Band TDD解決方案示意圖 |
要實現此種高彈性，且支援高傳輸率的RF收發器，須採用傳輸頻率200GHz的先進矽鍺(SiGe)製程技術，方能將所有相關RF建構區塊都整合至單一晶片內；同時還要配合導入嵌入式晶圓級球閘陣列(eWLB)的標準塑膠封裝方案，如此一來，高整合度的RF收發器便能取代目前系統設計內所使用十個以上的獨立RF元件，且可沿用標準表面黏著技術(SMT)組裝流程，大幅簡化系統廠設計流程。
矽鍺材料係在基極中摻入漸變形式鍺元素藉以提高fT，具有較高的截止頻率，因此該製程非常適合在高頻段應用，可操作於1G～100GHz，甚至更高範圍；而基極中摻入鍺元素還可降低射極與基極間的電壓，因此也適用於低電壓和低功耗應用。由於矽的表面復合效應比化合物半導體較小，因此矽鍺在1/f雜訊表現上相對較出色，可應用於RF收發器的低雜訊放大器(LNA)。
在成本方面，矽基板的成本跟化合物半導體相比較低，且可擁有較高的晶片整合密度，由於60GHz及以上的高速通訊系統和77GHz汽車雷達系統的商業應用皆需低成本的RF元件，在降低成本的考量下，矽鍺晶片亦可採用更便宜、密度更高的矽基板製程減少開支，並兼顧高效能表現。
矽鍺可將功率放大器(PA)、低雜訊放大器等所有相關的RF建構區塊都整合至單一晶片內。不過，目前矽鍺的擊穿電壓較低，使應用領域有所局限，僅適用於低功率應用而不能跨足大功率輸入用途。
矽鍺RF收發器搶攻LTE市場
業界已推出完整支援無線網路回傳的RF前端方案，包括57G～64GHz、71G～76GHz或81G～86GHz毫米波頻段皆有相對應的矽鍺RF收發器；在搭配基頻數據機使用下，新的系統設計可減少占用空間、提高可靠性並降低成本，進一步用於LTE基地台所需的關鍵無線網路回傳連結。
矽鍺RF收發器可將I/Q調變器、電壓控制振盪器(VCO)、功率放大器、低雜訊放大器和可程式化增益放大器(PGA)等所有RF區塊，整合到體積小巧的eWLB塑膠封裝單一晶片內；此外，其效能在生產階段即以內建測試設備(BIST)驗證及校正，可更輕鬆將晶片整合至系統廠製造流程內，提升產品良率。如圖2為使用矽鍺RF收發器的系統架構示意圖。
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| 圖2 矽鍺RF收發器系統架構 |
由於LTE回傳可使用V-Band和E-Band微波頻率，提高舊世代網路資料傳輸率達三倍以上，因此需要更優異的RF性能，才能符合作業需求。現階段，採用矽鍺技術的RF晶片，如功率放大器傳遞輸出功率已高達18dBm、低雜訊放大器的雜訊指數則僅6dB，且在100kHz位移下，具備超過-85dBc/Hz的出色VCO相位雜訊，可讓系統設計人員運用高階調變結構，包括取樣率為500Ms的QAM64，以及10～6位元錯誤率(BER)時的取樣率為1Gs的QAM32方案。
另外，RF收發器也開始支援超過1kV的靜電放電(ESD)防護功能，可提高耐用性，並以不到2瓦(W)的低耗電量，讓網路設備業者降低設計成本。
目前市面上的RF收發器解決方案大多以裸晶方式供應，模組或系統廠須以昂貴的工具和設備才能打造出無線電系統；相較之下，使用封裝式RF晶片組，後端業者便能省下成本，縮短上市時間。
(本文作者為英飛凌RF收發器市場總監)