无线通信的未来发展将会是从技术演进成为资源，就象我们日常生活中的水和电一样。不过，要达到这一目标，业界必须克服移动设备中一些重大的设计挑战，其中许多都将获益于半导体技术的进步。今天的消费移动设备可包含多达9个RF链路，而工程师们身负满足下一代产品在尺寸、功率和标准共存方面要求的重任。

 

我们关注的重点往往是网络技术标准的演进，以及推动实现普适性 (ubiquitous) 无线网络会是哪一种技术 (EDGE 还是1xRTT？LTE 还是 WiMAX？基于卫星还是基于地面？单载波还是多载波？) ，但事实上，对无线通信的未来而言，消费设备本身与消费设备运行其上的网络都同样重要。无线通信的未来取决于无线能力 (最关键的是RF技术) 如何无缝地集成在各种设备、车辆、工具及我们日常生活的各个领域中。此外，下一代设计必须能够跟上不断变化的使用模式。例如，以往没有人能预测到短信的爆炸性增长，而 RF和系统级芯片 (SoC) 能力与功耗问题的大幅改进为人们带来了更丰富的移动互联网访问体验。目前，许多人都在密切关注手机增加定位服务一事，为此，移动设备需要能够处理所有这些不同信号链路的RF电路。

 

 

过去，电子行业把无线通信功能无缝地集成在日常电子设备的尝试和努力多是铩羽而归，直到最近情况才改变过来。RF信号处理技术常被形容为“电子的黑色艺术”，一直以来都是业界从基于电路板的分立式组件转向IC子系统发展的主要障碍。过去10年间，关于 “通信的未来”的讨论常常是指较新颖的RF物理层架构的创新技术，例如 “软件定义无线电” 和 “极化调制” (polar modulation)，这些都是从根本上对RF信号处理方案进行重新设计，代表着实现无线普及的最佳途径。

 

然而，商用无线通信的未来并不在于新颖的架构，而是取决于我们在如何使用现有半导体制造技术上获得重要的进展。如果微处理器行业能够给RF行业提供什么经验教训的话，那就是，只要做得好，系统级功能集成可以实现更低的功耗、更高的功能和更小的组件占位面积。无线服务的用户体验取决于器件的性能，而器件的性能则取决于RF 物理层的质量。无线通信的未来取决于RF 物理层集成度的创新，能否达到在1970年代运算放大器的规模  ― 具有高可靠、可重复的性能、标准化接口、用户可编程功能性，以及易于制造的特点。借鉴软件业的经验，要实现真正的无线普适性，需要一种“即插即用” (plug and play) 的RF物理层。

 

 

影响无线通信未来的一个主要因素是业界正逐渐转用多载波正交频分复用 (OFDM) 调制方式，期望从紧张的全球频谱资源中获得更大的带宽。所有的下一代无线设备都将基于OFDM，包括那些用于LTE 手机、WiMAX 和 WLAN系统的设备。OFDM 最大的特点是具有很高的峰均功率比 (peak to average power ratio)，而这推动了对更高效 RF 功率放大器 (power amplifier, PA) 的需求。

 

信号处理质量、功耗和发射功率/接收器灵敏度之间的相互关系，因 RF 物理层 OFDM 信号处理的要求而变得十分复杂。不过，除了这些内在挑战之外，向OFDM 的转换也带来了开发融合式多模 RF 物理层功能性的机会。由于大带宽无线内容被发送给各种各样的消费平台，故系统设计人员需要 RF 物理层具有 “运算放大器般” 质量，这意味着 RF 物理层将需要有针对特殊要求进行优化的能力，以及针对各种变化多端的工作条件进行自我补偿的能力。

 

正如在内容处理级别上的情况一样，RF 的运算放大器集成模式也需要众多产品和技术合作伙伴之间的协作。这种协作必然有助于激发创新，提高无线体验。因为GPS硬件解决方案相对地较易于整合到手机平台，所以导航功能被迅速引入成为手机应用。随着GPS成为手机不可或缺的一部分，应用和操作系统将能够更好地把导航和其它定位服务集成在手机中。

 

例如，如果手机能够支持更大的带宽，Google 地图的下载速度就可快得足以在汽车行使中提供实时信息，而同时仍留有足够的功率拨打通话 (见图1)。与运算放大器同等水平的RF物理层集成，将能够实现这些必须的协作，继续把无线服务集成在全范围的日常活动中。但我们应如何实现之？

 

 

事实上，RF “即插即用”的概念已逐渐成为现实。譬如，在手机中集成定位服务是业界近10年的迫切目标。尽管CDMA手机打从一开始就集成了GPS基带信号处理功能，但接收器的高灵敏度要求 (约160 dbm) 和手机信号的近频高功率干扰，为实现全功能定位消费服务的小占位面积、低功率GPS解决方案带来了很大的障碍。不过，这一局面已随着能够与蜂窝网络共存的高性能、低功耗集成式RF物理层GPS接收器的问世而全然改观 (见图2)。这些器件的推出已成为在手机平台中快速集成GPS导航服务的催化剂。

 

手持设备对 WLAN 功能性的需求促成了 WLAN、FM 无线电、GPS 和蓝牙技术在单个数字信号处理平台上的融合。现在已有在单个封装中集成了功放、低噪放大器 (LNA)、RF开关和滤波功能的多功能RF前端模块，可创建多模 RF 信号处理解决方案。这种更高程度的集成化和模块化因硅锗 (SiGe) 等半导体技术而成为可能，而硅锗技术更使单芯片的模式可编程RF前端具有以显示屏为中心的纤薄型设备 (如苹果 iPhone® 手机) 所需的RF性能、低功耗和小外形尺寸等优势。RF 即插即用集成化的最终结果将是一大批丰富的无线连接应用，如通过 GPS 显示位置的带有路标的车内导航系统、采用FM无线电数据系统 (RDS) 的本地交通使用分析 (经由蓝牙与汽车音频系统相连接)，以及通过 WLAN 上传音频和视频娱乐的功能。

 

RF 物理层从 “黑色艺术” 到功能性模块的演变，其核心在于 RF 信号处理设计从 “以器件为中心” 发展为 “以功能为中心”。当今的技术进步推动了在单一系统内加入多个无线电装置，支持多发射/接收链路和频带的发展趋势。其结果是，如果没有 RF 物理层功能性集成方面的不断创新，无线连接解决方案的尺寸和功耗都将会过大。随着无线连接功能被集成在移动手机中，这种发展趋势的主要推动力将来自于手机这个每年销量超过 12 亿部的庞大市场。最终，移动设备和手机市场的推动力量也将推动无线连接行业的发展。当前，这种力量是电池寿命、功率控制和更薄更小的封装。

 

 

RF 前端一般都带有大量表面安装组件。但现在，几年前的上百个组件已降至区区数个。例如，过去几年间，RF 功率放大器的外形尺寸大幅缩小 (见图4)，面积也以每年二分之一以上的速度缩小，最新的PA尺寸仅4平方毫米。集成度的提高让无线RF得以在打印机、相机和手机等消费电子产品中广泛运用。但这种程度的集成度是不够的，业界真正需要的是一个完整的、经过预测试的、即插即用型的RF功能性模块，能够方便高效地插入到母板上。

 

然而，在 RF设计中，单片式集成需要谨慎考虑性能和功耗之间的权衡。为了平衡这些问题，许多最新的无线设计都在采用RF系统级封装 (system in package, SIP) 技术，把针对不同 RF 前端功能性的最佳处理技术都整合在一起，以优化系统性能，并将其置于单个封装中。SIP 设计通常在低成本、高性能和功耗方面都具有最佳平衡。此外，SIP 结构中的 RF 前端都是简单的50 欧姆输入输出匹配，便于系统集成。

 

 

在 SIP 设计中，每一个模块都进行了性价比优化 (见图5)。通过创建标准构建模块，SIP 设计人员能够为特定的应用或客户迅速定制设计。SIP 还能提供层压基板的优势，便于布线和在封装内包含表面安装组件。这种基板还允许设计人员做一些小改动和调整，更好地针对每一个客户和每一类大规模定制来优化性能。通过开发预验证 RF 构建模块，SIP 设计人员能够把它们整合在不同的模块中，只需一般 IC 流片三分之一到四分之一的时间即可完成一个经过验证的设计。

 

例如，图5显示了一个用于802.11 a/b/g/n设计的双链路RF前端模块 (front end module, FEM)，其中设计人员能够为每一个模块选择一种专用技术，以优化性能，例如 5GHz PA 是 GaAs HBT；双频带LNA和开关是GaAs HEMT；滤波器只采用无源组件实现；而2.4GHz PA 和逻辑电路以 BiCMOS 集成。在这类应用中，SIP 方案允许在单个封装中混合多项技术，让系统设计人员能够选择最好的技术，然后进行模块集成，在短时间内提供客户所需的所有功能。其优势是在单个封装中集成了 RF 前端功能性，而该前端可以很方便地加插入设计中，从而增加无线功能。

 

 

在 SIP 设计中使用层压基板虽然有许多好处，但却会影响到封装高度、装配复杂性以及成本，因此封装和装配已逐渐成为越来越重要的研究领域。一个最新趋势是采用多芯片 QFN。图 6 显示了一个多芯片3x3 QFN，其高度不到0.5 mm，正好满足手机所需。这种创新性的封装还包含了大量穿过芯片的过孔，这对减小尺寸和所需downbond 数目是至关重要的。

 

在最新最先进的智能电话中，RF 信号链路的板上占用面积高达18平方毫米。在图7中，RF 链路即是被点线所包围的面积，注意变压器和激活功能也需要很大的占位面积。手机中 WLAN 功能的增加正在推动一项需求的增长，即把所有这些组件集成在 3x3mm 封装中。

 

为了满足这种需求，一些设计人员采用GaAs来实现功率放大，很好地集成了 PA 与LNA 及开关。不过，这些多功能 RFIC 最近才开始推出，而晶圆代工对计划采用这些技术的无厂 RF 设计公司的支持尚不成熟。TriQuint 半导体公司最近发表了具有这种集成度的前端 GaAs RFIC。但由于该产品是采用 GaAs 实现的，所以器件仍然需要加入以硅技术实现的外部滤波和控制电路。此外，这些设计是基于晶体管的，故不能集成基于 CMOS 的控制逻辑。

 

这样一来，把RF功能性提高到新的集成水平就需要采用BiCMOS来处理额外增加的控制逻辑。因此，把 SiGe 双极型 RF性能与SiGe CMOS偏置控制功能集成在单个小占位面积的集成电路上，就成为了移动消费电子设备中多媒体服务无线连接快速增长的主要促进力量。例如，SiGe 半导体公司正在开发的下一代前端模块 (FEM) 就集成了多个功放、LNA、功率检测器、一个T/R开关、多个滤波器、双工器和相关匹配电路 (见图8)。这类模块可以直接使用电池工作，免除 GaAs RFIC 所需的外部变压器。

 

在这种先进的集成过程中，共存滤波也是极为重要的。为确保工作顺利，蓝牙、WiMAX、FM无线电、Wi-Fi、NFC以及GPS服务所需的 RF 信号链路不能相互干扰。其中最让人担心的是 Wi-Fi 和 CDMA，因为这两者彼此非常靠近，故模块和 RFIC 设计人员需要特别关注滤波问题。当逻辑电路可在模块/芯片中实现时，就可以使用可编程滤波器缓解共存问题，而且每一个功能都能被精心优化。这种可编程能力将可实现更严格的生产控制，为 OEM 提供更稳定一致的产品。

 

有些 SiGe BiCMOS 产品还采用了倒装芯片级封装 (flip-chip chip scale packaging, CSP)。由于装配成本低，大部分无线连接模块，包括收发器和 RF 前端，都倾向于倒装芯片架构。而且，倒装芯片 CSP 可提供占位面积最小、高度最低的解决方案，非常适合于便携式无线应用。

 

BiCMOS的另一个优势是，目前有不少成熟的晶圆代工服务可用于大批量低成本量产制造，而且全球各大晶圆代工厂商在 BiCMOS 方面都有明确的发展蓝图。

 

 

随着业界向BiCMOS集成的趋势发展，未来RF信号链路可能出现串行接口，这将让设计人员能够在线把PA重新配置为功率控制环路的一部分，以满足新兴多频带、多标准无线设计的要求。例如，如果你希望 Wi-Fi 的工作功率很低，就可以根据本地功率级的要求利用串行接口重新配置 PA。目前，这还得通过功率回退来实现，对效率有不良影响，不过，再不久你将可以优化效率了，对下一代 OFDM 设计来说，这是特别重要的。

 

对设计人员而言，BiCMOS 技术节点和预验证标准模块的集成也有了一个明确的发展蓝图。因此，利用 BiCMOS，工程师们不必再为定制功能而设计晶体管，而是采用授权的标准功能知识产权 (IP) 模块，或在公司内部的开发部门之间交换使用，从而让公司得以把有限的设计资源集中在支持开户和加快上市速度上。

 

大多数设计人员都承认硅 CMOS 的优点，而其中许多人把SiGe 视为迈向硅工艺的中途技术。总的来说，只有  BiCMOS  技术在单个制造工艺中结合了HBT (PA、LNA、RF开关 ) 和CMOS (偏置和控制) 的优势。

 

随着业界向 BiCMOS 技术和即插即用型RF功能性的转换，我们可以预期RF 将成为继数字 CMOS 和高速模拟设计成功之后的第三波无厂设计革命。在最高层次来说，无线技术的未来很简单：使世界变得更小。2007年，社交网络成为互联网流量的最大贡献者，我们预计这种趋势将往移动设备转移。无线技术以其他技术望尘莫及的方式为人类提供了个人化交互和访问信息与娱乐的途径 ― 按需要、随时随地、以任何格式进行。人们相互交流，共享信息与娱乐的访问。这就是无线未来的主要模式。