隨著網路的普及，人們對於網路的依賴程度日益提高，也發展出越來越多行動上網裝置。先前消費者主要透過個人電腦(PC)、筆記型電腦或手機上網，演變至今，蘋果(Apple)的iPhone、iPad，與電子書(E-reader)、智慧型手機等行動上網裝置在市場各領風騷時，其背後傳遞出來的訊息是：消費者十分在意且對於網路資訊的取得和網路人際間互動的方便性有所需求。
而這些資訊的傳送或交流主要是依賴行動裝置內建的無線區域網路(Wi-Fi)、3G和全球衛星定位系統(GPS)等射頻(RF)無線模組(RF SiP Module)或RF系統封裝元件(RF SiP Component)，亦即行動上網裝置須整合以上聯網技術，並加入其他附屬條件，方能實現多重功能性之天命。
行動裝置多功能化SiP元件不可少
擁有前述內建元件之行動裝置產品在現今來說並非少數，於手機、數位相機及其他可即插即用的行動裝置中，內建Wi-Fi、藍牙(Bluetooth)和GPS導航系統已是必然的趨勢，目前在市場上所供應的這些RF無線裝置，就外觀格式可分為RF無線模組和RF系統級封裝元件。
一般來說，RF無線模組(圖1)其主要設計方向是採用已封裝完成之球柵陣列(BGA)IC，搭配標準之表面黏著元件(SMD)元件並設計在類似郵票孔外型之基板上，其外觀尺寸介於15毫米×15毫米×3毫米至20毫米×20毫米×3毫米之間，而對於隔離干擾和防止電磁干擾(EMI)的方式是採用金屬隔離罩(Shielding Cover)，市場上以這種RF無線模組為主要生產模式的產品有Wi-Fi模組、GPS模組及無線遙控模組等。
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| 圖1 RF無線模組 |
至於RF系統封裝(SiP)元件(圖2)，則是採用晶圓級晶片尺寸封裝(WLCSP)IC或是直接使用裸片(Die/Wafer)來設計，同樣是搭配標準SMD元件設計或使用嵌入式元件，最後再將成品封裝成單顆BGA/柵格陣列(LGA)形狀之IC，其外觀尺寸介於8毫米×8毫米×1.5毫米至12毫米×12毫米×1.5毫米之間，供終端系統用戶設計應用。
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| 圖2 RF系統封裝元件 |
而在產品製造流程上，它就是一顆SMD元件，生產流程中產品容易上件。目前市場的主流產品有功率放大器(PA)SiP、射頻前端模組(FEM)SiP、Wi-Fi SiP、GPS SiP等。其產品類別較多，應用面也比較廣泛，雖然其研發設計難度相對複雜和困難，但終端系統用戶在使用上卻很方便。
多重天線與有限空間陷入兩難
RF系統級封裝元件或是RF無線模組的設計，其RF電路方塊圖都如圖3，通常的設計是在和天線的介面上留一50Ω的接腳，讓系統設計者自行決定天線的種類，或建議客戶使用何種類型之天線，但這也常常造成RF SiP和天線間因50Ω阻抗的匹配問題，而使得RF SiP的特性因而大打折扣。
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| 圖3 RF系統封裝元件 |
例如接收發射頻率偏移、頻寬不足、接收感度下降或是RF輸出功率不夠造成傳輸距離的不足等問題，而這些問題往往造成系統廠商必須設置RF相關部門來解決，進而增加相關成本和延誤產品上市時間。所以如何提供完整的RF SiP解決方案是RF SiP設計廠商必須面對的問題。
一般天線的設計步驟如圖4所示。天線的設計從應用需求、初步規格及形狀尺寸的確定，進入電磁場模擬軟體的反覆模擬和修正，然後再依據模擬結果去實際製作天線，經過網路分析儀測試其阻抗和返回損失後，再送到無反射實驗室量測其電磁場形和增益等相關資料，最後才完成符合規格需求的天線，這樣的設計所需花費的時程約150天，如果再加上電磁場模擬軟體(約新台幣500萬元)和網路分析儀等相關儀器(約新台幣300萬元)的投資，其基本的成本費用將超過新台幣1,000萬元以上，更別說加上高頻無反射實驗室的設置和購買相關儀器設備，將使其投資成本呈倍數增加。
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| 圖4 天線的設計步驟 |
一般來說，將天線整合至手持行動裝置內，有著空間限制的問題。天線的整體特性並不是只看其本身的特性規格而已，而是和其周遭的淨空區和接地面積的大小成正比。這樣的設計限制對於手持行動裝置(如手機、數位相機等)的設計者而言，是件艱難的任務。更有甚者，當IEEE 802.11n這類多重輸入多重輸出(MIMO)的多天線系統更為盛行時，如何在產品內整合多支天線及釋放出足夠的空間給這些天線使用，在在考驗產品設計工程師的智慧。
將天線整合於晶片有助優化訊號接收力
一般Wi-Fi/BT或是GPS等RF無線模組對天線的選用，不外乎是陶瓷平板天線(Ceramic Patch Antenna)(圖5)、晶片天線(Chip Antenna)(圖6)、陶瓷鈹鍅(PIFA)及印刷式天線(Printed Antenna)，這些天線各有其功能和特性，端看使用場所和應用來決定。
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| 圖5 陶瓷平版天線 |
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| 圖6 晶片天線 |
Wi-Fi無線模組會使用晶片天線與印刷式天線，主因是成本和體積小的考量，而GPS系統使用之天線大部分是使用陶瓷平板天線，因其有良好的方向特性和較佳的增益特性，能接收天空衛星送下來的訊號強度很微弱的右旋圓極化波(RHCP)訊號。
在天線整合於晶片(Antenna on Chip) GPS SiP的設計上是使用可收右旋圓極化波(RHCP)的陶瓷平板天線直接放置在GPS SiP上，主要原因除了它是右旋圓極化波設計外，此天線還具有優秀的方向特性和增益特性，可以接收天空衛星傳送的微弱訊號，使得GPS系統能獲得足夠的訊號資訊來解出正確的座標位置。 而將天線整合於晶片的設計上的另外一個重要原因是可以大幅減低RF SiP所占用之主機板面積，使系統產品的設計有更多之空間利用率。
RF SiP再進化開發時間大幅縮短
這次實驗所使用之天線是12毫米×12毫米×3.5毫米的陶瓷平板天線，其用網路分析儀量測之Return Loss(S11)，如圖7所示，電磁場圖顯示可對照圖8～10。而圖11是天線整合於晶片GPS SiP的原型，尺寸是12毫米×12毫米×5毫米，使用12毫米×12毫米×3.5毫米的陶瓷平板天線。就實際量測其載波雜訊比(C/N)比數據來看，天線整合於晶片GPS SiP的值是比將天線擺放在GPS SiP旁邊差1～2分貝(dB)。但定位時間，如熱開機(Hot Start)、冷開機(Cold Start)、暖開機(Warm Start)的時間都在可接受的範圍內(表1)。
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| 圖7 Antenna’s Return Loss |
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| 圖8 Antenna H Plane |
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| 圖9 Antenna E Plane |
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| 圖10 GPS Antenna 3D場形圖 |
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| 圖11 天線整合於晶片GPS SiP |
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| 表1 實際量測的C/N比數據 |
根據以上的實測資料，天線整合於晶片是RF SiP的具整體解決方案之一，可讓系統廠商不用煩惱對使用RF無線模組或是RF系統級封裝元件在天線上所遭遇到的設計問題，而可以專心去發展他們本業的核心技術。
Google TV添動能數位生活唾手可得
2010年5月中Google發表Google TV，並期望Google TV能夠成為家庭的數位娛樂中心，讓使用者可以快速上網瀏覽資料，透過顯示在電視上的搜尋列，搜尋節目或YouTube等網站上的內容。
以上作業都只須按個鈕即可在電視上完成。這代表著家電系統廠也必須面對這網路資訊爆炸的浪潮，其相關產品必然要和網路連結在一起，而這也正是數位智慧家庭生活的趨勢。
行動上網裝置須整合射頻無線模組或系統封裝元件等諸多聯網技術，並加入其他附屬條件，方能實現多重功能性。從數位生活網路聯盟(DLNA)的推廣到Google TV的誕生，所傳遞訊息的就是數位智慧家庭生活已經是伸手可及，而對於數位智慧家庭生活的實現，使用天線整合於晶片的RF SiP不失為節省成本以及可快速導入市場的新選擇。
(本文作者為鉅景研發處協理)
