空間限制帶動市場起飛　新一代天線技術群雄並起

曾在1973年發明行動電話，被譽為手機之父的馬丁庫柏(Martin Cooper)，最近在一個公開場合表示：「好的科技必須是透明的；最好的科技則是隱形的。」從1973年行動電話以天線取代纜線，到今天大多數可攜式無線通訊裝置幾乎連天線都看不見的這段發展過程，正好巧妙地詮釋了這位手機之父對「最佳科技」的看法。然而，為取得最好的訊號收發效果，在無線通訊系統中仍有採用天線元件的必要性，因此業界近年來對於微型天線與智慧型天線的研發投入可說是不遺餘力，更造就許多新創公司的崛起。  

空間限制帶動天線微型化發展  

就定義而言，微型天線通常是指各種尺寸微小，可以被隱藏到系統機構設計中的各種天線元件，目前以陶瓷晶片天線與繞線式天線為市場主流。除此之外，在天線供應商不斷發揮創意巧思之下，亦有不少終端產品採用以機構件作為天線的設計手法，例如推出一系列具備DVB-T接收功能的智慧型手機的集嘉科技，便是以螢幕觸控筆做為電視訊號接收時的天線。此外，具備調頻廣播接收功能的手機中，目前也仍有許多機種採用耳機線作為廣播訊號接收天線。  

然而，由於手指觸控螢幕的流行以及藍牙技術崛起，使得觸控筆與有線耳機的應用機會越來越少，產品設計團隊終究必須另闢徯徑來解決天線整合問題，因而使得各種微型天線技術市場蓬勃發展，也帶動可攜式產品整合多種無線通訊功能的潮流越演越烈。例如採用陶瓷晶片天線之後，由於天線尺寸大幅縮小，因此可以在不對系統電路板與機構設計造成太大衝擊的情況下，整合多種無線射頻技術。以目前市面上的智慧型手機為例，這類系統除必須可在四個蜂巢網頻段(900M/1800M/1900M/2200MHz)通訊之外，還可支援無線區域網路(WLAN)、藍牙或全球衛星定位系統(GPS)等無線連接功能。即使扣除頻段相近或應用模式允許可共用天線，目前智慧型手機所使用的天線數量仍普遍在四支以上，甚至可高達七支。若不仰賴晶片天線，設計團隊很難在口袋大小的裝置中整合大量天線元件。  

晶片天線商機引領LTCC廠商競折腰  

由於電子產品行動化的趨勢持續發酵，市場對於以小尺寸為主要訴求的晶片天線需求與日俱增。除手機由於大量整合多種無線通訊技術，因而有更高的急迫性驅使製造商採用晶片天線之外，可攜式導航裝置(PND)、數位電視棒等產品採用晶片天線的比例也越來越高。此外，如無線射頻辨識系統(RFID)讀取設備、ZigBee節點裝置等系統成品等亦開始導入晶片天線方案。  

圖1　國巨高頻產品事業群研發部經理李政翰指出，隨著可攜式設備整合越來越多無線通訊技術，市場對微型天線的需求也越發強勁。

根據ABI Research的資料顯示，2008年全球手機中有49.1%具備藍牙功能；而智慧型手機占整體手機出貨量的比重更是逐年攀升，預計將在2013年突破31%大關，並間接帶動手機無線區域網路的市場起飛。在這兩股力道的拉抬下，智慧型手機市場將使得手持式裝置對2.4GHz天線的需求大幅提升。GPS則是另一個令晶片天線供應商垂涎的市場。根據In-Stat的研究報告，到了2011年，GPS手機的年出貨量將可望達到六億支，並帶動市場對1.2GHz(L2頻段)與1.5GHz(L1頻段)晶片天線的強烈需求。  

在大量應用與市場多元化的雙重加持下，台灣幾家擁有低溫共燒陶瓷(LTCC)技術的廠商紛紛投入市場，如被動元件產品線涵蓋完整的國巨和以生產各種無線通訊陶瓷元件起家的璟德，便是其中的代表性廠商。國巨高頻產品事業群研發部經理李政翰(圖1)表示，在可攜式裝置製造商持續整合多種無線通訊技術的趨勢下，國巨的客戶群對天線的需求也變得更多樣化。以筆記型電腦為例，除了目前已經非常成熟的無線區域網路、藍牙等短距離無線技術之外，未來具備寬頻分碼多重存取(WCDMA)與高速封包存取(HSPA)的筆記型電腦也必然日趨普及。對於以提供一站式採購服務為公司基本策略的國巨而言，若要繼續對這些筆記型電腦製造商提供一站式採購服務，提供晶片天線方案勢在必行。  

以無線通訊陶瓷元件起家的璟德，亦同樣看好陶瓷晶片天線的龐大商機。璟德電子行銷業務部經理吳明信指出，扣除全球行動通訊系統(GSM)與WCDMA等蜂巢網路技術仍因對訊號衰減要求較為嚴苛，而少有導入LTCC晶片天線的實際案例外，如GPS、手機無線區域網路、藍牙及DVB-T電視廣播等功能，均已成為晶片天線的主要應用市場。特別是GPS系統，傳統平板式天線(Patch Antenna)方案由於整體成本較晶片天線來得高，但在效能方面並無顯著優勢，因此被晶片天線取代的情況越來越明顯。至於無線區域網路與藍牙應用，更是晶片天線具備主場優勢的應用領域。  

晶片天線有助克服整合設計挑戰  

雖然晶片天線讓天線元件本身的尺寸得以顯著縮小，但在進行設計整合時，若挑選了不適當的晶片天線元件，仍將面臨嚴苛的系統空間限制。因此，研發團隊在挑選晶片天線時，除了關注元件本身的封裝尺寸、增益值之外，更應該注意天線隔離性能與淨空區大小，特別是後者往往才是晶片天線的「真實尺寸」。  

天線隔離可說是所有射頻系統設計人員最大的難題，特別是在越來越狹小的系統尺寸空間中，工程師必須設法支援更多射頻技術並導入更多天線，其設計挑戰不言可喻。更有甚者，由於多重輸入多重輸出(MIMO)技術流行，系統若要支援這些新一代無線通訊技術，其所內建的天線數量勢必暴增，為天線整合設計帶來更大的挑戰。因為天線隔離除了將不同天線間的實體距離拉開外，別無其他經濟方法可以達成。李政翰透露，以國巨客戶實際進行MIMO架構設計的案例來看，若採用晶片天線，兩顆元件間的距離至少要超過25毫米以上，就能獲得可接受的天線隔離效果，但客戶一般在進行這類產品設計時，為了獲得更好的天線隔離效果，往往會將兩顆天線元件置於電路板的對角線上。  

圖2　國巨所推出的5320耦合式晶片天線，除了封裝尺寸小之外，周圍淨空區範圍極小也是國巨研發團隊非常引以自豪的特性。

至於天線的淨空區，則與元件本身的設計架構有關。通常元件供應商都會標明該晶片天線周圍多少距離內不可以配置其他元件。以國巨所推出的5320耦合式晶片天線(圖2)為例，其元件周圍3～5毫米範圍內便不建議出現其他任何元件，以免干擾接收效果。某些晶片天線受限於設計架構或運作頻段的關係，需要數倍於元件封裝尺寸大的淨空區域才能達成全向性收發，這在手持式或可攜式裝置中是難以達成的設計要求，因此若不是在全向性做出部分妥協，就是必須改採外露式天線。李政翰認為，縮小淨空區將是未來晶片天線供應商彼此間競爭的重點，因為晶片天線不只是封裝尺寸要持續縮小，淨空區也應一併縮小才能讓客戶真的從導入晶片天線中獲得好處。  

吳明信則表示，從璟德耕耘晶片天線市場的經驗來看，淨空區與產品封裝尺寸兩項規格確實是產品差異化的關鍵，也是供應商規格競賽的重點。因此璟德在封裝與淨空區方面也投入大量研發資源，目前近二十款專為2.4GHz頻段設計的晶片天線中，便有幾款超窄型封裝的產品(圖3)，也有無淨空區的產品方案，可因應客戶不同的電路及機構設計需求。

圖3　璟德所推出的AT8010由於採用超窄型封裝技術，寬度僅1毫米，所以周圍淨空區亦僅剩下傳統天線的一半左右。

繞線式天線結合軟體演算法　Airgain讓天線化被動為主動  

除了晶片天線之外，目前市場上另一種隱藏式天線的主流設計方式為繞線式天線。這類天線元件可以直接在系統主機板上進行布局，也可以布局在獨立的電路板，再透過纜線連接到主機板上。前者適用於相對單純的系統，如802.11a/b/g、GPS導航設備等。但隨著近年來各種射頻技術不斷推陳出新，架構也日趨複雜，市場採用後者的比例也越來越高，如應用在802.11n系統中的2×2多重收發天線就是顯著的例子。  

然而，在競爭激烈的無線區域網路業界，除了導入多重收發架構這類標準規格之外，為了創造產品差異化，幾家領導無線區域網路發展趨勢的晶片供應商也紛紛投入波束成型(Beam Forming)等原本被運用在行動通訊基地台、陣列雷達的高階無線電技術研發上，並試圖將其導入自家的消費型解決方案中。其結果就是高階無線區域網路方案幾乎都支援波束成型，並對配套的天線解決方案市場帶來衝擊。  

為何多重收發與波束成型技術會成為無線區域網路領域的顯學？專注在無線區域網路市場發展，並以各種繞線式多重收發天線模組與波束成型方案聞名的代表性廠商Airgain認為，在訊號發射功率、頻寬、接收靈敏度、天線增益等影響系統訊噪比(SNR)的因素不是受到美國聯邦傳播委員會(FCC)的法令規範限制，就是已經改善到接近理論極限的情況下，要持續推出效能更提升的無線區域網路方案，只能從改善訊號在空中傳遞的過程中著手，不管是多重收發或波束成型技術，都是針對訊號傳遞過程而提出的改善方案，且成本效益相對較佳，因此近年來廣泛被應用在無線區域網路業界，也是非常合理的。

圖4　Airgain行銷暨業務發展副總裁Glenn Selbo指出，在可攜式產品當道之下，天線隔離成為極大的設計挑戰，而Airgain的專利天線技術由於具備指向增益特性，因此天線隔離效果相對優異。

Airgain行銷暨業務發展副總裁Glenn Selbo(圖4)表示，由於Airgain在整合多重天線元素以及指向性增益技巧有深厚的技術實力，因此Airgain的天線方案不僅通道相鄰性(Channel Correlation)較低、天線隔離效果較好，且天線耦合(Antenna Coupling)的程度較低。這些技術優勢使得Airgain的繞線式天線模組可實現非常小尺寸的MIMO架構，進一步達到可攜式裝置支援802.11n的目標。例如Airgain目前最微型化的繞線式天線模組，便可以4.8公分×0.7公分或2.3公分×0.5公分大小的模組尺寸，分別支援運作在2.4G與5GHz頻段的802.11n。對可攜式裝置製造商而言，支援802.11n功能與產品外觀設計之間不再需要妥協，研發團隊也不用再為天線隔離問題傷神。  

至於波束成型技術，則是專為強化無線區域網路接取點設備效能所設計的新一代天線架構。Selbo認為，為了實現更高的資料傳輸速率，採用指向性天線架構將是條不得不走的路，業界也不應該再囿於對指向性天線的成見而對其採取排斥的態度。傳統的指向性天線若遇到訊號接收裝置不在訊號發射的方向範圍內，的確容易產生收訊不良，甚至完全收不到訊號的情況。  

圖5　Airgain的MaxBeam系列產品之一。透過多重指向性天線與搭配的軟體演算法，指向性天線亦可達成全向性收發目標，且比傳統全向性天線具備更高的訊噪比。

然而，若能透過軟體演算法來控制多個朝不同方向發射訊號的指向性天線，指向性天線架構亦可如全向性天線般與位在四面八方的其他裝置進行通訊(圖5)。這個概念就像雷達系統中不停旋轉的碟型天線，雖然在同一個時間只會對一個方向發射雷達波，但在經過一個旋轉週期後，360度都會被雷達波照射到。Selbo進一步指出，雖然這種天線架構與搭配的軟體演算法是Airgain獨家擁有的技術，但由於演算法在開發時是以標準802.11通訊協定作為參考範本，因此Airgain的解決方案一方面可以在符合FCC法令規定的情況下，將無線電資源的使用效率發揮到最大；另一方面仍可與所有市面上的無線區域網路裝置完全相容，因此是一個理想的高效能接取點設備解決方案。  

Selbo透露，雖然Airgain至今的產品線仍專注於無線區域網路接取點與家庭閘道器應用市場，然而Airgain的產品與專利天線技術應用領域不僅能應用在無線區域網路技術，也能對其他無線通訊技術帶來好處。目前Airgain正加緊研發蜂巢網路與無線視訊傳輸所使用的天線解決方案，並預計將在2009年初推出適用於毫微微型基地台與機上盒產品的隱藏式天線方案。至於台灣業界所關心的全球微波存取互通介面(WiMAX)，Airgain其實也已經嘗試開發出幾款天線原型產品，但由於目前WiMAX家用接取點設備的市場前景尚未明朗化，因此Airgain目前暫時還沒有做進一步動作的打算，待WiMAX市場有更多實際成果出現時，Airgain才會決定是否要將先前的研發成果轉變為商業化產品。  

因應天線整合挑戰　射頻前端模組化呼聲漸起  

對可攜式系統整合設計者而言，天線無疑是系統整合設計中最棘手的元件之一。即使採用晶片天線或模組化天線這類可有效降低天線占用空間，並可在某種程度上紓解天線隔離設計壓力的方案，系統整合設計團隊還是得花費大量心力來處理天線後端與功率放大器(PA)和低噪訊放大器(LNA)之間的匹配與調校，甚至在產品送上生產線量產之後，生產部門往往還是得針對天線進行線上校準，才能讓系統的訊號收發性能達到標準。總之，不管是對研發部門還是生產部門而言，天線都是非常難以伺候的棘手元件。  

事實上，以璟德為例，璟德除了銷售各種LTCC天線元件之外，公司內部還有專門的整合設計支援團隊來替客戶進行設計服務。吳明信認為，在天線市場上，除了供應商所提供的解決方案本身要有競爭力之外，設計服務也是核心競爭力的一環。吳明信說：「璟德不僅賣元件，也賣設計服務。」客戶與璟德合作的模式，往往是客戶先行提供系統電路板的樣品，璟德再依照客戶的電路布局進行客製化的天線與匹配電路設計，有時客戶甚至會一併提供產品的機構設計樣品讓璟德的工程團隊參考。此外，璟德也跟台灣幾家主要的射頻晶片供應商如聯發科等有密切合作關係，為其參考設計提供對應的天線及其他被動元件參考設計，也由於和這些主動元件廠商保持密切聯繫，因此每當晶片端一有新的平台，璟德就可以快速地推出對應的被動元件整合與天線解決方案。  

然而，不管是客戶端還是天線供應商負責處理天線相關的工程問題，工程人員必須耗費大量心力來處理天線相關總是不爭的事實，且為了實現天線整合設計最佳化，搭配的量測工具鏈也非常可觀。影響天線效能的因素大致可分成電路參數與空間參數兩大類，前者受系統電路板設計布局的影響，後者則取決於裝置所處的空間條件。一般說來，一家設備製造商的研發實驗室若要針對天線設計進行調校與效能最佳化，至少要具備示波器、頻譜分析儀、網路模擬器、網路分析儀、任意波型產生器等量測儀器，才能進行完整的訊號量測與設計驗證；如果要進行空間參數量測，製造商還得額外建立一座射頻暗室(RF Chamber)，才能在不受外界背景電波干擾下對天線和遠端訊號源的收發過程進行準確模擬。一般估計，一座射頻暗室再加上完整的測試工具鏈，建置成本至少接近新台幣千萬元。  

正因為天線整合設計不僅需要研發工程師付出大量心力，更需要投入大量資本支出來建立完整的測試環境，因此近年來業界出現一種結合微型天線、PA、LNA以及匹配電路的模組化產品，並祭出客戶只須在產品整合設計完成後，送交第三方測試中心進行空間參數驗證的作法，免去研發團隊親自克服天線調校、匹配等棘手難題，希望能藉此在天線解決方案上取得一席之地。  

掌握十倍速商機　Antenova以模組化GPS打響名號  

目前這類模組化方案的供應商以新創公司Antenova為代表。該公司雖然擁有獨特的高介電質天線材料，可協助天線獲得更好的抗失諧(Detuning)性能，並讓天線隔離效果更優異，但Antenova除了銷售標準天線模組外，更投入大量研發資源在提供可依照客戶需求整合天線、放大器以及匹配電路的完整射頻前端模組方案。Antenova將該產品線命名為Radionova，目前其應用範圍包含四頻GSM(850M/900M/1800M/ 1900MHz)與GPS兩大類，特別是GPS應用，Antenova除提供整合了天線與LNA，讓軟體式GPS可隨插即用的解決方案之外，還與瑟孚(SiRF)合作推出整合了GPS基頻、射頻接收器、LNA與天線的完整硬體式模組。前者在系統整合時僅須供應3伏特電壓與訊號連線即可運作，後者則須供應3.6伏特電壓，完全不需研發團隊介入處理天線設計整合，可大幅加速產品上市時程。  

Antenova執行長Greg McCray表示，自從2007年Antenova推出可讓GPS製造商隨插即用的Radionova GPS模組之後，市場反應非常熱烈，因此Antenova決定針對此一產品線向創投公司加碼尋求資金奧援來擴充Radionova GPS產品線，並在2008年10月底成功募得650萬美元。McCray進一步透露，Antenova目前還有一系列雙模Radionova模組正在開發中，如支援GSM/GPS與GSM/藍牙的新產品，預計不久後就會面世。  

Antenova相信，雖然傳統天線元件的市場仍會繼續存在，但在消費性產品生命週期日益縮短，原始設備製造商(OEM)縮短產品開發時程的壓力更加沉重之際，市場對隨插即用模組的需求勢必更為強勁。Antenova在金融海嘯來襲之際，仍能說服創投基金拿出現金來投資，便是此一模組市場具備爆發性成長潛力的最佳證明。  

美學需求驅動天線產業向前行  

在可攜式產品蓬勃發展之前，天線元件的重要性並未受到電子業界正視，甚至將之視為金屬加工業或陶瓷工業等「黑手產業」的延伸產品。然而，在可攜式產品當道的今日，看似單純的天線元件，早已成為材料科學、射頻通訊及訊號處理等跨學科研究成果的結晶。能在天線領域具備執業界牛耳地位的廠商，莫不擁有大量專利。如國巨在天線方面所擁有的專利便超過五十項之多，大多數以天線為主力產品的外商公司亦多半在天線材料、天線設計架構、訊號處理技術與演算法方面擁有獨門絕活。種種跡象皆顯示天線已經從黑手產業轉變為高度技術密集的產業，新進業者若非掌握關鍵專利，將難以在市場中立足。  

在天線產業從黑手產業轉變成技術密集產業的過程中，「讓科技看不見」的美學訴求無疑是推動產業升級的關鍵。人性總是喜歡美好的事物，缺乏美感的傳統外露式天線不斷被晶片天線與其他嵌入式智慧型天線技術取代，不僅推動天線產業不斷往更精巧、更高效率的方向邁進，也再次印證了科技始終來自人性這句老話確是真知灼見。