5G射频前端的革新:从集成模块到自屏蔽技术

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本文来自Qorvo半导体
5G时代的到来为智能手机带来了新的增长机会,据Strategy Analytics近日发布的最新报告显示,今年一季度全球5G手机需求大涨,其首季出货量,超过去年的1870万台至2410万台。
 
5G智能手机的发展也为半导体产业带来了新一轮的技术变革。众所周知,5G时代下,移动设备能够使用的频段逐渐增多,这也意味着需要增加更多的射频元件。射频前端器件的数量增加导致手机内PCB空间紧张,工艺难度提升,这也导致射频前端的复杂性呈指数增长。为了保障智能手机能够在满足5G性能要求的情况下向轻薄化方向发展,集成式射频前端应运而生。
 
射频前端模块的发展
 
射频前端向模块化发展的历史,可以追溯到当时的4G时代。3G/4G时代射频前端集成度取决于设计和性价比,在这种情况下,射频前端以分立式和模块这两种方式存在于市场。当时,出于空间的考虑,4G时代的高端手机往往会采用射频前端模块。
 
随着射频前端模块技术的成熟以及市场的需求,自2016年以后,市场中主要的射频前端都开始向模块化方向发展,双工器、天线开关等几大模块开始被集成到射频前端中。在这期间,射频前端模块也发展出了数种类别,包括 ASM,FEMiD,PAMiD 等等。其中,目前模组化程度最高的是PAMiD,主要集成了多模多频的 PA、RF 开关及滤波器等元件。对于手机厂商来说,PAMiD的出现让射频前端从以前一个复杂的系统设计工程变得更加简单。
 
而伴随着5G时代的来临,手机所需的PAMiD也正在持续进行着整合。Qorvo作为全球射频领域的佼佼者,其利用高度集成的中频 / 高频模块解决方案,已经为多家智能手机制造商提供了广泛的新产品发布支持。
 
对于PAMiD接下来的发展,Qorvo认为,将LNA集成到PAMiD中,是推动射频前端模块继续发展的重要动力之一。有报道指出,随着5G商业化落地,智能手机中天线和射频通路的数量将显著增多,对射频低噪声放大器的数量需求会迅速增加,而手机PCB却没有更多的空间。在这种情况下,将LNA集成到PAMiD中成为了行业的一种发展趋势。Qorvo表示,从PAMiD到L-PAMiD,射频前端模块可以实现更小尺寸,支持更多功能。
 
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RF自屏蔽技术将在5G时代发挥更大的作用
 
蜂窝发射模块对手机内的任何元件来说都将产生辐射功率,从而可能诱发EMI和RFI,伴随着越来越多的元件都被集成到射频前端中,产生EMI和RFI的风险也变得越来越大。在这种情况下,就需要RF屏蔽技术来降低与EMI及RFI相关的辐射。
 
RF屏蔽技术并不是面向5G的全新技术。在过去,射频前端模块采用外置机械屏蔽罩的方式进行RF屏蔽,但采用外置机械屏蔽罩的方式可能会导致灵敏度下降,也可能会导致谐波升高。
 
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针对这种情况,Qorvo推出了Micro Shield自屏蔽技术。简单来说,Micro Shield自屏蔽技术就是在模块的表面再涂一层合金,取代原来外置的机械屏蔽罩,以起到屏蔽干扰信号的作用。据相关报道显示,最早一代的Micro Shield技术可将当时RF的高度和体积分别降低15%和25%。这也使得采用Micro Shield技术的手机制造商能够在更小的板级空间上,获得更高的RF性能。
 
尤其是在5G时代下,手机需要支持更多的频段。但由于RF信号在发送时会对其他敏感模拟电路模块造成干扰,这就需要更合理PCB布局来减少RF信号产生的影响,而采用RF自屏蔽技术则可以让PCB的布局更加灵活。同时,5G时代的到来,手机PCB的空间变得越来越紧张,更小的模块设计成为了手机元件未来发展的方向之一,在这个过程当中,用RF自屏蔽技术来代替厚重的机械屏蔽罩也就成为一股行业潮流。在这种市场需求下,Qorvo所推出的Micro Shield自屏蔽技术的优势就被凸显了出来。
 
Qorvo认为,Micro Shield自屏蔽技术将在5G时代发挥更大的作用。结合5G时代的集成化趋势来看,Micro Shield自屏蔽技术将有助于L-PAMiD的进一步发展。Qorvo指出,因为外部LNA通常在物理上不靠近功放,因此,PAMiD对RF自屏蔽的需求并不高(PAMiD往往会采用外置机械屏蔽罩的方式)。但伴随着5G时代对L-PAMiD需求的增加,如果外置机械屏蔽罩设计不正确,L-PAMiD的灵敏度将会受到严重的影响。因此,受惠于5G时代的来临,Micro Shield自屏蔽技术的价值将得以放大。下图显示:经过优良设计的自屏蔽模组,能够100倍地减少LNA区域的表面电流。
 
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射频前端模块未来发展方向
 
从Qorvo在射频前端的发展路线图来看,将LNA集成到PAMiD中以及采用自屏蔽技术将是手机射频前端模块未来发展的两个重要方向。
 
就目前市场情况来看,PAMiD是高度整合的定制模组,虽然它能够带来足够高的性能体验,但由于其成本高,因此,也仅有Apple、三星和华为等少数厂商选用。同样,Micro Shield自屏蔽技术也是由于成本原因,而往往仅被高端手机所采用。但是伴随着5G时代的到来,采用Micro Shield自屏蔽技术的L-PAMiD显然能够为厂商带来更大的价值,这也就意味着这种射频前端模块在中低端手机领域还有很大的发展空间。
 
Qorvo指出,伴随着Micro Shield自屏蔽技术在工艺上的改进,这种技术的成本有望进一步降低。同时,L-PAMiD的成本也会随着技术的成熟而降低。按照这种发展趋势,采用Micro Shield自屏蔽技术的L-PAMiD将会逐渐被中低端手机所接受。Qorvo预计,在今年下半年,市场中就会有中低端手机采用这种射频前端模块。
 
结语
 
射频前端模块的技术创新推动了移动通信技术的发展。在5G时代的潮流中,射频前端模块也在进行着新一轮的技术革新。Qorvo作为射频前端模块领域的重量级玩家之一,他在射频前端模块上的技术更新,或许能够代表着这个行业未来的发展方向。
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