5G深度赋能下,射频前端如何构筑核心壁垒?

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据市调机构 YoleDévelopment 统计与预测,射频前端市场将以 8%的年均复合增长率增长,有望从 2018 年的 150 亿美元,到 2025 年达到 258 亿美元。特别是在 5G 的助力下,射频前端市场前景可期。 
 
由于射频前端是移动通信产品的核心组成部分,需要适配多种通信制式、多频段,随着 5G 的商用普及,技术复杂度进一步提升,对于射频前端也不断提出了新要求。与高需求量形成鲜明对比的是对新设计、新工艺等方面的更大挑战。 
 
Qorvo 作为最早布局射频前端的供应商之一,在该领域已经耕耘了 20 多年,经历了功率放大器(PA)、滤波器、开关的分立时期,逐步走进了现在的大集成时代。Qorvo 方面认为,持续整合+自屏蔽模组是射频前端当前的主要趋势。 
 
射频前端下一步将集成 LNA
 
射频前端主要由功率放大器(PA)、双工器(Duplexer)、射频开关(Switch)、滤波器(Filter)、低噪放大器(LNA)组成。射频前端的模块化发展始于 2016 年,双工器、天线开关等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。目前,模块化程度最高的是 PAMiD,主要集成了多模多频的 PA、RF 开关及滤波器等元件。 
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5G 带来频段的增加,令 Phase 2/5/6/7 在持续整合,下一步集成的方向是什么?Qorvo 华北区应用工程经理张杰(Fiery Zhang)认为,LNA 集成到 PAMiD 中,将会是推动射频前端模块继续发展的一大动力。究其原因,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 的空间却越来越紧凑。在这种情况下,从 PAMiD 到 L-PAMiD(PAMiD 集成 LNA),射频前端模块可以实现更小的尺寸(节省面积达 35-40mm2),并支持更多功能。
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张杰(Fiery Zhang),Qorvo 华北区应用工程经理 
 
射频前端持续整合带来的互扰挑战 
 
张杰强调,产品集成并不仅仅是简单的整合,一方面需要改善性能,另一方面需要解决集成过程中的兼容性 / 互扰问题。特别是 PCB 面积越来越紧凑,器件布局非常紧密,而功能模块又越来越多,互扰问题就成为了一大挑战。 
 
Qorvo 几年前开始在 PAMiD 上推行自屏蔽技术,免除对其他器件的干扰,主要用于改善手机 PCB 设计时的互干扰问题。该技术一方面节省了用户在手机设计时的许多工作量,另一方面可以排除机械屏蔽盖对器件的影响。 
 
据 Qorvo 封装新产品工程部副总监赵永欣(York Zhao)介绍,外置机械屏蔽罩可能导致灵敏度下降、谐波升高,因此 Qorvo 摒弃了这种方式,采用自屏蔽模块的方式。它相当于在模块表面再镀一层合金,起到屏蔽信号干扰的作用。由于该技术主要通过电镀而非喷涂来实现,可靠性更高,屏蔽性能也更好。有报道显示,最早一代的自屏蔽技术可将当时 RF 的高度和体积分别降低 15%和 25%。这也使得采用自屏蔽技术的手机制造商能够在更小的板级空间上,获得更高的射频性能。
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赵永欣(York Zhao),Qorvo 封装新产品工程部副总监 
 
自屏蔽其实并不是一项全新的技术,十几年前就已存在,只是当时的应用范围较小,而随着系统集成度的提升,近两三年来在更大范围得到应用。通过生产实践,Qorvo 不断提升该技术的工艺稳定性,使之达到了量产标准。据 Qorvo 方面介绍,未来将会有更多的产品采用自屏蔽技术,其应用潜力也绝不仅仅局限于手机市场,集成度提升几乎是当今电子设计的一大趋势,因此抗互干扰的屏蔽的需求会越来越旺盛。基于这一判断,Qorvo 认为这一技术已经到了适合全面推广的程度,例如当前在一些工业应用中就存有这样的需求。 
 
据赵永欣介绍,从 5G 的集成化趋势来看,L-PAMiD 和自屏蔽技术将是手机射频前端模块两个重要的发展趋势。由于外部 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)。但是,随着 5G 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。经过优良设计的自屏蔽模组,能够将 LNA 区域的表面电流减少 100 倍。
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结语 
 
射频前端用到的器件越来越多,方案越来越复杂,高度集成化、一体化成为必然。不过,集成并不是简单的整合,在工艺上进行相辅相成的革新同样重要,这有助于改善系统的整体性能。并且,5G 仍处在长期的演进过程中,频段的需求在增加,对新技术支持的需求也在变化中。在此趋势下,有着多年研发经验的企业,在产品、工艺等方面已经走过了一段摸索和积累时期,通常有较强的持续创新能力和完善的技术发展路径。Qorvo 在射频前端领域,通过高集成度设计+工艺革新,有望助力相关企业构筑起独有的核心技术壁垒,满足市场的动态需求。
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