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5G射频前端的模组化设计及市场发展趋势

发布日期:2021-06-07 浏览次数:2268 来源:电子工程专辑作者:网络
 
尽管新冠肺炎疫情让5G在全球快速地进行规模化部署的进程受到了一定影响,但整体来看,疫情对5G商用的影响是短暂且有限的。相关数据显示,迄今为止,全球已有超过45家OEM厂商已经或即将宣布推出5G终端,超过50家运营商部署了5G商用网络,超过345家运营商正在投资5G。从终端角度看,基于《IDC全球智能手机跟踪报告》,IDC预测2020年全球5G手机出货量约2.4亿台,而中国市场的贡献将超过1.6亿台,占比约67.7%。在未来5年内,中国也将持续占据全球约一半的市场份额。


来源:IDC中国,2020
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级增长。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。


根据Yole Development的统计与预测,2019年射频前端市场为167亿美元,到2022年有望达到221.75亿美元。以市场份额来看,2018年,前五大射频器件提供商占据了射频前端市场份额的八成,其中包括Murata 26%,Skyworks 21%,Broadcom 14%,Qorvo 13%, Qualcomm 7%。

射频前端的模块化趋势

射频前端向模块化发展的历史,可以追溯到3G/4G时代。那时,射频前端集成度取决于设计和性价比,在这种情况下,射频前端以分立和模块这两种方式存在于市场中,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。
同样来自Yole Development的数据显示,分立器件与射频模组共享整个射频前端市场。2018年射频模组市场规模达到105亿美元,约占射频前端市场总容量的70%。到2025年,射频模组市场将达到177亿美元,年均复合增长率为8%;2018年分立器件市场规模达到45亿美元,约占射频前端市场总容量的30%。到2025年,分立器件仍将保留81亿美元的市场规模。


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、集成双工器的射频前端模块(Front-End Module with Integrated Duplexer, FEMiD)、集成双工器的功放模块(Power Amplifier Module with integrated Duplexer, PAMiD)等等。其中,又以集成了多模多频PA、RF开关、滤波器等元件的PAMiD模组化程度最高,对于手机厂商来说,PAMiD的出现让射频前端从之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,即便是模组化程度最高的PAMiD也正在持续进行着整合。Qorvo华北区应用工程经理张杰认为,下一步,将低噪声放大器(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。主要原因在于随着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,从PAMiD到L-PAMiD,射频前端模块可以实现更小尺寸(节省面积达35-40mm2),支持更多功能。


“但产品功能的高度集成并不是简单的整合,还涉及到性能的改善,兼容性、互扰等问题的优化解决。”张杰表示,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。

从机械屏蔽到自屏蔽

RF屏蔽技术并不是面向5G的全新技术。在过去,射频前端模块通常采用外置机械屏蔽罩的方式进行RF屏蔽,但5G时代的到来,手机需要支持更多的频段,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,更小的模块设计成为了手机元件未来发展的方向之一。
与此同时,考虑到采用外置机械屏蔽罩的方式可能会导致灵敏度下降以及谐波升高,因此在向5G的演进过程中,使用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。


Micro Shield是Qorvo推出的自屏蔽技术。简单来说,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。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%。
Qorvo封装工艺工程部副总监赵永欣认为,从5G时代的集成化趋势来看,L-PAMiD和自屏蔽技术既相辅相成,又将是手机射频前端模块未来发展的两个重要方向。
之所以相辅相成,是因为外部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。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。


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,赵永欣预计,伴随着 Micro Shield 自屏蔽技术在工艺上的改进,以及L-PAMiD 成本的不断降低,今年下半年,市场中就会出现采用具备Micro Shield自屏蔽技术和L-PAMiD射频前端模块的中低端手机。
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