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5G射頻前端的模組化設(shè)計及市場發(fā)展趨勢

已有26443次閱讀2021-06-07標(biāo)簽:
 
盡管新冠肺炎疫情讓5G在全球快速地進(jìn)行規(guī)�；渴鸬倪M(jìn)程受到了一定影響，但整體來看，疫情對5G商用的影響是短暫且有限的。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，迄今為止，全球已有超過45家OEM廠商已經(jīng)或即將宣布推出5G終端，超過50家運營商部署了5G商用網(wǎng)絡(luò)，超過345家運營商正在投資5G。從終端角度看，基于《IDC全球智能手機(jī)跟蹤報告》，IDC預(yù)測2020年全球5G手機(jī)出貨量約2.4億臺，而中國市場的貢獻(xiàn)將超過1.6億臺，占比約67.7%。在未來5年內(nèi)，中國也將持續(xù)占據(jù)全球約一半的市場份額。


來源：IDC中國，2020
眾所周知，5G時代下，移動設(shè)備能夠使用的頻段逐漸增多，這也意味著需要增加更多的射頻元件。射頻前端器件的數(shù)量增加導(dǎo)致手機(jī)內(nèi)PCB空間緊張，工藝難度提升，這也導(dǎo)致射頻前端的復(fù)雜性呈指數(shù)級增長。為了保障智能手機(jī)能夠在滿足5G性能要求的情況下向輕薄化方向發(fā)展，集成式射頻前端應(yīng)運而生。


根據(jù)Yole Development的統(tǒng)計與預(yù)測，2019年射頻前端市場為167億美元，到2022年有望達(dá)到221.75億美元。以市場份額來看，2018年，前五大射頻器件提供商占據(jù)了射頻前端市場份額的八成，其中包括Murata 26%，Skyworks 21%，Broadcom 14%，Qorvo 13%， Qualcomm 7%。

射頻前端的模塊化趨勢

射頻前端向模塊化發(fā)展的歷史，可以追溯到3G/4G時代。那時，射頻前端集成度取決于設(shè)計和性價比，在這種情況下，射頻前端以分立和模塊這兩種方式存在于市場中，出于空間的考慮，4G時代的高端手機(jī)往往會采用射頻前端模塊。
同樣來自Yole Development的數(shù)據(jù)顯示，分立器件與射頻模組共享整個射頻前端市場。2018年射頻模組市場規(guī)模達(dá)到105億美元，約占射頻前端市場總?cè)萘康?0%。到2025年，射頻模組市場將達(dá)到177億美元，年均復(fù)合增長率為8%；2018年分立器件市場規(guī)模達(dá)到45億美元，約占射頻前端市場總?cè)萘康?0%。到2025年，分立器件仍將保留81億美元的市場規(guī)模。


隨著射頻前端模塊技術(shù)的成熟以及市場的需求，自2016年以后，市場中主要的射頻前端都開始向模塊化方向發(fā)展，雙工器、天線開關(guān)等幾大模塊開始被集成到射頻前端中。在這期間，射頻前端模塊也發(fā)展出了數(shù)種類別，包括ASM、集成雙工器的射頻前端模塊(Front-End Module with Integrated Duplexer, FEMiD)、集成雙工器的功放模塊(Power Amplifier Module with integrated Duplexer, PAMiD)等等。其中，又以集成了多模多頻PA、RF開關(guān)、濾波器等元件的PAMiD模組化程度最高，對于手機(jī)廠商來說，PAMiD的出現(xiàn)讓射頻前端從之前一個復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計工程變得更加簡單。
而伴隨著5G時代的來臨，即便是模組化程度最高的PAMiD也正在持續(xù)進(jìn)行著整合。Qorvo華北區(qū)應(yīng)用工程經(jīng)理張杰認(rèn)為，下一步，將低噪聲放大器(LNA)集成到PAMiD中，是推動射頻前端模塊繼續(xù)發(fā)展的重要動力之一。主要原因在于隨著5G 商業(yè)化落地，智能手機(jī)中天線和射頻通路的數(shù)量將顯著增多，對射頻低噪聲放大器的數(shù)量需求會迅速增加，而手機(jī)PCB卻沒有更多的空間。在這種情況下，從PAMiD到L-PAMiD，射頻前端模塊可以實現(xiàn)更小尺寸(節(jié)省面積達(dá)35-40mm2)，支持更多功能。


“但產(chǎn)品功能的高度集成并不是簡單的整合，還涉及到性能的改善，兼容性、互擾等問題的優(yōu)化解決。”張杰表示，蜂窩發(fā)射模塊對手機(jī)內(nèi)的任何元件來說都將產(chǎn)生輻射功率，從而可能誘發(fā)EMI和RFI，伴隨著越來越多的元件都被集成到射頻前端中，產(chǎn)生EMI和RFI的風(fēng)險也變得越來越大。在這種情況下，就需要RF屏蔽技術(shù)來降低與EMI及RFI相關(guān)的輻射。

從機(jī)械屏蔽到自屏蔽

RF屏蔽技術(shù)并不是面向5G的全新技術(shù)。在過去，射頻前端模塊通常采用外置機(jī)械屏蔽罩的方式進(jìn)行RF屏蔽，但5G時代的到來，手機(jī)需要支持更多的頻段，由于RF信號在發(fā)送時會對其他敏感模擬電路模塊造成干擾，這就需要更合理PCB布局來減少RF信號產(chǎn)生的影響，更小的模塊設(shè)計成為了手機(jī)元件未來發(fā)展的方向之一。
與此同時，考慮到采用外置機(jī)械屏蔽罩的方式可能會導(dǎo)致靈敏度下降以及諧波升高，因此在向5G的演進(jìn)過程中，使用RF自屏蔽技術(shù)來代替厚重的機(jī)械屏蔽罩，也就成為一股行業(yè)潮流。


Micro Shield是Qorvo推出的自屏蔽技術(shù)。簡單來說，就是在模塊的表面再涂一層合金，取代原來外置的機(jī)械屏蔽罩，以起到屏蔽干擾信號的作用。最早一代的Micro Shield技術(shù)可將當(dāng)時RF的高度和體積分別降低15%和25%。
Qorvo封裝工藝工程部副總監(jiān)趙永欣認(rèn)為，從5G時代的集成化趨勢來看，L-PAMiD和自屏蔽技術(shù)既相輔相成，又將是手機(jī)射頻前端模塊未來發(fā)展的兩個重要方向。
之所以相輔相成，是因為外部LNA通常在物理上不靠近功放，因此，PAMiD對RF自屏蔽的需求并不高(PAMiD往往會采用外置機(jī)械屏蔽罩的方式)。但隨著5G時代對L-PAMiD需求的增加，如果外置機(jī)械屏蔽罩設(shè)計不正確，L-PAMiD的靈敏度將會受到嚴(yán)重的影響。下圖顯示：經(jīng)過優(yōu)良設(shè)計的自屏蔽模組，能夠100倍地減少LNA區(qū)域的表面電流。


就目前市場情況來看，PAMiD是高度整合的定制模組，雖然它能夠帶來足夠高的性能體驗，但由于其成本高，因此，也僅有少數(shù)廠商選用。同樣，Micro Shield 自屏蔽技術(shù)也是由于成本原因，而往往僅被高端手機(jī)所采用。但是伴隨著5G時代的到來，趙永欣預(yù)計，伴隨著 Micro Shield 自屏蔽技術(shù)在工藝上的改進(jìn)，以及L-PAMiD 成本的不斷降低，今年下半年，市場中就會出現(xiàn)采用具備Micro Shield自屏蔽技術(shù)和L-PAMiD射頻前端模塊的中低端手機(jī)。
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