【原创】后5G时代,智能手机射频器件有哪些发展趋势?

winniewei 提交于 周一, 11/02/2020
【原创】后5G时代,智能手机射频器件有哪些发展趋势?

作者:张国斌

当你拿着5G手机快乐地刷着短视频的时候,射频厂商却正在绞尽脑汁想方设法把更多的射频器件塞进手机。

在移动通信领域,每一次技术升级都让我们的通信体验获得升级,不过,当手机从2G/3G/4G演进到5G甚至6G的时候,每次升级都给手机射频前端器件带来了巨大的挑战,研究表明智能手机多增加一个频段,需要增加相对应的射频放大和接收单元。一般来说,2G手机支持4个频段,3G支持6个,4G支持20个,5G则需要支持80个!射频前端需求量是4G的2倍以上!

大家可能对手机CPU、GPU 、手机屏幕很熟悉,不过真正影响手机性能的关键器件是手机射频前端。射频前端是指介于天线与射频收发之间的通信元件,包括滤波器(Filters)、低噪声放大器(LNA,LowNoiseAmplifier),功率放大器(PA,PowerAmplifier)、射频开关(RFSwitch)、天线调谐开关(RFAntennaSwitch)、双工器等,射频前端介于天线和射频收发之间,是终端通信的核心组成器件。手机通信模块主要由天线、射频前端、射频收发和基带构成。

图1  手机射频信号链路

图1  手机射频信号链路

我们手机的接收通道是:信号—天线—天线开关—滤波器/双工器—LNA—射频开关—射频收发—基带;手机发射通道是:基带—射频收发—射频开关—PA—滤波器/双工器—天线开关—天线—信号,这是决定了手机语音和网络连接的关键信号链路。

现在,随着5G R16版本的冻结和5G初期大规模布网基本完成,我们已经开始步入后5G时代,5G技术的射频技术规格的基本确定,需要更多从终端用户角度去提升体验,射频前端成为改善用户体验的关键,那未来,后5G射频器件有哪些发展趋势呢?让我们先从射频前端的挑战开始探讨。

射频前端的挑战为何日益增加?

如前所述,从2G到4G直至今天的5G,每一代移动通信的演进都会带来射频前端数量和价值量的倍增。根据Yole的分析(如下图),从2G到4G到5G ,PA的价值量将由2018年的44.5亿美元增加到2022年的50亿美元。

图2 手机中射频前端单机用量和价值量(Yole,国金证券研究所)

图2 手机中射频前端单机用量和价值量(Yole,国金证券研究所)

从Qorvo的一份报告中,我们可以更详细地看到,随着移动通信制式的增加以及频率不断提升,频段不断增多,这意味着滤波器、PA等器件的数量要持续增加!这就引发了一个非常严重的问题!

图3  智能手机频带不断增加

图3  智能手机频带不断增加

这个问题是如果射频前端器件数量增多必然会增大手机PCB的面积, 那就会压缩手机电池和其他空间,比如苹果最新发布的iPhone12 5G手机,在追求薄而美的时候,其电池容量竟然比上一代iPhone11 4G手机还要少!

要解决这个问题,就必须尽量压缩射频前端器件面积--因为其他器件如CPU 等多采用高级工艺实现面积的减少,而射频器件的工艺难以大幅度提升,所以只能走集成化的道路!

图4 手机射频融合发展趋势

图4 手机射频融合发展趋势

不过由于手机滤波器、PA、射频开关采取的工艺不同--最领先的PA一般是基于GaAs,最好的射频开关可能是基于绝缘硅工艺(silicon on insulator)或者是MEMS,而最好的滤波器可能是基于声表波、声体波,所以射频模组产品本质上是一个多芯片封装的系统SiP。

据Qorvo 介绍,Qorvo的高集成射频解决方案已经从射频前端第二阶段(Phase2)演进到了第七阶段(Phase7Lite),通过不断整合新部件以获取更多优势。

图5 Qorvo的高集成射频解决方案已经发展到第7阶段

图5 Qorvo的高集成射频解决方案已经发展到第7阶段

我们看到,从分立器件到 PAMiD(集成双工器的功放模块,Power Amplifier Module with integrated Duplexer ),射频前端集成化的趋势愈加明显。

图6  PA已经和双工器、LNA集成和应用实例

图6  PA已经和双工器、LNA集成和应用实例

图6  PA已经和双工器、LNA集成和应用实例

与分立方案(226 mm*2)相比,PAMiD 集成度高,可节省手机内PCB 空间,然后Qorvo 通过将 LNA(低噪声放大器)集成到 PAMiD 中,实现了 PAMiD 到 L-PAMiD(带 LNA 的 PA 模块)的转变,使得射频布板面积缩小到149 mm*2,节省了34%。这节省的面积可以增加几十毫升电池容量。

新问题来了

解决了射频 集成问题后,随着我们进入5G时代,手机射频部分又出现了一个新的严峻问题--那就是射频前端的 EMI (电磁干扰)和 RFI (射频干扰)问题,因为随着越来越多元件集成到射频前端模块,各种电磁干扰变得常见。

图7 屏蔽罩是解决电磁干扰问题的主要措施

图7 屏蔽罩是解决电磁干扰问题的主要措施

要解决这个问题,有一个最简单粗暴的方法---加上个屏蔽罩!屏蔽罩通过用金属板或其他保护装置封闭目标物体,把周围的电磁场排除在外或者降低磁场强度。目前业内一般采用外置机械屏蔽罩对射频模块实施屏蔽,即嵌入金属外壳,以保护模块免受外部电磁场的影响。

图8  屏蔽罩的用法

图8  屏蔽罩的用法

图9   OPPO手机有这样的屏蔽罩设计

图9   OPPO手机有这样的屏蔽罩设计

不过屏蔽罩的使用不当会导致接收灵敏度下降以及谐波升高,对设备造成损害,带来很多设计上的风险。

图10 带屏蔽罩反而让谐波升高了

图10 带屏蔽罩反而让谐波升高了

图10 带屏蔽罩反而让谐波升高了

图10 带屏蔽罩反而让谐波升高了

另一种思路--Qorvo 自屏蔽模块

针针对以上问题,Qorvo 研发出自屏蔽模块(uShielding),即在模块表面添加一层自屏蔽金属镀层,可使表面电流减少 100 倍,相当于其射频前端模块自带屏蔽罩,无需再思考机械屏蔽罩的放置问题。

仿真显示自屏蔽模块可以给PA到LNA提供>20dB的额外隔离度,Qorvo 自屏蔽模块的推出帮助客户在设计手机 PCB 模块的过程中,不用担心机械屏蔽罩在 L-PAMiD 中造成不必要的耦合。以下两图是效果对比:

这是采用机械式屏蔽罩仿真结果

图11 普通机械屏蔽罩效果仿真

图11 普通机械屏蔽罩效果仿真

这是采用Qorvo 的自屏蔽模块仿真,可以看到将EMI/EMC问题减少了很多。

图12 Qorvo 自屏蔽模块效果仿真

图12 Qorvo 自屏蔽模块效果仿真

Qorvo 认为正确设计的自屏蔽模块可以最大限度地减少手机研发的不确定性,规避EMI , RFI风险。目前几乎所有高端品牌手机如苹果、三星等都在使用自屏蔽罩。如三星手机在2015年就采用了该技术。

Qorvo 认为,射频前端模块的持续整合加上自屏蔽模块的应用将是未来射频前端的重要发展趋势。虽然当下 PAMiD 方面的成本较高,但随着 5G 时代快速发展,采用 Qorvo 自屏蔽技术的 L-PAMiD 将会被更多厂商所接受,未来在中低端手机中也会得到普及。

图13 射频持续整合+自屏蔽模块是未来的趋势

图13 射频持续整合+自屏蔽模块是未来的趋势

未来射频前端还有哪些趋势?

从 Qorvo 分享的 PAMiD/L-PAMiD 产品路线图中可以看出,目前 Qorvo 的产品全部同时集成了自屏蔽和 LNA,并支持 5G 频段。

在射频前端集成上,Qorvo还走的更远,其QM77048把中高频LNA、PA、收发开关、滤波器和天线开关都集成在了一起!成为一个支持中高频段和载波聚合的全球平台!

图14 QM77048的集成度更高

图14 QM77048的集成度更高

它支持:

5G新频段:n1, n2(AUX), n3, n4, n7, n40, n41(38), n66。LTE频段1、2(AUX)、3、4、7、32SDL、34、38、39、40、41。集成中高频LNA,实现最佳的Rx灵敏度支持Power 2级别的n41、B41、B40。支持频内载波聚合:B1+B3+B32, B1+B3+B7+B32, B1+B3+B41, B1+B3+B40, B39+B41,B1+B3+B7+B32,B34+B39。支持数据上下行链路的载波聚合:B1, B3, B7, B39, B40, B41。

 PA支持包络跟踪(ET)优化,和 APT(均功率跟踪Average Power Track

电容Vcc可选择

支持正向和反向耦合器

3个天线、有针对用于25/66(n66)/30频带的PA和LNA辅助端口。QM77048还有一些衍生系

图15  QM77048还有一些衍生系列

图15  QM77048还有一些衍生系列

此外,Qorvo也有针对低频段的射频高集成产品QM77043以及专注于同类最佳5G性能和易用性的5G NR L-PAD模块。

图16  Qorvo其他系列产品

图16  Qorvo其他系列产品

图16  Qorvo其他系列产品

图17  Qorvo的核心技术

图17  Qorvo的核心技术

Qorvo 在射频领域耕耘多年,有各种工艺包括GaAs、SOI、BAW、TC-SAW工艺的射频产品 ,有可支持5G 不同频率、不同功率水平,可满足不同客户的需求的全产品线,随着5G应用的深入,射频领域肯定还有新的问题出现,但是,工程问题总是有办法解决,在与这些挑战斗争的同时,射频技术也在不断发展!而用户,总能享受到更好的通信体验!

注:本文为原创文章,转载请注明作者及来源

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