自屏蔽技術(shù)在5G射頻前端中的應(yīng)用研究

梁訓(xùn)波 丁輝 李珩 孟甜

摘要：隨著5G時(shí)代的到來，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，手機(jī)PCB的空間變得越來越緊張。傳統(tǒng)的外置機(jī)械罩屏蔽技術(shù)對工藝要求高，空間要求較大，還可能導(dǎo)致靈敏度下降和二次干擾等問題。Qorvo推出的 Micro Shield 自屏蔽技術(shù)在保證性能的基礎(chǔ)上有望有效降低5G射頻前端的面積，與射頻前端高模組化的發(fā)展趨勢相適應(yīng)。

關(guān)鍵詞：射頻前端;自屏蔽技術(shù);外置機(jī)械罩屏蔽技術(shù)

1引言

射頻前端模組是將射頻開關(guān)、低噪聲放大器、濾波器、雙工器、功率放大器等兩種或者兩種以上的分立器件集成為一個(gè)模組，從而提高集成度和性能，并使體積小型化。隨著5G時(shí)代的到來，手機(jī)PCB的空間變得越來越緊張，更小的模塊設(shè)計(jì)成為了手機(jī)元件未來發(fā)展的方向之一，但于此同時(shí)各模塊對鄰近的收發(fā)器或其他設(shè)備造成的干擾也無可避免的增強(qiáng)。傳統(tǒng)的屏蔽技術(shù)通過機(jī)械屏障罩來實(shí)現(xiàn)，但機(jī)械屏障罩除了自身的局限性外，本身還會(huì)對各模組造成二次干擾。自屏蔽技術(shù)在5G射頻前端的應(yīng)用成為行業(yè)潮流。

2射頻前端模塊的發(fā)展趨勢

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[1]。在這期間，射頻前端模塊也發(fā)展出了數(shù)種類別，包括 ASM，F(xiàn)EMiD，PAMiD 等等。其中，目前模組化程度最高的是 PAMiD，主要集成了多模多頻的 PA、RF 開關(guān)及濾波器等元件。對于手機(jī)廠商來說，PAMiD 的出現(xiàn)讓射頻前端從以前一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程變得更加簡單。

對于 PAMiD 接下來的發(fā)展，將 LNA（低噪聲放大器） 集成到 PAMiD 中，可實(shí)現(xiàn) PAMiD 到 L-PAMiD（帶 LNA 的 PA 模塊）的轉(zhuǎn)變，使得射頻前端模塊的節(jié)省面積達(dá) 35-40mm*2，且支持更多的功能，讓 PCB 的布局更為合理。有報(bào)道指出，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(huì)迅速增加，而手機(jī) PCB 卻沒有更多的空間。在這種情況下，將 LNA 集成到 PAMiD 中成為了行業(yè)的一種發(fā)展趨勢。

于此同時(shí)，隨著射頻前端模塊面積的縮小，各模塊間的電磁干擾隨之也增強(qiáng)。目前，為降低模塊間的互相干擾，常采用外置機(jī)械罩屏蔽技術(shù)，同時(shí)自屏蔽技術(shù)隨著5G射頻前端的小尺寸特點(diǎn)也應(yīng)運(yùn)而生。

3外置機(jī)械罩屏蔽技術(shù)

目前5G射頻前端中采用最多的為在模組外增加機(jī)械屏障，利用時(shí)變電磁場在導(dǎo)體內(nèi)環(huán)繞場線感應(yīng)出電流，產(chǎn)生一個(gè)與誘發(fā)場相反的電磁場，從而使導(dǎo)體內(nèi)的場線抵消。

采用機(jī)械罩屏蔽技術(shù)存在一些局限性。首先，對工藝的要求較高，由于感應(yīng)電流只能在導(dǎo)體上存在自由電子的部位流動(dòng)，屏蔽罩上的孔洞、槽溝和開口會(huì)降低屏蔽效能，導(dǎo)致電流尋找沿著開口處的其它途徑流動(dòng)，從而使感應(yīng)場無法完全抵消誘發(fā)場。其次，表皮深度是另一個(gè)重要因素，它由時(shí)變電磁場波穿透傳導(dǎo)膜的能力決定。當(dāng)?shù)皖l具有特別重要性時(shí)，為有效屏蔽輻射的射頻信號(hào)，會(huì)需要一個(gè)更厚的膜，從而占用更多的空間，與日益縮小的可使用空間相矛盾。再次，根據(jù)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，外置機(jī)械罩可能會(huì)導(dǎo)致靈敏度下降，也可能會(huì)導(dǎo)致諧波升高。最后，機(jī)械屏障本身可能還會(huì)對各模組產(chǎn)生二次干擾，達(dá)不到預(yù)期屏蔽效果。

4自屏蔽技術(shù)

4.1自屏蔽技術(shù)簡介

隨著5G 通信技術(shù)的誕生和發(fā)展，日漸復(fù)雜的電磁環(huán)境使得電子設(shè)備飽受電磁干擾的影響，這在 5G 通信天線系統(tǒng)和芯片封裝中表現(xiàn)尤為突出。如何有效利用電磁信號(hào)傳播，同時(shí)抑制有害的電磁輻射，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)“兼容并畜”，成為通信技術(shù)發(fā)展革新的一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)。對于5G手機(jī)射頻前端的設(shè)計(jì)變化，Qorvo表示雖然4G到5G是上下兼容的，但是要在4G手機(jī)上面增加5G的功能需要加入更多功能的器件。而且5G手機(jī)對性能，線性度，EVM、頻率等要求比4G的更高，所以改善性能方面是一個(gè)挑戰(zhàn)。

Qorvo公司通過十幾年的對自屏蔽技術(shù)的研究，2020年推出了 Micro Shield 自屏蔽技術(shù)。簡單來說，Micro Shield 自屏蔽技術(shù)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(hào)的作用。Qorvo選擇使用電鍍腐蝕的方法實(shí)現(xiàn)自屏蔽技術(shù)，使得屏蔽性能和防氧化程度都比較優(yōu)越，避免器件因受到外界環(huán)境的變化而造成氧化的現(xiàn)象，影響屏蔽的效果[2]。

據(jù)相關(guān)報(bào)道顯示，最早一代的 Micro Shield 技術(shù)可將當(dāng)時(shí)射頻前端的高度和體積分別降低 15% 和 25%。這也使得采用 Micro Shield 技術(shù)的手機(jī)制造商能夠在更小的空間上，獲得更高的射頻性能。從架構(gòu)上來說，采用Micro Shield自屏蔽技術(shù)的L-PAMiD能使其表面電流減少100倍，這相當(dāng)于其射頻前端模塊自帶屏蔽罩，無需再思考機(jī)械屏蔽罩的放置問題。

4.2應(yīng)用方向

從 Qorvo 在射頻前端的發(fā)展路線圖來看，將 LNA 集成到 PAMiD 中以及采用自屏蔽技術(shù)將是手機(jī)射頻前端模塊未來發(fā)展的兩個(gè)重要方向。

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(yàn)，但由于其成本高，因此，也僅有 Apple、三星和華為等少數(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(shí)代的到來，采用 Micro Shield 自屏蔽技術(shù)的 L-PAMiD 顯然能夠?yàn)閺S商帶來更大的價(jià)值，這也就意味著這種射頻前端模塊在中低端手機(jī)領(lǐng)域還有很大的發(fā)展空間。

Qorvo 指出，伴隨著 Micro Shield 自屏蔽技術(shù)在工藝上的改進(jìn)，這種技術(shù)的成本有望進(jìn)一步降低。同時(shí)，L-PAMiD 的成本也會(huì)隨著技術(shù)的成熟而降低。按照這種發(fā)展趨勢，采用 Micro Shield 自屏蔽技術(shù)的 L-PAMiD 將會(huì)逐漸被中低端手機(jī)所接受。Qorvo 預(yù)計(jì)，在今年下半年，市場中就會(huì)有中低端手機(jī)采用這種射頻前端模塊。

4.3機(jī)遇與挑戰(zhàn)

雖然自屏蔽技術(shù)可以減少射頻前端的模組面積，但也面臨著一些挑戰(zhàn)，如對模組進(jìn)行電鍍對環(huán)境有著嚴(yán)苛的要求，技術(shù)發(fā)展上還未完全成熟，未能在5G射頻前端廣泛使用。

結(jié)合 5G 時(shí)代的集成化趨勢來看，Micro Shield 自屏蔽技術(shù)將有助于 L-PAMiD 的進(jìn)一步發(fā)展。Qorvo 指出，因?yàn)橥獠?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(huì)采用外置機(jī)械屏蔽罩的方式）。但伴隨著 5G 時(shí)代對 L-PAMiD 需求的增加，如果外置機(jī)械屏蔽罩設(shè)計(jì)不正確，L-PAMiD 的靈敏度將會(huì)受到嚴(yán)重的影響。因此，受惠于 5G 時(shí)代的來臨，Micro Shield 自屏蔽技術(shù)的價(jià)值將得以放大。未來，隨著5G的逐步推廣和Micro Shield 自屏蔽技術(shù)在工藝上的改進(jìn)，后續(xù)中低端手機(jī)也開始加入5G的支持，這對L-PAMiD跟Micro Shield 自屏蔽技術(shù)的應(yīng)用也是一個(gè)機(jī)遇，采用Micro Shield自屏蔽技術(shù)的L-PAMiD將會(huì)逐漸被中低端手機(jī)所接受。

參考文獻(xiàn)

[1]彭錚雪，柴彬彬. 手機(jī)射頻前端發(fā)展研究[C]//2021年中國航空工業(yè)技術(shù)裝備工程協(xié)會(huì)年會(huì)論文集.，2021：548-550.

[2]程琳琳.Qorvo趙玉龍：以O(shè)TM和eFEM方案應(yīng)對5G射頻前端終局之戰(zhàn)[J].通信世界，2021（18）：29.