自屏蔽技术在5G射频前端中的应用研究

梁训波 丁辉 李珩 孟甜

摘要：随着5G时代的到来，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，手机PCB的空间变得越来越紧张。传统的外置机械罩屏蔽技术对工艺要求高，空间要求较大，还可能导致灵敏度下降和二次干扰等问题。Qorvo推出的 Micro Shield 自屏蔽技术在保证性能的基础上有望有效降低5G射频前端的面积，与射频前端高模组化的发展趋势相适应。

关键词：射频前端;自屏蔽技术;外置机械罩屏蔽技术

1引言

射频前端模组是将射频开关、低噪声放大器、滤波器、双工器、功率放大器等两种或者两种以上的分立器件集成为一个模组，从而提高集成度和性能，并使体积小型化。随着5G时代的到来，手机PCB的空间变得越来越紧张，更小的模块设计成为了手机元件未来发展的方向之一，但于此同时各模块对邻近的收发器或其他设备造成的干扰也无可避免的增强。传统的屏蔽技术通过机械屏障罩来实现，但机械屏障罩除了自身的局限性外，本身还会对各模组造成二次干扰。自屏蔽技术在5G射频前端的应用成为行业潮流。

2射频前端模块的发展趋势

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[1]。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。其中，目前模组化程度最高的是 PAMiD，主要集成了多模多频的 PA、RF 开关及滤波器等元件。对于手机厂商来说，PAMiD 的出现让射频前端从以前一个复杂的系统设计工程变得更加简单。

对于 PAMiD 接下来的发展，将 LNA（低噪声放大器） 集成到 PAMiD 中，可实现 PAMiD 到 L-PAMiD（带 LNA 的 PA 模块）的转变，使得射频前端模块的节省面积达 35-40mm*2，且支持更多的功能，让 PCB 的布局更为合理。有报道指出，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，将 LNA 集成到 PAMiD 中成为了行业的一种发展趋势。

于此同时，随着射频前端模块面积的缩小，各模块间的电磁干扰随之也增强。目前，为降低模块间的互相干扰，常采用外置机械罩屏蔽技术，同时自屏蔽技术随着5G射频前端的小尺寸特点也应运而生。

3外置机械罩屏蔽技术

目前5G射频前端中采用最多的为在模组外增加机械屏障，利用时变电磁场在导体内环绕场线感应出电流，产生一个与诱发场相反的电磁场，从而使导体内的场线抵消。

采用机械罩屏蔽技术存在一些局限性。首先，对工艺的要求较高，由于感应电流只能在导体上存在自由电子的部位流动，屏蔽罩上的孔洞、槽沟和开口会降低屏蔽效能，导致电流寻找沿着开口处的其它途径流动，从而使感应场无法完全抵消诱发场。其次，表皮深度是另一个重要因素，它由时变电磁场波穿透传导膜的能力决定。当低频具有特别重要性时，为有效屏蔽辐射的射频信号，会需要一个更厚的膜，从而占用更多的空间，与日益缩小的可使用空间相矛盾。再次，根据相关研究发现，外置机械罩可能会导致灵敏度下降，也可能会导致谐波升高。最后，机械屏障本身可能还会对各模组产生二次干扰，达不到预期屏蔽效果。

4自屏蔽技术

4.1自屏蔽技术简介

随着5G 通信技术的诞生和发展，日渐复杂的电磁环境使得电子设备饱受电磁干扰的影响，这在 5G 通信天线系统和芯片封装中表现尤为突出。如何有效利用电磁信号传播，同时抑制有害的电磁辐射，进而实现“兼容并畜”，成为通信技术发展革新的一项重要挑战。对于5G手机射频前端的设计变化，Qorvo表示虽然4G到5G是上下兼容的，但是要在4G手机上面增加5G的功能需要加入更多功能的器件。而且5G手机对性能，线性度，EVM、频率等要求比4G的更高，所以改善性能方面是一个挑战。

Qorvo公司通过十几年的对自屏蔽技术的研究，2020年推出了 Micro Shield 自屏蔽技术。简单来说，Micro Shield 自屏蔽技术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。Qorvo选择使用电镀腐蚀的方法实现自屏蔽技术，使得屏蔽性能和防氧化程度都比较优越，避免器件因受到外界环境的变化而造成氧化的现象，影响屏蔽的效果[2]。

据相关报道显示，最早一代的 Micro Shield 技术可将当时射频前端的高度和体积分别降低 15% 和 25%。这也使得采用 Micro Shield 技术的手机制造商能够在更小的空间上，获得更高的射频性能。从架构上来说，采用Micro Shield自屏蔽技术的L-PAMiD能使其表面电流减少100倍，这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。

4.2应用方向

从 Qorvo 在射频前端的发展路线图来看，将 LNA 集成到 PAMiD 中以及采用自屏蔽技术将是手机射频前端模块未来发展的两个重要方向。

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 Apple、三星和华为等少数厂商选用。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，采用 Micro Shield 自屏蔽技术的 L-PAMiD 显然能够为厂商带来更大的价值，这也就意味着这种射频前端模块在中低端手机领域还有很大的发展空间。

Qorvo 指出，伴随着 Micro Shield 自屏蔽技术在工艺上的改进，这种技术的成本有望进一步降低。同时，L-PAMiD 的成本也会随着技术的成熟而降低。按照这种发展趋势，采用 Micro Shield 自屏蔽技术的 L-PAMiD 将会逐渐被中低端手机所接受。Qorvo 预计，在今年下半年，市场中就会有中低端手机采用这种射频前端模块。

4.3机遇与挑战

虽然自屏蔽技术可以减少射频前端的模组面积，但也面临着一些挑战，如对模组进行电镀对环境有着严苛的要求，技术发展上还未完全成熟，未能在5G射频前端广泛使用。

结合 5G 时代的集成化趋势来看，Micro Shield 自屏蔽技术将有助于 L-PAMiD 的进一步发展。Qorvo 指出，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）。但伴随着 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。因此，受惠于 5G 时代的来临，Micro Shield 自屏蔽技术的价值将得以放大。未来，随着5G的逐步推广和Micro Shield 自屏蔽技术在工艺上的改进，后续中低端手机也开始加入5G的支持，这对L-PAMiD跟Micro Shield 自屏蔽技术的应用也是一个机遇，采用Micro Shield自屏蔽技术的L-PAMiD將会逐渐被中低端手机所接受。

参考文献

[1]彭铮雪，柴彬彬. 手机射频前端发展研究[C]//2021年中国航空工业技术装备工程协会年会论文集.，2021：548-550.

[2]程琳琳.Qorvo赵玉龙：以OTM和eFEM方案应对5G射频前端终局之战[J].通信世界，2021（18）：29.