5G來臨RF前端設計面臨哪些新挑戰(zhàn)?

在智能手機電子設計領域，5G RF前端（RFFE）復雜功能的出現(xiàn)對系統(tǒng)設計提出了一系列新挑戰(zhàn)。在智能手機的有限空間內(nèi)，對多個5G頻率、TDD和FDD的需求，甚至多個毫米波天線模塊的需求，都促使業(yè)界尋求解決方案，以解決這種復雜性問題。

5G設計中應用的主要技術不僅專注在最基礎的硅芯片上，還關注封裝和組件致密化的進步。在這里，我們分析一下具有代表性的第二代5G智能手機，以觀察RF組件行業(yè)在多大程度上依靠5G RFFE的高級封裝和組件集成。

三星Galaxy S20系列代表了最新、最復雜的5G RF前端設計。射頻不僅支持傳統(tǒng)的2G / 3G / 4G，而且還支持6 GHz以下和毫米波5G。上面的插圖顯示了位置多樣性幾乎遍及設備內(nèi)幾乎所有主要PCB的情況下，射頻組件的流行程度。

集成的功率放大器模塊是在深入研究了調(diào)制解調(diào)器和RF收發(fā)器之后的主要RFFE組件，展示了后期5G設計的RF致密程度和復雜性。高通X55調(diào)制解調(diào)器在這里開放了FDD 5G支持，因為全球運營商以低頻段提供必要的信號覆蓋范圍來大規(guī)模部署5G。低頻段PAMiD（具有集成雙工器的功率放大器模塊）對于5G Galaxy S20是必不可少的，但是這種特殊的Skyworks PAMiD也可以像LTE PAMiD一樣承擔雙重職責。通過增加對n71 / n5 / n26（5G）的低頻帶支持，Skyworks PAMiD幾乎囊括了所有可能的低頻帶組合。

下面的X射線和化學解封裝照片重點介紹了支持低頻帶連接所需的各種5G / 4G RF組件；天線開關，濾波器（SAW），雙工器（用于FDD）和功率放大器（上行鏈路）。由于先進的封裝和縮小的硅工藝，與以前的類似尺寸封裝相比，Skyworks PAMiD現(xiàn)在支持的低頻范圍更多。如果設計是離散的，那么這種進步水平是控制5G RFFE失控復雜性的關鍵，從而造成許多故障點。RFFE的模塊化是下一代無線技術的關鍵。

此外，中高頻段LTE的PAMiD在5G設計中將LTE部分模塊化至關重要。由于大多數(shù)5G部署都是基于NSA的，因此存在錨定LTE信號至關重要。在三星Galaxy S20中發(fā)現(xiàn)了來自Qorvo的中高頻段PAMiD。

5G的真正好處最終會在越來越高的頻率下實現(xiàn)。在這里，我們有適用于Galaxy S20的TDD頻段n41（2.5GHz）的Qualcomm QPM6585 PAMiF（具有集成濾波器的功率放大器模塊）。n41頻段支持北美市場，實際上被認為是“中高頻段”頻率。全球大多數(shù)5G部署都處于n78（3.5GHz）的超高頻段（UHB）頻率。由于5G提供了更大的帶寬覆蓋范圍，因此需要單獨的PAMiF。

到目前為止，我們已經(jīng)研究了Sub-6GHz 5G / 4G RFFE組件。隨著5G的成熟，預計將需要毫米波頻率（24GHz或更高）來繼續(xù)滿足對無線寬帶和容量不斷增長的需求。在新一代Samsung Galaxy S20 Ultra 5G智能手機中，除Sub-6 GHz的RFFE外還包括mmWave天線模塊。與Sub-6 GHz的RFFE相比，mmWave天線模塊是RFFE系統(tǒng)集成的終極產(chǎn)品。三星內(nèi)部的Qualcomm QTM525天線模塊包含從相控陣天線一直到RF收發(fā)器的所有內(nèi)容。高集成度的原因與mmWave衰減的性質(zhì)有關。因此，要捕獲這些非常微弱的信號，必須縮短整個mmWave RFFE鏈，以確保連接鏈路預算內(nèi)的信號完整性。

5G即將進入發(fā)展的第二年。對于設備制造商來說，在5G設備中沒有其他功能區(qū)域會比RFFE更復雜。RFFE組件行業(yè)一直在為這種可能性做準備，并且通過高度依賴先進的封裝技術，OEM可以繼續(xù)在市場所需的同一智能手機外形尺寸中添加越來越多的無線連接支持。
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