5G来临RF前端设计面临哪些新挑战?

在智能手机电子设计领域，5G RF前端（RFFE）复杂功能的出现对系统设计提出了一系列新挑战。在智能手机的有限空间内，对多个5G频率、TDD和FDD的需求，甚至多个毫米波天线模块的需求，都促使业界寻求解决方案，以解决这种复杂性问题。

5G设计中应用的主要技术不仅专注在最基础的硅芯片上，还关注封装和组件致密化的进步。在这里，我们分析一下具有代表性的第二代5G智能手机，以观察RF组件行业在多大程度上依靠5G RFFE的高级封装和组件集成。

三星Galaxy S20系列代表了最新、最复杂的5G RF前端设计。射频不仅支持传统的2G / 3G / 4G，而且还支持6 GHz以下和毫米波5G。上面的插图显示了位置多样性几乎遍及设备内几乎所有主要PCB的情况下，射频组件的流行程度。

集成的功率放大器模块是在深入研究了调制解调器和RF收发器之后的主要RFFE组件，展示了后期5G设计的RF致密程度和复杂性。高通X55调制解调器在这里开放了FDD 5G支持，因为全球运营商以低频段提供必要的信号覆盖范围来大规模部署5G。低频段PAMiD（具有集成双工器的功率放大器模块）对于5G Galaxy S20是必不可少的，但是这种特殊的Skyworks PAMiD也可以像LTE PAMiD一样承担双重职责。通过增加对n71 / n5 / n26（5G）的低频带支持，Skyworks PAMiD几乎囊括了所有可能的低频带组合。

下面的X射线和化学解封装照片重点介绍了支持低频带连接所需的各种5G / 4G RF组件；天线开关，滤波器（SAW），双工器（用于FDD）和功率放大器（上行链路）。由于先进的封装和缩小的硅工艺，与以前的类似尺寸封装相比，Skyworks PAMiD现在支持的低频范围更多。如果设计是离散的，那么这种进步水平是控制5G RFFE失控复杂性的关键，从而造成许多故障点。RFFE的模块化是下一代无线技术的关键。

此外，中高频段LTE的PAMiD在5G设计中将LTE部分模块化至关重要。由于大多数5G部署都是基于NSA的，因此存在锚定LTE信号至关重要。在三星Galaxy S20中发现了来自Qorvo的中高频段PAMiD。

5G的真正好处最终会在越来越高的频率下实现。在这里，我们有适用于Galaxy S20的TDD频段n41（2.5GHz）的Qualcomm QPM6585 PAMiF（具有集成滤波器的功率放大器模块）。n41频段支持北美市场，实际上被认为是“中高频段”频率。全球大多数5G部署都处于n78（3.5GHz）的超高频段（UHB）频率。由于5G提供了更大的带宽覆盖范围，因此需要单独的PAMiF。

到目前为止，我们已经研究了Sub-6GHz 5G / 4G RFFE组件。随着5G的成熟，预计将需要毫米波频率（24GHz或更高）来继续满足对无线宽带和容量不断增长的需求。在新一代Samsung Galaxy S20 Ultra 5G智能手机中，除Sub-6 GHz的RFFE外还包括mmWave天线模块。与Sub-6 GHz的RFFE相比，mmWave天线模块是RFFE系统集成的终极产品。三星内部的Qualcomm QTM525天线模块包含从相控阵天线一直到RF收发器的所有内容。高集成度的原因与mmWave衰减的性质有关。因此，要捕获这些非常微弱的信号，必须缩短整个mmWave RFFE链，以确保连接链路预算内的信号完整性。

5G即将进入发展的第二年。对于设备制造商来说，在5G设备中没有其他功能区域会比RFFE更复杂。RFFE组件行业一直在为这种可能性做准备，并且通过高度依赖先进的封装技术，OEM可以继续在市场所需的同一智能手机外形尺寸中添加越来越多的无线连接支持。
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