射頻FEM介紹

FEM介紹

1. 什麼是FEM

1.1 FEM簡介

FEM，Front-end Modules，即就是前端模組。硬體電路中的前端模組完成射頻訊號的發送放大以及接收放大（with bypass）、濾波，甚至包含功率檢測、控制和開關的這樣一個作用。對於Wi-Fi產品，FEM分為2.4G FEM和5G FEM，分別應用於2.4G和5G頻段。
下圖是SKY85340的功能框圖：

FEM內部一般集成了：
  • PA：Power Amplifier，功率放大器。是指能輸出大功率訊號的放大電路。
  • LNA：Low Noise Amplifier，低雜訊放大器。 雜訊係數很低的放大器。一般用作各類無線電接收機的高頻或中頻前置放大器，以及高靈敏度電子探測設備的放大電路。
  • Switch：控制TX和RX切換工作的開關，使TX和RX共用天線。
  • 回饋電路DET：輸出功率與回饋電壓值一般線性相關，根據回饋的電壓值可以計算出輸出功率大小。
  • 個別FEM內部還包含功率耦合器（CPLR），實現功率回饋：回饋的不是電壓值而是耦合得到的功率值，對比電壓回饋更精確。

1.2 FEM主流廠家

  • 美國廠家：Skyworks、Qorvo
  • 台灣廠家：Richwave
  • 國產廠家：康希通訊

2. FEM重要參數介紹

2.1 TX指標

上圖是SKY85340規格書中關於TX的參數，此FEM是適配2.4G Wi-Fi頻段。
（1）首先需要理解dB和dBm：
dB即分貝，是一個純計數單位，它的計算公式為：dB = 10lg（A / B），此時A和B表示功率。dB是相對值，是一個功率相對於另一個功率的差。比如，我們常說「這個PA的功率比那個PA的功率高/低3dB」。
dBm即分貝毫瓦，是表示功率絕對值的單位。通常，我們會說XXX PA的功率是20dBm，而不會說是20dB 。dBm功率與mW（毫瓦）功率的轉換公式：dBm = 10 log（功率值/1mw），此處的功率值，是以毫瓦（mW）為單位時的數值。
  • 知識點一：20dBm=100mW，30dBm=1000mW
  • 知識點二：當在功率P（dBm）上增加或減少3dB，則它以mW為單位的功率就會增加一倍或者減少一半。17dBm=20dBm-3dB=0.5 * (100mW)=50mW，23dBm=20dBm+3dB=2*(100mW)=200mW 。
  • 知識點三：當在功率P（dBm）上增加或減少10dB，則它以mW為單位的功率就會增加至原來功率的10倍或降低至原功率的1/10。如10dBm=20dBm-10dB=0.1 * (100mW)=10 mW，30dBm=20dBm+10dB=10*(100mW)=1000mW
（2）理解了dB和dBm之後，就可以正確理解Transmit gain和Output power的含義。
Transmit gain，即發射增益，單位dB。指的是此FEM能提供的最大增益，一般不建議使用滿增益來發射功率，增益太大容易造成失真或者輸出功率不平。
Output power，即輸出功率，單位dBm。指的是FEM能輸出的最大功率。
  • 假設RFIC在HT20/MCS7模式下可以輸出0dBm的功率，那麼經過FEM放大之後，輸出功率為23.5dBm。此時FEM的增益為23.5dB。此處重點是實際輸出功率不能超過FEM的最大輸出功率。
  • 假設RFIC在HT20/MCS7模式下可以輸出-10dBm的功率，那麼經過FEM放大之後，輸出功率為20dBm。此時FEM的增益為30dB。此處重點是實際發射增益不能超過FEM的最大發射增益。
（3）FEM本身具有功耗，一般FEM的最大功耗是TX最大時，此FEM的最大電流消耗為375mA，供電電壓為5V，計算功耗為1.865W。FEM的功耗也是重要參數，在選型和設計時需要特別注意。
（4）還有一些其它參數，並非是器件選型是重點關注的，如二、三次諧波指標，表示此FEM的內部濾波能力：

2.2 RX指標

上圖為SKY85340的RX指標。
LNA Gain，低雜訊放大器的增益，原理上與Transmit gain一樣，但是這裡為什麼有兩個數值，一個為LNA active，一個為LNA bypass。
LNA Active，表示LNA使能，可以對接收到的訊號提供16dB的增益，增強接收到的訊號。在RFIC的接收靈敏度不變的情況下，通過外部FEM中的LNA放大功能，可以使RFIC接收到更小功率的訊號，也就是增加了通訊距離。例如RFIC接收靈敏度為-80dBm，經過LNA放大後，可以接收到-96dBm的小訊號LNA Active，一般在接收訊號比較小時使用，例如訊號小於-30dBm。
LNA bypass，表示LNA旁路，旁路指的是LNA不使能，並提供-7.5dB的增益，進一步減小接收訊號。此功能一般配合最大接收電平指標進行測試。當接收到的訊號本身就比較大時，例如-20dBm，此時如果再使能LNA，那麼RFIC將收到-4dBm的訊號，這個訊號已經超出了RFIC允許收到的最大接收訊號，可能會識別不了訊號甚至會燒壞RFIC的接收部件。所以此時應該控制LNA bypass，結果就是RFIC實際收到的訊號為-27.5dBm，在RFIC的接受範圍內。一般情況下接收訊號大於-30dBm時，應該控制LNA bypass。-30dBm為經驗值，跟RFIC晶片相關，並且一般情況下此數值可以通過內部暫存器進行修改。

2.3 真值表

上圖為SKY86340的真值表，也是控制邏輯表。
通過LNA_EN和PA_EN兩個GPIO，可以控制FEM實現4種功能，LNA_EN和PA_EN由RFIC控制。
此真值表需要跟RFIC內部控制邏輯匹配，否則無法正常工作，RFIC內部內部控制邏輯可以通過暫存器修改配置，但一般只有FAE知道具體的修改方法。

2.4 參考設計

上圖為SKY85340的原理圖參考設計。關注ANT輸出預留匹配L型電路，VCC1和VCC2的濾波電路。

3. FEM設計指南

  • 建議選擇開關頻率大於1MHz且動態響應好的DC-DC電路給FEM供電，DCDC的輸出電流要大於FEM的最大工作電流。
  • 電源走線VCC1和VCC2按兩個網路處理最後用0Ω彙集到PA電源，這樣分配的濾波電容layout不會混亂且兩路電源的互擾最小，VCC1，VCC2的濾波電容要預留夠，保證其滿載紋波小於100mV。
  • 原理圖設計預留夠相關調試電路，Tx，Rx，ANT預留π型電路。
  • 諮詢FAE針對該FEM的layout guide，或者發給FAE review FEM部分電路的SCH和PCB  layout. 按照layout guide和FAE指導進行PCB設計。
  • 每顆FEM的PCB布局間距建議大於10mm以上，方便FEM的散熱；同時FEM設計建議四層板或以上設計，預留完整的參考地平面，FEM背面開窗漏銅處理，方便貼導熱硅膠，保證FEM穩定工作。
  • 多顆FEM共存，建議每顆FEM的供電使用電阻或磁珠隔離。
  • 2.4G和5G共存，建議2.4G和5G的FEM分別供電，如果成本和空間受限，可以不考慮。

4. 調試指標要求

  • 射頻實際的輸出功率指標一般小於規格書標稱值Output power 1~2dB。
  • TX gain不建議滿載，如達到規格書指標的-32dB，此時輸出功率EVM可能會惡化，或者各個信道之間功率不平。
  • LAN 增益一般要求達到規格書指標，例如16dB。
  • FEM的電源紋波要小於電壓的5%，電源功率不能超過規格書參數。
  • 如果FEM晶片溫度接近或超過標稱值，需要考慮散熱措施。
  • ≥48h的長時間高、低溫穩定性測試，可以配合整機測試。
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