射频FEM介绍

FEM介绍

1. 什么是FEM

1.1 FEM简介

FEM，Front-end Modules，即就是前端模块。硬件电路中的前端模块完成射频信号的发送放大以及接收放大（with bypass）、滤波，甚至包含功率检测、控制和开关的这样一个作用。对于Wi-Fi产品，FEM分为2.4G FEM和5G FEM，分别应用于2.4G和5G频段。

下图是SKY85340的功能框图：

FEM内部一般集成了：

• PA：Power Amplifier，功率放大器。是指能输出大功率信号的放大电路。
• LNA：Low Noise Amplifier，低噪声放大器。 噪声系数很低的放大器。一般用作各类无线电接收机的高频或中频前置放大器，以及高灵敏度电子探测设备的放大电路。
• Switch：控制TX和RX切换工作的开关，使TX和RX共用天线。
• 反馈电路DET：输出功率与反馈电压值一般线性相关，根据反馈的电压值可以计算出输出功率大小。
• 个别FEM内部还包含功率耦合器（CPLR），实现功率反馈：反馈的不是电压值而是耦合得到的功率值，对比电压反馈更精确。

1.2 FEM主流厂家

• 美国厂家：Skyworks、Qorvo
• 台湾厂家：Richwave
• 国产厂家：康希通信

2. FEM重要参数介绍

2.1 TX指标

上图是SKY85340规格书中关于TX的参数，此FEM是适配2.4G Wi-Fi频段。

（1）首先需要理解dB和dBm：

dB即分贝，是一个纯计数单位，它的计算公式为：dB = 10lg（A / B），此时A和B表示功率。dB是相对值，是一个功率相对于另一个功率的差。比如，我们常说“这个PA的功率比那个PA的功率高/低3dB”。

dBm即分贝毫瓦，是表示功率绝对值的单位。通常，我们会说XXX PA的功率是20dBm，而不会说是20dB 。dBm功率与mW（毫瓦）功率的转换公式：dBm = 10 log（功率值/1mw），此处的功率值，是以毫瓦（mW）为单位时的数值。

• 知识点一：20dBm=100mW，30dBm=1000mW

• 知识点二：当在功率P（dBm）上增加或减少3dB，则它以mW为单位的功率就会增加一倍或者减少一半。17dBm=20dBm-3dB=0.5 * (100mW)=50mW，23dBm=20dBm+3dB=2*(100mW)=200mW 。
• 知识点三：当在功率P（dBm）上增加或减少10dB，则它以mW为单位的功率就会增加至原来功率的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之后，就可以正确理解Transmit gain和Output power的含义。

Transmit gain，即发射增益，单位dB。指的是此FEM能提供的最大增益，一般不建议使用满增益来发射功率，增益太大容易造成失真或者输出功率不平。

Output power，即输出功率，单位dBm。指的是FEM能输出的最大功率。

• 假设RFIC在HT20/MCS7模式下可以输出0dBm的功率，那么经过FEM放大之后，输出功率为23.5dBm。此时FEM的增益为23.5dB。此处重点是实际输出功率不能超过FEM的最大输出功率。
• 假设RFIC在HT20/MCS7模式下可以输出-10dBm的功率，那么经过FEM放大之后，输出功率为20dBm。此时FEM的增益为30dB。此处重点是实际发射增益不能超过FEM的最大发射增益。

（3）FEM本身具有功耗，一般FEM的最大功耗是TX最大时，此FEM的最大电流消耗为375mA，供电电压为5V，计算功耗为1.865W。FEM的功耗也是重要参数，在选型和设计时需要特别注意。

（4）还有一些其它参数，并非是器件选型是重点关注的，如二、三次谐波指标，表示此FEM的内部滤波能力：

2.2 RX指标

上图为SKY85340的RX指标。

LNA Gain，低噪声放大器的增益，原理上与Transmit gain一样，但是这里为什么有两个数值，一个为LNA active，一个为LNA bypass。

LNA Active，表示LNA使能，可以对接收到的信号提供16dB的增益，增强接收到的信号。在RFIC的接收灵敏度不变的情况下，通过外部FEM中的LNA放大功能，可以使RFIC接收到更小功率的信号，也就是增加了通信距离。例如RFIC接收灵敏度为-80dBm，经过LNA放大后，可以接收到-96dBm的小信号LNA Active，一般在接收信号比较小时使用，例如信号小于-30dBm。

LNA bypass，表示LNA旁路，旁路指的是LNA不使能，并提供-7.5dB的增益，进一步减小接收信号。此功能一般配合最大接收电平指标进行测试。当接收到的信号本身就比较大时，例如-20dBm，此时如果再使能LNA，那么RFIC将收到-4dBm的信号，这个信号已经超出了RFIC允许收到的最大接收信号，可能会识别不了信号甚至会烧坏RFIC的接收部件。所以此时应该控制LNA bypass，结果就是RFIC实际收到的信号为-27.5dBm，在RFIC的接受范围内。一般情况下接收信号大于-30dBm时，应该控制LNA bypass。-30dBm为经验值，跟RFIC芯片相关，并且一般情况下此数值可以通过内部寄存器进行修改。

2.3 真值表

上图为SKY86340的真值表，也是控制逻辑表。

通过LNA_EN和PA_EN两个GPIO，可以控制FEM实现4种功能，LNA_EN和PA_EN由RFIC控制。

此真值表需要跟RFIC内部控制逻辑匹配，否则无法正常工作，RFIC内部内部控制逻辑可以通过寄存器修改配置，但一般只有FAE知道具体的修改方法。

2.4 参考设计

上图为SKY85340的原理图参考设计。关注ANT输出预留匹配L型电路，VCC1和VCC2的滤波电路。

3. FEM设计指南

• 建议选择开关频率大于1MHz且动态响应好的DC-DC电路给FEM供电，DCDC的输出电流要大于FEM的最大工作电流。
• 电源走线VCC1和VCC2按两个网络处理最后用0Ω汇集到PA电源，这样分配的滤波电容layout不会混乱且两路电源的互扰最小，VCC1，VCC2的滤波电容要预留够，保证其满载纹波小于100mV。
• 原理图设计预留够相关调试电路，Tx，Rx，ANT预留π型电路。
• 咨询FAE针对该FEM的layout guide，或者发给FAE review FEM部分电路的SCH和PCB  layout. 按照layout guide和FAE指导进行PCB设计。
• 每颗FEM的PCB布局间距建议大于10mm以上，方便FEM的散热；同时FEM设计建议四层板或以上设计，预留完整的参考地平面，FEM背面开窗漏铜处理，方便贴导热硅胶，保证FEM稳定工作。
• 多颗FEM共存，建议每颗FEM的供电使用电阻或磁珠隔离。
• 2.4G和5G共存，建议2.4G和5G的FEM分别供电，如果成本和空间受限，可以不考虑。

4. 调试指标要求

• 射频实际的输出功率指标一般小于规格书标称值Output power 1~2dB。
• TX gain不建议满载，如达到规格书指标的-32dB，此时输出功率EVM可能会恶化，或者各个信道之间功率不平。
• LAN 增益一般要求达到规格书指标，例如16dB。
• FEM的电源纹波要小于电压的5%，电源功率不能超过规格书参数。
• 如果FEM芯片温度接近或超过标称值，需要考虑散热措施。
• ≥48h的长时间高、低温稳定性测试，可以配合整机测试。