FEM介绍
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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:
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PA:Power Amplifier,功率放大器。是指能输出大功率信号的放大电路。
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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。
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Switch:控制TX和RX切换工作的开关,使TX和RX共用天线。
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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。
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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
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美国厂家:Skyworks、Qorvo
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台湾厂家:Richwave
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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。
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知识点一:20dBm=100mW,30dBm=1000mW
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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 。
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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。
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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。
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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:![](https://img2020.cnblogs.com/blog/2656004/202112/2656004-20211203155005861-1983429375.png)
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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
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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。
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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。
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原理图设计预留够相关调试电路,Tx,Rx,ANT预留π型电路。
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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。
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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。
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多颗FEM共存,建议每颗FEM的供电使用电阻或磁珠隔离。
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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
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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。
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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。
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LAN 增益一般要求达到规格书指标,例如16dB。
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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。
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如果FEM芯片温度接近或超过标称值,需要考虑散热措施。
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≥48h的长时间高、低温稳定性测试,可以配合整机测试。
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