射频模块整合无线物联网核心功能

如今的物联网设备中，多协议无线系统级芯片（SoC）承担了大部分核心工作，但射频信号路径的最后一段，从芯片到天线的短短几英寸，却至关重要。而射频前端模块（FEM）正是衔接这一环节的关键。

尽管企业正将功率放大器（PA）、低噪声放大器（LNA）和开关（SW）直接集成到物联网 SoC 中，但在射频噪声复杂的环境下，独立的前端模块仍能有效扩展传输距离、增强连接稳定性。

“与 SoC 上的集成 PA 或射频前端不同，外部 FEM 可提供卓越的性能，”pSemi 产品组合管理高级总监 Xinliang Wang 说。“这是通过更高的输出功率、增强的接收灵敏度和更大的功率控制灵活性来实现的。”

然而，将 FEM 的所有不同构建块（尤其是 PA、LNA 和 SW）塞进一个模块中，该模块在低成本、空间受限的物联网设备环境中工作往往是一个挑战。

随面对物联网设备日益严苛的成本和空间限制，pSemi 借助其射频绝缘体上硅（RF-SOI）技术，致力于实现这些组件的高度集成。通过 “UltraCMOS” 的专有技术，该公司将前端模块的核心部件集成到单一单片单元中，在节省空间的同时，功率放大器输出和接收灵敏度等性能可与其他射频技术相媲美。

UltraCMOS 技术支撑着 pSemi 最紧凑的射频前端模块PE562212，该模块将功率放大器、低噪声放大器和开关集成于一体。这款 2.4GHz 前端模块具有极低的噪声特性，可延长无线传输距离，广泛应用于智能音箱、智能照明、智能恒温器等家用电器，以及无线音频设备、医疗可穿戴设备和工厂嵌入式传感器，确保连接稳定性。

多协议 FEM 支持用于短距离通信的蓝牙和低功耗蓝牙 （LE）、用于网状网络的 Zigbee 和 Thread 以及中低吞吐量 Wi-Fi，为物联网设备制造商提供了更大的灵活性。

减少无线物联网环境中的射频性能权衡

物联网设备中无线连接的可靠性、范围和速度取决于射频前端及其内部的 PA，这直接影响无线连接的鲁棒性和设备消耗的功耗。

在大多数情况下，这些功率放大器基于体用CMOS技术，并直接集成到物联网SoC中。虽然这些射频组件可以实现强大的性能和范围，但它们往往首先针对电源效率进行了优化。这些 PA 的输出功率通常还受到谐波产生的限制，谐波产生可能会达到法规和认证设定的限制，或者受到电池供电物联网设备的严格要求。

多协议无线 SoC 旨在为功率包络提供最佳链路预算。这在很大程度上取决于接收灵敏度，但它也取决于 SoC 中射频收发器的设计效率。

将数字、模拟和射频功能集成到单一芯片存在诸多难点，往往需要进行性能权衡，例如降低发射功率和接收灵敏度，或调整无线 SoC 的发射频率。

Wang 表示，使用单独的 FEM 来提高链路预算是有意义的，以确保以最高效率和最小损耗发送和接收信号。在许多情况下，这些模块依赖于以射频为中心的工艺技术，例如硅锗 （SiGe） 和砷化镓 （GaAs），以牺牲紧密集成为代价来提高功率效率。

但这意味着传统的物联网有限元解决方案通常是零件组装的：基于SiGe或GaAs的功率放大器通常与基于RF-SOI的单独LNA和SW配对，以实现高效的远程传输，在模块中非常适合更快的开关和更好的信号接收。虽然 RF-SOI 非常适合在不同频段之间切换或放大微弱的无线信号，但在 PA 中使用时可能会有其局限性。

pSemi 声称通过其 UltraCMOS 技术缩小了性能差距。UltraCMOS基于RF-SOI，广泛应用于4G和5G智能手机中的射频前端。然而，该公司表示，通过独特地使用蓝宝石衬底，它提高了功率容量、线性度、隔离和开关性能（RON × COFF）。

借助 CMOS 技术实现的单片集成，pSemi 可将功率放大器、低噪声放大器和射频开关集成到单一芯片中，无需混合搭配不同射频组件。

“智能手机中的射频前端非常复杂，并针对许多蜂窝频段的速度和高数据速率进行了优化，而物联网设备优先考虑简化的射频设计，以实现极低功耗、远程和特定协议的通信，”Wang 说。“智能手机使用先进的滤波和集成来管理来自多个无线电的干扰，而物联网设备更注重能效以最大限度地延长电池寿命。”

射频模块的单片集成技术

PE562212 的核心是高性能功率放大器，输出功率最高可达 + 21dBm，能增强信号传输能力，同时支持 1dB 增益步进的应用特定输出功率调节。

物联网 FEM 还集成了噪声系数为 1.6 dB 的 LNA，以增强信号接收和旨在将损耗降至最低的射频开关。此外，它还具有集成的射频滤波器，以减少谐波和失真，以及具有0.6 dB损耗的旁路路径。据该公司称，高输出功率和低噪声的结合提供了强大的链路预算，这对于穿透墙壁和确保扩展范围和可靠性至关重要。

pSemi 表示，该PE562212有能力支持物联网中使用最广泛的无线协议。例如，它可以用于智能家居设备，该设备使用蓝牙 LE 连接到智能手机，同时通过 Wi-Fi 下载固件更新。这往往需要比单独使用无线 SoC 更高的线性度。

“对于物联网设备，尤其是可穿戴设备和智能传感器，鉴于其尺寸越来越紧凑，保持强大的射频性能是一个关键的设计挑战，”Wang说。

虽然 RF FEM 通过增加链路预算来减少过多的数据包丢弃和功耗，但它具有抗 ESD 的鲁棒性和坚固性，可以应对物联网固有的恶劣环境条件。

新模块采用紧凑的 1.8 ×1.8 × 0.63 毫米紧凑型球栅阵列（LGA）封装，适用于空间受限的应用场景。pSemi表示，它使PCB设计更加容易，I/O接口无需外部匹配。