FEM簡介 什么是FEM

1. 什么是FEM

1.1 FEM簡介

FEM，F(xiàn)ront-end Modules，即就是前端模塊。硬件電路中的前端模塊完成射頻信號的發(fā)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(guān)的這樣一個作用。對于Wi-Fi產(chǎn)品，F(xiàn)EM分為2.4G FEM和5G FEM，分別應(yīng)用于2.4G和5G頻段。

下圖是VC5450的功能框圖：

FEM內(nèi)部一般集成了：

PA：Power Amplifier，功率放大器。是指能輸出大功率信號的放大電路。

LNA：Low Noise Amplifier，低噪聲放大器。噪聲系數(shù)很低的放大器。一般用作各類無線電接收機(jī)的高頻或中頻前置放大器，以及高靈敏度電子探測設(shè)備的放大電路。

Switch：控制TX和RX切換工作的開關(guān)，使TX和RX共用天線。

反饋電路DET：輸出功率與反饋電壓值一般線性相關(guān)，根據(jù)反饋的電壓值可以計算出輸出功率大小。

1.2 FEM主流廠家

美國廠家：Skyworks、Qorvo

臺灣廠家：Richwave

國產(chǎn)廠家：康希通信、Vanchip

2. FEM重要參數(shù)介紹

2.1 TX指標(biāo)

上圖是VC5450規(guī)格書中關(guān)于TX的參數(shù)，此FEM是適配5G Wi-Fi頻段。

（1）首先需要理解dB和dBm：

dB即分貝，是一個純計數(shù)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，是一個功率相對于另一個功率的差。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(zhuǎn)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(shù)值。

知識點一：20dBm=100mW，30dBm=1000mW

知識點二：當(dāng)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(dāng)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之后，就可以正確理解Transmit gain和Output power的含義。

Transmit gain，即發(fā)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(fā)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(shè)RFIC在HT20/MCS7模式下可以輸出0dBm的功率，那么經(jīng)過FEM放大之后，輸出功率為22dBm。此時FEM的增益為22dB。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(shè)RFIC在HT20/MCS7模式下可以輸出-10dBm的功率，那么經(jīng)過FEM放大之后，輸出功率為20dBm。此時FEM的增益為30dB。此處重點是實際發(fā)射增益不能超過FEM的最大發(fā)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330mA，供電電壓為5V，計算功耗為1.65W。FEM的功耗也是重要參數(shù)，在選型和設(shè)計時需要特別注意。

（4）還有一些其它參數(shù)，并非是器件選型是重點關(guān)注的，如二、三次諧波指標(biāo)，表示此FEM的內(nèi)部濾波能力：

2.2 RX指標(biāo)

上圖為VC5450的RX指標(biāo)。

LNA Gain，低噪聲放大器的增益，原理上與Transmit gain一樣，但是這里為什么有兩個數(shù)值，一個為GLNA，一個為GOOB_RX。

GLNA可以對接收到的信號提供15dB的增益，增強(qiáng)接收到的信號。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接收到更小功率的信號，也就是增加了通信距離。

GOOB_RX，表示LNA旁路，旁路指的是LNA不使能，并提供-17dB的增益，進(jìn)一步減小接收信號。此功能一般配合最大接收電平指標(biāo)進(jìn)行測試。當(dāng)接收到的信號本身就比較大時，例如-20dBm，此時如果再使能LNA，那么RFIC將收到-3dBm的信號，這個信號已經(jīng)超出了RFIC允許收到的最大接收信號，可能會識別不了信號甚至?xí)龎腞FIC的接收部件。所以此時應(yīng)該控制LNA bypass，結(jié)果就是RFIC實際收到的信號為-37dBm，在RFIC的接受范圍內(nèi)。

上圖為VC5450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(xiàn)4種功能，LNA_EN和PA_EN由RFIC控制。

此真值表需要跟RFIC內(nèi)部控制邏輯匹配，否則無法正常工作，RFIC內(nèi)部內(nèi)部控制邏輯可以通過寄存器修改配置，但一般只有FAE知道具體的修改方法。

2.3參考設(shè)計

上圖為VC5450的原理圖參考設(shè)計，VCC11和VCC10的濾波電路。

3. FEM設(shè)計指南

建議選擇開關(guān)頻率大于1MHz且動態(tài)響應(yīng)好的DC-DC電路給FEM供電，DCDC的輸出電流要大于FEM的最大工作電流。

電源走線VCC11和VCC10按兩個網(wǎng)絡(luò)處理最后用0Ω匯集到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，VCC11，VCC10的濾波電容要預(yù)留夠，保證其滿載紋波小于100mV。

原理圖設(shè)計預(yù)留夠相關(guān)調(diào)試電路，Tx，Rx，ANT預(yù)留π型電路。

咨詢FAE針對該FEM的layout guide，或者發(fā)給FAE review FEM部分電路的SCH和PCB layout. 按照layout guide和FAE指導(dǎo)進(jìn)行PCB設(shè)計。

每顆FEM的PCB布局間距建議大于10mm以上，方便FEM的散熱；同時FEM設(shè)計建議四層板或以上設(shè)計，預(yù)留完整的參考地平面，F(xiàn)EM背面開窗漏銅處理，方便貼導(dǎo)熱硅膠，保證FEM穩(wěn)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。

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(diào)試指標(biāo)要求

射頻實際的輸出功率指標(biāo)一般小于規(guī)格書標(biāo)稱值Output power1~2dB。

TX gain不建議滿載，如達(dá)到規(guī)格書指標(biāo)的-29.5dB，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(dá)到規(guī)格書指標(biāo)，例如15dB。

FEM的電源紋波要小于電壓的5%，電源功率不能超過規(guī)格書參數(shù)。

如果FEM芯片溫度接近或超過標(biāo)稱值，需要考慮散熱措施。

≥48h的長時間高、低溫穩(wěn)定性測試，可以配合整機(jī)測試。

Q1、VC5450工作電壓是多少？

A1、VC5450工作電壓是5V和3V。

Q2、VC5450應(yīng)用于哪些市場？

A2、VC5450主要應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)市場。

Q3、VC5450應(yīng)用在哪些產(chǎn)品上？

A3、VC5450應(yīng)用在家庭網(wǎng)關(guān)、用戶預(yù)定設(shè)備等。

Q4、VC5450產(chǎn)品優(yōu)勢在哪里？

A4、VC5450-21集成了一個具有優(yōu) 越線性輸出功率 的5GHz PA、一個5GHz可旁路LNA和一個單極 雙擲(SPDT)開關(guān)。LNA的 低噪聲系數(shù)提高了接收機(jī)靈敏 度，降低了信號誤碼率。

Q5、VC5450發(fā)射與接受增益多少？

A5、VC5450發(fā)射增益是5dB，接受增益15dB。