如今的物聯網設備中，多協議無線系統級芯片（SoC）承擔了大部分核心工作，但射頻信號路徑的最后一段，從芯片到天線的短短幾英寸，卻至關重要。而射頻前端模塊（FEM）正是銜接這一環節的關鍵。

盡管企業正將功率放大器（PA）、低噪聲放大器（LNA）和開關（SW）直接集成到物聯網 SoC 中，但在射頻噪聲復雜的環境下，獨立的前端模塊仍能有效擴展傳輸距離、增強連接穩定性。

“與 SoC 上的集成 PA 或射頻前端不同，外部 FEM 可提供卓越的性能，”pSemi 產品組合管理高級總監 Xinliang Wang 說。“這是通過更高的輸出功率、增強的接收靈敏度和更大的功率控制靈活性來實現的。”

然而，將 FEM 的所有不同構建塊（尤其是 PA、LNA 和 SW）塞進一個模塊中，該模塊在低成本、空間受限的物聯網設備環境中工作往往是一個挑戰。

隨面對物聯網設備日益嚴苛的成本和空間限制，pSemi 借助其射頻絕緣體上硅（RF-SOI）技術，致力于實現這些組件的高度集成。通過 “UltraCMOS” 的專有技術，該公司將前端模塊的核心部件集成到單一單片單元中，在節省空間的同時，功率放大器輸出和接收靈敏度等性能可與其他射頻技術相媲美。

UltraCMOS 技術支撐著 pSemi 最緊湊的射頻前端模塊PE562212，該模塊將功率放大器、低噪聲放大器和開關集成于一體。這款 2.4GHz 前端模塊具有極低的噪聲特性，可延長無線傳輸距離，廣泛應用于智能音箱、智能照明、智能恒溫器等家用電器，以及無線音頻設備、醫療可穿戴設備和工廠嵌入式傳感器，確保連接穩定性。

多協議 FEM 支持用于短距離通信的藍牙和低功耗藍牙 （LE）、用于網狀網絡的 Zigbee 和 Thread 以及中低吞吐量 Wi-Fi，為物聯網設備制造商提供了更大的靈活性。

減少無線物聯網環境中的射頻性能權衡

物聯網設備中無線連接的可靠性、范圍和速度取決于射頻前端及其內部的 PA，這直接影響無線連接的魯棒性和設備消耗的功耗。

在大多數情況下，這些功率放大器基于體用CMOS技術，并直接集成到物聯網SoC中。雖然這些射頻組件可以實現強大的性能和范圍，但它們往往首先針對電源效率進行了優化。這些 PA 的輸出功率通常還受到諧波產生的限制，諧波產生可能會達到法規和認證設定的限制，或者受到電池供電物聯網設備的嚴格要求。

多協議無線 SoC 旨在為功率包絡提供最佳鏈路預算。這在很大程度上取決于接收靈敏度，但它也取決于 SoC 中射頻收發器的設計效率。

將數字、模擬和射頻功能集成到單一芯片存在諸多難點，往往需要進行性能權衡，例如降低發射功率和接收靈敏度，或調整無線 SoC 的發射頻率。

Wang 表示，使用單獨的 FEM 來提高鏈路預算是有意義的，以確保以最高效率和最小損耗發送和接收信號。在許多情況下，這些模塊依賴于以射頻為中心的工藝技術，例如硅鍺 （SiGe） 和砷化鎵 （GaAs），以犧牲緊密集成為代價來提高功率效率。

但這意味著傳統的物聯網有限元解決方案通常是零件組裝的：基于SiGe或GaAs的功率放大器通常與基于RF-SOI的單獨LNA和SW配對，以實現高效的遠程傳輸，在模塊中非常適合更快的開關和更好的信號接收。雖然 RF-SOI 非常適合在不同頻段之間切換或放大微弱的無線信號，但在 PA 中使用時可能會有其局限性。

pSemi 聲稱通過其 UltraCMOS 技術縮小了性能差距。UltraCMOS基于RF-SOI，廣泛應用于4G和5G智能手機中的射頻前端。然而，該公司表示，通過獨特地使用藍寶石襯底，它提高了功率容量、線性度、隔離和開關性能（RON × COFF）。

借助 CMOS 技術實現的單片集成，pSemi 可將功率放大器、低噪聲放大器和射頻開關集成到單一芯片中，無需混合搭配不同射頻組件。

“智能手機中的射頻前端非常復雜，并針對許多蜂窩頻段的速度和高數據速率進行了優化，而物聯網設備優先考慮簡化的射頻設計，以實現極低功耗、遠程和特定協議的通信，”Wang 說。“智能手機使用先進的濾波和集成來管理來自多個無線電的干擾，而物聯網設備更注重能效以最大限度地延長電池壽命。”

射頻模塊的單片集成技術

PE562212 的核心是高性能功率放大器，輸出功率最高可達 + 21dBm，能增強信號傳輸能力，同時支持 1dB 增益步進的應用特定輸出功率調節。

物聯網 FEM 還集成了噪聲系數為 1.6 dB 的 LNA，以增強信號接收和旨在將損耗降至最低的射頻開關。此外，它還具有集成的射頻濾波器，以減少諧波和失真，以及具有0.6 dB損耗的旁路路徑。據該公司稱，高輸出功率和低噪聲的結合提供了強大的鏈路預算，這對于穿透墻壁和確保擴展范圍和可靠性至關重要。

pSemi 表示，該PE562212有能力支持物聯網中使用最廣泛的無線協議。例如，它可以用于智能家居設備，該設備使用藍牙 LE 連接到智能手機，同時通過 Wi-Fi 下載固件更新。這往往需要比單獨使用無線 SoC 更高的線性度。

“對于物聯網設備，尤其是可穿戴設備和智能傳感器，鑒于其尺寸越來越緊湊，保持強大的射頻性能是一個關鍵的設計挑戰，”Wang說。

雖然 RF FEM 通過增加鏈路預算來減少過多的數據包丟棄和功耗，但它具有抗 ESD 的魯棒性和堅固性，可以應對物聯網固有的惡劣環境條件。

新模塊采用緊湊的 1.8 ×1.8 × 0.63 毫米緊湊型球柵陣列（LGA）封裝，適用于空間受限的應用場景。pSemi表示，它使PCB設計更加容易，I/O接口無需外部匹配。