在如今的物聯(lián)網(wǎng)設備中，多協(xié)議無線系統(tǒng)級芯片（SoC）承擔了絕大部分核心運算工作。但射頻信號傳輸鏈路的最后一環(huán) —— 從芯片到天線的短短數(shù)英寸距離，卻起著決定性作用。而射頻前端模塊（RF FEM），正是打通這一關鍵環(huán)節(jié)的核心器件。

盡管不少企業(yè)已將功率放大器（PA）、低噪聲放大器（LNA）和射頻開關（SW）直接集成到物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)級芯片中，但在射頻環(huán)境復雜的場景下，外置獨立射頻前端模塊能夠有效拓展通信距離，提升連接穩(wěn)定性。

“與系統(tǒng)級芯片內置的集成式功率放大器或射頻前端不同，外置射頻前端模塊能夠實現(xiàn)更卓越的性能?！?a class="contentlabel" href="http://www.chinabohe.com/tech/s/k/pSemi">pSemi 產品組合管理高級總監(jiān) Xinliang Wang 表示，“這種優(yōu)勢源于更高的輸出功率、更強的接收靈敏度，以及更靈活的功率控制能力?！?/p>

然而，要把射頻前端模塊的核心組件（尤其是功率放大器、低噪聲放大器和射頻開關）全部集成到一個模塊中，同時滿足物聯(lián)網(wǎng)設備低成本、小體積的嚴苛要求，絕非易事。

面對物聯(lián)網(wǎng)領域日益收緊的成本與空間限制，pSemi 借助其射頻絕緣體上硅（RF SOI） 技術，實現(xiàn)了這些核心元件的高度集成?；谠摴惊氂械?UltraCMOS 技術，pSemi 能夠將射頻前端模塊的主要部件集成在單一芯片上，在縮小體積的同時，功率放大器輸出功率與接收器靈敏度等關鍵指標，均可媲美其他主流射頻技術方案。

UltraCMOS 技術支撐起了 pSemi 迄今最緊湊的一款射頻前端模塊 ——PE562212。這款工作在 2.4GHz 頻段的射頻前端模塊，具備極低的噪聲系數(shù)，可有效延長無線傳輸距離。其應用場景覆蓋廣泛，從智能音箱、智能照明、智能恒溫器等智能家居設備，到無線音頻設備、醫(yī)療可穿戴設備，再到工廠車間內的嵌入式傳感器，都能通過它實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的無線連接。

這款多協(xié)議射頻前端模塊支持短距離通信的藍牙及低功耗藍牙（Bluetooth LE）協(xié)議、適用于網(wǎng)狀網(wǎng)絡的 Zigbee 與 Thread 協(xié)議，以及中低吞吐量的 Wi-Fi 協(xié)議，為物聯(lián)網(wǎng)設備制造商提供了更靈活的方案選擇（見圖 1）。

1. 新款多協(xié)議物聯(lián)網(wǎng)射頻前端模塊采用超緊湊的 1.8×1.8 毫米封裝形式。

減少無線物聯(lián)網(wǎng)領域的射頻權衡

物聯(lián)網(wǎng)設備無線連接的可靠性、傳輸距離與通信速率，取決于射頻前端及其內置的功率放大器 —— 這兩個部件直接影響無線連接的穩(wěn)定性與設備功耗水平。

目前市面上的多數(shù)功率放大器基于體硅 CMOS 技術，且直接集成在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)級芯片中。這類集成式射頻組件雖能保障基礎性能與傳輸距離，但其優(yōu)化方向往往優(yōu)先聚焦于功率效率。此外，這類功率放大器的輸出功率還常受諧波干擾限制，諧波水平可能觸及法規(guī)認證的上限，同時也受限于電池供電型物聯(lián)網(wǎng)設備的嚴苛功耗要求。

多協(xié)議無線系統(tǒng)級芯片的設計目標，是在既定功耗范圍內實現(xiàn)最優(yōu)鏈路預算。鏈路預算的數(shù)值主要由接收靈敏度決定，同時也取決于系統(tǒng)級芯片內置射頻收發(fā)器的設計效率。

將數(shù)字、模擬與射頻功能集成在單一芯片上，存在諸多技術難點，且往往需要在各項性能指標之間做出取舍，例如降低發(fā)射功率、犧牲接收靈敏度，或是限制無線系統(tǒng)級芯片的發(fā)射頻率。

Xinliang Wang 指出，在這種情況下，采用獨立外置射頻前端模塊來提升鏈路預算是合理選擇，它能確保信號以最高效率發(fā)射和接收，同時將損耗降至最低。傳統(tǒng)射頻前端模塊通常采用射頻專用工藝技術（如硅鍺 SiGe 與砷化鎵 GaAs）來提升功率效率，但代價是難以實現(xiàn)元件的高度集成。

這就導致傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)射頻前端模塊普遍采用混合架構：基于硅鍺或砷化鎵技術的功率放大器，負責實現(xiàn)高效遠距離信號傳輸；而基于射頻絕緣體上硅技術的低噪聲放大器與射頻開關，則負責實現(xiàn)快速頻段切換與更優(yōu)信號接收，兩類器件共同組成一個完整模塊（見圖 2）。盡管射頻絕緣體上硅技術在頻段切換與微弱信號放大方面優(yōu)勢顯著，但將其應用于功率放大器時，性能存在明顯短板。

2. 大多數(shù)射頻模塊混合搭配不同的工藝技術，包括射頻-單純輸出（RF-SOI）。

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 智能手機的射頻前端。不過，公司表示，通過獨特地使用藍寶石基板，在功率容量、線性度、隔離性和開關性能（RON × COFF）方面帶來了提升。

利用CMOS實現(xiàn)的單體集成，它可以將PA、LNA和射頻開關集成到一個集成電路中，消除了不同射頻模塊的混配（見圖3）。

3. pSemi 利用其 UltraCMOS 技術將 PA、LNA 和射頻交換機集成到單一模塊中。

“智能手機的射頻前端結構極為復雜，需要針對多個蜂窩頻段實現(xiàn)高速率、大吞吐量的性能優(yōu)化；而物聯(lián)網(wǎng)設備的射頻設計則更注重簡潔性，以滿足超低功耗、遠距離傳輸與協(xié)議專屬通信的需求?！盭inliang Wang 表示，“智能手機依靠先進的濾波與集成技術，來應對多射頻模塊共存帶來的干擾問題；而物聯(lián)網(wǎng)設備的核心優(yōu)化方向是提升功率效率，從而最大限度延長電池續(xù)航?！?/p>

射頻模塊的單片集成技術路徑

PE562212 模塊的核心是一款高性能功率放大器，其輸出功率最高可達 + 21dBm，能夠有效增強信號發(fā)射能力，同時支持以 1dB 為步進的增益調節(jié)，可滿足不同應用場景的輸出功率需求。

這款物聯(lián)網(wǎng)射頻前端模塊還內置了噪聲系數(shù)僅為 1.6dB 的低噪聲放大器，以強化信號接收能力；搭配的射頻開關則具備極低的插入損耗。此外，模塊集成射頻濾波器，可有效降低諧波干擾與信號失真；并設計了插入損耗僅為 0.6dB 的旁路通道。pSemi 表示，高輸出功率與低噪聲系數(shù)的組合，能夠構建出穩(wěn)健的鏈路預算，這對于信號穿墻傳輸、延長通信距離與提升連接可靠性至關重要。

pSemi 強調，PE562212 能夠兼容物聯(lián)網(wǎng)領域的絕大多數(shù)主流無線協(xié)議。例如，某款智能家居設備可通過低功耗藍牙與智能手機連接，同時借助 Wi-Fi 完成固件更新 —— 這類應用場景對器件線性度的要求，遠非無線系統(tǒng)級芯片單獨能夠滿足。

“對于物聯(lián)網(wǎng)設備，尤其是可穿戴設備與智能傳感器而言，受限于日益緊湊的產品尺寸，如何保障穩(wěn)定的射頻性能，已成為設計過程中的核心挑戰(zhàn)?！盭inliang Wang 說道。

該射頻前端模塊通過提升鏈路預算，減少了數(shù)據(jù)包丟失率與設備功耗；同時具備出色的靜電放電（ESD）防護能力與環(huán)境耐受性，可適應物聯(lián)網(wǎng)設備面臨的各類嚴苛工作環(huán)境。

這款新型模塊采用 1.8×1.8×0.63 毫米的焊盤柵格陣列（LGA）封裝，非常適合空間受限的應用場景。pSemi 指出，該模塊的輸入輸出接口無需額外的外部匹配電路，可顯著簡化印刷電路板（PCB）的設計流程。