5G FEM选型规范及指引.docx
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5GFEM选型规范及指引
5GFEM选型规范及指引
1.概述
随着802.11ac技术的逐步普及，5.8Gwifi的设计在未来的设计中比重逐渐加大，但是随之而来的问题也越来越突出。
更高的频率，更大的空间衰减，更宽的工作带宽，更高射频指标要求对射频设计提出了更高的要求，同时随着客户对设备小型化、低功耗的要求越来越强烈，对射频设计方面带来了巨大的挑战。
由于802.11ac包括具有2.5%（-32dB）EVM规格限制的256QAM群集，故PA线性度和对应的EVM作用必要条件比早期的802.11标准更严格，而PA对802.11n的EVM作用限制在大约3%、PA对802.11ac的EVM作用限制则大约在1.5%。
此外，新的256QAM讯号调变具有更高的峰值均值比率（PAR），也增加在802.11ac传输器设计内的PA其所必要的线性输出功率。
在5Gwifi的射频设计中，为了弥补高频率带来的空间衰减加剧，11AC标准对EVM更加严格的要求，以及要求较宽频段上性能的一致性，我们以往的设计都是用分立的PA、LNA和Switch搭建射频链路，以达到高输出功率和高灵敏度的整机要求。
集成的FEM（Front-EndModule）很少，也很难满足客户的要求。
但是分立器件太多也带来了许多调试、生产的问题，一致性较差，体积较大的问题一直得不到解决。
随着芯片技术的提高，越来越多的5GFEM出现了，随之而来的就是器件选择，链路设计需要我们更加关注其中的各个相关指标，用好FEM，在达到设计指标的同时，减小产品体积，满足散热，降低成本，做出好的产品。
2.目的
本文为硬件工程师详细分析FEM的各个指标，从具体案例分析中指引工程师做好5GFEM的选型，并成为规范。
3.TX指标分析
1.TX增益（TransmitModeGain）
TX增益是指下行功放与射频开关的总增益，衡量下行小信号的放大能力。
需要选择适当的增益。
选择多大增益与方案相关，首先需要确认FEM的下行输出能力，就是最大的输出功率，有的datasheet上注明的是在各个模式下的最大输出功率，有的还注明有1dB压缩点。
其次要确认所选芯片方案的最大无失真输出功率，同样，在主芯片方案中，会列出各个模式下的最大输出功率。
最基本要求是主芯片的最大无失真输出功率加上FEM的TX最小增益，需要大于设计所要求的输出功率3dB以上,8dB以下最佳。
另外，除了工作频段的增益，需要关心工作频段外的增益。
在对比选型时，带外增益越低越好，特别是需要重点关注的带外认证频段和同站工作频段。
比如企业网的双频AP，带外认证频段会关注通信的LTE频段，同站工作频段就是指2.4GWifi的频段，在这些相关频段上，增益越低越好。
举例：
主芯片的最大输出功率为0dBm@VHT80，最大无失真输出功率为-10dBm@VTH80，当系统需要输出20dBm@VTH80的功率时，所选择的FEMTX最小增益需要33dB，否则不能达到最佳的功率和EVM组合。
如果增益大得太多也会有问题，首先是大增益会产生高的噪底，对系统的噪底会产生不良影响，其次大增益会要求更多的功耗，另外一个很重要的是高的增益可能会产生稳定性的问题，增益越高，稳定性越差，干扰也越大。
2.TX增益平坦度（GainFlatness，Ripple）
越小越好。
在5G频段的FEM一般标明的增益平坦度是指每任意40MHz内的，因为早期的11AC一般用40MHz的信道带宽，需要保证在信道内各个码道之间的功率偏差尽量小。
随着80MHz和160MHz的运用越来越多，在选择FEM的时候，需要更加关注更宽频带内的平坦度，必要时，先要测试demo板验证再决定优选器件。
需要进一步理解的是，现在的MIMO系统对增益平坦度的一致性要求很高，要求在相同信道内的各个频点功率差小于3dB才能发挥MIMO的作用，功率越接近，MIMO性能越好；如果偏差过大，不但不能发挥MIMO的优势，反而成为干扰。
比如，下图1中的两个增益平坦度虽然差一些，但是比图2中的两个增益曲线要好，在性能上更好。
所以，在衡量增益平坦度好坏的同时，还要关注增益曲线的形状。
图1图2
3.输出功率（OutputPower）
输出功率是选择器件的第一考量要求，选择合适的输出功率满足产品要求，余量足够又不浪费。
各个厂家的FEM在标称输出功率的时候给的标准略有不同，有的厂家只给出了一两种最高速率下的对应EVM的最大功率，一些厂家的功率表比较详细，甚至标出了测试条件。
此指标越详细越好。
注意，一些厂家标称的是满足协议要求，而一些厂家有具体的EVM指标，需要特别注意差异。
选择输出功率的时候首先要核对各个速率下的输出功率最小值是否满足整机要求（个别最小值不满足的情况下，需要特别评估典型值是否有足够余量）；其次，一定要注意输出功率的典型值与最小值的差，越小越好，说明器件的一致性好，最终的产品一致性更好；再者，需要知道主芯片输出功率的信号质量（FEM的输入信号EVM），才能计算出所选FEM是否满足整机要求。
系统级联的EVM计算公式以百分比换算：
举例1：
下图是一款FEM的TX功率与EVM的关系。
在datasheet上，这款器件标称的是HT20模式下，满足3%EVM（-30.5dB），输出功率为21dBm，而且只有典型值，没有最小值。
并且，器件的测试条件一般是以-45dBEVM输入信号作为标准。
那么我们在选用的时候需要特别小心。
我们以公式计算如下：
①当TX输入EVM=-40dB时，对应EVM为1.0%，那么总的输出EVM=3.16%，为-30dB；
②当TX输入EVM=-36.5dB时，对应EVM为1.5%，那么总的输出EVM=3.35%，为-29.5dB；
③当TX输入EVM=-34dB时，对应EVM为2.0%，那么总的输出EVM=3.60%，为-28.9dB；
④当TX输入EVM=-32dB时，对应EVM为2.5%，那么总的输出EVM=3.90%，为-28.1dB；
从上述计算值可以看出，如果我们设计以21dBm输出为目标，那么最终的结果是整机都没有余量，而且此datasheet没有标注最小功率，如果每一级器件都按照正态分布规律，几乎有近三分之一的产品在生产时都会fail，所以风险非常的大。
下图的这颗器件，从资料上看，如果要满足批量生产，指标只适合定在19dBm@HT20/MCS7以内。
EVMVSPower
4.功耗（PowerConsumption,Currentconsumption,OperationCurrent）
各个厂家对此指标的标示方法不一样，但都是为了标明器件的功耗。
在相同输出功率下，功耗越小越好，说明效率高，对散热要求越低。
计算整机最大功耗时需要以FEM输出的最大功率点功耗为标准。
一般还会标明一个静态电流，是指PA无信号输入（信号很小）的时候的工作电流，也是越小越好。
另外，关于典型值和最大值的问题，需要注意电流的最大值，不能与典型值偏差太大，太大说明器件一致性很差，有不稳定的风险。
5.输出1dB压缩点（TXP1dB）
输出1dB压缩点与TX的输出功率密切相关。
由于11ac是OFDM调制信号，峰均比（PAR）高达10dB（峰峰值在12dB以上），所以在关注TX输出功率能力的同时，也需要关注1dB压缩点。
11ac的输出功率一般比压缩点低9~10dB左右，如果标称的差值9dB都没达到，那么选择的时候要更加小心，因为当信号的峰值超过1dB压缩点的时候，EVM恶化得很快了，很有可能最终设计达不到额定的输出要求。
另外，现在最新的11ac主芯片开始有数字预失真的功能，它能显著的降低信号的PAR到8dB以下，所以在选择器件的时候，更多的需要关注1dB压缩点，而不是TX功率。
同等EVM下，输出功率能达到1dB压缩点回退8dB时的输出功率，显著的提高效率。
这个是行业的趋势，一定要重点关注方案与FEM的搭配。
目前只在单独的PA上有用，在集成的FEM上暂时没有预留耦合信号的反馈回路。
在用IQXEL测试EVM的时候，当输出功率增大，而Peakpower的功率不再增大，这时的功率为器件的输出1dB压缩点。
如下图：
6.隔离度（FromANTtoRXinTXmode，FromANTtoTXinRXmode）
隔离度的指标是绝对值越大越好，分为四种，一般器件上只会标出两种：
①FromANTtoRXinTXmode：
在TX模式下，PA工作，TXin接负载，测试ANT口与RXout口的插入损耗，这是评估的是开关的隔离度+LNA在关闭状态的插入损耗（S21）。
这个指标是判定在TX工作时，泄漏到RX链路的信号大小，是否会干扰到主芯片。
注意，此指标需要在天线端口加大输入信号的功率，测试在较大功率下LNA的S21是否会变化，模拟在TX工作，而天线口全反射时是否损坏RX链路，同时，LNA是否被大信号冲击而工作。
②FromANTtoTXinRXmode：
在RX模式下，LNA工作，RXout接负载，测试开关隔离度+PA的反向隔离度（S12）。
这个指标是判定在RX工作时，天线端口收到的干扰信号进入主芯片TX端口造成的干扰。
但实际上，这个指标也没有什么意义：
首先，TX的增益一般在30dB左右，那反向隔离度一般都在35dB以上，加上开关的隔离度，天线端口受到的干扰进入主芯片TX端口很小了，不会形成干扰。
如果同频干扰很大，首先损坏的也是RX链路。
我们来看看厂家一般没有标出的隔离度：
①TX模式下，TX到RX的隔离度：
在TX模式下，天线端口接负载，测试TXin到RXout的隔离度。
首先用矢量网络分析仪评估小信号模式下，开关的隔离度+LNA在关闭状态下的插入损耗S21。
这个值是评估器件的性能，一般只作为参考。
第二步，用信号源和频谱仪测试在大信号状态下（至少是在最低速率下标称的最大功率高3dB的状态下），天线端口接负载，测试TX功率泄漏到RX链路的功率。
这个指标才是真正判定器件好坏的标准。
泄漏功率越小越好。
因为开关在大功率状态下的隔离度可能会下降，LNA在关闭状态下，有一定的几率在大功率输入时开启。
这样在TX工作时，LNA处于不稳定状态，可能产生杂散，甚至损坏芯片。
②RX模式下，TX到ANT的隔离度：
在RX模式下，RXout接负载，测试TXin到ANT的隔离度。
需要扫描宽频带下面的隔离度，目的是为了判定在RX工作时，如果有信号进入TXin，最终会有多大的信号从天线端口辐射出去。
最典型的就是RX工作时，天线端口杂散指标不过的问题。
综上，因为FEM集成了PA、LNA和Switch，所以在选型评估FEM的时候，需要更多的从系统工作的方面考虑各个端口之间的隔离度，不但需要满足测试要求，更需要满足实际工作的需求。
7.谐波抑制（2ndharmonics,3rdharmonics）
谐波抑制指标是越小越好，表明TX失真越不严重。
需要注意的是datasheet上的测试条件是否是我们需要的。
选择时，保证是正常工作的最大输出功率点来判定指标好坏。
理想情况下，功率降低1dB，谐波降低3dB。
另外，有的datasheet上谐波抑制的单位有dBm和dBm/MHz。
dBm与dBm/MHz总体来说没有什么区别，因为谐波的测试条件一般有CW信号和WifiMCS0信号，测试的也是最大值；需要注意的是单位有可能会用dB，需要加上增益才是正确的谐波分量值。
谐波抑制指标主要影响面有：
首先，TX的功率，谐波大，说明更多的能量被浪费了，而主信号占比会下降；其次，稳定性，谐波大说明失真严重，芯片设计上有可能不稳定；再次，影响认证，需额外增加滤波来消除带外杂散，满足通信系统共存的认证要求。
8.回波损耗（Inputreturnloss，Outputreturnloss）
绝对值越大越好，各个厂家标称的方法不一样，有些用负值，有些用正值。
按规律来说，TX的输出功率越大，输出的回波损耗越差。
但是最差不能小于7dB。
因为，这时的驻波超过2.6，接近3，有近45%的能量反射。
特别是天线口，接上天线后的指标很难保证一致性了。
9.PA开关时间（PAswitchingtime）
PA的开关时间要求越小越好。
一般指标上定义的时间为PAEN电压从50%到，RF信号达到90%/10%的时间。
首先要了解，这个指标的来源是Wifi协议上要求的功率时间模板，脉冲上升和下降沿时间要求小于2us。
由于这儿我们分析的是FEM器件，所以这儿的时间是包含了开关的时间。
注意，PA的开关时间与外围的滤波电路，工作电流还密切相关，特别是关断时间，一般出问题的都是关断时间过慢。
所以在选择的时候最好要在1us以内，需要留给外围电路一点余量。
如果开关控制脚是用GPIO口模拟的，特别要注意开关控制之间的保护时间足够。
从经验上看，开关控制脚上的滤波电容不能大于1000pF，1000pF的电容会把上升下降减慢1us左右。
10.稳定性（Stability,Ruggedness）
稳定性主要是指TX工作的时候，天线端口失配状态下器件是否稳定。
包括两个方面的指标：
①Stability：
这个是指在额定的输出功率下，天线端口在特定的输出驻波范围以内，输出无杂散信号或者杂散信号低于一定的限值。
这个指标上标注的驻波比约大越好，一般有4:
1和6:
1两种。
②Ruggedness:
这个是指在宽频带下，以一定大小的输入信号扫频，终端开路或者接近开路（驻波10:
1），保证器件无损坏。
标称的输入信号越大，条件越接近开路，说明器件越健壮。
总的来说，这两个指标都是考量的TX稳定性，不同的器件在条件设定上不同，至少是要有申明，同等级别的器件上，稳定性越好，使用越安全。
否则说明器件厂家在稳定性上的考量不够，器件有烧毁的风险。
下图是一种典型的标注方法。
下图是一颗FEM的稳定性申明，只有4:
1驻波比下的杂散指标，没有开路无损申明，这颗器件在生产过程中出现了较多的损坏，但是返厂维修率非常低，说明这颗器件对驻波的要求比较高，生产指标测试和整机天线焊接难免出现不良情况，这时就会有一定的几率烧毁，而在出厂后使用过程中，天线端口都是良好匹配，所以返厂维修率比较低。
综上，除了看重指标之外，稳定性是极其重要的参数。
11.功率检测（PowerDetector）
目前来看，在BCM方案上，这个pin用的比较多，QCA现在也有用。
在MTK及RTL用的会比较少。
上面的图片，是输出功率及对应的输出检测电压的关系曲线。
之所以需要去关注这个曲线，主要的原因是每个PA，这个曲线都是不一致的。
而这个曲线又跟我们输出功率紧密相关。
原理是，在部分方案（比如BCM）上，其实这个曲线是会被转换成数学公式表达式，然后把这公式的关系写进软件里面去，说白了就是绑定设计，但是只要我们把PDpin处理好，还是可以更换PA型号的。
举个例子，上次有用BCM5358U外加PA设计，原厂的参考设计选用的是SE2605，具体的PD曲线如上面图所示。
由于项目需要，我把这个PA改为了RTC6649E，具体的PD曲线如下图所示：
出现的问题：
当实际的输出功率大于23dBm的时候，powerindex稍微再增加，输出的功率就不是线性的了，输出功率达到27dBm左右，不满足设计要求。
其实对比两个PA的PD曲线也可以发现，当输出的power大于23dBm的时候，对应的反馈电压出现较大的不一样。
而软件用的是原厂的DEMO软件，已经将原来的PD曲线关系写到软件里面去，而我们更换PA之后，还是用原来的软件参数，所以会出问题。
解决问题：
如下是更换PA的设计原理图，其实这个PDpin的输出反馈电压跟这个红色框的分压电阻很大关系，通过调整这个电阻的阻值，可以调节这个输入到IC端的反馈电压，其实也是相当于把PD曲线去左右移动，把我们需要的那段曲线调出来使用，可以解决问题。
选型注意：
（1）部分设计更换PA（FEM）时候，需要关注这个pin，曲线等参数尽量接近比较好。
（2）如果更换设计，需要预留可以调试的位置。
（3）如果做了改动，需要把整段需要用到的功率，每隔1dB进行测试，确保OK。
4.RX指标分析
1.RX增益（RXGain）
增益一般选择在15dB左右。
这个指标实际与TX的最大输出功率是有一定的联系的。
如果TX的输出功率较大，建议选择RX的增益稍微高一点。
比如，TX的11a输出功率到23dBm以上，那RX的增益建议至少要15dB。
TX的功率高，是满足的下行覆盖比较好，覆盖范围大；这时如果需要满足同样的上行覆盖范围，那接收灵敏度要求就比较高。
根据噪声级联的关系，上行LNA增益如果过小，那在整个链路中，后级的噪声系数会对整个链路的噪声系数贡献较大，整体性能会不平衡。
在更加详细的datasheet中，还会标明在全温度范围以内的增益偏差，有利于系统的温度补偿，所以最好是能拿到这个指标（GainVariationOverTemperature），这个指标是越小越好。
2.增益平坦度（GainFlatness）
与下行增益平坦度一样，这个指标是越小越好。
特别是在一个工作载频内尽量的小，在MIMO系统中，做到波形一致。
详见TX增益平坦度。
3.噪声系数（NoiseFigure）
噪声系数是衡量RX链路最重要的指标，选择的时候是越小越好，现阶段，通常5G频段的噪声系数需要在2.5dB以下，它主要包含了射频开关的损耗与LNA的噪声系数。
噪声系数越好，同样方案的系统下，接收灵敏度越好。
系统的噪声系数主要由第一级LNA及之前的衰减决定，接收灵敏度以功率dBm/Hz表示如下：
其中：
NF是指接收链路的总噪声系数；
是指所选方案中，接收机所能无失真解调信号的最低信噪比。
所以，从理论上看，如果我们已经选择好一个主芯片方案，要提高接收灵敏度，只能优化链路的噪声系数。
（排除设计不佳引入了干扰噪声，如电源噪声干扰）
4.输入1dB压缩点（1dBinputcompressionpoint，IP1dB）
在其它指标都一致的情况下，RX链路的输入1dB压缩点越大越好。
越大，说明接收链路的三阶截止点越高，当有较大信号输入的时候，信号不会失真。
这个指标就如TX的输出1dB压缩点一样，根据调制信号的不同，能无失真解调的信号电平会减去信号的峰均比。
当然，系统的最大接收电平也与系统内部的器件性能与增益分配相关。
比如把系统配置成内置LNA，这时如果又用了外置LNA，那最大接收电平会显著下降。
另外，几乎所有的FEM在RX链路都有LNAbypass的功能，这个是为了保护RX链路在很大信号进入的时候，可以保护电路不受损坏。
可以看到此时的输入1dB压缩点一般都很高。
5.输入三阶交调（IIP3）
这个指标是越大越好，其值越大，说明交调产物相对主信号来说越小，对系统的干扰影响越小。
三阶交调是三阶交调截取点IP3（Third-orderInterceptPoint）的简称，在射频或微波多载波通讯系统中，三阶交调截取点IP3（Third-orderInterceptPoint）是一个衡量线性度或失真的重要指标。
当两个或多个正弦频率正好落在放大器的带宽内并通过一个非线性放大时，其输出信号将包括各种频率分量。
三阶交调分量2F1-F2，2F2-F1是非线性中三次方项产生的，由于落在带宽内，是我们主要关注的非线性产物。
如下图：
IIP3与P1dB，OIP3，G的关系如下：
当器件的输出信号比P1dB小10dB时，OIP3一般比P1dB大10~20dB；当器件的输出信号比P1dB小20dB时，OIP3一般比P1dB大10~15dB。
在实际运用中，这个指标是为了防止有多个用户连接时，相互之间干扰，导致多用户的时候接收灵敏度显著下降。
6.RX开关时间（Switchingtime）
分为LNA到旁路（bypass）的时间，RX切换到TX的时间。
LNA到bypass的时间要求一般更高，目的是为了在接收链路收到大信号的时候及时切换到bypass模式，保护接收链路。
要求越小越好。
RX切换到TX的时间也是越小越好，这个与TX的开关时间一样，要求必须小于2us以内，满足协议要求，实际工作中，由于还有控制信号的延迟叠加，所以最好选择的器件在1us以内。
7.输入回波损耗（Inputreturnloss）
输入回波损耗的绝对值越大越好，表明接收链路与天线之间的匹配会更好，从天线反射回去的功率会更少。
天线增益的利用率会更高。
8.输出回波损耗（Outputreturnloss）
输出回拨损耗的绝对值越大越好，表明输出端与滤波器（或者transceiver）之间的匹配越好。
接收端如果连接了滤波器，对滤波器的滤波特性有较大的影响，如果接收端是接的transceiver，那直接影响的就是接受信号质量。
如果输出回拨损耗不好，还有可能由此引起的transceiver输入端不匹配而导致系统不稳定。
最后，在选择FEM的时候，一些外围的因素也需要关注：
1）节电阻：
越小越好，代表器件的内核热损耗越小，发热量小。
2）结温：
越大越好，代表器件能承受的温度越高。
3）效率：
效率越高越好；分别关注静态工作点和最大功率下的电流，电流小说明效率越高。
4）防静电等级：
越高越好，一般需要达到1C以上就比较好。
5）封装：
QFN封装的引脚在器件底部，引脚长度较短，这样引入PCB上的干扰越小；尺寸需要根据需要选择合适的大小和形状，正方形的形状要比长方形的更好，在工艺上更好控制。
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