射频模块将无线物联网的一切整合在一起

在如今的物联网设备中，多协议无线系统级芯片（SoC）承担了绝大部分核心运算工作。但射频信号传输链路的最后一环 —— 从芯片到天线的短短数英寸距离，却起着决定性作用。而射频前端模块（RF FEM），正是打通这一关键环节的核心器件。

尽管不少企业已将功率放大器（PA）、低噪声放大器（LNA）和射频开关（SW）直接集成到物联网系统级芯片中，但在射频环境复杂的场景下，外置独立射频前端模块能够有效拓展通信距离，提升连接稳定性。

“与系统级芯片内置的集成式功率放大器或射频前端不同，外置射频前端模块能够实现更卓越的性能。”pSemi 产品组合管理高级总监 Xinliang Wang 表示，“这种优势源于更高的输出功率、更强的接收灵敏度，以及更灵活的功率控制能力。”

然而，要把射频前端模块的核心组件（尤其是功率放大器、低噪声放大器和射频开关）全部集成到一个模块中，同时满足物联网设备低成本、小体积的严苛要求，绝非易事。

面对物联网领域日益收紧的成本与空间限制，pSemi 借助其射频绝缘体上硅（RF SOI） 技术，实现了这些核心元件的高度集成。基于该公司独有的 UltraCMOS 技术，pSemi 能够将射频前端模块的主要部件集成在单一芯片上，在缩小体积的同时，功率放大器输出功率与接收器灵敏度等关键指标，均可媲美其他主流射频技术方案。

UltraCMOS 技术支撑起了 pSemi 迄今最紧凑的一款射频前端模块 ——PE562212。这款工作在 2.4GHz 频段的射频前端模块，具备极低的噪声系数，可有效延长无线传输距离。其应用场景覆盖广泛，从智能音箱、智能照明、智能恒温器等智能家居设备，到无线音频设备、医疗可穿戴设备，再到工厂车间内的嵌入式传感器，都能通过它实现稳定可靠的无线连接。

这款多协议射频前端模块支持短距离通信的蓝牙及低功耗蓝牙（Bluetooth LE）协议、适用于网状网络的 Zigbee 与 Thread 协议，以及中低吞吐量的 Wi-Fi 协议，为物联网设备制造商提供了更灵活的方案选择（见图 1）。

1. 新款多协议物联网射频前端模块采用超紧凑的 1.8×1.8 毫米封装形式。

减少无线物联网领域的射频权衡

物联网设备无线连接的可靠性、传输距离与通信速率，取决于射频前端及其内置的功率放大器 —— 这两个部件直接影响无线连接的稳定性与设备功耗水平。

目前市面上的多数功率放大器基于体硅 CMOS 技术，且直接集成在物联网系统级芯片中。这类集成式射频组件虽能保障基础性能与传输距离，但其优化方向往往优先聚焦于功率效率。此外，这类功率放大器的输出功率还常受谐波干扰限制，谐波水平可能触及法规认证的上限，同时也受限于电池供电型物联网设备的严苛功耗要求。

多协议无线系统级芯片的设计目标，是在既定功耗范围内实现最优链路预算。链路预算的数值主要由接收灵敏度决定，同时也取决于系统级芯片内置射频收发器的设计效率。

将数字、模拟与射频功能集成在单一芯片上，存在诸多技术难点，且往往需要在各项性能指标之间做出取舍，例如降低发射功率、牺牲接收灵敏度，或是限制无线系统级芯片的发射频率。

Xinliang Wang 指出，在这种情况下，采用独立外置射频前端模块来提升链路预算是合理选择，它能确保信号以最高效率发射和接收，同时将损耗降至最低。传统射频前端模块通常采用射频专用工艺技术（如硅锗 SiGe 与砷化镓 GaAs）来提升功率效率，但代价是难以实现元件的高度集成。

这就导致传统物联网射频前端模块普遍采用混合架构：基于硅锗或砷化镓技术的功率放大器，负责实现高效远距离信号传输；而基于射频绝缘体上硅技术的低噪声放大器与射频开关，则负责实现快速频段切换与更优信号接收，两类器件共同组成一个完整模块（见图 2）。尽管射频绝缘体上硅技术在频段切换与微弱信号放大方面优势显著，但将其应用于功率放大器时，性能存在明显短板。

2. 大多数射频模块混合搭配不同的工艺技术，包括射频-单纯输出（RF-SOI）。

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 智能手机的射频前端。不过，公司表示，通过独特地使用蓝宝石基板，在功率容量、线性度、隔离性和开关性能（RON × COFF）方面带来了提升。

利用CMOS实现的单体集成，它可以将PA、LNA和射频开关集成到一个集成电路中，消除了不同射频模块的混配（见图3）。

3. pSemi 利用其 UltraCMOS 技术将 PA、LNA 和射频交换机集成到单一模块中。

“智能手机的射频前端结构极为复杂，需要针对多个蜂窝频段实现高速率、大吞吐量的性能优化；而物联网设备的射频设计则更注重简洁性，以满足超低功耗、远距离传输与协议专属通信的需求。”Xinliang Wang 表示，“智能手机依靠先进的滤波与集成技术，来应对多射频模块共存带来的干扰问题；而物联网设备的核心优化方向是提升功率效率，从而最大限度延长电池续航。”

射频模块的单片集成技术路径

PE562212 模块的核心是一款高性能功率放大器，其输出功率最高可达 + 21dBm，能够有效增强信号发射能力，同时支持以 1dB 为步进的增益调节，可满足不同应用场景的输出功率需求。

这款物联网射频前端模块还内置了噪声系数仅为 1.6dB 的低噪声放大器，以强化信号接收能力；搭配的射频开关则具备极低的插入损耗。此外，模块集成射频滤波器，可有效降低谐波干扰与信号失真；并设计了插入损耗仅为 0.6dB 的旁路通道。pSemi 表示，高输出功率与低噪声系数的组合，能够构建出稳健的链路预算，这对于信号穿墙传输、延长通信距离与提升连接可靠性至关重要。

pSemi 强调，PE562212 能够兼容物联网领域的绝大多数主流无线协议。例如，某款智能家居设备可通过低功耗蓝牙与智能手机连接，同时借助 Wi-Fi 完成固件更新 —— 这类应用场景对器件线性度的要求，远非无线系统级芯片单独能够满足。

“对于物联网设备，尤其是可穿戴设备与智能传感器而言，受限于日益紧凑的产品尺寸，如何保障稳定的射频性能，已成为设计过程中的核心挑战。”Xinliang Wang 说道。

该射频前端模块通过提升链路预算，减少了数据包丢失率与设备功耗；同时具备出色的静电放电（ESD）防护能力与环境耐受性，可适应物联网设备面临的各类严苛工作环境。

这款新型模块采用 1.8×1.8×0.63 毫米的焊盘栅格阵列（LGA）封装，非常适合空间受限的应用场景。pSemi 指出，该模块的输入输出接口无需额外的外部匹配电路，可显著简化印刷电路板（PCB）的设计流程。