无线局域网前端模块的发展趋势与优势

本文探讨了SiGe的两个最新无线模块，包括小外形尺寸的802.11g前端模块和802.11n前端模块。文中将FEM与分立式解决方案的成本做了比较，展示了FEM实现更小外形尺寸的能力和总体性能优势。

如今，无论是传统的消费产品如笔记本电脑和家庭网络，以至新兴的游戏机和照相机等市场，WLAN都正逐渐成为标准。随着媒体播放器、手机及PDA中内置无线IP语音(VoIP)电话和联网能力，预计WLAN标准(802.11a/b/g)将进一步渗透消费电子领域。802.11n的推出将使总体市场再创新高，该标准提供的300~600Mbps性能最终将实现全面的家庭无线媒体分发功能。这种能力开启了音频和视频市场，包括电视、机顶盒和DVD播放器。

这些市场的竞争都极其激烈，因此对成本非常敏感。WLAN要进入这些领域，必须以一种极低成本开支、而且几乎不会影响最终产品良率的方式来提供无线功能。本文将讨论WLAN无线射频(RF)前端模块(FEM)在满足这些要求方面具有哪些优势。

传统802.11a/b/g产品

图1显示了一个WLAN FEM的基本架构。RF工程师利用20~30个分立式组件便可以实现图中所示的功能。不过，较之分立式解决方案，WLAN FEM具有以下多种优势：

1. 性能更高

模块方案采用定制的裸片、引线接合和超小叠层等工艺技术，实现损耗(implementation loss)比分立式组件方案要低0.5dB到1.0dB。另一方面，采用分立式设计方案的设计人员不得不使用多个来自不同制造商的已封装器件，因而产生封装寄生效应。这意味着模块实现方案比分立式设计的输出功率要大，覆盖距离更广；或者输出功率与分立式设计相同，但效率更高，可延长电池寿命。

2. 外形尺寸更小

分立式设计要实现图1所示的功能，所需面积是实现相同功能的FEM方案的四倍。采用FEM，这些完整的功能可用4×5mm²甚至更小尺寸来实现。对于空间是主要关注问题的嵌入式市场来说，这一点尤其重要。

图1：RF前端模块架构。

3. 易于设计

由于FEM是完全匹配好的模块，而且一般只需要一个电源去耦电容就可完成电路，故几乎无须进行调整和电路板重新设计。另外，由于器件的集成度高，终端应用电路可以很方便地转移到不同的外形尺寸。这样，在计算机行业，当PCIE mini-Card设计完成，同一应用电路就能很容易地被转移到mini-PCI和Cardbus的外形尺寸中去。

4. 产品良率更高

FEM是经过全面测试的解决方案，所以不存在因RF问题引起的最终产品良率损耗。

一直以来，WLAN FEM的主要问题是它比分立式解决方案价格贵一些(10%左右)。然而，随着价格可以和分立式解决方案看齐的更新一代FEM问世，这一缺点已不复存在。FEM供应商通过把更多的功能集成到核心PA和开关芯片上，有效地降低了成本，使得FEM内部不再需要叠层或无源器件。由于上面列举的这些优势加上同等的价格，FEM将继续主导WLAN前端领域。

802.11n市场

802.11n市场向RF设计人员提出了更多的挑战。由于功能以倍数方式增加，设计人员不得不采用2个双频段发射器和接收器(如图2所示)，而且在某些情况下还必须采用第三个接收链路。这种功能的增加带来了两个问题：

图2：802.11n RF前端模块结构示意图。

1. 外形尺寸不断减小

最新一代的WLAN卡叫做PCI-Express mini-Card，尺寸只有微型PCI卡(mini-PCI)的一半大小，后者曾是最常用的WLAN尺寸。图3展示了WLAN设计人员面对的难题。

2. 外形尺寸功率预算

业界标准外形尺寸如PCI-Express mini-Card、mini-PCI和Cardbus等，都不仅定义了物理尺寸，而且还规定了信号发送和功率预算。一个802.11n MIMO解决方案带来了更多的基带处理、同一时间内多个发射和接收无线电，以及多个PA的发射问题。当所有这些因素均考虑在内时，总体功耗便会逐渐接近该外形尺寸所允许的总体功率预算。

802.11n RF FEM为上面两个主要问题提供了解决方案。FEM能够在比分立式解决方案小25%的面积上，实现一个完整的双频段MIMO解决方案所需的功能。至于功耗，如前所述，FEM解决方案在发射链路上的损耗更小，效率更高。因此，RF FEM完全能够实现802.11n市场的要求。

除了上面列出的两个主要问题之外，FEM也能够解决实现802.11n解决方案的一些其它问题：

图3：外形尺寸和标准复杂度的关系。

1. 增益匹配

由于MIMO性能的原因，对终端产品设计人员而言，最方便的做法是确保发射链路的增益彼此之间差异在2到3dB之内。除了有助于MIMO性能之外，增益和性能相近还有助于终端产品的校准，因为若这些信道相近，只需校准一个信道，第二个的校准工作就变得非常简单了，这样便可以节省时间，进而节省成本。FEM解决方案能够解决这一问题，因为：a. 模块设计公司控制完整的模块构建，并测试最终解决方案，通过设计和测试验证/筛选以确保匹配；b. 一个完整的集成式802.11n FEM本身就保证了两个PA链路链接在一起。但分立式设计却不是这样的，它的PA是放在应用电路板上，并可能源自不同的制造工艺，没有相近的性能。利用两个802.11a/b/g FEM来实现802.11n解决方案同样也是如此。

2. 接收损耗

基于和增益匹配类似的原因，确保接收链路相近可以带来性能和校准的好处。

本文小结

本文阐述了在WLAN应用中使用RF FEM的好处，包括传统的802.11b/g和802.11a/b/g单频段与双频段标准，以及更新更复杂的802.11n标准。FEM不但易于设计、能解决系统实现的问题，而且更可以提高性能，所以随着其价格开始向分立式解决方案看齐，FEM将是WLAN解决方案中的主要RF解决方案。

作者：Andrew Parolin

无线数据产品总监

SiGe半导体公司