WiFi產品射頻電路調試經驗談

1、Wi-Fi 產品射頻電路調試經驗談 1 前言 這份文檔總結了我工作一年半以來的一些 射頻 （Radio Frequency ） 調試 （以下 稱為Debug）經驗，記錄的是我在實際項目開發(fā)中遇到并解決問題的過程?，F在 我想利用這份文檔與大家分享這些經驗， 如果這份文檔能夠對大家的工作起到一 定的幫助作用，那將是我最大的榮幸。 個人感覺，Debug過程用的都是最簡單的基礎知識，如果能夠對 RF的基礎知識 有極為深刻（注意，是極為深刻）的理解，我相信，所有的 Bug解起來都會易如 反掌。同樣，我的這篇文檔也將會以最通俗易懂的語言， 講述最通俗易懂的 Debug 技巧。 在本文中，我盡量避免寫一些空

2、洞的理論知識，但是第二章的內容除外。 “微波 頻率下的無源器件”這部分的內容截取自我尚未完成的“長篇大論” Wi-Fi 產品的一般 射頻電路設計（第二版）。 我相信這份文檔有且不只有一處錯誤， 如果能夠被大家發(fā)現， 希望能夠提出， 這 樣我們就能夠共同進步。 2 微波頻率下的無源器件 在這一章中，主要講解微波頻率下的無源器件。一個簡單的問題：一個 1K 的電 阻在直流情況下的阻值是1K,在頻率為10MHZ勺回路中可能還是1K，但是在10GHz 的情況下呢？它的阻值還會是 1K 嗎？答案是否定的。在微波頻率下，我們需要 用另外一種眼光來看待無源器件。 2.1. 微波頻率下的導線 微波頻率下的導線

3、可以有很多種存在方式， 可以是微帶線， 可以是帶狀線， 可以 是同軸電纜，可以是元件的引腳等等。 2.1.1. 趨膚效應 在低頻情況下， 導線內部的電流是均勻的， 但是在微波頻率下， 導線內部會產生 很強的磁場， 這種磁場迫使電子向導體的邊緣聚集， 從而使電流只在導線的表面 流動，這種現象就稱為趨膚效應。 趨膚效應導致導線的電阻增大， 結果會怎樣？ 當信號沿導體傳輸時衰減會很嚴重。 在實際的高頻場合，如收音機的感應線圈，為了減少趨膚效應造成的信號衰減， 通常會使用多股導線并排繞線，而不會使用單根的導線。 我們通常用趨膚深度來描述趨膚效應。趨膚深度是頻率與導線本身共同的作用， 在這里我們不會作深

4、入的討論。 2.1.2. 直線電感 我們知道，在有電流流過的導線周圍會產生磁場， 如果導線中的電流是交變電流， 那么磁場強度也會隨著電流的變化而變化， 因此， 在導線兩端會產生一個阻止電 流變化的電壓， 這種現象稱之為自感。 也就是說， 微波頻率下的導線會呈現出電 感的特性，這種電感稱為直線電感。也許你會直線電感很微小，可以忽略，但是 我們將會在后面的內容中看到，隨著頻率的增高，直線電感就越來越重要。 電感的概念是非常重要的，因為微波頻率下，任何導線（或者導體）都會呈現出 一定的電感特性，就連電阻，電容的引腳也不例外。 22 微波頻率下的電阻 從根本上說，電阻是描述某種材料阻礙電流流動的特性，

5、 電阻與電流，電壓的關 系在歐姆定律中已經給出。但是，在微波頻率下，我們就不能用歐姆定律去簡單 描述電阻，這個時候，電阻的特性應經發(fā)生了很大的變化。 電阻的等效電路 電阻的等效電路如圖2-1所示。其中R就是電阻在直流情況下電阻自身的阻值，L 是電阻的引腳，C因電阻結構的不同而不同。我們很容易就可以想到，在不同的 頻率下，同一個電阻會呈現出不同的阻值。想想平時在我們進行Wi-Fi產品的設 計，幾乎不用到直插的元件（大容量電解電容除外），一方面是為了減小體積， 另一方面，也是更為重要的原因，減小元件引腳引起的電感。 圖2-1電阻的等效電路 圖2-2定性的給出了電阻的阻值與頻率的關系。 圖2-2電阻

6、的阻值與頻率 我們試著分析電阻具有這樣的特性的原因。 當頻率為0時（對應直流信號），電阻 呈現出的阻值就是其自身的阻值；當頻率提高時，電阻呈現出的阻值是自身的阻 值加上電感呈現出的感抗；當頻率進一步提高時，電阻自身的阻值加上電感的感 抗已經相當的大，于是電阻表現出的阻值就是那個并聯的電容的容抗， 而且頻率 越高，容抗越小。 23 微波頻率下的電容 在射頻電路中，電容是一種被廣泛使用的元件，如旁路電容，級間耦合，諧振回 路，濾波器等。和電阻一樣，微波頻率下電容的容抗特性也會發(fā)生很大的變化。 電容的等效電路 我們知道，電容的材料決定著電容的特性參數， 電容的等效電路如圖2-3所示。C 是電容自身的

7、容值，Rp為并聯的絕緣電阻，Rs是電容的熱損耗，L是電容的引 腳的電感。 圖2-3電容的等效電路 關于電容，我在這里介紹幾個平時大家在選料是可能不會關注的參數。 功莖酗(Riwer Factw 陸； 一對瘧鰥.交變的電耘柜垃上金 簷后子程是花頹的足菇中 由于RE與Rp姑存童個融!釧 弓M. Jt Jt . . FF nmQ -功薊寥希司咋匸扛茅 址屋産.電介施權料皇 義勞趨電函Effertiv便 Seii砂 distance . ESR :,- 遼個電5是 Rs RplUK電 PF ” EE5fWLB9S EE5fWLB9S . . S Si* i* ESR =(110=(110- -) )

8、麗血二加幾 秀前期(Dissipation Factor DFDissipation Factor DF: : 一 散因雄交隸砂毘抗的 tt tt 值. _ _ _ | | r r 取 Q Q 僥義為 g g 二命=焉.爾顯 Q Q 值越尢用醐;疑越撫 圖2-4定性的給出了電容在不同頻率下的表現出的電抗特性。圖中的縱軸為插入 損耗(Insertion Loss )，也就是由于電容的加入引起的損耗。 1 5 10 50 1Q0 500 1000 Frequency (MHz) 圖2-4電容在不同頻率下的電抗特性 顯然，在轉折之前，電容表現出的是電容的特性，轉折之后，電容表現出來的卻 是電感的特性

9、。一般來說，大容量的電容會比小容量的電容表現出更多的電感特 性。因此，在250MHZ勺頻率下，一個O.luF的旁路電容不一定比100pF的電容效 果更好。換句話說，容抗的經典公式 似乎說明當頻率一定時，電容的容量越大，容抗越小。但是在微波率下，結論是 相反的。在微波頻率下，一個O.luF的電容會表現出比1OOpF電容更大的阻抗， 這也是我們在設計電源電路時為什么要在大容量的電解電容兩端并聯小容量的 電容的原因，這些小容量的電容用o 10 于消除高頻的噪聲信號。 2.32 電容的容量與溫度特性 在CIS庫中選料時，我們總會發(fā)現電容有一項參數為 X7R或者X5R NPO等，我 特此搜尋相關資料，翻

10、譯過來，寫在這一節(jié)中。 這類參數描述了電容采用的電介質材料類別， 溫度特性以及誤差等參數，不同的 值也對應著一定的電容容量的范圍。具體來說，就是： X7R常用于容量為3300pF0.33uF的電容，這類電容適用于濾波，耦合等場合， 電介質常數比較大，當溫度從0 C變化為70 C時，電容容量的變化為土 15% 丫5P與丫5V常用于容量為150pF2nF的電容，溫度范圍比較寬，隨著溫度變化， 電容容量變化范圍為土 10%或者+22%/-82% 對于其他的編碼與溫度特性的關系，大家可以參考表 2-1。例如，X5R的意思就 是該電容的正常工作溫度為-55 C+85 C,對應的電容容量變化為土 15%

11、表2-1電容的溫度與容量誤差編碼 低溫 高溫 容凰喪化 4;4;如6 6C C A;A;町忻； 5r5r- -8585C C Z: +10 +10 T T 6: +105 6: +105 D DC C 7 7： +125 +125 a aC C D D：如熨 S +150CS +150C E:E:比 4 +200 C4 +200 C F F；吐 7,7,僅 R:R: 15%15% V V: +22% : +22% - -2%2% 甀氀椀洀 ? 勻椀洀勻甀渀 ? 吀椀洀攀猀一攀眀刀漀洀愀渀 ? 爀椀愀氀唀渀椀挀漀攙攀勻 ? 椀渀最椀唀開勻勻 耈?梔? 鞱鞱 電感的等效電路 不難想象，導線的本身存

12、在一定的電阻，相鄰量個線圈之前存在一定的電容， 于 是，我們得到如圖2-5所示的電感的等效電路。其中Rs為導線存在的電阻，L為 電感自身的感值，C是等效電容。電感的電感量一頻率曲線與電阻的阻抗一頻率 曲線頗有些相似，這與它們具有類似的等效電路有直接關系。 讀者可自行分析電 感的頻率特性曲線。 圖2-5電感的等效電路 2.42 電感的Q值 電感的感抗與串聯電阻 Rs的比值稱為電感的Q值，即Q=X/Rs與電容類似，Q值 越大，則電感的質量越好。如果電感是一個理想電感，那么 Q值應該是無限大， 但是實際中不存在理想的電感，所以 Q值無限大的電感是不存在的。 在低頻情況下，電感的Q值非常大，因為這個時

13、候 Rs只是導線的直流電阻，這 是一個很小的值。當頻率升高時，電感的感抗X會變大，所以電感的Q值會隨著 頻率的提高而增大（這個時候趨膚效應還不明顯）；但是，當頻率提高到一定的 程度的時候，趨膚效應就不可忽視了，這時串聯電阻 Rs會隨著頻率的提高而變 大,同時串聯電容C也開始發(fā)揮作用，從而導致Q值隨著頻率的提高而降低。圖 2-6給出了某公司的一款電感的 Q值與頻率的關系。 圖2-6某公司的電感的Q值與頻率變化關系曲線 為了盡量增大電感的Q值，在制作電感時，我們通?？梢圆捎靡韵碌膸追N方法： 使用直徑較大的導線，可以降低電感的直流阻抗； 將電感的線圈拉開，可以降低線圈之間的分布電容； 增大電感的磁導

14、系數，這通常用磁芯來實現，如鐵氧體磁芯。 其實，電感的手工制作，是射頻工程師的必修課，但是這部分內容比較復雜，本 文暫不進行討論，感興趣的讀者可以查閱相關文獻。 3 RF Debug 經驗分享 3.1. 某無線AP 2.4GHz ChainO無輸出功率 在一次對某無線AP （雙頻大功率11n無線AP的測試過程中，突然聽到一聲清 脆悅耳的破裂聲，隨后看到一縷青煙緩緩的從板子上升起（可惜沒看清具體是哪 個位置），周圍便迅速充滿了令人不爽的焦臭味， VSA（Vector Signal Analyzer， 矢量信號分析儀）上的功率也跌落至OdBm以下。稍微有點經驗的人都可以得出 一個結論：“有東西燒掉

15、了” 。 沒有輸出功率，可想而知，一定是 Tx回路的某個器件損壞了，但是究竟是哪個 呢？ 首先采用目測法（所謂目測法就是直接用眼睛觀察元器件的外觀， 查看是否有破 裂或者燒焦的痕跡），結果沒看出來。 然后采用“點測法”這時候你可能會問：“什么是點測法呢？”點測法就是用探 針或探棒直接檢測待測點的信號狀態(tài)， 常用于時域信號檢測，如示波器，但是由 于Wi-Fi產品的工作頻 ConniMrlMn N 昭IN.如 Q 血En 冋 沁 Bulk CMQ5 t 6nH 歸 t I QW H 4S 書看律哼呼. f 300 Frvq u*Hy GHtI _UTSi T.ULK wMMlHEI 率較高，一般會

16、通過頻域進行信號檢測，也很少使用點測 法進行檢測。 實踐證明，點測法是一種確定RF問題所在的快速有效的手段。 說起點測法，不得不說說簡易探針的制作。取一條 SMA Cable （如圖3-1所示）， 將其一端的SMA連接器去掉（不可以將兩端的都去掉），剝去長度12cm屏蔽層， 使其芯線露出。這樣，一段普通的 SMA Cable就此華麗轉身，升級為點測探針， 成為一種檢測利器，也成為了 RF工程師的好助手。 3.2. 輸出功率過大 現象：輸出功率超級大，星座圖一片模糊，無法解調。 這是一個稍顯復雜的問題。 我們知道，Atheros的方案都會有輸出功率的控制部分，也就是讓 Target Power

17、和實際功率值相一致，這是如何實現的呢？我們將 AP96勺2.4GHZPA部份電路取 出進行研究，如圖3-2所示。 圖3-2 2.4GHz PA 電路 在圖3-2中，U27及其外圍電路組成了功率放大器，經過 C208和R263送至后續(xù)的 電路。圖中的PC1是一顆印制定向耦合器，其3, 4兩腳的電壓隨著輸出功率的增 大而增大，L18, L19，D1，C217和R248組成了半波整流電路，將定向耦合器感 應到的電壓變?yōu)橹绷麟娦盘?，并送?Transceiver檢測，也就是AR9223_PDET_0 這個網絡。這樣，Transceiver就可以隨時知道當前的輸出功率，功率與電壓值 的關系是在Calib

18、rate 的過程中建立的。 板子經過Calibrate 并Load EEPRO之后，我們用ART進行Continue Tx，這時， 板子會按照我們設定的Target Power打出信號，Transceiver會提高自身的輸 出功率直至與Calibrate過程中記錄的對應的那個電壓值（AR9223_PDET_0一 致。 這時我們回到一開始的問題“輸出功率超級大，星座圖一片模糊，無法解調” ， 怎么回事？肯定是Transceiver無法得到正確的那個電壓值，所以只能一直提高自身的輸出功率直至 PA的輸出功率達到飽和。檢查L19, L18, D1, C217, R248, 發(fā)現D1已開路，換一顆新的

19、二極管，恢復正常。 這里需要指出的是，采用定向耦合器進行輸出功率控制是 Atheros特有的一種方 法, Broadcom和Ralink中至今還未看到采用這種方法的。 另外，PA的本身一般 都會內置功率檢測單元，并通過一個引腳出來，通常成為 V_DET 33 某無線網卡靜態(tài)發(fā)熱嚴重 現象：某無線網卡 上電后，不做任何操作，四顆 PA就發(fā)出很大的熱量，PA的 表面溫度很高，很燙手。 第一判斷就是PA并不是處于真正的“靜態(tài)”，它們正在偷偷地工作！那么，如何 驗證呢？拿來PA（SKY65137-11的Demo板，用Power Supply供電，以便觀察 其消耗的電流。上電，發(fā)現消耗的電流幾乎為零，并

20、不會出現發(fā)熱的現象，與該 無線網卡的情況不一樣。研讀SKY65137-1的 Datasheet , 一個關鍵的引腳PA_EN 引起了我的注意， 這個引腳就是 PA的使能引腳。在上電情況下，將此引腳拉高 至3.3V，發(fā)現5V消耗的電流劇增，隨之散發(fā)出大量的熱， PA的表面溫度立刻上 升。將PA_ENW3.3V斷開，5V消耗的電流隨之下降，這時，用手觸碰 PA_EN引 腳，發(fā)現5V消耗的電流在發(fā)生跳動，這說明人體感應到的微弱電信號足以使 PA 處于“En able ”狀態(tài)，同時說明，PA_EN是 一個很敏感的引腳，很微弱的信號就 足以觸發(fā)。 分析該無線網卡的SKY65137-1單元電路，如圖3-3

21、所示（不包括Level Shift ）。 圖3-3 SKY65137-11單元電路 很容易發(fā)現，SKY65137-1的 PA_EN這個引腳是通過一個Level Shift 電路直接 與AR922啲控制引腳進行連接，這樣，AR9220空制引腳的微弱擾動就可以觸發(fā) PA所以會導致靜態(tài)情況下PA發(fā)熱。 解決辦法：在PA_EN引腳處用一顆10K電阻下拉倒地，使常態(tài)下 PA處于關閉狀 態(tài)。 通過上述辦法，解決了 PA的發(fā)熱問題 3.4. 某無線網卡Calibrate 不準 現象：該無線網卡經 Calibrate 之后，實際輸出功率與 Target Power不一致。 首先經過排查，確定不是 Cable Loss與ART的設定問題。該無線網卡的 RF部份Q1151 牛卜 - V.DET VC2 號 VDET_GNTL it 1i 13 11 亡、IG.TX.WU F6 C1129 Z=S330pF 苑.咔尺口芒忙心QR C112S vv 十機即F 2 丄 C1170 2, .= ： ：alw yz 是我們自主設計的，有太多不確定的因素，這里不進行深入的分析。在 3.2中已 經討論過，Atheros的方案通過檢測PA的輸出功率對應的電壓