WiFi產(chǎn)品射頻電路調(diào)試經(jīng)驗(yàn)談

1、Wi-Fi 產(chǎn)品射頻電路調(diào)試經(jīng)驗(yàn)談 1 前言 這份文檔總結(jié)了我工作一年半以來(lái)的一些 射頻 （Radio Frequency ） 調(diào)試 （以下 稱為Debug）經(jīng)驗(yàn)，記錄的是我在實(shí)際項(xiàng)目開(kāi)發(fā)中遇到并解決問(wèn)題的過(guò)程?，F(xiàn)在 我想利用這份文檔與大家分享這些經(jīng)驗(yàn)， 如果這份文檔能夠?qū)Υ蠹业墓ぷ髌鸬揭?定的幫助作用，那將是我最大的榮幸。 個(gè)人感覺(jué)，Debug過(guò)程用的都是最簡(jiǎn)單的基礎(chǔ)知識(shí)，如果能夠?qū)?RF的基礎(chǔ)知識(shí) 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(lái)都會(huì)易如 反掌。同樣，我的這篇文檔也將會(huì)以最通俗易懂的語(yǔ)言， 講述最通俗易懂的 Debug 技巧。 在本文中，我盡量避免寫(xiě)一些空

2、洞的理論知識(shí)，但是第二章的內(nèi)容除外。 “微波 頻率下的無(wú)源器件”這部分的內(nèi)容截取自我尚未完成的“長(zhǎng)篇大論” Wi-Fi 產(chǎn)品的一般 射頻電路設(shè)計(jì)（第二版）。 我相信這份文檔有且不只有一處錯(cuò)誤， 如果能夠被大家發(fā)現(xiàn)， 希望能夠提出， 這 樣我們就能夠共同進(jìn)步。 2 微波頻率下的無(wú)源器件 在這一章中，主要講解微波頻率下的無(wú)源器件。一個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)題：一個(gè) 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(huì)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(lái)看待無(wú)源器件。 2.1. 微波頻率下的導(dǎo)線 微波頻率下的導(dǎo)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(yīng) 在低頻情況下， 導(dǎo)線內(nèi)部的電流是均勻的， 但是在微波頻率下， 導(dǎo)線內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生 很強(qiáng)的磁場(chǎng)， 這種磁場(chǎng)迫使電子向?qū)w的邊緣聚集， 從而使電流只在導(dǎo)線的表面 流動(dòng)，這種現(xiàn)象就稱為趨膚效應(yīng)。 趨膚效應(yīng)導(dǎo)致導(dǎo)線的電阻增大， 結(jié)果會(huì)怎樣？ 當(dāng)信號(hào)沿導(dǎo)體傳輸時(shí)衰減會(huì)很?chē)?yán)重。 在實(shí)際的高頻場(chǎng)合，如收音機(jī)的感應(yīng)線圈，為了減少趨膚效應(yīng)造成的信號(hào)衰減， 通常會(huì)使用多股導(dǎo)線并排繞線，而不會(huì)使用單根的導(dǎo)線。 我們通常用趨膚深度來(lái)描述趨膚效應(yīng)。趨膚深度是頻率與導(dǎo)線本身共同的作用， 在這里我們不會(huì)作深

4、入的討論。 2.1.2. 直線電感 我們知道，在有電流流過(guò)的導(dǎo)線周?chē)鷷?huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)， 如果導(dǎo)線中的電流是交變電流， 那么磁場(chǎng)強(qiáng)度也會(huì)隨著電流的變化而變化， 因此， 在導(dǎo)線兩端會(huì)產(chǎn)生一個(gè)阻止電 流變化的電壓， 這種現(xiàn)象稱之為自感。 也就是說(shuō)， 微波頻率下的導(dǎo)線會(huì)呈現(xiàn)出電 感的特性，這種電感稱為直線電感。也許你會(huì)直線電感很微小，可以忽略，但是 我們將會(huì)在后面的內(nèi)容中看到，隨著頻率的增高，直線電感就越來(lái)越重要。 電感的概念是非常重要的，因?yàn)槲⒉l率下，任何導(dǎo)線（或者導(dǎo)體）都會(huì)呈現(xiàn)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(shuō)，電阻是描述某種材料阻礙電流流動(dòng)的特性，

5、 電阻與電流，電壓的關(guān) 系在歐姆定律中已經(jīng)給出。但是，在微波頻率下，我們就不能用歐姆定律去簡(jiǎn)單 描述電阻，這個(gè)時(shí)候，電阻的特性應(yīng)經(jīng)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(jié)構(gòu)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(gè)電阻會(huì)呈現(xiàn)出不同的阻值。想想平時(shí)在我們進(jìn)行Wi-Fi產(chǎn)品的設(shè) 計(jì)，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(guān)系。 圖2-2電阻

6、的阻值與頻率 我們?cè)囍治鲭娮杈哂羞@樣的特性的原因。 當(dāng)頻率為0時(shí)（對(duì)應(yīng)直流信號(hào)），電阻 呈現(xiàn)出的阻值就是其自身的阻值；當(dāng)頻率提高時(shí)，電阻呈現(xiàn)出的阻值是自身的阻 值加上電感呈現(xiàn)出的感抗；當(dāng)頻率進(jìn)一步提高時(shí)，電阻自身的阻值加上電感的感 抗已經(jīng)相當(dāng)?shù)拇?，于是電阻表現(xiàn)出的阻值就是那個(gè)并聯(lián)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(jí)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(huì)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(shù)， 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(lián)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(guān)于電容，我在這里介紹幾個(gè)平時(shí)大家在選料是可能不會(huì)關(guān)注的參數(shù)。 功莖酗(Riwer Factw 陸； 一對(duì)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(gè)融!釧 弓M. Jt Jt . . FF nmQ -功薊寥希司咋匸扛茅 址屋産.電介施權(quán)料皇 義勞趨電函Effertiv便 Seii砂 distance . ESR :,- 遼個(gè)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(xiàn)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(zhuǎn)折之前，電容表現(xiàn)出的是電容的特性，轉(zhuǎn)折之后，電容表現(xiàn)出來(lái)的卻 是電感的特性

9、。一般來(lái)說(shuō)，大容量的電容會(huì)比小容量的電容表現(xiàn)出更多的電感特 性。因此，在250MHZ勺頻率下，一個(gè)O.luF的旁路電容不一定比100pF的電容效 果更好。換句話說(shuō)，容抗的經(jīng)典公式 似乎說(shuō)明當(dāng)頻率一定時(shí)，電容的容量越大，容抗越小。但是在微波率下，結(jié)論是 相反的。在微波頻率下，一個(gè)O.luF的電容會(huì)表現(xiàn)出比1OOpF電容更大的阻抗， 這也是我們?cè)谠O(shè)計(jì)電源電路時(shí)為什么要在大容量的電解電容兩端并聯(lián)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(hào)。 2.32 電容的容量與溫度特性 在CIS庫(kù)中選料時(shí)，我們總會(huì)發(fā)現(xiàn)電容有一項(xiàng)參數(shù)為 X7R或者X5R NPO等，我 特此搜尋相關(guān)資料，翻

10、譯過(guò)來(lái)，寫(xiě)在這一節(jié)中。 這類(lèi)參數(shù)描述了電容采用的電介質(zhì)材料類(lèi)別， 溫度特性以及誤差等參數(shù)，不同的 值也對(duì)應(yīng)著一定的電容容量的范圍。具體來(lái)說(shuō)，就是： X7R常用于容量為3300pF0.33uF的電容，這類(lèi)電容適用于濾波，耦合等場(chǎng)合， 電介質(zhì)常數(shù)比較大，當(dāng)溫度從0 C變化為70 C時(shí)，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(duì)于其他的編碼與溫度特性的關(guān)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(duì)應(yīng)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(kāi)勻勻 耈?梔? 鞱鞱 電感的等效電路 不難想象，導(dǎo)線的本身存

12、在一定的電阻，相鄰量個(gè)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(dǎo)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(lèi)似的等效電路有直接關(guān)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(lián)電阻 Rs的比值稱為電感的Q值，即Q=X/Rs與電容類(lèi)似，Q值 越大，則電感的質(zhì)量越好。如果電感是一個(gè)理想電感，那么 Q值應(yīng)該是無(wú)限大， 但是實(shí)際中不存在理想的電感，所以 Q值無(wú)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?yàn)檫@個(gè)時(shí)

13、候 Rs只是導(dǎo)線的直流電阻，這 是一個(gè)很小的值。當(dāng)頻率升高時(shí)，電感的感抗X會(huì)變大，所以電感的Q值會(huì)隨著 頻率的提高而增大（這個(gè)時(shí)候趨膚效應(yīng)還不明顯）；但是，當(dāng)頻率提高到一定的 程度的時(shí)候，趨膚效應(yīng)就不可忽視了，這時(shí)串聯(lián)電阻 Rs會(huì)隨著頻率的提高而變 大,同時(shí)串聯(lián)電容C也開(kāi)始發(fā)揮作用，從而導(dǎo)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(guān)系。 圖2-6某公司的電感的Q值與頻率變化關(guān)系曲線 為了盡量增大電感的Q值，在制作電感時(shí)，我們通常可以采用以下的幾種方法： 使用直徑較大的導(dǎo)線，可以降低電感的直流阻抗； 將電感的線圈拉開(kāi)，可以降低線圈之間的分布電容； 增大電感的磁導(dǎo)

14、系數(shù)，這通常用磁芯來(lái)實(shí)現(xiàn)，如鐵氧體磁芯。 其實(shí)，電感的手工制作，是射頻工程師的必修課，但是這部分內(nèi)容比較復(fù)雜，本 文暫不進(jìn)行討論，感興趣的讀者可以查閱相關(guān)文獻(xiàn)。 3 RF Debug 經(jīng)驗(yàn)分享 3.1. 某無(wú)線AP 2.4GHz ChainO無(wú)輸出功率 在一次對(duì)某無(wú)線AP （雙頻大功率11n無(wú)線AP的測(cè)試過(guò)程中，突然聽(tīng)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(méi)看清具體是哪 個(gè)位置），周?chē)阊杆俪錆M了令人不爽的焦臭味， VSA（Vector Signal Analyzer， 矢量信號(hào)分析儀）上的功率也跌落至OdBm以下。稍微有點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)的人都可以得出 一個(gè)結(jié)論：“有東西燒掉

15、了” 。 沒(méi)有輸出功率，可想而知，一定是 Tx回路的某個(gè)器件損壞了，但是究竟是哪個(gè) 呢？ 首先采用目測(cè)法（所謂目測(cè)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(jié)果沒(méi)看出來(lái)。 然后采用“點(diǎn)測(cè)法”這時(shí)候你可能會(huì)問(wèn)：“什么是點(diǎn)測(cè)法呢？”點(diǎn)測(cè)法就是用探 針或探棒直接檢測(cè)待測(cè)點(diǎn)的信號(hào)狀態(tài)， 常用于時(shí)域信號(hào)檢測(cè)，如示波器，但是由 于Wi-Fi產(chǎn)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(shū)看律哼呼. f 300 Frvq u*Hy GHtI _UTSi T.ULK wMMlHEI 率較高，一般會(huì)

16、通過(guò)頻域進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)，也很少使用點(diǎn)測(cè) 法進(jìn)行檢測(cè)。 實(shí)踐證明，點(diǎn)測(cè)法是一種確定RF問(wèn)題所在的快速有效的手段。 說(shuō)起點(diǎn)測(cè)法，不得不說(shuō)說(shuō)簡(jiǎn)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?nèi)ラL(zhǎng)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(zhuǎn)身，升級(jí)為點(diǎn)測(cè)探針， 成為一種檢測(cè)利器，也成為了 RF工程師的好助手。 3.2. 輸出功率過(guò)大 現(xiàn)象：輸出功率超級(jí)大，星座圖一片模糊，無(wú)法解調(diào)。 這是一個(gè)稍顯復(fù)雜的問(wèn)題。 我們知道，Atheros的方案都會(huì)有輸出功率的控制部分，也就是讓 Target Power

17、和實(shí)際功率值相一致，這是如何實(shí)現(xiàn)的呢？我們將 AP96勺2.4GHZPA部份電路取 出進(jìn)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(jīng)過(guò) 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(yīng)到的電壓變?yōu)橹绷麟娦盘?hào)，并送至 Transceiver檢測(cè)，也就是AR9223_PDET_0 這個(gè)網(wǎng)絡(luò)。這樣，Transceiver就可以隨時(shí)知道當(dāng)前的輸出功率，功率與電壓值 的關(guān)系是在Calib

18、rate 的過(guò)程中建立的。 板子經(jīng)過(guò)Calibrate 并Load EEPRO之后，我們用ART進(jìn)行Continue Tx，這時(shí)， 板子會(huì)按照我們?cè)O(shè)定的Target Power打出信號(hào)，Transceiver會(huì)提高自身的輸 出功率直至與Calibrate過(guò)程中記錄的對(duì)應(yīng)的那個(gè)電壓值（AR9223_PDET_0一 致。 這時(shí)我們回到一開(kāi)始的問(wèn)題“輸出功率超級(jí)大，星座圖一片模糊，無(wú)法解調(diào)” ， 怎么回事？肯定是Transceiver無(wú)法得到正確的那個(gè)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(dá)到飽和。檢查L(zhǎng)19, L18, D1, C217, R248, 發(fā)現(xiàn)D1已開(kāi)路，換一顆新的

19、二極管，恢復(fù)正常。 這里需要指出的是，采用定向耦合器進(jìn)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(huì)內(nèi)置功率檢測(cè)單元，并通過(guò)一個(gè)引腳出來(lái)，通常成為 V_DET 33 某無(wú)線網(wǎng)卡靜態(tài)發(fā)熱嚴(yán)重 現(xiàn)象：某無(wú)線網(wǎng)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(yàn)證呢？拿來(lái)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(xiàn)消耗的電流幾乎為零，并

20、不會(huì)出現(xiàn)發(fā)熱的現(xiàn)象，與該 無(wú)線網(wǎng)卡的情況不一樣。研讀SKY65137-1的 Datasheet , 一個(gè)關(guān)鍵的引腳PA_EN 引起了我的注意， 這個(gè)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(xiàn)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(kāi)，5V消耗的電流隨之下降，這時(shí)，用手觸碰 PA_EN引 腳，發(fā)現(xiàn)5V消耗的電流在發(fā)生跳動(dòng)，這說(shuō)明人體感應(yīng)到的微弱電信號(hào)足以使 PA 處于“En able ”狀態(tài)，同時(shí)說(shuō)明，PA_EN是 一個(gè)很敏感的引腳，很微弱的信號(hào)就 足以觸發(fā)。 分析該無(wú)線網(wǎng)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(xiàn)，SKY65137-1的 PA_EN這個(gè)引腳是通過(guò)一個(gè)Level Shift 電路直接 與AR922啲控制引腳進(jìn)行連接，這樣，AR9220空制引腳的微弱擾動(dòng)就可以觸發(fā) PA所以會(huì)導(dǎo)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(guān)閉狀 態(tài)。 通過(guò)上述辦法，解決了 PA的發(fā)熱問(wèn)題 3.4. 某無(wú)線網(wǎng)卡Calibrate 不準(zhǔn) 現(xiàn)象：該無(wú)線網(wǎng)卡經(jīng) Calibrate 之后，實(shí)際輸出功率與 Target Power不一致。 首先經(jīng)過(guò)排查，確定不是 Cable Loss與ART的設(shè)定問(wèn)題。該無(wú)線網(wǎng)卡的 RF部份Q1151 牛卜 - V.DET VC2 號(hào) 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(jī)即F 2 丄 C1170 2, .= ： ：alw yz 是我們自主設(shè)計(jì)的，有太多不確定的因素，這里不進(jìn)行深入的分析。在 3.2中已 經(jīng)討論過(guò)，Atheros的方案通過(guò)檢測(cè)PA的輸出功率對(duì)應(yīng)的電壓