射頻電路的設(shè)計(jì)與調(diào)試

..一：WiFi產(chǎn)品的一般射頻電路設(shè)計(jì)<GeneralRFDesignInWiFiProduct>2011-01-2018:18:41寫(xiě)在前面的話：這篇文章是我結(jié)合多年的工作經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐編寫(xiě)而成的,具有一定的實(shí)用性,希望能夠?qū)Υ蠹业脑O(shè)計(jì)工作起到一定的幫助作用。I.前言這是一篇針對(duì)性很強(qiáng)的技術(shù)文章。在這篇文章中,我只是分析研究了Wi-Fi產(chǎn)品的一般射頻電路設(shè)計(jì),而且主要分析的是Atheros和Ralink的解決方案,對(duì)于其他廠商的解決方案并沒(méi)有進(jìn)行研究。這是一篇針對(duì)性很不強(qiáng)的技術(shù)文章。在這篇文章中,我研究,討論了Wi-Fi產(chǎn)品中的射頻電路設(shè)計(jì),包括各個(gè)組成部分,如無(wú)線收發(fā)器,功率放大器,低噪聲放大器,如果把這里的某一部分深入展開(kāi)討論,都可以寫(xiě)成一本很厚的書(shū)。這篇文章具有一般性。雖然說(shuō)這篇文章主要分析了Atheros和Ralink的方案,但是這兩家廠商的解決方案很具有代表性,而且具有很高的市場(chǎng)占有率,因此,大部分Wi-Fi產(chǎn)品也必然是具有一致或者類似的架構(gòu)。經(jīng)常瀏覽相關(guān)網(wǎng)站的人一定知道,在中國(guó)市場(chǎng)熱賣的無(wú)線路由器,無(wú)線AP很多都是這兩家的解決方案。這篇文章具有一定的實(shí)用性。這篇文章的編寫(xiě)是基于我們公司的二十余種參考設(shè)計(jì)電路,充分吸收了參考設(shè)計(jì)的精華,并提取其一般性,同時(shí),本文也重在分析實(shí)際的電路結(jié)構(gòu)和選擇器件時(shí)應(yīng)該注意的問(wèn)題,并沒(méi)有進(jìn)行深入的理論研究,所以,本文具有一定的實(shí)用性。這篇文章是我在自己的業(yè)余時(shí)間編寫(xiě)的〔也可以說(shuō)我用這種方式消磨時(shí)間,如果這篇文章能夠?yàn)榇蠹业墓ぷ鲙?lái)一點(diǎn)幫助,那將是我最高興的事。我平時(shí)喜歡關(guān)注一些業(yè)界的新技術(shù)新產(chǎn)品,但是內(nèi)容太多,沒(méi)有辦法寫(xiě)在文章中,感興趣的同事可以訪問(wèn)我的博客：://cn.signalsky。由于時(shí)間有限,編寫(xiě)者水平更加有限,錯(cuò)誤之處在所難免,歡迎大家批評(píng)指正。第1章.射頻設(shè)計(jì)框圖做技術(shù)的,講解某個(gè)設(shè)計(jì)的原理時(shí),都會(huì)從講解框圖開(kāi)始,本人也不例外,先給大家展示一下Wi-Fi產(chǎn)品的一般射頻設(shè)計(jì)框圖。圖1-1Wi-Fi產(chǎn)品的一般射頻設(shè)計(jì)框圖如圖1-1所示,一般Wi-Fi產(chǎn)品的射頻部分由五大部分組成〔這是我個(gè)人的見(jiàn)解,不同的工程師可能會(huì)有不同的想法,藍(lán)色的虛線框內(nèi)統(tǒng)一看成是功率放大器部分。無(wú)線收發(fā)器〔RadioTransceiver一般是一個(gè)設(shè)計(jì)的核心器件之一,除了與射頻電路的關(guān)系比較密切以外,一般還會(huì)與CPU有關(guān),在這里,我們只關(guān)注其與射頻電路相關(guān)的一些內(nèi)容。發(fā)送信號(hào)時(shí),收發(fā)器本身會(huì)直接輸出小功率的微弱的射頻信號(hào),送至功率放大器〔PowerAmplifier,PA進(jìn)行功率放大,然后通過(guò)收發(fā)切換器〔Transmit/ReceiveSwitch經(jīng)由天線〔Antenna輻射至空間。接收信號(hào)時(shí),天線會(huì)感應(yīng)到空間中的電磁信號(hào),通過(guò)切換器之后送至低噪聲放大器〔LowNoiseAmplifier,LNA進(jìn)行放大,這樣,放大后的信號(hào)就可以直接送給收發(fā)器進(jìn)行處理,進(jìn)行解調(diào)。在后續(xù)的講解中,我會(huì)將圖1-1中的各個(gè)部分逐個(gè)展開(kāi),將每一個(gè)都暴露在大家眼前,也會(huì)詳細(xì)講解每一部分的設(shè)計(jì),相信大家在認(rèn)真仔細(xì)的閱讀這篇文檔之后,就可以對(duì)射頻的各個(gè)組成部分有一個(gè)比較清晰的認(rèn)識(shí)。第2章.無(wú)線收發(fā)器我把無(wú)線收發(fā)器〔在本章的以下內(nèi)容中簡(jiǎn)稱收發(fā)器放在了第一個(gè)模塊,主要原因就是因?yàn)?它一般會(huì)是一個(gè)設(shè)計(jì)的核心器件之一,有的時(shí)候還可能集成在CPU上,就會(huì)是一個(gè)設(shè)計(jì)中的最重要的芯片,同時(shí),理所當(dāng)然,收發(fā)器的重要性決定了它的外圍電路必然很復(fù)雜,實(shí)際上也是如此。而且,如果沒(méi)有參考設(shè)計(jì),完全由我們自主設(shè)計(jì)的時(shí)候,這顆芯片也是我們應(yīng)該放在第一優(yōu)先的位置去考慮,這顆芯片從根本上決定著整個(gè)設(shè)計(jì)的無(wú)線性能。這樣,這一部分的設(shè)計(jì)講解起來(lái)會(huì)比較困難,可是還是想最先講解這里。收發(fā)器通常會(huì)有很多的管腳,在如圖2-1中,我只給出了射頻電路設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)關(guān)注的管腳,可以看到,有幾個(gè)電源管腳,數(shù)字地,模擬地,射頻輸出,功率放大器增益控制,功率檢測(cè),溫度檢測(cè),射頻輸入,低噪聲放大器增益控制,發(fā)射、接收切換等管腳,在接下來(lái)的內(nèi)容中,我會(huì)把這些管腳分模塊逐個(gè)講解。圖2-1一般的無(wú)線收發(fā)芯片〔射頻電路設(shè)計(jì)相關(guān)2.1.無(wú)線收發(fā)器芯片的技術(shù)參數(shù)不同的設(shè)計(jì),收發(fā)器一般會(huì)很不一樣,我們大多數(shù)時(shí)候都不會(huì)想著去更換它。一般我們選用收發(fā)器,會(huì)直接按照參考設(shè)計(jì)進(jìn)行,盡管如此,我還是像從一個(gè)研發(fā)人的角度出發(fā),說(shuō)一說(shuō),在選擇無(wú)線收發(fā)器時(shí)應(yīng)該關(guān)注的一些參數(shù)〔射頻電路相關(guān)的參數(shù)。2.1.1.協(xié)議,頻率,通路與傳輸速率在收發(fā)器的Datasheet中,一般會(huì)在開(kāi)始的幾段話中就指出該芯片支持哪些協(xié)議,工作在什么頻率上,幾條通路〔也就是幾發(fā)幾收,我們公司目前的主打產(chǎn)品設(shè)計(jì)都是支持802.11n的。這三項(xiàng)參數(shù)的重要性想必不用我說(shuō),大家也應(yīng)該體會(huì)得到,它們參數(shù)決定著最終的產(chǎn)品的功能。一段典型的描述如：TheAtherosAR9220isahighlyintegratedsingle-chipsolutionfor2.4GHzand5GHz802.11n-readywirelesslocalareanetwork<WLANs>thatenableshigh-performance2×2MIMOconfigurationsforwirelessstationsapplicationsdemandingrobustlinkqualityandmaximumthroughputandrange.從這段描述中,我們可以知道,AR9220支持802.11n草案〔一般來(lái)說(shuō)都會(huì)兼容802.11b/g。同時(shí),AR9220也支持雙頻,2.4GHz和5GHz,這樣,我們就可以得知,它也支持802.11a。2×2MIMO說(shuō)明AR9220是二發(fā)二收〔2T2R。

傳輸速率和協(xié)議及通路密切相關(guān),感興趣的同事可以查閱相關(guān)資料。從AR9220的Datasheet中我們可以得知,20MHz帶寬,最高傳輸速率可以達(dá)到130Mbps,40MHz帶寬時(shí),最高的傳輸速率可以達(dá)到300Mbps。2.1.2.調(diào)制方式調(diào)制方式和傳輸速率是密切相關(guān)的,不同的傳輸速率對(duì)應(yīng)著不通的調(diào)制方式。芯片支持的調(diào)制方式一般會(huì)在Datasheet的特性描述中給出。例如,AR9220支持的調(diào)制方式有BPSK,QPSK,16QAM,64QAM,DBPSK,DQPSK,CCK。2.1.3.時(shí)鐘頻率時(shí)鐘頻率,時(shí)鐘頻率包括兩種,收發(fā)器外接晶振的頻率和內(nèi)部倍頻后的工作頻率,這項(xiàng)參數(shù)同樣應(yīng)該是我們關(guān)注的。2.1.4.輸出功率有一個(gè)現(xiàn)象我一直也弄不清楚,為什么在收發(fā)器的Datasheet中不給出其發(fā)射功率？這項(xiàng)參數(shù)對(duì)于我們RF工程師是很重要的,因?yàn)檫@項(xiàng)參數(shù)決定著后續(xù)功率放大電路的設(shè)計(jì),我們要保證收發(fā)器的輸出功率足以驅(qū)動(dòng)功率放大器,這樣,我們才能夠設(shè)計(jì)合理有效的放大器。2.1.5.接收靈敏度和輸出功率一樣,收發(fā)器接收靈敏度這項(xiàng)參數(shù)也不會(huì)在Datasheet中給出,在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中,有了這項(xiàng)參數(shù),我們才能合理地設(shè)計(jì)低噪聲放大器的放大倍數(shù),才能保證低噪聲放大器的輸出可以被收發(fā)器有效的接受。2.1.6.射頻接口這項(xiàng)參數(shù)關(guān)系著我們后續(xù)的射頻電路的結(jié)構(gòu)。一般來(lái)說(shuō),收發(fā)器應(yīng)該具有的射頻輸入管腳包括：射頻輸出管腳,功率放大器增益控制管腳,功率放大器輸出功率檢測(cè)輸入管腳,低噪聲放大器增益控制管腳,切換器收發(fā)控制管腳,一般Ralink的方案還會(huì)有PA溫度檢測(cè)管腳。2.1.7.供電電壓與功耗從全局的角度看,供電電壓與功耗同樣會(huì)是我們不得不關(guān)注的技術(shù)參數(shù),這兩項(xiàng)參數(shù)關(guān)系著電源電路的設(shè)計(jì)和散熱的設(shè)計(jì)。2.2.差分射頻信號(hào)的處理2.2.1.收發(fā)器本身具有的管腳對(duì)于射頻信號(hào),為了增強(qiáng)收發(fā)器的抗干擾能力,一般會(huì)采用差分信號(hào)的處理方式,也就是說(shuō),收發(fā)器會(huì)以差分形式將信號(hào)發(fā)送出去,同時(shí)外部電路也必須為收發(fā)器提供差分射頻信號(hào)的輸入。如圖2-2所示,紅色方框內(nèi)的四只管腳就是這個(gè)收發(fā)器的差分射頻信號(hào)的輸入,輸出管腳,也是最重要的射頻信號(hào)管腳。圖2-2收發(fā)器的射頻輸入與輸出管腳這里必須指出的是,Atheros的收發(fā)器一般會(huì)同時(shí)對(duì)輸入與輸出做差分處理。但是Ralink一般要求外部輸入的信號(hào)是差分的,而自身輸出的射頻信號(hào)則不是差分的。圖2-3和圖2-4分別給出了RT3052〔Ralink和AR9220〔Atheros的主要射頻信號(hào)管腳。不難發(fā)現(xiàn),Atheros的設(shè)計(jì)相比Ralink要更加細(xì)膩,不只是收發(fā)器芯片,在后續(xù)電路的設(shè)計(jì)中,也會(huì)發(fā)現(xiàn),Atheros考慮的問(wèn)題很周全,我想,這也是我們作為研發(fā)人應(yīng)該具備的一種精神。圖2-3RT3052的主要射頻信號(hào)管腳圖2-4AR9220的主要射頻信號(hào)管腳2.2.2.收發(fā)器發(fā)送的差分信號(hào)收發(fā)器發(fā)送的差分信號(hào),我們要想辦法把他們合二為一。為什么要這樣做,收發(fā)器送出的信號(hào)是要給功率放大電路的,功率放大電路處理的是單端信號(hào)。平衡器通常用來(lái)處理差分信號(hào)的問(wèn)題,除此之外,我們知道,電感和電容都能夠改變信號(hào)的相位,從差分信號(hào)到單端信號(hào),基本的方法就是用電感和電容組成兩條不同的通路,這樣,經(jīng)過(guò)處理電路的兩路信號(hào)就在相位上相差了180°,從而可以使原本相位相差180°的差分信號(hào)同相,得到單端信號(hào)。相反,使單端信號(hào)通過(guò)兩條不同的通路,就得到了差分信號(hào)。下面讓我們來(lái)分別看一下這兩種方法的電路形式。方法一,使用平衡器。原本相位相差180°的差分信號(hào)經(jīng)過(guò)平衡器〔Balun,俗稱巴倫,就可以得到合二為一的單端射頻信號(hào)。如圖2-5所示,圖中的F1就是一個(gè)平衡器,差分信號(hào)RFOUT_P和RFOUT_N經(jīng)過(guò)F1得到單端信號(hào)RF_OUT。圖2-5典型的平衡電路方法二,使用分立元件。典型的使用分立元件的處理電路如圖2-6所示。圖2-6典型的分立元件處理電路2.2.3.平衡器的參數(shù)與選擇在Atheros的方案中,平衡器往往使用的很多,我在這里給出平衡器的主要參數(shù)和簡(jiǎn)要的選型指南。如前所述,在我們的Wi-Fi產(chǎn)品中,平衡器常用于處理差分信號(hào),其主要的參數(shù)如下：不平衡阻抗平衡阻抗工作頻率不平衡端口回波損耗相位變化插入損耗例如,常用的平衡器HHM1711D1典型參數(shù)如圖2-7所示。這樣我們?cè)谠O(shè)計(jì)是就可以根據(jù)我們的需求選擇合適的平衡器了。圖2-7HHM1711D1的典型參數(shù)2.2.4.收發(fā)器接收的差分信號(hào)收發(fā)器接收的信號(hào)來(lái)自于前端的低噪聲放大器,和功率放大器一樣,低噪聲放大器處理的也是單端射頻信號(hào),這樣,我們必須將低噪聲放大器輸出的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。同樣,對(duì)于低噪聲放大器的輸出信號(hào)同樣有兩種處理方式：使用平衡器和使用分立元件。Atheros的方案中,有些使用平衡器；Ralink的方案中,至今還沒(méi)有使用過(guò)。其實(shí)大家也一定想到了,收發(fā)器接收信號(hào)和收發(fā)器發(fā)送信號(hào)差不多就是互為逆過(guò)程,因此電路的結(jié)構(gòu)也差不多是相反的。沒(méi)錯(cuò),看了下面的實(shí)際電路圖就知道了。

先來(lái)介紹使用平衡器的方案。在某實(shí)際案例中,采用了如圖2-8所示的平衡器電路。單端信號(hào)RF_IN經(jīng)過(guò)平衡器F5后得到差分的射頻信號(hào)RFIN_P和RFIN_N。圖2-8某案例采用的平衡器電路再來(lái)看看采用分立元件實(shí)現(xiàn)的方法,圖2-9是Ralink慣用的方式,圖2-10是Atheros常用的處理方式?？梢钥闯?這兩種設(shè)計(jì)方法XX小異。圖2-9Ralink常用的分立元件信號(hào)處理方式圖2-10Atheros常用的分立元件信號(hào)處理方式2.3.收發(fā)器的電源管腳收發(fā)器一般會(huì)有很多個(gè)電源管腳,可以大概分為幾類,從圖2-2也可以看出來(lái),一般會(huì)具有主電源管腳,核電壓電源管腳,IO電源管腳,鎖相環(huán)〔PhaseLockLoop,PLL電源管腳等。在射頻電路設(shè)計(jì)中,我們一般會(huì)比較關(guān)注的是模擬電源。對(duì)于射頻電路的供電,如果讓我在線性穩(wěn)壓電源〔LDO和開(kāi)關(guān)電源〔DC/DC之間選擇,那么我會(huì)毫不猶豫的選擇線性電源。為什么？和開(kāi)關(guān)電源有仇？的確有仇！直到現(xiàn)在我還清晰得記著在大學(xué)里面的遭遇。一次我為某高校設(shè)計(jì)一款校園廣播設(shè)備,考慮到校園廣播的較大的輸出功率,對(duì)電源的要求也就比較苛刻,我到科技市場(chǎng)轉(zhuǎn)了一圈發(fā)現(xiàn)了一款做工精良的開(kāi)關(guān)電源,當(dāng)時(shí)我就被這個(gè)家伙華麗的外表欺騙了,毫不猶豫地買了下來(lái)?？墒钱?dāng)我完整設(shè)計(jì)后,接通電源,從收音機(jī)里面?zhèn)鱽?lái)的不是悅耳的音樂(lè)聲,而是令人極度反感的"嗡嗡"聲,巨大的交流聲。為了解決這個(gè)問(wèn)題,我?guī)缀踅g盡腦汁,把有可能造成問(wèn)題的部分都重新設(shè)計(jì)了,可是問(wèn)題依然沒(méi)有解決。后來(lái),我突然意識(shí)到："是不是開(kāi)關(guān)電源的問(wèn)題？"剛好手頭有一臺(tái)車載電臺(tái)的電源〔大功率線性穩(wěn)壓電源,當(dāng)我把這個(gè)電源接上去之后,哇,整個(gè)世界都安靜了！開(kāi)關(guān)電源害得我不但損失了一些錢(qián),還浪費(fèi)了我大量的時(shí)間,從那以后,我的設(shè)計(jì)再也沒(méi)用過(guò)開(kāi)關(guān)電源。對(duì)于收發(fā)器的電源管腳,通常的處理方法就是在每個(gè)電源的管腳處都放置一個(gè)0.1uF的電容,耗電比較大的管腳旁,需要放置更大容量的電容,1-10uF或者更大。一般來(lái)說(shuō),收發(fā)器的模擬電源供電和數(shù)字電源供電要用電感或者磁珠隔開(kāi),并且一定要在電感或磁珠后放置容量比較大的電容,如果條件允許的話,最好放置電解電容,會(huì)對(duì)電源的性能起到很大的提升作用,同時(shí)并聯(lián)幾個(gè)容量比較小的瓷片電容,就可以濾除不同頻率的交流成分。2.4.收發(fā)器完整的外圍電路設(shè)計(jì)回想一下,我們?cè)谇懊娴臄⑹鲋兄v解了如何選擇收發(fā)器,收發(fā)器相關(guān)的差分信號(hào)處理,收發(fā)器的電源供給,這三方面的內(nèi)容基本上較完整的覆蓋了收發(fā)器射頻電路設(shè)計(jì)的內(nèi)容,也就是說(shuō),把這三部分弄清楚,基本上就完成了這部分的設(shè)計(jì)。想必大家應(yīng)該比較清楚那三部分的結(jié)構(gòu)了,好,讓我們來(lái)試一下,在圖2-2那個(gè)芯片的外圍放置一些器件,再連上幾條線,完成無(wú)線收發(fā)器及其外圍電路設(shè)計(jì)。在這里,我們對(duì)收發(fā)器輸出的差分信號(hào)用平衡器處理得到單端信號(hào)RFOUT,來(lái)自低噪聲放大器的接收信號(hào)RFIN用分立元件處理得到差分信號(hào)RFIN_P,RFIN_N。這樣,就得到了如圖2-11所示的原理圖。圖2-11完整設(shè)計(jì)的無(wú)線收發(fā)器外圍電路第3章.功率放大器功率放大器,PowerAmplifier,俗稱PA,主要的作用就是將無(wú)線收發(fā)器〔RadioTransceiver送來(lái)的射頻信號(hào)進(jìn)行功率放大,保證有足夠大的輸出功率滿足設(shè)計(jì)需求。功率放大器的設(shè)計(jì)是一個(gè)十分專業(yè)的話題,也有很多人,很多高級(jí)的射頻工程師在這方面進(jìn)行過(guò)十分深入的研究,我在這里只針對(duì)我們的Wi-Fi產(chǎn)品的常用的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行討論。我們的產(chǎn)品中,功率放大器的組成無(wú)非就是一顆芯片配上幾顆外圍的器件,但是在大功率的場(chǎng)合,幾乎不會(huì)有人用集成電路去做功率放大,一般都是用分立元件設(shè)計(jì)出來(lái)的,晶體管或場(chǎng)效應(yīng)管。在我們目前的所有設(shè)計(jì)中,功率放大器都是用集成電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如圖3-1所示,是通常的功率放大器的設(shè)計(jì)框圖。圖3-1功率放大器的框圖功率放大器的設(shè)計(jì)會(huì)考慮很多參數(shù),但主要分為三類：增益,噪聲,非線性。增益,和最終的輸出功率有關(guān),噪聲和非線性關(guān)系著信號(hào)質(zhì)量。我在這里把功率放大器〔在本章的以下內(nèi)容中簡(jiǎn)稱功放分為以下幾個(gè)部分進(jìn)行討論：功放芯片的選擇,功放芯片的供電,輸入回路,輸出回路,功率檢測(cè),增益控制,溫度檢測(cè)。3.1.1.功放芯片的管腳功放芯片屬于微波功率器件的范疇,圖3-2給出了一個(gè)典型的功放芯片的原理圖符號(hào),包括以下管腳：VCC主電源供電管腳VC1一級(jí)功率放大供電管腳VC2二級(jí)功率放大供電管腳RFIN射頻信號(hào)輸入管腳RFOUT射頻信號(hào)輸出管腳GAIN_1增益控制管腳之一GAIN_2增益控制管腳之二POWER_DETECT內(nèi)建功率檢測(cè)輸出管腳圖3-2典型的功放芯片值得注意的是,GAIN_1和GAIN_2是來(lái)自收發(fā)器〔Transceiver的控制信號(hào),是直流電壓,POWER_DETECT是功放芯片輸出的發(fā)射功率檢測(cè)值,也是直流電壓,而RFIN和RFOUT是最重要的射頻信號(hào)管腳。3.1.2.功放芯片的主要廠商在市場(chǎng)上的產(chǎn)品中,功放芯片的供應(yīng)商基本上就是這四家：SiGe,SST,Microsemi,Richwave,表3-1,表3-2給出了幾個(gè)實(shí)際項(xiàng)目中所采用的功放芯片的型號(hào)。表3-1Atheros的設(shè)計(jì)中采用的功放芯片表3-2Ralink的設(shè)計(jì)中采用的功放芯片通過(guò)以上表格,我們很容易發(fā)現(xiàn),Atheros很喜歡Microsemi的芯片,而Ralink則比較喜歡Richwave和SST的,在BCM4323這個(gè)項(xiàng)目中,使用的功放芯片是SiGe的,在AP96現(xiàn)在的設(shè)計(jì)中,使用的也是SiGe的FrontendModule。3.1.3.功放芯片的主要參數(shù)功放芯片的選擇是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,在實(shí)際的選擇過(guò)程中,我們一般會(huì)考慮如下的幾項(xiàng)參數(shù)：工作頻率小信號(hào)增益最大線性輸出功率1dB壓縮點(diǎn)輸出功率誤差向量幅度〔EVM相鄰信道功率比〔ACPR噪聲系數(shù)是否內(nèi)建功率檢測(cè)功能是否內(nèi)建增益控制功能供電電壓消耗的電流以上的這些參數(shù),并不是在每顆功放芯片的Datasheet中都會(huì)完整給出,有些Datasheet只能給出部分參數(shù)。各項(xiàng)參數(shù)的意義想必大家都很清楚,我在這里就不做過(guò)多的解釋了。一個(gè)典型的功放芯片的Datasheet〔片段如下：2.3-2.5GHzOperationSinglePositiveSupplyVoltageVcc=3.3VPowerGain~27dBQuiescentCurrent~90mAEVM~-30dBatPout=+19dBmTotalCurrent~150mAforPout=+19dBmPout~+26dBmfor11gOFDMMaskComplianceTotalCurrent~220mAforPout=+23dBm1MbpsDSSSOn-ChipInputMatchSimpleOutputMatchRobustRFInputTolerance>+5dBmSmall&Low-Cost3x3x0.9mm3MLPPackageCostReductionoverLX5510,LX5510B從以上的敘述中我們了解到,這顆功放芯片的工作頻率是2.3-2.5GHz,采用3.3V單電源供電,靜態(tài)工作電流是90mA,19dBm功率輸出時(shí),EVM的值是-30dB,等等。功放芯片的性能很重要,當(dāng)然,在滿足性能的前提下,我們會(huì)選擇最便宜的3.2.功放芯片的供電圖3-2展示的一般功放芯片有三個(gè)電源管腳,分別是VCC,VC1,VC2,其中的VCC是主電源供電,VC1是芯片內(nèi)部第一級(jí)放大的供電,VC2是芯片內(nèi)部第二級(jí)放大的供電。這里有個(gè)很重要的問(wèn)題需要注意,VC1和VC2不是簡(jiǎn)單的供電管腳,這兩個(gè)管腳通常不會(huì)直接連接到電源上,一般會(huì)串聯(lián)一個(gè)電感〔或者電阻再連接到電源上,為什么呢？這是因?yàn)檫@是為芯片內(nèi)的功率晶體管〔或場(chǎng)效應(yīng)管供電的管腳,通常在分離元件組成的功率放大電路中,我們都會(huì)看到在晶體管的集電極〔或者場(chǎng)效應(yīng)管的漏極上都串有電感,而電感是不容易集成到芯片中的,這樣,就需要在芯片的外部放置電感,這樣,就得到了典型的功放芯片的供電方式,如圖3-3所示。圖3-3典型的功放芯片供電方式除了上面提到的電感的問(wèn)題,另一個(gè)值得注意的就是,功放電路處理的模擬信號(hào),是正統(tǒng)的模擬電路,因此需要尤其注意其電源要與數(shù)字電路的電源分開(kāi)。另一個(gè)極為重要的問(wèn)題是,如圖3-3所示,在每個(gè)電源管腳處,都需要放置一個(gè)濾波電容組合,例如VCC管腳處放置的是100pF和1000pF的濾波電容組合,VC1管腳處是10pF的電容。濾波電容的組合形式是這樣的,對(duì)于主電源管腳VCC,需要盡量多地放置不同容量的電容,而且這些電容的容量最好是不同數(shù)量級(jí)的,例如可以這樣組合：10uF+1uF+0.1uF+1000pF+100pF+10pF,不同容量的電容用于濾除不同頻率成分的擾動(dòng)。對(duì)于VC1和VC2這兩個(gè)管腳,要注意,放置的濾波電容容量要較小,通常在1-10pF。3.3.輸入回路功放電路的輸入回路一般包括兩個(gè)部分,一個(gè)是帶通濾波器〔BandPassFilter,BPF,一個(gè)是∏型匹配網(wǎng)絡(luò),我們分開(kāi)兩部分來(lái)講。3.3.1.帶通濾波器我們知道,2.4GHz頻段的子載波有13個(gè),頻率從2.412GHz到2.437GHz,相鄰兩信道之間的頻率間隔是500MHz,很容易理解,從收發(fā)器〔Transceiver輸出的信號(hào)包括了從2.412GHz到2.437GHz這樣的一個(gè)頻率帶,因此,為了能夠使有用的信號(hào)順利地進(jìn)入功放芯片,無(wú)用的雜亂信號(hào)被濾除,一般會(huì)在功放芯片的輸入回路上放置一個(gè)帶通濾波器。帶通濾波器有三種實(shí)現(xiàn)方法,一種是使用已經(jīng)設(shè)計(jì)好的專用帶通濾波器,這在Ralink的方案中使用的很多；一種是使用分立元件組成的帶通濾波器,這種方法用的不是很多；第三種方法幾乎是Atheros專有的,就是印制帶通濾波器,這種濾波器最突出的優(yōu)點(diǎn)就是沒(méi)有成本,最突出的缺點(diǎn)是占用的空間比較大,而且還需要凈空區(qū),在AP51中就使用了這種濾波器。用分立元件設(shè)計(jì)帶通濾波器需要復(fù)雜的計(jì)算過(guò)程,也需要較強(qiáng)的數(shù)學(xué)功底,我們?cè)谶@里不進(jìn)行過(guò)多的研究。接下來(lái)我們主要討論如何選擇一款已經(jīng)設(shè)計(jì)好的帶通濾波器。帶通濾波器的參數(shù)并不多,主要有：輸入阻抗輸出阻抗通頻帶通頻帶內(nèi)的衰減通頻帶以外的衰減,對(duì)于通頻帶以外的頻率,衰落的很快。圖3-4HMD845H的S21參數(shù)3.3.2.∏型匹配網(wǎng)絡(luò)匹配,這件事在射頻設(shè)計(jì)中是極其重要的,很多時(shí)候,我們?cè)O(shè)計(jì)或者調(diào)試射頻電路,都是在解決匹配的問(wèn)題,永遠(yuǎn)記住這樣一條經(jīng)典的準(zhǔn)則：共軛匹配傳輸功率最大?！切推ヅ渚W(wǎng)絡(luò)一般直接放在功放芯片的輸入端,也就是放在RFIN這個(gè)管腳處,通常芯片的管腳不會(huì)匹配到50歐姆,我們也不會(huì)知道管腳的輸入特性,這樣的話,∏型匹配網(wǎng)絡(luò)的必要性就可想而知了?！切推ヅ渚W(wǎng)絡(luò),顧名思義,形狀很像字母∏,我們來(lái)看一下實(shí)際的∏型匹配網(wǎng)絡(luò)。圖3-5給出的是Ralink常用的一種∏型匹配網(wǎng)絡(luò)。圖3-5Ralink常用的∏型匹配網(wǎng)絡(luò)3.3.3.完整設(shè)計(jì)的輸入回路以上我們討論了功放電路的輸入回路的兩個(gè)組成部分,帶通濾波器和∏型匹配網(wǎng)絡(luò),有了這兩個(gè)部分,我們就可以設(shè)計(jì)一個(gè)完整的輸入回路了。如圖3-6所示,就是一個(gè)設(shè)計(jì)完整的功放電路輸入回路。圖中的U9就是一款成品的帶通濾波器,而C108,C109和L14就組成了一個(gè)∏型匹配網(wǎng)絡(luò)。圖3-6完整設(shè)計(jì)的功放電路的輸入回路3.4.輸出回路在輸出回路中,最重要的組成部分〔在很多設(shè)計(jì)中也是唯一的組成部分就是低通濾波器,這時(shí)可能有人會(huì)問(wèn),為什么這里要用低通濾波器,而不是像輸入回路那樣使用帶通濾波器？原因很簡(jiǎn)單,這里的低通濾波器要解決的主要問(wèn)題時(shí)由于功放引起的高次諧波,如二次諧波,三次諧波甚至更高次數(shù)的諧波,當(dāng)然,低通濾波器還要解決的問(wèn)題就是匹配問(wèn)題。其實(shí),在射頻電路的設(shè)計(jì)中,匹配的這個(gè)問(wèn)題會(huì)一直伴隨著我們。濾波器的設(shè)計(jì)需要很復(fù)雜的計(jì)算,在這里我不想探討過(guò)多的理論知識(shí),所以,我就不給出如何計(jì)算的方法,只給出一般的低通濾波器的形式。這里需要指出的是,Atheros的設(shè)計(jì)一般會(huì)使用三個(gè)元件,而Ralink一般會(huì)使用五個(gè)元件。如圖3-7所示,是Ralink常用的濾波器形式。在圖中,C112,C111,C113,C110和C114就組成了一個(gè)低通濾波器,來(lái)自功放芯片的信號(hào)PA_OUT經(jīng)過(guò)濾波器后得到LPF_OUT這信號(hào)送至后續(xù)電路。圖3-7Ralink常用的低通濾波器這時(shí),我們就可以把功放芯片的輸出端與低通濾波器相連接,就得到了一般射頻功率放大電路的完整的輸出回路,如圖3-8所示。圖3-8完整設(shè)計(jì)的功率放大器輸出回路3.5.功率檢測(cè)功率檢測(cè)功能在我們的很多設(shè)計(jì)中都可以找到,這項(xiàng)功能可以使無(wú)線收發(fā)器〔RadioTransceiver時(shí)刻監(jiān)視著功放電路的輸出功率,這樣,當(dāng)功放的輸出功率改變時(shí),無(wú)線收發(fā)器就可以調(diào)整自身的輸出功率或者改變功放電路的增益,使功放電路的輸出功率穩(wěn)定在一個(gè)固定的值。功率檢測(cè)電路輸出的是直流電壓值,這個(gè)電壓值送給無(wú)線收發(fā)器之后,無(wú)線收發(fā)器自身內(nèi)部進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,就可以得知功放電路的輸出功率了。功率檢測(cè)實(shí)現(xiàn)的方法通常有兩種,在Ralink的設(shè)計(jì)中,通常使用功放芯片自身的功率檢測(cè)功能；在Atheros的設(shè)計(jì)中,除了使用功放芯片本身的功率檢測(cè)功能之外,一般還會(huì)有一種Atheros特有的設(shè)計(jì),我們將分成兩部分討論。3.5.1.芯片內(nèi)建的功率檢測(cè)我們?cè)趫D3-2中已經(jīng)看到,一般的功放芯片會(huì)有POWER_DETECT這樣的一個(gè)管腳,這個(gè)管腳的作用就是用于功率檢測(cè)的。使用芯片內(nèi)建的功率檢測(cè)功能可以簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì),常見(jiàn)的完整形式如圖3-9所示。圖3-9常見(jiàn)的使用內(nèi)建功率檢測(cè)功能的電路形式3.5.2.芯片外圍的功率檢測(cè)電路我們?cè)谶@里用單獨(dú)的一節(jié)來(lái)討論外圍的檢測(cè)電路,其實(shí)要講的就是Atheros的方案,因?yàn)檫@個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)在是太有個(gè)性了,讓我們來(lái)一起見(jiàn)識(shí)一下吧。如圖3-10所示,就是Atheros常用的功率檢測(cè)方案。圖中的PC1就是一個(gè)印制耦合器〔PrintedCoupler,來(lái)自功率放大器的輸出信號(hào)LPF_OUT經(jīng)過(guò)耦合器,就在2,3腳感應(yīng)到高頻交變電壓,這個(gè)電壓隨著輸出功率的增大而增大L18,L19,D1,C217,R248組成了常規(guī)的整流電路,這樣,就得到了隨著輸出功率的變化而變化的直流電壓POWER_DETECT,無(wú)線收發(fā)器就可以得到這個(gè)電壓值從而做作出相應(yīng)的動(dòng)作。這里有一點(diǎn)需要注意的是,整流二極管D1一定要選擇工作頻率很高的二極管,例如這個(gè)設(shè)計(jì)中的SMS7630的工作頻率就達(dá)10GHz。圖3-10Atheros常用的功率檢測(cè)方案3.6.增益控制增益控制的作用就是可以改變功放電路的增益,從而能改變輸出功率。改變功率放大器最終輸出功率的方法有兩種,一種是無(wú)線收發(fā)器改變自身的輸出功率,另外一種就是改變功放電路的增益,在這里我們主要關(guān)注后者。通常功放芯片的增益控制管腳會(huì)有兩個(gè)或者兩個(gè)以上,分別改變的是第一級(jí)放大和第二級(jí)放大的增益值,圖3-11是典型的增益控制原理圖。來(lái)自收發(fā)器的控制信號(hào)PA_GAIN經(jīng)過(guò)R245和C248組成的RC濾波電路〔濾除來(lái)自收發(fā)器的可能的交流成分通過(guò)兩個(gè)電阻作用于功放芯片的GAIN_1和GAIN_2兩個(gè)管腳,從而控制功率放大電路的增益,也控制著最終的輸出功率。圖3-11典型的增益控制原理圖3.7.溫度檢測(cè)溫度檢測(cè)功能在Ralink的方案中使用的很多,但是在Atheros的方案就未曾見(jiàn)過(guò)。這一功能可以檢測(cè)功放芯片的溫度,防止芯片溫度過(guò)熱而燒毀。另外一個(gè)更加重要的作用就是根據(jù)環(huán)境溫度調(diào)整功放電路的輸出功率。很多情況下,環(huán)境溫度的改變,會(huì)對(duì)功放芯片的輸出功率會(huì)造成比較大的影響,如果無(wú)線收發(fā)器通過(guò)溫度檢測(cè)電路得知當(dāng)前的溫度并適當(dāng)?shù)恼{(diào)整自身的輸出功率或者改變功放的增益,就可以使功放電路在環(huán)境溫度改變時(shí)依然可保持穩(wěn)定的功率輸出,這對(duì)于提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性是有好處的。圖3-12給出的是Ralink的典型的溫度檢測(cè)電路。圖中的RT1是熱敏電阻,當(dāng)環(huán)境溫度改變時(shí),自身的阻值會(huì)發(fā)生變化,這樣,顯而易見(jiàn),TMP_DET的值就會(huì)發(fā)生變化,這樣,收發(fā)器就可以檢測(cè)到環(huán)境的溫度了。溫度檢測(cè)電路一般會(huì)放置在功放芯片的附近。圖3-12Ralink常用的溫度檢測(cè)電路3.8.完整設(shè)計(jì)的功率放大電路在以上的內(nèi)容中,我們討論了功率放大電路的各個(gè)組成部分,現(xiàn)在,讓我們將這些部分組合到一起,就可以完成功率放大電路的設(shè)計(jì)了,如圖3-13所示。我們來(lái)看一看,試一試能否找出之前的各部分,如果可以,那么你已經(jīng)基本了解Wi-Fi產(chǎn)品的一般功率放大電路的架構(gòu)了。通常情況下,在功放芯片的Datasheet中會(huì)給出一份參考設(shè)計(jì),這對(duì)于我們的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)作用。圖3-13完整設(shè)計(jì)的射頻功率放大電路第4章.低噪聲放大器低噪聲放大器在框圖1-1中位于收發(fā)切換器〔Transmit/ReceiveSwitch和無(wú)線收發(fā)器〔RadioTransceiver之間,對(duì)天線感應(yīng)到的信號(hào)進(jìn)行放大,這樣才能使無(wú)線收發(fā)器進(jìn)行有效的處理?？梢哉f(shuō),低噪聲放大器的性能直接影響著整個(gè)設(shè)計(jì)的靈敏度。低噪聲放大器的框圖如圖4-1所示,有四個(gè)部分組成,輸入回路,輸出回路,放大電路,增益控制,在以下的內(nèi)容中,我們將逐個(gè)討論。圖4-1低噪聲放大器的框圖4.1.低噪聲的放大器的主要參數(shù)低噪聲放大器,顧名思義,就可以知道其具有極低的噪聲系數(shù)。噪聲系數(shù)的物理含義是：信號(hào)通過(guò)放大器之后,由于放大器產(chǎn)生噪聲,使信噪比變壞；信噪比下降的倍數(shù)就是噪聲系數(shù)。除了噪聲系數(shù)以外,以下幾個(gè)參數(shù)也是我們需要關(guān)注的：功率增益增益平坦度工作頻帶動(dòng)態(tài)范圍功率增益主要就指低噪聲放大器的增益能力,增益平坦度描述放大器在工作頻帶內(nèi)頻率變化引起的功率增益的波動(dòng),工作頻帶就是指放大器的正常工作的頻率范圍,動(dòng)態(tài)范圍是指放大器允許輸入的最小和最大功率范圍。4.2.低噪聲微波器件的選擇芯片或者晶體管〔場(chǎng)效應(yīng)管的選擇,以下簡(jiǎn)稱微波器件的選擇,往往對(duì)于低噪聲放大器的設(shè)計(jì)起著至關(guān)重要的影響。我們先來(lái)看一看在我們公司的設(shè)計(jì)中,通常選用什么微波器件。表4-1和表4-2給出了Atheros和Ralink常用的低噪聲放大器微波器件。我們不難發(fā)現(xiàn),這些器件的選擇沒(méi)有太多的共性,我們能看到有四種解決方案,第一種是采用微波三極管來(lái)實(shí)現(xiàn),第二種是使用專用低噪聲放大器芯片,第三種是集成在前端模塊〔FrontendModule中,第四種就是不使用低噪聲放大器。我們?cè)谶@里只討論采用晶體管和專用芯片的方法。表4-1Atheros常用的低噪聲放大器微波器件表4-2Ralink常用的低噪聲放大器微波器件微波器件〔晶體管或芯片的參數(shù),基本上就決定了低噪聲放大器的性能,我們來(lái)看一下最常用的SGA-8343的參數(shù),如圖4-2所示。圖中給出的參數(shù)包括最大增益,噪聲系數(shù),S21,工作頻率,供電電壓,消耗的電流等等。對(duì)于專用的低噪聲放大器芯片,參數(shù)也基本如此,在這里我們就不詳細(xì)說(shuō)了。圖4-2SGA-8343的參數(shù)表4.3.輸入回路和功率放大器一樣,低噪聲放大器的輸入回路中也會(huì)有匹配網(wǎng)絡(luò),但是Atheros好像是不走尋常路,很少看到低噪放的輸入匹配網(wǎng)絡(luò),而Ralink則不一樣,幾乎在每個(gè)設(shè)計(jì)中都中規(guī)中矩的使用∏型匹配網(wǎng)絡(luò),如圖4-3所示,就是Ralink常用的∏型匹配網(wǎng)絡(luò),我個(gè)人是比較推崇這種做法的。有了匹配網(wǎng)絡(luò),我們可以最大限度的保證我們的設(shè)計(jì)是高性能的,也就是High-Performance。圖4-3Ralink常用的∏型匹配網(wǎng)絡(luò)4.4.輸出回路和輸入回路一樣,輸出回路通常也會(huì)放置匹配網(wǎng)絡(luò),同樣,Atheros一般還是不這樣做,他們最多會(huì)放置一個(gè)專有的印制帶通濾波器〔PrintedBandPassFilter,Ralink的輸出回路上的∏型匹配網(wǎng)絡(luò)基本上會(huì)輸入回路上的一致,在這里不給出具體的形式了。4.5.電源與增益控制增益控制的作用是很明顯的,當(dāng)接收到的信號(hào)強(qiáng)度較低時(shí),我們可以提高低噪聲放大器的增益,保證信號(hào)可以正常被接收；當(dāng)接收信號(hào)的強(qiáng)度較高時(shí),可以降低低噪聲放大器的增益,以免造成信號(hào)阻塞。這就是所謂的自動(dòng)增益控制〔AutoGainControl,AGC同樣,這對(duì)于提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性,是很重要的。我為什么要把電源與增益控制放在同一節(jié)呢？因?yàn)榈驮肼暦糯笃鞯脑鲆媸且揽扛淖児╇婋妷簛?lái)實(shí)現(xiàn)的,這樣就很容易理解了。學(xué)過(guò)模擬電路的都會(huì)知道,三極管放大電路的放大倍數(shù)和供電電壓有密切關(guān)系,對(duì)于芯片說(shuō)也同樣如此。圖4-4給出了常見(jiàn)的增益控制的電路形式。圖中的LNA_GAIN既是來(lái)自無(wú)線收發(fā)器〔RadioTransceiver增益控制信號(hào),又是低噪聲放大器的供電電源,C104是濾波電容,顯而易見(jiàn),低噪聲放大器的增益直接與LNA_GAIN的電壓有關(guān)。圖4-4常見(jiàn)的增益控制的電路形式4.6.完整設(shè)計(jì)的低噪聲放大器在這里,我要向大家展示的是一款設(shè)計(jì)十分細(xì)膩的低噪聲放大器,這也是我見(jiàn)過(guò)的設(shè)計(jì)最為優(yōu)秀的低噪聲放大器,就是來(lái)自某實(shí)際案例中的2.4GHz頻段的放大器,讓我們來(lái)一同領(lǐng)略它的風(fēng)采,如圖4-5所示。圖中的LNA_GAIN是來(lái)自無(wú)線收發(fā)器〔RadioTransceiver的增益控制信號(hào),放大器使用的晶體管就是最常用的SGA-8343,R238,R239,R240是基極的偏置電阻,C219,L20,C220組成了低通濾波器,來(lái)自切換芯片〔Switch的LNA_IN通過(guò)低通濾波器之后經(jīng)由C218耦合至低噪聲放大器,Q2與C221,L51,C214,R240,C210,R239,R238,C211,R241,C215,L52組成了共射極放大電路,最終輸出RFIN送至收發(fā)器進(jìn)行處理。尤其值得我們注意的是,在每一個(gè)節(jié)點(diǎn)處,都放置了濾波電容,這樣,就可以最大限度的消除任何可能的噪聲,從而實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)秀的低噪聲放大電路。圖4-5某實(shí)際案例中設(shè)計(jì)精良的低噪聲放大器第5章.收發(fā)切換電路收發(fā)切換電路實(shí)現(xiàn)的功能就是進(jìn)行發(fā)射與接收的切換,通常其最重要的組成部分就是一顆芯片,我們分成四個(gè)部分來(lái)討論：芯片的選擇,發(fā)射與接收回路,天線回路,控制管腳的處理。5.1.切換芯片的選擇切換芯片在結(jié)構(gòu)上,通常就是一個(gè)單刀雙擲的開(kāi)關(guān),開(kāi)關(guān)擲向哪一邊決定于加在控制管腳上的電壓。切換芯片的典型內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5-1所示。圖5-1切換芯片典型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)在選擇切換芯片時(shí),我們主要關(guān)注以下幾個(gè)參數(shù)：工作頻率切換速度關(guān)斷的隔離度導(dǎo)通的衰減能夠承受的功率控制電壓功率消耗有一個(gè)比較奇怪的現(xiàn)象時(shí)我們很少看到在Datasheet中提到切換速度這樣的參數(shù)。在絕大多數(shù)設(shè)計(jì)中,幾乎無(wú)一例外的使用了NEC公司的uPG2179作為切換芯片〔Switch,其典型參數(shù)如圖5-2所示。圖5-2切換芯片的典型參數(shù)5.2.發(fā)射與接收回路切換芯片位于靠近天線的地方,決定著天線作為發(fā)射天線還是作為接收天線。功率放大器和低噪聲放大器都會(huì)直接與切換芯片相連,這樣,發(fā)射與接收回路上的匹配就是必不可少的。關(guān)注一下Atheros和Ralink的方案,會(huì)發(fā)現(xiàn),Atheros會(huì)在發(fā)射回路上放置∏型匹配網(wǎng)絡(luò),但是Ralink則不會(huì),一般就是通過(guò)電容直接耦合。如圖5-3所示,就是Atheros的典型發(fā)射與接收回路SW10就是那顆切換芯片。LPF_OUT是來(lái)自功率放大器的輸出信號(hào),R186,C121與R194組成了∏型匹配網(wǎng)絡(luò),LNA_IN是送至低噪聲放大器的信號(hào),SWITCH_TX與SWICTH_RX這兩個(gè)信號(hào)的組合就控制著是打開(kāi)發(fā)射通路還是打開(kāi)接收通路。圖5-3Atheros的典型的發(fā)射與接收回路5.3.天線回路在5-4中我們已經(jīng)看到,在Atheros的方案中,會(huì)在天線回路中放置一個(gè)印制濾波器〔PrintedFilter,圖中的PF1就是Atheros專有的印制濾波器。同樣,Ralink一般也不會(huì)在天線回路中設(shè)置濾波器或匹配電路。5.4.控制信號(hào)的處理我們已經(jīng)知道,圖5-4中的SWITCH_TX和SWITCH_RX是來(lái)自無(wú)線收發(fā)器〔RadioTransceiver的控制信號(hào),是直流電壓,這樣,為了穩(wěn)定這個(gè)電壓值,避免造成切換器的誤動(dòng)作,我們一般會(huì)在控制通路上串聯(lián)一個(gè)電阻〔或電感,一般是小于1K的電阻,并且在控制管腳的位置放置濾波電容〔1-10pF,這樣,我們就可以很好的保證切換芯片沒(méi)有誤動(dòng)作,從而,我們就得到了如圖5-4所示的完整的切換電路的設(shè)計(jì)。圖5-4完整設(shè)計(jì)的切換電路第6章.

天線與天線連接器在這一章里,我要講的不是天線的設(shè)計(jì),因?yàn)槟壳拔疫€不太懂天線設(shè)計(jì),而且天線設(shè)計(jì)是一個(gè)十分專業(yè)和復(fù)雜的學(xué)科。在這里我想要說(shuō)的其實(shí)就只是一個(gè)問(wèn)題：一定要在天線或者天線連接器的附近放置一個(gè)∏型匹配網(wǎng)絡(luò),這一點(diǎn)是我們做射頻設(shè)計(jì)的人必須要牢記的事實(shí)?？匆幌翧theros和Ralink的方案,會(huì)發(fā)現(xiàn)∏型匹配網(wǎng)絡(luò)是必不可少的,典型的設(shè)計(jì)如圖6-1所示。圖6-1典型的天線連接器電路設(shè)計(jì)第7章.

完整設(shè)計(jì)的射頻電路在前面幾章的內(nèi)容中,我們分成五章分別講解了射頻電路的無(wú)線收發(fā)器〔RadioTransceiver,功率放大電路〔PowerAmplifier,PA,低噪聲放大器〔LowNoiseAmplifier,LNA,收發(fā)切換電路〔Transmit/ReceiveSwitch,天線與天線連接器〔AntennaAndConnector,在每章的最后一節(jié),我們都給出了每一部分的完整設(shè)計(jì)。我想你已經(jīng)知道了——沒(méi)錯(cuò),只要把我們每個(gè)部分的完整設(shè)計(jì)組合在一起,那么我們就得到了Wi-Fi產(chǎn)品的一般射頻電路的完整設(shè)計(jì),我們不要急,我們?cè)賮?lái)回顧一下在本文一開(kāi)始提到的射頻設(shè)計(jì)框圖,如圖7-1。相信大家這時(shí)一定已經(jīng)可以把每一個(gè)部分細(xì)化,得到更加詳細(xì)的射頻設(shè)計(jì)框圖。圖7-1射頻設(shè)計(jì)框圖通過(guò)前面的討論,我們已經(jīng)知道,功率放大器是由帶通濾波器,∏型匹配網(wǎng)絡(luò),功率微波器件,增益控制,供電電路,功率檢測(cè),溫度檢測(cè)低通濾波器這些部分組成的；低噪聲放大器是由∏型匹配網(wǎng)絡(luò),低噪聲放大電路和增益控制組成的；收發(fā)切換器是由∏型匹配網(wǎng)絡(luò),切換芯片,濾波器組成的；天線和連線連接器部分是由∏型匹配網(wǎng)絡(luò)和連接器組成的。于是,我們得到了Wi-Fi產(chǎn)品一般射頻電路的詳細(xì)框圖,如圖7-2所示。圖7-2射頻設(shè)計(jì)詳細(xì)框圖現(xiàn)在,讓我們將各個(gè)模塊的詳細(xì)電路圖,看看我們得到了什么。沒(méi)錯(cuò),我們得到了完整的設(shè)計(jì)圖,如圖7-3所示。在這個(gè)原理圖中,我們?cè)O(shè)計(jì)的是一收一發(fā)的情況,如果是二發(fā)二收,那么原理圖就是兩個(gè)圖7-3,復(fù)制而已。圖7-3完整詳細(xì)的原理圖III.

下一版精彩內(nèi)容預(yù)告在下一版中,我將設(shè)計(jì)一個(gè)虛擬案例中的射頻電路,那將是在沒(méi)有參考設(shè)計(jì)的情況下進(jìn)行設(shè)計(jì)。這聽(tīng)起來(lái)似乎有些瘋狂,但是我覺(jué)得是可以實(shí)現(xiàn)的,因?yàn)槲覀冇兄R(shí),有智慧。在設(shè)計(jì)過(guò)程中,我將首先從PRD出發(fā),找到和射頻設(shè)計(jì)有關(guān)的參數(shù),然后進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì),在設(shè)計(jì)過(guò)程中,將密切配合理論計(jì)算與ADS仿真,最終完成完整的射頻電路的設(shè)計(jì)。在下一版中,我也會(huì)用一章的內(nèi)容去講解FrontendModule的使用。更多精彩內(nèi)容敬請(qǐng)關(guān)注《Wi-Fi產(chǎn)品的一般射頻電路設(shè)計(jì)第二版》〔GeneralRFDesignInWi-FiProduct,Edition2。認(rèn)真讀過(guò)這篇文章的人有福了。二：Wi-Fi產(chǎn)品射頻電路調(diào)試經(jīng)驗(yàn)談2011-01-2019:09:10這份文檔是生花通信的一線射頻工程師總結(jié)了的Wi-Fi產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中的一些射頻調(diào)試經(jīng)驗(yàn),記錄并描述在實(shí)際項(xiàng)目開(kāi)發(fā)中遇到并解決問(wèn)題的過(guò)程。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〔RadioFrequency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蠹业墓ぷ髌鸬揭欢ǖ膸椭饔?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)F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的回路中可能還是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)很嚴(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)線周圍會(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。2.2.

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,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。2.2.1.

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。2.3.

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。2.3.1.

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)。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〔InsertionLoss,也就是由于電容的加入引起的損耗。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。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的頻率下,一個(gè)0.1uF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)0.1uF的電容會(huì)表現(xiàn)出比100pF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于消除高頻的噪聲信號(hào)。2.3.2.

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,翻譯過(guò)來(lái),寫(xiě)在這一節(jié)中。這類參數(shù)描述了電容采用的電介質(zhì)材料類別,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3300pF~0.33uF的電容,這類電容適用于濾波,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±15%；Y5P與Y5V常用于容量為150pF~2nF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±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±15%。表2-1電容的溫度與容量誤差編碼2.4.1.

電感的等效電路不難想象,導(dǎo)線的本身存在一定的電阻,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－頻率曲線與電阻的阻抗－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(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2.4.2.

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)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?？梢圆捎靡韵碌膸追N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)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

RFDebug經(jīng)驗(yàn)分享3.1.

某無(wú)線AP2.4GHzChain0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,周圍便迅速充滿了令人不爽的焦臭味,VSA〔VectorSignalAnalyzer,矢量信號(hào)分析儀上的功率也跌落至0dBm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)品的工作頻率較高,一般會(huì)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SMACable〔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1~2cm屏蔽層,使其芯線露出。這樣,一段普通的SMACable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TargetPower和實(shí)際功率值相一致,這是