射頻電路的設(shè)計與調(diào)試

..一：WiFi產(chǎn)品的一般射頻電路設(shè)計<GeneralRFDesignInWiFiProduct>2011-01-2018:18:41寫在前面的話：這篇文章是我結(jié)合多年的工作經(jīng)驗和實踐編寫而成的,具有一定的實用性,希望能夠?qū)Υ蠹业脑O(shè)計工作起到一定的幫助作用。I.前言這是一篇針對性很強(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,而且主要分析的是Atheros和Ralink的解決方案,對于其他廠商的解決方案并沒有進(jìn)行研究。這是一篇針對性很不強(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,包括各個組成部分,如無線收發(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討論,都可以寫成一本很厚的書。這篇文章具有一般性。雖然說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,在中國市場熱賣的無線路由器,無線AP很多都是這兩家的解決方案。這篇文章具有一定的實用性。這篇文章的編寫是基于我們公司的二十余種參考設(shè)計電路,充分吸收了參考設(shè)計的精華,并提取其一般性,同時,本文也重在分析實際的電路結(jié)構(gòu)和選擇器件時應(yīng)該注意的問題,并沒有進(jìn)行深入的理論研究,所以,本文具有一定的實用性。這篇文章是我在自己的業(yè)余時間編寫的〔也可以說我用這種方式消磨時間,如果這篇文章能夠為大家的工作帶來一點幫助,那將是我最高興的事。我平時喜歡關(guān)注一些業(yè)界的新技術(shù)新產(chǎn)品,但是內(nèi)容太多,沒有辦法寫在文章中,感興趣的同事可以訪問我的博客：://cn.signalsky。由于時間有限,編寫者水平更加有限,錯誤之處在所難免,歡迎大家批評指正。第1章.射頻設(shè)計框圖做技術(shù)的,講解某個設(shè)計的原理時,都會從講解框圖開始,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)計框圖。圖1-1Wi-Fi產(chǎn)品的一般射頻設(shè)計框圖如圖1-1所示,一般Wi-Fi產(chǎn)品的射頻部分由五大部分組成〔這是我個人的見解,不同的工程師可能會有不同的想法,藍(lán)色的虛線框內(nèi)統(tǒng)一看成是功率放大器部分。無線收發(fā)器〔RadioTransceiver一般是一個設(shè)計的核心器件之一,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)送信號時,收發(fā)器本身會直接輸出小功率的微弱的射頻信號,送至功率放大器〔PowerAmplifier,PA進(jìn)行功率放大,然后通過收發(fā)切換器〔Transmit/ReceiveSwitch經(jīng)由天線〔Antenna輻射至空間。接收信號時,天線會感應(yīng)到空間中的電磁信號,通過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,我會將圖1-1中的各個部分逐個展開,將每一個都暴露在大家眼前,也會詳細(xì)講解每一部分的設(shè)計,相信大家在認(rèn)真仔細(xì)的閱讀這篇文檔之后,就可以對射頻的各個組成部分有一個比較清晰的認(rèn)識。第2章.無線收發(fā)器我把無線收發(fā)器〔在本章的以下內(nèi)容中簡稱收發(fā)器放在了第一個模塊,主要原因就是因為,它一般會是一個設(shè)計的核心器件之一,有的時候還可能集成在CPU上,就會是一個設(shè)計中的最重要的芯片,同時,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,實際上也是如此。而且,如果沒有參考設(shè)計,完全由我們自主設(shè)計的時候,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設(shè)計的無線性能。這樣,這一部分的設(shè)計講解起來會比較困難,可是還是想最先講解這里。收發(fā)器通常會有很多的管腳,在如圖2-1中,我只給出了射頻電路設(shè)計時會關(guān)注的管腳,可以看到,有幾個電源管腳,數(shù)字地,模擬地,射頻輸出,功率放大器增益控制,功率檢測,溫度檢測,射頻輸入,低噪聲放大器增益控制,發(fā)射、接收切換等管腳,在接下來的內(nèi)容中,我會把這些管腳分模塊逐個講解。圖2-1一般的無線收發(fā)芯片〔射頻電路設(shè)計相關(guān)2.1.無線收發(fā)器芯片的技術(shù)參數(shù)不同的設(shè)計,收發(fā)器一般會很不一樣,我們大多數(shù)時候都不會想著去更換它。一般我們選用收發(fā)器,會直接按照參考設(shè)計進(jìn)行,盡管如此,我還是像從一個研發(fā)人的角度出發(fā),說一說,在選擇無線收發(fā)器時應(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,一般會在開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)計都是支持802.11n的。這三項參數(shù)的重要性想必不用我說,大家也應(yīng)該體會得到,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〔一般來說都會兼容802.11b/g。同時,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,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,不同的傳輸速率對應(yīng)著不通的調(diào)制方式。芯片支持的調(diào)制方式一般會在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.時鐘頻率時鐘頻率,時鐘頻率包括兩種,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？這項參數(shù)對于我們RF工程師是很重要的,因為這項參數(shù)決定著后續(xù)功率放大電路的設(shè)計,我們要保證收發(fā)器的輸出功率足以驅(qū)動功率放大器,這樣,我們才能夠設(shè)計合理有效的放大器。2.1.5.接收靈敏度和輸出功率一樣,收發(fā)器接收靈敏度這項參數(shù)也不會在Datasheet中給出,在實際的設(shè)計過程中,有了這項參數(shù),我們才能合理地設(shè)計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)。一般來說,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的方案還會有PA溫度檢測管腳。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是我們不得不關(guān)注的技術(shù)參數(shù),這兩項參數(shù)關(guān)系著電源電路的設(shè)計和散熱的設(shè)計。2.2.差分射頻信號的處理2.2.1.收發(fā)器本身具有的管腳對于射頻信號,為了增強(qiáng)收發(fā)器的抗干擾能力,一般會采用差分信號的處理方式,也就是說,收發(fā)器會以差分形式將信號發(fā)送出去,同時外部電路也必須為收發(fā)器提供差分射頻信號的輸入。如圖2-2所示,紅色方框內(nèi)的四只管腳就是這個收發(fā)器的差分射頻信號的輸入,輸出管腳,也是最重要的射頻信號管腳。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)器一般會同時對輸入與輸出做差分處理。但是Ralink一般要求外部輸入的信號是差分的,而自身輸出的射頻信號則不是差分的。圖2-3和圖2-4分別給出了RT3052〔Ralink和AR9220〔Atheros的主要射頻信號管腳。不難發(fā)現(xiàn),Atheros的設(shè)計相比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)計中,也會發(fā)現(xiàn),Atheros考慮的問題很周全,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的主要射頻信號管腳圖2-4AR9220的主要射頻信號管腳2.2.2.收發(fā)器發(fā)送的差分信號收發(fā)器發(fā)送的差分信號,我們要想辦法把他們合二為一。為什么要這樣做,收發(fā)器送出的信號是要給功率放大電路的,功率放大電路處理的是單端信號。平衡器通常用來處理差分信號的問題,除此之外,我們知道,電感和電容都能夠改變信號的相位,從差分信號到單端信號,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)過處理電路的兩路信號就在相位上相差了180°,從而可以使原本相位相差180°的差分信號同相,得到單端信號。相反,使單端信號通過兩條不同的通路,就得到了差分信號。下面讓我們來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°的差分信號經(jīng)過平衡器〔Balun,俗稱巴倫,就可以得到合二為一的單端射頻信號。如圖2-5所示,圖中的F1就是一個平衡器,差分信號RFOUT_P和RFOUT_N經(jīng)過F1得到單端信號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,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。這樣我們在設(shè)計是就可以根據(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)器接收的差分信號收發(fā)器接收的信號來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,這樣,我們必須將低噪聲放大器輸出的信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換。同樣,對于低噪聲放大器的輸出信號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,至今還沒有使用過。其實大家也一定想到了,收發(fā)器接收信號和收發(fā)器發(fā)送信號差不多就是互為逆過程,因此電路的結(jié)構(gòu)也差不多是相反的。沒錯,看了下面的實際電路圖就知道了。

先來介紹使用平衡器的方案。在某實際案例中,采用了如圖2-8所示的平衡器電路。單端信號RF_IN經(jīng)過平衡器F5后得到差分的射頻信號RFIN_P和RFIN_N。圖2-8某案例采用的平衡器電路再來看看采用分立元件實現(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)計方法XX小異。圖2-9Ralink常用的分立元件信號處理方式圖2-10Atheros常用的分立元件信號處理方式2.3.收發(fā)器的電源管腳收發(fā)器一般會有很多個電源管腳,可以大概分為幾類,從圖2-2也可以看出來,一般會具有主電源管腳,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)計中,我們一般會比較關(guān)注的是模擬電源。對于射頻電路的供電,如果讓我在線性穩(wěn)壓電源〔LDO和開關(guān)電源〔DC/DC之間選擇,那么我會毫不猶豫的選擇線性電源。為什么？和開關(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,對電源的要求也就比較苛刻,我到科技市場轉(zhuǎn)了一圈發(fā)現(xiàn)了一款做工精良的開關(guān)電源,當(dāng)時我就被這個家伙華麗的外表欺騙了,毫不猶豫地買了下來。可是當(dāng)我完整設(shè)計后,接通電源,從收音機(jī)里面?zhèn)鱽淼牟皇菒偠囊魳仿?而是令人極度反感的"嗡嗡"聲,巨大的交流聲。為了解決這個問題,我?guī)缀踅g盡腦汁,把有可能造成問題的部分都重新設(shè)計了,可是問題依然沒有解決。后來,我突然意識到："是不是開關(guān)電源的問題？"剛好手頭有一臺車載電臺的電源〔大功率線性穩(wěn)壓電源,當(dāng)我把這個電源接上去之后,哇,整個世界都安靜了！開關(guān)電源害得我不但損失了一些錢,還浪費了我大量的時間,從那以后,我的設(shè)計再也沒用過開關(guān)電源。對于收發(fā)器的電源管腳,通常的處理方法就是在每個電源的管腳處都放置一個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。一般來說,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,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,會對電源的性能起到很大的提升作用,同時并聯(lián)幾個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)計回想一下,我們在前面的敘述中講解了如何選擇收發(fā)器,收發(fā)器相關(guān)的差分信號處理,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)計的內(nèi)容,也就是說,把這三部分弄清楚,基本上就完成了這部分的設(shè)計。想必大家應(yīng)該比較清楚那三部分的結(jié)構(gòu)了,好,讓我們來試一下,在圖2-2那個芯片的外圍放置一些器件,再連上幾條線,完成無線收發(fā)器及其外圍電路設(shè)計。在這里,我們對收發(fā)器輸出的差分信號用平衡器處理得到單端信號RFOUT,來自低噪聲放大器的接收信號RFIN用分立元件處理得到差分信號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)計的無線收發(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線收發(fā)器〔RadioTransceiver送來的射頻信號進(jìn)行功率放大,保證有足夠大的輸出功率滿足設(shè)計需求。功率放大器的設(shè)計是一個十分專業(yè)的話題,也有很多人,很多高級的射頻工程師在這方面進(jìn)行過十分深入的研究,我在這里只針對我們的Wi-Fi產(chǎn)品的常用的設(shè)計方法進(jìn)行討論。我們的產(chǎn)品中,功率放大器的組成無非就是一顆芯片配上幾顆外圍的器件,但是在大功率的場合,幾乎不會有人用集成電路去做功率放大,一般都是用分立元件設(shè)計出來的,晶體管或場效應(yīng)管。在我們目前的所有設(shè)計中,功率放大器都是用集成電路來實現(xiàn)的。如圖3-1所示,是通常的功率放大器的設(shè)計框圖。圖3-1功率放大器的框圖功率放大器的設(shè)計會考慮很多參數(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)系著信號質(zhì)量。我在這里把功率放大器〔在本章的以下內(nèi)容中簡稱功放分為以下幾個部分進(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,增益控制,溫度檢測。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給出了一個典型的功放芯片的原理圖符號,包括以下管腳：VCC主電源供電管腳VC1一級功率放大供電管腳VC2二級功率放大供電管腳RFIN射頻信號輸入管腳RFOUT射頻信號輸出管腳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是來自收發(fā)器〔Transceiver的控制信號,是直流電壓,POWER_DETECT是功放芯片輸出的發(fā)射功率檢測值,也是直流電壓,而RFIN和RFOUT是最重要的射頻信號管腳。3.1.2.功放芯片的主要廠商在市場上的產(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給出了幾個實際項目中所采用的功放芯片的型號。表3-1Atheros的設(shè)計中采用的功放芯片表3-2Ralink的設(shè)計中采用的功放芯片通過以上表格,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這個項目中,使用的功放芯片是SiGe的,在AP96現(xiàn)在的設(shè)計中,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復(fù)雜的過程,在實際的選擇過程中,我們一般會考慮如下的幾項參數(shù)：工作頻率小信號增益最大線性輸出功率1dB壓縮點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中都會完整給出,有些Datasheet只能給出部分參數(shù)。各項參數(shù)的意義想必大家都很清楚,我在這里就不做過多的解釋了。一個典型的功放芯片的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,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)部第一級放大的供電,VC2是芯片內(nèi)部第二級放大的供電。這里有個很重要的問題需要注意,VC1和VC2不是簡單的供電管腳,這兩個管腳通常不會直接連接到電源上,一般會串聯(lián)一個電感〔或者電阻再連接到電源上,為什么呢？這是因為這是為芯片內(nèi)的功率晶體管〔或場效應(yīng)管供電的管腳,通常在分離元件組成的功率放大電路中,我們都會看到在晶體管的集電極〔或者場效應(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題,另一個值得注意的就是,功放電路處理的模擬信號,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。另一個極為重要的問題是,如圖3-3所示,在每個電源管腳處,都需要放置一個濾波電容組合,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。對于VC1和VC2這兩個管腳,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部分,一個是帶通濾波器〔BandPassFilter,BPF,一個是∏型匹配網(wǎng)絡(luò),我們分開兩部分來講。3.3.1.帶通濾波器我們知道,2.4GHz頻段的子載波有13個,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輸出的信號包括了從2.412GHz到2.437GHz這樣的一個頻率帶,因此,為了能夠使有用的信號順利地進(jìn)入功放芯片,無用的雜亂信號被濾除,一般會在功放芯片的輸入回路上放置一個帶通濾波器。帶通濾波器有三種實現(xiàn)方法,一種是使用已經(jīng)設(shè)計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)點就是沒有成本,最突出的缺點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)計帶通濾波器需要復(fù)雜的計算過程,也需要較強(qiáng)的數(shù)學(xué)功底,我們在這里不進(jìn)行過多的研究。接下來我們主要討論如何選擇一款已經(jīng)設(shè)計好的帶通濾波器。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)計中是極其重要的,很多時候,我們設(shè)計或者調(diào)試射頻電路,都是在解決匹配的問題,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。∏型匹配網(wǎng)絡(luò)一般直接放在功放芯片的輸入端,也就是放在RFIN這個管腳處,通常芯片的管腳不會匹配到50歐姆,我們也不會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∏,我們來看一下實際的∏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)計的輸入回路以上我們討論了功放電路的輸入回路的兩個組成部分,帶通濾波器和∏型匹配網(wǎng)絡(luò),有了這兩個部分,我們就可以設(shè)計一個完整的輸入回路了。如圖3-6所示,就是一個設(shè)計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∏型匹配網(wǎng)絡(luò)。圖3-6完整設(shè)計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)計中也是唯一的組成部分就是低通濾波器,這時可能有人會問,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？原因很簡單,這里的低通濾波器要解決的主要問題時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題就是匹配問題。其實,在射頻電路的設(shè)計中,匹配的這個問題會一直伴隨著我們。濾波器的設(shè)計需要很復(fù)雜的計算,在這里我不想探討過多的理論知識,所以,我就不給出如何計算的方法,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)計一般會使用三個元件,而Ralink一般會使用五個元件。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就組成了一個低通濾波器,來自功放芯片的信號PA_OUT經(jīng)過濾波器后得到LPF_OUT這信號送至后續(xù)電路。圖3-7Ralink常用的低通濾波器這時,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)計的功率放大器輸出回路3.5.功率檢測功率檢測功能在我們的很多設(shè)計中都可以找到,這項功能可以使無線收發(fā)器〔RadioTransceiver時刻監(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,無線收發(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)定在一個固定的值。功率檢測電路輸出的是直流電壓值,這個電壓值送給無線收發(fā)器之后,無線收發(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。功率檢測實現(xiàn)的方法通常有兩種,在Ralink的設(shè)計中,通常使用功放芯片自身的功率檢測功能；在Atheros的設(shè)計中,除了使用功放芯片本身的功率檢測功能之外,一般還會有一種Atheros特有的設(shè)計,我們將分成兩部分討論。3.5.1.芯片內(nèi)建的功率檢測我們在圖3-2中已經(jīng)看到,一般的功放芯片會有POWER_DETECT這樣的一個管腳,這個管腳的作用就是用于功率檢測的。使用芯片內(nèi)建的功率檢測功能可以簡化電路設(shè)計,常見的完整形式如圖3-9所示。圖3-9常見的使用內(nèi)建功率檢測功能的電路形式3.5.2.芯片外圍的功率檢測電路我們在這里用單獨的一節(jié)來討論外圍的檢測電路,其實要講的就是Atheros的方案,因為這個設(shè)計實在是太有個性了,讓我們來一起見識一下吧。如圖3-10所示,就是Atheros常用的功率檢測方案。圖中的PC1就是一個印制耦合器〔PrintedCoupler,來自功率放大器的輸出信號LPF_OUT經(jīng)過耦合器,就在2,3腳感應(yīng)到高頻交變電壓,這個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,無線收發(fā)器就可以得到這個電壓值從而做作出相應(yīng)的動作。這里有一點需要注意的是,整流二極管D1一定要選擇工作頻率很高的二極管,例如這個設(shè)計中的SMS7630的工作頻率就達(dá)10GHz。圖3-10Atheros常用的功率檢測方案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有兩個或者兩個以上,分別改變的是第一級放大和第二級放大的增益值,圖3-11是典型的增益控制原理圖。來自收發(fā)器的控制信號PA_GAIN經(jīng)過R245和C248組成的RC濾波電路〔濾除來自收發(fā)器的可能的交流成分通過兩個電阻作用于功放芯片的GAIN_1和GAIN_2兩個管腳,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.溫度檢測溫度檢測功能在Ralink的方案中使用的很多,但是在Atheros的方案就未曾見過。這一功能可以檢測功放芯片的溫度,防止芯片溫度過熱而燒毀。另外一個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,會對功放芯片的輸出功率會造成比較大的影響,如果無線收發(fā)器通過溫度檢測電路得知當(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)境溫度改變時依然可保持穩(wěn)定的功率輸出,這對于提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性是有好處的。圖3-12給出的是Ralink的典型的溫度檢測電路。圖中的RT1是熱敏電阻,當(dāng)環(huán)境溫度改變時,自身的阻值會發(fā)生變化,這樣,顯而易見,TMP_DET的值就會發(fā)生變化,這樣,收發(fā)器就可以檢測到環(huán)境的溫度了。溫度檢測電路一般會放置在功放芯片的附近。圖3-12Ralink常用的溫度檢測電路3.8.完整設(shè)計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)計了,如圖3-13所示。我們來看一看,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中會給出一份參考設(shè)計,這對于我們的設(shè)計具有一定的指導(dǎo)作用。圖3-13完整設(shè)計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和無線收發(fā)器〔RadioTransceiver之間,對天線感應(yīng)到的信號進(jìn)行放大,這樣才能使無線收發(fā)器進(jìn)行有效的處理?？梢哉f,低噪聲放大器的性能直接影響著整個設(shè)計的靈敏度。低噪聲放大器的框圖如圖4-1所示,有四個部分組成,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：信號通過放大器之后,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,工作頻帶就是指放大器的正常工作的頻率范圍,動態(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〔場效應(yīng)管的選擇,以下簡稱微波器件的選擇,往往對于低噪聲放大器的設(shè)計起著至關(guān)重要的影響。我們先來看一看在我們公司的設(shè)計中,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實現(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。我們在這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,幾乎在每個設(shè)計中都中規(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,輸出回路通常也會放置匹配網(wǎng)絡(luò),同樣,Atheros一般還是不這樣做,他們最多會放置一個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)接收到的信號強(qiáng)度較低時,我們可以提高低噪聲放大器的增益,保證信號可以正常被接收；當(dāng)接收信號的強(qiáng)度較高時,可以降低低噪聲放大器的增益,以免造成信號阻塞。這就是所謂的自動增益控制〔AutoGainControl,AGC同樣,這對于提高產(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？因為低噪聲放大器的增益是依靠改變供電電壓來實現(xiàn)的,這樣就很容易理解了。學(xué)過模擬電路的都會知道,三極管放大電路的放大倍數(shù)和供電電壓有密切關(guān)系,對于芯片說也同樣如此。圖4-4給出了常見的增益控制的電路形式。圖中的LNA_GAIN既是來自無線收發(fā)器〔RadioTransceiver增益控制信號,又是低噪聲放大器的供電電源,C104是濾波電容,顯而易見,低噪聲放大器的增益直接與LNA_GAIN的電壓有關(guān)。圖4-4常見的增益控制的電路形式4.6.完整設(shè)計的低噪聲放大器在這里,我要向大家展示的是一款設(shè)計十分細(xì)膩的低噪聲放大器,這也是我見過的設(shè)計最為優(yōu)秀的低噪聲放大器,就是來自某實際案例中的2.4GHz頻段的放大器,讓我們來一同領(lǐng)略它的風(fēng)采,如圖4-5所示。圖中的LNA_GAIN是來自無線收發(fā)器〔RadioTransceiver的增益控制信號,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,來自切換芯片〔Switch的LNA_IN通過低通濾波器之后經(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,在每一個節(jié)點處,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,從而實現(xiàn)性能優(yōu)秀的低噪聲放大電路。圖4-5某實際案例中設(shè)計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,我們分成四個部分來討論：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,通常就是一個單刀雙擲的開關(guān),開關(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,我們主要關(guān)注以下幾個參數(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比較奇怪的現(xiàn)象時我們很少看到在Datasheet中提到切換速度這樣的參數(shù)。在絕大多數(shù)設(shè)計中,幾乎無一例外的使用了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,會發(fā)現(xiàn),Atheros會在發(fā)射回路上放置∏型匹配網(wǎng)絡(luò),但是Ralink則不會,一般就是通過電容直接耦合。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是來自功率放大器的輸出信號,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,SWITCH_TX與SWICTH_RX這兩個信號的組合就控制著是打開發(fā)射通路還是打開接收通路。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,會在天線回路中放置一個印制濾波器〔PrintedFilter,圖中的PF1就是Atheros專有的印制濾波器。同樣,Ralink一般也不會在天線回路中設(shè)置濾波器或匹配電路。5.4.控制信號的處理我們已經(jīng)知道,圖5-4中的SWITCH_TX和SWITCH_RX是來自無線收發(fā)器〔RadioTransceiver的控制信號,是直流電壓,這樣,為了穩(wěn)定這個電壓值,避免造成切換器的誤動作,我們一般會在控制通路上串聯(lián)一個電阻〔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有誤動作,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。圖5-4完整設(shè)計的切換電路第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,因為目前我還不太懂天線設(shè)計,而且天線設(shè)計是一個十分專業(yè)和復(fù)雜的學(xué)科。在這里我想要說的其實就只是一個問題：一定要在天線或者天線連接器的附近放置一個∏型匹配網(wǎng)絡(luò),這一點是我們做射頻設(shè)計的人必須要牢記的事實。看一下Atheros和Ralink的方案,會發(fā)現(xiàn)∏型匹配網(wǎng)絡(luò)是必不可少的,典型的設(shè)計如圖6-1所示。圖6-1典型的天線連接器電路設(shè)計第7章.

完整設(shè)計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。我想你已經(jīng)知道了——沒錯,只要把我們每個部分的完整設(shè)計組合在一起,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,我們不要急,我們再來回顧一下在本文一開始提到的射頻設(shè)計框圖,如圖7-1。相信大家這時一定已經(jīng)可以把每一個部分細(xì)化,得到更加詳細(xì)的射頻設(shè)計框圖。圖7-1射頻設(shè)計框圖通過前面的討論,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,溫度檢測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)計詳細(xì)框圖現(xiàn)在,讓我們將各個模塊的詳細(xì)電路圖,看看我們得到了什么。沒錯,我們得到了完整的設(shè)計圖,如圖7-3所示。在這個原理圖中,我們設(shè)計的是一收一發(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)計一個虛擬案例中的射頻電路,那將是在沒有參考設(shè)計的情況下進(jìn)行設(shè)計。這聽起來似乎有些瘋狂,但是我覺得是可以實現(xiàn)的,因為我們有知識,有智慧。在設(shè)計過程中,我將首先從PRD出發(fā),找到和射頻設(shè)計有關(guān)的參數(shù),然后進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計,在設(shè)計過程中,將密切配合理論計算與ADS仿真,最終完成完整的射頻電路的設(shè)計。在下一版中,我也會用一章的內(nèi)容去講解FrontendModule的使用。更多精彩內(nèi)容敬請關(guān)注《Wi-Fi產(chǎn)品的一般射頻電路設(shè)計第二版》〔GeneralRFDesignInWi-FiProduct,Edition2。認(rèn)真讀過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)品開發(fā)過程中的一些射頻調(diào)試經(jīng)驗,記錄并描述在實際項目開發(fā)中遇到并解決問題的過程。1

前言這份文檔總結(jié)了我工作一年半以來的一些射頻〔RadioFrequency調(diào)試〔以下稱為Debug經(jīng)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(xiàn)在我想利用這份文檔與大家分享這些經(jīng)驗,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。個人感覺,Debug過程用的都是最簡單的基礎(chǔ)知識,如果能夠?qū)F的基礎(chǔ)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洞的理論知識,但是第二章的內(nèi)容除外。"微波頻率下的無源器件"這部分的內(nèi)容截取自我尚未完成的"長篇大論"——Wi-Fi產(chǎn)品的一般射頻電路設(shè)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(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的回路中可能還是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(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)部會產(chǎn)生很強(qiáng)的磁場,這種磁場迫使電子向?qū)w的邊緣聚集,從而使電流只在導(dǎo)線的表面流動,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)果會怎樣？當(dāng)信號沿導(dǎo)體傳輸時衰減會很嚴(yán)重。

在實際的高頻場合,如收音機(jī)的感應(yīng)線圈,為了減少趨膚效應(yīng)造成的信號衰減,通常會使用多股導(dǎo)線并排繞線,而不會使用單根的導(dǎo)線。

我們通常用趨膚深度來描述趨膚效應(yīng)。趨膚深度是頻率與導(dǎo)線本身共同的作用,在這里我們不會作深入的討論。2.1.2.

直線電感我們知道,在有電流流過的導(dǎo)線周圍會產(chǎn)生磁場,如果導(dǎo)線中的電流是交變電流,那么磁場強(qiáng)度也會隨著電流的變化而變化,因此,在導(dǎo)線兩端會產(chǎn)生一個阻止電流變化的電壓,這種現(xiàn)象稱之為自感。也就是說,微波頻率下的導(dǎo)線會呈現(xiàn)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(nèi)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(dǎo)線〔或者導(dǎo)體都會呈現(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,電阻是描述某種材料阻礙電流流動的特性,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單描述電阻,這個時候,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,同一個電阻會呈現(xiàn)出不同的阻值。想想平時在我們進(jìn)行Wi-Fi產(chǎn)品的設(shè)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(guān)系。圖2-2電阻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(dāng)頻率為0時〔對應(yīng)直流信號,電阻呈現(xiàn)出的阻值就是其自身的阻值；當(dāng)頻率提高時,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,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。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,我在這里介紹幾個平時大家在選料是可能不會關(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)出來的卻是電感的特性。一般來說,大容量的電容會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0.1uF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(jīng)典公式似乎說明當(dāng)頻率一定時,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0.1uF的電容會表現(xiàn)出比100pF電容更大的阻抗,這也是我們在設(shè)計電源電路時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。2.3.2.

電容的容量與溫度特性在CIS庫中選料時,我們總會發(fā)現(xiàn)電容有一項參數(shù)為X7R或者X5R,NPO等,我特此搜尋相關(guān)資料,翻譯過來,寫在這一節(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),不同的值也對應(yīng)著一定的電容容量的范圍。具體來說,就是：X7R常用于容量為3300pF~0.33uF的電容,這類電容適用于濾波,耦合等場合,電介質(zhì)常數(shù)比較大,當(dāng)溫度從0°C變化為70°C時,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。如果電感是一個理想電感,那么Q值應(yīng)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,因為這個時候Rs只是導(dǎo)線的直流電阻,這是一個很小的值。當(dāng)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(yīng)還不明顯；但是,當(dāng)頻率提高到一定的程度的時候,趨膚效應(yīng)就不可忽視了,這時串聯(lián)電阻Rs會隨著頻率的提高而變大,同時串聯(lián)電容C也開始發(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,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,可以降低線圈之間的分布電容；增大電感的磁導(dǎo)系數(shù),這通常用磁芯來實現(xiàn),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(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)驗分享3.1.

某無線AP2.4GHzChain0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〔VectorSignalAnalyzer,矢量信號分析儀上的功率也跌落至0dBm以下。稍微有點經(jīng)驗的人都可以得出一個結(jié)論："有東西燒掉了"。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(jié)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(chǎn)品的工作頻率較高,一般會通過頻域進(jìn)行信號檢測,也很少使用點測法進(jìn)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(xiàn)象：輸出功率超級大,星座圖一片模糊,無法解調(diào)。這是一個稍顯復(fù)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TargetPower和實際功率值相一致,這是