Wi-Fi產(chǎn)品射頻電路調(diào)試經(jīng)驗談

1、wi-fi 產(chǎn)品射頻電路調(diào)試經(jīng)驗談1 前言這份文檔總結(jié)了我工作一年半以來的一些射頻（radio frequency ）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。現(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饔茫菍⑹俏易畲蟮臉s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)

2、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，

3、 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？當信號沿導(dǎo)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(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，

4、如果導(dǎo)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(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

5、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。當頻率為 0時（對應(yīng)直流信

6、號），電阻呈現(xiàn)出的阻值就是其自身的阻值；當頻率提高時， 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； 當頻率進一步提高時， 電阻自身的阻值加上電感的感抗已經(jīng)相當?shù)拇螅?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

7、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（ insertion loss） ，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)典公式似乎說明當頻率一定時， 電容的容量越大， 容

8、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 3300pf0.33uf的電容，這類電容適用于濾波，耦合等場

9、合，電介質(zhì)常數(shù)比較大，當溫度從0c變化為 70c時，電容容量的變化為 15% ；y5p與 y5v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 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-55c+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，

10、 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

11、，當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?？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，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， 本文暫不進行討論，感興趣的讀者可以查閱相關(guān)文獻。

12、3 rf debug經(jīng)驗分享3.1. 某無線 ap 2.4ghz chain0 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

13、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?nèi)ラL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，升級為點測探針，成為一

14、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target power和實際功率值相一致， 這是如何實現(xiàn)的呢？我們將ap96 的2.4ghz pa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(jīng)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

15、 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?，并送至transceiver檢測，也就是 ar9223_pdet_0這個網(wǎng)絡(luò)。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(guān)系是在 calibrate的過程中建立的。板子經(jīng)過 calibrate并 load eeprom之后，我們用 art進行 continue tx，這時，板子會按照我們設(shè)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(yīng)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，

16、星座圖一片模糊，無法解調(diào)”，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(xiàn) d1已開路，換一顆新的二極管，恢復(fù)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(nèi)置功率檢測單元，并通過一個引腳出來，通常成為v_det 。3.3. 某無線網(wǎng)卡靜態(tài)發(fā)熱嚴重現(xiàn)象：某無線網(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

17、，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(xiàn)消耗的電流幾乎為零，并不會出現(xiàn)發(fā)熱的現(xiàn)象， 與該無線網(wǎng)卡的情況不一樣。 研讀 sky65137-11 的 datasheet ， 一個關(guān)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(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_en 與3.3v 斷開， 5v消耗的電流隨之下降，這時，

18、用手觸碰pa_en 引腳，發(fā)現(xiàn) 5v消耗的電流在發(fā)生跳動，這說明人體感應(yīng)到的微弱電信號足以使pa處于“ enable”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(wǎng)卡的sky65137-11 單元電路，如圖 3-3所示（不包括 level shift ） 。圖3-3 sky65137-11單元電路很容易發(fā)現(xiàn)， sky65137-11 的 pa_en 這個引腳是通過一個level shift電路直接與 ar9220 的控制引腳進行連接，這樣，ar9220 控制引腳的微弱擾動就可以觸發(fā)pa ，所以會導(dǎo)致靜態(tài)情況下pa發(fā)熱。解決辦法：在 pa_en 引腳處用一

19、顆 10k電阻下拉倒地，使常態(tài)下pa處于關(guān)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(wǎng)卡 calibrate 不準現(xiàn)象：該無線網(wǎng)卡經(jīng)calibrate之后，實際輸出功率與target power 不一致。首先經(jīng)過排查，確定不是cable loss 與 art的設(shè)定問題。該無線網(wǎng)卡的rf部份是我們自主設(shè)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(jīng)討論過， atheros 的方案通過檢測 pa的輸出功率對應(yīng)的電壓值來實現(xiàn)輸出功率的穩(wěn)定；靜態(tài)情況下，若pa無輸出功率，則對應(yīng)的電壓值為零。通過檢測，發(fā)現(xiàn) sky65135-21 （2.4ghz pa ）在靜態(tài)下輸出的v-detect 并不是零，而