Wi-Fi產(chǎn)品射頻電路調(diào)試經(jīng)驗

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?，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?！拔⒉l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)拇螅谑请娮璞憩F(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（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(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 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1~2cm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(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)橹绷麟娦盘枺⑺椭罷ransceiver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(dāng)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(jìn)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，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(dá)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(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(yán)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，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，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(jìn)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(zhǔn)

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(jìn)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，而是零點幾伏的電壓值，這可能是PA自身的問題造成的，也正是這個原因，導(dǎo)致了該無線網(wǎng)卡的 Calibrate不準(zhǔn)的問題。我們都知道二極管的單向?qū)щ娞匦裕瑸榱朔乐乖摕o線網(wǎng)卡的2.4GHz與5GH頻段在Calibrate過程中相互影響，可以通過二極管將其分開。在該無線網(wǎng)卡后續(xù)的版本中，我們就是采用了這種方式，可以很好的解決Calibrate不準(zhǔn)的問題。

3.5. 某無線AP無輸出信號

現(xiàn)象：ART運行一切正常，用VSA觀察，無任何輸出信號。

回憶3.1中講解的內(nèi)容，我們提到了點測法，個人認(rèn)為，點測法是解決類似這種問題的最快手段，在使用ART進(jìn)行Continue Tx的情況下，使用探針依次檢測Transceiver輸出端，PA輸入端，PA輸出端，低通濾波器輸出端，T/R Switch輸入端及T/R Switch輸出端，一般來說，檢測這些點已經(jīng)足夠了。

按照上述的方法，我們依次檢測Tx回路的各點（以2.4GHz 鏈路0為例），如圖3-4所示。

圖3-4 2.4GHz 0鏈路檢測點

在實際的檢測過程中，發(fā)現(xiàn)在T/R Switch輸入端有信號，也即C379處有正常的RF信號，但是在T/R Switch輸出端無信號，查閱T/R Switch uPG2179的Datasheet，發(fā)現(xiàn)，此時的控制信號與預(yù)想的不符，細(xì)節(jié)部分讀者請參閱uPG2179 Datasheet與AR9280（此項目的Transceiver）的參考設(shè)計。