Wi-Fi产品射频电路调试经验及问题分析

2011-04-04 00:21:32来源: 飞象网
    这份文档是生花通信的一线射频工程师总结了的Wi-Fi产品开发过程中的一些射频调试经验,记录并描述在实际项目开发中遇到并解决问题的过程。

  1 前言

  这份文档总结了我工作一年半以来的一些射频(Radio Frequency)调试(以下称为Debug)经验,记录的是我在实际项目开发中遇到并解决问题的过程。现在我想利用这份文档与大家分享这些经验,如果这份文档能够对大家的工作起到一定的帮助作用,那将是我最大的荣幸。

  个人感觉,Debug过程用的都是最简单的基础知识,如果能够对RF的基础知识有极为深刻(注意,是极为深刻)的理解,我相信,所有的Bug解起来都会易如反掌。同样,我的这篇文档也将会以最通俗易懂的语言,讲述最通俗易懂的Debug技巧。

  在本文中,我尽量避免写一些空洞的理论知识,但是第二章的内容除外。“微波频率下的无源器件”这部分的内容截取自我尚未完成的“长篇大论”Wi-Fi产品的一般射频电路设计(第二版)。

  我相信这份文档有且不只有一处错误,如果能够被大家发现,希望能够提出,这样我们就能够共同进步。

  2 微波频率下的无源器件

  在这一章中,主要讲解微波频率下的无源器件。一个简单的问题:一个1K的电阻在直流情况下的阻值是1K,在频率为10MHz的回路中可能还是1K,但是在10GHz的情况下呢?它的阻值还会是1K吗?答案是否定的。在微波频率下,我们需要用另外一种眼光来看待无源器件。

  2.1. 微波频率下的导线

  微波频率下的导线可以有很多种存在方式,可以是微带线,可以是带状线,可以是同轴电缆,可以是元件的引脚等等。

  2.1.1. 趋肤效应

  在低频情况下,导线内部的电流是均匀的,但是在微波频率下,导线内部会产生很强的磁场,这种磁场迫使电子向导体的边缘聚集,从而使电流只在导线的表面流动,这种现象就称为趋肤效应。趋肤效应导致导线的电阻增大,结果会怎样?当信号沿导体传输时衰减会很严重。

  在实际的高频场合,如收音机的感应线圈,为了减少趋肤效应造成的信号衰减,通常会使用多股导线并排绕线,而不会使用单根的导线。

  我们通常用趋肤深度来描述趋肤效应。趋肤深度是频率与导线本身共同的作用,在这里我们不会作深入的讨论。

  2.1.2. 直线电感

  我们知道,在有电流流过的导线周围会产生磁场,如果导线中的电流是交变电流,那么磁场强度也会随着电流的变化而变化,因此,在导线两端会产生一个阻止电流变化的电压,这种现象称之为自感。也就是说,微波频率下的导线会呈现出电感的特性,这种电感称为直线电感。也许你会直线电感很微小,可以忽略,但是我们将会在后面的内容中看到,随着频率的增高,直线电感就越来越重要。

  电感的概念是非常重要的,因为微波频率下,任何导线(或者导体)都会呈现出一定的电感特性,就连电阻,电容的引脚也不例外。

  2.2. 微波频率下的电阻

  从根本上说,电阻是描述某种材料阻碍电流流动的特性,电阻与电流,电压的关系在欧姆定律中已经给出。但是,在微波频率下,我们就不能用欧姆定律去简单描述电阻,这个时候,电阻的特性应经发生了很大的变化。

  2.2.1. 电阻的等效电路

  电阻的等效电路如图2-1所示。其中R就是电阻在直流情况下电阻自身的阻值,L是电阻的引脚,C因电阻结构的不同而不同。我们很容易就可以想到,在不同的频率下,同一个电阻会呈现出不同的阻值。想想平时在我们进行Wi-Fi产品的设计,几乎不用到直插的元件(大容量电解电容除外),一方面是为了减小体积,另一方面,也是更为重要的原因,减小元件引脚引起的电感。

  
图2-1 电阻的等效电路

  图2-2定性的给出了电阻的阻值与频率的关系。

  

  
图2-2 电阻的阻值与频率

  我们试着分析电阻具有这样的特性的原因。当频率为0时(对应直流信号),电阻呈现出的阻值就是其自身的阻值;当频率提高时,电阻呈现出的阻值是自身的阻值加上电感呈现出的感抗;当频率进一步提高时,电阻自身的阻值加上电感的感抗已经相当的大,于是电阻表现出的阻值就是那个并联的电容的容抗,而且频率越高,容抗越小。

  2.3. 微波频率下的电容

  在射频电路中,电容是一种被广泛使用的元件,如旁路电容,级间耦合,谐振回路,滤波器等。和电阻一样,微波频率下电容的容抗特性也会发生很大的变化。

  2.3.1. 电容的等效电路

  我们知道,电容的材料决定着电容的特性参数,电容的等效电路如图2-3所示。C是电容自身的容值,Rp为并联的绝缘电阻,Rs是电容的热损耗,L是电容的引脚的电感。

  
图2-3 电容的等效电路

  关于电容,我在这里介绍几个平时大家在选料是可能不会关注的参数。

  

  图2-4定性的给出了电容在不同频率下的表现出的电抗特性。图中的纵轴为插入损耗(Insertion Loss),也就是由于电容的加入引起的损耗。

  
图2-4 电容在不同频率下的电抗特性

  显然,在转折之前,电容表现出的是电容的特性,转折之后,电容表现出来的却是电感的特性。一般来说,大容量的电容会比小容量的电容表现出更多的电感特性。因此,在250MHz的频率下,一个0.1uF的旁路电容不一定比100pF的电容效果更好。换句话说,容抗的经典公式

  似乎说明当频率一定时,电容的容量越大,容抗越小。但是在微波率下,结论是相反的。在微波频率下,一个0.1uF的电容会表现出比100pF电容更大的阻抗,这也是我们在设计电源电路时为什么要在大容量的电解电容;两端并联小容量的电容的原因,这些小容量的电容用于消除高频的噪声信号。

  2.3.2. 电容的容量与温度特性

  在CIS库中选料时,我们总会发现电容有一项参数为X7R或者X5R,NPO等,我特此搜寻相关资料,翻译过来,写在这一节中。

  这类参数描述了电容采用的电介质材料类别,温度特性以及误差等参数,不同的值也对应着一定的电容容量的范围。具体来说,就是:

  X7R常用于容量为3300pF~0.33uF的电容,这类电容适用于滤波,耦合等场合,电介质常数比较大,当温度从0°C变化为70°C时,电容容量的变化为±15%;

  Y5P与Y5V常用于容量为150pF~2nF的电容,温度范围比较宽,随着温度变化,电容容量变化范围为±10%或者+22%/-82%。

  对于其他的编码与温度特性的关系,大家可以参考表2-1。例如,X5R的意思就是该电容的正常工作温度为-55°C~+85°C,对应的电容容量变化为±15%。

  

表2-1 电容的温度与容量误差编码

  
2.4.1. 电感的等效电路

  不难想象,导线的本身存在一定的电阻,相邻量个线圈之前存在一定的电容,于是,我们得到如图2-5所示的电感的等效电路。其中Rs为导线存在的电阻,L为电感自身的感值,C是等效电容。电感的电感量-频率曲线与电阻的阻抗-频率曲线颇有些相似,这与它们具有类似的等效电路有直接关系。读者可自行分析电感的频率特性曲线。

  
图2-5 电感的等效电路

  2.4.2. 电感的Q值

  电感的感抗与串联电阻Rs的比值称为电感的Q值,即Q=X/Rs与电容类似,Q值越大,则电感的质量越好。如果电感是一个理想电感,那么Q值应该是无限大,但是实际中不存在理想的电感,所以Q值无限大的电感是不存在的。

  在低频情况下,电感的Q值非常大,因为这个时候Rs只是导线的直流电阻,这是一个很小的值。当频率升高时,电感的感抗X会变大,所以电感的Q值会随着频率的提高而增大(这个时候趋肤效应还不明显);但是,当频率提高到一定的程度的时候,趋肤效应就不可忽视了,这时串联电阻Rs会随着频率的提高而变大,同时串联电容C也开始发挥作用,从而导致Q值随着频率的提高而降低。图2-6给出了某公司的一款电感的Q值与频率的关系。

  
图2-6 某公司的电感的Q值与频率变化关系曲线

  为了尽量增大电感的Q值,在制作电感时,我们通常可以采用以下的几种方法:

  使用直径较大的导线,可以降低电感的直流阻抗;

  将电感的线圈拉开,可以降低线圈之间的分布电容;

  增大电感的磁导系数,这通常用磁芯来实现,如铁氧体磁芯。

  其实,电感的手工制作,是射频工程师的必修课,但是这部分内容比较复杂,本文暂不进行讨论,感兴趣的读者可以查阅相关文献。

  3 RF Debug经验分享

  3.1. 某无线AP 2.4GHz Chain0 无输出功率

  在一次对某无线AP(双频大功率11n无线AP)的测试过程中,突然听到一声清脆悦耳的破裂声,随后看到一缕青烟缓缓的从板子上升起(可惜没看清具体是哪个位置),周围便迅速充满了令人不爽的焦臭味,VSA(Vector Signal Analyzer,矢量信号分析仪)上的功率也跌落至0dBm以下。稍微有点经验的人都可以得出一个结论:“有东西烧掉了”。

  没有输出功率,可想而知,一定是Tx回路的某个器件损坏了,但是究竟是哪个呢?

首先采用目测法(所谓目测法就是直接用眼睛观察元器件的外观,查看是否有破裂或者烧焦的痕迹),结

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关键字:Wi-Fi  射频电路

编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/xfdz/2011/0404/article_5505.html
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