WiFi產(chǎn)品射頻電路調(diào)試經(jīng)驗談

2016-09-29 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

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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”—— WiFi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,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,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 WiFi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?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(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。

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 WiFi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?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,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,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

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不準的問題。我們都知道二極管的單向?qū)щ娞匦?為了防止該無線網(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,個人認為,點測法是解決類似這種問題的最快手段,在使用ART進行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,細節(jié)部分讀者請參閱uPG2179 Datasheet與AR9280(此項目的Transceiver)的參考設(shè)計。

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