WiFi产品射频电路调试经验谈

2016-09-29 by:CAE仿真在线来源:互联网

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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”—— WiFi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 WiFi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),结果没看出来。

然后采用“点测法”,这时候你可能会问:“什么是点测法呢?”点测法就是用探针或探棒直接检测待测点的信号状态,常用于时域信号检测,如示波器,但是由于 WiFi产品的工作频率较高,一般会通过频域进行信号检测,也很少使用点测法进行检测。

实践证明,点测法是一种确定RF问题所在的快速有效的手段。

说起点测法,不得不说说简易探针的制作。取一条SMA Cable(如图3-1所示),将其一端的SMA连接器去掉(不可以将两端的都去掉),剥去长度1~2cm屏蔽层,使其芯线露出。这样,一段普通的SMA Cable就此华丽转身,升级为点测探针,成为一种检测利器,也成为了RF工程师的好助手。

3.2. 输出功率过大

现象:输出功率超级大,星座图一片模糊,无法解调。

这是一个稍显复杂的问题。

我们知道,Atheros的方案都会有输出功率的控制部分,也就是让Target Power和实际功率值相一致,这是如何实现的呢?我们将AP96的2.4GHz PA部份电路取出进行研究,如图3-2所示。

图3-2 2.4GHz PA电路

在图3-2中,U27及其外围电路组成了功率放大器,经过C208和R263送至后续的电路。图中的PC1是一颗印制定向耦合器,其3,4两脚的电压随着输出功率的增大而增大,L18,L19,D1,C217和R248组成了半波整流电路,将定向耦合器感应到的电压变为直流电信号,并送至Transceiver检测,也就是AR9223_PDET_0这个网络。这样,Transceiver就可以随时知道当前的输出功率,功率与电压值的关系是在Calibrate的过程中建立的。

板子经过Calibrate并Load EEPROM之后,我们用ART进行Continue Tx,这时,板子会按照我们设定的Target Power打出信号,Transceiver会提高自身的输出功率直至与Calibrate过程中记录的对应的那个电压值(AR9223_PDET_0)一致。

这时我们回到一开始的问题“输出功率超级大,星座图一片模糊,无法解调”,怎么回事?肯定是Transceiver无法得到正确的那个电压值,所以只能一直提高自身的输出功率直至PA的输出功率达到饱和。检查L19,L18,D1,C217,R248,发现D1已开路,换一颗新的二极管,恢复正常。

这里需要指出的是,采用定向耦合器进行输出功率控制是Atheros特有的一种方法,Broadcom和Ralink中至今还未看到采用这种方法的。另外,PA的本身一般都会内置功率检测单元,并通过一个引脚出来,通常成为V_DET。

3.3. 某无线网卡静态发热严重

现象:某无线网卡上电后,不做任何操作,四颗PA就发出很大的热量,PA的表面温度很高,很烫手。

第一判断就是PA并不是处于真正的“静态”,它们正在偷偷地工作!那么,如何验证呢?拿来PA(SKY65137-11)的Demo板,用Power Supply供电,以便观察其消耗的电流。上电,发现消耗的电流几乎为零,并不会出现发热的现象,与该无线网卡的情况不一样。研读SKY65137-11的Datasheet,一个关键的引脚PA_EN引起了我的注意,这个引脚就是PA的使能引脚。在上电情况下,将此引脚拉高至3.3V,发现5V消耗的电流剧增,随之散发出大量的热,PA的表面温度立刻上升。将PA_EN与3.3V断开,5V消耗的电流随之下降,这时,用手触碰PA_EN引脚,发现5V消耗的电流在发生跳动,这说明人体感应到的微弱电信号足以使PA处于“Enable”状态,同时说明,PA_EN是一个很敏感的引脚,很微弱的信号就足以触发。

分析该无线网卡的SKY65137-11单元电路,如图3-3所示(不包括Level Shift)。

图3-3 SKY65137-11单元电路

很容易发现,SKY65137-11的PA_EN这个引脚是通过一个Level Shift电路直接与AR9220的控制引脚进行连接,这样,AR9220控制引脚的微弱扰动就可以触发PA,所以会导致静态情况下PA发热。

解决办法:在PA_EN引脚处用一颗10K电阻下拉倒地,使常态下PA处于关闭状态。

通过上述办法,解决了PA的发热问题

3.4. 某无线网卡 Calibrate 不准

现象:该无线网卡经Calibrate之后,实际输出功率与Target Power不一致。

首先经过排查,确定不是Cable Loss与ART的设定问题。该无线网卡的RF部份是我们自主设计的,有太多不确定的因素,这里不进行深入的分析。在3.2中已经讨论过,Atheros的方案通过检测PA的输出功率对应的电压值来实现输出功率的稳定;静态情况下,若PA无输出功率,则对应的电压值为零。通过检测,发现SKY65135-21(2.4GHz PA)在静态下输出的V-Detect并不是零,而是零点几伏的电压值,这可能是PA自身的问题造成的,也正是这个原因,导致了该无线网卡的Calibrate不准的问题。我们都知道二极管的单向导电特性,为了防止该无线网卡的2.4GHz与5GH频段在Calibrate过程中相互影响,可以通过二极管将其分开。在该无线网卡后续的版本中,我们就是采用了这种方式,可以很好的解决Calibrate不准的问题。

3.5. 某无线AP无输出信号

现象:ART运行一切正常,用VSA观察,无任何输出信号。

回忆3.1中讲解的内容,我们提到了点测法,个人认为,点测法是解决类似这种问题的最快手段,在使用ART进行Continue Tx的情况下,使用探针依次检测Transceiver输出端,PA输入端,PA输出端,低通滤波器输出端,T/R Switch输入端及T/R Switch输出端,一般来说,检测这些点已经足够了。

按照上述的方法,我们依次检测Tx回路的各点(以2.4GHz 链路0为例),如图3-4所示。

图3-4 2.4GHz 0链路检测点

在实际的检测过程中,发现在T/R Switch输入端有信号,也即C379处有正常的RF信号,但是在T/R Switch输出端无信号,查阅T/R Switch uPG2179的Datasheet,发现,此时的控制信号与预想的不符,细节部分读者请参阅uPG2179 Datasheet与AR9280(此项目的Transceiver)的参考设计。

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