Wi-Fi产品射频电路调试经验谈

1 序言

这份文档总结了我事情一年半以来的一些射频（Radio Frequency）调试（以下称为Debug）履历，记录的是我在实际项目开拓中碰着并办理问题的过程。
现在我想利用这份文档与大家分享这些履历，如果这份文档能够对大家的事情起到一定的帮助浸染，那将是我最大的荣幸。

个人觉得，Debug过程用的都是最大略的根本知识，如果能够对RF的根本知识有极为深刻（把稳，是极为深刻）的理解，我相信，所有的Bug解起来都会轻而易举。
同样，我的这篇文档也将会以最普通易懂的措辞，讲述最普通易懂的Debug技巧。

在本文中，我只管即便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产品的一样平常射频电路设计（第二版）。

我相信这份文档有且不但有一处缺点，如果能够被大家创造，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，紧张讲解微波频率下的无源器件。
一个大略的问题：一个1K的电阻在直流情形下的阻值是1K，在频率为10MHz的回路中可能还是1K，但是在10GHz的情形下呢？它的阻值还会是1K吗？答案是否定的。
在微波频率下，我们须要用其余一种眼力来看待无源器件。

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办法，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

在低频情形下，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，这种磁场迫使电子引导体的边缘聚拢，从而使电流只在导线的表面流动，这种征象就称为趋肤效应。
趋肤效应导致导线的电阻增大，结果会若何？当旗子暗记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旗子暗记衰减，常日会利用多股导线并排绕线，而不会利用单根的导线。

我们常日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浸染，在这里我们不会作深入的谈论。

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革而变革，因此，在导线两端会产生一个阻挡电流变革的电压，这种征象称之为自感。
也便是说，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。
大概你会直线电感很眇小，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，直线电感就越来越主要。

电感的观点是非常主要的，由于微波频率下，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大略描述电阻，这个时候，电阻的特性应经发生了很大的变革。

2.2.1. 电阻的等效电路

电阻的等效电路如图2-1所示。
个中R便是电阻在直流情形下电阻自身的阻值，L是电阻的引脚，C因电阻构造的不同而不同。
我们很随意马虎就可以想到，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，险些不用到直插的元件（大容量电解电容除外），一方面是为了减小体积，另一方面，也是更为主要的缘故原由，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

我们试着剖析电阻具有这样的特性的缘故原由。
当频率为0时（对应直流旗子暗记），电阻呈现出的阻值便是其自身的阻值；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称的大，于是电阻表现出的阻值便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，电容是一种被广泛利用的元件，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革。

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，我在这里先容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），也便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，在迁移转变之前，电容表现出的是电容的特性，迁移转变之后，电容表现出来的却是电感的特性。
一样平常来说，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

彷佛解释当频率一定时，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缘故原由，这些小容量的电容用于肃清高频的噪声旗子暗记。

2.3.2. 电容的容量与温度特性

在CIS库中选料时，我们总会创造电容有一项参数为X7R或者X5R，NPO等，我特此征采干系资料，翻译过来，写在这一节中。

这类参数描述了电容采取的电介质材料种别，温度特性以及偏差等参数，不同的值也对应着一定的电容容量的范围。
详细来说，便是：

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0C变革为70C时，电容容量的变革为15%；

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

对付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的意思便是该电容的正常事情温度为-55C~+85C，对应的电容容量变革为15%。

表2-1 电容的温度与容量偏差编码

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。
个中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。
读者可自行剖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。
如果电感是一个空想电感，那么Q值该当是无限大，但是实际中不存在空想的电感，以是Q值无限大的电感是不存在的。

在低频情形下，电感的Q值非常大，由于这个时候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，以是电感的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，趋肤效应就不可忽略了，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也开始发挥浸染，从而导致Q值随着频率的提高而降落。
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值与频率变革关系曲线

为了只管即便增大电感的Q值，在制作电感时，我们常日可以采取以下的几种方法：

利用直径较大的导线，可以降落电感的直流阻抗；

将电感的线圈拉开，可以降落线圈之间的分布电容；

增大电感的磁导系数，这常日用磁芯来实现，如铁氧体磁芯。

实在，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繁芜，本文暂不进行谈论，感兴趣的读者可以查阅干系文献。

3 RF Debug履历分享

3.1. 某无线AP 2.4GHz Chain0 无输出功率

在一次对某无线AP（双比年夜功率11n无线AP）的测试过程中，溘然听到一声清脆悦耳的分裂声，随后看到一缕青烟缓缓的从板子上升起（可惜没看清详细是哪个位置），周围便迅速充满了令人不爽的焦臭味，VSA（Vector Signal Analyzer，矢量旗子暗记剖析仪）上的功率也跌落至0dBm以下。
轻微有点履历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回路的某个器件破坏了，但是究竟是哪个呢？

首先采取目测法（所谓目测法便是直接用眼睛不雅观察元器件的外不雅观，查看是否有分裂或者烧焦的痕迹），结果没看出来。

然后采取“点测法”，这时候你可能会问：“什么是点测法呢？”点测法便是用探针或探棒直接检测待测点的旗子暗记状态，常用于时域旗子暗记检测，如示波器，但是由于Wi-Fi产品的事情频率较高，一样平常会通过频域进行旗子暗记检测，也很少利用点测法进行检测。

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。

提及点测法，不得不说说大略单纯探针的制作。
取一条SMA Cable（如图3-1所示），将其一真个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就此华美转身，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

征象：输出功率超级大，星座图一片模糊，无法解调。

这是一个稍显繁芜的问题。

我们知道，Atheros的方案都会有输出功率的掌握部分，也便是让Target Power和实际功率值相同等，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，经由C208和R263送至后续的电路。
图中的PC1是一颗印制订向耦合器，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旗子暗记，并送至Transceiver检测，也便是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。

板子经由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打出旗子暗记，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）同等。

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无法得到精确的那个电压值，以是只能一贯提高自身的输出功率直至PA的输出功率达到饱和。
检讨L19，L18，D1，C217，R248，创造D1已开路，换一颗新的二极管，规复正常。

这里须要指出的是，采取定向耦合器进行输出功率掌握是Atheros特有的一种方法，Broadcom和Ralink中至今还未看到采取这种方法的。
其余，PA的本身一样平常都会内置功率检测单元，并通过一个引脚出来，常日成为V_DET。

3.3. 某无线网卡静态发热严重

征象：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。

第一判断便是PA并不是处于真正的“静态”，它们正在偷偷地事情！
那么，如何验证呢？拿来PA（SKY65137-11）的Demo板，用Power Supply供电，以便不雅观察其花费的电流。
上电，创造花费的电流险些为零，并不会涌现发热的征象，与该无线网卡的情形不一样。
研读SKY65137-11的Datasheet，一个关键的引脚PA_EN引起了我的把稳，这个引脚便是PA的使能引脚。
在上电情形下，将此引脚拉高至3.3V，创造5V花费的电流剧增，随之散发出大量的热，PA的表面温度急速上升。
将PA_EN与3.3V断开，5V花费的电流随之低落，这时，用手触碰PA_EN引脚，创造5V花费的电流在发生跳动，这解释人体感应到的微弱电旗子暗记足以使PA处于“Enable”状态，同时解释，PA_EN是一个很敏感的引脚，很微弱的旗子暗记就足以触发。

剖析该无线网卡的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

很随意马虎创造，SKY65137-11的PA_EN这个引脚是通过一个Level Shift电路直接与AR9220的掌握引脚进行连接，这样，AR9220掌握引脚的微弱扰动就可以触发PA，以是会导致静态情形下PA发热。

办理办法：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，办理了PA的发热问题

3.4. 某无线网卡 Calibrate 不准

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

首先经由排查，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，有太多不愿定的成分，这里不进行深入的剖析。
在3.2中已经谈论过，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；静态情形下，若PA无输出功率，则对应的电压值为零。
通过检测，创造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，也正是这个缘故原由，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引导电特性，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，我们便是采取了这种办法，可以很好的办理Calibrate不准的问题。

3.5. 某无线AP无输出旗子暗记

征象：ART运行统统正常，用VSA不雅观察，无任何输出旗子暗记。

回顾3.1中讲解的内容，我们提到了点测法，个人认为，点测法是办理类似这种问题的最快手段，在利用ART进行Continue Tx的情形下，利用探针依次检测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，一样平常来说，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，创造在T/R Switch输入端有旗子暗记，也即C379处有正常的RF旗子暗记，但是在T/R Switch输出端无旗子暗记，查阅T/R Switch uPG2179的Datasheet，创造，此时的掌握旗子暗记与预想的不符，细节部分读者请参阅uPG2179 Datasheet与AR9280（此项目的Transceiver）的参考设计。

（本文转自网络）