WiFi产品射频电路调试经验谈

SIN2020

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. v: E. `) p/ N: e% h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。
& m+ u$ G. @$ g) h! N3 P. }& P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。
+ c. b% H$ _+ [' s- ]2  微波频率下的无源器件
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/ W9 }. B! Z: i! a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。
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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
5 B2 M) [* j( F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。
- \4 P) m) o8 v& Y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。
9 |8 z! J3 @$ y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。
4 `; K4 @0 m6 e1 N2.1.2.    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。
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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。
; ]6 N/ Q6 u4 J) t+ {  n! [! f% B2.2.1.    电阻的等效电路
; C( E5 ]5 K1 J: X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。
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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。
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/ B# y! V2 K* d" [2.3.    微波频率下的电容
; {, N0 |0 P! t% `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。
9 q4 ~4 k; u  t/ w2.3.1.    电容的等效电路
, h0 Y! w: y1 u# e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。
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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。

0 t) u) Z: R- A+ o0 c8 f) j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。
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2 `7 y7 U5 _% w* U+ @. P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
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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。
0 I0 ~/ f7 O, i4 H2.3.2.    电容的容量与温度特性
0 x- f) B, @9 F* X* X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。
1 j1 b3 d+ t1 ]( }1 d: x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：
1 X0 n+ e0 r9 ^2 W# UX7R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%；
8 |. v. L9 i$ g  O; YY5P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%。
/ O; P' g/ O& x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
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) v- c+ m, h& f& F/ }. g2.4.1.    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。


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。
# q! H" c0 A0 @: I4 O3 E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。

( Z. C: B  u6 I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：
1 o: s- U% w, G* F! f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；
+ L2 O( b( l1 q  @9 O+ ^2 R, S6 s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。
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3 RF Debug经验分享

+ y7 w6 j/ q, w5 R. w" |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”。
) N0 y0 o. S' R% j: e4 r" }; `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？
1 p6 u9 y' e" Q4 B- Q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。
& `9 \2 {- ~3 }4 `) V! U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。
6 m- s, S7 y; @" _: S! P4 [2 @( ~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。
9 D. c; I7 A* u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。
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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。
$ Q) W) I4 v; B' z2 W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

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; o. K" o- j7 R( f. c9 q$ z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。
0 Z0 x1 W3 T% Y) {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。
! A% U  B) m: S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。
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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。
4 K( n+ m$ o! ]! W: @, n! H7 d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）。

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

1 T$ x. A' M( `; Y# F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。
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+ U6 [* e6 B" x8 [8 ~9 F5 m" U# G3 T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。
) r  z9 S9 K! h( ]* n6 Y1 Y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）。
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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。

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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）。

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看一下     

SIN2020

freedom1 发表于 2021-4-9 14:26
$ t+ X1 S/ S( p- d/ i: X0 s9 A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 ...

3 B1 k( H8 X& w( b你也这样觉得是吧！我也这样觉得。

ronny20sky

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