這份文檔是生花通信的一線射頻" title="射頻">射頻工程師總結(jié)了的Wi-Fi" title="Wi-Fi">Wi-Fi產(chǎn)品" title="產(chǎn)品">產(chǎn)品開發(fā)過程中的一些射頻調(diào)試" title="調(diào)試">調(diào)試經(jīng)驗(yàn)" title="經(jīng)驗(yàn)">經(jīng)驗(yàn),，記錄并描述在實(shí)際項(xiàng)目開發(fā)中遇到并解決問題" title="問題">問題的過程,。
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(yàn)，記錄的是我在實(shí)際項(xiàng)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(yàn),，如果這份文檔能夠?qū)Υ蠹业墓ぷ髌鸬揭欢ǖ膸椭饔茫菍⑹俏易畲蟮臉s幸,。
個(gè)人感覺,，Debug過程用的都是最簡(jiǎn)單的基礎(chǔ)知識(shí)，如果能夠?qū)F的基礎(chǔ)知識(shí)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(huì)易如反掌。同樣,，我的這篇文檔也將會(huì)以最通俗易懂的語(yǔ)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(shí),，但是第二章的內(nèi)容除外。“微波頻率下的無源器件”這部分的內(nèi)容截取自我尚未完成的“長(zhǎng)篇大論”——Wi-Fi產(chǎn)品的一般射頻電路" title="電路">電路設(shè)計(jì)（第二版）,。
我相信這份文檔有且不只有一處錯(cuò)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(jìn)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(gè)簡(jiǎn)單的問題：一個(gè)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(huì)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(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的磁場(chǎng),，這種磁場(chǎng)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(dòng),，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(huì)怎樣,？當(dāng)信號(hào)沿導(dǎo)體傳輸時(shí)衰減會(huì)很嚴(yán)重,。
在實(shí)際的高頻場(chǎng)合，如收音機(jī)的感應(yīng)線圈,，為了減少趨膚效應(yīng)造成的信號(hào)衰減,，通常會(huì)使用多股導(dǎo)線并排繞線,，而不會(huì)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(huì)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(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，如果導(dǎo)線中的電流是交變電流,，那么磁場(chǎng)強(qiáng)度也會(huì)隨著電流的變化而變化,，因此，在導(dǎo)線兩端會(huì)產(chǎn)生一個(gè)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(huì)呈現(xiàn)出電感的特性,，這種電感稱為直線電感,。也許你會(huì)直線電感很微小，可以忽略,，但是我們將會(huì)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?yàn)槲⒉l率下，任何導(dǎo)線（或者導(dǎo)體）都會(huì)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(dòng)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(jiǎn)單描述電阻,，這個(gè)時(shí)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(gè)電阻會(huì)呈現(xiàn)出不同的阻值。想想平時(shí)在我們進(jìn)行Wi-Fi產(chǎn)品的設(shè)計(jì),，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?cè)囍?a class="cblue" href="http://wldgj.com/search/?q=分析" title="分析">分析電阻具有這樣的特性的原因,。當(dāng)頻率為0時(shí)（對(duì)應(yīng)直流信號(hào)），電阻呈現(xiàn)出的阻值就是其自身的阻值,；當(dāng)頻率提高時(shí),，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(dāng)頻率進(jìn)一步提高時(shí),，電阻自身的阻值加上電感的感抗已經(jīng)相當(dāng)?shù)拇?，于是電阻表現(xiàn)出的阻值就是那個(gè)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(jí)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(huì)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(gè)平時(shí)大家在選料是可能不會(huì)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(huì)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(gè)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(dāng)頻率一定時(shí),，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(gè)0.1uF的電容會(huì)表現(xiàn)出比100pF電容更大的阻抗,，這也是我們?cè)谠O(shè)計(jì)電源電路時(shí)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(hào),。
2.3.2. 電容的容量與溫度特性
在CIS庫(kù)中選料時(shí),，我們總會(huì)發(fā)現(xiàn)電容有一項(xiàng)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(duì)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(chǎng)合,，電介質(zhì)常數(shù)比較大，當(dāng)溫度從0°C變化為70°C時(shí),，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(duì)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(duì)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(gè)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(gè)理想電感,，那么Q值應(yīng)該是無限大，但是實(shí)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?yàn)檫@個(gè)時(shí)候Rs只是導(dǎo)線的直流電阻,，這是一個(gè)很小的值。當(dāng)頻率升高時(shí),，電感的感抗X會(huì)變大,，所以電感的Q值會(huì)隨著頻率的提高而增大（這個(gè)時(shí)候趨膚效應(yīng)還不明顯）；但是,，當(dāng)頻率提高到一定的程度的時(shí)候,，趨膚效應(yīng)就不可忽視了，這時(shí)串聯(lián)電阻Rs會(huì)隨著頻率的提高而變大,，同時(shí)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(shí),，我們通常可以采用以下的幾種方法：
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(shí)現(xiàn)，如鐵氧體磁芯,。
其實(shí),，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(jìn)行討論，感興趣的讀者可以查閱相關(guān)文獻(xiàn),。
3 RF Debug經(jīng)驗(yàn)分享
3.1. 某無線AP 2.4GHz Chain0 無輸出功率
在一次對(duì)某無線AP（雙頻大功率11n無線AP）的測(cè)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(gè)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(hào)分析儀）上的功率也跌落至0dBm以下,。稍微有點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)的人都可以得出一個(gè)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(gè)器件損壞了，但是究竟是哪個(gè)呢,？
首先采用目測(cè)法（所謂目測(cè)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(diǎn)測(cè)法”,，這時(shí)候你可能會(huì)問：“什么是點(diǎn)測(cè)法呢？”點(diǎn)測(cè)法就是用探針或探棒直接檢測(cè)待測(cè)點(diǎn)的信號(hào)狀態(tài),，常用于時(shí)域信號(hào)檢測(cè),，如示波器，但是由于Wi-Fi產(chǎn)品的工作頻率較高,，一般會(huì)通過頻域進(jìn)行信號(hào)檢測(cè),，也很少使用點(diǎn)測(cè)法進(jìn)行檢測(cè)。
實(shí)踐證明,，點(diǎn)測(cè)法是一種確定RF問題所在的快速有效的手段,。
說起點(diǎn)測(cè)法,，不得不說說簡(jiǎn)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(zhǎng)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(jí)為點(diǎn)測(cè)探針,，成為一種檢測(cè)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(jí)大,，星座圖一片模糊,，無法解調(diào)。
這是一個(gè)稍顯復(fù)雜的問題,。
我們知道,，Atheros的方案都會(huì)有輸出功率的控制部分，也就是讓Target Power和實(shí)際功率值相一致,，這是如何實(shí)現(xiàn)的呢,？我們將AP96的2.4GHz PA部份電路取出進(jìn)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?hào)，并送至Transceiver檢測(cè),，也就是AR9223_PDET_0這個(gè)網(wǎng)絡(luò),。這樣，Transceiver就可以隨時(shí)知道當(dāng)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(jìn)行Continue Tx,，這時(shí),，板子會(huì)按照我們?cè)O(shè)定的Target Power打出信號(hào),，Transceiver會(huì)提高自身的輸出功率直至與Calibrate過程中記錄的對(duì)應(yīng)的那個(gè)電壓值（AR9223_PDET_0）一致。
這時(shí)我們回到一開始的問題“輸出功率超級(jí)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(gè)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(dá)到飽和。檢查L(zhǎng)19,，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(jìn)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(huì)內(nèi)置功率檢測(cè)單元,，并通過一個(gè)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(yán)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(yàn)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(huì)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(gè)關(guān)鍵的引腳PA_EN引起了我的注意，這個(gè)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(shí)，用手觸碰PA_EN引腳,，發(fā)現(xiàn)5V消耗的電流在發(fā)生跳動(dòng),，這說明人體感應(yīng)到的微弱電信號(hào)足以使PA處于“Enable”狀態(tài)，同時(shí)說明,，PA_EN是一個(gè)很敏感的引腳,，很微弱的信號(hào)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(gè)引腳是通過一個(gè)Level Shift電路直接與AR9220的控制引腳進(jìn)行連接,，這樣,，AR9220控制引腳的微弱擾動(dòng)就可以觸發(fā)PA，所以會(huì)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(zhǔn)
現(xiàn)象：該無線網(wǎng)卡經(jīng)Calibrate之后,，實(shí)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(jì)的，有太多不確定的因素,，這里不進(jìn)行深入的分析,。在3.2中已經(jīng)討論過，Atheros的方案通過檢測(cè)PA的輸出功率對(duì)應(yīng)的電壓值來實(shí)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(duì)應(yīng)的電壓值為零。通過檢測(cè),，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(diǎn)幾伏的電壓值，這可能是PA自身的問題造成的,，也正是這個(gè)原因,，導(dǎo)致了該無線網(wǎng)卡的Calibrate不準(zhǔn)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(zhǔn)的問題。
3.5. 某無線AP無輸出信號(hào)
現(xiàn)象：ART運(yùn)行一切正常,，用VSA觀察,，無任何輸出信號(hào)。
回憶3.1中講解的內(nèi)容,，我們提到了點(diǎn)測(cè)法,，個(gè)人認(rèn)為，點(diǎn)測(cè)法是解決類似這種問題的最快手段,，在使用ART進(jìn)行Continue Tx的情況下,，使用探針依次檢測(cè)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(cè)這些點(diǎn)已經(jīng)足夠了。
按照上述的方法,，我們依次檢測(cè)Tx回路的各點(diǎn)（以2.4GHz 鏈路0為例）,，如圖3-4所示。
圖3-4 2.4GHz 0鏈路檢測(cè)點(diǎn)
在實(shí)際的檢測(cè)過程中,，發(fā)現(xiàn)在T/R Switch輸入端有信號(hào)，也即C379處有正常的RF信號(hào),，但是在T/R Switch輸出端無信號(hào),，查閱T/R Switch uPG2179的Datasheet，發(fā)現(xiàn),，此時(shí)的控制信號(hào)與預(yù)想的不符,，細(xì)節(jié)部分讀者請(qǐng)參閱uPG2179 Datasheet與AR9280（此項(xiàng)目的Transceiver）的參考設(shè)計(jì)。