射頻電路除錯經驗及問題分析

2021-03-04 09:27:05 字數 4409 閱讀 6623

1前言文件總結了我工作一年半以來的一些射頻(radio frequency)除錯(以下稱為debug)經驗,記錄的是我在實際專案開發中遇到並解決問題的過程。現在我想利用這份文件與大家分享這些經驗,如果這份文件能夠對大家的工作起到一定的幫助作用,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知識,如果能夠對rf的基礎知識有極為深刻(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,我的這篇文件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,但是第二章的內容除外。「微波頻率下的無源器件」這部分的內容擷取自我尚未完成的「長篇大論」——wi-fi產品的一般射頻電路設計(第二版)。

我相信這份文件有且不只有一處錯誤,如果能夠被大家發現,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。乙個簡單的問題:乙個1k的電阻在直流情況下的阻值是1k,在頻率為10mhz的迴路中可能還是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.微波頻率下的導線

微波頻率下的導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

在低頻情況下,導線內部的電流是均勻的,但是在微波頻率下,導線內部會產生很強的磁場,這種磁場迫使電子向導體的邊緣聚集,從而使電流只在導線的表面流動,這種現象就稱為趨膚效應。趨膚效應導致導線的電阻增大,結果會怎樣?當訊號沿導體傳輸時衰減會很嚴重。

在實際的高頻場合,如收音機的感應線圈,為了減少趨膚效應造成的訊號衰減,通常會使用多股導線併排繞線,而不會使用單根的導線。我們通常用趨膚深度來描述趨膚效應。趨膚深度是頻率與導線本身共同的作用,在這裡我們不會作深入的討論。

2.1.2.直線電感

我們知道,在有電流流過的導線周圍會產生磁場,如果導線中的電流是交變電流,那麼磁場強度也會隨著電流的變化而變化,因此,在導線兩端會產生乙個阻止電流變化的電壓,這種現象稱之為自感。也就是說,微波頻率下的導線會呈現出電感的特性,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,但是我們將會在後面的內容中看到,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,任何導線(或者導體)都會呈現出一定的電感特性,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,電壓的關係在歐姆定律中已經給出。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,電阻的特性應經發生了很大的變化。

2.2.1.電阻的等效電路

電阻的等效電路。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因電阻結構的不同而不同。我們很容易就可以想到,在不同的頻率下,同乙個電阻會呈現出不同的阻值。

想想平時在我們進行wi-fi產品的設計,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係。

圖2-2 電阻的阻值與頻率

試著分析電阻具有這樣的特性的原因。當頻率為0時(對應直流訊號),電阻呈現出的阻值就是其自身的阻值;當頻率提高時,電阻呈現出的阻值是自身的阻值加上電感呈現出的感抗;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相當的大,於是電阻表現出的阻值就是那個併聯的電容的容抗,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,諧振迴路,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引數,電容的等效電路。c是電容自身的容值,rp為併聯的絕緣電阻,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

關於電容,我在這裡介紹幾個平時大家在選料是可能不會關注的引數。

圖2-4定性的給出了電容在不同頻率下的表現出的電抗特性。圖中的縱軸為插入損耗(insertion loss),也就是由於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,在轉折之前,電容表現出的是電容的特性,轉折之後,電容表現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出更多的電感特性。因此,在250mhz的頻率下,乙個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,結論是相反的。在微波頻率下,乙個0.

1uf的電容會表現出比100pf電容更大的阻抗,這也是我們在設計電源電路時為什麼要在大容量的電解電容;兩端併聯小容量的電容的原因,這些小容量的電容用於消除高頻的雜訊訊號。

2.3.2.電容的容量與溫度特性

在cis庫中選料時,我們總會發現電容有一項引數為x7r或者x5r,npo等,我特此搜尋相關資料,翻譯過來,寫在這一節中。

這類引數描述了電容採用的電介質材料類別,溫度特性以及誤差等引數,不同的值也對應著一定的電容容量的範圍。具體來說,就是:

x7r常用於容量為3300pf~0.33uf的電容,這類電容適用於濾波,耦合等場合,電介質常數比較大,當溫度從0°c變化為70°c時,電容容量的變化為±15%;

y5p與y5v常用於容量為150pf~2nf的電容,溫度範圍比較寬,隨著溫度變化,電容容量變化範圍為±10%或者+22%/-82%。

對於其他的編碼與溫度特性的關係,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,於是,我們得到的電感的等效電路。其中rs為導線存在的電阻,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係。

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,則電感的質量越好。如果電感是乙個理想電感,那麼q值應該是無限大,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只是導線的直流電阻,這是乙個很小的值。當頻率公升高時,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(這個時候趨膚效應還不明顯);但是,當頻率提高到一定的程度的時候,趨膚效應就不可忽視了,這時串聯電阻rs會隨著頻率的提高而變大,同時串聯電容c也開始發揮作用,從而導致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值與頻率的關係。

圖2-6 某公司的電感的q值與頻率變化關係曲線

為了盡量增大電感的q值,在製作電感時,我們通常可以採用以下的幾種方法:

使用直徑較大的導線,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;

增大電感的磁導係數,這通常用磁芯來實現,如鐵氧體磁芯。

其實,電感的手工製作,是射頻工程師的必修課,但是這部分內容比較複雜,本文暫不進行討論,感興趣的讀者可以查閱相關文獻。

3.f debug經驗分享

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,隨後看到一縷青煙緩緩的從板子上公升起(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,向量訊號分析儀)上的功率也跌落至0dbm以下。稍微有點經驗的人都可以得出乙個結論:「有東西燒掉了」。

沒有輸出功率,可想而知,一定是tx迴路的某個器件損壞了,但是究竟是哪個呢?

首先採用目測法(所謂目測法就是直接用眼睛觀察元器件的外觀,檢視是否有破裂或者燒焦的痕跡),結果沒看出來。

然後採用「點測法」,這時候你可能會問:「什麼是點測法呢?」點測法就是用探針或探棒直接檢測待測點的訊號狀態,常用於時域訊號檢測,如示波器,但是由於wi-fi產品的工作頻率較高,一般會通過頻域進行訊號檢測,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製作。取一條**a cable(),將其一端的**a聯結器去掉(不可以將兩端的都去掉),剝去長度1~2cm遮蔽層,使其芯線露出。這樣,一段普通的**a cable就此華麗轉身,公升級為點測探針,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

現象:輸出功率超級大,星座圖一片模糊,無法解調。

這是乙個稍顯複雜的問題。

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,這是如何實現的呢?我們將ap96的2.4ghz pa部份電路取出進行研究,。

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