台湾500mw卡王以及美国2WIRE?400mw无线路由器详细拆解

台湾500mw卡王以及美国2WIRE 400mw无线路由器详细拆解 (4142字)
发信人:奔驰拖拉机
时 间:2009-6-10 23:38:20
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详细信息:

   我前几天在网上看到居然有800mw的USB供电的大功率无线网卡在叫卖，呵呵，牛皮太吹大了！
    让我们从电路设计方面用台湾500mw卡王与美国2WIRE 400mw路由器进行一次大PK！
   看图说话：
   下图为借用别人帖子中的台湾500mw卡王外形图（我自己买的卡王买回来当日就被我解剖了，刚才照相时懒得重新装上拍外形图）。



   以下所有图片均为刚才我自己拍摄：
   上壳：



   底壳：



   电路板：



   下图方框1中为射频部分，方框2中为USB无线网卡控制部分，采用的IC为REALTEK公司的RTL8187,所谓的卡王，卡皇，魔翼，威海王均采用此IC，电路结构也几乎一样，方框3为5V转3.3V电源管理部分。



    有兴趣的坛友可参见本坛snoopy8008坛友发的各无线网卡内部结构图的帖子：

点击打开连接

    射频部分大图：



    上图方框1中为REALTEK公司的WLAN收发控制器RTL8225,它负责将数字基带信号转换为2.4G的射频信号发射并接收。其输出功率可通过软件设置，默认值一般为0dBm，所以需要外加功率放大芯片；内部自带一级LNA，不过自带的LNA噪声系数很高，达5.2dB。
    方框3中为外加的一级LNA芯片，一般来说消费类LNA的噪声系数大多在2dB左右，外加一级LNA可有效降低整机接收通道的噪声系数，故这类网卡的接收灵敏度理论上要比其他采用REALTEK 8187+8225方案的网卡接收灵敏度高，当然这并不是绝对的，实际效果还取决于PCB的布线以及LNA的输入输出匹配是否做的够好，否则效果适得其反，加了还不如不加。
    方框4中为射频收发开关，由于WLAN信号工作在TDD模式，所以需要采用一个收发开关来进行收发切换，而不必像手机那样需要采用双工器来进行上下行通道分离。
    方框2中即为功率放大芯片SE2527，关系到网卡发射功率到底能有多大哦，其技术指标如下图：



   嘿嘿，看到了没有？上面清楚地写明了该IC在3.3V供电下，发射功率的极限值 802.11b模式下为24dBm(即250mw),802.11g模式下为21dBm(即126mw)。
   为了保证各项技术指标，在设计时一般会在最大值的基础上回退几个dB，这是射频设计常识，我们在做工业级手机基站时最起码的要求就是在射频芯片输出功率最大值基础上回退8-12个dB,当然消费类射频设计要求可能没那么高，但是我认为在最大值基础上回退4-5dB是有必要的，也就是说这个IC的实际最大输出功率在20dBm（100mw)左右比较合适，再高可能就不行了。
    由于世界各国国家标准均规定家用WLAN设备的最大输出功率不得超过20dBm,该IC推出的初衷应该就是用于家用WLAN设备的，实际上市面上包括TP_LINK的和D_LINK在内的相当一部分无线路由器采用的功放芯片就是它，价格非常便宜，大概2.5元每只，量大更便宜，不信您多拆几台不同品牌的路由器看看？
    这个所谓的卡王，整套电子料成本大概在45RMB以内，其中RTL8187+8225套片批量价格不会超过25块钱（我询过价的），PCB四层板大概10块钱左右，功放芯片加LNA芯片合起来批量价格估计三块钱左右，电源管理IC一块钱左右，其他的五块钱搞定。
     以上仅为大批量时的电子料成本，不包括外壳开模成本以及公司研发成本及日常运营成本。
     当然在一个产品的成本构成中，物料成本往往只占很小一部分，研发成本及公司运营成本往往占大部分，我们要尊重别人的劳动成果，呵呵。

   真正的牛机上场了，下图为从淘宝上买的美国电子垃圾2WIRE带路由无线猫（相信很多坛友也买过同样的东西）：
   正面图：



   底面图：



   内脏：



    发射和接收模块：
    方框1中为发射单元，绿色框框住的为发射天线；方框2中为WLAN收发控制器加接收单元，绿色框框住的为两根接收天线，请特别注意，这两个接收天线放在不同的方向并非同时起作用，这里采用的是分集接收，路由器可以不断去选择信号接收得较好的那根天线用于获取接收无线讯号，从而达到理想的效果。收发天线均为倒F型PCB天线。


  
   PCB底部图：



    下图为接收单元大图： 
    蓝色框框住的为两根接收天线，红色框框住的IC为分别与两跟天线配套的LNA，绿色框框住的IC为射频切换开关，用于在两根接收天线间切换。



   下图为发射单元大图：
   红色框框住的为发射天线，绿色框框住的为功放IC。



  下图为功放IC清晰大图，功放IC为SKY65135：


   
   SKY65135的相关技术参数如下图：
   该DATASHEET上清楚地写明了其发射功率的极限值802.11b模式下为31dBm(即1.3w),802.11g模式下为30dBm(即1w)，在满足相关指标的基础上能输出不小于27dBm（500mw)的功率，各位坛友不妨将此IC的技术参数与前面提到的SE2527仔细比照。



   我们再来看看这个IC的工作电流：



    从上图我们可以看到，当输出27dBm的功率时，该IC工作电流达800mA，我找寻了那么多功放芯片，这个芯片的工作效率在消费类射频IC中算是很高的了。我们工作中用到那些工业级射频小信号放大芯片，效率更是一个个低得出奇。从上图可以看出一个路由器或者无线网卡要想达到500mw的输出功率，发射状态时整机工作电流会很高，至少在1A以上了，光靠USB接口提供的电流能顶得住吗？
    
    实际使用效果就不提了，绝对是美国鬼子的400mw的将所谓的500mw的打得满地找牙。

    由此可以看出相当一部分中国企业是如何做产品的？美国鬼子又是如何做产品的？
    所谓的500mw，800mw卡王卡皇尽显忽悠之能事，理论上都不可能达到的功率他们居然也敢标出来，真的是只有想不到的，没有做不到的；而美国鬼子的产品最大值确实能达到500mw(27dBm)，对外宣称的参数却非常严谨，比实际的更保守，只标示其输出功率才400mw（当然不排除美国鬼子在产品设计时为了保证更优良的指标将功率回退得更多）。
    我所供职的美资企业是做通信基站产品的，我们出货时所标的射频参数全部比实测值要低1--2dB，绝对不敢虚标哪怕是0.1dB，因为虚标参数一旦被客户抽检查出来后果会很严重。 
 
    以上为个人愚见，俺是做WIMAX基站以及3G手机基站设计的，非WLAN产品设计专业人士，部分观点难免有不当之处，欢迎批评指正！ 

(下图F型天线的特写)
   

 

 以下是无线路由器贝尔金7231-4P的无线部分.

图一

图二

 

图三

图四

        上图中的提到的路由器我没接触过,不过射频领域电路其实并不复杂，无外乎LNA，PA，VCO，PLL，变频等单元电路灵活搭配而已，看一眼一般就能知道各部分的作用。上图红圈里面的小白确实是你说的BALUN(平衡-不平衡转换器)，在接收通道(上面那个小白)，其作用是将接收到的信号分成大小相等，相位相反的差分射频信号分别进入射频IC BCM2050的两个RF信号输入脚，对射频电路接触多的坛友应该会发现：很多射频IC的射频信号输入输出端都是采用差分信号的形式。

        大家都知道在数字电路传输中，采用差分方式可以提高信号的抗干扰性，在射频领域同样也不例外，采用差分方式传输可大大提高信号在射频IC中传输的抗干扰性，由于在一个射频IC中集成有很多不同功能的单元电路，这些电路全部挤在那么小一块硅片上，相互之间的屏蔽隔离很难做好，在射频信号从封装引脚引到硅片相关电路的途中肯定会有干扰，为了尽可能减小RF通道的干扰，采用差分形式传输是很有必要的！
    在发射通道(下面那个小白)，射频IC BCM2050 射频输出端也有两个引脚，输出的就是差分RF信号，此BALUN的作用就是将此差分信号合成一路射频信号，假设输出的两路差分信号强度均为0dBm，经过此BALUN后，信号强度变为3dBm，送到发射通道功放芯片SE2529放大。
    在产品设计过程中，如果功放芯片的增益够高，那么此BALUN可以去掉不要，直接从BCM2050信号输出引脚的任意一引脚引出信号送到PA即可，另一只不用的输出引脚接50欧姆负载到地。

    这样做会使BCM2050送到功放芯片的功率小一倍(3dB)。这里仍然假定BCM2050输出信号强度为0dBm，接有此BALUN的话，可以有3dBm的信号送到功放芯片SE2529，如果不用此BALUN，将只有0dBm的信号送往SE2529，当然只要功放芯片增益够高，这个3dB的损失很容易补偿回来，市面上N多路由器都将此BALUN去掉了，可省一块钱成本。

          从上图看，该路由器确实没有外加的LNA，接收灵敏度主要取决于BCM2050自带的LNA质素如何。在图片中蓝色部分另加LNA不是不可行，只是我个人认为难度还是比较大的，毕竟是工作在2.4GHZ，可不像给收音机加一级高放电路飞几根线那么简单，LNA芯片的接地和散热非常重要，搞不好的话加了LNA可能比不加效果还要差，如确实想加LNA，一定要选用MMIC芯片(输入输出都已经内匹配到了50欧姆,不用外加匹配电路)，建议采用以下电路：

              之所以推荐这个电路，主要是因为此IC我用过，对其指标有一定的了解，而且该封装非常好焊接，便于业余条件下DIY。
            该IC价格在1.5美金左右，量大价更优，经实际测试，指标很不错，在2.1GHZ时噪声系数只有1dB左右（我没测过在2.4G的状态，估计比该值略高一点点），根据其DATASHEET提供的曲线图，在2.4G时可提供大概10dB左右的增益。
            BCM2050内部自带的LNA噪声系数为4dB左右，如下左图，如果加了此LNA (SPF5189Z)，那么在接地和散热都处理的很好的前提下，大概可使该路由器接收通道的噪声系数改善3dB左右，根据接收灵敏度计算公式，如下右图

        可知，噪声系数降低3dB等同于接收灵敏度相应提高3dB（也可能会使接收灵敏度提高4-5dB，过几天有空再发贴讨论为什么可能会提高4-5dB甚至更多)。
            请特别注意:接收通道提高了多少增益不等于接收灵敏度也相应提高了多少，接收增益与接收灵敏度之间并没有非常直接的关系（关于接收灵敏度，噪声系数，接收增益之间的关系后将另贴讨论）。
            至于 有些人提到的:“有人说发射部分的功率大了会影响接受部分灵敏度”，这种说法我持保留态度，呵呵！我个人的见解是WLAN设备工作在TDD模式，也就是在发射通道工作时，射频开关(第一副图中红框框住的那个黑色IC)切换到发射通道，这种开关一般有20dB左右的隔离度(当然不同型号的IC，隔离度不同)，也就是说如果发射通道的发射功率为20dBm，那么通过这个开关串到接收通道的射频信号为0dBm，其实即使有0dBm大小的信号串进了接收通道也不要紧，因为在发射状态时，LNA电路一定是关断不工作的。
    同样的道理，在接收状态时，发射通道的功放芯片一定是断电或者偏置电路关断不工作的，任何工作于TDD模式的系统都是如此。
由于发射通道和与接收通道并不同时工作，那么何来“发射功率大了会影响接收灵敏度”这一说？当然不排除持这种观点的朋友有另外的高见，欢迎跟帖探讨！

            天线部分不建议对其动手术，象以下有人提到的（如果我直接越过那个发射/接收切换、main/aux切换，直接把发射部分接一根天线，接收部分接一根天线，有没有可能像mimo天线那样一根专司发送一根专司接收呢？）该改造方法只会使效果更差，这两根天线在发射状态时只有一根负责发信号，另一根不起作用。在接收状态这两根天线也并非同时起作用，由于两根天线间有一定距离，而且各天线的方位角度也可分别人为调整，路由器四周可能都有与之建立无线连接的电脑，各电脑由于方位的关系，到达这两根天线的信号质量不同。
            这里采用的是分集接收，路由器的内部算法可以不断去选择接收信号质量较好的那根天线用于获取无线信号，从而达到理想的效果。
            比如路由器在与其左边方向的A电脑通信时，可能会选取左边的天线做接收天线，路由器在与其右边方向的B电脑通信时可能会选取右边的天线做接收天线。当然这是随便打个比方而已，具体选取哪根天线接收的信号取决于哪根天线接收的信号质量好。
            mimo天线是否如你所说一根专司发射一根专司接收，由于我不是搞这行的，还真不太清楚，你可多查些相关资料，也请有知情的坛友告知一声，估计也不是一根专发，一根专收。呵呵！
    
           微波电路对PCB板材的要求这方面，最常用的FR4材质是不太适合走微波信号的，主要有两大缺点:一是信号损耗大；二是介电常数离散性大。虽说FR4的介电常数一般在4.2-4.7之间，但不同厂商之间同一厂商不同批次之间的离散性是很大的。不同厂商供货的FR4板材，介电常数往往差好远；同一厂商第一批交货的介电常数为4.2，下一批交货的可能就为4.7了，而且最致命的是同一块PCB中，其介电常数也不太均匀，比如同一块PCB的A区域介电常数可能为4.7，B区域可能就变为4.2了，这些指的普通的双面板。
    对于用不同厚度的FR4材质PP片(半固化片)压合而成的多层板就更头痛了，每种厚度的的PP片介电常数都不同，比如7628的PP片介电常数4.0，1080的PP片介电常数为3.8，几种不同的PP片一起压合，介电常数就不知道变为多少了。
    
            对于LNA电路，PCB板介质损耗越大噪声系数越高，介电常数不均匀会导致微带线阻抗也跟着变，而阻抗不均匀会导致信号发生反射，驻波指标会变得很差。
            对于大功率放大电路，比如输出功率为50dBm(100W)的功放电路，由于其功率基数很大，0.2dB的损耗也许就对应了几瓦的功率损失。
            所以军工级和要求较高的工业级微波电路，大多数不会采用普通的FR4板材做PCB，一般会采用价格昂贵但介质损耗非常小而且介电常数非常稳定的的聚四氟乙烯(TEFLON）材料做PCB，用得比较多的有TACONIC的TLY-8，RF35或者采用ROGERS的4350等板材。

            不过由于RF4板材的价格非常便宜，只有上面提到的各板材价格的四分之一甚至十分之一，在要求不高的消费类微波电路中仍然大批量采用，普通无线路由器用的即是FR4板材。
 
    关于发射通道功放电路改造，SNOOPY8008兄买的那个RF2126功放芯片虽说标称可以达到1.3W(31dBm）的输出功率，但这个值是在CW信号（不带调制）下测的P1dB值，实际设计中一般需要回退6-10dB方可保证信号质量。而且由于802.11G是OFDM信号，有峰均比，而且对EVM要求很高，加上这个芯片后输出能达到25dBm(大约300mW）的功率就非常不错了，功率再高就没意义了，因为输出功率越接近P1dB，EVM值会越高，而且会呈指数倍恶化。
     EVM越高，数据误码率就越高，数据传输速率就越低。当误码率高到一定程度也就是数据传输率低到一定程度时就无法建立无线连接了！
    所以很可能出现这种情况：虽说加了该功放芯片后输出功率很高，甚至达到30dBm(1W)了，但就是无法连接，或者是连接上了，信号强度满格，但数据传输速率却很低，无论如何也高不了。
   这个管子还有个比较麻烦的问题是：输入输出阻抗不是50欧姆，均需要外部匹配，下图红框框住的部分即是匹配电容，这个不是用万能板焊个电路就能工作的，必须得设计PCB。