Wifi射频电路的设计与调试资料介绍

1、射频设计框：

先给大家展示一下 Wi-Fi 产品的一般射频设计框图

如上图所示，一般Wi-Fi 产品的射频部分由五大部分组成（个人的见解），蓝色的虚线框内统一看成是功率放大器部分。无线收发器（Radio Transceiver）一般是一个设计的核心器件之一，除了与射频电路的关系比较密切以外，一般还会与 CPU 有关。

发送信号时，收发器本身会直接输出小功率的微弱的射频信号，送至功率放大器（Power Amplifier，PA）进行功率放大，然后通过收发切换器（Transmit/Receive Switch）经由天线（Antenna）辐射至空间。接收信号时，天线会感应到空间中的电磁信号，通过切换器之后送至低噪声放大器（Low Noise Amplifier，LNA）进行放大，这样，放大后的信号就可以直接送给收发器进行处理，进行解调。

2、无线收发器：

把无线收发器（在本章的以下内容中简称收发器）放在了第一个模块，主要原因就是因为，它一般会是一个设计的核心器件之一，有的时候还可能集成在 CPU 上，就会是一个设计中的最重要的芯片，同时，收发器的重要性决定了它的外围电路必然很复杂，实际上也是如此。而且，如果没有参考设计，完全由我们自主设计的时候，这颗芯片也是我们应该放在第一优先的位置去考虑，这颗芯片从根本上决定着整个设计的无线性能。

收发器通常会有很多的管脚，在如下图中，只给出了射频电路设计时会关注的管脚，可以看到，有几个电源管脚，数字地，模拟地，射频输出，功率放大器增益控制，功率检测，温度检测，射频输入，低噪声放大器增益控制，发射、接收切换等管脚。

1 ）协议，频率，通路与传输速率：

在收发器的 Datasheet 中，一般会在开始的几段话中就指出该芯片支持哪些协议，工作在什么频率上，几条通路（也就是几发几收）。

一段典型的描述如：The Atheros AR9220 is a highly integrated single-chip solution for 2.4GHz and 5GHz 802.11n-ready wireless local area network (WLANs) that enables high-performance 2×2 MIMO configurations for wireless stations applications demanding robust link quality and maximum throughput

and range. 从这段描述中，我们可以知道，AR9220支持802.11n 草案（一般来说都会兼容 802.11b/g）。同时，AR9220也支持双频，2.4GHz 和 5GHz，这样，我们就可以得知，它也支持802.11a。2×2 MIMO说明AR9220 是二发二收（2T2R）。

从 AR9220 的 Datasheet 中我们可以得知，20MHz 带宽，最高传输速率可以达到 130Mbps，40MHz 带宽时，最高的传输速率可以达到 300Mbps。

2 ）调制方式：

调制方式和传输速率是密切相关的，不同的传输速率对应着不通的调制方式。芯片支持的调制方式一般会在Datasheet 的特性描述中给出。例如AR9220 支持的调制方式有 BPSK，QPSK，16QAM，64QAM，DBPSK，DQPSK，CCK。

3） 时钟频率：

时钟频率，时钟频率包括两种，收发器外接晶振的频率和内部倍频后的工作频率。

4 ）输出功率：

有一个现象，为什么在收发器的 Datasheet 中不给出其发射功率？这项参数对于我们 RF工程师是很重要的，因为这项参数决定着后续功率放大电路的设计，我们要保证收发器的输出功率足以驱动功率放大器，这样，我们才能够设计合理有效的放大器。

5 ）接收灵敏度：

和输出功率一样，收发器接收灵敏度这项参数也不会在 Datasheet 中给出，在实际的设计过程中，有了这项参数，才能合理地设计低噪声放大器的放大倍数，才能保证低噪声放大器的输出可以被收发器有效的接受。

6 ）射频接口：

这项参数关系着我们后续的射频电路的结构。一般来说，收发器应该具有的射频输入管脚包括：射频输出管脚，功率放大器增益控制管脚，功率放大器输出功率检测输入管脚，低噪声放大器增益控制管脚，切换器收发控制管脚，一般 Ralink 的方案还会有 PA 温度检测管脚。

7 ）供电电压与功耗：

从全局的角度看，供电电压与功耗同样会是我们不得不关注的技术参数，这两项参数关系着电源电路的设计和散热的设计。

2.2. 差分射频信号的处理

1）收发器本身具有的管脚：

对于射频信号，为了增强收发器的抗干扰能力，一般会采用差分信号的处理方式，也就是说，收发器会以差分形式将信号发送出去，同时外部电路也必须为收发器提供差分射频信号的输入。如下图所示，红色方框内的四只管脚就是这个收发器的差分射频信号的输入，输出管脚，也是最重要的射频信号管脚。

Atheros 的收发器一般会同时对输入与输出做差分处理。但是 Ralink 一般要求外部输入的信号是差分的，而自身输出的射频信号则不是差分的。下面两图分别给出了 RT3052（Ralink）和AR9220（Atheros）的主要射频信号管脚。不难发现，Atheros 的设计相比 Ralink 要更加细腻，不只是收发器芯片，在后续电路的设计中，也会发现，Atheros 考虑的问题很周全。

2）收发器发送的差分信号

收发器发送的差分信号，我们要想办法把他们合二为一。为什么要这样做，收发器送出的信号是要给功率放大电路的，功率放大电路处理的是单端信号。

平衡器通常用来处理差分信号的问题，除此之外，电感和电容都能够改变信号的相位，从差分信号到单端信号，基本的方法就是用电感和电容组成两条不同的通路，这样，经过处理电路的两路信号就在相位上相差了 180°，从而可以使原本相位相差 180°的差分信号同相，得到单端信号。相反，使单端信号通过两条不同的通路，就得到了差分信号。

下面来分别看一下这两种方法的电路形式。

方法一，使用平衡器。原本相位相差 180°的差分信号经过平衡器（Balun，俗称巴伦），就可以得到合二为一的单端射频信号。如下图所示，图中的 F1 就是一个平衡器，差分信号 RFOUT_P 和 RFOUT_N 经过F1 得到单端信号 RF_OUT。

方法二，使用分立元件。典型的使用分立元件的处理电路如下图所示。

3）平衡器的参数与选择

在 Atheros 的方案中，平衡器往往使用的很多，我在这里给出平衡器的主要参数和简要的选型指南。如前所述，在我们的 Wi-Fi 产品中，平衡器常用于处理差分信号，其主要的参数如下：

 不平衡阻抗

 平衡阻抗

 工作频率

 不平衡端口回波损耗

 相位变化

 插入损耗

例如，常用的平衡器 HHM1711D1 典型参数如图 2-7 所示。这样我们在设计是就可以根据我们的需求选择合适的平衡器。

4）收发器接收的信号来自于前端的低噪声放大器，和功率放大器一样，低噪声放大器处理的也是单端射频信号，这样，我们必须将低噪声放大器输出的信号进行转换。同样，对于低噪声放大器的输出信号同样有两种处理方式：使用平衡器和使用分立元件。Atheros 的方案中，有些使用平衡器；Ralink 的方案中，至今还没有使用过。

其实大家也一定想到了，收发器接收信号和收发器发送信号差不多就是互为逆过程，因此电路的结构也差不多是相反的。没错，看了下面的实际电路图就知道了。先来介绍使用平衡器的方案。在某实际案例中，采用了如下图所示的平衡器电路。单端信号 RF_IN 经过平衡器 F5 后得到差分的射频信号 RFIN_P 和 RFIN_N。

再来看看采用分立元件实现的方法，下图是 Ralink 惯用的方式，下图2是 Atheros 常用的处理方式。可以看出，这两种设计方法大同小异。

3. 收发器的电源管脚

收发器一般会有很多个电源管脚，可以大概分为几类，一般会具有主电源管脚，核电压电源管脚，IO 电源管脚，锁相环（Phase Lock Loop，PLL）电源管脚等。

对于收发器的电源管脚，通常的处理方法就是在每个电源的管脚处都放置一个 0.1uF 的电容，耗电比较大的管脚旁，需要放置更大容量的电容，1-10uF 或者更大。一般来说，收发器的模拟电源供电和数字电源供电要用电感或者磁珠隔开，并且一定要在电感或磁珠后放置容量比较大的电容，如果条件允许的话，最好放置电解电容，会对电源的性能起到很大的提升作用，同时并联几个容量比较小的瓷片电容，就可以滤除不同频率的交流成分。