Wi-Fi產(chǎn)品中的射頻電路設(shè)計

寫在前面的話：

這篇文章是我結(jié)合多年的工作經(jīng)驗和實踐編寫而成的，具有一定的實用性，希望能夠?qū)Υ蠹业脑O(shè)計工作起到一定的幫助作用。

I.前言

這是一篇針對性很強的技術(shù)文章。在這篇文章中，我只是分析研究了Wi-Fi產(chǎn)品的一般射頻電路設(shè)計，而且主要分析的是Atheros和Ralink的解決方案，對于其他廠商的解決方案并沒有進行研究。

這是一篇針對性很不強的技術(shù)文章。在這篇文章中，我研究，討論了Wi-Fi產(chǎn)品中的射頻電路設(shè)計，包括各個組成部分，如無線收發(fā)器，功率放大器，低噪聲放大器，如果把這里的某一部分深入展開討論，都可以寫成一本很厚的書。

這篇文章具有一般性。雖然說這篇文章主要分析了Atheros和Ralink的方案，但是這兩家廠商的解決方案很具有代表性，而且具有很高的市場占有率，因此，大部分Wi-Fi 產(chǎn)品也必然是具有一致或者類似的架構(gòu)。經(jīng)常瀏覽相關(guān)網(wǎng)站的人一定知道，在中國市場熱賣的無線路由器，無線AP很多都是這兩家的解決方案。

這篇文章具有一定的實用性。這篇文章的編寫是基于我們公司的二十余種參考設(shè)計電路，充分吸收了參考設(shè)計的精華，并提取其一般性，同時，本文也重在分析實際的電路結(jié)構(gòu)和選擇器件時應(yīng)該注意的問題，并沒有進行深入的理論研究，所以，本文具有一定的實用性。

這篇文章是我在自己的業(yè)余時間編寫的(也可以說我用這種方式消磨時間)，如果這篇文章能夠為大家的工作帶來一點幫助，那將是我最高興的事。我平時喜歡關(guān)注一些業(yè)界的新技術(shù)新產(chǎn)品，但是內(nèi)容太多，沒有辦法寫在文章中。

由于時間有限，編寫者水平更加有限，錯誤之處在所難免，歡迎大家批評指正。

第1章. 射頻設(shè)計框圖

做技術(shù)的，講解某個設(shè)計的原理時，都會從講解框圖開始，本人也不例外，先給大家展示一下Wi-Fi產(chǎn)品的一般射頻設(shè)計框圖。

圖1-1Wi-Fi產(chǎn)品的一般射頻設(shè)計框圖

如圖1-1所示，一般Wi-Fi產(chǎn)品的射頻部分由五大部分組成(這是我個人的見解，不同的工程師可能會有不同的想法)，藍色的虛線框內(nèi)統(tǒng)一看成是功率放大器部分。無線收發(fā)器(Radio Transceiver)一般是一個設(shè)計的核心器件之一，除了與射頻電路的關(guān)系比較密切以外，一般還會與CPU有關(guān)，在這里，我們只關(guān)注其與射頻電路相關(guān)的一些內(nèi)容。發(fā)送信號時，收發(fā)器本身會直接輸出小功率的微弱的射頻信號，送至功率放大器(Power Amplifier，PA)進行功率放大，然后通過收發(fā)切換器(Transmit/Receive Switch)經(jīng)由天線(Antenna)輻射至空間。接收信號時，天線會感應(yīng)到空間中的電磁信號，通過切換器之后送至低噪聲放大器(Low Noise Amplifier，LNA)進行放大，這樣，放大后的信號就可以直接送給收發(fā)器進行處理，進行解調(diào)。

在后續(xù)的講解中，我會將圖1-1中的各個部分逐個展開，將每一個都暴露在大家眼前，也會詳細講解每一部分的設(shè)計，相信大家在認真仔細的閱讀這篇文檔之后，就可以對射頻的各個組成部分有一個比較清晰的認識。

第2章. 無線收發(fā)器

我把無線收發(fā)器(在本章的以下內(nèi)容中簡稱收發(fā)器)放在了第一個模塊，主要原因就是因為，它一般會是一個設(shè)計的核心器件之一，有的時候還可能集成在CPU上，就會是一個設(shè)計中的最重要的芯片，同時，理所當(dāng)然，收發(fā)器的重要性決定了它的外圍電路必然很復(fù)雜，實際上也是如此。而且，如果沒有參考設(shè)計，完全由我們自主設(shè)計的時候，這顆芯片也是我們應(yīng)該放在第一優(yōu)先的位置去考慮，這顆芯片從根本上決定著整個設(shè)計的無線性能。這樣，這一部分的設(shè)計講解起來會比較困難，可是還是想最先講解這里。

收發(fā)器通常會有很多的管腳，在如圖2-1中，我只給出了射頻電路設(shè)計時會關(guān)注的管腳，可以看到，有幾個電源管腳，數(shù)字地，模擬地，射頻輸出，功率放大器增益控制，功率檢測，溫度檢測，射頻輸入，低噪聲放大器增益控制，發(fā)射、接收切換等管腳，在接下來的內(nèi)容中，我會把這些管腳分模塊逐個講解。

圖2-1一般的無線收發(fā)芯片(射頻電路設(shè)計相關(guān))

2.1.無線收發(fā)器芯片的技術(shù)參數(shù)

不同的設(shè)計，收發(fā)器一般會很不一樣，我們大多數(shù)時候都不會想著去更換它。一般我們選用收發(fā)器，會直接按照參考設(shè)計進行，盡管如此，我還是像從一個研發(fā)人的角度出發(fā)，說一說，在選擇無線收發(fā)器時應(yīng)該關(guān)注的一些參數(shù)(射頻電路相關(guān)的參數(shù))。

2.1.1.協(xié)議，頻率，通路與傳輸速率

在收發(fā)器的Datasheet中，一般會在開始的幾段話中就指出該芯片支持哪些協(xié)議，工作在什么頻率上，幾條通路(也就是幾發(fā)幾收)，我們公司目前的主打產(chǎn)品設(shè)計都是支持802.11n的。這三項參數(shù)的重要性想必不用我說，大家也應(yīng)該體會得到，它們參數(shù)決定著最終的產(chǎn)品的功能。

一段典型的描述如：TheAtheros AR9220 is a highly integrated single-chip solution for 2.4GHz and 5GHz802.11n-ready wireless local area network (WLANs) that enables high-performance2×2 MIMO configurations for wireless stations applications demanding robustlink quality and maximum throughput and range.

從這段描述中，我們可以知道，AR9220支持802.11n草案(一般來說都會兼容802.11b/g)。同時，AR9220也支持雙頻，2.4GHz和5GHz，這樣，我們就可以得知，它也支持802.11a。2×2 MIMO說明AR9220是二發(fā)二收(2T2R)。傳輸速率和協(xié)議及通路密切相關(guān)，感興趣的同事可以查閱相關(guān)資料。

從AR9220的Datasheet中我們可以得知，20MHz帶寬，最高傳輸速率可以達到130Mbps，40MHz帶寬時，最高的傳輸速率可以達到300Mbps。

2.1.2.調(diào)制方式

調(diào)制方式和傳輸速率是密切相關(guān)的，不同的傳輸速率對應(yīng)著不通的調(diào)制方式。芯片支持的調(diào)制方式一般會在Datasheet的特性描述中給出。例如，AR9220支持的調(diào)制方式有BPSK，QPSK，16QAM，64QAM，DBPSK，DQPSK，CCK。

2.1.3.時鐘頻率

時鐘頻率，時鐘頻率包括兩種，收發(fā)器外接晶振的頻率和內(nèi)部倍頻后的工作頻率，這項參數(shù)同樣應(yīng)該是我們關(guān)注的。

2.1.4.輸出功率

有一個現(xiàn)象我一直也弄不清楚，為什么在收發(fā)器的Datasheet中不給出其發(fā)射功率?這項參數(shù)對于我們RF工程師是很重要的，因為這項參數(shù)決定著后續(xù)功率放大電路的設(shè)計，我們要保證收發(fā)器的輸出功率足以驅(qū)動功率放大器，這樣，我們才能夠設(shè)計合理有效的放大器。

2.1.5.接收靈敏度

和輸出功率一樣，收發(fā)器接收靈敏度這項參數(shù)也不會在Datasheet中給出，在實際的設(shè)計過程中，有了這項參數(shù)，我們才能合理地設(shè)計低噪聲放大器的放大倍數(shù)，才能保證低噪聲放大器的輸出可以被收發(fā)器有效的接受。

2.1.6.射頻接口

這項參數(shù)關(guān)系著我們后續(xù)的射頻電路的結(jié)構(gòu)。一般來說，收發(fā)器應(yīng)該具有的射頻輸入管腳包括：射頻輸出管腳，功率放大器增益控制管腳，功率放大器輸出功率檢測輸入管腳，低噪聲放大器增益控制管腳，切換器收發(fā)控制管腳，一般Ralink的方案還會有PA溫度檢測管腳。

2.1.7.供電電壓與功耗

從全局的角度看，供電電壓與功耗同樣會是我們不得不關(guān)注的技術(shù)參數(shù)，這兩項參數(shù)關(guān)系著電源電路的設(shè)計和散熱的設(shè)計。

2.2.差分射頻信號的處理

2.2.1.收發(fā)器本身具有的管腳

對于射頻信號，為了增強收發(fā)器的抗干擾能力，一般會采用差分信號的處理方式，也就是說，收發(fā)器會以差分形式將信號發(fā)送出去，同時外部電路也必須為收發(fā)器提供差分射頻信號的輸入。如圖2-2所示，紅色方框內(nèi)的四只管腳就是這個收發(fā)器的差分射頻信號的輸入，輸出管腳，也是最重要的射頻信號管腳。

圖2-2收發(fā)器的射頻輸入與輸出管腳

這里必須指出的是，Atheros的收發(fā)器一般會同時對輸入與輸出做差分處理。但是Ralink一般要求外部輸入的信號是差分的，而自身輸出的射頻信號則不是差分的。圖2-3和圖2-4分別給出了RT3052(Ralink)和AR9220(Atheros)的主要射頻信號管腳。不難發(fā)現(xiàn)，Atheros的設(shè)計相比Ralink要更加細膩，不只是收發(fā)器芯片，在后續(xù)電路的設(shè)計中，也會發(fā)現(xiàn)，Atheros考慮的問題很周全，我想，這也是我們作為研發(fā)人應(yīng)該具備的一種精神。

圖2-3RT3052的主要射頻信號管腳

圖2-4AR9220的主要射頻信號管腳

2.2.2.收發(fā)器發(fā)送的差分信號

收發(fā)器發(fā)送的差分信號，我們要想辦法把他們合二為一。為什么要這樣做，收發(fā)器送出的信號是要給功率放大電路的，功率放大電路處理的是單端信號。

平衡器通常用來處理差分信號的問題，除此之外，我們知道，電感和電容都能夠改變信號的相位，從差分信號到單端信號，基本的方法就是用電感和電容組成兩條不同的通路，這樣，經(jīng)過處理電路的兩路信號就在相位上相差了180°，從而可以使原本相位相差180°的差分信號同相，得到單端信號。相反，使單端信號通過兩條不同的通路，就得到了差分信號。

下面讓我們來分別看一下這兩種方法的電路形式。

方法一，使用平衡器。原本相位相差180°的差分信號經(jīng)過平衡器(Balun，俗稱巴倫)，就可以得到合二為一的單端射頻信號。如圖2-5所示，圖中的F1就是一個平衡器，差分信號RFOUT_P和RFOUT_N經(jīng)過F1得到單端信號RF_OUT。

圖2-5典型的平衡電路

方法二，使用分立元件。典型的使用分立元件的處理電路如圖2-6所示。

圖2-6典型的分立元件處理電路

2.2.3.平衡器的參數(shù)與選擇

在Atheros的方案中，平衡器往往使用的很多，我在這里給出平衡器的主要參數(shù)和簡要的選型指南。如前所述，在我們的Wi-Fi產(chǎn)品中，平衡器常用于處理差分信號，其主要的參數(shù)如下：

· 不平衡阻抗

· 平衡阻抗

· 工作頻率

· 不平衡端口回波損耗

· 相位變化

· 插入損耗

例如，常用的平衡器HHM1711D1典型參數(shù)如圖2-7所示。這樣我們在設(shè)計是就可以根據(jù)我們的需求選擇合適的平衡器了。

圖2-7HHM1711D1的典型參數(shù)

2.2.4.收發(fā)器接收的差分信號

收發(fā)器接收的信號來自于前端的低噪聲放大器，和功率放大器一樣，低噪聲放大器處理的也是單端射頻信號，這樣，我們必須將低噪聲放大器輸出的信號進行轉(zhuǎn)換。同樣，對于低噪聲放大器的輸出信號同樣有兩種處理方式：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，至今還沒有使用過。

其實大家也一定想到了，收發(fā)器接收信號和收發(fā)器發(fā)送信號差不多就是互為逆過程，因此電路的結(jié)構(gòu)也差不多是相反的。沒錯，看了下面的實際電路圖就知道了。先來介紹使用平衡器的方案。在某實際案例中，采用了如圖2-8所示的平衡器電路。單端信號RF_IN經(jīng)過平衡器F5后得到差分的射頻信號RFIN_P和RFIN_N。

圖2-8某案例采用的平衡器電路

再來看看采用分立元件實現(xiàn)的方法，圖2-9是Ralink慣用的方式，圖2-10是Atheros常用的處理方式?？梢钥闯觯@兩種設(shè)計方法大同小異。

圖2-9Ralink常用的分立元件信號處理方式

圖2-10Atheros常用的分立元件信號處理方式

2.3.收發(fā)器的電源管腳

收發(fā)器一般會有很多個電源管腳，可以大概分為幾類，從圖2-2也可以看出來，一般會具有主電源管腳，核電壓電源管腳，IO電源管腳，鎖相環(huán)(Phase Lock Loop，PLL)電源管腳等。

在射頻電路設(shè)計中，我們一般會比較關(guān)注的是模擬電源。對于射頻電路的供電，如果讓我在線性穩(wěn)壓電源(LDO)和開關(guān)電源(DC/DC)之間選擇，那么我會毫不猶豫的選擇線性電源。

為什么?和開關(guān)電源有仇?的確有仇!

直到現(xiàn)在我還清晰得記著在大學(xué)里面的遭遇。一次我為某高校設(shè)計一款校園廣播設(shè)備，考慮到校園廣播的較大的輸出功率，對電源的要求也就比較苛刻，我到科技市場轉(zhuǎn)了一圈發(fā)現(xiàn)了一款做工精良的開關(guān)電源，當(dāng)時我就被這個家伙華麗的外表欺騙了，毫不猶豫地買了下來?？墒钱?dāng)我完整設(shè)計后，接通電源，從收音機里面?zhèn)鱽淼牟皇菒偠囊魳仿?，而是令人極度反感的“嗡嗡”聲，巨大的交流聲。為了解決這個問題，我?guī)缀踅g盡腦汁，把有可能造成問題的部分都重新設(shè)計了，可是問題依然沒有解決。后來，我突然意識到：“是不是開關(guān)電源的問題?”剛好手頭有一臺車載電臺的電源(大功率線性穩(wěn)壓電源)，當(dāng)我把這個電源接上去之后，哇，整個世界都安靜了!開關(guān)電源害得我不但損失了一些錢，還浪費了我大量的時間，從那以后，我的設(shè)計再也沒用過開關(guān)電源。

對于收發(fā)器的電源管腳，通常的處理方法就是在每個電源的管腳處都放置一個0.1uF的電容，耗電比較大的管腳旁，需要放置更大容量的電容，1-10uF或者更大。一般來說，收發(fā)器的模擬電源供電和數(shù)字電源供電要用電感或者磁珠隔開，并且一定要在電感或磁珠后放置容量比較大的電容，如果條件允許的話，最好放置電解電容，會對電源的性能起到很大的提升作用，同時并聯(lián)幾個容量比較小的瓷片電容，就可以濾除不同頻率的交流成分。

2.4.收發(fā)器完整的外圍電路設(shè)計

回想一下，我們在前面的敘述中講解了如何選擇收發(fā)器，收發(fā)器相關(guān)的差分信號處理，收發(fā)器的電源供給，這三方面的內(nèi)容基本上較完整的覆蓋了收發(fā)器射頻電路設(shè)計的內(nèi)容，也就是說，把這三部分弄清楚，基本上就完成了這部分的設(shè)計。

想必大家應(yīng)該比較清楚那三部分的結(jié)構(gòu)了，好，讓我們來試一下，在圖2-2那個芯片的外圍放置一些器件，再連上幾條線，完成無線收發(fā)器及其外圍電路設(shè)計。在這里，我們對收發(fā)器輸出的差分信號用平衡器處理得到單端信號RFOUT，來自低噪聲放大器的接收信號RFIN用分立元件處理得到差分信號RFIN_P，RFIN_N。這樣，就得到了如圖2-11所示的原理圖。

圖2-11完整設(shè)計的無線收發(fā)器外圍電路

第3章. 功率放大器

功率放大器，PowerAmplifier，俗稱PA，主要的作用就是將無線收發(fā)器(Radio Transceiver)送來的射頻信號進行功率放大，保證有足夠大的輸出功率滿足設(shè)計需求。功率放大器的設(shè)計是一個十分專業(yè)的話題，也有很多人，很多高級的射頻工程師在這方面進行過十分深入的研究，我在這里只針對我們的Wi-Fi產(chǎn)品的常用的設(shè)計方法進行討論。

我們的產(chǎn)品中，功率放大器的組成無非就是一顆芯片配上幾顆外圍的器件，但是在大功率的場合，幾乎不會有人用集成電路去做功率放大，一般都是用分立元件設(shè)計出來的，晶體管或場效應(yīng)管。在我們目前的所有設(shè)計中，功率放大器都是用集成電路來實現(xiàn)的。如圖3-1所示，是通常的功率放大器的設(shè)計框圖。

圖3-1功率放大器的框圖

功率放大器的設(shè)計會考慮很多參數(shù)，但主要分為三類：增益，噪聲，非線性。增益，和最終的輸出功率有關(guān)，噪聲和非線性關(guān)系著信號質(zhì)量。

我在這里把功率放大器(在本章的以下內(nèi)容中簡稱功放)分為以下幾個部分進行討論：功放芯片的選擇，功放芯片的供電，輸入回路，輸出回路，功率檢測，增益控制，溫度檢測。

3.1.1.功放芯片的管腳

功放芯片屬于微波功率器件的范疇，圖3-2給出了一個典型的功放芯片的原理圖符號，包括以下管腳：

VCC 主電源供電管腳

VC1 一級功率放大供電管腳

VC2 二級功率放大供電管腳

RFIN 射頻信號輸入管腳

RFOUT 射頻信號輸出管腳

GAIN_1 增益控制管腳之一

GAIN_2 增益控制管腳之二

POWER_DETECT 內(nèi)建功率檢測輸出管腳

圖3-2典型的功放芯片

值得注意的是，GAIN_1和GAIN_2是來自收發(fā)器(Transceiver)的控制信號，是直流電壓，POWER_DETECT是功放芯片輸出的發(fā)射功率檢測值，也是直流電壓，而RFIN和RFOUT是最重要的射頻信號管腳。

3.1.2.功放芯片的主要廠商

在市場上的產(chǎn)品中，功放芯片的供應(yīng)商基本上就是這四家：SiGe，SST，Microsemi，Richwave，表3-1，表3-2給出了幾個實際項目中所采用的功放芯片的型號。

表3-1Atheros的設(shè)計中采用的功放芯片

表3-2Ralink的設(shè)計中采用的功放芯片

通過以上表格，我們很容易發(fā)現(xiàn)，Atheros很喜歡Microsemi的芯片，而Ralink則比較喜歡Richwave和SST的，在BCM4323這個項目中，使用的功放芯片是SiGe的，在AP96現(xiàn)在的設(shè)計中，使用的也是SiGe的Frontend Module。

3.1.3.功放芯片的主要參數(shù)

功放芯片的選擇是一個復(fù)雜的過程，在實際的選擇過程中，我們一般會考慮如下的幾項參數(shù)：

· 工作頻率

· 小信號增益

· 最大線性輸出功率

· 1dB壓縮點輸出功率

· 誤差向量幅度(EVM)

· 相鄰信道功率比(ACPR)

· 噪聲系數(shù)

· 是否內(nèi)建功率檢測功能

· 是否內(nèi)建增益控制功能

· 供電電壓

· 消耗的電流

以上的這些參數(shù)，并不是在每顆功放芯片的Datasheet中都會完整給出，有些Datasheet只能給出部分參數(shù)。各項參數(shù)的意義想必大家都很清楚，我在這里就不做過多的解釋了。一個典型的功放芯片的Datasheet(片段)如下：

2.3-2.5GHz Operation

Single Positive SupplyVoltage Vcc = 3.3V

Power Gain ~ 27dB

Quiescent Current ~ 90mA

EVM ~ -30dB at Pout =+19dBm

Total Current ~ 150mA forPout = +19dBm

Pout ~ +26dBm for 11g OFDM Mask Compliance

Total Current ~220mA forPout = +23dBm 1 Mbps DSSS

On-Chip Input Match

Simple Output Match

Robust RF Input Tolerance> +5dBm

Small & Low-Cost 3x3x0.9mm3 MLP Package

Cost Reduction overLX5510, LX5510B

從以上的敘述中我們了解到，這顆功放芯片的工作頻率是2.3-2.5GHz，采用3.3V單電源供電，靜態(tài)工作電流是90mA，19dBm功率輸出時，EVM的值是-30dB，等等。

功放芯片的性能很重要，當(dāng)然，在滿足性能的前提下，我們會選擇最便宜的

3.2.功放芯片的供電

圖3-2展示的一般功放芯片有三個電源管腳，分別是VCC，VC1，VC2，其中的VCC是主電源供電，VC1是芯片內(nèi)部第一級放大的供電，VC2是芯片內(nèi)部第二級放大的供電。這里有個很重要的問題需要注意，VC1和VC2 不是簡單的供電管腳，這兩個管腳通常不會直接連接到電源上，一般會串聯(lián)一個電感(或者電阻)再連接到電源上，為什么呢?這是因為這是為芯片內(nèi)的功率晶體管(或場效應(yīng)管)供電的管腳，通常在分離元件組成的功率放大電路中，我們都會看到在晶體管的集電極(或者場效應(yīng)管的漏極)上都串有電感，而電感是不容易集成到芯片中的，這樣，就需要在芯片的外部放置電感，這樣，就得到了典型的功放芯片的供電方式，如圖3-3所示。

圖3-3典型的功放芯片供電方式

除了上面提到的電感的問題，另一個值得注意的就是，功放電路處理的模擬信號，是正統(tǒng)的模擬電路，因此需要尤其注意其電源要與數(shù)字電路的電源分開。另一個極為重要的問題是，如圖3-3所示，在每個電源管腳處，都需要放置一個濾波電容組合，例如VCC管腳處放置的是100pF和1000pF的濾波電容組合，VC1管腳處是10pF的電容。濾波電容的組合形式是這樣的，對于主電源管腳VCC，需要盡量多地放置不同容量的電容，而且這些電容的容量最好是不同數(shù)量級的，例如可以這樣組合：10uF+1uF+0.1uF+1000pF+100pF+10pF，不同容量的電容用于濾除不同頻率成分的擾動。對于VC1和VC2這兩個管腳，要注意，放置的濾波電容容量要較小，通常在1-10pF。

3.3.輸入回路

功放電路的輸入回路一般包括兩個部分，一個是帶通濾波器(Band Pass Filter，BPF)，一個是∏型匹配網(wǎng)絡(luò)，我們分開兩部分來講。

3.3.1.帶通濾波器

我們知道，2.4GHz頻段的子載波有13個，頻率從2.412GHz到2.437GHz，相鄰兩信道之間的頻率間隔是500MHz，很容易理解，從收發(fā)器(Transceiver)輸出的信號包括了從2.412GHz到2.437GHz這樣的一個頻率帶，因此，為了能夠使有用的信號順利地進入功放芯片，無用的雜亂信號被濾除，一般會在功放芯片的輸入回路上放置一個帶通濾波器。

帶通濾波器有三種實現(xiàn)方法，一種是使用已經(jīng)設(shè)計好的專用帶通濾波器，這在Ralink的方案中使用的很多;一種是使用分立元件組成的帶通濾波器，這種方法用的不是很多;第三種方法幾乎是Atheros專有的，就是印制帶通濾波器，這種濾波器最突出的優(yōu)點就是沒有成本，最突出的缺點是占用的空間比較大，而且還需要凈空區(qū)，在AP51中就使用了這種濾波器。

用分立元件設(shè)計帶通濾波器需要復(fù)雜的計算過程，也需要較強的數(shù)學(xué)功底，我們在這里不進行過多的研究。接下來我們主要討論如何選擇一款已經(jīng)設(shè)計好的帶通濾波器。帶通濾波器的參數(shù)并不多，主要有：

· 輸入阻抗

· 輸出阻抗

· 通頻帶

· 通頻帶內(nèi)的衰減

· 通頻帶以外的衰減

通常情況下，成品的帶通濾波器，輸入和輸出阻抗都會控制在50歐姆的標(biāo)稱值，對于通頻帶相關(guān)特性，一張圖表足以反映出來。如圖3-4給出了我們常用的HMD845H的S21參數(shù)與頻率之間的關(guān)系。很明顯，該帶通濾波器的通頻帶為2.4GHz-2.5GHz，對于通頻帶以外的頻率，衰落的很快。

圖3-4HMD845H的S21參數(shù)

3.3.2.∏型匹配網(wǎng)絡(luò)

匹配，這件事在射頻設(shè)計中是極其重要的，很多時候，我們設(shè)計或者調(diào)試射頻電路，都是在解決匹配的問題，永遠記住這樣一條經(jīng)典的準(zhǔn)則：共軛匹配傳輸功率最大?！切推ヅ渚W(wǎng)絡(luò)一般直接放在功放芯片的輸入端，也就是放在RFIN這個管腳處，通常芯片的管腳不會匹配到50歐姆，我們也不會知道管腳的輸入特性，這樣的話，∏型匹配網(wǎng)絡(luò)的必要性就可想而知了。

∏型匹配網(wǎng)絡(luò)，顧名思義，形狀很像字母∏，我們來看一下實際的∏型匹配網(wǎng)絡(luò)。圖3-5給出的是Ralink常用的一種∏型匹配網(wǎng)絡(luò)。

圖3-5Ralink常用的∏型匹配網(wǎng)絡(luò)

3.3.3.完整設(shè)計的輸入回路

以上我們討論了功放電路的輸入回路的兩個組成部分，帶通濾波器和∏型匹配網(wǎng)絡(luò)，有了這兩個部分，我們就可以設(shè)計一個完整的輸入回路了。如圖3-6所示，就是一個設(shè)計完整的功放電路輸入回路。圖中的U9就是一款成品的帶通濾波器，而C108，C109和L14就組成了一個∏型匹配網(wǎng)絡(luò)。

圖3-6完整設(shè)計的功放電路的輸入回路

3.4.輸出回路

在輸出回路中，最重要的組成部分(在很多設(shè)計中也是唯一的組成部分)就是低通濾波器，這時可能有人會問，為什么這里要用低通濾波器，而不是像輸入回路那樣使用帶通濾波器?原因很簡單，這里的低通濾波器要解決的主要問題時由于功放引起的高次諧波，如二次諧波，三次諧波甚至更高次數(shù)的諧波，當(dāng)然，低通濾波器還要解決的問題就是匹配問題。其實，在射頻電路的設(shè)計中，匹配的這個問題會一直伴隨著我們。

濾波器的設(shè)計需要很復(fù)雜的計算，在這里我不想探討過多的理論知識，所以，我就不給出如何計算的方法，只給出一般的低通濾波器的形式。這里需要指出的是，Atheros的設(shè)計一般會使用三個元件，而Ralink一般會使用五個元件。如圖3-7所示，是Ralink常用的濾波器形式。在圖中，C112，C111，C113，C110和C114就組成了一個低通濾波器，來自功放芯片的信號PA_OUT經(jīng)過濾波器后得到LPF_OUT這信號送至后續(xù)電路。

圖3-7Ralink常用的低通濾波器

這時，我們就可以把功放芯片的輸出端與低通濾波器相連接，就得到了一般射頻功率放大電路的完整的輸出回路，如圖3-8所示。

圖3-8完整設(shè)計的功率放大器輸出回路

3.5.功率檢測

功率檢測功能在我們的很多設(shè)計中都可以找到，這項功能可以使無線收發(fā)器(Radio Transceiver)時刻監(jiān)視著功放電路的輸出功率，這樣，當(dāng)功放的輸出功率改變時，無線收發(fā)器就可以調(diào)整自身的輸出功率或者改變功放電路的增益，使功放電路的輸出功率穩(wěn)定在一個固定的值。

功率檢測電路輸出的是直流電壓值，這個電壓值送給無線收發(fā)器之后，無線收發(fā)器自身內(nèi)部進行A/D轉(zhuǎn)換，就可以得知功放電路的輸出功率了。

功率檢測實現(xiàn)的方法通常有兩種，在Ralink的設(shè)計中，通常使用功放芯片自身的功率檢測功能;在Atheros的設(shè)計中，除了使用功放芯片本身的功率檢測功能之外，一般還會有一種Atheros特有的設(shè)計，我們將分成兩部分討論。

3.5.1.芯片內(nèi)建的功率檢測

我們在圖3-2中已經(jīng)看到，一般的功放芯片會有POWER_DETECT這樣的一個管腳，這個管腳的作用就是用于功率檢測的。使用芯片內(nèi)建的功率檢測功能可以簡化電路設(shè)計，常見的完整形式如圖3-9所示。

圖3-9常見的使用內(nèi)建功率檢測功能的電路形式

3.5.2.芯片外圍的功率檢測電路

我們在這里用單獨的一節(jié)來討論外圍的檢測電路，其實要講的就是Atheros的方案，因為這個設(shè)計實在是太有個性了，讓我們來一起見識一下吧。如圖3-10所示，就是Atheros常用的功率檢測方案。圖中的PC1就是一個印制耦合器(Printed Coupler)，來自功率放大器的輸出信號LPF_OUT經(jīng)過耦合器，就在2，3腳感應(yīng)到高頻交變電壓，這個電壓隨著輸出功率的增大而增大L18，L19，D1，C217，R248組成了常規(guī)的整流電路，這樣，就得到了隨著輸出功率的變化而變化的直流電壓POWER_DETECT，無線收發(fā)器就可以得到這個電壓值從而做作出相應(yīng)的動作。

這里有一點需要注意的是，整流二極管D1一定要選擇工作頻率很高的二極管，例如這個設(shè)計中的SMS7630的工作頻率就達10GHz。

圖3-10Atheros常用的功率檢測方案

3.6.增益控制

增益控制的作用就是可以改變功放電路的增益，從而能改變輸出功率。改變功率放大器最終輸出功率的方法有兩種，一種是無線收發(fā)器改變自身的輸出功率，另外一種就是改變功放電路的增益，在這里我們主要關(guān)注后者。通常功放芯片的增益控制管腳會有兩個或者兩個以上，分別改變的是第一級放大和第二級放大的增益值，圖3-11是典型的增益控制原理圖。來自收發(fā)器的控制信號PA_GAIN經(jīng)過R245和C248組成的RC濾波電路(濾除來自收發(fā)器的可能的交流成分)通過兩個電阻作用于功放芯片的GAIN_1和GAIN_2兩個管腳，從而控制功率放大電路的增益，也控制著最終的輸出功率。

圖3-11典型的增益控制原理圖

3.7.溫度檢測

溫度檢測功能在Ralink的方案中使用的很多，但是在Atheros的方案就未曾見過。這一功能可以檢測功放芯片的溫度，防止芯片溫度過熱而燒毀。另外一個更加重要的作用就是根據(jù)環(huán)境溫度調(diào)整功放電路的輸出功率。很多情況下，環(huán)境溫度的改變，會對功放芯片的輸出功率會造成比較大的影響，如果無線收發(fā)器通過溫度檢測電路得知當(dāng)前的溫度并適當(dāng)?shù)恼{(diào)整自身的輸出功率或者改變功放的增益，就可以使功放電路在環(huán)境溫度改變時依然可保持穩(wěn)定的功率輸出，這對于提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性是有好處的。

圖3-12給出的是Ralink的典型的溫度檢測電路。圖中的RT1是熱敏電阻，當(dāng)環(huán)境溫度改變時，自身的阻值會發(fā)生變化，這樣，顯而易見，TMP_DET的值就會發(fā)生變化，這樣，收發(fā)器就可以檢測到環(huán)境的溫度了。

溫度檢測電路一般會放置在功放芯片的附近。

圖3-12Ralink常用的溫度檢測電路

3.8.完整設(shè)計的功率放大電路

在以上的內(nèi)容中，我們討論了功率放大電路的各個組成部分，現(xiàn)在，讓我們將這些部分組合到一起，就可以完成功率放大電路的設(shè)計了，如圖3-13所示。我們來看一看，試一試能否找出之前的各部分，如果可以，那么你已經(jīng)基本了解Wi-Fi產(chǎn)品的一般功率放大電路的架構(gòu)了。

通常情況下，在功放芯片的Datasheet中會給出一份參考設(shè)計，這對于我們的設(shè)計具有一定的指導(dǎo)作用。

圖3-13完整設(shè)計的射頻功率放大電路

第4章. 低噪聲放大器

低噪聲放大器在框圖1-1中位于收發(fā)切換器(Transmit/Receive Switch)和無線收發(fā)器(RadioTransceiver)之間，對天線感應(yīng)到的信號進行放大，這樣才能使無線收發(fā)器進行有效的處理?？梢哉f，低噪聲放大器的性能直接影響著整個設(shè)計的靈敏度。

低噪聲放大器的框圖如圖4-1所示，有四個部分組成，輸入回路，輸出回路，放大電路，增益控制，在以下的內(nèi)容中，我們將逐個討論。

圖4-1低噪聲放大器的框圖

4.1.低噪聲的放大器的主要參數(shù)

低噪聲放大器，顧名思義，就可以知道其具有極低的噪聲系數(shù)。噪聲系數(shù)的物理含義是：信號通過放大器之后，由于放大器產(chǎn)生噪聲，使信噪比變壞;信噪比下降的倍數(shù)就是噪聲系數(shù)。

除了噪聲系數(shù)以外，以下幾個參數(shù)也是我們需要關(guān)注的：

· 功率增益

· 增益平坦度

· 工作頻帶

· 動態(tài)范圍

功率增益主要就指低噪聲放大器的增益能力，增益平坦度描述放大器在工作頻帶內(nèi)頻率變化引起的功率增益的波動，工作頻帶就是指放大器的正常工作的頻率范圍，動態(tài)范圍是指放大器允許輸入的最小和最大功率范圍。

4.2.低噪聲微波器件的選擇

芯片或者晶體管(場效應(yīng)管)的選擇，以下簡稱微波器件的選擇，往往對于低噪聲放大器的設(shè)計起著至關(guān)重要的影響。我們先來看一看在我們公司的設(shè)計中，通常選用什么微波器件。表4-1和表4-2給出了Atheros和Ralink常用的低噪聲放大器微波器件。

我們不難發(fā)現(xiàn)，這些器件的選擇沒有太多的共性，我們能看到有四種解決方案，第一種是采用微波三極管來實現(xiàn)，第二種是使用專用低噪聲放大器芯片，第三種是集成在前端模塊(Frontend Module)中，第四種就是不使用低噪聲放大器。我們在這里只討論采用晶體管和專用芯片的方法。

表4-1Atheros常用的低噪聲放大器微波器件

表4-2Ralink常用的低噪聲放大器微波器件

微波器件(晶體管或芯片)的參數(shù)，基本上就決定了低噪聲放大器的性能，我們來看一下最常用的SGA-8343的參數(shù)，如圖4-2所示。圖中給出的參數(shù)包括最大增益，噪聲系數(shù)，S21，工作頻率，供電電壓，消耗的電流等等。對于專用的低噪聲放大器芯片，參數(shù)也基本如此，在這里我們就不詳細說了。

圖4-2SGA-8343的參數(shù)表

4.3.輸入回路

和功率放大器一樣，低噪聲放大器的輸入回路中也會有匹配網(wǎng)絡(luò)，但是Atheros好像是不走尋常路，很少看到低噪放的輸入匹配網(wǎng)絡(luò)，而Ralink則不一樣，幾乎在每個設(shè)計中都中規(guī)中矩的使用∏型匹配網(wǎng)絡(luò)，如圖4-3所示，就是Ralink常用的∏型匹配網(wǎng)絡(luò)，我個人是比較推崇這種做法的。有了匹配網(wǎng)絡(luò)，我們可以最大限度的保證我們的設(shè)計是高性能的，也就是High-Performance。

圖4-3Ralink常用的∏型匹配網(wǎng)絡(luò)

4.4.輸出回路

和輸入回路一樣，輸出回路通常也會放置匹配網(wǎng)絡(luò)，同樣，Atheros一般還是不這樣做，他們最多會放置一個專有的印制帶通濾波器(PrintedBand Pass Filter)，Ralink的輸出回路上的∏型匹配網(wǎng)絡(luò)基本上會輸入回路上的一致，在這里不給出具體的形式了。

4.5.電源與增益控制

增益控制的作用是很明顯的，當(dāng)接收到的信號強度較低時，我們可以提高低噪聲放大器的增益，保證信號可以正常被接收;當(dāng)接收信號的強度較高時，可以降低低噪聲放大器的增益，以免造成信號阻塞。這就是所謂的自動增益控制(Auto Gain Control，AGC)同樣，這對于提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性，是很重要的。

我為什么要把電源與增益控制放在同一節(jié)呢?因為低噪聲放大器的增益是依靠改變供電電壓來實現(xiàn)的，這樣就很容易理解了。學(xué)過模擬電路的都會知道，三極管放大電路的放大倍數(shù)和供電電壓有密切關(guān)系，對于芯片說也同樣如此。圖4-4給出了常見的增益控制的電路形式。圖中的LNA_GAIN既是來自無線收發(fā)器(Radio Transceiver)增益控制信號，又是低噪聲放大器的供電電源，C104是濾波電容，顯而易見，低噪聲放大器的增益直接與LNA_GAIN的電壓有關(guān)。

圖4-4常見的增益控制的電路形式

4.6.完整設(shè)計的低噪聲放大器

在這里，我要向大家展示的是一款設(shè)計十分細膩的低噪聲放大器，這也是我見過的設(shè)計最為優(yōu)秀的低噪聲放大器，就是來自某實際案例中的2.4GHz頻段的放大器，讓我們來一同領(lǐng)略它的風(fēng)采，如圖4-5所示。

圖中的LNA_GAIN是來自無線收發(fā)器(Radio Transceiver)的增益控制信號，放大器使用的晶體管就是最常用的SGA-8343，R238，R239，R240是基極的偏置電阻，C219，L20，C220組成了低通濾波器，來自切換芯片(Switch)的LNA_IN通過低通濾波器之后經(jīng)由C218耦合至低噪聲放大器，Q2與C221，L51，C214，R240，C210，R239，R238，C211，R241，C215，L52組成了共射極放大電路，最終輸出RFIN送至收發(fā)器進行處理。

尤其值得我們注意的是，在每一個節(jié)點處，都放置了濾波電容，這樣，就可以最大限度的消除任何可能的噪聲，從而實現(xiàn)性能優(yōu)秀的低噪聲放大電路。

圖4-5某實際案例中設(shè)計精良的低噪聲放大器

第5章. 收發(fā)切換電路

收發(fā)切換電路實現(xiàn)的功能就是進行發(fā)射與接收的切換，通常其最重要的組成部分就是一顆芯片，我們分成四個部分來討論：芯片的選擇，發(fā)射與接收回路，天線回路，控制管腳的處理。

5.1.切換芯片的選擇

切換芯片在結(jié)構(gòu)上，通常就是一個單刀雙擲的開關(guān)，開關(guān)擲向哪一邊決定于加在控制管腳上的電壓。切換芯片的典型內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5-1所示。

圖5-1切換芯片典型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

在選擇切換芯片時，我們主要關(guān)注以下幾個參數(shù)：

· 工作頻率

· 切換速度

· 關(guān)斷的隔離度

· 導(dǎo)通的衰減

· 能夠承受的功率

· 控制電壓

· 功率消耗

有一個比較奇怪的現(xiàn)象時我們很少看到在Datasheet中提到切換速度這樣的參數(shù)。在絕大多數(shù)設(shè)計中，幾乎無一例外的使用了NEC公司的uPG2179作為切換芯片(Switch)，其典型參數(shù)如圖5-2 所示。

圖5-2切換芯片的典型參數(shù)

5.2.發(fā)射與接收回路

切換芯片位于靠近天線的地方，決定著天線作為發(fā)射天線還是作為接收天線。功率放大器和低噪聲放大器都會直接與切換芯片相連，這樣，發(fā)射與接收回路上的匹配就是必不可少的。關(guān)注一下Atheros和Ralink的方案，會發(fā)現(xiàn)，Atheros會在發(fā)射回路上放置∏型匹配網(wǎng)絡(luò)，但是Ralink則不會，一般就是通過電容直接耦合。

如圖5-3所示，就是Atheros的典型發(fā)射與接收回路SW10就是那顆切換芯片。LPF_OUT是來自功率放大器的輸出信號，R186，C121與R194組成了∏型匹配網(wǎng)絡(luò)，LNA_IN是送至低噪聲放大器的信號，SWITCH_TX與SWICTH_RX這兩個信號的組合就控制著是打開發(fā)射通路還是打開接收通路。

圖5-3Atheros的典型的發(fā)射與接收回路

5.3.天線回路

在5-4中我們已經(jīng)看到，在Atheros的方案中，會在天線回路中放置一個印制濾波器(PrintedFilter)，圖中的PF1就是Atheros專有的印制濾波器。同樣，Ralink一般也不會在天線回路中設(shè)置濾波器或匹配電路。

5.4.控制信號的處理

我們已經(jīng)知道，圖5-4中的SWITCH_TX和SWITCH_RX是來自無線收發(fā)器(Radio Transceiver)的控制信號，是直流電壓，這樣，為了穩(wěn)定這個電壓值，避免造成切換器的誤動作，我們一般會在控制通路上串聯(lián)一個電阻(或電感)，一般是小于1K的電阻，并且在控制管腳的位置放置濾波電容(1-10pF)，這樣，我們就可以很好的保證切換芯片沒有誤動作，從而，我們就得到了如圖5-4所示的完整的切換電路的設(shè)計。

圖5-4完整設(shè)計的切換電路

第6章. 天線與天線連接器

在這一章里，我要講的不是天線的設(shè)計，因為目前我還不太懂天線設(shè)計，而且天線設(shè)計是一個十分專業(yè)和復(fù)雜的學(xué)科。在這里我想要說的其實就只是一個問題：一定要在天線或者天線連接器的附近放置一個∏型匹配網(wǎng)絡(luò)，這一點是我們做射頻設(shè)計的人必須要牢記的事實?？匆幌翧theros和Ralink的方案，會發(fā)現(xiàn)∏型匹配網(wǎng)絡(luò)是必不可少的，典型的設(shè)計如圖6-1所示。

圖6-1典型的天線連接器電路設(shè)計

第7章. 完整設(shè)計的射頻電路

在前面幾章的內(nèi)容中，我們分成五章分別講解了射頻電路的無線收發(fā)器(Radio Transceiver)，功率放大電路(PowerAmplifier，PA)，低噪聲放大器(LowNoise Amplifier，LNA)，收發(fā)切換電路(Transmit/ReceiveSwitch)，天線與天線連接器(Antenna And Connector)，在每章的最后一節(jié)，我們都給出了每一部分的完整設(shè)計。我想你已經(jīng)知道了——沒錯，只要把我們每個部分的完整設(shè)計組合在一起，那么我們就得到了Wi-Fi產(chǎn)品的一般射頻電路的完整設(shè)計，我們不要急，我們再來回顧一下在本文一開始提到的射頻設(shè)計框圖，如圖7-1。相信大家這時一定已經(jīng)可以把每一個部分細化，得到更加詳細的射頻設(shè)計框圖。

圖7-1射頻設(shè)計框圖

通過前面的討論，我們已經(jīng)知道，功率放大器是由帶通濾波器，∏型匹配網(wǎng)絡(luò)，功率微波器件，增益控制，供電電路，功率檢測，溫度檢測低通濾波器這些部分組成的;低噪聲放大器是由∏型匹配網(wǎng)絡(luò)，低噪聲放大電路和增益控制組成的;收發(fā)切換器是由∏型匹配網(wǎng)絡(luò)，切換芯片，濾波器組成的;天線和連線連接器部分是由∏型匹配網(wǎng)絡(luò)和連接器組成的。于是，我們得到了Wi-Fi產(chǎn)品一般射頻電路的詳細框圖，如圖7-2所示。