WiFi产品的一般射频电路设计(重要).pdf

WiFi 产品的一般射频电路设计产品的一般射频电路设计 (General RF Design In WiFi Product) 写在前面的话：写在前面的话： 这篇文章是我结合多年的工作经验和实践编写而成的， 具有一定的实用性， 希望能够对大家 的设计工作起到一定的帮助作用 I. 前言前言 这是一篇针对性很强的技术文章在这篇文章中，我只是分析研究了 Wi-Fi 产品的一般射频 电路设计，而且主要分析的是 Atheros 和 Ralink 的解决方案，对于其他厂商的解决方案并 没有进行研究 这是一篇针对性很不强的技术文章在这篇文章中，我研究，讨论了 Wi-Fi 产品中的射频电 路设计，包括各个组成部分，如无线收发器，功率放大器，低噪声放大器，如果把这里的某 一部分深入展开讨论，都可以写成一本很厚的书 这篇文章具有一般性虽然说这篇文章主要分析了 Atheros 和 Ralink 的方案，但是这两家 厂商的解决方案很具有代表性，而且具有很高的市场占有率，因此，大部分 Wi-Fi 产品也 必然是具有一致或者类似的架构 经常浏览相关网站的人一定知道， 在中国市场热卖的无线 路由器，无线 AP 很多都是这两家的解决方案。

这篇文章具有一定的实用性 这篇文章的编写是基于我们公司的二十余种参考设计电路， 充 分吸收了参考设计的精华，并提取其一般性，同时，本文也重在分析实际的电路结构和选择 器件时应该注意的问题，并没有进行深入的理论研究，所以，本文具有一定的实用性 这篇文章是我在自己的业余时间编写的（也可以说我用这种方式消磨时间） ，如果这篇文章 能够为大家的工作带来一点帮助， 那将是我最高兴的事 我平时喜欢关注一些业界的新技术 新产品，但是内容太多，没有办法写在文章中，感兴趣的同事可以访问我的博客： 由于时间有限，编写者水平更加有限，错误之处在所难免，欢迎大家批评指正 第第 1 章章. 射频设计框图射频设计框图 做技术的，讲解某个设计的原理时，都会从讲解框图开始，本人也不例外，先给大家展示一 下 Wi-Fi 产品的一般射频设计框图 图 1-1 Wi-Fi 产品的一般射频设计框图 如图 1-1 所示，一般 Wi-Fi 产品的射频部分由五大部分组成（这是我个人的见解，不同的工 程师可能会有不同的想法） ，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，在这里，我们只关注其与射频电路相关的一些内容。

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 在后续的讲解中，我会将图 1-1 中的各个部分逐个展开，将每一个都暴露在大家眼前，也会 详细讲解每一部分的设计， 相信大家在认真仔细的阅读这篇文档之后， 就可以对射频的各个 组成部分有一个比较清晰的认识 第第 2 章章. 无线收发器无线收发器 我把无线收发器 （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，理所当然，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。

这样，这一 部分的设计讲解起来会比较困难，可是还是想最先讲解这里 收发器通常会有很多的管脚，在如图 2-1 中，我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， 在接下来的内容中， 我会把这些管脚分模块逐个讲解 图 2-1 一般的无线收发芯片（射频电路设计相关） 2.1. 无线收发器芯片的技术参数无线收发器芯片的技术参数 不同的设计，收发器一般会很不一样，我们大多数时候都不会想着去更换它一般我们选用 收发器， 会直接按照参考设计进行， 尽管如此， 我还是像从一个研发人的角度出发， 说一说， 在选择无线收发器时应该关注的一些参数（射频电路相关的参数） 2.1.1. 协议，频率，通路与传输速率协议，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） ，我们公司目前的主打产品设计都是支持 802.11n 的这三项参数的重要性想必不用我说，大家也应该体会得到，它们参数决定着最终的产品 的功能。

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 22 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 22 MIMO 说明 AR9220 是二发二收（2T2R） 传输速率和协议及通路密切相关，感兴趣的同事可以查阅相关资料 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。

2.1.2. 调制方式调制方式 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 2.1.3. 时钟频率时钟频率 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，这项参数 同样应该是我们关注的 2.1.4. 输出功率输出功率 有一个现象我一直也弄不清楚， 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 2.1.5. 接收灵敏度接收灵敏度 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，我们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 2.1.6. 射频接口射频接口 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 2.1.7. 供电电压与功耗供电电压与功耗 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差分射频信号的处理 2.2.1. 收发器本身具有的管脚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 入如图 2-2 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 图 2-2 收发器的射频输入与输出管脚 这里必须指出的是，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图 2-3 和图 2-4 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，我想，这也是我们作为研发人应该具备的一种精神 图 2-3 RT3052 的主要射频信号管脚 图 2-4 AR9220 的主要射频信号管脚 2.2.2. 收发器发送的差分信号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，我们知道，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 下面让我们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图 2-5 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。

图 2-5 典型的平衡电路 方法二，使用分立元件典型的使用分立元件的处理电路如图 2-6 所示 图 2-6 典型的分立元件处理电路 2.2.3. 平衡器的参数与选择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了 图 2-7 HHM1711D1 的典型参数 2.2.4. 收发器接收的差分信号收发器接收的差分信号 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。