WiFi射频电路设计.docx
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WiFi射频电路设计
WiFi产品的电路设计
i.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问）,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。
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1章.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。
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图1-1Wi-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，不同的工程帅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（RadioTransceiver）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CPUt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（PowerAmplifier,PA）进行功率放大，然后通过收发切换器（Transmit/ReceiveSwitch）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
NoiseAmplifier,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活晰的认识。
第2章.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CPHh,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
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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
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
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：
TheAtherosAR9220isahighlyintegratedsinglechipsolutionfor2.4GHzand5GHz802.11n-readywirelesslocalareanetwork（WLANs）thatenableshigh-performance2x2MIMOconfigurationsforwirelessstationsapplicationsdemandingrobustlinkqualityandmaximumthroughputandrange.
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＜支持双频，2.4GHz和5GHz这样，我们就可以得知，它也支持802.11a。
2X2MIMO说明AR922盅二发二收（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勺Datasheet中我们可以得知，20MH那宽，最高传输速率可以达到130Mbps40MH那宽时，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BPSKQPSK16QAM64QAMDBPSKDQPSKCCK
2.1.3.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，这项参数同样应该是我们关注的。
2.1.4.输出功率
有一个现象我一直也弄不活楚，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
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
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
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
2.2.1.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十扰能力，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。
RFWP1?
FlMUN
RRXJTN21
图2-3RT3052的主要射频信号管脚
XlM/BfSD
RF3*U）
RF3MND
RFMUIPJI
G1
Fl
DI
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juwawoRFwmj
mifiaAS_1HF20UIPJ
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AID
M2
A11
U35C耕
H14
ms
A15
B17
M?
图2-4AR9220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，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。
差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_R3RFOUT_^过F1得到单端信号RF_OUT
RFOUT
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
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，平衡器常用丁处理差分信号，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HHM1711D*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
Unbatanc&dImpedance
50otm
Balancedimpedance
100dm
FrequencyRange
2400^2500MHz
UnbalancedPortReturnLoss
lOdBmin.
PhaseIfTJbatafice&tBstanoedPoti
1B0±Wd&g
AmpWudeImbalanceatBa/arwedPort
0或MB
/nssftwLcm
1：
2d8Max.
图2-7HHM1711D1的典型参数
2.2.4.收发器接收的差分信号
收发器接收的信号来自丁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，对丁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，采用了如图2-8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
图2-8某案例采用的平衡器电路
再来看看采用分立元件实现的方法，图2-9是Ralink惯用的方式，图2-10
是Atheros常用的处理方式。
可以看出，这两种设计方法大同小异。
RFGD_W1||2RFWJSO~CB
图2-9Ralink常用的分立元件信号处理方式
赛做明1在
11
V1W
图2-10Atheros常用的分立元件信号处理方式
2.3.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，从图2-2也可以看出来，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（PhaseLockLoop,PLL）电源管脚等。
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