WiFi射频电路设计.docx

1、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

2、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

3、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。r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（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 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

4、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（ LowNoise 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活晰的认识。第2章.无线收发器我把无线收发器

5、（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-swrcHjra SWITCH RXRFQUT_=匚 z * j-A GAI gWR CE7=CTT=VPRATuRt-CTtCT*.neriL Trie:* zeiTerMloECJZC0-二 dlog 悸 SI。.!?图2-1 一般的无线收发芯片

6、（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

7、如：The Atheros AR9220 is a highly integrated singlechip solution for 2.4GHz and 5GHz 802.11n-ready wireless local area network （WLANs） that enables high-perfo rmance 2 x 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

8、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。2X 2 MIMO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130Mbps 40MH那宽时，最高的传输速率可以达到 300Mbps2.1.2.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

9、述中给出。例如，AR9220 支持的调制方式有 BPSK QPSK 16QAM 64QAM DBPSK DQPSKCCK2.1.3.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 Datas

10、heet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

11、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

12、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。RFWP 1 ?Fl MUNRRXJTN 2 1图2-3 RT3052的主要射频信号管脚XlM/BfSDRF3*U)RF3MNDRFMUIPJIG1FlDIEljuwawo RFwmjmifiaAS_1 HF20UIPJRFanumjAIDM2A11U35C 耕H14msA15B17M?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，我们要想办法把他们合二为一

13、。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

14、，图中的F1就 是一个平衡器，差分信号 RFOUT_R3 RFOUT_过F1得到单端信号RF_OUTRFOUT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

15、适的平衡器了Unbatanc&d Impedance50otmBalanced impedance100 dmFrequency Range24002500 MHzUnbalanced Port Return LosslOdBmin.Phase IfTJbatafice &t Bstanoed Poti1B0Wd&gAmpWude Imbalance at Ba/arwed Port0或MB/nssftw Lcm1：2d8Max.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

16、，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_W 1 | 2 RFWJSO CB图2-9Ralink常用的分立元件信号处理方式赛做明1在11V1W图2-10 Atheros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(Phase Lock Loop , PLL)电源管脚等。