电路设计

射频调试方法及PCB设计方法汇总！

2019-07-14 10:24发布

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射频调试包括发送和接收两个大的方面，其中发送又包括了发送功率、相位误差、PVT、开关谱、调制谱调试等，接收包括灵敏度、RXloss、接收电平等。在开始调试之前必须明确手机的各种射频参数的状态。
怎样明确手机射频技术状态：先对手机进行校准，校准的初始化文件一定要使用MTK 提供的原始文件（见图 1），这样才能明确手机的匹配状态，比如在全频段功率是否平坦（如果加权了就看不出来），TC 和 PA 之间的匹配是否做好了（如果改变了 Ramp 曲线的值就不好判断）。以 GSM 900M 为例 1 信道、62 信道、124信道输出功率如果相差 0.5dBm 以上，那么 PA 输出匹配和 TC 与 PA 的匹配就没有做好，这个时候如果开关谱和相位误差很好，那么就只需要调 PA 输出匹配就可以了（注意输出匹配有可能会影响相位误差），如果开关谱和相位误差很差，那么就一定要先调好 TC 和 PA 之间的匹配，再去调 PA 输出匹配。
开关谱的判断标准：在高功率等级下至少有 7dB 的余量，小功率等级下要有 10－15dB 以上的余量，尤其需要注意的是+/-0.4MHz 和+/-0.6MHz 的余量。相位误差的判断标准：GSM 都能做到 RMS 1°左右，DCS 在 2°左右；同样要做到全频段相位误差相差不能太大。
1.某无线AP 2.4GHz Chain0 无输出功率 在一次对某无线AP（双频大功率11n无线AP）的测试过程中，突然听到一声清脆悦耳的破裂声，随后看到一缕青烟缓缓的从板子上升起（可惜没看清具体是哪个位置），周围便迅速充满了令人不爽的焦臭味，VSA（Vector Signal Analyzer，矢量信号分析仪）上的功率也跌落至0dBm以下。稍微有点经验的人都可以得出一个结论：“有东西烧掉了”。 没有输出功率，可想而知，一定是Tx回路的某个器件损坏了，但是究竟是哪个呢？ 首先采用目测法（所谓目测法就是直接用眼睛观察元器件的外观，查看是否有破裂或者烧焦的痕迹），结果没看出来。 然后采用“点测法”，这时候你可能会问：“什么是点测法呢？”点测法就是用探针或探棒直接检测待测点的信号状态，常用于时域信号检测，如示波器，但是由于 WiFi产品的工作频率较高，一般会通过频域进行信号检测，也很少使用点测法进行检测。 实践证明，点测法是一种确定RF问题所在的快速有效的手段。 说起点测法，不得不说说简易探针的制作。取一条SMA Cable（如图3-1所示），将其一端的SMA连接器去掉（不可以将两端的都去掉），剥去长度1~2cm屏蔽层，使其芯线露出。这样，一段普通的SMA Cable就此华丽转身，升级为点测探针，成为一种检测利器，也成为了RF工程师的好助手。
2.     输出功率过大 现象：输出功率超级大，星座图一片模糊，无法解调。 这是一个稍显复杂的问题。 我们知道，Atheros的方案都会有输出功率的控制部分，也就是让Target Power和实际功率值相一致，这是如何实现的呢？我们将AP96的2.4GHz PA部份电路取出进行研究
在图3-2中，U27及其外围电路组成了功率放大器，经过C208和R263送至后续的电路。图中的PC1是一颗印制定向耦合器，其3，4两脚的电压随着输出功率的增大而增大，L18，L19，D1，C217和R248组成了半波整流电路，将定向耦合器感应到的电压变为直流电信号，并送至Transceiver检测，也就是AR9223_PDET_0这个网络。这样，Transceiver就可以随时知道当前的输出功率，功率与电压值的关系是在Calibrate的过程中建立的。 板子经过Calibrate并Load EEPROM之后，我们用ART进行Continue Tx，这时，板子会按照我们设定的Target Power打出信号，Transceiver会提高自身的输出功率直至与Calibrate过程中记录的对应的那个电压值（AR9223_PDET_0）一致。 这时我们回到一开始的问题“输出功率超级大，星座图一片模糊，无法解调”，怎么回事？肯定是Transceiver无法得到正确的那个电压值，所以只能一直提高自身的输出功率直至PA的输出功率达到饱和。检查L19，L18，D1，C217，R248，发现D1已开路，换一颗新的二极管，恢复正常。 这里需要指出的是，采用定向耦合器进行输出功率控制是Atheros特有的一种方法，Broadcom和Ralink中至今还未看到采用这种方法的。另外，PA的本身一般都会内置功率检测单元，并通过一个引脚出来，通常成为V_DET。
3.    某无线网卡静态发热严重 现象：某无线网卡 上电后，不做任何操作，四颗PA就发出很大的热量，PA的表面温度很高，很烫手。 第一判断就是PA并不是处于真正的“静态”，它们正在偷偷地工作！那么，如何验证呢？拿来PA（SKY65137-11）的Demo板，用Power Supply供电，以便观察其消耗的电流。上电，发现消耗的电流几乎为零，并不会出现发热的现象，与该无线网卡的情况不一样。研读SKY65137-11的Datasheet，一个关键的引脚PA_EN引起了我的注意，这个引脚就是PA的使能引脚。在上电情况下，将此引脚拉高至3.3V，发现5V消耗的电流剧增，随之散发出大量的热，PA的表面温度立刻上升。将PA_EN与3.3V断开，5V消耗的电流随之下降，这时，用手触碰PA_EN引脚，发现5V消耗的电流在发生跳动，这说明人体感应到的微弱电信号足以使PA处于“Enable”状态，同时说明，PA_EN是一个很敏感的引脚，很微弱的信号就足以触发。 分析该无线网卡的SKY65137-11单元电路，如图3-3所示（不包括Level Shift）。
很容易发现，SKY65137-11的PA_EN这个引脚是通过一个Level Shift电路直接与AR9220的控制引脚进行连接，这样，AR9220控制引脚的微弱扰动就可以触发PA，所以会导致静态情况下PA发热。 解决办法：在PA_EN引脚处用一颗10K电阻下拉倒地，使常态下PA处于关闭状态。 通过上述办法，解决了PA的发热问题
4.    某无线网卡 Calibrate 不准 现象：该无线网卡经Calibrate之后，实际输出功率与Target Power（MTK）不一致。 首先经过排查，确定不是Cable Loss与ART的设定问题。该无线网卡的RF部份是我们自主设计的，有太多不确定的因素，这里不进行深入的分析。在3.2中已经讨论过，Atheros的方案通过检测PA的输出功率对应的电压值来实现输出功率的稳定；静态情况下，若PA无输出功率，则对应的电压值为零。通过检测，发现SKY65135-21（2.4GHz PA）在静态下输出的V-Detect并不是零，而是零点几伏的电压值，这可能是PA自身的问题造成的，也正是这个原因，导致了该无线网卡的Calibrate不准的问题。我们都知道二极管的单向导电特性，为了防止该无线网卡 的2.4GHz与5GH频段在Calibrate过程中相互影响，可以通过二极管将其分开。在该无线网卡后续的版本中，我们就是采用了这种方式，可以很好的解决Calibrate不准的问题。
5.    某无线AP无输出信号 现象：ART运行一切正常，用VSA观察，无任何输出信号。 回忆3.1中讲解的内容，我们提到了点测法，个人认为，点测法是解决类似这种问题的最快手段，在使用ART进行Continue Tx的情况下，使用探针依次检测Transceiver输出端，PA输入端，PA输出端，低通滤波器输出端，T/R Switch输入端及T/R Switch输出端，一般来说，检测这些点已经足够了。 按照上述的方法，我们依次检测Tx回路的各点（以2.4GHz 链路0为例） 在实际的检测过程中，发现在T/R Switch输入端有信号，也即C379处有正常的RF信号，但是在T/R Switch输出端无信号，查阅T/R Switch uPG2179的Datasheet，发现，此时的控制信号与预想的不符，细节部分读者请参阅uPG2179 Datasheet与AR9280（此项目的Transceiver）的参考设计。
那在PCB 设计时又需要注意哪些规范呢？


1. 布局设计规范


  a.距板边距离应大于5mm =197mil 
  b.先放置与结构关系密切的元件，如接插件，开关，电源插座等 
  c.优先摆放电路功能块的核心元件及体积较大的元器件，再以核心元件为中心摆放周围电路元器件 
  d.功率大的元件摆放在有利于散热的位置上 
  e.质量较大的元器件应避免放在板的中心，应靠近机箱中的固定边放置 
  f.有高频连线的元件尽可能靠近，以减少高频信号的分布和电磁干扰 
  g.输入，输出元件尽量远离 
  h.带高压的元器件尽量放在调试时手不易触及的地方 
  i.热敏元件应远离发热元件 
  j.可调元件的布局应便于调节 
  k.考虑信号流向,合理安排布局使信号流向尽可能保持一致 
  l.布局应均匀,整齐,紧凑 
  m.SMT元件应注意焊盘方向尽量一致,以利于装焊,减少桥联的可能 
  n.去藕电容应在电源输入端就近位置 
  o.波峰焊面的元件高度限制为4mm 
  p.对于双面都有的元件的PCB,较大较密的IC,插件元件放在板的顶层,底层只能放较小的元件和管脚数少且排列松散的贴片元件 
  q.对小尺寸高热量的元件加散热器尤为重要,大功率元件下可以通过敷铜来散热,而且这些元件周围尽量不要放热敏元件. 
  r.高速元件尽量靠近连接器;数字电路和模拟电路尽量分开,最好用地隔开,再单点接地
  s.定位孔到附近焊盘的距离不小于7.62mm(300mil),定位孔到表贴器件边缘的距离不小于5.08mm(200mil) 


2. 布线设计规范


  a.线应避免锐角,直角,应采用四十五度走线 
  b.相邻层信号线为正交方向 
  c.高频信号尽可能短 
  e.输入,输出信号尽量避免相邻平行走线,最好在线间加地线,以防反馈耦合 
  f.双面板电源线,地线的走向最好与数据流向一致,以增强抗噪声能力 
  g.数字地,模拟地要分开 
  h.时钟线和高频信号线要根据特性阻抗要求考虑线宽,做到阻抗匹配 
  i.整块线路板布线,打孔要均匀 
  j.单独的电源层和地层,电源线,地线尽量短和粗,电源和地构成的环路尽量小 
  k.时钟的布线应少打过孔,尽量避免和其他信号线并行走线,且应远离一般信号线,避免对信号线的干扰;同时避开板上的电源部分,防止电源和时钟互相干扰;当一块电路板上有多个不同频率的时钟时,两根不同频率的时钟线不可并行走线;时钟线避免接近输出接口,防止高频时钟耦合到输出的CABLE线并发射出去;如板上有专门的时钟发生芯片,其下方不可走线,应在其下方铺铜,必要时对其专门割地;
  l.成对差分信号线一般平行走线,尽量少打过孔,必须打孔时,应两线一起打,以做到阻抗匹配 
m.两焊点间距很小时,焊点间不得直接相连;从贴盘引出的过孔尽量离焊盘远些。

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