Atheros对Ralink，看WiFi产品的射频电路设计

这篇文章是我结合多年的工作经验和实践编写而成的，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。希望能够对大家的设计工作起到一定的帮助作用。

I. 前言

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。

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。

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

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：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 2×2 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。2×2 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

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，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

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，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。

 

图2-9Ralink常用的分立元件信号处理方式

 

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。

为什么？和开关电源有仇？的确有仇！

直到现在我还清晰得记着在大学里面的遭遇。一次我为某高校设计一款校园广播设备，考虑到校园广播的较大的输出功率，对电源的要求也就比较苛刻，我到科技市场转了一圈发现了一款做工精良的开关电源，当时我就被这个家伙华丽的外表欺骗了，毫不犹豫地买了下来。可是当我完整设计后，接通电源，从收音机里面传来的不是悦耳的音乐声，而是令人极度反感的“嗡嗡”声，巨大的交流声。为了解决这个问题，我几乎绞尽脑汁，把有可能造成问题的部分都重新设计了，可是问题依然没有解决。后来，我突然意识到：“是不是开关电源的问题？”刚好手头有一台车载电台的电源（大功率线性稳压电源），当我把这个电源接上去之后，哇，整个世界都安静了！开关电源害得我不但损失了一些钱，还浪费了我大量的时间，从那以后，我的设计再也没用过开关电源。

对于收发器的电源管脚，通常的处理方法就是在每个电源的管脚处都放置一个0.1uF的电容，耗电比较大的管脚旁，需要放置更大容量的电容，1-10uF或者更大。一般来说，收发器的模拟电源供电和数字电源供电要用电感或者磁珠隔开，并且一定要在电感或磁珠后放置容量比较大的电容，如果条件允许的话，最好放置电解电容，会对电源的性能起到很大的提升作用，同时并联几个容量比较小的瓷片电容，就可以滤除不同频率的交流成分。

2.4. 收发器完整的外围电路设计

回想一下，我们在前面的叙述中讲解了如何选择收发器，收发器相关的差分信号处理，收发器的电源供给，这三方面的内容基本上较完整的覆盖了收发器射频电路设计的内容，也就是说，把这三部分弄清楚，基本上就完成了这部分的设计。

想必大家应该比较清楚那三部分的结构了，好，让我们来试一下，在图2-2那个芯片的外围放置一些器件，再连上几条线，完成无线收发器及其外围电路设计。在这里，我们对收发器输出的差分信号用平衡器处理得到单端信号RFOUT，来自低噪声放大器的接收信号RFIN用分立元件处理得到差分信号RFIN_P，RFIN_N。这样，就得到了如图2-11所示的原理图。

 

图2-11 完整设计的无线收发器外围电路

 

第3章. 功率放大器

功率放大器，Power Amplifier，俗称PA，主要的作用就是将无线收发器（Radio Transceiver）送来的射频信号进行功率放大，保证有足够大的输出功率满足设计需求。功率放大器的设计是一个十分专业的话题，也有很多人，很多高级的射频工程师在这方面进行过十分深入的研究，我在这里只针对我们的Wi-Fi产品的常用的设计方法进行讨论。

我们的产品中，功率放大器的组成无非就是一颗芯片配上几颗外围的器件，但是在大功率的场合，几乎不会有人用集成电路去做功率放大，一般都是用分立元件设计出来的，晶体管或场效应管。在我们目前的所有设计中，功率放大器都是用集成电路来实现的。如图3-1所示，是通常的功率放大器的设计框图。

 

图3-1 功率放大器的框图

功率放大器的设计会考虑很多参数，但主要分为三类：增益，噪声，非线性。增益，和最终的输出功率有关，噪声和非线性关系着信号质量。

我在这里把功率放大器（在本章的以下内容中简称功放）分为以下几个部分进行讨论：功放芯片的选择，功放芯片的供电，输入回路，输出回路，功率检测，增益控制，温度检测。

3.1.1. 功放芯片的管脚

功放芯片属于微波功率器件的范畴，图3-2给出了一个典型的功放芯片的原理图符号，包括以下管脚：

VCC 主电源供电管脚

VC1 一级功率放大供电管脚

VC2 二级功率放大供电管脚

RFIN 射频信号输入管脚

RFOUT 射频信号输出管脚

GAIN_1 增益控制管脚之一

GAIN_2 增益控制管脚之二

POWER_DETECT 内建功率检测输出管脚

 

图3-2 典型的功放芯片

值得注意的是，GAIN_1和GAIN_2是来自收发器（Transceiver）的控制信号，是直流电压，POWER_DETECT是功放芯片输出的发射功率检测值，也是直流电压，而RFIN和RFOUT是最重要的射频信号管脚。

3.1.2. 功放芯片的主要厂商

在市场上的产品中，功放芯片的供应商基本上就是这四家：SiGe，SST，Microsemi，Richwave，表3-1，表3-2给出了几个实际项目中所采用的功放芯片的型号。

 

表3-1 Atheros的设计中采用的功放芯片

 

表3-2 Ralink的设计中采用的功放芯片

通过以上表格，我们很容易发现，Atheros很喜欢Microsemi的芯片，而Ralink则比较喜欢Richwave和SST的，在BCM4323这个项目中，使用的功放芯片是SiGe的，在AP96现在的设计中，使用的也是SiGe的Frontend Module。

3.1.3. 功放芯片的主要参数

功放芯片的选择是一个复杂的过程，在实际的选择过程中，我们一般会考虑如下的几项参数：

工作频率

小信号增益

最大线性输出功率

1dB压缩点输出功率

误差向量幅度（EVM）

相邻信道功率比（ACPR）

噪声系数

是否内建功率检测功能

是否内建增益控制功能

供电电压

消耗的电流

以上的这些参数，并不是在每颗功放芯片的Datasheet中都会完整给出，有些Datasheet只能给出部分参数。各项参数的意义想必大家都很清楚，我在这里就不做过多的解释了。一个典型的功放芯片的Datasheet（片段）如下：

2.3-2.5GHz Operation

Single Positive Supply Voltage Vcc = 3.3V

Power Gain ~ 27dB

Quiescent Current ~ 90mA

EVM ~ -30dB at Pout = +19dBm

Total Current ~ 150mA for Pout = +19dBm

Pout ~ +26dBm for 11g OFDM Mask Compliance

Total Current ~220mA for Pout = +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 over LX5510, LX5510B

从以上的叙述中我们了解到，这颗功放芯片的工作频率是2.3-2.5GHz，采用3.3V单电源供电，静态工作电流是90mA，19dBm功率输出时，EVM的值是-30dB，等等。

功放芯片的性能很重要，当然，在满足性能的前提下，我们会选择最便宜的

3.2. 功放芯片的供电

图3-2展示的一般功放芯片有三个电源管脚，分别是VCC，VC1，VC2，其中的VCC是主电源供电，VC1是芯片内部第一级放大的供电，VC2是芯片内部第二级放大的供电。这里有个很重要的问题需要注意，VC1和VC2 不是简单的供电管脚，这两个管脚通常不会直接连接到电源上，一般会串联一个电感（或者电阻）再连接到电源上，为什么呢？这是因为这是为芯片内的功率晶体管（或场效应管）供电的管脚，通常在分离元件组成的功率放大电路中，我们都会看到在晶体管的集电极（或者场效应管的漏极）上都串有电感，而电感是不容易集成到芯片中的，这样，就需要在芯片的外部放置电感，这样，就得到了典型的功放芯片的供电方式，如图3-3所示。

图3-3 典型的功放芯片供电方式

除了上面提到的电感的问题，另一个值得注意的就是，功放电路处理的模拟信号，是正统的模拟电路，因此需要尤其注意其电源要与数字电路的电源分开。另一个极为重要的问题是，如图3-3所示，在每个电源管脚处，都需要放置一个滤波电容组合，例如VCC管脚处放置的是100pF和1000pF的滤波电容组合，VC1管脚处是10pF的电容。滤波电容的组合形式是这样的，对于主电源管脚VCC，需要尽量多地放置不同容量的电容，而且这些电容的容量最好是不同数量级的，例如可以这样组合：10uF+1uF+0.1uF+1000pF+100pF+10pF，不同容量的电容用于滤除不同频率成分的扰动。对于VC1和VC2这两个管脚，要注意，放置的滤波电容容量要较小，通常在1-10pF。

3.3. 输入回路

功放电路的输入回路一般包括两个部分，一个是带通滤波器（Band Pass Filter，BPF），一个是Π型匹配网络，我们分开两部分来讲。

3.3.1. 带通滤波器

我们知道，2.4GHz频段的子载波有13个，频率从2.412GHz到2.437GHz，相邻两信道之间的频率间隔是500MHz，很容易理解，从收发器（Transceiver）输出的信号包括了从2.412GHz到2.437GHz这样的一个频率带，因此，为了能够使有用的信号顺利地进入功放芯片，无用的杂乱信号被滤除，一般会在功放芯片的输入回路上放置一个带通滤波器。

带通滤波器有三种实现方法，一种是使用已经设计好的专用带通滤波器，这在Ralink的方案中使用的很多；一种是使用分立元件组成的带通滤波器，这种方法用的不是很多；第三种方法几乎是Atheros专有的，就是印制带通滤波器，这种滤波器最突出的优点就是没有成本，最突出的缺点是占用的空间比较大，而且还需要净空区，在AP51中就使用了这种滤波器。

用分立元件设计带通滤波器需要复杂的计算过程，也需要较强的数学功底，我们在这里不进行过多的研究。接下来我们主要讨论如何选择一款已经设计好的带通滤波器。带通滤波器的参数并不多，主要有：

输入阻抗

输出阻抗

通频带

通频带内的衰减

通频带以外的衰减

通常情况下，成品的带通滤波器，输入和输出阻抗都会控制在50欧姆的标称值，对于通频带相关特性，一张图表足以反映出来。如图3-4给出了我们常用的HMD845H的S21参数与频率之间的关系。很明显，该带通滤波器的通频带为2.4GHz-2.5GHz，对于通频带以外的频率，衰落的很快。

 

图3-4 HMD845H的S21参数

 

3.3.2. Π型匹配网络

匹配，这件事在射频设计中是极其重要的，很多时候，我们设计或者调试射频电路，都是在解决匹配的问题，永远记住这样一条经典的准则：共轭匹配传输功率最大。Π型匹配网络一般直接放在功放芯片的输入端，也就是放在RFIN这个管脚处，通常芯片的管脚不会匹配到50欧姆，我们也不会知道管脚的输入特性，这样的话，Π型匹配网络的必要性就可想而知了。

Π型匹配网络，顾名思义，形状很像字母Π，我们来看一下实际的Π型匹配网络。图3-5给出的是Ralink常用的一种Π型匹配网络。

 

图3-5 Ralink常用的Π型匹配网络

3.3.3. 完整设计的输入回路

以上我们讨论了功放电路的输入回路的两个组成部分，带通滤波器和Π型匹配网络，有了这两个部分，我们就可以设计一个完整的输入回路了。如图3-6所示，就是一个设计完整的功放电路输入回路。图中的U9就是一款成品的带通滤波器，而C108，C109和L14就组成了一个Π型匹配网络。

 

图3-6 完整设计的功放电路的输入回路

 

3.4. 输出回路

在输出回路中，最重要的组成部分（在很多设计中也是唯一的组成部分）就是低通滤波器，这时可能有人会问，为什么这里要用低通滤波器，而不是像输入回路那样使用带通滤波器？原因很简单，这里的低通滤波器要解决的主要问题时由于功放引起的高次谐波，如二次谐波，三次谐波甚至更高次数的谐波，当然，低通滤波器还要解决的问题就是匹配问题。其实，在射频电路的设计中，匹配的这个问题会一直伴随着我们。

滤波器的设计需要很复杂的计算，在这里我不想探讨过多的理论知识，所以，我就不给出如何计算的方法，只给出一般的低通滤波器的形式。这里需要指出的是，Atheros的设计一般会使用三个元件，而Ralink一般会使用五个元件。如图3-7所示，是Ralink常用的滤波器形式。在图中，C112，C111，C113，C110和C114就组成了一个低通滤波器，来自功放芯片的信号PA_OUT经过滤波器后得到LPF_OUT这信号送至后续电路。

 

 图3-7 Ralink常用的低通滤波器