电感Q值对射频巴伦(Balun)的影响

做过 WiFi产品的读者一定知道射频巴伦,英文称之为Balun,就是balance-unbalance的缩写,含义为平衡-不平衡转换器,常见于RF Tranceiver的射频输出/输入引脚,用于对射频信号实现差分到单端的转换,后文直接称之为Balun;做过射频的读者也一定知道电感的Q值,即品质因数,是衡量电感器件的主要参数。是指电感在某一频率的交流电压下工作时,所呈现的感抗与其等效损耗电阻之比。电感的Q值越高,其损耗越小,效率越高。

不知道正在阅读此文的读者是否经历过这样的问题:明明射频部分所用的Balun与参考设计所用的值是一样的,可是射频指标就是很差。 笔者本人最近就遭遇了这样的问题。

Atheros的AR9341是一款十分流行的WLAN SoC, 笔者也在多款产品的设计中采用了这款芯片。在之前的产品设计中,射频指标从未出现过任何问题,基本上都能达到业界最高指标,但是在最近的一款产品中,Rx接收灵敏度出奇地差,仅略高于IEEE国际标准,这对于 笔者这样的完美主义者是完全无法接受的。原始的测试数据如下图,即artgui窗口中的log,可以看到802.11g 54Mbps速率下接收灵敏度仅能达到可怜的-66dBm,这与其他产品的-78~-80dBm相差甚远。

org-log

相比于其他产品的设计,这款产品射频部分没有LNA和PA,所以接收灵敏度比较差是意料之中的,但是不应该差得如此离谱。在确认了.ref文件中设置为no xlna及正确的switch table之后, 笔者便开始了漫长的调试过程。AR9341参考设计的Rx电路十分简单,由于保密关系, 笔者无法给出这部分的原理图,但显而易见,能够影响接收灵敏度的也就是Balun部分了。 笔者尝试着变更过Balun部分的电感值与电容值,会对接收灵敏度产生一定的影响,但是都不会带来巨大的改善。

百般无奈之下, 笔者比较了一下量产的PCBA与这这款产品Balun部分射频器件的外观(这是本人经常使用的一种快速诊断问题的方法),结果发现一颗电感相差巨大:量产所用的电感为金黄色,而这款产品的电感是白色的!很明显,问题就出在这里。根据以前的项目经验,得知这颗金黄色电感是Muruta的LQP系列射频电感,也是我在BOM中指定的物料,那么结论就是,这颗白色的电感是假的!将金黄色电感更换至这款产品的Balun部分,802.11g 54Mpbs速率下的接收灵敏度大幅提升至-73Bm,完全可以满足一般要求。

进一步,白色电感为叠层电感,其最典型的缺点就是Q值很低,自谐振频率也很低,在射频频率下,其表现出来的很可能是容抗,完全失去一颗电感应有的特性;金黄色电感是薄膜电感,具有较高的Q值与较高的自谐振频率,例如Murata LQP系列电感典型Q值为13,自谐振频率为6GHz,完全可以满足2.4GHz频段的要求。

通过这次调试, 笔者意识到在其他产品中都具有外部LNA及PA,所以这个问题没有暴露出来,但是在这种没有外部LNA的情况下就完全暴露了,因此 笔者建议读者在做射频Balun的设计时,请务必选择高Q值的电感,例如Murata的LQP,LQW系列,电容可选择Murata的GJM系列。

关于射频巴伦

曾经有很多读者向我咨询 WiFi产品射频Balun部分的设计原理,我每次的回答都是一样的:请与参考设计一致。这个理由其实很简单,WLAN SoC并不会在Datasheet中给出差分输入阻抗,那么射频Balun的设计也就无从谈起,只有芯片公司的人才能知道,因此对于射频工程师来说最好的选择就是与参考设计保持一致。

关于贴片电感

贴片电感主要有4种类型,即绕线型、叠层型、编织型和薄膜型。

绕线型贴片电感的特点是电感量范围广(nH~H),电感量精度高,损耗小(即Q值大),容许电流大、制作工艺继承性强、简单、成本低等,但不足之处是在进一步小型化方面受到限制,陶瓷为芯的绕线型片电感器在这样高的频率能够保持稳定的电感量和相当高的Q值,因而在高频回路中占据一席之地;叠层型贴片电感具有良好的磁屏蔽性、烧结密度高、机械强度好,不足之处是合格率低、电感量较小、Q值低;薄膜型贴片电感在微波频段保持高Q、高精度、高稳定性和小体积的特性;编织型贴片电感特点是在1MHz下的单位体积电感量比其它片式电感器大、体积小、容易安装在基片上。用作功率处理的微型磁性元件。

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