電感Q值對對射頻巴倫的影響
發布時間：2016/12/26 訪問人數：2024次
做過 WiFi產品的讀者一定知道射頻巴倫，英文稱之為Balun，就是balance-unbalance的縮寫，含義為平衡-不平衡轉換器，常見于RF Tranceiver的射頻輸出/輸入引腳，用于對射頻信號實現差分到單端的轉換，后文直接稱之為Balun；做過射頻的讀者也一定知道電感的Q值，即品質因數，是衡量電感器件的主要參數。是指電感在某一頻率的交流電壓下工作時，所呈現的感抗與其等效損耗電阻之比。電感的Q值越高，其損耗越小，效率越高。
不知道正在閱讀此文的讀者是否經歷過這樣的問題：明明射頻部分所用的Balun與參考設計所用的值是一樣的，可是射頻指標就是很差。 筆者本人最近就遭遇了這樣的問題。
Atheros的AR9341是一款十分流行的WLAN SoC， 筆者也在多款產品的設計中采用了這款芯片。在之前的產品設計中，射頻指標從未出現過任何問題，基本上都能達到業界最高指標，但是在最近的一款產品中，Rx接收靈敏度出奇地差，僅略高于IEEE國際標準，這對于 筆者這樣的完美主義者是完全無法接受的。原始的測試數據如下圖，即artgui窗口中的log，可以看到802.11g 54Mbps速率下接收靈敏度僅能達到可憐的-66dBm，這與其他產品的-78~-80dBm相差甚遠。
相比于其他產品的設計，這款產品射頻部分沒有LNA和PA，所以接收靈敏度比較差是意料之中的，但是不應該差得如此離譜。在確認了.ref文件中設置為no xlna及正確的switch table之后， 筆者便開始了漫長的調試過程。AR9341參考設計的Rx電路十分簡單，由于保密關系， 筆者無法給出這部分的原理圖，但顯而易見，能夠影響接收靈敏度的也就是Balun部分了。 筆者嘗試著變更過Balun部分的電感值與電容值，會對接收靈敏度產生一定的影響，但是都不會帶來巨大的改善。
百般無奈之下， 筆者比較了一下量產的PCBA與這這款產品Balun部分射頻器件的外觀（這是本人經常使用的一種快速診斷問題的方法），結果發現一顆電感相差巨大：量產所用的電感為金黃色，而這款產品的電感是白色的！很明顯，問題就出在這里。根據以前的項目經驗，得知這顆金黃色電感是Muruta的LQP系列射頻電感，也是我在BOM中指定的物料，那么結論就是，這顆白色的電感是假的！將金黃色電感更換至這款產品的Balun部分，802.11g 54Mpbs速率下的接收靈敏度大幅提升至-73Bm，完全可以滿足一般要求。
進一步，白色電感為疊層電感，其最典型的缺點就是Q值很低，自諧振頻率也很低，在射頻頻率下，其表現出來的很可能是容抗，完全失去一顆電感應有的特性；金黃色電感是薄膜電感，具有較高的Q值與較高的自諧振頻率，例如Murata LQP系列電感典型Q值為13，自諧振頻率為6GHz，完全可以滿足2.4GHz頻段的要求。
通過這次調試， 筆者意識到在其他產品中都具有外部LNA及PA，所以這個問題沒有暴露出來，但是在這種沒有外部LNA的情況下就完全暴露了，因此 筆者建議讀者在做射頻Balun的設計時，請務必選擇高Q值的電感，例如Murata的LQP，LQW系列，電容可選擇Murata的GJM系列。
關于射頻巴倫
曾經有很多讀者向我咨詢 WiFi產品射頻Balun部分的設計原理，我每次的回答都是一樣的：請與參考設計一致。這個理由其實很簡單，WLAN SoC并不會在Datasheet中給出差分輸入阻抗，那么射頻Balun的設計也就無從談起，只有芯片公司的人才能知道，因此對于射頻工程師來說最好的選擇就是與參考設計保持一致。
關于貼片電感
貼片電感主要有4種類型，即繞線型、疊層型、編織型和薄膜型。
繞線型貼片電感的特點是電感量范圍廣（nH～H），電感量精度高，損耗小（即Q值大），容許電流大、制作工藝繼承性強、簡單、成本低等，但不足之處是在進一步小型化方面受到限制，陶瓷為芯的繞線型片電感器在這樣高的頻率能夠保持穩定的電感量和相當高的Q值，因而在高頻回路中占據一席之地；疊層型貼片電感具有良好的磁屏蔽性、燒結密度高、機械強度好，不足之處是合格率低、電感量較小、Q值低；薄膜型貼片電感在微波頻段保持高Q、高精度、高穩定性和小體積的特性；編織型貼片電感特點是在1MHz下的單位體積電感量比其它片式電感器大、體積小、容易安裝在基片上。用作功率處理的微型磁性元件。
