一種遠(yuǎn)距離ZigBee模組中的射頻放大器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

馬學(xué)文

（深圳市麥馳安防技術(shù)有限公司，廣東深圳，518126）

射頻放大器，即PA（Power Amplifier），其作用是提高主芯片的發(fā)射功率（以下文中我們簡(jiǎn)稱“射頻放大器”為“PA”）。PA可分為高增益放大器、低噪聲放大器、中-高功率放大器等多個(gè)系列，其基本原理是經(jīng)過一系列的放大一緩沖級(jí)、中間放大級(jí)、末級(jí)功率放大級(jí)等過程，獲得足夠的射頻功率以后，將信號(hào)饋送到天線上輻射出去，其在本設(shè)計(jì)中的應(yīng)用框圖如圖1所示。

圖1 PA在本設(shè)計(jì)的應(yīng)用框圖

本設(shè)計(jì)中我們的ZigBee模組基于CC2530，其是TI公司開發(fā)的一款專門用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)募尚酒?，該芯片封裝了Z-STACK等協(xié)議棧，是ZigBee應(yīng)用中的一個(gè)真正的SoC解決方案，搭配少數(shù)幾個(gè)外圍元器件就能完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

其中CC2530和PA相關(guān)的寄存器是通過使用 OBSSELx寄存器（OBSSEL0-OBSSEL5），用戶可以從 RF 內(nèi)核輸出不同的信號(hào)到GPIO引腳，這些信號(hào)可以用于調(diào)試低級(jí)別的協(xié)議或控制外部 PA、LNA 或交換機(jī)。控制寄存器OBSSEL0-OBSSEL5 可以用于覆蓋標(biāo)準(zhǔn)的 GPIO 行為，以及在引腳 P1[0:5]上輸出 RF 內(nèi)核信號(hào)（rfc_obs_sig0、rfc_obs_sig1和rfc_obs_sig2）。

結(jié)合CC2530的數(shù)據(jù)手冊(cè)，和PA相關(guān)寄存器有如下幾個(gè)：

表1 TXPOWER(0x6190)控制輸出功率

表2 FSCTRL(Ox61AC)調(diào)整頻率合成器

表3 PTEST1(0x61BF)覆蓋掉電寄存器

我們本文著重講述在CC2530的上述設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，如何通過運(yùn)用PA器件來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。

目前適合應(yīng)用于ZigBee設(shè)備中的PA器件有較多的選擇余地，例如RFX2401C、AT2401C等等，本設(shè)計(jì)中我們采用Octotech公司的8TR8201來做PA，8TR8201是一款面向Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)以及其他2.4GHz 頻段無線系統(tǒng)的全集成射頻功能的射頻前端單芯片,由研發(fā)RFX2401C的團(tuán)隊(duì)在RFX2401C的基礎(chǔ)上優(yōu)化出來的新產(chǎn)品，在性能方面完勝RFX2401C，由于該芯片有非常優(yōu)越的性能，高靈敏度和效率，低噪聲，產(chǎn)品尺寸小以及低成本，使得8TR8201對(duì)于頻率帶寬內(nèi)的應(yīng)用而言為完美解決方案。其內(nèi)部集成了功率放大器(PA)，低噪聲放大器(LNA)，芯片收發(fā)開關(guān)控制電路，輸入輸出匹配電路以及諧波濾波電路和SPDT天線開關(guān)組成，自身帶有集成濾波器網(wǎng)絡(luò)和匹配電路。所以控制邏輯電路非常簡(jiǎn)單，非常方便系統(tǒng)的整體集成設(shè)計(jì)。此外，8TR8201為電池操作進(jìn)行了優(yōu)化，提高了效率，在1.8V到3.6V的寬電壓范圍內(nèi)運(yùn)行，適用于廣泛的應(yīng)用，包括電池供電的無線系統(tǒng)。

其和RFX2401C相關(guān)參數(shù)比較如表4所示。

表4

通過上面8TR8201與RFX2401C參數(shù)對(duì)比可以得出：

（1）功耗上比較：8TR8201比SRFX2401C的功耗要小，同在3.3V的電壓下工作輸出20dBm的功率，8TR8201的電流消耗為75mA，RFX2401C的電流消耗為90 mA。因此輸出高功率時(shí)，8TR8201比RFX2401C的功耗要低。

（2）增益上比較：8TR8201比RFX2401C的增益要大，因此輸出相同的高功率時(shí)，主控芯片搭配8TR8201使用比搭配RFX2401C使用的可控范圍更加大一點(diǎn)，也更加的穩(wěn)定。

1 PA硬件設(shè)計(jì)

結(jié)合上面分析，CC2530和8RT8201的電路設(shè)計(jì)如圖2所示，其中8TR8201的發(fā)射、接收管腳分別與CC2530的P1.4 和P1.1管腳相連，做收發(fā)控制開關(guān)。

在該部分設(shè)計(jì)中要注意幾點(diǎn)：

（1）8TR8201的焊盤要做好散熱，可以通過底部通孔的方式起到更好的散熱效果；

（2）3.3V的旁路電容盡可能的靠近8TR8201的接地焊盤；

（3）TXRX管腳要通過巴倫電路來和CC250的原天線端相連，從而增加發(fā)射距離等。

在此也簡(jiǎn)單介紹下我們?cè)诒驹O(shè)計(jì)中的巴倫電路因?yàn)?TR8201只有一個(gè)TXRX共用端口，所以必須通過差分轉(zhuǎn)單端的巴倫電路（差分轉(zhuǎn)單端電路），該電路的理想情況：兩路輸出信號(hào)特性阻抗相同，之間有180度的相位差，巴倫的插損為0dB，從而達(dá)到降低損耗增強(qiáng)發(fā)射的目的。

特別是在布板的時(shí)候如果想發(fā)揮該芯片的全部潛在性能，還需要特別注意布局或阻抗匹配，絕緣層材料和層疊板等設(shè)計(jì)，否則優(yōu)質(zhì)元器件也可能容易劣化，這些地方對(duì)芯片的EMC、EMI影響很大，所以，盡可能的做到這幾點(diǎn)：

首先要進(jìn)行分區(qū)設(shè)計(jì)，可以分為物理分區(qū)和電氣分區(qū)，從元器件布局到RF走線等；其次地線的布線要嚴(yán)格區(qū)分模擬地和數(shù)字地以及共地等，采用加寬電源、地線寬度以及多處去耦電容等，將產(chǎn)生的噪音干擾降低到最少；最后巴倫電路的線寬必須是阻抗控制50歐姆的，盡量不要有焊盤寬度突變，包地要完整，盡量不要有分支，相關(guān)走線要科學(xué)合理，例如傳輸線拐角要采用45°角，降低回?fù)p等。

圖3 CC2530和8TR8201相連的巴倫電路設(shè)計(jì)

2 PA軟件設(shè)計(jì)

在PA軟件設(shè)計(jì)方面，主要是根據(jù)8TR8201的控制時(shí)序，參照數(shù)據(jù)手冊(cè)中的邏輯表如表5所示。

表5

從表5可以看出，只要 RXEN 保持高電平，TXEN 決定發(fā)送和接收，所以要設(shè)置 P1.4=1，控制P1.5就行了，在軟件設(shè)計(jì)中只要簡(jiǎn)單的三步就可以讓8TR8201按照我們的預(yù)期工作：

首先在hal_board_cfg.h中找到#define xHAL_PA_LNA，把它改成#define HAL_PA_LNA；這樣才能打開協(xié)議棧的PA使能。

圖4 修改HAL_PA_LNA定義

其次修改PA驅(qū)動(dòng)的引腳，在mac_radio_defs.c中找到MAC_INTERNAL_API void macRadioTurnOnPower(void)這個(gè)函數(shù)。

最后，設(shè)置PA的功率，修改mac_pib.c文件，修改PA的功率phyTransmitPower為0xF5。

圖5 修改mac_pib.c文件

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)完成后，我們可以用Packet Sniffer抓取ZigBee通訊數(shù)據(jù)包來做相關(guān)的數(shù)據(jù)驗(yàn)證，打開Packet Sniffer如下圖所示，選擇“IEEE 802.15.4/ZigBee”，看到我們有我們?cè)O(shè)計(jì)中應(yīng)用的CC2530芯片，然后點(diǎn)擊開始，就可以抓到相關(guān)數(shù)據(jù)包，從數(shù)據(jù)包中能看到使能PA前后的信號(hào)強(qiáng)度。

圖6 Packet Sniffer啟動(dòng)選擇界面

按照筆者上述方式增加PA后，在同樣的距離測(cè)信號(hào)強(qiáng)度，信號(hào)強(qiáng)度顯著增加。

圖7 不加PA的圖

圖8 帶PA的圖