一种480 MHz无线数传模块的设计*

严 冬，黄 聃，王 平，彭 杰，朱柏寒

（重庆邮电大学 工业物联网与网络化控制教育部重点实验室，重庆400065）

近年来，物联网技术蓬勃发展，470 MHz～510 MHz已经作为中国智能电网的免费计量频段开放使用。新的无线频段的开放又大大推动了射频电路的发展，在处理射频电路的实际设计问题时，总会遇到一些非常困难的工作，RF收发芯片的输出阻抗匹配电路就是其中之一。

本文将采用EDA软件ADS2008辅助设计工作在470 MHz～510 MHz的无线模块，解决工作频率为480 MHz的射频电路的阻抗匹配问题，使得电路的输出网络部分获得良好的阻抗匹配特性。在整个设计过程中射频电路的设计过程得到简化，设计成本明显降低，设计周期大大缩短。

1 总体结构概述

根据应用需求以及功能要求，数传模块的设计主要包括五个基本部分：传感器接口、主处理器、射频芯片、供电单元以及扩展I/O接口。传感器接口负责连接传感器，对所关心的物理量进行测量并采集数据，提供给处理器单元进行处理；处理器单元负责数据处理、控制射频芯片的收发工作；射频芯片负责交换控制信息和相关数据；供电单元负责为节点提供运行所需的能量；扩展I/O接口可以实现节点平台功能的扩展，以适应多种应用场合。节点的硬件体系结构如图1所示。

2 数字电路部分设计

2.1 数据处理单元

本设计中主控制器采用TI公司的16 bit单片机MSP430F2274。这款芯片是一个16 bit、具有精简指令集（RISC）、超低功耗的混合型单片机，其片上集成了丰富的外围模块，包括看门狗、定时器、硬件乘法器、A/D转换器等[1]，根据其运行打开的模块数目不同（即采用不同的工作模式），芯片的功耗有着显著的差异，除了正常的活动模式外，它还具有5种低功耗模式(LPM0～LPM4)，待机模式下功耗为 2.1 μW。利用JTAG接口，可以对片内Flash方便编程，便于软件的升级，非常适合作为低功耗无线传感器节点的微控制器。

图1 无线数传模块硬件框图

本设计中为了降低功耗，不采用外部晶振。控制器工作电压为3.3 V，当采集数据完成并发送成功以后，处理器进入省电模式，工作在LPM3模式下。

2.2 数据传输单元

CC1100E是一款Sub-GHz高性能射频收发器，适于极低功耗的RF应用，尤其适合于那些针对中国470 MHz～510 MHz短距离通信设备的无线应用[2]。CC1100E的发射电流60 mA～130 mA，接收灵敏度为-112 dBm，当空中波特率为1.2 Kb/s、接收电流小于 20 mA时，这些都可以通过软件编程来实现。

由于CC1100E芯片内部含有射频部分，所以供电电源要和主控制芯片电源采用电感隔离，分成两路电源，单独供电的方式进行设计。

CC1100E的4个SPI通信管脚(SI，SO，SCLK，CSn)分别连接到相应MSP430F2274的4个SPI引脚，即MOSI、MISO、UCLK、MCLK上。设置处理器为主机模式，CC1100E为从机模式。当处理器将CSn信号置为低电平时，处理器可以对CC1100进行寄存器读写和功能配置。完成相关的配置以后，处理器就能控制CC1100E芯片进行数据的无线收发和休眠模式的切换。

3 射频前端电路设计

CC1100E芯片工作在480 MHz时输出阻抗是132+j2 Ω，通过巴伦电路使得差分输出变成一路输出，通过输出阻抗匹配电路，连接到50 Ω天线。因此需要设计输出阻抗匹配网络部分。如何确定阻抗匹配网络中的微带传输线和元件的类型、参数以及连接关系，是射频阻抗匹配优化设计的关键。射频前端阻抗匹配设计主要包括：(1)50 Ω微带传输线的选型及相关参数的确定；(2)输出阻抗匹配网络中元件的类型、参数以及连接关系的确定。

3.1 RF电路微带传输线的设计

在实际实施中，当电路的频率达到射频甚至微波频率时，电路之间的连线就要用微带线。微带线在电路中的主要作用有两个：一是设计成具有一定特性阻抗的微带线，可以有效地传输高频信号；二是与其他固体器件如电感、电容等构成一个匹配网络，使信号输出端与负载很好地匹配，从而可以使信号传输过程中的功率损耗减到最小[3]。

3.1.1 50 Ω微带线的计算

首先要设计480 MHz下特征阻抗为50 Ω的微带线。微带线的厚度、宽度、微带线与地层的距离以及电介质的介电常数决定了微带线的特性阻抗。在PCB板材材料、板厚确定的情况下，特征阻抗 Z0=50 Ω只取决于微带线的宽度[4]，w/h按照下式计算：

当 w/d＜2时：

当 w/d＞2时：

其中，w为金属片的宽度；h为介质基片的厚度；εr为介质基片的介电常数。

本设计中电路板基材采用FR4板材。FR4板材的介电常数为4.3～4.5，本设计中取εr=4.4；板材的厚度为h=1 mm，计算出走线的宽度w=0.97 mm。

3.1.2 50 Ω微带线的软件仿真

使用ADS2008U2中的LineCalc工具来完成微带传输线的设计。考虑到顶层的微带线两侧有接地的铺铜，它们会影响传输线阻抗的阻抗值，所以选用G_CPW型传输线模型进行设计[5]。设置槽缝的宽度G=0.20 mm、工作频率Freq=480 MHz时，计算得到微带传输线的宽度w=0.97 mm，如图2所示。

图2 微带线计算工具计算50 Ω@480 MHz

3.2 输出阻抗匹配网络设计

设计CC1100E芯片输出阻抗匹配电路，然后版图结合实际元件模型对输出阻抗匹配电路的S参数进行优化。

3.2.1 利用Smith圆图设计输出匹配网络

CC1100E芯片差分输出阻抗经过巴伦电路转换成单端阻抗，差分阻抗通过巴伦电路转换的单端输出阻抗为79.5+j*6.7 Ω。在史密斯原图工具设置源阻抗为79.5-j*6.7 Ω，负载阻抗为50 Ω。使用 LC元件搭建的阻抗匹配电路如图3所示。

图3 阻抗匹配电路

3.2.2 优化输出匹配网络

在ADS2008U2的momentum中导入设计好的gaber格式或者DXF格式的版图文件[6]。在momentum中对导入的PCB文件截取和编辑输出匹配网路电路部分，添加并设置好端口。将编辑好的匹配网络电路部分的PCB建成Layout component。新建仿真原理图，添加新建的匹配网络的Layout component，然后按照参考电路电容和电感参数，使用村田公司的designkit添加好无源器件。

在原理图中添加s-param控件，设置好扫描的范围为400 MHz～560 MHz。芯片的差分阻抗输出端添加上阻抗term1，设置阻抗值为 132+j2 Ω。天线输入端添加上 50 Ω阻抗term2。设置完毕，开始执行S参数的仿真。此时得到匹配网络的S11和S21参数，其S参数曲线如图4所示。

图4 未优化的S参数仿真结果

可以看出，未优化的电路的S参数很不理想，无法得到最佳的匹配网络性能。因此使用OPTIM优化控件对匹配网络的无源器件参数进行优化。首先添加OPTIM优化控制器，设置优化器重复运行次数Maxlter为125次。将组成匹配网络的电容和电感设置为可优化，然后添加两个优化目标控件GOAL，优化目标S11＜0.1即-20 dB；S21＞0.7即-3 dB。进行多次优化，组后得到优化后的S11和S21参数如图5所示。

图5 优化后的S参数仿真图

通过多次优化仿真，S11达到-33.518 dB，S21达到-0.314 dB，输出匹配电路网络性能参数得到优化。根据优化的到的元器件的数值，结合实际情况选择适当的器件值，确定匹配网络无源器件的参数。确定最终PCB版图，加工生产PCB板，进行下一步测试。

4 实物测试

通过优化得到电路图，投板并生产PCB。为了检验输出模块的性能，要对无线模块通信链路的输出进行功率测试。安捷伦频谱分析仪E9060A测试模块选用最大的输出功率，设置CC1100E输出功率寄存器PATABALE=0x06，即输出功率预设10 dbm。实际测试输出端功率为9.41 dbm，如图6所示。

图6 无线模块最大输出功率测试图

在空旷场地进行实际测量，最大稳定通信距离可达到160 m，数据丢包小于2%，设计符合指标要求。

根据实际要求，设计和生产了工作在470 MHz～510 MHz的无线数传模块。由测量得到的数据可知，通过优化阻抗匹配网络设计，大大减小了输出功率的损耗。由于受设备和测量条件的限制，对其他一些参数并未进行测量，这是下一步需要完善的地方。当有特殊应用场合需较大通信距离时，可以在CC1100E的输出端加上功率放大器，提高发射功率；在RF输入端加一级低噪声放大器，以提高接收灵敏度。根据应用场合，对电路进行改进也是日后的工作重点之一。

[1]Texas Instruments公司.MSP430f2274数据手册.2010.

[2]Texas Instruments公司.CC1100E中文数据手册.2010.

[3]李树翀，韩振宇，刘新宇，等.RF模块中微带线的设计及实现[J].半导体技术，2005，30(2)：51-52.

[4]清华大学微带电路编写组.微带电路[M].北京：人民邮电出版社，1976.

[5]李丽，廖海洲.基于 Ansoft Designer的射频功放电路阻抗匹配优化[J].电子技术应用，2008，(12)：138-144.

[6]徐兴福.ADS2008射频电路设计与仿真实例[M].北京：电子工业出版社，2009：180-190.