近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)蓬勃發(fā)展，470 MHz～510 MHz已經(jīng)作為中國(guó)智能電網(wǎng)的免費(fèi)計(jì)量頻段開放使用。新的無(wú)線頻段的開放又大大推動(dòng)了射頻電路的發(fā)展，在處理射頻電路的實(shí)際設(shè)計(jì)問(wèn)題時(shí)，總會(huì)遇到一些非常困難的工作，RF收發(fā)芯片的輸出阻抗匹配電路就是其中之一。

    本文將采用EDA軟件ADS2008輔助設(shè)計(jì)工作在470 MHz～510 MHz的無(wú)線模塊，解決工作頻率為480 MHz的射頻電路的阻抗匹配問(wèn)題，使得電路的輸出網(wǎng)絡(luò)部分獲得良好的阻抗匹配特性。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中射頻電路的設(shè)計(jì)過(guò)程得到簡(jiǎn)化，設(shè)計(jì)成本明顯降低，設(shè)計(jì)周期大大縮短。
1 總體結(jié)構(gòu)概述
    根據(jù)應(yīng)用需求以及功能要求，數(shù)傳模塊的設(shè)計(jì)主要包括五個(gè)基本部分：傳感器接口、主處理器、射頻芯片、供電單元以及擴(kuò)展I/O接口。傳感器接口負(fù)責(zé)連接傳感器，對(duì)所關(guān)心的物理量進(jìn)行測(cè)量并采集數(shù)據(jù)，提供給處理器單元進(jìn)行處理；處理器單元負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理、控制射頻芯片的收發(fā)工作；射頻芯片負(fù)責(zé)交換控制信息和相關(guān)數(shù)據(jù)；供電單元負(fù)責(zé)為節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需的能量；擴(kuò)展I/O接口可以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)平臺(tái)功能的擴(kuò)展，以適應(yīng)多種應(yīng)用場(chǎng)合。節(jié)點(diǎn)的硬件體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 數(shù)字電路部分設(shè)計(jì)
2.1 數(shù)據(jù)處理單元
    本設(shè)計(jì)中主控制器采用TI公司的16 bit單片機(jī)MSP430F2274。這款芯片是一個(gè)16  bit、具有精簡(jiǎn)指令集（RISC）、超低功耗的混合型單片機(jī)，其片上集成了豐富的外圍模塊，包括看門狗、定時(shí)器、硬件乘法器、A/D轉(zhuǎn)換器等[1]，根據(jù)其運(yùn)行打開的模塊數(shù)目不同（即采用不同的工作模式），芯片的功耗有著顯著的差異，除了正常的活動(dòng)模式外，它還具有5種低功耗模式(LPM0~LPM4)，待機(jī)模式下功耗為2.1 μW。利用JTAG接口，可以對(duì)片內(nèi)Flash方便編程，便于軟件的升級(jí)，非常適合作為低功耗無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的微控制器。
    本設(shè)計(jì)中為了降低功耗，不采用外部晶振?？刂破鞴ぷ麟妷簽?.3 V，當(dāng)采集數(shù)據(jù)完成并發(fā)送成功以后，處理器進(jìn)入省電模式，工作在LPM3模式下。
2.2 數(shù)據(jù)傳輸單元
    CC1100E是一款Sub-GHz高性能射頻收發(fā)器，適于極低功耗的RF應(yīng)用，尤其適合于那些針對(duì)中國(guó)470 MHz～510 MHz短距離通信設(shè)備的無(wú)線應(yīng)用[2]。CC1100E的發(fā)射電流60 mA～130 mA，接收靈敏度為-112 dBm，當(dāng)空中波特率為1.2 Kb/s、接收電流小于20 mA時(shí)，這些都可以通過(guò)軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。
    由于CC1100E芯片內(nèi)部含有射頻部分，所以供電電源要和主控制芯片電源采用電感隔離，分成兩路電源，單獨(dú)供電的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。
    CC1100E的4個(gè)SPI通信管腳(SI，SO，SCLK，CSn)分別連接到相應(yīng)MSP430F2274的4個(gè)SPI引腳，即MOSI、MISO、UCLK、MCLK上。設(shè)置處理器為主機(jī)模式，CC1100E為從機(jī)模式。當(dāng)處理器將CSn信號(hào)置為低電平時(shí)，處理器可以對(duì)CC1100進(jìn)行寄存器讀寫和功能配置。完成相關(guān)的配置以后，處理器就能控制CC1100E芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)的無(wú)線收發(fā)和休眠模式的切換。
3 射頻前端電路設(shè)計(jì)
    CC1100E芯片工作在480 MHz時(shí)輸出阻抗是132+j2 Ω，通過(guò)巴倫電路使得差分輸出變成一路輸出，通過(guò)輸出阻抗匹配電路，連接到50 Ω天線。因此需要設(shè)計(jì)輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)部分。如何確定阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)中的微帶傳輸線和元件的類型、參數(shù)以及連接關(guān)系，是射頻阻抗匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。射頻前端阻抗匹配設(shè)計(jì)主要包括：(1)50 Ω微帶傳輸線的選型及相關(guān)參數(shù)的確定；(2)輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)中元件的類型、參數(shù)以及連接關(guān)系的確定。
3.1 RF電路微帶傳輸線的設(shè)計(jì)
    在實(shí)際實(shí)施中，當(dāng)電路的頻率達(dá)到射頻甚至微波頻率時(shí)，電路之間的連線就要用微帶線。微帶線在電路中的主要作用有兩個(gè)：一是設(shè)計(jì)成具有一定特性阻抗的微帶線，可以有效地傳輸高頻信號(hào)；二是與其他固體器件如電感、電容等構(gòu)成一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)，使信號(hào)輸出端與負(fù)載很好地匹配，從而可以使信號(hào)傳輸過(guò)程中的功率損耗減到最小[3]。
3.1.1 50 Ω微帶線的計(jì)算
    首先要設(shè)計(jì)480 MHz下特征阻抗為50 ?贅的微帶線。微帶線的厚度、寬度、微帶線與地層的距離以及電介質(zhì)的介電常數(shù)決定了微帶線的特性阻抗。在PCB板材材料、板厚確定的情況下，特征阻抗Z0=50 ?贅只取決于微帶線的寬度[4]，w/h按照下式計(jì)算：
 
3.2 輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)
    設(shè)計(jì)CC1100E芯片輸出阻抗匹配電路，然后版圖結(jié)合實(shí)際元件模型對(duì)輸出阻抗匹配電路的S參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。
3.2.1 利用Smith圓圖設(shè)計(jì)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)
    CC1100E芯片差分輸出阻抗經(jīng)過(guò)巴倫電路轉(zhuǎn)換成單端阻抗，差分阻抗通過(guò)巴倫電路轉(zhuǎn)換的單端輸出阻抗為79.5+j*6.7 Ω。在史密斯原圖工具設(shè)置源阻抗為79.5-j*6.7 Ω，負(fù)載阻抗為50 Ω。使用LC元件搭建的阻抗匹配電路如圖3所示。

    可以看出，未優(yōu)化的電路的S參數(shù)很不理想，無(wú)法得到最佳的匹配網(wǎng)絡(luò)性能。因此使用OPTIM優(yōu)化控件對(duì)匹配網(wǎng)絡(luò)的無(wú)源器件參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。首先添加OPTIM優(yōu)化控制器，設(shè)置優(yōu)化器重復(fù)運(yùn)行次數(shù)Maxlter為125次。將組成匹配網(wǎng)絡(luò)的電容和電感設(shè)置為可優(yōu)化，然后添加兩個(gè)優(yōu)化目標(biāo)控件GOAL，優(yōu)化目標(biāo)S11<0.1即-20 dB；S21>0.7即-3 dB。進(jìn)行多次優(yōu)化，組后得到優(yōu)化后的S11和S21參數(shù)如圖5所示。

   通過(guò)多次優(yōu)化仿真，S11達(dá)到-33.518 dB，S21達(dá)到-0.314 dB，輸出匹配電路網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)得到優(yōu)化。根據(jù)

    在空曠場(chǎng)地進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，最大穩(wěn)定通信距離可達(dá)到160 m，數(shù)據(jù)丟包小于2%，設(shè)計(jì)符合指標(biāo)要求。
    根據(jù)實(shí)際要求，設(shè)計(jì)和生產(chǎn)了工作在470 MHz～510 MHz的無(wú)線數(shù)傳模塊。由測(cè)量得到的數(shù)據(jù)可知，通過(guò)優(yōu)化阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，大大減小了輸出功率的損耗。由于受設(shè)備和測(cè)量條件的限制，對(duì)其他一些參數(shù)并未進(jìn)行測(cè)量，這是下一步需要完善的地方。當(dāng)有特殊應(yīng)用場(chǎng)合需較大通信距離時(shí)，可以在CC1100E的輸出端加上功率放大器，提高發(fā)射功率；在RF輸入端加一級(jí)低噪聲放大器，以提高接收靈敏度。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)電路進(jìn)行改進(jìn)也是日后的工作重點(diǎn)之一。
參考文獻(xiàn)
[1] Texas Instruments公司.MSP430f2274數(shù)據(jù)手冊(cè).2010.
[2] Texas Instruments公司.CC1100E中文數(shù)據(jù)手冊(cè).2010.
[3] 李樹翀，韓振宇，劉新宇，等.RF模塊中微帶線的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2005，30(2)：51-52.
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