一種遠距離ZigBee 模組中的射頻放大器的設計實現

馬學文

（深圳市麥馳安防技術有限公司，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射功率（以下文中我們簡稱“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系列，其基本原理是經過一系列的放大一緩沖級、中間放大級、末級功率放大級等過程，獲得足夠的射頻功率以后，將信號饋送到天線上輻射出去，其在本設計中的應用框圖如圖1 所示。

圖1 PA 在本設計的應用框圖

本設計中我們的ZigBee 模組基于CC2530，其是TI 公司開發的一款專門用于無線傳感器網絡中進行數據傳輸的集成芯片，該芯片封裝了Z-STACK 等協議棧，是ZigBee應用中的一個真正的SoC 解決方案，搭配少數幾個外圍元器件就能完成系統設計。

其中CC2530 和PA 相關的寄存器是通過使用 OBSSELx寄存器（OBSSEL0-OBSSEL5），用戶可以從 RF 內核輸出不同的信號到 GPIO 引 腳，這些信號可以用于調試低級別的協議或控制外部 PA、LNA 或交換機。控制寄存器OBSSEL0-OBSSEL5 可以用于覆蓋標準的 GPIO 行為，以及在引腳 P1[0:5]上輸出 RF 內核信號（rfc_obs_sig0、rfc_obs_sig1 和 rfc_obs_sig2）。

結合CC2530的數據手冊，和PA相關寄存器有如下幾個：

表1 TXPOWER(0x6190)控制輸出功率

表2 FSCTRL(Ox61AC)調整頻率合成器

表3 PTEST1(0x61BF)覆蓋掉電寄存器

我們本文著重講述在CC2530 的上述設計基礎上，如何通過運用PA 器件來實現遠距離傳輸。

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

其和RFX2401C 相關參數比較如表4 所示。

表4

通過上面8TR8201 與RFX2401C 參數對比可以得出：

（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，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，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，也更加的穩定。

1 PA 硬件設計

結合上面分析，CC2530 和8RT8201 的電路設計如圖2所示，其中8TR8201 的發射、接收管腳分別與CC2530 的P1.4 和P1.1 管腳相連，做收發控制開關。

圖2 CC2530 的PA 設計原理圖

在該部分設計中要注意幾點：

（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，從而增加發射距離等。

在此也簡單介紹下我們在本設計中的巴倫電路因為8TR8201 只有一個TXRX 共用端口，所以必須通過差分轉單端的巴倫電路（差分轉單端電路），該電路的理想情況：兩路輸出信號特性阻抗相同，之間有180 度的相位差，巴倫的插損為0dB，從而達到降低損耗增強發射的目的。

特別是在布板的時候如果想發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計，否則優質元器件也可能容易劣化，這些地方對芯片的EMC、EMI 影響很大，所以，盡可能的做到這幾點：

首先要進行分區設計，可以分為物理分區和電氣分區，從元器件布局到RF 走線等；其次地線的布線要嚴格區分模擬地和數字地以及共地等，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，相關走線要科學合理，例如傳輸線拐角要采用45°角，降低回損等。

圖3 CC2530 和8TR8201 相連的巴倫電路設計

2 PA 軟件設計

在PA 軟件設計方面，主要是根據8TR8201 的控制時序，參照數據手冊中的邏輯表如表5 所示。

表5

從表5 可以看出，只要 RXEN 保持高電平，TXEN 決定發送和接收，所以要設置 P1.4=1，控制P1.5 就行了，在軟件設計中只要簡單的三步就可以讓8TR8201 按照我們的預期工作：

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

圖4 修改HAL_PA_LNA 定義

其次修改PA 驅動的引腳，在mac_radio_defs.c 中找到MAC_INTERNAL_API void macRadioTurnOnPower(void)這個函數。

最后，設置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 結論

設計完成后，我們可以用Packet Sniffer 抓取ZigBee通訊數據包來做相關的數據驗證，打開Packet Sniffer 如下圖所示，選擇“IEEE 802.15.4/ZigBee”，看到我們有我們設計中應用的CC2530 芯片，然后點擊開始，就可以抓到相關數據包，從數據包中能看到使能PA 前后的信號強度。

圖6 Packet Sniffer 啟動選擇界面

按照筆者上述方式增加PA 后，在同樣的距離測信號強度，信號強度顯著增加。

圖7 不加PA 的圖

圖8 帶PA 的圖