一种远距离ZigBee 模组中的射频放大器的设计实现

马学文

（深圳市麦驰安防技术有限公司，广东深圳，518126）

射频放大器，即PA（Power Amplifier），其作用是提高主芯片的发射功率（以下文中我们简称“射频放大器”为“PA”）。PA 可分为高增益放大器、低噪声放大器、中-高功率放大器等多个系列，其基本原理是经过一系列的放大一缓冲级、中间放大级、末级功率放大级等过程，获得足够的射频功率以后，将信号馈送到天线上辐射出去，其在本设计中的应用框图如图1 所示。

图1 PA 在本设计的应用框图

本设计中我们的ZigBee 模组基于CC2530，其是TI 公司开发的一款专门用于无线传感器网络中进行数据传输的集成芯片，该芯片封装了Z-STACK 等协议栈，是ZigBee应用中的一个真正的SoC 解决方案，搭配少数几个外围元器件就能完成系统设计。

其中CC2530 和PA 相关的寄存器是通过使用 OBSSELx寄存器（OBSSEL0-OBSSEL5），用户可以从 RF 内核输出不同的信号到 GPIO 引 脚，这些信号可以用于调试低级别的协议或控制外部 PA、LNA 或交换机。控制寄存器OBSSEL0-OBSSEL5 可以用于覆盖标准的 GPIO 行为，以及在引脚 P1[0:5]上输出 RF 内核信号（rfc_obs_sig0、rfc_obs_sig1 和 rfc_obs_sig2）。

结合CC2530的数据手册，和PA相关寄存器有如下几个：

表1 TXPOWER(0x6190)控制输出功率

表2 FSCTRL(Ox61AC)调整频率合成器

表3 PTEST1(0x61BF)覆盖掉电寄存器

我们本文着重讲述在CC2530 的上述设计基础上，如何通过运用PA 器件来实现远距离传输。

目前适合应用于ZigBee 设备中的PA 器件有较多的选择余地，例如RFX2401C、AT2401C 等等，本设计中我们采用Octotech 公司的8TR8201 来做PA，8TR8201 是一款面向Zigbee 无线传感网络以及其他2.4GHz 频段无线系统的全集成射频功能的射频前端单芯片,由研发RFX2401C 的团队在RFX2401C 的基础上优化出来的新产品，在性能方面完胜RFX2401C，由于该芯片有非常优越的性能，高灵敏度和效率，低噪声，产品尺寸小以及低成本，使得8TR8201对于频率带宽内的应用而言为完美解决方案。其内部集成了功率放大器(PA)，低噪声放大器(LNA)，芯片收发开关控制电路，输入输出匹配电路以及谐波滤波电路和SPDT 天线开关组成，自身带有集成滤波器网络和匹配电路。所以控制逻辑电路非常简单，非常方便系统的整体集成设计。此外，8TR8201 为电池操作进行了优化，提高了效率，在1.8V 到3.6V 的宽电压范围内运行，适用于广泛的应用，包括电池供电的无线系统。

其和RFX2401C 相关参数比较如表4 所示。

表4

通过上面8TR8201 与RFX2401C 参数对比可以得出：

（1）功耗上比较：8TR8201 比SRFX2401C 的功耗要小，同在3.3V 的电压下工作输出20dBm 的功率，8TR8201 的电流消耗为75mA，RFX2401C 的电流消耗为90 mA。因此输出高功率时，8TR8201 比RFX2401C 的功耗要低。

（2）增益上比较：8TR8201 比RFX2401C 的增益要大，因此输出相同的高功率时，主控芯片搭配8TR8201 使用比搭配RFX2401C使用的可控范围更加大一点，也更加的稳定。

1 PA 硬件设计

结合上面分析，CC2530 和8RT8201 的电路设计如图2所示，其中8TR8201 的发射、接收管脚分别与CC2530 的P1.4 和P1.1 管脚相连，做收发控制开关。

图2 CC2530 的PA 设计原理图

在该部分设计中要注意几点：

（1）8TR8201 的焊盘要做好散热，可以通过底部通孔的方式起到更好的散热效果；

（2）3.3V 的旁路电容尽可能的靠近8TR8201 的接地焊盘；

（3）TXRX 管脚要通过巴伦电路来和CC250 的原天线端相连，从而增加发射距离等。

在此也简单介绍下我们在本设计中的巴伦电路因为8TR8201 只有一个TXRX 共用端口，所以必须通过差分转单端的巴伦电路（差分转单端电路），该电路的理想情况：两路输出信号特性阻抗相同，之间有180 度的相位差，巴伦的插损为0dB，从而达到降低损耗增强发射的目的。

特别是在布板的时候如果想发挥该芯片的全部潜在性能，还需要特别注意布局或阻抗匹配，绝缘层材料和层叠板等设计，否则优质元器件也可能容易劣化，这些地方对芯片的EMC、EMI 影响很大，所以，尽可能的做到这几点：

首先要进行分区设计，可以分为物理分区和电气分区，从元器件布局到RF 走线等；其次地线的布线要严格区分模拟地和数字地以及共地等，采用加宽电源、地线宽度以及多处去耦电容等，将产生的噪音干扰降低到最少；最后巴伦电路的线宽必须是阻抗控制50 欧姆的，尽量不要有焊盘宽度突变，包地要完整，尽量不要有分支，相关走线要科学合理，例如传输线拐角要采用45°角，降低回损等。

图3 CC2530 和8TR8201 相连的巴伦电路设计

2 PA 软件设计

在PA 软件设计方面，主要是根据8TR8201 的控制时序，参照数据手册中的逻辑表如表5 所示。

表5

从表5 可以看出，只要 RXEN 保持高电平，TXEN 决定发送和接收，所以要设置 P1.4=1，控制P1.5 就行了，在软件设计中只要简单的三步就可以让8TR8201 按照我们的预期工作：

首先在hal_board_cfg.h 中找到#define xHAL_PA_LNA，把它改成#define HAL_PA_LNA；这样才能打开协议栈的PA 使能。

图4 修改HAL_PA_LNA 定义

其次修改PA 驱动的引脚，在mac_radio_defs.c 中找到MAC_INTERNAL_API void macRadioTurnOnPower(void)这个函数。

最后，设置PA 的功率，修改mac_pib.c 文件，修改PA 的功率phyTransmitPower 为0xF5。

图5 修改mac_pib.c 文件

3 结论

设计完成后，我们可以用Packet Sniffer 抓取ZigBee通讯数据包来做相关的数据验证，打开Packet Sniffer 如下图所示，选择“IEEE 802.15.4/ZigBee”，看到我们有我们设计中应用的CC2530 芯片，然后点击开始，就可以抓到相关数据包，从数据包中能看到使能PA 前后的信号强度。

图6 Packet Sniffer 启动选择界面

按照笔者上述方式增加PA 后，在同样的距离测信号强度，信号强度显著增加。

图7 不加PA 的图

图8 带PA 的图