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1 射频放大电路设计
1.1 功放芯片及其匹配电路： 功放芯片采用的是安华的ATF-55143，该芯片具有高动态范围，高增益，高线性，低噪声，单电源供电等特点。整个射频电路如图1所示：本设计采用有源偏置，因为射频电路在工作频率下有产生振荡的趋势，所以放大器必须满足的首要条件是其在工作频段内的稳定性。通常稳定电路方法是在栅极串联电阻，本文采用的方法是在低噪放大管ATF-55143的两 个源极引入负反馈，即分别串联一个1.0nH 的电感。与在栅极引入电阻的方法相比，该方法 能在极少降低放大电路增益的同时，获得更低的噪声和更广带宽内的稳定。 放大器与输入输出端信号源和天线的匹配很重要。放大器匹配主要有两种方式:一是以获得噪声系数最小为目的的噪声匹配；二是以获得最大功率传输和最小反射损耗为目的的共 轭匹配。考虑到本设计要求主要是增加射频通信距离，必须尽量减少反射损耗；另外从发射源输出的信号信噪比情况比较好，对噪声不是特别敏感，本文采用共轭匹配。 1.2 仿真结果： 直流偏置关系到 PA 核心器件低噪放大管ATF55143 的静态工作点。从ADS2005A 给出 的DC-Simulation 仿真结果：栅源电压VGS=0.428V，漏源电压VDS=2.86V，漏源电流 IDS=10.3mA 都与ATF55143 工作在2.4GHZ 的数据手册基本吻合，说明本设计ATF55143 工 作在正常的工作范围内。 S21 为输出端口与输入端口信号比值，代表信号的放大情况，理论上是越大越好；但它 和其他参数相互关联，所以一般综合权衡取折中值。输入反射系数S11 为输入端口信号反射 与输入比值，代表输入损耗；输出反射系数S22 为输出端口信号反射与输出的比值，代表输 出损耗。S11 和S22 越大则代表输入或输出损耗越严重，所以应尽量小。一般要求在工作频域内S11 和S22 小于-10dB，并且越小越好。 稳定系数是用来描述放大器是否处于绝对稳定的一个参数。它通过在整个工作频域内的 稳定系数是否大于1 来判定，大于1 则绝对稳定，否则有可能产生自激。最大增益代表在工作频段内信号能取得的增益最大值；最大增益越大则表明电路放大信号的能力越强。噪声系 数则代表信号经过放大器后，信噪比变坏的倍数。噪声系数越大则信号质量下降越明显，失真和误码的概率就越大，所以该值应越小越好，一般最好能小于1 dB。 图 2 是ADS2005A 仿真结果，图中给出了3 个S 参数、稳定系数、最大增益和噪声系数的值。从图中可以看出工作频域内输入输出反射系数S11,S22 均在-13dB 以下，放大系数 在14dB 以上，稳定系数>1, 最大增益>15dB,噪声系数约为0.5dB，离1 dB 还有比较远的距 离。各项指标均达到或超过设计要求。 |
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2 软件设计
发送：发送程序流程图如图3（左）。发送程序首先会通过查询状态字来确保CC2420 允许发送。如果CC2420 允许发送的话，程序先判断发送寄存器是否处于下溢，是则先把发射寄存器清空，否则直接将需要发送的数据包通过SPI 写入CC2420 的发射寄存器中。然后 等待信道空闲，清理信道*估，SPI 接口触发发送命令，通过状态位判断是否发送成功。如 果不成功则调用CSMS/CA（载波侦听多点接入/避免碰撞）的算法多次尝试；如果发送成功则向上层返回发送成功的原语。 接收：接收程序流程图如图3（右）。进入中断服务函数后，先初始化，后程序检查CC2420 中的接收缓冲是否溢出，如果是则清空接收寄存器后返回；如果没有溢出，则通过SPI 按字节读出接收寄存器中的数据。如果检测到是回应帧（ACK），则不再继续读取数据并清空 CC2420 的接收寄存器并返回；如果不是回应帧，则根据数据包的长度将数据读入ARM 的 接收缓冲区中，然后返回。 图3 发送数据流程（左）和接收数据流程图（右） |
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3 实际电路与测试距离
图4 是我们实际做出来射频电路的实物照片，PCB 板材为FR-4,层数为4。最上层是信 号层，第2 层是介质绝缘层，第3 层为供电层，底层作为接地层。图中矩形的金属框是射频电路的墙（接地）：所有射频电路都包含在墙内，墙可以焊接电磁屏蔽罩，以隔断外界对射 频电路的干扰。在天气晴朗，周围电磁波干扰少，射频板天线顶端离地60cm 情况下，实测 通信距离为380 米，达到本文开头提出的300 米的设计要求。 |
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4 结论
本文基于 IEEE802.15.4 的Zigbee 技术，提出了一种通信距离达到300 米的射频增强模块的软硬件设计方案。该方案包括射频放大电路硬件设计和Zigbee 数据发送、接收等软件模块的设计并通过ADS2005A 仿真和制板实测，各项技术指标均达到或超过设计要求。 本文作者的创新点：通过在低噪管ATF55143 源端引入负反馈电感的办法，与在栅极引 入电阻的方法相比，在几乎不降低增益的情况下，获得了更广带宽内的稳定性，同时大大降低了放大器噪声系数。并根据设计做出了实际的电路板，用实际电路板完成通信距离测试， 使设计不停留在理论和仿真上，增加了设计的可信度。 |
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