近年來,，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)蓬勃發(fā)展,，470 MHz～510 MHz已經(jīng)作為中國智能電網(wǎng)的免費計量頻段開放使用。新的無線頻段的開放又大大推動了射頻電路的發(fā)展,，在處理射頻電路的實際設(shè)計問題時,，總會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)計工作在470 MHz～510 MHz的無線模塊,，解決工作頻率為480 MHz的射頻電路的阻抗匹配問題，使得電路的輸出網(wǎng)絡(luò)部分獲得良好的阻抗匹配特性,。在整個設(shè)計過程中射頻電路的設(shè)計過程得到簡化,，設(shè)計成本明顯降低，設(shè)計周期大大縮短,。
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)計主要包括五個基本部分：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,，對所關(guān)心的物理量進(jìn)行測量并采集數(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)點提供運(yùn)行所需的能量；擴(kuò)展I/O接口可以實現(xiàn)節(jié)點平臺功能的擴(kuò)展,，以適應(yīng)多種應(yīng)用場合,。節(jié)點的硬件體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 數(shù)字電路部分設(shè)計
2.1 數(shù)據(jù)處理單元
    本設(shè)計中主控制器采用TI公司的16 bit單片機(jī)MSP430F2274,。這款芯片是一個16  bit,、具有精簡指令集（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，可以對片內(nèi)Flash方便編程,，便于軟件的升級,，非常適合作為低功耗無線傳感器節(jié)點的微控制器。
    本設(shè)計中為了降低功耗,，不采用外部晶振,。控制器工作電壓為3.3 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中國470 MHz～510 MHz短距離通信設(shè)備的無線應(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,，這些都可以通過軟件編程來實現(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，單獨供電的方式進(jìn)行設(shè)計,。
    CC1100E的4個SPI通信管腳(SI,，SO，SCLK,，CSn)分別連接到相應(yīng)MSP430F2274的4個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信號置為低電平時，處理器可以對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)的無線收發(fā)和休眠模式的切換。
3 射頻前端電路設(shè)計
    CC1100E芯片工作在480 MHz時輸出阻抗是132+j2 Ω,，通過巴倫電路使得差分輸出變成一路輸出,，通過輸出阻抗匹配電路，連接到50 Ω天線,。因此需要設(shè)計輸出阻抗匹配網(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)計的關(guān)鍵,。射頻前端阻抗匹配設(shè)計主要包括：(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
    在實際實施中，當(dāng)電路的頻率達(dá)到射頻甚至微波頻率時,，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：一是設(shè)計成具有一定特性阻抗的微帶線，可以有效地傳輸高頻信號,；二是與其他固體器件如電感,、電容等構(gòu)成一個匹配網(wǎng)絡(luò)，使信號輸出端與負(fù)載很好地匹配,，從而可以使信號傳輸過程中的功率損耗減到最小[3],。
3.1.1 50 Ω微帶線的計算
    首先要設(shè)計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按照下式計算：
 
3.2 輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計
    設(shè)計CC1100E芯片輸出阻抗匹配電路，然后版圖結(jié)合實際元件模型對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)計輸出匹配網(wǎng)絡(luò)
    CC1100E芯片差分輸出阻抗經(jīng)過巴倫電路轉(zhuǎn)換成單端阻抗,，差分阻抗通過巴倫電路轉(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)化控件對匹配網(wǎng)絡(luò)的無源器件參數(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)

    在空曠場地進(jìn)行實際測量,，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)計符合指標(biāo)要求,。
    根據(jù)實際要求，設(shè)計和生產(chǎn)了工作在470 MHz～510 MHz的無線數(shù)傳模塊,。由測量得到的數(shù)據(jù)可知,，通過優(yōu)化阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，大大減小了輸出功率的損耗。由于受設(shè)備和測量條件的限制,，對其他一些參數(shù)并未進(jìn)行測量,，這是下一步需要完善的地方。當(dāng)有特殊應(yīng)用場合需較大通信距離時,，可以在CC1100E的輸出端加上功率放大器,，提高發(fā)射功率；在RF輸入端加一級低噪聲放大器,，以提高接收靈敏度,。根據(jù)應(yīng)用場合，對電路進(jìn)行改進(jìn)也是日后的工作重點之一,。
參考文獻(xiàn)
[1] Texas Instruments公司.MSP430f2274數(shù)據(jù)手冊.2010.
[2] Texas Instruments公司.CC1100E中文數(shù)據(jù)手冊.2010.
[3] 李樹翀，韓振宇,，劉新宇,，等.RF模塊中微帶線的設(shè)計及實現(xiàn)[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2005,，30(2)：51-52.
[4] 清華大學(xué)微帶電路編寫組.微帶電路[M].北京：人民郵電出版社,，1976.
[5] 李麗，廖海洲.基于Ansoft Designer的射頻功放電路阻抗匹配優(yōu)化[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2008,，(12)：138-144.
[6] 徐興福.ADS2008射頻電路設(shè)計與仿真實例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009：180-190.