近年來，物聯網技術蓬勃發展，470 MHz～510 MHz已經作為中國智能電網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展，在處理射頻電路的實際設計問題時，總會遇到一些非常困難的工作，RF收發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，使得電路的輸出網絡部分獲得良好的阻抗匹配特性。在整個設計過程中射頻電路的設計過程得到簡化，設計成本明顯降低，設計周期大大縮短。
1 總體結構概述
    根據應用需求以及功能要求，數傳模塊的設計主要包括五個基本部分：傳感器接口、主處理器、射頻芯片、供電單元以及擴展I/O接口。傳感器接口負責連接傳感器，對所關心的物理量進行測量并采集數據，提供給處理器單元進行處理；處理器單元負責數據處理、控制射頻芯片的收發工作；射頻芯片負責交換控制信息和相關數據；供電單元負責為節點提供運行所需的能量；擴展I/O接口可以實現節點平臺功能的擴展，以適應多種應用場合。節點的硬件體系結構如圖1所示。

2 數字電路部分設計
2.1 數據處理單元
    本設計中主控制器采用TI公司的16 bit單片機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，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轉換器等[1]，根據其運行打開的模塊數目不同（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)，待機模式下功耗為2.1 μW。利用JTAG接口，可以對片內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點的微控制器。
    本設計中為了降低功耗，不采用外部晶振。控制器工作電壓為3.3 V，當采集數據完成并發送成功以后，處理器進入省電模式，工作在LPM3模式下。
2.2 數據傳輸單元
    CC1100E是一款Sub-GHz高性能射頻收發器，適于極低功耗的RF應用，尤其適合于那些針對中國470 MHz～510 MHz短距離通信設備的無線應用[2]。CC1100E的發射電流60 mA～130 mA，接收靈敏度為-112 dBm，當空中波特率為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。
    由于CC1100E芯片內部含有射頻部分，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，單獨供電的方式進行設計。
    CC1100E的4個SPI通信管腳(SI，SO，SCLK，CSn)分別連接到相應MSP430F2274的4個SPI引腳，即MOSI、MISO、UCLK、MCLK上。設置處理器為主機模式，CC1100E為從機模式。當處理器將CSn信號置為低電平時，處理器可以對CC1100進行寄存器讀寫和功能配置。完成相關的配置以后，處理器就能控制CC1100E芯片進行數據的無線收發和休眠模式的切換。
3 射頻前端電路設計
    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。因此需要設計輸出阻抗匹配網絡部分。如何確定阻抗匹配網絡中的微帶傳輸線和元件的類型、參數以及連接關系，是射頻阻抗匹配優化設計的關鍵。射頻前端阻抗匹配設計主要包括：(1)50 Ω微帶傳輸線的選型及相關參數的確定；(2)輸出阻抗匹配網絡中元件的類型、參數以及連接關系的確定。
3.1 RF電路微帶傳輸線的設計
    在實際實施中，當電路的頻率達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、電容等構成一個匹配網絡，使信號輸出端與負載很好地匹配，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的介電常數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 輸出阻抗匹配網絡設計
    設計CC1100E芯片輸出阻抗匹配電路，然后版圖結合實際元件模型對輸出阻抗匹配電路的S參數進行優化。
3.2.1 利用Smith圓圖設計輸出匹配網絡
    CC1100E芯片差分輸出阻抗經過巴倫電路轉換成單端阻抗，差分阻抗通過巴倫電路轉換的單端輸出阻抗為79.5+j*6.7 Ω。在史密斯原圖工具設置源阻抗為79.5-j*6.7 Ω，負載阻抗為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，未優化的電路的S參數很不理想，無法得到最佳的匹配網絡性能。因此使用OPTIM優化控件對匹配網絡的無源器件參數進行優化。首先添加OPTIM優化控制器，設置優化器重復運行次數Maxlter為125次。將組成匹配網絡的電容和電感設置為可優化，然后添加兩個優化目標控件GOAL，優化目標S11<0.1即-20 dB；S21>0.7即-3 dB。進行多次優化，組后得到優化后的S11和S21參數如圖5所示。

   通過多次優化仿真，S11達到-33.518 dB，S21達到-0.314 dB，輸出匹配電路網絡性能參數得到優化。根據

    在空曠場地進行實際測量，最大穩定通信距離可達到160 m，數據丟包小于2%，設計符合指標要求。
    根據實際要求，設計和生產了工作在470 MHz～510 MHz的無線數傳模塊。由測量得到的數據可知，通過優化阻抗匹配網絡設計，大大減小了輸出功率的損耗。由于受設備和測量條件的限制，對其他一些參數并未進行測量，這是下一步需要完善的地方。當有特殊應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。根據應用場合，對電路進行改進也是日后的工作重點之一。
參考文獻
[1] Texas Instruments公司.MSP430f2274數據手冊.2010.
[2] Texas Instruments公司.CC1100E中文數據手冊.2010.
[3] 李樹翀，韓振宇，劉新宇，等.RF模塊中微帶線的設計及實現[J].半導體技術，2005，30(2)：51-52.
[4] 清華大學微帶電路編寫組.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化[J].電子技術應用，2008，(12)：138-144.
[6] 徐興福.ADS2008射頻電路設計與仿真實例[M].北京：電子工業出版社，2009：180-190.