高性能 Sub 1GHz 射频项目

 

本周，我将构建一个高性能的低于 1GHz 的收发器，我想使用 ARM Cortex M3 微控制器将其用作独立的物联网节点。与我的其他项目一样，此项目是开源的，并发布在 GitHub 上，供您用作自己设计的基础，或按原样使用。RF 原理图和布局经过生产验证，微控制器原理图和电路板上的所有封装也是如此。但是，请记住，此特定板尚未进行批量生产，因此您仍应执行自己的验证。无线电调谐为 433MHz 工作频率，但如果您需要更高的频率，则可以将巴伦和匹配的网络组件值更改为德州仪器 （TI） 应用说明中 868MHz 或 915MHz 操作的值。

我在此设计中使用了德州仪器 （TI） CC1125收发器，因为我在过去的项目中使用过它，并且事实证明它具有令人难以置信的实际性能。使用简单的偶极天线且没有放大级，433MHz 的 CC1125 能够实现 25 公里的视距操作，而使用八木天线，我可以可靠地连接到 150 公里的视距。在我的项目中，收发器打破了音障，到达了太空的边缘，同时表现完美！从理论上讲，CC1125 提供的单芯片收发器 IC 的链路预算和性能是任何其他供应商都难以匹敌的。

通过在设计中使用 CC1125 等收发器，您可以完全控制通信协议，与通用标准协议（如 LoRAWAN、ZigBee 或其他常用选项）相比，该协议可以为特定应用提供更大的灵活性。尽管这种方法需要更多的固件开发和测试时间，但当需要绝对范围和最小功率时，其优势是非常值得的。

对于微控制器，我使用的是 48 引脚 QFN 封装的 NXP LPC1549。这是我最喜欢的微控制器之一，因为它具有相对独特的 IO 配置。内核和封装是分开的，因此几乎所有硬件外设都能够映射到任何物理引脚，但 I2C、USB、DAC 和单线调试引脚除外。对于像本项目这样的通用物联网节点，恩智浦LPC1549允许我将 4 个 GPIO/ADC 引脚分接到一个接线端子，如果需要，该接线端子可以用作多用途输入/输出。其中一个 USART 端口可以映射到那些提供 UART 或 SPI 访问的引脚，或者用于输入或输出的定时器。当您需要一个灵活的微控制器时，除了 Cypress PSoC 系列之外，没有太多选项可以接近LPC1549的可配置性。

这也是我在 Altium Designer 20 公开测试版中的第一个项目，所以我真的很期待尝试一些简洁的新功能！

射频认证

为了实现尽可能高性能的链路，该项目需要跳出预认证模块的领域，进入有意的散热器领域。该项目尚未通过任何实验室的 RF 认证，甚至未经过预认证。因此，原理图在电路板上有大量的铁氧体，以减少连接到电路板的任何电缆中辐射发射的机会，以及减少外部干扰的机会。

如果您将设计用于自己的项目，则需要在销售前将产品认证为有意散热器，而不是无意散热器。这可能很昂贵，在 12,000 美元到 20,000 美元之间，但带来了极高的射频范围、令人难以置信的性能以及对协议和天线选项的完全控制。

开始设计

我将从 RF 模块开始原理图捕获，因为它是项目中最复杂的部分。我总是设置 IC 的原理图符号，将左侧用于电源、去耦和其他此类引脚，右侧用于“用户”功能。之后，我们需要在原理图中添加一些 passives。首先，我们为每个电源引脚添加一个去耦电容，然后添加收发器所需的其他去耦电容。

复位引脚通过上拉电阻器连接到微控制器，以允许微控制器在出现问题时复位收发器。我以前不必使用此功能，但让您的微控制器可以在需要时重置收发器，这总是很高兴。

 

CC1125 及其电源连接

接下来，我在右侧填写 non-RF components and connections（非 RF 组件和连接）。SPI 端口连接微控制器，我们添加一个 32MHz 振荡器。微控制器可以提供 clock 信号，但鉴于我们追求的是绝对性能，最好的选择是高精度 crystal。通过实施温度补偿晶体振荡器 （TCXO） 或电压补偿/温度补偿晶体振荡器 （VCTCXO），可以更进一步。CC1125 可以很好地处理 ABM8G 系列的 20ppm 频率稳定性和容差，因为它可以很好地跟踪接收到的信号。此外，协议中良好的前导码允许收发器考虑频率漂移，甚至来自超音速行程相对于链接收发器的多普勒频移。

 

它现在也有 RF 连接

与我以前的项目一样，当没有数据库元器件库时，我喜欢在图纸中添加通用符号，我可以快速按住 Shift 键拖动以克隆这些符号以布置原理图。在开始 RF 网络之前，我将具有 RF 优化封装（类似于 IPC High Density）的电感器、电容器和电阻器添加到我的图纸中，以便快速克隆它们，然后从 Manufacturer Part Search 面板为每个单独的部件应用元件参数。

 

三个可移动拖动的 passive 可节省大量时间

此时，我为设计布置了 BALUN 和匹配网络，同时查看网络中每个元件的 DigiKey。我更喜欢使用 DigiKey，因为我已经使用他们的搜索工具很多年了，我知道如何在最短的时间内准确找到我正在寻找的东西。

找到合适的电容器

对于本项目中的 RF 电容器，我们不想只使用任何旧的通用电容器或去耦电容器。虽然该设计只能在 433MHz 下运行，这不像多千兆赫兹设计那么重要，但我们正在使用一个非常敏感的接收器，并试图从中获得每一点性能。RF 电容器比普通电容器更昂贵，但是，我们在设计中使用的 RF 电容器非常少，因此不会大幅增加总 BOM 成本。

在 DigiKey 上，我在 Applications （应用程序） 属性中按 RF 进行筛选。这为我提供了