作者：范敏，陳佳品，李振波

引言

多機器人因能更好地協同完成復雜任務而成為機器人學研究的熱點，在多機器人系統 中，通訊是其協調運行的基礎?；贗EEE 802.15.4的ZigBee是一種新興的短距離無線網絡技術。低功耗、低成本、短時延、網絡自組織、自愈能力強、數據安全等特點使得它成為多機 器人間通信的理想技術。本文就是在這樣背景下，基于IEEE 802.15.4的Zigbee技術，探索通信距離要求達到300米以上的射頻增強模塊放大硬件電路及數據接收和發送軟件模塊設計。

1 射頻放大電路設計

1.1 功放芯片及其匹配電路：

圖1功放及其匹配電路

功放芯片采用的是安華的ATF-55143，該芯片具有高動態范圍，高增益，高線性，低噪聲，單電源供電等特點。整個射頻電路如圖1所示：本設計采用有源偏置，因為射頻電路在工作頻率下有產生振蕩的趨勢，所以放大器必須滿足的首要條件是其在工作頻段內的穩定性。通常穩定電路方法是在柵極串聯電阻，本文采用的方法是在低噪放大管ATF-55143的兩 個源極引入負反饋，即分別串聯一個1.0nH 的電感。與在柵極引入電阻的方法相比，該方法 能在極少降低放大電路增益的同時，獲得更低的噪聲和更廣帶寬內的穩定。

放大器與輸入輸出端信號源和天線的匹配很重要。放大器匹配主要有兩種方式：一是以獲得噪聲系數最小為目的的噪聲匹配；二是以獲得最大功率傳輸和最小反射損耗為目的的共 軛匹配?？紤]到本設計要求主要是增加射頻通信距離，必須盡量減少反射損耗；另外從發射源輸出的信號信噪比情況比較好，對噪聲不是特別敏感，本文采用共軛匹配。

1.2 仿真結果：

直流偏置關系到 PA 核心器件低噪放大管ATF55143 的靜態工作點。從ADS2005A 給出 的DC-Simulation 仿真結果：柵源電壓VGS=0.428V，漏源電壓VDS=2.86V，漏源電流 IDS=10.3mA 都與ATF55143 工作在2.4GHZ 的數據手冊基本吻合，說明本設計ATF55143 工 作在正常的工作范圍內。

S21 為輸出端口與輸入端口信號比值，代表信號的放大情況，理論上是越大越好；但它 和其他參數相互關聯，所以一般綜合權衡取折中值。輸入反射系數S11 為輸入端口信號反射 與輸入比值，代表輸入損耗；輸出反射系數S22 為輸出端口信號反射與輸出的比值，代表輸 出損耗。S11 和S22 越大則代表輸入或輸出損耗越嚴重，所以應盡量小。一般要求在工作頻域內S11 和S22 小于-10dB，并且越小越好。

穩定系數是用來描述放大器是否處于絕對穩定的一個參數。它通過在整個工作頻域內的 穩定系數是否大于1 來判定，大于1 則絕對穩定，否則有可能產生自激。最大增益代表在工作頻段內信號能取得的增益最大值；最大增益越大則表明電路放大信號的能力越強。噪聲系 數則代表信號經過放大器后，信噪比變壞的倍數。噪聲系數越大則信號質量下降越明顯，失真和誤碼的概率就越大，所以該值應越小越好，一般最好能小于1 dB。

圖 2 是ADS2005A 仿真結果，圖中給出了3 個S 參數、穩定系數、最大增益和噪聲系數的值。從圖中可以看出工作頻域內輸入輸出反射系數S11，S22 均在-13dB 以下，放大系數 在14dB 以上，穩定系數》1， 最大增益》15dB，噪聲系數約為0.5dB，離1 dB 還有比較遠的距 離。各項指標均達到或超過設計要求。

圖2 ADS2005A仿真結果

2 軟件設計

發送：發送程序流程圖如圖 3（左）。發送程序首先會通過查詢狀態字來確保CC2420 允許發送。如果CC2420 允許發送的話，程序先判斷發送寄存器是否處于下溢，是則先把發射寄存器清空，否則直接將需要發送的數據包通過SPI 寫入CC2420 的發射寄存器中。然后 等待信道空閑，清理信道*估，SPI 接口觸發發送命令，通過狀態位判斷是否發送成功。如 果不成功則調用CSMS/CA（載波偵聽多點接入/避免碰撞）的算法多次嘗試；如果發送成功則向上層返回發送成功的原語。

接收：接收程序流程圖如圖3（右）。進入中斷服務函數后，先初始化，后程序檢查CC2420 中的接收緩沖是否溢出，如果是則清空接收寄存器后返回；如果沒有溢出，則通過SPI 按字節讀出接收寄存器中的數據。如果檢測到是回應幀（ACK），則不再繼續讀取數據并清空 CC2420 的接收寄存器并返回；如果不是回應幀，則根據數據包的長度將數據讀入ARM 的 接收緩沖區中，然后返回。

圖3 發送數據流程（左）和接收數據流程圖（右）

3 實際電路與測試距離

圖4 是我們實際做出來射頻電路的實物照片，PCB 板材為FR-4，層數為4。最上層是信 號層，第2 層是介質絕緣層，第3 層為供電層，底層作為接地層。圖中矩形的金屬框是射頻電路的墻（接地）：所有射頻電路都包含在墻內，墻可以焊接電磁屏蔽罩，以隔斷外界對射 頻電路的干擾。在天氣晴朗，周圍電磁波干擾少，射頻板天線頂端離地60cm 情況下，實測 通信距離為380 米，達到本文開頭提出的300 米的設計要求。

圖4實際電路板

4 結論

本文基于 IEEE802.15.4 的Zigbee 技術，提出了一種通信距離達到300 米的射頻增強模塊的軟硬件設計方案。該方案包括射頻放大電路硬件設計和Zigbee 數據發送、接收等軟件模塊的設計并通過ADS2005A 仿真和制板實測，各項技術指標均達到或超過設計要求。

本文作者的創新點：通過在低噪管ATF55143 源端引入負反饋電感的辦法，與在柵極引 入電阻的方法相比，在幾乎不降低增益的情況下，獲得了更廣帶寬內的穩定性，同時大大降低了放大器噪聲系數。并根據設計做出了實際的電路板，用實際電路板完成通信距離測試， 使設計不停留在理論和仿真上，增加了設計的可信度。

責任編輯：gt