基于CC2540的蓝牙射频模块设计

曹青春， 刘 辉，2

（1.南海东软信息技术职业学院 计算机系，广东 佛山 528225；2.华南师范大学 物理与电信工程学院微波与天线实验室，广东 广州 510006）

蓝牙工作在全球开放的用于工业、科学和医学领域的（ISM）2.4GHz频段，蓝牙是一种使用方便、功耗低、保密性强以及成本低廉的近距离无线通信技术.目前带有蓝牙通信的个人电脑、无线耳机、智能手机等设备已经初具规模.而蓝牙射频模块作为蓝牙技术的物理层，是实现蓝牙通信的硬件基础，能够快速地掌握蓝牙技术对推进我国信息化技术的发展具有重要意义[1-2].

本项目以德州仪器公司的CC2540低功耗蓝牙芯片为核心，设计了一款基于蓝牙4.0最新标准的蓝牙射频模块.该模块集成了蓝牙主控芯片、蓝牙印制倒F天线、晶振电路、电源电路以及外围接口电路等.模块可用于无线蓝牙鼠标、无线蓝牙遥控、无线蓝牙耳机等人机交换设备，也可用于工业监控、医疗器械、实验开发与学习套件等.

1 蓝牙模块系统电路设计

1.1 蓝牙模块主控芯片

蓝牙模块最小系统主控芯片采用TI公司的CC2540[2].CC2540是德州仪器最近推出的符合蓝牙4.0标准的单模芯片，CC2540芯片的载波频率范围是2400MHz-2483.6MHz的ISM频段，CC2540芯片还具有固件实时更新、数据可片上存储、高达+97dB的长距离通信链路预算.CC2540芯片运行时具有三种低功耗电源模式，模式三的耗仅0.4μA，芯片工作从2V低电压到3.6V高电压的宽范围，使得芯片工作稳定[2].

本设计以CC2540芯片为核心，把蓝牙印制天线、蓝牙阻抗匹配电路、主芯片CC2540、晶振电路、电源电路以及通信接口电路集成在外形尺寸长、宽、高（4cm×3.5mm×1cm）的尺寸范围内.该蓝牙模块带有双列1.27mm间距排针接口，可安装其他射频开发节点板上，是一款便于调试和后期升级的小型化蓝牙通信模块.蓝牙模块的系统框图见图1（a）所示.

图1 蓝牙射频模块框架图及其阻抗匹配电路图Fig.1 The block diagram of bluetooth model and the impedance matching circuit

图中的蓝牙射频收发模块就是本文所设计的蓝牙模块，传感器节点板/扩展板模块为模块提供数据信号供蓝牙射频收发模块数据无线发射，通过蓝牙射频收发模块发射的无线信号由其他蓝牙射频收发模块接受处理，从而实现蓝牙的无线通信.由于传感器节点板/扩展板模块需要根据模块功能情况而进行具体设计，不像蓝牙射频收发模块具有通用性，因此，本设计只对蓝牙射频收发进行讨论.

1.2 蓝牙模块芯片外围电路

整个蓝牙模块最小系统外围电路是围绕CC3540核心芯片设计的.外围电路包括时钟电路、电源电路、通信接口电路等.CC3540芯片需要设计两个时钟电路，其中一个时钟电路用1个工作频率为32MHz的石英晶振和2个电容实现，石英晶振接芯片管脚22和23，另一个时钟电路由1个工作频率为32.768KHz的石英晶振和2个电容实现，32.768KHz的石英晶振接芯片管脚33和32.CC2540芯片的数字电源管脚与模拟电源管脚应就近接滤波电容.CC2540芯片片内有1.8V稳压器，可为所需电路提供稳定的电压，该稳压器需连接一个去耦电容以提高电源工作的稳定性，具体在电路设计中可以通过CC2540芯片管脚40接一个1μF的电容来实现.所有P0、P1、P2口信号管脚、电源信号管脚以及复位信号管脚通过双列排针接口与蓝牙扩展/节点板板相连.

1.3 蓝牙射频阻抗匹配电路

蓝牙天线的输入阻抗ZL与蓝牙芯片的输入阻抗ZS可以由为公式（1）表示，其中RL为蓝牙印制天线阻抗实部，jXL为虚部，其中RS为蓝牙芯片阻抗实部，jXS为虚部.蓝牙天线的输入阻抗ZL可以看作是天线的输入电压Vi与天线的输入电流Ii之比，可以由为公式（2）表示.根据最大功率传输理论的讨论，当ZL=Zs*时，可以实现射频电路的阻抗匹配，以达到功率传输最大效果[3]，其中Zs*为Zs的共轭.在实际工程设计中应该保证所设计的蓝牙印制天线的阻抗实部RL接近50Ω，而阻抗虚部jXL接近0Ω，此时天线的输入阻抗约为50Ω.

当CC2540芯片工作在信号接受状态时，蓝牙射频输入信号进入蓝牙芯片的低噪放大器（LNA）；当CC2540芯片工作在信号发射状态时，蓝牙射频输出信号通过功率放大器（PA）发射信号，此时RF_P（管脚25）作为正极.同样可知RF_N（管脚26）作为负极.由于本设计所使用的天线是不平衡天线，设计使用的印制倒F天线属于单极子天线的演化而来，不属于偶极子天线，须使用巴伦阻抗匹配电路来进行射频收发信号的阻抗匹配以达到射频信号的最佳传输.

对阻抗匹配网络电路的设计而言，通常情况下有5种方法可以用于阻抗匹配网络电路设计，以实现从射频信号在通信时的高效传输，5种方法分别是：1）用阻抗匹配芯片实现.此种情况下由于复杂的电路可以用一个匹配芯片代替，从而设计方便、电路集成度高.但是采用此方案需要购买专用阻抗匹配芯片，使模块成本预算增高.2）利用传输线的阻抗分布特性构成分布参数网络来实现阻抗匹配.该方案匹配电路简，设计所需硬件资源少，但对射频电路加工精度有较高要求.3）采用电抗元件电容C、电感L以及电阻R等分立元件，组合成L型（L-type matching circuit）匹配网络、T型（T-type matching circuit）匹配网络、Π型（Π-type matching circuit）匹配网络进行阻抗匹配.这种设计方案采用简单的射频阻抗元件，具有元件使用少、电路占用空间小、系统设计灵活和成本低廉等优点.4）以及变压器阻抗匹配法（transformer matching）等[4].

本蓝牙模块阻抗匹配电路的设计可采用匹配芯片进行阻抗匹配，如可采用Johanson Technology公司生产的2450BM15A0002型号匹配芯片实现[5].设计也可先采用有限个分立R、C、L（电阻、电容和电感）等元件来组成L型、T型以及Π型网络实现阻抗匹配.考虑到蓝牙模块的设计成本因素，本设计采用电容和电感等分立元件实现蓝牙射频信号的阻抗匹配.图1（b）给出了电路匹配原理图，其中的电抗器件等分立器件实现了巴伦电路，以实现与射频输出信号的最佳传输功能.U与J分别是印制倒F天线和迷你SMA接口，当使用印制倒F天线时，可用贴片器件R252可实现，若想使用增益较高的外接鞭状单极子天线可在印制电路板用贴片R251器件实现，此时R252焊盘不能焊接器件[6].由于电路在工作时候对蓝牙电磁性能的影响及其复杂，不可能保证所设计的天线在实际工作时阻抗虚部jXL接近0Ω，因此实际工作中的两个0Ω电阻（R251、R252）是根据实际情况可接适当的高频电抗器件进行电路调试时的阻抗匹配.

1.4 蓝牙模块电磁兼容性设计

蓝牙模块进行PCB布线设计的时候要注意以下几个方面以提高模块的电磁兼容性：1）电源信号线的线宽应该选取适当，电源信号线应串接一个合适参数的磁珠，这样可以滤除电源信号的高频部分信号，再与信号电源管脚相连，然后电源引脚就近接适当参数的电容进行滤波，这样可以减少高频信号对电源信号的干扰；2）数字信号和模拟信号应该分开设计，避免这两种信号的相互干扰.3）上下两层的铺铜孤岛以及开放区要添加过孔，芯片底部添加适量过孔，使整个模块能够充分接地同时保证芯片工作时能有效散热；4）电路中传输线的宽度应根据介质板材料参数和传输线结构参数进行严格的阻抗计算，以保证传输线阻抗精确.

2 蓝牙模块天线小型化设计

2.1 蓝牙天线建模

由于所设计的蓝牙模块的尺寸限制，以及对模块的小型化要求，本设计采用小型化的印制倒F型天线作为蓝牙模块的射频天线.该印制天线可以集成在蓝牙模块的电路板上，与传统蓝牙模块外接单极子鞭状天线相比极大的缩减模块空间，并且该天线具有，低剖面、小型化、零成本的优势.天线模型见图2[7].

图2 蓝牙印制倒F型天线模型Fig.2 The bluetooth printed Inverted-F antenna model

文献[8-12]对印制倒F天线的各种参数做了一些研究，文献研究结果表明当天线工作在相同频率时，印制倒F天线与其他传统单极子天线相比在天线尺寸缩减上有一定优势.选择适当的尺寸，就可以降低天线的谐振频率，谐振频率降低但天线总尺寸不变，从而等效于减小了天线的尺寸，实现了小型化.图2给出了本蓝牙模块所设计的天线结构模型，图2（a）是天线在X-Y平面的俯视图，观察方向是往Z轴负半轴俯视，在俯视图中沿着X-Y平面内逆时针转动时与X轴的夹角用Phi表示，其中的Feed点是印制天线的测试馈电点，天线的另一边与印制电路板的接地（GND）相连，构成了倒F天线所谓的短路一端，图中的L6、D7、L7构成天线的辐射臂，也就是倒F天线所谓的开路短.图2（b）是印制天线往X轴负半轴方向观察的侧视图，左图中左边是印制天线和电板接地铺铜，中间SUB是印制电路板介质板，材料是介电常数ε为4.5的FR-4介质材料，右边为印制电路板的铺铜，电路板的铺铜厚度为0.035mm.侧视图在Y-Z平面内沿X轴顺时针旋转方向与Z轴的夹角用Theta表示.

2.2 蓝牙模块天线S11实测

经电磁仿真软件优化[13]，最终计算会得到一组天线最佳尺寸参数.图3给出了集成在射频收发模块上的天线优化后S11参数和天线的方向图.图3（a）中蓝色虚线为HFSS仿真优化后天线的S11参数，绿色实线为CST仿真优化后天线的S11参数，实测结果-10dB以下频率带宽满足通信要求，红色虚线为网络分析仪实测后天线的S11参数.图3（a）实测结果表明蓝牙模块的工作频率带宽内良好的满足回波损耗小于-10dB要求，印制天线实测S11参数与电磁仿真所得S11参数相比向图中左下方向移动，由于焊接，电路板材料等综合因素影响，实测结果与仿真有差别是在所难免的.图3（b）为天线在2.44GHz频段时的仿真后辐射方向图，红色实线为印制倒F天线在X-Y平面内方向图，蓝色虚线为印制倒F天线在X-Z平面内的方向图，天线增益为2.43dBi，由天线辐射方向图可见所设计的印制倒F天线具有单极子天线辐射特性.

3 蓝牙模块射频参数测试

从理论上精确的计算蓝牙模块射频参数是非常困难的，在工程实际应用中一般都采用计算机仿真加射频参数实际测量的方法进行确定.实际射频参数和计算机仿真结果往往有一定的差别，主要是由于所设计的硬件电路的结构形状复杂性、使用的电子器件本身材质工作稳定性，周围介质环境、电路的工作环境以及器件的工作频率等因素影响.测试蓝牙模块射频参数一般需要根据仿真结果数据，结合在实际工作环境下测量数据，这样可以尽量减少各种复杂因素对真实射频参数计算的影响.

图3 蓝牙模块天线参数图Fig.3 The antenna parameters of bluetooth model

蓝牙模块再批量化生产之前，需要对实验模块进行射频参数调试.在调试匹配电路时，令蓝牙主控芯片的射频信号经匹配电路的输出后接频谱分析仪，对匹配电路输出端口信号进行频谱分析.通常情况下改变匹配电路的阻抗（电感和电容）值大小，使匹配电路的输出端所需蓝牙工作频段的信号峰值达到最大.

设计的蓝牙印制天线需结合仿真和反复硬件调试以确定印制天线的最佳尺寸参数.印制倒F天线实测时一般将50Ω同轴测量线一端的内芯焊接到如图2（a）所示的蓝牙模块印制天线的预留测试点（Feed），50Ω同轴测量线外层就近接地（GND），50Ω同轴测量线另一端连接SMA转接头母头，这样印制天线可以通过带SMA接头的射频校准线连接到矢量网络分析仪进行天线的参数测量[6，14].本无线模块使用安捷伦公司的Agilent 8722ET型号的矢量网络分析仪进行实际测试，测试前首先用校准件对测试频率的起始点值（Start）是1GHz和结束点（Stop）值是3.5GHz进行频率校准.蓝牙射频收发模块测试中的焊接实物图如图4（a）所示，图4（b）是蓝牙射频模块贴片后与一元硬币对比的实物效果图.

图4 蓝牙模块实物图Fig.4 The photographs of bluetooth RF model

4 结语

本项目设计了一款用于蓝牙通信的无线射频模块，该模块集成了小型化印制蓝牙天线，具有小型化以及便于后期硬件扩展的优点.同时由于模块外围接口电路设计采用双列直插排针接口电路，必须安装在蓝牙模块的扩展或者节点板板上才能工作，这将导致蓝牙系统有插件，也存在实际生产中的焊接不方便的缺点.使用便于批量化生产的表面贴装元器件，是需要进一步研究的内容之一.

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