一種低成本Zigbee實現方案

jacky002

一場革命正悄悄地在網際網路產業上演，這就是無線感測器連網。這個名詞隱含著所有類型的物件和設備(並非僅是感測器)，在連接之路上所取得的主要進展。這些應用實例包括環境測量和控制，如溫控器和環境監控器，以及為了感測早期馬達失效的震動和溫度感測，還有汽車儀表讀取。一些新興的開放式標準，如IEEE802.15.4和ZigBee，正驅使這一領域呈指數級發展。

" T, P! h' @! ?3 s% l2 ?: K+ I當然，在任何系統中，成本都扮演著極重要的角色。實現無線功能的最低成本方式是將無線感測器網路子系統(通常是一個單晶片無線微控制器)加到現有產品的電路板上。正是這一需求驅動了本文所介紹的低成本參考設計開發。
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0 a. W. a' U$ ?, T設計需求

該參考設計目標是以盡可能低的成本將無線感測網路功能加入到一個普通的終端產品中，故對該設計需求是將其整合在現有的電路板設計中。第一個需求是採用2層電路板。許多RF模組設計採用4層板，目的是將尺寸減到最小，這對小型模組更具成本效益。但是，通常採用該技術的產品都比模組要大。進一步說，在體積較大的產品中，不採用4層板而用2層會大幅降低電路板成本(一般為30~40%)。由於該設計採用對象是量產型產品，所有零組件都需要表面黏著。在系統中，有3種元件的成本較高，它們分別是晶體，天線和RF巴倫。由於沒有尺寸約束，可以選用體積較大的晶體，一個JC49/U型表面黏著元件的成本可能僅為等效的小型表面黏著元件的一半。由於有額外的空間，可以設計一個能夠直接與晶片RF埠連接的印刷天線。因此，透過將其整合在電路板上，解決了天線問題，因此完全不需要巴倫。模組目標尺寸是50×30mm，最大厚度為8mm，其BOM目標成本為5美元。
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天線設計
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要滿足目標尺寸，可以考慮3種不同的天線，每種都有其各自的優缺點。
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1. 縫隙天線。這種天線的輻射結構是透過在電路板的地平面上開設縫隙來實現的。其優點是較容易在現有模組電路板的地平面上製作小縫隙或凹槽。理論上，縫隙可以開在電路板上的任何地方，只要注意RFI問題即可。但是，對於晶片介面相對較高的200Ω阻抗來說，要同時設計一個來保持相位平衡並減少饋送損耗的平衡饋源確是困難的。另外，輸入阻抗也很難控制，因為其阻值非常高，除非縫隙極窄且容差較小。

7 w3 M, y# F7 H; j+ C) x/ z. Y4 L2. 環狀天線。這種天線的製作容易，採用一個小型的印刷導線環，環的兩端分別連接到平衡RF埠。這種天線是一種磁性天線，當用於接近人體的手持設備時性能好，原因是在這種應用中不太容易失諧。設計方面的困難包括如何為200Ω阻抗提供匹配，以及如何消除寄生相應。這種天線的主要缺點是難以適配到所要求的尺寸內。
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3. 偶極子天線。這種天線是教科書中通常提到的平衡天線。透過利用一個折疊的偶極子偏饋，這種天線容易匹配到晶片的200Ω阻抗上。透過幾何學上的細微變化，可以容易地調整阻抗和頻率諧振中心。有許多種結構，並且容易適配到所要求的空間內。當要求尺寸減少時可以將線繞起來。但是，這種天線的缺點是其輻射圖容易受週邊結構的擾亂，故要求採用線閘模擬來對其特性進行特別設計。

( q2 C2 q; Z! O7 F3 l偶極子天線設計

在本設計中，決定採用變種的折疊偶極子天線。透過天線印刷臂的寬度變化來實現所要求的階躍阻抗變換，大約是從75Ω到200Ω，或者說1:2.6的變換比。相對於非激勵(寄生)元，激勵元比較窄，並且間隔合理，以實現阻抗變換。
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0 C8 ?2 h/ b/ i% t- |1 g從基本的電路結構開始，利用瞬態模擬的方法對設計進行模擬。採用一個初次逼近的模型，來驗證是否達到阻抗和輻射圖的設計目標。天線單元的模擬模型是坐落在玻璃纖維介質上面的薄扁銅線印刷電路片。考慮到電路的非理想化，還加入了其他一些元件。導線模型還包括一個存在於許多實際產品中的大面積地平面。

採用該模型可預測期望的輻射圖。模擬顯示了類似偶極子的輻射性能，輻射強度在地平面的方向上降低。這是許多牆體安裝型產品所期望的輻射圖，對這種產品的主要無線通訊要求通常是向上或者向下輻射，如實現室內舒適燈光的光開關通訊。須注意的是，較小的地平面所提供的後向衰減較小。圖1為天線的3D輻射圖和天線軸上的輻射波束圖。

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% U9 H  a  _! C: s: h圖1 預期的輻射波束圖。
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, b# x. q! N: T) ^0 A在底層上增加了一個地貼面，透過過孔連接到非激勵偶極子單元的中心。這對工作在2.4-2.5GHz ISM頻段上所期望的平衡模式沒有什麼影響，但對無用的4.8~5.0GHz頻段上的非平衡模式提供了額外的抑制，當減少使用為該頻段訊號提供一些衰減的巴倫後，可提供一些補償。

# _+ S2 s( h# N$ @$ q& C地平面設計
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+ w8 U, k% @. E% B& o對於RF性能和任何寄生輻射來說，模組的接地設計可能是最重要的設計因素。為了實現好的RF性能，重點是確保地平面中的RF電流不能中斷。在該設計中，最關鍵的區域集中在RF平衡輸出和天線中心接地點之間。規則是保持所有訊號通道盡可能短。這意味著要將退耦元件盡可能地靠近相應的接腳端，並確保將接地平面直接接到晶片的RF地。例如，如果在晶片和RF電源退耦元件之間的地平面被一條印刷線中斷，則會導致一個大的接地迴路，並產生高位準混附輻射。類似的原因，天線上的中心抽頭RF地到晶片地之間的通道必須盡可能短。
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. m; Q5 w# ?1 D  q% b% _# V測試結果
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在一片測試板上設計天線，目的是在沒有積體電路影響的條件下評估性能，並便於天線尺寸的調整。在調整過程中測試輸入匹配和直通損耗。透過對偶極長度調整後的直通損耗測量，顯示該設計適合所要求的2.4~2.5GHz頻段。

透過確定用於設計最佳尺寸後，將其設計到整合了所有低成本功能的參考模組設計中。電路板的佈局和結構如圖2所示。在該結構中，困難是如何估計精確的天線性能，原因是晶片的性能變化，但透過一定的性能範圍測試，證明所完成的模組設計與採用一個增益為2dBi之商用偶極子天線所實現的設計相類似。同樣，寄生輻射也位於可控制範圍內。完整的參考設計總材料成本低於5美元，可以容易地整合進低成本終端產品中。
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( Q9 `! y4 P. {# _, }* n+ ^圖2 參考設計佈局佈線圖。

4 o3 I/ X1 Z  e9 l作者：Colin Faulkner
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