第２６卷第２期 ２０１３年６月 海南师范大学学报（自然科学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈａｉｎａｎ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ） Ｖ０ｌ－２６ Ｎｏ．２ Ｊｕｎ．２０１３ 基于Ｃ Ｃ２５４０的蓝牙射频模块设计 曹青春 ，刘辉１，２ （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） 摘要：采用ＴＩ公司ＣＣ２５４０蓝牙低功耗芯片作为核心器件，设计了一种基于蓝牙４．０协议的 无线模块．设计给出了蓝牙无线通信模块系统硬件框架．并根据该系统框架设计了外围电路、射 频阻抗匹配电路以及蓝牙印制倒Ｆ天线．采用分立阻抗器件搭建阻抗匹配网络以实现蓝牙模块 的射频信号阻抗匹配，采用ＣＳＴ电磁仿真软件以及基于有限元法的ＨＦＳＳ电磁仿真软件对蓝牙天 线进行建模和仿真．所设计的蓝牙模块具有低功耗、结构小型化、低生产成本等特点． 关键词：蓝牙；ＣＣ２５４０；印制倒Ｆ天线；阻抗匹配电路 中图分类号：ＴＮ ９２５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４—４９４２（２０１３）０２—０１７２—０５ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ ＲＦ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＣＣ２５４０ ＣＡＯ Ｑｉｎｇｃｈｕｎ’。ＬＩＵ Ｈｕｉ （１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｆｏｓｈａｎ ５２８２２５，Ｃｈｉｎａ； ２．Ａｎｔｅｎｎａ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｌａｂ，Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＰｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈｉｇｈｅｒ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ Ｍｅｇａ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５ １０００６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ Ｃｏｒｅ Ｓｐｅｃｉｉｃａｔｆｉｏｎ Ｖｅｒｓｉｏｎ ４．０．ｂａｓｅｄ ｏｎ ＴＩ’ｓ ｃｈｉｐ ｏｆ ＣＣ２５４０，ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅ ｂｌｏｃｋ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｈａｒｄｗａｒｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｆｏｒ Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅ ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ ｃｉｒｃｕｉｔ，ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｎｄ ａ ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚｅｄ Ｉｎｖｅａｅｄ－Ｆ ａｎｔｅｎｎａ ａｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｏ— ｐｏｓｅｄ Ｌａｍｅ ｗｏｒｋ．Ｔｈｅ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｉｎｖｅａｅｄ－Ｆ ａｎｔｅｎｎａ ｆｏｒ Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ ｉｓ ｍｏｄｅｌｅｄ ｂｙ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｏｆ ＣＳＴ ａｎｄ ＨＦＳＳ．Ｔｈｅ Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｍｏｄｅｌ ｈａｓ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｆ ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ，ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｌｏｗ ｃｏｓｔ ｔｏ ｐｒｏｄｕｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ；ＣＣ２５４０；Ｐｒｉｎｔｅｄ ｉｎｖｅｒｔｅｄ－Ｆ ａｎｔｅｎｎａ；Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ 蓝牙工作在全球开放的用于工业、科学和医学 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． 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 ＣＣ２５４０ｔ￣１．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一２４８３．６ＭＨｚ的ＩＳＭ频段，ＣＣ２５４０芯 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 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０．４ｐ＆， 芯片工作从２Ｖ低电压到３．６Ｖ高电压的宽范围，使 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、 收稿日期：２０１３—０３—１６ 第２期 曹青春等：基于ＣＣ２５４０的蓝牙射频模块设计 １７５ 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 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 ｙ平面内 逆时针转动时与 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 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ｓ为４。５的ＦＲ一４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 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 实测 经电磁仿真软件优化 １，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．ｓ。 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．ｓ， 参 数，绿色实线为ＣＳＴ仿真优化后天线的．ｓ。。参数，实 测结果一１０ｄＢ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５。。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 足回波损耗小于一１０ｄＢ要求，印制天线实测Ｊｓ 。参数 与电磁仿真所得Ｌｓ。 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 ｙ平面内方向图，蓝色虚线为印 制倒Ｆ天线在 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， Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ（ＧＨｚ） （ａ）天线Ｓ 参数 ０ （ｂ）天线辐射方向图 图３蓝牙模块天线参数图 Ｆｉｇ．３ Ｔｈｅ ａｎｔｅｎｎａ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ ｍｏｄｅｌ 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． 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５０Ｑ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），５０Ｑ同轴测量线外层就近接地（ＧＮＤ）， ５０１１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 ．本无