全面拆解和构建5G物联网-16：LoRa终端Sx1262芯片外部的射频前端电路设计

前言：

在《全面拆解和构建5G物联网-15：图解、详解无线终端的天线对无线电磁波的发送与接收》中，我们详细阐述了LoRa终端的天线本身是如何发送和接收高频无线电磁波信号的。

本文将借助和结合LoRa射频芯片Sx1262的射频前端电路设计，进一步拆解无线终端如何对射频前端的高频电信号进行进一步处理的。

在发送方向，射频前端处理需要先经过低通滤波器LPF，过滤掉多余的超高频干扰信号,确保发送前的高频电信号是干净的电信号，然后再经过天线阻抗匹配网络，以使50欧姆阻抗的天线能够最大效率的发送电磁波信号。

在接收方向，射频前端处理先经过天线阻抗匹配网络，以使得50欧姆阻抗的天线能够最大效率的感应和接收空中的电磁波信号，然后再经过低通滤波器LPF，滤除掉多余的超高频干扰信号，确保天线接收后的高频电信号是干净的电信号。

另外，我们还将讨论发送和接收，分时复用天线的半双工模式。

 

一、无线终端--数据发送和接收的整个过程

 

二、无线终端电磁波的接收和发送过程概述

发送测：

信号发送器：产生电流或电压强度随时间周期变化的正弦波的电信号，变化的频率就是电磁波的频率。

感应线圈：产生的周期性变化的电流信号，感应到天线回路中，天线回路中就产生了同周期变化的电信号。

天线：周期性变化的电信号，通过天线把电信号以电磁波的形式，发送到空口。

 

接收测：

天线：天线能够感应到空口中变化的电磁场，在天线回路中形成周期性变化的微弱电流。

感应线圈：感应到的周期新变化的微弱电流，通过共轭线圈，感应到信号恢复和放大电路。

信号恢复电路：信号恢复电路丢感应到的周期性变化的微弱电信号，进行放大，还原到原先的周期性变化的电信号。

三、馈线以及天线阻抗的匹配

天线馈线是指连接天线与收、发信机（信号发送器和恢复器）传送射频能量的传输线。在实际的电路中，就是天线的连接口到射频芯片之间的连接线。

高频信号从射频芯片内的信号发送器发送出来，需要经过馈线，才能连接到天线，并通过天线转化为电磁波在空口发送。

接受方向则相反。

 

天线标准的阻抗是50欧姆，为了使得高频电磁波能够高效、稳定的通过馈线和天线进行传输、以及避免电磁波信号传输过程中的反馈，要求馈线和内阻的阻抗，要等于天线的标准50欧姆阻抗，这就是阻抗匹配的要求。

由于馈线的阻抗受到馈线本身的长度、材料、PCB走线等因素的影响，因此阻抗匹配通常不是在射频芯片内部实现，而是在射频天线的外部实现，即在天线与馈线直接相连处实现。

对应到Sx1262的射频电路设计，馈线的阻抗匹配电路如下：

四、天线的单向性

在同一时刻，同一根天线，同一时刻只能用于天线的接收或发送，即发送的时候不能接收，接收的时候不能发送，因此天线是半双工模式。

如何做到天线的收发交替，而不发生冲突呢？

这就涉及到上图中的芯片PE4259 RF Switch芯片，通过控制这颗芯片，把天线分时复用地连接到射频芯片的接收电路或发送电路中。

这里有两个控制接口CTRL和~CTRL，负责控制RFC端口与RF1和RF2端口的信号连接。

完整的电路如下：

四、低通滤波器LPF

滤波器是由电容、电感和电阻组成的滤波电路。滤波器可以对电源线中特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除，得到一个特定频率的电源信号，或消除一个特定频率后的电源信号。

低通滤波器：

允许低频信号通过，将高频信号衰减。我们可以看下图中所示，当信号处于低频段的时候我们的幅频特性如下。

从0～f2频率之间，幅频特性平直，它可以使信号中低于f2的频率成分几乎不受衰减地通过，而高于f2的频率成分受到极大地衰减或者说过滤掉。即能够过滤掉多余的高频干扰信号。

 

在上图中，左边的带有低幅度的高频干扰信号的信号。

右图是经过低通滤波器后，去除掉高频噪声之后的信号，信号干净了很多。

 

再看看Sx1262是如何

(1) 发送方向的低通滤波器

(2)发送电源的低通滤波器：过滤掉电源上的高频干扰信号

(3) 接收方向的低通滤波器

 

看到这里或许有一个疑问：

无论接收方向或发送方向， 为啥要用低通滤波器？不应该采用带通滤波器，同时过滤低频和高频信号吗？

如下是带通滤波器的滤波效果图：

Sx1262工作频率是：150M~960HMZ，

如何过滤掉低频的电磁波信号？天线的长度就决定了，电磁波波长大于4*天线长度的电磁波，都会被天线自身过滤掉。

或者说，天线根本不会感应长大于4*天线长度的电磁波。

 

至此，

在发送方向，信号发生器，产生的周期性的无线电信号，先经过低通滤波器LPF电路，过滤掉超高频的干扰信号，再经过阻抗匹配电路，信号发生器产生的周期性的无线电信号就可以干净、稳定、安全到达天线，然后通过天线以电磁波的形式发送到物理空间中。

在接收方向，天线接收的微弱的电磁波信号，先经过阻抗匹配电路，确保会不因为被天线的回波信号抑制或抵消到，微弱的电磁波信号可以安全、稳定得到达低通滤波器，然后过低通滤波器，过滤掉无用的高频干扰信号，直接到达射频芯片Sx1262内部的低噪声信号放大器，对感应出来的微弱电信号进行放大，还原成发送端发送的频率落在150M~960HMZ之间的电信号。

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后记：

至此，我们已经拆解了天线是如何发送和接收空中的无线电磁波信号、拆解了无线终端如何对射频前端的高频电信号进行进一步处理的、还拆解了无线终端的发送和接收如何分时复用天线的半双工模式。

下篇，对射频电信号的进一步的处理，包括发送方向的功率放大器和接收方向的低噪声放大器。

功率放大器使得射频芯片产生的低功率的高频率的射频电信号，能够有足够大的大功率来发送电信号，以使得无线电磁波传播的距离足够的远。

低噪声放大器使得天线感应到的和射频前端恢复出来的低功率的微弱的电信号，能够有足够大的信号幅度，被后续的接收电路处理，以便于后续电路恢复射频电信号中承载的数字信息。