RF125系列125KHz無線模塊解說（三）：硬件集成與電路設(shè)計(jì)指南

本章將為硬件工程師提供在PCB上正確集成RF125系列模塊的詳細(xì)指南，內(nèi)容涵蓋引腳定義、參考電路分析以及至關(guān)重要的天線設(shè)計(jì)。

引腳定義與功能

 RF125-TX (發(fā)射機(jī))

(RF125-TX發(fā)射模塊實(shí)物圖及接口說明)

(RF125-TX發(fā)射模塊尺寸圖)

RF125-TX2 (發(fā)射機(jī))

(RF125-TX2模塊的尺寸和引腳定義圖)

 RF125-RX (接收機(jī))

(RF125-RX模塊的尺寸圖)

RF125-RA (接收機(jī))

(RF125-RA模塊引腳定義圖)

 參考電路分析

參考電路為工程師提供了經(jīng)過驗(yàn)證的設(shè)計(jì)起點(diǎn)。在RF125-RX的典型應(yīng)用電路中，VCC引腳附近通常會(huì)并聯(lián)兩個(gè)電容：一個(gè)10uF的電解電容或鉭電容（C1），以及一個(gè)100nF的陶瓷電容（C2）。10uF電容作為“大水塘”，用于提供穩(wěn)定的直流電壓和濾除低頻紋波，應(yīng)對(duì)模塊工作時(shí)電流的瞬時(shí)變化。100nF電容則用于濾除電源上的高頻噪聲，為模塊內(nèi)部敏感的射頻和數(shù)字電路提供干凈的電源。這兩個(gè)電容的組合是所有射頻電路設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)踐，對(duì)于保證模塊穩(wěn)定工作至關(guān)重要，應(yīng)盡可能靠近模塊的VCC和GND引腳放置。

WAKE UP引腳和TXD引腳直接連接到主控MCU的GPIO和UART RX引腳。PAIR引腳可以通過一個(gè)按鍵接地，用于手動(dòng)觸發(fā)對(duì)碼模式。LED引腳則可以通過一個(gè)限流電阻（如1kΩ）驅(qū)動(dòng)一個(gè)LED，用于提供可視化的狀態(tài)反饋。

(RF125-RX模塊典型應(yīng)用參考電路圖)

125KHz天線設(shè)計(jì)關(guān)鍵考量

對(duì)于RF125-RX模塊，外部天線的設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)集成中最關(guān)鍵、也最具挑戰(zhàn)性的一環(huán)。其性能直接決定了系統(tǒng)的通信距離和可靠性。文檔明確提出了兩項(xiàng)嚴(yán)格的技術(shù)指標(biāo)：

• 電感量:在125KHz頻率下，天線線圈的電感量必須為 7.2mH±5%。
• 品質(zhì)因數(shù) (Q值):Q值必須大于30。

這些指標(biāo)并非建議值，而是實(shí)現(xiàn)模塊標(biāo)稱性能的硬性要求。其背后的物理原理在于，天線與模塊內(nèi)部的匹配電容構(gòu)成了一個(gè)LC諧振回路。這個(gè)諧振回路的性能由其中心諧振頻率和Q值決定。

• 中心諧振頻率:由 f=1/(2π√LC) 決定。為了在125KHz處獲得最大信號(hào)響應(yīng)，諧振頻率必須精確地對(duì)準(zhǔn)125KHz。由于模塊內(nèi)部的匹配電容C是固定的，因此外部天線的電感L必須嚴(yán)格控制在7.2mH \pm 5%的范圍內(nèi)。任何超出此范圍的偏差都會(huì)導(dǎo)致諧振頻率偏移，使得125KHz的信號(hào)被嚴(yán)重衰減，從而急劇縮短通信距離。

• 品質(zhì)因-數(shù) (Q值):Q值定義了諧振回路的帶寬，Q值越高，帶寬越窄。一個(gè)高Q值的LC回路就像一個(gè)非常窄帶的物理濾波器。在充滿各種電磁噪聲的環(huán)境中，這個(gè)無源的前端濾波器是接收系統(tǒng)的第一道防線。它能夠有效地濾除所有非125KHz的干擾信號(hào)，只允許目標(biāo)頻段的微弱信號(hào)進(jìn)入后續(xù)的低噪聲放大器（LNA）。這極大地提高了信噪比，是接收機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)80uVRMS高靈敏度的前提。如果Q值過低，濾波效果差，LNA會(huì)被帶外噪聲飽和，導(dǎo)致有效靈敏度大幅下降。

此外，RF125-RX模塊提供了三個(gè)獨(dú)立的天線輸入引腳：ANT1, ANT2, ANT3。這強(qiáng)烈暗示模塊內(nèi)部的接收芯片支持三維（3D）天線配置。在PKE等應(yīng)用中，鑰匙或卡片的方位是隨機(jī)的，單個(gè)平面天線（2D）在某些角度下會(huì)存在接收盲區(qū)。通過在X、Y、Z三個(gè)正交軸向上各放置一個(gè)天線線圈并分別連接到這三個(gè)引腳，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)全向無死角的信號(hào)接收。模塊內(nèi)部的接收IC會(huì)自動(dòng)掃描或合并這三個(gè)通道的信號(hào)，以獲得最佳的接收效果。因此，工程師在設(shè)計(jì)需要方位無關(guān)性的產(chǎn)品時(shí)，應(yīng)采用3D天線方案。

內(nèi)部電路架構(gòu)

模塊內(nèi)部的框圖揭示了其設(shè)計(jì)的復(fù)雜度和可靠性考量。

• RF125-TX: 其電源輸入部分設(shè)計(jì)非常考究。信號(hào)首先經(jīng)過保險(xiǎn)絲（Fuse），然后進(jìn)入反接和過壓保護(hù)電路。之后，一個(gè)DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器將寬范圍的輸入電壓（12-30V）高效地轉(zhuǎn)換為一個(gè)中間電壓（如9V），最后再由一個(gè)LDO（低壓差線性穩(wěn)壓器）將中間電壓轉(zhuǎn)換為干凈的3.3V供給MCU和射頻電路。這種“DC-DC + LDO”的兩級(jí)穩(wěn)壓架構(gòu)，兼顧了高效率（DC-DC）和低噪聲（LDO），是高質(zhì)量供電設(shè)計(jì)的典范，也是模塊能在復(fù)雜電源環(huán)境下穩(wěn)定工作的原因。
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  (RF125-TX發(fā)射模塊內(nèi)部功能框圖)

• RF125-TX2: 其內(nèi)部架構(gòu)更為精簡(jiǎn)，由MCU直接驅(qū)動(dòng)PA（功率放大器）進(jìn)行發(fā)射。
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  (RF125-TX2發(fā)射模塊內(nèi)部功能框圖)

• RF125-RX: 其信號(hào)路徑清晰地展示了從天線輸入，經(jīng)過匹配網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)入核心的125KHz接收IC，再由板載MCU進(jìn)行處理，最終通過UART和WAKE UP引腳輸出的過程。板載MCU的存在是實(shí)現(xiàn)其智能化功能的關(guān)鍵。
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  (RF125-RX內(nèi)部功能框圖)

綜上所述，實(shí)現(xiàn)RF125系列的最佳性能，尤其是其大于5米的通信距離，不僅僅是選用模塊本身，而是需要一個(gè)系統(tǒng)性的工程方法。工程師必須將外部天線視為射頻前端不可分割的一部分，并投入足夠的精力進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，確保其電感和Q值嚴(yán)格達(dá)標(biāo)。任何在天線設(shè)計(jì)上的妥協(xié)，都將直接導(dǎo)致系統(tǒng)最終性能的下降。

制造與焊接建議 (針對(duì)RF125-RX)

為確保SMD封裝的RF125-RX模塊在批量生產(chǎn)中的焊接質(zhì)量，建議遵循IPC/JEDEC J-STD-020B標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行無鉛回流焊。

(RF125-RX模塊無鉛回流焊溫度曲線圖)

(RF125-RX模塊無鉛回流焊參數(shù)表)

RF125系列125KHz無線模塊解說系列：

RF125系列125KHz無線模塊解說（一）：RF125系列技術(shù)概述

RF125系列125KHz無線模塊解說（二）：技術(shù)參數(shù)與規(guī)格

RF125系列125KHz無線模塊解說（三）：硬件集成與電路設(shè)計(jì)指南

RF125系列125KHz無線模塊解說（四）：串行通信與配置協(xié)議

RF125系列125KHz無線模塊解說（五）：功能與操作模式

RF125系列125KHz無線模塊解說（六）：RF物理層傳輸協(xié)議深度解析及總結(jié)