目录

概述

1 nRF21540 介绍 

1.1 芯片概述

1.2 主要特性

1.3 核心功能

1.4 典型应用场景

2 使用 nRF21540 的关键步骤和要点

2.1 硬件设计

2.2 固件开发

3 SDK 下载路径

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概述

nRF21540 是 Nordic Semiconductor 推出的一款高性能、低功耗的射频前端模块。它主要用于增强 nRF52 或 nRF53 系列 SoC（系统级芯片）的无线通信输出功率和接收灵敏度，从而显著增加通信距离（通常可达到原有距离的数倍）。它支持 Nordic 主要的无线协议，包括 Bluetooth LE, Bluetooth Mesh, Thread, Zigbee 等。

1 nRF21540 介绍 

1.1 芯片概述

nRF21540 是一款“即插即用”传输范围扩展器，通过集成功率放大器 （PA） 和低噪声放大器 （LNA） 增强链路鲁棒性，适用于我们的低功耗短程无线解决方案。它是一款经过优化的补充器件，可提高 nRF52 和 nRF53 系列高级多协议无线 SoC 的链路预算。当与 nRF52 或 nRF53 系列 SoC 结合使用时，nRF21540 RF FEM 的 +20 dBm TX 输出功率和 13 dB RX 增益可确保出色的链路预算，从而改善 16 至 20 dB。这相当于理论传输范围提高了 6.3 到 10 倍。

nRF21540 的 TX 功率可动态调节，输出功率可设置为高达 +21 dBm，增量较小。这可确保设计在所有区域和工作条件下都能以允许范围的 1 dBm 输出功率运行。LNA 具有 2.7 dB 的低噪声系数，可确保提高 RX 灵敏度。

nRF21540 互补器件连接到 SoC 的天线输出。它包括两个额外的天线端口，用于支持天线分集。TX 输出功率、TX 增益控制和天线切换可通过 SPI、GPIO 引脚或两者的组合进行控制。

nRF21540 在 +20 dBm TX 输出功率下提供 110 mA、在 +10 dBm TX 输出功率时为 38 mA、在 RX 时为 2.9 mA，在省电模式下提供 45 nA 。扩展的工作温度范围为 -40 °C 至 105 °C，配合Nordic nRF52820、nRF52833 或 nRF5340 SoC，它将成为专业照明设备的理想选择。

为 nRF21540 量身定制的一些主要应用包括智能家居、资产跟踪、音频以及工业应用。

该芯片采用 4x4 QFN16 封装，是对 nRF21540 RF FEM 版本的补充，Nordic 提供的开发板可以使用实验室设备来评估 RF FEM 性能，以及与 nRF52 或 nRF53 系列 SoC 相结合的实际应用性能。

1.2 主要特性

• 支持低功耗蓝牙、蓝牙网格、Thread 和 Zigbee (802.15.4) 以及 2.4 GHz 专有协议
• 输出功率可小幅度调节，最高可达 +21 dBm
• 13 分贝 RX 增益，2.7 分贝噪声系数
• 用于天线分集的两个天线端口
• 通过 I/O、SPI 或组合进行 TX 增益控制
• 两个用于天线分集的天线端口
• -40°C至+105°C更大工作温度范围
• 1.7 V至3.6 V供电输入电压范围
• 与 nRF52 或 nRF53 系列 SoC 结合使用时，范围可扩展 6.3 至 10 倍

 

1.3 核心功能

1. 功率放大器： 将 SoC 输出的射频信号大幅放大（典型增益 20 dB）。

2. 低噪声放大器： 在接收模式下，放大从天线接收到的微弱信号（典型增益 13 dB），提高接收灵敏度。

3. 收发切换： 控制信号在发射路径和接收路径之间切换。

4. 高功率输出： 支持高达 +20 dBm 的发射功率（需注意功耗和热管理）。

5. 低功耗： 在非活动状态和接收状态下功耗极低。

 

1.4 典型应用场景

• 需要比 nRF52/nRF53 原生输出（通常 +8dBm）更远通信距离的应用（如智能家居传感器、资产跟踪、工业监控、农业传感器网络）。

• 需要更高接收灵敏度以应对恶劣射频环境的应用。

• 需要符合特定射频法规要求更高输出功率的应用。

2 使用 nRF21540 的关键步骤和要点

2.1 硬件设计

1）与 SoC 连接： nRF21540 通过两个主要接口连接到 nRF52/nRF53 SoC：

• RF 接口： 将 SoC 的 ANT 引脚连接到 nRF21540 的 RFX 引脚。这是最关键的高频连接，必须保持极短且阻抗匹配（50Ω）。

• 控制接口： 需要 3 个 GPIO 引脚：

  • TX_EN：控制发射使能（高电平有效）。

  • RX_EN：控制接收使能（高电平有效）。

  • MODE：控制增益模式（高电平 = 高增益模式 HGM, 低电平 = 低增益模式 LGM） 

• 2）电源：

  • VDD: 主电源（1.7V - 3.6V）。必须非常稳定！ 在高功率发射时（+20dBm），峰值电流可达 150mA 以上。使用低 ESR 电容（推荐 10μF + 100nF）靠近 VDD 引脚，并选择能提供足够峰值电流的高质量 LDO 或 DC/DC 转换器。

  • VDD_PA: 功率放大器专用电源（1.7V - 3.6V）。通常与 VDD 来自同一电源轨，但也需要低 ESR 电容（推荐 10μF + 100nF）去耦。

  • VDD_ANT: 天线检测电源（可选）。如果使用天线检测功能才需要连接。

3) 天线接口

 

• ANT: 连接到天线。

• VDD_ANT: 用于天线检测（如需要）。

4 参考设计： 

强烈建议参考 Nordic 官方的 nRF21540 EK 评估套件原理图和 PCB 布局指南。射频走线（RFX 到 SoC ANT, ANT 到天线连接器）的设计至关重要（长度、宽度、阻抗控制、参考地、隔离、过孔使用）。错误的布局会严重降低性能。

• 接地： 确保良好、低阻抗的接地平面。

2.2 固件开发

1） GPIO 模式 

• GPIO 控制： 软件需要正确配置并控制连接到 TX_EN, RX_EN, MODE 的 GPIO 引脚。

• 时序： 切换发射、接收或改变增益模式时，必须严格遵守 nRF21540 数据手册中规定的时序要求（如 TX_EN/RX_EN 的建立时间、保持时间、模式切换时间）。时序错误会导致信号丢失或损坏。

• 增益模式选择 (MODE):

  • 高增益模式： 提供最大输出功率（+20dBm）和最高接收增益（13dB）。用于需要最大距离时。功耗最高。

  • 低增益模式： 提供较低输出功率（约 +10dBm）和较低接收增益（10dB）。用于短距离通信或需要降低功耗时。功耗显著低于高增益模式。

设备树中配置IO： 

• tx-en-gpios - GPIO characteristic of the device that controls the TX_EN signal of nRF21540.

• rx-en-gpios - GPIO characteristic of the device that controls the RX_EN signal of nRF21540.

• pdn-gpios - GPIO characteristic of the device that controls the PDN signal of nRF21540.

/ {
      nrf_radio_fem: name_of_fem_node {
         compatible  = "nordic,nrf21540-fem";
         tx-en-gpios = <&gpio0 13 GPIO_ACTIVE_HIGH>;
         rx-en-gpios = <&gpio0 14 GPIO_ACTIVE_HIGH>;
         pdn-gpios   = <&gpio0 15 GPIO_ACTIVE_HIGH>;
   };
};

 2） 使用Nordic SDK开方法

• 与 Nordic SDK 集成：

  • nRF Connect SDK: 提供了对 nRF21540 的原生支持。在项目中启用 CONFIG_MPSL_FEM_NRF21540_GPIO 或 CONFIG_MPSL_FEM_NRF21540_GPIO_SPI（如果使用 SPI 控制变体）配置选项。

  • 在 devicetree (.overlay 文件) 中定义 nRF21540 FEM 节点，正确指定 tx-en-gpios, rx-en-gpios, mode-gpios 引脚的 GPIO 控制器和引脚号。

  • SDK 的射频驱动层会自动处理大部分与 FEM 控制相关的时序和状态切换。应用程序通常通过标准的 BLE/802.15.4 API 设置发射功率即可，驱动会自动处理 FEM 的使能。

  • 设置发射功率： 在应用代码中，设置 CONFIG_BT_CTLR_TX_PWR_* (对于 BLE) 或在代码中调用 bt_le_adv_start(..., BT_LE_ADV_PARAM(..., .tx_power = desired_power, ...), ...) 等 API 时，指定的功率值会经过 SDK 处理，最终控制 SoC 的输出功率和 FEM 的增益模式（如果需要 FEM 来达到目标功率）。例如，设置 +20dBm，SDK 会配置 SoC 输出较低功率（如 0dBm）并启用 FEM 的 HGM 模式进行放大。

GPIO+SPI mode support for nRF21540模式

&pinctrl {
   spi3_default_alt: spi3_default_alt {
      group1 {
         psels = <NRF_PSEL(SPIM_SCK, 1, 15)>,
                 <NRF_PSEL(SPIM_MISO, 1, 14)>,
                 <NRF_PSEL(SPIM_MOSI, 1, 13)>;
      };
   };

   spi3_sleep_alt: spi3_sleep_alt {
      group1 {
         psels = <NRF_PSEL(SPIM_SCK, 1, 15)>,
                 <NRF_PSEL(SPIM_MISO, 1, 14)>,
                 <NRF_PSEL(SPIM_MOSI, 1, 13)>;
         low-power-enable;
      };
   };
};

fem_spi: &spi3 {
   status = "okay";
   pinctrl-0 = <&spi3_default_alt>;
   pinctrl-1 = <&spi3_sleep_alt>;
   pinctrl-names = "default", "sleep";
   cs-gpios = <&gpio0 21 GPIO_ACTIVE_LOW>;

   nrf_radio_fem_spi: nrf21540_fem_spi@0 {
      compatible = "nordic,nrf21540-fem-spi";
      status = "okay";
      reg = <0>;
      spi-max-frequency = <8000000>;
   };
};

3 SDK 下载路径

https://github.com/nrfconnect/sdk-nrf#

nRF21540 Product Specification v1.2

https://docs.nordicsemi.com/bundle/nRF21540_PS_v1.2/resource/nRF21540_PS_v1.2.pdf