nRF21540 射频模块介绍和功能实现

参数	规格	意义
工作频率	2.4GHz ISM 频段	兼容蓝牙/BLE/Zigbee/Thread
发射功率	+20dBm (高增益模式)	通信距离提升4-5倍
	+10dBm (低增益模式)	节能模式
接收增益	13dB (HGM) / 10dB (LGM)	提升接收灵敏度
电流消耗	150mA@+20dBm (峰值)	需强大电源支持
控制接口	GPIO/SPI 双模式	灵活集成
封装尺寸	3×3mm QFN	紧凑型设计

1.2 产品特性

nRF21540是一款“即插即用型”的无线传输范围扩展器。它通过集成功率放大器(PA)和低噪声放大器(LNA)提供了更强的连接鲁棒性，非常适于我们的低功率短距离无线解决方案。它是一款补充性产品，可用于提高nRF52和nRF53系列先进多协议无线SoC的链路预算。当与nRF52或nRF53系列SoC配合使用时，nRF21540 RF FEM的+20 dBm TX输出功率和13 dB RX增益确保了16-20 dB的卓越链路预算改善。这相当于提高了6.3到10倍的理论传输距离。

nRF21540的TX功率动态可调，输出功率可以设置较小的增量，最高可设为21dBm。这样可确保，应用的设计在所有区域和工作条件下，均能够在允许范围 1 dBm 之内的输出功率下运行。LNA具有2.7 dB的低噪声，确保更高的RX灵敏度。

nRF21540补充性设备连接到SoC的天线输出。它带有两个额外的天线端口用于支持天线分集。可以通过SPI、GPIO管脚或两者的组合来控制TX输出功率、TX增益控制和天线切换。

nRF21540提供了非常具有竞争力的参数，在+20 dBm TX输出功率时为110 mA，在+10 dBm TX输出功率时为38 mA，在RX时为2.9 mA，在省电模式下为45 nA。更宽的工作温度范围可达-40°C到105°C，使其与nRF52820、nRF52833或nRF5340 SoC一起成为专业照明的理想选择。

2 芯片的架构

2.1 nRF21540的结构

nRF21540是一款适用于低功耗蓝牙和IEEE 802.15.4范围扩展的射频前端模块。器件功能包括在发射路径（TX）中配置增益功率放大器（PA）和在接收路径（RX）中配置低噪声放大器（LNA）。TRX和ANT1/2端口均支持单端操作，RF路径需要4个外部组件（单天线操作），未使用的天线端口需要天线终端。该装置是通过一组输入引脚控制的。另外，可以通过SPI接口将写入内部控制寄存器来控制该设备。两个天线端口支持使用天线分集的应用程序，可以使用引脚ANT_SEL进行选择。

传输状态下的高度可配置增益使应用程序能够实现自适应增益控制算法。增益设置可以存储为工厂设备校准到用户可配置的输出功率通过板载非易失性存储器。

2.2 控制流程

当PDN设置为0时，设备处于下电状态。当PDN设置为1时，设备被激活，进入Program状态。当设备进入程序状态时，所有寄存器都包含复位值。使用引脚控制或SPI接口，可以将设备设置为另一状态（接收、发送和UICR程序）。状态转换由引脚PDN、RX_EN和TX_EN或SPI寄存器CONFREG0 和CONFREG1中的位域控制。对于在工作状态之间切换时所需的时间。当设备处于接收状态时，接收路径处于活动状态，发送路径处于禁用状态。状态为 Receive时，表示使能。

2.3 天线控制

ANT_SEL选择RX或TX时使用的天线接口，天线接口控制参见下表

2.4 状态时序

在下表中定义了在操作状态之间切换时的处理时间要求。

2.5 发射控制

通过引脚控制或SPI接口配置发送状态输出功率。配置引脚输出功率时，使用MODE将两个预设值中的一个设置为TX功率控制。当模式控制在程序状态下发生变化时，预设值更新TX_Gain值。通过写入CONFREG0中的MODE位来启用相同的功能。自定义预设值存储在 UICR中，并选择为默认值。

2.6 芯片封装结构

引脚分配图和表描述了设备的引脚。除了任何使用限制之外，还有关于如何配置GPIO引脚的建议。

引脚定义：

3 软件实现控制

控制接口：

nRF21540 引脚	nRF52832 连接	功能
TX_EN	GPIO (P0.05)	发射使能
RX_EN	GPIO (P0.06)	接收使能
MODE	GPIO (P0.07)	增益选择
PDN	GPIO (P0.08)	断电控制(可选)

nRF21540设备是一个范围扩展器，可以与nRF52， nRF53和nRF54L系列设备一起使用。nRF21540 GPIO模式实现FEM兼容nRF21540器件，实现3引脚PA/LNA接口。nRF Connect SDK提供了基于设备树（DTS）和使用MPSL （Multiprotocol Service Layer）库的Kconfig信息配置FEM的代码。应用程序的devicetree文件中的FEM硬件描述是配置的重要组成部分。要启用FEM支持，必须在应用程序的devicetree文件中存在nrf_radio_fem节点。

要在GPIO模式下使用nRF21540，请完成以下步骤：

1）配置设备树

/ {
      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>;
   };
};

设备树信息如下：

配置相关参数：

4 硬件参考电路

1）单天线原理图

下表列出了推荐和测试的组件类型和值。

2）双天线原理图

3） nRF21540 通过以下方式彻底改变无线设计：

距离突破：+20dBm 输出使通信距离提升4-5倍

灵敏度提升：LNA 增强接收能力

系统集成：单芯片解决射频前端设计

灵活控制：GPIO/SPI 双模式接口

4）常见问题解决方案

问题	原因	解决方案
输出功率不足	电源电压跌落	增加储能电容，缩短电源路径
通信距离短	天线匹配不良	使用VNA调谐匹配网络
模块发热严重	连续高功率工作	添加散热片，启用占空比控制
随机通信失败	时序不满足	增加TX_EN_SETTLE_TIME至20μs
SPI通信错误	时钟速率过高	降低SPI时钟至1MHz以下