RFID及無(wú)線(xiàn)傳感器技能(Wireless Sensor)設(shè)備所需的無(wú)線(xiàn)收發(fā)器有必要要有十分低的耗電量,才足以讓這些由多個(gè)收發(fā)電路所組成的網(wǎng)絡(luò)能長(zhǎng)工夫有功率的運(yùn)作。本文首要引見(jiàn)RFID技能,并評(píng)論當(dāng)前常運(yùn)用于RFID上的半自動(dòng)式Transponder電路,接下來(lái)引見(jiàn)將來(lái)有潛力廣泛運(yùn)用的低功率Super-regenerative接納器,最終引見(jiàn)幾個(gè)低功率無(wú)線(xiàn)收發(fā)器在生物醫(yī)療感測(cè)上的運(yùn)用實(shí)例。
RFID半自動(dòng)式Transponder操作
RFID電路首要由一組讀取器(Reader)及一組RFID Transponder(又名RFID
Tag)所組成,其間RFID Transponder的操作方法可分為「半自動(dòng)式」及「自動(dòng)式」兩種。其間半自動(dòng)式Transponder是用基地臺(tái)傳來(lái)的無(wú)線(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)成自身電路的操作電源,再將自身內(nèi)存內(nèi)的數(shù)據(jù)顛末調(diào)變后回傳,內(nèi)存的數(shù)據(jù)一般可分為不行覆寫(xiě)及可覆寫(xiě)兩種;而自動(dòng)式一般需求電池來(lái)當(dāng)作電源,因而首要用于較長(zhǎng)間隔的運(yùn)用。本節(jié)首要引見(jiàn)半自動(dòng)式RFID的操作方法。
半自動(dòng)式RFID標(biāo)簽的操作有Forward Link及Reverse Link兩個(gè)進(jìn)程:
◆ Forward Link: 讀取器(Reader)會(huì)發(fā)送無(wú)線(xiàn)電信號(hào)到鄰近的RFID Tag,此刻Tag會(huì)將此無(wú)線(xiàn)電能量轉(zhuǎn)成直流電源供給自身電路操作之用。接下來(lái),Tag內(nèi)部的解調(diào)器(Demodulator)會(huì)將reader所傳出的無(wú)線(xiàn)電信號(hào)解調(diào)出數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)及同步頻率,這些數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)可所以讀寫(xiě)的指令,而同步頻率則供給自身數(shù)字電路操作。
◆ Reverse Link:Tag內(nèi)部的調(diào)變器(Modulator)會(huì)將自身的數(shù)據(jù)調(diào)變后回傳給讀取器 。
因?yàn)?/span>Transponder自身的電源可由Reader的無(wú)線(xiàn)電信號(hào)來(lái)供給,且Transponder自身的耗電很低,因而不需求額定的電池或是電源供應(yīng)器即可操作。
RFID操作頻帶及運(yùn)用
RFID技能首要的操作頻段有4個(gè),包羅125kHz、13.56MHz、868~915MHz及2.45GHz,在這4種操作頻帶上的RFID各有不同的特性及運(yùn)用,如表1所示[1],在Low Frequency 125KHz及High Frequency 13.56MHz頻段上[3][4],首要選用磁場(chǎng)耦合的方法,因而通訊間隔很短,卷標(biāo)電路一般是選用半自動(dòng)式,當(dāng)前已廣泛地運(yùn)用在門(mén)禁卡,悠游卡及寵物芯片等低速數(shù)據(jù)傳輸范疇上。
較高頻段的UHF868~915MHz及微波頻段2.4GHz的RFID技能當(dāng)前仍在開(kāi)展傍邊,其無(wú)線(xiàn)傳輸選用電磁波的方法傳送,傳輸間隔較遠(yuǎn),但也較耗電。在此頻段的RFID Tag有些選用半自動(dòng)式的電路,但也有不少選用由電池供給電源的自動(dòng)式電路,后者可運(yùn)用于需求較大數(shù)據(jù)傳輸量及較遠(yuǎn)間隔的無(wú)線(xiàn)辨認(rèn),如車(chē)庫(kù)遙控器、自動(dòng)汽車(chē)收費(fèi)站或是生產(chǎn)線(xiàn)的監(jiān)控等。
在規(guī)范方面,125KHz及13.56MHz頻段曾經(jīng)恰當(dāng)老練,但900MHz及2.45GH的規(guī)范則還在評(píng)論中,當(dāng)前UHF頻段的RFID是運(yùn)用FCC所規(guī)則的ISM頻段,其通用的規(guī)范規(guī)范當(dāng)前為止還未底定。[1]
半自動(dòng)式Transponder前端電路
本節(jié)將以一組UHF RFID為比如更具體的引見(jiàn)半自動(dòng)式Transponder的前端電路[2]。其簡(jiǎn)化電路架構(gòu)如表2所示,前端電路局部首要可分為3個(gè)首要的組塊,分別為RF/DC直流電源發(fā)生器、調(diào)變器(Modulator)及解調(diào)器(Demodulator)。
◆RF/DC直流電源發(fā)生器:
RFID直流電源發(fā)生器一般都是運(yùn)用低阻值的蕭特基二極管組成。如表3所示,當(dāng)接納到RF信號(hào)時(shí),二極管會(huì)將信號(hào)整流成直流電壓。因?yàn)殡娐返妮斎攵耸怯傻妥柚档亩O管組成,因而其輸入阻抗具有很高的質(zhì)量因子(Quality factor),這添加了天線(xiàn)描繪的困難度,且會(huì)影響電源發(fā)生器的操作功率,因而如何下降集成電路內(nèi)部線(xiàn)路規(guī)劃或是電路板線(xiàn)路規(guī)劃所形成的損耗是此電路的描繪要點(diǎn)。
在電路的描繪上亦有必要注重功率變換功率、輸入阻抗及輸出負(fù)載,首要的描繪參數(shù)則包羅二極管的級(jí)數(shù)、二極管的巨細(xì)及耦合電容的巨細(xì)。
為了進(jìn)步操作功率,咱們期望二極管具有足夠大的二極管飽和電流(Is),并能下降接面電容(Cj),串聯(lián)電阻(Rs)及寄生電容(Cp)。可是面積大的二極管固然有較大的飽和電流及較小的串聯(lián)電阻(Rs),但一起也招致較大的接面電容(Cj)及寄生電容(Cp),因而在二極管的組件描繪上(如面積巨細(xì))有必要慎重。
在耦合電容方面,小的串聯(lián)電阻(Rs)和寄生電容(Cp)可以削減損耗,可是寄生電容和所需的耦合電容是成正比的,因而無(wú)法恣意下降,可是串聯(lián)電阻(Rs)卻可藉由調(diào)整長(zhǎng)寬份額來(lái)下降。
下面有一個(gè)近似公式可用來(lái)預(yù)估功率的損耗(Ploss)[2]:
(具體請(qǐng)見(jiàn)新電子223期10月號(hào)第123頁(yè))
v代表RF peak電壓,Csub代表到基板的寄生電容,Rsub是串聯(lián)電阻,w則是信號(hào)的角頻率。由公式中可以看到頻率和寄生電容越大將招致?lián)p耗越大,因而在UHF頻段操作之RFID tag,其功率損耗肯定比在125KHz及13.5MHz頻段操作高。
◆解調(diào)器(Demodulator):
在Forward Link時(shí)大多選用PWM脈沖寬度調(diào)變(Pulse-Width-Modulation)技能,解調(diào)器電路首要包羅Envelop
detector及PWM解調(diào)器,其間的Envelop detector的電路和直流電源發(fā)生器(表4)的電路架構(gòu)相似,是由兩組蕭特基二極管所組成。
顛末Envelop detector電路之后的信號(hào)可用來(lái)當(dāng)作體系頻率,和當(dāng)作量測(cè)脈沖寬度的積分器之Reset信號(hào),而顛末PWM Demodulator后的信號(hào)即為所要的解調(diào)信號(hào)。[2]
◆調(diào)變器(Modulator):
在Reverse Link時(shí)選用的是Backscatter的方法,其操作方法是RFID讀取器發(fā)射一個(gè)接連的載波,而Transponder改動(dòng)自身其輸入阻抗,使得由 Transponder天線(xiàn)所反射載波的相位被調(diào)變,因而可到達(dá)相似PSK之作用。如表5所示,M1是作為一個(gè)可變電容,而M8~M11則為反相器,供給 M1兩規(guī)矩VDD或負(fù)VDD的電壓,藉以改動(dòng)M1的電容。選用PSK調(diào)變可一起進(jìn)步直流發(fā)生器及調(diào)變器的功率,且PSK調(diào)變方法能到達(dá)比ASK好的信號(hào)噪聲比(SNR)。
假定調(diào)變器的兩個(gè)輸入阻抗分別為Z1=R1+jX1及Z2=R2+jX2,阻抗的實(shí)部和虛部都有必要顛末恰當(dāng)描繪,并匹配至天線(xiàn)的阻抗才干到達(dá)最佳的功率變換及操作功率[2]
Super Regenerative架構(gòu)重回舞臺(tái)
Super-Regenerative接納器是在1922年由Armstrong所創(chuàng)造,但后來(lái)因?yàn)?/span>Super-Heterodyne接納器具有較好的特性[8][9],因而Super-Regenerative接納器便逐漸被Super-Heterodyne接納器所替代。但因?yàn)檫儊?lái)集成電路制程及描繪技能的晉升,以及低功率收發(fā)器需求的添加,因而邇來(lái)Super-Regenerative又被廣泛的評(píng)論及研討,本節(jié)將簡(jiǎn)略引見(jiàn)Super- Regenerative接納器的操作原理。
表6為一規(guī)范的Super-Regenerative接納器的電路架構(gòu),內(nèi)部富含一個(gè)RF震動(dòng)器、Envelop Detection電路、低通濾波器、偏壓操控回路及Quench發(fā)生器。
Super-Regenerative接納器基本上是選用100%
AM On-Off-Keying(OOK)的調(diào)變方法,如表7所示,Quench信號(hào)會(huì)供給振蕩器起振的機(jī)制,當(dāng)接納器無(wú)輸入信號(hào)RFin時(shí),所需的起振工夫較長(zhǎng);當(dāng)輸入端有信號(hào)時(shí),起振工夫較短,因而顛末Envelop Detection和低通濾波器后可運(yùn)用此特性解調(diào)出信號(hào),表7為此一解調(diào)進(jìn)程之波形圖。
半自動(dòng)式RFID功率低 適用于生物醫(yī)療
在RFID體系中所用的半自動(dòng)式直流電源及數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)傳輸Transponder技能,在生物醫(yī)療范疇上有很大的運(yùn)用價(jià)值。例如當(dāng)病患需承受長(zhǎng)工夫或在線(xiàn)的生理查看[6][7],或是手術(shù)后的病況監(jiān)控時(shí),都可以經(jīng)由植入一些生物傳感器至體內(nèi),并經(jīng)由傳感器內(nèi)建的無(wú)線(xiàn)發(fā)射器將診斷數(shù)據(jù)傳至體外的無(wú)線(xiàn)接納器。
這些植入體內(nèi)的傳感器設(shè)備體積有必要十分小,且傳感器和外界醫(yī)療儀器的通訊有必要是無(wú)線(xiàn)的方法以下降細(xì)菌感染的危險(xiǎn),并防止對(duì)正常生計(jì)形成影響。別的,因?yàn)橛斜匾L(zhǎng)工夫植入體內(nèi),因而不能運(yùn)用電池當(dāng)電源,因?yàn)殡姵氐倪\(yùn)用會(huì)下降操作壽數(shù)及改動(dòng)體內(nèi)化學(xué)的安穩(wěn)度。
最適合的方法就是選用相同于半自動(dòng)式RFID Transponder的通訊原理,運(yùn)用體外的讀取器供給體內(nèi)Transponder電源及指令,然后將在體內(nèi)感測(cè)到的信息傳輸?shù)襟w外的讀取器。依據(jù)生物安全電磁輻射量的主張,電磁波功率最棒低于10mW/cm2,因而短間隔傳輸較為適用[6]。
半自動(dòng)式的RF Transponder技能在生物醫(yī)療傳感器范疇上的運(yùn)用許多,本節(jié)引見(jiàn)幾個(gè)生物傳感器的運(yùn)用實(shí)例:
◆血壓監(jiān)控傳感器[6]:
在體內(nèi)植入一個(gè)血壓傳感器,傳感器中內(nèi)建一組Transponder及模仿至數(shù)字變換器,一般血壓信號(hào)的頻寬約為0~30Hz,而傳感器的靈敏度約為 5~10μV/VDD/mmHg,傳感器感測(cè)到的數(shù)據(jù)顛末一個(gè)低功率的模仿至數(shù)字變換器轉(zhuǎn)成數(shù)字信號(hào)。此數(shù)字信號(hào)再經(jīng)由Transponder的調(diào)變器發(fā)射至體外的接納機(jī)做處置。而傳感器及其它電路的直流電源可經(jīng)由Transponder的RF/DC電路模塊來(lái)發(fā)生。
◆眼壓/溫度傳感器[7]:
許多青光眼病患需求經(jīng)由調(diào)查眼內(nèi)的壓力及溫度來(lái)診斷,當(dāng)前是運(yùn)用噴發(fā)氣體式的眼壓計(jì)來(lái)量測(cè)眼壓。如今則可以運(yùn)用植入式傳感器及RF Transponder技能,運(yùn)用外部遙測(cè)的方法長(zhǎng)工夫監(jiān)控患者眼壓的情況。
如表8所示,運(yùn)用細(xì)小的膠囊式包裝可將集成電路及眼壓/溫度傳感器植入眼球內(nèi),眼壓傳感器所需量測(cè)的眼壓規(guī)模一般約為0.8~1.3Bar。傳感器量測(cè)數(shù)據(jù)顛末處置后,再由Transponder的磁場(chǎng)耦合至外部的接納器。因?yàn)樗伎嫉街踩胙矍騼?nèi)的傳感器設(shè)備體積有必要十分小,因而天線(xiàn)的體積也是描繪時(shí)有必要思考的要點(diǎn)。