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具低功耗無線收發(fā)特色 RFID適用于生物醫(yī)療的發(fā)展

RFID及無線傳感器技能(Wireless Sensor)設(shè)備所需的無線收發(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,，接下來引見將來有潛力廣泛運(yùn)用的低功率Super-regenerative接納器,，最終引見幾個(gè)低功率無線收發(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)傳來的無線信號(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及可覆寫兩種,；而自動(dòng)式一般需求電池來當(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)送無線電信號(hào)到鄰近的RFID Tag，此刻Tag會(huì)將此無線電能量轉(zhuǎn)成直流電源供給自身電路操作之用,。接下來,，Tag內(nèi)部的解調(diào)器(Demodulator)會(huì)將reader所傳出的無線電信號(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的無線電信號(hào)來供給,，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)前仍在開展傍邊，其無線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)間隔的無線辨認(rèn)，如車庫(kù)遙控器,、自動(dòng)汽車收費(fèi)站或是生產(chǎn)線的監(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)部線路規(guī)劃或是電路板線路規(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)寬份額來下降,。

下面有一個(gè)近似公式可用來預(yù)估功率的損耗(Ploss)[2]：

(具體請(qǐng)見新電子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)檫儊砑呻娐分瞥碳懊枥L技能的晉升，以及低功率收發(fā)器需求的添加,，因而邇來Super-Regenerative又被廣泛的評(píng)論及研討,，本節(jié)將簡(jiǎn)略引見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)無線傳輸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)建的無線發(fā)射器將診斷數(shù)據(jù)傳至體外的無線接納器,。

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線的方法以下降細(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)的壓力及溫度來診斷，當(dāng)前是運(yùn)用噴發(fā)氣體式的眼壓計(jì)來量測(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，因而天線的體積也是描繪時(shí)有必要思考的要點(diǎn),。