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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收發(fā)電路所組成的網絡能長工夫有功率的運作。本文首要引見RFID技能，并評論當前常運用于RFID上的半自動式Transponder電路，接下來引見將來有潛力廣泛運用的低功率Super-regenerative接納器，最終引見幾個低功率無線收發(fā)器在生物醫(yī)療感測上的運用實例。

RFID半自動式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「半自動式」及「自動式」兩種。其間半自動式Transponder是用基地臺傳來的無線信號轉成自身電路的操作電源，再將自身內存內的數據顛末調變后回傳，內存的數據一般可分為不行覆寫及可覆寫兩種；而自動式一般需求電池來當作電源，因而首要用于較長間隔的運用。本節(jié)首要引見半自動式RFID的操作方法。

半自動式RFID標簽的操作有Forward Link及Reverse Link兩個進程：

◆ Forward Link： 讀取器(Reader)會發(fā)送無線電信號到鄰近的RFID Tag，此刻Tag會將此無線電能量轉成直流電源供給自身電路操作之用。接下來，Tag內部的解調器(Demodulator)會將reader所傳出的無線電信號解調出數字數據及同步頻率，這些數字數據可所以讀寫的指令，而同步頻率則供給自身數字電路操作。

◆ Reverse Link：Tag內部的調變器(Modulator)會將自身的數據調變后回傳給讀取器 。

因為Transponder自身的電源可由Reader的無線電信號來供給，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器即可操作。

RFID操作頻帶及運用

RFID技能首要的操作頻段有4個，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]，首要選用磁場耦合的方法，因而通訊間隔很短，卷標電路一般是選用半自動式，當前已廣泛地運用在門禁卡，悠游卡及寵物芯片等低速數據傳輸范疇上。

較高頻段的UHF868～915MHz及微波頻段2.4GHz的RFID技能當前仍在開展傍邊，其無線傳輸選用電磁波的方法傳送，傳輸間隔較遠，但也較耗電。在此頻段的RFID Tag有些選用半自動式的電路，但也有不少選用由電池供給電源的自動式電路，后者可運用于需求較大數據傳輸量及較遠間隔的無線辨認，如車庫遙控器、自動汽車收費站或是生產線的監(jiān)控等。

在規(guī)范方面，125KHz及13.56MHz頻段曾經恰當老練，但900MHz及2.45GH的規(guī)范則還在評論中，當前UHF頻段的RFID是運用FCC所規(guī)則的ISM頻段，其通用的規(guī)范規(guī)范當前為止還未底定。[1]

半自動式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式Transponder的前端電路[2]。其簡化電路架構如表2所示，前端電路局部首要可分為3個首要的組塊，分別為RF/DC直流電源發(fā)生器、調變器(Modulator)及解調器(Demodulator)。

◆RF/DC直流電源發(fā)生器：

RFID直流電源發(fā)生器一般都是運用低阻值的蕭特基二極管組成。如表3所示，當接納到RF信號時，二極管會將信號整流成直流電壓。因為電路的輸入端是由低阻值的二極管組成，因而其輸入阻抗具有很高的質量因子(Quality factor)，這添加了天線描繪的困難度，且會影響電源發(fā)生器的操作功率，因而如何下降集成電路內部線路規(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。

在電路的描繪上亦有必要注重功率變換功率、輸入阻抗及輸出負載，首要的描繪參數則包羅二極管的級數、二極管的巨細及耦合電容的巨細。

為了進步操作功率，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)有必要慎重。

在耦合電容方面，小的串聯電阻(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，可是串聯電阻(Rs)卻可藉由調整長寬份額來下降。

下面有一個近似公式可用來預估功率的損耗(Ploss)[2]：

(具體請見新電子223期10月號第123頁)

v代表RF peak電壓，Csub代表到基板的寄生電容，Rsub是串聯電阻，w則是信號的角頻率。由公式中可以看到頻率和寄生電容越大將招致損耗越大，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。

◆解調器(Demodulator)：

在Forward Link時大多選用PWM脈沖寬度調變(Pulse-Width-Modulation)技能，解調器電路首要包羅Envelop
detector及PWM解調器，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電路之后的信號可用來當作體系頻率，和當作量測脈沖寬度的積分器之Reset信號，而顛末PWM Demodulator后的信號即為所要的解調信號。[2]

◆調變器(Modulator)：

在Reverse Link時選用的是Backscatter的方法，其操作方法是RFID讀取器發(fā)射一個接連的載波，而Transponder改動自身其輸入阻抗，使得由 Transponder天線所反射載波的相位被調變，因而可到達相似PSK之作用。如表5所示，M1是作為一個可變電容，而M8～M11則為反相器，供給 M1兩規(guī)矩VDD或負VDD的電壓，藉以改動M1的電容。選用PSK調變可一起進步直流發(fā)生器及調變器的功率，且PSK調變方法能到達比ASK好的信號噪聲比(SNR)。

假定調變器的兩個輸入阻抗分別為Z1=R1+jX1及Z2=R2+jX2，阻抗的實部和虛部都有必要顛末恰當描繪，并匹配至天線的阻抗才干到達最佳的功率變換及操作功率[2]

Super Regenerative架構重回舞臺

Super-Regenerative接納器是在1922年由Armstrong所創(chuàng)造，但后來因為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。但因為邇來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Super-Regenerative又被廣泛的評論及研討，本節(jié)將簡略引見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，內部富含一個RF震動器、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)的調變方法，如表7所示，Quench信號會供給振蕩器起振的機制，當接納器無輸入信號RFin時，所需的起振工夫較長；當輸入端有信號時，起振工夫較短，因而顛末Envelop Detection和低通濾波器后可運用此特性解調出信號，表7為此一解調進程之波形圖。

半自動式RFID功率低 適用于生物醫(yī)療

在RFID體系中所用的半自動式直流電源及數據無線傳輸Transponder技能，在生物醫(yī)療范疇上有很大的運用價值。例如當病患需承受長工夫或在線的生理查看[6][7]，或是手術后的病況監(jiān)控時，都可以經由植入一些生物傳感器至體內，并經由傳感器內建的無線發(fā)射器將診斷數據傳至體外的無線接納器。

這些植入體內的傳感器設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菌感染的危險，并防止對正常生計形成影響。別的，因為有必要長工夫植入體內，因而不能運用電池當電源，因為電池的運用會下降操作壽數及改動體內化學的安穩(wěn)度。

最適合的方法就是選用相同于半自動式RFID Transponder的通訊原理，運用體外的讀取器供給體內Transponder電源及指令，然后將在體內感測到的信息傳輸到體外的讀取器。依據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]。

半自動式的RF Transponder技能在生物醫(yī)療傳感器范疇上的運用許多，本節(jié)引見幾個生物傳感器的運用實例：

◆血壓監(jiān)控傳感器[6]：

在體內植入一個血壓傳感器，傳感器中內建一組Transponder及模仿至數字變換器，一般血壓信號的頻寬約為0～30Hz，而傳感器的靈敏度約為 5～10μV/VDD/mmHg，傳感器感測到的數據顛末一個低功率的模仿至數字變換器轉成數字信號。此數字信號再經由Transponder的調變器發(fā)射至體外的接納機做處置。而傳感器及其它電路的直流電源可經由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由調查眼內的壓力及溫度來診斷，當前是運用噴發(fā)氣體式的眼壓計來量測眼壓。如今則可以運用植入式傳感器及RF Transponder技能，運用外部遙測的方法長工夫監(jiān)控患者眼壓的情況。

如表8所示，運用細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，眼壓傳感器所需量測的眼壓規(guī)模一般約為0.8～1.3Bar。傳感器量測數據顛末處置后，再由Transponder的磁場耦合至外部的接納器。因為思考到植入眼球內的傳感器設備體積有必要十分小，因而天線的體積也是描繪時有必要思考的要點。