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具低功率无线收发特色 RFID适用於生物医疗行业发展


作者:林宗贤/刘耀鸿 来源:台湾新电子 2006-11-10 10:18:28

摘要:本文介绍一些可用於RFID技术及无线感测器上的低功率收发器,包括可以在接收讯号上载入直流电源的半主动式Transponder,以及利用本身接近震盪条件来解调信号的Super-Regenerative接收器,这些无线收发器都有一个共通点,就是尽量採用最简单的架构和电路来达到无线资料传输,虽然在效能上略逊於以往复杂的Heterodyne或Homodyne收发器,但是却更具有价格和功率消耗上的优势。

关键词:低功率[0篇]  生物[36篇]  医疗[42篇]  

  无线技术目前已广泛的应用於人类的生活中,未来超低功率无线收发器(Ultra-Low-Power Wireless Transceiver)更是无线前端电路发展的新趋势,如蓝芽技术就是标榜以短距离无线数据传输取代目前有线的资料传输。另外,需要以大量无线装置来组成的通讯网如RFID及无线感测器技术(Wireless Sensor)也将為我们生活上带来更多的便利。

  RFID及无线感测器技术(Wireless Sensor)装置所需的无线收发器必须要有非常低的耗电量,才足以让这些由多个收发电路所组成的网路能长期有效率的运作。本文首先介绍RFID技术,并讨论目前常应用於RFID上的半主动式Transponder电路,接下来介绍未来有潜力广泛使用的低功率Super-regenerative接收器,最后介绍几个低功率无线收发器在生物医疗感测上的应用实例。

 

超低功率无线收发器架构

  超低功率无线收发器多应用於短距离、低传输量的无线通讯系统上,一般可分為被动式、半主动式及主动式3种。被动式的收发器内部没有主动电子元件,主要是靠被动元件的共振来操作,因此不会耗电,但是功能也最少;半主动式电路(又称Transponder)是利用内部的整流器将基地台的无线电讯号转换成直流能量和数位讯号,因此电路本身在没有电磁波讯号传入时并不会耗电,即使是操作时,电路的耗电量也在100μW以内,电路的传输距离不远,通常具有可写式记忆体;主动式收发器则主要是靠电池当作电源,其传输接收距离较长,传输速度也较高,但相对的也较耗电(通常1mw以上)。在主动式收发器的设计上,虽然Super-Heterodyne架构是目前最常被使用的主动式接收器架构,但是Super-Regenerative接收器具有非常低的耗电量(约10mW以内),因此目前也常被应用於遥控器、电脑无线週边及生物医疗感测装置上。

 

RFID半主动式Transponder操作

  RFID电路主要由一组读取器(Reader)及一组RFID Transponder(又叫RFID Tag)所组成,其中RFID Transponder的操作方式可分為「半主动式」及「主动式」两种。其中半主动式Transponder是用基地台传来的无线讯号转成本身电路的操作电源,再将本身记忆体内的资料经过调变后回传,记忆体的资料通常可分為不可覆写及可覆写两种;而主动式通常需要电池来当作电源,因此主要用於较长距离的应用。本节主要介绍半主动式RFID的操作方式。

半主动式RFID标籤的操作有Forward Link及Reverse Link两个过程:

◆ Forward Link:读取器(Reader)会发送无线电讯号到附近的RFID Tag,此时Tag会将此无线电能量转成直流电源提供本身电路操作之用。接下来,Tag内部的解调器(Demodulator)会将reader所传出的无线电讯号解调出数位资料及同步时脉,这些数位资料可以是读写的指令,而同步时脉则提供本身数位电路操作。

◆ Reverse Link:Tag内部的调变器(Modulator)会将本身的资料调变后回传给读取器 。

由於Transponder本身的电源可由Reader的无线电讯号来提供,且Transponder本身的耗电很低,因此不需要额外的电池或是电源供应器即可操作。

 

RFID操作频带及应用

  RFID技术主要的操作频段有4个,包括125kHz、13.56MHz、868~915MHz及2.45GHz,在这4种操作频带上的RFID各有不同的特性及应用,如表1所示[1],在Low Frequency 125KHz及High Frequency 13.56MHz频段上[3][4],主要採用磁场耦合的方式,因此通讯距离很短,标籤电路通常是採用半主动式,目前已广泛地使用在门禁卡,悠游卡及宠物晶片等低速资料传输领域上。

  较高频段的UHF868~915MHz及微波频段2.4GHz的RFID技术目前仍在发展当中,其无线传输採用电磁波的方式传送,传输距离较远,但也较耗电。在此频段的RFID Tag有些採用半主动式的电路,但也有不少採用由电池提供电源的主动式电路,后者可应用於需要较大资料传输量及较远距离的无线识别,如车库遥控器、自动汽车收费站或是生產线的监控等。

  在规格方面,125KHz及13.56MHz频段已经相当成熟,但900MHz及2.45GH的规格则还在讨论中,目前UHF频段的RFID是利用FCC所规定的ISM频段,其通用的标準规格目前為止还未底定。[1]

半主动式Transponder前端电路

  本节将以一组UHF RFID為例子更详细的介绍半主动式Transponder的前端电路[2]。其简化电路架构如表2所示,前端电路部分主要可分為3个主要的组块,分别為RF/DC直流电源產生器、调变器(Modulator)及解调器(Demodulator)。

◆RF/DC直流电源產生器:

RFID直流电源產生器通常都是利用低阻值的萧特基二极体组成。如表3所示,当接收到RF讯号时,二极体会将讯号整流成直流电压。由於电路的输入端是由低阻值的二极体组成,因此其输入阻抗具有很高的品质因子(Quality factor),这增加了天线设计的困难度,且会影响电源產生器的操作效率,因此如何降低积体电路内部线路佈局或是电路板线路佈局所造成的损耗是此电路的设计重点。

在电路的设计上亦必须注意功率转换效率、输入阻抗及输出负载,主要的设计参数则包括二极体的级数、二极体的大小及耦合电容的大小。

  為了提高操作效率,我们希望二极体具有足够大的二极体饱和电流(Is),并能降低接面电容(Cj),串联电阻(Rs)及寄生电容(Cp)。但是面积大的二极体虽然有较大的饱和电流及较小的串联电阻(Rs),但同时也导致较大的接面电容(Cj)及寄生电容(Cp),因此在二极体的元件设计上(如面积大小)必须谨慎。

在耦合电容方面,小的串联电阻(Rs)和寄生电容(Cp)能够减少损耗,但是寄生电容和所需的耦合电容是成正比的,因此无法任意降低,但是串联电阻(Rs)却可藉由调整长宽比例来降低。

下面有一个近似公式可用来预估功率的损耗(Ploss)[2]:

(详细请见新电子223期10月号第123页)

v代表RF peak电压,Csub代表到基板的寄生电容,Rsub是串联电阻,w则是讯号的角频率。由公式中可以看到频率和寄生电容越大将导致损耗越大,因此在UHF频段操作之RFID tag,其功率损耗必定比在125KHz及13.5MHz频段操作高。

◆解调器(Demodulator):

  在Forward Link时大多採用PWM脉衝宽度调变(Pulse-Width-Modulation)技术,解调器电路主要包含Envelop detector及PWM解调器,其中的Envelop detector的电路和直流电源產生器(表4)的电路架构类似,是由两组萧特基二极体所组成。

  经过Envelop detector电路之后的讯号可用来当作系统时脉,和当作量测脉衝宽度的积分器之Reset讯号,而经过PWM Demodulator后的讯号即為所要的解调讯号。[2]

◆调变器(Modulator):

  在Reverse Link时採用的是Backscatter的方式,其操作方式是RFID读取器发射一个连续的载波,而Transponder改变本身其输入阻抗,使得由Transponder天线所反射载波的相位被调变,因此可达成类似PSK之效果。如表5所示,M1是当做一个可变电容,而M8~M11则為反相器,提供M1两端正VDD或负VDD的电压,藉以改变M1的电容。採用PSK调变可同时提高直流產生器及调变器的效率,且PSK调变方式能达成比ASK好的讯号杂讯比(SNR)。

  假设调变器的两个输入阻抗分别為Z1=R1+jX1及Z2=R2+jX2,阻抗的实部和虚部都必须经过适当设计,并匹配至天线的阻抗才能达到最佳的功率转换及操作效率[2]

 

Super Regenerative架构重回舞台

  Super-Regenerative接收器是在1922年由Armstrong所发明,但后来由於Super-Heterodyne接收器具有较好的特性[8][9],因此Super-Regenerative接收器便渐渐被Super-Heterodyne接收器所取代。但由於近来积体电路製程及设计技术的提升,以及低功率收发器需求的增加,因此近来Super-Regenerative又被广泛的讨论及研究,本节将简单介绍Super-Regenerative接收器的操作原理。

  表6為一标準的Super-Regenerative接收器的电路架构,内部含有一个RF震盪器、Envelop Detection电路、低通滤波器、偏压控制迴路及Quench產生器。

  Super-Regenerative接收器基本上是採用100% AM On-Off-Keying(OOK)的调变方式,如表7所示,Quench讯号会提供振盪器起振的机制,当接收器无输入讯号RFin时,所需的起振时间较长;当输入端有讯号时,起振时间较短,因此经过Envelop Detection和低通滤波器后可利用此特性解调出讯号,表7為此一解调过程之波形图。

 

半主动式RFID功率低  适用於生物医疗

  在RFID系统中所用的半主动式直流电源及资料无线传输Transponder技术,在生物医疗领域上有很大的应用价值。例如当病患需接受长期或线上的生理检查[6][7],或是手术后的病情监控时,都可以经由植入一些生物感测器至体内,并经由感测器内建的无线发射器将诊断资料传至体外的无线接收器。

  这些植入体内的感测器装置体积必须非常小,且感测器和外界医疗仪器的通讯必须是无线的方式以降低细菌感染的风险,并避免对正常生活造成影响。另外,由於必须长期植入体内,因此不能使用电池当电源,因為电池的使用会降低操作寿命及改变体内化学的稳定度。

  最适合的方式就是採用相同於半主动式RFID Transponder的通讯原理,利用体外的读取器提供体内Transponder电源及指令,然后将在体内感测到的资讯传输到体外的读取器。根据生物安全电磁辐射量的建议,电磁波功率最好低於10mW/cm2,因此短距离传输较為适用[6]。

  半主动式的RF Transponder技术在生物医疗感测器领域上的应用很多,本节介绍几个生物感测器的应用实例:

◆血压监控感测器[6]:

在体内植入一个血压感测器,感测器中内建一组Transponder及类比至数位转换器,一般血压讯号的频宽约為0~30Hz,而感测器的灵敏度约為5~10μV/VDD/mmHg,感测器感测到的资料经过一个低功率的类比至数位转换器转成数位讯号。此数位讯号再经由Transponder的调变器发射至体外的接收机做处理。而感测器及其他电路的直流电源可经由Transponder的RF/DC电路模组来產生。

◆眼压/温度感测器[7]:

许多青光眼病患需要经由观察眼内的压力及温度来诊断,目前是利用喷射气体式的眼压计来量测眼压。现在则可以利用植入式感测器及RF Transponder技术,使用外部遥测的方式长期监控患者眼压的状况。

如表8所示,利用微小的胶囊式包装可将积体电路及眼压/温度感测器植入眼球内,眼压感测器所需量测的眼压范围通常约為0.8~1.3Bar。感测器量测资料经过处理后,再由Transponder的磁场耦合至外部的接收器。由於考量到植入眼球内的感测器装置体积必须非常小,因此天线的体积也是设计时必须考量的重点。

◆NASA Advanced Biotelemetry System[10]:

  虽然半主动式Transponder在生物医疗感测器上的应用较多,但是也有不少使用主动式收发器的例子,如NASA曾研发可在太空中线上观察生物健康状态的可植入式无线感测器(Advanced Biotelemetry System, ABTS),经由感测器的感测后,健康状况可经由无线感测器传到太空梭的监控系统,再回传到地面,因此太空人的健康状态可以在不影响工作的情况下受到观查。如表9所示,省电是这个电路模组很重要的考量,因此感测器控制指令的接收是採用低功率的Super-Regenerative接收器架构,且发射器(Transmitter)及频率產生器也以最省电的架构来实现。以频率產生器而言,最耗电的电路為震盪器和除频器,如何降低此部分的功率消耗是设计主动式收发机的重要课题。

  本文介绍一些可用於RFID技术及无线感测器上的低功率收发器,包括可以在接收讯号上载入直流电源的半主动式Transponder,以及利用本身接近震盪条件来解调信号的Super-Regenerative接收器,这些无线收发器都有一个共通点,就是尽量採用最简单的架构和电路来达到无线资料传输,虽然在效能上略逊於以往复杂的Heterodyne或Homodyne收发器,但是却更具有价格和功率消耗上的优势。

(本文作者林宗贤、刘耀鸿為台大电子工程研究所/台大系统晶片中心研发教授及研究生)

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