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收發(fā)電路所組成的網(wǎng)絡(luò)能長工夫有功率的運(yùn)作。本文首要引見RFID技能，并評論當(dāng)前常運(yùn)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(yùn)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(yùn)用實(shí)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(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；而自動式一般需求電池來當(dāng)作電源，因而首要用于較長間隔的運(yùn)用。本節(jié)首要引見半自動式RFID的操作方法。

半自動式RFID標(biāo)簽的操作有Forward Link及Reverse Link兩個進(jìn)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(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)會將reader所傳出的無線電信號解調(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，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(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)，如車庫遙控器、自動汽車收費(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(gòu)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(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信號時，二極管會將信號整流成直流電壓。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)整長寬份額來下降。

下面有一個近似公式可用來預(yù)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(lián)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?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電路之后的信號可用來當(dāng)作體系頻率，和當(dāng)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(diào)信號。[2]

◆調(diào)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(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好的信號噪聲比(SNR)。

假定調(diào)變器的兩個輸入阻抗分別為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

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(gòu)，內(nèi)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(diào)變方法，如表7所示，Quench信號會供給振蕩器起振的機(jī)制，當(dāng)接納器無輸入信號RFin時，所需的起振工夫較長；當(dāng)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(yùn)用此特性解調(diào)出信號，表7為此一解調(diào)進(jìn)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(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)用價值。例如當(dāng)病患需承受長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，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，并防止對正常生計形成影響。別的，因?yàn)橛斜匾L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)用會下降操作壽數(shù)及改動體內(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(shù)據(jù)顛末一個低功率的模仿至數(shù)字變換器轉(zhuǎn)成數(shù)字信號。此數(shù)字信號再經(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)氣體式的眼壓計來量測眼壓。如今則可以運(yùn)用植入式傳感器及RF Transponder技能，運(yùn)用外部遙測的方法長工夫監(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的眼壓規(guī)模一般約為0.8～1.3Bar。傳感器量測數(shù)據(jù)顛末處置后，再由Transponder的磁場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有必要思考的要點(diǎn)。