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具低功耗无线收发特色 RFID适用于生物医疗的发展

无线技能当前已广泛的运用于人类的生计中,将来超低功率无线收发器(Ultra-Low-Power Wireless Transceiver)更是无线前端电路开展的新趋势,如蓝芽技能就是标榜以短间隔无线数据传输替代当前有线的数据传输。别的,需求以许多无线设备来组成的通讯网如RFID及无线传感器技能(Wireless Sensor)也将为咱们生计上带来更多的便当。

RFID及无线传感器技能(Wireless Sensor)设备所需的无线收发器有必要要有十分低的耗电量,才足以让这些由多个收发电路所组成的网络能长工夫有功率的运作。本文首要引见RFID技能,并评论当前常运用于RFID上的半自动式Transponder电路,接下来引见将来有潜力广泛运用的低功率Super-regenerative接纳器,最终引见几个低功率无线收发器在生物医疗感测上的运用实例。


超低功率无线收发器架构
超低功率无线收发器多运用于短间隔、低传输量的无线通讯体系上,一般可分为被迫式、半自动式及自动式3种。被迫式的收发器内部没有自动电子组件,首要是靠被迫组件的共振来操作,因而不会耗电,可是功用也最少;半自动式电路(又称Transponder)是运用内部的整流器将基地台的无线电信号变换成直流能量和数字信号,因而电路自身在没有电磁波信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,电路的传输间隔不远,一般具有可写式内存;自动式收发器则首要是靠电池当作电源,其传输接纳间隔较长,传输速度也较高,但相对的也较耗电(一般1mw以上)。在自动式收发器的描绘上,固然 Super-Heterodyne架构是当前最常被运用的自动式接纳器架构,可是Super-Regenerative接纳器具有十分低的耗电量( 10mW以内),因而当前也常被运用于遥控器、计算机无线外围及生物医疗感测设备上。

RFID半自动式Transponder操作



RFID电路首要由一组读取器(Reader)及一组RFID Transponder(又名RFID
Tag)
所组成,其间RFID Transponder的操作方法可分为「半自动式」及「自动式」两种。其间半自动式Transponder是用基地台传来的无线信号转成自身电路的操作电源,再将自身内存内的数据颠末调变后回传,内存的数据一般可分为不行覆写及可覆写两种;而自动式一般需求电池来当作电源,因而首要用于较长间隔的运用。本节首要引见半自动式RFID的操作方法。



半自动式RFID标签的操作有Forward LinkReverse Link两个进程:



Forward Link 读取器(Reader)会发送无线电信号到邻近的RFID Tag,此刻Tag会将此无线电能量转成直流电源供给自身电路操作之用。接下来,Tag内部的解调器(Demodulator)会将reader所传出的无线电信号解调出数字数据及同步频率,这些数字数据可所以读写的指令,而同步频率则供给自身数字电路操作。



Reverse LinkTag内部的调变器(Modulator)会将自身的数据调变后回传给读取器



因为Transponder自身的电源可由Reader的无线电信号来供给,且Transponder自身的耗电很低,因而不需求额定的电池或是电源供应器即可操作。



RFID操作频带及运用



RFID技能首要的操作频段有4个,包罗125kHz13.56MHz868915MHz2.45GHz,在这4种操作频带上的RFID各有不同的特性及运用,如表1所示[1],在Low Frequency 125KHzHigh Frequency 13.56MHz频段上[3][4],首要选用磁场耦合的方法,因而通讯间隔很短,卷标电路一般是选用半自动式,当前已广泛地运用在门禁卡,悠游卡及宠物芯片等低速数据传输范畴上。



较高频段的UHF868915MHz及微波频段2.4GHzRFID技能当前仍在开展傍边,其无线传输选用电磁波的方法传送,传输间隔较远,但也较耗电。在此频段的RFID Tag有些选用半自动式的电路,但也有不少选用由电池供给电源的自动式电路,后者可运用于需求较大数据传输量及较远间隔的无线辨认,如车库遥控器、自动汽车收费站或是生产线的监控等。



在规范方面,125KHz13.56MHz频段曾经恰当老练,但900MHz2.45GH的规范则还在评论中,当前UHF频段的RFID是运用FCC所规则的ISM频段,其通用的规范规范当前为止还未底定。[1]



半自动式Transponder前端电路



本节将以一组UHF RFID为比如更具体的引见半自动式Transponder的前端电路[2]。其简化电路架构如表2所示,前端电路局部首要可分为3个首要的组块,分别为RF/DC直流电源发生器、调变器(Modulator)及解调器(Demodulator)



RF/DC直流电源发生器:



RFID直流电源发生器一般都是运用低阻值的萧特基二极管组成。如表3所示,当接纳到RF信号时,二极管会将信号整流成直流电压。因为电路的输入端是由低阻值的二极管组成,因而其输入阻抗具有很高的质量因子(Quality factor),这添加了天线描绘的困难度,且会影响电源发生器的操作功率,因而如何下降集成电路内部线路规划或是电路板线路规划所形成的损耗是此电路的描绘要点。



在电路的描绘上亦有必要注重功率变换功率、输入阻抗及输出负载,首要的描绘参数则包罗二极管的级数、二极管的巨细及耦合电容的巨细。



为了进步操作功率,咱们期望二极管具有足够大的二极管饱和电流(Is),并能下降接面电容(Cj),串联电阻(Rs)及寄生电容(Cp)。可是面积大的二极管固然有较大的饱和电流及较小的串联电阻(Rs),但一起也招致较大的接面电容(Cj)及寄生电容(Cp),因而在二极管的组件描绘上(如面积巨细)有必要慎重。



在耦合电容方面,小的串联电阻(Rs)和寄生电容(Cp)可以削减损耗,可是寄生电容和所需的耦合电容是成正比的,因而无法恣意下降,可是串联电阻(Rs)却可藉由调整长宽份额来下降。



下面有一个近似公式可用来预估功率的损耗(Ploss)[2]



(具体请见新电子22310月号第123)



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则是信号的角频率。由公式中可以看到频率和寄生电容越大将招致损耗越大,因而在UHF频段操作之RFID tag,其功率损耗肯定比在125KHz13.5MHz频段操作高。



解调器(Demodulator)



Forward Link时大多选用PWM脉冲宽度调变(Pulse-Width-Modulation)技能,解调器电路首要包罗Envelop
detector
PWM解调器,其间的Envelop detector的电路和直流电源发生器(4)的电路架构相似,是由两组萧特基二极管所组成。



颠末Envelop detector电路之后的信号可用来当作体系频率,和当作量测脉冲宽度的积分器之Reset信号,而颠末PWM Demodulator后的信号即为所要的解调信号。[2]



调变器(Modulator)



Reverse Link时选用的是Backscatter的方法,其操作方法是RFID读取器发射一个接连的载波,而Transponder改动自身其输入阻抗,使得由 Transponder天线所反射载波的相位被调变,因而可到达相似PSK之作用。如表5所示,M1是作为一个可变电容,而M8M11则为反相器,供给 M1两规矩VDD或负VDD的电压,藉以改动M1的电容。选用PSK调变可一起进步直流发生器及调变器的功率,且PSK调变方法能到达比ASK好的信号噪声比(SNR)



假定调变器的两个输入阻抗分别为Z1=R1+jX1Z2=R2+jX2,阻抗的实部和虚部都有必要颠末恰当描绘,并匹配至天线的阻抗才干到达最佳的功率变换及操作功率[2]



Super Regenerative架构重回舞台



Super-Regenerative接纳器是在1922年由Armstrong所创造,但后来因为Super-Heterodyne接纳器具有较好的特性[8][9],因而Super-Regenerative接纳器便逐渐被Super-Heterodyne接纳器所替代。但因为迩来集成电路制程及描绘技能的晋升,以及低功率收发器需求的添加,因而迩来Super-Regenerative又被广泛的评论及研讨,本节将简略引见Super- Regenerative接纳器的操作原理。



6为一规范的Super-Regenerative接纳器的电路架构,内部富含一个RF震动器、Envelop Detection电路、低通滤波器、偏压操控回路及Quench发生器。



Super-Regenerative接纳器基本上是选用100%
AM On-Off-Keying(OOK)
的调变方法,如表7所示,Quench信号会供给振荡器起振的机制,当接纳器无输入信号RFin时,所需的起振工夫较长;当输入端有信号时,起振工夫较短,因而颠末Envelop Detection和低通滤波器后可运用此特性解调出信号,表7为此一解调进程之波形图。



半自动式RFID功率低 适用于生物医疗



RFID体系中所用的半自动式直流电源及数据无线传输Transponder技能,在生物医疗范畴上有很大的运用价值。例如当病患需承受长工夫或在线的生理查看[6][7],或是手术后的病况监控时,都可以经由植入一些生物传感器至体内,并经由传感器内建的无线发射器将诊断数据传至体外的无线接纳器。



这些植入体内的传感器设备体积有必要十分小,且传感器和外界医疗仪器的通讯有必要是无线的方法以下降细菌感染的危险,并防止对正常生计形成影响。别的,因为有必要长工夫植入体内,因而不能运用电池当电源,因为电池的运用会下降操作寿数及改动体内化学的安稳度。



最适合的方法就是选用相同于半自动式RFID Transponder的通讯原理,运用体外的读取器供给体内Transponder电源及指令,然后将在体内感测到的信息传输到体外的读取器。依据生物安全电磁辐射量的主张,电磁波功率最棒低于10mW/cm2,因而短间隔传输较为适用[6]



半自动式的RF Transponder技能在生物医疗传感器范畴上的运用许多,本节引见几个生物传感器的运用实例:



血压监控传感器[6]



在体内植入一个血压传感器,传感器中内建一组Transponder及模仿至数字变换器,一般血压信号的频宽约为030Hz,而传感器的灵敏度约为 510μV/VDD/mmHg,传感器感测到的数据颠末一个低功率的模仿至数字变换器转成数字信号。此数字信号再经由Transponder的调变器发射至体外的接纳机做处置。而传感器及其它电路的直流电源可经由TransponderRF/DC电路模块来发生。



眼压/温度传感器[7]



许多青光眼病患需求经由调查眼内的压力及温度来诊断,当前是运用喷发气体式的眼压计来量测眼压。如今则可以运用植入式传感器及RF Transponder技能,运用外部遥测的方法长工夫监控患者眼压的情况。



如表8所示,运用细小的胶囊式包装可将集成电路及眼压/温度传感器植入眼球内,眼压传感器所需量测的眼压规模一般约为0.81.3Bar。传感器量测数据颠末处置后,再由Transponder的磁场耦合至外部的接纳器。因为思考到植入眼球内的传感器设备体积有必要十分小,因而天线的体积也是描绘时有必要思考的要点。


NASA Advanced Biotelemetry System[10]
固然半自动式Transponder在生物医疗传感器上的运用较多,可是也有不少运用自动式收发器的比如,如NASA曾研制可在太空中在线调查生物安康状况的可植入式无线传感器(Advanced
Biotelemetry System, ABTS)
,经由传感器的感测后,安康情况可经由无线传感器传到航天飞机的监控体系,再回传到地上,因而航天员的安康状况可以在不影响作业的情况下遭到观查。如表9所示,省电是这个电路模块很重要的思考,因而传感器操控指令的接纳是选用低功率的Super-Regenerative接纳器架构,且发射器
(Transmitter)
及频率发生器也以最省电的架构来完成。以频率发生器而言,最耗电的电路为震动器和除频器,如何下降此局部的功率耗费是描绘自动式收发机的重要课题。
本文引见一些可用于RFID技能及无线传感器上的低功率收发器,包罗可以在接纳信号上加载直流电源的半自动式Transponder,以及运用自身挨近震动条件来解调信号的Super-Regenerative接纳器,这些无线收发器都有一个共通点,就是尽量选用最简略的架构和电路来到达无线数据传输,固然在效能上略逊于以往杂乱的HeterodyneHomodyne收发器,可是却更具有价钱和功率耗费上的优势。




 
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