具低功率无线收发特色 RFID适用於生物医疗行业发展.docx
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1、具低功率无线收发特色RFID适用於生物医疗行业发展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-PowerWirelessTransceiver)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(WirelessSensor)也将為我们生活上带来更多的便利。RFID及无线感测器技术(WirelessSensor)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
2、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100W以
3、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RFIDTransponder(又叫RFIDTag)所组成,其中RFIDTransponder的操作方式可分
4、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ForwardLink及ReverseLink两个过程:ForwardLink:读取器(Reader)会发送无线电讯号到附近的RFIDTag,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
5、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。ReverseLink: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、868915MHz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LowFrequency125KHz及HighFreque
6、ncy13.56MHz频段上34,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UHF868915MHz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RFIDTag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
7、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UHFRFID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
8、的品质因子(Qualityfactor),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
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