無線技術(shù)目前已廣泛的應(yīng)用於人類的生活中，未來超低功率無線收發(fā)器(Ultra-Low-Power Wireless Transceiver)更是無線前端電路發(fā)展的新趨勢，如藍(lán)芽技術(shù)就是標(biāo)榜以短距離無線數(shù)據(jù)傳輸取代目前有線的資料傳輸。另外，需要以大量無線裝置來組成的通訊網(wǎng)如RFID及無線感測器技術(shù)(Wireless Sensor)也將為我們生活上帶來更多的便利。

　　RFID及無線感測器技術(shù)(Wireless Sensor)裝置所需的無線收發(fā)器必須要有非常低的耗電量，才足以讓這些由多個收發(fā)電路所組成的網(wǎng)路能長期有效率的運(yùn)作。本文首先介紹RFID技術(shù)，并討論目前常應(yīng)用於RFID上的半主動式Transponder電路，接下來介紹未來有潛力廣泛使用的低功率Super-regenerative接收器，最后介紹幾個低功率無線收發(fā)器在生物醫(yī)療感測上的應(yīng)用實(shí)例。

超低功率無線收發(fā)器架構(gòu)

　　超低功率無線收發(fā)器多應(yīng)用於短距離、低傳輸量的無線通訊系統(tǒng)上，一般可分為被動式、半主動式及主動式3種。被動式的收發(fā)器內(nèi)部沒有主動電子元件，主要是靠被動元件的共振來操作，因此不會耗電，但是功能也最少；半主動式電路(又稱Transponder)是利用內(nèi)部的整流器將基地臺的無線電訊號轉(zhuǎn)換成直流能量和數(shù)位訊號，因此電路本身在沒有電磁波訊號傳入時并不會耗電，即使是操作時，電路的耗電量也在100μW以內(nèi)，電路的傳輸距離不遠(yuǎn)，通常具有可寫式記憶體；主動式收發(fā)器則主要是靠電池當(dāng)作電源，其傳輸接收距離較長，傳輸速度也較高，但相對的也較耗電(通常1mw以上)。在主動式收發(fā)器的設(shè)計(jì)上，雖然Super-Heterodyne架構(gòu)是目前最常被使用的主動式接收器架構(gòu)，但是Super-Regenerative接收器具有非常低的耗電量(約10mW以內(nèi))，因此目前也常被應(yīng)用於遙控器、電腦無線週邊及生物醫(yī)療感測裝置上。

RFID半主動式Transponder操作

　　RFID電路主要由一組讀取器(Reader)及一組RFID Transponder(又叫RFID Tag)所組成，其中RFID Transponder的操作方式可分為「半主動式」及「主動式」兩種。其中半主動式Transponder是用基地臺傳來的無線訊號轉(zhuǎn)成本身電路的操作電源，再將本身記憶體內(nèi)的資料經(jīng)過調(diào)變后回傳，記憶體的資料通常可分為不可覆寫及可覆寫兩種；而主動式通常需要電池來當(dāng)作電源，因此主要用於較長距離的應(yīng)用。本節(jié)主要介紹半主動式RFID的操作方式。

半主動式RFID標(biāo)籤的操作有Forward Link及Reverse Link兩個過程：

◆ Forward Link：讀取器(Reader)會發(fā)送無線電訊號到附近的RFID Tag，此時Tag會將此無線電能量轉(zhuǎn)成直流電源提供本身電路操作之用。接下來，Tag內(nèi)部的解調(diào)器(Demodulator)會將reader所傳出的無線電訊號解調(diào)出數(shù)位資料及同步時脈，這些數(shù)位資料可以是讀寫的指令，而同步時脈則提供本身數(shù)位電路操作。

◆ Reverse Link：Tag內(nèi)部的調(diào)變器(Modulator)會將本身的資料調(diào)變后回傳給讀取器 。

由於Transponder本身的電源可由Reader的無線電訊號來提供，且Transponder本身的耗電很低，因此不需要額外的電池或是電源供應(yīng)器即可操作。

RFID操作頻帶及應(yīng)用

　　RFID技術(shù)主要的操作頻段有4個，包括125kHz、13.56MHz、868～915MHz及2.45GHz，在這4種操作頻帶上的RFID各有不同的特性及應(yīng)用，如表1所示[1]，在Low Frequency 125KHz及High Frequency 13.56MHz頻段上[3][4]，主要採用磁場耦合的方式，因此通訊距離很短，標(biāo)籤電路通常是採用半主動式，目前已廣泛地使用在門禁卡，悠游卡及寵物晶片等低速資料傳輸領(lǐng)域上。

　　較高頻段的UHF868～915MHz及微波頻段2.4GHz的RFID技術(shù)目前仍在發(fā)展當(dāng)中，其無線傳輸採用電磁波的方式傳送，傳輸距離較遠(yuǎn)，但也較耗電。在此頻段的RFID Tag有些採用半主動式的電路，但也有不少採用由電池提供電源的主動式電路，后者可應(yīng)用於需要較大資料傳輸量及較遠(yuǎn)距離的無線識別，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)格方面，125KHz及13.56MHz頻段已經(jīng)相當(dāng)成熟，但900MHz及2.45GH的規(guī)格則還在討論中，目前UHF頻段的RFID是利用FCC所規(guī)定的ISM頻段，其通用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格目前為止還未底定。[1]

半主動式Transponder前端電路

　　本節(jié)將以一組UHF RFID為例子更詳細(xì)的介紹半主動式Transponder的前端電路[2]。其簡化電路架構(gòu)如表2所示，前端電路部分主要可分為3個主要的組塊，分別為RF/DC直流電源產(chǎn)生器、調(diào)變器(Modulator)及解調(diào)器(Demodulator)。

◆RF/DC直流電源產(chǎn)生器：

RFID直流電源產(chǎn)生器通常都是利用低阻值的蕭特基二極體組成。如表3所示，當(dāng)接收到RF訊號時，二極體會將訊號整流成直流電壓。由於電路的輸入端是由低阻值的二極體組成，因此其輸入阻抗具有很高的品質(zhì)因子(Quality factor)，這增加了天線設(shè)計(jì)的困難度，且會影響電源產(chǎn)生器的操作效率，因此如何降低積體電路內(nèi)部線路佈局或是電路板線路佈局所造成的損耗是此電路的設(shè)計(jì)重點(diǎn)。

在電路的設(shè)計(jì)上亦必須注意功率轉(zhuǎn)換效率、輸入阻抗及輸出負(fù)載，主要的設(shè)計(jì)參數(shù)則包括二極體的級數(shù)、二極體的大小及耦合電容的大小。

　　為了提高操作效率，我們希望二極體具有足夠大的二極體飽和電流(Is)，并能降低接面電容(Cj)，串聯(lián)電阻(Rs)及寄生電容(Cp)。但是面積大的二極體雖然有較大的飽和電流及較小的串聯(lián)電阻(Rs)，但同時也導(dǎo)致較大的接面電容(Cj)及寄生電容(Cp)，因此在二極體的元件設(shè)計(jì)上(如面積大小)必須謹(jǐn)慎。

在耦合電容方面，小的串聯(lián)電阻(Rs)和寄生電容(Cp)能夠減少損耗，但是寄生電容和所需的耦合電容是成正比的，因此無法任意降低，但是串聯(lián)電阻(Rs)卻可藉由調(diào)整長寬比例來降低。

下面有一個近似公式可用來預(yù)估功率的損耗(Ploss)[2]：

(詳細(xì)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則是訊號的角頻率。由公式中可以看到頻率和寄生電容越大將導(dǎo)致?lián)p耗越大，因此在UHF頻段操作之RFID tag，其功率損耗必定比在125KHz及13.5MHz頻段操作高。

◆解調(diào)器(Demodulator)：

　　在Forward Link時大多採用PWM脈衝寬度調(diào)變(Pulse-Width-Modulation)技術(shù)，解調(diào)器電路主要包含Envelop detector及PWM解調(diào)器，其中的Envelop detector的電路和直流電源產(chǎn)生器(表4)的電路架構(gòu)類似，是由兩組蕭特基二極體所組成。

　　經(jīng)過Envelop detector電路之后的訊號可用來當(dāng)作系統(tǒng)時脈，和當(dāng)作量測脈衝寬度的積分器之Reset訊號，而經(jīng)過PWM Demodulator后的訊號即為所要的解調(diào)訊號。[2]

◆調(diào)變器(Modulator)：

　　在Reverse Link時採用的是Backscatter的方式，其操作方式是RFID讀取器發(fā)射一個連續(xù)的載波，而Transponder改變本身其輸入阻抗，使得由Transponder天線所反射載波的相位被調(diào)變，因此可達(dá)成類似PSK之效果。如表5所示，M1是當(dāng)做一個可變電容，而M8～M11則為反相器，提供M1兩端正VDD或負(fù)VDD的電壓，藉以改變M1的電容。採用PSK調(diào)變可同時提高直流產(chǎn)生器及調(diào)變器的效率，且PSK調(diào)變方式能達(dá)成比ASK好的訊號雜訊比(SNR)。

　　假設(shè)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)部和虛部都必須經(jīng)過適當(dāng)設(shè)計(jì)，并匹配至天線的阻抗才能達(dá)到最佳的功率轉(zhuǎn)換及操作效率[2]

Super Regenerative架構(gòu)重回舞臺

　　Super-Regenerative接收器是在1922年由Armstrong所發(fā)明，但后來由於Super-Heterodyne接收器具有較好的特性[8][9]，因此Super-Regenerative接收器便漸漸被Super-Heterodyne接收器所取代。但由於近來積體電路製程及設(shè)計(jì)技術(shù)的提升，以及低功率收發(fā)器需求的增加，因此近來Super-Regenerative又被廣泛的討論及研究，本節(jié)將簡單介紹Super-Regenerative接收器的操作原理。

　　表6為一標(biāo)準(zhǔn)的Super-Regenerative接收器的電路架構(gòu)，內(nèi)部含有一個RF震盪器、Envelop Detection電路、低通濾波器、偏壓控制迴路及Quench產(chǎn)生器。

　　Super-Regenerative接收器基本上是採用100% AM On-Off-Keying(OOK)的調(diào)變方式，如表7所示，Quench訊號會提供振盪器起振的機(jī)制，當(dāng)接收器無輸入訊號RFin時，所需的起振時間較長；當(dāng)輸入端有訊號時，起振時間較短，因此經(jīng)過Envelop Detection和低通濾波器后可利用此特性解調(diào)出訊號，表7為此一解調(diào)過程之波形圖。

半主動式RFID功率低  適用於生物醫(yī)療

　　在RFID系統(tǒng)中所用的半主動式直流電源及資料無線傳輸Transponder技術(shù)，在生物醫(yī)療領(lǐng)域上有很大的應(yīng)用價值。例如當(dāng)病患需接受長期或線上的生理檢查[6][7]，或是手術(shù)后的病情監(jiān)控時，都可以經(jīng)由植入一些生物感測器至體內(nèi)，并經(jīng)由感測器內(nèi)建的無線發(fā)射器將診斷資料傳至體外的無線接收器。

　　這些植入體內(nèi)的感測器裝置體積必須非常小，且感測器和外界醫(yī)療儀器的通訊必須是無線的方式以降低細(xì)菌感染的風(fēng)險，并避免對正常生活造成影響。另外，由於必須長期植入體內(nèi)，因此不能使用電池當(dāng)電源，因?yàn)殡姵氐氖褂脮档筒僮鲏勖案淖凅w內(nèi)化學(xué)的穩(wěn)定度。

　　最適合的方式就是採用相同於半主動式RFID Transponder的通訊原理，利用體外的讀取器提供體內(nèi)Transponder電源及指令，然后將在體內(nèi)感測到的資訊傳輸?shù)襟w外的讀取器。根據(jù)生物安全電磁輻射量的建議，電磁波功率最好低於10mW/cm2，因此短距離傳輸較為適用[6]。

　　半主動式的RF Transponder技術(shù)在生物醫(yī)療感測器領(lǐng)域上的應(yīng)用很多，本節(jié)介紹幾個生物感測器的應(yīng)用實(shí)例：

◆血壓監(jiān)控感測器[6]：

在體內(nèi)植入一個血壓感測器，感測器中內(nèi)建一組Transponder及類比至數(shù)位轉(zhuǎn)換器，一般血壓訊號的頻寬約為0～30Hz，而感測器的靈敏度約為5～10μV/VDD/mmHg，感測器感測到的資料經(jīng)過一個低功率的類比至數(shù)位轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)成數(shù)位訊號。此數(shù)位訊號再經(jīng)由Transponder的調(diào)變器發(fā)射至體外的接收機(jī)做處理。而感測器及其他電路的直流電源可經(jīng)由Transponder的RF/DC電路模組來產(chǎn)生。

◆眼壓/溫度感測器[7]：

許多青光眼病患需要經(jīng)由觀察眼內(nèi)的壓力及溫度來診斷，目前是利用噴射氣體式的眼壓計(jì)來量測眼壓。現(xiàn)在則可以利用植入式感測器及RF Transponder技術(shù)，使用外部遙測的方式長期監(jiān)控患者眼壓的狀況。

如表8所示，利用微小的膠囊式包裝可將積體電路及眼壓/溫度感測器植入眼球內(nèi)，眼壓感測器所需量測的眼壓范圍通常約為0.8～1.3Bar。感測器量測資料經(jīng)過處理后，再由Transponder的磁場耦合至外部的接收器。由於考量到植入眼球內(nèi)的感測器裝置體積必須非常小，因此天線的體積也是設(shè)計(jì)時必須考量的重點(diǎn)。

◆NASA Advanced Biotelemetry System[10]：

　　雖然半主動式Transponder在生物醫(yī)療感測器上的應(yīng)用較多，但是也有不少使用主動式收發(fā)器的例子，如NASA曾研發(fā)可在太空中線上觀察生物健康狀態(tài)的可植入式無線感測器(Advanced Biotelemetry System, ABTS)，經(jīng)由感測器的感測后，健康狀況可經(jīng)由無線感測器傳到太空梭的監(jiān)控系統(tǒng)，再回傳到地面，因此太空人的健康狀態(tài)可以在不影響工作的情況下受到觀查。如表9所示，省電是這個電路模組很重要的考量，因此感測器控制指令的接收是採用低功率的Super-Regenerative接收器架構(gòu)，且發(fā)射器(Transmitter)及頻率產(chǎn)生器也以最省電的架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。以頻率產(chǎn)生器而言，最耗電的電路為震盪器和除頻器，如何降低此部分的功率消耗是設(shè)計(jì)主動式收發(fā)機(jī)的重要課題。

　　本文介紹一些可用於RFID技術(shù)及無線感測器上的低功率收發(fā)器，包括可以在接收訊號上載入直流電源的半主動式Transponder，以及利用本身接近震盪條件來解調(diào)信號的Super-Regenerative接收器，這些無線收發(fā)器都有一個共通點(diǎn)，就是盡量採用最簡單的架構(gòu)和電路來達(dá)到無線資料傳輸，雖然在效能上略遜於以往復(fù)雜的Heterodyne或Homodyne收發(fā)器，但是卻更具有價格和功率消耗上的優(yōu)勢。

(本文作者林宗賢、劉耀鴻為臺大電子工程研究所/臺大系統(tǒng)晶片中心研發(fā)教授及研究生)