無(wú)線技術(shù)目前已廣泛的應(yīng)用於人類的生活中，未來(lái)超低功率無(wú)線收發(fā)器(Ultra-Low-Power Wireless Transceiver)更是無(wú)線前端電路發(fā)展的新趨勢(shì)，如藍(lán)芽技術(shù)就是標(biāo)榜以短距離無(wú)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(wú)線裝置來(lái)組成的通訊網(wǎng)如RFID及無(wú)線感測(cè)器技術(shù)(Wireless Sensor)也將為我們生活上帶來(lái)更多的便利。

　　RFID及無(wú)線感測(cè)器技術(shù)(Wireless Sensor)裝置所需的無(wú)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(gè)收發(fā)電路所組成的網(wǎng)路能長(zhǎng)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(dòng)式Transponder電路，接下來(lái)介紹未來(lái)有潛力廣泛使用的低功率Super-regenerative接收器，最后介紹幾個(gè)低功率無(wú)線收發(fā)器在生物醫(yī)療感測(cè)上的應(yīng)用實(shí)例。

超低功率無(wú)線收發(fā)器架構(gòu)

　　超低功率無(wú)線收發(fā)器多應(yīng)用於短距離、低傳輸量的無(wú)線通訊系統(tǒng)上，一般可分為被動(dòng)式、半主動(dòng)式及主動(dòng)式3種。被動(dòng)式的收發(fā)器內(nèi)部沒(méi)有主動(dòng)電子元件，主要是靠被動(dòng)元件的共振來(lái)操作，因此不會(huì)耗電，但是功能也最少；半主動(dòng)式電路(又稱Transponder)是利用內(nèi)部的整流器將基地臺(tái)的無(wú)線電訊號(hào)轉(zhuǎn)換成直流能量和數(shù)位訊號(hào)，因此電路本身在沒(méi)有電磁波訊號(hào)傳入時(shí)并不會(huì)耗電，即使是操作時(shí)，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(xiě)式記憶體；主動(dòng)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(zhǎng)，傳輸速度也較高，但相對(duì)的也較耗電(通常1mw以上)。在主動(dòng)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(dòng)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(wú)線週邊及生物醫(yī)療感測(cè)裝置上。

RFID半主動(dòng)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(dòng)式」及「主動(dòng)式」兩種。其中半主動(dòng)式Transponder是用基地臺(tái)傳來(lái)的無(wú)線訊號(hào)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(guò)調(diào)變后回傳，記憶體的資料通常可分為不可覆寫(xiě)及可覆寫(xiě)兩種；而主動(dòng)式通常需要電池來(lái)當(dāng)作電源，因此主要用於較長(zhǎng)距離的應(yīng)用。本節(jié)主要介紹半主動(dòng)式RFID的操作方式。

半主動(dòng)式RFID標(biāo)籤的操作有Forward Link及Reverse Link兩個(gè)過(guò)程：

◆ Forward Link：讀取器(Reader)會(huì)發(fā)送無(wú)線電訊號(hào)到附近的RFID Tag，此時(shí)Tag會(huì)將此無(wú)線電能量轉(zhuǎn)成直流電源提供本身電路操作之用。接下來(lái)，Tag內(nèi)部的解調(diào)器(Demodulator)會(huì)將reader所傳出的無(wú)線電訊號(hào)解調(diào)出數(shù)位資料及同步時(shí)脈，這些數(shù)位資料可以是讀寫(xiě)的指令，而同步時(shí)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(huì)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(wú)線電訊號(hào)來(lái)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(gè)，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(cǎi)用磁場(chǎng)耦合的方式，因此通訊距離很短，標(biāo)籤電路通常是採(cǎi)用半主動(dòng)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(wú)線傳輸採(cǎi)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(cǎi)用半主動(dòng)式的電路，但也有不少採(cǎi)用由電池提供電源的主動(dòng)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(wú)線識(shí)別，如車庫(kù)遙控器、自動(dòng)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(dòng)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(dòng)式Transponder的前端電路[2]。其簡(jiǎn)化電路架構(gòu)如表2所示，前端電路部分主要可分為3個(gè)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(hào)時(shí)，二極體會(huì)將訊號(hào)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(huì)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(jí)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(shí)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(wú)法任意降低，但是串聯(lián)電阻(Rs)卻可藉由調(diào)整長(zhǎng)寬比例來(lái)降低。

下面有一個(gè)近似公式可用來(lái)預(yù)估功率的損耗(Ploss)[2]：

(詳細(xì)請(qǐng)見(jiàn)新電子223期10月號(hào)第123頁(yè))

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(hào)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(shí)大多採(cǎi)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(guò)Envelop detector電路之后的訊號(hào)可用來(lái)當(dāng)作系統(tǒng)時(shí)脈，和當(dāng)作量測(cè)脈衝寬度的積分器之Reset訊號(hào)，而經(jīng)過(guò)PWM Demodulator后的訊號(hào)即為所要的解調(diào)訊號(hào)。[2]

◆調(diào)變器(Modulator)：

　　在Reverse Link時(shí)採(cǎi)用的是Backscatter的方式，其操作方式是RFID讀取器發(fā)射一個(gè)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(gè)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(cǎi)用PSK調(diào)變可同時(shí)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(hào)雜訊比(SNR)。

　　假設(shè)調(diào)變器的兩個(gè)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(guò)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(tái)

　　Super-Regenerative接收器是在1922年由Armstrong所發(fā)明，但后來(lái)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(lái)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(lái)Super-Regenerative又被廣泛的討論及研究，本節(jié)將簡(jiǎn)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(gè)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(cǎi)用100% AM On-Off-Keying(OOK)的調(diào)變方式，如表7所示，Quench訊號(hào)會(huì)提供振盪器起振的機(jī)制，當(dāng)接收器無(wú)輸入訊號(hào)RFin時(shí)，所需的起振時(shí)間較長(zhǎng)；當(dāng)輸入端有訊號(hào)時(shí)，起振時(shí)間較短，因此經(jīng)過(guò)Envelop Detection和低通濾波器后可利用此特性解調(diào)出訊號(hào)，表7為此一解調(diào)過(guò)程之波形圖。

半主動(dòng)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(dòng)式直流電源及資料無(wú)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(jià)值。例如當(dāng)病患需接受長(zhǎng)期或線上的生理檢查[6][7]，或是手術(shù)后的病情監(jiān)控時(shí)，都可以經(jīng)由植入一些生物感測(cè)器至體內(nèi)，并經(jīng)由感測(cè)器內(nèi)建的無(wú)線發(fā)射器將診斷資料傳至體外的無(wú)線接收器。

　　這些植入體內(nèi)的感測(cè)器裝置體積必須非常小，且感測(cè)器和外界醫(yī)療儀器的通訊必須是無(wú)線的方式以降低細(xì)菌感染的風(fēng)險(xiǎn)，并避免對(duì)正常生活造成影響。另外，由於必須長(zhǎng)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?huì)降低操作壽命及改變體內(nèi)化學(xué)的穩(wěn)定度。

　　最適合的方式就是採(cǎi)用相同於半主動(dòng)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(cè)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(dòng)式的RF Transponder技術(shù)在生物醫(yī)療感測(cè)器領(lǐng)域上的應(yīng)用很多，本節(jié)介紹幾個(gè)生物感測(cè)器的應(yīng)用實(shí)例：

◆血壓監(jiān)控感測(cè)器[6]：

在體內(nèi)植入一個(gè)血壓感測(cè)器，感測(cè)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(hào)的頻寬約為0～30Hz，而感測(cè)器的靈敏度約為5～10μV/VDD/mmHg，感測(cè)器感測(cè)到的資料經(jīng)過(guò)一個(gè)低功率的類比至數(shù)位轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)成數(shù)位訊號(hào)。此數(shù)位訊號(hào)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(cè)器及其他電路的直流電源可經(jīng)由Transponder的RF/DC電路模組來(lái)產(chǎn)生。

◆眼壓/溫度感測(cè)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(lái)診斷，目前是利用噴射氣體式的眼壓計(jì)來(lái)量測(cè)眼壓?，F(xiàn)在則可以利用植入式感測(cè)器及RF Transponder技術(shù)，使用外部遙測(cè)的方式長(zhǎng)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(cè)器植入眼球內(nèi)，眼壓感測(cè)器所需量測(cè)的眼壓范圍通常約為0.8～1.3Bar。感測(cè)器量測(cè)資料經(jīng)過(guò)處理后，再由Transponder的磁場(chǎng)耦合至外部的接收器。由於考量到植入眼球內(nèi)的感測(cè)器裝置體積必須非常小，因此天線的體積也是設(shè)計(jì)時(shí)必須考量的重點(diǎn)。

◆NASA Advanced Biotelemetry System[10]：

　　雖然半主動(dòng)式Transponder在生物醫(yī)療感測(cè)器上的應(yīng)用較多，但是也有不少使用主動(dòng)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(wú)線感測(cè)器(Advanced Biotelemetry System, ABTS)，經(jīng)由感測(cè)器的感測(cè)后，健康狀況可經(jīng)由無(wú)線感測(cè)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(gè)電路模組很重要的考量，因此感測(cè)器控制指令的接收是採(cǎi)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(lái)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(dòng)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(wú)線感測(cè)器上的低功率收發(fā)器，包括可以在接收訊號(hào)上載入直流電源的半主動(dòng)式Transponder，以及利用本身接近震盪條件來(lái)解調(diào)信號(hào)的Super-Regenerative接收器，這些無(wú)線收發(fā)器都有一個(gè)共通點(diǎn)，就是盡量採(cǎi)用最簡(jiǎn)單的架構(gòu)和電路來(lái)達(dá)到無(wú)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(jià)格和功率消耗上的優(yōu)勢(shì)。

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