無線技術目前已廣泛的應用於人類的生活中，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，如藍芽技術就是標榜以短距離無線數據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如RFID及無線感測器技術(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(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)電路所組成的網路能長期有效率的運作。本文首先介紹RFID技術，并討論目前常應用於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)療感測上的應用實例。

超低功率無線收發(fā)器架構

　　超低功率無線收發(fā)器多應用於短距離、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)是利用內部的整流器將基地臺的無線電訊號轉換成直流能量和數位訊號，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，電路的傳輸距離不遠，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)器的設計上，雖然Super-Heterodyne架構是目前最常被使用的主動式接收器架構，但是Super-Regenerative接收器具有非常低的耗電量(約10mW以內)，因此目前也常被應用於遙控器、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成本身電路的操作電源，再將本身記憶體內的資料經過調變后回傳，記憶體的資料通?？煞譃椴豢筛矊懠翱筛矊憙煞N；而主動式通常需要電池來當作電源，因此主要用於較長距離的應用。本節(jié)主要介紹半主動式RFID的操作方式。

半主動式RFID標籤的操作有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成直流電源提供本身電路操作之用。接下來，Tag內部的解調器(Demodulator)會將reader所傳出的無線電訊號解調出數位資料及同步時脈，這些數位資料可以是讀寫的指令，而同步時脈則提供本身數位電路操作。

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

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器即可操作。

RFID操作頻帶及應用

　　RFID技術主要的操作頻段有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域上。

　　較高頻段的UHF868～915MHz及微波頻段2.4GHz的RFID技術目前仍在發(fā)展當中，其無線傳輸採用電磁波的方式傳送，傳輸距離較遠，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，后者可應用於需要較大資料傳輸量及較遠距離的無線識別，如車庫遙控器、自動汽車收費站或是生產線的監(jiān)控等。

　　在規(guī)格方面，125KHz及13.56MHz頻段已經相當成熟，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，其通用的標準規(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為例子更詳細的介紹半主動式Transponder的前端電路[2]。其簡化電路架構如表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直流電源產生器、調變器(Modulator)及解調器(Demodulator)。

◆RF/DC直流電源產生器：

RFID直流電源產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因子(Quality factor)，這增加了天線設計的困難度，且會影響電源產生器的操作效率，因此如何降低積體電路內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計重點。

在電路的設計上亦必須注意功率轉換效率、輸入阻抗及輸出負載，主要的設計參數則包括二極體的級數、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計上(如面積大小)必須謹慎。

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)卻可藉由調整長寬比例來降低。

下面有一個近似公式可用來預估功率的損耗(Ploss)[2]：

(詳細請見新電子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。

◆解調器(Demodulator)：

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

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

◆調變器(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變，因此可達成類似PSK之效果。如表5所示，M1是當做一個可變電容，而M8～M11則為反相器，提供M1兩端正VDD或負VDD的電壓，藉以改變M1的電容。採用PSK調變可同時提高直流產生器及調變器的效率，且PSK調變方式能達成比ASK好的訊號雜訊比(SNR)。

　　假設調變器的兩個輸入阻抗分別為Z1=R1+jX1及Z2=R2+jX2，阻抗的實部和虛部都必須經過適當設計，并匹配至天線的阻抗才能達到最佳的功率轉換及操作效率[2]

Super Regenerative架構重回舞臺

　　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計技術的提升，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為一標準的Super-Regenerative接收器的電路架構，內部含有一個RF震盪器、Envelop Detection電路、低通濾波器、偏壓控制迴路及Quench產生器。

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

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，在生物醫(yī)療領域上有很大的應用價值。例如當病患需接受長期或線上的生理檢查[6][7]，或是手術后的病情監(jiān)控時，都可以經由植入一些生物感測器至體內，并經由感測器內建的無線發(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菌感染的風險，并避免對正常生活造成影響。另外，由於必須長期植入體內，因此不能使用電池當電源，因為電池的使用會降低操作壽命及改變體內化學的穩(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Transponder電源及指令，然后將在體內感測到的資訊傳輸到體外的讀取器。根據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技術在生物醫(yī)療感測器領域上的應用很多，本節(jié)介紹幾個生物感測器的應用實例：

◆血壓監(jiān)控感測器[6]：

在體內植入一個血壓感測器，感測器中內建一組Transponder及類比至數位轉換器，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過一個低功率的類比至數位轉換器轉成數位訊號。此數位訊號再經由Transponder的調變器發(fā)射至體外的接收機做處理。而感測器及其他電路的直流電源可經由Transponder的RF/DC電路模組來產生。

◆眼壓/溫度感測器[7]：

許多青光眼病患需要經由觀察眼內的壓力及溫度來診斷，目前是利用噴射氣體式的眼壓計來量測眼壓?，F(xiàn)在則可以利用植入式感測器及RF Transponder技術，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，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的感測器裝置體積必須非常小，因此天線的體積也是設計時必須考量的重點。

◆NASA Advanced Biotelemetry System[10]：

　　雖然半主動式Transponder在生物醫(yī)療感測器上的應用較多，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)，經由感測器的感測后，健康狀況可經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，且發(fā)射器(Transmitter)及頻率產生器也以最省電的架構來實現(xiàn)。以頻率產生器而言，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計主動式收發(fā)機的重要課題。

　　本文介紹一些可用於RFID技術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信號的Super-Regenerative接收器，這些無線收發(fā)器都有一個共通點，就是盡量採用最簡單的架構和電路來達到無線資料傳輸，雖然在效能上略遜於以往復雜的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)