适用于植入式脑机接口的无线能量传输系统

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随着微机电系统与植入式医疗的发展,植入式医疗设备的应用如雨后春笋般出现,用途广泛。但能量供应问题限制了这些新型医疗技术的进一步发展,尤其诸如脑神经刺激器这类植入式脑机接口医疗设备,对植入部分微型化和集成度要求更高,而传统电池供能方式存在很多弊端:所占体积较大,需定期更换,安全性能差等。无线能量传输有助于解决上述问题,本文针对植入式脑机接口式的无线供能问题,通过仿真以及实验研究了基于MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)的磁谐振无线能量传输系统。基于电路理论以及耦合模理论对双线圈无线电能传输系统进行了建模与分析,得出系统传输性能主要是受谐振线圈阻抗、耦合系数、谐振频率以及负载电阻的影响,分别对这些影响因素进行了公式推导与仿真分析。为了设计出传输性能较好的谐振子,通过在高频建模仿真软件HFSS(High Frequency Structure Simulator)建模仿真,对匝数、匝间距、导线宽度以及线圈内径四个参数对谐振线圈的电感值以及品质因数的影响进行了对比分析,并结合本文设计要求确定了非对称收发线圈的结构参数与绕组方式,参数借助矢量网络分析仪结合配套测试夹具测量其在工作频点13.56MHz处谐振子电感和阻抗值。为了保证输入端能量最大功率的传输,本设计使用散射矩阵以及二端口网络分析理论,借助史密斯圆图对无线能量传输系统进行了串联型阻抗匹配设计,在HFSS中搭建了仿真模型验证匹配效果,在谐振频点处可S11可以达到-24.56d B,基本达到了能量最大功率传输的要求。为了给负载提供相对稳定的工作电平,对于后端电路的微型化设计,此处结合全波整流电路以及电容滤波电路的电路特性,对其进行优化处理,采取两级倍压整流电路作为电信号的处理模块,可以实现在较高频段内将交流电信号有效地转换为平稳的、脉动的直流电信号。对以上所有电路模块均进行了仿真与实验验证。最终,利用多股绞合而成的铜质利兹线绕制的谐振子搭建了无线能量传输系统,并且对收发线圈的射频特性、电信号处理电路的功能以及整个系统性能进行了测试。经实验与测试表明:当谐振子同轴放置,系统谐振频率为13.56MHz,输出参数S11可以达到-22.67d B,S21值为-11.23d B,系统传输效率为24.59%,可驱动小功率光源设备,实现了小体积并且供电性能良好的无线能量传输,对适用于植入式脑机接口的无线能量传输电子设备的发展具有重要意义。
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