【摘 要】
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植入式装置为生理过程的监控和调节提供了一种新的手段。随着微电子技术的发展,供能问题成为植入式装置实现微型化面临的一个重要挑战。传统的内置电池供电方式无法兼顾电池体积小与使用寿命长的需求,磁谐振耦合无线能量传输（Magnetically-Coupled Resonant Wireless Power Transfer,MCR-WPT）系统能够在中距离以高效率传输能量,成为解决植入式装置长期稳定供能问
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植入式装置为生理过程的监控和调节提供了一种新的手段。随着微电子技术的发展,供能问题成为植入式装置实现微型化面临的一个重要挑战。传统的内置电池供电方式无法兼顾电池体积小与使用寿命长的需求,磁谐振耦合无线能量传输（Magnetically-Coupled Resonant Wireless Power Transfer,MCR-WPT）系统能够在中距离以高效率传输能量,成为解决植入式装置长期稳定供能问题的有效途径。为了解决生物体在自由活动过程中体内植入装置的长期稳定供能问题,本文针对能量发射线圈上方可充电区域内轴向磁场分布的均匀程度,采用遗传算法对平面螺旋线圈的线宽和匝间距进行优化设计,磁场分布变异系数（Coefficient of Variation,COV）的HFSS仿真和实验测量结果表明,相较于线宽与匝间距相等平面螺旋线圈（0.67和0.698）,优化后线圈的COV明显降低（0.13和0.121）。采用带通滤波器理论（Band-pass filter,BPF）对单发射线圈MCR-WPT系统和带中继线圈MCR-WPT系统进行建模分析,利用滤波器设计中的S参数、通带波纹、传输极点和耦合矩阵分别对应MCR-WPT系统的传能效率、频率分裂、最大传输效率和线圈之间的耦合系数,建立MCR-WPT系统和带中继线圈MCR-WPT系统的带通滤波器理论模型,分析得到能量传输效率和广义耦合矩阵的对应关系,进而以最优能量传输效率为目标,利用遗传算法得到各自最优的耦合矩阵,并将其应用到实际的系统设计中。为解决植入装置的无束缚无线供能问题,发射线圈要求覆盖整个生物体活动的区域,若采用单发射线圈会导致发射线圈过大,增加与体内植入线圈的匹配共振难度,为此采用七个平面螺旋线圈组成的覆盖生物体活动区域的能量发射垫,作为MCR-WPT系统的体外能量发射端。本文分析基于能量发射垫的多发射线圈MCRWPT系统特性,对于固定高度的能量接收线圈,改变接收线圈的位置和发射线圈的数目,利用耦合模理论（Coupled-mode theory,CMT）分析自谐振线圈之间的能量交换情况,结果发现:（1）当接收线圈移动到其轴线穿过能量发射垫中心线圈的基板顶点时,系统的效率最大;（2）当接收线圈位置固定时,距离接收线圈最近的发射线圈与接收线圈的耦合是影响系统效率的关键因素。针对MCR-WPT系统的匹配共振要求,本文利用等效电路模型依次分析了能量发射垫以及能量发射垫MCR-WPT系统的频率分裂特性,结果发现接收线圈不存在时,能量发射垫具有两个谐振频率,即存在频率分裂;当接收线圈与能量发射垫之间的交叉耦合增加时,出现二次频率分裂,即能量发射垫MCR-WPT系统系统具有三个谐振频率;随着接收线圈与能量发射垫之间交叉耦合的减弱,系统的谐振频率减至两个。最后搭建了实验平台对理论分析的结果进行了验证。
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