許立業(yè), 白 雪, 徐雷鈞

(江蘇大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引 言

植入式醫(yī)療電子(implantable medical electronics,IME)在近些年受到了廣泛的關(guān)注,人造心臟、植入式心臟起搏器等已經(jīng)在醫(yī)學(xué)上得到初步的應(yīng)用,但人造心臟需要腹部穿孔的外置電池[1]和植入式心臟起搏器需要5～10年再次手術(shù)更換的鋰碘電池[2]都會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生額外的傷害,因此,植入式醫(yī)療無線充電成為了當(dāng)下醫(yī)療電子的研究熱點(diǎn)。當(dāng)今的無線電能傳輸(wireless power transmission,WPT)技術(shù)主要分為使用線圈的電磁感應(yīng)式和使用傳能天線的微波輻射式[3]。線圈式無線充電受限于傳輸距離的限制不能靈活地適用于植入式醫(yī)療場(chǎng)景[4],因此,本文研究的重點(diǎn)是作為高頻方式的微波電能傳輸。其中,天線作為微波無線傳能的主要載體,其性能決定了整個(gè)系統(tǒng)的效率。

文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了一種共面波導(dǎo)饋電的雙頻植入式天線,其雙頻特性可用于休眠模式延長(zhǎng)電池使用時(shí)間,尺寸為10 mm×10 mm×1.27 mm,但受尺寸限制,在兩個(gè)頻點(diǎn)的增益僅為-32.23 dBi和-20.63 dBi。文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了圓極化的無線功率傳輸系統(tǒng),提出了一種基于短截線負(fù)載的圓極化緊湊型植入式天線(-29 dBi@915 MHz)。文獻(xiàn)[7,8]分別設(shè)計(jì)了一種柔性和小型化多頻段微帶天線,為植入式天線設(shè)計(jì)提供了參考。綜合以上的研究可知,圓極化相對(duì)于>線極化具有降低多徑效應(yīng)和誤碼率的優(yōu)點(diǎn)[9],而雙頻天線在植入式醫(yī)療中可同時(shí)實(shí)現(xiàn)無線充電與通信的雙重功能。

因此,本文提出了一種植入式圓極化雙頻天線,通過對(duì)稱狹縫開槽引入了90°相位差正交激勵(lì)。同之前的微型圓極化植入式天線相比,它具有較高的增益性能(-8.27 dBi@2.45 GHz/-15.13 dBi@1.9 GHz)。同時(shí)設(shè)計(jì)了一種高增益性能的空氣介質(zhì)發(fā)射天線陣列,其在2.45 GHz的增益可達(dá)15.76 dBi。實(shí)測(cè)結(jié)果表明,該系統(tǒng)的植入式接收單元在50 cm傳輸距離下可接收最大射頻功率78.51 mW,可初步滿足植入式器械的充電需求。

1 系統(tǒng)原理

本文設(shè)計(jì)的微波WPT系統(tǒng)組成如圖1所示,主要分為發(fā)射和接收兩個(gè)部分。其原理是通過射頻功放將信號(hào)源產(chǎn)生的2.45 GHz信號(hào)放大,再通過發(fā)射天線陣列輻射出放大后的電磁波,從而實(shí)現(xiàn)電能向射頻能量的轉(zhuǎn)換。同時(shí)接收單元的植入式天線接收射頻能量再經(jīng)整流器以直流電能的形式輸出為植入式小型鋰電池供電。

圖1 WPT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 植入式接收天線設(shè)計(jì)

2.1 圓極化與雙頻設(shè)計(jì)

通過設(shè)計(jì)雙頻的植入式天線,即可實(shí)現(xiàn)該類植入式裝置無線充電的同時(shí)通過另一個(gè)頻段通信。且由于微波在空間中傳播會(huì)因?yàn)槎鄰叫?yīng)影響接收功率,因此,圓極化天線在該類WPT系統(tǒng)中是優(yōu)選的。圖2為本文設(shè)計(jì)的植入式天線結(jié)構(gòu)與HFSS仿真結(jié)果。

圖2 植入式天線結(jié)構(gòu)與HFSS仿真結(jié)果

本文設(shè)計(jì)的植入式接收天線結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示,基于單饋多模法添加的4個(gè)梯形開槽產(chǎn)生了雙頻的激勵(lì)模,在圖2(c)為天線S11回波損耗HFSS仿真與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀實(shí)測(cè)結(jié)果,由圖可以看出,天線在1.86～1.94 GHz和2.39～2.51 GHz兩個(gè)頻段內(nèi)諧振。

通過在該平面貼片天線的對(duì)角線方向上添加尺寸為L(zhǎng)5×W1的對(duì)稱狹縫開槽,可以產(chǎn)生兩個(gè)振幅相等且相位差為90°的正交激勵(lì)，以實(shí)現(xiàn)在2.45 GHz主頻率上的圓極化。該天線的主極化為左手圓極化(left hand circular polarization,LHCP),通過旋轉(zhuǎn)微擾元素,主極化可以轉(zhuǎn)換為右手圓極化(right hand circular polarization,RHCP)。從圖2(d)中可以看出，該天線在2.45 GHz處的軸比約為1,說明該天線在2.45 GHz處的極化方式為圓極化。

2.2 天線物理尺寸綜合與仿真

為了進(jìn)一步減小天線尺寸,基于曲流技術(shù)[10]引入了方環(huán)形開槽。如圖2(b)所示,最終設(shè)計(jì)的天線整體尺寸為30 mm×30 mm×1.27 mm,大小與硬幣相近。在HFSS仿真中為了計(jì)算該天線的增益性能,如圖2(c)所示,加入了單層肌肉組織模型(εr=8.6),尺寸為100 mm×100 mm×50 mm,天線的植入深度為20 mm。

最終仿真測(cè)得的增益性能如圖3所示,該天線在2.45 GHz的最高增益為-8.27 dBi,在1.9 GHz的最高增益為-15.13 dBi。具體尺寸優(yōu)化參數(shù)為:L1=28.4 mm,L2=25.6 mm,L3=21.3 mm,L4=1.6 mm,L5=3.45 mm,W1=1.15 mm,W2=1.5 mm,W3=0.8 mm,W4=0.18 mm,r1=0.6 mm,r2=1 mm,H=1.2 mm。

圖3 天線增益E、H面仿真結(jié)果

3 發(fā)射天線陣列設(shè)計(jì)

微波傳能的接收功率通常由Friis傳輸方程式計(jì)算。對(duì)于陣元數(shù)量為Nt的功率傳輸天線,接收功率Pr可以表示為

(1)

式中Pr為總發(fā)射功率,Gt和Gr分別為發(fā)射天線和接收天線在該位置的天線增益,λ為傳輸載波的波長(zhǎng)。但具體到陣列發(fā)射天線近場(chǎng)區(qū)域就需要引入球面波模型,即當(dāng)接收天線位于發(fā)射裝置的三個(gè)波長(zhǎng)內(nèi)區(qū)域時(shí),接收功率為

(2)

式中rn為發(fā)射陣列的第n個(gè)天線元件與接收天線之間的距離,θn和φn為從發(fā)射陣列的第n個(gè)元件到接收天線的極角和方位角坐標(biāo),βn為第n個(gè)天線元件的相位激勵(lì),k為波數(shù)。本文測(cè)算了不同厚度的天線陣元,并將接收功率代入該式進(jìn)行了對(duì)比,最終選定了空氣介質(zhì)厚度為10.8 mm的環(huán)形微帶貼片作為天線陣列組陣單元。

設(shè)計(jì)的發(fā)射天線陣元結(jié)構(gòu)如圖4所示,該天線陣元的輻射面由外部的輻射大圓和內(nèi)部的阻抗調(diào)節(jié)方塊組成,通過調(diào)節(jié)大圓的半徑即可改變天線的中心頻率,再通過調(diào)節(jié)內(nèi)部阻抗調(diào)節(jié)方塊以達(dá)到最佳的阻抗匹配。

圖4 發(fā)射天線陣元結(jié)構(gòu)

圖5(a)為天線的S11仿真與實(shí)測(cè)參數(shù)對(duì)比,從圖中可以看出,天線在2.45 GHz處諧振,且?guī)捊橛?.34～2.52 GHz之間。具體優(yōu)化參數(shù)為:L=60 mm,L1=13.2 mm,L2=2.98 mm,W=60 mm,R1=29.3 mm,R2=16 mm,H1=1.2 mm,H2=10.8 mm。

天線陣列實(shí)物由4個(gè)陣元和一分四功分器組成子陣列,天線陣列由4個(gè)子陣列組成,這樣做的好處是可以通過一分四功分器引入4個(gè)輸入同相的功放以提高發(fā)射功率,同時(shí)也不會(huì)因?yàn)?6個(gè)陣元都引入輸入同相的功放而使得裝置成本巨額增加。圖5(b)為發(fā)射天線陣列的增益性能,發(fā)射天線陣列的最大輻射增益為15.76 dBi。

圖5 發(fā)射陣列HFSS仿真

4 系統(tǒng)測(cè)試

搭建了如圖6的無線傳能實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)。該無線傳能系統(tǒng)由發(fā)射部分與接收部分組成,發(fā)射部分包括AV1442射頻信號(hào)源、NXP公司的AFT27S010NT1射頻功放(37 dBm@2.45 GHz)、發(fā)射天線陣列,接收部分包括放置在豬肉糜中的植入式接收天線、橋式整流器HSMS—2828[4]。測(cè)試儀器包括中電41所AV4037頻譜分析儀和萬用表。

本文系統(tǒng)中發(fā)射天線陣列的總發(fā)射功率為40.5 dBm(11.25 W),圖6為鋰電池充電裝置的測(cè)試圖,測(cè)試結(jié)果表明,在傳輸距離為0.5 m時(shí),接收裝置為鋰電池充電的電壓和電流為4.13 V、8.98 mA(37.1 mW)。

圖6 鋰電池充電測(cè)試

在測(cè)試充電效率與距離的關(guān)系時(shí),為了規(guī)避射頻整流電路在不同輸入功率下整流效率變化的影響,使用頻譜分析儀直接測(cè)量植入式接收天線的頻譜輸出。由圖7測(cè)量結(jié)果顯示，該系統(tǒng)在50 cm處接收到的射頻頻率和功率分別為2.456 GHz和18.92 dBm(約合78.51 mW),符合預(yù)期。經(jīng)多次測(cè)量,接收功率與效率隨距離的關(guān)系如圖8所示。

圖7 天線接收射頻功率@50 cm

圖8 在不同傳輸距離下的接收功率和傳輸效率

與其他文獻(xiàn)相比,本文采用圓極化植入式天線提高了系統(tǒng)的適用性,且接收天線的雙頻特性為其在醫(yī)療通信應(yīng)用場(chǎng)景下提供了拓展性。

5 結(jié) 論

本文提出了一種用于植入式醫(yī)療的微波WPT系統(tǒng)。該系統(tǒng)在優(yōu)化植入式天線結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行了改進(jìn),其植入式接收天線的圓極化和雙頻特性使該類系統(tǒng)在醫(yī)療通信方面有一定的拓展性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:本文系統(tǒng)在傳輸距離為0.5 m的情況下,充電功率為37.1 mW,可以初步滿足植入式裝置中鋰電池的充電需求,為植入式傳感器和心臟起搏器等器械的無線充電研究提供了參考。