用于植入式醫療的微波無線電能傳輸系統設計*

許立業, 白 雪, 徐雷鈞

(江蘇大學 電氣信息工程學院,江蘇 鎮江 212013)

0 引 言

植入式醫療電子(implantable medical electronics,IME)在近些年受到了廣泛的關注,人造心臟、植入式心臟起搏器等已經在醫學上得到初步的應用,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年再次手術更換的鋰碘電池[2]都會對人體產生額外的傷害,因此,植入式醫療無線充電成為了當下醫療電子的研究熱點。當今的無線電能傳輸(wireless power transmission,WPT)技術主要分為使用線圈的電磁感應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療場景[4],因此,本文研究的重點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,其性能決定了整個系統的效率。

文獻[5]設計了一種共面波導饋電的雙頻植入式天線,其雙頻特性可用于休眠模式延長電池使用時間,尺寸為10 mm×10 mm×1.27 mm,但受尺寸限制,在兩個頻點的增益僅為-32.23 dBi和-20.63 dBi。文獻[6]設計了圓極化的無線功率傳輸系統,提出了一種基于短截線負載的圓極化緊湊型植入式天線(-29 dBi@915 MHz)。文獻[7,8]分別設計了一種柔性和小型化多頻段微帶天線,為植入式天線設計提供了參考。綜合以上的研究可知,圓極化相對于>線極化具有降低多徑效應和誤碼率的優點[9],而雙頻天線在植入式醫療中可同時實現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,通過對稱狹縫開槽引入了90°相位差正交激勵。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)。同時設計了一種高增益性能的空氣介質發射天線陣列,其在2.45 GHz的增益可達15.76 dBi。實測結果表明,該系統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 系統原理

本文設計的微波WPT系統組成如圖1所示,主要分為發射和接收兩個部分。其原理是通過射頻功放將信號源產生的2.45 GHz信號放大,再通過發射天線陣列輻射出放大后的電磁波,從而實現電能向射頻能量的轉換。同時接收單元的植入式天線接收射頻能量再經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系統結構

2 植入式接收天線設計

2.1 圓極化與雙頻設計

通過設計雙頻的植入式天線,即可實現該類植入式裝置無線充電的同時通過另一個頻段通信。且由于微波在空間中傳播會因為多徑效應影響接收功率,因此,圓極化天線在該類WPT系統中是優選的。圖2為本文設計的植入式天線結構與HFSS仿真結果。

圖2 植入式天線結構與HFSS仿真結果

本文設計的植入式接收天線結構如圖2(a)所示,基于單饋多模法添加的4個梯形開槽產生了雙頻的激勵模,在圖2(c)為天線S11回波損耗HFSS仿真與矢量網絡分析儀實測結果,由圖可以看出,天線在1.86～1.94 GHz和2.39～2.51 GHz兩個頻段內諧振。

通過在該平面貼片天線的對角線方向上添加尺寸為L5×W1的對稱狹縫開槽,可以產生兩個振幅相等且相位差為90°的正交激勵，以實現在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),通過旋轉微擾元素,主極化可以轉換為右手圓極化(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

為了進一步減小天線尺寸,基于曲流技術[10]引入了方環形開槽。如圖2(b)所示,最終設計的天線整體尺寸為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。具體尺寸優化參數為: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面仿真結果

3 發射天線陣列設計

微波傳能的接收功率通常由Friis傳輸方程式計算。對于陣元數量為Nt的功率傳輸天線,接收功率Pr可以表示為

(1)

式中Pr為總發射功率,Gt和Gr分別為發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。但具體到陣列發射天線近場區域就需要引入球面波模型,即當接收天線位于發射裝置的三個波長內區域時,接收功率為

(2)

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

設計的發射天線陣元結構如圖4所示,該天線陣元的輻射面由外部的輻射大圓和內部的阻抗調節方塊組成,通過調節大圓的半徑即可改變天線的中心頻率,再通過調節內部阻抗調節方塊以達到最佳的阻抗匹配。

圖4 發射天線陣元結構

圖5(a)為天線的S11仿真與實測參數對比,從圖中可以看出,天線在2.45 GHz處諧振,且帶寬介于2.34～2.52 GHz之間。具體優化參數為: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。

天線陣列實物由4個陣元和一分四功分器組成子陣列,天線陣列由4個子陣列組成,這樣做的好處是可以通過一分四功分器引入4個輸入同相的功放以提高發射功率,同時也不會因為16個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)為發射天線陣列的增益性能,發射天線陣列的最大輻射增益為15.76 dBi。

圖5 發射陣列HFSS仿真

4 系統測試

搭建了如圖6的無線傳能實驗測試平臺。該無線傳能系統由發射部分與接收部分組成,發射部分包括AV1442射頻信號源、NXP公司的AFT27S010NT1射頻功放(37 dBm@2.45 GHz)、發射天線陣列,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]。測試儀器包括中電41所AV4037頻譜分析儀和萬用表。

本文系統中發射天線陣列的總發射功率為40.5 dBm(11.25 W),圖6為鋰電池充電裝置的測試圖,測試結果表明,在傳輸距離為0.5 m時,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 鋰電池充電測試

在測試充電效率與距離的關系時,為了規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量植入式接收天線的頻譜輸出。由圖7測量結果顯示，該系統在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),符合預期。經多次測量,接收功率與效率隨距離的關系如圖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

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

5 結 論

本文提出了一種用于植入式醫療的微波WPT系統。該系統在優化植入式天線結構方面進行了改進,其植入式接收天線的圓極化和雙頻特性使該類系統在醫療通信方面有一定的拓展性。實驗結果表明:本文系統在傳輸距離為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。