基于柔性立体谐振子的植入式磁共振无线能量传输系统

发布时间：2020-03-21 18:11

【摘要】：随着生物医疗和微电子技术的飞速发展,植入式医疗逐渐成为辅助治疗和健康监测的重要手段。植入式医疗器件能够有效地获取人体的各项生理信号和进行植入式定点治疗,从而有助于制定更加合理高效的治疗康复方案。然而这些植入式医疗器件的供电一直是限制其发展的重要因素,传统的电池供电有诸多弊端如体积庞大、需要定期更换、生物兼容性差和安全性等问题。无线能量传输能够有效地解决上述问题。相比于电感耦合型,基于磁谐振的无线能量传输系统,具有更高的传输效率以及抗干扰能力。针对植入式医疗器件的无线供电,本文设计并实现了一种基于柔性立体双线圈的磁共振无线能量传输系统。首先建立了基于双线圈的磁耦合谐振电路模型,分析得到了提高谐振线圈的电感值和品质因数能够有效地改善能量传输系统的传输效率和性能。利用高频电磁仿真软件HFSS建立线圈参数化模型,分别对线圈的匝数、半径、导线间距以及线宽进行仿真优化,分析了这些结构参数对线圈电感值和品质因数的影响,并且得到了最优化的线圈结构参数。为了保证输入信号的最大功率传输,设计了前级耦合谐振模型的阻抗匹配,并在HFSS中建立和仿真阻抗匹配之后的谐振电路以及耦合谐振模型,在谐振频率点13.56MHz处,S11达到-30dB,实现了良好的阻抗匹配。分别设计了接收端的信号处理模块,在Multisim中对整流、滤波、稳压模块进行设计并仿真。在此基础上搭建上述模块的实际电路,并测试验证其功能。最终,利用两个半径为10mm的柔性立体线圈搭建了前级耦合谐振回路,接收端的全波整流和低通滤波以及稳压模块提供稳定电压输出,搭建并测试无线能量传输系统。测试结果表明:当传输距离为2mm,负载为1OOOΩΩ,输入信号频率为13.56MHz,输入功率为200mW时,输出负载端电压为8.35 V,输出功率为70mW,系统的最大传输效率为35%。
【图文】：

气盒子有助于快速仿真求解。逡逑在对求解模型、仿真频率范围、激励端口、走线以及空气盒子设置完成之后，逡逑ＨＦＳＳ中创建的线圈模型如下图３－１所示：逡逑魏逡逑图３－１邋ＨＦＳＳ中创建的柔性谐振线圈模型逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋３－１邋Ｆｌｅｘｉｂｌｅ邋ｒｅｓｏｎａｎｔ邋ｃｏｉｌ邋ｍｏｄｅｌ邋ｂｕｉｌｔ邋ｉｎ邋ＨＦＳＳ逡逑这里给出线圈建模的结构参数如下表所示：逡逑表３－１邋ＨＦＳＳ中线圈模型的结构参数逡逑Ｔａｂｌｅ邋３－１邋Ｃｏｉｌ邋Ｍｏｄｅｌ邋Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ邋ｉｎ邋ＨＦＳＳ逡逑＾邋线圈结构参数逦数值逦单位逡逑线圈半径逦１０逦ｍｍ逡逑导线宽度逦０．５逦ｍｍ逡逑导线厚度逦０．５逦ｍｍ逡逑线圈１？数逦６逦ｔｕｒｎｓ逡逑匣间距逦１逦ｍｍ逡逑逦空气盒子边长逦５００逦ｍｍ逦逡逑在完成对线圈的建模以及求解设置之后，运行仿真。在ＨＦＳＳ里面会有很多的逡逑仿真图表，这里我们将重点关注线圈的阻抗、电感值、以及品质因数的仿真分析。逡逑首先查看线圈阻抗随频率变化的曲线

频率称之为自谐振频率［５４］。当频率进一步升高，整个线圈对外会呈现容性，线圈逡逑失去了原有的电感元件特性。逡逑从图３－３的阻抗特性曲线更能证实这一结论。当频率低于１５３ＭＨｚ时，整个线逡逑圈的阻抗随着频率的升高而增大。当频率到达１５３ＭＨｚ时，阻抗的实部即电阻达逡逑到了最大值，而此时阻抗的虚部电抗成为了零。这时线圈处于自谐振的状态，此逡逑时的频率为线圈的自谐振频率。当外加频率大于自谐振频率时，，线圈的电抗部分逡逑是负值，呈现电容特性。逡逑１８逡逑
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH789;O482.531

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 马海虹;杨亚宁;张睿奇;赵宝军;戚楠;;空间网络无线能量传输技术研究进展[J];空间电子技术;2018年02期

2 王全;;集总参数电磁人工超材料在无线能量传输中的应用[J];信息通信;2016年11期

3 李兴田;马光同;杨晨;王志涛;;涂层超导体无线能量传输理论研究与实验验证（英文）[J];低温物理学报;2016年04期

4 刘柱;陈志璋;林先其;赵华鹏;李金艳;;磁谐振耦合无线能量传输的研究综述[J];南京信息工程大学学报(自然科学版);2017年01期

5 郑艳华;林杰凯;章秀银;麦晓冬;;一种基于磁耦合谐振式的高效率双频无线能量传输系统[J];南京信息工程大学学报(自然科学版);2017年01期

6 杨恒旭;张振超;匡正;吴鸣;杨军;;压电直流无线能量传输系统研究[J];电声技术;2016年10期

7 李琼;罗春花;;磁耦合无线能量传输天线研究[J];价值工程;2017年07期

8 陈华君;袁丽娜;;无线能量传输在电动汽车中的应用[J];现代盐化工;2017年01期

9 闫啸宇;杨世春;何红;杨海圣;徐斌;刘治钢;;无线能量传输负载自适应的频率分叉边界控制[J];电源学报;2017年02期

10 张丽娟;刘锋;;基于无线能量传输的充电平台设计及其性能分析[J];电子测量技术;2017年05期

相关会议论文 前10条

1 肖桂良;;无线能量传输技术概述[A];《IT时代周刊》论文专版（第300期）[C];2014年

2 崔晓熙;刘国希;董蜀湘;;低频下的无线能量传输与磁场通讯[A];2011中国材料研讨会论文摘要集[C];2011年

3 何彬阳;孔翔鸿;华立群;肖高标;毛军发;;非正定磁性超材料透镜在无线能量传输中的应用[A];2017年全国微波毫米波会议论文集（上册）[C];2017年

4 李龙;;基于电磁超表面的无线能量传输与收集技术研究[A];2018年全国微波毫米波会议论文集(上册)[C];2018年

5 喻易强;彭思培;陈孝平;;一种基于磁谐振耦合模式的平面型无线能量传输系统[A];2015年全国微波毫米波会议论文集[C];2015年

6 黄登祥;林先其;;基于阻抗匹配调节的高效率磁谐振耦合无线能量传输[A];2017年全国微波毫米波会议论文集(上册二)[C];2017年

7 于歆杰;;基于磁电层状复合材料的无线能量传输[A];新观点新学说学术沙龙文集57：无线电能传输关键技术问题与应用前景[C];2011年

8 贺少勃;陈远斌;於海武;杨东;郭良福;力一峥;刘勇;刘建国;王琳;;高功率激光放大器中的能量传输[A];中国工程物理研究院科技年报（2005）[C];2005年

9 朱春波;;用于移动设备的非接触供电技术应用研究[A];新观点新学说学术沙龙文集57：无线电能传输关键技术问题与应用前景[C];2011年

10 黄虎;瞿丹;琚兴宝;;新型高效反馈式激光能量传输方法实验研究[A];第十七届中国科协年会——分6　中国海洋工程装备技术论坛论文集[C];2015年

相关重要报纸文章 前5条

1 济南军区某部 冯东明 李旭光 杨发伦;无线充电：能量传输的革命[N];解放军报;2012年

2 华泰证券分析师 周毅;无线充电：传输投资新机会[N];证券时报;2014年

3 ;濮祖荫：揭示地球空间能量传输过程的奥秘[N];科技日报;2003年

4 记者 唐凤;不用电就能帮建筑降温[N];中国科学报;2019年

5 本报记者 覃泽文;电力传输或将酝酿颠覆式革命[N];中国能源报;2009年

相关博士学位论文 前10条

1 梁晗;基于无线能量传输的通信系统性能分析与传输技术研究[D];浙江大学;2019年

2 姚友素;电磁感应式变耦合无线能量与数据传输关键技术研究[D];哈尔滨工业大学;2019年

3 张金;近场耦合中距离无线能量传输技术的研究[D];南京邮电大学;2016年

4 吴伟;无线携能通信系统安全通信与高效能量传输技术研究[D];南京邮电大学;2017年

5 刘柱;基于阵列线圈磁耦合共振无线能量传输的研究[D];电子科技大学;2018年

6 bF梓轩;非辐射式无线电磁能量传输结构研究[D];中国科学技术大学;2019年

7 刘晓晴;无线能量传输系统收发机联合优化关键技术研究[D];北京邮电大学;2019年

8 刘小畅;磁耦合谐振式无线能量传输若干关键技术研究[D];武汉大学;2015年

9 孙桂林;高效无线能量传输及可植入人体的传输辐射一体化研究[D];中国科学技术大学;2018年

10 李学平;视觉假体能量和数据无线传输关键技术研究[D];西安理工大学;2018年

相关硕士学位论文 前10条

1 徐冬冬;基于柔性立体谐振子的植入式磁共振无线能量传输系统[D];北京交通大学;2019年

2 孔立阳;超声电源能量传输理论模型研究[D];杭州电子科技大学;2019年

3 谷嘉冀;激光能量传输大气衰耗补偿方法研究[D];吉林大学;2019年

4 叶旭宇;复杂环境中无线能量传输的自适应聚焦技术[D];电子科技大学;2019年

5 曾斌;磁耦合谐振式电动汽车无线能量传输系统的设计与实现[D];电子科技大学;2019年

6 顾明亮;胶囊内镜无线能量传输系统的优化设计与试验研究[D];华南理工大学;2019年

7 王建辉;基于PCB谐振线圈的无线能量传输系统设计及其特性研究[D];厦门大学;2018年

8 明强;基于磁共振的无线能量传输信道估计与电路设计[D];南京大学;2019年

9 石泰峡;人工磁导体在无线能量传输系统中的应用研究[D];太原理工大学;2019年

10 申国君;基于改进鸡群算法的无线能量传输阵列天线方向图优化[D];吉林大学;2019年

本文编号：2593734