CN106340973B - 基于超材料的可植入无线能量传输装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于超材料的可植入无线能量传输装置，包括发射模块1、超材料中继模块2和接收模块3。采用磁谐振耦合的方式进行无线能量传输。超材料中继模块2采用磁导率为负的超材料，可对发射模块1在空间中产生的磁场进行汇聚，从而提高无线能量传输的效率。超材料中继模块2具有小型化的特点，可作为可穿戴设备进行使用。接收模块3采用一个接收负载线圈和多个接收谐振线圈协同作用，减小了接收供电设备尺寸的同时又不需要占用可植入设备额外的单独空间。本发明具有小型化，高效率，小辐射的特点。
Description
技术领域
本发明属于无线能量传输领域，更进一步涉及生物医电技术领域中的一种基于超材料的可植入无线能量传输装置。本发明可将无线能量传输装置的接收端嵌入生物体内，通过引入磁导率为负的超材料中继模块来提高无线能量传输的效率，增大无线能量传输的距离，用于生物医电技术领域中各种可植入设备的常规供电。
背景技术
随着科学技术的发展，越来越多的可植入设备被应用于人体的监测、诊疗和治疗中，极大的减小了患者的痛苦。但同时，这些可植入设备的电源技术也成为了诸多电子器件的核心技术。
河北工业大学在其申请的专利“小尺寸谐振器以及磁耦合谐振无线能量传输”(申请号：201210366827.5，申请公布号：102983637A)中公开了一种应用于可植入的小尺寸谐振器及磁耦合无线能量传输。该无线能量传输系统包括高频正弦信号发生和功率放大电路、激励线圈和小尺寸谐振初级线圈、小尺寸谐振次级线圈和能量汲取线圈以及整流滤波充电电路，其中激励线圈与功率放大电路相连接，能量汲取线圈与负载相连。当谐振初级线圈和谐振次级线圈之间产生强烈的磁耦合谐振时，能够进行有效的能量传递且对生物体伤害较小。但是，该传输系统仍然存在的不足之处是：可植入设备的体积较小为5cm×5cm×0.054cm，但其横截面的尺寸较大为5cm×5cm，需要占用单独的额外空间才能对可植入设备进行供电，且无线能量传输的距离严重受限于接收设备和发射设备的尺寸，当能量传输的距离大于接收设备和发射设备的尺寸时，系统的能量传输效率会严重下降。
Witricity公司在其申请的专利“可植入设备的无线能量传输”(申请号：201280038109.3，申请公布号：103733477A)中公开了一种用于向植入患者内的设备供电的无线能量传输系统，该无线能量传输系统包括：高Q源谐振器，其具有第一谐振频率，源谐振器在所述患者外部，耦合到电源，并被配置成产生在第一谐振频率下的振荡磁场；高Q设备谐振器，其具有第二谐振频率，设备谐振器耦合到需要供应功率的可植入设备，设备谐振器在所述患者内部，并被配置成捕获所述源谐振器所产生的振荡磁场；中继器谐振器，被定位成改进在源谐振器和设备谐振器之间的能量传输。但是，该传输系统仍然存在的不足之处是：直接将接收模块的谐振器嵌入在生物体或者患者的内部会对生物体产生较大的伤害，且接收模块的谐振器仍然需要占用单独的额外空间才能对可植入设备进行供电。
发明内容
本发明针对上述现有技术的可植入无线能量传输装置面临的不足，提出了一种基于超材料的可植入无线能量传输装置，使得可植入设备具有小型化且在不需要额外的占用空间的情况下就能进行无线供电，并且加入磁导率为负的超材料中继模块后，可植入无线能量传输系统的传输效率有显著的提高且传输距离不用受限于接收或者发送设备的尺寸。
为实现上述目的，本发明包括发射模块、接收模块和超材料中继模块。其中，
发射模块，用于无线能量的发射；发射模块包括发射激励线圈，发射谐振线圈和一块发射介质板；发射激励线圈位于发射谐振线圈的内部，设置于发射介质板的下表面，构成平板型结构。
超材料中继模块，用于将发射模块产生的磁场进行汇聚后耦合到接收模块；超材料中继模块由n×n个结构单元组成，每个结构单元采用磁导率为负的超材料，每个结构单元包括一个超材料中继介质板和两个相同的匝数大于等于4的平面方形螺旋线圈，其中每两个平面方形螺旋线圈对称的设置在超材料中继介质板的上下表面。
接收模块，用于无线能量的接收；接收模块包括接收下层介质板、接收上层介质板、接收负载线圈和接收谐振线圈，接收负载线圈为一个四方环形线圈，接收谐振线圈为4个带缺口的四方谐振环。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
第一，由于本发明使用磁导率为负的超材料作为中继模块，克服了现有技术存在的无线能量传输的距离严重受限于接收设备和发射设备的尺寸，当能量传输的距离大于接收设备和发射设备的尺寸时，系统的能量传输效率会严重下降的缺点，使得本发明具有传输效率高、传输距离不受收发设备尺寸限制的优点。
第二，由于本发明使用一个四方环形线圈的接收负载线圈和4个带缺口的四方谐振环作为接收谐振线圈，克服了现有技术存在的可植入设备的横截面的尺寸大且需要占用单独的额外空间的问题，使得本发明具有小型化且不占用额外空间的优点。
第三，由于本发明使用包含上层介质板和下层介质板组成的接收模块，克服了现有技术存在的直接将接收模块的谐振器嵌入在生物体或者患者的内部会对生物体产生较大伤害的缺点，使得本发明具有安全供电的优点。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明发射模块的结构示意图；
图3为本发明超材料中继模块的一个结构单元的示意图；
图4为本发明超材料中继模块的磁导率随频率变化曲线图；
图5为本发明接收模块的结构示意图；
图6为本发明的接收模块的反射系数随频率变化曲线图；
图7为本发明的仿真图。
具体实现方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
参照附图1，对本发明的整体结构作进一步的描述。
本发明包括发射模块1、超材料中继模块2和接收模块3，发射模块1用于无线能量的发射；超材料中继模块2，用于将发射模块1产生的磁场进行汇聚后耦合到接收模块3，超材料中继模块2由3×3个结构单元组成，每个结构单元采用磁导率为负的超材料；接收模块3，用于无线能量的接收。发射模块1、超材料中继模块2和接收模块3的中心处在同一条直线上。接收模块3需要植入在人体表皮以下3mm～5mm处，超材料中继模块2则作为可穿戴设备放置在人体皮肤的表面1mm～3mm处，发射无线能量的发射模块1可放置在距离人体皮肤较远处以避免发射源离人体太近。
参照附图2，对本发明发射模块1的结构进一步的描述。
本发明的发射模块1包括发射激励线圈11，发射谐振线圈12和一块发射介质板13；所述的发射激励线圈11位于发射谐振线圈12的内部，设置于发射介质板13的下表面，构成平板型结构。
发射激励线圈11为一个四方环形线圈，发射谐振线圈12由两个同心的带相同缺口的四方环形线圈组成，缺口为一个矩形缺口，其长为 4.6mm，其宽与四方环形线圈的宽相等，相邻的带相同缺口的四方环形线圈之间的缝隙宽度相同，每个缺口的一端都与相邻缺口的另一端相连，且连接线的线宽与四方环形线圈的线宽相同。
发射模块1的几何参数如下：
发射介质板13下表面的中心点到发射激励线圈11内沿的距离为3.7mm；发射介质板13下表面的中心点到发射谐振线圈12内沿的距离为9mm；发射激励线圈11与发射谐振线圈12的线宽相同为2mm；发射谐振线圈12的相邻两个带相同缺口的四方环形线圈之间的缝隙宽度为2mm；发射介质板13的介电常数为4.6；发射介质板13的厚度为1.6mm。发射谐振线圈12的整体大小为3cm×3cm，发射介质板13的整体大小为4cm×4cm。
参照附图3，对本发明由3×3个结构单元组成的超材料中继模块2中的一个结构单元作进一步的描述。
超材料中继模块2的一个结构单元包括一个超材料中继介质板和两个相同的匝数为4的平面方形螺旋线圈，其中两个平面方形螺旋线圈对称的设置在超材料中继介质板的上下表面。
超材料中继模块2的每个结构单元的几何参数如下：
超材料中继介质板上表面的中心到平面方形螺旋线圈最内环的线径为4mm；超材料中继介质板上表面的平面方形螺旋线圈的线宽为0.4mm；超材料中继介质板上表面的平面方形螺旋线圈的螺距为0.2mm；超材料中继介质板的介电常数为2.6；超材料中继介质板的厚度为1mm。
图4为本发明超材料中继模块2的磁导率随频率变化曲线图。图4中的横轴为频率，纵轴为超材料中继模块2的磁导率。由图4的曲线可以看出，超材料中继模块2的磁导率的值在420～450MHz为负值，能够对发射模块1在空间中产生的磁场进行汇聚，从而提高无线能量传输的效率。
参照附图5，对本发明接收模块3的结构做进一步的描述。
接收模块3包括接收下层介质板31、接收上层介质板32、接收负载线圈33和接收谐振线圈34，接收负载线圈33为一个四方环形线圈，接收谐振线圈34为4个带缺口的四方谐振环。
接收模块3中的接收下层介质板31与接收上层介质板32的材质相同、厚度相同，接收下层介质板31比接收上层介质板32长2mm。
接收模块3中的接收负载线圈33设置在接收下层介质板31与接收上层介质板32共有面的最外部。接收谐振线圈34中设置的四个带缺口的四方谐振环，第一个接收谐振线圈35、第二个接收谐振线圈36和第三个接收谐振线圈37依次从大到小同心设置于接收下层介质板31的下表面，第四个接收谐振线圈38设置在接收下层介质板31与接收上层介质板32共有面的接收负载线圈33的内部；所述的接收负载线圈33的线圈宽度、第一个接收谐振线圈35的线圈宽度、第二个接收谐振线圈36的线圈宽度、第三个接收谐振线圈37的线圈宽度和第四个接收谐振线圈38的线圈宽度相同；第一个接收谐振线圈35和第二个接收谐振线圈36之间的缝隙宽度、第二个接收谐振线圈36和第三个接收谐振线圈37之间的缝隙宽度与接收负载线圈33和第四个接收谐振线圈38之间的缝隙宽度相同。
接收谐振线圈34中的第一个接收谐振线圈35所带的缺口、第二个接收谐振线圈36所带的缺口、第三个接收谐振线圈37所带与第四个接收谐振线圈38所带的缺口的大小相等，为一个正方形缺口，缺口的宽与第四个接收谐振线圈38的宽相等；第一个接收谐振线圈35的缺口方向、第三个接收谐振线圈37的缺口方向与第四个接收谐振线圈38的缺口方向相同，而与第二个接收谐振线圈36的缺口方向相反。
接收模块3的几何参数如下：
接收下层介质板31与接收上层介质板32共有面的中心到接收负载线圈33内沿的距离为4.5mm；接收负载线圈33与第四个接收谐振线圈38之间的缝隙为0.2mm；接收负载线圈33的线宽为0.5mm；接收上层介质板32的介电常数为10.2；接收上层介质板32的厚度为0.635mm。接收上层介质板32的大小为10mm×10mm×0.635mm。
图6为本发明接收模块3的反射系数随频率变化曲线图。图6中的横轴为频率，纵轴为接收模块3的反射系数，由图6可以看出，接收模块3在低频370～550MHz和高频1.47～2.76GHz的反射系数小于-10dB，即接收模块3可在这两个频段内工作，高频用来进行数据交换，低频进行无线充电，实现可植入设备的供电不需要占用额外的空间。
图7是本发明的仿真图。图7中横轴为收发模块之间的距离，纵轴为系统的传输系数S21。图7中以方形标示的曲线表示基于超材料的可植入无线能量传输系统的传输系数S21，图7中以圆形标示的曲线表示未加超材料的可植入无线能量传输系统的传输系数S21。由图7可以看出，当收发模块之间的传输距离由23mm增加到63mm时，基于超材料的可植入无线能量传输系统的传输系数S21由原来的-15.4dB降为-27.1dB，而同等条件下，未加超材料的可植入无线能量传输系统的传输系数S21由原来的-25dB降为-45.8dB，即当收发模块之间的传输距离由接收模块3的尺寸的2倍增加到接收模块尺寸的6倍时，基于超材料的可植入无线能量传输系统与未加超材料的可植入无线能量传输系统的传输系数S21的下降减小了9dB，即下降速率减小为原来的三分之一，传输距离不再受收发设备尺寸的制约。当收发模块之间的传输距为63mm时，即收发模块之间的传输距离为接收模块尺寸的6倍多时，基于超材料的可植入无线能量传输系统比未加可植入系统的传输系数S21提高了18.7dB，即传输效率提高到原来的六倍，系统的传输效率有显著的改善。
Claims (8)
1.一种基于超材料的可植入无线能量传输装置，包括发射模块(1)、超材料中继模块(2)和接收模块(3)，其特征在于：
所述的发射模块(1)，用于无线能量的发射；所述的发射模块(1)包括发射激励线圈(11)，发射谐振线圈(12)和一块发射介质板(13)；所述的发射激励线圈(11)位于发射谐振线圈(12)的内部，设置于发射介质板(13)的下表面，构成平板型结构；
所述的超材料中继模块(2)，用于将发射模块(1)产生的磁场进行汇聚后耦合到接收模块(3)；所述的超材料中继模块(2)由n×n个结构单元组成，每个结构单元采用磁导率为负的超材料，每个结构单元包括一个超材料中继介质板和两个相同的匝数大于等于4的平面方形螺旋线圈，其中每两个平面方形螺旋线圈对称的设置在超材料中继介质板的上下表面；
所述的接收模块(3)，用于无线能量的接收；所述的接收模块(3)包括接收下层介质板(31)、接收上层介质板(32)、接收负载线圈(33)和接收谐振线圈(34)，接收负载线圈(33)为一个四方环形线圈，接收谐振线圈(34)为4个带缺口的四方谐振环。
2.根据权利要求1所述的基于超材料的可植入无线能量传输装置，其特征在于，所述发射模块(1)中的发射激励线圈(11)为一个四方环形线圈，发射谐振线圈(12)由两个同心的带相同缺口的四方环形线圈组成，缺口为一个矩形缺口，其长为0.5mm～8mm，其宽与四方环形线圈的宽相等，相邻的带相同缺口的四方环形线圈之间的缝隙宽度相同，每个缺口的一端都与相邻缺口的另一端相连，且连接线的线宽与四方环形线圈的线宽相同。
3.根据权利要求1所述的基于超材料的可植入无线能量传输装置，其特征在于，所述发射模块(1)的几何参数如下：
发射介质板(13)下表面的中心点到发射激励线圈(11)内沿的距离为2mm～14mm；
发射介质板(13)下表面的中心点到发射谐振线圈(12)内沿的距离为4mm～20mm；
发射激励线圈(11)与发射谐振线圈(12)的线宽相同为0.5mm～4mm；
发射谐振线圈(12)的相邻两个带相同缺口的四方环形线圈之间的缝隙宽度为0.5mm～3mm；
发射介质板(13)的介电常数为4.0～4.8；
发射介质板(13)的厚度为1.4mm～1.6mm。
4.根据权利要求1所述的基于超材料的可植入无线能量传输装置，其特征在于，所述的超材料中继模块(2)的每个结构单元的几何参数如下：
超材料中继介质板上表面的中心到平面方形螺旋线圈最内环的线径为0.6mm～4mm；
超材料中继介质板上表面的平面方形螺旋线圈的线宽为0.1mm～0.6mm；
超材料中继介质板上表面的平面方形螺旋线圈的螺距为0.1mm～0.4mm；
超材料中继介质板的介电常数为2.4～2.7；
超材料中继介质板的厚度为0.5mm～2mm。
5.根据权利要求1所述的基于超材料的可植入无线能量传输装置，其特征在于，所述的接收模块(3)中的接收下层介质板(31)与接收上层介质板(32)的材质相同、厚度相同，接收下层介质板(31)比接收上层介质板(32)长1～2mm。
6.根据权利要求1所述的基于超材料的可植入无线能量传输装置，其特征在于，所述接收模块(3)中的接收负载线圈(33)设置在接收下层介质板(31)与接收上层介质板(32)共有面的最外部，所述的接收谐振线圈(34)中设置的四个带缺口的四方谐振环，第一个接收谐振线圈(35)、第二个接收谐振线圈(36)和第三个接收谐振线圈(37)依次从大到小同心设置于接收下层介质板(31)的下表面，第四个接收谐振线圈(38)设置在接收下层介质板(31)与接收上层介质板(32)共有面的接收负载线圈(33)的内部；所述的接收负载线圈(33)的线圈宽度、第一个接收谐振线圈(35)的线圈宽度、第二个接收谐振线圈(36)的线圈宽度、第三个接收谐振线圈(37)的线圈宽度和第四个接收谐振线圈(38)的线圈宽度相同；第一个接收谐振线圈(35)和第二个接收谐振线圈(36)之间的缝隙宽度、第二个接收谐振线圈(36)和第三个接收谐振线圈(37)之间的缝隙宽度与接收负载线圈(33)和第四个接收谐振线圈(38)之间的缝隙宽度相同。
7.根据权利要求6所述的基于超材料的可植入无线能量传输装置，其特征在于，所述接收谐振线圈(34)中的第一个接收谐振线圈(35)所带的缺口、第二个接收谐振线圈(36)所带的缺口、第三个接收谐振线圈(37)所带与第四个接收谐振线圈(38)所带的缺口的大小相等，为一个正方形缺口，缺口的宽与第四个接收谐振线圈(38)的宽相等；第一个接收谐振线圈(35)的缺口方向、第三个接收谐振线圈(37)的缺口方向与第四个接收谐振线圈(38)的缺口方向相同，而与第二个接收谐振线圈(36)的缺口方向相反。
8.根据权利要求1或权利要求6所述的基于超材料的可植入无线能量传输装置，其特征在于，所述接收模块(3)的几何参数如下：
接收下层介质板(31)与接收上层介质板(32)共有面的中心到接收负载线圈(33)内沿的距离为3mm～7mm；
接收负载线圈(33)与第四个接收谐振线圈(38)之间的缝隙为0.1mm～0.3mm；
接收负载线圈(33)的线宽为0.2mm～0.6mm；
接收上层介质板(32)的介电常数为10.2；
接收上层介质板(32)的厚度为0.635mm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |