CN106691439A - 多载波无线射频能量传输系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于可植入式电子医疗设备的多载波无线射频能量传输系统，其中，经过优化设计的多载波合成波形具有较高的峰值均值比，在有限的带宽内提高了射频能量转换效率。在符合生物组织内功率传输标准的条件下，该无线射频能量传输系统可以获得更深的传输深度和更高的能量转换效率。还公开了一种多载波无线射频能量传输方法。

Description

多载波无线射频能量传输系统及方法

技术领域

本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种用于可植入式电子医疗设备的多载波无线射频能量传输系统以及能量传输方法。

背景技术

现阶段的医疗领域应用了越来越多的电子设备，包括可植入式脑电波记录芯片和神经电刺激器等。这些可植入式设备可能需要外部能量源来提供令其完成操作的能量。为满足植入患者体内的电子设备的功率需求，传统解决方案往往采用连接至外部电源的经皮电缆，这增加了患者感染的可能性，降低了舒适度。另一方面，可植入式设备的电池寿命是有限的，更换电池时的手术增加了患者额外的负担和风险。

无线射频能量传输作为一种新型能量传输方式，为现有的可植入式电子医疗设备提供了更方便和安全的能量来源。为实现无线射频能量传输，一个完整的系统包括发射端和接收端。其中，发射端包括波形生成电路、功率放大电路以及发射天线或感应线圈；接收端包括整流电路和电源管理电路。现有的无线射频能量传输系统可以分为近场传输和远场传输。在近场无线射频能量传输系统中，射频能量是通过两个谐振在同一频率的感应线圈之间的耦合进行传递的。在远场无线射频能量传输系统中，接收端吸收来自发射端天线发射的射频辐射能量。

目前针对可植入式电子医疗设备的无线射频能量传输系统，主要面临着生物体内传输安全性以及在复杂生物介质中射频能量传输效率低等问题，而相应的优化解决方案主要集中在通过改进发射端和接收端电路的设计，来提高能量传输效率。但是，在无线射频能量传输波形的优化设计方面仍处于一片空白。

发明内容

基于此，有必要提供一种对传输波形进行了优化的、高效率的无线射频能量传输系统和方法。

根据本发明的一方面，提供了一种用于可植入式电子医疗设备的多载波无线射频能量传输系统，包括：

发射端，其位于患者体外，被配置为发射所述多载波合成波形，所述发射端包括载波生成电路、多载波合成电路、系统电源和发射线圈，所述载波生成电路用于基于数字信号处理器生成多路副载波，所述多载波合成电路用于将所述副载波合成为多载波合成波形，所述发射线圈用于发射所述多载波合成波形；以及

接收端，其与植入式电子医疗设备一起位于患者体内，被配置为接收所述发射端产生的多载波合成波形，所述接收端包括整流电路、电源管理电路以及接收线圈，所述接收线圈用于从发射端接收所述多载波合成波形，所述整流电路用于将射频能量转换为直流能量。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于可植入式电子医疗设备的多载波无线射频能量传输方法，包括：

生成多路副载波；

将所述副载波合成为多载波合成波形并无线传输该多载波合成波形；

接收所述多载波合成波形；

将射频能量转换为直流能量；

向可植入式电子医疗设备提供所述直流能量。

在本发明的多载波无线射频能量传输系统中，传输波形是经过特别优化设计的多载波合成波形。通过对副载波的个数、幅值以及在带宽标准允许的范围内的频率间隔等参数的设计和优化，使得合成波形具有较高的峰值均值比（PAPR），从而实现射频能量的集中传输。该特性可以在接收端整流电路中获得更高的能量转换效率，同时提高了系统接收端的响应距离。

对比传统的连续波能量输出，本发明的新型无线射频能量传输系统能够在相同的输入功率下获得更高的能量转换效率，为可植入式电子医疗设备提供更大的响应距离和更高的转换效率，同时，作用于人体的辐射时间短、效率高、安全性好，显著地避免了在无线能量传输中产生不必要的热效应，因此具有非常广阔的实际应用前景。

附图说明

图1为根据本发明一个实施例的多载波无线射频能量传输系统的应用于人体的示意图；

图2A为传统连续波传输的波形频谱、时域波形与整流后波形图；

图2B为三频副载波合成传输波形（平均分布）频谱、时域波形与整流后波形图；

图2C为三频副载波合成传输波形（高斯分布）频谱、时域波形与整流后波形图；

图2D为五频副载波合成传输波形（平均分布）频谱、时域波形与整流后波形图；

图2E为五频副载波合成传输波形（高斯分布）频谱、时域波形与整流后波形图；

图3为展示不同副载波数对多载波无线射频能量传输系统的影响的图示；

图4为根据本发明一个实施例的多载波无线射频能量传输系统的发射端结构示意图；

图5为根据本发明一个实施例的多载波无线射频能量传输系统的接收端结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了用于可植入式电子医疗设备的多载波无线射频能量传输系统。该系统包括位于患者体外的多载波发射端和位于患者体内的接收端。多载波发射端电路驱动发射线圈，产生振荡磁场，该振荡磁场可以被接收端电路的接收线圈所捕获，并被转换成直流输出，后续向可植入式电子医疗设备提供能量。

图2A到2E示出了多载波无线射频能量传输系统的对照例和数个实施例中的优化设计的频谱与时域传输波形图。这些例子系统均采用6.78MHz作为工作频段传输1mW射频能量，此频段符合A4WP联盟协议标准并被广泛用于传统无线射频能量传输系统。

对照例

如图2A所示，该对照例采用传统无线射频能量传输系统所使用的单频连续正弦波形进行生物体内的能量传输，其整流后的输出电压的直流分量为0.3V。

实施例 1

如图2B所示，在实施例1中，发明人设计了三载波均匀分布的传输波形，该传输波形的频谱如图2B中左图所示，其中三载波之间的频率间隔为20kHz。从图2B中右图所示的时域传输波形整流后的输出电压波形中，可以看出，整流后输出电压在0.38V~0.52V之间轻微波动，输出直流分量为0.45V。由于电源管理芯片具有较宽的输入电压范围，轻微的电压波动不会影响该无线射频能量传输系统的性能。

实施例 2

如图2C所示，在实施例2中，发明人设计了三载波高斯分布的传输波形，该传输波形的频谱如图2C中左图所示。如图2C中右图的时域波形图所示，该高斯分布的波形可以将能量更多的集中在主峰值上，整流后输出波形在0.38V~ 0.54V之间轻微波动，具有0.46V的直流分量。

实施例 3

如图2D所示，在实施例3中，发明人设计了五载波均匀分布的传输波形，该传输波形的频谱如图2D中左图所示。如图2D中右图的时域波形图所示，整流后具有0.58V的直流分量。因此，采用五载波传输波形大大地提高了输出波形的幅值，以更集中地传输能量，从而获得更高的能量转换效率。

实施例 4

如图2E所示，在实施例4中，发明人设计了五载波高斯分布的传输波形，该传输波形的频谱如图2E中左图所示。如图2E中右图的时域波形图所示，整流后获得了0.6V的直流分量。可见，通过增加副载波个数以及采用高斯分布的副载波，能量传输效率提高了。

由实施例可知，多载波传输波形具有以下特征：

（1）在标准带宽范围内，副载波的个数与射频能量转换效率的提高呈正相关。如图2A、2B、2D和图3所示，多载波无线射频能量传输系统整流后的输出波形的幅值随副载波个数的增加而提升。图3也示出了在输入功率不同的条件下，副载波个数的增加能够有效地提高无线射频能量传输系统的能量转换效率。

（2）在相同输入功率下，不同的副载波频谱分布对应射频能量转换效率的不同程度的提高，在本发明的图2C、2E中，高斯分布的副载波频谱对应更高的输出波形幅值，意味着更高的射频能量转换效率。

（3）在标准带宽范围内，副载波之间的频率间隔与射频能量转换效率的提高是相关的，在确定了副载波个数和频谱的情况下，存在最优的副载波频率间隔，其能够使得多载波无线射频能量传输获得最大的能量转换效率提高。

在图2B到2E的实施例中，多载波合成波形具有较高的峰值均值比（PAPR），以实现在有限的带宽范围内对所需的射频能量进行集中传输，从而获得更高的能量转换效率。通过与外部设备相连的通信接口，优化调整多载波传输波形中的副载波个数、幅值以及副载波间频率间隔等参数，可以设计开发适用于不同环境和不同要求下的无线射频能量传输模式。

根据国际标准，在复杂生物介质内，无线射频能量的传输存在最大可传输能量的限制。图2A所示的连续波能量传输会对人体组织产生持续的热效应，可能导致体内组织受损；而图2B到2E所示的多载波能量传输，在传输相同功率能量的前提下，只间断地在一个信号周期中较短的时间内对人体组织产生一定的热效应，而在传输的绝大部分时间不会对人体组织产生显著的热效应。因此，本发明所述多载波无线能量在生物组织内的传输具有更高的安全性。与此同时，多载波无线射频能量传输可以在符合生物组织内射频能量传输标准的条件下获得更高的能量转换效率以及更深的传输深度。

图4和图5示出了根据一个实施例的多载波无线射频能量传输系统的发射端和接收端电路。其中，发射线圈与接收线圈相互感应耦合，以进行无线能量传输。

根据该实施例，多载波无线射频能量传输系统发射端包括载波生成电路、功率放大电路、多载波合成电路、发射线圈Tx、系统电源和时钟、以及通信接口。

所述发射端载波生成电路包括基于数字信号处理器（DSP）的多路数字信号产生电路（图中未示出），用于生成所需幅值和频率的副载波。由于所述多路数字信号产生电路均工作在同一系统时钟下，因而可确保后续电路能够完成同相位多载波合成。

根据功率放大电路的特性，其在放大具有高峰值均值比的信号的过程中会引入非线性损耗，降低系统能量转换效率。因此，在发射端后续电路中，本发明采用了优化的系统框架，对进行了功率放大的多路副载波进行同相位合成，减少了系统的非线性能量损耗，从而提高了系统能量传输传输效率。

图5所示的多载波无线射频能量传输系统的接收端电路包括接收线圈Rx、阻抗匹配电路、整流电路、滤波和谐波整流电路以及电源管理电路，用于接收发射端产生的多载波能量并为植入生物体内的电子医疗设备提供工作电源。

根据所述实施例，所述阻抗匹配电路包括谐振电路以及阻抗变换电路（图中未示出）。其中，阻抗变换电路用于完成接收线圈与整流电路间的阻抗匹配，减少整流电路中产生的谐波反射和系统的能量损耗，其可以通过独立元件或微带线微波电路实现；谐振电路包括并联谐振电路或串联谐振电路。谐振的特征频率由以下公式给出：

可通过调节谐振电路的电感L或电容C来改变谐振电路的谐振频率。

根据所述实施例，所述整流电路将接收线圈Rx接收到的无线能量转换为能够驱动后续电路的直流输出，以确保可植入式电子医疗设备的正常工作。其中，整流拓扑结构包括：串联整流电路，并联整流电流源以及倍压整流电路。由于无线射频能量在复杂生物介质内传播时会产生较大的损耗，因此，本实施例中采用倍压电路，对接收到的无线射频能量进行整流，从而在输出端获得较高的输出电压。

根据所述实施例，所述滤波电路以及谐波整流电路用于滤除高频谐波和对多载波间谐波进行二次整流。其中，滤波电路通过并联电容或微带线枝节实现；谐波整流电路针对输出端具有较大纹波的直流信号中的非直流分量进行二次整流，提高了系统能量转换效率，同时获得了更稳定的直流输出。

根据所述实施例，所述电源管理电路包括DC-DC转换器。由于生物组织内功率传输标准的限制以及生物组织内功率传输存在较大的损耗，经过转换得到的直流电压往往低于可植入电子设备的工作电压。因此，本发明采用了DC-DC升压转化器，该DC-DC升压转换器具有较宽的输入电压范围，同时可以将输入电压转换成稳定的3.3V或5V输出电压，以为后续电路提供能量来源。

根据所述实施例，所述电源管理电路包括储能元件，用于对经过整流电路处理后的无线能量进行存储，通过储能元件存储的无线能量向负载提供持续的工作电压，以保证负载的正常工作。具体来说，在发射端电路发送无线射频能量的过程中，接收端电路接收无线能量，并将该能量的一部分提供给负载；另一部分能量存储在储能元件中，在发射端电路不发送无线能量或系统接收能量低于器件额定消耗功率时，由储能元件向负载提供额外能量，以保证负载系统的正常工作。其中，储能元件可以是薄膜电池，锂电池或超级电容等各种新型充电材料。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (16)

1. 一种用于可植入式电子医疗设备的多载波无线射频能量传输系统，包括：

发射端，其位于患者体外，被配置为发射所述多载波合成波形，所述发射端包括载波生成电路、多载波合成电路、系统电源和发射线圈，所述载波生成电路用于基于数字信号处理器生成多路副载波，所述多载波合成电路用于将所述副载波合成为多载波合成波形，所述发射线圈用于发射所述多载波合成波形；以及

接收端，其与可植入式电子医疗设备一起位于患者体内，被配置为接收所述发射端产生的多载波合成波形并向所述可植入式电子医疗设备提供能量，所述接收端包括整流电路、电源管理电路以及接收线圈，所述接收线圈用于从发射端接收所述多载波合成波形，所述整流电路用于将射频能量转换为直流能量。

2. 根据权利要求1 所述的多载波无线射频能量传输系统，其特征在于，所述发射端包括时钟，且所述载波生成电路包括多个同时钟数字信号产生电路，用于产生多路同相位副载波信号。

3. 根据权利要求1 所述的多载波无线射频能量传输系统，其特征在于，所述发射端包括功率放大电路，用于在进行所述合成之前对所述副载波进行功率放大。

4. 根据权利要求3所述的多载波无线射频能量传输系统，其特征在于，所述功率放大电路包括多路功率放大子电路，用于对生成的所述多路副载波分别进行功率放大。

5. 根据权利要求1 所述的多载波无线射频能量传输系统，其特征在于，所述发射端包括通信接口，用于与外部设备相连以传输载波参数，所述载波参数包括但不限于副载波个数、幅值以及副载波间的频率间隔。

6. 根据权利要求1 所述的多载波无线射频能量传输系统，其特征在于，所述接收端包括阻抗匹配电路，该阻抗匹配电路包括谐振元件和阻抗变换电路，所述谐振元件用于接收端感应线圈的耦合，所述阻抗变换电路用于进行接收线圈与整流电路之间的阻抗匹配。

7. 根据权利要求1 所述的多载波无线射频能量传输系统，其特征在于，所述接收端包括滤波电路以及谐波整流电路，用于滤除高频谐波和多载波间谐波。

8. 根据权利要求1 所述的多载波无线射频能量传输系统，其特征在于，所述电源管理电路包括DC-DC转换器，用于将所述直流输出升压为预定电压。

9. 根据权利要求1 所述的多载波无线射频能量传输系统，其特征在于，所述电源管理电路包括选自下述的储能元件：薄膜电池、锂电池和超级电容。

10. 一种用于可植入式电子医疗设备的多载波无线射频能量传输方法，包括：

生成多路副载波；

将所述副载波合成为多载波合成波形并无线传输该多载波合成波形；

接收所述多载波合成波形；

将射频能量转换为直流能量；

向可植入式电子医疗设备提供所述直流能量。

11. 根据权利要求10所述的多载波无线射频能量传输方法，其特征在于，所述生成多路副载波的步骤包括产生多路同相位副载波信号。

12. 根据权利要求10所述的多载波无线射频能量传输方法，其特征在于，在所述将所述副载波合成为多载波合成波形并无线传输该多载波合成波形的步骤之前，所述方法还包括利用功率放大电路在进行所述合成之前对所述副载波进行功率放大。

13. 根据权利要求12所述的多载波无线射频能量传输方法，其特征在于，所述功率放大电路包括多路功率放大子电路，用于对生成的所述多路副载波分别进行功率放大。

14. 根据权利要求10所述的多载波无线射频能量传输方法，其特征在于，所述生成多路副载波的步骤包括根据载波参数生成多路副载波，所述载波参数包括但不限于副载波个数、幅值以及副载波间的频率间隔。

15. 根据权利要求10所述的多载波无线射频能量传输方法，其特征在于，所述接收所述多载波合成波形的步骤包括滤除高频谐波和多载波间谐波。

16. 根据权利要求10所述的多载波无线射频能量传输方法，其特征在于，所述将射频能量转换为直流能量的步骤包括将直流输出升压为预定电压。