【摘要】：隨著生物醫(yī)療和微電子技術(shù)的飛速發(fā)展,植入式醫(yī)療逐漸成為輔助治療和健康監(jiān)測(cè)的重要手段。植入式醫(yī)療器件能夠有效地獲取人體的各項(xiàng)生理信號(hào)和進(jìn)行植入式定點(diǎn)治療,從而有助于制定更加合理高效的治療康復(fù)方案。然而這些植入式醫(yī)療器件的供電一直是限制其發(fā)展的重要因素,傳統(tǒng)的電池供電有諸多弊端如體積龐大、需要定期更換、生物兼容性差和安全性等問題。無線能量傳輸能夠有效地解決上述問題。相比于電感耦合型,基于磁諧振的無線能量傳輸系統(tǒng),具有更高的傳輸效率以及抗干擾能力。針對(duì)植入式醫(yī)療器件的無線供電,本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于柔性立體雙線圈的磁共振無線能量傳輸系統(tǒng)。首先建立了基于雙線圈的磁耦合諧振電路模型,分析得到了提高諧振線圈的電感值和品質(zhì)因數(shù)能夠有效地改善能量傳輸系統(tǒng)的傳輸效率和性能。利用高頻電磁仿真軟件HFSS建立線圈參數(shù)化模型,分別對(duì)線圈的匝數(shù)、半徑、導(dǎo)線間距以及線寬進(jìn)行仿真優(yōu)化,分析了這些結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)線圈電感值和品質(zhì)因數(shù)的影響,并且得到了最優(yōu)化的線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)。為了保證輸入信號(hào)的最大功率傳輸,設(shè)計(jì)了前級(jí)耦合諧振模型的阻抗匹配,并在HFSS中建立和仿真阻抗匹配之后的諧振電路以及耦合諧振模型,在諧振頻率點(diǎn)13.56MHz處,S11達(dá)到-30dB,實(shí)現(xiàn)了良好的阻抗匹配。分別設(shè)計(jì)了接收端的信號(hào)處理模塊,在Multisim中對(duì)整流、濾波、穩(wěn)壓模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)并仿真。在此基礎(chǔ)上搭建上述模塊的實(shí)際電路,并測(cè)試驗(yàn)證其功能。最終,利用兩個(gè)半徑為10mm的柔性立體線圈搭建了前級(jí)耦合諧振回路,接收端的全波整流和低通濾波以及穩(wěn)壓模塊提供穩(wěn)定電壓輸出,搭建并測(cè)試無線能量傳輸系統(tǒng)。測(cè)試結(jié)果表明:當(dāng)傳輸距離為2mm,負(fù)載為1OOOΩΩ,輸入信號(hào)頻率為13.56MHz,輸入功率為200mW時(shí),輸出負(fù)載端電壓為8.35 V,輸出功率為70mW,系統(tǒng)的最大傳輸效率為35%。
【圖文】：

氣盒子有助于快速仿真求解。逡逑在對(duì)求解模型、仿真頻率范圍、激勵(lì)端口、走線以及空氣盒子設(shè)置完成之后，逡逑ＨＦＳＳ中創(chuàng)建的線圈模型如下圖３－１所示：逡逑魏逡逑圖３－１邋ＨＦＳＳ中創(chuàng)建的柔性諧振線圈模型逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋３－１邋Ｆｌｅｘｉｂｌｅ邋ｒｅｓｏｎａｎｔ邋ｃｏｉｌ邋ｍｏｄｅｌ邋ｂｕｉｌｔ邋ｉｎ邋ＨＦＳＳ逡逑這里給出線圈建模的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下表所示：逡逑表３－１邋ＨＦＳＳ中線圈模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)逡逑Ｔａｂｌｅ邋３－１邋Ｃｏｉｌ邋Ｍｏｄｅｌ邋Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ邋ｉｎ邋ＨＦＳＳ逡逑＾邋線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)邐數(shù)值邐單位逡逑線圈半徑邐１０邐ｍｍ逡逑導(dǎo)線寬度邐０．５邐ｍｍ逡逑導(dǎo)線厚度邐０．５邐ｍｍ逡逑線圈１？數(shù)邐６邐ｔｕｒｎｓ逡逑匣間距邐１邐ｍｍ逡逑邐空氣盒子邊長(zhǎng)邐５００邐ｍｍ邐逡逑在完成對(duì)線圈的建模以及求解設(shè)置之后，運(yùn)行仿真。在ＨＦＳＳ里面會(huì)有很多的逡逑仿真圖表，這里我們將重點(diǎn)關(guān)注線圈的阻抗、電感值、以及品質(zhì)因數(shù)的仿真分析。逡逑首先查看線圈阻抗隨頻率變化的曲線

頻率稱之為自諧振頻率［５４］。當(dāng)頻率進(jìn)一步升高，整個(gè)線圈對(duì)外會(huì)呈現(xiàn)容性，線圈逡逑失去了原有的電感元件特性。逡逑從圖３－３的阻抗特性曲線更能證實(shí)這一結(jié)論。當(dāng)頻率低于１５３ＭＨｚ時(shí)，整個(gè)線逡逑圈的阻抗隨著頻率的升高而增大。當(dāng)頻率到達(dá)１５３ＭＨｚ時(shí)，阻抗的實(shí)部即電阻達(dá)逡逑到了最大值，而此時(shí)阻抗的虛部電抗成為了零。這時(shí)線圈處于自諧振的狀態(tài)，此逡逑時(shí)的頻率為線圈的自諧振頻率。當(dāng)外加頻率大于自諧振頻率時(shí)，，線圈的電抗部分逡逑是負(fù)值，呈現(xiàn)電容特性。逡逑１８逡逑
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TH789;O482.531

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