一種多電極構(gòu)成的多天線高效率射頻能量收集器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于醫(yī)療電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種植入式醫(yī)療電子設(shè)備無線供電器件，更 具體是涉及一種多電極構(gòu)成的多天線高效率射頻能量收集器。
【背景技術(shù)】
[0002] 能量收集是通過特定的裝置收集微能量，然后將它們轉(zhuǎn)換成電能并對(duì)其存儲(chǔ)與利 用的過程。能量收集主要應(yīng)用在低功耗的電子設(shè)備中，例如無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和可穿戴電子 產(chǎn)品等。近幾十年來，隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，射頻能量正在從世界各地?cái)?shù)十億的無 線電發(fā)射器中發(fā)射而出，這些發(fā)射器包括移動(dòng)電話、移動(dòng)電話基站和電視/電臺(tái)信號(hào)發(fā)射 基站等。這使得射頻能量收集在全世界范圍內(nèi)都具有商業(yè)可行性。利用這些能量為設(shè)備供 電能夠節(jié)省能源，降低設(shè)備對(duì)電池的需求。其次，不使用電池的設(shè)備也可以設(shè)計(jì)成一種得到 能量就能運(yùn)行或有足夠的充電累積就會(huì)運(yùn)行的裝置。相比于其它能量源，射頻能量源有其 獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。它不受時(shí)間限制，可在傳輸源的范圍內(nèi)自由移動(dòng)，可控性強(qiáng)。并且可以利用可 充電電池或超級(jí)電容存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換的射頻能量，供隨時(shí)使用。第三，很多植入式醫(yī)療電子設(shè)備都 具有多個(gè)電極（如神經(jīng)刺激器等），這些電極可以充當(dāng)射頻能量收集電路的天線。因此，利 用射頻能量來為一些低功耗電路供電已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。但是現(xiàn)有射頻能量收集技術(shù)存在 以下局限性：1)收集到的能量較小，獲得的直流電壓過低，直流電流過小；2)收集能量的效 率較低（低于1% ) ;3)需要配置單獨(dú)的天線。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，解決現(xiàn)有射頻能量收集器收 集的能量小、效率低、配置復(fù)雜的技術(shù)問題，提供一種多電極構(gòu)成的多天線高效率射頻能量 收集器。
[0004] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：
[0005] -種多電極構(gòu)成的多天線高效率射頻能量收集器，由第一至第四天線1、第一至第 四匹配網(wǎng)絡(luò)2、第一至第三微變壓器3、多級(jí)倍壓整流網(wǎng)絡(luò)4、直流穩(wěn)壓模塊5和能量貯存器 6組成。所述天線1用來接收射頻能量。所述匹配網(wǎng)絡(luò)2完成射頻信號(hào)和后級(jí)網(wǎng)絡(luò)之間的 功率或阻抗匹配，實(shí)現(xiàn)射頻能量的最大傳遞。所述微變壓器3用于提高接收到的微弱交流 電壓和匯聚微弱電流。所述多級(jí)倍壓整流網(wǎng)絡(luò)4通過逐級(jí)累加的方式實(shí)現(xiàn)電壓的抬升，從 而將微弱的電壓轉(zhuǎn)換成可供利用的直流電壓。所述直流穩(wěn)壓模塊5將所述多級(jí)倍壓整流網(wǎng) 絡(luò)4的輸出進(jìn)行穩(wěn)壓，輸出穩(wěn)定的直流電壓。所述能量貯存器6用于儲(chǔ)存所收集到的能量。
[0006] 所述第一至第四天線1的輸出端分別連接所述第一至第四匹配網(wǎng)絡(luò)2的輸入端， 其中所述第一匹配網(wǎng)絡(luò)2和第二匹配網(wǎng)絡(luò)2的輸出端分別連接所述第一微變壓器3的兩個(gè) 輸入端；所述第三匹配網(wǎng)絡(luò)2和第四匹配網(wǎng)絡(luò)2的輸出端分別連接所述第二微變壓器3的 兩個(gè)輸入端；所述第一微變壓器3和第二微變壓器3的輸出端分別連接所述第三微變壓器 3的兩個(gè)輸入端；所述第三微變壓器3的輸出端依順序與多級(jí)倍壓整流網(wǎng)絡(luò)4、直流穩(wěn)壓模 塊5和能量貯存器6級(jí)聯(lián)。
[0007] 上述的天線1為植入式醫(yī)療電子設(shè)備的電極。
[0008] 上述匹配網(wǎng)絡(luò)為L-型電感-電容（LC)網(wǎng)絡(luò)或由金屬微帶線構(gòu)成的匹配網(wǎng)絡(luò)。
[0009] 上述的微變壓器3為金屬微帶線構(gòu)成的集成變壓器。
[0010] 上述的多級(jí)倍壓整流網(wǎng)絡(luò)4由多個(gè)單級(jí)倍壓整流網(wǎng)絡(luò)依次級(jí)聯(lián)或依次梯形連接 構(gòu)成，每個(gè)單級(jí)倍壓整流網(wǎng)絡(luò)中的整流二極管都選用甚高頻段的肖特基二極管。
[0011] 上述的能量貯存器6為可充電微電池或儲(chǔ)能電容中任一種，優(yōu)選可充電微電池。
[0012] 本發(fā)明的一種多電極構(gòu)成的多天線高效率射頻能量收集器與現(xiàn)有技術(shù)相比具有 如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：
[0013] 1、收集的能量比單天線大，因此能夠產(chǎn)生足夠高的直流電壓和電流以驅(qū)動(dòng)低功耗 植入式醫(yī)療電子設(shè)備；
[0014] 2、收集能量的效率比單天線高，天線越多其效率就越高，因此能量損耗較單天線 小；
[0015] 3、可以將醫(yī)療電子設(shè)備（如神經(jīng)刺激器）中的多組電極當(dāng)做天線使用，因此無需 單獨(dú)配置天線，達(dá)到既提高性能又不額外增加成本以及增大設(shè)備體積的目的。
【附圖說明】
[0016] 圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，圖中：1.天線；2.匹配網(wǎng)絡(luò)；3.微變壓器；4.多級(jí)倍 壓整流網(wǎng)絡(luò)；5.直流穩(wěn)壓模塊；6.能量貯存器。
[0017] 圖2為匹配網(wǎng)絡(luò)2的電路圖。
[0018] 圖3為微變壓器3的結(jié)構(gòu)圖。
[0019] 圖4為多級(jí)倍壓整流網(wǎng)絡(luò)4的電路圖。
[0020] 圖5為直流穩(wěn)壓模塊5的電路圖。
[0021 ] 圖6為能量貯存器6的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 為了加深對(duì)本發(fā)明的理解，下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳述，該 實(shí)施例僅用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限定。
[0023] 如圖1至圖6所示，一種多電極構(gòu)成的多天線高效率射頻能量收集器，由第一至第 四天線1、第一至第四匹配網(wǎng)絡(luò)2、第一至第三微變壓器3、多級(jí)倍壓整流網(wǎng)絡(luò)4、直流穩(wěn)壓模 塊5和能量貯存器6組成。所述第一至第四天線1的輸出端分別連接所述第一至第四匹配 網(wǎng)絡(luò)2的輸入端，其中所述第一匹配網(wǎng)絡(luò)2和第二匹配網(wǎng)絡(luò)2的輸出端分別連接所述第一 微變壓器3的兩個(gè)輸入端；所述第三匹配網(wǎng)絡(luò)2和第四匹配網(wǎng)絡(luò)2的輸出端分別連接所述 第二微變壓器3的兩個(gè)輸入端；所述第一微變壓器3和第二微變壓器3的輸出端分別連接 所述第三微變壓器3的兩個(gè)輸入端；所述第三微變壓器3的輸出端依順序與多級(jí)倍壓整流 網(wǎng)絡(luò)4、直流穩(wěn)壓模塊5和能量貯存器6級(jí)聯(lián)。
[0024] 所述天線1用鉑電極實(shí)現(xiàn)。若電極長度固定，則根據(jù)其長度選擇合適的射頻信 號(hào)。若電極長度可調(diào)，其長度根據(jù)接收射頻信號(hào)的頻率確定，例如接收的射頻信號(hào)為2. 4GHz 時(shí)，若選1/4波長的電極，其長度為3. 125cm。所述匹配網(wǎng)絡(luò)2由L-型電感-電容（LC)網(wǎng) 絡(luò)實(shí)現(xiàn)，如圖2所示，其中電感L的輸入端與所述天線1輸入端連接，電感L的輸出端與所 述微變壓器3的輸入端和電容C的一端相連接，電容C的另一端與所述天線1輸入端的另 一端和微變壓器3輸入端的另一端相連接。其電感值和電容值根據(jù)接收信號(hào)頻率和后級(jí)網(wǎng) 絡(luò)的輸入阻抗確定。例如對(duì)2. 4GHz射頻信號(hào)，若后級(jí)網(wǎng)絡(luò)輸入阻抗為50Ω，此時(shí)L為5nH，C 為10pF。所述微變壓器3為金屬微帶線構(gòu)成的集成變壓器，如圖3所示，其初級(jí)線圈由相互 隔開的3圈以軸心為對(duì)稱的正方形微帶線圈串聯(lián)構(gòu)成（其中間有抽頭用于接地；初級(jí) 線圈的內(nèi)徑為100μπι、線寬為20μπκ線距為3μπι;其次級(jí)線圈由與初級(jí)線圈同軸的1圈外 徑為278μm、線寬為20μm、線距為3μm的金屬微帶線構(gòu)成（^：^ )。
[0025] 所述多級(jí)倍壓整流網(wǎng)絡(luò)4如圖4所示，由8個(gè)單級(jí)倍壓整流網(wǎng)絡(luò)依次梯形連接而 成。第一級(jí)單級(jí)倍壓整流網(wǎng)絡(luò)由C1、C2、D1和D2構(gòu)成，其中C1的一端接輸入端，其另一端 與D1的陰極和D2的陽極相連，D2的陰極與C2的一端相連，D1的陽極和C2的另一端同時(shí) 連接另一個(gè)輸入端。第二個(gè)單級(jí)倍壓整流網(wǎng)絡(luò)（C3、C4、D3和D4)的一個(gè)輸入端（即C3的 一端）與第一級(jí)單級(jí)倍壓整流網(wǎng)絡(luò)中D1的陽極相連，其另一個(gè)輸入端（即D3的陽極）與 D2的陰極相連，以此類推。每個(gè)單級(jí)倍壓整流網(wǎng)絡(luò)中的整流二極管都選用甚高頻段的肖特 基二極管，例如可選用AgilentTechnologies公司的HSMS-28sx系列肖特基二極管。所述 直流穩(wěn)壓模塊5如圖5所示，選用低功耗的DC-DC模塊，例如可選用ONSemiconductor公 司的NCP583穩(wěn)壓芯片。所述能量貯存器6如圖6所示，選用可充電鋰離子電池。
[0026] 實(shí)驗(yàn)測(cè)得本實(shí)施例的能量收集效率為2 %。
[0027] 以上實(shí)施例，僅為本發(fā)明較佳的【具體實(shí)施方式】。當(dāng)然，本發(fā)明還可有其它多種實(shí)施 例，在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員，當(dāng)可根據(jù)本 發(fā)明作出各種相應(yīng)的等效設(shè)計(jì)，都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
[0028] 本發(fā)明的一種多電極構(gòu)成的多天線高效率射頻能量收集器，可為低功耗植入式醫(yī) 療電子設(shè)備供電，能有效提高射頻能量收集的功率和效率。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種多電極構(gòu)成的多天線高效率射頻能量收集器，其特征是，由第一至第四天線、第 一至第四匹配網(wǎng)絡(luò)、第一至第三微變壓器、多級(jí)倍壓整流網(wǎng)絡(luò)、直流穩(wěn)壓模塊和能量貯存器 組成；所述第一至第四天線的輸出端分別連接所述第一至第四匹配網(wǎng)絡(luò)的輸入端，其中所 述第一匹配網(wǎng)絡(luò)和第二匹配網(wǎng)絡(luò)的輸出端分別連接所述第一微變壓器的兩個(gè)輸入端；所述 第三匹配網(wǎng)絡(luò)和第四匹配網(wǎng)絡(luò)的輸出端分別連接所述第二微變壓器的兩個(gè)輸入端；所述第 一微變壓器和第二微變壓器的輸出端分別連接所述第三微變壓器的兩個(gè)輸入端；所述第三 微變壓器的輸出端依順序與多級(jí)倍壓整流網(wǎng)絡(luò)、直流穩(wěn)壓模塊和能量貯存器級(jí)聯(lián)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多電極構(gòu)成的多天線高效率射頻能量收集器，其特征 是：所述天線為植入式醫(yī)療電子設(shè)備的電極。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多電極構(gòu)成的多天線高效率射頻能量收集器，其特征 是：所述匹配網(wǎng)絡(luò)為L-型電感-電容LC網(wǎng)絡(luò)或由金屬微帶線構(gòu)成的匹配網(wǎng)絡(luò)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多電極構(gòu)成的多天線高效率射頻能量收集器，其特征 是：所述微變壓器為金屬微帶線構(gòu)成的集成變壓器。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多電極構(gòu)成的多天線高效率射頻能量收集器，其特征 是：所述多級(jí)倍壓整流網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)單級(jí)倍壓整流網(wǎng)絡(luò)依次級(jí)聯(lián)或依次梯形連接構(gòu)成。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種多電極構(gòu)成的多天線高效率射頻能量收集器，其特征 是：所述單級(jí)倍壓整流網(wǎng)絡(luò)中的整流二極管均選用甚高頻段的肖特基二極管。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多電極構(gòu)成的多天線高效率射頻能量收集器，由第一至第四天線、第一至第四匹配網(wǎng)絡(luò)、第一至第三微變壓器、多級(jí)倍壓整流網(wǎng)絡(luò)、直流穩(wěn)壓模塊和能量貯存器組成。所述第一至第四天線的輸出端分別連接所述第一至第四匹配網(wǎng)絡(luò)的輸入端；所述第一匹配網(wǎng)絡(luò)和第二匹配網(wǎng)絡(luò)的輸出端分別連接所述第一微變壓器的兩個(gè)輸入端；所述第三匹配網(wǎng)絡(luò)和第四匹配網(wǎng)絡(luò)的輸出端分別連接所述第二微變壓器的兩個(gè)輸入端；所述第一微變壓器和第二微變壓器的輸出端分別連接所述第三微變壓器的兩個(gè)輸入端；所述第三微變壓器的輸出端依次與多級(jí)倍壓整流網(wǎng)絡(luò)、直流穩(wěn)壓模塊和能量貯存器級(jí)聯(lián)。本發(fā)明可為植入式醫(yī)療電子設(shè)備供電，以提高射頻能量收集的功率和效率。
【IPC分類】H02J50/27
【公開號(hào)】CN105305663
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510698139
【發(fā)明人】李效龍, 康開莉, 王敏, 鄭威, 蘇胤杰
【申請(qǐng)人】江蘇科技大學(xué)
【公開日】2016年2月3日
【申請(qǐng)日】2015年10月22日