МАЛОГАБАРИТНЫЙ РЕЗОНАТОР ДЛЯ БЕСПРОВОДНОЙ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ И ЕГО ИНТЕГРАЦИИ С АНТЕННОЙ ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ Российский патент 2014 года по МПК H01Q19/00 A61N1/08 

Изобретение относится к области энергетики, а более конкретно - к технологиям беспроводной передачи энергии, в частности к беспроводным системам одновременной беспроводной передачи энергии и данных.

Беспроводная передача энергии - развивающаяся технология для мобильных телефонов и портативной бытовой и медицинской электроники. Как правило, используются связанные по магнитному полю резонаторы с одинаковыми собственными резонансными частотами, причем их ближние поля должны быть сильно связаны друг с другом. Резонансная связь по магнитному полю позволяет осуществлять эффективную передачу энергии от передатчика до приемника. Это дает некоторую свободу для пространственного расположения приемника относительно передатчика; возможность передавать энергию через неметаллические поверхности и материалы.

Портативные бытовые электронные устройства, такие как беспроводные наушники, очки дополненной реальности, требующие использования малогабаритных резонаторов для заряда батареи с помощью эффективной беспроводной передачи энергии и встроенных антенн для высокоскоростной передачи данных.

Кохлеарные имплантаты, стимуляторы спинного мозга, инфузионные дозаторы, аппараты искусственного сердца и многие другие имплантируемые медицинские устройства требуют периодической черескожной передачи энергии для подзарядки аккумуляторов. Усилия разработчиков сфокусированы на увеличении срока службы и миниатюризации габаритов устройств. Оба фактора ограничены емкостью и габаритами аккумуляторной батареи, что объясняет актуальность беспроводной передачи энергии.

Другим направлением развития технологии является беспроводной обмен данными с имплантированными устройствами. Для этого требуется малогабаритная антенна с высокой эффективностью, позволяющая передавать данные с высокой скоростью на большие расстояния.

Энергия передается путем связи по магнитному полю между передающим и приемным резонаторами. Обмен данными с беспроводными сетями осуществляется с помощью интегрированной антенной структуры.

Для увеличения дальности связи и мобильности пациента может использоваться радиочастотная (РЧ) телеметрия (с использованием дальней зоны электромагнитного поля). При этом РЧ-приемопередатчик в имплантированном устройстве используется для обмена данными с РЧ-приемопередатчиком во внешнем программаторе. Благодаря использованию РЧ-телеметрии отсутствует необходимость в расположении аппаратуры непосредственно на теле пациента, таким образом, мобильность пациента не ограничена.

Для антенны РЧ-телеметрии требуется пространство в корпусе имплантируемого устройства, катушка индуктивности для беспроводной передачи энергии также требует дополнительного пространства.

В настоящее время известны различные подходы к решению проблемы беспроводной передачи энергии. В частности, в патенте США №645,576 [1] описана система, в которой пара «поднятых терминалов» функционирует в качестве монопольных антенн для излучения и приема электрической энергии по радио. Спиральные нагружающие индукторы используются для достижения резонанса антенны. На расстоянии более λ/2π передача происходит через излучение электромагнитных волн в дальней области. На расстоянии менее λ/2π радиальное реактивное поле антенны (ближнее Е поле) обеспечивает дополнительную связь. Спиральные нагружающие индукторы располагаются вместе с другими намотками, образуя трансформатор для связи генераторов и нагрузок с антеннами. Однако беспроводная передача данных не предусмотрена в данном изобретении.

В патенте США №8,144,066 [2] предложена беспроводная система связи для передачи данных и энергии. Система содержит передающую и приемную рамочные антенны двойной поляризации, имеющие изолированные точки возбуждения сигнала вдоль контура электрического проводника. Устройство беспроводной передачи энергии передает мощный сигнал с первой поляризацией; блок беспроводной связи производит передачу/прием информационного сигнала со второй поляризацией. Требуемый периметр рамочной антенны составляет 1λ; поэтому для типичного частотного диапазона для передачи энергии расстояние между антеннами лежит в пределах от 1 м до 30 м. Другой трудностью для применения данного изобретения является зависимость эффективности от ориентации антенны из-за ее поляризационных свойств. Способ увеличения сопротивления излучения для порта передачи данных и снижения сопротивления излучения для порта передачи энергии не описан.

В патенте РФ №2419945 [3] описаны устройство и способ беспроводной передачи энергии и/или данных между устройством-источником и целевым устройством. Беспроводная передача энергии и/или данных осуществляется за счет того, что с помощью первичной катушки, расположенной на стороне устройства-источника, и первичной цепи тока наводится напряжение во вторичной катушке, расположенной на стороне целевого устройства и образующей вторичную цепь тока, и в катушке резонансного контура. Резонансный контур электрически изолирован от первичной цепи тока и вторичной цепи тока. Подобное устройство имеет низкую эффективность и способно осуществлять передачу энергии лишь на очень малых расстояниях из-за значительных потерь. Попытки передачи энергии при увеличении расстояния между устройствами потребовали непропорционального повышения силы тока и существенного увеличения размеров устройств.

Патент США №7,668,596 [4] относится к имплантируемым медицинским устройствам, которые содержат схему для радиочастотной телеметрии, соединенную с источником энергии через модуль соединения с цепью питания для получения энергии, когда пользователь инициирует сеанс телеметрии. Однако средства беспроводной передачи энергии не предусмотрены; связь имплантированного устройства с имплантированной антенной не описаны; структура антенны и схема согласования импеданса не описаны.

Патенты США №8,093,758 [5] и 8,050,068 [6] относятся к системе передачи энергии с индуктивной связью, которая имеет схему резонансного приемника. Параметры нагрузки приемника измеряются; в соответствии с этими параметрами производится коммутация переменного реактивного компонента для изменения собственной частоты резонансного контура. Однако средства беспроводной передачи данных не предусмотрены.

Патенты US №8,035,255 [7] и 8,097,983 [8] относятся к аппарату беспроводной передачи энергии, который содержит структуру первого резонатора, предназначенного для неизлучающей передачи энергии в структуру второго резонатора на расстояние большее, чем размер структуры второго резонатора. Первый резонатор соединен с источником энергии, второй резонатор - с потребителем энергии. Однако средства беспроводной передачи данных не предусмотрены.

Патент US №2009/0085408 [9] относится к аппарату и методу, в котором напряжение индуцируется, по крайней мере, одной первичной катушкой, на стороне первичного устройства, и, по крайней мере, на одной вторичной катушке, на стороне вторичного (целевого) устройства. Структура с высоким сопротивлением излучения в данном патенте не предусмотрена. Излучение электромагнитного поля от контура или от катушки не описано. Скорость передачи данных ограничена узким рабочим диапазоном частот катушки.

Патент US №2012/0153743 [10] относится к устройству передачи энергии, которое имеет антенну для передачи энергии. Устройство передает энергию в приемную антенну. Передающее устройство содержит: блок памяти, предназначенный для сопоставления расположения приемной антенны с параметрами для контроля резонансной частоты передающей антенны; блок вычисления положения приемной антенны; и блок, управляющий резонансной частотой передающей антенны на основе данных о положении приемной антенны. Однако средства беспроводной передачи данных не предусмотрены.

Некоторые общие с заявляемым изобретением признаки содержатся в патентной заявке США №2010/0194335 [11], которая относится к беспроводному зарядному устройству, содержащему область для зарядки, предназначенную для размещения одного или более заряжаемого устройства, и передающую антенну, предназначенную для беспроводной передачи энергии. Зарядное устройство предназначено для обмена данными с одним или более заряжаемым устройством. Однако средства беспроводной передачи данных не описаны.

Наиболее близкими к заявляемому изобретению признаками обладает патентная заявка США №2005/0085873 [12], которая относится к системе, способу и устройству для беспроводной передачи данных и энергии. Устройство состоит из катушки с высокой добротностью, низковольтного генератора и высоковольтного генератора, которые подключены к катушке через переключатель. Низковольтный генератор и высоковольтный генератор управляются микроконтроллером и переключаются приблизительно одновременно, тем самым обеспечивая передачу модулированного информационного сигнала. Кроме того, система содержит, по крайней мере, один микростимулятор, связанный с передающим устройством. Катушка с высокой добротностью используется и для передачи энергии, и для передачи данных. Однако катушка с высокой добротностью имеет очень низкое сопротивление излучения; излучение электромагнитного поля катушкой не предусмотрено в данном патенте. Скорость передачи данных ограничена узким рабочим диапазоном частот катушки. Передача данных при большом расстоянии между передающей катушкой и имплантированным микростимулятором недостижима в рамках данного патента.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в том, чтобы разработать усовершенствованную комбинированную систему, способную обеспечить одновременную передачу как энергии, так и данных. При этом разрабатываемая система должна иметь минимальные размеры.

Технический результат достигается за счет разработки системы беспроводной передачи энергии и данных, состоящей из совокупности следующих устройств:

- устройство с функцией беспроводного приема энергии и обмена данными, состоящее из:

- интегрированной низкопрофильной структуры, объединяющей резонатор и антенну,

- схемы согласования импеданса резонатора, соединяющей интегрированную низкопрофильную структуру с выпрямителем и регулятором заряда,

- схемы согласования антенного импеданса, соединяющей интегрированную низкопрофильную структуру с приемопередатчиком данных;

- устройство с функцией беспроводной передачи энергии, состоящее из:

- передающего резонатора, связанного через магнитное поле с интегрированной низкопрофильной структурой устройства с функцией беспроводного приема энергии и обмена данными,

- схемы согласования импеданса, соединяющей передающий резонатор с генератором сигнала,

- генератора сигнала, соединенного с источником энергии и предназначенного для передачи энергии в передающий резонатор;

- удаленное устройство обмена данными, состоящее из:

- антенны удаленного устройства,

- приемопередатчика данных удаленного устройства, связанного с антенной удаленного устройства и предназначенного для передачи и приема информации.

Заявляемая система состоит, таким образом, из нескольких частей, включая резонансную катушку, обеспечивающую передачу энергии, интегрированную с антенной, обеспечивающей передачу данных. Интегрированная структура обеспечивает одновременную беспроводную передачу энергии и передачу/прием данных. Она применима для широкого спектра портативных устройств. Характеристические размеры заявляемой структуры не превышают λ/5000.

Интегрированная структура содержит многослойную многовитковую катушку резонатора и петлевую антенну с магнитным сердечником. Кривизна витков в многослойной катушке резонатора снижает межвитковую паразитную емкость, таким образом, увеличивая собственную индуктивность и добротность. Ширина провода (например, в печатной схеме) и количество витков катушки были также оптимизированы с целью увеличения добротности.

Применение проводящего и ферритового слоев позволяет фокусировать магнитное поле в направлении связанного резонатора и экранировать в противоположном направлении. Применение адаптивного согласования импеданса резонансных структур позволяет компенсировать влияние окружающих условий на эффективность системы.

Петлевая малогабаритная антенна, интегрированная с резонатором для беспроводной передачи данных, может применяться в портативной бытовой и медицинской электронной аппаратуре. Для портативных бытовых электронных устройств (например, беспроводных наушников, очков дополненной реальности) и различных медицинских устройств (например, кохлеарных имплантатов, стимуляторов спинного мозга, инфузионных дозаторов, аппаратов искусственного сердца) требуются малогабаритные резонаторы для зарядки аккумуляторной батареи с помощью эффективной беспроводной передачи энергии и интегрированные антенны для высокоскоростной передачи данных. Заявляемое изобретение может способствовать решению этих технических требований.

Преимуществом предложенной структуры, объединяющей резонатор и петлевую магнитную антенну, является то, что создаваемое ею магнитное поле слабо взаимодействует с тканями тела человека, следовательно, петлевая антенна обеспечивает меньшее рассеяние мощности и лучшую эффективность.

Заявляемое техническое решение для беспроводной передачи энергии и обмена данными может одновременно получать энергию и обмениваться информацией с другими устройствами по радиоканалу. Далее по тексту частотный диапазон для беспроводной передачи энергии будет обозначаться как F1, а частотный диапазон для беспроводной передачи данных - как F2.

В практическом примере реализации устройство приема энергии и обмена данными содержит магнитную петлевую антенну, образованную приемной катушкой на верхней части ферритового слоя и проводящим экраном под ферритовым слоем. Окружающие материалы не существенно влияют на параметры антенны данного типа. Рассмотрены возможности минимизации габаритов и оптимизации интегрированной структуры.

Добротность катушки определяется как $$Q=\frac{2\pi fL}{R}$$ ,

где f - рабочая частота, L - индуктивность катушки, R - диссипативные потери в феррите, окружающих материалах, проводе катушки, включая потери из-за вихревых токов и омические потери на соединениях. Поскольку не представляется возможным полностью устранить потери, добротность катушек и коэффициент взаимной связи, необходимо увеличить через индуктивность L.

Способ улучшения добротности малогабаритных низкопрофильных катушек в заявляемом изобретении основан на использовании многослойной многовитковой катушки. Распределение витков по слоям и искривление провода катушки позволяют максимизировать расстояния между витками. Для искривленных витков с переменным диаметром направление токов в смежных витках не параллельно, поэтому их взаимное влияние минимально. При этом эффект близости и паразитной емкости между витками минимален. Другими факторами, влияющими на добротность катушек и эффективность передачи энергии, являются ширина провода, количество витков в каждом слое и количество слоев. Проводящий и ферритовый слой присоединены к тыльной стороне катушки для фокусирования магнитного поля в направлении связанного резонатора и для экранирования в противоположном направлении.

Интегрированная структура содержит схему согласования импеданса антенны и схему согласования импеданса приемного резонатора. Их параметры выбраны таким образом, что импеданс катушка-экран составляет менее 1 Ом в частотном диапазоне F2 и более 100 Ом в частотном диапазоне F1. Вследствие этого, можно приближенно считать, что приемная катушка соединена с проводящим экраном. Соответственно, образуется заземленная индуктивная линия передачи с точкой возбуждения на соединительном штыре. Импеданс схемы согласования импеданса антенны в частотном диапазоне F1 выше 2000 Ом, поэтому схема согласования импеданса приемного резонатора не связана со схемой приемопередатчика данных.

Размеры ферритового слоя минимизированы в соответствии с габаритными требованиями, но с учетом оптимальной эффективности антенны и резонатора. Ферритовый слой в петлевой антенне увеличивает сопротивление излучения антенны.

В одном из примеров оба: передающее и приемное устройства - содержат интегрированную структуру. Эти устройства обеспечивают одновременно и передачу энергии, и обмен данными друг с другом.

В другом примере удаленное устройство обмена данными расположено отдельно от устройства передачи энергии, то есть обмен данными происходит отдельно от передачи энергии.

В другом примере устройство приема энергии и обмена данными представляет собой имплантируемое медицинское устройство, находящееся внутри тела человека (под кожей); передаваемая энергия заряжает аккумуляторную батарею имплантированного устройства. Интегрированная антенна обеспечивает передачу данных телеметрии.

В другом примере устройство передачи энергии и устройство приема энергии и обмена данными содержат схемы адаптивного согласования импеданса для перестройки компонентов, влияющих на частоту и импеданс, в зависимости от изменения окружающих условий.

Далее сущность заявляемого изобретения в предпочтительном варианте реализации поясняется с привлечением графических материалов.

Фиг.1 иллюстрирует блок-схему системы беспроводной передачи энергии и данных.

Фиг.2 иллюстрирует передающую и приемную катушки для беспроводной передачи энергии.

Фиг.3 иллюстрирует схематическое представление структуры приемного резонатора, интегрированного с антенной.

Фиг.4 иллюстрирует эквивалентную принципиальную схему приемного резонатора, интегрированного с антенной, и пример осуществления схемы согласования импеданса.

Фиг.5 иллюстрирует расчетную модель приемного резонатора, интегрированного с антенной.

Фиг.6 иллюстрирует смоделированную и экспериментально измеренную эффективность беспроводной передачи энергии.

Фиг.7 иллюстрирует смоделированный и экспериментально измеренный коэффициент отражения порта антенны.

Фиг.8 иллюстрирует смоделированную и экспериментально измеренную диаграмму направленности антенны в плоскости х-у.

Фиг.9 иллюстрирует блок-схему последовательности процесса создания структуры, объединяющей резонатор и антенну.

Функциональная блок-схема системы 100 устройств беспроводной передачи энергии и данных представлена на Фиг.1. Система 100 обеспечивает внеполосную беспроводную передачу данных 102 при частоте, отличной от частоты беспроводной передачи энергии 101. Частотный диапазон для беспроводной передачи энергии обозначен далее по тексту как F1 (обычно 0,1-100 МГц). Частотный диапазон для беспроводной передачи данных обозначен далее по тексту как F2 (обычно 100 МГц и выше).

В соответствии с Фиг.1 система 100 устройств беспроводной передачи энергии и данных включает устройство 110 передачи энергии, устройство 120 приема энергии и обмена данными и удаленное устройство 130 обмена данными. Устройство 110 передачи энергии включает источник 111 энергии, генератор 112 сигнала, схему 113 согласования импеданса передающего резонатора и передающий резонатор 114. Устройство 110 передачи энергии создает магнитное поле частотой F1.

Устройство 120 приема энергии и обмена данными включает: малогабаритную низкопрофильную структуру, объединяющую резонатор и антенну, именуемую далее «интегрированная структура 121»; схему 122 согласования импеданса приемного резонатора; выпрямитель 123; регулятор 124 заряда; схему 125 согласования импеданса антенны и приемопередатчик 126 данных.

Передающий резонатор 114 и интегрированная структура 121 связаны по магнитному полю и имеют одинаковые собственные резонансные частоты F1, таким образом, их ближние поля сильно связаны друг с другом.

Удаленное устройство 130 обмена данными включает антенну 131 удаленного устройства и приемопередатчик 132 данных удаленного устройства. Беспроводная передача данных 102 осуществляет двунаправленную передачу данных в частотном диапазоне F2 между устройством 120 приема энергии и обмена данными и удаленным устройством 130 обмена данными.

Передающая катушка 210 и приемная катушка 220 для беспроводной передачи энергии 101 представлены на Фиг.2. Передающая катушка 210 является частью передающего резонатора 114; приемная катушка 220 является частью интегрированной структуры 121.

Заявляемое изобретение направлено на оптимизацию конструкции и минимизацию габаритов интегрированной структуры 121. Предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения имеет следующие ограничения по габаритам катушек: максимальный диаметр передающей катушки 210 D_r1=50 Мм, максимальный диаметр приемной катушки 220 D_r2=10 Мм (менее $$\frac{\lambda }{5000}$$ ), максимальная толщина 2,5 мм. Эти габариты приведены исключительно для наглядности (служат для лучшего понимания предлагаемой структуры) и не ограничивают сферу применения настоящего изобретения.

Эффективность передачи энергии зависит от структуры резонаторов, добротности катушек и коэффициента взаимной связи. Добротность катушки определяется как $$Q=\frac{2\pi F_{1}L}{R}$$ , где F1 - рабочая частота, L - индуктивность катушки, R - диссипативные потери в феррите, окружающих материалах, проводе катушки, включая потери из-за вихревых токов и омические потери на соединениях. Невозможно полностью устранить потери, поэтому добротность и коэффициент взаимной связи должны быть увеличены через индуктивность L.

Способ улучшения добротности для малогабаритных низкопрофильных приемных катушек 220 и передающих катушек 210 в настоящем изобретении основан на использовании многослойной многовитковой катушки. В соответствии с Фиг.2 следующие физические эффекты влияют на эффективность многослойных многовитковых катушек 220 и 210:

- эффект близости в смежных витках (например, 211 и 212) увеличивает их сопротивление. Отдельное магнитное поле каждого смежного витка включает вихревые токи в проводах катушек 210 и 220, которые являются причиной тока в проводнике смежного витка (например, на витке 212 вблизи витка 211). Это снижает эффективную площадь поперечного сечения провода с током, что увеличивает его сопротивление R;

- паразитная емкость между отдельными витками провода катушки (например, витки 212 и 213). Все витки катушки имеют отличающиеся потенциалы, вследствие этого электрическое поле между соседними витками содержит заряд. Таким образом, катушка действует так, будто к ней параллельно подключен конденсатор. Эта емкость резонирует с индуктивностью катушки, снижая собственную и взаимную индуктивности.

Влияние этих эффектов сокращается при применении одного из следующих вариантов реализации катушек. Здесь приведены варианты реализации только для передающей катушки 210 во избежание чрезмерного усложнения. Эти подходы в равной степени применимы для обеих катушек: передающей катушки 210 и приемной катушки 220.

В одном из вариантов реализации многослойной многовитковой катушки 210 каждый слой содержит некоторое количество витков, например, 211 и 212 - на верхнем слое, виток 213 - на нижнем слое. Ширина провода W_L выбрана для каждого витка таким образом, что отношение площади поперечного сечения к эффективной площади поперечного сечения провода увеличена максимально. Структура 214 сформирована из изолирующих слоев, разделяющих слои катушки. Слои катушки соединены с помощью переходных проводников 216.

В другом варианте реализации настоящего изобретения общая конструкция совпадает с предыдущим вариантом реализации, но проводящий и ферритовый слои присоединены к тыльной стороне катушки для фокусирования магнитного поля в направлении связанного резонатора и для экранирования в противоположном направлении.

В еще одном варианте реализации настоящего изобретения в соответствии с Фиг.2, вид 2.2, катушка реализована на многослойной печатной плате; слои 231-234 являются слоями печатной платы. Межслойные соединения реализованы как сквозные или слепые переходные отверстия.

В другом варианте реализации настоящего изобретения общая конструкция совпадает с предыдущим вариантом реализации, но провода смежных витков 211, 212, 213 смещены так, что они не накладываются один на другой, и смежные витки не расположены параллельно. Таким образом, достигается максимальное расстояние между витками. Направление токов в смежных витках не параллельно, поэтому их взаимное влияние минимально. Такое осуществление позволяет уменьшить эффект близости и снизить паразитную емкость между витками в многовитковой катушке.

В другом варианте реализации настоящего изобретения общая конструкция совпадает с предыдущим вариантом реализации, но слои катушки разделены слоями пленки 214 ферромагнитного материала. В соответствии с Фиг.2 ферромагнитная пленка должна заполнять пространство только между смежными слоями; в центре катушки должно быть отверстие, заполненное диэлектрическим материалом. Такая реализация позволяет уменьшить паразитный эффект вихревых токов.

Другими факторами, влияющими на добротность катушек и эффективность передачи энергии, являются ширина провода, число витков в каждом слое и число слоев. Для ограниченного внешнего диаметра приемной катушки 220 увеличение числа витков 213 в одном слое требует уменьшения ширины линии W_L; это ведет к дополнительным диссипативным потерям. Увеличение числа слоев катушки N позволяет увеличить индуктивность L∝N², при этом сопротивление R∝N. Таким образом, добротность катушки прямо пропорциональна числу витков и слоев Q∝N до некоторого предела. Паразитная емкость между смежными витками катушки ограничивает собственную индуктивность, соответственно ограничивая добротность.

Кривизна изгиба провода катушки позволяет сократить паразитную емкость, а следовательно, и потери. С другой стороны, длина провода и активные потери на сопротивление увеличиваются из-за кривизны. Поэтому существует оптимальная кривизна для каждой конструкции с определенным числом витков. Сравнение двухвитковых двухслойных приемных катушек 220 с кривизной и без кривизны провода катушки дает следующие результаты: снижение паразитной емкости ведет к увеличению добротности на 10%, а эффективность передачи энергии - на 8%.

Ферритовый слой помещается под катушкой для экранирования магнитного поля. Он создает путь для линий магнитного поля вдоль феррита и усиливает интенсивность магнитного поля. Например, для приемной катушки 220 на ферритовом слое с магнитной проницаемостью µ=9, tgδ_µ=0.01 индуктивность увеличивается на 60-70%.

Интенсивность магнитного потока максимальна вблизи внутренней поверхности передающей катушки 210 и минимальна в центре. Однако большая часть линий магнитного поля не проходит через приемную катушку 220 и, соответственно, не вносит вклад в передачу энергии.

Далее описывается предпочтительный вариант осуществления интегрированной структуры 121. Данные, содержащиеся в описании, предназначены исключительно для лучшего понимания настоящего изобретения; специалистам в данной области техники ясно, что изменения в конструкции и в схеме могут быть произведены без отступления от сущности настоящего изобретения. Кроме того, окружающие предметы и материалы вблизи резонатора требуют изменения структуры и компонентов для согласования импеданса для обеспечения высокой эффективности беспроводной передачи энергии и эффективности антенны.

На Фиг.3 показано устройство 120 приема энергии и обмена данными, включающее интегрированную структуру 121. Структура включает приемную катушку 220, схему 301 электропитания (включая выпрямитель 123 и регулятор 124 заряда), схему 122 согласования импеданса приемного резонатора, ферритовый слой 302, соединительный штырь 303, схему 125 согласования импеданса антенны, приемопередатчик 126 данных и проводящий экран 306. Петлевая антенна образована приемной катушкой 220 на верхней части ферритового слоя 302 и проводящим экраном 306 на нижней части ферритового слоя 302. Требования по габаритам для данного типа антенны минимальны. Кроме того, генерируемое петлевой антенной магнитное поле не взаимодействует с тканями тела человека. Данный тип антенн для медицинских применений обеспечивает меньшее рассеяние мощности.

Проводящий экран 306 отделяет приемную катушку 220 от приемопередатчика 126 данных и компонентов схемы 125 согласования импеданса антенны. Схема согласования импеданса антенны 125 соединена с приемной катушкой 220 через соединительный штырь 303, не контактирующий с проводящим экраном 306.

Эквивалентная принципиальная схема устройства 120 приема энергии и обмена данными представлена на Фиг.4. Схема 122 согласования импеданса приемного резонатора включает согласующие конденсаторы C_m2, C_m4, соединенные с резонансным конденсатором C_r2. Контакты приемной катушки 220 шунтированы на проводящий экран 306 с помощью конденсаторов C_s1, C_s2. Номиналы C_s1, C_s2 выбраны таким образом, что импеданс катушка-экран составляет менее 1 Ом в частотном диапазоне F2 и более 100 Ом в частотном диапазоне F1. Вследствие этого, можно приближенно считать, что приемная катушка 220 соединена с проводящим экраном 306. Соответственно, образуется заземленная индуктивная линия передачи с точкой возбуждения на соединительном штыре 303, таким образом, образуется путь тока в антенне 307.

Импеданс схемы 125 согласования импеданса антенны в частотном диапазоне F1 выше 2000 Ом, поэтому схема 122 согласования импеданса приемного резонатора не связана со схемой 126 приемопередатчика данных.

В упрощенном подходе взаимоиндукцию 401 между приемной катушкой 220 и передающей катушкой 210 будем считать незначительной. Тогда выходной импеданс приемного резонатора Z_r2 424 определяется как:

$$Z_{r2}=\frac{j\omega L_2+R_2}{j\omega C_{r2}(j\omega L_2+R_2)+1}$$

$$\mathrm{Re}(Z_{r2})=\frac{R_2}{{(1-{\omega }^2{L}_2{C}_{r2})}^2+{\omega }^2{C}_{r2}{}^2{R}_2{}^2}$$

$$\mathrm{Im}(Z_{r2})=\frac{j\omega (L_2-{\omega }^2{L}_2{}^2{C}_{r2}-C_{r2}{R}_2{}^2)}{{(1-{\omega }^2{L}_2{C}_{r2})}^2+{\omega }^2{C}_{r2}{}^2{R}_2{}^2}$$

где R₂ - представляет потери приемной катушки 220,

ω=2πf - угловая частота.

Действительная часть импеданса имеет максимум при резонансе параллельного контура, при этом Im(Z_r2)=0. Тогда:

$$L_2-{\omega }^2{L}_2{}^2{C}_{r2}-C_{r2}{R}_2^2=0$$

Следовательно, частота параллельного резонанса имеет вид:

$${\omega }_{r2}={\omega }_0\sqrt{1-4{\zeta }^2}$$

$${\omega }_0=\frac{1}{\sqrt{L_2{C}_{r2}}}$$

где

$$\zeta =\frac{R_2}{2}\sqrt{\frac{C_{r2}}{L_2}}$$ - коэффициент затухания, характеризующий резонатор.

Максимальное значение действительной части импеданса определяется как:

$$\mathrm{Re}{Z}_{\max }=\mathrm{Re}(Z_{r2})|{}_{\omega ={\omega }_{r2}}=\frac{R_2}{4{\zeta }^2}=\frac{L^2}{R_2{C}_{r2}}$$

Следовательно, максимальное значение сопротивления нагрузки 423 ограничено R_L≤ReZ_max□.

Если сопротивление нагрузки 423 известно, то резонансный конденсатор C_r2 выбран таким образом, что Re(Z_r2)=R_L при ω=2πF₁. Мнимая часть выходного импеданса приемного резонатора Z_r2 424 компенсируется схемой согласования импеданса приемного резонатора 122 (конденсаторами C_m2, C_m4).

Выходной импеданс схемы согласования импеданса приемного резонатора 425 определяется как:

Re(Z_L)=Re(Z_r2)=R_L

Im(Z_L)=Im(Z_r2)+(iωC_m2)^-1+(ωiC_m4)^-1=0

На Фиг.5 изображен пример конструкции интегрированной структуры 121. Структура эквивалентна малогабаритной петлевой антенне, расположенной в плоскости z-x. Размеры ферритового слоя 302 минимизированы в соответствии с габаритными требованиями, но с учетом оптимальной эффективности антенны и резонатора. Ферритовый слой 302 в петлевой антенне увеличивает сопротивление излучения антенны. Однако он также вносит дополнительные потери, помимо потерь в меди приемной катушки 220.

Далее приведено описание метода создания интегрированной структуры 121, изображенной на Фиг.5.

На первом шаге должны быть выбраны начальные параметры (частотный диапазон F1 для передачи энергии, частотный диапазон F2 для передачи данных, внешний диаметр D_r, внутренний диаметр D_in, толщина печатной платы H, ширина линии W_i, количество витков N катушки).

Заявляемая система 100 устройств беспроводной передачи энергии и данных может быть использована, например, для различных имплантируемых медицинских устройств. Существуют два международных стандарта, определяющих разрешенные частотные диапазоны для работы имплантируемых устройств: Medical Implant Communication Service определяет частотный диапазон от 401 МГц до 406 МГц для передачи данных 102; Alliance for Wireless Power определяет частоту 6,78 МГц для беспроводной передачи энергии 101. Таким образом, F1=6.78 МГц и F2=403.75 МГц для этого примера.

Следующий шаг - оптимизация передающей катушки 210 и приемной катушки 220 для достижения требуемых параметров беспроводной передачи энергии 101. Как показано на Фиг.2, передающая катушка 210 и приемная катушка 220 имеют витки с неравномерным переменным диаметром.

Следующий шаг - добавление конструктивных элементов к приемной катушке 220 для создания антенны для передачи данных. Как показано на Фиг.3, добавляются следующие элементы: ферритовый слой 302, соединительный штырь 303 и проводящий экран 306. Параметры оптимизированной структуры приведены в Таблице 1.

Таблица 1 Пример параметров передающей катушки 210 и приемной катушки 220   Передающая катушка Приемная катушка Параметры   Внешний диаметр D_r, мм 50 10 Внутренний диаметр D_in, мм 30 6,5 Число витков N 4 3 Число слоев печатной платы 4 6 Толщина печатной платы Н, мм 1 1,6 Ширина провода Wi, мм 4 1 Толщина катушки T_c, мм 1 1,6 Толщина экрана, мм - 1,2 Диаметр ферритового слоя 302 D_f, мм     - 12     µ ферритового слоя 302 при 403.75 МГц     - 9     tgδ_µ ферритового слоя 302 при 403.75 МГц     - 0,01    

Следующий шаг - настройка и согласование импеданса интегрированной структуры 121 в частотных диапазонах F1 и F2. Пример схемы согласования импеданса приведен на Фиг.4; номиналы конденсаторов приведены в Таблице 2.

Таблица 2   Пример параметров схемы согласования импеданса интегрированной структуры 121 и передающего резонатора 114  

Конденсаторы Номиналы Резонансный C_r1, пФ 560 Резонансный C_r2, пФ 6640 Согласующий C_m1, пФ 150 Согласующий C_m2, пФ 150 Согласующий C_m3, пФ закороченный Согласующий C_m4, пФ закороченный Согласующий C_a1, пФ 1,1 Согласующий C_a2, пФ 3.5 Шунтирующий, пФ 470 Шунтирующий, пФ 470

Последний шаг включает оценку параметров связанных передающего резонатора 114 и приемного резонатора 421 в частотном диапазоне F1 и оценку параметров антенны в частотном диапазоне F2.

Эффективность беспроводной передачи энергии вычислялась с помощью S-параметров четырехполюсника: $$Eff=I{S}_{2_1}{I}^2$$ . Результаты компьютерного моделирования и экспериментов для текущего примера (см. Таблицу 1 и Таблицу 2) в свободном пространстве и с фантомом тела человека представлены в Таблице 3. Во втором случае интегрированная структура 121 погружена в слой мышечной ткани на глубину 15 мм.

Таблица 3   Результаты компьютерного моделирования и экспериментов для связанных передающего резонатора 114 и приемного резонатора 421; общее расстояние между передающей катушкой 210 и приемной катушкой 220 dist=2Q mm  

Условия Параметры Интегрированная структура 121, в свободном пространстве Интегрированная структура 121, в фантоме тела человека Моделирование Эксперимент Моделирование Эксперимент Добротность передающей катушки 210         181,2 123,7 134,9 118,9         Добротность приемной катушки 220         84,1 49,9 83,4 46,5         Эффективность передачи энергии Eff %         40,4 36,8 35,6 35,4        

В соответствии с результатами, представленными в Таблице 3, добротность передающей катушки 210 снижается в присутствии фантома тела человека. Добротность приемной катушки 220 зависит от фантома в меньшей степени. Эффективность передачи энергии снижается на 4,8% по результатам моделирования и на 1,4% - по результатам эксперимента.

Фиг.6 показывает результаты моделирования и экспериментальных измерений эффективности передачи энергии в частотной области для текущего примера (см. Таблицу 1 и Таблицу 2) при расположении катушек 210, 220 в свободном пространстве. Из Таблицы 3 и Фиг.6 можно видеть, что результаты моделирования и эксперимента коррелируют.

Импеданс схемы согласования антенны при частоте 6,78 МГц выше 2000 Ом, поэтому схема 122 согласования импеданса приемного резонатора не связана с приемопередатчиком данных. Результаты компьютерного моделирования и экспериментального измерения коэффициента отражения для порта антенны 422 представлены на Фиг.7.

Результаты компьютерного моделирования и экспериментального измерения диаграммы направленности антенны представлены на Фиг.8 и в Таблице 4. Общее усиление антенны вычисляется как сумма усилений антенны для вертикальной и горизонтальной поляризаций.

Таблица 4 Параметры интегрированной структуры 121 Параметры Моделирование Эксперимент Рабочий диапазон частот, МГц 401-407 401-407 Максимальное общее усиление антенны, dBi     -23 -19     Среднее общее усиление антенны, dBi -23 -22,3

Из Фиг.7, Фиг.8 и Таблицы 4 можно видеть, что результаты моделирования и экспериментального измерения антенны хорошо коррелируют.

Процесс создания интегрированной структуры 121 может быть представлен с помощью блок-схемы, изображенной на Фиг.9. На схеме показан выбор начальных параметров структуры интегрированной структуры 121 (шаг 910). Затем оптимизация передающей катушки 210 и приемной катушки 220 в соответствии с требуемыми параметрами беспроводной передачи энергии 101, а именно распределение витков по слоям и искривление провода катушки для минимизации эффекта близости и паразитной емкости между витками в соответствии с методикой, описанной выше (шаг 920). Затем добавление конструктивных элементов (например, ферритового слоя 302, соединительного штыря 303 и проводящего экрана 306) к передающей/приемной катушке 210/220 для создания антенны для передачи данных (шаг 930). Затем настройка и согласование импеданса интегрированной структуры 121, в частотном диапазоне F1 для беспроводной передачи энергии (шаг 940). Затем настройка и согласование импеданса интегрированной структуры 121, в частотном диапазоне F2 для беспроводной передачи данных (шаг 950). Затем проверяется, приемлемы ли параметры связанных передающей 210 и приемной 220 катушек и параметры антенны (шаг 960). Если было принято решение, что параметры приемлемы, то процедура создания интегрированной структуры 121 успешно завершается. В противном случае, если параметры связанных передающей катушки 210 и приемной катушки 220 или параметры антенны не приемлемы, то все или часть начальных параметров пересматриваются, и процедура, начиная с шага 910 до шага 960, повторяется с учетом измененных начальных параметров.

Заявляемая система может использоваться в различных имплантируемых медицинских устройствах, включая датчики функционального состояния организма, кардиостимуляторы, нейростимуляторы или в любых других электронных устройствах. Имплантируемые биомедицинские устройства активно разрабатываются и внедряются в современной медицинской промышленности. Различные имплантируемые медицинские устройства получают энергию беспроводным способом через кожу с помощью индуктивно связанных катушек. Для медицинских применений важно обеспечить беспроводную передачу энергии в имплантируемое устройство и при этом обмениваться с ним данными. Изобретенная структура малогабаритной антенны, интегрированной с резонатором для беспроводной передачи данных, способствует развитию технологии для применений биотелеметрии. Эта проблема может быть решена путем разработки новых устройств с улучшенной беспроводной передачей энергии и данных. Ожидается, что необходимость в более эффективной беспроводной передачи энергии и данных для бытовой и медицинской малогабаритной электронной техники будет только возрастать.

В настоящем описании заявляемое изобретение было объяснено в деталях с пояснениями на конкретных примерах. Модификации и изменения примеров и вариантов реализации могут быть сделаны специалистами в данной области техники без отступления от сущности настоящего изобретения.

Изобретение относится к области энергетики, а более конкретно - к технологиям беспроводной передачи энергии, в частности к беспроводным системам одновременной беспроводной передачи энергии и данных. Технический результат - обеспечение одновременной передачи энергии и данных в малогабаритную низкопрофильную структуру за счет интеграции резонатора для беспроводной передачи энергии и антенны для передачи данных. Система содержит устройство с функцией беспроводного приема энергии и обмена данными, состоящее из: малогабаритной низкопрофильной структуры, объединяющей резонатор и антенну, именуемой далее интегрированная структура; схемы согласования импеданса резонатора, выпрямителя, регулятора заряда; схемы согласования импеданса антенны, приемопередатчика данных; устройство с функцией беспроводной передачи энергии, состоящее из передающего резонатора, схемы согласования импеданса, генератора сигнала; источника энергии; удаленное устройство обмена данными, состоящее из: антенны и приемопередатчика данных. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 10 ил., 4 табл.

1. Система, поддерживающая одновременную беспроводную передачу энергии и данных, включающая в себя совокупность следующих устройств:
- устройство с функцией беспроводного приема энергии и обмена данными, состоящее из:
малогабаритной низкопрофильной структуры, объединяющей резонатор и антенну, именуемой далее интегрированная структура;
схемы согласования импеданса резонатора, соединяющей интегрированную структуру с выпрямителем и регулятором заряда;
схемы согласования импеданса антенны, соединяющей интегрированную структуру с приемопередатчиком данных;
- устройство с функцией беспроводной передачи энергии, состоящее из:
передающего резонатора, связанного через магнитное поле с интегрированной структурой устройства с функцией беспроводного приема энергии и обмена данными;
схемы согласования импеданса, соединяющей передающий резонатор с генератором сигнала;
генератора сигнала, соединенного с источником энергии и выполненного с возможностью передачи энергии в передающий резонатор;
- удаленное устройство обмена данными, состоящее из:
антенны удаленного устройства;
приемопередатчика данных удаленного устройства, связанного с антенной удаленного устройства.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что интегрированная структура выполнена с возможностью приема энергии от передающего резонатора посредством индуктивной связи в частотном диапазоне F1 и осуществления беспроводного обмена данными посредством излучения в дальнюю зону электромагнитного поля в частотном диапазоне F2.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что устройство с функцией беспроводного приема энергии и обмена данными выполнено в виде носимого портативного устройства.

4. Система по п.1, отличающаяся тем, что устройство с функцией беспроводного приема энергии и обмена данными выполнено в виде имплантируемого медицинского устройства, при этом питающая это устройство аккумуляторная батарея получает энергию от выпрямителя и регулятора заряда, а передачу данных телеметрии обеспечивает интегрированная структура.

5. Интегрированная структура в системе по п.1, включающая в себя:
многослойную катушку, каждый слой которой содержит один или несколько витков;
схему согласования импеданса передающего резонатора, связанную с многослойной катушкой;
проводящий экран, связанный с многослойной катушкой и выполняющий функции антенны.

6. Структура по п.5, отличающаяся тем, что слои витков соединены с помощью множества переходных межслойных контактов.

7. Структура по п.5, отличающаяся тем, что проводящий и ферритовый слои присоединены к тыльной стороне многослойной катушки.

8. Структура по п.5, отличающаяся тем, что многослойная катушка реализована на многослойной печатной плате.

9. Структура по п.5, отличающаяся тем, что провода смежных витков смещены относительно один другого.

10. Структура по п.5, отличающаяся тем, что слои катушки разделены с помощью слоев пленки ферримагнитного материала, заполняющей объем между смежными слоями.

11. Способ формирования интегрированной структуры по п.5, включающий в себя выполнение следующих операций:
- выбирают рабочие частоты для беспроводной передачи энергии и данных;
- оптимизируют структуру передающей и приемной катушек в соответствии с требуемыми параметрами по беспроводной передаче энергии;
- формируют приемопередающую антенну путем добавления конструктивных элементов, таких как ферритовый слой, соединительный штырь, проводящий экран, к передающей/приемной катушке;
- настраивают и согласуют импеданс интегрированной структуры в частотном диапазоне F1;
- настраивают и согласуют импеданс интегрированной структуры в частотном диапазоне F2;
- проверяют приемлемость параметров резонатора и антенны.