基于混合磁负超材料的心脏起搏器无线供能系统_陈伟华.pdf

2023 年2月电 工 技 术 学 报Vol.38No.4第 38 卷第 4 期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETYFeb.2023DOI:10.19595/ki.1000-6753.tces.220457基于混合磁负超材料的心脏起搏器无线供能系统陈伟华侯海涛闫孝姮陈宏强叶智权（辽宁工程技术大学电气与控制工程学院葫芦岛125000）摘要针对心脏起搏器无线供能系统传输效率低、抗偏移能力差的问题，该文提出一种基于混合磁负超材料的心脏起搏器无线供能系统。首先，根据磁负超材料的谐振原理、品质因数理论，设计了两种谐振频率的磁负超材料（MNG）基元；其次，通过分析无线供能系统漏磁情况以及基元负磁导率和磁损耗之间的关系，构成具有两种负磁导率的混合 MNG 阵列；最后，使用有限元分析软件计算人体各组织电场强度峰值与比吸收率峰值，验证了系统的安全性。实验结果表明，两线圈间距 1628 mm 情况下，加入混合 MNG 阵列的无线供能系统输出功率从 0.190.81 W 增加到 1.021.67 W，传输效率从 8.53%43.15%提升到 40.78%57.32%；接收线圈发生水平偏移情况下可以维持最低 0.86 W 的输出功率和 32.81%的传输效率，30 min 充电测试下系统最大温升为 3.49，符合人体安全标准。关键词：磁负超材料无线供能系统心脏起搏器安全评估中图分类号：TH77;TM7240引言心脏起搏器作为一种常见的植入式电子医疗设备，当内置电源耗尽时，需要进行二次手术更换，给患者带来一定的安全隐患1-2及经济负担。磁耦合谐振式无线电能传输技术（Magnetically-CoupledResonant Wireless Power Transfer,MCR-WPT）的出现，为解决心脏起搏器持续供电问题提供了新方案，近年来受到广泛关注3-5。为了提升 MCR-WPT 系统传输效率和抗偏移能力，国内外学者开展了大量研究，包括改变线圈结构6-7、增加补偿拓扑8-9、调节系统谐振频率10和加入电磁超材料11-12等方式。超材料作为一种新兴的电磁介质，在光学、电磁学等学科受到广泛关注，包括变换光学13、隐形斗篷14、磁共振成像15等具体应用。电磁超材料周期性结构产生的 LC 谐振可以汇聚发射线圈与接收线圈之间的磁场，增强线圈间的耦合效果，有利于提高 MCR-WPT 系统的传输距离和效率。相较于目前 MCR-WPT 系统传统的抗偏移方法，如闭环控制技术16、改善补偿网络17及优化磁耦合机构18等，超材料在提升 MCR-WPT 系统抗偏移能力上具有独特的优势，利用超材料的磁场折射能力19，无需增加繁琐的控制手段和复杂的磁耦合机构即可提升MCR-WPT 系统的抗偏移能力，极大地降低了系统复杂度以及制作成本，更适合应用于植入式无线供能系统。传统超材料阵列谐振频率高、体积大，难以应用于低频段（kHz）植入式无线供电设备。为了降低电磁超材料的谐振频率，W.C.Chen 等将双层反向金属螺旋印刷于 FR-4 基板两面，通过增加基元的等效电感降低自身谐振频率，设计了谐振频率为8.94 MHz 的电磁超材料20。Gong Zhi 等在此基础上通过加入集总电容代替基元自身较低的匝间电容，采用一维堆叠的方式将超材料的谐振频率降低至 kHz 频段，但一维堆叠方式增加了超材料阵列的体积，限制了其在 MCR-WPT 系统中的应用21。Y.Cho 等设计了一种薄型印制电路板（Printed Circuit2020 年辽宁省教育厅科学研究青年科技人才“育苗”资助项目（LJ2020QNL019）。收稿日期 2022-03-28改稿日期 2022-05-28866电 工 技 术 学 报2023 年 2 月Board,PCB）超材料，使用 1.6 mm 双层 PCB 基板构成超材料基元，一维平面结构减小了超材料阵列的体积，但由单一基元构成的超材料阵列负磁导率唯一，无法根据 MCR-WPT 系统漏磁情况进行有规律的聚磁22。Y.Cho 等介绍了一种具有负磁导率和零磁导率的混合超材料阵列，对系统不同位置的磁场产生两种折射角度，进一步提升了系统的传输性能，但对于发射线圈和接收线圈难以实现同轴对准的植入式无线供能设备，中间零磁导率的超材料基元在接收线圈偏移情况下的聚磁能力较弱23。因此，本文提出了一种具有两种负磁导率的混合磁负超材料（Mu-Negative,MNG）阵列，并将其应用于 300 kHz 的心脏起搏器无线供能系统。通过研究 MNG 基元的谐振原理及品质因数理论，设计了两种谐振频率的 MNG 基元，根据 MCR-WPT 系统漏磁情况及基元负磁导率和磁损耗之间的关系构成混合 MNG 阵列，使其在 300 kHz 工作频率下具有两种负磁导率，提升 MCR-WPT 系统性能的同时最大限度降低引入混合 MNG 阵列带来的磁损耗。1磁负超材料原理及特性1.1超材料电磁特性超材料周期性的细棒结构和裂环谐振腔结构使其具有负介电常数和负磁导率这两种罕见参数；根据介电常数和磁导率的极性可将材料分为四类，材料分类示意图如图 1 所示。双正材料（Double-Positive,DPS）即为常规材料，其和参数同为正，当材料的和参数某一种为负或同时为负时则称其为超材料，根据超材料两种参数的极性可分为电负超材料（Epsilon-Negative,ENG）、磁负超材料图 1材料分类示意图Fig.1Schematic diagram of materials classification（MNG）和电磁超材料（Double-Negative,DNG），本文提出的两种负磁导率的混合超材料阵列是根据MNG 基元设计的。典型 MNG 的等效磁导率曲线如图 2 所示，实部对应 MNG 的磁场折射能力，虚部对应自身谐振结构导致的磁损耗，提高基元品质因数可以增加谐振频率处等效磁导率的收敛速度，在 MNG 工作频率区间，负磁导率与磁损耗随着频率增加而降低，因此选择合适的谐振频率与品质因数，有利于得到高负磁导率和低磁损耗的 MNG 基元。图 2典型 MNG 的等效磁导率曲线Fig.2Equivalent permeability curves for a typical MNG1.2MNG 基元设计根据 MNG 基元的谐振原理，本文通过调整基元结构，降低金属螺旋内阻等方式改善了基元品质因数，降低了基元的谐振频率，MNG 基元结构如图3 所示。图 3MNG 基元结构Fig.3MNG unit structure diagram使用六边形 FR-4 基板作为基元底板，组成的MNG 阵列结构稳定且面积利用率高，将双层反向金属螺旋分别印刷于 FR-4 基板两面，金属螺旋最外圈通过过孔串联得到更大的等效电感，最内圈通过过孔与集总电容串联，使用集总电容代替基元自身较低的匝间电容，通过调整集总电容参数可以得到不同谐振频率的 MNG 基元。第 38 卷第 4 期陈伟华等基于混合磁负超材料的心脏起搏器无线供能系统867根据文献21可知，MNG 等效磁导率表达式为2021rm220ft011jnkkSL VQ=|=+=+-+（1）式中，m为等效磁化率；0为真空磁导率；kS为第 k 圈金属螺旋所围成的面积；fL为基元等效电感；tV为基元体积；0为谐振角频率；Q为品质因数。根据超材料的品质因数理论24，定义 MNG 基元参数()20ft1nkkFSL V=|，F由基元尺寸、结构、封装密度等因素决定；通过增加螺旋金属覆盖面积、降低基元体积等方式，可以有效提高F参数，结合式（1）可知，MNG 基元属性（负磁导率、磁损耗）主要受基元F参数及品质因数Q的影响。定义超材料等效磁化率实部rmRe()=，虚部i=mIm()分别为()2220r22222002FQ-=-+（2）()30i22222002FQQ=-+（3）由此可得超材料磁化率损失切线公式为02rmi2rr=FQ（4）通常情况下，超材料工作频率仅高于自身谐振频率 5%10%左右，即0/1；且期望磁损耗尽可能低，22mr。因此可将超材料磁化率损失切线近似为rirFQ（5）综上所述，由式（5）可根据 MNG 基元F参数以及品质因数Q简化基元设计流程，例如，设计基元的负磁导率实部r2=-（r3=-），磁化率损耗切线值为 0.1（即i0.3=），控制参数30FQ即可满足设计条件。1.3混合 MNG 阵列设计本文提出的混合 MNG 阵列由r2=-和r3=-的两种 MNG 基元构成，基元负磁导率越大，对磁场折射能力越强同时带来的磁损耗也越高，基元 1（r2=-）平面如图 4a 所示，1为对水平磁场的折射角度，基元 2 平面（r3=-）如图 4b 所示，2为对水平磁场的折射角度，其中210。（a）MNG 基元 1（r2=-）（b）MNG 基元 2（r3=-）图 4两种不同负磁导率的 MNG 基元Fig.4Two MNG units with different negative permeabilities根据 MNG 等效磁导率曲线可知，基元处于工作频率时，自身负磁导率越大，对磁场的汇聚作用越强，同时对系统造成的磁损耗也越高。因此本文根据 MCR-WPT 系统不同位置漏磁情况，使用两种负磁导率的基元构成混合 MNG 阵列，其系统示意图如图 5 所示。对于系统漏磁相对较小的中心位置使用磁损耗较低的 MNG 基元 1，系统漏磁较大的外围使用聚磁能力较强的 MNG 基元 2，增强 MCR-WPT 系统传输效率、抗偏移能力的同时，最大限度降低引入 MNG 阵列造成的磁损耗。2基于混合 MNG 阵列的 MCR-WPT 系统2.1MCR-WPT 系统等效电路模型为了验证混合 MNG 阵列的聚磁特性，本文选取串联-串联（Series-Series,S-S）拓扑结构的 MCR-WPT系统作为研究对象，系统等效电路如图 6所示。通过互感模型理论对系统各电路元件进行等效建模，得到系统传输功率、传输效率等参数与相关元件的关系。系统发射模块和接收模块的线圈电感、谐振电容、等效电阻分别用 L1、C1、R1和 L2、C2、R2表示，发射线圈和接收线圈之间的互感系数用868电 工 技 术 学 报2023 年 2 月图 5基于混合 MNG 阵列的 MCR-WPT 系统示意图Fig.5Schematic of the MCR-WPT system based ona hybrid MNG slab图 6S-S 拓扑结构的 MCR-WPT 系统等效电路Fig.6Equivalent circuit diagram of an MCR-WPT systemin S-S topologyM12表示，电源激励、电源内阻和负载电阻分别用us、Rs、RL表示。设系统发射模块、接收模块电抗分别为 X1、X2，根据基尔霍夫定律列出回路电流、电压和各等效元件参数之间的关系式为s11121s12L222+jjj+j0RRXMiuMRRXi-=|-|（6）求解式（6）可得回路电流 i1、i2分别为()()()()()()L221s2s11L2212122s2s11L2212jjjjjjjjRRXiuRRXRRXMMiuRRXRRXM+=|+-|=|+-（7）MCR-WPT 系统处于谐振状态时，X1=X2=0，由式（7）可得输入功率 Pin及输出功率 Pout表达式分别为()()()2L2sin2s1L212()RRuPRRRRM+=+（8）()()()()2212sLout22s1L212Mu RPRRRRM=+（9）MCR-WPT 系统传输效率表达式为()()()()()212Lout2inL2s1L212MRPPRRRRRRM=+（10）根据式（9）、式（10）可知，MCR-WPT 系统的输出功率、传输效率主要由谐振角频率0，线圈互感系数 M12，发射线圈，接收线圈，负载，电源阻值 R1、R2、RL、Rs决定；当系统的线圈结构、谐振频率及负载确定时，影响 MCR-WPT 系统传输性能的主要因