本方法属于植入式微波无线传能领域，具体涉及一种基于人工匹配层和时间反演的高效植入式近场微波无线传能方法。
背景技术：
：：1、在无线医疗系统中，植入式医疗设备(implantable medical devices，imds)因其能够长期、实时、准确地监测人体内的生理参数的变化，甚至代替相应的人体器官而备受研究者的关注。当前，大多数imds如心脏起搏器、无线胶囊内窥镜和电子耳蜗等需要实际的电池进行能量供应。然而，当电池电量耗尽时，需要进行植入手术取出植入设备进行电池更换，这将给病人带来二次手术创伤和不良的医疗体验。在此背景下，微波无线传能(microwave wireless power transfer，mpt)技术因其能够实现无创、安全、可靠的电源供应，在imds的无线能量供应中具有广泛的应用前景。然而，位于imds上的植入式接收天线处于发射阵列的近场区，传统的远场mpt方法已不再适用。同时，人体组织表面与空间阻抗的不匹配也将导致功率传输效率下降。《maximum wireless power transfer to theimplantable device in the radiative near field》基于最大功率传输效率法实现了功率传输效率的提高，功率传输效率是传统方向图综合法的1.3倍，然而其并没有考虑到人体组织与空气之间波阻抗的失配。《efficient wireless power transfer system forimplantable medical devices using circular polarized antennas》利用了一种简易的超材料板实现了功率传输效率的提高，但其中的发射天线为单元天线，并未涉及天线阵列的精准幅相调控。2、因此，本发明研究植入式近场微波无线传能中的功率传输效率，并提出一种基于人工匹配层和时间反演的高效无线传能方法，给出具体实现步骤，对植入式近场微波无线输能系统的研究具有非常重要的基础性和方法性价值。技术实现思路1、本发明针对影响植入式近场微波无线传能的功率传输效率的关键性问题进行了研究分析，提出了一种基于人工匹配层和时间反演的高效植入式近场微波无线传能方法，该方法通过引入一种新型的人工匹配层使得人体组织与空气之间的波阻抗失配减小，同时在体外发射阵列天线的近场区，利用时间反演实现了激励信号的幅相调控，克服了传统植入式微波无线传能方法缺乏对人体组织与空气之间波阻抗失配的考虑，且无法进行精准幅相调控的问题。2、本发明采用的技术方案如下：3、一种基于人工匹配层和时间反演的高效植入式近场微波无线传能方法，包括以下步骤：4、步骤1.计算单层人体组织的波阻抗。5、根据所述单层人体组织的介电常数ε1和磁导率μ1，波阻抗为：6、7、步骤2.选取合适的金属贴片形状和介质基板构建一种人工匹配层，并计算所述人工匹配层的等效波阻抗。8、所述金属贴片印刷在所述介质基板的下表面。当电磁波入射到所述金属贴片上时，所述金属贴片可等效为一个接地电容，电容值定义为c1，可通过改变所述金属贴片形状和所述介质基板厚度来调整电容值c1；当电磁波入射到所述介质基板上时，依据所述介质基板的介电常数ε2和磁导率μ2，可得所述介质基板的等效波阻抗为：9、10、步骤3.将步骤2中的人工匹配层放置于单层人体组织表面上方，构建“空气1-人工匹配层-空气层2-单层人体组织”的等效电路模型，调节人工匹配层的相关参数实现空气层1到单层人体组织的波阻抗匹配。11、根据空气的介电常数ε0和磁导率μ0，空气层1和空气层2的波阻抗均为：12、13、此时，空气1、人工匹配层、空气层2、单层人体组织在空间上依次相接，反映在等效电路上则是阻抗z0、阻抗z2、接地电容c1、阻抗z0和阻抗z1依次相连。调整所述人工匹配层的电容值c1，可以使得空气层1到单层人体皮肤上表面的传输系数的幅值接近1，从而实现空气层1和单层人体组织的阻抗匹配。14、步骤4.选取合适的植入式天线和体外发射阵列，所述体外发射阵列由n个相同的天线单元构成，同时在所述单层人体组织上表面和体外发射阵列之间插入步骤3所设计的人工匹配层，构建植入式近场微波无线传能场景。15、步骤5.利用时间反演对所述体外发射阵列激励的幅相进行调控，进行高效的近场微波无线传能。16、所述时间反演分为两个阶段：探测阶段和回传阶段。17、(1)在探测阶段，所述植入式天线发射探测信号s0，所述体外发射阵列每个单元接收到的信号记为si(i＝1,2,···,n)；在回传阶段，对信号si(i＝1,2,···,n)做傅里叶变换，获取其峰值幅度ai(i＝1,2,···,n)和相位然后将得到的相位进行共轭处理从而获得回传信号的相位18、(2)在回传阶段，所述体外发射阵列发射幅度为ai(i＝1,2,···,n)和相位为的回传信号，电磁波能量将在空间和时间上自适应同步聚焦于植入式天线处，从而在体外发射阵列的近场区实现高效的植入式微波无线能量传输。需要注意的是，探测信号和回传信号均采用正弦形式的单频连续波以实现稳定、恒时输能。19、定义回传阶段中植入式天线接收到的信号为sr，其峰值幅度为ar。此时，所述植入式近场微波无线传能的功率传输效率η可用下式计算：20、21、根据上述基于人工匹配层和时间反演的高效植入式近场微波无线传能方法求出的功率传输效率，相较于使用人工匹配层或使用了人工匹配层但只对所述体外发射阵列进行等幅同向馈电情况下的功率传输效率更高。22、本发明具有如下有益效果：23、(1)本发明利用人工匹配层解决了空气与单层人体组织之间波阻抗失配的问题，减少了电磁波能量在单层人体组织表面的反射，提高了功率传输效率。同时，本发明设计的人工匹配层相较于传统的四分之一波长匹配层，剖面更低且不需要紧贴于单层人体组织表面，避免了人体组织对匹配层的排斥，应用场景更加贴合实际。24、(2)本发明利用时间反演在近场微波无线传能的自适应空时同步聚焦特性，相较于直接对阵列进行等幅同向馈电，时间反演可以便捷地对阵列进行幅相调控从而实现近场聚焦，具有高效性、便捷性。25、(3)本发明的高效植入式近场微波无线传能方法结合了人工匹配层和时间反演，在解决空气与单层人体组织之间波阻抗失配的问题的同时，实现了对所述体外发射阵列的幅相调控，进一步完善了植入式近场微波无线传能方法，显著提高了功率传输效率，对针对性优化植入式近场微波无线传能的功率传输效率的研究具有重要意义。技术特征：1.一种基于人工匹配层和时间反演的高效植入式近场微波无线传能方法，其特征在于，包括以下步骤：技术总结本发明公开了一种基于人工匹配层和时间反演的高效植入式近场微波无线传能方法，属于植入式微波无线传能领域。本发明所述方法通过引入一种新型的人工匹配层解决了空气与单层人体组织之间的波阻抗失配的问题，减少了电磁波能量在单层人体组织表面的反射，提升了功率传输效率；构建了基于人工匹配层的植入式近场微波无线传能场景，并利用时间反演调控了体外发射阵列天线激励信号的幅度和相位，实现了精准的电磁聚焦，显著提高了功率传输效率，对针对性优化植入式近场微波无线传能的功率传输效率的研究具有重要意义。技术研发人员：李鑫,张旭东,郝新杰,赵德双受保护的技术使用者：电子科技大学技术研发日：技术公布日：2024/1/15