一种多电极构成的多天线高效率射频能量收集器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于医疗电子技术领域，涉及一种植入式医疗电子设备无线供电器件，更 具体是涉及一种多电极构成的多天线高效率射频能量收集器。
【背景技术】
[0002] 能量收集是通过特定的装置收集微能量，然后将它们转换成电能并对其存储与利 用的过程。能量收集主要应用在低功耗的电子设备中，例如无线传感器网络和可穿戴电子 产品等。近几十年来，随着无线通信技术的不断发展，射频能量正在从世界各地数十亿的无 线电发射器中发射而出，这些发射器包括移动电话、移动电话基站和电视/电台信号发射 基站等。这使得射频能量收集在全世界范围内都具有商业可行性。利用这些能量为设备供 电能够节省能源，降低设备对电池的需求。其次，不使用电池的设备也可以设计成一种得到 能量就能运行或有足够的充电累积就会运行的装置。相比于其它能量源，射频能量源有其 独特的优势。它不受时间限制，可在传输源的范围内自由移动，可控性强。并且可以利用可 充电电池或超级电容存储转换的射频能量，供随时使用。第三，很多植入式医疗电子设备都 具有多个电极（如神经刺激器等），这些电极可以充当射频能量收集电路的天线。因此，利 用射频能量来为一些低功耗电路供电已经成为一种趋势。但是现有射频能量收集技术存在 以下局限性：1)收集到的能量较小，获得的直流电压过低，直流电流过小；2)收集能量的效 率较低（低于1% ) ;3)需要配置单独的天线。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是为了克服现有技术存在的上述缺陷，解决现有射频能量收集器收 集的能量小、效率低、配置复杂的技术问题，提供一种多电极构成的多天线高效率射频能量 收集器。
[0004] 为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
[0005] -种多电极构成的多天线高效率射频能量收集器，由第一至第四天线1、第一至第 四匹配网络2、第一至第三微变压器3、多级倍压整流网络4、直流稳压模块5和能量贮存器 6组成。所述天线1用来接收射频能量。所述匹配网络2完成射频信号和后级网络之间的 功率或阻抗匹配，实现射频能量的最大传递。所述微变压器3用于提高接收到的微弱交流 电压和汇聚微弱电流。所述多级倍压整流网络4通过逐级累加的方式实现电压的抬升，从 而将微弱的电压转换成可供利用的直流电压。所述直流稳压模块5将所述多级倍压整流网 络4的输出进行稳压，输出稳定的直流电压。所述能量贮存器6用于储存所收集到的能量。
[0006] 所述第一至第四天线1的输出端分别连接所述第一至第四匹配网络2的输入端， 其中所述第一匹配网络2和第二匹配网络2的输出端分别连接所述第一微变压器3的两个 输入端；所述第三匹配网络2和第四匹配网络2的输出端分别连接所述第二微变压器3的 两个输入端；所述第一微变压器3和第二微变压器3的输出端分别连接所述第三微变压器 3的两个输入端；所述第三微变压器3的输出端依顺序与多级倍压整流网络4、直流稳压模 块5和能量贮存器6级联。
[0007] 上述的天线1为植入式医疗电子设备的电极。
[0008] 上述匹配网络为L-型电感-电容（LC)网络或由金属微带线构成的匹配网络。
[0009] 上述的微变压器3为金属微带线构成的集成变压器。
[0010] 上述的多级倍压整流网络4由多个单级倍压整流网络依次级联或依次梯形连接 构成，每个单级倍压整流网络中的整流二极管都选用甚高频段的肖特基二极管。
[0011] 上述的能量贮存器6为可充电微电池或储能电容中任一种，优选可充电微电池。
[0012] 本发明的一种多电极构成的多天线高效率射频能量收集器与现有技术相比具有 如下优点和有益效果：
[0013] 1、收集的能量比单天线大，因此能够产生足够高的直流电压和电流以驱动低功耗 植入式医疗电子设备；
[0014] 2、收集能量的效率比单天线高，天线越多其效率就越高，因此能量损耗较单天线 小；
[0015] 3、可以将医疗电子设备（如神经刺激器）中的多组电极当做天线使用，因此无需 单独配置天线，达到既提高性能又不额外增加成本以及增大设备体积的目的。
【附图说明】
[0016] 图1为本发明的系统结构图，图中：1.天线；2.匹配网络；3.微变压器；4.多级倍 压整流网络；5.直流稳压模块；6.能量贮存器。
[0017] 图2为匹配网络2的电路图。
[0018] 图3为微变压器3的结构图。
[0019] 图4为多级倍压整流网络4的电路图。
[0020] 图5为直流稳压模块5的电路图。
[0021 ] 图6为能量贮存器6的示意图。
【具体实施方式】
[0022] 为了加深对本发明的理解，下面结合实施例和附图对本发明作进一步的详述，该 实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
[0023] 如图1至图6所示，一种多电极构成的多天线高效率射频能量收集器，由第一至第 四天线1、第一至第四匹配网络2、第一至第三微变压器3、多级倍压整流网络4、直流稳压模 块5和能量贮存器6组成。所述第一至第四天线1的输出端分别连接所述第一至第四匹配 网络2的输入端，其中所述第一匹配网络2和第二匹配网络2的输出端分别连接所述第一 微变压器3的两个输入端；所述第三匹配网络2和第四匹配网络2的输出端分别连接所述 第二微变压器3的两个输入端；所述第一微变压器3和第二微变压器3的输出端分别连接 所述第三微变压器3的两个输入端；所述第三微变压器3的输出端依顺序与多级倍压整流 网络4、直流稳压模块5和能量贮存器6级联。
[0024] 所述天线1用铂电极实现。若电极长度固定，则根据其长度选择合适的射频信 号。若电极长度可调，其长度根据接收射频信号的频率确定，例如接收的射频信号为2. 4GHz 时，若选1/4波长的电极，其长度为3. 125cm。所述匹配网络2由L-型电感-电容（LC)网 络实现，如图2所示，其中电感L的输入端与所述天线1输入端连接，电感L的输出端与所 述微变压器3的输入端和电容C的一端相连接，电容C的另一端与所述天线1输入端的另 一端和微变压器3输入端的另一端相连接。其电感值和电容值根据接收信号频率和后级网 络的输入阻抗确定。例如对2. 4GHz射频信号，若后级网络输入阻抗为50Ω，此时L为5nH，C 为10pF。所述微变压器3为金属微带线构成的集成变压器，如图3所示，其初级线圈由相互 隔开的3圈以轴心为对称的正方形微带线圈串联构成（其中间有抽头用于接地；初级 线圈的内径为100μπι、线宽为20μπκ线距为3μπι;其次级线圈由与初级线圈同轴的1圈外 径为278μm、线宽为20μm、线距为3μm的金属微带线构成（^：^ )。
[0025] 所述多级倍压整流网络4如图4所示，由8个单级倍压整流网络依次梯形连接而 成。第一级单级倍压整流网络由C1、C2、D1和D2构成，其中C1的一端接输入端，其另一端 与D1的阴极和D2的阳极相连，D2的阴极与C2的一端相连，D1的阳极和C2的另一端同时 连接另一个输入端。第二个单级倍压整流网络（C3、C4、D3和D4)的一个输入端（即C3的 一端）与第一级单级倍压整流网络中D1的阳极相连，其另一个输入端（即D3的阳极）与 D2的阴极相连，以此类推。每个单级倍压整流网络中的整流二极管都选用甚高频段的肖特 基二极管，例如可选用AgilentTechnologies公司的HSMS-28sx系列肖特基二极管。所述 直流稳压模块5如图5所示，选用低功耗的DC-DC模块，例如可选用ONSemiconductor公 司的NCP583稳压芯片。所述能量贮存器6如图6所示，选用可充电锂离子电池。
[0026] 实验测得本实施例的能量收集效率为2 %。
[0027] 以上实施例，仅为本发明较佳的【具体实施方式】。当然，本发明还可有其它多种实施 例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，任何熟悉本技术领域的技术人员，当可根据本 发明作出各种相应的等效设计，都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
[0028] 本发明的一种多电极构成的多天线高效率射频能量收集器，可为低功耗植入式医 疗电子设备供电，能有效提高射频能量收集的功率和效率。
【主权项】
1. 一种多电极构成的多天线高效率射频能量收集器，其特征是，由第一至第四天线、第 一至第四匹配网络、第一至第三微变压器、多级倍压整流网络、直流稳压模块和能量贮存器 组成；所述第一至第四天线的输出端分别连接所述第一至第四匹配网络的输入端，其中所 述第一匹配网络和第二匹配网络的输出端分别连接所述第一微变压器的两个输入端；所述 第三匹配网络和第四匹配网络的输出端分别连接所述第二微变压器的两个输入端；所述第 一微变压器和第二微变压器的输出端分别连接所述第三微变压器的两个输入端；所述第三 微变压器的输出端依顺序与多级倍压整流网络、直流稳压模块和能量贮存器级联。2. 根据权利要求1所述的一种多电极构成的多天线高效率射频能量收集器，其特征 是：所述天线为植入式医疗电子设备的电极。3. 根据权利要求1所述的一种多电极构成的多天线高效率射频能量收集器，其特征 是：所述匹配网络为L-型电感-电容LC网络或由金属微带线构成的匹配网络。4. 根据权利要求1所述的一种多电极构成的多天线高效率射频能量收集器，其特征 是：所述微变压器为金属微带线构成的集成变压器。5. 根据权利要求1所述的一种多电极构成的多天线高效率射频能量收集器，其特征 是：所述多级倍压整流网络由多个单级倍压整流网络依次级联或依次梯形连接构成。6. 根据权利要求5所述的一种多电极构成的多天线高效率射频能量收集器，其特征 是：所述单级倍压整流网络中的整流二极管均选用甚高频段的肖特基二极管。
【专利摘要】本发明公开了一种多电极构成的多天线高效率射频能量收集器，由第一至第四天线、第一至第四匹配网络、第一至第三微变压器、多级倍压整流网络、直流稳压模块和能量贮存器组成。所述第一至第四天线的输出端分别连接所述第一至第四匹配网络的输入端；所述第一匹配网络和第二匹配网络的输出端分别连接所述第一微变压器的两个输入端；所述第三匹配网络和第四匹配网络的输出端分别连接所述第二微变压器的两个输入端；所述第一微变压器和第二微变压器的输出端分别连接所述第三微变压器的两个输入端；所述第三微变压器的输出端依次与多级倍压整流网络、直流稳压模块和能量贮存器级联。本发明可为植入式医疗电子设备供电，以提高射频能量收集的功率和效率。
【IPC分类】H02J50/27
【公开号】CN105305663
【申请号】CN201510698139
【发明人】李效龙, 康开莉, 王敏, 郑威, 苏胤杰
【申请人】江苏科技大学
【公开日】2016年2月3日
【申请日】2015年10月22日