面向无线能量传输的射频信号在生物体内传播规律的实验研究

论文摘要

植入式器件和系统在生物医学上的应用越来越广泛,然而能量问题一直是植入式器件的一个技术难题。无线能量传输技术为解决植入式器件的寿命问题提供了新的技术途径,无线能量传输中普遍采用电感耦合方式。提高电感线圈之间的耦合效率、掌握射频信号在生物体内的传播特性、选取最佳射频信号频率是实现长期稳定的植入式器件无线能量传输的重要环节。本文的主要工作是参考生物电磁学的研究方法,结合电感耦合能量传输理论,设计搭建了射频能量传输的测试平台。此平台以网络分析仪为核心,配合简单的生物模型。生物模型包括实验容器,调节装置和测试溶液。通过对空间中两个平面电感之间的位置关系建立模型,然后通过调节固定装置上电感之间的位置,进而测试对应位置参数下的能量衰减。在测试平台的基础上,对射频能量在空气中、HBSS溶液中、人体体表以及动物体内四种环境下的衰减做了大量的测试实验。通过多次测量取得有效数据。经过对测试数据的拟合分析,基本总结出了在该模型下,RF无线能量传输中的能量衰减在不同频率下,受横向、纵向、角度变化的影响,并且建立了空间中两平面电感耦合能量传输的衰减模型。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 无线能量传输技术
• 1.1.1 简介
• 1.1.2 Bio-MEMS 中的应用研究
• 1.1.3 RF 信号在生物体内传播规律的研究
• 1.2 论文的安排
• 第二章 电感耦合能量传输理论与MEMS 电感的设计
• 2.1 电磁场传播理论
• 2.1.1 麦克斯维方程组
• 2.1.2 平面电磁波在介质中的传播规律
• 2.2 电感耦合能量传输理论
• 2.2.1 线圈自感的理论计算
• 2.2.2 线圈互感的理论计算
• 2.2.3 线圈的耦合效率计算
• 2.2.4 电路分析模型
• 2.3 高Q 值MEMS 电感的设计与制备
• 2.3.1 螺旋电感的物理模型
• 2.3.2 螺旋电感参数设计和优化
• 2.3.3 螺旋电感的工艺流程
• 2.3.3 电感的性能测试与分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 射频信号传播测试方案
• 3.1 模拟人体环境中测试射频信号传输的实验平台
• 3.1.1 实验模型与方案
• 3.1.2 实验装置的设计与制作
• 3.1.3 实验步骤
• 3.2 实验材料的准备
• 3.2.1 接收端和发射端电感的制备
• 3.2.2 模拟人体体液的选择
• 3.3 人体和动物实验
• 3.3.1 人体体表实验方案
• 3.3.2 植入动物体内的实验方案
• 3.4 实验数据的采集与校准
• 3.4.1 射频能量衰减的定义
• 3.4.2 系统误差的消除
• 3.5 本章小结
• 第四章 测试结果分析
• 4.1 空气中测试结果分析
• 4.1.1 RF 能量衰减与电感间距离的关系
• 4.1.2 RF 能量衰减与电感平面夹角的关系
• 4.1.3 RF 能量衰减空间分布图
• 4.1.4 RF 能量衰减空间函数分布
• 4.2 HBSS 溶液中测试结果分析
• 4.2.1 RF 能量衰减与电感间距离的关系
• 4.2.2 RF 能量衰减与电感平面夹角的关系
• 4.2.3 RF 能量衰减空间分布图
• 4.2.4 RF 能量衰减空间函数分布
• 4.3 人体体表与动物实验结果
• 4.3.1 人体体表实验
• 4.3.2 动物实验
• 4.4 总结—数据对比分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 总结和展望
• 附录
• 附录一 生物电磁学
• 附录二 Matlab 代码
• 参考文献
• 硕士期间发表论文
• 致谢