基于感应式电能传输的近场通信系统、植入式医疗仪器技术方案

本发明专利技术提供了一种基于感应式电能传输的近场通信系统以及植入式医疗仪器。该系统中，在供能端中增加了一个与原供能线圈部分重叠专门用于上行接收的通信线圈，从而使得供能过程与通信过程可以分别通过供能线圈以及通信线圈来实现，并通过调整线圈的相对位置使供能线圈和通信线圈之间的耦合系数近似于零，从而有效降低供电与数据通信之间的影响，进而提高无线供电效率，提升上行通信链路的信干比(上行通信载波功率与能量载波功率之比)，提升了通信系统的性能。此外，在获能端中实现对获能通信线圈的复用，从而在保证正常供能以及通信的情况下，减小了获能端的尺寸，有利于本发明专利技术应用在各个具有微小尺寸要求的领域中。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于通信
，特别涉及一种基于感应式电能传输的近场通信系统、植入式医疗仪器。
技术介绍
近年来，随着信息技术的发展，智能电子设备已经逐渐延伸至各个领域，以其快速精准、灵活便捷的优势在各个领域中均发挥了很大的作用。例如，新兴的物联网领域中的射频识别(RFID)技术(如门禁智能刷卡系统，二代身份证刷卡系统等)，医疗行业中的高科技植入式医疗技术。在智能电子设备为各个行业带来便利的同时，也面临着诸多问题。例如，智能设备受到电池容量的限制，其电量经过一段时间后很快耗尽，需要经常对设备的电池充电；当设备与设备之间进行近距离通信时，利用有线媒介就变得非常麻烦。因此，人们一直急切的希望实现一种能够同时支持无线供电和近场通信的通信系统。研究表明，利用近场原理，使用小尺寸线圈实现交变磁场感应式的无线供电和近场通信是理想的信能同传方案。例如对于智能医疗仪器领域，智能植入式医疗仪器一般由体外设备和植入人体的体内设备组成；体外设备提供能量并调整治疗状态，一般包括供能、近场通信、控制等单元；体内设备实现传感和激励，一般包括获能、近场通信、传感器、激励器和控制等单元。其中近场通信分为下行和上行两种通信，下行通信是指由体外设备向体内设备发送数据，一般为控制命令或激励参数；上行通信则相反是指由体内设备向体外设备发送数据，一般为传感器采集的体征信息。基于感应式的信能同传方案一般有以下两种实现方式：(一)基于RFID的方案一般采用单线圈对(体内和体外各一个线圈)和单载波的方案来实现供能和上下行通信，其中上行通信方案大多采用负载调制的方式，下行采用供电载波幅度调制。(二)另一种是近几年来学者提出的一种用于供电和近场通信的多线圈对方案。通过安置多对感应线圈(体内和体外各包括两个线圈和一个天线)和多载波来分别实现供能和上下行通信，这种方案可以有效改善通信链路对供电效率的影响同时有利于获得较宽通信频带范围。(三)为了缩小植入体内部分的体积，同时提高能量传输效率，目前还存在一类方法提出使用不同载波频率实现无线传能和数据通信的频分复用单线圈对方案。借助一对复用线圈(供能端和获能端各一个线圈)和两个载波来实现供能和上下行通信，从而减小了植入体内部分的体积。此外，由于采用相位调制的方式，避免了能量载波幅度的变化，进而提高了能量传输的效率，而且在耦合系数较低时也实现了可靠通信。对于单线圈对方案而言，其上行通信大多采用负载调制的方式，但是负载调制的上行通信方式需要体内和体外的线圈有较大且稳定的耦合系数，且需要供能线圈能感生出较大的负载阻抗变化，才可以在供能线圈中的供能载波上产生足够的幅度调制变化(大于2％)来克服噪声和干扰的影响，实现可靠通信。然而，无线获能端的线圈尺寸一般受限，使得与供能线圈的耦合系数不大，而且供能线圈和获能线圈之间的相对移动会使它们之间的耦合系数不稳定。此外，较大的负载阻抗变化会严重影响获能设备电源供给的稳定性。其下行通信方案采用幅度调制的方式，通过改变能量载波的幅度将下行数据调制在能量载波上。这种下行通信方案因为改变了能量载波的幅度，所以降低了无线供能的功率。对于多线圈对方案而言，供能线圈和通信线圈之间常存在较大的交叉耦合，使得供能链路和通信链路之间存在较强的相互影响。此外，多线圈对方案要求在获能端安置除获能线圈外额外的通信专用线圈或天线，这会增大无线获能端电路的复杂性和参数不可控性。例如对于植入式医疗设备，额外线圈增加的体积和多线圈之间安放位置的特殊要求会大大增加植入手术的难度。对于频分复用单线圈对方案，其供电链路和通信链路之间仍然存在一定的通信电路与供能电路的相互影响，降低了供电效率和上行通信链路的信干比(上行通信载波功率与能量载波功率之比)。
技术实现思路
本专利技术的一个目的在于，提供一种能够降低供电与数据通信之间的影响，且获能端尺寸较小的基于感应式电能传输的近场通信系统以及植入式医疗仪器。为解决上述问题，第一方面，本专利技术提供一种基于感应式电能传输的近场通信系统，包括：供能端以及获能端；所述供能端包括供能端发射单元、供能端接收单元、供能线圈以及通信线圈；其中，所述通信线圈在第一平面上的投影与所述供能线圈至少部分重叠，所述第一平面为所述供能线圈所在的平面；所述获能端包括获能端发射单元、获能端接收单元、获能单元以及获能通信线圈；在所述供能端靠近所述获能端，以使所述获能通信线圈在第一平面上的投影、所述通信线圈在第一平面上的投影以及供能线圈具有共同交集时：若所述供能端发射单元向所述供能线圈输出无线供能交流电和/或向所述通信线圈输出下行通信信号，则所述获能通信线圈感应所述无线供能交流电和/或所述下行通信信号，并分别输出至获能单元和/或获能端接收单元；若所述获能端发射单元向所述获能通信线圈输出上行通信信号，则所述供能端的通信线圈感应所述上行通信信号，并输出至所述供能端接收单元。可选地，所述供能端发射单元与供能线圈输出的第一谐振频率、所述获能单元与获能通信线圈输出的第二谐振频率均根据所述无线供能交流电的频率而设置；所述供能端接收单元与通信线圈输出的第三谐振频率根据上行通信载波频率而设置。可选地，所述第一谐振频率以及为所述第二谐振频率均为无线供能交流电的频率的0.9-1.1倍。可选地，所述第三谐振频率为上行通信载波频率的0.9-1.1倍。可选地，所述无线供能交流电的频率为1.8-2.2MHz，所述上行通信载波频率适于使得所述系统对所述上行通信信号进行滤波。可选地，所述第一平面与所述通信线圈所在的第二平面平行；所述通信线圈的中心与所述供能线圈的中心所在的且垂直于线圈所在平面的直线具有第一预设距离，所述第二平面与所述第一平面具有第二预设距离，所述第一预设距离以及第二预设距离适于使得所述通信线圈与供能线圈的耦合系数小于第一预设值；当所述供能端靠近所述获能端时，所述获能通信线圈与所述通信线圈在第一平面上的投影的交集适于使得所述通信线圈与获能通信线圈的耦合系数大于第二预设值。可选地，所述第一平面与所述通信线圈所在的第二平面具有预设夹角，所述通信线圈的中心与所述供能线圈的中心所在的且垂直于线圈所在平面的直线具有第三预设距离，所述通信线圈的中心与所述第一平面具有第四预设距离；所述第三预设距离以及第四预设距离适于使得在所述第一平面与第二平面具有预设夹角时，所述通信线圈与供能线圈的耦合系数小于第一预设值；当所述供能端靠近所述获能端时，所述获能通信线圈与所述通信线圈在第一平面上的投影的交集适于使得所述通信线圈与获能通信线圈的耦合系数大于第二预设值。可选地，所述系统采用时分双工的通信方式传输上行通信信号以及下行通信信号。第二方面，本专利技术提供了一种植入式医疗仪器，包括上述所述的供能端以及获能端。可选地，所述供能端位于身体外部，所述获能端位于身体内部。本专利技术实施例提供的基于感应式电能传输的近场通信系统中，在供能端中增加了一个与原供能线圈部分重叠专门用于上行接收的通信线圈，从而使得供能过程与通信过程可以分别通过供能线圈以及通信线圈来实现，并通过调整线圈的相对位置使供能线圈和通信线圈之间的耦合系数近似于零，从而有效降低供电与数据通信之间的影响，进而提高无线供电效率，提升上行通信链路的信干比(上行通信载波功率与能量载波功率之比)，提升了通信系统的性能。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于感应式电能传输的近场通信系统，其特征在于，包括：供能端以及获能端；所述供能端包括供能端发射单元、供能端接收单元、供能线圈以及通信线圈；其中，所述通信线圈在第一平面上的投影与所述供能线圈至少部分重叠，所述第一平面为所述供能线圈所在的平面；所述获能端包括获能端发射单元、获能端接收单元、获能单元以及获能通信线圈；在所述供能端靠近所述获能端，以使所述获能通信线圈在第一平面上的投影、所述通信线圈在第一平面上的投影以及供能线圈具有共同交集时：若所述供能端发射单元向所述供能线圈输出无线供能交流电和/或向所述通信线圈输出下行通信信号，则所述获能通信线圈感应所述无线供能交流电和/或所述下行通信信号，并分别输出至获能单元和/或获能端接收单元；若所述获能端发射单元向所述获能通信线圈输出上行通信信号，则所述供能端的通信线圈感应所述上行通信信号，并输出至所述供能端接收单元。

【技术特征摘要】
1.一种基于感应式电能传输的近场通信系统，其特征在于，包括：供能端以及获能端；所述供能端包括供能端发射单元、供能端接收单元、供能线圈以及通信线圈；其中，所述通信线圈在第一平面上的投影与所述供能线圈至少部分重叠，所述第一平面为所述供能线圈所在的平面；所述获能端包括获能端发射单元、获能端接收单元、获能单元以及获能通信线圈；在所述供能端靠近所述获能端，以使所述获能通信线圈在第一平面上的投影、所述通信线圈在第一平面上的投影以及供能线圈具有共同交集时：若所述供能端发射单元向所述供能线圈输出无线供能交流电和/或向所述通信线圈输出下行通信信号，则所述获能通信线圈感应所述无线供能交流电和/或所述下行通信信号，并分别输出至获能单元和/或获能端接收单元；若所述获能端发射单元向所述获能通信线圈输出上行通信信号，则所述供能端的通信线圈感应所述上行通信信号，并输出至所述供能端接收单元。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述供能端发射单元与供能线圈输出的第一谐振频率、所述获能单元与获能通信线圈输出的第二谐振频率均根据所述无线供能交流电的频率而设置；所述供能端接收单元与通信线圈输出的第三谐振频率根据上行通信载波频率而设置。3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：所述第一谐振频率以及所述第二谐振频率均为无线供能交流电的频率的0.9-1.1倍。4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：所述第三谐振频率为上行通信载波频率的0.9-1.1倍。5.根据权利要求2-4任一所述的系统，其特征在于：所述无线供能交流电的频率为1...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘大可，李敏，龚辰，苗志东，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11