一种针对微型无源神经接口中无线链路的频率选择分析方法技术

本发明专利技术涉及一种针对微型无源神经接口中无线链路的频率选择分析方法，包括：确定线圈结构，将链路建模为一个二端口网络，对两个端口网络进行匹配电路设计和仿真得到天线二端口网络的传输效率PTE；通过对二端口全波仿真获得满足人体电磁安全标准的最大发射功率和接收天线的最大接收功率；获取整流器的功率转换效率PCE；计算得到植入传感节点可用直流功率，并与后向传感节点的功耗进行比较，且将植入传感节点可用直流功率大于后向传感节点的功耗时对应的频率作为系统的工作频率。本发明专利技术适用于各类植入式微型传感系统的无线链路分析，为采用近场耦合线圈的无源神经接口系统在工作频率选择上提供了指导。工作频率选择上提供了指导。工作频率选择上提供了指导。

【技术实现步骤摘要】
一种针对微型无源神经接口中无线链路的频率选择分析方法


[0001]本专利技术涉及无线通信
，尤其涉及一种针对微型无源神经接口中无线链路的频率选择分析方法。

技术介绍

[0002]神经接口可以实现连接神经系统与外部世界的通路，通过对神经信号的长期采集和分析可以帮助理解人类神经系统的行为，同时神经接口有助于发展神经障碍的治疗和辅助技术；针对神经系统进行直接电传感与电刺激的方法已经成功实施为多种疾病的治疗手段；人脑中约有860亿神经元，想要以近乎单个神经元的分辨率将电记录和刺激的规模扩大至更多位置，采用分布式的无源神经接口系统是当前具有较大潜力的发展方向。
[0003]分布式的无源神经接口系统主要有基站、发射机和神经植入物组成；基站用于处理神经植入物发回的数据，发射机通常位于目标身上，可以与神经植入物和基站双向通信，并为神经植入物供能，神经植入物直接植入神经组织，用于记录神经数据，同时实现数据传输；在设计无源神经接口系统时，天线小型化、人体电磁暴露、整流效率和植入物功耗四者都对无源神经接口系统有着重要影响，且四者存在相互制约的关系，而频率会影响天线小型化、人体电磁暴露、整流效率和植入物功耗，因此，在无源神经系统设计时如何对频率进行选择分析是目前需要考虑的问题。
[0004]需要说明的是，在上述
技术介绍
部分公开的信息只用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种针对微型无源神经接口中无线链路的频率选择分析方法，能够为采用感应耦合链路的无源神经接口系统在工作频率选择上提供支持。
[0006]本专利技术的目的通过以下技术方案来实现：一种针对微型无源神经接口中无线链路的频率选择分析方法，所述频率选择分析方法包括：
[0007]S1、获得二端口网络随频率变化的天线二端口网络的传输效率PTE：确定收发线圈结构，将链路建模为一个二端口网络，通过全波仿真获取该网络的端口阻抗和S参数，对两个端口进行匹配电路设计和仿真得到天线二端口网络的传输效率PTE；
[0008]S2、获得最大允许的发射和接收功率：通过对二端口网络全波仿真获得满足人体电磁安全标准的各个频点的最大发射功率和接收天线的最大接收功率；
[0009]S3、获取整流器的功率转换效率PCE：根据接收天线的最大接收功率确定每个频点的整流器的输入阻抗，而后设计整流器和接收天线的级间匹配网络，通过优化负载和匹配电路获得固定频率和对应输入功率下的最佳PCE；
[0010]S4、计算得到植入传感节点可用直流功率，并与后向传感节点的功耗进行比较，且将植入传感节点可用直流功率大于后向传感节点的功耗时对应的频率作为系统的工作频
率上限。
[0011]所述获得二端口网络随频率变化的天线二端口网络的传输效率PTE具体包括：
[0012]系统链路包括由发射和接收天线以及周围人体组织组成的感应链路、匹配网络、整流器和传感节点，将发射和接收天线及组织一起等效为二端口微波网络；
[0013]通过全波分析得到发射天线端口的阻抗Z
11
、接收天线端口的阻抗Z
22
以及链路的散射参数S
21
，将散射参数文件导入ADS，并进行输入端口的匹配电路设计，采用L型网络完成外部源端与发射天线端口的共轭匹配，二端口网络输出端口阻抗设置为与接收天线理想共轭匹配，得到包含线圈耦合效率、组织损耗和匹配元件损耗频率依赖关系的PTE。
[0014]所述获得最大允许的发射和接收功率具体包括：
[0015]通过全波仿真得到单位体积组织对电磁波的损耗VLD，并根据公式S
loss
＝VLD
·
H得到单位面积损耗S
loss
，H表示一个单位长度；
[0016]调节输入功率P
t
使得S
loss
趋近最大许可暴露MPE的限值，得到符合安全标准的最大发射功率P
t_max
，根据公式P
r_max
＝P
t_max
+PTE得到接收天线的最大接收功率。
[0017]所述获取整流器的功率转换效率PCE具体包括：
[0018]根据各个频点对应的接收天线的最大接收功率P
r_max
和接收天线端口的阻抗Z
22
确定整流器的输入功率和输入端的阻抗Z
in
；
[0019]根据阻抗Z
22
和阻抗Z
in
的取值设计整流器和接收天线之间的匹配电路，并对匹配电路进行优化，将匹配元件以及负载设置为优化参量，将PCE设置为优化指标，通过梯度优化算法进行迭代，当满足迭代次数要求时，得到各频点优化后的PCE值，即最佳PCE值。
[0020]本专利技术具有以下优点：一种针对微型无源神经接口中无线链路的频率选择分析方法，综合天线设计、介质损耗、整流效率、功率预算等重要设计因素的无线链路频率选择分析方法，该方法适用于各类植入式微型传感系统的无线链路分析，为采用近场耦合线圈的无源神经接口系统在工作频率选择上提供了指导。
附图说明
[0021]图1为本专利技术方法的流程示意图；
[0022]图2为本专利技术中链路的电路结构示意图；
[0023]图3为本专利技术中天线的结构示意图；
[0024]图4为本专利技术中天线的模型示意图；
[0025]图5为整流器的拓扑结构示意图。
具体实施方式
[0026]为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下结合附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的保护范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本专利技术做进一步的描述。
[0027]如图1所示，本专利技术提出了一种综合天线设计、介质损耗、整流效率、功率预算等重要设计因素的无线链路频率选择分析方法，该方法适用于各类植入式微型传感系统的无线链路分析，为采用感应耦合链路的的无源神经接口系统在工作频率选择上提供了指导；具体包括以下内容：
[0028]S1、获得二端口网络随频率变化的天线二端口网络的传输效率PTE：确定线圈结构，将链路建模为一个二端口网络，对两个端口网络进行匹配电路设计和仿真得到天线二端口网络的传输效率PTE；
[0029]S2、获得最大允许的发射和接收功率：通过对二端口全波仿真获得满足人体电磁安全标准的最大发射功率和接收天线的最大接收功率；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种针对微型无源神经接口中无线链路的频率选择分析方法，其特征在于：所述频率选择分析方法包括：S1、获得二端口网络随频率变化的天线二端口网络的传输效率PTE：确定收发线圈结构，将链路建模为一个二端口网络，通过全波仿真获取该网络的端口阻抗和S参数，对两个端口进行匹配电路设计和仿真得到天线二端口网络的传输效率PTE；S2、获得最大允许的发射和接收功率：通过对二端口网络全波仿真获得满足人体电磁安全标准的各个频点的最大发射功率和接收天线的最大接收功率；S3、获取整流器的功率转换效率PCE：根据接收天线的最大接收功率确定每个频点的整流器的输入阻抗，而后设计整流器和接收天线的级间匹配网络，通过优化负载和匹配电路获得固定频率和对应输入功率下的最佳PCE；S4、计算得到植入传感节点可用直流功率，并与后向传感节点的功耗进行比较，且将植入传感节点可用直流功率大于后向传感节点的功耗时对应的频率作为系统的工作频率上限。2.根据权利要求1所述的一种针对微型无源神经接口中无线链路的频率选择分析方法，其特征在于：所述获得二端口网络随频率变化的天线二端口网络的传输效率PTE具体包括：系统链路包括由发射和接收天线以及周围人体组织组成的感应链路、匹配网络、整流器和传感节点，将发射和接收天线 及组织一起等效为二端口微波网络；通过全波分析得到发射天线端口的阻抗Z
11
、接收天线端口的阻抗Z
22
以及链路的散射参数S
21
，将散射参数文件导入ADS，并进行输入端口的匹配电路设计，采用L型网络完成外部源端与发射天线端口的共轭匹配，二端口网络输出端...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋凌南，付思佳，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：