【应用】是德科技高级软件设计系统(ADS),为植入式生物医疗系统提供简单高效的仿真解决方案

2019-10-26 Keysight
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植入式医疗生物传感器通常用于治疗健康问题,通过植入式微小的传感器收集医疗数据,如神经活动或心脏起搏器状态。由于它们需要连续运行,因此必须有足够的电力。可充电锂离子电池体积小、能量密度高、自放电率低、寿命长,是一种很好的植入体电源。无线电池充电技术允许植入式医疗设备收集射频能量,从而为其提供持续电量。这样才使得植入式医疗设备能够应用于实际临床。


通常,这种无线充电技术通过感应或耦合远场电磁波来获得能量,如图一所示为台湾国立成功大学的研究人员利用该技术设计的植入式医疗生物传感器的系统框图。


图一 植入式医疗生物传感器系统框图


该系统的无线充电子系统由工作在MICS频段的印刷接收天线,匹配电路,双整流二极管和低通滤波器组成,由于负载的变化,电池电压的变化,电池的内阻变化以及天线的接收效率的变化,利用传统的阻抗匹配方法很难实现系统链路阻抗的最优化设计,从而造成充电子系统的充电效率不高,研究人员遇到很大设计瓶颈。


ADS的增强集成三维电磁分析工具包-包括有限元电磁扫描,优化和电路分析的协同仿真,可以导入3D模型,PCB Layout设计文档来在系统级的层面模拟仿真空间的电磁场状况和电路板的射频阻抗状况,从而协同解决了电磁场和电路联合仿真的系统仿真难题。


图二,ADS的增强集成三维电磁分析工具包


ADS提供的电路和电磁(EM)仿真工具为台湾国立成功大学的研究人员提供了高效简单的仿真解决方案。他们利用ADS简化了匹配网络和整流天线(rectenna)子系统。团队进行了EM和电路协同仿真,从而探索和优化了设计空间。为了创建阻抗匹配模型,研究人员使用了ADS谐波平衡模拟双二极管整流器电路并优化设计空间。通过扫描电阻值和定制锂离子电池电压的方法,然后记录相应的输出电压,电流和阻抗,匹配锂离子电池和整流天线之间的阻抗。接下来,使用优化匹配电路模型提出一种仅由三个电容器组成的优化整流天线电路,最后,使用ADS EMcircuit协同仿真设计了可植入整流天线。使用这个功能,研究人员确保了整流天线的辐射阻抗,减少人体组织的电磁损失,进而改善辐射效率,如图三的天线和匹配电路仿真模型。


图三 天线和匹配电路仿真模型


通过这种方法,NCKU的研究人员开发了一种简单而有效的直流驱动阻抗匹配方法,在5小时的充电周期内实现了76%的射频-直流转换效率,即从入射功率到电池充电功率的平均值。相比之下,利用是德科技的ADS仿真工具比以前的同类工作只实现了50%的转换效率有了很大的提升。


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