생체 의학 무선 애플리케이션을 위해 향상된 주파수 비율을 갖춘 다중 대역 SSR 다이오드 RF 정류기

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 13246(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

본 논문에서는 회로 복잡성이 단순화된 4대역 이식형 RF 정류기에 대해 설명했습니다. 각 RF 정류기 셀은 제안된 설계를 달성하기 위해 4개의 작동 주파수에 순차적으로 매칭됩니다. 제안된 RF 정류기는 각각 1.830, 2.100 및 2.38~2.68GHz의 공백 Wi-Fi 대역에서 RF 신호를 수집할 수 있습니다. 제안된 RF 하베스터는 2.100 GHz에서 최대(무선 주파수 직류) RF-DC 전력 변환 효율(PCE) 73.00%와 RF에 대한 출력 DC 전압 \(V_{DC}\) 1.61 V를 달성했다. 2dBm의 전력. 렉테나의 실외 성능은 0.440V의 \(V_{DC}\)를 나타내며 1.362V에서 저전력 bq25504-674 평가 모듈(EVM)을 구동합니다. FR-4 PCB의 RF 정류기 크기 보드는 0.27\(\lambda _{g}\) \(\times\) 0.29\(\lambda _{g}\)입니다. RF 정류기는 다중 대역 동작을 채택하고 순차 매칭 기법을 통해 좋은 임피던스 대역폭을 나타냄으로써 주파수 영역을 효과적으로 활용할 수 있는 능력을 보여줍니다. 따라서 제안된 설계는 렉테나의 주변 성능을 효과적으로 제어함으로써 다양한 저전력 생체의학 이식형 장치에 전력을 공급할 수 있는 잠재력을 보유합니다. (BID).

저전력 임베디드 장치는 다양한 소비자 및 산업용 애플리케이션에서 점점 더 대중화되고 있습니다1,2. 생체 원격 측정, 약물 비율 및 할당은 BID 기술이 의료 전문직에 미치는 영향 중 일부입니다3,4. 최근 재료 및 제조 분야의 발전으로 임피던스가 낮은 전극5,6,7을 갖춘 새롭고 더 부드럽고 적응 가능한 장치가 탄생했습니다. 기술이 시작된 이래로 이러한 임플란트에는 기존 배터리와 물리적 상호 연결 케이블이 사용되었습니다4,8. 수명이 짧기 때문에 배터리는 한 번 설치한 후에 교체해야 합니다. 그러나 환자는 이러한 배터리를 교체하기 위해 불편하고 비용이 많이 들고 불쾌한 절차를 거쳐야 합니다6,7,9. 또한 상호 연결 전선은 안전하지 않으며 다른 전염병으로 이어질 수 있습니다10. 이러한 문제와 제약을 해결하기 위해 진동, 음향, 소리, 빛, 압력 및 열을 포함한 다양한 소스에서 에너지를 추출하는 여러 기술이 확립되었습니다. 무선 주파수(RF) 파장을 활용하여 전기 부품을 작동하고 임플란트 배터리를 보충할 수 있습니다8. 따라서 주변 전자기(EM) 소스는 생체의학 임플란트에 전력을 공급하는 데 점점 더 대중화되고 있습니다. 상대적으로 낮은 신호 진폭과 생체의학 임플란트를 구동하는 데 필요한 상당한 전력으로 인해 이러한 소스를 수확하는 것이 중요합니다. 잠재적인 작동 전력이 필요한 경우 구성 가능한 무선 전력 송신기(WPT)를 임플란트의 신호 소스로 간단히 사용할 수 있습니다. WPT는 이식형 의료 기기(IMD)의 배터리 수명을 연장하고 수술 중 환자의 통증을 완화할 수 있습니다8,19. 마이크로파 방사 및 근거리 결합16,17,19과 같은 WPT에 대한 여러 연구는 다양한 적용 조건을 기반으로 소개되었습니다. 근거리장 결합 메커니즘은 전송 범위 측면에서 마이크로파 방사선보다 성능이 뛰어난 경우가 많지만 크기는 더 큽니다12,18. 따라서 소형화된 IMD의 잠재적인 메커니즘은 WPT 기반 마이크로파 방사선입니다. 그림 1은 WPT가 송신기와 수신기 간의 결합에 어떻게 의존하는지 보여줍니다. WPT 마이크로파 수신 세그먼트에는 방사된 RF 신호를 수신하고 DC 소스로 변환하기 위해 이식된 안테나와 RF 정류기가 필요합니다7. 송신기의 규제된 특성으로 인해 WPT는 임플란트14,16를 충전하고 전원을 공급하기 위한 기존 주변 소스에 대한 잠재적인 솔루션으로 발전했습니다. 전원과 렉테나는 WPT 시스템을 구성합니다. 따라서 생체의학 임플란트는 무선 전력 전송, 배터리 수명 연장, 소형화 기능, 향상된 신뢰성, 확장성 및 환경 지속 가능성2,18 등 다양한 장점으로 인해 RF 에너지 수확으로부터 상당한 이점을 얻을 수 있습니다. 이러한 이점은 향상된 환자 중심 이식형 의료 기기의 토대를 마련하고 의료 발전을 촉진하며 환자의 삶의 질을 향상시킵니다.