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无线充电技术(WPT)

由于无线电力传输（WPT）以波的形式传输能量，发射器和接收器之间没有电线连接，因此认为 WPT 技术是解决 IMD 电池问题的潜在解决方案。无线输电中有磁耦合谐振式、电磁耦合式以及无线电波式，几种不同的方式有什么区别？

WPT

As shown below👇

WPT以及应用方式

无线电力传输(WPT)技术主要基于电磁感应、电磁共振、射频、微波、激光等原理实现非接触式的电力传输。

现在主要有3种常用方式:

电磁感应式：

原理：基于法拉第电磁感应定律，当电流通过发射端的线圈时，会产生一个快速变化的磁场。这个磁场会在附近的接收端线圈中产生感应电动势，从而驱动电流在接收端电路中流动，实现电能的传输。

应用：目前市场上应用最广泛的无线充电方式，如Qi标准就采用了电磁感应技术。

磁共振式：

原理：利用两个具有相同共振频率的线圈之间的能量耦合来实现电能的传输。当发射端线圈中的电流产生交变磁场时，如果接收端线圈的共振频率与发射端相同，那么两个线圈之间就会发生强烈的能量耦合，从而实现电能的高效传输。

特点：相比于电磁感应式无线充电，磁共振式无线充电可以实现更远的传输距离和更高的传输效率，但技术复杂度和成本也相对较高。

无线电波式：

原理：通过发射微波或激光等形式的无线电波来传输电能。这些无线电波被接收端的天线或光电转换器捕获后，再转换为直流电为设备充电。

应用：理论上具有较远的传输距离和较高的灵活性，但由于能量转换效率较低且存在辐射安全问题，目前尚未得到广泛应用。

其中，电磁感应原理是最为基础且应用广泛的一种。当发射端的无线电源加入高频振荡电流时，会产生高频电场和高频磁场，这些场穿过空气或其他介质时形成电磁波，电磁波在空间中自由传播，直到被接收器捕获并转换回电能。

下图是一种3发1收的WPT系统等效电路图，

而磁耦合多用于介电损耗较大大场景。

磁耦合谐振技术应用

磁耦合谐振（MCR）技术是一种经过验证的无线能量传输方法，具有传输效率高、功率传输能力大、不受中间非磁性介质影响等优点。

因此，MCR-WPT 策略在 IMD 中被广泛使用。为了保证传输效率和距离，无线能量传输的工作频率通常很高，MCR-WPT 一般工作在千赫兹-兆赫兹频段。频率为 100 kHz–1 MHz 的电磁波在穿透人体方面没有明显的损失。用于治疗难治性抑郁症、癫痫和其他神经系统疾病的 VNS 神经通常以 10-30 Hz 的频率进行。因此，在传统的 MCR VNS 设备中，MCR-WPT 的次级接收器线圈需要与频率处理模块配对。该模块将高频信号转换为可用于 VNS 的低频信号，通常集成在脉冲信号发生设备中。此外，由于接收器线圈的植入与脉冲信号产生装置之间的距离以及迷走神经电极的位置，连接它们的电线可能会引起患者的不适，甚至潜在的术后并发症，例如局部组织炎症和坏死。如果无线能量传输技术可以直接在神经电极上产生 10-30 Hz 的低频神经刺激信号，则只需将电极缠绕在神经周围即可进行 VNS。

参考文献

[1] X. Yang, P. Gao, H. Zhang, J. Zhao, T. Wang and G. Xu, "Temporal Interference Wireless Power Transfer Strategy With Passive Flexible Electrode for Vagus Nerve Stimulation," in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 72, no. 9, pp. 6908-6918, Sept. 2024, doi: 10.1109/TAP.2024.3434370.

来源：微波工程仿真

介质谐振器的馈电技术

介质谐振器天线（DRA）是研究界现代无线通信应用的首选，因为它结构紧凑、重量轻、损耗低、辐射效率高、易于激发（多种馈电技术和多种激励模式）、易于与其他无源和有源微波集成电路（MIC）元件集成、可用材料种类繁多、简单而成熟的制造技术，以及在宽频率范围内的高度灵活性。通过选择介电常数、形状、介电谐振器的尺寸和馈电机制，可以控制输入阻抗、带宽和辐射方向图的天线特性。随着电磁仿真工具的进步，可以仿真任何形状的 DRA 并分析其性能。目录 DRA馈电简介馈电结构的类型选择 DRA馈电技术As shown below👇DRA馈电简介DRA 辐射模式可以通过使用不同的馈电技术来激发。使用适当的激励或馈电技术，介电谐振器结构可以充当所需谐振频率的辐射体。馈电技术控制 DRA 的模式激发和辐射特性。通过修改馈电结构，可以控制天线的极化和辐射方向图。主要 DRA馈电技术总结如下：1. 探头馈电DRA在馈电 DRA 的探针中，介电谐振器由同轴探针激发，该探针可以穿透介电谐振器，也可以放置在电介质谐振器附近。DRA 的输入阻抗可以通过优化馈电探头的长度和位置来调整。根据 DRA 形状和探头位置，可以在 DRA 中激发不同的模式。这种方法提供了高耦合和高辐射效率。通过将激励探针放置在介电谐振器附近，可以避免精确钻孔的制造复杂性，但代价是降低了耦合和辐射特性。在 DRA 直接集成在芯片上的高频应用中，这种馈电技术不是一个好的选择。2. 微带传输线馈送在馈电的微带线 DRA 中，DR 放置在微带线上，其耦合和模式激励由微带线和 DRA 的重叠距离控制。微带线会影响 DRA 的辐射性能，并因气隙而改变其谐振频率。介质谐振器和微带线之间的气隙可以通过保形馈电技术来避免。送入微带的弯曲及其尺寸可以控制谐振频率和耦合。微带线的偏移馈电可用于增强阻抗带宽。3. 孔径/槽耦合在孔径/槽馈电 DRA，传输线通过馈电槽耦合到 DR 的谐振模式。当 DR 以槽顶部为中心时，可实现最佳谐振。槽长应为 λ/2。这种方法更容易集成，减少来自馈线的杂散辐射，隔离天线和馈电网络，提高极化纯度，并提供出色的模态纯度。十字形槽可用于实现圆极化。Bowtie 槽激励可用于带宽增强。孔径/槽进给也推荐用于宽光束辐射方向图。4. 共面波导（CPW）传输线共面波导由导电轨道和轨道两侧的一对共面返回导体组成。在 CPW 馈电 DRA，电介质谐振器下的耦合槽可以优化耦合和辐射频率调整。圆形馈电网络可以用感应/电容槽代替。它广泛用于毫米波应用，由于接地平面将介电谐振器与有损耗硅衬底分开，因此可以实现高天线效率。5. 介电图像导引（DIG）介电图像导引器是一种低损耗馈电结构，用于将能量耦合到 DRA 并避免导体损耗。然而，由于波导过渡设计将功率耦合到介电像线，它遭受了辐射损耗和过渡损耗。这种馈电技术也用于高频应用。6. 衬底集成波导（SIW）SIW损耗低、成本低，易于与平面电路集成。SIW 由两个实心导体平面组成，由介电基板隔开，导体侧壁由成排的金属化通孔实现。SIW 最大限度地减少了导体损耗，将激励场保持在内部，并提高了整体天线辐射效率。DRA 和 SIW 组合实现了高增益天线和具有高辐射效率的阵列。通过保持金属通孔的间距 “s” 较小和直径 “d” 较大，可以最大限度地减少辐射泄漏。衬底集成波导（SIW）是一种很有前途的馈电技术，适用于微波和毫米波频段的紧凑、低损耗和低成本天线。馈电结构的类型选择修改馈电结构可以获得特定的辐射特性和天线性能。常见类型：十字槽馈电结构，馈电倾斜 45°，E 形保形带，旗形微带线，和分形十字槽用于实现圆极化，而椭圆槽、U 形槽、C 形槽、L 形探头、和蝴蝶结槽用于宽带 DRA 设计。馈电结构的类型是 DRA 在不同频率下最重要的设计考虑因素。下面是一些实例介绍，馈电技术（如微带线和共面波导）在较高频率下具有合理的传导和辐射损耗，这会影响天线的辐射效率和增益。衬底集成波导（SIW）是毫米波应用的首选，它具有低损耗平面结构和低制造成本。研究人员根据性能参数对不同形状的 DRA 上的不同进料结构进行了性能分析。Mishra 等人在 X 波段频率下用同轴探针、微带和孔径耦合技术激发 CDRA 研究了不同的馈电结构，并得出结论，槽耦合是设计 CDRA 激励的更好技术。对不同的馈电技术进行基于仿真的比较研究，包括微带线、同轴探头、孔径耦合和 RDRA 的共面波导馈电技术，并通过同轴探头馈电获得更好的谐振水平。RajaSekhar 等人使用同轴探针、微带线和孔径耦合进给技术对锥形 DRA 进行了性能分析，并使用探针耦合锥形 DRA 获得了更好的性能。对具有衬底集成波导馈电结构的基本 DRA 形状（RDRA、CDRA 和 HDRA）进行了设计和分析。结论是 CDRA 在增益和带宽方面具有更好的性能。通过使用同轴探针进给和孔径耦合进给对多层 CDRA 进行性能比较。当使用同轴探头激励时，多层 CDRA 的带宽性能更好。全部列表请见参考文献。参考文献 [1] M. Shehbaz, C. Du, D. Zhou, S. Xia, and Z. Xu, “Recent progress in dielectric resonator antenna: Materials, designs, fabrications, and their performance,” Applied Physics Reviews, vol. 10, no. 2, p. 021303, Apr. 2023, doi: 10.1063/5.0128779. 来源：微波工程仿真