Un raddrizzatore RF a diodi SSr multibanda con un rapporto di frequenza migliorato per applicazioni wireless biomediche

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 13246 (2023) Citare questo articolo

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Questo articolo descrive un raddrizzatore RF impiantabile a quattro bande con complessità circuitale semplificata. Ciascuna cella del raddrizzatore RF viene abbinata in sequenza alle quattro frequenze operative per realizzare il progetto proposto. Il raddrizzatore RF proposto può raccogliere segnali RF a 1.830, 2.100 e bande Wi-Fi nello spazio bianco tra 2,38 e 2,68 GHz, rispettivamente. A 2.100 GHz, l'harvester RF proposto ha raggiunto un'efficienza di conversione di potenza RF-DC massima (corrente continua a radiofrequenza) RF-DC del 73,00% e una tensione DC in uscita \(V_{DC}\) di 1,61 V per un RF potenza di 2 dBm. Le prestazioni all'aperto della rectenna mostrano una \(V_{DC}\) di 0,440 V e pilotano un modulo di valutazione bq25504-674 a basso consumo (EVM) a 1,362 V. La dimensione del raddrizzatore RF sul PCB FR-4 board è 0,27\(\lambda _{g}\) \(\times\) 0,29\(\lambda _{g}\). Il raddrizzatore RF dimostra la capacità di utilizzare in modo efficace il dominio della frequenza impiegando il funzionamento multi-banda ed esibendo una buona larghezza di banda di impedenza attraverso una tecnica di adattamento sequenziale. Pertanto, controllando efficacemente le prestazioni ambientali della rectenna, il progetto proposto ha il potenziale per alimentare una gamma di dispositivi biomedici impiantabili a bassa potenza. (BID).

I dispositivi embedded a basso consumo stanno diventando sempre più popolari in una varietà di applicazioni consumer e industriali1,2. Biotelemetria, proporzione e allocazione dei farmaci sono alcuni degli impatti che la tecnologia BID ha avuto nella professione sanitaria3,4. I recenti progressi nei materiali e nella produzione hanno prodotto dispositivi nuovi, più morbidi e adattabili con elettrodi a minore impedenza5,6,7. Fin dall'inizio della tecnologia, in questi impianti sono stati utilizzati batterie tradizionali e cavi di interconnessione fisica4,8. A causa della loro breve durata, le batterie devono essere revisionate dopo una singola installazione. Tuttavia, il paziente deve sottoporsi a una procedura scomoda, costosa e spiacevole per sostituire queste batterie6,7,9. Inoltre, i cavi di interconnessione non sono sicuri e possono provocare altre malattie infettive10. Sono state stabilite diverse tecniche per estrarre energia da varie fonti, tra cui vibrazione, acustica, suono, luce, pressione e calore, per affrontare questi problemi e vincoli11,12,13,14,15. Le onde a radiofrequenza (RF) possono essere sfruttate per azionare componenti elettrici e ricaricare le batterie dell'impianto8. Pertanto, le sorgenti elettromagnetiche ambientali (EM) stanno diventando sempre più popolari per alimentare gli impianti biomedici16. È fondamentale sfruttare queste fonti a causa dell’ampiezza del segnale relativamente bassa e della potenza significativa necessaria per azionare gli impianti biomedici17. Un trasmettitore di potenza wireless configurabile (WPT) può essere semplicemente utilizzato come sorgente di segnale negli impianti quando è auspicabile una potenza operativa potenziale18. Il WPT può prolungare la durata della batteria dei dispositivi medici impiantabili (IMD) e alleviare il dolore dei pazienti durante l'intervento chirurgico8,19. Sono stati introdotti numerosi studi sui WPT, come la radiazione a microonde e l'accoppiamento in campo vicino16,17,19, in base alle diverse condizioni di applicazione. Il meccanismo di accoppiamento del campo vicino spesso supera la radiazione a microonde in termini di portata di trasmissione, ma è di dimensioni maggiori12,18. Pertanto, un potenziale meccanismo per gli IMD miniaturizzati è la radiazione a microonde basata sul WPT16,17. La Figura 1 dimostra come un WPT dipenda dall'accoppiamento tra trasmettitore e ricevitore. Il segmento di ricezione a microonde del WPT richiede un'antenna impiantata e un raddrizzatore RF per ricevere e trasformare il segnale RF irradiato in una sorgente CC7. Le caratteristiche regolamentate del trasmettitore hanno fatto evolvere il WPT come potenziale soluzione alle tradizionali fonti ambientali per caricare e alimentare gli impianti14,16. Una fonte di alimentazione e una rectenna compongono il sistema WPT. Pertanto, gli impianti biomedici trarranno notevoli benefici dalla raccolta di energia RF grazie ai suoi vari vantaggi: trasmissione di potenza wireless, durata prolungata della batteria, capacità di miniaturizzazione, migliore affidabilità, scalabilità e sostenibilità ambientale2,18. Questi vantaggi gettano le basi per dispositivi medici impiantabili migliorati e incentrati sul paziente, promuovendo i progressi sanitari e migliorando la qualità della vita dei pazienti.