Um retificador RF de diodo SSr multibanda com uma relação de frequência aprimorada para aplicações sem fio biomédicas

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 13246 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Este artigo descreveu um retificador de RF implantável de quatro bandas com complexidade de circuito simplificada. Cada célula retificadora de RF é sequencialmente combinada com as quatro frequências operacionais para realizar o projeto proposto. O retificador de RF proposto pode coletar sinais de RF nas bandas Wi-Fi de 1.830, 2.100 e espaço em branco entre 2,38 e 2,68 GHz, respectivamente. Em 2.100 GHz, o coletor de RF proposto alcançou uma eficiência máxima de conversão de energia RF para CC (PCE) (corrente contínua de radiofrequência) de 73,00% e uma tensão CC de saída \(V_{DC}\) de 1,61 V para um RF potência de 2 dBm. O desempenho externo da retena mostra um \(V_{DC}\) de 0,440 V e aciona um módulo de avaliação (EVM) bq25504-674 de baixa potência a 1,362 V. A dimensão do retificador de RF no PCB FR-4 placa é 0,27\(\lambda _{g}\) \(\times\) 0,29\(\lambda _{g}\). O retificador de RF demonstra a capacidade de utilizar efetivamente o domínio da frequência, empregando operação multibanda e exibindo uma boa largura de banda de impedância por meio de uma técnica de casamento sequencial. Assim, ao controlar eficazmente o desempenho ambiental da rectena, o design proposto tem o potencial para alimentar uma gama de dispositivos biomédicos implantáveis ​​de baixa potência. (BIDs).

Dispositivos embarcados de baixo consumo estão se tornando cada vez mais populares em diversas aplicações industriais e de consumo1,2. Biotelemetria, proporção e alocação de medicamentos são alguns dos impactos que a tecnologia BIDs causou na profissão de saúde3,4. Avanços recentes em materiais e fabricação produziram dispositivos novos, mais macios e adaptáveis, com eletrodos de impedância mais baixa5,6,7. Desde o início da tecnologia, baterias tradicionais e cabos físicos de interligação têm sido empregados nesses implantes4,8. Devido à sua curta vida útil, as baterias devem ser revisadas após uma única instalação. Porém, o paciente deve passar por um procedimento desconfortável, caro e desagradável para trocar essas baterias6,7,9. Além disso, os fios de interligação são inseguros e podem levar a outras doenças infecciosas10. Várias técnicas foram estabelecidas para extrair energia de diversas fontes, incluindo vibração, acústica, som, luz, pressão e calor, para resolver esses problemas e restrições11,12,13,14,15. As ondas de radiofrequência (RF) podem ser aproveitadas para operar componentes elétricos e repor as baterias do implante8. Assim, as fontes eletromagnéticas ambientais (EM) estão se tornando mais populares para alimentar implantes biomédicos16. É crucial colher essas fontes devido à amplitude de sinal relativamente baixa e à potência significativa necessária para acionar implantes biomédicos17. Um transmissor de potência sem fio configurável (WPT) pode ser simplesmente empregado como fonte de sinal em implantes quando a potência operacional potencial é desejável . O WPT pode prolongar a vida útil da bateria dos dispositivos médicos implantáveis ​​(IMDs) e aliviar a dor dos pacientes durante a cirurgia8,19. Vários estudos sobre WPTs, como radiação de micro-ondas e acoplamento de campo próximo16,17,19, foram introduzidos com base nas diversas condições de aplicação. O mecanismo de acoplamento de campo próximo geralmente supera a radiação de micro-ondas em termos de alcance de transmissão, mas é maior em tamanho . Assim, um mecanismo potencial para os IMDs miniaturizados é a radiação de microondas baseada em WPT . A Figura 1 demonstra como um WPT depende do acoplamento entre o transmissor e o receptor. O segmento de recepção de microondas WPT requer uma antena implantada e um retificador de RF para receber e transformar o sinal de RF irradiado em uma fonte DC7. As características reguladas do transmissor fizeram o WPT evoluir como uma solução potencial às tradicionais fontes ambientais para carga e alimentação dos implantes14,16. Uma fonte de energia e uma retena constituem o sistema WPT. Assim, os implantes biomédicos podem se beneficiar significativamente da captação de energia de RF devido às suas diversas vantagens: transmissão de energia sem fio, vida útil prolongada da bateria, capacidades de miniaturização, maior confiabilidade, escalabilidade e sustentabilidade ambiental2,18. Esses benefícios estabelecem as bases para dispositivos médicos implantáveis ​​aprimorados e centrados no paciente, impulsionando avanços na área da saúde e elevando a qualidade de vida dos pacientes.