一種可植入光遺傳電路中無線供電抑制EMI 方法*

吉彥平，李嘉偉，柴東林，趙伯言，趙燕冉，王詩(shī)睿，王文思，鄭夢(mèng)沂

（1.北京工業(yè)大學(xué) 光電子技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124；2.華北電力大學(xué) 控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，北京 100096；3.中國(guó)政法大學(xué) 社會(huì)學(xué)院，北京 100091）

0 引言

近20 年來神經(jīng)調(diào)控技術(shù)蓬勃發(fā)展，已形成了深腦刺激（Deep Brain Stimulation,DBS)、迷走神經(jīng)刺激（Vagus Nerve Stimulation，VNS）、骶神經(jīng)刺激（Sacral Nerve Stimulation,SNS)和脊髓外周神經(jīng)刺激（Spinal Cord Stimulation，SCS）等不同靶點(diǎn)的電刺激技術(shù)，分別用以治療帕金森氏癥、癲癇、神經(jīng)性尿失禁、頑固性或癌性疼痛等神經(jīng)系統(tǒng)問題，緩解患者的痛苦[1]。而基于腦機(jī)接口技術(shù)（Brain Computer Interface，BCI）的腦科學(xué)相關(guān)研究以及神經(jīng)退行性病變的神經(jīng)調(diào)控研究也進(jìn)入了新階段[2?3]，前者深入至視覺、記憶、思維和意識(shí)形成的機(jī)制研究，后者則在阿爾茲海默癥（AD）和漸凍癥（ALS）等方向逐步推進(jìn)。伴隨著BCI 研究的深入，以光遺傳學(xué)技術(shù)為代表的新型研究工具也在逐漸成型。

光遺傳學(xué)中硬件的核心部件為光源的設(shè)計(jì)和控制電路以及供電電路。最初的光遺傳學(xué)研究中以激光器為核心光源，激光器可以對(duì)目標(biāo)神經(jīng)元進(jìn)行刺激[4]；但傳統(tǒng)的激光器因光線、體積以及有線設(shè)計(jì)等特點(diǎn)而限制生物體實(shí)驗(yàn)及其生物體自由活動(dòng)范圍；同時(shí)，光遺傳學(xué)的研究也逐漸走向長(zhǎng)期植入調(diào)控、無線、多核團(tuán)刺激等多方面。在這種情況下，需要一種小型化、無線化、長(zhǎng)期在體、輕量化的光遺傳刺激硬件，這樣可以很大程度上提高光遺傳的實(shí)驗(yàn)方便性，可以將光遺傳的研究應(yīng)用到很多神經(jīng)退行性疾病當(dāng)中。而國(guó)內(nèi)眾多研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開始了無線光遺傳的研究[5?7]，在無線光遺傳中植入電路的供電部分大多采用電池供電[8]。對(duì)于長(zhǎng)期植入生物體研究中需要定期更換電池，這對(duì)生物體來說將帶來一定的痛苦，因此需要一種可植入的長(zhǎng)期無線供電的硬件結(jié)構(gòu)。

無線供電技術(shù)包括磁感應(yīng)式[9?11]、磁耦合諧振式[12?14]、微波輻射式和激光式[15?16]，而對(duì)于生物安全性上，受工作頻率的影響，微波輻射式和激光式對(duì)生物安全影響最高，磁耦合諧振式最低，但磁耦合諧振式隨著頻率的提高，對(duì)生物安全的影響越來越大。在研究分析上，采用微波式一般要考慮生物安全性，采用磁耦合諧振式一般不考慮生物安全性，需要根據(jù)工作頻率和傳輸效率對(duì)安全影響進(jìn)行分析。綜合幾種無線能量傳輸技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，磁耦合諧振式無線能量傳輸技術(shù)同時(shí)滿足植入式腦機(jī)接口電路的設(shè)計(jì)要求以及醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

磁耦合諧振式無線能量傳輸技術(shù)最早可以追溯到十九世紀(jì)，而在這發(fā)展過程中，以?shī)W克蘭大學(xué)的BOY J T 教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)為代表，他們建立了一套完整的研究體系，分別從供電電源，線圈結(jié)構(gòu)，能量與信號(hào)的同步通信，一、二次側(cè)的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和接收端的電源管理等方面做了一些研究工作[17?19]。之后美國(guó)斯坦福大學(xué)的John S 研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種植入到人體深部組織的無線能量傳輸系統(tǒng)，解決了電能獲取、蓄能、傳輸以及線圈大小對(duì)刺激深度和聚焦性的影響問題，證明了這種諧振式無線能量傳輸技術(shù)在生物體能的安全性，并將其系統(tǒng)操作深度達(dá)到10 cm[20]。相比于國(guó)外的發(fā)展，國(guó)內(nèi)針對(duì)這項(xiàng)技術(shù)也已經(jīng)達(dá)到了先進(jìn)的水平。上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院儀器科學(xué)與工程系的顏國(guó)正教授帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)對(duì)腸道內(nèi)窺鏡機(jī)器人的無線能量傳輸系統(tǒng)進(jìn)行了多年的研究，他們對(duì)線圈以及電路不斷優(yōu)化而達(dá)到節(jié)省空間的同時(shí)也提高了接收能量和傳輸效率[21?23]。香港大學(xué)以Xing Li 為首的課題組在接收端整流電路的設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)通信方面取得了進(jìn)展[23]，他們研究了可重構(gòu)諧振調(diào)節(jié)整流器和無線功率控制器在植入式電路的無線能量傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用，最終所測(cè)的最大接收功率和效率分別是102 mW 和92.6%。

然而，由于無線能量傳輸系統(tǒng)在傳播過程中需要借助磁耦合將發(fā)射側(cè)的電能轉(zhuǎn)化成高頻磁場(chǎng)，磁場(chǎng)是無線能量傳輸系統(tǒng)傳輸電能的介質(zhì)，其帶來的電磁輻射EMI(Electromagnetic Interference)問題將給公眾的人身安全帶來嚴(yán)重的威脅[24?25]。EMI 直譯為電磁干擾，有傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種，傳導(dǎo)干擾是通過電源線發(fā)射電磁場(chǎng)進(jìn)行的干擾，輻射干擾是干擾源向空間發(fā)射電磁場(chǎng)進(jìn)行輻射干擾。在無線能量傳輸系統(tǒng)中干擾源是多樣的，大體包括諧振線圈、驅(qū)動(dòng)電路中的開關(guān)器件、控制線和電磁敏感器件，都需要采用特定的方法進(jìn)行抑制。YY9706.102.2021 相關(guān)醫(yī)用電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了有源植入式電路的電磁輻射界限。目前國(guó)內(nèi)大多學(xué)者對(duì)無線能量傳輸?shù)碾姶偶嫒輽C(jī)理的研究都是基于諧振狀態(tài)下的[26?27]，諧振式無線能量傳輸系統(tǒng)工作頻率往往在1 MHz到20 MHz 之間，因此產(chǎn)生的干擾大多是近場(chǎng)輻射干擾，且通常收發(fā)兩側(cè)的線圈需完全對(duì)準(zhǔn)。而實(shí)際應(yīng)用過程中，由于環(huán)境因素、負(fù)載變動(dòng)、線圈偏移或線圈過耦合等因素都會(huì)導(dǎo)致WPT 系統(tǒng)脫離原有預(yù)期的工作狀態(tài)，發(fā)出不該有的電磁波，進(jìn)而對(duì)外界形成電磁干擾。當(dāng)WPT系統(tǒng)為諧振狀態(tài)時(shí)，發(fā)射線圈與接收線圈上的電流存在90°的相位差，因此發(fā)射線圈與接收線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)存在交替變化的情況，此時(shí)空間中的電磁場(chǎng)由發(fā)射線圈中電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與接收線圈中電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)疊加而成。磁場(chǎng)向外輻射又分為共模輻射和差模輻射。差模輻射是由成環(huán)的差模電流引起的輻射，在發(fā)射線圈和接收線圈中由于兩條相對(duì)跡線的電流方向相反，量值相同，它們的輻射是相互消弱的。因此差模電流本身盡管量值較大，但引起的輻射卻較小。共模輻射是共模電流產(chǎn)生的輻射，共模電流大小通常比差模電流小幾個(gè)量級(jí)，但由于兩跡線共模電流方向相同，兩跡線的共模電流引起的輻射場(chǎng)是相互疊加的，會(huì)比差模電流產(chǎn)生更大的輻射，因此需要抑制共模輻射。除了共模輻射干擾以外，開關(guān)器件產(chǎn)生的輻射干擾更應(yīng)引起重視。通常發(fā)射線圈的驅(qū)動(dòng)電路會(huì)采用非線性放大器作為設(shè)計(jì)核心，在放大器中的開關(guān)器件工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生高頻脈沖電壓、電流，形成高頻噪聲，進(jìn)而形成輻射干擾。

針對(duì)上述問題，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種展頻和抑制共模電磁干擾的無線能量傳輸電路。該電路結(jié)構(gòu)可以有效抑制電磁輻射(EMI)信號(hào),可以有效實(shí)現(xiàn)體內(nèi)植入的需求。

1 系統(tǒng)電路

1.1 系統(tǒng)電路工作原理

針對(duì)將光遺傳技術(shù)應(yīng)用到生物體行為相關(guān)的神經(jīng)調(diào)控領(lǐng)域，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種無線能量傳輸系統(tǒng)硬件，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，整個(gè)系統(tǒng)分為兩部分，體外發(fā)射電路和體外發(fā)射線圈，體內(nèi)植入電路為體內(nèi)接收線圈和體內(nèi)接收電路。對(duì)兩部分電路設(shè)計(jì)了外殼，滿足植入的基本要求。整個(gè)體內(nèi)與體外之間的間距在10 mm以內(nèi)。同時(shí)，本系統(tǒng)所用的體內(nèi)和體外的線圈采用手工繞制，根據(jù)植入的部位要求線圈尺寸不能太大，線圈柔軟度要求合適，由此本文制作的線圈外徑設(shè)計(jì)為24 mm，內(nèi)徑設(shè)計(jì)為17 mm，每匝線徑為0.5 mm，每匝線間隙0.5 mm，一共四匝，通過阻抗分析儀測(cè)試得到的阻抗值是0.68 μH，發(fā)射線圈的諧振耦合需要接收線圈的共同設(shè)計(jì)。在實(shí)踐活動(dòng)中需要制作大量的這類線圈，在制作線圈的實(shí)踐活動(dòng)中，每匝銅線都要按照磨具進(jìn)行環(huán)繞，然后用硅膠進(jìn)行注塑、壓平。線圈的兩個(gè)端子都要鍍錫，做成的具體形狀如圖2 所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

圖2 植入式無線能量傳輸線圈圖

1.2 系統(tǒng)發(fā)射電路和接收電路模型設(shè)計(jì)

系統(tǒng)發(fā)射電路采用E 類功率放大器，它采用單管放大并具有固定的電路結(jié)構(gòu)，通過選取合適的負(fù)載電路參數(shù)，使得開關(guān)晶體管滿足零電壓開關(guān)ZVS 條件和零電壓導(dǎo)數(shù)開關(guān)ZDS 條件,從而瞬態(tài)響應(yīng)效果最佳。這就可以減小在開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換之間的功率損耗，克服了D 類功率放大器的缺點(diǎn)。E 類放大器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用，其理論效率可達(dá)100%，實(shí)際效率達(dá)95%。在E 類功率放大電路中，并聯(lián)電容的作用十分重要，它主要用來保證在晶體管截止的時(shí)間里，使集電極電壓保持十分低的一個(gè)值，直到集電極電流減小到零為止。集電極電壓的延遲上升，是E 類功率放大器高效率工作的必要條件。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的E類放大器的電發(fā)射路模型如圖3（a）所示，采用LTspice進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真。

圖3 系統(tǒng)電路模型

圖3（a）中包括直流輸入電源V1、扼流電感、開關(guān)管M1、L2-C3 串聯(lián)諧振濾波電路和負(fù)載阻抗。其中，扼流電感有較高的交流阻抗，允許V1 中的直流通過，起到穩(wěn)流的作用。器件的輸出電容與開關(guān)并聯(lián)。開關(guān)管M1 在射頻輸入范圍內(nèi)周期性地開啟和關(guān)閉。串聯(lián)諧振濾波電路工作在諧振頻率處，從而使得基頻信號(hào)傳輸?shù)截?fù)載，其作用就是保持輸出信號(hào)為正弦信號(hào)。在電路分析之前，首先假設(shè)扼流電感是純感性的，沒有電阻存在，這樣就可以只允許電源中的直流成分通過；串聯(lián)諧振濾波電路的品質(zhì)因數(shù)足夠大以保證輸出的是正弦信號(hào)；開關(guān)管M1 的導(dǎo)通電阻為零且通斷是在瞬間完成的；除此之外，開關(guān)管的寄生電容也假設(shè)是恒定的，并且開關(guān)管M1能夠承受短時(shí)間的反向電壓電流。在設(shè)計(jì)E類功率放大器時(shí)，為了得到高效率，也就是說降低開關(guān)管在開關(guān)轉(zhuǎn)換狀態(tài)下帶來的功率損耗，必須滿足零電壓導(dǎo)通（ZVS)條件。發(fā)射電路仿真波形如圖3（b）所示，接收電路仿真波形如圖3（c）所示。

然后，在無線能量傳輸仿真過程中，往往在理想狀態(tài)下還是不能完全達(dá)到想要的結(jié)果，尤其在圖3（c）中接收電路模型波形中，出現(xiàn)了輕微的畸變，這些都是電磁輻射造成的。因此需要對(duì)WPT 系統(tǒng)的電磁輻射進(jìn)行抑制，除了采用傳統(tǒng)的方式方法外，還需要針對(duì)WPT 系統(tǒng)中特有的輻射問題，采用特殊的手段來解決。常用的電磁輻射抑制的方法有很多類，通常采用的有：(1)在相關(guān)環(huán)節(jié)增加濾波電路；(2)對(duì)產(chǎn)生輻射的敏感元件，局部采用封閉的金屬外殼進(jìn)行屏蔽；(3)對(duì)開關(guān)器件采用軟開關(guān)技術(shù)；(4)PCB 優(yōu)化布局抗干擾技術(shù)；(5)接地技術(shù)，將相關(guān)電路接地，形成等勢(shì)面。采用上述傳統(tǒng)的方法后，能夠減小一部分電磁輻射，但是想要從根源上解決WPT系統(tǒng)的電磁輻射問題，需要從時(shí)鐘上入手。而展頻技術(shù)的運(yùn)用則可以有效地從輻射源源頭抑制諧波噪聲。通過改變載波頻率的方式，使得諧波噪聲和基波的功率譜密度分布在更寬的頻率范圍內(nèi)，改善空間電磁場(chǎng)的頻率譜，進(jìn)而有效抑制了高次諧波分量。在WPT 系統(tǒng)當(dāng)中，電磁場(chǎng)發(fā)生諧振只工作在單一某個(gè)頻點(diǎn)，往往發(fā)射線圈和接收線圈發(fā)出的是周期性的信號(hào)，而這種周期信號(hào)的頻譜是離散型的，它的能量集中在基波及倍頻諧波上。展頻技術(shù)在這方面采用的原理就是在不影響系統(tǒng)輸出的情形下，通過調(diào)制諧振開關(guān)信號(hào)的某些參數(shù)，擴(kuò)展系統(tǒng)中電壓或電流的諧波頻譜，降低其對(duì)外電磁干擾水平。而另一方面，諧振式無線能量傳輸系統(tǒng)的輻射主要為共模輻射。因此，抑制共模輻射的有力措施就是共模電感。共模電感，也叫共模扼流圈，常用于開關(guān)電源中過濾共模的電磁干擾信號(hào)，也可以起EMI 濾波的作用，用于抑制信號(hào)線產(chǎn)生的電磁波向外輻射發(fā)射。根據(jù)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的這兩種抑制EMI 的方法，設(shè)計(jì)了硬件電路，并就硬件電路進(jìn)行了實(shí)際的測(cè)試。

2 系統(tǒng)發(fā)射電路和接收電路設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)發(fā)射電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)電路圖如圖4 所示，其中發(fā)射電路設(shè)計(jì)如圖4（a）所示，圖4（b）為發(fā)射電路的PCB 版圖設(shè)計(jì)。WPT 系統(tǒng)以13.56 MHz 為工作的主頻率，市面上很多廠家都會(huì)推出此頻點(diǎn)的有源晶振芯片產(chǎn)品，通過各廠家產(chǎn)品的性能的對(duì)比，最終采用ECS 生產(chǎn)的晶振作為時(shí)鐘源。ECS晶振本身具有溫度電壓控制功能，具有溫度補(bǔ)償作用，溫度穩(wěn)定性高，工作溫度為?30℃至85℃。它頻率精度高，具有0.5 ppm～2.0 ppm 性能，時(shí)鐘更穩(wěn)定。在同類產(chǎn)品中ECS 晶振體積小，功耗低，晶片表面更光潔，可以很好地降低諧振電阻，提高Q 值。通過采用韜略公司的展頻芯片SSDCI1108AF 設(shè)計(jì)了展頻電路，在圖4（a）的下半部分電路中。展頻芯片SSDCI1108AF 采用三角形調(diào)制曲線對(duì)晶振發(fā)出的脈沖頻率進(jìn)行了抖動(dòng)擴(kuò)頻調(diào)制。頻率抖動(dòng)是指開關(guān)頻率在一定范圍內(nèi)圍繞中心頻率來回變化。圖5 為采用頻率抖動(dòng)技術(shù)后，近場(chǎng)頻譜儀測(cè)試得到的基頻處頻譜。其中心頻率為13.56 MHz。開關(guān)頻率先從11.865 MHz 遞增到15.255 MHz，再?gòu)?5.255 MHz遞減到11.865 MHz，步長(zhǎng)為0.425 MHz，循環(huán)往復(fù)。從圖5 可以看出，采用頻率抖動(dòng)技術(shù)后，開關(guān)信號(hào)的頻譜依然是離散的。這種技術(shù)通過軟件手段將信號(hào)集中的能量分布在更多的頻線上，消減了基頻和倍頻處的峰值，降低了對(duì)外的電磁干擾水平。

圖4 系統(tǒng)電路圖

常規(guī)三角波斜率是恒定的，每個(gè)頻率點(diǎn)出現(xiàn)的概率都是一樣的。因此，鋸齒波調(diào)制后頻譜特征是能量分布比較平坦。在測(cè)量頻譜方面分為近場(chǎng)測(cè)試和遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試。近場(chǎng)測(cè)試常采用頻譜儀作為測(cè)試手段，但只能探究倍頻多次諧波產(chǎn)生的位置，而沒有定量的數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試常采用3 米暗室法進(jìn)行測(cè)量，可以得到定量的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析對(duì)比，也被認(rèn)定為產(chǎn)品獲得EMI 合格的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，所以遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試的數(shù)據(jù)更可以理解為真實(shí)的數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試諧振式無線供電系統(tǒng)輻射EMI 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試如圖6所示。3 米暗室法是遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試常采用的方法，北京都興科思檢測(cè)技術(shù)有限公司擁有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的電磁兼容實(shí)驗(yàn)室，可以對(duì)無線供電系統(tǒng)的電路的電場(chǎng)輻射EMI 噪聲進(jìn)行測(cè)試。

圖6 諧振式無線供電系統(tǒng)輻射EMI 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試

依據(jù)YY9706.102.2021 植入式集成電路標(biāo)準(zhǔn)，該諧振式無線充電系統(tǒng)電路在沒有展頻芯片SSDCI1108AF接入的情況下輻射測(cè)試結(jié)果如圖7 所示。如圖7 所示，電路測(cè)試時(shí)，設(shè)備在135.536 MHz 到230.499 MHz 的頻率范圍內(nèi)，EMI 噪聲顯著超出標(biāo)準(zhǔn)基線，最高點(diǎn)達(dá)到了55.92 dBμV/m，超出標(biāo)準(zhǔn)線15.92 dBμV/m，造成了對(duì)周圍環(huán)境的顯著干擾。當(dāng)接入展頻芯片以后，再進(jìn)行同樣的測(cè)試，結(jié)果如圖8 所示。

圖7 未接展頻芯片測(cè)試結(jié)果

圖8 接入展頻芯片測(cè)試結(jié)果

如圖8 所示，設(shè)備在148.120 MHz 到215.395 MHz 的頻率范圍內(nèi)，EMI 噪聲超出標(biāo)準(zhǔn)線。和沒有接入展頻芯片相比頻率范圍明顯縮小。最高點(diǎn)達(dá)到了47.06 dBμV/m，超出標(biāo)準(zhǔn)基線7.06 dBμV/m，相比之前降低了8.86 dBμV/m，抑制EMI 的效果非常明顯?？梢钥吹郊尤胝诡l芯片以后單點(diǎn)的頻點(diǎn)被拉寬，分散了大部分集中的功率，從根本上抑制了EMI 的噪聲。

2.2 系統(tǒng)發(fā)射電路諧波抑制設(shè)計(jì)

根據(jù)前面介紹，諧振式無線能量傳輸系統(tǒng)的輻射主要為共模輻射。因此，抑制共模輻射的有力措施就是共模電感。共模電感，也叫共模扼流圈，常用于開關(guān)電源中過濾共模的電磁干擾信號(hào)，也可以起EMI 濾波的作用，用于抑制信號(hào)線產(chǎn)生的電磁波向外輻射發(fā)射。共模電感本質(zhì)上就是兩個(gè)共模電感線圈。這兩個(gè)線圈繞在同一鐵芯上，匝數(shù)和相位都相同(繞制反向)。這樣，當(dāng)電路中的正常電流流經(jīng)共模電感時(shí)，電流在同相位繞制的電感線圈中產(chǎn)生反向的磁場(chǎng)而相互抵消，此時(shí)正常信號(hào)電流主要受線圈電阻的影響；當(dāng)有共模電流流經(jīng)線圈時(shí)，由于共模電流的同向性，會(huì)在線圈內(nèi)產(chǎn)生同向的磁場(chǎng)而增大線圈的感抗，使線圈表現(xiàn)為高阻抗，產(chǎn)生較強(qiáng)的阻尼效果，以此衰減共模電流，達(dá)到濾波的目的。

但是，濾除不同頻段的噪聲，需要的共模電感品種也不相同。植入諧振式無線能量傳輸電路要求接入的共模電感體積小，精度高。因此，選用寶仁弘生產(chǎn)的型號(hào)為CHOK4532S282A09T 的共模電感，它具體的頻率特征如圖9 所示。

圖9 共模電感特性曲線

根據(jù)圖9 共模電感的特性曲線，可以看出在100 MHz～200 MHz 的頻段，共模電感呈現(xiàn)1 kΩ 以上的高阻性，對(duì)于諧振式無線能量傳輸系統(tǒng)在148.120 MHz 到215.395 MHz 的頻段的電磁波輻射能夠明顯抑制。在電源傳輸線上接入共模電感后，再進(jìn)行電場(chǎng)輻射EMI 噪聲測(cè)試，結(jié)果如圖10 所示。

圖10 諧波抑制測(cè)試結(jié)果

從圖10 中可以看出，使用共模電感后效果顯著，所有頻點(diǎn)均在標(biāo)準(zhǔn)線以下，并且諧振式無線能量傳輸系統(tǒng)能夠正常地工作。最高點(diǎn)僅為36.59 dBμV/m，符合YY9706.102.2021 標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)電磁兼容的要求。

2.3 系統(tǒng)接收電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)接收電路設(shè)計(jì)了濾波電路、降壓電路等，對(duì)接收的電壓信號(hào)進(jìn)行穩(wěn)壓處理，圖4（c）為電路圖，圖4（d）為接入線圈的是實(shí)物圖。接收電路主要考慮接收信號(hào)的穩(wěn)定性，電路結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，在這里不做贅述。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種用于光遺傳植入的無線能量傳輸中防止EMI 的硬件結(jié)構(gòu)，該硬件在無線發(fā)射電路中加入了展頻技術(shù)和諧波抑制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了植入型電路中有效抑制EMI，在本文中實(shí)現(xiàn)了以下幾部分的創(chuàng)新：

(1)設(shè)計(jì)了無線能量傳輸?shù)碾娐贩抡婺Ｐ?，并就仿真模型發(fā)現(xiàn)EMI 問題，并提出解決方案。

(2)針對(duì)植入式的需求設(shè)計(jì)一種小型化的無線能量傳輸展頻技術(shù)電路，實(shí)現(xiàn)了在遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試環(huán)境3 米暗室中的有效測(cè)試。

(3)在此基礎(chǔ)上，又加入了諧波抑制電路，并最終在多次實(shí)驗(yàn)中完成了防止EMI 的有效性和穩(wěn)定。

本系統(tǒng)研發(fā)的無線能量傳輸對(duì)于光遺傳應(yīng)用于植入電路中的研究有一定的推動(dòng)意義，可以有效地對(duì)體內(nèi)進(jìn)行供電，并減少生物體植入電路中多次手術(shù)更換電池的痛苦和風(fēng)險(xiǎn)。相信這項(xiàng)技術(shù)對(duì)于腦機(jī)接口的研究有一定的指導(dǎo)意義。