图1 无线能量和信息同信道传输系统拓扑结构
Fig.1 Topology of wireless power and information co-channel transmission system
摘要 无线传能通信一体化技术以其方便灵活等特点，在生物电磁领域具有广阔的应用前景，为解决生物体内微电子系统的供能与信息传递问题提供了的技术支撑，但双通道串扰降低传能效率下降、线圈弯曲导致谐振点大幅偏移及传输信号还原度低等问题，不同程度地阻碍了该技术的应用与发展。对此，该文提出一种基于柔性线圈的信能同链路分时传输系统，通过双向开关控制能量和信息交替传输，有效地避免了双通道间的串扰问题。收发线圈采用弧段并联结构的柔性线圈，有效地抑制了线圈形变对电感的影响，减小了谐振点偏移程度。在传统的解调电路上增加峰值检波及判决电路，使传输信号更平滑。通过仿真并搭建实验平台，验证了该文所设计系统在0～5 mm范围内可实现85%以上的传能效率及5 Mbit/s的数据传输速率。结果表明，该系统在生物电磁领域具有一定的应用潜力。
关键词：传能通信 生物电磁 分时传输 弧段并联 柔性线圈
传统的人体植入式电子设备依赖电池供电，其电池更换问题影响了患者的体验并增加了风险，成为制约植入式电子设备发展的瓶颈。无线传能通信技术[1]以其方便灵活等特点，成为解决限制植入式电子设备发展瓶颈的关键技术。然而实际应用过程中依旧存在刚性线圈难以满足复杂的植入部位曲面工况的问题。在此背景之下，研究基于柔性耦合机构的无线传能通信技术对于植入式电子设备的发展应用具有重要意义。
A. N. M. S. Hossain等利用两个包裹在人体组织两侧的柔性铜板作为电容器，通过电容式链路为生物医学植入物同步传输电能与数据，该种传能通信方式可较好地适应植入部位曲面结构并提供较高的传能效率与通信速率，但信号的解调处理依赖于软件，不利于设备内置情况下对其传输指令信号[2]。Zhuang Quanrong等提出了一种应用于生物医学植入物的无线传能通信系统，利用桥式逆变器的基波和谐波分量分别传输电能与数据，通过引入无干扰整流器解决了数据反转的问题，但耦合线圈存在衬底刚性且面积较大的问题，对于植入部位有较高要求[3]。M. J. Karimi等提出了一种应用于植入设备的单链路无线传能通信系统，基于频移键控（Frequency- Shift Keying, FSK）调制方案可实现双向半双工数据通信，但采用FSK调制方案会增大调制解调电路的硬件复杂度，提高系统体积及功耗[4]。Liu Changrong等为单/双频应用设计了用于无线数据遥测及能量传输的不同种类的小型化植入式天线，但未考虑柔性衬底的设计，在植入部位为曲面结构的工况下应用存在难度[5]。S. Sarkar提出了基于D类功率放大器与负载移位键控（Load-Shift Keying, LSK）方案的生物医学系统自适应功率调制和传输技术，但LSK调制方案对耦合稳定性有较高要求，线圈偏移或耦合系数变化将显著降低解调性能[6]。此外，无线传能通信技术根据信号和能量的传输方式可分为信能同步传输和信能分时传输两大类技术[7-9]。在信能同步传输技术研究领域，Lee Wangsang等提出了一种具有扩展工作区域的纵向失准不敏感双频无线传能通信（Wireless Power and Data Transfer, WPDT）系统，有效地提高了充电范围，但四线圈结构额外地提高了系统的体积[10]。在信能分时传输技术研究领域，R. Salvati等将时分双工概念应用于无线能量和信息传输系统，通过方波控制实现能量和信息交替传输，但存在数据传输速率较低及耦合线圈尺寸难以满足小型化目标等问题[11]。华超等提出一种基于相位调制的无线供电与信息协同传输技术，但低载波频率制约了通信速率的调节范围，存在实际通信速率低的问题[12]。综合目前国内外学者的研究可以发现，无线传能通信技术在植入式设备领域的推广应用仍面临着双通道串扰影响传能通信质量、降低硬件复杂度与提高通信速率难以平衡等问题。
本文基于二进制幅移键控（Binary Amplitude- Shift Keying, BASK）调制原理设计了一种采用柔性线圈的能量信息同链路分时传输系统。通过脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation, PWM）控制双向开关于同链路内交替传输能量和信息，可在多种工况下实现稳定高效的传能通信。与其他无线传能通信系统相比，本文所设计系统可适应多种曲面结构及对应用尺寸有一定限制的场景，同时保持较高的传能效率及传信速率，此外对耦合线圈弯曲变形所导致的系统传输效益跌落具有抑制作用。
本文设计的磁耦合谐振式无线能量和信息同信道分时传输系统的电路拓扑结构如图1所示，左侧部分为一次侧，右侧部分为二次侧，上侧框中拓扑为能量传输通道，采用双侧LCCL结构，该结构在不同频率下呈较大的阻抗变化，可有效避免双通道间传输特性的相互影响[13]，下侧框中拓扑为信息传输通道，其谐振补偿网络采用双侧LCC结构，该结构可有效抑制因线圈水平或垂直偏移导致的耦合系数变化趋势，提高系统抗偏移性。双向开关S1和S2接入发射机构，由PWM分别控制能量和信息传输通道的开通与关断，实现能量和信息分时传输。二次侧能量及信息传输通道工作频率设计不同，单一通道处于谐振状态工作时，另一通道处于失谐状态，等效于并联一个无穷大的电阻，对原通道传输无影响。图1中各参数含义见表1。
图1 无线能量和信息同信道传输系统拓扑结构
Fig.1 Topology of wireless power and information co-channel transmission system
表1 整体系统参数含义
Tab.1 Overall system parameter meanings
符 号含 义符 号含 义 Vin直流电压C1传能一次侧并联谐振电容 Q1～Q4开关管C2一次侧串联谐振电容 VD1～VD4二极管C3二次侧串联谐振电容 R负载阻抗C4二次侧并联谐振电容 S1能量通道双向开关C5滤波电容 S2信息通道双向开关M一次侧与二次侧耦合线圈互感 LT一次侧耦合线圈电感Li1通信一次侧谐振电感 LR二次侧耦合线圈电感Li2二次侧谐振电感 L1一次侧近源谐振电感Ci1通信一次侧串联谐振电容 L2一次侧近线圈谐振电感Ci2一次侧并联谐振电容 L3二次侧近线圈谐振电感Ci3二次侧串联谐振电容 L4二次侧近负载谐振电感Ci4二次侧并联谐振电容
能量传输通道由直流电源、全桥逆变电路、双侧LCCL型补偿拓扑、耦合线圈、全桥整流电路、滤波电容及负载组成。能量传输通道等效电路如图2所示。图中各参数含义见表2。
整流电路与负载的等效阻抗RE计算公式为
图2 能量传输通道等效电路
Fig.2 Equivalent circuit of power transmission channel
表2 能量传输通道等效电路参数含义
Tab.2 Parameter meaning of equivalent circuit of energy transmission channel
符 号含 义 Uin逆变电路产生的高频交流电压 RT一次侧耦合线圈等效电阻 RR二次侧耦合线圈等效电阻 RE整流及负载等效电阻 R1L1等效电阻 R2L2等效电阻 R3L3等效电阻 R4L4等效电阻 IT一次侧耦合线圈电流 IR二次侧耦合线圈电流 Iin电源电流 IE负载电流
（1）
根据基尔霍夫定律可以推导得到一次侧、二次侧电路特性[13]如下
（2）
（3）
（4）
（5）
式中，wp为角频率；Zr为发射阻抗。
根据LCCL拓扑原理可以推导出能量传输系统一次、二次侧谐振参数
、
为
（6）
对式（2）、式（3）简化得到一次线圈电流IT为
（7）
推导出负载电流IE为
（8）
由式（8）可进一步推导出输出功率Pout为
（9）
据式（8）和式（9）可得，当耦合线圈相对位置不变时，负载电流与输出功率恒定，此外通过配置相关参数可以实现理想的负载电流。
信息传输通道由信号源、调制电路、双侧LCC补偿拓扑、耦合线圈、全桥整流电路、峰值检波网络、带通滤波电路和判决电路组成。信息传输通道简化电路如图3所示。图3中，Zi1、Zi2分别为一次、二次侧电路等效阻抗。
通过推导可得一次、二次侧电路等效阻抗为
（10）
图3 信息传输通道简化电路
Fig.3 Information transmission channel simplified circuit
（11）
式中，w为信息传输载波角频率。
对一次侧电路等效阻抗进行分析，可以推导得到回路存在两个谐振点，其计算公式[13]分别为
（12）
（13）
由于一次、二次侧拓扑完全对称，故两侧回路谐振点一致。
BASK调制电路拓扑如图4a所示，芯片采用型号为CD4066BM的双向开关，载波接在通道两侧，由原始信号控制通道的通断，实现信号调制。解调电路拓扑如图4b所示，由全桥整流电路、峰值检波网络、带通滤波器及判决电路组成。芯片采用型号为LT1720IS8的比较器，相较于传统解调电路，能够有效提高解调信号的还原度，使输出更平滑。
图4 调制解调电路
Fig.4 Modulation and demodulation circuit
植入式医疗设备受植入部位空间大小影响，对于设备的尺寸具有一定限制，基于设计指标要求及国内外多个团队所设计的耦合线圈尺寸[14-20]，本文在设计线圈时限定面积为4 cm²。品质因数是衡量线圈性能的关键参数，用于表征线圈储存能量与损耗能量的比值，品质因数越高，线圈传输性能越好，故线圈设计中需重点关注品质因数。刘旭等提出一种基于四矩形正交线圈的新型混合式补偿拓扑，着重于研究线圈阵列对系统性能的提升[21]。陈伟华等探究填充比率固定条件下线圈匝宽和匝间距对传输效率的影响，着重于研究线圈参数对系统性能的提升[22]。本文则着重于研究线圈结构对其性能的影响，建立四种具有不同结构的线圈模型如图5所示，其中双向箭头用于表示两层线圈的连接点。图5a为单层结构线圈，由单层铜线绕制，两端分别流入和流出电流；图5b为弧段并联线圈，由两层铜线构成，下层由单层铜线绕制，上层为多个圆弧段铜线，上下层并联；图5c为双层串联线圈，上层由单层铜线正向绕制，下层由单层铜线反向绕制，上下层串联；图5d为双层并联线圈，上下层均由单层铜线同向绕制，采用并联方式进行连接。
图5 线圈结构示意图
Fig.5 Schematic diagram of the coil structure
通过Ansys HFSS（Ansys Inc., USA）在1～20 MHz频段内对各线圈进行仿真，不同结构线圈品质因数随频率变化曲线对比情况如图6所示。图6表明，弧段并联结构的品质因数优于其他结构，故本文线圈结构采用弧段并联。聚酰亚胺薄膜具有良好的弯曲性能及较低的介质损耗，满足柔性线圈对衬底材料性能的要求，其较低的生物毒性也使其被应用于部分神经植入物作为基材，故本文衬底材料选择聚酰亚胺。
图6 不同结构线圈品质因数随频率变化曲线对比
Fig.6 Comparison of quality factor curves of different structures with frequency
线圈发生弯曲时会改变原有磁场分布，对传输效率产生影响，建立平直及曲率半径分别为10、15、20 mm的线圈模型进行仿真。平直表示线圈未发生弯曲变形的状态，曲率半径用以表示线圈沿直径方向发生弯曲时所形成弧线的半径，表征线圈弯曲程度的大小。线圈磁场分布如图7所示。
图7 线圈磁场分布
Fig.7 Coil magnetic field distribution
图7中的磁场强度分布表明，线圈弯曲时，在靠近线圈中心的区域将产生更强的磁场，同时同等强度的磁场区域分布范围将变窄。随着曲率半径不断减小，上述趋势将进一步加深。因不同生物的相同组织电参数具有相似性，为仿真方便，以人体组织为例构建生物介质模型，各组织参数见表3，数据源于IT'IS Material Parameter Database。不同介质厚度条件下不同生物组织介入对收发线圈间耦合系数影响情况进行仿真，得到曲线对比情况如图8所示。图8中的仿真介质条件采用单一均匀的生物组织，旨在验证极端条件下仿真结果在允许范围内。
表3 生物组织参数特性
Tab.3 Biological tissue parameter characteristics
性质皮肤肌肉脂肪骨骼 相对介电常数68842942133 电导率/(S/m)0.078 40.5760.046 20.105 密度/(kg/m3)1 1091 0909111 178
图8 不同介质条件下耦合系数变化曲线
Fig.8 The variation curves of coupling coefficient under different medium conditions
耦合系数用于表征收发线圈间能量耦合情况，其变化趋势及程度可以反映收发线圈间的传输效益变化情况。由图8中的耦合系数对比曲线可得，当收发线圈中的介质层由空气替换为皮肤、肌肉等不同生物组织时，收发线圈间的耦合系数出现了不同程度的跌落，其中耦合系数变化率峰值为4.13%。上述情况表明，生物组织介入会导致收发线圈间耦合系数的跌落，降低整体传输效益，但整体影响较小。
根据1.1节和1.2节的原理及公式，设计并搭建无线能量和信息同链路传输平台进行测试，验证系统的性能。测试平台如图9所示，各元件参数见表4。信号传输性能测试采用直流电源、函数发生器及示波器。为便于测试传能效率，能量传输性能测试采用矢量网络分析仪。矢量网络分析仪显示的S21表示2端口接收功率与1端口发射功率的对数关系，其与传输效率的转换关系为
（14）
式中，
为传输效率；P1为1端口发射功率；P2为2端口接收功率。
矢量网络分析仪显示的S11和S22以对数形式分别表示1端口回波损耗与2端口回波损耗，回波损耗即端口反射功率与入射功率的比值。S11和S22与其对应端口回波损耗的转换关系为
（15）
（16）
式中，PL1和PL2分别为1、2端口回波损耗；Pr1和Pr2分别为1、2端口反射功率；Pi1和Pi2分别为1、2端口入射功率。
图9 实验平台
Fig.9 Experimental platform
表4 无线能量和信息同信道传输系统参数
Tab.4 Parameters of wireless energy and information co-channel transmission system
参 数数 值 耦合线圈电阻/W2.75 耦合线圈电感/mH5.84 数据传输通道谐振电容/pF10 数据传输通道谐振电感/mH3 能量传输通道串联匹配电容/pF500 能量传输通道并联匹配电容/pF700 能量传输通道近矢网匹配电感/mH5 能量传输通道近线圈匹配电感/mH3
收发端电路及耦合线圈实物如图10所示，接收端电路部分尺寸为45 mm×37 mm×2 mm，收发线圈直径为22.56 mm，厚度为0.035 mm。接收端电路及收发线圈均采用聚酰亚胺作为基底，可实现弯曲变形。发射端电路作为外置部分对体积要求较低，尺寸为60 mm×55 mm×10 mm。经测试，系统整体功耗为40 mW。
图10 收发端电路及耦合线圈实物
Fig.10 Physical pictures of the transmitting and receiving circuits and coupling coils
曲率半径可用于衡量线圈的弯曲程度，定义发射和接收线圈的曲率半径为a (r1, r2)，其中r1为发射线圈曲率半径，r2为接收线圈曲率半径。在收发线圈中心对齐且间距5 mm条件下，对平直及弯曲的线圈分别进行能量传输性能测试，得到其S参数曲线如图11所示。其中径向弯曲线圈参数为a (20 mm, 15 mm)。
图11 S参数仿真结果
Fig.11 Simulation results of S-parameters
由图11、式（14）～式（16）可得，收发线圈间距5 mm时，在平直和弯曲条件下其传能效率分别能达到86.1%和84.9%，传能效率在50%以上带宽分别为1.58 MHz和1.48 MHz，具有良好的抗频率偏移性能。平直线圈的发射、接收端回波损耗谷值分别为0.01%和0.07%，弯曲线圈的发射、接收端回波损耗谷值分别为0.29%和0.58%，阻抗匹配情况优良。
对无线信能传输装置在收发线圈不同弯曲状态及间距条件下进行S21及传信带宽测试如图12所示。图12中的曲线对比情况表明，同等间距条件下，S21及传信带宽随收发线圈曲率半径的减小而降低，间距在一定范围内变化时，弯曲线圈拥有近似水平线圈的性能，随着间距进一步提高，弯曲线圈传输性能相较水平线圈开始出现明显跌落。
线圈弯曲时电感变化导致谐振频率偏移，会降低传输性能，因此抑制线圈电感因弯曲而变化的趋势可有效避免传输性能的跌落。对半径分别为7.5 mm与11.28 mm的单层结构线圈及弧段并联结构线圈进行测试，图13记录的不同曲率半径下的电感变化率表明，弧段并联结构的线圈对线圈电感因弯曲而变化的趋势具有抑制作用。在图12所示四类条件基础上添加生物介质进行实验，耦合机构如图14所示，为实验方便，本文以猪肉为例，由塑封袋将其包裹置于收发线圈中间。不同介质条件S21对比如图15所示，不同介质条件传信带宽对比如图16所示。图15和图16所示的数据对照情况表明，系统在生物组织介入时可基本维持性能，且受影响程度随植入部位深度增加而降低。
图12 不同状态收发线圈性能随间距变化曲线
Fig.12 Curves of the performance of transceiver coils in different states varying with spacing
图13 不同条件下电感变化率测试曲线
Fig.13 Test curves of inductance change rate under different conditions
图14 耦合机构示意图（部分）
Fig.14 Schematic diagram of coupling mechanism (part)
利用图14中耦合机构进行数据传输测试，线圈间距为5 mm。装置实现稳定数据传输时的误码率为2×10-6，数据传输波形如图17所示，该波形表明，本文所设计系统可实现5 Mbit/s的数据传输速率，解调数据较好地还原了传输数据的信息特征，同时峰值检波网络与判决电路的添加使解调信号更平滑。
图15 不同介质条件S21对比
Fig.15 Comparison of S21 under different medium conditions
图16 不同介质条件传信带宽对比
Fig.16 Comparison of transmission bandwidth under different medium conditions
表5总结比较了近年多个相似工作的系统特点及性能参数，其中双链路系统以大尺寸和高系统复杂性为代价换取较高的数据传输速率，需并行部署两套独立的硬件链路，包括独立的能量收发线圈及信息收发线圈，为减小能量链路的高功率信号对通信链路的影响，需采用自适应滤波、主动抵消等干扰抑制技术及严格的频段隔离或空间隔离设计，进一步增加了硬件复杂度。本文采用基于ASK调制方案的单链路系统，避免了线圈间交叉耦合对传输性能的影响，无需考虑双链路间的空间隔离及干扰抑制等问题，简化了系统的硬件设计，在较高的归一化间距范围内实现了较高的功率传输效率，系统整体功耗存在一定优势。线圈采用柔性基材，提高了其曲面工况下的适应性。通过优化线圈结构及采用分时传输方案，在缩小收发线圈尺寸的同时维持较高的传能效率与传信速率。
图17 数据传输波形
Fig.17 Datas transmission waveforms
表5 与其他类似工作对比
Tab.5 In comparison with other similar jobs
参 数数 值 文献[14]文献[15]文献[16]文献[17]本文 调制方案DPSKPDMASKCWMASK 线圈数量4 (双链路)4 (双链路)2 (单链路)2 (单链路)2 (单链路) 线圈性质刚性刚性刚性刚性柔性 系统功耗/mW225 (能量)15.2 (信息)20.8 (整体)69.2 (整体)40 (整体) 接收/发射线圈直径/mm19/39 (能量)11.3/36.1 (能量)26/3043/4322.56/ 22.56 10/10 (信息)11.3/33.9 (信息) 线圈间距/mm17106105 归一化间距(%)——21.523.322.2 载波频率/MHz2 (能量)13.56 (能量)10103.6 (能量) 22 (信息)50 (信息)17 (信息) 功率传输效率(%)40—753086.1 数据传输速率/ (Mbit/s)213.5611.665
注：归一化间距=线圈间距/收发线圈直径均值，用于表征线圈间距相较于收发线圈整体尺寸的占比。
与传统的无线传能通信系统相比，本文所提的信息能量同链路分时传输系统采用柔性线圈实现磁链耦合，提高了信能传输系统的环境适应性。信息和能量共用一个耦合线圈进行传输，解决了多线圈间交叉耦合破坏系统电磁协同性导致传能效率降低的问题，同时降低了系统体积，有利于在对传输机构有严苛体积限制的场合下使用。耦合线圈采用弧段并联结构，增大品质因数的同时抑制了线圈弯曲时的电感变化率，提高了系统传能通信的稳定性。解调电路相较传统的包络检波网络加入了峰值检波电路及判决电路，对提取后的包络信号进行优化，提高了解调信号的还原度，减少边缘失真。通过搭建实验平台测试验证了传输系统的整体性能，测试结果表明，本文设计的传输系统可以在复杂条件下实现能量与信息的稳定高效传输。
参考文献
[1] Guo Pilong, Yuan Rongxiang, Cai Changsong, et al. High-data-frequency-ratio information transmission method for fast dynamic response SWPIT systems based on DASK modulation[J]. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 2021, 9(3): 3822-3834.
[2] Hossain A N M S, Mohseni P, Lavasani H M. A resonant capacitive wireless power and data transfer link with 52% PTE and 6.5 Mbps data rate for biomedical implants[C]//2022 IEEE Biomedical Circuits and Systems Conference (BioCAS), Taipei, China, 2022: 292-296.
[3] Zhuang Quanrong, Sun Junyi, Zhang Xusheng, et al. Beyond bandwidth trade-off: simultaneous wireless power and data transfer system design for biomedical implants[C]//2024 IEEE 17th International Confer- ence on Solid-State & Integrated Circuit Technology (ICSICT), Zhuhai, China, 2024: 1-4.
[4] Karimi M J, Mehdi S, Dehollain C, et al. A wireless power and bi-directional data transfer system using a single inductive link for biomedical implants[C]// 2023 IEEE Biomedical Circuits and Systems Con- ference (BioCAS), Toronto, ON, Canada, 2023: 1-5.
[5] Liu Changrong, Guo Yongxin, Xiao Shaoqiu. Wire- less data telemetry and power transfer for biomedical applications[C]//2014 IEEE MTT-S International Microwave Workshop Series on RF and Wireless Technologies for Biomedical and Healthcare Appli- cations (IMWS-Bio2014), London, UK, 2014: 1-3.
[6] Sarkar S. Adaptable class-D power amplifier based power modulation and data transfer technique for biomedical systems[C]//2021 43rd Annual Inter- national Conference of the IEEE Engineering in Medicine & Biology Society (EMBC), Mexico, 2021: 7562-7565.
[7] Xia Chenyang, Jia Renhai, Shi Yuntong, et al. Simultaneous wireless power and information transfer based on phase-shift modulation in ICPT system[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2021, 36(2): 629-639.
[8] Chen Wenjie, Liu Zhitao, Liu Jia, et al. A new simultaneous wireless power and information transfer system with integrated signal magnetic coupler[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2023, 70(12): 12708-12718.
[9] Qaragoez Y, Volskiy V, Pollin S, et al. Time division duplexing for enhanced simultaneous wireless infor- mation and power transfer via backscattering[C]// 2023 IEEE MTT-S Latin America Microwave Con- ference (LAMC), San José, Costa Rica, 2023: 38- 41.
[10] Lee Wangsang, Park S, Lee J H, et al. Longitudinally misalignment-insensitive dual-band wireless power and data transfer systems for a position detection of fast-moving vehicles[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2019, 67(8): 5614-5622.
[11] Salvati R, Palazzi V, Roselli L, et al. A 13.56 MHz time-division wireless power and data transfer system[C]//2022 IEEE 12th International Conference on RFID Technology and Applications (RFID-TA), Cagliari, Italy, 2022: 168-171.
[12] 华超, 周岩, 胡震, 等. 基于移相调制的无线供电与信息协同传输技术[J]. 电工技术学报, 2023, 38(16): 4233-4245
Hua Chao, Zhou Yan, Hu Zhen, et al. Simultaneous wireless power and information transmission method based on phase-shifted modulation[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023, 38(16): 4233- 4245.
[13] Wang Peiyue, Sun Yue, Feng Tianxu, et al. Simu- ltaneous wireless power and data transfer system with full-duplex mode based on double-side LCCL and dual-Notch filter[J]. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 2022, 10(3): 3140-3151.
[14] Chen Kuanfu, Lo Y K, Yang Zhi, et al. A system verification platform for high-density epiretinal prostheses[J]. IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems, 2013, 7(3): 326-337.
[15] Kiani M, Ghovanloo M. A 13.56-mbps pulse delay modulation based transceiver for simultaneous near- field data and power transmission[J]. IEEE Transa- ctions on Biomedical Circuits and Systems, 2015, 9(1): 1-11.
[16] Lotfi N M, Sadjedi H, Sarrafzadeh A. Efficient ASK data and power transmission by the class-E with a switchable tuned network[J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, 2018, 65(10): 3255-3266.
[17] Trigui A, Ali M, Hached S, et al. Generic wireless power transfer and data communication system based on a novel modulation technique[J]. IEEE Transa- ctions on Circuits and Systems I: Regular Papers, 2020, 67(11): 3978-3990.
[18] 张智翔, 张宣. 无线电能传输抗偏移线圈的设计方法[J]. 电源学报, 2023, 21(5): 157-165.
Zhang Zhixiang, Zhang Xuan. Design method of anti-offset coil for wireless power transmission[J]. Journal of Power Supply, 2023, 21(5): 157-165.
[19] 徐楚佳, 桂世聪, 杨彦彬, 等. 应用于蝶腭神经节电刺激的耦合线圈设计[J]. 太赫兹科学与电子信息学报, 2025, 23(2): 150-157.
Xu Chujia, Gui Shicong, Yang Yanbin, et al. Coupling coil design for electrical stimulation of sphenopalatine nerve[J]. Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology, 2025, 23(2): 150-157.
[20] 万裁, 何为, 沈晟, 等. 超低场磁共振膝关节正交接收线圈设计[J]. 电工技术学报, 2024, 39(7): 1923-1931.
Wan Cai, He Wei, Shen Sheng, et al. Design of a quadrature receive coil for ultra-low-field knee magnetic resonance imaging[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024, 39(7): 1923- 1931.
[21] 刘旭, 曹宇鹏, 夏晨阳, 等. 基于四矩形正交线圈的无线电能传输系统混合式补偿拓扑优化及其抗偏移性[J]. 电工技术学报, 2025, 40(12): 3828- 3841.
Liu Xu, Cao Yupeng, Xia Chenyang, et al. Optimi- zation of hybrid compensation topology and anti- offset performance of wireless power transfer system based on QRQP coil[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2025, 40(12): 3828-3841.
[22] 陈伟华, 宋宇航, 闫孝姮, 等. 心脏起搏器无线电能传输LCC-LCC磁集成印刷螺旋线圈研究[J]. 电工技术学报, 2024, 39(17): 5289-5299.
Chen Weihua, Song Yuhang, Yan Xiaoheng, et al. Research on wireless power transmission for cardiac pacemakers using LCC-LCC magnetic integrated printed spiral coil[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024, 39(17): 5289-5299.
Abstract The integrated technology of wireless power transfer and communication has reduced power transfer efficiency due to dual-channel crosstalk, significant resonant frequency shifts caused by coil deformation, and compromised signal reconstruction fidelity, hindering its application in bio-electromagnetism. Most existing solutions are constrained by excessive hardware complexity and impractical coupling-coil dimensions. Therefore, this study introduces a flexible coil-based information-power co-link time-division transmission system.
The proposed system employs a PWM-controlled bidirectional switch to alternate between energy and data transmission phases. The power delivery channel adopts a bilateral LCCL compensation topology, leveraging its pronounced frequency-dependent impedance characteristics to minimize cross-interference between the dual transmission paths. Based on an analysis of various coil configurations, the arc segment parallel connection structure is identified as the optimal coupling topology, demonstrating superior performance metrics. To ensure mechanical flexibility and conformability, polyimide film is adopted as the substrate material for both the coil and receiver circuitry. Furthermore, the demodulation process is enhanced by integrating a peak detection and decision circuit, thereby significantly improving signal integrity.
Simulation results across the 1～20 MHz frequency band reveal that the arc-segment parallel coil exhibits a substantially higher quality factor than conventional single-layer, double-layer series, and double-layer parallel configurations. Experimental validation confirms the system's robust performance, with a power transfer efficiency exceeding 85% at a 5 mm transmission distance, a data rate of 5 Mbit/s, and a bit error rate (BER) as low as 2×10-6. The compact design features a coupling coil with an outer diameter of 22.56 mm, a receiver circuit measuring 45 mm×37 mm×2 mm, and a transmitter circuit sized at 60 mm×55 mm×10 mm. Inductance stability analysis under mechanical deformation demonstrates that the arc-segment parallel coil exhibits markedly reduced inductance variation compared to single-layer structures.
Three key conclusions can be drawn. Firstly, the arc-segment parallel coil architecture not only improves power transfer efficiency but also effectively mitigates inductance fluctuations during deformation, thereby minimizing frequency detuning and associated performance degradation. Secondly, the addition of peak detection and decision circuitry improves the smoothness of the demodulated signal, ensuring consistently low BER. Thirdly, the time-division transmission strategy eliminates dual-channel crosstalk. High power transfer efficiency and high-speed data communication can be achieved without additional hardware or complex algorithms. As a result, the overall system volume is reduced.
keywords：Power transfer and communication, bio-electromagnetism, time-division transmission, arc segment parallel connection, flexible coil
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.251083
中图分类号：TM724
收稿日期 2025-06-19
改稿日期 2025-07-31
周华康 男，2001年生，硕士，研究方向为无线传能。E-mail: zhouhuakang2001@163.com
严仲明 男，1982年生，研究员，博士生导师，研究方向为无线传能、空间电磁能量收集及利用。E-mail: yzm@swjtu.edu.cn（通信作者）
（编辑 陈 诚）