Tecniche per aumentare l’efficienza al variare della distanza

Il principale limite da superare nel sistema fin qui descritto consiste nell’aumentare il range di distanze alle quali è possibile trasferire potenza alla massima efficienza. A tale scopo, in letteratura sono stati proposti essenzialmente due metodi: l’introduzione di un ulteriore risuonatore, che svolga le funzioni di un ripetitore, e l’introduzione di una rete dinamica di adattamento di impedenza, che consenta al sistema di lavorare ad una specifica frequenza quando esso si trova in regime sovra-accoppiato.

Ripetitore risonante

Nell’implementare il sistema vi è la necessità di istallare una serie di risonatori nell’abitazione del paziente. Ogni risonatore necessita della propria sorgente di alimentazione e di un sistema di controllo della potenza trasmessa, in modo da assicurare al dispositivo VAD la sufficiente energia all’aumentare della distanza tra il sistema di trasmissione e il sistema ricevente. Tutto ciò resta difficile per punti centrali della stanza lontani dalle pareti o dalle prese elettriche. Un modo per trasferire potenza a distanze maggiori è aumentare le dimensioni di trasmettitori e ricevitori. Del resto però nel caso dei dispositivi VAD un ricevitore è impiantato e le dimensioni devono perciò restare contenute. Un’alternativa è l’introduzione di un ulteriore risonatore, implementato affinché incrementi le distanze a cui il sistema di trasmissione, collegato all’alimentazione, e il sistema ricevente si scambiano energia. Si potrebbe pensare di utilizzare una serie di trasmettitori, situati nelle pareti e collegati all’alimentazione, e una serie di ripetitori, inseriti in poltrone, tavoli e altro, che consentano la trasmissione di potenza al sistema ricevente anche quando il paziente si sposta in punti della casa lontani da pareti e prese elettriche. Introducendo questo ulteriore elemento risonante, nel modello del sistema si introduce un terzo modo risonante in regime sovra-accoppiato. Il terzo modo sarà centrato alla frequenza di risonanza del sistema. Aggiungendo ulteriori ripetitori risonanti si continuerà ad incrementare il range del trasferimento di energia. Del resto però la massima efficienza ottenibile diminuisce, mentre il numero di modi risonanti continua ad aumentare all’aumentare dei ripetitori risonanti introdotti.

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Adattamento di impedenza dinamico

Le antenne utilizzate come risonatori in sistemi FREE-D operano in regione di campo vicino (distanze minori di 2D2_{/λ, dove D è la dimensione massime dell’antenna e λ è la}

lunghezza d’onda alla frequenza operativa). In questa regione, si hanno forti interazioni di campo elettromagnetico, e l’impedenza d’ingresso varia continuamente in funzione del coefficiente di accoppiamento tra trasmettitore e ricevitore. All’aumentare della distanza tra trasmettitore e ricevitore, infatti, il coefficiente di accoppiamento tra i risonatori diminuisce a causa della diminuzione della mutua induttanza. Inoltre il raddrizzatore posto a valle del ricevitore ha un’impedenza di ingresso variabile in funzione della potenza ricevuta e delle condizioni di carico. Il risultato è che l’impedenza vista dal trasmettitore cambia continuamente, rendendo difficile il progetto di una rete di adattamento. La soluzione ideale sarebbe una regolazione attiva della frequenza di trasmissione, scelta come quella frequenza a cui si ha il massimo trasferimento di potenza. Questo non è possibile in quanto è necessario trasmettere su bande ISM3_{, data l’applicazione medica del}

dispositivo. La soluzione proposta consiste nell’utilizzo di una rete di adattamento dinamica, posta a monte del trasmettitore, che assicuri il massimo trasferimento di potenza al carico a una singola frequenza con banda ISM. In Fig. 2.52 si riporta il modello circuitale del trasformatore.

Fig. 2.52 – Modello circuitale del trasformatore

Il massimo trasferimento di potenza si ha in accordo con l’espressione

Eq. 2.38

quando la sorgente e il carico sono adattati.

3_{In telecomunicazionila Banda ISM (Industrial, Scientific and Medical) è il nome assegnato dall'Unione Internazionale delle}

Telecomunicazioni (ITU) ad un insieme di porzioni dello spettro elettromagneticoriservate alle applicazioni di radiocomunicazioninon commerciali, ma per uso industriale, scientifico e medico.

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Il trasmettitore e il ricevitore del sistema FREE-D possono essere trattati come un trasformatore in aria con una sorgente di impedenza complessa e un’ impedenza di carico. Quindi è possibile implementare una rete π-match per realizzare l’impedenza coniugata per l’adattamento. Analogamente a quanto si fa per i trasformatori quando si cambia il rapporto spire, al fine di ottenete un’impedenza reale per l’adattamento, la rete π-match, riportata in Fig. 2.53, consente di ottenere l’impedenza coniugata per l’ adattamento, scegliendo gli opportuni valori di L, Cs e CL.

Fig. 2.53 – Rete di adattamento π-match

Al variare della distanza tra trasmettitore e ricevitore, vengono variati dinamicamente i valori di Cs e CL nella rete π-match, in modo tale che le impedenze di sorgente e di carico

siano sempre adattate. In questo modo il sistema trasferirà sempre la massima potenza al carico ad una singola frequenza. La rete di adattamento è inserita a monte del trasmettitore come mostrato in Fig. 2.54

Fig. 2.54 – Schema a blocchi del sistema complessivo

L’impedenza di ingresso del sistema di risonatori può essere calcolata a partire dalla matrice dei parametri S, estraendo S11. Una volta fissata la frequenza di risonanza e il

valore di L nella rete π-match, verranno calcolati i valori delle capacità Cs e CL, che

realizzano l’adattamento tra l’impedenza della sorgente RSource e l’impedenza di carico Zres.

Le resistenze parassite di condensatori e induttori possono essere introdotte nella rete per una maggiore accuratezza. Nel qual caso il modello completo è riportato in Fig. 2.55

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