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研究概要

这项研究的标题是《An Adaptive Impedance Matching Transmitter for a Wireless Intraoral Tongue-Controlled Assistive Technology》，主要作者包括Fanpeng Kong（通讯作者），Maysam Ghovanloo和Gregory D. Durgin，他们分别隶属于Georgia Institute of Technology（佐治亚理工学院）的电气与计算机工程学院。该研究发表在 IEEE Transactions on Circuits and Systems—II: Express Briefs 期刊，卷67，期号2，于2020年2月出版。

研究背景

该研究属于电气工程和生物医学工程领域，研究重点是为残障人士研发助力技术（Assistive Technology, AT）。具体而言，文章聚焦于一种名为Intraoral Tongue Drive System (iTDS)的无线舌控辅助系统，该系统用于通过检测舌头运动控制外部设备（如电脑、智能手机、轮椅等）。由于系统需安装于用户口腔内部，其无线通信易受到射频（Radio Frequency, RF）干扰和动态口腔环境中天线阻抗（Antenna Impedance）变化的影响，研究者因此开展该工作以提高通信的稳健性。

现有研究提出了一些关键技术用于解决通讯中断问题，例如在2.4 GHz频段设计高增益天线或开发双频段系统，但这些方法要么受限于频段的拥堵性（如2.4 GHz频段常受Wi-Fi干扰），要么缺少动态频段切换功能。此外，口腔运动还会导致天线阻抗失配，引起功率传输损耗。为应对这些挑战，作者开发了包含三频段（27 MHz、433 MHz和915 MHz）的发射器，其中针对中高频段（433 MHz和915 MHz）集成了自适应阻抗匹配算法和自动带宽切换能力。

研究的目标是通过集成电路（ASIC）实现一种具备三频段操作能力的发射器，同时支持动态天线阻抗匹配和自动频段切换，以提高无线通信的稳健性，尤其是在动态口腔环境中使用时。

研究流程

系统架构及设计概述

研究者设计并优化了一种支持三频段通信的集成电路（ASIC），该芯片集成了发射器（Transmitter, TX）、自适应天线匹配网络（Adaptive Matching Network）以及超再生接收器（Super-Regenerative Receiver, SR-RX）。系统包含以下关键模块与设计要素：

1. 供电系统
   芯片通过两个低压差稳压器（Low Dropout Regulators, LDO）将3.7 V可充电电池电压转化为两路1.8 V电压，分别供给数字和模拟模块。未来可能替换为效率更高的降压转换器。

2. 三频段发射器设计

   • 27 MHz频段： 使用功率放大器（Power Amplifier, PA）和缓冲器，通过开关键控（On-Off Keying, OOK）进行调制，因在人体组织中能量衰减最小，这一频段作为默认频段。
   • 433 MHz与915 MHz频段： 通过锁相环(Phase-Locked Loop, PLL)生成载波信号，并使用级联Class-E PA放大信号。两频段共享一个双频段天线。

3. 自适应匹配网络

   • 包含两个可变电容组（Capacitor Banks）及匹配算法，其中算法集成于芯片内。匹配电路通过电感、LC滤波器及Pi型网络实现阻抗匹配，并通过峰值检测器与比较器反馈算法实现动态调节。

4. 超再生接收器（SR-RX）设计
   SR-RX用于检测27 MHz射频信号及外部噪声。其功能可实现自动频段切换；当27 MHz频段干扰过大时，设备无需用户介入即可切换至433 MHz或915 MHz频段。

实验与验证

研究流程包含以下几项主要实验：
1. 频谱测试
使用50Ω负载验证三频段发射器在不同载波频率下的峰值输出功率。结果显示： - 27 MHz频段输出功率为−7.4 dBm - 433 MHz频段输出功率为−0.9 dBm - 915 MHz频段输出功率为0.5 dBm

1. 自动阻抗匹配性能测试
   使用负载阻抗调节器模拟天线失配情况，测试在VSWR=4（即反射系数|Γ|=0.6）的九种不同天线失配场景。动态调节后，433 MHz和915 MHz频段的输出功率分别提高4.7 dB和3.8 dB。

2. 超再生接收器功能测试
   验证在无外部信号和注入27 MHz射频信号情况下，超再生接收器对“关闭”时间的反应。结果显示，芯片可准确检测RF干扰，并及时进行频段切换。

研究结果

1. 无线通信性能改进
   自动阻抗匹配机制有效降低口腔环境中天线失配导致的功率损耗，使输出功率接近50Ω加载条件下的功率，尤其在高VSWR条件下显示出显著性能提升。

2. 频段切换能力测试
   集成的SR-RX模块实现了主动切换频段的功能，有效减小了因外部射频干扰引起的通信中断问题。各频段的切换逻辑基于链路质量实时自动调整，无需用户操作。

3. 系统集成度的提升
   自适应匹配算法及SR-RX模块均一体化集成于ASIC中，摆脱了对外部组件的依赖，提高了系统稳定性和紧凑性。

研究结论与意义

该研究展示了一种具有革新意义的无线口腔舌控辅助技术，解决了动态口腔环境中天线阻抗失配和外部射频干扰等技术难题。这款ASIC具有以下重要价值： 1. 科学意义： 从根本上提高了复杂环境中的无线通信稳健性，推动了基于舌部运动的辅助技术研发。 2. 应用价值： 为患有四肢瘫痪等残障人士提供更可靠的设备控制技术，提升了他们的生活独立性与质量。 3. 技术创新： 提出了三频段自动切换机制，并实现在芯片内集成自适应阻抗匹配功能，为未来类似设备的开发指明方向。

研究亮点

1. 首次在ASIC内集成自适应阻抗匹配算法
2. 三频段自动切换功能，无需用户操作
3. 动态口腔环境下显著提高无线传输的稳健性
4. 系统紧凑，完全融入了用户口腔内的隐私设计

总结

本研究为无线舌控辅助技术的设计与优化树立了一个新的标杆。通过ASIC高度集成的创新设计，该系统不仅克服了传统系统的通信瓶颈，还为助残技术的进一步发展提供了技术与理论支持。