用于自适应地调谐无线电力传递的方法和设备的制作方法
【专利摘要】本发明涉及用于自适应地调谐无线电力传递的方法和设备。发射天线在所述发射天线的谐振频率处产生电磁场以在所述发射天线的近场内形成耦合模式区。接收天线在其处于所述耦合模式区内时接收所述谐振频率且大体上在所述谐振频率附近谐振。所述发射和接收天线中的一者或两者为可自适应地调谐的可调谐天线。通过检测所述可调谐天线处的失配并响应于所述可调谐天线处的电压驻波比而产生失配信号来实现所述自适应调谐。可通过调整连接到所述可调谐天线的可变电容器网络的电容来修改所述可调谐天线的谐振特性。
【专利说明】用于自适应地调谐无线电力传递的方法和设备
[0001] 本申请是国际申请日为2009年5月11日，国际申请号为PCT/US2009/043514，发明名称为“用于自适应地调谐无线电力传递的方法和设备”的PCT申请进入中国国家阶段申请号为200980116866.6的专利申请的分案申请。
_2] 依据35U.S.C.§ 119主张优先权
[0003]本申请案依据35U.S.C.§ 119(e)主张以下申请案的优先权:
[0004]在2008年6月11日申请的题为“经由接收天线阻抗调制的反向链路信令(REVERSE LINK SIGNALING VIA RECEIVE ANTENNA IMPEDANCE MODULATION) ”的美国临时专利申请案61/060，735 ；
[0005]在2008年6月11日申请的题为“无线电力环境中的信令充电(SIGNALINGCHARGING IN WIRELESS POWER ENVIRONMENT) ” 的美国临时专利申请案 61/060，738 ；
[0006]在2008年5月13日申请的题为“用于无线电力传递的自适应调谐机制(ADAPTIVETUNING MECHANISM FOR WIRELESS POWER TRANSFER) ”的美国临时专利申请案 61/053，008 ；
[0007]在2008年5月13日申请的题为“用于无线电力充电系统的有效电力管理方案(EFFICIENT POWER MANAGEMENT SCHEME FOR WIRELESS POWER CHARGING SYSTEMS) ”的美国临时专利申请案61/053，010 ；
[0008]在2008年6月11 日申请的题为“用于无线充电系统的发射电力控制(TRANSMITPOWER CONTROL FOR A WIRELESS CHARGING SYSTEM) ”的美国临时专利申请案 61/060，741 ；
[0009]在2008年5月13日申请的题为“用于增强无线电力传递的转发器(REPEATERSFOR ENHANCEMENT OF WIRELESS POWER TRANSFER) ” 的美国临时专利申请案 61/053，000 ;
[0010]在2008年5月13日申请的题为“用于电器和设备的无线电力传递(WIRELESSPOWER TRANSFER FOR APPLIANCES AND EQUIPMENTS) ”的美国临时专利申请案 61/053，004 ;
[0011]在2008年7月16日申请的题为“使用负电阻的无线电力传递(WIRELESS POWERTRANSFER USING NEGATIVE RESISTANCE) ” 的美国临时专利申请案 61/081，332 ;
[0012]在2008年5月13日申请的题为“用于无线电力传递的嵌入式接收天线(EMBEDDEDRECEIVE ANTENNA FOR WIRELESS POWER TRANSFER) ” 的美国临时专利申请案 61/053，012 ;以及
[0013]在2008年5月13日申请的题为“平面大面积无线充电系统(PLANAR LARGE AREAWIRELESS CHARGING SYSTEM) ” 的美国临时专利申请案 61/053，015。
【背景技术】
[0014]通常，每一电池供电装置(例如，无线电子装置)需要其自身的充电器和电力源，其通常为交流(AC)电源插座。在许多装置需要充电时，此种有线配置变得难以使用。
[0015]正开发在发射器与耦合到待充电的电子装置的接收器之间使用空中或无线电力发射的方法。此些方法通常落在两个类别中。一个类别是基于发射天线与待充电的装置上的接收天线之间的平面波辐射(还被称作远场辐射)的耦合。接收天线收集所辐射的电力且对其进行整流以供对电池充电。天线通常具有谐振长度以便改进耦合效率。此方法的缺点为电力耦合随着天线之间的距离增加而快速衰退。因此，在合理长度(例如，小于I米到2米)内充电变得困难。另外，由于发射系统辐射平面波，所以如果未经由滤波来进行适当控制，则无意的辐射可干扰其它系统。
[0016]无线能量发射技术的其它方法是基于在嵌入于(例如)“充电”垫或表面中的发射天线与嵌入于待充电的主机电子装置中的接收天线(加上整流电路)之间的电感性耦合。此种方法具有以下缺点，即，发射天线与接收天线之间的间隔必须非常接近(例如，在千分之几米内)。尽管此种方法确实具有对相同区域中的多个装置同时充电的能力，但此区域通常非常小且要求用户将所述装置准确地定位到特定区域。因此，需要提供一种适应发射天线和接收天线的灵活放置和定向的无线充电布置。
[0017]在无线电力发射的情况下，需要用于调整天线的操作特性以适应不同环境并优化电力传递特性的系统和方法。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1展示无线电力传递系统的简化框图。
[0019]图2展示无线电力传递系统的简化示意图。
[0020]图3展示用于本发明的示范性实施例中的环形天线的示意图。
[0021]图4展示指示发射天线与接收天线之间的耦合强度的模拟结果。
[0022]图5A和图5B展示根据本发明的示范性实施例的用于发射天线和接收天线的环形天线的布局。
[0023]图6展示指示与图5A和图5B中所说明的正方形和圆形发射天线的各种周长大小有关的在发射天线与接收天线之间的耦合强度的模拟结果。
[0024]图7展示指示与图5A和图5B中所说明的正方形和圆形发射天线的各种表面积有关的在发射天线与接收天线之间的耦合强度的模拟结果。
[0025]图8展示接收天线相对于发射天线的各种放置点以说明在共面和同轴放置下的耦合强度。
[0026]图9展示指示在发射天线与接收天线之间的各种距离下同轴放置的耦合强度的模拟结果。
[0027]图10为根据本发明的示范性实施例的发射器的简化框图。
[0028]图11为根据本发明的示范性实施例的接收器的简化框图。
[0029]图12展示用于在发射器与接收器之间进行消息接发的发射电路的一部分的简化示意图。
[0030]图13A到图13C展示在各种状态下的接收电路的一部分的简化示意图，以说明接收器与发射器之间的消息接发。
[0031]图14A到图14C展示在各种状态下的替代性接收电路的一部分的简化示意图，以说明接收器与发射器之间的消息接发。
[0032]图15A到图15C为说明用于发射器与接收器之间的通信的消息接发协议的时序图。
[0033]图16A到图16D为说明用于在发射器与接收器之间发射电力的信标电力模式的简化框图。[0034]图17A说明大发射天线，其中较小转发器天线与所述发射天线共面和同轴地安置。
[0035]图17B说明发射天线，其中较大转发器天线相对于所述发射天线同轴放置。
[0036]图18A说明大发射天线，其中三个不同的较小转发器天线与所述发射天线共面地安置且安置于所述发射天线的周边内。
[0037]图18B说明大发射天线，其中较小转发器天线相对于发射天线有偏移地同轴放置和有偏移地共面放置。
[0038]图19展示指示发射天线、转发器天线和接收天线之间的耦合强度的模拟结果。
[0039]图20A展示指示在不具有转发器天线的情况下在发射天线与接收天线之间的耦合强度的模拟结果。
[0040]图20B展示指示在具有转发器天线的情况下在发射天线与接收天线之间的耦合强度的模拟结果。
[0041]图21A到图21C为用于分别使用T-网络、L-网络和π -网络的天线的自适应调谐电路的简化框图。
[0042]图22为基于发射天线处的电力消耗的用于所述发射天线的自适应调谐电路的简化框图。
[0043]图23Α和图23Β为说明可变电容器网络的示范性实施例的简化电路图。
[0044]图24Α和图24Β分别展示在自适应调谐之前和之后的近场耦合的发射天线和接收天线的仿真结果。
【具体实施方式】
[0045]词语“示范性”在本文中用以指“充当实例、例子或说明”。本文中描述为“示范性”的任何实施例不必理解为比其它实施例优选或有利。
[0046]在下文结合附图陈述的详细描述意欲作为对本发明的示范性实施例的描述且无意表示可实践本发明的仅有实施例。在整个此描述中所使用的术语“示范性”指“充当实例、例子或说明”且应没有必要理解为比其它示范性实施例优选或有利。所述详细描述包括特定细节以用于提供对本发明的示范性实施例的彻底理解的目的。所属领域的技术人员将明白，可在无这些特定细节的情况下实践本发明的示范性实施例。在一些例子中，以框图形式来展示众所周知的结构和装置以便避免使本文所呈现的示范性实施例的新颖性模糊不清。
[0047]词语“无线电力”在本文中用以指与在不使用物理电磁导体的情况下从发射器发射到接收器的电场、磁场、电磁场或其它相关联的任何形式的能量。
[0048]图1说明根据本发明的各种示范性实施例的无线发射或充电系统100。将输入电力102提供到发射器104以供产生用于提供能量传递的辐射场106。接收器108耦合到辐射场106且产生输出电力110以供耦合到输出电力110的装置(未图示)存储或消耗。发射器104与接收器108两者相隔距离112。在一个示范性实施例中，根据相互谐振关系来配置发射器104和接收器108，且当接收器108位于辐射场106的“近场”中时，在接收器108的谐振频率与发射器104的谐振频率完全相同时，发射器104与接收器108之间的发射损失是最小的。
[0049]发射器104进一步包括用于提供用于能量发射的装置的发射天线114，且接收器108进一步包括用于提供用于能量接收的装置的接收天线118。根据应用和将与其相关联的装置来设计发射天线和接收天线的大小。如所陈述，通过将发射天线的近场中的能量的大部分耦合到接收天线而非以电磁波形式将大多数能量传播到远场来进行有效能量传递。当在此近场中时，可在发射天线114与接收天线118之间形成耦合模式。在天线114和118周围的可发生此近场耦合的区域在本文中被称作耦合模式区。
[0050]图2展示无线电力传递系统的简化示意图。发射器104包括振荡器122、功率放大器124以及滤波和匹配电路126。所述振荡器经配置以在所要频率下产生，可响应于调整信号123来调整所述所要频率。可由功率放大器124以响应于控制信号125的放大量来放大振荡器信号。可包括滤波和匹配电路126以滤出谐波或其它不想要的频率且将发射器104的阻抗与发射天线114匹配。
[0051]接收器可包括匹配电路132以及整流和切换电路以产生DC电力输出，以对电池136 (如图2所示)充电或向耦合到接收器的装置(未图示)供电。可包括匹配电路132以将接收器108的阻抗与接收天线118匹配。
[0052]如图3中所说明，示范性实施例中所使用的天线可经配置为“环形”天线150，其在本文中还可被称作“磁性”天线。环形天线可经配置以包括空气芯或实体芯(例如，铁氧体芯)。空气芯环形天线可更能容忍放置于所述芯附近的外来实体装置。此外，空气芯环形天线允许其它组件放置于芯区域内。另外，空气芯环形可更易于使得能够将接收天线118 (图2)放置于发射天线114 (图2)的平面内，在所述平面内，发射天线114 (图2)的耦合模式区可更强大。
[0053]如所陈述，在发射器104与接收器108之间的谐振匹配或近似匹配期间，发生发射器104与接收器108之间的有效能量传递。然而，即使当发射器104与接收器108之间的谐振不匹配时，还可在较低效率下传递能量。通过将来自发射天线的近场的能量耦合到驻留于建立了此近场的邻域中的接收天线而非将能量从发射天线传播到自由空间中来进行能量传递。
[0054]环形或磁性天线的谐振频率是基于电感和电容。环形天线中的电感通常仅为由所述环形产生的电感，而通常将电容添加到环形天线的电感以在所要谐振频率下产生谐振结构。作为非限制性实例，可将电容器152和电容器154添加到所述天线以创建产生谐振信号156的谐振电路。因此，对于较大直径的环形天线来说，诱发谐振所需的电容的大小随着环形的直径或电感增加而减小。此外，随着环形或磁性天线的直径增加，近场的有效能量传递区域增加。当然，其它谐振电路为可能的。作为另一非限制性实例，电容器可并行地放置于环形天线的两个端子之间。另外，所属领域的技术人员将认识到，对于发射天线，谐振信号156可为环形天线150的输入。
[0055]本发明的示范性实施例包括在处于彼此的近场中的两个天线之间耦合电力。如所陈述，近场为在天线周围的存在磁场但不可传播或辐射远离所述天线的区域。其通常限于接近所述天线的物理体积的体积。在本发明的示范性实施例中，磁性型天线(例如，单匝环形天线和多匝环形天线)用于发射(Tx)和接收(Rx)天线系统两者，因为与电型天线(例如，小偶极)的电近场相比，磁性型天线的磁近场振幅趋于更高。此允许所述对天线之间的潜在较高耦合。此外，还涵盖“电”天线(例如，偶极和单极)或磁性天线与电天线的组合。
[0056]Tx天线可在足够低的频率下和在天线大小足够大的情况下操作，以在显著大于由早先所提及的远场和电感方法允许的距离的距离下实现到小Rx天线的良好耦合(例如，> -4dB)。如果正确地设计Tx天线的大小，则在主机装置上的Rx天线放置于受驱动Tx环形天线的耦合模式区(即，在近场中)内时，可实现高耦合程度(例如，-2到_4dB)。
[0057]图4展示指示发射天线与接收天线之间的耦合强度的模拟结果。曲线170和172分别指示对发射天线和接收天线的电力接受的测量。换句话说，在大负数的情况下，存在非常紧密的阻抗匹配，且大多数电力被接受且因此由发射天线辐射。相反，小负数指示许多电力从天线反射回，因为在给定频率下不存在紧密阻抗匹配。在图4中，调谐发射天线和接收天线以使其具有约13.56MHz的谐振频率。
[0058]曲线170说明在各个频率处的从发射天线发射的电力量。因此，在对应于约13.528MHz和13.593MHz的点Ia和3a处，许多电力被反射且不发射到发射天线外。然而，在对应于约13.56MHz的点2a处，可看到，大量电力被接受且被发射到天线外。
[0059]类似地，曲线172说明在各个频率处由接收天线接收的电力量。因此，在对应于约13.528MHz和13.593MHz的点Ib和3b处，许多电力被反射且不经由接收天线输送并进入接收器中。然而，在对应于约13.56MHz的点2b处，可看到，大量电力被接收天线接受且输送到接收器中。
[0060]曲线174指示在经由发射天线从发射器发送、经由接收天线接收且输送到接收器后在接收器处接收到的电力量。因此，在对应于约13.528MHz和13.593MHz的点Ic和3c处，发送到发射器外的许多电力在接收器处为不可用的，因为(I)发射天线拒绝从发射器发送到其的许多电力和(2)发射天线与接收天线之间的耦合随着频率远离谐振频率而效率降低。然而，在对应于约13.56MHz的点2c处，可看到，从发射器发射的大量电力在接收器处为可用的，从而指示发射天线与接收天线之间的高耦合程度。
[0061]图5A和图5B展示根据本发明的示范性实施例的用于发射天线和接收天线的环形天线的布局。可以许多不同方式来配置环形天线，其中单个环或多个环具有广泛多种大小。另外，所述环可呈许多不同形状，例如(仅举例)圆形、椭圆形、正方形和矩形。图5A说明大正方形环形发射天线114S和小正方形环形接收天线118，小正方形环形接收天线118与发射天线114S放置于相同平面中且接近发射天线114S的中心。图5B说明大圆形环形发射天线114C和小正方形环形接收天线118'，小正方形环形接收天线118'与发射天线114C放置于相同平面中且接近发射天线114C的中心。正方形环形发射天线114S具有边长“a”，而圆形环形发射天线114C具有直径“Φ”。对于正方形环形来说，可展示存在等效圆形环形，其直径可界定为:Φ μ = 4a/ 。
[0062]图6展不指不与图4A和图4B中所说明的正方形和圆形发射天线的各种周长有关的在发射天线与接收天线之间的耦合强度的模拟结果。因此，曲线180展示在圆形环形发射天线114C的各种周长大小下圆形环形发射天线114C与接收天线118之间的耦合强度。类似地，曲线182展示在正方形环形发射天线114S的各种等效周长大小下正方形环形发射天线114S与接收天线118'之间的耦合强度。
[0063]图7展示指示与图5A和图5B中所说明的正方形和圆形发射天线的各种表面积有关的在发射天线与接收天线之间的耦合强度的模拟结果。因此，曲线190展示在圆形环形发射天线114C的各种表面积下圆形环形发射天线114C与接收天线118之间的耦合强度。类似地，曲线192展示在正方形环形发射天线114S的各种表面积下正方形环形发射天线114S与接收天线IlV之间的耦合强度。
[0064]图8展示接收天线相对于发射天线的各种放置点以说明在共面和同轴放置中的耦合强度。如本文所使用，“共面”指发射天线与接收天线具有大体上对准的平面(即，具有指向大体上相同的方向的表面法线)且发射天线与接收天线的平面之间不具有距离(或具有小距离)。如本文所使用，“同轴”指发射天线与接收天线具有大体上对准的平面(即，具有指向大体上相同的方向的表面法线)且所述两个平面之间的距离并非细微的，且此外，发射天线与接收天线的表面法线大体上沿着相同向量展现，或所述两个法线排成梯队。
[0065]作为实例，点pl、p2、p3和p7为接收天线相对于发射天线的所有共面放置点。作为另一实例，点P5和p6为接收天线相对于发射天线的同轴放置点。下表展示在图8中所说明的各个放置点(Pl到P7)处的耦合强度(S21)和耦合效率(表达为从发射天线发射的到达接收天线的电力的百分比)。
【权利要求】
1.一种无线电力发射器，其包含: 发射天线，其经配置以将电力传递给接收天线； 放大器，其经配置以接收电力信号以用于将电力供应给所述放大器，所述放大器进一步经配置以将信号施加到所述发射天线； 负载感测电路，其可操作地耦合到所述放大器且经配置以检测所述电力信号的电流改变，所述负载感测电路进一步经配置以响应于所述电力信号的所述电流改变而产生负载指不信号； 控制器，其可操作地耦合到所述负载感测电路且经配置以响应于所述负载指示信号而产生控制信号；以及 可变电容器，其可操作地耦合在所述发射天线与所述控制器之间，所述可变电容器经配置以基于所述负载指示信号而修改所述可变电容器的电容。
2.根据权利要求1所述的无线电力发射器，其中所述可变电容器包含选自由T-网络、L-网络和π -网络组成的群组的网络。
3.根据权利要求1所述的无线电力发射器，其中所述可变电容器包含多个可变电容器，每一可变电容器由所述控制信号中的至少一个控制，且其中每一电容器的电容响应于其对应控制信号而被调整。
4.根据权利要求3所述的无线电力发射器，其中所述多个可变电容器中的每一可变电容器包含可操作地并联耦合的多个开关电容器，每一开关电容器包含可操作地串联耦合的开关和电容器，其中每一开关电容器响应于操作地耦合到所述可变电容器的所述控制信号而选择性地包括于所述可变电容器中。
5.根据权利要求3所 述的无线电力发射器，其中所述多个可变电容器中的每一可变电容器包含至少一个变容器，所述至少一个变容器包含反向偏置二极管，所述反向偏置二极管操作地耦合到充当对所述至少一个变容器的偏置控制的对应控制信号。
6.一种无线地发射电力的方法，其包含: 发射天线将电力传递给接收天线； 放大器将信号施加到所述发射天线，所述放大器接收电力信号，所述电力信号将电力供应给所述放大器； 检测所述电力信号的电流变化； 响应于所述电流变化而生成负载指示信号； 响应于所述负载指示信号而生成控制信号；以及 基于所述控制信号而修改可变电容器的电容。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述可变电容器网络包含选自由T-网络、L-网络和η-网络组成的群组的网络。
8.根据权利要求6所述的方法，其中所述可变电容器包含多个可变电容器，每一可变电容器由所述控制信号中的至少一个控制，其中每一电容器的电容响应于其对应控制信号而被调整。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述多个可变电容器中的每一可变电容器包含可操作地并联耦合的多个开关电容器，每一开关电容器包含可操作地串联耦合的开关和电容器，其中每一开关电容器响应于操作地耦合到所述可变电容器的所述控制信号而选择性地包括于所述可变电容器中。
10.根据权利要求8所述的方法，其中所述多个可变电容器中的每一可变电容器包含至少一个变容器，所述至少一个变容器包含反向偏置二极管，所述反向偏置二极管操作地耦合到充当对所述至少一个变容器的偏置控制的对应控制信号。
11.一种用于无线地发射电力的设备，其包含: 用于将电力传递给接收天线的装置； 用于将信号施加到所述电力传递装置的装置，所述信号施加装置接收电力信号，所述电力信号将电力供应给所述信号施加装置； 用于检测所述电力信号的电流改变的装置； 用于响应于所检测到的所述电力信号的所述电流改变而生成负载指示信号的装置； 用于响应于所述负 载指示信号而生成控制信号的装置；以及 用于基于所述控制信号而修改可变电容器的电容的装置。
12.根据权利要求11所述的设备，其中所述可变电容器网络包含选自由T-网络、L-网络和π-网络组成的群组的网络。
13.根据权利要求11所述的设备，其中所述可变电容器包含多个可变电容器，每一可变电容器由所述控制信号中的至少一个控制，其中每一电容器的电容响应于其对应控制信号而被调整。
14.根据权利要求13所述的设备，其中所述多个可变电容器中的每一可变电容器包含可操作地并联耦合的多个开关电容器，每一开关电容器包含可操作地串联耦合的开关和电容器，其中每一开关电容器响应于操作地耦合到所述可变电容器的所述控制信号而选择性地包括于所述可变电容器中。
15.根据权利要求13所述的设备，其中所述多个可变电容器中的每一可变电容器包含至少一个变容器，所述至少一个变容器包含反向偏置二极管，所述反向偏置二极管操作地耦合到充当对所述至少一个变容器的偏置控制的对应控制信号。
【文档编号】H04B5/02GK103441783SQ201310366019
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2009年5月11日 优先权日:2008年5月13日
【发明者】斯坦利·S·通奇赫, 埃内斯特·T·奥萨基, 阿里礼萨·H·穆罕默点 申请人:高通股份有限公司