用于增强无线电力传递的转发器的制作方法

专利名称：用于增强无线电力传递的转发器的制作方法
用于增强无线电力传递的转发器
依据35U.S.C. 1119主张优先权
本申请案依据35U.S.C. § 119(e)主张以下申请案的优先权
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 IMPEDANCEMODULATION) ” 的美国临时专利申请案61/060,735 ；
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 ；
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 ；
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 CHARGINGSYSTEMS) ”的美国临时专利申请案61/053,010 ；
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 ；
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 ；
在2008年5月13日申请的题为“用于家电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 ；
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 ；
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 (EMBEDDED RECEIVE ANTENNA FOR WIRELESS POWER TRANSFER) ” 的美国临时 专利申请案61/053,012 ；以及
在2008年5月13日申请的题为“平面大面积无线充电系统(PLANAR LARGEAREAWIRELESS CHARGING SYSTEM) ” 的美国临时专利申请案 61/053,015。
背景技术：
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。
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1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。
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。


图1展示无线电力传递系统的简化框图。
图2展示无线电力传递系统的简化示意图。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
图10为根据本发明的示范性实施例的发射器的简化框图。
图11为根据本发明的示范性实施例的接收器的简化框图。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
具体实施方式
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。
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。
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。
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。
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。
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IM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。
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。
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。
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。
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IM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。
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。
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)。
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。
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13.593MPiz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&处，可看到，大量电力被接受且被发射到天线外。
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13.5^MHz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。
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13.5^MHz和13.593MHz的点Ic 和北处，发送到发射器外的许多电力在接收器处为不可用的，因为(1)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的点北处，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。
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O6q = 4a/π。
图6展示指示与图4Α和图4Β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。
图7展示指示与图5Α和图5Β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118'之间的耦合强度。
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。
作为实例，点pi、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(pi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)。
表 1
位置距平面的距离(cm)S21效率(％)效率(TX DC电力入对 RXDC电力出)Pi046.828P2O55.036P3057.535P42.549.030P517.524.515P617.50.30.2P705.93.4
如可看到，共面放置点pi、p2和p3均展示相对高的耦合效率。放置点p7也为 共面放置点，但在发射环形天线外部。虽然放置点p7不具有高耦合效率，但很明显存在 一些耦合且耦合模式区延伸超出发射环形天线的周边。
放置点p5与发射天线同轴且展示相当大的耦合效率。放置点p5的耦合效率不 如共面放置点的耦合效率高。然而，放置点P5的耦合效率为足够高的，使得可在同轴放 置的发射天线与接收天线之间输送相当多的电力。
放置点p4处于发射天线的周长内但在发射天线的平面上方的很小距离处的位置 中，其可被称作偏移同轴放置(即，表面法线在大体上相同的方向上但处于不同位置处) 或偏移共面(即，表面法线在大体上相同的方向上但平面彼此相对偏移)。从所述表可看 到，在偏移距离为2.5cm的情况下，放置点p4仍具有相对良好的耦合效率。
放置点p6说明在发射天线的周长外部且处于发射天线的平面上方相当大距离处 的放置点。如可从所述表看到，放置点p7展示发射天线与接收天线之间的很小的耦合效 率。
图9展示指示在发射天线与接收天线之间的各种距离处同轴放置的耦合强度的 模拟结果。图9的模拟针对处于同轴放置的正方形发射和接收天线，其均具有约1.2米的 边且处于IOMHz的发射频率下。可看到，在小于约0.5米的距离处，耦合强度保持相当高且均一。
图10为根据本发明的示范性实施例的发射器的简化框图。发射器200包括发 射电路202和发射天线204。通常，发射电路202通过提供导致在发射天线204周围产 生近场能量的振荡信号来将RF电力提供到发射天线204。举例来说，发射器200可在13.56MHz ISM频带处操作。
示范性发射电路202包括用于将发射电路202的阻抗(例如，50欧姆)匹配到 发射天线204的固定阻抗匹配电路206，和经配置以将谐波发射减少到防止耦合到接收器 108(图1)的装置的自干扰的水平的低通滤波器(LPF) 208。其它实施例可包括不同滤波 器拓扑(包括但不限于使特定频率衰减同时使其它频率通过的陷波滤波器)，且可包括自 适应阻抗匹配，其可基于可测量的发射量度(例如，到天线的输出电力或由功率放大器 汲取的DC电流)而改变。发射电路202进一步包括经配置以驱动由振荡器212确定的 RF信号的功率放大器210。发射电路可包含离散装置或电路，或替代地，可包含集成组 合件。来自发射天线204的示范性RF电力输出可为约2.5瓦。
发射电路202进一步包括处理器214，所述处理器214用于在特定接收器的发射 阶段(或工作循环)期间启用振荡器212、用于调整所述振荡器的频率，以及用于调整用 于实施通信协议(用于经由相邻装置所附接的接收器与相邻装置交互)的输出电力水平。
发射电路202可进一步包括用于检测在由发射天线204产生的近场附近是否存在 活动接收器的负载感测电路216。举例来说，负载感测电路216监视流动到功率放大器 210的电流，其受在由发射天线204产生的近场附近的活动接收器的存在与否影响。由处 理器214监视对功率放大器210上的负载改变的检测，以用于确定是否启用振荡器212以 发射能量以与活动接收器通信。
发射天线204可实施为天线条，其具有经选择以使电阻性损失保持为低的厚 度、宽度和金属类型。在常规实施方案中，发射天线204可通常经配置以与较大结构 (例如，桌子、垫、灯或其它较不便携的配置)相关联。因此，发射天线204通常将不 需要“若干匝”以便具有特定尺寸。发射天线204的示范性实施方案可为“电学上小 的”(即，波长的分数)且经调谐以通过使用电容器来界定谐振频率而在较低的可用频率 下谐振。在发射天线204在直径或边长(如果为正方形环形)方面相对于接收天线可为 较大(例如，0.50米)的示范性应用中，发射天线204将没有必要需要较大匝数以获得合 理电容。
图11为根据本发明的实施例的接收器的框图。接收器300包括接收电路302和 接收天线304。接收器300进一步耦合到装置350以向其提供所接收的电力。请注意， 将接收器300说明为在装置350外部但可集成于装置350中。通常，能量无线地传播到 接收天线304且接着经由接收电路302而耦合到装置350。
接收天线304经调谐以在与发射天线204(图10)相同的频率下或几乎相同的频 率下谐振。接收天线304可与发射天线204类似地设计尺寸，或可基于相关联装置350 的尺寸来不同地设计大小。举例来说，装置350可为具有小于发射天线204的直径或长 度的直径或长度尺寸的便携式电子装置。在此类实例中，接收天线304可实施为多匝天 线以便减少调谐电容器(未图示)的电容值且增加接收天线的阻抗。举例来说，接收天 线304可放置在装置350的实质周长周围，以便最大化天线直径并减少接收天线的环形匝 (即，绕组)的数目和绕组间电容。
接收电路302提供与接收天线304的阻抗匹配。接收电路302包括用于将所接收 的RF能量源转换为供装置350使用的充电电力的电力转换电路306。电力转换电路306 包括RF到DC转换器308且还可包括DC到DC转换器310。RF到DC转换器308将接11收天线304处接收到的RF能量信号整流为非交变电力，而DC到DC转换器310将经整 流的RF能量信号转换为可与装置350兼容的能量势(例如，电压)。涵盖各种RF到DC 转换器，包括部分和全整流器、调节器、桥接器、倍增器以及线性和切换转换器。 接收电路302可进一步包括用于将接收天线304连接到电力转换电路306或替代 地用于将电力转换电路306断开的切换电路312。如下文更充分地解释，将接收天线304 与电力转换电路306断开不仅中止对装置350的充电，且还改变发射器200 (图2)所“看 至IJ”的“负载”。如上文所揭示，发射器200包括负载感测电路216，其检测提供到发 射器功率放大器210的偏置电流的波动。因此，发射器200具有用于确定接收器何时存 在于发射器的近场中的机制。当多个接收器300存在于发射器的近场中时，可能需要对一个或一个以上接收 器的加载和卸载进行时间多路复用以使其它接收器能够更有效地耦合到发射器。还可掩 蔽接收器以便消除到其它附近的接收器的耦合或减少附近发射器上的负载。接收器的此
“卸载”在本文中还被称为“掩蔽”。此外，如下文更充分地解释，由接收器300控制 且由发射器200检测的卸载与加载之间的此切换提供从接收器300到发射器200的通信机 制。另外，协议可与所述切换相关联，其实现从接收器300到发射器200的消息发送。 举例来说，切换速度可为约100微秒。在一示范性实施例中，发射器与接收器之间的通信指代装置感测和充电控制机 制，而非常规双向通信。换句话说，发射器使用所发射信号的通/断键控来调整能量在 近场中是否可用。接收器将这些能量改变解译为来自发射器的消息。从接收器侧，接收 器使用接收天线的调谐和去谐来调整正从近场接受多少电力。发射器可检测来自近场的 所使用电力的此差异且将这些改变解译为来自接收器的消息。接收电路302可进一步包括用以识别接收到的能量波动的信令检测器和信标电 路314，所述能量波动可对应于从发射器到接收器的信息性信令。此外，信令和信标电路 314还可用以检测减少的RF信号能量(即，信标信号)的发射并将所述减少的RF信号能 量整流成标称电力以用于唤醒接收电路302内的未供电或电力耗尽的电路以便配置接收 电路302以进行无线充电。接收电路302进一步包括用于协调本文所描述的接收器300的处理(包括对本文 所描述的切换电路312的控制)的处理器316。对接收器300的掩蔽还可在发生其它事件 (包括检测到向装置350提供充电电力的外部有线充电源(例如，壁式/USB电力))后即 刻发生。除了控制接收器的掩蔽外，处理器316还可监视信标电路314以确定信标状态 并提取从发射器发射的消息。处理器316还可调整DC到DC转换器310以获得改进的性 能。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。在本发明的一些示范性实施例中，可在发射器与接收器之间启用用于通信的装 置。在图12中，功率放大器210驱动发射天线204以产生辐射场。所述功率放大器由 在对于发射天线204为所要的频率下振荡的载波信号220来驱动。使用发射调制信号224 来控制功率放大器210的输出。发射电路可通过对功率放大器210使用通/断键控过程来将信号发射到接收器。 换句话说，在断言发射调制信号224时，功率放大器210将在发射天线204上驱动出载波信号220的频率。在否定发射调制信号224时，功率放大器在发射天线204上将不驱动出任何频率。图12的发射电路还包括将电力供应到功率放大器210且产生接收信号235输出 的负载感测电路216。在负载感测电路216中，跨电阻器Rs的电压降形成于电力入信号 226与功率放大器210的电力供应228之间。功率放大器210所消耗的电力的任何改变 将引起将由差动放大器230放大的电压降的改变。当发射天线与接收器(未展示于图12 中)中的接收天线处于耦合模式时，由功率放大器210汲取的电流量将改变。换句话说， 如果发射天线210不存在耦合模式谐振，则驱动辐射场所需的电力将为第一量。如果存 在耦合模式谐振，则功率放大器210所消耗的电力量将上升，因为许多电力耦合到接收 天线中。因此，如下文所解释，接收天线235可指示耦合到发射天线235的接收天线的 存在且还可检测从接收天线发射的信号。另外，将可在发射器的功率放大器电流汲取中 观测到接收器电流汲取的改变，且如下文所解释，此改变可用以检测来自接收天线的信 号。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。图13A到图13C均展示相同电路元件，不同之处为各 个开关的状态。接收天线304包括特征电感Li，其驱动节点350。节点350经由开关 SlA选择性地耦合到接地。节点350还经由开关SlB选择性地耦合到二极管Dl和整流 器318。整流器318将DC电力信号322供应到接收装置(未图示)以向所述接收装置供 电、对电池充电，或其组合。二极管Dl与电容器C3和电阻器Rl—起耦合到发射信号 320，发射信号320经滤波以移除谐波和不想要的频率。因此，Dl、C3和Rl的组合可 在发射信号320上产生信号，其模仿由上文参看图12中的发射器而论述的发射调制信号 224所产生的发射调制。本发明的示范性实施例包括对接收装置的电流汲取的调制和对接收天线的阻抗 的调制以实现反向链路信令。参看图13A和图12两者，在接收装置的电力汲取改变时， 负载感测电路216检测发射天线上的所得电力改变，且从这些改变可产生接收信号235。在图13A到图13C的实施例中，可通过修改开关SlA和S2A的状态来改变经由 发射器的电流汲取。在图13A中，开关SlA和开关S2A均断开而形成“DC断开状态” 且实质上从发射天线204移除负载。此减少发射器所经历的电流。在图13B中，开关SlA闭合且开关S2A断开，从而形成接收天线304的“DC 短路状态”。因此，可使用图13B中的状态来增加在发射器中经历的电流。在图13C中，开关SlA断开且开关S2A闭合，从而形成正常接收模式(在本文 中还被称作“DC操作状态”)，其中电力可由DC输出信号322供应且可检测到发射信 号320。在图13C所示的状态下，接收器接收正常电力量，因此消耗比DC断开状态或 DC短路状态时多或少的来自发射天线的电力。可通过DC操作状态(图13C)与DC短路状态(图13B)之间的切换来实现反向 链路信令。还可通过DC操作状态(图13C)与DC断开状态(图13A)之间的切换来实 现反向链路信令。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。
图14A到图14 C均展示相同电路元件，不同之处为各个开关的状态。接收天线 304包括特征电感Li，其驱动节点350。节点350经由电容器Cl和开关SlB而选择性地 耦合到接地。节点350还经由电容器C2而AC耦合到二极管Dl和整流器318。二极管 Dl与电容器C3和电阻器Rl —起耦合到发射信号320，发射信号320经滤波以移除谐波 和不想要的频率。因此，Dl、C3和Rl的组合可在发射信号320上产生一信号，其模仿 由上文参看图12中的发射器而论述的发射调制信号224所产生的发射调制。整流器318连接到开关S2B，开关S2B与电阻器R2和接地串联连接。整流器 318还连接到开关S3B。开关S3B的另一侧将DC电力信号322供应到接收装置(未图 示)以向所述接收装置供电、对电池充电，或其组合。在图13A到图13C中，通过经由开关SlB选择性地将接收天线304耦合到接地 来改变所述接收天线的DC阻抗。相比而言，在图14A到图14C的实施例中，可通过修 改开关SIB、S2B和S3B的状态以改变接收天线304的AC阻抗来修改天线的阻抗以产生 反向链路信令。在图14A到图14C中，可使用电容器C2来调谐接收天线304的谐振频 率。因此，可通过使用开关SlB经由电容器Cl来选择性地耦合接收天线304 (实质上将 谐振电路改变到将处于将与发射天线最佳耦合的范围外的不同频率)来改变接收天线304 的AC阻抗。如果接收天线304的谐振频率接近发射天线的谐振频率，且接收天线304处 于发射天线的近场中，则可形成耦合模式，其中接收器可从辐射场106汲取显著电力。在图14A中，开关SlB闭合，此将天线去谐且形成“AC掩蔽状态”，所述 “AC掩蔽状态”实质上“掩蔽”接收天线304使其不被发射天线204检测到，因为接收
天线不在发射天线的频率处谐振。由于接收天线将不处于耦合模式下，所以开关S2B和 S3B的状态对于本论述来说并非特别重要。在图14B中，开关SlB断开，开关S2B闭合，且开关S3B断开，从而形成接收 天线304的“经调谐假负载状态”。因为开关SlB断开，所以电容器Cl不影响谐振电 路，且与电容器C2组合的接收天线304将处于可与发射天线的谐振频率匹配的谐振频率 下。开关S3B断开与开关S2B闭合的组合对于整流器来说形成相对高电流假负载，其 将经由接收天线304汲取更多电力，此可由发射天线感测到。另外，可检测到发射信号 320，因为接收天线处于从发射天线接收电力的状态下。在图14C中，开关SlB断开，开关S2B断开，且开关S3B闭合，从而形成接收 天线304的“经调谐操作状态”。因为开关SlB断开，所以电容器Cl不影响谐振电路， 且与电容器C2组合的接收天线304将处于可与发射天线的谐振频率匹配的谐振频率下。 开关S2B断开与开关S3B闭合的组合形成正常操作状态，其中可由DC出信号322供应 电力且可检测到发射信号320。可通过经调谐操作状态(图14C)与AC掩蔽状态(图14A)之间的切换来实现 反向链路信令。还可通过经调谐假负载状态(图14B)与AC掩蔽状态(图14A)之间的 切换来实现反向链路信令。还可通过经调谐操作状态(图14C)与经调谐假负载状态(图 14B)之间的切换来实现反向链路信令，因为接收器所消耗的电力量将存在差异，此可由 发射器中的负载感测电路检测到。当然，所属领域的技术人员将认识到，可使用开关SIB、S2B和S3B的其它组 合来形成掩蔽、产生反向链路信令以及将电力供应到接收装置。另外，可将开关SlA和SlB添加到图14A到图14C的电路以形成用于掩蔽、反向链路信令以及将电力供应到接收装置的其它可能组合。因此，在处于耦合模式下时，如上文参看图12所论述，可将信号从发射器发送 到接收器。另外，在处于耦合模式下时，如上文参看图13A到图13C和图14A到图14C 所论述，可将信号从接收器发送到发射器。图15A到图15C为说明用于使用上文所论述的信令技术在发射器与接收器之间 通信的消息接发协议的时序图。在一种示范性方法中，从发射器到接收器的信号在本文 中被称作“前向链路”且使用正常振荡与无振荡之间的简单AM调制。还涵盖其它调制 技术。作为非限制性实例，信号存在可解译为1，且无信号存在可解译为0。通过对接收装置所汲取的电力进行调制来提供反向链路信令，其可由发射器中 的负载感测电路检测到。作为非限制性实例，较高电力状态可解译为1，且较低电力状态 可解译为0。请注意，发射器必须接通以使接收器能够执行反向链路信令。另外，在前 向链路信令期间接收器应不执行反向链路信令。此外，如果两个接收装置试图同时执行 反向链路信令，则冲突可发生，此将使发射器难以(如果非不可能)解码适当反向链路信 号。在本文所描述的示范性实施例中，信令类似于具有开始位、数据字节、奇偶位 和停止位的通用异步接收发射(UART)串行通信协议。当然，任何串行通信协议可适合 于实行本文所描述的本发明的示范性实施例。为简化描述且并非限制，将描述消息接发 协议，使得用于传送每一字节发射的周期为约10mS。图15A说明消息接发协议的最简单且最低电力的形式。将在每个重现周期 410(在示范性实施例中为约一秒)重复同步脉冲420。作为非限制性实例，同步脉冲工 作时间可为约40mS。在发射器接通时，具有至少一同步脉冲420的重现周期410可无限 地重复。请注意，“同步脉冲”略微用词不当，因为如由“空白”脉冲420'所说明， 同步脉冲350可为在脉冲周期期间的稳态频率。同步脉冲420还可包括使用上文所论述 的通/断键控且如“阴影”脉冲420所说明的在谐振频率处的信令。图15A说明最小电 力状态，其中在同步脉冲420期间供应谐振频率处的电力且发射天线在供电周期450期间 为关断的。允许所有接收装置在同步脉冲420期间接收电力。图15B说明具有同步脉冲420、反向链路周期430和供电周期450'的重现周期 410，其中发射天线接通且通过在谐振频率处振荡且不执行任何信令来供应全部电力。上 面的时序图说明整个重现周期410，且下面的时序图说明同步脉冲420和反向链路周期 430的分解图。如下文所解释，供电周期450'可分成用于多个接收装置的不同周期。图 15B展示用于三个不同接收装置的三个供电区段Pdl、Pd2和Pdn。在前向链路信令发生时，同步脉冲420可包括热身周期422、前向链路周期424 和监听周期426。监听周期426可包括移交周期427和开始反向链路周期428。在同步 脉冲420期间，发射器可在前向链路周期400 (由“阴影”部分指示)期间发送出前向链 路消息且在监听周期426期间等待来自接收器的答复。在图15B中，无接收器答复，此 由监听周期426期间的“空白”部分指示。图15C类似于图15B，不同之处在于如由“交叉影线”部分所指示，接收器在开 始反向链路周期428和反向链路周期430期间答复。在图15中，在同步脉冲420期间，发射器在前向链路周期400期间发送出前向链路消息且在监听周期426期间等待来自接收 器的答复。将要进行答复的任何接收器在移交周期427结束之前、在开始反向链路周期 428期间以及可能在反向链路周期430期间开始其答复。作为非限制性实例，表2展示可由发射器和接收器发射的一些可能消息。表权利要求
1.一种设备，其包含转发器天线，所述转发器天线包含环形天线和电容性元件，所 述转发器天线用于在所述转发器天线安置于发射天线的耦合模式区中时与由所述发射天 线产生的近场辐射耦合，其中所述转发器以比所述发射天线的所述耦合模式区强的增强 型耦合模式区来增强所述转发器天线周围的所述近场辐射。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述转发器天线进一步安置于相对于所述发射天 线大体上同轴的位置中。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述转发器天线进一步安置于相对于所述发射天 线大体上共面的位置中。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述发射天线的所述近场辐射和由所述转发器增 强的所述近场辐射大体上处于相同频率。
5.根据权利要求4所述的设备，其中所述相同频率为所述转发器天线的谐振频率。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述转发器天线进一步包含可操作地耦合到所述 环形天线和所述电容性元件的放大器，所述放大器用于通过在所述转发器天线的谐振频 率处进行放大来进一步增强所述增强型近场辐射。
7.—种无线电力传递系统，其包含发射电路，其包括发射天线以响应于来自功率放大器的驱动信号而在所述发射天线 周围的第一耦合模式区内产生在谐振频率处的近场辐射；转发器天线，其用以在所述转发器天线安置于所述第一耦合模式区内时在其周围的 第二耦合模式区内产生在所述谐振频率处的增强型近场辐射；以及接收电路，其包括接收天线，所述接收天线用于在安置于所述第二耦合模式区内时 从所述近场辐射和所述增强型近场辐射中的至少一者接收电力。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述转发器天线进一步安置于相对于所述发射天 线大体上同轴的位置中。
9.根据权利要求7所述的系统，其中所述转发器天线进一步安置于相对于所述发射天 线大体上共面的位置中。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述转发器天线进一步安置于所述发射天线的 周边内。
11.根据权利要求7所述的系统，其中所述接收电路进一步包含掩蔽电路，所述掩蔽 电路耦合到所述接收天线以抑制所述接收天线的谐振。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述掩蔽电路更改所述接收电路中的电抗性元 件的值以抑制所述接收天线的谐振。
13.根据权利要求11所述的系统，其中所述掩蔽电路进一步包含开关，所述开关用于 使所述接收电路中的电容的至少一部分短路以便抑制所述接收天线的谐振。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述接收电路进一步包含处理器，所述处理器 可操作地耦合到所述开关和所述接收天线以根据时域启动定序来控制所述接收天线的谐 振。
15.根据权利要求14所述的系统，其中所述时域定序是由所述近场辐射的通断键控信 令协议来控制。
16.—种无线充电方法，其包含使用发射天线在第一耦合模式区内产生在谐振频率处的近场辐射；使用安置于所述第一耦合模式区内的转发器天线来增强所述近场辐射以在第二耦合 模式区内产生在所述谐振频率处的增强型近场辐射；以及使用安置于所述第二耦合模式区内的接收天线以从所述近场辐射和所述增强型近场 辐射中的至少一者接收电力。
17.根据权利要求16所述的方法，其进一步包含将所述转发器天线安置在相对于所述 发射天线大体上同轴的位置中。
18.根据权利要求16所述的方法，其进一步包含将所述转发器天线安置在相对于所述 发射天线大体上共面的位置中。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述转发器天线进一步安置在所述发射天线的 周边内。
20.根据权利要求16所述的方法，其进一步包含通过选择性地修改所述接收天线的谐 振频率来掩蔽所述接收天线。
21.根据权利要求20所述的方法，其进一步包含根据时域定序协议来选择性地掩蔽所 述接收天线。
22.根据权利要求21所述的方法，其中由所述近场辐射的通断键控信令协议来控制所 述时域定序协议。
23.根据权利要求16所述的方法，其进一步包含通过选择性地操作开关以使可操作地 耦合到所述接收天线的电容的至少一部分短路以便抑制所述接收天线的谐振来掩蔽所述 接收天线。
24.根据权利要求23所述的方法，其进一步包含根据时域定序协议来选择性地操作所 述开关。
25.根据权利要求24所述的方法，其中由所述近场辐射的通断键控信令协议来控制所 述时域定序协议。
26.—种无线电力传递系统，其包含发射电路，其包括发射天线以响应于来自功率放大器的驱动信号而在所述发射天线 周围的第一耦合模式区内产生在谐振频率处的近场辐射；多个转发器天线，所述多个转发器天线中的每一转发器天线用以在对应耦合模式区 内产生在所述谐振频率处的增强型近场辐射，其中所述多个转发器天线中的每一转发器 天线安置在所述第一耦合模式区内的不同位置处；以及多个接收电路，每一接收电路包括用于从来自所述多个转发器天线中的至少一者的 至少一个增强型近场辐射接收电力的接收天线。
27.根据权利要求26所述的系统，其中安置于所述耦合模式区中的对应于所述多个转 发器天线中的一转发器天线的一个耦合模式区中的每一接收电路从所述近场辐射接收电 力。
28.根据权利要求26所述的系统，其中所述多个转发器天线中的至少一者进一步安置 于相对于所述发射天线大体上共面的位置中。
29.根据权利要求26所述的系统，其中所述多个转发器天线中的第一转发器天线进一 步安置于相对于所述发射天线大体上同轴的位置中。
30.根据权利要求20所述的系统，其中所述多个转发器天线中的第二转发器天线进一 步安置于相对于所述发射天线大体上共面的位置中。
31.根据权利要求29所述的系统，其中所述多个转发器天线进一步安置于所述发射天 线的周边内。
32.根据权利要求26所述的系统，其中所述多个接收电路中的每一接收电路进一步包 含掩蔽电路，所述掩蔽电路耦合到所述接收天线以抑制所述接收天线的谐振。
33.根据权利要求23所述的系统，其中所述多个接收电路中的每一接收电路进一步包 含处理器，所述处理器可操作地耦合到所述掩蔽电路和所述接收天线以根据时域启动定 序来控制对所述接收天线的掩蔽。
34.根据权利要求24所述的系统，其中所述时域定序是由所述近场辐射的通断键控信 令协议来控制。
全文摘要
示范性实施例针对于无线电力传递。无线电力传递系统包括具有发射天线的发射电路，所述发射天线由功率放大器驱动以在围绕所述发射天线的第一耦合模式区内产生在谐振频率处的近场辐射。一个或一个以上转发器天线安置于所述第一耦合模式区内的不同位置处。每一转发器天线在对应于所述转发器天线的耦合模式区内产生在所述谐振频率处的增强型近场辐射。当包括接收天线的一个或一个以上接收电路安置于所述耦合模式区中的对应于那个转发器天线的一个耦合模式区中时，所述一个或一个以上接收电路接收电力。
文档编号G06K7/00GK102027689SQ200980117267
公开日2011年4月20日 申请日期2009年5月11日 优先权日2008年5月13日
发明者埃内斯特·T·奥萨基, 阿里礼萨·霍尔木兹·穆罕默迪安, 马修·S·格罗夫 申请人:高通股份有限公司