专利名称：无线功率传输系统的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及功率传输系统和电池充电器，尤其涉及一种通过微波传输向需
求电功率的设备供电的无线功率传输方法和系统。
背景技术：
许多便携式电子设备由电池供电。通常使用可充电电池以避免替换传统干电池蓄 电池的成本，以及节约珍贵的资源。然而，采用传统可充电电池充电器的再充电电池需要接 入交流电源插座，该交流电源插座有时不可用。因此，期望从电磁辐射获取用于电池充电器 的功率。 虽然太阳能电池充电器是公知的，但是太阳能电池是昂贵的，并且或许需要大批 的太阳能电池来为具有任何相当容量的电池充电。另一种能够在距离交流电源远的位置处 向电池充电器供电的电磁能潜在源是微波能量，它可以从太阳能卫星获得并通过微波波束 发送给地球，或者从来自蜂窝电话发射机等的环境射频能获得。然而，存在若干个与通过微 波传输的功率的有效传送相关联的问题，这些问题已经阻碍了专用陆地微波功率发射机为 了该目的的使用。 假设电磁(EM)信号的单源功率传输，EM信号的幅度经过距离r减小了^因子。因 此，在距离EM发射机远距离处的接收功率是所发射功率的一小部分。为了增加接收信号的功率，我们将不得不提升传输功率。假设发射信号在距离EM 发射机三厘米处具有有效接收，那么在三米的有效距离上接收相同的信号功率将需要提升 发射功率10， 000倍。这种功率传输是浪费的，因为大部分的能量将被发射并且没有被目标 设备接收，它能够对活组织带来危险，它将非常可能干扰临近的大部分电子设备，并且它会 以热的形式消耗掉。 使用定向天线有数个挑战，其中一些挑战为知道将它指向哪里；用以跟踪它的 机械设备将会嘈杂和不可靠；以及产生对传输视线内的设备的干扰。 定向功率传输总体上需要知道所述设备的位置以能够将所述信号指向恰当的方 向从而增强功率传输效率。然而，即使定位了该设备，由于所述接收设备附近的物体的反射 和干扰，也不能保证有效传输。 因此，期望一种解决前面提到的问题的无线功率传输系统。
发明内容
所述无线功率传输是一种通过微波能量向电子/电气设备提供无线充电和/或主 电源的方法和系统。所述微波能量由具有一个或多个自适应相控微波阵列发射器的功率发 射机提供，所述自适应相控微波阵列发射器能够在不需要知道要被充电的设备的位置的情 况下聚焦到该设备上。该要被充电的设备中的硅整流二极管天线接收并整流所述微波能量 并将所述微波能量用于电池充电和/或用于主电源。在所述无线功率源和所述要被充电的
4设备之间开通了通信信道以协调所述发射机和所述充电设备。 所述要被充电的设备通过侧信道(side channel)向所述功率源报告所述硅整流 二极管天线处的接收束信号强度。该信息被所述系统用于调整所述微波阵列发射器的发射 相位，直到所述要被充电的设备报告了最大微波能量。 可替换地，所述阵列元件能够被设置为接收来自正在被充电的设备的校准信号。 每个阵列元件能够检测/报告来自接收到的校准信号的相位信息。然后，每个阵列元件使 用该元件的检测相位作为返回给正在被充电的设备的发射相位。 通过以基本上非均匀、非共面的方式物理配置所述微波阵列发射器来使反向散射 最小化。 通过进一步阅读下面的说明书和附图，本发明的这些和其他特征将变得更加明显。
图1A是根据本发明的无线功率传输系统的第一实施方式的环境、透视图；
图IB是根据本发明的无线功率传输系统的第二实施方式的环境、透视图；
图2A是根据本发明的无线功率传输系统中微波发射机的相控阵列网天线的透视 图； 图2B是根据本发明的无线功率传输系统中功率传输节点的示意图；
图3A是根据本发明的无线功率传输系统的第一实施方式的框图；
图3B是根据本发明的无线功率传输系统的第二实施方式的框图。
在整个所附附图中类似的标号一致地指代相应的特征。
具体实施例方式
如图1A-1B所示，本发明包括系统100a，或者可替换的系统100b，用于通过微波能 量向诸如膝上型计算机102等这样的电子/电气设备提供无线充电和/或主电源。在系 统100a或系统100b中，功率传输网101a或可替换的功率传输网101b能够通过插入电源 插座0的电源线P从交流电源获得可操作的功率。微波传输频率优选为具有适当波长的可 用的FCC未调整频率。由于波长能够限制相控阵列101a或可替换的相控阵列101b的分 辨能力，所以最佳频率虽然没有限制该系统能够以其他频率工作的选择，但已经被确定为 5. 8GHz (5. 17cm波长)，该频率适用于在房间、礼堂等规模的距离向诸如膝上型计算机、蜂 窝电话、PDA等这样的设备传输功率。 如图1A-3B所示，所述微波能量被聚焦在由功率源300所充电的设备上，功率源 300连接到一个或多个自适应相控微波阵列发射器204，即天线或辐射器。根据本发明，在 不需要知道该设备位置的情况下，来自自适应相控微波阵列发射器204的微波能量可以被 聚焦在该设备上。如图1A、1B和3A-3B所示，优选地，要被充电的设备102中的高效硅整流 二极管天线340(硅整流二极管天线是将微波能量直接转换成直流电的整流天线；这种设 备在现有技术中是公知的，所以在本文中将不进行进一步的描述)接收并整流所述微波能 量并用该微波能量通过充电来为电池370充电和/或如控制逻辑350所确定的那样将该微 波能量作为设备102的主电源。在第一实施方式中，在除了传输功率所使用的频率之外的
5频率上开通无线功率源100a和要被充电的设备102中的功率接收器330b之间的通信信 道。 要被充电的设备102通过来自功率接收器330b中的通信设备360的发射机部分 的信号，通过通信信道llOa将硅整流二极管天线340处的接收束信号强度中继给系统100a 的功率发射机330a中的通信设备320的接收器部分。该信息被系统100a的控制逻辑310 所使用以增加功率、减小功率、和调节微波阵列发射器节点204的发射相位直到如要被充 电的设备102所报告的阵列101a发射了最大微波能量束301。 连接到期望传输频率的单源的每个发射器204能够用特定的相位差来发射信号， 该特定的相位差是n/2的倍数。该n/2相位增量仅是示例，诸如Ji/4、 Ji/8、 Ji/16等其 它相位增量是可能的。优选地，除非发射器204能够在期望的相位上关断或开启，否则不调 节功率。 如图2A-2B中的清楚所示，垂直和水平线缆在每个阵列节点204处相交。这种结构 应用于阵列101a或阵列101b。在垂直线缆202中，线210是零相位馈线。线212是1/2 ji 相位馈线，以及线209是垂直控制线。类似地，在水平线缆200中，线214是Ji相位馈线。 线216是3/2 Ji相位馈线，以及线211是水平控制线。控制线209和211能够连接到控制器 310以便控制在任何给定的节点204上哪个相位是有效的。单天线控制能够位于芯片206 上，而实际的节点辐射器或天线208可以形成为环绕节点204的几何中心的环形元件。应 当理解，单控制器或者多个控制器可以控制一个或多个功率传输网。 系统100a的控制逻辑310的一种示例性算法可以如下(1)功率接收器330能够 使用通信信道110a向附近的任何发射机330a宣明它的存在；(2)功率发射机330a可以在 通信信道110a上传达它的存在并仅用它的天线208或节点204中的一个来开始发射；(3) 功率接收器330b可以在通信信道110a上确认接收到所述弱信号；(4)功率发射机330a用 缺省零相位切换到另一天线208或节点204上，并可以通过通信信道110a向接收器330b 请求信号强度；(5)功率接收器330b可以返回表明接收到信号比之前的高、相同、或低的 信号；(6)如果该信号比之前的低或相同，那么控制器310可以使节点204处的相位增加 1/2 Ji并请求另一信号强度的传输；(7)对于所有的相位，重复步骤5和6 ; (8)如果没有观 察到信号强度增加，那么关闭那个特定节点204并在进程中使用另一节点，从步骤4开始重 复；(9)重复步骤4-6直到所有的发射器节点被使用。 在第二实施方式中，如图2B和3B中的清楚所示，每个阵列元件或节点204能够被 设置为接收来自功率接收系统330b中的校准发射机460的校准信号。每个阵列元件或节点 204能够通过数据线303向控制逻辑310发送在那个节点204处检测的接收到的校准信号。 随后，或者控制器310、或者控制器206或者两个控制器一起将每个阵列元件或节点204的 检测相位设置为那个元件的发射相位以向功率接收器330b返回最佳的功率波束301。在这 两个实施例100a和100b中，配置存储器器件可以可操作地与控制逻辑310通信以使所述 阵列能够在不必首先与要被充电的设备102通信的情况下向特定位置或"热点"发送功率。 这个特征当要被充电的设备102没有保留的功率来建立通信信道110a或110b时在向要被 充电的设备102发送功率波束301时是有用的。 —种示例性的阵列101a或101b可以是每边近似一米的30x30的格状网，每个线 交点具有单个的传输天线204。优选地，阵列网101a或101b由柔韧/柔软材料制成。网格
6材料的韧性使用户能够以基本上非均匀、非共面的方式，即铺展但不平的方式来物理配置 微波阵列发射器网101a或101b，以便将在具有离散相差的平坦、规则布置的阵列中通常出 现的反向散射和盲点最小化。如图1A-1B所示，阵列101a或者阵列101b足够柔韧以便它 能够覆盖在诸如盆栽(potted plant) S这样的支撑结构上，以提供优选的非均匀、非共面结 构。 在这种方式中，逆平方律成功地受到了挑战，因为所述相控天线是定向的，从而通 过能够在接收设备102处被接收的建设性相控束信号来产生增益。此外，诸如101a或101b 这样的相控阵列的使用避免了使用诸如物理定向天线即抛物面天线、八木天线等这样的更 笨重的、难看设备的必要性。此外，由于所述功率传输过程的效率，可以使用低功率来传输 从而电磁(EM)信号能够使它的大部分强度邻近接收设备而不是到处传播，以便不破坏环 境或导致对其他位置处设备的干扰。 —旦该信号被接收并且其功率可用，就用能够完成任务的低压整流器来执行将来 自天线的大约5.8GHz AC电流转换成DC电流以为电池370、储电电容等充电的过程。这些 整流器可以或者基于小面积肖特基二极管或者将相同相位中5. 80GHz振荡电路的谐振作 为接收信号，从而增强它的功率达到克服硅整流二极管天线340的整流器部分中所使用的 二极管的电压降的程度。 应当理解，本发明并不限于上面描述的实施方式，而是包含所附权利要求范围内 的任何和所有的实施方式。
权利要求
一种无线功率传输系统，该无线功率传输系统包括具有控制逻辑电路和相控阵列天线的微波功率发射机，所述相控阵列天线具有多个用于发射功率传输信号的微波阵列发射器，所述发射器由所述控制逻辑电路进行自适应相控，所述功率发射机还具有能在侧信道频率上操作的接收器；具有硅整流二极管天线和能在所述侧信道频率上操作的发射机的要被充电的设备，所述要被充电的设备具有自动向所述侧信道上的所述功率发射机传达所述功率传输信号的接收强度的功率信号强度报告电路；和用于响应于来自所述要被充电的设备的功率信号强度报告而切换相位和选择性地激活所述微波阵列发射器中的单个发射器的装置，以便调节所述功率传输信号的相位以最大化从所述功率发射机到所述要被充电的设备的功率传输效率，同时避免关于所述要被充电的设备的位置的信息需求。
2. 根据权利要求1所述的无线功率传输系统，其中，所述发射器以基本上非均匀、非共 面的方式进行物理布置。
3. 根据权利要求1所述的无线功率传输系统，其中，所述微波功率发射机所发射的功 率传输信号具有大约5. 8GHz的频率。
4. 根据权利要求1所述的无线功率传输系统，其中，所述控制逻辑电路包括用于以预 设的相位角增量来改变每个自适应相控发射器的相位的电路。
5. 根据权利要求1所述的无线功率传输系统，其中，所述相控阵列天线包括相互正交 布置的线缆网，所述线缆相交以定义发射器节点，每个所述线缆具有多个专用于以不同的 相位角传输功率传输信号的功率传输线和至少一个激活所述多个功率传输线中所选择的 一个功率传输线的相位控制线。
6. 根据权利要求5所述的无线功率传输系统，其中，所述线缆网由柔韧材料制成以便 所述线缆网能够覆盖在各种形状的固体对象上。
7. 根据权利要求1所述的无线功率传输系统，该系统还包括可操作地与所述控制逻辑 电路进行通信的配置存储器器件，以便使所述相控阵列天线能够在不必首先与所述要被充 电的设备进行通信的情况下向特定的位置传输功率。
8. —种无线功率传输系统，该无线功率传输系统包括具有控制逻辑电路和相控阵列天线的微波功率发射机，所述相控阵列天线具有多个用 于微波功率传输的微波阵列发射器，所述发射器由所述控制逻辑电路进行自适应相控，所 述相控阵列天线还具有在与所述微波功率发射机相同的频带中的信号接收能力；具有用于接收并整流所述微波功率传输的硅整流二极管天线和能在所述频带上操作 的校准发射机的要被充电的设备；禾口用于响应于来自所述要被充电的设备的校准发射机信号的功率信号强度而切换相位 和选择性地激活所述微波阵列发射器中的单个发射器的装置，以便调节所述阵列的相位以 为从所述功率发射机到所述要被充电的设备的微波功率传输的最大效率做准备，同时避免 关于所述要被充电的设备的位置的信息需求。
9. 根据权利要求8所述的无线功率传输系统，其中，所述发射器以基本上非均匀、非共 面的方式进行物理布置。
10. 根据权利要求8所述的无线功率传输系统，其中，所述微波功率发射机被配置为以大约5. 8GHz的频率发射所述微波功率传输。
11. 根据权利要求8所述的无线功率传输系统，其中，所述控制逻辑电路包括用于以预 设的相位角增量来改变每个自适应相控发射器的相位的电路。
12. 根据权利要求8所述的无线功率传输系统，其中，所述相控阵列天线包括相互正交 布置的线缆网，所述线缆相交以定义发射器节点，每个所述线缆具有多个专用于以不同的 相位角传输功率传输信号的功率传输线和至少一个激活所述多个功率传输线中所选择的 一个功率传输线的相位控制线。
13. 根据权利要求12所述的无线功率传输系统，其中，所述线缆网由柔韧材料制成以便所述线缆网能够覆盖在各种形状的固体对象上。
全文摘要
所述无线功率传输是一种通过微波能量向电子设备提供无线充电和/或主电源的系统(100a)。由具有一个或多个自适应相控微波阵列发射器的功率发射机将所述微波能量聚焦在设备上。该设备中的硅整流二极管天线接收并整流所述微波能量并将所述微波能量用于电池充电和/或用于主电源。在所述无线功率源和所述设备之间开通通信信道(HOa)。所述要被充电的设备通过所述信道(HOa)向所述功率源报告所述硅整流二极管天线处的波束信号强度。该信息被所述系统用于调整所述微波阵列发射器的发射相位，直到所述要被充电的设备报告了最大微波能量。通过以基本上非均匀、非共面的方式物理配置所述微波阵列发射器来使反向散射最小化。
文档编号H02J17/00GK101711450SQ200880020221
公开日2010年5月19日 申请日期2008年6月9日 优先权日2007年6月14日
发明者H·泽内 申请人:H·泽内