本申请总体涉及无线充电系统，更具体地，本申请涉及与无线充电系统一起使用的用于近场无线充电的天线。
背景技术：
诸如笔记本电脑、智能手机、便携式游戏设备、平板电脑等的电子设备需要电能来运行。一般而言，电子设备通常每天至少充电一次，或者对于使用频率高或耗电高的电子设备，则每天充电多于一次。这种充电活动可能是冗长乏味的，对于一些用户来说是种负担。例如，用户可能需要携带充电器，以便应对其电子设备电力不足的情况。此外，一些用户需要耗费时间找到可连接的可用电源。最后，一些用户必须接入壁式电源或某些其他形式的电源，以便能对其电子设备进行充电。然而，这种活动可能导致电子设备在充电期间无法操作或不便携带。
已经进行了若干尝试，试图将能量通过无线方式传输到电子设备，在该电子设备处，接收器设备可以消耗传输的能量并将其转换为可用电力。然而，大多数常规技术所采用的天线无法在待充电的设备与无线充电器彼此距离很近的情况下有效工作。例如，常规解决方案可能采用发射器和接收器。发射器包括天线，该天线被配置成以一定功率辐射电磁波，该功率为该发射器的电馈送信号的功率和频率的函数。接收器包括一个或多个天线，该一个或多个天线被配置成接收由发射器发射的功率信号。然而，当一个或多个发射器天线和一个或多个接收器天线彼此距离过近时，天线可能因耦合而失谐。于是有必要在传输阶段期间进行调谐，以防止不希望的强电流注入，该强电流注入可能由接收到的发射信号在接收天线中产生。只能通过使用调谐电路来防止在接收天线中接收到不希望的发射信号，这增加了封装的总体成本。
因此，在本领域中需要解决常规的基于天线的无线充电系统的上述缺陷。
技术实现要素：
本文公开的无线充能系统试图解决上述缺陷，并还可以提供若干其它特征。本文说明的无线充能系统设有同轴结构，该同轴结构用于对电子设备进行充电，从而解决由常规的无线充电系统使用的天线的上述缺陷。
在一实施例中，一种无线充电系统包括：第一同轴结构，该第一同轴结构被配置为承载存在于导体上的射频信号；以及第二同轴结构，该第二同轴结构被配置为被来自第一同轴结构的射频信号激发，当第一同轴结构和第二同轴结构被置于彼此附近时，电力由第一同轴结构向第二同轴结构传输。
在另一实施例中，一种用于对无线充电系统中的电子设备进行充电的方法包括：当第一平面同轴结构被置于第二平面同轴结构附近时，激发第一平面同轴结构，以允许电力由第一平面同轴结构向第二平面同轴结构传输。
在又一实施例中，一种无线充电系统包括：第二同轴结构，该第二同轴结构被配置为被射频信号激发，其中，当存在射频信号的第一同轴结构和第二同轴结构被置于彼此附近时，电力由第一同轴结构向第二同轴结构传输。
在又一实施例中，一种无线充电系统包括：承载射频信号的第一同轴结构，当第一同轴结构和第二同轴结构在接近彼此的情况下被激发时，电力由第一同轴结构向第二同轴结构传输。
在以下说明中将阐述某些实施例的附加特征和有益效果。将由参照书面说明中的示例性实施例进行说明的示例结构、该书面说明的权利要求以及附图来实现和达成某些实施例的目的和其它有益效果。
应理解的是，前述的一般说明和以下的具体说明均为示例性的和说明性的。
附图说明
附图构成本说明书的一部分并示出了本发明的实施例。通过参考以下附图能更好地理解本公开。附图中的器件不一定是按照比例绘制的，而是着重于示出本公开的原理。
图1A是根据本公开的实施例的第一同轴结构的正视图的示意图。
图1B是根据本公开的实施例的第一同轴结构的后视图的示意图。
图2A是根据本公开的实施例的第二同轴结构的正视图的示意图。
图2B是根据本公开的实施例的第二同轴结构的后视图的示意图。
图3A是示出了对根据某些实施例的同轴结构进行的激发的图示。
图3B是示出了根据本公开的实施例的第一同轴结构和第二同轴结构的示意图。
图4是根据本公开的实施例的电子设备的示意图。
图5是示出了对根据本公开的某些实施例的电子设备进行的充电操作的流程图。
具体实施方式
现将参考附图示出的示例性实施例，在本文将使用特定的语言来描述该示例性实施例。应当理解，对该示例性实施例的说明并不欲限制本发明的保护范围。相关领域的技术人员将会想到并且依据本公开进行的对示例性实施例的替换和进一步的修改、以及实现创造性特征的原理的其他应用将被视为处于本公开的保护范围内。
需要对电子设备、尤其是可穿戴设备进行定期充电。无线充电简化了充电过程。充电器可以包括发电机，电子设备可以包括接收器，用于接收传输的无线能量。发电机和接收器中的每一个均可包括同轴结构，如本文所描述的，设置该同轴结构用于能量的无线传输。简而言之，当接收器同轴结构不在发射器同轴结构附近时，发射器同轴结构的输入阻抗类似于开路，因此，电力不泄漏到发射器同轴结构外部。当接收器同轴结构被置于发射器同轴结构附近，并且当接收器同轴结构被激发为具有与发射器同轴结构相同的射频(RF)场分布(模式)时，发生电力传输。
图1A和图1B分别为根据本公开的实施例的第一同轴结构100的正视图和后视图。在一实施例中，第一同轴结构100可以是充电设备的一部分。在另一实施例中，第一同轴结构100可以对应于充电设备，或与充电设备相关联。两种情况下，第一同轴结构100均可以与充电设备电连通。如图所示，第一同轴结构100一般为正方形，并包括发射线(TL)，该发射线产生来自发射器的发射线射频场(即同轴模式)，如下文参考图3A所进一步说明的。替代地，第一同轴结构100的形状可以是矩形、圆形、或任何其他几何形状或非几何形状。
第一同轴结构100可以包括由多个侧壁102限定出的外壳、上表面104以及下表面106。上表面104在下表面106上方延伸。侧壁102跨接于上表面104和下表面106之间。上表面可以如示出地包括通孔，或者可以不包括通孔。在某些实施例中，外壳由塑料形成，但替代地或额外地，外壳可以由诸如木材、金属、橡胶、玻璃之类的其它材料或由能够提供本文所描述的功能的任何其他材料形成。如图1A和图1B所示，第一同轴结构100一般为正方形，但诸如为立方体、球体、半球体、圆顶(dome)、锥体、角锥体或任何其他多边形或非多边形形状的其他二维或三维形状也是可行的，无论该第一同轴结构具有开放的形状还是具有闭合的形状。在某些实施例中，第一同轴结构100的外壳是防水的，或是耐水的。
第一同轴结构100可以是硬质的或是柔性的，并且可选地，该第一同轴结构包括防止移动的防滑下表面。类似地，上表面104可以是或者包括一个或多个防滑区域，或者是完全防滑的，以防止上表面104和电子设备之间的移动。此外，可以对上表面104安装托架或其它引导件，以便使用者对电子设备进行定位。外壳可以容纳第一同轴结构100的各器件。
第一同轴结构100可以包括基板108。基板108可以包括超材料或者包括传统材料，例如FR4或任何其他本领域已知的材料。本公开中的超材料可以为广泛的一类合成材料，该合成材料被设计为产生符合无线充电系统要求的介电常数(permittivity)和磁导率(permeability)特性。本文所述的超材料自身辐射，并起到非常薄的反射器的作用。
第一同轴结构100可以被构造成将所需的电流保持在内部，而将不需要的电流保持在外部，从而保留第一同轴结构100内的电流。在示例性实施例中，该电流为第一同轴结构100上所承载的射频信号。第一同轴结构100可以进一步包括芯部110。芯部110形成于基板108的中心。在一实施例中，芯部110由金属制成，以用作如本领域中所理解的电导体。在另一实施例中，芯部110可以由本领域已知的任何合适的材料制成，而并不超出本公开的保护范围。
第一同轴结构100可以进一步包括具有两个端部的同轴连接器112，其中，同轴连接器112的一个端部可以从下表面106延伸，同轴连接器112的另一个端部被连接至接地端。
图2A和图2B分别为根据本公开的实施例的第二同轴结构200的正视图和后视图的示意图。在一实施例中，第二同轴结构200可以是电子设备(诸如包括电池的移动电话)的一部分。在另一实施例中，第二同轴结构200可以是便携式电池设备的一部分。在又一实施例中，第二同轴结构200可被附接至诸如包括电池的可穿戴手表之类的电子设备。
第二同轴结构200可以包括由多个侧壁202限定出的外壳、上表面204以及下表面206。上表面204在下表面206上方延伸。侧壁202跨接于上表面204和下表面206之间。在某些实施例中，外壳由塑料形成，但替代地或额外地，该外壳可以由诸如木材、金属、橡胶、玻璃之类的其它材料或者由能够提供本文所描述的功能的其他材料形成。如图2A和图2B所示，第二同轴结构200一般为正方形，但诸如为立方体、球体、半球体、圆顶、锥体、角锥体或任何其他多边形或非多边形形状的其他二维或三维形状也是可行的，无论该第二同轴结构具有开放的形状还是具有闭合的形状。在某些实施例中，第二同轴结构200的外壳是防水的，或是耐水的。
第二同轴结构200可以是硬质的或是柔性的，并且可选地，该第二同轴结构包括防止移动的防滑下表面。类似地，上表面204可以是或者包括一个或多个防滑区域，或者是完全防滑的，以防止上表面204和电子设备之间的移动。此外，可以对上表面204安装托架或其它引导件，以便使用者对电子设备进行定位。外壳可以容纳第二同轴结构200的各器件。
第二同轴结构200可以包括基板208。该基板可以包括超材料或者包括传统材料，例如FR4或任何其他本领域已知的材料。本公开中的超材料可以为广泛的一类合成材料，该合成材料被设计为产生符合无线充电系统要求的介电常数和磁导率特性。本文所述的超材料自身辐射，并起到非常薄的反射器的作用。
第二同轴结构200可被构造为将所需的电流保持在内部，而将不需要的电流保持在外部，从而保留第二同轴结构200内的电流。在示例性实施例中，该电流为第二同轴结构200上所承载的射频信号。第二同轴结构200可以进一步包括芯部210。芯部210形成于基板208的中心。在一实施例中，芯部210由金属制成，以用作如本领域中所理解的电导体。在另一实施例中，芯部210可以由本领域已知的任何合适的材料制成，而并不超出本公开的保护范围。
第二同轴结构200可以进一步包括诸如为换能器设备的电路系统212，以将同轴场辐射转换为能量，以对电子设备的电池充能或充电。
图3A是示出了对根据某些实施例的处于发射器侧的同轴结构302进行的激发的图示。该同轴结构302被示出为包括具有铜表面的侧壁304、导体306以及基板308。基板可以是常规基板或其他基板。当同轴结构302受到激发时，在位于具有铜表面的侧壁304和导体306之间的基板308中出现射频场分布(模式)310。同轴结构302的尺寸可被无限制地按比例增大或缩小。同轴结构302(图3A)和同轴结构312(图3B)在结构方面可以是相同和彼此对应的，或者在结构方面可以是不同但互补的，以便两个同轴结构302和312能够连接或被设置为在同轴结构302和312彼此接近的基础上产生射频场分布(模式)310。在一实施例中，尤其当同轴结构302和312较小时，可以将一个或多个磁体整合或附接至同轴结构302和312中的一个或者整合或附接至这两个同轴结构，以有助于对齐以及定位，来维持彼此接近的同轴结构302和312。
在操作中，当处于接收器侧(见图3B)的同轴结构312未被定位于发射器侧(如图3A所示)的同轴结构302附近时，发射器单元的输入阻抗类似于开路(即，输入阻抗无限大)，并且接收器单元未被激发为具有相同的射频场分布(模式)，因此电力未从同轴结构302泄漏或传输。然而，当处于接收器侧的同轴结构312被定位于同轴结构302附近时，如图3B所示，接收器单元被激发为具有相同的射频场分布(模式)。
图3B是示出了根据本公开的实施例的发射器的第一同轴结构302和接收器的第二同轴结构312的示意图。在上文参照图1A和图1B示出了第一同轴结构302的更具体的构造。在上文参照图2A和图2B描述了第二同轴结构312的更具体的构造。
在图3B示出的实施例中，当第一同轴结构302和第二同轴结构312的表面被定位成彼此相距一接近距离时，由于在第一同轴结构302和第二同轴结构312中的每一个中均存在电流而可以激发同轴场辐射。所激发或产生的同轴场辐射导致同轴场辐射在第一同轴结构302和第二同轴结构312周围的区域中进行分布，并且由同轴场辐射产生的电流传输可以从第一同轴结构302向第二同轴结构312传输，用以通过接收器转换为电力，以对耦合至第二同轴结构312的电子设备的电池进行充电。在示出的实施例中，接近距离可以是小于10mm的任何距离，然而，本领域的普通技术人员应理解，接近距离不限于10mm或以下，并且可以大于10mm，而并不超出所公开的实施例的保护范围。
在另一实施例中，当第一同轴结构302和第二同轴结构312的表面彼此接触时，由于在第一同轴结构302和第二同轴结构312中的每一个中均存在电流而可以产生同轴场辐射。该同轴场辐射则分布于第一同轴结构302和第二同轴结构312周围的区域中，并且可以被转换为电力，以对被耦合至第二同轴结构312的电子设备的电池进行充电。
在一实施例中，第一同轴结构302和第二同轴结构312的表面可以包括磁性特性和/或被构造成具有磁体，这可以将第一同轴结构302和第二同轴结构312的表面向彼此牵引，使得第一同轴结构302和第二同轴结构312之间的距离小于接近距离。当第一同轴结构302和第二同轴结构312被接近地定位时，由于在第一同轴结构302中以及可选地，在第二同轴结构312中存在电流而可以产生同轴场辐射。当两个同轴结构302和312处于同一模式并且被置于彼此接近的位置时，电力从第一同轴结构302向第二同轴结构312传输。在替代实施例中，诸如上表面104和204之类的结构可以具有磁性特性或者被构造为具有磁体，以提供吸引力特性，以使同轴结构302和312彼此接近并保持彼此接近。于是，同轴场辐射306可以被转换为电力，以使用包含整流器和功率转换器的适合的电路系统来对电子设备的电池进行充电。
图4是示出了根据本公开的实施例的电子设备402的示意图。可以将示例性的电子设备402定位于充电设备404附近。电子设备402包括第二同轴结构，该第二同轴结构被安装在电子设备402上，用于对电子设备402中的电池进行充电。充电设备404包括第一同轴结构。在上文参照图1A和图1B描述了第一同轴结构的更具体的构造。在上文参照图2A和图2B描述了第二同轴结构的更具体的构造。
电子设备402可以包括第二同轴结构，以及根据本公开的待充电的电池。在某些实施例中，电子设备402包括电路系统，该电路系统包括一个或多个开关元件、整流器、以及功率转换器，其中整流器和功率转换器可以被组合。在某些实施例中，第二同轴结构可以包括电路系统，该电路系统包括一个或多个开关元件、整流器、以及功率转换器，其中整流器和功率转换器可以被组合。第二同轴结构可以位于电子设备402内并被连接至电池。
充电设备404可以包括第二同轴结构。当使电子设备402和充电设备404彼此接近，使得电子设备402和充电设备404之间的距离小于接近距离时，于是由于至少在第一同轴结构和第二同轴结构中存在电流而产生同轴场辐射。
开关元件能够检测同轴场，并且当检测到的辐射所对应的功率水平超过阈值时，该开关元件能够将辐射导通至整流器。例如，在某些实施例中，当接收到的同轴辐射显示无线功率传输大于预定的阈值限值时，开关可以将接收到的同轴场导通至整流器。在其它实施例中，当接收到的同轴场显示无线功率传输大于预定的限值时，开关可以导通接收到的同轴场。该开关动作用于保护电子设备402的电子器件免于损坏，并且用于防止对该电子器件施加功率浪涌。
然后，通过功率转换电路(诸如用于对电子设备402的电池进行充电的整流器电路)将所产生的同轴场转换为功率信号。在某些实施例中，总功率输出不大于1瓦特，以符合联邦通信委员会(Federal Communications Commission，FCC)规章第15部分(低功率、无许可的第一同轴结构)。在一实施例中，整流器可以包括二极管、电阻器、电感器和/或电容器，以如本领域所理解的那样，将产生的交流(AC)电压整流为直流(DC)电压。在某些实施例中，可以按照技术上可行的程度将整流器和开关安置得尽量接近，以使损耗最小化。对交流电压进行整流后，可以使用功率转换器对直流电压进行调整和/或调节。功率转换器可以是直流-直流转换器。不论输入如何，该直流-直流转换器都能对电子设备(或如本实施例中，对电池)提供恒定的电压输出。
图5是示出了对根据本公开的某些实施例的电子设备进行的充电操作的流程图500。
在步骤502中，可将具有第二同轴结构的电子设备置于充电设备附近。可以将第二同轴结构定位于电子设备的主体内部，或附接至该电子设备的主体。第二同轴结构可以被配置为将所需的电流保持在内部，而将不需要的电流保持在外部，从而维持第二同轴结构内的电流。
充电设备可设有第一同轴结构。可以将第一同轴结构定位于电子设备的主体内部，或附接至该电子设备的主体。第一同轴结构可以被配置为将所需的电流保持在内部，而将不需要的电流保持在外部，从而维持第一同轴结构内的电流。
在步骤504中，响应于将电子设备定位成距充电设备一接近距离，可以从充电设备向电子设备传输电力。在一实施例中，该接近距离小于约10毫米。在接近距离内的其它距离也是可行的。一旦第一同轴结构的平面表面被定位成接近第二同轴结构的平面表面，则平面的第一同轴结构在第二同轴结构上激发出相同的射频场分布(模式)，以从第一同轴结构向第二同轴结构传输电荷。
在步骤506中，可通过将同轴场辐射转换为用于对电子设备充能的适合形式的能量来对电子设备进行充电。可以通过功率转换电路(例如用于对电子设备的电池进行充电的整流器电路)将所产生的同轴辐射转换为功率信号。整流器可以包括二极管、电阻器、电感器和/或电容器，以如本领域所理解的那样，将产生的交流(AC)电压整流为直流(DC)电压。在某些实施例中，总功率输出不大于1瓦特，以符合联邦通信委员会(FCC)规章第15部分(低功率、无许可的第一同轴结构)。
上述方法说明和流程图仅作为说明性示例提供，并且不是意在要求或暗示各实施例的步骤必须按照所显示的顺序进行。上述实施例中的步骤可以按照任何顺序进行。诸如“然后”、“下一”等的词语并不是意在限制步骤的顺序；这些词语仅用于引导读者阅读方法的说明。尽管过程流程图可以将操作描绘为顺序过程，但操作中的许多操作都可以并行或同时地进行。此外，可以重新设置操作的顺序。过程可以对应于方法、函数、程序、子例程(subroutine)、子程序(subprogram)等等。当过程对应于函数时，该过程的终止可以对应于该函数返回到调用函数或主函数。
联系本文公开的实施例说明的各种说明性逻辑框、模块、电路、算法步骤可以被实施为电子硬件、计算机软件或其结合。为了清楚示出硬件和软件的可互易性，在上文对各种说明性器件、框、模块、电路和步骤关于其功能进行了一般性说明。该功能被实施为硬件还是软件取决于整个系统在具体应用和设计上的约束条件。技术人员可以针对各具体应用以各种方式实施上述功能。但是，该实施决定不应被解释为导致了偏离本发明的保护范围。
提供所公开的实施例的前述说明以使本领域任何技术人员均能够制造或使用本发明。本领域技术人员易于想到针对这些实施例进行的各种修改，并且在不违背本发明的精神或保护范围的条件下，可以将本文限定的一般原理应用于其它实施例。因此，不是意在将本发明局限于本文所示的实施例，相反，本发明应享有符合下述权利要求以及本文公开的原理和新颖特征的最大范围。
在公开了各方面和实施例的同时，还构思了其它方面和实施例。所公开的各方面和实施例是出于说明性的目的，而并非意在限制，由下述的权利要求指示真实的保护范围和精神。