專利名稱：無(wú)線功率傳輸系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及功率傳輸系統(tǒng)和電池充電器，尤其涉及一種通過(guò)微波傳輸向需
求電功率的設(shè)備供電的無(wú)線功率傳輸方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
許多便攜式電子設(shè)備由電池供電。通常使用可充電電池以避免替換傳統(tǒng)干電池蓄 電池的成本，以及節(jié)約珍貴的資源。然而，采用傳統(tǒng)可充電電池充電器的再充電電池需要接 入交流電源插座，該交流電源插座有時(shí)不可用。因此，期望從電磁輻射獲取用于電池充電器 的功率。 雖然太陽(yáng)能電池充電器是公知的，但是太陽(yáng)能電池是昂貴的，并且或許需要大批 的太陽(yáng)能電池來(lái)為具有任何相當(dāng)容量的電池充電。另一種能夠在距離交流電源遠(yuǎn)的位置處 向電池充電器供電的電磁能潛在源是微波能量，它可以從太陽(yáng)能衛(wèi)星獲得并通過(guò)微波波束 發(fā)送給地球，或者從來(lái)自蜂窩電話發(fā)射機(jī)等的環(huán)境射頻能獲得。然而，存在若干個(gè)與通過(guò)微 波傳輸?shù)墓β实挠行魉拖嚓P(guān)聯(lián)的問(wèn)題，這些問(wèn)題已經(jīng)阻礙了專用陸地微波功率發(fā)射機(jī)為 了該目的的使用。 假設(shè)電磁(EM)信號(hào)的單源功率傳輸，EM信號(hào)的幅度經(jīng)過(guò)距離r減小了^因子。因 此，在距離EM發(fā)射機(jī)遠(yuǎn)距離處的接收功率是所發(fā)射功率的一小部分。為了增加接收信號(hào)的功率，我們將不得不提升傳輸功率。假設(shè)發(fā)射信號(hào)在距離EM 發(fā)射機(jī)三厘米處具有有效接收，那么在三米的有效距離上接收相同的信號(hào)功率將需要提升 發(fā)射功率10， 000倍。這種功率傳輸是浪費(fèi)的，因?yàn)榇蟛糠值哪芰繉⒈话l(fā)射并且沒有被目標(biāo) 設(shè)備接收，它能夠?qū)罱M織帶來(lái)危險(xiǎn)，它將非常可能干擾臨近的大部分電子設(shè)備，并且它會(huì) 以熱的形式消耗掉。 使用定向天線有數(shù)個(gè)挑戰(zhàn)，其中一些挑戰(zhàn)為知道將它指向哪里；用以跟蹤它的 機(jī)械設(shè)備將會(huì)嘈雜和不可靠；以及產(chǎn)生對(duì)傳輸視線內(nèi)的設(shè)備的干擾。 定向功率傳輸總體上需要知道所述設(shè)備的位置以能夠?qū)⑺鲂盘?hào)指向恰當(dāng)?shù)姆?向從而增強(qiáng)功率傳輸效率。然而，即使定位了該設(shè)備，由于所述接收設(shè)備附近的物體的反射 和干擾，也不能保證有效傳輸。 因此，期望一種解決前面提到的問(wèn)題的無(wú)線功率傳輸系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
所述無(wú)線功率傳輸是一種通過(guò)微波能量向電子/電氣設(shè)備提供無(wú)線充電和/或主 電源的方法和系統(tǒng)。所述微波能量由具有一個(gè)或多個(gè)自適應(yīng)相控微波陣列發(fā)射器的功率發(fā) 射機(jī)提供，所述自適應(yīng)相控微波陣列發(fā)射器能夠在不需要知道要被充電的設(shè)備的位置的情 況下聚焦到該設(shè)備上。該要被充電的設(shè)備中的硅整流二極管天線接收并整流所述微波能量 并將所述微波能量用于電池充電和/或用于主電源。在所述無(wú)線功率源和所述要被充電的
4設(shè)備之間開通了通信信道以協(xié)調(diào)所述發(fā)射機(jī)和所述充電設(shè)備。 所述要被充電的設(shè)備通過(guò)側(cè)信道(side channel)向所述功率源報(bào)告所述硅整流 二極管天線處的接收束信號(hào)強(qiáng)度。該信息被所述系統(tǒng)用于調(diào)整所述微波陣列發(fā)射器的發(fā)射 相位，直到所述要被充電的設(shè)備報(bào)告了最大微波能量。 可替換地，所述陣列元件能夠被設(shè)置為接收來(lái)自正在被充電的設(shè)備的校準(zhǔn)信號(hào)。 每個(gè)陣列元件能夠檢測(cè)/報(bào)告來(lái)自接收到的校準(zhǔn)信號(hào)的相位信息。然后，每個(gè)陣列元件使 用該元件的檢測(cè)相位作為返回給正在被充電的設(shè)備的發(fā)射相位。 通過(guò)以基本上非均勻、非共面的方式物理配置所述微波陣列發(fā)射器來(lái)使反向散射 最小化。 通過(guò)進(jìn)一步閱讀下面的說(shuō)明書和附圖，本發(fā)明的這些和其他特征將變得更加明顯。


圖1A是根據(jù)本發(fā)明的無(wú)線功率傳輸系統(tǒng)的第一實(shí)施方式的環(huán)境、透視圖；
圖IB是根據(jù)本發(fā)明的無(wú)線功率傳輸系統(tǒng)的第二實(shí)施方式的環(huán)境、透視圖；
圖2A是根據(jù)本發(fā)明的無(wú)線功率傳輸系統(tǒng)中微波發(fā)射機(jī)的相控陣列網(wǎng)天線的透視 圖； 圖2B是根據(jù)本發(fā)明的無(wú)線功率傳輸系統(tǒng)中功率傳輸節(jié)點(diǎn)的示意圖；
圖3A是根據(jù)本發(fā)明的無(wú)線功率傳輸系統(tǒng)的第一實(shí)施方式的框圖；
圖3B是根據(jù)本發(fā)明的無(wú)線功率傳輸系統(tǒng)的第二實(shí)施方式的框圖。
在整個(gè)所附附圖中類似的標(biāo)號(hào)一致地指代相應(yīng)的特征。
具體實(shí)施例方式
如圖1A-1B所示，本發(fā)明包括系統(tǒng)100a，或者可替換的系統(tǒng)100b，用于通過(guò)微波能 量向諸如膝上型計(jì)算機(jī)102等這樣的電子/電氣設(shè)備提供無(wú)線充電和/或主電源。在系 統(tǒng)100a或系統(tǒng)100b中，功率傳輸網(wǎng)101a或可替換的功率傳輸網(wǎng)101b能夠通過(guò)插入電源 插座0的電源線P從交流電源獲得可操作的功率。微波傳輸頻率優(yōu)選為具有適當(dāng)波長(zhǎng)的可 用的FCC未調(diào)整頻率。由于波長(zhǎng)能夠限制相控陣列101a或可替換的相控陣列101b的分 辨能力，所以最佳頻率雖然沒有限制該系統(tǒng)能夠以其他頻率工作的選擇，但已經(jīng)被確定為 5. 8GHz (5. 17cm波長(zhǎng))，該頻率適用于在房間、禮堂等規(guī)模的距離向諸如膝上型計(jì)算機(jī)、蜂 窩電話、PDA等這樣的設(shè)備傳輸功率。 如圖1A-3B所示，所述微波能量被聚焦在由功率源300所充電的設(shè)備上，功率源 300連接到一個(gè)或多個(gè)自適應(yīng)相控微波陣列發(fā)射器204，即天線或輻射器。根據(jù)本發(fā)明，在 不需要知道該設(shè)備位置的情況下，來(lái)自自適應(yīng)相控微波陣列發(fā)射器204的微波能量可以被 聚焦在該設(shè)備上。如圖1A、1B和3A-3B所示，優(yōu)選地，要被充電的設(shè)備102中的高效硅整流 二極管天線340(硅整流二極管天線是將微波能量直接轉(zhuǎn)換成直流電的整流天線；這種設(shè) 備在現(xiàn)有技術(shù)中是公知的，所以在本文中將不進(jìn)行進(jìn)一步的描述)接收并整流所述微波能 量并用該微波能量通過(guò)充電來(lái)為電池370充電和/或如控制邏輯350所確定的那樣將該微 波能量作為設(shè)備102的主電源。在第一實(shí)施方式中，在除了傳輸功率所使用的頻率之外的
5頻率上開通無(wú)線功率源100a和要被充電的設(shè)備102中的功率接收器330b之間的通信信 道。 要被充電的設(shè)備102通過(guò)來(lái)自功率接收器330b中的通信設(shè)備360的發(fā)射機(jī)部分 的信號(hào)，通過(guò)通信信道llOa將硅整流二極管天線340處的接收束信號(hào)強(qiáng)度中繼給系統(tǒng)100a 的功率發(fā)射機(jī)330a中的通信設(shè)備320的接收器部分。該信息被系統(tǒng)100a的控制邏輯310 所使用以增加功率、減小功率、和調(diào)節(jié)微波陣列發(fā)射器節(jié)點(diǎn)204的發(fā)射相位直到如要被充 電的設(shè)備102所報(bào)告的陣列101a發(fā)射了最大微波能量束301。 連接到期望傳輸頻率的單源的每個(gè)發(fā)射器204能夠用特定的相位差來(lái)發(fā)射信號(hào)， 該特定的相位差是n/2的倍數(shù)。該n/2相位增量?jī)H是示例，諸如Ji/4、 Ji/8、 Ji/16等其 它相位增量是可能的。優(yōu)選地，除非發(fā)射器204能夠在期望的相位上關(guān)斷或開啟，否則不調(diào) 節(jié)功率。 如圖2A-2B中的清楚所示，垂直和水平線纜在每個(gè)陣列節(jié)點(diǎn)204處相交。這種結(jié)構(gòu) 應(yīng)用于陣列101a或陣列101b。在垂直線纜202中，線210是零相位饋線。線212是1/2 ji 相位饋線，以及線209是垂直控制線。類似地，在水平線纜200中，線214是Ji相位饋線。 線216是3/2 Ji相位饋線，以及線211是水平控制線?？刂凭€209和211能夠連接到控制器 310以便控制在任何給定的節(jié)點(diǎn)204上哪個(gè)相位是有效的。單天線控制能夠位于芯片206 上，而實(shí)際的節(jié)點(diǎn)輻射器或天線208可以形成為環(huán)繞節(jié)點(diǎn)204的幾何中心的環(huán)形元件。應(yīng) 當(dāng)理解，單控制器或者多個(gè)控制器可以控制一個(gè)或多個(gè)功率傳輸網(wǎng)。 系統(tǒng)100a的控制邏輯310的一種示例性算法可以如下(1)功率接收器330能夠 使用通信信道110a向附近的任何發(fā)射機(jī)330a宣明它的存在；(2)功率發(fā)射機(jī)330a可以在 通信信道110a上傳達(dá)它的存在并僅用它的天線208或節(jié)點(diǎn)204中的一個(gè)來(lái)開始發(fā)射；(3) 功率接收器330b可以在通信信道110a上確認(rèn)接收到所述弱信號(hào)；(4)功率發(fā)射機(jī)330a用 缺省零相位切換到另一天線208或節(jié)點(diǎn)204上，并可以通過(guò)通信信道110a向接收器330b 請(qǐng)求信號(hào)強(qiáng)度；(5)功率接收器330b可以返回表明接收到信號(hào)比之前的高、相同、或低的 信號(hào)；(6)如果該信號(hào)比之前的低或相同，那么控制器310可以使節(jié)點(diǎn)204處的相位增加 1/2 Ji并請(qǐng)求另一信號(hào)強(qiáng)度的傳輸；(7)對(duì)于所有的相位，重復(fù)步驟5和6 ; (8)如果沒有觀 察到信號(hào)強(qiáng)度增加，那么關(guān)閉那個(gè)特定節(jié)點(diǎn)204并在進(jìn)程中使用另一節(jié)點(diǎn)，從步驟4開始重 復(fù)；(9)重復(fù)步驟4-6直到所有的發(fā)射器節(jié)點(diǎn)被使用。 在第二實(shí)施方式中，如圖2B和3B中的清楚所示，每個(gè)陣列元件或節(jié)點(diǎn)204能夠被 設(shè)置為接收來(lái)自功率接收系統(tǒng)330b中的校準(zhǔn)發(fā)射機(jī)460的校準(zhǔn)信號(hào)。每個(gè)陣列元件或節(jié)點(diǎn) 204能夠通過(guò)數(shù)據(jù)線303向控制邏輯310發(fā)送在那個(gè)節(jié)點(diǎn)204處檢測(cè)的接收到的校準(zhǔn)信號(hào)。 隨后，或者控制器310、或者控制器206或者兩個(gè)控制器一起將每個(gè)陣列元件或節(jié)點(diǎn)204的 檢測(cè)相位設(shè)置為那個(gè)元件的發(fā)射相位以向功率接收器330b返回最佳的功率波束301。在這 兩個(gè)實(shí)施例100a和100b中，配置存儲(chǔ)器器件可以可操作地與控制邏輯310通信以使所述 陣列能夠在不必首先與要被充電的設(shè)備102通信的情況下向特定位置或"熱點(diǎn)"發(fā)送功率。 這個(gè)特征當(dāng)要被充電的設(shè)備102沒有保留的功率來(lái)建立通信信道110a或110b時(shí)在向要被 充電的設(shè)備102發(fā)送功率波束301時(shí)是有用的。 —種示例性的陣列101a或101b可以是每邊近似一米的30x30的格狀網(wǎng)，每個(gè)線 交點(diǎn)具有單個(gè)的傳輸天線204。優(yōu)選地，陣列網(wǎng)101a或101b由柔韌/柔軟材料制成。網(wǎng)格
6材料的韌性使用戶能夠以基本上非均勻、非共面的方式，即鋪展但不平的方式來(lái)物理配置 微波陣列發(fā)射器網(wǎng)101a或101b，以便將在具有離散相差的平坦、規(guī)則布置的陣列中通常出 現(xiàn)的反向散射和盲點(diǎn)最小化。如圖1A-1B所示，陣列101a或者陣列101b足夠柔韌以便它 能夠覆蓋在諸如盆栽(potted plant) S這樣的支撐結(jié)構(gòu)上，以提供優(yōu)選的非均勻、非共面結(jié) 構(gòu)。 在這種方式中，逆平方律成功地受到了挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鱿嗫靥炀€是定向的，從而通 過(guò)能夠在接收設(shè)備102處被接收的建設(shè)性相控束信號(hào)來(lái)產(chǎn)生增益。此外，諸如101a或101b 這樣的相控陣列的使用避免了使用諸如物理定向天線即拋物面天線、八木天線等這樣的更 笨重的、難看設(shè)備的必要性。此外，由于所述功率傳輸過(guò)程的效率，可以使用低功率來(lái)傳輸 從而電磁(EM)信號(hào)能夠使它的大部分強(qiáng)度鄰近接收設(shè)備而不是到處傳播，以便不破壞環(huán) 境或?qū)е聦?duì)其他位置處設(shè)備的干擾。 —旦該信號(hào)被接收并且其功率可用，就用能夠完成任務(wù)的低壓整流器來(lái)執(zhí)行將來(lái) 自天線的大約5.8GHz AC電流轉(zhuǎn)換成DC電流以為電池370、儲(chǔ)電電容等充電的過(guò)程。這些 整流器可以或者基于小面積肖特基二極管或者將相同相位中5. 80GHz振蕩電路的諧振作 為接收信號(hào)，從而增強(qiáng)它的功率達(dá)到克服硅整流二極管天線340的整流器部分中所使用的 二極管的電壓降的程度。 應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明并不限于上面描述的實(shí)施方式，而是包含所附權(quán)利要求范圍內(nèi) 的任何和所有的實(shí)施方式。
權(quán)利要求
一種無(wú)線功率傳輸系統(tǒng)，該無(wú)線功率傳輸系統(tǒng)包括具有控制邏輯電路和相控陣列天線的微波功率發(fā)射機(jī)，所述相控陣列天線具有多個(gè)用于發(fā)射功率傳輸信號(hào)的微波陣列發(fā)射器，所述發(fā)射器由所述控制邏輯電路進(jìn)行自適應(yīng)相控，所述功率發(fā)射機(jī)還具有能在側(cè)信道頻率上操作的接收器；具有硅整流二極管天線和能在所述側(cè)信道頻率上操作的發(fā)射機(jī)的要被充電的設(shè)備，所述要被充電的設(shè)備具有自動(dòng)向所述側(cè)信道上的所述功率發(fā)射機(jī)傳達(dá)所述功率傳輸信號(hào)的接收強(qiáng)度的功率信號(hào)強(qiáng)度報(bào)告電路；和用于響應(yīng)于來(lái)自所述要被充電的設(shè)備的功率信號(hào)強(qiáng)度報(bào)告而切換相位和選擇性地激活所述微波陣列發(fā)射器中的單個(gè)發(fā)射器的裝置，以便調(diào)節(jié)所述功率傳輸信號(hào)的相位以最大化從所述功率發(fā)射機(jī)到所述要被充電的設(shè)備的功率傳輸效率，同時(shí)避免關(guān)于所述要被充電的設(shè)備的位置的信息需求。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)線功率傳輸系統(tǒng)，其中，所述發(fā)射器以基本上非均勻、非共 面的方式進(jìn)行物理布置。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)線功率傳輸系統(tǒng)，其中，所述微波功率發(fā)射機(jī)所發(fā)射的功 率傳輸信號(hào)具有大約5. 8GHz的頻率。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)線功率傳輸系統(tǒng)，其中，所述控制邏輯電路包括用于以預(yù) 設(shè)的相位角增量來(lái)改變每個(gè)自適應(yīng)相控發(fā)射器的相位的電路。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)線功率傳輸系統(tǒng)，其中，所述相控陣列天線包括相互正交 布置的線纜網(wǎng)，所述線纜相交以定義發(fā)射器節(jié)點(diǎn)，每個(gè)所述線纜具有多個(gè)專用于以不同的 相位角傳輸功率傳輸信號(hào)的功率傳輸線和至少一個(gè)激活所述多個(gè)功率傳輸線中所選擇的 一個(gè)功率傳輸線的相位控制線。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的無(wú)線功率傳輸系統(tǒng)，其中，所述線纜網(wǎng)由柔韌材料制成以便 所述線纜網(wǎng)能夠覆蓋在各種形狀的固體對(duì)象上。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)線功率傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)還包括可操作地與所述控制邏輯 電路進(jìn)行通信的配置存儲(chǔ)器器件，以便使所述相控陣列天線能夠在不必首先與所述要被充 電的設(shè)備進(jìn)行通信的情況下向特定的位置傳輸功率。
8. —種無(wú)線功率傳輸系統(tǒng)，該無(wú)線功率傳輸系統(tǒng)包括具有控制邏輯電路和相控陣列天線的微波功率發(fā)射機(jī)，所述相控陣列天線具有多個(gè)用 于微波功率傳輸?shù)奈⒉嚵邪l(fā)射器，所述發(fā)射器由所述控制邏輯電路進(jìn)行自適應(yīng)相控，所 述相控陣列天線還具有在與所述微波功率發(fā)射機(jī)相同的頻帶中的信號(hào)接收能力；具有用于接收并整流所述微波功率傳輸?shù)墓枵鞫O管天線和能在所述頻帶上操作 的校準(zhǔn)發(fā)射機(jī)的要被充電的設(shè)備；禾口用于響應(yīng)于來(lái)自所述要被充電的設(shè)備的校準(zhǔn)發(fā)射機(jī)信號(hào)的功率信號(hào)強(qiáng)度而切換相位 和選擇性地激活所述微波陣列發(fā)射器中的單個(gè)發(fā)射器的裝置，以便調(diào)節(jié)所述陣列的相位以 為從所述功率發(fā)射機(jī)到所述要被充電的設(shè)備的微波功率傳輸?shù)淖畲笮首鰷?zhǔn)備，同時(shí)避免 關(guān)于所述要被充電的設(shè)備的位置的信息需求。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的無(wú)線功率傳輸系統(tǒng)，其中，所述發(fā)射器以基本上非均勻、非共 面的方式進(jìn)行物理布置。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的無(wú)線功率傳輸系統(tǒng)，其中，所述微波功率發(fā)射機(jī)被配置為以大約5. 8GHz的頻率發(fā)射所述微波功率傳輸。
11. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的無(wú)線功率傳輸系統(tǒng)，其中，所述控制邏輯電路包括用于以預(yù) 設(shè)的相位角增量來(lái)改變每個(gè)自適應(yīng)相控發(fā)射器的相位的電路。
12. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的無(wú)線功率傳輸系統(tǒng)，其中，所述相控陣列天線包括相互正交 布置的線纜網(wǎng)，所述線纜相交以定義發(fā)射器節(jié)點(diǎn)，每個(gè)所述線纜具有多個(gè)專用于以不同的 相位角傳輸功率傳輸信號(hào)的功率傳輸線和至少一個(gè)激活所述多個(gè)功率傳輸線中所選擇的 一個(gè)功率傳輸線的相位控制線。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的無(wú)線功率傳輸系統(tǒng)，其中，所述線纜網(wǎng)由柔韌材料制成以便所述線纜網(wǎng)能夠覆蓋在各種形狀的固體對(duì)象上。
全文摘要
所述無(wú)線功率傳輸是一種通過(guò)微波能量向電子設(shè)備提供無(wú)線充電和/或主電源的系統(tǒng)(100a)。由具有一個(gè)或多個(gè)自適應(yīng)相控微波陣列發(fā)射器的功率發(fā)射機(jī)將所述微波能量聚焦在設(shè)備上。該設(shè)備中的硅整流二極管天線接收并整流所述微波能量并將所述微波能量用于電池充電和/或用于主電源。在所述無(wú)線功率源和所述設(shè)備之間開通通信信道(HOa)。所述要被充電的設(shè)備通過(guò)所述信道(HOa)向所述功率源報(bào)告所述硅整流二極管天線處的波束信號(hào)強(qiáng)度。該信息被所述系統(tǒng)用于調(diào)整所述微波陣列發(fā)射器的發(fā)射相位，直到所述要被充電的設(shè)備報(bào)告了最大微波能量。通過(guò)以基本上非均勻、非共面的方式物理配置所述微波陣列發(fā)射器來(lái)使反向散射最小化。
文檔編號(hào)H02J17/00GK101711450SQ200880020221
公開日2010年5月19日 申請(qǐng)日期2008年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月14日
發(fā)明者H·澤內(nèi) 申請(qǐng)人:H·澤內(nèi)