控制無線電力發(fā)射器的場分布的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及控制無線電力發(fā)射器的場分布。示范性實(shí)施例是針對于無線電力發(fā)射器(700A)的場分布的控制。發(fā)射器可包含經(jīng)配置以產(chǎn)生場的發(fā)射天線(601)。所述發(fā)射器可進(jìn)一步包含接近所述發(fā)射天線且經(jīng)配置以修改所述所產(chǎn)生的場的分布的至少一個(gè)寄生天線。
【專利說明】控制無線電力發(fā)射器的場分布
[0001] 本申請為申請?zhí)枮?01180027536. 7、申請日為2011年5月13日、發(fā)明名稱為"控 制無線電力發(fā)射器的場分布"的發(fā)明專利申請的分案申請。
[0002] 根據(jù)35U. S. C. § 119豐張優(yōu)先權(quán)
[0003] 本申請案根據(jù)35U. S. C. § 119(e)主張以下申請案的優(yōu)先權(quán)：
[0004] 2010年5月17日申請的題目為"使用電抗性地加載的寄生線圈更改磁場分 布（ALTERING MAGNETIC FIELD DISTRIBUTION USING REACTIVELY LOADED PARASITIC COIL(S)) "的美國臨時(shí)專利申請案61/345, 435,其揭示內(nèi)容的全文特此以引用的方式并入 本文中；以及
[0005] 2010年5月14日申請的題目為"經(jīng)由寄生回路控制磁場分布（CONTROLLING MAGNETIC FIELD DISTRIBUTION VIA PARASITIC LOOPS) " 的美國臨時(shí)專利申請案 61/334, 783,其揭示內(nèi)容的全文特此以引用的方式并入本文中。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0006] 本發(fā)明大體上涉及無線電力，且更具體來說，涉及與控制由無線電力發(fā)射器產(chǎn)生 的場的分布有關(guān)的系統(tǒng)、裝置和方法。

【背景技術(shù)】
[0007] 正開發(fā)使用在發(fā)射器與待充電的裝置之間的空中電力發(fā)射的方法。這些方法大體 上屬于兩個(gè)類別。一個(gè)類別是基于介于發(fā)射天線與待充電的裝置上的接收天線之間的平面 波輻射（也被稱作遠(yuǎn)場輻射）的耦合，所述待充電的裝置收集所輻射電力且對其進(jìn)行整流 以用于對電池進(jìn)行充電。天線一般具有諧振長度，以便改進(jìn)耦合效率。此方法的缺點(diǎn)為電 力耦合隨著天線之間的距離增加而快速減退。因此，在合理距離（例如，> 1到2m)上的充 電變?yōu)槔щy的。另外，由于系統(tǒng)輻射平面波，所以如果未通過濾波來適當(dāng)控制無意的輻射， 那么無意的輻射可能會干擾其它系統(tǒng)。
[0008] 其它方法是基于嵌入于（例如）"充電"墊或表面中的發(fā)射天線與嵌入于待充電 的主機(jī)裝置中的接收天線加上整流電路之間的電感耦合。此方法具有以下缺點(diǎn)：發(fā)射天線 與接收天線之間的間隔必須非常接近（例如，幾毫米）。盡管此方法具有對相同區(qū)域中的多 個(gè)裝置同時(shí)充電的能力，但此區(qū)域通常較小，因此用戶必須將所述裝置定位到特定區(qū)域。
[0009] 如所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解，近場通信（NFC)裝置可從無線電力發(fā)射器接收可 導(dǎo)致NFC裝置的不良加熱的過量電力。另外，紅粉接收器可能試圖從無線電力發(fā)射器拾取 電力，因此影響去往有效無線電力接收器的電力遞送和系統(tǒng)效率。
[0010]另外，定位于相關(guān)聯(lián)的充電區(qū)內(nèi)的額外接收器或金屬物體可通過減小其自感來使 發(fā)射器去諧。向發(fā)射器的發(fā)射線圈里面看的阻抗變化可影響相關(guān)聯(lián)的驅(qū)動放大器的性能。 如果發(fā)射線圈顯著大于接收線圈，那么線圈之間的耦合效率可能受損失，這可影響充電時(shí) 間并引起潛在熱問題。因此，需要較高效率耦合結(jié)構(gòu)。還需要知道相關(guān)聯(lián)的充電區(qū)內(nèi)的一 個(gè)或一個(gè)以上接收器的位置以使得可將電力轉(zhuǎn)移到相應(yīng)接收器。 toon] 存在對用于控制無線電力發(fā)射器的場分布的方法、系統(tǒng)和裝置的需要。更具體來 說，存在對用于利用一個(gè)或一個(gè)以上寄生天線來控制無線電力發(fā)射器的場分布的方法、系 統(tǒng)和裝置的需要。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例涉及一種用于向接收器設(shè)備無線地傳遞電力的發(fā)射器，其包 括：發(fā)射天線，其經(jīng)配置以產(chǎn)生用于無線地向所述接收器設(shè)備傳遞電力的第一磁場，所述 發(fā)射天線包括第一諧振電路，所述第一諧振電路經(jīng)配置以在符合操作頻率的第一頻率下諧 振；至少一個(gè)寄生天線，其包括第二諧振電路，所述第二諧振電路經(jīng)配置以在不同于所述操 作頻率的第二頻率下諧振；以及控制器，經(jīng)配置以激活所述至少一個(gè)寄生天線，所述寄生天 線在被激活時(shí)經(jīng)配置以將由所述發(fā)射天線產(chǎn)生的所述第一磁場導(dǎo)引于理想?yún)^(qū)中。
[0013] 本發(fā)明的另一實(shí)施例涉及一種向接收器設(shè)備無線地傳遞電力的方法，其包括：用 發(fā)射天線產(chǎn)生第一磁場，所述發(fā)射天線包括第一諧振電路，所述第一諧振電路經(jīng)配置以在 符合操作頻率的第一頻率下諧振；以及在第二頻率下激活至少一個(gè)寄生天線，所述至少一 個(gè)寄生天線在被激活時(shí)經(jīng)配置以將所述第一磁場導(dǎo)引于理想?yún)^(qū)中，所述第一和第二頻率不 同。
[0014] 本發(fā)明的另一實(shí)施例涉及一種用于向接收器設(shè)備無線地傳遞電力的發(fā)射器，其包 括：用于產(chǎn)生磁場的裝置，所述產(chǎn)生裝置包括用于在符合操作頻率的第一頻率下諧振的裝 置；以及用于在第二頻率下激活至少一個(gè)寄生天線的裝置，所述至少一個(gè)寄生天線在被激 活時(shí)經(jīng)配置以將所述磁場導(dǎo)引于理想?yún)^(qū)中，所述第一和第二頻率不同。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1展示無線電力傳遞系統(tǒng)的簡化框圖。
[0016] 圖2展示無線電力傳遞系統(tǒng)的簡化示意圖。
[0017] 圖3說明用于在本發(fā)明的示范性實(shí)施例中使用的環(huán)形天線的示意圖。
[0018] 圖4A為根據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施例的發(fā)射器的簡化框圖。
[0019] 圖4B說明定位成接近發(fā)射天線的包含開關(guān)的寄生天線。
[0020] 圖4C說明定位成接近發(fā)射天線的包含開關(guān)和電容器的寄生天線。
[0021] 圖5為根據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施例的接收器的簡化框圖。
[0022] 圖6A說明根據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施例的包含發(fā)射天線和多個(gè)寄生天線的無線電 力發(fā)射器。
[0023] 圖6B說明根據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施例的包含發(fā)射天線和多個(gè)寄生天線的另一無 線電力發(fā)射器。
[0024] 圖6C說明根據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施例的包含發(fā)射天線以及第一方向上的多個(gè)寄 生天線和第二方向上的另外多個(gè)寄生天線的另一無線電力發(fā)射器。
[0025] 圖6D說明根據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施例的包含發(fā)射天線和多維寄生天線陣列的又 一無線電力發(fā)射器。
[0026] 圖7A說明根據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施例的包含無線電力發(fā)射器和多個(gè)無線電力接 收器的無線電力系統(tǒng)。
[0027] 圖7B說明根據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施例的包含無線電力發(fā)射器和無線電力接收器 的另一無線電力系統(tǒng)。
[0028] 圖8A說明根據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施例的包含無線電力發(fā)射器和包含非兼容接收 器的多個(gè)無線電力接收器的無線電力系統(tǒng)。
[0029] 圖8B說明根據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施例的包含無線電力發(fā)射器和包含多個(gè)非兼容 接收器的多個(gè)無線電力接收器的無線電力系統(tǒng)。
[0030] 圖9說明根據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施例的包含無線電力發(fā)射器、多個(gè)寄生天線和兼 容接收器的無線電力系統(tǒng)。
[0031] 圖10A到10G說明根據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施例的各種實(shí)例無線電力發(fā)射器配置， 其中每一配置包含發(fā)射天線和至少一個(gè)寄生天線。
[0032] 圖11A到11C說明根據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施例的各種實(shí)例無線電力發(fā)射器配置的 橫截面圖，其中每一配置包含發(fā)射天線和寄生天線。
[0033] 圖12A到12E說明根據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施例的發(fā)射天線內(nèi)的電流與寄生天線內(nèi) 的電流之間的各種關(guān)系。
[0034] 圖13為說明根據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施例的方法的流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0035] 下文結(jié)合附圖闡述的詳細(xì)描述既定作為對本發(fā)明的示范性實(shí)施例的描述，且不希 望表示其中可實(shí)踐本發(fā)明的僅有實(shí)施例。貫穿此描述所使用的術(shù)語"示范性"意指"充當(dāng)實(shí) 例、例子或說明"，且未必應(yīng)解釋為比其它示范性實(shí)施例優(yōu)選或有利。所述詳細(xì)描述出于提 供對本發(fā)明的示范性實(shí)施例的透徹理解的目的而包含特定細(xì)節(jié)。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將明 白，可在沒有這些特定細(xì)節(jié)的情況下實(shí)踐本發(fā)明的示范性實(shí)施例。在一些例子中，以框圖形 式來展示眾所周知的結(jié)構(gòu)和裝置，以避免模糊本文中呈現(xiàn)的示范性實(shí)施例的新穎性。
[0036] 詞語"無線電力"在本文中用以意指在不使用物理電導(dǎo)體的情況下從發(fā)射器發(fā)射 到接收器的與電場、磁場、電磁場或其它者相關(guān)聯(lián)的任何形式的能量。此后，所有這三種場 將統(tǒng)稱為輻射場，同時(shí)理解純磁場或純電場不輻射電力。這些場必須耦合到"接收天線"以 實(shí)現(xiàn)電力傳遞。
[0037] 圖1說明根據(jù)本發(fā)明的各種示范性實(shí)施例的無線發(fā)射或充電系統(tǒng)100。將輸入電 力102提供到發(fā)射器104以供產(chǎn)生用于提供能量傳遞的輻射場106。接收器108耦合到輻 射場106,且產(chǎn)生輸出電力110以供由耦合到輸出電力110的裝置（未圖示）存儲或消耗。 發(fā)射器104與接收器108兩者隔開某一距離112。在一個(gè)示范性實(shí)施例中，根據(jù)相互諧振關(guān) 系來配置發(fā)射器104和接收器108,且當(dāng)接收器108的諧振頻率與發(fā)射器104的諧振頻率非 常接近時(shí)，在接收器108位于輻射場106的"近場"中時(shí)，發(fā)射器104與接收器108之間的 發(fā)射損耗為最小的。
[0038] 發(fā)射器104進(jìn)一步包含用于提供用于能量發(fā)射的裝置的發(fā)射天線114,且接收器 108進(jìn)一步包含用于提供用于能量接收的裝置的接收天線118。根據(jù)應(yīng)用和將與其相關(guān)聯(lián) 的裝置來設(shè)計(jì)發(fā)射天線和接收天線的大小。如所陳述，有效能量傳遞通過將發(fā)射天線的近 場中的大部分能量耦合到接收天線而不是以電磁波形式將大部分能量傳播到遠(yuǎn)場而發(fā)生。 當(dāng)處于此近場中時(shí)，可在發(fā)射天線114與接收天線118之間形成耦合模式。天線114和118 周圍的可發(fā)生此近場耦合的區(qū)域在本文中稱為耦合模式區(qū)。
[0039] 圖2展示無線電力傳遞系統(tǒng)的簡化示意圖。發(fā)射器104包含振蕩器122、功率 放大器124和濾波器與匹配電路126。振蕩器經(jīng)配置以產(chǎn)生所要頻率，例如（僅舉例來 說）468. 75KHz、6. 78MHz或13. 56,可響應(yīng)于調(diào)整信號123來調(diào)整所述頻率。可通過功率放 大器124響應(yīng)于控制信號125而以某一放大量來放大振蕩器信號?？砂瑸V波器與匹配電 路126以濾除諧波或其它不想要的頻率，且使發(fā)射器104的阻抗與發(fā)射天線114匹配。
[0040] 接收器108可包含匹配電路132以及整流器與切換電路134以產(chǎn)生DC電力輸出， 以對電池136 (如圖2所示）充電或?qū)︸詈系浇邮掌鞯难b置（未圖示）供電。可包含匹配 電路132以使接收器108的阻抗與接收天線118匹配。接收器108與發(fā)射器104可在單獨(dú) 通信信道119(例如，藍(lán)牙、紫蜂（zigbee)、蜂窩式等）上通信。
[0041] 如圖3中所說明，示范性實(shí)施例中所使用的天線可配置為"環(huán)形"天線150,其在本 文中還可稱為"磁性"天線。環(huán)形天線可經(jīng)配置以包含空氣芯或物理芯（例如，鐵氧體芯）。 空氣芯環(huán)形天線可更好地容許放置于所述芯附近的外來物理裝置。此外，空氣芯環(huán)形天線 允許其它組件放置于芯區(qū)域內(nèi)。另外，空氣芯環(huán)可更易于使得能夠?qū)⒔邮仗炀€118(圖2) 放置于發(fā)射天線114 (圖2)的平面內(nèi)，在所述平面處，發(fā)射天線114 (圖2)的耦合模式區(qū)可 更強(qiáng)大。
[0042] 如所陳述，發(fā)射器104與接收器108之間的有效能量傳遞在發(fā)射器104與接收器 108之間的匹配或近匹配諧振（即，頻率匹配）期間發(fā)生。然而，即使當(dāng)發(fā)射器104與接收 器108之間的諧振不匹配時(shí)，也可傳遞能量，但效率可能受影響。能量傳遞通過將來自發(fā)射 天線的近場的能量耦合到駐留于建立了此近場的鄰域中的接收天線而不是將能量從發(fā)射 天線傳播到自由空間中而發(fā)生。
[0043] 環(huán)形或磁性天線的諧振頻率是基于電感和電容。環(huán)形天線中的電感一般僅為由 所述環(huán)產(chǎn)生的電感，而一般將電容添加到環(huán)形天線的電感以在所要諧振頻率下產(chǎn)生諧振結(jié) 構(gòu)。作為非限制性實(shí)例，可將電容器152和電容器154添加到所述天線以形成產(chǎn)生諧振信 號156的諧振電路。因此，對于較大天線，隨著環(huán)的電感因?yàn)樵黾拥木€圈直徑和/或匝數(shù)而 增加，誘發(fā)諧振所需要的電容大小減小。此外，隨著環(huán)形或磁性天線的直徑增加，近場的有 效能量傳遞區(qū)域增加。當(dāng)然，其它諧振電路可為可能的。作為另一非限制性實(shí)例，電容器可 并聯(lián)地放置于環(huán)形天線的兩個(gè)端子之間。另外，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到，對于發(fā)射天 線，諧振信號156可為到環(huán)形天線150的輸入。
[0044] 圖4A為根據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施例的發(fā)射器200的簡化框圖。發(fā)射器200包含 發(fā)射電路202和發(fā)射天線204。通常，發(fā)射電路202通過提供導(dǎo)致在發(fā)射天線204四周產(chǎn)生 近場能量的振蕩信號來將RF電力提供到發(fā)射天線204。應(yīng)注意，發(fā)射器200可在任何合適 頻率下操作。舉例來說，發(fā)射器200可在13. 56MHz的ISM頻帶下操作。
[0045] 示范性發(fā)射電路202包含用于將發(fā)射電路202的阻抗（例如，50歐姆）匹配到發(fā) 射天線204(即，匹配負(fù)載和源以增強(qiáng)效率）的固定阻抗匹配電路206以及經(jīng)配置以將諧波 發(fā)射減小到防止耦合到接收器108 (圖1)的裝置的自干擾的程度的低通濾波器（LPF) 208。 其它示范性實(shí)施例可包含不同濾波器拓?fù)洌òǖ幌抻冢┦固囟l率衰減同時(shí)使其它 頻率通過的陷波濾波器），且可包含自適應(yīng)阻抗匹配，其可基于可測量的發(fā)射度量（例如， 到天線的輸出電力或由功率放大器汲取的DC電流）而變化。發(fā)射電路202進(jìn)一步包含經(jīng) 配置以驅(qū)動如由振蕩器212確定的RF信號的功率放大器210。發(fā)射電路可由離散裝置或 電路組成，或者可由集成組合件組成。來自發(fā)射天線204的示范性RF電力輸出可為約2. 5 瓦。
[0046] 發(fā)射電路202進(jìn)一步包含控制器214,所述控制器214用于在特定接收器的發(fā)射階 段（或工作循環(huán)）期間啟用振蕩器212、用于調(diào)整所述振蕩器的頻率或相位，以及用于調(diào)整 用于實(shí)施通信協(xié)議（用于經(jīng)由鄰近裝置的附接接收器與鄰近裝置交互）的輸出電力電平。 如此項(xiàng)技術(shù)中眾所周知，發(fā)射路徑中的振蕩器相位和相關(guān)電路的調(diào)整允許減小帶外發(fā)射， 尤其是當(dāng)從一個(gè)頻率轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪活l率時(shí)。
[0047] 發(fā)射電路202可進(jìn)一步包含用于檢測作用中接收器在由發(fā)射天線204產(chǎn)生的近場 附近的存在與否的負(fù)載感測電路216。舉例來說，負(fù)載感測電路216監(jiān)視流動到功率放大器 210的電流，所述電流受作用中接收器在由發(fā)射天線204產(chǎn)生的近場附近的存在與否影響。 由控制器214監(jiān)視對功率放大器210上的負(fù)載的改變的檢測，以用于確定是否啟用振蕩器 212來用于發(fā)射能量以及與作用中接收器通信。
[0048] 發(fā)射天線204可以絞合線實(shí)施或?qū)嵤榫哂薪?jīng)選定以將電阻損耗保持為低的厚 度、寬度和金屬類型的天線帶。在常規(guī)實(shí)施方案中，發(fā)射天線204可一般經(jīng)配置以與較大結(jié) 構(gòu)（例如，桌子、墊、燈或其它較不便攜的配置）相關(guān)聯(lián)。因此，發(fā)射天線204可能不需要 "匝"以便具有實(shí)用尺寸。發(fā)射天線204的示范性實(shí)施方案可為"電學(xué)上較小的"（即，波長 的分?jǐn)?shù)）且經(jīng)調(diào)諧以通過使用電容器界定諧振頻率而在較低的可用頻率下諧振。在發(fā)射天 線204在直徑上或邊長上（如果為正方形環(huán)）相對于接收天線可為較大（例如，0· 50米） 的示范性應(yīng)用中，發(fā)射天線204將不一定需要大量匝來獲得合理電容。
[0049] 發(fā)射器200可搜集并追蹤關(guān)于可與發(fā)射器200相關(guān)聯(lián)的接收器裝置的行蹤和狀態(tài) 的信息。因此，發(fā)射器電路202可包含連接到控制器214 (在本文中還稱作處理器）的存在 檢測器280、封閉檢測器260或其組合。控制器214可響應(yīng)于來自存在檢測器280和封閉檢 測器260的存在信號而調(diào)整由放大器210遞送的電力的量。發(fā)射器可通過許多電源接收電 力，所述電源例如為用以轉(zhuǎn)換存在于建筑物中的常規(guī)AC電力的AC/DC轉(zhuǎn)換器（未圖示）、用 以將常規(guī)DC電源轉(zhuǎn)換成適合于發(fā)射器200的電壓的DC/DC轉(zhuǎn)換器（未圖不），或發(fā)射器可 直接從常規(guī)DC電源（未圖示）接收電力。
[0050] 作為非限制性實(shí)例，存在檢測器280可為運(yùn)動檢測器，其用以感測插入到發(fā)射器 的覆蓋區(qū)域中的待充電的裝置的初始存在。在檢測到之后，可開啟發(fā)射器且可使用由裝置 接收的RF電力來以預(yù)定方式雙態(tài)切換Rx裝置上的開關(guān)，這又導(dǎo)致發(fā)射器的驅(qū)動點(diǎn)阻抗的 改變。
[0051] 作為另一非限制性實(shí)例，存在檢測器280可為能夠（例如）通過紅外線檢測、運(yùn)動 檢測或其它合適手段來檢測人類的檢測器。在一些示范性實(shí)施例中，可能存在限制發(fā)射天 線可在特定頻率下發(fā)射的電力的量的規(guī)章。在一些情況下，這些規(guī)章有意保護(hù)人類免受電 磁輻射影響。然而，可能存在發(fā)射天線放置于人類未占用的或人類不經(jīng)常占用的區(qū)域（例 如，車庫、廠區(qū)、車間，等）中的環(huán)境。如果這些環(huán)境沒有人類，則可能可準(zhǔn)許將發(fā)射天線的 電力輸出增加到正常電力約束規(guī)章以上。換句話說，控制器214可響應(yīng)于人類存在而將發(fā) 射天線204的電力輸出調(diào)整到管制水平或更低水平，且當(dāng)人類在距發(fā)射天線204的電磁場 管制距離之外時(shí)，將發(fā)射天線204的電力輸出調(diào)整到高于管制水平的水平。
[0052] 作為非限制性實(shí)例，封閉檢測器260(在本文中還可稱作封閉隔間檢測器或封閉 空間檢測器）可為例如感測開關(guān)等裝置，以用于確定封閉體何時(shí)處于閉合或打開狀態(tài)中。 當(dāng)發(fā)射器在處于封閉狀態(tài)的封閉體中時(shí)，可增加發(fā)射器的電力水平。
[0053] 在示范性實(shí)施例中，可使用發(fā)射器200借以不會無限期地保持開啟的方法。在此 情況下，發(fā)射器200可經(jīng)編程以在用戶確定的時(shí)間量之后關(guān)閉。此特征防止發(fā)射器200 (尤 其是功率放大器210)在其周界的無線裝置充滿電之后長時(shí)間運(yùn)行。此事件可能歸因于用 以檢測從中繼器或接收線圈發(fā)送的裝置充滿電的信號的電路的故障。為了防止發(fā)射器200 在另一裝置放置于其周界時(shí)自動停止運(yùn)轉(zhuǎn)，可僅在檢測到其周界缺少運(yùn)動的設(shè)定周期之后 激活發(fā)射器200自動關(guān)閉特征。用戶可能夠確定不活動時(shí)間間隔，且在需要時(shí)改變所述不 活動時(shí)間間隔。作為非限制性實(shí)例，所述時(shí)間間隔可比在假定特定類型的無線裝置最初完 全放電的情況下將所述裝置充滿電所需的時(shí)間間隔長。
[0054] 圖4B說明接近包含可選擇性地控制的開關(guān)221的寄生天線205的發(fā)射天線204。 如下文更全面地描述，短接的寄生天線（即，開關(guān)221閉合的寄生天線205)可誘發(fā)修改 (即，對抗）由發(fā)射天線204產(chǎn)生的場的電流。圖4C說明接近包含可選擇性地控制的開關(guān) 221和電容器C的寄生天線207的發(fā)射天線204。如下文更全面地描述，具有電容器的短接 的寄生天線（即，開關(guān)221閉合的寄生天線207)可誘發(fā)修改由發(fā)射天線204產(chǎn)生的場的電 流。
[0055] 圖5為根據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施例的接收器300的簡化框圖。接收器300包含接 收電路302和接收天線304。接收器300進(jìn)一步耦合到裝置350以用于向裝置350提供所 接收的電力。應(yīng)注意，將接收器300說明為在裝置350外部，但其可集成到裝置350中。通 常，能量以無線方式傳播到接收天線304,且接著通過接收電路302耦合到裝置350。
[0056] 接收天線304經(jīng)調(diào)諧以在與發(fā)射天線204 (圖4A)相同的頻率下或在指定頻率范 圍內(nèi)諧振。接收天線304可與發(fā)射天線204類似地設(shè)計(jì)尺寸，或可基于相關(guān)聯(lián)裝置350的 尺寸來不同地設(shè)計(jì)大小。舉例來說，裝置350可為具有比發(fā)射天線204的直徑或長度小的 直徑或長度尺寸的便攜式電子裝置。在此實(shí)例中，接收天線304可實(shí)施為多匝天線，以便減 少調(diào)諧電容器（未圖示）的電容值，且增加接收天線的阻抗。舉例來說，接收天線304可放 置于裝置350的大致圓周周圍，以便最大化天線直徑并減小接收天線的環(huán)匝（S卩，繞組）的 數(shù)目和繞組間電容。
[0057] 接收電路302提供與接收天線304的阻抗匹配。接收電路302包含用于將所接收 RF能源轉(zhuǎn)換為供裝置350使用的充電電力的電力轉(zhuǎn)換電路306。電力轉(zhuǎn)換電路306包含 RF/DC轉(zhuǎn)換器308且還可包含DC/DC轉(zhuǎn)換器310。RF/DC轉(zhuǎn)換器308將在接收天線304處接 收到的RF能量信號整流為非交變電力，而DC/DC轉(zhuǎn)換器310將經(jīng)整流的RF能量信號轉(zhuǎn)換 為與裝置350兼容的能量電位（例如，電壓）。預(yù)期各種RF/DC轉(zhuǎn)換器，包含部分和全整流 器、調(diào)節(jié)器、橋接器、倍增器以及線性和切換轉(zhuǎn)換器。
[0058] 接收電路302可進(jìn)一步包含用于將接收天線304連接到電力轉(zhuǎn)換電路306或者用 于斷開電力轉(zhuǎn)換電路306的切換電路312。將接收天線304從電力轉(zhuǎn)換電路306斷開不僅 中止對裝置350的充電，而且還改變發(fā)射器200 (圖2)所"看到"的"負(fù)載"。
[0059] 如上文所揭示，發(fā)射器200包含負(fù)載感測電路216,負(fù)載感測電路216檢測提供到 發(fā)射器功率放大器210的偏置電流的波動。因此，發(fā)射器200具有用于確定接收器何時(shí)存 在于發(fā)射器的近場中的機(jī)制。
[0060] 當(dāng)多個(gè)接收器300存在于發(fā)射器的近場中時(shí)，可能需要對一個(gè)或一個(gè)以上接收器 的加載和卸載進(jìn)行時(shí)間多路復(fù)用，以使其它接收器能夠更高效地耦合到發(fā)射器。接收器的 此"卸載"在本文中也稱為"隱匿"。也可隱匿接收器以便消除到其它附近接收器的耦合或 減少附近發(fā)射器上的負(fù)載，或使得發(fā)射器能夠準(zhǔn)確地確定僅一個(gè)"經(jīng)隱匿"接收器的特性。 此外，如下文更全面地解釋，由接收器300控制且由發(fā)射器200檢測的卸載與加載之間的此 切換提供從接收器300到發(fā)射器200的通信機(jī)制。另外，協(xié)議可與所述切換相關(guān)聯(lián)，所述協(xié) 議使得能夠?qū)⑾慕邮掌?00發(fā)送到發(fā)射器200。舉例來說，切換速度可為約100微秒。
[0061] 在示范性實(shí)施例中，發(fā)射器與接收器之間的通信指代裝置感測與充電控制機(jī)制， 而非常規(guī)雙向通信。換句話說，發(fā)射器可使用所發(fā)射信號的開/關(guān)鍵控，以調(diào)整是否可在近 場中獲得能量。接收器將所遞送電力的這些改變解譯為來自發(fā)射器的消息。從接收器側(cè)來 看，接收器可使用接收天線的調(diào)諧與去諧來調(diào)整正從近場接受的電力的量。發(fā)射器可檢測 來自近場的所使用的電力的此差異，且將這些改變解譯為來自接收器的消息。應(yīng)注意，可利 用對所發(fā)射電力和負(fù)載行為的其它形式的調(diào)制。
[0062] 接收電路302可進(jìn)一步包含用以識別接收到的能量波動的信令檢測器與信標(biāo)電 路314,所述能量波動可對應(yīng)于從發(fā)射器到接收器的信息性信令。此外，信令與信標(biāo)電路 314還可用以檢測減少的RF信號能量（即，信標(biāo)信號）的發(fā)射，并將所述減少的RF信號能 量整流為標(biāo)稱電力，以用于喚醒接收電路302內(nèi)的未供電或耗盡電力的電路，以便配置接 收電路302以進(jìn)行無線充電。
[0063] 接收電路302進(jìn)一步包含用于協(xié)調(diào)本文中所描述的接收器300的過程（包含對 本文中所描述的切換電路312的控制）的處理器316。接收器300的隱匿也可在其它事件 (包含檢測到向裝置350提供充電電力的外部有線充電源（例如，壁式/USB電力））的發(fā)生 后即刻發(fā)生。除了控制接收器的隱匿外，處理器316還可監(jiān)視信標(biāo)電路314以確定信標(biāo)狀 態(tài)，并提取從發(fā)射器發(fā)送的消息。處理器316還可為獲得改進(jìn)的性能而調(diào)整DC/DC轉(zhuǎn)換器 310。
[0064] 如本文中所描述，本發(fā)明的各種示范性實(shí)施例涉及用于經(jīng)由一個(gè)或一個(gè)以上寄生 天線來控制無線電力系統(tǒng)的場分布的系統(tǒng)、裝置和方法。更具體來說，本發(fā)明的示范性實(shí)施 例可實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的耦合效率、較少的熱問題和改進(jìn)的充電時(shí)間。此外，示范性實(shí)施例可實(shí)現(xiàn)增 加的充電區(qū)域以用于支持更多可充電裝置，因此在不影響效率和充電時(shí)間的情況下增強(qiáng)用 戶體驗(yàn)。應(yīng)注意，術(shù)語"寄生線圈"、"寄生回路"和"寄生天線"在本文中可互換地使用。 [0065] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示范性實(shí)施例，定位成接近發(fā)射天線的去諧并短接的寄生天線 (即，完全短路寄生天線）可因?yàn)檎T發(fā)的電流而產(chǎn)生對抗由發(fā)射天線產(chǎn)生的場（例如，磁 場）的場（例如，磁場）。因此，在此示范性實(shí)施例中，寄生天線內(nèi)的區(qū)域可沒有磁場且發(fā)射 天線的自感可減小。此外，根據(jù)另一示范性實(shí)施例，寄生天線可為斷開的（即，開路的）（例 如，經(jīng)由開關(guān)），且因此可不誘發(fā)對發(fā)射天線或接近發(fā)射天線的磁場分布的影響。
[0066] 根據(jù)本發(fā)明的另一示范性實(shí)施例，具有固定電抗（例如，電容）且定位成接近發(fā)射 天線的一個(gè)或一個(gè)以上寄生天線可在其中誘發(fā)電流以修改由發(fā)射天線產(chǎn)生的磁場。
[0067] 如下文更全面地描述，一個(gè)或一個(gè)以上寄生天線可以行陣列、列陣列或其任何組 合（即，具有重疊行陣列和列陣列的雙層）定位成接近發(fā)射天線。此外，寄生天線可以可包 括一個(gè)或一個(gè)以上層的柵格陣列定位成接近發(fā)射天線。此外，所述一個(gè)或一個(gè)以上寄生天 線可定位于發(fā)射天線上方、發(fā)射天線下方或與發(fā)射天線共平面。
[0068] 寄生天線可與相關(guān)聯(lián)的發(fā)射天線大小相同、比發(fā)射天線小或比發(fā)射天線大。所述 一個(gè)或一個(gè)以上寄生天線可包括單個(gè)匝或多個(gè)匝。應(yīng)注意，根據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施例的 短接的寄生線圈可具有與具有大體上類似大小的電子裝置（例如，移動電話）大體上類似 的去諧效應(yīng)（發(fā)射線圈自感的減?。?。
[0069] 在一個(gè)預(yù)期階段期間，可通過短接在相關(guān)聯(lián)的回路內(nèi)不具有兼容接收器的所有寄 生天線以及斷開在相關(guān)聯(lián)的回路內(nèi)具有至少一個(gè)兼容接收器的每一寄生天線來獲得諧振 匹配。應(yīng)注意，定位于發(fā)射天線和短接的寄生線圈的充電區(qū)內(nèi)的每一接收器的累積去諧效 應(yīng)相同而不管接收器的數(shù)目如何。因此，可約束發(fā)射天線的自感而不管放置于相關(guān)聯(lián)的充 電區(qū)內(nèi)的接收器的數(shù)目如何。
[0070] 如上文所提到，根據(jù)本發(fā)明的另一示范性實(shí)施例，一個(gè)或一個(gè)以上寄生線圈（其 中每一寄生線圈具有固定電抗）可集成于無線電力發(fā)射器內(nèi)以使得無線電力發(fā)射器的磁 場分布能夠被修改（例如，校平磁場分布）。寄生天線的環(huán)可小于外部激勵(lì)線圈（即，發(fā)射 天線）以改進(jìn)磁場分布或?qū)鰧?dǎo)引于理想?yún)^(qū)中。此外，寄生天線的環(huán)可大于外部激勵(lì)線圈 以增加有效充電區(qū)域。一個(gè)或一個(gè)以上寄生天線可以同心布局來布置以改進(jìn)整體場分布或 以非同心布局布置以改進(jìn)特定區(qū)中的場分布。另外，一個(gè)或一個(gè)以上寄生天線可為單匝繞 組或多匝繞組。
[0071] 一個(gè)或一個(gè)以上寄生天線對發(fā)射天線產(chǎn)生的磁場的影響的程度可取決于寄生天 線中誘發(fā)的電流，所述誘發(fā)的電流可取決于寄生天線與發(fā)射天線之間的互感。此電流可由 以下各項(xiàng)控制：寄生天線的大?。矗^大大小等于較多電流）、寄生天線的匝數(shù)（即，較多 匝等于較多電流）、寄生天線與發(fā)射天線之間的距離（即，垂直和橫向）（即，較靠近等于較 多電流）以及寄生天線與無線電力發(fā)射器的充電表面之間的距離（即，較大距離等于較小 影響）。
[0072] 如下文更全面地描述，一個(gè)或一個(gè)以上寄生天線可定位于發(fā)射天線上方以改進(jìn)到 較遠(yuǎn)離相關(guān)聯(lián)的充電表面的接收器的互耦合（導(dǎo)致增加的效率）。另外，一個(gè)或一個(gè)以上寄 生天線可與發(fā)射天線共平面以減小發(fā)射器輪廓。此外，一個(gè)或一個(gè)以上寄生天線可定位于 發(fā)射天線下方以減小場更改的程度。
[0073] 應(yīng)注意，跨越寄生天線的一個(gè)或一個(gè)以上電容器值可控制發(fā)射天線與寄生天線之 間的相位差。因此，可為了獲得理想響應(yīng)而選擇跨越寄生天線的電容器的值。極其小的電 容器（類似于開路）可對整體場分布具有最小影響。具有極其大的值的電容器（類似于短 路）可在相應(yīng)寄生天線中間實(shí)現(xiàn)最小場強(qiáng)度且在具有同心布局的相應(yīng)寄生天線外部的區(qū) 中實(shí)現(xiàn)最大場強(qiáng)度。具有比將諧振頻率驅(qū)動為操作頻率的電容器值小的值的電容器可通過 減小相應(yīng)寄生天線外部的區(qū)中的場強(qiáng)度且增加相應(yīng)寄生天線內(nèi)部的區(qū)中的場強(qiáng)度來針對 同心布局實(shí)現(xiàn)大體均勻場分布。具有等于將諧振頻率驅(qū)動為操作頻率的電容器值的值的電 容器可針對同心布局在相應(yīng)寄生天線中間實(shí)現(xiàn)最大場強(qiáng)度且在相應(yīng)寄生天線外部的區(qū)中 實(shí)現(xiàn)最小場強(qiáng)度。具有比將諧振頻率驅(qū)動為操作頻率的電容器值大的電容器值的電容器可 在相應(yīng)寄生天線內(nèi)部的區(qū)中實(shí)現(xiàn)較弱場強(qiáng)度且在相應(yīng)寄生天線外部的區(qū)中實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)場強(qiáng) 度。應(yīng)注意，額外電容器可切換到寄生天線中以主動將磁場導(dǎo)引到理想?yún)^(qū)中且遠(yuǎn)離不良區(qū)。 以下表1進(jìn)一步說明電容器值對寄生天線中的電流和無線電力發(fā)射器的場分布的影響。
[0074] 表 1
[0075]

【權(quán)利要求】
1. 一種用于向接收器設(shè)備無線地傳遞電力的發(fā)射器，其包括： 發(fā)射天線，其經(jīng)配置以產(chǎn)生用于無線地向所述接收器設(shè)備傳遞電力的第一磁場，所述 發(fā)射天線包括第一諧振電路，所述第一諧振電路經(jīng)配置以在符合操作頻率的第一頻率下諧 振； 至少一個(gè)寄生天線，其包括第二諧振電路，所述第二諧振電路經(jīng)配置以在不同于所述 操作頻率的第二頻率下諧振；以及 控制器，經(jīng)配置以激活所述至少一個(gè)寄生天線，所述寄生天線在被激活時(shí)經(jīng)配置以將 由所述發(fā)射天線產(chǎn)生的所述第一磁場導(dǎo)引于理想?yún)^(qū)中。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)射器，其中所述至少一個(gè)寄生天線經(jīng)配置以響應(yīng)于有所述 發(fā)射天線產(chǎn)生的所述第一磁場在所述第二頻率下產(chǎn)生第二磁場。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)射器，其中所述控制器經(jīng)配置以通過選擇性地閉路或開路 所述至少一個(gè)寄生天線激活所述至少一個(gè)寄生天線。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)射器，其中所述第一諧振電路包括具有第一電容的第一電 容器，且其中所述第二諧振電路包括具有有比所述第一電容小的值的第二電容的第二電容 器。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的發(fā)射器，其中所述寄生天線包括同心地置于所述發(fā)射天線的 第二環(huán)內(nèi)的第一環(huán)，且其中所述寄生天線經(jīng)配置以減小所述第一環(huán)外的第一場強(qiáng)度，并增 大所述第一環(huán)內(nèi)的第二場強(qiáng)度。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)射器，其中所述第一諧振電路包括具有第一電容的第一電 容器，且其中所述第二諧振電路包括具有有比所述第一電容大的值的第二電容的第二電容 器。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的發(fā)射器，其中所述寄生天線包括置于所述發(fā)射天線的第二環(huán) 內(nèi)的第一環(huán)，且其中所述寄生天線經(jīng)配置以增大所述第一環(huán)外的第一場強(qiáng)度，并減小所述 第一環(huán)內(nèi)的第二場強(qiáng)度。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)射器，其中所述第二諧振電路包括多個(gè)電容器，且其中所 述控制器經(jīng)配置以選擇性地將一個(gè)或多個(gè)電容器切換進(jìn)所述寄生天線以主動將所述第一 磁場導(dǎo)引到遠(yuǎn)離非理想?yún)^(qū)的所述理想?yún)^(qū)內(nèi)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)射器，其中所述至少一個(gè)寄生天線經(jīng)配置以導(dǎo)引所述第一 磁場以增加跨過充電區(qū)表面的所述第一磁場的均勻性。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)射器，其中所述至少一個(gè)寄生天線包括置于行或列中的 寄生天線陣列。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的發(fā)射器，其中所述至少一個(gè)寄生天線包括置于行或列中的 寄生天線多維陣列。
12. -種向接收器設(shè)備無線地傳遞電力的方法，其包括： 用發(fā)射天線產(chǎn)生第一磁場，所述發(fā)射天線包括第一諧振電路，所述第一諧振電路經(jīng)配 置以在符合操作頻率的第一頻率下諧振；以及 在第二頻率下激活至少一個(gè)寄生天線，所述至少一個(gè)寄生天線在被激活時(shí)經(jīng)配置以將 所述第一磁場導(dǎo)引于理想?yún)^(qū)中，所述第一和第二頻率不同。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述激活所述至少一個(gè)寄生天線包括通過將至 少一個(gè)電容器切換進(jìn)或出至少一個(gè)寄生天線的環(huán)選而擇性地開路或閉路所述至少一個(gè)寄 生天線的所述環(huán)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述至少一個(gè)寄生天線包括第二諧振電路，所 述第二諧振電路經(jīng)配置以在所述第二頻率下諧振。
15. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，進(jìn)一步包括響應(yīng)于所述產(chǎn)生的第一磁場在所述第二 頻率下產(chǎn)生第二磁場。
16. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中： 所述第一諧振電路包括具有第一電容的第一電容器，且所述第二諧振電路包括具有比 所述第一電容小的值的第二電容的第二電容器， 所述寄生天線包括同心地置于所述發(fā)射天線的第二環(huán)內(nèi)的第一環(huán)，且 所述寄生天線經(jīng)配置以減小所述第一環(huán)外的第一場強(qiáng)度，并增大所述第一環(huán)內(nèi)的第二 場強(qiáng)度。
17. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中： 所述第一諧振電路包括具有第一電容的第一電容器，且所述第二諧振電路包括具有比 所述第一電容大的值的第二電容的第二電容器， 所述寄生天線包括置于所述發(fā)射天線的第二環(huán)內(nèi)的第一環(huán)，且 所述寄生天線經(jīng)配置以增大所述第一環(huán)外的第一場強(qiáng)度，并減小所述第一環(huán)內(nèi)的第二 場強(qiáng)度。
18. -種用于向接收器設(shè)備無線地傳遞電力的發(fā)射器，其包括： 用于產(chǎn)生磁場的裝置，所述產(chǎn)生裝置包括用于在符合操作頻率的第一頻率下諧振的裝 置；以及 用于在第二頻率下激活至少一個(gè)寄生天線的裝置，所述至少一個(gè)寄生天線在被激活時(shí) 經(jīng)配置以將所述磁場導(dǎo)引于理想?yún)^(qū)中，所述第一和第二頻率不同。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的發(fā)射器，其中所述產(chǎn)生裝置和所述至少一個(gè)寄生天線被置 于相對于彼此同心的布局中。
20. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的發(fā)射器，其中所述產(chǎn)生裝置和所述至少一個(gè)寄生天線被置 于充電墊中，所述接收器裝置放置在其上以接收所述無線地傳遞的電力。
【文檔編號】H04B5/00GK104283330SQ201410472030
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2011年5月13日 優(yōu)先權(quán)日:2010年5月14日
【發(fā)明者】劉振寧, 查爾斯·E·惠特利三世, 亞當(dāng)·A·穆德里克, 威廉·H·范諾瓦克 申請人:高通股份有限公司