CN101517914A - 射频功率传输网络和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示一种RF功率传输网络(10)。所述网络(10)包括至少一个RF功率传输器(12a)、至少一个功率分接组件(14a)和至少一个负载(20a)。所述至少一个RF功率传输器(12a)、所述至少一个功率分接组件(14a)和所述至少一个负载(20a)串联连接。所述RF功率传输器(12a)通过所述网络发送功率。所述功率从所述网络辐射以由待充电、再充电或直接由所述功率供电的装置接收。
Description
技术领域
本发明针对一种串联射频(RF)功率传输网络。
背景技术
随着处理器能力扩展且功率要求降低，完全独立于电线或电源线而操作的装置持续增多。这些“无绳”装置的范围是从手机和无线键盘到建筑传感器和有源射频识别(RFID)标签。
这些无绳装置的工程师和设计者仍旧必须处理便携式电源的限制，其中主要使用电池作为关键设计参数。尽管处理器和便携式装置的性能以每18到24个月的周期加倍(由摩耳定律驱动)，但容量方面的电池技术仅以每年6％的速度增加。
即使具有特别注意功率的设计和最新的电池技术，许多装置也没有满足针对需要大量无绳装置的应用(例如后勤和建筑自动化)的使用寿命成本和维护要求。当今需要双向通信的装置需要每3到18个月进行定期维护以对装置的电源(通常是电池)进行更换或再充电。仅广播其状态而不接收任何信号的单向装置(例如自动需给电表读取器)具有较佳电池寿命，其通常需要在10年内进行更换。对于所述两种装置类型，定期电源维护是昂贵的且可能对装置希望监视和/或控制的整个系统具有破坏性。不定期维护行程更为昂贵且更具破坏性。在宏观层级上，与内部电池相关联的相对较高的成本还降低了可部署的装置的实际或经济上可行的数目。
对无绳装置的功率问题的理想解决方案是可从外界收集并利用足够能量的装置或系统。所利用的能量将接着直接对无绳装置供电或增强电源。然而，这种理想的解决方案由于外界中能量较低以及限制使用专用能源的能力的场所约束而可能并非总是可以实施。
需要一种考虑这些因素且向所述理想情形以及更多限制性情况提供解决方案的系统。
先前发明集中于用于功率分配的并联网络，例如第60/683,991号和第60/763,582号美国临时专利申请案，其标题均为“功率传输网络(Power Transmission Network)”且以引用的方式并入本文中。这些发明未利用串联的网络，因为对于许多利用此技术的应用来说，来自传输线路、串联开关、定向耦合器(DC)和连接器的损耗是不可接受的。然而，在某些应用中，这些损耗是可接受的或可减到最小，例如具有同轴电缆基础设施的小型网络(例如桌域)或在建筑中使用新型或现有低损耗同轴电缆基础设施来分配RF功率。
发明内容
本发明的目的是提供一种串联的RF功率网络，其中所述RF功率网络适合实施作为向装置提供RF功率以便对所述装置进行充电或再充电或直接对所述装置供电的系统的一部分。
当与并联网络相比时，串联网络对于某些应用具有若干优点。举例来说，可通过使用串联网络来减少传输线路的量。在并联网络中，传输线路通常从RF功率传输器连接到每一天线。在串联网络中，每一天线从串联连接的传输线路中移除一定量的功率。串联RF功率传输网络的另一优点是所述网络可易于缩放。举例来说，可通过在所述串联中添加额外功率分接组件或通过将额外功率分接组件添加到网络末端(因而增加串联的长度)来向所述网络添加额外天线。
已在第60/729,792号美国临时专利申请案(其以引用的方式并入本文中)中详细论述了一种用于针对各种负载进行高效整流的方法和设备，其适用于接收通过本发明分配的RF功率。
本发明关于一种RF功率传输网络。所述网络包含第一RF功率传输器以用于产生功率。所述网络包含至少一个功率分接组件，其以串联方式电连接到所述第一RF功率传输器以用于将从第一功率传输器接收的功率分成至少第一部分和第二部分。所述网络包含至少一个天线，其电连接到所述至少一个功率分接组件以用于接收所述第一部分和传输功率。
本发明关于一种用于功率传输的系统。所述系统包含第一RF功率传输器以用于产生功率。所述系统包含至少一个功率分接组件，其以串联方式电连接到所述第一RF功率传输器以用于将从第一RF功率传输器接收的功率分成至少第一部分和第二部分。所述系统包含至少一个天线，其电连接到所述至少一个功率分接组件以用于接收所述第一部分和传输功率。所述系统包含待供电的装置。所述系统包含接收天线，其电连接到所述装置且经配置以接收所传输的功率。
本发明关于一种用于RF功率传输的方法。所述方法包含用第一RF功率传输器产生功率的步骤。存在用至少一个功率分接组件将从第一功率传输器接收的功率分成至少第一部分和第二部分的步骤，所述功率分接组件以串联方式电连接到第一RF功率传输器。存在通过至少一个天线接收所述第一部分的步骤，所述天线电连接到所述至少一个功率分接组件。存在用所述至少一个天线传输功率的步骤。
本发明关于一种用于向接收器进行无线功率传输的设备，所述接收器具有产生直流电流的无线功率采集器。所述设备包含组合器，其具有具第一功率的第一输入。所述设备包含具有第二功率的第二输入。所述设备包含具有输出功率的输出，所述输出功率是第一功率与第二功率的组合且分别大于第一功率和第二功率。所述设备包含天线，其电连接到所述输出，输出功率通过所述输出传输到接收器。
本发明关于一种用于向接收器进行无线功率传输的设备，所述接收器具有产生直流电流的无线功率采集器。所述设备包含场可调节耦合器以将功率增加或减少到所需电平，所述耦合器具有主要线路和与所述主要线路相距距离d的次要线路。所述设备包含可调节机构，其改变所述距离d。所述设备包含将功率传输到接收器所通过的天线。
附图说明
图1是对根据本发明的简单串联网络的说明；
图2是对根据本发明的多输入串联网络的说明；
图3是对可与本发明一起使用的耦合器的说明；
图4是对根据本发明的三传输器网络的说明；
图5是对用于与本发明一起使用的功率分配器的说明；
图6是对可与本发明一起使用的可调节定向耦合器的说明；
图7和8是对根据本发明的多路径网络的说明；
图9是对根据本发明的开关网络的说明；
图10是对根据本发明的第二开关网络的说明；以及
图11是对本发明的桌面型安装的说明。
具体实施方式
将结合附图从以下描述内容中获得对本发明的完整理解，其中相同参考字符始终识别相同部分。
出于下文描述的目的，术语“上部”、“下部”、“右”、“左”、“垂直”、“水平”、“顶部”、“底部”和其衍生物应指代本发明在附图中的定向。然而，应了解，本发明可采用各种替代变型和步骤顺序，除了在明确指定相反情况的地方以外。还应了解，附图中所说明和以下说明书中所描述的特定装置和过程仅仅是本发明的示范性实施例。因此，与本文所揭示的实施例相关的特定尺寸和其它物理特性不应视为限制性的。
本发明关于一种RF功率传输网络10，如图1所示。所述网络10包含第一RF功率传输器12a以用于产生功率。所述网络10包含至少一个功率分接组件14a，其以串联方式电连接到第一RF功率传输器12a以用于将从第一功率传输器12a接收的功率分成至少第一部分和第二部分。所述网络包含至少一个天线20a，其电连接到所述至少一个功率分接组件14a以用于接收所述第一部分和传输功率。
所述至少一个功率分接组件14a可为定向耦合器36，如图3所示。网络10可包括第二RF功率传输器12b，其以串联方式电连接到所述至少一个功率分接组件14a，如图2所示。网络10可包括至少一个控制器74a，其电连接到所述第一RF功率传输器12a、所述至少一个功率分接组件14a、所述至少一个天线20a和所述第二RF功率传输器12b中的一者或一者以上。所述至少一个功率分接组件14a可为双向耦合器36。或者，所述至少一个功率分接组件可为功率分配器52，如图4所示。
网络10可包括至少一个额外RF功率传输器12b，其以串联方式电连接到所述至少一个功率分接组件14a，如图2所示。网络10可包括至少一个控制器74a，其电连接到所述第一RF功率传输器12a、所述至少一个功率分接组件14a、所述至少一个天线20a和所述至少一个额外RF功率传输器12b中的一者或一者以上。网络10可包括端接负载16。网络10可包括至少一个传输线路18。在一个实施例中，从第一RF功率传输器12a传输的功率不包括数据。
网络10可包括至少一个控制器74a，其电连接到所述第一RF功率传输器12a、所述至少一个功率分接组件14a和所述至少一个天线20a中的一者或一者以上。所述至少一个控制器中的至少一个控制器74a可电连接到所述至少一个控制器中的至少一个其它控制器74b。网络10可经配置以经由所述至少一个天线20a以脉冲方式传输功率。
所述至少一个功率分接组件14中的至少一者可为开关82a，如图9所示。开关82a可经由控制线路来控制。开关82a可通过感测功率来控制。所感测的功率可为功率脉冲。功率脉冲可在持续时间方面不同。功率脉冲可在定时方面不同。开关82a可经由通信信号来控制。通信信号可经由同轴电缆来发送。
天线20a可为传输线路18，如图1所示。从第一RF功率传输器12a接收的功率中的至少一部分可由所述至少一个功率分接组件14a用作为操作功率。网络10可包括第二功率分接组件14b，其以串联方式电连接到所述至少一个功率分接组件14a，其中所述至少一个功率分接组件14a设置在第一RF功率传输器12a与第二功率分接组件14b之间。第二功率分接组件14b从所述至少一个功率分接组件14a接收所述第二部分，且将其分成至少第三部分和第四部分。
第一RF传输器12a可仅包括第一连接器，其将第一RF功率传输器12a电连接到所述至少一个功率分接组件14a；且所述至少一个功率分接组件14a包括第二连接器，其将所述至少一个功率分接组件电连接到第二功率分接组件14b。
本发明关于一种用于功率传输的系统100，如图11所示。所述系统包含第一RF功率传输器12a以用于产生功率。所述系统包含至少一个功率分接组件14a，其以串联方式电连接到所述第一RF功率传输器12a以用于将从所述第一RF功率传输器12a接收的功率分成至少第一部分和第二部分。所述系统包含至少一个天线20a，其电连接到所述至少一个功率分接组件14a以用于接收所述第一部分和传输功率。所述系统包含待供电的装置94。所述系统包含接收天线92，其电连接到所述装置94且经配置以接收所传输的功率。
网络10可包括至少一个控制器74a，其电连接到所述RF功率传输器、所述至少一个功率分接组件14a和所述至少一个天线20a中的一者或一者以上，如图1所示。所述至少一个功率分接组件中的至少一者可为开关82a，如图9所示。所述系统100可经配置以经由所述至少一个天线20a以脉冲方式传输功率。从第一RF功率传输器12a接收的功率中的至少一部分可由所述至少一个功率分接组件14a用作为操作功率。在一个实施例中，从第一RF功率传输器12a传输的功率不包括数据。
网络10可包括第二功率分接组件14b，其以串联方式电连接到所述至少一个功率分接组件14a，其中所述至少一个功率分接组件14a设置在第一RF功率传输器12a与第二功率分接组件14b之间，如图11所示。第二功率分接组件14b从所述至少一个功率分接组件14a接收所述第二部分，且将其分成至少第三部分和第四部分；以及第二天线20b，其电连接到第二功率分接组件14b以用于接收第三部分和传输功率。
如图3所示，存在一种用于向接收器进行无线功率传输的设备，所述接收器具有产生直流电流的无线功率采集器。所述设备包含组合器38，其具有具第一功率的第一输入40a。所述设备包含具有第二功率的第二输入40b。所述设备包含具有输出功率的输出，所述输出功率是第一功率与第二功率的组合且分别大于第一功率和第二功率。所述设备包含天线20a，其电连接到将输出功率传输到接收器所通过的输出。
如图6所示，存在一种用于向接收器进行无线功率传输的设备，所述接收器具有产生直流电流的无线功率采集器。所述设备包含场可调节耦合器60以将功率增加或减少到所需电平，所述耦合器具有主要线路62和与所述主要线路62相距距离d的次要线路64。所述设备包含可调节机构，其改变所述距离d。所述设备包含将功率传输到接收器所通过的天线20a。
本发明关于一种用于RF功率传输的方法。所述方法包含用第一RF功率传输器12a产生功率的步骤，如图11所示。存在用至少一个功率分接组件14a将从第一功率传输器12a接收的功率分成至少第一部分和第二部分的步骤，所述功率分接组件14a以串联方式电连接到第一RF功率传输器12a。存在通过至少一个天线20a接收所述第一部分的步骤，所述天线20a电连接到所述至少一个功率分接组件14a。存在用所述至少一个天线20a传输功率的步骤。
所述方法可包括以下步骤：在接收天线92处接收以无线方式从所述至少一个天线20a传输的功率，所述接收天线92电连接到装置94且经配置以接收所传输的功率；以及用设置在装置94中的功率采集器转换接收天线92所接收的功率，所述功率采集器电连接到装置94。所述方法可包括以下步骤：添加第二功率分接组件14b，其以串联方式电连接到所述至少一个功率分接组件，其中所述至少一个功率分接组件14a设置在第一RF功率传输器12a与第二功率分接组件14b之间。第二功率分接组件14b从所述至少一个功率分接组件14a接收第二部分并将其分成至少第三部分和第四部分。可存在以下步骤：在第二天线20b处接收第三部分，所述第二天线20b电连接到第二功率分接组件14b。可存在从第二天线20b传输功率的步骤。
单输入串联网络
大体上参看图1，根据本发明的单输入(“简单”)串联功率分配/传输网络10包括单个RF功率传输器12a和至少一个功率分接组件(PTC)14a。单输入串联网络10以负载16端接。PTC 14a-c串联连接。
功率在方向D上从RF功率传输器12a行进。因此，在单输入串联网络10中，存在单个功率方向。如图1所说明，功率从左向右行进。
网络10中的连接18(本文中大体上称为传输线路)经由同轴电缆、传输线路、波导或其它合适构件来制作。负载16可包括但不限于天线、端接器、耦合器、定向耦合器、双向耦合器、分裂器、组合器、功率分配器、循环器、衰减器或充当负载的任何其它组件。传输线路18或最后一个PTC 14c应使用负载16来端接以消除反射。应注意，循环器以及分裂器和组合器还可将所反射的功率反馈到串联连接中。
PTC 14a从传输线路18(或其它连接)移除功率，并将所移除的功率供应到另一组件，例如负载16、天线20a或其它传输线路18。优选地，PTC 14a将任何剩余功率传递到所述串联中的下一组件，例如负载16、天线20a、另一PTC 14b或其它传输线路18。
优选地，PTC 14a具有三个或三个以上输入/输出(连接器)，其中输入、输出(接受)和/或输出(传递)功率。举例来说，PTC 14a具有输入、用于所接受功率的第一输出和用于所传递功率的第二输出。PTC 14a在所述输入处接收功率。PTC 14a将所述功率分成第一部分和第二部分。所述第一部分被“接受”并发送到第一输出，例如发送到天线20a(下文论述)。第二部分被“传递”并发送到所述串联中的下一组件，例如另一PTC 14b。
PTC 14a可为定向耦合器，如图1所说明。定向耦合器可用分裂器或组合器来实施。
每一PTC 14ac的一个输出优选地分别连接到天线20ac。每一天线20ac将功率辐射到覆盖区域(或容积)中。覆盖区域由最小电场和/或磁场强度界定。举例来说，覆盖区域可经界定为其中所辐射的电场强度高于每米两伏(2V/m)的区域(或空间)。来自给定天线20a的覆盖区域可以重叠或可以不重叠来自其它天线20b、20c的其它覆盖区域。每一PTC 14ac的其它输出可连接到负载16和其它传输线路18。
当PTC 14ac实施为定向耦合器时，定向耦合器可经设计以从传输线路18分接(或移除)某一百分比(dB)。举例来说，-20dB耦合器和1000瓦(W)输入导致将10W输出到端接负载16。网络10中的定向耦合器可全部具有相同耦合(例如，-20dB)或可基于各种情况而设计以使用标准耦合(例如，-3、-6、-10dB)或非标准耦合(例如，-3.4、-8、-9.8dB)。
循环器22a或隔离器可连接在所述串联中的RF功率传输器12与第一PTC 14a之间，以便防止将对RF功率传输器12a造成破坏的反射功率。
图1说明单输入串联网络10，其具有RF功率传输器12a、循环器22a、三个PTC 14ac(实施为定向耦合器)和端接负载16，所述三个PTC 14ac每一者分别连接到天线20ac。
在使用中，RF功率传输器12a沿传输线路18将功率供应到网络10中的每一PTC14ac。每一PTC 14ac从线路分接功率并将所述功率发送到相应连接的天线20ac、负载16。天线20ac、负载16将功率辐射到对应于每一天线20ac、负载16的覆盖区域。当在覆盖区域中时，待供电的装置接收所辐射的功率。所接收的功率用于对所述装置进行充电或再充电或者直接对所述装置供电。
双输入串联网络
大体上参看图2，根据本发明的双输入串联功率分配/传输网络10包括位于网络30的第一末端32处的第一RF功率传输器12a和位于网络10的第二末端34处的第二RF功率传输器12b。一个或一个以上PTC 14串联定位于第一RF功率传输器12a与第二RF功率传输器12b之间。
优选地，每一PTC 14还连接到相应的天线20ac。每一天线20ac将功率辐射到覆盖区域中。来自给定天线20a的覆盖区域可以重叠或可以不重叠来自其它天线20b、20c的其它覆盖区域。
PTC 14ac可为双向耦合器，其在两个方向上耦合波。这允许双重功率方向——起源于第一RF功率传输器12a的第一功率方向A和起源于第二RF功率传输器12b的第二功率方向B。
第一循环器22a可紧邻地连接到第一RF功率传输器12a以介于所述串联中的第一RF功率传输器12a与在线路中紧邻的PTC 14a之间，以便防止将对第一RF功率传输器12a造成破坏的反射功率。同样，第二循环器22b可定位于所述串联中的第二RF功率传输器12b与在线路中紧邻的对应PTC 14b之间。
第一RF功率传输器12a和第二RF功率传输器12b可处于相同频率。然而，由于组件容限，其将实际上处于略微不同的频率，且将同相和异相地移位，平均达到一有限值。此问题在第11/699,148号美国专利申请案和第60/763,582号美国临时专利申请案中详细论述，所述两个申请案的标题均为“功率传输网络(Power Transmission Network)”且以引用的方式并入本文中。第一RF功率传输器12a和第二RF功率传输器12b还可经设计为处于不同频率或处于单独信道。
具有双重(或多个，下文论述)RF功率传输器12a、12b的网络10的优点是网络10沿传输线路18分配损耗而非将损耗集中于一个末端(如同单输入串联网络10)。另一优点是对于每一RF功率传输器12a、12b需要较少功率。举例来说，单个传输器12a可输入1000W，或两个传输器12a、12b可每一者输入500W。所述两个为500W的输入将在功率和组件成本方面实现较便宜的网络10。RF功率传输器12a、12b可具有不同的功率电平(如果发现为有利的话)。
图2说明双输入串联网络10，其具有第一RF功率传输器12a、第一循环器22a、三个PTC 14ac(实施为双向耦合器)、第二循环器22b和第二RF功率传输器12b，所述三个PTC 14ac每一者均连接到天线20a。
在使用中，RF功率传输器12a和12b沿传输线路18将功率供应到网络10中的每一PTC 14ac。每一PTC 14ac分别从线路分接功率并将所述功率发送到所连接的天线20ac。天线20ac将功率辐射到对应于每一天线20ac的覆盖区域。当在覆盖区域中时，待供电的装置接收所辐射的功率。所接收的功率用于对所述装置进行充电或再充电或者直接对所述装置供电。
参看图3，给定双向耦合器36可能需要组合器38以组合来自每一功率方向A、B的功率。具有第一初始功率的第一输入40a从第一功率方向A进入双向耦合器36。具有第二初始功率的第二输入40b从第二功率方向B进入双向耦合器36。第一输入的分接(例如，-20dB)和第二输入的分接(例如，-20dB)在组合器38中组合以将经组合的功率42输出到天线22a或另一传输线路18(或所述两者的组合)。
离开双向耦合器36的第一输入(其可为对另一双向耦合器36的输入)已减少了所分接的功率量和来自耦合器36自身的损耗量(插入损耗)。对于离开双向耦合器36的第二输入也是如此。换句话说，当第一输入40a离开双向耦合器36时，现在所存在的功率量等于初始功率减去分接量减去耦合器36内损耗的功率(插入损耗)。
或者，双向耦合器36可经设计以不感测功率的方向，因此不需要组合器38。因此，PTC 14a(此情况下为双向耦合器)可简单地命名为耦合器。
多输入串联网络
大体上参看图4，根据本发明的多输入串联功率分配/传输网络10包括第一RF功率传输器12a、第二RF功率传输器12b和至少一第三RF功率传输器12c，其经由功率分配器52(例如)以星形或群集图案连接。一个或一个以上PTC 14ac可串联定位于第一、第二和/或第三RF功率传输器12a-c与功率分配器52之间。
优选地，每一PTC 14ac还分别连接到天线20ac。每一天线20ac将功率辐射到覆盖区域中。来自给定天线20a的覆盖区域可以重叠或可以不重叠来自其它天线20b、20c的其它覆盖区域。
PTC 14ac可为双向耦合器，其在两个方向上耦合波。功率分配器52在多个方向上耦合波(或路由功率)。这允许多个功率方向——起源于第一RF功率传输器12a的第一功率方向A、起源于第二RF功率传输器12b的第二功率方向B和起源于第三RF功率传输器12c的第三功率方向C。功率分配器52可为组合器或分裂器。与双输入串联网络10(图2中说明)相比，在多输入串联网络10中，网络10不仅包括来自第一RF功率传输器12a的第一输入40a和来自第二RF功率传输器12b的第二输入40b，而且包括至少一来自第三RF功率传输器12c的第三输入40c。
参看图5，功率分配器52上的端口数目可通过使用1到N个分裂器来增加，从而在功率分配器52上给出N+1个端口。一个分裂器54a上的每一输出连接到另一分裂器54b的一个输出。举例来说，如图5所说明，三端口功率分配器52包括三个1到2分裂器54a-c。来自方向A的功率进入第一端口56a，由分裂器54a分裂，且引导到分裂器54b和54c。来自方向B的功率进入第二端口56b，由分裂器54b分裂，且引导到分裂器54a和54c。来自方向C的功率进入第三端口56c，由分裂器54c分裂，且引导到分裂器54a和54b。
图4所示的多输入串联网络10可包括以各种配置连接的额外的RF功率传输器和/或额外的功率分配器。换句话说，网络10可经扩展以使得一个以上功率分配器52连接多个RF功率传输器12ac。因此，网络10可包括多个星形图案或群集。
图4说明多输入串联网络10，其具有第一RF功率传输器12a、第二RF功率传输器12b、第三RF功率传输器12c和功率分配器52。第一PTC 14a(实施为双向耦合器)连接在第一RF功率传输器12a与功率分配器52之间。第二PTC 14b连接在第二RF功率传输器12b与功率分配器52之间。第三PTC 14c连接在第三RF功率传输器12c与功率分配器52之间。每一PTC 14ac还连接到天线20a。
在使用中，RF功率传输器12a-c沿传输线路18将功率供应到网络10中的每一PTC14。每一PTC 14ac分别从线路分接功率并将所述功率发送到所连接的天线20ac。天线20ac将功率辐射到对应于每一天线20ac的覆盖区域。当在覆盖区域中时，待供电的装置接收所辐射的功率。所接收的功率用于对所述装置进行充电或再充电或者直接对所述装置供电。
可调节PTC
一般来说，离开PTC 14a的功率量等于进入PTC 14a的功率量减去由PTC 14a分接的功率量。因此，来自RF功率传输器12a的初始功率量在每次通过PTC 14ac时均减少。
举例来说，一网络包括两个PTC，其实施为-20dB耦合器。如果至第一耦合器的输入为100W，那么分接量将为1W(即，100W/100＝1W)，且离开的功率量将为99W(即，100W-1W＝99W)。当该99W到达第二-20dB耦合器时，分接量将为0.99W(99W/100＝0.99W)，且离开第二耦合器的量将为98.01W。
大体上参看图6，为了使得所有输出相等或处于所需电平，可将场可调节PTC 60用于本发明。场可调节PTC 60通过改变耦合因数而使功率增加或减少到所需电平。
举例来说，PTC 60为双向耦合器。为了使得双向耦合器可调节，引入调节机构(例如但不限于螺旋型或电控制器)以改变距离或电学性质。耦合因数取决于双向耦合器的主要线路62与次要线路64之间的距离d或耦合器的电学性质。应注意，改变耦合器的长度也将改变所述性质。
通过在网络10中纳入场可调节PTC 60，可将整个网络10中耦合到每一天线的功率维持在近似恒定的电平。
参看图7和8，网络中可存在多个路径。举例来说，参看图7，网络10包括RF功率传输器12a，其与第一PTC 14a(实施为双向耦合器)和功率分裂器54(1到2)串联连接。功率分裂器54的第一输出连接到第二PTC 14b且与第一端接天线(负载)16b端接。功率分裂器54的第二输出连接到与第四PTC 14d串联的第三PTC 14c且与第二端接天线(负载)16d端接。第一、第二、第三和第四PTC 14a-d各自连接到天线(分别为第一天线20a、第二天线20b、第三天线20c和第四天线20d)且将功率耦合到相应天线20a-d，以便将功率辐射到各覆盖区域中。当在覆盖区域中时，待供电的装置接收所辐射的功率。所接收的功率用于对所述装置进行充电或再充电或者直接对所述装置供电。
对于另一实例，参看图8，网络10包括RF功率传输器12a，其与连接到第一PTC 14a(实施为定向耦合器)的循环器22串联连接。第一PTC 14a串联连接到第二PTC 14b和第三PTC 14c，且以第一端接天线(负载)16c端接。第一PTC 14a还串联连接到第四PTC 14d和第五PTC 14e，且以第二端接天线(负载)16e端接。第四PTC 14d还连接到第六PTC 14f，且以第三端接负载16f端接。第二、第三、第五和第六PTC 14b、14c、14e和14f每一者连接到天线(分别为第二天线20b、第三天线20c、第五天线20e和第六天线20f)以用于将功率辐射到各种覆盖区域中。应注意，给定PTC可能不具有相关联天线来辐射功率。当在覆盖区域中时，待供电的装置接收所辐射的功率。所接收的功率用于对所述装置进行充电或再充电或者直接对所述装置供电。
其它实施例
大体上参看图9，根据任何实施例，本发明可实施为开关网络10(含有至少一个开关82的网络)。在开关网络10中，PTC 14a或所述PTC中的至少一者是开关82a或含有开关82a。所述组件串联连接。
开关82a可为但不限于机电或固态的，例如分别为中继器或PIN二极管。开关82a可具有任何适合于网络10的配置，例如但不限于SPST、DPDT、SP3T等。
优选地，开关82a还连接到天线20a。天线20a将功率辐射到覆盖区域中。来自给定天线20a的覆盖区域可以重叠或可以不重叠来自其它天线20b、20c的其它覆盖区域。
优选地，开关82a接受或传递所述功率。当功率被接受时，将功率供应到网络10的特定组件，例如天线20a。当功率被传递时，将功率供应到串联的下一组件。应注意，对于不具有直接天线连接的PTC 14，开关82a可循序地或同时地将功率传递到一个或一个以上组件。
由于每一开关82a、82b接受或传递功率，所以网络10可经设计以脉冲传输功率。换句话说，连接到开关82a、82b的任何天线20a、20b可根据需要来接通和断开。举例来说，可一次接通所述网络的一个天线20a。脉冲网络在第11/356,892号美国专利申请案和第60/758,018号美国临时专利申请案中描述，所述两个申请案的标题均为“脉冲传输网络(Pulsing Transmission Network)”且以引用的方式并入本文中。
开关82a可通过任何合适方式来控制。开关82a可通过RF功率传输器12a使用控制线路18来控制。控制线路可将通信和/或功率发送到开关82a。开关82a可具有定时器或时钟(例如，“智能开关”)。通信信号可经由同轴电缆18以相同频率或单独频率发送，以便告诉开关82a何时进行开关。DC功率可经由传输线路发送以对PTC 14a(在此情况下为开关82a)或网络中的任何其它组件供电。另外，任何PTC或功率分配组件可通过消耗一些RF功率(优选地通过将RF功率整流为DC功率)来从传输线路得到功率。
开关82a可感测从RF功率传输器12a供应的功率脉冲，以确定何时进行开关。脉冲可经设计以创建发信号通知开关82a进行开关的节点识别。所述脉冲可具有不同频率(时序)或由变动的持续时间构成(长和短脉冲)。
开关82a可感测功率。当在输入处检测到功率时，开关82a可引起功率脉冲且接着在再次脉冲之前使功率通过达一段时间。
优选地，开关82a可通过从传输线路18分接功率的一部分且将RF功率整流为DC功率来感测所供应的脉冲、形成节点识别的脉冲、或功率，以便将开关信息供应到开关82a或开关控制器74a(下文论述)。经整流的DC功率告知开关82a或开关控制器74a，RF功率传输器12a正供应脉冲、发送节点识别或发送功率。
另外，开关82a可感测DC功率是否在传输线路18上连同RF功率一起可用。DC功率可用于直接对开关82a或开关控制器74供电，或可用作对开关控制器74的输入。如果DC功率用于直接对开关82a供电，那么RF功率传输器12a中的控制器可通过以脉冲方式放置DC功率和从传输线路18移除DC功率来控制开关82a、82b。
应注意，开关82a的不活动(即，连接到天线或网络的其它组件)的任何输出可为开路的或可连接到负载16，以确保非活动天线不会显著影响来自活动天线的辐射。
如图9所说明，举例来说，单输入串联开关网络10包括RF功率传输器12a、第一开关82a、第二开关82b和端接天线16。第一开关82a连接到第一天线20a。第二开关82b连接到第二天线20b。
第一开关82a可接受来自RF功率传输器12a的功率且将所述功率发送到第一天线20a。或者，第一开关82a可将功率传递到第二开关82b。第二开关82b可接受功率且将功率发送到第二天线20b。或者，第二开关82b可将功率传递到端接天线16。在此配置中，在任何给定时间，第一天线20a、第二天线20b或端接天线16辐射RF能量。网络10可设计为从第一天线20a、第二天线20a和端接天线16中的每一者脉冲传输功率。可将网络10设计为使得在给定的一段时间中没有天线传输功率。这可通过调低或断开RF功率传输器12a功率或通过将功率端接到负载中来完成。
网络10可经配置以在任何给定时间从一个或一个以上天线辐射RF能量。如图10中所说明，举例来说，单输入串联开关网络10包括RF功率传输器12a、第一PTC 14a、第二PTC 14b、第三PTC 14c。第一开关82a连接到第一PTC 14a和第一天线20a。第二开关82b连接到第二PTC 14b和第二天线20b。第三开关82c连接到第三PTC 14c和第三天线20c。第四开关82d也连接到第三PTC 14c。第四开关连接到第四天线20d和端接天线16。
第一PTC 14a将功率供应到第一开关82a和第二PTC 14b。第一开关82a可接受功率且将功率供应到第一天线20a。或者，第一开关82a可将功率传递到端接负载(未图示)或开路。
第二PTC 14b将功率供应到第二开关82b和第三PTC 14c。第二开关82b可接受功率且将功率供应到第二天线20b。或者，第二开关82b可将功率传递到端接负载(未图示)或开路。
第三PTC 14b将功率供应到第三开关82c和第四开关82d。第三开关82c可接受功率且将功率供应到第三天线20c。或者，第三开关82c可将功率传递到端接负载(未图示)或开路。第四开关82d可接受功率且将功率供应到第四天线20d或将功率传递到端接天线16。
在此配置中，一个以上天线20a-d可在任何所需时间为活动的。在网络10的给定安装中，PTC和开关的配置应由待从自天线辐射的RF能量获得的所需覆盖区域确定。
大体上参看图1、2、4和7到11，根据所述实施例中的任一者，本发明可包括控制器74a以控制网络的操作。参看图1，控制器74a连接到网络10的组件中的一者或一者以上。控制器74a可用于改变天线20ac的频率、极化或辐射模式。控制器74a可用于从网络10创建功率脉冲。
参看图2，利用一个以上控制器74a以控制网络10的组件。控制器74a可与网络10的一个或一个以上其它控制器74a通信。
参看图10，控制器74a连接到开关网络10。利用控制器74a以控制(或辅助控制)开关82a-d的开关。
参看图11，说明串联功率分配/传输网络10的实施方案。网络包括RF功率传输器12a，其连接到第一PTC 14a、第二PTC 14b、第三PTC 14c和端接天线16。RF功率传输器12a以及第一、第二和第三PTC 14a-c串联连接。第一、第二和第三PTC 14a-c中的每一者分别连接到天线20a-c(说明为偶极，但此处任何天线或辐射装置均可与此或任何实施例一起使用)。天线20a-c和16将功率辐射到待供电的装置94的接收天线92(说明为偶极)。装置94优选地包括功率采集器，其将RF功率转换为装置94可使用的形式。
本发明的小型版本(例如，如图11所示)有助于减小由单个天线传输的平均功率，进而减少安全性顾虑。这在桌面型应用中可能是重要的。举例来说，装置94可从多个天线20a-c、16接收功率贡献。天线20a-c、16可定位成U形状或安装在柔性单元上，使得用户可将其粘附到桌域。
分接耦合器可在本发明中用于消除连接器损耗。此问题在第6,771,143号美国专利中详细论述，所述专利以引用的方式并入本文中。
根据本发明的网络优选地使用低损耗同轴电缆、传输线路或波导18。
如果网络中使用泄漏同轴电缆16，那么天线可能是不必要的。在此配置中，同轴电缆16将辐射功率。
上文论述和预期由本发明涵盖的各种实施例可单独地或彼此组合(整体或部分)来实施。
本发明不应与通过电感耦合的功率传送混淆，通过电感耦合的功率传送需要装置相对较靠近功率传输源。作者克劳斯·芬肯才勒(Klaus Finkenzeller)的RFID手册(RFID Handbook)将电感耦合区界定为小于0.16倍λ的传输器与接收器之间的距离，其中λ为RF波的波长。本发明可在近场(有时称为感应)区以及远场区中实施。远场区是大于0.16倍λ的距离。
在本发明的任何实施例中，所传输的RF功率可限于仅包括功率，也就是说，在信号中不存在数据。如果应用需要数据，那么数据优选地在单独频带中传输且/或具有单独的接收器。
所属领域的技术人员将了解，尽管前述描述内容详细地陈述了本发明的优选实施例，但可在不脱离本发明的精神和范围的情况下对其做出修改、添加和改变。
Claims (39)
1.一种RF功率传输网络，其包含：
第一RF功率传输器，其用于产生功率；
至少一个功率分接组件，其以串联方式电连接到所述第一RF功率传输器以用于将从所述第一功率传输器接收的所述功率分成至少第一部分和第二部分；以及
至少一个天线，其电连接到所述至少一个功率分接组件以用于接收所述第一部分及传输功率。
2.根据权利要求1所述的网络，其中所述至少一个功率分接组件为定向耦合器。
3.根据权利要求1所述的网络，其进一步包括第二RF功率传输器，其以串联方式电连接到所述至少一个功率分接组件。
4.根据权利要求3所述的网络，其进一步包括至少一个控制器，所述控制器电连接到所述第一RF功率传输器、所述至少一个功率分接组件、所述至少一个天线和所述第二RF功率传输器中的一者或一者以上。
5.根据权利要求3所述的网络，其中所述至少一个功率分接组件是双向耦合器。
6.根据权利要求3所述的网络，其中所述定向耦合器是场可调节的定向耦合器。
7.根据权利要求3所述的网络，其中所述至少一个功率分接组件是功率分配器。
8.根据权利要求3所述的网络，其进一步包括至少一个额外的RF功率传输器，所述RF功率传输器以串联方式电连接到所述至少一个功率分接组件。
9.根据权利要求8所述的网络，其进一步包括至少一个控制器，所述控制器电连接到所述第一RF功率传输器、所述至少一个功率分接组件、所述至少一个天线和所述至少一个额外的RF功率传输器中的一者或一者以上。
10.根据权利要求1所述的网络，其进一步包括端接负载。
11.根据权利要求1所述的网络，其进一步包括至少一个传输线路。
12.根据权利要求1所述的网络，其中从所述第一RF功率传输器传输的功率不包括数据。
13.根据权利要求1所述的网络，其进一步包括至少一个控制器，所述控制器电连接到所述第一RF功率传输器、所述至少一个功率分接组件和所述至少一个天线中的一者或一者以上。
14.根据权利要求13所述的网络，其中所述至少一个控制器中的至少一者电连接到所述至少一个控制器中的至少一个其它控制器。
15.根据权利要求1所述的网络，其中所述网络经配置以经由所述至少一个天线以脉冲形式传输所述功率。
16.根据权利要求1所述的网络，其中所述至少一个功率分接组件中的至少一者是开关。
17.根据权利要求16所述的网络，其中所述开关是经由控制线路来控制。
18.根据权利要求16所述的网络，其中所述开关是通过感测功率来控制。
19.根据权利要求18所述的网络，其中所述所感测的功率是功率脉冲。
20.根据权利要求19所述的网络，其中所述功率脉冲在持续时间上有变动。
21.根据权利要求19所述的网络，其中所述功率脉冲在定时上有变动。
22.根据权利要求16所述的网络，其中所述开关是经由通信信号来控制。
23.根据权利要求22所述的网络，其中所述通信信号是经由同轴电缆发送。
24.根据权利要求1所述的网络，其中所述天线是传输线路。
25.根据权利要求1所述的网络，其中从所述第一RF功率传输器接收的所述功率中的至少一部分被所述至少一个功率分接组件用作为操作功率。
26.根据权利要求1所述的网络，其进一步包括第二功率分接组件，所述第二功率分接组件以串联方式电连接到所述至少一个功率分接组件，其中所述至少一个功率分接组件设置在所述第一RF功率传输器与所述第二功率分接组件之间，所述第二功率分接组件从所述至少一个功率分接组件接收所述第二部分并将其分成至少第三部分和第四部分。
27.根据权利要求26所述的网络，其中所述第一RF传输器仅包括第一连接器，所述第一连接器将所述第一RF功率传输器电连接到所述至少一个功率分接组件；且所述至少一个功率分接组件包括第二连接器，所述第二连接器将所述至少一个功率分接组件电连接到所述第二功率分接组件。
28.一种用于功率传输的系统，其包含：
第一RF功率传输器，其用于产生功率；
至少一个功率分接组件，其以串联方式电连接到所述第一RF功率传输器以用于将从所述第一RF功率传输器接收的所述功率分成至少第一部分和第二部分；
至少一个天线，其电连接到所述至少一个功率分接组件以用于接收所述第一部分及传输功率；
待供电的装置；以及
接收天线，其电连接到所述装置且经配置以接收所述所传输的功率。
29.根据权利要求28所述的系统，其进一步包括至少一个控制器，所述控制器电连接到所述RF功率传输器、所述至少一个功率分接组件和所述至少一个天线中的一者或一者以上。
30.根据权利要求28所述的网络，其中所述至少一个功率分接组件中的至少一者是开关。
31.根据权利要求28所述的网络，其中所述系统经配置以经由所述至少一个天线以脉冲方式传输所述功率。
33.根据权利要求28所述的网络，其中从所述第一RF功率传输器接收的所述功率中的至少一部分被所述至少一个功率分接组件用作为操作功率。
34.根据权利要求28所述的网络，其中从所述第一RF功率传输器传输的功率不包括数据。
35.根据权利要求28所述的网络，其包括：第二功率分接组件，其以串联方式电连接到所述至少一个功率分接组件，其中所述至少一个功率分接组件设置在所述第一RF功率传输器与所述第二功率分接组件之间，所述第二功率分接组件从所述至少一个功率分接组件接收所述第二部分并将其分成至少第三部分和第四部分；以及第二天线，其电连接到所述第二功率分接组件以用于接收所述第三部分及传输功率。
36.一种用于RF功率传输的方法，其包含以下步骤：
用第一RF功率传输器产生功率；
用至少一个功率分接组件将从所述第一功率传输器接收的所述功率分成至少第一部分和第二部分，所述功率分接组件以串联方式电连接到所述第一RF功率传输器；
由至少一个天线接收所述第一部分，所述天线电连接到所述至少一个功率分接组件；以及
用所述至少一个天线传输功率。
37.根据权利要求36所述的方法，其包括以下步骤：在接收天线处接收以无线方式从所述至少一个天线传输的所述功率，所述接收天线电连接到装置且经配置以接收所述所传输的功率；以及用功率采集器转换由所述接收天线接收的所述功率，所述功率采集器电连接到所述装置。
38.根据权利要求37所述的方法，其包括以下步骤：添加第二功率分接组件，其以串联方式电连接到所述至少一个功率分接组件，其中所述至少一个功率分接组件设置在所述第一RF功率传输器与所述第二功率分接组件之间，所述第二功率分接组件
从所述至少一个功率分接组件接收所述第二部分且将其分成至少第三部分和第四部分；
在第二天线处接收所述第三部分，所述第二天线电连接到所述第二功率分接组件；以及
从所述第二天线传输功率。
39.一种用于向接收器进行无线功率传输的设备，所述接收器具有产生直流电流的无线功率采集器，所述设备包含：
组合器，其具有具第一功率的第一输入；
具有第二功率的第二输入；
具有输出功率的输出，所述输出功率是所述第一功率与所述第二功率的组合且分别大于所述第二功率和所述第一功率；以及
天线，其电连接到所述输出，所述输出功率通过所述天线传输到所述接收器。
40.一种用于向接收器进行无线功率传输的设备，所述接收器具有产生直流电流的无线功率采集器，所述设备包含：
场可调节耦合器，其用以将功率增加或减小到所需电平，且具有主要线路和与所述主要线路相距距离d的次要线路；
可调节机构，其改变所述距离d；以及
天线，所述功率通过所述天线传输到所述接收器。
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| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
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Application publication date: 20090826 |