CN101720529A - 无线功率设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示无线能量转移系统。用高Q使天线维持处于共振。本发明揭示维持高Q共振匹配的技术。

Description

无线功率设备和方法

相关申请案

本申请案与共同拥有且共同待决的以下美国专利申请案有关：2006年4月21日申请且标题为“用于经由无线链路对电子装置进行供电的方法和系统(Method and Systemfor Powering an Electronic Device Via a Wireless Link)”的第11/408,793号美国专利申请案；以及2007年1月17日申请的标题为“用于经由无线链路向电气或电子装置输送能量的方法和设备(Method and Apparatus for Delivering Energy to an Electrical or ElectronicDevice Via a Wireless Link)”的第111654,883号美国专利申请案，前述专利申请案中的每一者以全文引用的方式并入本文中。

本申请案主张2007年3月2日申请的第60/904,628号临时申请案的优先权；所述临时申请案的揭示内容由此以引用的方式并入本文中。

版权

本专利文献的揭示内容的一部分含有受版权保护的材料。当所述材料出现在专利和商标局的专利文件或记录中时，版权所有者对本专利文献或专利揭示内容中的任何一者所进行的拓制没有异议，然而在别的方面却无论如何保留所有版权权利。

所有的图、表格和展示内容均为版权

2006、2007，第三选项，LLC。版权所有，违者必究。

技术领域

无

背景技术

将功率输送到便携式装置通常使用各种类型的电线来进行功率输送。例如手机、便携式计算机或可依靠所存储功率(例如电池)操作的任何其它装置等装置全都需要并使用此功率源来操作所述装置且/或对电池进行充电。

发明内容

本文揭示无线功率转移的技术。

附图说明

无

具体实施方式

实施例描述将无线功率转移用于接收源。

如本文中所使用，术语“无线功率”和“无线能量”包含(但不限于)任何形式的功率或能量，其中包含与电场、磁场、电磁能量或其它能量相关联的功率或能量，其在不必使用有线线路连接的情况下在一个点、区域、位置或装置与另一点、区域、位置或装置之间传输。

一实施例揭示一种无线供电和充电系统。一实施例描述使用发射器，其大小允许其嵌入到另一物品(例如，桌子或架子)中，或插入到墙壁中，或嵌入到另一结构或表面(例如墙壁、地面、门等)中。接收器与用户所携带的小型移动单元或客户端装置相关联，或安装在便携式装置、交通工具上，或与固定装置(例如灯、烤箱、平面屏幕TV)一起安装在墙壁、计算机或计算机化装置、PDA、个人媒体装置等上。当接收器在发射器的范围内时，功率被输送到移动单元。

在一个实施例中，揭示一种无线供电-充电系统，其基于发送实质上未经调制的信号或信标(例如，只有载波)的发射器。接收器可经调谐以从发射器的辐射场提取能量。接收器对电子装置进行供电，或对电池进行充电。

其它实施例可使用略经调制的信标。

可使用多个接收器。可使用多个发射器来向一个或多个接收器进行发射。

此系统所使用的天线实现能量发射和接收的高效手段。天线优选具有较小的大小，以允许其配合到移动手持式装置中，在所述装置中，用于天线的可用空间可能是有限的。一实施例描述一种用于特定特性的高效率天线以及用于正被发射和接收的功率的环境。

天线理论表明：效率较高但较小的天线通常将具有较窄的频带，在所述频带上，所述天线将是高效的。因此，所属领域的技术人员已避免使用这些天线，以便实现更灵活的发射和/或接收特性。在一实施例中，以某些配置使用自适应调谐电路以允许高效但窄带天线的调谐。

一个实施例描述两个天线之间的高效功率转移，其是通过将能量存储在发射天线的近场中，而不是将所述能量以行进电磁波的形式发送到自由空间中。此实施例增加天线的质量因子(Q)。这可减小辐射电阻(R_r)和损耗电阻(R_l)。

在一个实施例中，将两个高Q天线放置为使得其对松散耦合的变压器类似地作出反应，其中一个天线将功率感应到另一天线中。所述天线优选具有大于1000的Q。

另一实施例描述最大允许照射(MPE)，其中最大照射限制由欧洲和美国标准(以及其它标准)界定。最大照射限制是依据功率密度限制(W/m²)、磁场限制(A/m)和电场限制(V/m)而界定。所述限制通过自由空间的阻抗377W而相关。

在美国，适用的标准为FCC CFR标题47：§2.1091射频辐射照射评估：移动装置。移动装置是经设计为以在发射器的辐射结构与用户或附近人员的身体之间正常维持至少20cm的间隔距离的方式使用的发射装置。待用于评估的限制在标题47的§1.310——§1.1310射频辐射照射限制(见表1)中指定。

表1：对辐射照射的FCC限制，对最大允许照射(MPE)的限制

表1：对辐射照射的FCC限制

对最大允许照射(MPE)的限制

f＝以MHz为单位的频率

*＝平面波等效功率密度

表1的注解1：

职业/受控限制适用于以下情形：人员由于其工作而被照射，假定所述人员完全知晓照射的可能性且可对其照射实行控制。对职业/受控照射的限制还适用于以下情形：当个人路过职业/受控限制适用的位置时，假定他或她知晓照射的可能性。

表1的注解2：

一般人员/未受控照射适用于以下情形：一般公众可能被照射，或由于其工作而被照射的人员可能不完全知晓照射的可能性或无法对其照射实行控制。

在欧洲，适用的标准是EN60215。这已从ICNIRP(国际非电离辐射保护协会)指导方针[ICN]导出。表2中给出所述限制。

表2：对辐射照射的欧洲限制

表2：对辐射照射的欧洲限制

表2：对辐射照射的欧洲限制

频率范围(MHz)	电场强度(V/m)	磁场强度(A/m)	功率密度(W/m2)	平均时间(min)
					0.15-1	87	0.73/f	-	6
1-10	87/f1/2	0.73/f	-	6
					10-400	28	0.073	2	6
400-2000	1375f1/2	0.0037f1/2	f/200	6
					2000-300,000	61	0.16	10	6

在一个实施例中，对功率密度限制和磁场限制特别感兴趣。使用来自表1和表2的数据，可确定限制曲线。图1用FCC限制曲线100和EN曲线102展示功率密度的曲线图。图2用FCC曲线200和EN曲线202展示最大H场的曲线图。

图1和图2说明美国限制如何在低于30MHz的频率下更为宽松，且可如何抵消低频率下的减小的天线效率的效应。此研究测试频率范围，以查看哪些频率对无线功率转移来说是最佳的。

本申请案还提供对无线能量和功率转移的各个方面的示范性理论分析。

本文所揭示的实施例描述天线类型。

环形天线是“磁性”天线，且与偶极天线(其为“电”天线)相比，对其周围环境变化的敏感性可能较低。当装置暴露于其周围环境的变化时，例如当放置在桌上、握在手中或放在口袋里时，基于杂散电容或其它效应，环形天线可具有某些优点。在一实施例中，使用空气环形天线。另一实施例可使用具有铁氧体磁心的环形天线，或可使用其它天线。

在一个实施例中，空气环形天线可能优选于具有铁氧体磁心的环形天线。空气环形天线对来自永久磁体的去谐或其附近的其它磁影响的抵抗力可能较强。一般来说，空气环形天线将比铁氧体环形天线更高效，因为铁氧体磁心可能造成损耗。铁氧体天线通常较重，且通常无法在其“内部”放置组件。相反，可在空气环形天线的环内放置其它组件。所述环的形状因子可经修改或以其它方式调适以配合在正被充电的某些便携式装置的形状因子内。

可对发射器和接收器两者使用同一类型的天线。发射和接收天线可具有相同或不同的大小。

一实施例描述一种成为天线电路的一部分的调谐电路。典型的环形天线本质上是电感性的。所述调谐电路中可使用电容性元件来引起天线中的共振。尽管与偶极天线相比，环形天线对其周围环境变化的敏感性较低，但环形天线仍将被其周围环境的变化去谐到某一程度。因此，在某些实施例中可能希望自适应地调谐发射器天线或接收器天线或两者，以维持其间的链路的质量。

在一个实施例中，通过改变与环形天线串联使用的电容性元件的值以调整电路的共振频率来实现自适应调谐。自适应调谐电路位于发射器处且/或位于接收器处。目标是选择具有高质量因子(Q)的调谐组件以确保整个接收器电路的Q尽可能少地降级。在一实施例中，使用高Q来使效率最大化，即使是以较窄的带宽为代价。

图3说明一实施例的空气环形天线。所述天线可具有5cm的最大尺寸(即，2.5cm的半径r)，且对一个实施例使用直径为2b_rx＝500μm的N匝电线300。举例来说，所述天线可围绕移动装置的周长放置。环将被假定为圆形的，但可具有其它形状。电容器302与环形电感性共振器一起使用以使环形天线共振。可将电容器值界定为：

${\mathrm{\ω}}^2=\frac{+1}{\mathrm{LC}}$

通过使用所述等式以及电线直径500μm计算空气环形天线的电感，可针对许多频率中的任一者计算所需电容。

在一个实施例中，电容器302可为与高Q变容二极管并联的高Q固定芯片电容器，其作为电压可调谐的电容器而操作以使接收器空气环共振且维持调谐。图4展示形成有调谐电路400的串联共振电路的示意图，调谐电路400本身由与其等效串联电阻404串联的可变电容402形成。将固定电容器展示为与其ESR 408串联的406。将天线总欧姆电阻410展示为被分离为与总天线电阻412串联的辐射电阻410。还展示负载电阻414和电感416。

在所述电路中，符号具有以下意义：

V_O：环形天线上的感应电压

L_rx：环形天线的电感

R_{l_rx}，R_{r_rx}，R_{a_rx}：接收天线损耗(欧姆)电阻、辐射电阻和总天线电阻(前两者的总和)

C_var，R_{esr_var}：调谐变容二极管的电容及其相关联的等效串联电阻(ESR)

C_fix，R_{esr_fix}：固定电容及其相关联的ESR

R_{load_rx}：负载电阻

一个实施例选择是选定操作频率的大约+/-5％的调谐范围，以便涵盖电容的变化以及来自外部因素的去谐。变容二极管的调谐范围可大致为固定电容值的+/-10％。所使用的组件优选具有高Q，使得它们尽可能少地使电路的总Q降级。

在一个实施例中，调谐只在发射器处进行。在此实施例中，变容二极管不需要位于接收器处，且发射器跟踪接收器共振频率。这依据接收器环的共振频率受所述环附近的环境变化的影响程度而定。还可使用相反的配置。

在较高频率下，或在具有较大环尺寸或具有较多环匝数的情况下，可能需要非常小的电容来使所述环共振。在一实施例中，仅变容二极管或仅固定电容器将在无另一者的情况下使用。

要考虑的另一效应是环的自共振，尤其是在较高频率下。此效应将在环形天线上的绕组间电容和杂散电容进入与绕组自身的电感的共振时发生。此效应随着频率增加而减小。

在较低操作频率(例如1.3MHz)下，将需要较大的固定电容器。举例来说，具有图3中所给出的尺寸且具有5匝环形天线的环形天线将需要约3nF的固定电容。对于这些类型的电容器来说，+/-1％(30pF)的电容变化是典型的。如将展示，这超过了大多数可用可调谐电容器的调谐范围。因此，在低频率下，一个实施例仅将自适应调谐定位在发射器中。

增加操作频率或增加匝数允许减小固定电容的大小。较大的匝数可能使封装变得较困难。因此，在具有大匝数的情况下，某些类型的应用的实际实施可能变得困难。因此，较高频率在此因子可能原本有限的应用中可能实现某些益处。

然而，在250MHz和以上的频率下，所需的固定电容器的大小极其小，例如对于N＝1来说大约为1pF，且对于更多匝数来说甚至更小。在这些频率下，在一些情况下，固定电容器可全部消除，且仅使用非常小的调谐电容器。对于给定的环尺寸，此对电容器大小的物理限制也对可使用的频率设置了限制。较小的接收器环大小将允许使用较高的频率或较多的环。

可(例如)从AVX公司购得具有从低皮法到低毫微法范围的电容的示范性高Q/低ESR电容器。表3中列表显示一些可能合适的AVX电容器的细节，但可使用任何数目的其它装置。

表3

表3

电容器族(所有AVX)	族的电容范围	公差	Q	ESR	电压额定值	尺寸
							HQ系列E型	3.3pF到6800pF	+/-0.25pF到+/-1％	根据电容和频率而变化，见图19	根据电容和频率而变化，见图20	600V到7200V	9.4mm x9.9mm x3.3mm
SQAQ或CDR1系列，型号13或14	0.1pF到5100pF	+/-1％	声称在1MHz下大于10000	在1MHz下大约为0.004	50V	2.79mm x2.79mm x2.59mm

一般来说应注意，Q ESR和C通过以下等式而相关：

$C=\frac{1}{\mathrm{\ω}{R}_{\mathrm{esr}}Q}$

另一实施例使用MEMS(微机电系统)变容二极管。这可降低功率消耗。

对处于共振的图4的电路进行分析以评估性能。在第一方法中，变容二极管将由固定值电容器代替，所述固定值电容器的大小是主固定电容器的大小的十分之一。AVX数据将用于上述两种电容器。将图4中的调谐电路100模型化为单个R/C阻抗。所使用的值为：

I_rx为接收器环中的电流

P_rx为负载电阻器处的功率

C_ser为固定电容器和变容二极管的等效串联电容，且

R_ser为固定电容器和变容二极管的等效串联电阻。

在共振时，可忽略电抗，因为XL＝-Xc。仅考虑电路中的电阻性(真实)损耗。

发明人发现，当经调谐的天线的电阻与负载电阻匹配时，在负载处可得到最大量的功率P_rx。换句话说，最佳条件是以下时候：

RL_{_rX}+Rr_{_rx}+R_ser＝Rload_{_rx}。所述值可改变20％，同时仍停留在“最佳”共振内。

因此，在所述实施例中，将发射器电路模型化为共振环，其中所述环的功率与源的功率匹配。具有20cm的最大尺寸(即，10cm的半径r)、1mm的电线半径以及单个匝(N＝1)的示范性空气环形天线用于一实施例，但其它类型、大小和尺寸的天线可用于其它实施例中的发射器。

在一个实施例中，发射器天线可(例如)垂直坐落在家中的长凳或桌子上、墙壁内、壁式电源引出口周围、车库地面上或内、冰箱后面等。为了简化计算，所述环将被假定为圆形的，如图3。图3的具有10cm半径的电线直径、1mm的电线半径的单电线环发射天线具有大约840nH的电感。不同频率将需要不同的电容值以用于与此天线共振。举例来说，1.3Mhz将需要17.85nF的电容器；13.56Mhz将需要164.1pF；64Mhz将需要7.365pF；250Mhz将需要.483pF且500Mhz将需要0.121pF。

将许多不同天线描述为本文的实施例。为了测试所述实施例，所述天线已由1.5mm²的铜线构造且固定到木制框架上。

发射天线具有0.2m的半径、6匝以及3Mhz的操作频率。用两个可调谐电容器来实现匹配。接收天线具有0.1m的半径。在考虑功率转移/路径增益之前，已独立地调谐并测量所述天线。表6中概括所得特性。

表6

质量因子增加可进一步增加功率转移。举例来说，可使用马特拉伯(Matlab)模拟来增加质量因子。针对所述模拟而进行的数学研究产生对路径增益的以下近似法：

$\mathrm{\η}\left(x\right)=\frac{{\mathrm{\π}}^2{a}^6{Q}_{\mathrm{ul}}^2}{16x^6{\left[\ln (8\frac{a}{b}-2)\right]}^2}$

其中：

a＝环半径[m]

b＝电线半径[m]

Q_ul＝未负载质量因子

x＝发射器与接收器天线之间的距离[m]

上述等式展示对于实际天线，环半径对路径增益具有较高影响。

第二实施例天线

图5说明天线的第二实施例。此实施例获得所发射功率502被输送到的耦合环500之间经最大化的功率转移。所述耦合环以经优化的Q向共振器510发辐射。此实施例使用充当共振器的耦合环，而不是由两个电容器组成的耦合网络。这通过省略匹配网络而减少了损耗。可将耦合环与天线之间的耦合概念化为理想的变压器。

天线可由(例如)铜管或类似物制成，以便通过增加电线表面来减小损耗电阻。另外，可用银(Ag)或此项技术中众所周知的另一此类高电导材料来电镀所述表面。使用此类型的构造，实现大约10³的质量因子，如下文更详细地描述。还可优化天线的共振器部分以获得高质量因子(Q)。这通过增加匝数、增加电线的表面且减小由于天线的隔离或安装而导致的介电损耗来完成。

为了调谐天线的共振频率，可调谐电容器504、512可集成在两个天线的底部。所述电容器可为金属板，其可通过使用三个螺丝514改变电容器的两个板之间的距离来调谐。电容器支配天线的自电容(CS)。表6A说明这些天线的特性。

表6A

天线的示范性实施例由具有6.0mm的外径的铜管构造。表面是镀银的。这保护铜使其不受腐蚀，且略微增加表面的导电性。

对于可调谐电容器的示范性板距离8mm，所得的计算出的共振频率为14.4MHz。

在使用为1300的Q时，在1m(其对应于因子0.1)处，路径增益大约为-10dB。换句话说，必须使用10瓦的发射功率来在接收器处接收1W。

应围绕天线的未负载Q(Q_ul)来界定所述系统。从以下等式开始：

$Q_{\mathrm{ul}}=\frac{1}{R}\·\sqrt{\frac{L}{C}}.$ 等式1-1

Tx或Rx天线的总损耗电阻可由以下等式界定：

$R=\frac{1}{Q_{\mathrm{ul}}}\·\sqrt{\frac{L}{C}}.$ 等式1-2

在共振时，其可被写为

P_in＝I²·R。                                    等式1-3

TX天线中的所得电流现在可由以下等式指定

$I=\sqrt{\frac{P_{\mathrm{in}}}{R}}.$ 等式1-4

使用等式1-2，电流可被改写为

$I=\sqrt{P_{\mathrm{in}}\·Q_{\mathrm{ul}}\·\sqrt{\frac{C}{L}}}.$ 等式1-5

TX天线中的电流在距离x中所产生的H场的量值为

$H\left(x\right)=\frac{r_A^2\·I\·N}{2\·\sqrt{{(r_A^2+x^2)}^2}},$ 等式1-6

且在RX天线中感应一电压

U_ind(x)＝2πf_res·N·πr_A ²·μ₀·H(x)。                等式1-7

参数r_A为半径，N为环形天线的匝数。现在可用以下等式来计算可用输出功率P_out

$P_{\mathrm{out}}\left(x\right)=\frac{U_{\mathrm{ind}}{\left(x\right)}^2}{4\·R},$ 等式1-8

$P_{\mathrm{out}}\left(x\right)=U_{\mathrm{ind}}{\left(x\right)}^2\·\frac{Q_{\mathrm{ul}}}{4}\·\sqrt{\frac{C}{L}}.$ 等式1-9

最后，将路径增益界定为

$\mathrm{\η}{\left(x\right)}_{\mathrm{dB}}=10\·{\log }_{10}\left(\frac{P_{\mathrm{out}}\left(x\right)}{P_{\mathrm{in}}}\right).$ 等式1-10

为了进一步简化并理解等式1-10和等式1-9的行为，需要用于L和C的模型。电容可简单地在共振频率上界定

$C=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0^2\·L}.$ 等式1-11

对于感应率来说，已发现以下经验公式对于此系统中所使用的天线类型是最准确的。

$L=\frac{\mathrm{\μ\π}\·N^2{r}_A^2}{0.9r_A+l_A}$ 等式1-12

参数I_A为天线的宽度。

在假定天线之间的间隔x与天线的半径rA相比较大(x＞rA)的情况下，且使用等式1-11和等式1-12，等式1-10可被写为：

$\mathrm{\η}{\left(x\right)}_{\mathrm{dB}}=10\·{\log }_{10}\left(\frac{r_A^2\·Q_{\mathrm{ul}}^2{(0.9r_A+l_A)}^2}{16x^6}\right)..$ 等式1-13

1-13中的括号中的项是线性路径增益。注意，此线性路径增益不是频率或匝数的正函数，但这些参数可隐含地包含在质量因子中。如果环半径远大于环长度l_A，那么路径增益近似与环半径rA⁶成比例。路径增益与天线之间的间隔x⁶成反比。路径增益还与质量因子Q_ul ²成比例。

对于给定天线尺寸，随着质量因子增加，路径增益得到改进。这经由模拟而在实施例中得到证实。使用

来模拟上述等式以测试具有不同大小和质量因子的天线。定义以下参数集以运行脚本：

％参数定义

Q＝1000；％目标未负载质量因子[l]

N＝7；％匝数[l]

r_loop＝85e-3；％环形天线的半径[m]

r_wire＝3e-3；％电线的半径[m]

pitch＝12e-3；％两匝之间的距离(中心到中心)[m]

freq＝13.0e6；％系统频率[Hz]

dist＝1∶0.1∶3；％天线的距离[m]

P_in＝1；％输入功率[W]

所得模拟展示了每十进位有-60dB的路径增益变化，其由等式1-13中的项x⁶造成。如果Q加倍，例如从1000到2000，那么路径增益增加6dB。如果距离加倍，那么路径增益减小18dB。所定义的示范性参数对TX天线和RX天线两者均有效，且因此可有助于针对所述参数形成最佳天线。

所述模拟还计算无功电压。出现在电感和电容处的无功电压与质量因子成正比，且与发射功率的平方根成正比，如等式1-14中所陈述。

$U_{\mathrm{LC}}=Q_{\mathrm{ul}}\sqrt{P_{\mathrm{in}}\·R}$ 等式1-14

在实际实施方案中，两个无功电压将非常高，因此为那些电压作计划变得较关键。在Q为1000且发射功率为10W的情况下，所述电压可为2.7kV。如果以0.01m的板距离使用板式电容器，那么所得场强度为270kV/m。可承受这些高电压的电容器变得关键。举例来说，使用能承受2000V或3000V或更高电压的电容器可能是必要的。人们相信，这种类型的系统在过去之所以无法适当操作的至少一个原因是它们的大小对于实际存在的无功电压的量来说不合适。事实上，2KV以上的出奇高的电压被发现是这些无功电压的一部分，甚至在正发射小得多的电压时也是如此。这种出奇高的电压需要由电路组件来处置。

质量因子的定义也变得重要，因为天线设计过程主要集中在优化质量因子。因此，下文描述对Q的深入分析。

关于质量因子的基本等式由上文的等式1-1给出。

$Q_{\mathrm{ul}}=\frac{1}{R}\·\sqrt{\frac{L}{C}}.$ 等式1-1

图6说明针对许多不同频率的Q对频率的曲线图。

注意，L与C的比例在此等式中是重要的。对于给定共振频率，存在无限数目个可能的L-C组合。然而，当电感L与电容相比尽可能高时，获得较高的Q。

质量因子还与电阻R成反比。此电阻由损耗电阻(R_l)和辐射电阻(R_r)组成。应使上述两个电阻最小化，以便增加质量因子。

损耗电阻取决于用来构造天线的材料，且归因于用于系统的频率的集肤效应。具有良好集肤效应的高导电性材料是优选的。

高共振频率增加损耗，且因此减小质量因子。这是图6的曲线在频率标度的上端处下降的原因。然而，通过增加电容来获得较低共振频率。这使L/C比率减小，且由于L与频率无关，所以这使Q降低。因此，图6的曲线展示Q如何在频率标度的上端和下端两者处下降，从而针对给定天线尺寸在29MHz的频率附近形成理想的质量因子。

这展示每一天线几何形状的理想频率或频率范围。

本文所描述的测试期间所使用的13MHz的共振频率低于此理想频率。这是因为天线的共振器下方的自共振(其为不具有可调谐电容器的情况下的共振频率)为约35MHz。如果在不具有可调谐电容器的情况下，在此频率下使用共振器，那么天线对附近物体的敏感性可能变得显著。

一实施例使此效应减到最小，且同时使改变共振频率成为可能。将支配共振器的自电容的具有一值的可调谐电容器用于此目的。所添加的电容降低了天线的共振频率。

通常无法直接测量质量因子。代替地，可将定义

$Q=\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{\mathrm{\Δ\ω}}$ 等式2-1

用作起点，其中ω₀为中心或共振频率，且Δω对应于3dB带宽。因此，可通过测量两个参数ω₀和Δω来找出Q。

可如下找出3dB带宽。一阶串联RLC电路的阻抗Z由以下等式给出

$\underset{\‾}{Z}=R+\mathrm{j\ωL}+\frac{1}{\mathrm{j\ωC}}.$ 等式2-2

其是在以下等式的帮助下得到的

${\mathrm{\ω}}_0=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{LC}}}$ 等式2-3

以及

$Q=\frac{1}{R}\·\sqrt{\frac{L}{C}}.$ 等式2-4

可依据Q和ω₀来写电感L和电容C。

$L=\frac{\mathrm{QR}}{{\mathrm{\ω}}_0}$ 等式2-5

$C=\frac{1}{\mathrm{QR}\·{\mathrm{\ω}}_0}$ 等式2-6

如果在等式2-2中使用等式2-5和等式2-6，那么可用以下等式来表达阻抗

$\underset{\‾}{Z}=R+j\·\mathrm{QR}(\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_0}-\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{\mathrm{\ω}})..$ 等式2-7

还可使用质量因子Q来定义带宽(如在等式2-1中)

$\frac{\mathrm{\Δ\ω}}{2}=\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{2Q}.$ 等式2-8

阻抗相位由z的虚数部分除以z的实数部分的所得结果的反正切给出。在此除法中，R约去。如果另外还使用等式2-8，且在上部截止频率下对所述函数进行评估，那么所述相位由以下等式给出

等式2-9

如果对括号中的表达式进行简化，那么所述相位仅取决于Q。

等式2-10

如果Q增加，那么括号中的函数趋近于1。

等式2-11

来自等式2-11的结果对应于90度的角，其暗示z的虚数部分等于z的实数部分。接着可用网络分析仪来找出那两个点，且接着可使用等式2-1来计算Q。因此，通过使用此框架，可实际地确定此天线的Q值。

图7中展示天线的第二实施例。将耦合环700放置在远离天线710的主要部分大约0.1m处。在两个铜板721、722之间形成板式电容器。螺丝723、724、725由电容方面不活泼的材料(例如聚酰亚胺)形成。这些螺丝用于调整可调谐电容器720所提供的电容，且又调整天线的共振频率。

玻璃体730或其它电介质可位于天线下方，以使由于天线下方的障碍物而导致的损耗减到最小。

此外，如上文所述，表面传导对于使Q最大化来说是重要的。可施加银镀层或其它非腐蚀性材料，以保护铜不受腐蚀。

耦合环700可由相同的铜管材料形成，但仅具有一匝，且约为天线直径的一半。将耦合环放置在远离天线约0.1m处，以获得50W匹配。

下文阐释可如何确定天线各个部分的共振频率。在以下等式中，L为共振器自身的电感，Cs为共振器的自电容，且CT为与共振器相关联的可调谐电容器，Rr为辐射电阻，Rl为共振器的损耗电阻。

$L=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\π}\·N}^2{r}_A^2}{0.9r_A+l_A}$ 等式3-1

其中：

r_A＝环半径

N＝匝数

l_A＝天线的长度

μ₀＝1.2566·10-6

$C_S=\frac{{\mathrm{\π}}^2\·2r_A\·{\mathrm{\ϵ}}_0}{\ln (\frac{p}{2r_A}+\sqrt{{\left(\frac{p}{2r_A}\right)}^2-1})}$ 等式3-2

其中：

p＝天线的间距，对应于两匝之间的距离加上匝的直径

ε₀＝8.8542·10^-12

注意：见用于导出此公式的[GRA]。

$C_T=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0\·A}{d}$ 等式3-3

其中：

A＝板式电容器的面积

d＝板之间的距离

注意：这是近似公式，因为忽略了边缘现象。真实电容高于所计算出的结果。

$f_0=\frac{1}{2\mathrm{\π}\·\sqrt{L\·(C_T+C_S)}}$ 等式3-4

$R_r=320{\mathrm{\π}}^4{N}^2\left(\frac{\mathrm{\π}\·r_A^2}{{\mathrm{\λ}}^2}\right)$ 等式3-5

其中：

λ＝频率f₀下的波长

$R_t=1.25\·\frac{N\·\mathrm{\π}\·r_A}{r_w}\·\sqrt{\frac{f_0\·{\mathrm{\μ}}_0}{\mathrm{\σ}\·\mathrm{\π}}}$ 等式3-6

其中：

σ＝用于天线的金属的导电率，45·10⁶S/m用于计算

r_w＝铜管的半径

表8展示针对天线参数的当前值而获得的值。

L[μH](计算出的值)	9.05
		CS[pF](计算出的值)	1.9
CT[pF](在板距离从5mm到15mm变化的情况下计算出的值)	6.2到18.6
		Rr[欧姆]	0.0028
R1[欧姆]	0.264
		fR65[MHz](测量到的)	12.5
质量因子Q(计算出的)	2780
		质量因子Q(测量到的)	1300

表8

可进行用于路径增益测量的示范性测试布置以获得实际值。此测量可使发射器从接收器完全去耦，以避免同轴屏蔽物的表面上以及输电线上的功率转移。可分别在发射器和接收器侧使用信号产生器和以电池供电的频谱分析仪。

为了测量匹配的质量，用通过定向耦合器连接的功率表来测量从发射天线返回的能量。所述定向耦合器的前向耦合端口以50W的负载终止。在测量期间，匹配至少为20dB。可通过调整天线与耦合环之间的距离来改变匹配。

在接收器侧，频谱分析仪直接连接到接收天线。

针对两个天线使用相同的共振频率。去谐导致功率转移显著减少。接收天线可使用调谐辅助，例如特富龙(Teflon)条，其可选择性地插入到天线的可调谐电容器中，从而产生大约40kHz的共振偏移，或可使用如前面所述的可调整电容器。对于每一测量到的距离，接收天线经调谐以接收最大可用功率。通过略微调整信号产生器的频率来对发射天线进行调谐。

表9展示所得测量到的路径增益。

距离[m]	接收器处的电平[dBm]receiver[dBm|	发射器处的电平[dBm]	路径增益[dB]
				1.1	3.3	12.5	-9.2
1.5	-3.7	12.5	-16.2
				2.0	-10.5	12.5	-23.0
2.5	-18.5	12.5	-31.0
				3.0	-25.3	12.5	-37.8

表9

此外，由于无功电压可轻易超过若干kV，因此可能有用的是测试天线原型以确定所述无功电压，以便允许确定对电容器的合适大小设计。可使用以电方式去耦的系统。来自信号产生器的源信号由50dB RF放大器放大。在中间使用20dB衰减器来限制TX天线上的可用功率。

在放大器之后的3dB衰减器用于在误配天线的情况下保护放大器。为了测量匹配的质量，使用功率表来展示从天线返回的能量。在接收器侧，可使用较小的灯泡(50W/3W)来指示接收到的功率。已通过使用调谐辅助、通过改变信号产生器的频率以及通过改变天线与耦合环之间的距离来实现调谐和匹配。

表10中概括所述结果：

表10

在一个实施例中，对附近物体或人的敏感性可能由于(例如)杂散电容而导致共振频率的偏移。这可通过安置在天线周围的屏蔽物(例如，开槽或其它屏蔽物)来减轻。

在另一实施例中，代替上文所述的聚酰亚胺螺丝而使用具有高介电强度以及非常好的隔离能力的云母片。这还提高了质量因子。假定云母与聚合物相比吸收较少的能量。

在另一配置中，使用非常薄的云母或特富龙片来固持电容器并限制发射功率。

Q与带宽之间存在折衷。由于高质量因子，示范性第二天线的带宽有点窄，例如在13MHz的共振频率下约为9kHz。这产生某些调谐要求，因为两个天线必须在几乎完全相同的共振频率上工作。因此，在另一实施例中，使用上文所述的屏蔽物来减小如上文所述的天线对接近物体的敏感性。可使用电子调谐电路来自动调谐天线电路以维持相干性。去谐问题在像这样的Q非常窄的系统中变得尤其重要。此较窄的Q暗示较窄的带宽，其要求调谐更精密。

为了进一步评估各种外部或设计因素对Q的影响，考虑实验设置的各个方面，包含(例如)天线下方的玻璃体、电容器中的云母片、耦合环的损耗以及天线的近场内的所有物体的损耗。

为了评估这些因素，天线的环境必须尽可能地理想。因此，用两根细尼龙绳将示范性天线挂起来。使用两个耦合环来测量发射(S12/S21)而不是反射(S11)。将耦合环放置在天线的两侧，远离天线约0.6m，以实现次临界耦合。也就是说，当在外部电路中与在共振器本身中耗散相等量的功率时，耦合被说成为临界(且天线匹配)。次临界耦合意味着在共振器中比在外部电路中耗散更多功率，而过临界耦合意味着在外部电路中比在共振器中损耗更多功率。

对于此实施例而理论上预期的Q为2877。所实现的为2263的Q是理论值的78.6％。在此测试中几乎达到了理论值。然而，还注意到，较高的Q可使天线更容易受其环境影响。因此，在实践中，Q将有可能总是低于理论值。

第二测量展示了质量因子的另一特性。经负载质量因子QL应为当共振器被临界耦合时的条件下的未负载质量因子(Qul)的一半。

前述发射器和接收器设备(例如，天线以及任何相关联的电子或电气组件)在另一实施例中还可组成为收发器：即，适于发射和接收功率的装置。此装置可包括(例如)共用形状因子(例如，具有发射和接收天线两者以及安置在其中的电路的单个单元或“盒”)。此外，可将所述装置用作中继器，以经由接收天线从一个源接收能量，且接着使用发射天线将接收到的功率发射到另一源(或发射回到同一源)。这些事件(发射和接收)可同时发生或以一者相对于另一者被延迟的方式发生。可依据与发射和接收天线相关联的极化、强度、几何形状、相对间距和放置以及其它因素来修改值，或还可根据任何数目的众所周知的多址方案(例如，频分或FDMA(例如，其中第一天线(接收器或发射器)的共振频率与第二天线(发射器或接收器)的共振频率不同或分离))来管理所述值。作为又一选择，两个天线可使用相同或不同频率，且关于其操作而经时间划分或时间分段(例如，TDMA)。

在另一替代方案中，可使用类似于“CSMA”的方法(无论具有还是不具有“冲突检测”)，例如其中一个装置主动或被动检测或感测另一者的活动，且相应地调整其行为。在一个此类实施例中，发射器在发射之前先检测接收器的状态(例如，是否处于共振、正产生电流等)，且将此用作发射的选通标准。

另一实施例使用“共振频率跳跃”方法，其中借助于使共振频率作为时间的函数而周期性地或确定性地或伪随机地跳跃来实现多址或其它目的，例如消除或减轻瑞利(Rayleigh)或天线多样性衰落或其它此类问题。举例来说，发射器和接收器可“播种”对应的确定性算法，以便相互产生共用跳跃序列，其允许它们维持同步。或者，可使用“带内”(例如，经调制的功率信号)信令来事先(或在其进行时)将跳跃序列从发射器发射到接收器；例如，“我将在下一时间间隔跳跃到频率X，且在那之后跳跃到频率X+Y......”，等等。可使用单独的低功率发射器(例如，RF或蓝牙)来使特定信息同步。还可以类似方式发送计时信息。

在另一实施例中，使用被动“冲突检测”或CD方法，例如在发射器试图发射的情况下，且确定干扰操作是否同时发生。举例来说，可通过检测共振频率、发射效率、来自接收器的反馈或某种其它检测来进行所述确定。此干扰操作可能是由接收器的操作、寄生或杂散电容效应、调谐损耗或其它类似效应造成的。

发射器在此时可采取行动来避免所述问题。

在一实施例中，由于干扰通常是暂时的，因此发射器可终止正在进行的发射且稍后再试。此情况的一个实例是通过经由防冲突算法进行随机退避。一个实施例允许将已发射的功率存储在存储部分(例如电池)中。因此，装置可暂时停止功率发射；同时仍允许被供电装置操作。

发射器可试图将其自身调谐到不同的共振频率以便减轻干扰，且/或试图调谐或以其它方式改变接收器的操作。

另一选择是增加增益以便增加能量转移速率。这可操作以犹如“炸穿”干扰。

可使用调整发射器和/或接收器的极化或定向的系统，例如经由物理上更改天线位置的电机驱动器或类似机构。

或者可使用上述各项的任一组合。这些特征可在发射器处实施，且/或在接收器基础上实施，或在发射器与接收器之间合作或协调地实施。

另一实施例在装置之间使用信令信息(例如，“发射器，这是我实际接收到的东西，你可将此与你实际发送的东西进行比较以对你自身进行调谐”)，其与如由接收器确定的功率转移等级或速率有关。此外，可以此方式实施前面所提及的多址方案；例如，基于如经由通信信道传送回到发射器的接收器接收到的功率中的降落的退避或CD。

作为又一替代实施例，可使用多个发射器和/或接收器，且如在多个发射器(和/或接收器)之间实施前面所提及的特征。举例来说，可如在两个可能发生冲突的发射器之间应用FDMA、TDMA、CSMA或CD技术。

前述功能可在电气或电子组件等级处实施；例如，经由简单的门逻辑或类似物，实施为从离散组件到高度集成电路的任何东西，实施为在(例如)微控制器或数字处理器上运行的计算机程序或应用程序，其经由安置在IC上的固件、以手动方式或使用达到适用程度的硬件(例如，机电调谐器、电动机等)来实现。

此外，本申请案预期通过环境特性来动态地更改或改变一个或一个以上天线或电路参数。举例来说，这可改变天线特性。可改变的特性可包含调谐电容、电阻值、环或线圈的半径(例如，经由导致用于形成天线环的材料伸长或收缩的热效应，从而改变其有效半径)、接近其的天线或组件的特性(例如，通过选择性地施加特定电场或磁场，可能选择性地更改材料或组件内的偶极子的对准，从而影响天线的特性)，以及电气或电子处理，例如功率信号处理、过滤、调制和其它处理。

举例来说，在一个实施例中，发射器的(占优势的)磁场可被调制或外加有信息，以便连同功率一起传送信息。

在另一实施例中，此信息包括接收器与发射器之间的控制信令，从而排除任何单独数据或通信链路(且因此简化系统并使其更稳固)。举例来说，发射器可(例如)经由振幅调制、相位调制、边带或频率调制(例如，GMSK或边带上移或下移，以对数据“0”或“1”进行编码)、伪噪声调制或其它技术来以时间为函数对所发射的窄带信号进行调制。这允许传送尤其与发射器参数(例如共振频率、极化等)有关的信息，其原本可能允许接收器更好地“锁定”发射器以优化功率转移。还可对工作周期、时钟或计时信息进行编码：例如，在其期间发射器将运作的窗，以使参考的时间帧同步等。

本文中阐释对天线性能的理论限制。考虑多个方面，例如天线效率、质量因子(带宽)和大小。另外，建立用于近场中和远场中的无线电波传播的模型。

电学上较小的天线是可配合到弧度球体的小部分中的天线，所述弧度球体为具有半径rmax的球体

$r_{\max }=\frac{1}{k}=\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\π}}=\frac{c}{2\mathrm{\πf}}=\frac{d_{\max }}{2}$ (等式A-1)

其中：k为以m-1为单位的波数

l为以m为单位的波长

c为光速299792458ms-1

f为以Hz为单位的频率，且

dmax为弧度球体的直径

在几乎所有情况下，用于此应用的天线在电学上将较小(即，kr＜1)，其中kr＝d/lo。

电学上较小的天线通常不是自共振的。对于低频率，天线为电容性的(偶极天线)或电感性的(环形天线)。它们可(例如)由一阶串联RC或并联RL电路来近似表示。通过用相反种类的电抗器进行调谐来使所述天线共振。

图8中针对电容性情况来展示此天线的等效电路。所述天线的一个主要元件是辐射电阻Rr。在等效电路中，此电阻器模拟辐射功率。损耗电阻器RL是天线的传导和介电损耗的原因。电容器C表示天线的无功组件。电容器C连同外部匹配电感器L一起形成共振电路，其被调谐到操作频率。此电路还可被模型化为与并联共振电路等效的表示。

$R_o+j{\mathrm{\ω}}_{o}L=\left(\frac{R_L+R_r}{R_a}\right)-j\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{o}C},{\mathrm{\ω}}_o=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{LC}}}$

其中：

Rs为以Ω为单位的源电阻

Ra为以Ω为单位的天线电阻

RL为以Ω为单位的损耗电阻

Rr为以Ω为单位的辐射电阻

ω0为以rads^-1为单位的共振频率

L为以H为单位的匹配电感

C为以F为单位的天线电容

(等式A-2)对于最大功率转移，天线和匹配网络阻抗在共振时与天线阻抗复共扼匹配。

可针对电感性天线的情况导出类似电路。

申请人相信，对此天线的效率和质量因子存在基本限制。如果需要某一天线性能，那么天线的大小无法减小到任意值。类似于通信理论中众所周知的香农(Shannon)限制(其使信道容量与带宽和动态范围相关)，天线理论中也存在使最小天线大小与辐射质量因子相关的基本限制。

已多次尝试计算对天线大小的理论限制。楚(Chu)[CHU]和哈林顿(Harrington)[HAR]已做了基础工作。他们的理论指出，天线完全被具有半径r的球体包围。所述球体外部的场可被表达为径向向外传播的经加权球面波的总和。每一个波(模式)均展现出功率正交性，且因此独立于其它波而携载功率。

数学上可证明，可用无穷数目个不同的源分布来产生球体外部的特定场。因此，球体外部的场与天线的特定实施方案无关。根据楚的计算，已展示仅激发一个模式(TE01或TM01)的天线实现任何线性极化天线的最低可能辐射质量因子。基于上文所述的基础工作，汉森(Hansen)导出了此质量因子Qr的近似分析表达[HAN]，其已在文献中多次被引用。麦克林(Mclean)进一步开发并校正了汉森的工作[MLE]，从而给出线性极化天线的辐射质量因子Qr的确切表达：

$Q_r=\left\{\begin{array}{c}2\mathrm{\ω}\frac{W_e}{P_r},W_e>W_m\left(\mathrm{capactive\; antenna}\right)\\ 2\mathrm{\ω}\frac{W_e}{P_r},W_m>W_e\left(\mathrm{inductive\; antenna}\right)\end{array}\right\}$ 等式3

$=\frac{1}{{\left(\mathrm{kr}\right)}^3}+\frac{1}{\mathrm{kr}}$

其中：

Q_r为辐射质量因子(无单位)

ω为以rads^-1为单位的弧度频率

We为以J为单位的经时间平均、非传播、所存储的电能

W_m为以J为单位的经时间平均、非传播、所存储的磁能

P_r为以W为单位的辐射功率

此等式展示电学上较小的天线(k；＜＜1)的主要项是立方项。然而，对于较大天线(k；＞＞1)，辐射质量因子将由线性项决定。

天线的物理实施方案展现出损耗，即其辐射效率由于非理想的导体和电介质而小于一。效率的减小对总质量因子(被称为天线质量因子)具有影响。假定天线的功率与源的功率匹配，那么天线质量因子Qa导致：

Q_n＝η_rQ_r                                等式A4

其中：

Q_a为天线质量因子(无单位)

其中：

Q″是天线质量因子(无单位)

可根据等式A3和等式A4导出三个重要关系：

对于小型天线来说，效率与相对天线大小的立方成比例，且因此也与天线大小的立方且与频率的立方成比例：

η_r∝(kr)²∝r³∝f³                       等式5

对于大型天线来说，效率与相对天线大小成比例，且因此也与天线大小和频率成比例：

η_r∝kr∝r∝f                            等式6

一般来说，辐射效率与天线质量因子成比例：

η_r∝Q_α                                 等式7

对于图4和图5中的天线模型来说，辐射质量因子Q_r和辐射效率η_r的值被给出为：

$Q_{r,\mathrm{cap}}=\frac{\mathrm{Im}\left\{Z_a\right\}}{\mathrm{Re}\left\{Z_a\right\}}=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_o{R}_{r}C}$ 等式8

$q_{r,\mathrm{ind}}=\frac{\mathrm{Im}\left\{Y_a\right\}}{\mathrm{Re}\left\{Y_a\right\}}=\frac{R_r}{{\mathrm{\ω}}_{o}L}$ 等式9

${\mathrm{\η}}_r=\frac{P_r}{P_{\mathrm{in}}}=\frac{R_r}{R_r+R_L}$ 等式10

其中：

η_r为辐射效率(无单位)

Za为以Ω为单位的天线输入阻抗

Ya为以Ω-1为单位的天线输入导纳

Pr为以W为单位的共振时的辐射功率

Pin为以W为单位的共振时的到达天线的功率输入

这展示对于给定辐射效率，减小天线大小会使天线质量因子增加。对于给定天线大小，减小辐射效率会产生较低的天线质量因子。因此，对于给定辐射效率，较高天线质量因子是对较小天线大小的处罚。

天线质量因子随着频率增加且天线大小增加而减小，当辐射用于无线供电和充电系统时，天线效率是最重要的标准，因为这决定两个天线之间可传输多少功率。等式5说明天线效率与相对天线大小的立方成比例，且因此也与绝对天线大小的立方成比例。假定天线质量因子保持恒定，那么大小增加10倍会引起天线效率改进30dB(1000倍)。

等式7展示天线质量因子与天线效率成比例。假定相对天线大小是恒定的，那么天线质量因子增加10倍会使天线效率增加10dB(10倍)。天线效率与频率的立方成比例。假定天线大小和天线质量因子保持恒定，那么频率增加10倍会导致天线效率改进30dB(1000倍)。

不同于上文已描述的对效率和质量因子的基本限制，增益并不存在物理限制。然而，与增益相反，对可用某些天线类型实现的方向性存在良好认知。方向性被与增益联系起来，如下：

G＝hD                                                        (A11)

根据巴拉尼斯(Balanis)[BAL]，小型偶极子的方向性为D＝1.5。相同方向性还应用于小型环。当应用电场和磁场的二元性原理时，此相似性变得清楚，因为可在磁性偶极子的帮助下描述小型环。

可从并非电学上较小的天线预期较高的方向性。(例如)对于如从图A1可见的偶极子来说情况正是如此。如果最大天线尺寸约为波长，那么所述方向性高于小型偶极子的方向性。然而，对于无线供电和充电系统来说，仅对高于1GHz的频率来说情况才是如此。

无线电波传播

天线的特性展示出对观察其场所在处的点(依据距离)的较强依赖性。近场与远场之间通常形成差别。在近场区中，电磁能量主要被存储且不辐射(定波)。此区的边界通常被定义为：

近场：在近场区中，电磁能量主要被存储且不辐射(定波)。此区的边界通常被定义为：

$\mathrm{kr}<<1\&LeftRightArrow;r<<\frac{\mathrm{\&lambda;}}{2\mathrm{\&pi;}},$

其中：

k为波数；且

r为距天线的观察距离。

在远场区中，大多数电磁能量被辐射而不存储。此区域的边界通常被定义为：

远场；在远场区中，大多数电磁能量被辐射而不存储。此区域的边界通常被定义为：

$\mathrm{kr}>>1\&LeftRightArrow;r>>\frac{\mathrm{\&lambda;}}{2\mathrm{\&pi;}}.$

在近场与远场之间，出现从定波到传播波的转变。这是所谓的转变区。

对于距天线0.5m到5m的距离，近场与远场之间的边界在10MHz到100MHz的频率范围内。

所有的无线电波在近场中与在远场中以非常不同的方式传播。根据无线电通信理论，佛林斯传输等式(Friis transmission equation)是众所周知的。其描述接收到的功率与发射天线的功率的比率，其中假定某一接收和发射天线增益以及这些天线之间的某一间隔：

$\frac{P_{\mathrm{Rx}}}{P_{\mathrm{Tx}}}=G_{\mathrm{Tx}}{G}_{\mathrm{Rx}}{\left(\frac{\mathrm{\&lambda;}}{4\mathrm{\&pi;r}}\right)}^2$ 等式12

此等式仅在远场中有效。对于两个天线之间的能量传输的更一般处理，开发出新的等式，其还涵盖近场。

电学上较小的偶极子的辐射场将被视为此一般无线电波传播模型的基础。因为电场与磁场的二元性的原理，所以还可使用偶极子来模拟环形天线。因此，偶极子的电场分量对应于环的磁场分量，且反之亦然。

等式13和等式14展示小型偶极子的电场和磁场的分量。电场的径向分量已被省略，因为其仅是存储在近场中的无功能量的原因。

$E_{\mathrm{\&theta;}}=\mathrm{j\&eta;}\frac{k{I}_{o}l\sin \mathrm{\&theta;}}{4\mathrm{\&pi;r}}[1+\frac{1}{\mathrm{jkr}}-\frac{1}{{\left(\mathrm{kr}\right)}^2}]\&CenterDot;e^{-\mathrm{jkr}}$ 等式13

$H_{\mathrm{\&phi;}}=j\frac{k{I}_{o}l\sin \mathrm{\&theta;}}{4\mathrm{\&pi;r}}[1+\frac{1}{\mathrm{jkr}}]\&CenterDot;e^{-\mathrm{jkr}}$ 等式14

在这些等式中，r为距天线的距离而不是天线半径。在一些代数操作之后，可获得用于场量值的以下简化等式：

${\left|E_{\mathrm{\&theta;}}\right|}^2\&Proportional;\frac{1}{{\left(\mathrm{kr}\right)}^2}-\frac{1}{{\left(\mathrm{kr}\right)}^4}+\frac{1}{{\left(\mathrm{kr}\right)}^6}\&Proportional;P_{\mathrm{RX},E}$ 等式15

${\left|H_{\mathrm{\&phi;}}\right|}^2\&Proportional;\frac{1}{{\left(\mathrm{kr}\right)}^2}+\frac{1}{{\left(\mathrm{kr}\right)}^4}\&Proportional;P_{\mathrm{RX},H}$ 等式16

从共极化天线(即，其中发射天线和接收天线彼此平行的一种天线)接收到的功率与如上文所述求平方的入射场的经时间平均的值成比例。因此，可如下计算路径增益

$G_{\mathrm{path},E_{\mathrm{\&phi;}}}=\frac{P_{\mathrm{RX},E}}{P_{\mathrm{TX}}}=\frac{G_{\mathrm{Tx}}{G}_{\mathrm{Rx}}}{4}[\frac{1}{{\left(\mathrm{kr}\right)}^2}-\frac{1}{{\left(\mathrm{kr}\right)}^4}+\frac{1}{{\left(\mathrm{kr}\right)}^6}]$ 等式17

$G_{\mathrm{path},H_{\mathrm{\&phi;}}}=\frac{P_{\mathrm{RX},H}}{P_{\mathrm{TX}}}=\frac{G_{\mathrm{Tx}}{G}_{\mathrm{Rx}}}{4}[\frac{1}{{\left(\mathrm{kr}\right)}^2}+\frac{1}{{\left(\mathrm{kr}\right)}^4}]$ 等式18

等式17是类似天线的传播定律(从偶极子到另一共极化偶极子的传播，或从环到另一共极化环的传播)。等式18是不同天线的传播定律(从偶极子到共极化环的传播，或从环到共极化偶极子的传播)。近场中的路径增益远高于通过应用远场理论(佛林斯等式)将预期到的路径增益。对于近场中类似天线之间的传输，可预见60dB/十进位的路径损耗，而近场中不同天线之间的传输具有40dB/十进位的路径损耗。这与远场中所预见的20dB/十进位的路径损耗形成对比。

可使用这些等式来确定可用于此目的的额外天线和特性。

尽管上文仅已详细揭示了几个实施例，但其它实施例是可能的，且发明人希望这些实施例包含在本说明书内。本说明书描述具体实例以实现可以另一方式实现的更一般目标。本揭示内容既定为示范性的，且权利要求书既定为涵盖所属领域的技术人员可能会预测到的任何修改或替代方案。

举例来说，可使用其它天线形式和选择。如本文所使用的术语“供电”可指代任何类型的能量、功率或力转移。接收源可为靠所存储能量操作的任何装置，包含计算机或外围设备、通信装置、汽车或任何其它装置。本发明的前述发射器、接收器和收发器设备的无数应用被认可。借助于实例而无限制，此些应用包含：(i)对便携式计算机、PMD、客户端装置、蜂窝式电话等进行供电或充电；(ii)对平面屏幕或壁装电视机或显示器进行供电或充电；(iii)对冰箱进行供电或充电(例如，通过将发射器放置在冰箱后面的墙上，且将接收器放置在冰箱中接近所述发射器处)；(iv)对电车进行供电或充电(例如，通过将发射器放置或构造在车库的地面中，且将接收器放置在车的底部)；(v)对家庭或办公室照明(例如，无绳的白炽灯、萤光灯或基于LED的灯)进行供电或充电；(vi)对家庭或办公室用具(例如，烤箱、搅拌机、时钟、电视机、微波炉、打印机、计算机等)进行供电或充电；(vii)同时对多个装置进行供电或充电(例如，通过使用实质上全向发射器布置)；以及(viii)对其中具有电压的电导体的存在将造成危险(例如，靠近水、靠近儿童等)的装置进行供电或充电。

如本文所使用，术语“电气组件”和“电子组件”可互换使用，且指代(但不限于)适于提供某一电气或电子功能的组件，其中包含(但不限于)电感性电抗器(“扼流圈”)、变压器、滤波器、有隙芯环形线、电感器、电容器、电阻器、运算放大器、变容二极管、MEMS装置、FET以及其它晶体管和二极管，无论是离散组件还是集成电路，无论是以单独形式还是组合形式。

如本文所使用，术语“集成电路(IC)”指代具有任一集成等级(包含(但不限于)ULSI、VLSI和LSI)且不管工艺或基本材料(包含(但不限于)Si、SiGe、CMOS和GAs)如何的任何类型的装置。IC可包含(例如)存储器装置(例如，DRAM、SRAM、DDRAM、EEPROM/快闪、ROM)、数字处理器、SoC装置、FPGA、ASIC、ADC、DAC和其它装置，以及其任何组合。

如本文所使用，术语“数字处理器”大体上打算包含所有类型的数字处理装置，其中包含(但不限于)数字信号处理器(DSP)、精简指令集计算机(RISC)、通用(CISC)处理器、微处理器、门阵列(例如，FPGA)、可重配置计算结构(RCF)以及专用集成电路(ASIC)。此类数字处理器可包含在单个一元IC裸片上，或分布在多个组件上。

如本文所使用，术语“计算装置”、“客户端装置”以及“最终用户装置”包含(但不限于)：个人计算机(PC)和小型计算机，不管是桌上型计算机、膝上型计算机还是其它；机顶盒，例如摩托罗拉(Motorola)DCT2XXX15XXX以及亚特兰大科学开发公司(Scientific Atlanta Explorer)2XXX13XXX/4XXX18XXX系列数字装置；个人数字助理(PDA)，例如

或

族的装置；手持式计算机；个人通信装置；装备有J2ME的装置；蜂窝式电话；或能够使用功率或与网络互换数据的几乎任何其它装置。

如本文所使用，术语“存储器”包含适于存储数字数据的任何类型的集成电路或其它存储装置，其中包含(但不限于)ROM、PROM、EEPROM、DRAM、SDRAM、DDR/2SDRAM、EDOIFPMS、RLDRAM、SRAM、“快闪”存储器(例如，NANDINOR)以及PSRAM。

而且，发明人希望只有那些使用词语“用于......的装置”的权利要求既定为根据35USC 112第六段来解释。此外，来自本说明书的任何限制均不既定施加给任何权利要求，除非那些限制明确地包含在所述权利要求中。

本文所描述的操作和/或流程图可在计算机上进行或手动进行。如果在计算机上进行，那么所述计算机可为任何种类的计算机，通用计算机或某种专用计算机(例如工作站)。所述计算机可为基于英特尔(Intel)(例如，奔腾(Pentium)或酷睿2双核(Core2duo))或AMD的计算机，其运行视窗XP(Windows XP)或哩纳克斯(Linux)，或所述计算机可为梅肯套希(Macintosh)计算机。所述计算机还可为手持式计算机，例如PDA、手机或膝上型计算机。此外，本文所描述的方法步骤和操作可在实行这些功能的专用机器上进行。

程序可用C或派森(Python)、或爪哇(Java)、Brew或任何其它编程语言来编写。程序可驻存在存储媒体(例如，磁性或光学)上，所述存储媒体例如是计算机硬盘驱动器、可装卸磁盘或媒体(例如存储棒或SD媒体)、基于有线或无线网络或基于蓝牙的网络附加存储(NAS)或其它可装卸媒体或其它可装卸媒体。程序还可经由网络来运行，例如其中服务器或其它机器将信号发送到本地机器，其允许本地机器进行本文所述的操作。

在本文提及具体数值之处，应考虑所述值可增加或减小20％，同时仍保留在本申请案的教示内，除非特别提及某一不同范围。在使用指定逻辑意义之处，还既定包含相反的逻辑意义。

Claims (82)

1.一种方法，其包括：

将功率感应到发射天线的近场磁场中；以及

连同接收天线一起操作所述发射天线，以将所述功率以磁性方式耦合到接收天线，所述接收天线具有与所述发射天线匹配的至少一个特性；以及

调谐所述天线中的至少一者以改进其之间的匹配。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述匹配包括匹配所述天线之间的阻抗。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述调谐包括在所述天线中的所述至少一者中使用可调整电容器，以及将所述可调整电容器的电容值以电方式调整为所要值。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述调谐包括调整电容器中的板之间的距离。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述调整包括使用由非电气材料制成的螺丝。

6.根据权利要求3所述的方法，其中所述可调整电容器包括可以电方式调整的电容器，且所述调谐包括自动调谐。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述可以电方式调整的电容器包括变容二极管。

8.根据权利要求3所述的方法，其除所述可调整电容器之外进一步包括固定值电容器。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述可变电容器具有所述固定值电容器的电容值的10％。

10.根据权利要求2所述的方法，其进一步包括检测降低所述发射器与接收器之间的匹配的暂时情形，以及响应于所述检测而进行至少一个操作。

11.根据权利要求10所述的方法，其中在所述发射器处进行所述检测。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述至少一个操作包括终止功率发射，直到所述暂时情形被终止为止。

13.根据权利要求2所述的方法，其中所述调谐包括在所述至少一个天线中使用可以电方式调整的电容器，以及将所述可以电方式调整的电容器的电容值以电方式调整为所要值，且其中所述至少一个操作包括改变所述可调整电容器的值。

14.根据权利要求1所述的方法，其中所述发射器和所述接收器两者均由圆形导电材料环所制成的天线形成。

15.根据权利要求1所述的方法，其中所述操作包括将能量存储在所述发射天线的场中和场附近，以及将所述能量感应到所述接收天线中。

16.根据权利要求1所述的方法，其中所述天线中的每一者具有至少为1000的Q。

17.根据权利要求1所述的方法，其中所述天线中的每一者为磁性天线，其被调谐到其共振值的10％内。

18.根据权利要求2所述的方法，其中所述天线在其中包含电容器，且所述方法进一步包括将所述电容器的大小设计为能承受至少2KV的无功电压。

19.一种无线功率发射器，其包括：

功率发射器，其产生待经由磁性链路以无线方式发射的功率；以及

电感性环形天线部分，其具有连接到所述电感性环部分的至少一个电容性部分，其中所述电容性部分的大小被设计为能承受至少2KV的无功电压。

20.根据权利要求19所述的发射器，其进一步包括接收器，所述接收器具有与发射天线匹配的接收天线。

21.根据权利要求19所述的发射器，其进一步包括调谐部分，所述调谐部分允许对所述天线进行调谐。

22.根据权利要求21所述的发射器，其中所述调谐部分包括可调整电容器。

23.根据权利要求22所述的发射器，其中所述可调整电容器包括具有距离可被调整的板的电容器。

24.根据权利要求23所述的发射器，其中所述电容器具有由非电气材料制成的螺丝。

25.根据权利要求21所述的发射器，其中所述调谐部分包括可以电方式调整的电容器。

26.根据权利要求25所述的发射器，其中所述调谐部分包括变容二极管。

27.根据权利要求25所述的发射器，其除所述可调整电容器之外进一步包括固定值电容器。

28.根据权利要求27所述的发射器，其中所述可变电容器具有所述固定值电容器的电容值的10％。

29.根据权利要求20所述的发射器，其进一步包括检测所述发射器与接收器之间的匹配的降低并响应于所述检测而进行至少一个操作的部分。

30.根据权利要求29所述的发射器，其中所述装置终止功率发射，直到暂时情形被终止为止。

31.根据权利要求29所述的发射器，其进一步在至少一个天线中包括可调整电容器，且所述装置将所述可以电方式调整的电容器的电容值以电方式调整为所要值，以改变所述可调整电容器的值以便改进所述匹配。

32.根据权利要求19所述的发射器，其中所述天线由圆形导电材料环制成。

33.根据权利要求19所述的发射器，其中所述天线具有至少为1000的Q。

34.根据权利要求19所述的发射器，其中所述天线为磁性天线，其被调谐到其共振值的10％内。

35.根据权利要求19所述的发射器，其中所述天线具有连接到所述功率发射器且形成耦合环的第一部分，以及，功率被以电方式感应到其中的未以电方式连接到所述耦合环的第二部分。

36.根据权利要求19所述的发射器，其中所述天线的至少一部分从所述功率发射器以电方式去耦。

37.根据权利要求19所述的发射器，其中所述天线的至少一部分涂覆有防腐蚀材料。

38.一种无线功率接收器，其包括：

电感性环形天线部分，其具有连接到所述电感性环部分的至少一个电容性部分，其中所述电容性部分的大小被设计为能承受至少2KV的无功电压；以及

功率接收器，其经耦合以从所述电感性环形天线部分接收已由磁性链路以无线方式发射的功率。

39.根据权利要求38所述的接收器，其中所述电感性环形天线部分形成接收天线，且所述接收器进一步包括发射器，所述发射器具有与所述接收天线匹配的发射天线。

40.根据权利要求38所述的接收器，其进一步包括调谐部分，所述调谐部分允许对所述天线进行调谐。

41.根据权利要求40所述的接收器，其中所述调谐部分包括可调整电容器。

42.根据权利要求41所述的接收器，其中所述可调整电容器包括具有距离可被调整的板的电容器。

43.根据权利要求42所述的接收器，其中所述电容器具有由非电气材料制成的螺丝。

44.根据权利要求40所述的接收器，其中所述调谐部分包括可以电方式调整的电容器。

45.根据权利要求44所述的接收器，其中所述调谐部分包括变容二极管。

46.根据权利要求44所述的接收器，其除所述可调整电容器之外进一步包括固定值电容器。

47.根据权利要求46所述的接收器，其中所述可变电容器具有所述固定值电容器的电容值的10％。

48.根据权利要求39所述的接收器，其进一步包括检测所述接收器与发射器之间的匹配的降低并响应于所述检测而进行至少一个操作的部分。

49.根据权利要求48所述的接收器，其中所述装置终止功率发射，直到暂时情形被终止为止。

50.根据权利要求48所述的接收器，其进一步在至少一个天线中包括可调整电容器，且所述装置将所述可以电方式调整的电容器的电容值以电方式调整为所要值，以改变所述可调整电容器的值以便改进所述匹配。

52.根据权利要求38所述的接收器，其中所述天线由圆形导电材料环制成。

53.根据权利要求38所述的接收器，其中所述天线具有至少为1000的Q。

54. 根据权利要求38所述的接收器，其中所述天线为磁性天线，其被调谐到其共振值的10％内。

55.根据权利要求38所述的接收器，其中所述天线的至少一部分涂覆有防腐蚀材料。

56.一种无线功率发射器，其包括：

功率发射器连接件，其接收待经由磁性链路以无线方式发射的能量；

第一耦合天线部分，其经以电方式连接以接收所述能量；以及

第二天线部分，其与所述第一耦合部分且与所述功率发射器连接件以电方式断开，且操作以便以磁性方式发射所述能量。

57.根据权利要求56所述的发射器，其中所述天线部分中的至少一者包含电感性环形天线部分，其具有连接到所述电感性环部分的至少一个电容性部分，其中所述电容性部分的大小被设计为能承受至少2KV的无功电压。

58.根据权利要求56所述的发射器，其进一步包括调谐部分，所述调谐部分允许对所述天线进行调谐。

59.根据权利要求58所述的发射器，其中所述调谐部分包括可调整电容器。

60.根据权利要求56所述的发射器，其中所述可调整电容器包括具有距离可被调整的板的电容器。

61.根据权利要求58所述的发射器，其中所述调谐部分包括可以电方式调整的电容器。

62.根据权利要求61所述的发射器，其中所述调谐部分包括变容二极管。

63.根据权利要求61所述的发射器，其除所述可调整电容器之外进一步包括固定值电容器。

64.根据权利要求63所述的发射器，其中所述可变电容器具有所述固定值电容器的电容值的10％。

65.一种方法，其包括：

将功率从发射天线发射到接收天线；

自动检测使所述发射天线与接收天线之间的关系去谐的去谐事件；以及

响应于所述检测，自动采取行动以改变所述发射的特性。

66.根据权利要求65所述的方法，其中所述行动包括在所述去谐事件的时间期间终止装置功率发射。

67.根据权利要求65所述的发射器，其中所述行动包括将所述天线中的一者以电子方式调谐到不同的共振值。

68.一种无线功率发射器，其包括：

功率发射器连接件，其接收待经由磁性链路以无线方式发射的能量；

至少一个天线部分，其由单个导电材料环形成；以及

电容器部分，其具有一值以使所述天线的L和C值与所述功率发射器的频率匹配。

69.根据权利要求68所述的发射器，其中所述天线包含第一耦合天线部分，其经以电方式连接以接收所述能量；以及

第二天线部分，其与所述第一耦合部分且与所述功率发射器连接件以电方式断开，且操作以便以磁性方式发射所述能量。

70.根据权利要求68所述的发射器，其中所述电容器部分的大小被设计为能承受2KV的无功电压。

71.一种方法，其包括：

以磁性方式将功率从发射天线发射到接收天线，其中所述天线中的每一者对于指定频率具有大于1000的Q值；以及

对所述天线进行调谐以将共振维持在所述指定频率下。

72.一种方法，其包括：

使用具有大于1000的Q值的发射天线来形成其中具有能量的辐射磁场；

在未通过任何电线连接到所述发射天线的接收天线位置处，从所述发射天线的所述辐射场提取能量；以及

在未通过任何电线连接到所述发射天线的电子装置中使用所述能量。

73.根据权利要求72所述的方法，其进一步包括对所述天线中的一者进行自适应调谐电路。

74.根据权利要求73所述的方法，其中由与所述天线中的至少一者相关联的电路自动进行所述自适应调谐。

75.根据权利要求72所述的方法，其进一步包括使接收天线的电阻匹配于负载电阻。

76.根据权利要求72所述的方法，其进一步包括屏蔽所述天线中的至少一者使其免受对共振的外部影响。

77.根据权利要求76所述的方法，其中所述屏蔽物是防备杂散电容的。

78.一种设备，其包括：

接收天线，其操作以在未通过任何电线连接到任何发射天线的接收天线位置处从辐射场提取能量；以及

功率系统，其在未通过任何电线连接到所述发射天线的电子装置中使用所述能量。

79.根据权利要求78所述的设备，其进一步包括自适应调谐电路，从而改变所述天线中的一者的调谐值。

80.根据权利要求79所述的设备，其中所述自适应调谐电路为与所述天线中的至少一者相关联的自动调谐电路。

81.根据权利要求78所述的设备，其进一步包括匹配电路，所述匹配电路使接收天线的电阻匹配于负载电阻。

82.根据权利要求78所述的设备，其进一步包括屏蔽物，所述屏蔽物屏蔽所述天线中的至少一者使其免受对共振的外部影响。

83.根据权利要求82所述的设备，其中所述屏蔽物为开槽屏蔽物。

Images