CN101828339A - 使用耦合天线的无线能量转移 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种功率发射系统，其在以无线方式耦合到接收器的源处产生磁场。所述源和接收器两者是电容性耦合的LC电路，其在谐振处或谐振附近被驱动。

Description

使用耦合天线的无线能量转移

背景技术

在不使用电线来引导电磁场的情况下从源向目的地转移电能是合意的。在历史上许多电磁场专家(最著名的是20世纪早期的尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla))已尝试此无线能量转移。这些先前尝试的困难是低效率连同不足量的所递送功率。

发明内容

本申请案教示无线电能转移，且教示用于所述能量转移的特定技术。

各方面描述特定的天线以及发射器与接收器之间的特定类型的耦合。

附图说明

现在将参看附图详细描述这些和其它方面，在附图中：

图1展示基于磁波的无线功率发射系统的框图；

图2说明图1的框图中的电路的电路图；

图3说明示范性近场条件曲线图；

图4到图8说明示范性发射天线；

图9说明示范性接收天线；以及

图10A到图10C说明所述接收天线的数据曲线图。

具体实施方式

本申请案描述经由电磁场耦合从功率源向功率目的地的能量转移。实施例描述用于新的耦合结构(例如，发射和接收天线)的技术。

展示优选实施例，其中主要耦合主要使用磁场组件经由电感性耦合而发生。在例如图1所示的实施例中，能量在发射天线的区域中形成为静止磁波。所产生的能量至少部分为非辐射性的静止磁场。所产生的场不是完全磁性的，也不是完全静止的，但至少一部分是这样的。与将持续传播到空间中且使其能量浪费的行进磁波不同，静止磁波的至少一部分保留在发射天线的区域中，且通过所揭示的技术而使得其可用。

其它实施例可使用所述实施例的类似原理，所述原理同样适用于主要为静电和/或电动的场耦合。大体上，可使用电场代替磁场作为主要的耦合机制。

实施例的一方面是经由增加处于用于所使用的电磁场、电压或电流的正弦波形的自谐振频率的耦合结构(主要是天线)的所谓Q因数而带来的高效率的使用。我们已发现，对于使用单个大体上未经调制的正弦波的系统来说，功率的效率和量是优良的。明确地说，性能优于尝试俘获宽带波形中或多个具有不同频率的相异正弦波形中含有的功率的宽带系统。根据所使用材料的现实特性，其它实施例可能使用较不纯净的波形。

本文描述实现具有相对高的Q因数的小谐振天线的技术。谐振装置的Q是谐振装置的谐振频率与所谓的“三分贝”或“半功率”带宽的比率。虽然存在若干“定义”，但全都在按照谐振电路元件的测量或值来描述Q的方面大体上彼此等效。

图1中展示基本实施例。功率发射器组合件100从源(例如，AC插头102)接收功率。频率产生器104用以将能量耦合到天线110(此处为谐振天线)。天线110包含电感性回路111，其以电感性方式耦合到高Q谐振天线部分112。谐振天线包含N数目个线圈回路113，每一回路具有半径R_A。电容器114(此处展示为可变电容器)与线圈113串联，从而形成谐振回路。在所述实施例中，电容器是与线圈完全分离的结构，但在某些实施例中，形成线圈的电线的自电容可形成电容114。

频率产生器104可优选经调谐到天线110，且还经选择以获得FCC顺应性。

此实施例使用多向天线。115展示在所有方向上输出的能量。在天线的大部分输出不是电磁辐射能量而是较为静止的磁场的意义上，天线100是非辐射性的。当然，来自天线的部分输出将实际上辐射。

另一实施例可使用辐射性天线。

接收器150包含与发射天线110离开距离D放置的接收天线155。接收天线类似地为具有线圈部分和电容器的高Q谐振线圈天线151，其耦合到电感性耦合回路152。耦合回路152的输出在整流器160中整流，且施加于负载。所述负载可为任何类型的负载，例如为例如灯泡等电阻性负载或例如电器、计算机、可再充电电池、音乐播放器或汽车等电子装置负载。

能量可通过电场耦合或磁场耦合而转移，但本文主要描述磁场耦合作为实施例。

电场耦合提供电感性加载的电二极管，其为开路电容器或介电圆盘。外来物体可能对电场耦合提供相对强的影响。

磁场耦合可为优选的，因为其对任何外来物体具有较弱的影响且许多外来物体具有与“空白”空间相同的磁性质。

所述实施例描述使用电容性加载的磁偶极子的磁场耦合。此偶极子由形成线圈的至少一个回路或匝的电线回路与将天线电加载到谐振状态的电容器串联形成。

图2展示能量转移的等效电路。发射电路100是串联谐振电路，其具有在高频率产生器205的频率处谐振的RLC部分。发射器包含串联电阻210和电感性线圈215以及可变电容220。这产生磁场M，其展示为磁力线225。

信号产生器205具有优选通过电感性回路在谐振处匹配于发射谐振器的电阻的内部电阻。这允许从发射器向接收器天线转移最大功率。

接收部分150对应地包含电容器250、变压器线圈255、整流器260以及调节器261以提供经调节的输出电压。输出连接到负载电阻265。图2展示半波整流器，但应了解，可使用较复杂的整流器电路。整流器260和调节器261的阻抗在谐振处匹配于接收谐振器的电阻。这使得能够向负载转移最大量的功率。电阻考虑了集肤效应/邻近效应、辐射电阻以及内部和外部介电损失两者。

理想的谐振发射器将忽略具有不同谐振频率的所有其它附近的谐振物体或与其最少地发生反应。然而，当具有适当谐振频率的接收器遇到发射天线225的场时，两者耦合以便建立强能量链路。实际上，发射器和接收器操作而变为松散耦合的变压器。

发明人已发现若干改进从发射器向接收器转移功率的因素。

上文所述的电路的Q因数可辅助某些效率。高Q因数允许谐振频率下的电流值增加。这使得能够维持相对低瓦特数的发射。在一实施例中，发射器Q可为1400，而接收器Q为300左右。出于本文陈述的原因，在一个实施例中，接收器Q可比发射器Q低得多，例如为发射器Q的1/4到1/5。然而，可使用其它Q因数。

高Q具有窄带宽效应的对应缺点。此窄带宽通常已被视为对于数据通信是不合意的。然而，窄带宽可在功率转移中使用。当使用高Q时，发射器信号充分纯净且不含不需要的频率或相位调制，从而允许在此窄带宽上发射其功率的大部分。

举例来说，实施例可使用13.56MHz的谐振频率和9kHz左右的带宽。这较高程度地可用于大体上未经调制的基频。然而，对基频的某种调制可被容许或为可容许的，尤其是在使用其它因素来增加效率的情况下。其它实施例使用较低Q组件，且可允许对基频的对应较多的调制。

重要特征可包含使用通过调节(例如FCC调节)而准许的频率的使用。在此示范性实施例中的优选频率是13.56MHz，但也可使用其它频率。

另外，电容器应能够承受高电压，例如高达1000V，因为电阻可能相对于电容性电抗来说较小。最终的重要特征是封装：系统应具有小的形状因数。Q因数可表达为：

其中：

值L表示谐振器的电感。此电感由谐振器及其天线的几何尺寸给出。

值C表示电容，包含在电场中存储能量的固有电容。电感器的自电容以及外部电容器两者形成总电容的部分。

值R表示由电感器的线圈电阻形成的谐振器的电阻，以及辐射电阻。这些随着R增加而共同降低了谐振器的Q。

所有这些值共同形成谐振器的Q或质量因数。Q大体上表示谐振器产生和接收磁能量的良好程度。通过将C和R保持较低，线圈的L可为最主要因数。

在实施例中合意的是尽可能地增加Q。因此，某些值应加以考虑。

如先前描述，高电阻使得Q下降，因为Q与R成反比例。R具有两个部分：辐射电阻以及欧姆损失过程。

对于回路天线，辐射电阻等于

$R_{\mathrm{rad}}=320\·{\mathrm{\π}}^4{\left(\frac{\mathrm{\π}\·{r_A}^2}{{\mathrm{\λ}}^2}\right)}^2\·N^2$

其中r_A表示线圈的半径。

因此，辐射取决于频率的四次幂、半径的四次幂以及匝数的平方。

损失电阻可评估为

$R_{\mathrm{loss}}=\frac{N}{2\·b}\·\sqrt{\frac{f\·{\mathrm{\μ}}_0}{\mathrm{\σ}\·\mathrm{\π}}}\·2\·\mathrm{\π}\·r_A\·(1+\mathrm{\α})$

请注意，这取决于频率的平方根、电线尺寸和材料以及所谓的接近效应。

电容的值为：

$C_{e{C}_{\mathrm{tt}}}=\frac{2\·{\mathrm{\π}}^2\·b\·{\mathrm{\ϵ}}_0}{\ln (\frac{p}{2\·b}+\sqrt{{\left(\frac{p}{2\·b}\right)}^2-1})}$

$C_{\mathrm{self}}=\frac{C_{\mathrm{tt}}}{N-1}$

请注意，这也取决于电线的物理尺寸以及匝数。

对于平行板电容器，外部电容近似等于

$C_{\mathrm{ext}}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0\·{\mathrm{\ϵ}}_r\·A}{d}$

其取决于板的面积以及两个板之间的距离d。

最终，电感

$L=\frac{{\mathrm{\μ}}_0\·\mathrm{\π}\·N^2\·r_A^2}{0.9\·r_A+l_A}$

其取决于匝数的平方和半径的平方。

如上文解释，高Q可产生高电压，例如高达5KV。这些无功电压可根据下式来评估：

$U_{L,C}=Q\·\sqrt{P\·R}$

实施例的重要特征是基于电源(例如，发射器)与负载(例如，接收器)之间的关系。源与负载之间的耦合的效率是基于电路的Q因数、电路的机械特性(主要是电线尺寸)以及其间的距离。

对于小于0.3的效率η，效率可在理论上表达为

$\mathrm{\η}\left(d\right)\≅\frac{r_{A,t}^2\·r_{A,r}^2\·Q_t\·Q_r\·K_r\·K_t}{16d^6}$

请注意，这与Q²成比例，与距离的六次幂成反比，且与半径成正比。

对于近场中的能量转移，必须考虑特殊种类的分析。发明人发现可从RF线圈的近场中设立的驻波采集可用功率。为了此实施例的目的，针对所关注的频率将近场视为λ/2。图3说明针对13.56MHz的近场如何从发射天线的中心延伸近似3.5m。

可能由辐射暴露限制强加另一约束。

在13.56MHz频率下，暴露必须保持低于60dBuA/m[以W/m2而非dBuA/m表达]。因此，另一目的要求在10m处维持此值或此值以下。

另一重要问题是归因于特定天线类型。

图4说明使用木制框架上的圆形回路的第一实施例。回路连接到电容器400，所述电容器400可为具有变化部分405的可变电容器且与主回路410串联。这可由一个或若干电线回路(优选为同轴缠绕的)形成。线圈通过安装装置418安装到木制框架415。

已证明此天线在3MHz下具有90左右的Q。所述天线由于其小的铜表面而具有高损失。

图5说明可在9MHz与15MHz之间操作且已证明具有1300的Q的螺线管天线。如果经由绝缘绳而远离固体物体悬置在空气中，那么Q可较大程度地增加，例如高达2200。此天线的回路部分500将功率感应到螺线管部分505中。图5的螺线管天线可在某些情况下产生最佳性能。

图6中展示矩形回路天线。此天线由回路部分700、电容性部分705、706(其可为可变电容器)形成。此天线在其12MHz到14MHz的可调谐范围上具有约700的Q。请注意，感应部分和规则回路两者大体上共面，且因此此形状因数可在例如膝上型计算机中使用。

图7说明由全部固持在一起的若干单独回路700、702、704形成的经屏蔽平板天线。每一回路700具有对应的可变电容器706。此天线在8MHz与10MHz之间产生约100的Q。虽然其可能由于同轴电缆的电容而具有低L/C比率，但其具有其它封装优点。

图8中展示未经屏蔽的平床式天线，其包括感应性回路800，以及由单个回路805形成的平板天线805，其与电容器810串联。这具有约450的Q，且可在9MHz与15MHz左右之间调谐。

基于所有这些测试和实验，申请人已得出结论：使用此类型的天线的无线功率耦合允许针对小于2m的短程应用的10％或更高的转移效率。同时，在合法暴露约束下的可转移功率小于5W。对于给定的Q因数，转移效率变为与频率无关。然而，对于每一天线形状因数可存在最优频率。

图9展示了展示接收天线的实施例。其为在40×90mm平板上的非常小的可手动调谐的天线。天线具有多个电线线圈，其与两个可变电容器900、902串联。也可使用其它类似大小——举例来说，另一实施例描述60×100mm的平板可手动调谐的小天线。又一实施例是120×200mm平板可手动调谐的中等天线。大天线为240×310mm，其也是可手动调谐的。

图10A到图10C以图形说明供与图9天线一起使用的实际结果。图10A说明13.9MHz的测得谐振频率。图10B说明此天线如何在约1英尺处具有3dB点。然而，未预期地注意到，在10英寸以下，所接收的功率降低，而不是升高。这是因为在发射天线的近场中的接收天线实际上通过对发射器进行解调谐而与发射天线场交互。因此，重要特征是将此解调谐维持在确定限制以内，且设计系统以意在维持发射器与接收器之间的距离分开足够远以使得天线可避免或最小化不需要的解调谐。然而，有意地允许天线系统具有最大和最小可使用距离两者。图10C展示具有若干值的图表，借此说明其中可使用这些示范性天线的可使用范围。此处所述距离范围在近似0.15到0.2m(6到8英寸)与0.5m(20英寸)之间。然而，在其它天线对的情况下，最小距离可低达0.05m(2英寸)或高达0.3m(12英寸)。

本文描述一般结构和技术以及可用以实现实施较一般目标的不同方式的较具体实施例。

虽然上文已经详细揭示了仅几个实施例，但其它实施例也是可能的，且发明人希望这些实施例涵盖在此说明书内。说明书描述用以实现可以另一方式实现的较一般目标的具体实例。此揭示内容既定为示范性的，且权利要求书既定涵盖所属领域的技术人员可能可预测到的任何修改或替代。举例来说，在提到可变电容器之处，可用固定电容器来替代。

此处描述的优选实施方案为了简单起见而利用单个偶极子串联谐振天线，但大体上可使用多个天线的阵列朝向接收天线而不是朝向“空白”空间成形或引导波中的大部分电磁功率。

用于经由调整每一天线中的正弦波相位和振幅来控制方向性的方法是所属领域的技术人员众所周知的，其它实施例可任选地利用称为“嗅探”的完全不同的过程在向接收器发射全功率之前确定接收器位于何处。在建立全功率流之前，接通发射器历时有限的时间间隔以借助于方向性射束扫描发射器周围的空间以确定接收器(如果存在)的存在和位置。

此外，当将产生有意部分倏逝波的技术与产生部分非倏逝波的技术进行比较时，在许多配置中在两个结果之间可能存在极少的实际差异。部分因为即使当设计意图是产生非倏逝波时，近场的部分也是倏逝的。因此，仅在发射天线附近的空间的一部分中存在倏逝波是在历史上众所周知的现象，且并不暗示以任何特定方式利用倏逝波的性质。

而且，发明人希望仅使用词“用于...的装置”的那些权利要求既定根据35 USC 112第六节来解释。此外，不希望来自说明书的任何限制对任何权利要求添加另外的意义，除非这些限制明确包含于权利要求中。本文描述的计算机可为任何种类的计算机，其为通用或某种专用计算机(例如工作站)。计算机可为运行视窗XP(Windows XP)或哩纳克斯(Linux)的基于英特尔(Intel)(例如，奔腾(Pentium)或酷睿2(Core 2 duo))或AMD的计算机，或可为麦金托什(Macintosh)计算机。计算机也可为手持式计算机，例如PDA、手机或膝上型计算机。

程序可以C或Python、Java、Brew或任何其它编程语言编写。程序可驻存在存储媒体(例如，磁性或光学)、计算机硬盘驱动器、例如存储棒或SD媒体等可装卸磁盘或媒体、基于有线或无线网络或基于蓝牙的网络附接存储装置(NAS)或者其它可装卸媒体上。程序还可经由例如网络来运行，其中服务器或其它机器向本地机器发送信号，其允许本地机器实施本文描述的操作。

在本文提到特定数字值的情况下，应考虑，所述值可增加或减少20％，同时仍保留在本申请案的教示内，除非具体提到某种不同的范围。在使用指定的逻辑意义的情况下，还既定涵盖相反的逻辑意义。

Claims (41)

1.一种以无线方式发射功率的方法，其包括：

在接近串联谐振天线的谐振频率的值处驱动所述串联谐振天线以产生磁场输出，所述非辐射性天线由谐振部分的组合形成，至少包含由电线回路形成的电感性部分和与形成所述电感性部分的材料分离的电容性部分；以及

维持所述天线的至少一个特性以使得其可使用范围具有在其间可接收功率的最小可使用距离，所述最小距离是通过接收器过于靠近所述天线时的解调谐效应来设定的。

2.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：在接收天线中接收所述磁场，所述接收天线还具有串联谐振部分；以及从所述接收天线产生可使用功率，且将所述可使用功率耦合到负载。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述最小可使用距离在6与8英寸之间。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述最小可使用距离在2与4英寸之间。

5.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括将所述谐振频率设定为近似13.56MHz的值。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述非辐射性天线具有近似1400的Q值。

7.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括使用能够承受至少1000V的电容器部分。

8.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括使用信号产生器来产生所述驱动，且将所述信号产生器的阻抗在谐振处匹配于所述天线的电阻。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述天线具有大体上圆形的外部形状因数。

10.根据权利要求1所述的方法，其中所述天线具有大体上矩形的外部形状因数。

11.根据权利要求1所述的方法，其中所述天线是包含经耦合以接收所述驱动的第一电感性部分和与所述电感性部分物理上分离的第二部分的偶极子，所述第二部分由与所述电容器串联的至少一个电线回路形成。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述电感性部分和所述第二部分具有不同的外部形状因数。

13.根据权利要求11所述的方法，其中所述电感性部分和所述外部部分具有大体上相同的外部形状因数。

14.根据权利要求11所述的方法，其中所述第二部分电连接到所述电容器部分。

15.根据权利要求13所述的方法，其中所述电容器部分是可变电容器。

16.一种方法，其包括：

使用第一谐振发射部分发射磁场；

在第二谐振发射部分中接收所述磁场；以及

在所述第二谐振发射部分中，使用来自所述磁场的功率。

17.根据权利要求16所述的方法，其进一步包括在所述第二谐振发射部分中使用所述功率来驱动负载。

18.根据权利要求16所述的方法，其进一步包括当所述第二谐振发射部分靠近所述第一谐振发射部分超过预定量时对所述发射或所述接收中的至少一者进行解调谐。

19.根据权利要求16所述的方法，其中所述发射包括使用电容性加载的磁偶极子来发射所述磁场。

20.一种方法，其包括：

使用第一部分形成磁场；

将所述磁场耦合到与所述第一部分形成松散耦合的变压器的第二部分，其中所述第二部分距所述第一部分超过6英寸；以及

在所述第二部分中，从所述耦合的磁场恢复功率。

21.根据权利要求20所述的方法，其进一步包括在所述第二部分中使用所述功率来驱动负载。

22.根据权利要求20所述的方法，其进一步包括当所述第二部分靠近所述第一部分超过预定量时对所述发射或所述接收中的至少一者进行解调谐。

23.根据权利要求20所述的方法，其中所述发射包括使用电容性加载的磁偶极子来发射所述磁场。

24.一种系统，其包括：

串联谐振天线；

驱动部分，其用于所述串联谐振天线，在接近所述天线的谐振频率的值处驱动所述天线以产生磁场输出，所述天线由串联谐振部分的组合形成，至少包含由电线回路形成的电感性部分和与形成所述电感性部分的材料分离的电容性部分，且

其中所述串联谐振天线具有至少一个特性以使得其可使用范围具有在其间可接收功率的最小可使用距离，所述最小距离是通过接收器过于靠近所述天线时的解调谐效应来设定的。

25.根据权利要求24所述的系统，其进一步包括接收天线，所述接收天线也具有串联谐振部分，所述串联谐振部分具有与所述天线的所述谐振频率对应的谐振，且具有向负载输出可使用功率的连接。

26.根据权利要求25所述的系统，其中所述最小边界可使用距离在6与8英寸之间。

27.根据权利要求24所述的系统，其中所述最小可使用距离在2与4英寸之间。

28.根据权利要求24所述的系统，其中所述谐振频率被设定为近似13.56MHz的值。

29.根据权利要求24所述的系统，其中所述天线具有近似1400的Q值。

30.根据权利要求24所述的系统，其中所述电容器部分能够承受至少1000V。

31.根据权利要求24所述的系统，其进一步包括驱动所述天线的信号产生器，所述信号产生器具有在谐振处匹配于非辐射性天线的电阻的所述信号产生器的阻抗。

32.根据权利要求24所述的系统，其中所述天线具有大体上圆形的外部形状因数。

33.根据权利要求24所述的系统，其中所述天线具有大体上矩形的外部形状因数。

34.根据权利要求24所述的系统，其中所述天线是包含经耦合以接收所述驱动的第一电感性部分和与所述电感性部分物理上分离的第二部分的偶极子，所述第二部分由与所述电容器串联的多个电线线圈的至少一个回路形成。

35.根据权利要求34所述的系统，其中所述电感性部分和所述第二部分具有不同的外部形状因数。

36.根据权利要求34所述的系统，其中所述电感性部分和所述外部部分具有大体上相同的外部形状因数。

37.根据权利要求34所述的系统，其中所述第二部分电连接到所述电容器部分。

38.根据权利要求13所述的系统，其中所述电容器部分是可变电容器。

39.一种系统，其包括：

第一谐振发射部分，其由电容性加载的磁偶极子天线形成；

第二谐振接收部分，其经调谐以具有与所述第一谐振发射部分类似的谐振特性，从所述第一谐振发射部分接收磁场，且从所述磁场产生功率输出。

40.一种系统，其包括：

第一LC电路，其经连接以接收形成磁场的信号；以及

第二LC电路，其与所述第一LC电路形成松散耦合的变压器，其中所述第二部分距所述第一部分超过6英寸，且具有用于从所述耦合的磁场恢复功率的连接。

41.根据权利要求40所述的系统，其中所述第一LC电路包含电容性加载的磁偶极子来发射所述磁场。

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