CN102099965B - 高频无线功率发射天线的自适应匹配和调谐 - Google Patents

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Abstract

本发明的示范性实施例是针对一种无线功率系统，其具有不同耦合环，例如两个环。所述耦合环经切换。一个环可用于邻近耦合，例如离开大于一定距离，另一个环可用于接近耦合，例如离开小于一定距离。

Description

高频无线功率发射天线的自适应匹配和调谐
本专利申请案主张2008年7月17日申请的标题为“高频无线功率发射天线的自适应匹配和调谐(ADAPTIVE MATCHING AND TUNING OF HF WIRELESS POWERTRANSMIT ANTENNA)”的第61/081,719号临时申请案的优先权，所述临时申请案已转让给本受让人且特此以引用的方式明确地并入本文中。
背景技术
转让给本受让人的先前申请案描述在天线之间磁共振转移功率。所述天线可为电容性加载的金属线环或多匝线圈。这些形成了经曲磁场有效地将能量从初级结构(发射器)耦合到放置在远端处的次级结构(接收器)的共振天线。初级结构与次级结构两者被调谐到共同共振频率。
这些先前申请案将无线功率的主要问题描述为针对人类安全的电磁干扰以及辐射暴露。经由磁场耦合转移能量可能主要受指定高场限制的约束。可在远离辐射结构的定义距离(例如，10m)处测试对这些限制的遵从。
附图说明
图1展示无线功率转移系统的简化框图。
图2展示无线功率转移系统的较详细框图。
图3展示供在本发明的示范性实施例中使用的环天线的示意图。
图4展示多部分耦合环；
图5展示PC板上的实施例；
图6展示滑动部分实施例；
图7展示活动天线实施例；以及
图8A和图8B展示可调谐的螺线管。
具体实施方式
词“示范性”在本文中用以意指“充当实例、例子或说明”。本文中被描述为“示范性”的任何实施例不必被理解为比其它实施例优选或有利。
下文结合附图阐述的详细描述既定作为对本发明的示范性实施例的描述，且并不希望表示可实践本发明的仅有实施例。详细描述包括特定细节以提供对本发明的示范性实施例的透彻理解。所属领域的技术人员将显而易见，可在没有这些特定细节的情况下实践本发明的示范性实施例。在一些例子中，以框图形式展示众所周知的结构及装置以避免使本文中所呈现的示范性实施例的新颖性模糊不清。
词“无线功率”在本文中用以意指与电场、磁场、电磁场相关联或者在不使用物理电磁导体的情况下从发射器发射到接收器的任何形式的能量。
图1说明根据本发明的各种示范性实施例的无线传输或充电系统100。将输入功率102提供到发射器104以用于产生辐射场106以提供能量转移。接收器108耦合到辐射场106且产生输出功率110以供存储或供耦合到输出功率110的装置(未图示)消耗。发射器104与接收器108两者分离某一距离112。在一个示范性实施例中，根据相互共振关系来配置发射器104和接收器108。当接收器108的共振频率与发射器104的共振频率相同时，在接收器108位于辐射场106的“近场”中时发射器104与接收器108之间的传输损耗最小。
发射器104进一步包括发射天线114以用于提供能量发射装置，且接收器108进一步包括接收天线118以用于提供能量接收装置。根据待与其相关联的应用和装置来设定发射天线和接收天线的大小。如所陈述，通过在发射天线的近场中将大部分能量耦合到接收天线而非在电磁波中将大多数能量传播到远场来发生有效能量转移。当处于此近场中时可在发射天线114与接收天线118之间形成耦合模式。天线114和118周围的可发生此近场耦合的区域在本文中被称为耦合模式区。
图2展示无线功率转移系统的简化示意图。发射器104包括振荡器122、功率放大器124以及滤波器与匹配电路126。振荡器122经配置为以所要频率(例如13.5MHz)进行产生，可响应于调整信号123来调整所述频率。替代方案使用LF频率，例如135KHz。振荡器信号可由功率放大器124放大响应于控制信号125的放大量。可包括滤波器与匹配电路126以滤除谐波或其它不需要的频率，且使发射器104的阻抗与发射天线114匹配。
接收器108可包括匹配电路132以及整流器与切换电路134以产生DC功率输出以对电池136(如图2所示)充电或对耦合到接收器的装置(未图示)供电。可包括匹配电路132以使接收器108的阻抗与接收天线118匹配。
如图3所说明，示范性实施例中所使用的天线可经配置为“环”天线150，其还可在本文中称为“磁”天线。环天线可经配置为包括空气磁芯或物理磁芯(例如铁氧体磁芯)。使用铁氧体磁芯可减少外来物体的影响。然而，铁氧体磁芯可能需要特定长度以起作用，这在用于交通工具中时可能有困难。空气盘状线圈被认为较适合集成在汽车中且较适合嵌入地面中。LF铁氧体可用作磁屏蔽以防止场在天线包围物的金属部分中产生涡电流。
可通过保持其它装置位于磁芯区域外部来改进效率。空气磁芯环天线受到放置在所述磁芯附近的外来物理装置的影响可能较小。此外，空气磁芯环天线允许将其它组件放置在磁芯区域中。另外，空气磁芯环可较容易使接收天线118(图2)能够放置在发射天线114(图2)的平面内，在所述平面中发射天线114(图2)的耦合模式区可较强大。
如所陈述，在发射器104与接收器108之间的匹配或近似匹配的共振期间发生发射器104与接收器108之间的有效能量转移。然而，即使当发射器104与接收器108之间的共振不匹配时，也可以较低效率来转移能量。通过将能量从发射天线的近场耦合到驻留于附近的接收天线来发生能量转移，其中建立此近场而非将能量从发射天线传播到自由空间中。
环天线或磁天线的共振频率是基于电感和电容。环天线中的电感通常仅仅是由所述环形成的电感，而通常将电容添加到环天线的电感以形成所要共振频率下的共振结构。作为非限制性实例，可将电容器152和电容器154添加到天线以形成产生共振信号156的共振电路。因此，对于较大直径的环天线，诱发共振所需要的电容大小随着环的直径或电感增加而减小。此外，随着环或磁天线的直径增加，近场的有效能量转移区域增加。当然，其它共振电路也是可能的。作为另一非限制性实例，可将电容器并联放置于环天线的两个端子之间。另外，所属领域的技术人员将认识到，对于发射天线，可将共振信号156输入到环天线150。
本发明的示范性实施例包括在位于彼此的近场中的两个天线之间耦合功率。如所陈述，近场为在天线周围的其中电磁场存在但可能不从天线传播或辐射离开的区域。其通常局限于在天线的物理体积附近的体积。在本发明的示范性实施例中，针对发射(Tx)和接收(Rx)天线系统两者使用例如单匝和多匝环天线等磁型天线，因为与电型天线(例如，小偶极)的电近场相比，磁近场振幅往往对于磁型天线来说较高。这允许在所述对之间具有潜在较高的耦合。此外，还预期“电”天线(例如，偶极和单极)或磁天线与电天线的组合。
可在足够低的频率下且以足够大的天线大小来操作Tx天线以在比早先提及的远场和电感性方法所允许的距离显著更大的距离处实现到小Rx天线的良好耦合(例如，＞-4dB)。如果正确地设定Tx天线的大小，那么可在主机装置上的Rx天线放置在经驱动Tx环天线的耦合模式区内(即，在近场中)时实现高耦合电平(例如，-2到-4dB)。
应注意到，前述方法适用于多种通信标准，例如CDMA、WCDMA、OFDM等。所属领域的技术人员将理解，可使用多种不同技术和技艺中的任一者来表示信息和信号。举例来说，可由电压、电流、电磁波、磁场或磁性粒子、光场或光学粒子或其任何组合来表示贯穿以上描述参考的数据、指令、命令、信息、信号、位、符号及码片。
本发明的示范性实施例是针对(或包括)以下内容。
揭示无线功率天线及其操作。在示范性实施例中，无线功率天线为高频(“HF”)发射天线。通过调整来自或去往无线功率电路的天线的匹配，这可使得此系统能够用于接近耦合和邻近耦合两者。
高Q HF发射天线通常具有非常低的串联共振-阻抗。人们已经相信，不应直接从电源对这些天线进行馈送，因为低阻抗可能阻止发射器系统有效地工作。
我们的先前申请案描述了耦合的使用。耦合环将发射天线的低阻抗转变为用于电源的合适阻抗，例如5到50欧姆。
在示范性实施例中，加载和空载Q将决定用于发射天线的耦合的大小。较大耦合环可用以增加耦合效率以将功率馈送到加载天线。在与主共振器相同的平面中的较小耦合环可足以将功率馈送到空载天线。
对于邻近系统，发射天线几乎为空载的，所以Q非常高。良好天线可实现例如介于800与1000之间的空载Q。在与主共振器相同的平面中的较小耦合环足以将功率馈送到空载天线。
对于接近系统，发射天线的Q归因于到接收器的强耦合且归因于接收器的金属部分中的涡电流损耗而降低。加载Q可在100到200的范围内。为了将功率馈送到加载天线，较大耦合环可为有利的，以增加到天线的耦合。
图4中展示第一示范性实施例，其将电源400展示为连接到无线功率耦合环410。所述耦合环又耦合到无线功率天线450，其在所关注的频率下磁共振。
在示范性实施例中，耦合环410具有两个具有不同大小的不同耦合环412、414。所述耦合环可分开激活。在如图所示的实施例中，小耦合环412用于邻近(远距)耦合。较大耦合环414用于接近(紧靠)耦合。所述耦合环中的每一者具有嵌入式开关。举例来说，邻近耦合环412包括嵌入式开关413，其可由与电源相关联的控制器远程控制。类似地，较大耦合环414包括开关415。
任何一个时间仅闭合开关413或415中的一者。当闭合例如415的开关时，这致使环414活动且环412不活动。
在示范性实施例中，此耦合环可形成于印刷电路板上，如图5的示范性实施例中所示。在此印刷电路板实施例中，开关500控制两个耦合环505、510中的哪一者用作用以发射或接收无线功率的耦合环。经切换的耦合环505或510接着用以连接到由电感元件522与电容器524串联形成的磁共振天线520。虽然图5展示具有两个匝的天线520，但应理解，天线可具有任何匝数。
根据另一示范性实施例，耦合环可在机械上重新设定大小。举例来说，图6展示可在机械上重新设定大小的耦合环600。铰链605允许耦合环610的一部分前后移动，如箭头611所示。耦合环的此部分定位于接触垫615上，所述接触垫615延伸到远端区域上方。在操作中，可控制的原动机620(例如，马达或液压装置)可用以移动所述部分610，以使得耦合环根据需要而变大或变小。
图7展示替代示范性实施例，其中耦合环700定位于载体705上。可通过原动机715的作用移动载体705。举例来说，载体705可朝向或远离主共振器720移动。这具有改变主共振器720中的耦合环700之间的耦合的效应。在这些示范性实施例中的每一者中，原动机可为电的、气动的，或可使用任何其它技术。
除了与发射天线的匹配受接收器的位置影响外，共振频率也可受到影响。紧密接近耦合环的装置归因于其电和介电靠近性而使耦合环失谐。这又影响发射天线的电容电感。
图8A和图8B说明解决此问题的实施例。在图8A的实施例中，使用螺线管天线，其具有两个匝800、805。天线的后侧部分可包括附接到其的电容器元件810，且可为稳定的或铰接的。然而，螺旋天线的前侧部分可被压缩和解压缩以改变环800、805之间的距离d。通过相对于彼此来压缩所述两个环800、805，此共振器的电感增大，从而导致共振频率降低。对这些环进行解压缩致使电感减小，从而替代地升高共振频率。此技术将允许有介于5％与10％之间的调谐范围。在实施例中，原动机820可用以对所述环进行压缩和解压缩。举例来说，原动机可为伺服马达、气动马达或压电装置。其经由支架822、824连接到环。
在一个示范性实施例中，那些支架可用特氟纶(Teflon)来连接以避免改变天线的Q。然而，可将不破坏高Q的任何材料(通常具有低介电损耗的材料)用于此目的。
在示范性实施例中，天线本身800、805由铜形成，且使用铜的弹性来改变两种材料之间的距离。图8B说明天线处于其压缩较大的情形中，其中在环800、805之间存在距离d0。
尽管上文描述两个匝的使用，但可使用具有任何匝数的线圈。举例来说，这可与五匝线圈一起使用，同时调整所述环中仅两者之间的间距。
这些技术可用于发射或接收天线，且允许适于多个负载情况且可用于接近功率转移和邻近功率转移两者。
技术人员将进一步了解，结合本文所揭示的实施例描述的各种说明性逻辑块、模块、电路和算法步骤可实施为电子硬件、计算机软件或所述两者的组合。为了清楚说明硬件与软件的这种可交换性，上文已大体上在其功能性方面描述了各种说明性组件、块、模块、电路和步骤。将此类功能性实施为硬件还是软件取决于特定应用和对整个系统强加的设计约束。熟练的技术人员可针对每一特定应用以不同方式实施所描述的功能性，但不应将此类实施方案决策解释为造成脱离本发明的示范性实施例的范围。
结合本文所揭示的实施例描述的各种说明性逻辑块、模块和电路可用经设计以执行本文描述的功能的通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑组件、离散门或晶体管逻辑、离散硬件组件或其任何组合来实施或执行。通用处理器可以是微处理器，但在替代方案中，所述处理器可以是任何常规处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器还可实施为计算组件的组合，例如DSP与微处理器的组合、多个微处理器、结合DSP核心的一个或一个以上微处理器或任何其它此类配置。
结合本文所揭示的实施例描述的方法或算法的步骤可直接以硬件、以由处理器执行的软件模块或以所述两者的组合来实施。软件模块可驻留于随机存取存储器(RAM)、快闪存储器、只读存储器(ROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)、寄存器、硬盘、可装卸盘、CD-ROM或此项技术中已知的任何其它形式的存储媒体中。示范性存储媒体耦合到处理器，使得处理器可从存储媒体读取信息和向存储媒体写入信息。在替代方案中，存储媒体可与处理器成一体式。处理器和存储媒体可驻留在ASIC中。ASIC可驻留在用户终端中。在替代方案中，处理器和存储媒体可作为离散组件驻留在用户终端中。
在一个或一个以上示范性实施例中，所描述的功能可以硬件、软件、固件或其任何组合来实施。如果以软件来实施，则所述功能可作为一个或一个以上指令或代码存储于计算机可读媒体上或经由计算机可读媒体传输。计算机可读媒体包括计算机存储媒体和通信媒体两者，通信媒体包括促进将计算机程序从一处传递到另一处的任何媒体。存储媒体可为可由计算机存取的任何可用媒体。借助于实例而非限制，所述计算机可读媒体可包含RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储装置、磁盘存储装置或其它磁性存储装置，或可用于以指令或数据结构的形式载送或存储所要程序代码且可由计算机存取的任何其它媒体。同样，任何连接均被恰当地称作计算机可读媒体。举例来说，如果使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字订户线(DSL)或例如红外线、无线电及微波等无线技术从网站、服务器或其它远程源传输软件，则同轴电缆、光纤电缆、双绞线、DSL或例如红外线、无线电及微波等无线技术均包括于媒体的定义中。如本文中所使用，磁盘和光盘包括压缩光盘(CD)、激光光盘、光学光盘、数字通用光盘(DVD)、软性磁盘及蓝光光盘，其中磁盘通常以磁性方式再现数据，而光盘借助激光以光学方式再现数据。以上各项的组合也应包括在计算机可读媒体的范围内。
提供先前对所揭示示范性实施例的描述是为了使得所属领域的任何技术人员能够制作或使用本发明。所属领域的技术人员将容易了解对这些示范性实施例的各种修改，且在不脱离本发明的精神或范围的情况下，本文所定义的一般原理可适用于其它实施例。因此，本发明不希望限于本文中展示的实施例，而是应被赋予与本文中揭示的原理和新颖特征一致的最广范围。

Claims (31)

1.一种无线功率发射器系统，其包含：
天线，其包含电感元件和电容器，所述电感元件和电容器共同地在第一频率下磁共振；以及
耦合环组合件，其包含：
第一耦合环，其具有第一大小；
第一开关，其经配置以激活所述第一耦合环；
第二耦合环，其具有大于所述第一大小的第二大小；以及
第二开关，其经配置以激活所述第二耦合环，
所述耦合环组件经配置以经由磁感应与所述天线相耦合。
2.根据权利要求1所述的系统，其进一步包含控制器，所述控制器经配置以检测与所述天线的耦合，且基于所述耦合而选择所述第一耦合环或所述第二耦合环。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述控制器经配置以检测接近耦合，且在检测到接近耦合后即刻选择所述第一耦合环。
4.根据权利要求2所述的系统，其中所述控制器经配置以检测邻近耦合，且在检测到邻近耦合后即刻选择所述第二耦合环。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述耦合环形成于印刷电路板上。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述天线包含多个环。
7.根据权利要求6所述的系统，其进一步包含经配置以相对于彼此调整所述多个环的位置的机构。
8.根据权利要求2所述的系统，其中所述天线包括多个环。
9.根据权利要求8所述的系统，其进一步包含经配置以相对于彼此调整所述多个环的位置的机构。
10.根据权利要求2所述的系统，其中所述耦合环组合件未连接到所述天线。
11.根据权利要求1所述的系统，其进一步包含第一电路，所述第一电路耦合到所述天线，且经配置以在所述第一频率下产生信号。
12.根据权利要求1所述的系统，其进一步包含经配置以相对于彼此调整所述耦合环的位置的机构。
13.一种无线功率接收器系统，其包含：
电路，其经配置以在第一频率下接收信号且基于所述第一频率产生电输出；
天线，其包含电感元件和电容器，所述电感元件和电容器共同地在所述第一频率下磁共振；以及
耦合环组合件，其包含：
第一耦合环，其具有第一大小；
第一开关，其经配置以激活所述第一耦合环；
第二耦合环，其具有大于所述第一大小的第二大小；以及
第二开关，其经配置以激活所述第二耦合环。
14.根据权利要求13所述的系统，其进一步包含控制器，所述控制器经配置以检测与所述天线的耦合，且基于所述耦合而选择所述第一耦合环或所述第二耦合环。
15.根据权利要求14所述的系统，其中所述控制器经配置以检测接近耦合，且在检测到接近耦合后即刻选择所述第一耦合环。
16.根据权利要求14所述的系统，其中所述控制器经配置以检测邻近耦合，且在检测到邻近耦合后即刻选择所述第二耦合环。
17.根据权利要求13所述的系统，其中所述耦合环形成于印刷电路板上。
18.根据权利要求13所述的系统，其中所述天线包括多个环。
19.根据权利要求18所述的系统，其进一步包含经配置以相对于彼此调整所述多个环的位置的机构。
20.根据权利要求14所述的系统，其中所述天线包括多个环。
21.根据权利要求20所述的系统，其进一步包含经配置以相对于彼此调整所述多个环的位置的机构。
22.根据权利要求14所述的系统，其中所述耦合环组合件未连接到所述天线，且所述耦合环组合件和所述天线之间的耦合是经由磁感应来执行的。
23.根据权利要求13所述的系统，其进一步包含经配置以相对于彼此调整所述耦合环的位置的机构。
24.一种用于无线功率的系统，其包含：
收发装置，其在第一频率下共振，所述收发装置用于发射或接收无线功率，所述收发装置包含电感元件和电容器，所述电感元件和电容器共同地在第一频率下磁共振；以及
耦合装置，其用于将无线功率耦合到所述收发装置或从所述收发装置耦合无线功率，所述耦合装置包括：
第一耦合装置，其将无线功率第一耦合到所述收发装置；
第一激活装置，其用于激活所述第一耦合装置；
第二耦合装置，其将无线功率第二耦合到所述收发装置；以及
第二激活装置，其用于激活所述第二耦合装置；
所述第一耦合装置具有第一大小，且所述第二耦合装置具有大于所述第一大小的第二大小。
25.根据权利要求24所述的系统，其进一步包含用于检测与所述收发装置的耦合且基于所检测到的耦合而选择所述第一耦合装置或所述第二耦合装置的装置。
26.根据权利要求25所述的系统，其中所述用于检测耦合的装置检测接近耦合且在检测到所述接近耦合后即刻选择所述第一耦合装置。
27.根据权利要求25所述的系统，其中所述用于检测耦合的装置检测邻近耦合且在检测到所述邻近耦合后即刻选择所述第二耦合装置。
28.根据权利要求24所述的系统，其中所述第一和第二耦合装置形成于印刷电路板上。
29.根据权利要求24所述的系统，其中所述收发装置包含多个环。
30.根据权利要求29所述的系统，其进一步包含用于相对于彼此调整所述多个环的位置的装置。
31.根据权利要求24所述的系统，其进一步包含用于相对于彼此调整所述第一和第二耦合装置的位置的装置。
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