CN102318215A - 无线供电装置的天线共享 - Google Patents

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Abstract

示范性实施例包括用于接收广播辐射频带和近场辐射频带中的电磁辐射以产生射频(RF)信号的天线。耦合元件(410)将所述RF信号耦合到第一端口和至少一个额外端口，所述至少一个额外端口可为第二端口和第三端口。所述第一端口(416)上的无线电力接收器(470)包括整流器(472)，以用于在所述天线耦合到所述天线的耦合模式区中的所述近场辐射频带中的辐射时将所述RF信号转换为DC信号。近场通信收发器包括用于在所述耦合元件将所述第二端口耦合到所述RF信号时在所述天线上在所述近场辐射频带中传送信息的电路。所述第三端口上的广播接收器包括用于在所述耦合元件将所述第三端口耦合到所述RF信号时接收并调谐所述广播辐射频带的电路。

Description

无线供电装置的天线共享
根据35U.S.C.§119主张优先权
本申请案根据35U.S.C.§119(e)主张2009年2月13日申请的标题为“无线供电装置的天线共享(ANTENNA SHARING FOR WIRELESSLY POWERED DEVICES)”的美国临时专利申请案61/152,537的优先权。
技术领域
本发明一般涉及无线电力传递，且更具体来说，涉及与在接收器装置中自适应地调谐阻抗以改进无线电力传递有关的装置、系统和方法。
背景技术
通常，每一电池供电装置(例如，无线电子装置)需要其自身的充电器和电源，所述电源通常为交流电(AC)电源引出线。当许多装置需要充电时，此类有线配置变得使用不便。
正在开发在发射器与耦合到待充电的电子装置的接收器之间使用空中或无线电力发射的方法。一般将此些方法分为两个种类。一类是基于在发射天线与待充电的装置上的接收天线之间的平面波辐射(还称作远场辐射)的耦合，接收天线收集所辐射的电力且将其整流以用于对电池进行充电。天线一般具有谐振长度以便改进耦合效率。此方法遭遇以下事实：电力耦合随天线之间的距离而快速衰减。因此，在合理距离(例如，小于1到2米)上的充电变得困难。另外，由于发射系统辐射平面波，因此如果未经由滤波进行适当控制，则无意的辐射可干扰其它系统。
用于无线能量发射技术的其它方法是基于嵌入于(例如)“充电”垫或表面中的发射天线与嵌入于待充电的电子装置中的接收天线(加上整流电路)之间的感应耦合。此方法具有发射天线与接收天线之间的间距必须非常靠近(例如，千分之几米内)的缺点。虽然此方法确实具有同时对同一区域中的多个装置充电的能力，但此区域通常非常小且需要用户将装置准确地定位到特定区域中。
除了无线能量发射之外，电子装置常使用各种频率下的许多不同通信信道。装置常可需要针对每一不同频带包括一天线，这在装置上所使用的空间和支持多个天线的各种组件的成本两者方面可变得昂贵。
需要减小可在装置上需要以用于各种功能(例如，无线电力接收、近场通信(NFC)和电子装置可执行的其它通信功能)的天线的数目。
附图说明
图1展示无线电力传递系统的简化方框图。
图2展示无线电力传递系统的简化示意图。
图3展示用于在本发明的示范性实施例中使用的环形天线的示意图。
图4为根据本发明的一示范性实施例的发射器的简化方框图。
图5为根据本发明的一示范性实施例的接收器的简化方框图。
图6为使用开关以共享天线用于无线电力接收、近场通信和广播辐射频带中的信号的接收的简化方框图。
图7为使用开关和定向耦合器以共享天线用于无线电力接收、近场通信和广播辐射频带中的信号的接收的简化方框图。
图8为使用双工器和开关以共享天线用于无线电力接收、近场通信和广播辐射频带中的信号的接收的简化方框图。
图9为使用双工器和定向耦合器以共享天线用于无线电力接收、近场通信和广播辐射频带中的信号的接收的简化方框图。
图10为使用三工器以共享天线用于无线电力接收、近场通信和广播辐射频带中的信号的接收的简化方框图。
具体实施方式
在本文中使用词语“示范性”以指“充当一实例、例子或说明”。本文中描述为“示范性”的任何实施例没有必要被解释为比其它实施例优选或有利。
下文结合附图所陈述的详细描述意欲作为对本发明的示范性实施例的描述，且无意表示可实践本发明的仅有实施例。在整个此描述中所使用的术语“示范性”是指“用作一实例、例子或说明”，且应没有必要被解释为比其它示范性实施例优选或有利。所述详细描述出于提供对本发明的示范性实施例的彻底理解的目的而包括特定细节。所属领域的技术人员将容易明白，可在无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，以方框图形式展示众所周知的结构和装置，以便避免使本文中所呈现的示范性实施例的新颖性模糊不清。
在本文中使用词语“无线电力”以指在不使用物理电磁导体的情况下在从发射器到接收器之间发射的与电场、磁场、电磁场或其它物相关联的任何形式的能量。
图1说明根据本发明的各种示范性实施例的无线发射或充电系统100。将输入电力102提供到发射器104以用于产生用于提供能量传递的辐射场106。接收器108耦合到辐射场106，且产生输出电力110以供耦合到输出电力110的装置(未图示)存储或消耗。发射器104与接收器108两者相隔一距离112。在一个示范性实施例中，根据相互谐振关系来配置发射器104与接收器108，且当接收器108位于辐射场106的“近场”(在本文中还称作近场辐射)中时，当接收器108的谐振频率与发射器104的谐振频率非常接近时，发射器104与接收器108之间的发射损耗为最小。。
发射器104进一步包括用于提供用于能量发射的装置的发射天线114，且接收器108进一步包括用于提供用于能量接收的装置的接收天线118。根据应用和将与其相关联的装置来设计发射天线和接收天线的大小。如所陈述，通过将发射天线的近场中的大部分能量耦合到接收天线而非以电磁波形式将大部分能量传播到远场而进行有效能量传递。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称作耦合模式区。
图2展示无线电力传递系统的简化示意图。发射器104包括振荡器122、功率放大器124以及滤波器和匹配电路126。所述振荡器经配置以产生所要频率，所述所要频率可响应于调整信号123来调整。振荡器信号可由功率放大器124以响应于控制信号125的放大量来放大。可包括滤波器和匹配电路126以滤除谐波或其它非所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以及整流器和切换电路134以产生DC电力输出来对电池136(如图2中所展示)进行充电或向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。接收器108与发射器104可在单独通信信道119(例如，蓝牙、zigbee、蜂窝式等)上通信。
如图3中所说明，示范性实施例中所使用的天线可经配置为“环形”天线150，其在本文中还可称作“磁性”天线。环形天线可经配置以包括空气芯或物理芯(例如，铁氧体芯)。空气芯环形天线可能更可容许放置于所述芯附近的外来物理装置。此外，空气芯环形天线允许其它组件放置于芯区域内。另外，空气芯环可更容易实现接收天线118(图2)在发射天线114(图2)的平面内的放置，在所述平面中，发射天线114(图2)的耦合模式区可更强大。
如所陈述，在发射器104与接收器108之间的匹配或几乎匹配的谐振期间发生发射器104与接收器108之间的有效能量传递。然而，甚至当发射器104与接收器108之间的谐振不匹配时，还可以较低效率传递能量。通过将来自发射天线的近场的能量耦合到驻留于建立了此近场的邻域中的接收天线而非将能量从发射天线传播到自由空间中而发生能量的传递。
环形天线或磁性天线的谐振频率是基于电感和电容。环形天线中的电感一般仅为由所述环形产生的电感，而一般将电容添加到环形天线的电感以在所要谐振频率下产生谐振结构。作为非限制性实例，可将电容器152和电容器154添加到天线以产生产生谐振信号156的谐振电路。因此，对于较大直径的环形天线来说，诱发谐振所需的电容的大小随着环形天线的直径或电感增加而减小。此外，随着环形天线或磁性天线的直径增加，近场的有效能量传递区域增加。当然，其它谐振电路是可能的。作为另一非限制性实例，电容器可并联地放置于环形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，谐振信号156可为到环形天线150的输入。
本发明的示范性实施例包括在处于彼此的近场中的两个天线之间耦合电力。如所陈述，近场为在天线周围的存在电磁场但可能并不远离所述天线传播或辐射的区域。所述电磁场通常被限于所述天线的物理体积附近的体积。在本发明的示范性实施例中，磁型天线(例如，单匝环形天线和多匝环形天线)用于发射(Tx)天线系统与接收(Rx)天线系统两者，这是因为与电型天线(例如，小型偶极天线)的电近场相比，磁型天线的磁近场振幅往往较高。此允许所述对天线之间的潜在较高耦合。此外，还预期“电”天线(例如，偶极天线和单极天线)或磁性天线与电天线的组合。
Tx天线可在足够低的频率下且在天线大小足够大的情况下操作，以在显著大于早先所提及的远场和电感性方法所允许的距离的距离下实现到小型接收天线的良好耦合(例如，＞-4dB)。如果发射天线的大小经正确设计，则当将主机装置上的接收天线放置于受驱动发射环形天线的耦合模式区内(即，在近场中)时，可实现高耦合水平(例如，-1到-4dB)。
图4为根据本发明的示范性实施例的发射器200的简化方框图。发射器200包括发射电路202和发射天线204。通常，发射电路202通过提供导致产生围绕发射天线204的近场能量的振荡信号来将射频(RF)电力提供到发射天线204。举例来说，发射器200可在13.56MHz ISM频带下操作。
示范性发射电路202包括：固定阻抗匹配电路206，其用于将发射电路202的阻抗(例如，50欧姆)与发射天线204匹配；以及低通滤波器(LPF)208，其经配置以将谐波发射减少到防止耦合到接收器108(图1)的装置的自干扰的水平。其它示范性实施例可包括不同滤波器拓扑(包括(但不限于)使特定频率衰减同时使其它频率通过的陷波滤波器)，且可包括自适应阻抗匹配，其可基于可测量的发射度量(例如，到天线的输出功率或由功率放大器汲取的DC电流)而变化。发射电路202进一步包括功率放大器210，其经配置以驱动如由振荡器212(本文中还称作信号产生器)确定的RF信号。发射电路可包含离散装置或电路，或者可包含集成组合件。来自发射天线204的示范性RF功率输出可为约2.5到8.0瓦。
发射电路202进一步包括控制器214，控制器214用于在针对特定接收器的发射阶段(或工作循环)期间启用振荡器212，以用于调整所述振荡器的频率，且用于调整输出功率水平来实施用于经由相邻装置所附接的接收器与相邻装置交互的通信协议。控制器214还用于确定在发射天线204处的归因于耦合模式区的改变而引起的阻抗改变，耦合模式区的改变是归因于放置于其中的接收器。
发射电路202可进一步包括负载感测电路216，其用于检测在由发射天线204产生的近场附近的有效接收器的存在或不存在。举例来说，负载感测电路216监视流动到功率放大器210的电流，所述电流受在由发射天线204产生的近场附近的有效接收器的存在或不存在影响。由控制器214监视对功率放大器210上的加载的改变的检测，以用于确定是否启用振荡器212来用于发射能量以与有效接收器通信。
可将发射天线204实施为天线带，其具有经选择以使电阻性损耗保持较低的厚度、宽度和金属类型。在常规实施方案中，发射天线204可一般经配置以与较大结构(例如，桌子、垫子、灯或其它较不便携的配置)相关联。因此，发射天线204一般将不需要“若干匝”以便具有实用尺寸。发射天线204的示范性实施方案可为“电学上较小的”(即，波长的分数)且经调谐以通过使用电容器界定谐振频率而在较低的可用频率下谐振。在发射天线204相对于接收天线来说在直径上或边长上(如果为正方形环)可能较大(例如，0.50米)的示范性应用中，发射天线204将不一定需要大量匝来获得合理电容。
发射器200可搜集和追踪关于可与发射器200相关联的接收器装置的行踪和状态的信息。因此，发射器电路202可包括连接到控制器214(在本文中还称作处理器)的存在检测器280、封闭式检测器290，或其组合。控制器214可响应于来自存在检测器280和封闭式检测器290的存在信号而调整由放大器210递送的功率的量。发射器可经由许多电源接收电力，所述电源例如为用以转换存在于建筑物中的常规AC电力的AC-DC转换器(未图示)、用以将常规DC电源转换成适合于发射器200的电压的DC-DC转换器(未图示)，或发射器可直接从常规DC电源(未图示)接收电力。
作为一非限制性实例，存在检测器280可为运动检测器，其用以感测插入到发射器的覆盖区域中的待充电的装置的初始存在。在检测后，可开启发射器且可使用由装置接收的RF电力来以预定方式切换接收器装置上的开关，其又导致发射器的驱动点阻抗的改变。
作为另一非限制性实例，存在检测器280可为检测器，其能够(例如)通过红外线检测、运动检测或其它合适手段来检测人类。在一些示范性实施例中，可能存在限制发射天线可在特定频率下发射的功率的量的规章。在一些情况下，这些规章有意保护人类免受电磁辐射影响。然而，可能存在发射天线放置于人类未占用的或人类不经常占用的区域(例如，车库、厂区、车间，等)中的环境。如果这些环境没有人类，则可能可准许将发射天线的功率输出增加到正常功率约束规章以上。换句话说，控制器214可响应于人类存在而将发射天线204的功率输出调整到管制水平或更低水平，且当人类在距发射天线204的电磁场管制距离之外时，将发射天线204的功率输出调整到高于管制水平的水平。
作为一非限制性实例，封闭式检测器290(在本文中还可称作封闭式隔间检测器或封闭式空间检测器)可为例如感测开关的装置，以用于确定外罩何时处于闭合或打开状态中。当发射器在处于封闭状态的外罩中时，可增加发射器的功率水平。
在示范性实施例中，可使用发射器200借以不会无限地保持开启的方法。在此情况下，发射器200可经编程以在用户确定的时间量后关闭。此特征防止发射器200(尤其是功率放大器210)在其周边的无线装置充满后长时间运行。此事件可能归因于用以检测从中继器或接收线圈发送的指示装置充满的信号的电路的故障。为了防止发射器200在另一装置放置于其周边时自动关闭，可仅在检测到其周边缺少运动的设定周期后启动发射器200自动关闭特征。用户可能够确定不活动时间间隔，且在需要时改变所述不活动时间间隔。作为一非限制性实例，所述时间间隔可比在假定特定类型的无线装置最初完全放电的情况下充满所述装置所需的时间间隔长。
图5为根据本发明的示范性实施例的接收器300的简化方框图。接收器300包括接收电路302和接收天线304。接收器300进一步耦合到装置350以用于将所接收的电力提供到装置350。应注意，将接收器300说明为在装置350外部，但其可集成到装置350中。通常，能量无线地传播到接收天线304且接着经由接收电路302而耦合到装置350。
接收天线304经调谐以在与发射天线204(图4)的频率相同的频率下或接近相同的频率下谐振。接收天线304可与发射天线204类似地设计尺寸，或可基于相关联装置350的尺寸来不同地设计大小。举例来说，装置350可为具有比所述发射天线204的直径或长度小的直径或长度尺寸的便携式电子装置。在此种实例中，可将接收天线304实施为多匝天线，以便减小调谐电容器(未图示)的电容值且增加接收天线的阻抗。举例来说，接收天线304可放置于装置350的实质性圆周周围，以便使天线直径最大化并减少接收天线的环匝(即，线圈)的数目和线圈间电容。
接收电路302提供与接收天线304的阻抗匹配。接收电路302包括电力转换电路306，其用于将所接收的RF能源转换成供装置350使用的充电电力。电力转换电路306包括RF-DC转换器308且还可包括DC-DC转换器310。RF-DC转换器308将在接收天线304处所接收的RF能量信号整流成非交变电力，而DC-DC转换器310将经整流的RF能量信号转换成与装置350兼容的能量电位(例如，电压)。预期各种RF-DC转换器，包括部分和全整流器、调节器、桥接器、倍增器以及线性和切换转换器。
接收电路302可进一步包括切换电路312，以用于将接收天线304连接到电力转换电路306或者用于断开电力转换电路306。将接收天线304与电力转换电路306断开不仅中止对装置350的充电，而且还改变发射器200(图2)所“看到”的“负载”，其可用以“掩盖”接收器而不被发射器看到。
如上文所揭示，发射器200包括负载感测电路216，负载感测电路216检测提供到发射器功率放大器210的偏置电流的波动。因此，发射器200具有用于确定接收器何时存在于发射器的近场中的机制。
当多个接收器300存在于发射器的近场中时，可能需要对一个或一个以上接收器的加载和卸载进行时间多路复用以使其它接收器能够更有效地耦合到发射器。还可遮盖一接收器以便消除到其它附近接收器的耦合或减少附近发射器上的加载。接收器的此“卸载”在本文中还称为“遮盖”。此外，如下文更完全地解释，由接收器300控制且由发射器200检测的卸载与加载之间的此切换提供从接收器300到发射器200的通信机制。另外，一协议可与所述切换相关联，所述协议使得能够将消息从接收器300发送到发射器200。举例来说，切换速度可为约100微秒。
在一示范性实施例中，发射器与接收器之间的通信涉及装置感测和充电控制机制而非常规双向通信。换句话说，发射器使用所发射信号的开/关键控，以调整近场中的能量是否可用。接收器将这些能量改变解译为来自发射器的消息。从接收器侧，接收器使用接收天线的调谐与解谐来调整正从近场接受多少电力。发射器可检测来自近场的所使用的电力的此差异，且将这些改变解译为来自接收器的消息。
接收电路302可进一步包括用以识别所接收的能量波动的信令检测器和信标电路314，所述能量波动可对应于从发射器到接收器的信息性信令。此外，信令和信标电路314还可用以检测减少的RF信号能量(即，信标信号)的发射并将所述减少的RF信号能量整流成标称电力，以用于唤醒接收电路302内的未供电或电力耗尽的电路，以便配置接收电路302来用于无线充电。
接收电路302进一步包括处理器316，以用于协调本文中所描述的接收器300的处理(包括对本文中所描述的切换电路312的控制)。还可在其它事件(包括检测到将充电电力提供到装置350的外部有线充电源(例如，壁式/USB电力))发生后即刻发生对接收器300的遮盖。除了控制对接收器的遮盖外，处理器316还可监视信标电路314以确定信标状态并提取从发射器发送的消息。处理器316还可调整DC-DC转换器310以获得改进的性能。
在一些示范性实施例中，接收电路320可以(例如)所要功率电平、最大功率电平、所要电流电平、最大电流电平、所要电压电平和最大电压电平的形式将功率要求用信号发送到发射器。基于这些电平和从发射器接收的实际功率量，处理器316可调整DC-DC到DC转换器310的操作以按调整电流电平、调整电压电平或其组合的形式来调节其输出。
本发明的示范性实施例是针对于天线和用于共享单一天线以服务无线电力递送、近场通信和FM频带的耦合元件，对于无线电力递送、近场通信和FM频带中的每一者，通常将使用单独天线。
图6为使用开关422以共享天线304用于无线电力接收、近场通信和广播辐射频带中的信号的接收的简化方框图。
在本文中所论述的示范性实施例中，天线304耦合到RF信号406，RF信号406连接到耦合元件410的共同端口412。耦合元件410可包括许多不同的内部电路，以用于将共同端口412耦合到第一端口414、第二端口416和第三端口418中的一者或一者以上。作为对可能的耦合元件410的说明，在图6到图10中的每一者中展示耦合元件410的不同示范性实施例。
耦合元件410的第一端口414耦合到NFC收发器460。如本文中所使用，近场通信包括NFC和射频识别(RFID)通信频率和协议两者。
NFC为使无线通信装置(例如，蜂窝式电话、智能型手机和个人数字助理(PDA))能够建立对等(P2P)网络的通信标准。NFC可使电子装置能够在其紧密靠近(例如，范围为从小于一厘米到约20cm的距离)时自动交换数据并起始应用程序。
作为非限制性实例，NFC可实现存储于数码相机中的图像到个人计算机的下载、音频和视频娱乐内容到便携式装置的下载或存储于智能型手机中的数据到个人计算机或其它无线装置的下载。NFC可与智能卡技术兼容，且还可用以实现对商品和服务的购买。在一示范性实施例中，用于NFC的频率以约13.56MHz为中心。
NFC收发器460可包括与天线304或耦合元件410内的其它电路(如将从以下论述的耦合机构明白)进行阻抗匹配的电路。NFC收发器460还可包括合适的逻辑、电路、处理器、代码和其组合以实现NFC信号的接收和发射，对于NFC信号的接收和发射，所接收的信号的载波频率处于NFC频带中。可在载波频率上调制数据。
RFID应用程序和NFC应用程序可利用共同RF频带。RFID为自动识别方法，其依赖于使用称为RFID标签或应答器的装置来存储和远程地检索数据。RFID标签为可出于使用无线电波识别的目的而附接到产品、动物或个人，或并入到其中的对象。RFID标签一般包括用于存储和处理信息、调制和解调RF信号和可能的其它专门功能的集成电路。
可从数米外自动地读取RFID标签，且其一般不必在读取器的视线内。RFID标签分为三个普通种类：被动式、半被动式(还已知为电池辅助式)或主动式。被动式标签不需要内部电源，而半被动式标签和主动式标签一般包括电源(例如，小型电池)。
在被动式RFID中，由传入的RF信号在天线304中诱发的小电流提供给标签中的集成电路加电且发射响应的足够电力。多数被动式标签通过反向散射来自读取器的载波而发信号。因此，标签天线元件经配置以收集来自传入信号的电力并发射传出的反向散射信号。被动式标签当前具有范围为从约10cm直到数米的实际读取距离。
与被动式RFID标签不同，主动式RFID标签具有其自身的内部电源，所述内部电源用以向集成电路供电且将信号广播到读取器。主动式标签可在比被动式标签高的功率电平下发射，从而允许其在“RF受挑战”的环境(例如，水、金属或较大距离下)中更有效。许多主动式标签具有数百米的实际范围和高达10年的电池寿命。
半被动式标签与主动式标签的类似之处在于，其具有其自身的电源，但电池一般仅用以向微芯片供电且并不广播信号。在半被动式标签中，与被动式标签一样，一般将RF能量反射回到读取器。
耦合元件410的第二端口416耦合到无线电力接收器470。出于示范性目的，所描述的无线充电可在13.56MHz频率(用于RFID和NFC的同一频率)下操作。与NFC、RFID和无线电力相关联的频带可在本文中被称作近场辐射频带。然而，应注意，示范性实施例不限于在13.56MHz下的无线电力接收，其它频率可用于此功能。如图6到图10中所展示，无线电力接收器470包括整流器472，其用于将经由耦合元件410传送的RF信号412转换为DC信号475，所述DC信号475适合由接收器装置(未图示)使用以对电池进行充电，将电力供应到所述接收器装置，或其组合。当然，无线电力接收器470可包括许多其它元件，例如，以上关于图2和图5所描述的元件。
耦合元件410的第三端口418耦合到广播接收器480。存在良好建立的广播和通信服务，其利用具有约88MHz到108MHz的载波频率的FM辐射频带和具有约540KHz到1600KHz的载波频率的AM辐射频带。广播接收器480可包括与天线304或耦合元件410内的其它电路(如将从以下论述的耦合机构明白)进行阻抗匹配的电路。广播接收器480还可包括合适的逻辑、电路、处理器、代码和其组合，以使得能够分别接收在FM辐射频带或AM辐射频带中的各种频率下的FM信号或AM信号，且将包括载波频率上所载运的信息的此些信号解调到基带。
因此，使用FM辐射频带作为一实例，在一些实施例中，广播接收器480可包括经配置以与天线304进行阻抗匹配并将天线304调谐到FM辐射频带的调谐电路，和用以选择FM辐射频带中的特定载波频率并调谐到所述特定载波频率的不同调谐电路。在其它实施例中，广播接收器可组合调谐功能以直接调谐到FM辐射频带内的所要载波频率。
在一些示范性实施例中，可与NFC信号的接收和发射以及无线电力接收同时地经由天线304接收FM信号。
在结合图6到图10所描述的示范性实施例中，共享一个天线304来用于三个示范性功能(例如，FM无线电接收、NFC和无线电力传递)，而正常使用三个单独天线，每一功能使用一个天线。
NFC需要比无线电力传递所需的带宽相对更大的带宽，且一般能够进行接收和发射功能两者。无线电力传递一般在固定频率下操作，且可经配置以在比NFC高的电平下接收RF电力。FM无线电可经调谐到FM无线电频带中的较高频率，且符合用于正常操作的最小敏感度。FM信号可仅为接收性的，且因此可对信号过载敏感。
在图6的示范性实施例中，耦合元件经配置为单极三掷开关，以将共同端口412选择性地耦合到第一端口414、第二端口416或第三端口418中的一者。在此实施例中，天线304直接连接到NFC收发器460、无线电力接收器470或广播接收器480中的一者。在直接连接的情况下，图6的示范性实施例可包括用于针对所要频率中的每一者而与天线304阻抗匹配的良好条件。NFC路径可提供降低天线304的Q的路径，因此提供相对于无线电力接收的较宽带宽。无线电力路径可提供在一个所要频率下具有最低可能损耗的最佳阻抗匹配。广播路径可提供阻抗匹配以使天线304在FM辐射频带或AM辐射频带上谐振，且提供所需敏感度。
图7为使用开关424和定向耦合器426以共享天线304用于无线电力接收、近场通信和广播辐射频带中的信号的接收的简化方框图。天线304、RF信号406、NFC收发器460、无线电力接收器470、DC信号475和广播接收器480的元件与图6中的元件相同，且无需再次描述。
在图7中，耦合元件410包括单极双掷开关424，从而将RF信号412耦合到第三端口418和近场信号420。耦合器426(例如，定向耦合器)将近场信号420耦合到第一端口414和第二端口416。在此实施例中，天线304直接连接到广播接收器480或近场信号420中的一者。在直接连接的情况下，图7的示范性实施例可包括用于针对广播辐射频带和近场辐射频带的所要频率中的每一者而与天线304阻抗匹配的良好条件。
在一示范性实施例中，耦合器426可耦合近场信号420以使得输入端口与发射端口之间的主线耦合到无线电力接收器470，使得在无线电力路径上存在最小额外损耗。耦合器426的耦合端口可连接到NFC收发器460以提供用于无线通信的衰减路径(例如，约20dB)，其相对于无线电力接收可能不需要同样的信号强度。负载428可耦合到耦合器426的最后端口以与耦合端口平衡。
图8为使用双工器432和开关434以共享天线304用于无线电力接收、近场通信和广播辐射频带中的信号的接收的简化方框图。天线304、RF信号406、NFC收发器460、无线电力接收器470、DC信号475和广播接收器480的元件与图6中的元件相同，且无需再次描述。
在图8中，耦合元件410包括双工器432，从而将RF信号412耦合到第三端口418和近场信号420。单极双掷开关434将近场信号420选择性地耦合到第一端口414或第二端口416。
双工器组合或拆分近场信号420上的近场辐射频带和第三端口418上的去往或来自单一RF信号406的广播辐射频带的两个不同频率。
在此实施例中，在天线304上所接收的较高频率FM辐射频带可被双工器拆分并隔离以连接到FM调谐器。或者，在天线304上所接收的较低频率AM辐射频带可被双工器拆分并隔离以连接到AM调谐器。类似地，中间频率近场信号420可被双工器拆分并隔离以连接到开关434。视所要操作模式而定，近场信号420可直接连接到无线电力接收器470以供应无线电力，或可连接到NFC收发器460以提供经由近场信号420和天线304的近场通信。
双工器432的使用允许在所关注的两个频带中的经裁剪的频率响应，包括通带插入损耗和阻带抑制。可通过被动组件的合适选择来在任一或两个频带中最小化插入损耗，如所属领域的技术人员所已知。此双工器432可(例如)包括组合的被动式低通和高通滤波器。在另一实施例中，所述滤波器中的一者或两者可为带通滤波器。与所选择的拓扑无关，双工器可经配置使得针对给定频带的一个滤波器的存在不会不利地影响其它滤波器在其所要频带中的响应，如滤波器设计领域的技术人员所众所周知的。
双工器432中的滤波器中的任一者的响应可进一步经裁剪以便增强某些抑制特性。作为一实例，可设计FM频带滤波器以使得其在13.56MHz下具有明显的零发射，与原本可从常规滤波器拓扑所获得的抑制相比，所述FM频带滤波器将提供对无线电力信号的更大抑制。同一概念可适用于用于无线电力的任何频率，因为此不限于13.56MHz。
图9为使用双工器432和定向耦合器436以共享天线304用于无线电力接收、近场通信和广播辐射频带中的信号的接收的简化方框图。天线304、RF信号406、NFC收发器460、无线电力接收器470、DC信号475和广播接收器480的元件与图6中的元件相同，且无需再次描述。
在图9中，耦合元件410包括双工器432，从而将RF信号412耦合到第三端口418和近场信号420。耦合器436(例如，定向耦合器)将近场信号420耦合到第一端口414和第二端口416两者。以上关于图7的耦合器426和图8的双工器432描述了耦合器436和双工器432中的每一者的操作细节。
图10为使用三工器440以共享天线304用于无线电力接收、近场通信和广播辐射频带中的信号的接收的简化方框图。天线304、RF信号406、NFC收发器460、无线电力接收器470、DC信号475和广播接收器480的元件与图6中的元件相同，且无需再次描述。
在图10中，耦合元件410包括三工器，以同时将RF信号406耦合到NFC收发器460、无线电力接收器470和广播接收器480中的每一者。可将双工器的概念延伸到两个以上频带，即，可设计多路复用器或N工器，其将单一共同输入分离为N个不同频率通道。在此实例中，N＝3。当将不同频率用于近场通信和电力传递频率时，图10的实施例可为有用的。
在图6到图10的示范性实施例中，可将微机电系统(MEMS)装置用于不同频率的切换、耦合和多路复用的部分。此外，MEMS装置可包括阻抗匹配网络以提供对每一不同路径的最佳匹配。在一示范性实施例中，基于MEMS的混合体可执行开关功能和阻抗匹配/调谐功能。在那个实施例中，可能不需要传统意义上的可识别SP3T(或SPnT)开关，因为那个功能可吸收于MEMS结构中。在另一示范性实施例中，可能不存在单独的SP3T开关和广播接收器块，或NFC/无线电力匹配。
所属领域的技术人员应理解，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，可通过电压、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可在整个上述描述中所参考的数据、指令、命令、信息、信号、位、符号和码片。
所属领域的技术人员应进一步了解，结合本文中所揭示的示范性实施例而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、计算机软件或两者的组合。为了清楚地说明硬件与软件的此互换性，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。将此功能性实施为硬件还是软件视特定应用和强加于整个系统的设计约束而定。所属领域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，但此些实施决策不应被解释为会导致偏离本发明的示范性实施例的范围。
可用通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑装置、离散门或晶体管逻辑、离散硬件组件或其经设计以执行本文中所描述的功能的任何组合来实施或执行结合本文中所揭示的示范性实施例而描述的各种说明性逻辑块、模块和电路。通用处理器可为微处理器，但在替代方案中，处理器可为任何常规的处理器、控制器、微控制器或状态机。还可将处理器实施为计算装置的组合，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。
结合本文中所揭示的示范性实施例而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体现。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、可装卸磁盘、CD-ROM或此项技术中已知的任何其它形式的存储媒体中。将示范性存储媒体耦合到处理器，以使得所述处理器可从所述存储媒体读取信息，并可将信息写入到所述存储媒体。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于ASIC中。ASIC可驻留于用户终端中。在替代方案中，处理器和存储媒体可作为离散组件而驻留于用户终端中。
在一个或一个以上示范性实施例中，可以硬件、软件、固件或其任何组合来实施所描述的功能。如果以软件来实施，则可将所述功能作为一个或一个以上指令或代码而存储于计算机可读媒体上或经由计算机可读媒体进行传输。计算机可读媒体包括计算机存储媒体与通信媒体两者，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。以实例且非限制的方式，此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运或存储所要程序代码且可由计算机存取的任何其它媒体。而且，适当地将任何连接称为计算机可读媒体。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、无线电和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、无线电和微波等无线技术包括在媒体的定义中。如本文中所使用，磁盘和光盘包括压缩光盘(CD)、激光光盘、光盘、数字多功能光盘(DVD)、软盘和蓝光光盘，其中磁盘通常以磁方式再现数据，而光盘用激光以光学方式再现数据。上述各者的组合也应包括在计算机可读媒体的范围内。
提供对所揭示的示范性实施例的先前描述以使得所属领域的技术人员能够制作或使用本发明。所属领域的技术人员将明白对这些示范性实施例的各种修改，且可在不偏离本发明的精神或范围的情况下将本文中所界定的一般原理应用于其它实施例。因此，本发明无意限于本文中所展示的实施例，而是将赋予本发明与本文中所揭示的原理和新颖特征一致的最广范围。

Claims (30)

1.一种设备，其包含：
天线，其用于接收广播辐射频带和近场辐射频带中的电磁辐射以产生射频(RF)信号；
耦合元件，其包括可操作地耦合到所述RF信号的共同端口、第一端口和用于耦合到根据所述广播辐射频带而配置的广播接收器的至少一个额外端口；以及
无线电力接收器，其可操作地耦合到所述第一端口且包含用于将所述RF信号的所述近场辐射频带转换为DC信号的整流器，其中在所述耦合元件将所述第一端口耦合到所述共同端口时，所述天线耦合到所述天线的耦合模式区中的所述近场辐射频带中的所述电磁辐射。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个额外端口包含第二端口和第三端口，且所述耦合元件包含单极三掷开关，以用于将所述共同端口选择性地耦合到所述第一端口、所述第二端口或所述第三端口中的一者。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个额外端口包含第二端口和第三端口，且所述耦合元件包含：
单极双掷开关，其用于将所述共同端口选择性地耦合到近场信号或所述第三端口；以及
定向耦合器，其用于将所述近场信号耦合到所述第一端口和所述第二端口。
4.根据权利要求3所述的设备，其中所述定向耦合器的主线耦合到所述第二端口，且所述定向耦合器的耦合端口耦合到所述第一端口。
5.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个额外端口包含第二端口和第三端口，且所述耦合元件包含：
双工器，其可操作地耦合到所述共同端口且用于组合所述第三端口上的所述广播辐射频带与所述近场辐射频带中的近场信号；以及
单极双掷开关，其用于将所述近场信号选择性地耦合到所述第一端口或所述第二端口。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个额外端口包含第二端口和第三端口，且所述耦合元件包含：
双工器，其可操作地耦合到所述共同端口且用于组合所述第三端口上的所述广播辐射频带与所述近场辐射频带中的近场信号；以及
定向耦合器，其用于将所述近场信号耦合到所述第一端口和所述第二端口。
7.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个额外端口包含第二端口和第三端口，且所述耦合元件包含三工器，所述三工器可操作地耦合到所述共同端口且用于组合所述第三端口上的所述广播辐射频带、所述第二端口上的所述近场辐射频带中的近场辐射信号与所述第三端口上的所述近场辐射频带中的无线电力信号。
8.根据权利要求1所述的设备，其中所述广播辐射频带包含具有在约88MHz到108MHz的频率中的辐射的FM辐射频带或具有在约540KHz到1600KHz的频率中的辐射的AM辐射频带，且所述近场辐射频带包含在以约13.56MHz为中心的频带中的辐射。
9.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个额外端口包含第二端口和第三端口，且所述设备进一步包含：
近场通信(NFC)收发器，其可操作地耦合到所述第二端口，且包含用于在所述耦合元件将所述第二端口耦合到所述共同端口时在所述天线上在所述近场辐射频带中传送信息的电路；以及
所述广播接收器，其可操作地耦合到所述第三端口，且包含用于在所述耦合元件将所述第三端口耦合到所述共同端口时接收所述RF信号并调谐来自所述RF信号的所述广播辐射频带的电路。
10.根据权利要求9所述的设备，其中：
所述无线电力接收器提供在所述近场辐射频带中的电力传递频率下具有最少损耗的最佳阻抗匹配；且
所述NFC收发器在所述近场辐射频带中提供宽带宽以优化NFC通信。
11.一种方法，其包含：
使用天线接收广播辐射频带和近场辐射频带中的电磁辐射以产生射频(RF)信号；
将所述RF信号耦合到第一端口和至少一个额外端口；
在所述第一端口耦合到所述RF信号且所述天线耦合到所述天线的耦合模式区中的所述近场辐射频带中的所述电磁辐射时，将所述RF信号的所述近场辐射频带转换为DC信号；以及
在所述至少一个额外端口耦合到所述RF信号时，调谐所述RF信号的所述广播辐射频带。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述至少一个额外端口包含第二端口和第三端口，且所述耦合所述RF信号包含将所述RF信号选择性地耦合到所述第一端口、所述第二端口或所述第三端口中的一者。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述至少一个额外端口包含第二端口和第三端口，且所述耦合所述RF信号包含：
将所述RF信号选择性地耦合到近场信号或所述第三端口；以及
将所述近场信号定向地耦合到所述第一端口和所述第二端口。
14.根据权利要求11所述的方法，其中所述至少一个额外端口包含第二端口和第三端口，且所述耦合所述RF信号包含：
对所述RF信号进行双工以组合所述第三端口上的所述广播辐射频带与近场信号上的所述近场辐射频带；以及
将所述近场信号选择性地耦合到所述第一端口或所述第二端口。
15.根据权利要求11所述的方法，其中所述至少一个额外端口包含第二端口和第三端口，且所述耦合所述RF信号包含：
对所述RF信号进行双工以组合所述第三端口上的所述广播辐射频带与近场信号上的所述近场辐射频带；以及
将所述近场信号定向地耦合到所述第一端口和所述第二端口。
16.根据权利要求15所述的方法，其中定向地耦合包含将所述近场信号耦合到定向耦合器的主线上的所述第二端口以及将所述近场信号耦合到所述定向耦合器的耦合端口上的所述第一端口。
17.根据权利要求11所述的方法，其中所述至少一个额外端口包含第二端口和第三端口，且所述耦合所述RF信号包含对所述RF信号进行三工，以组合所述第三端口上的所述广播辐射频带、所述第二端口上的所述近场辐射频带中的近场辐射信号与所述第三端口上的所述近场辐射频带中的无线电力信号。
18.根据权利要求11所述的方法，其中所述广播辐射频带包含具有在约88MHz到108MHz的频率中的辐射的FM辐射频带或具有在约540KHz到1600KHz的频率中的辐射的AM辐射频带，且所述近场辐射频带包含在以约16.56MHz为中心的频带中的辐射。
19.根据权利要求11所述的方法，其中所述至少一个额外端口包含第二端口和第三端口，且所述方法进一步包含：
在所述第二端口耦合到所述RF信号时，在所述天线上在所述近场辐射频带中发射信息、接收信息或其组合；以及
在所述第三端口耦合到所述RF信号时，调谐来自所述RF信号的所述广播辐射频带。
20.根据权利要求19所述的方法，其中：
将所述RF信号的所述近场辐射频带转换为所述DC信号进一步包含提供在所述近场辐射频带中的电力传递频率下具有最少损耗的最佳阻抗匹配；且在所述天线上发射信息、接收信息或其组合进一步包含在所述近场辐射频带中提供宽带宽以优化NFC通信。
21.一种无线电力接收器，其包含：
用于收发广播辐射频带和近场辐射频带中的电磁辐射以产生射频(RF)信号的装置；
用于将所述RF信号耦合到第一端口和至少一个额外端口的装置；
用于在所述第一端口耦合到所述RF信号且所述用于收发电磁辐射的装置耦合到在所述用于收发电磁辐射的装置的耦合模式区中的所述近场辐射频带中的所述电磁辐射时，将所述RF信号的所述近场辐射频带转换为DC信号的装置；以及
用于在所述至少一个额外端口耦合到所述RF信号时调谐来自所述RF信号的所述广播辐射频带的装置。
22.根据权利要求21所述的无线电力接收器，其中所述至少一个额外端口包含第二端口和第三端口，且所述用于耦合所述RF信号的装置包含用于将所述RF信号选择性地耦合到所述第一端口、所述第二端口或所述第三端口中的一者的装置。
23.根据权利要求21所述的无线电力接收器，其中所述至少一个额外端口包含第二端口和第三端口，且所述用于耦合所述RF信号的装置包含：
用于将所述RF信号选择性地耦合到近场信号或所述第三端口的装置；以及
用于将所述近场信号定向地耦合到所述第一端口和所述第二端口的装置。
24.根据权利要求21所述的无线电力接收器，其中所述至少一个额外端口包含第二端口和第三端口，且所述用于耦合所述RF信号的装置包含：
用于对所述RF信号进行双工以组合所述第三端口上的所述广播辐射频带与近场信号上的所述近场辐射频带的装置；以及
用于将所述近场信号选择性地耦合到所述第一端口或所述第二端口的装置。
25.根据权利要求21所述的无线电力接收器，其中所述至少一个额外端口包含第二端口和第三端口，且所述用于耦合所述RF信号的装置包含：
用于对所述RF信号进行双工以组合所述第三端口上的所述广播辐射频带与近场信号上的所述近场辐射频带的装置；以及
用于将所述近场信号定向地耦合到所述第一端口和所述第二端口的装置。
26.根据权利要求25所述的无线电力接收器，其中所述用于定向地耦合的装置包含用于将所述近场信号耦合到所述第二端口的主线装置和用于将所述近场信号耦合到所述第一端口的耦合端口装置。
27.根据权利要求21所述的无线电力接收器，其中所述至少一个额外端口包含第二端口和第三端口，且所述用于耦合所述RF信号的装置包含用于对所述RF信号进行三工以组合所述第三端口上的所述广播辐射频带、所述第二端口上的所述近场辐射频带中的近场辐射信号与所述第三端口上的所述近场辐射频带中的无线电力信号的装置。
28.根据权利要求21所述的无线电力接收器，其中所述广播辐射频带包含具有在约88MHz到108MHz的频率中的辐射的FM辐射频带或具有在约540KHz到1600KHz的频率中的辐射的AM辐射频带，且所述近场辐射频带包含在以约24.56MHz为中心的频带中的辐射。
29.根据权利要求21所述的无线电力接收器，其中所述至少一个额外端口包含第二端口和第三端口，且所述无线电力接收器进一步包含：
用于在所述第二端口耦合到所述RF信号时在所述用于收发电磁辐射的装置上在所述近场辐射频带中发射信息、接收信息或其组合的装置；以及
用于在所述第三端口耦合到所述RF信号时调谐来自所述RF信号的所述广播辐射频带的装置。
30.根据权利要求29所述的无线电力接收器，其中：
所述用于将所述RF信号的所述近场辐射频带转换为所述DC信号的装置进一步包含用于提供在所述近场辐射频带中的电力传递频率下具有最少损耗的最佳阻抗匹配的装置；且
所述用于在所述用于收发电磁辐射的装置上发射信息、接收信息或其组合的装置进一步包含用于在所述近场辐射频带中提供宽带宽以优化NFC通信的装置。
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