CN102570629B - 本地计算环境中的无线功率使用 - Google Patents

Abstract

本公开涉及本地计算环境中的无线功率使用。描述了无线供电本地计算环境的多个实施例。该无线供电本地环境至少包括被配置为无线地提供功率给多个适当配置设备中的任何一个或多个的近场磁共振(NFMR)供电器。在描述的实施例中，被配置为从NFMR供电器无线接收功率的设备必须位于被称为近场的延伸不超过距离D的区域中，该距离D是NFMR供电器发射设备的特征尺寸的几倍。典型地，该距离D可大约是1米左右。

Description

本地计算环境中的无线功率使用

技术领域

描述的实施例一般地涉及无线充电，更具体地涉及与向可位于无线功率系统中的接收机设备分配功率有关的设备、系统和方法。

背景技术

历来，无线地传送功率只对有限的应用成功过。尤其是，只有那些无线功率源与无线功率接收器彼此非常邻近的应用成功过。在该布置中，无线功率源和无线接收器通常通过能够耦合功率源和接收器两者的磁场而电感耦合。尽管适合需要相对低的功率(mW量级)的应用，但是该同一处理不适合需要更多功率(至少几瓦特到几百瓦特量级)或者功率源与功率接收器被彼此进一步间隔开(例如，几英寸到几英尺)的那些应用。

需要的是在无线供电的本地计算环境中在外围设备之间进行高效且用户友好的交互的方法、系统和装置。

发明内容

本文描述了涉及用于从无线供电器无线提供功率到多个外围设备中的任何一个或多个的系统、方法和装置的多个实施例。

描述了一种近场磁共振(NFMR)供电器，其被配置为利用共振信道传送能量到近场距离D内的共振电路，该距离D定义了该NFMR供电器的最远范围。该NFMR供电器至少包括：用于提供高频、正交带内功率的高频(HF)功率源，耦接到HF供电器并提供高频(HF)功率的基底盘，以及被配置为从基底盘接收HF功率的至少两个“D”形共振器。该至少两个“D”形共振器相互之间以180°异相被驱动，从而由该至少两个“D”形共振器产生的磁场在共振频率处提供对称的磁场。

在描述的实施例的一个方面，该对称的磁场是圆极化的。该圆极化磁场关于至少两个轴在空间上对称，从而提供了在外围设备处的、与该外围设备和NFMR供电器之间的空间关系无关的对称功率接收。

在另一方面，至少通过利用例如压电整形技术改变NFMR的共振器的形状，NFMR供电器的共振频率可动态调谐到任何频率。

在另一个实施例中，公开了一种确定无线供电本地计算环境的共振频率的方法。在描述的实施例中，该无线供电本地计算环境至少包括动态可调谐近场磁共振(NFMR)供电器和通信机制，该NFMR供电器被配置为通过共振信道向位于该NFMR供电器的有效范围D内的至少一个接收单元无线提供功率，该通信机制用于提供所述NFMR供电器和所述至少一个接收单元之间的与所述共振信道分离的通信信道。

该方法可通过至少执行以下操作来实施：由NFMR供电器在第一频率处提供磁场；通过通信信道接收对在接收单元处通过共振信道从NFMR供电器接收到的无线功率量的指示；如果接收到的指示小于最大功率，则通过动态调谐NFMR供电器将NFMR供电器的第一频率更新为第二频率，否则将共振频率设置为第一频率。

在另一个实施例中，公开了一种无线供电本地计算环境。该无线供电本地计算环境至少包括包含第一对称磁共振器结构的近场磁共振(NFMR)供电器和至少一个外围设备。所述外围设备又包括其形状根据第一对称磁共振器结构而定的第二对称磁共振器结构。该NFMR供电器利用第一对称磁共振器结构来产生对称磁场和用于耦合NFMR供电器与所述至少一个外围设备的的共振信道，用于从第一对称磁共振器结构和第二磁共振器结构传送可用的能量。该无线供电本地计算环境还至少包括与NFMR供电器通信的中央处理单元，该中央处理单元为该NFMR供电器提供处理资源。

本发明的其它方面和优点将会从下面结合附图的详细说明中变得明显，其中附图以例子的形式示例了描述的实施例的原理。

附图说明

图1是例示出无线功率传递系统的框图，该无线功率传递系统包括功率发射单元和目标电子设备，其中利用磁波将功率无线地传递到目标电子设备。

图2示出无线功率传送系统的简化示意图。

图3是依照一个实施例的发射机的简化框图。

图4示意了示例的实施例中采用的天线，其可被配置为“环形”天线。

图5示意了根据描述的实施例被配置为利用圆极化磁场传送功率的无线功率源。

图6A-6E根据描述的实施例示意了无线系统的基本配置。

图7示意了一个实施例，其中外围设备采取在无线供电器的有效范围D内的键盘的形式。

图8A和8B依照描述的实施例示意了磁地梳(ground comb)。

图9依照描述的实施例示意了详细的处理流程图。

图10依照描述的实施例示意了典型的无线本地计算环境。

具体实施方式

在这一部分描述了基于本发明的装置和方法的示例应用。提供这些例子仅仅是为了增加上下文环境和帮助理解本发明。因此，本发明可以在无需一些或全部这些具体细节的情况下而实施，这对于本领域技术人员来说是显而易见的。在其它实例中，已知的流程步骤没有进行详细描述是为了避免对本发明不必要的混淆。其它应用也是可以的，因此下面的例子不是作为限制。

下面涉及的是用于在无线充电环境内无线地向设备提供有用的功率量的技术和装置。在一个实施例中，该无线充电环境可包括像桌上型计算机、膝上型计算机、上网本计算机、平板计算机等各种计算设备。在一些情况下，无线供电器可以被用来无线地提供功率给各种电子设备，诸如包括用于移动操作的便携式电源的智能电话(如由加州库珀蒂诺的苹果公司制造的iPhone^TM)。由无线供电器提供的功率可以用于电子设备的操作、电子设备内便携式供电器的充电、或其任意组合。

已发现(参见物理学年报323(2008)第34-38页由Karalis等人所著的“Efficient wireless non-radiative mid-range energy transfer”)有用功率可从电源无线传送到位于被称为近场的距离内的接收机。如Karalis所总结的，有效的无线非辐射能量传送可以利用长寿命的振荡共振电磁模式来实现，其具有采用了已知的共振耦合原理(即，两个相同频率的共振物体趋于耦合，而与其它非共振的环境物体的相互作用很弱)的局部化的缓慢渐消场模式。更具体地，并且特别地，共振耦合是一种共振渐消耦合，其中通过两个物体的非辐射近场的重叠来实现耦合机制。尽管已经知道能量可以在非常近的场内在耦合物体之间以无线方式有效地传输(例如，在光波导或空腔耦合器中以及在共振感应变压器中)，但在目前描述的实施例中，能量可以在中等距离上被有效传送，该中等距离比能量传送涉及的两个物体的最大尺寸要大几倍(以下称为有效距离d)。特别地，通过建立强耦合，很少能量被浪费到其它非共振物体上。在描述的实施例中，物体之间的强耦合可以根据等式(1)来定义：

等式(1) $\mathrm{\κ}/\sqrt{{\mathrm{\Γ}}_1{\mathrm{\Γ}}_2}>>1$

其中，

Γ_1，2是物体的本征(吸收、辐射等)损耗造成的共振宽度，并且

κ是耦合系数。

因此，对于表征渐消(无损)固定近场的低(即，慢)本征损耗率Γ，有效的能量传送需要高Q-ω/2Γ的共振模式。此外，比物体的特征尺寸大的距离需要强(牢固)耦合率κ，因此，由于近场延伸到环绕有限尺寸共振物体的空气中的程度典型地被设置为波长，因此中等距离非辐射耦合可以利用具有亚波长大小并从而具有明显更长的渐消场尾部的共振物体来实现。因此，近场的全向但固定(无损)特性使得该机制适合于移动无线接收机，例如电子设备(便携的或固定的)、计算系统等等。

相应地，高效的无线功率传送可以很好地适用于便携式应用。由于便携性的需求，多数便携式电子设备基于由耦接的电池提供的功率来工作。这些设备中的电子电路消耗的功率量决定了电池使用时间。这对于这些设备的使用带来了直接的限制，即需要经常对电池再充电以保持设备处于可操作状态。为了这些设备的操作连续性，用户经常携带额外的电池。电池的再充电操作典型地取决于电力供应的可用性，以及兼容的电力插座的可用性。然而，为了消除这些依赖性和不便性，提供了无线功率传送系统，其至少部分地可用于无线地对电池进行充电。例如，描述的无线功率传送系统可以提供功率发射单元，其采用磁共振装置和/或其它近场能量传递技术(诸如具有目标共振频率的非辐射磁场波)来对位于其附近且能够接收作为非辐射磁场而传输的功率的远程设备进行供电。这样，该无线功率传送系统可以考虑到电池再充电操作的自动启动，其中可以无需打断当前操作而进行再充电。

本发明的实施例旨在利用磁能量从远程功率源(站)对电池就地充电。这种对远程设备中的电池再充电的解决方案可适用于功率源与具有可再充电电池的目标设备之间的相当远的距离。在一些实施例中，功率的无线传递通过与目标设备共振耦合的功率源之间的高频共振磁耦合来进行，该目标设备是基于包括在其中的便携式可再充电电池而运行的电子设备。通常，功率源和目标设备被调谐到相同频率。这引起目标设备中的磁共振以便由功率源以空气(就此而言，或真空)作为功率传送的媒介来无线地发射功率。

依照一个实施例，由功率发射单元生成的磁场与目标设备之间的磁耦合使得能够实现功率传送。通过对磁生成线圈进行适当的整形来将磁场引导朝向目标设备。该系统可基于变压器原理操作但是具有空气芯并且跨过更长的距离。并且，在该设置中的功率传送与使用RF电磁信号的共振功率传送相比更有意义，因为功率源和目标设备相对很接近，并且在功率发射单元和目标设备之间使用了共同的频率。例如，本实施例的系统可利用布置在计算设备中的一个或多个线圈。该计算设备可以是像iMac^TM桌上型计算机的桌上型计算机形式，或者是便携式计算机的形式，例如由加州库伯蒂诺的苹果公司制造的MacBookPro^TM。应当指出的是，除了不显眼的线圈配置以外，还可以将金属性部件(诸如用于支撑内部部件的外壳)配置作为(一个或多个)共振器。

例如，iMac^TM桌上型计算机的铝外壳的至少一部分可以被用作共振器。在一些情况下，小形状因子的电子设备，例如iPhone^TM，可以包括至少一部分由金属构成的外壳。例如，用来为iPhone^TM提供结构支撑的金属镶边可以被用作单环共振器。这样，该金属镶边可以无线接收功率以用于操作该电子设备和对电池充电(无论哪一个是必需的)。在另一个例子中，诸如鼠标之类的外围设备的金属性外壳可以被用作共振器来提供功率以操作鼠标和/或对用于存储供鼠标操作的电力的电池进行充电。由功率源产生的磁信号/磁场可以被目标设备的天线/线圈接收。接收到的信号/场在目标设备处通过二极管对电容器充电。这样的电容器的阵列可以利用多个二极管而串联连接。该电容和多个二极管的阵列帮助从AC(交流)到DC(直流)的整流并且可将DC电压放大到足以对目标设备中的电池进行充电的值。

根据本实施例的一个方面，共振功率无线传输支持至少从功率发射单元到目标设备的通信。这些通信可包括与充电相关的信息或其它信息。由于功率发射单元和目标设备之间的强无线耦合，利用该技术可以支持高数据率的通信。对于从目标设备到功率发射单元的通信，可以采用相同的原理。然而，在一些实施例中，从目标设备到功率发射单元的通信可以由其它无线技术来支持，诸如无线局域网(WLAN)操作，例如IEEE802.11x，以及无线个域网(WPAN)操作，例如蓝牙、红外通信、蜂窝通信和/或其它技术。

在一个实施例中，无线功率可以由至少一个具有圆极化源共振器的无线功率源来提供。该至少一个无线功率源可包括高频、正交带内功率发射机。该至少一个无线功率源可包括提供高频(HF)功率的基底盘和至少两个“D”形共振器。该至少两个“D”形共振器相互之间以180°异相被驱动。从而，由该至少两个“D”形共振器产生的磁场可以提供圆极化磁场。该圆极化磁场可与具有对应形状的底座和共振器天线的外围设备(例如鼠标)相互作用。在一个实施例中，该外围底座包括可以接收从无线功率源无线传递的功率的电子部件。这些电子部件可以包括可从该无线供电器接收充电电流的电池。由于磁场极化的圆形特性，当鼠标在支撑基底盘的表面上移动时，鼠标和无线供电器之间的共振耦合可以基本上不受影响。需要指出的是，通过更改该至少两个“D”形磁场的朝向或者通过更改椭圆形磁场的轴的朝向，该圆极化磁场可被“转向”。在一个实施方式中，目标设备可以具有单朝向接收机的形式。

在一个实施例中，外围设备可以被成形为形成具有适合与无线功率源发出的圆极化磁场相互作用的形状的共振器。例如，键盘可具有金属架，用来相对于支撑表面以人体工程学友好的角度来支撑该键盘。该金属架可具有根据由上述至少两个“D”形共振器形成的圆极化磁场而定的形状。这样，该金属架可以与该圆极化磁场相互作用以便支持从无线功率源无线地接收功率。

在另一个实施例中，无线供电器的共振频率可以被调谐到任何频率并且可以从任何频率解谐。共振频率的调谐可通过改变至少一个共振器的形状来动态完成。在一个实施例中，至少一个共振器形状的改变可以通过例如压电整形技术来实现。在一些实施例中，寄生电容可以被用来调谐/解谐共振器。在一些情况下，无线功率发射机可以改变中心共振频率以便补偿寄生电容。动态调谐可以用来提供共振器的标识。例如，当共振器被解谐(或调谐)时，与该共振器相关联的共振阻抗将被移出(或添加到)供电器中的初级共振器与该共振器之间的磁回路。共振阻抗的改变可被供电器检测到，从而与阻抗改变相关联的该共振器可被推断出并被存储以供以后使用。

动态调谐也可用于在多个接收设备之间仲裁功率。例如，可以在相继地调谐一个或多个模式后进行询问，以请求确认在特定频率处接收功率的那些设备接收到了多少功率。这样，与原始中心频率不相等的共振模式可被确定。从而，可以在所确定的共振频率之一处传送最大功率。这样，最有效的功率传送可以出现在原始中心频率处，但是，最大的功率量可以在共振模式频率之一处传送。可以通过采用例如反向信道使特定的接收设备无效(null out)，来确定共振模式。这样，当无线功率发射机在某个共振模式上广播时，该无线功率发射机可以查找阻抗的改变。这样，通过扫过特定的频带，若干个共振模式可被确定。在一些情况下，多个共振器可以耦合在一起以形成链接的再共振器(re-resonator)。

在另一个实施例中，传导材料可用作波导和/或磁通量集中器。特别地，金属性表面和结构可被用来通过例如增大耦合系数κ来引导/集中高频率共振。传导表面(诸如桌面、计算机外壳等等)可用作通量集中器以及金属外壳。

在另一个实施例中，地梳可被用于优先地阻塞磁通量以及优先地允许其它磁通量通过。该地梳可由磁活性材料形成并具有指状物的形式，这些指状物相互间隔开以允许至少一些磁通量通过间隙。然而，至少可应用第二组指状物，其与第一组指状物交叉以形成孔。这些孔只允许入射磁场的选定部分和量通过，磁场的剩余部分被阻塞。

这些以及其它的实施例将在下面参考附图1-10进行讨论。然而，本领域技术人员很容易理解的是，这里结合附图的详细描述仅仅是出于示例目的，不应解释为限制。

图1是例示出无线功率传递系统100的框图，系统100包括功率发射单元103和目标电子设备115，其中利用磁波无线地传递功率。功率传递系统100用于传递电功率到一个或多个目标设备，并且目标设备利用所传递的功率来进行操作或对电池再充电或者两者兼顾。功率传递系统100包括功率发射单元103、目标电子设备115和其它能够接收所发射的功率的目标设备。功率发射单元103包括能够产生供功率传输的功率的功率源105和能够利用磁波111发射功率的发送共振耦合部件131，其中磁波111诸如是具有指定的目标共振频率的非辐射磁场波。功率发射单元103还包括源功率管理器107和目标设备认证器109。功率发射单元103能够将功率发射动态调谐到与目标电子设备115相关联的目标共振频率，其中该目标共振频率是动态指定的。功率发射单元还包括通信模块110，其可操作以通过磁波111和/或通过射频(RF)通信113发送通信信号到目标电子设备115。RF通信113可包括诸如IEEE802.11x通信的无线局域网(WLAN)通信，以及无线个域网(WPAN)通信，例如蓝牙通信、蜂窝通信、专用接口通信，或其它RF通信技术。通信模块110还可包括有线通信链路，例如，诸如以太网、电缆调制解调器之类的局域网(LAN)，广域网(WAN)和/或其它有线通信方式。例如，该有线通信链路可提供到因特网的高速上行链路。

目标电子设备115包括共振充电模块117、用户授权模块121、源共振频率选择器123、通信模块125和目标设备功率管理器127。该共振充电模块117包括接收共振耦合部件141、充电控制器119和可再充电电池129。该接收共振耦合部件141，有时候也被称为接收共振充电部件，用于接收由功率发射单元113利用目标共振频率提供的功率发射。目标电子设备115利用接收的功率以操作目标电子设备115以及对目标电子设备115中的可再充电电池129进行充电。功率传递系统100利用功率发射单元103的发送共振耦合部件113来生成磁场，该磁场用于传输功率到目标设备，如目标电子设备115。典型地，发送共振耦合部件113包括利用以目标共振频率振荡的非辐射磁场填充其周围空间的共振线圈，其中该非辐射磁场由目标电子设备115利用接收共振耦合部件141来接收。目标设备还包括通信模块125，其可操作以通过磁耦合和/或通过RF通信与功率发射单元103的通信模块110进行通信。

在从功率源105到目标电子设备115的共振功率传递期间，包含功率源105的功率发射单元103与目标电子设备115相互通信耦合。利用“无线场”111来无线地实现共振耦合，在一些实施例中，该“无线场”111是非辐射磁场。“无线场”111是功率传递信道，而“无线链路”113是控制信号信道。在一个实施例中，利用相同的频率(或者换句话说，在相同的信道上，即无线场111)进行功率和控制信号的传输。在另一个实施例中，功率链路(例如磁场)、控制信号以及正常的通信(即，正常功能)操作在分别的信道上进行。例如，功率发射单元103被实现在移动电话的基站中，其中，与移动电话的正常通信操作(从基站)、共振功率传递和控制信号传输都在移动电话(作为目标电子设备)和基站之间进行，但采用不同的信道。

功率源105是产生所需功率的模块，该功率将采用实质上的“无线手段”111以非辐射磁模式或辐射磁模式被传输。功率源105将功率提供给发送共振耦合部件131，后者例如产生非辐射磁场来发射功率。源功率管理器107管理无线功率发射。

图2是参照图1描述的无线功率传递系统100的另一个实施例200的简化示意框图。无线功率系统200可包括至少一个发射机204，该发射机包括振荡器222、功率放大器224以及滤波器和匹配电路226。该振荡器被配置用于生成期望的频率，该频率可响应于调整信号223而被调整。功率放大器224可以根据响应于控制信号225的放大量来放大振荡器信号。滤波器和匹配电路226可被包括在内以便过滤谐波或其它不想要的频率以及将发射机204的阻抗与发射天线214进行匹配。接收机208可包含匹配电路232以及整流器和开关电路234，以生成用于对电池236充电(如图3所示)或向耦合到该接收机的设备(未示出)供电的DC功率输出。匹配电路232可被包括在内以将接收机208的阻抗与接收天线218进行匹配。接收机208和发射机204可在单独的通信信道113(例如，蓝牙、蜂窝、WiFi等)上通信。

如图3所述，在示例的实施例中采用的天线可被配置为“环形”天线350，这里也可被称为“磁”天线。环形天线可被配置为包含空气芯或诸如铁氧体芯之类的物体芯。空气芯环形天线可以更能容忍放置在该芯附近的无关物理设备。此外，空气芯环形天线允许在芯区域内放置其它部件。发射机204和接收机208之间的有效能量传送在发射机204和接收机208之间匹配或几乎匹配共振期间进行。然而，即使发射机204和接收机208之间的共振不匹配，能量也可以以较低的效率传送。能量传送是通过将能量从发射天线的近场耦合到位于已经建立了该近场的邻近区域中的接收天线而进行的，而不是将能量从发射天线传播到自由空间中。

环形或磁天线的共振频率是基于电感和电容的。环形天线中的电感通常仅仅是由环产生的电感，而电容通常被添加到该环形天线的电感从而在期望的共振频率处形成共振结构。作为一个非限制性例子，电容器352和电容器354可被添加到天线以形成产生共振信号356的共振电路。因此，对于直径较大的环形天线，随着环的直径或电感的增大，引起共振所需的电容的大小减小。此外，随着环形或者磁性天线的直径的增大，近场的有效能量传送区域增大。当然，其它共振电路也是可以的。作为另一个非限制性例子，电容器可以并联在环形天线的两端之间。此外，本领域技术人员将意识到，对于发射天线，共振信号356可以是到环形天线350的输入。

图4是发射电路402及相关联的发射天线404的简化框图。通常，发射电路402通过提供振荡信号向发射天线404提供RF功率，导致在发射天线404附近产生近场能量。举例来说，发射电路402可工作在13.56MHz ISM频带。发射电路402包括固定阻抗匹配电路406和低通滤波器(LPF)408，该阻抗匹配电路406用于将发射电路402的阻抗(例如，50欧姆)与发射天线404进行匹配，而低通滤波器408被配置为将谐波发射降低到可防止耦接到接收机208的器件自干扰的水平。其它示例性实施例可包括不同的滤波器拓扑，包括但不限于陷波滤波器，其在衰减特定频率的同时让其它频率通过，并且可包括自适应阻抗匹配，该阻抗匹配可根据可测量的发射量度(诸如到天线的输出功率或由功率放大器引出的DC电流)而改变。发射电路402进一步包括功率放大器410，被配置为驱动由振荡器412确定的RF信号。该发射电路可由分立的器件或电路构成，或者可替换地，可由集成组件构成。示例性的发射天线404的RF功率输出可大约是2.5到8.0瓦。

发射电路402进一步包括控制器414，其用于在针对特定接收机的发射阶段期间(或工作循环期间)使能振荡器412，调整振荡器的频率，以及调整输出功率水平以便实现用于与邻居设备通过其附接的接收机而交互的通信协议。发射电路402可进一步包括负载感测电路416，其用于检测在由发射天线404产生的近场附近是否存在活动的接收机。举例来说，负载感测电路416监测流向功率放大器410的电流，该电流受到在由发射天线404产生的近场附近是否存在活动的接收机这一因素的影响。对功率放大器410上负载改变的检测由控制器414监视，以用于确定是否要使能振荡器412来发射能量以便与活动的接收机通信。

发射天线404可被实施为带状天线，其厚度、宽度和金属类型被选择为保持低的电阻损耗。在惯常的实施方式中，发射天线404通常可被配置为与较大的结构(诸如桌子、垫子、灯或者其它不太便携的结构)相关联。因此，为了具有实用的尺度，发射天线404通常不需要“多个圈”。发射天线404的一个示例性实施方式可以“在电学意义上小”(即，波长的若干分之一)，并且通过利用电容器定义共振频率而被调谐到在较低的可用频率处共振。在一个示例性应用中，相对于接收天线，发射天线404可直径更大或边长更大(如果是方形环)(例如，0.50米)，发射天线404将不一定需要大量的圈数来获得适当的电容。发射电路402可收集并跟踪关于可与发射电路402相关联的接收机设备的行踪和状态的信息。因此，发射电路402可包括连接到控制器414(这里也称为处理器)的存在检测器、封闭检测器、或者其组合。

在一个实施例中，无线功率可以由至少一个具有圆极化源共振器的无线功率源提供。更具体地，依照描述的实施例，图5示出了被配置为利用圆极化磁场传送功率的无线供电器500。无线供电器500可包括功率源502。在描述的实施例中，功率源502可以具有高频、正交带内功率发射机的形式，其可以提供高频(HF)功率到基底盘504。基底盘504接着提供HF功率到可具有“D”形共振器形式的共振器506。这样，每一个“D”形共振器506可作为圆极化磁场源共振器，其可以将提供给基底盘504的HF功率中的至少一些转换为分别的磁场分量B₁和B₂，这两个磁场分量可以相互组合以形成所得到的磁场508。在一种特别有用的配置中，至少两个“D”形共振器506可以由基底盘504以相互大约180°异相驱动，从而得到的磁场分量B₁和B₂相互之间也是180°异相。两个异相磁场分量B₁和B₂的组合可以得到圆极化的磁场。应当指出的是，对于圆极化磁场，极化面以螺旋方式旋转，在每个波长期间形成一圈完整的旋转。这样，圆极化波在水平和垂直面上以及它们之间的所有面上辐射能量。沿传播方向看，如果旋转是顺时针的，则该方向被称为右手圆(RHC)。如果旋转是逆时针的，则该方向被称为左手圆(LHC)。这样，所得到的圆极化磁场508可在所有面上发射，使得移动设备(例如计算机鼠标)更有可能能够建立可靠的共振链路，而不用考虑该移动设备和无线供电器500的相对天线朝向。

图6A-6E示意了依照描述的实施例的无线系统600的基本配置，该无线系统600包括被配置为辐射圆极化磁场508的无线供电器500。特别地，图6A示意了在无线供电器500和外围设备之间可形成共振信道。外围设备602可被配置为可移动到无线供电器500的有效距离d内的任何位置的移动设备。有效距离d可表示外围设备602可以从无线供电器500接收有用功率量的、与无线供电器500相距的距离。有效距离d的范围可以是从几厘米到几米。应当指出的是，除了共振器504的尺寸和形状以及包括在外围设备602中的共振器604的尺寸和形状以外，有效距离d还可能受到很多因素的影响。无论如何，下面的讨论的假设是，通过将距无线供电器500的当前距离总是保持为小于距离d_max，外围设备602保持在无线供电器500的最大距离D(即，D＝d_max)内。应当指出的是，最大距离D表示在外围设备602处可以从供电器500无线接收到最小预定量的功率P_min的、在供电器500周围的区域。例如，功率P_min可被设为20mW，其表示可被传送到外围设备602以使外围设备602以完全可工作的方式来工作的最小功率量。当然，取决于板载电源(如果有的话)的当前状态，功率P_min可以变化，从而改变供电器500的有效范围D。

所得到的磁场508可以通过组合由无线供电器500内的共振器504生成的磁场分量B₁和B₂来形成。在该实施例中，外围设备602可采用计算机鼠标602的形式。计算机鼠标602可包括共振器604，每个共振器具有与包含在无线供电器500内的共振器506相关联的形状因子。换句话说，共振器604也可以是“D”形的。这样，“D”形共振器604的相互作用可以被优化以用于最有效的无线功率传输。除了提供有效的无线功率传送，所得到的磁场508的圆极化特性还允许计算机鼠标602在支撑表面上或在自由空间中保持任意的空间朝向而仍然维持无线供电器500与计算机鼠标602之间基本恒定的功率传送(如下所示)。

相应地，图6B示出了外围设备602沿着线AA的横截面，示意了耦接到底座608的外壳606。特别地，外壳606可以封装与底座608内的电池610和操作部件612电耦接的共振器604。这样，电池610和操作部件612可以通过共振器604从无线供电器500接收相对恒定的功率供应。应当指出的是，在一些实施例中，电池610不是必要的，因为可以从无线供电器500无线接收功率，从而避免了对任何板载电源的需要。

如图6C-6E所示，磁场508的对称性使得无论外围设备的朝向如何，功率都可以在外围设备602处以可接受的水平被无线接收。例如，如图6C所示，鼠标602形式的外围设备602可包括大小基本相等并且相互大致成直角的共振器604。这样，共振器604的几何特性可基于圆极化磁场508的特性而调整。由于圆极化磁场508与共振器604之间的匹配对称性，无论计算机鼠标602相对于供电器500(尤其地，共振器504)的空间朝向如何，来自供电器500的功率都可以在可接受的水平或其之上被接收。进一步如图6D所示，外围设备602可以从图6C所示的朝向旋转大约90度，并且仍然相对于供电器500内的共振器506和计算机鼠标602内的共振器604保持有利朝向。

应当指出的是，由供电器500提供的磁场实际上可以为椭圆形(圆形是椭圆形的特例)，如图6E所示。相应地，外围设备602中的共振器604也可以为相对应的椭圆形，从而优化从供电器500传送到外围设备602的功率量并且优化功率传送效率。应当指出的是，通过更改由“D”形共振器506生成的至少两个“D”形磁场的朝向(例如，通过更改椭圆形磁场的轴的朝向)，圆极化磁场508可被“转向”。应当指出的是，在一个实施例中，目标设备(在该示例中是计算机鼠标)可以只包括单朝向接收机，这虽然降低了可通过利用多个共振器获得的功率传送率，但是当可用空间或大小是一个重要考虑方面时，这可能是合适的解决方案。

图7示意了一个实施例，其中外围设备602具有位于无线供电器500的最大范围D内的键盘700的形式。特别地，图7示意了键盘700的顶视图，键盘700具有作为键盘700结构的一部分的无线功率接收机单元702。例如，键盘700可以由金属(诸如铝)形成。无线功率接收机单元702可包括至少一个共振器704。在一个特定实施例中，共振器704可具有与无线供电器500中的共振器504相匹配的“D”形共振器的形式。这样，无论键盘700相对于无线供电器500的朝向如何，键盘700都可以通过圆极化磁场508无线接收功率。然而应当指出的是，在一些实施例中，无线供电器500可以合并到另一个设备中，诸如计算系统706中。在这种情况下，键盘700相对于计算系统706的实际空间朝向是非常有限的(不像计算机鼠标那样)。因此，共振器704可被限制为单个“D”形共振器，其可被制作为键盘700的一部分而对键盘700至少接收足以使键盘700完全工作的功率量的能力没有明显不利影响。

在另一个实施例中，如图8A所示的地梳800可用于选择性阻塞一些磁通量而优先允许其它磁通量通过。地梳800可以由磁活性材料形成并具有第一组指状物802的形式，这些指状物相互间隔开以允许至少一些磁通量B通过间隙。然而，可应用至少第二组指状物804，其与第一组指状物组802交叉以形成孔806。孔806被配置为只允许入射磁场B_inc中的选定部分和量作为磁场B_out通过，而入射磁场B_inc的剩余部分被阻塞，如图8B所示。

应当指出的是，通过改变共振器的几何特性，无线供电器的共振频率可调谐到任何频率以及从任何频率解谐。在一个实施例中，通过改变至少一个共振器的形状，可动态完成共振频率的调谐。在一个实施例中，至少一个共振器形状的改变可利用例如压电整形技术来执行。在一个实施例中，寄生电容可用来调谐/解谐共振器。在一些情况下，为了补偿寄生电容，无线功率发射机可改变中心共振频率。

特别地，图9示意了依照描述的实施例，详细示出用于确定磁功率传送系统的共振频率的过程900的流程图。过程900可开始于902，在一个频率处提供磁场。在描述的实施例中，磁场的频率可至少部分基于磁功率传送系统的组成部分的特征尺寸。例如，功率共振器以及任何的接收共振器的特征尺寸可被用于确定该磁场频率。除了特征尺寸，要传送的功率量也可能影响该频率，因为更多的功率可能需要更高的频率。一旦在该频率处提供了磁场，就在904获得对在接收机处无线接收到的功率量的指示。可利用通信信道(有时候称为反向信道)以任何合适的通信方式，例如WiFi^TM、蓝牙等等，来获得该指示。一旦获得了所接收的功率量的指示，就在906确定接收到的功率量是否表示最大功率。该确定可基于被指定作为特定系统的最大功率的预定功率量，或者可基于与先前的对接收到的功率的指示的比较。

无论如何，如果确定了接收到的功率量不是最大的，则在908更新频率并使控制返回到902。频率的更新可以以多种方式来实现。例如，可以通过改变共振器的几何特性来更新频率。这样，无线供电器的共振频率可被调谐到任何频率或从任何频率解谐。在一个实施例中，可以通过改变至少一个共振器的形状来动态实现共振频率的调谐。在一个实施例中，至少一个共振器形状的改变可以利用例如压电整形技术来进行。在一些实施例中，寄生电容可被用来调谐/解谐共振器。在一些情况下，为了补偿寄生电容，无线功率发射机可改变中心共振频率。另一方面，如果确定所接收到的功率是最大的，则在910，该频率为共振频率，并且过程900结束。

动态调谐还可用于在多个接收设备之间仲裁功率。例如，可以在相继地调谐一个或多个模式后进行询问，以请求确认在特定频率接收功率的那些设备接收到了多少功率。这样，与原始中心频率不相等的共振模式可被确定。从而，可以在所确定的共振频率之一处传送最大功率。这样，最有效的功率传送可以出现在原始中心频率处，但是，最大的功率量可以在其它共振模式频率之一上传送。可以通过采用例如反向信道使特定的接收设备无效，来确定共振模式。这样，当无线功率发射机在某个共振模式上广播时，该无线功率发射机可以查找阻抗的改变。这样，通过扫过特定的频带，若干个共振模式可被确定。在一些情况下，多个共振器可以耦合在一起以形成链接的再共振器。

图10示出了依照描述的实施例的代表性的虚拟(virtual)充电区域1000。虚拟充电区域1000提供区域R以对置于区域R内的适当配置的设备进行充电。NFMR供电器可位于中心单元(诸如桌上型计算机)中。这样，该桌上型计算机可提供具有计算资源的NFMR供电器。应当指出的是，近场磁共振(NFMR)供电器可包括依赖于近场磁耦合的高Q回路，该近场磁耦合通过在功率源和宿的共振之间形成的共振信道来传送功率。NFMR供电器可以是例如被包含在桌上型计算机、膝上型计算机、平板计算机等等之中的独立的单元。在其它一些实施例中，NFMR供电器可以具有便携式单元的形式，诸如可以连接到合法设备(诸如桌上型计算机)从而提供更新设备的能力的电子狗(dongle)。而在另外一些实施例中，用于封装NFMR功率源的外壳或外壳的一部分可以用于延伸NFMR供电器的可用范围。

这样，可以直接从NFMR供电器对适当配置的外围设备供电。这样，当调谐到合适的频率时，外围设备可以从NFMR供电器无线接收功率。这样，适当调谐的外围设备可以被认为是共振电路的一部分，其中该共振电路可包括NFMR供电器和这样调谐的任何其它外围设备。作为这种电路的一部分，每个设备关联有相对应的可被NFMR供电器感测到的负载。这样，该共振电路可以具有特征负载，该特征负载可以通过向该共振电路增加设备或从该共振电路删除设备而改变。例如，如果诸如便携式媒体播放器之类的适当配置的设备被带入NFMR供电器的范围内，则当(以及如果)该便携式媒体播放器被适当调谐时，与该便携式媒体播放器相关联的负载可被NFMR供电器感测到。应当指出的是，在一些情况下，被带入NFMR供电器的范围内的设备可利用标准通信协议(诸如WiFi或蓝牙)来通知其初始存在。然而，一旦合并入该共振电路，该设备可采用如下详细描述的通信反向信道。相应地，该共振电路的特征负载因子的任何改变可以传达信息，该信息可被NFMR供电器使用以便通过例如分配功率等来控制该共振电路中的各个设备。

在一些实施例中，外围设备中的某些可被配置为包含可直接从NFMR供电器接收功率的再共振器电路。这样的设备还可以将接收到的功率的一部分传送给其它外围设备。虚拟充电区域1000包括可包含NFMR供电器的中央单元1002(桌上型计算机)、键盘1004、鼠标1006以及便携式媒体播放器1008。在一个实施例中，键盘1004可被配置为直接从包含在桌上型计算机1002中的NFMR供电器接收功率，鼠标1006和便携式媒体播放器1008也可以如此。

在一些情况下，例如，桌上型计算机1002直接向鼠标1006提供功率的能力可能因许多因素而降低。这些因素可包括，例如，在区域R内增加了其它需要来自NFMR供电器的功率的设备，有障碍物干扰在NFMR和鼠标1006之间形成的直接功率信道，等等。在这种情况下，键盘1004可以作为再共振器，从而，从NFMR供电器传递到键盘1004的功率的一部分可以借助于键盘1004中的再共振器发射单元(未示出)被继续传递。这样，鼠标1006的任何功率损耗可通过从键盘1004接收功率而改善。这种配置可以是暂时的，或者可以只要鼠标1006不能直接从NFMR供电器接收足够的功率就一直持续。在其它情况下，便携式媒体播放器1008位于区域R内可能会降低键盘1004和鼠标1006可用的功率量。在这种情况下，如果键盘1006中的电池是充满电的(或者不需要额外的充电)，则键盘1006可以断开充电电路，同时仍然维持再共振器电路为鼠标1006提供功率。

应当指出的是，传导材料1012可用作波导和/或磁通量集中器。特别地，金属性表面和结构可被用来通过例如增大耦合系数κ来引导/集中高频率共振。传导表面(诸如桌面、计算机外壳等)可用作通量集中器以及金属外壳。

描述的实施例的各个方面、实施例、实施方式或特征可单独使用或以任何结合方式使用。描述的实施例的各个方面可以以软件、硬件或者软件与硬件结合的形式来实施。描述的实施例还可以表现为非暂态计算机可读介质上的计算机可读代码。该计算机可读介质被定义为可存储之后可由计算机系统读取的数据的任何数据存储设备。计算机可读介质的例子包括只读存储器、随机存取存储器、CD-ROM、DVD、磁带以及光数据存储设备。计算机可读介质还可分布于经网络耦接的计算机系统，从而可以分布式地存储和执行计算机可读代码。

出于解释目的，前面的描述采用了具体的术语来提供对描述的实施例的全面理解。然而，本领域技术人员将清楚，具体的细节对于实施所描述的实施例而言不是必需的。因此，对这里描述的具体实施例的前述说明是出于示例和说明的目的而给出的。它们的目的不在于穷举或将实施例限制到所公开的精确形式。本领域普通技术人员将清楚，根据以上的教导，可以存在许多修改和变形。

描述的实施例的优点很多。不同的方面、实施例或实施方式可以产生一个或多个以下优点。本实施例的许多特征和优点由于所记载的描述而变得明显，因此意在由所附的权利要求书来覆盖本发明的所有这些特征和优点。进一步地，由于大量修改和改变对于本领域技术人员来说是容易的，实施例不应当被限制到所示例和描述的精确结构和操作。因此，所有适当的修改和等同方式可被认为是落入本发明的范围内。

Claims (20)

1.一种近场磁共振NFMR供电器，被配置为利用共振信道传送能量到近场距离D内的共振电路，该距离D定义了所述NFMR供电器的最远范围，所述NFMR供电器包括：

用于提供高频、正交带内功率的高频HF功率源；

耦接到所述HF功率源并且从所述HF功率源接收高频HF功率的基底盘；

被配置为从该基底盘接收HF功率的至少两个“D”形共振器，其中该至少两个“D”形共振器相互之间以180°异相被驱动，其中由该至少两个“D”形共振器产生的磁场(i)在所述基底盘上方从所述基底盘辐射开并且(ii)被配置为在共振频率处提供对称的磁场。

2.如权利要求1所述的NFMR供电器，其中所述对称的磁场是圆极化的。

3.如权利要求2所述的NFMR供电器，其中功率从所述NFMR供电器被无线传送到在所述共振频率处与所述圆极化磁场共振的外围设备。

4.如权利要求3所述的NFMR供电器，所述外围设备包括：

被配置为封装和支撑至少操作部件和电池的底座；和

电耦接到所述电池的共振器结构，该共振器结构具有根据所述至少两个“D”形共振器而定的尺寸和形状。

5.如权利要求4所述的NFMR供电器，进一步包括：

被配置为向所述NFMR供电器提供处理资源的中央处理单元；以及

外壳，所述外壳的至少一部分是由金属形成的并且用作被配置为再次共振从所述“D”形共振器到所述外围设备的圆极化磁场的再共振器，其中用作再共振器的外壳部分是可配置的以便调整共振频率。

6.如权利要求5所述的NFMR供电器，所述外围设备进一步包括：

处理器；

与所述处理器通信的动态可调谐共振电路，所述动态可调谐共振电路适合于从所述NFMR供电器无线接收功率，其中所述处理器指引所述共振电路调谐到所述NFMR供电器的共振频率中的至少一个。

7.如权利要求6所述的NFMR供电器，其中通过由所述处理器指引所述动态可调谐共振电路随后解谐从而改变共振电路负载因子，所述外围设备向所述NFMR供电器提供标识。

8.如权利要求7所述的NFMR供电器，其中所述共振电路负载因子的改变由所述NFMR供电器检测并被NFMR供电器的中央处理单元使用来提供解谐的外围设备的设备标识。

9.如权利要求8所述的NFMR供电器，其中通过改变至少一个“D”形共振器的形状来动态地调谐所述NFMR供电器。

10.如权利要求9所述的NFMR供电器，其中利用压电整形机制来实现所述至少一个“D”形共振器的形状。

11.如权利要求10所述的NFMR供电器，其中，为了补偿寄生电容，通过改变中心共振频率来动态地调谐所述NFMR供电器的共振频率。

12.一种确定无线供电本地计算环境的共振频率的方法，所述无线供电本地计算环境至少包括根据权利要求1-11中任一所述的近场磁共振NFMR供电器和通信机制，该NFMR供电器被配置为通过共振信道向位于该NFMR供电器的有效范围D内的至少一个接收单元无线提供功率，所述通信机制用于提供所述NFMR供电器和所述至少一个接收单元之间的通信信道，所述通信信道与所述共振信道是分离的，所述方法包括：

由所述NFMR供电器在第一频率处提供磁场；

通过所述通信信道接收对在接收单元处通过所述共振信道从所述NFMR供电器接收到的无线功率量的指示；

如果接收到的指示小于最大功率，通过动态调谐所述NFMR供电器来将所述NFMR供电器的第一频率更新为第二频率，否则，

将共振频率设置为所述第一频率。

13.如权利要求12所述的方法，所述NFMR供电器至少包括被配置为提供对称磁场的“D”形共振器结构。

14.如权利要求13所述的方法，更新第一频率包括：

改变所述“D”形共振器结构的形状。

15.如权利要求13所述的方法，更新第一频率包括：

更改耦合到所述“D”形共振器结构的电容负载。

16.如权利要求12所述的方法，其中所述指示是通过所述通信信道从所述至少一个接收单元接收的。

17.一种无线供电本地计算环境，包括：

包括第一对称磁共振器结构的根据权利要求1-11中任一所述的近场磁共振NFMR供电器；

至少一个外围设备，包括具有根据所述第一对称磁共振器结构而定的形状的第二对称磁共振器结构，其中所述NFMR供电器利用所述第一对称磁共振器结构来生成对称磁场和用于耦合所述NFMR供电器与所述至少一个外围设备的共振信道，所述共振信道用于从所述第一对称磁共振器结构和所述第二对称磁共振器结构传送可用的能量；以及

与所述NFMR供电器通信的中央处理单元，所述中央处理单元为所述NFMR供电器提供处理资源。

18.如权利要求17所述的无线供电本地计算环境，其中至少一个所述外围设备包括再共振器电路，该再共振器电路被配置为将该外围设备从所述NFMR供电器接收到的功率的一部分无线提供给至少一个其它外围设备。

19.如权利要求18所述的无线供电本地计算环境，进一步包括：

金属性表面，所述金属性表面被用作被配置为增加所述对称磁场的本地磁通量的磁通量集中器。

20.如权利要求18所述的无线供电本地计算环境，进一步包括：

与所述第一对称磁共振器结构邻近的地梳，所述地梳包括：

第一多个磁活性元件，和

第二多个磁活性元件，与所述第一多个磁活性元件相关联地布置以形成至少一个孔，其中所述第一和第二多个磁活性元件允许入射磁场仅在所述孔处传输通过所述地梳。