CN102948084B - 用于控制无线电力发射器的场分布的系统、装置和方法 - Google Patents

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Abstract

示范性实施例是针对于无线电力发射器(700A)的场分布的控制。发射器可包含经配置以产生场的发射天线(601)。所述发射器可进一步包含接近所述发射天线且经配置以修改所述所产生的场的分布的至少一个寄生天线。

Description

用于控制无线电力发射器的场分布的系统、装置和方法
根据35U.S.C.§119主张优先权
本申请案根据35U.S.C.§119(e)主张以下申请案的优先权：
2010年5月17日申请的题目为“使用电抗性地加载的寄生线圈更改磁场分布(ALTERING MAGNETIC FIELD DISTRIBUTION USING REACTIVELY LOADEDPARASITIC COIL(S))”的美国临时专利申请案61/345,435，其揭示内容的全文特此以引用的方式并入本文中；以及
2010年5月14日申请的题目为“经由寄生回路控制磁场分布(CONTROLLINGMAGNETIC FIELD DISTRIBUTION VIA PARASITIC LOOPS)”的美国临时专利申请案61/334,783，其揭示内容的全文特此以引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明大体上涉及无线电力，且更具体来说，涉及与控制由无线电力发射器产生的场的分布有关的系统、装置和方法。
背景技术
正开发使用在发射器与待充电的装置之间的空中电力发射的方法。这些方法大体上属于两个类别。一个类别是基于介于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(也被称作远场辐射)的耦合，所述待充电的装置收集所辐射电力且对其进行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。此方法的缺点为电力耦合随着天线之间的距离增加而快速减退。因此，在合理距离(例如，＞1到2m)上的充电变为困难的。另外，由于系统辐射平面波，所以如果未通过滤波来适当控制无意的辐射，那么无意的辐射可能会干扰其它系统。
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主机装置中的接收天线加上整流电路之间的电感耦合。此方法具有以下缺点：发射天线与接收天线之间的间隔必须非常接近(例如，几毫米)。尽管此方法具有对相同区域中的多个装置同时充电的能力，但此区域通常较小，因此用户必须将所述装置定位到特定区域。
如所属领域的技术人员将了解，近场通信(NFC)装置可从无线电力发射器接收可导致NFC装置的不良加热的过量电力。另外，红粉接收器可能试图从无线电力发射器拾取电力，因此影响去往有效无线电力接收器的电力递送和系统效率。
另外，定位于相关联的充电区内的额外接收器或金属物体可通过减小其自感来使发射器去谐。向发射器的发射线圈里面看的阻抗变化可影响相关联的驱动放大器的性能。如果发射线圈显著大于接收线圈，那么线圈之间的耦合效率可能受损失，这可影响充电时间并引起潜在热问题。因此，需要较高效率耦合结构。还需要知道相关联的充电区内的一个或一个以上接收器的位置以使得可将电力转移到相应接收器。
存在对用于控制无线电力发射器的场分布的方法、系统和装置的需要。更具体来说，存在对用于利用一个或一个以上寄生天线来控制无线电力发射器的场分布的方法、系统和装置的需要。
发明内容
无
附图说明
图1展示无线电力传递系统的简化框图。
图2展示无线电力传递系统的简化示意图。
图3说明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4A为根据本发明的示范性实施例的发射器的简化框图。
图4B说明定位成接近发射天线的包含开关的寄生天线。
图4C说明定位成接近发射天线的包含开关和电容器的寄生天线。
图5为根据本发明的示范性实施例的接收器的简化框图。
图6A说明根据本发明的示范性实施例的包含发射天线和多个寄生天线的无线电力发射器。
图6B说明根据本发明的示范性实施例的包含发射天线和多个寄生天线的另一无线电力发射器。
图6C说明根据本发明的示范性实施例的包含发射天线以及第一方向上的多个寄生天线和第二方向上的另外多个寄生天线的另一无线电力发射器。
图6D说明根据本发明的示范性实施例的包含发射天线和多维寄生天线阵列的又一无线电力发射器。
图7A说明根据本发明的示范性实施例的包含无线电力发射器和多个无线电力接收器的无线电力系统。
图7B说明根据本发明的示范性实施例的包含无线电力发射器和无线电力接收器的另一无线电力系统。
图8A说明根据本发明的示范性实施例的包含无线电力发射器和包含非兼容接收器的多个无线电力接收器的无线电力系统。
图8B说明根据本发明的示范性实施例的包含无线电力发射器和包含多个非兼容接收器的多个无线电力接收器的无线电力系统。
图9说明根据本发明的示范性实施例的包含无线电力发射器、多个寄生天线和兼容接收器的无线电力系统。
图10A到10G说明根据本发明的示范性实施例的各种实例无线电力发射器配置，其中每一配置包含发射天线和至少一个寄生天线。
图11A到11C说明根据本发明的示范性实施例的各种实例无线电力发射器配置的横截面图，其中每一配置包含发射天线和寄生天线。
图12A到12E说明根据本发明的示范性实施例的发射天线内的电流与寄生天线内的电流之间的各种关系。
图13为说明根据本发明的示范性实施例的方法的流程图。
具体实施方式
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，且不希望表示其中可实践本发明的仅有实施例。贯穿此描述所使用的术语“示范性”意指“充当实例、例子或说明”，且未必应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透彻理解的目的而包含特定细节。所属领域的技术人员将明白，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，以框图形式来展示众所周知的结构和装置，以避免模糊本文中呈现的示范性实施例的新颖性。
词语“无线电力”在本文中用以意指在不使用物理电导体的情况下从发射器发射到接收器的与电场、磁场、电磁场或其它者相关联的任何形式的能量。此后，所有这三种场将统称为辐射场，同时理解纯磁场或纯电场不辐射电力。这些场必须耦合到“接收天线”以实现电力传递。
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以供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以供由耦合到输出电力110的装置(未图示)存储或消耗。发射器104与接收器108两者隔开某一距离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和接收器108，且当接收器108的谐振频率与发射器104的谐振频率非常接近时，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之间的发射损耗为最小的。
发射器104进一步包含用于提供用于能量发射的装置的发射天线114，且接收器108进一步包含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，有效能量传递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不是以电磁波形式将大部分能量传播到远场而发生。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为耦合模式区。
图2展示无线电力传递系统的简化示意图。发射器104包含振荡器122、功率放大器124和滤波器与匹配电路126。振荡器经配置以产生所要频率，例如(仅举例来说)468.75KHz、6.78MHz或13.56，可响应于调整信号123来调整所述频率。可通过功率放大器124响应于控制信号125而以某一放大量来放大振荡器信号。可包含滤波器与匹配电路126以滤除谐波或其它不想要的频率，且使发射器104的阻抗与发射天线114匹配。
接收器108可包含匹配电路132以及整流器与切换电路134以产生DC电力输出，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。可包含匹配电路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、紫蜂(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配置为“环形”天线150，其在本文中还可称为“磁性”天线。环形天线可经配置以包含空气芯或物理芯(例如，铁氧体芯)。空气芯环形天线可更好地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，空气芯环可更易于使得能够将接收天线118(图2)放置于发射天线114(图2)的平面内，在所述平面处，发射天线114(图2)的耦合模式区可更强大。
如所陈述，发射器104与接收器108之间的有效能量传递在发射器104与接收器108之间的匹配或近匹配谐振(即，频率匹配)期间发生。然而，即使当发射器104与接收器108之间的谐振不匹配时，也可传递能量，但效率可能受影响。能量传递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不是将能量从发射天线传播到自由空间中而发生。
环形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添加到所述天线以形成产生谐振信号156的谐振电路。因此，对于较大天线，随着环的电感因为增加的线圈直径和/或匝数而增加，诱发谐振所需要的电容大小减小。此外，随着环形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，其它谐振电路可为可能的。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。
图4A为根据本发明的示范性实施例的发射器200的简化框图。发射器200包含发射电路202和发射天线204。通常，发射电路202通过提供导致在发射天线204四周产生近场能量的振荡信号来将RF电力提供到发射天线204。应注意，发射器200可在任何合适频率下操作。举例来说，发射器200可在13.56MHz的ISM频带下操作。
示范性发射电路202包含用于将发射电路202的阻抗(例如，50欧姆)匹配到发射天线204(即，匹配负载和源以增强效率)的固定阻抗匹配电路206以及经配置以将谐波发射减小到防止耦合到接收器108(图1)的装置的自干扰的程度的低通滤波器(LPF)208。其它示范性实施例可包含不同滤波器拓扑(包含(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)，且可包含自适应阻抗匹配，其可基于可测量的发射度量(例如，到天线的输出电力或由功率放大器汲取的DC电流)而变化。发射电路202进一步包含经配置以驱动如由振荡器212确定的RF信号的功率放大器210。发射电路可由离散装置或电路组成，或者可由集成组合件组成。来自发射天线204的示范性RF电力输出可为约2.5瓦。
发射电路202进一步包含控制器214，所述控制器214用于在特定接收器的发射阶段(或工作循环)期间启用振荡器212、用于调整所述振荡器的频率或相位，以及用于调整用于实施通信协议(用于经由邻近装置的附接接收器与邻近装置交互)的输出电力电平。如此项技术中众所周知，发射路径中的振荡器相位和相关电路的调整允许减小带外发射，尤其是当从一个频率转变为另一频率时。
发射电路202可进一步包含用于检测作用中接收器在由发射天线204产生的近场附近的存在与否的负载感测电路216。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，所述电流受作用中接收器在由发射天线204产生的近场附近的存在与否影响。由控制器214监视对功率放大器210上的负载的改变的检测，以用于确定是否启用振荡器212来用于发射能量以及与作用中接收器通信。
发射天线204可以绞合线实施或实施为具有经选定以将电阻损耗保持为低的厚度、宽度和金属类型的天线带。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、灯或其它较不便携的配置)相关联。因此，发射天线204可能不需要“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在直径上或边长上(如果为正方形环)相对于接收天线可为较大(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可搜集并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可包含连接到控制器214(在本文中还称作处理器)的存在检测器280、封闭检测器260或其组合。控制器214可响应于来自存在检测器280和封闭检测器260的存在信号而调整由放大器210递送的电力的量。发射器可通过许多电源接收电力，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。在检测到之后，可开启发射器且可使用由装置接收的RF电力来以预定方式双态切换Rx装置上的开关，这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的检测器。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电力的量的规章。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电力输出增加到正常电力约束规章以上。换句话说，控制器214可响应于人类存在而将发射天线204的电力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的电力输出调整到高于管制水平的水平。
作为非限制性实例，封闭检测器260(在本文中还可称作封闭隔间检测器或封闭空间检测器)可为例如感测开关等装置，以用于确定封闭体何时处于闭合或打开状态中。当发射器在处于封闭状态的封闭体中时，可增加发射器的电力水平。
在示范性实施例中，可使用发射器200借以不会无限期地保持开启的方法。在此情况下，发射器200可经编程以在用户确定的时间量之后关闭。此特征防止发射器200(尤其是功率放大器210)在其周界的无线装置充满电之后长时间运行。此事件可能归因于用以检测从中继器或接收线圈发送的装置充满电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界时自动停止运转，可仅在检测到其周界缺少运动的设定周期之后激活发射器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将所述装置充满电所需的时间间隔长。
图4B说明接近包含可选择性地控制的开关221的寄生天线205的发射天线204。如下文更全面地描述，短接的寄生天线(即，开关221闭合的寄生天线205)可诱发修改(即，对抗)由发射天线204产生的场的电流。图4C说明接近包含可选择性地控制的开关221和电容器C的寄生天线207的发射天线204。如下文更全面地描述，具有电容器的短接的寄生天线(即，开关221闭合的寄生天线207)可诱发修改由发射天线204产生的场的电流。
图5为根据本发明的示范性实施例的接收器300的简化框图。接收器300包含接收电路302和接收天线304。接收器300进一步耦合到装置350以用于向装置350提供所接收的电力。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，能量以无线方式传播到接收天线304，且接着通过接收电路302耦合到装置350。
接收天线304经调谐以在与发射天线204(图4A)相同的频率下或在指定频率范围内谐振。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。在此实例中，接收天线304可实施为多匝天线，以便减少调谐电容器(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的大致圆周周围，以便最大化天线直径并减小接收天线的环匝(即，绕组)的数目和绕组间电容。
接收电路302提供与接收天线304的阻抗匹配。接收电路302包含用于将所接收RF能源转换为供装置350使用的充电电力的电力转换电路306。电力转换电路306包含RF/DC转换器308且还可包含DC/DC转换器310。RF/DC转换器308将在接收天线304处接收到的RF能量信号整流为非交变电力，而DC/DC转换器310将经整流的RF能量信号转换为与装置350兼容的能量电位(例如，电压)。预期各种RF/DC转换器，包含部分和全整流器、调节器、桥接器、倍增器以及线性和切换转换器。
接收电路302可进一步包含用于将接收天线304连接到电力转换电路306或者用于断开电力转换电路306的切换电路312。将接收天线304从电力转换电路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”。
如上文所揭示，发射器200包含负载感测电路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高效地耦合到发射器。接收器的此“卸载”在本文中也称为“隐匿”。也可隐匿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负载，或使得发射器能够准确地确定仅一个“经隐匿”接收器的特性。此外，如下文更全面地解释，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，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。
在示范性实施例中，发射器与接收器之间的通信指代装置感测与充电控制机制，而非常规双向通信。换句话说，发射器可使用所发射信号的开/关键控，以调整是否可在近场中获得能量。接收器将所递送电力的这些改变解译为来自发射器的消息。从接收器侧来看，接收器可使用接收天线的调谐与去谐来调整正从近场接受的电力的量。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。应注意，可利用对所发射电力和负载行为的其它形式的调制。
接收电路302可进一步包含用以识别接收到的能量波动的信令检测器与信标电路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，信令与信标电路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信号能量整流为标称电力，以用于唤醒接收电路302内的未供电或耗尽电力的电路，以便配置接收电路302以进行无线充电。
接收电路302进一步包含用于协调本文中所描述的接收器300的过程(包含对本文中所描述的切换电路312的控制)的处理器316。接收器300的隐匿也可在其它事件(包含检测到向装置350提供充电电力的外部有线充电源(例如，壁式/USB电力))的发生后即刻发生。除了控制接收器的隐匿外，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还可为获得改进的性能而调整DC/DC转换器310。
如本文中所描述，本发明的各种示范性实施例涉及用于经由一个或一个以上寄生天线来控制无线电力系统的场分布的系统、装置和方法。更具体来说，本发明的示范性实施例可实现增强的耦合效率、较少的热问题和改进的充电时间。此外，示范性实施例可实现增加的充电区域以用于支持更多可充电装置，因此在不影响效率和充电时间的情况下增强用户体验。应注意，术语“寄生线圈”、“寄生回路”和“寄生天线”在本文中可互换地使用。
根据本发明的一个示范性实施例，定位成接近发射天线的去谐并短接的寄生天线(即，完全短路寄生天线)可因为诱发的电流而产生对抗由发射天线产生的场(例如，磁场)的场(例如，磁场)。因此，在此示范性实施例中，寄生天线内的区域可没有磁场且发射天线的自感可减小。此外，根据另一示范性实施例，寄生天线可为断开的(即，开路的)(例如，经由开关)，且因此可不诱发对发射天线或接近发射天线的磁场分布的影响。
根据本发明的另一示范性实施例，具有固定电抗(例如，电容)且定位成接近发射天线的一个或一个以上寄生天线可在其中诱发电流以修改由发射天线产生的磁场。
如下文更全面地描述，一个或一个以上寄生天线可以行阵列、列阵列或其任何组合(即，具有重叠行阵列和列阵列的双层)定位成接近发射天线。此外，寄生天线可以可包括一个或一个以上层的栅格阵列定位成接近发射天线。此外，所述一个或一个以上寄生天线可定位于发射天线上方、发射天线下方或与发射天线共平面。
寄生天线可与相关联的发射天线大小相同、比发射天线小或比发射天线大。所述一个或一个以上寄生天线可包括单个匝或多个匝。应注意，根据本发明的示范性实施例的短接的寄生线圈可具有与具有大体上类似大小的电子装置(例如，移动电话)大体上类似的去谐效应(发射线圈自感的减小)。
在一个预期阶段期间，可通过短接在相关联的回路内不具有兼容接收器的所有寄生天线以及断开在相关联的回路内具有至少一个兼容接收器的每一寄生天线来获得谐振匹配。应注意，定位于发射天线和短接的寄生线圈的充电区内的每一接收器的累积去谐效应相同而不管接收器的数目如何。因此，可约束发射天线的自感而不管放置于相关联的充电区内的接收器的数目如何。
如上文所提到，根据本发明的另一示范性实施例，一个或一个以上寄生线圈(其中每一寄生线圈具有固定电抗)可集成于无线电力发射器内以使得无线电力发射器的磁场分布能够被修改(例如，校平磁场分布)。寄生天线的环可小于外部激励线圈(即，发射天线)以改进磁场分布或将场导引于理想区中。此外，寄生天线的环可大于外部激励线圈以增加有效充电区域。一个或一个以上寄生天线可以同心布局来布置以改进整体场分布或以非同心布局布置以改进特定区中的场分布。另外，一个或一个以上寄生天线可为单匝绕组或多匝绕组。
一个或一个以上寄生天线对发射天线产生的磁场的影响的程度可取决于寄生天线中诱发的电流，所述诱发的电流可取决于寄生天线与发射天线之间的互感。此电流可由以下各项控制：寄生天线的大小(即，较大大小等于较多电流)、寄生天线的匝数(即，较多匝等于较多电流)、寄生天线与发射天线之间的距离(即，垂直和横向)(即，较靠近等于较多电流)以及寄生天线与无线电力发射器的充电表面之间的距离(即，较大距离等于较小影响)。
如下文更全面地描述，一个或一个以上寄生天线可定位于发射天线上方以改进到较远离相关联的充电表面的接收器的互耦合(导致增加的效率)。另外，一个或一个以上寄生天线可与发射天线共平面以减小发射器轮廓。此外，一个或一个以上寄生天线可定位于发射天线下方以减小场更改的程度。
应注意，跨越寄生天线的一个或一个以上电容器值可控制发射天线与寄生天线之间的相位差。因此，可为了获得理想响应而选择跨越寄生天线的电容器的值。极其小的电容器(类似于开路)可对整体场分布具有最小影响。具有极其大的值的电容器(类似于短路)可在相应寄生天线中间实现最小场强度且在具有同心布局的相应寄生天线外部的区中实现最大场强度。具有比将谐振频率驱动为操作频率的电容器值小的值的电容器可通过减小相应寄生天线外部的区中的场强度且增加相应寄生天线内部的区中的场强度来针对同心布局实现大体均匀场分布。具有等于将谐振频率驱动为操作频率的电容器值的值的电容器可针对同心布局在相应寄生天线中间实现最大场强度且在相应寄生天线外部的区中实现最小场强度。具有比将谐振频率驱动为操作频率的电容器值大的电容器值的电容器可在相应寄生天线内部的区中实现较弱场强度且在相应寄生天线外部的区中实现较强场强度。应注意，额外电容器可切换到寄生天线中以主动将磁场导引到理想区中且远离不良区。以下表1进一步说明电容器值对寄生天线中的电流和无线电力发射器的场分布的影响。
表1
现将参看图6A到13描述本发明的各种示范性实施例。图6A说明根据本发明的示范性实施例的包含发射天线601和多个寄生天线602A的无线电力发射器600A。图6B说明根据本发明的另一示范性实施例的包含发射天线601和多个寄生天线602B的无线电力发射器600B。图6A中说明的寄生天线602A以行阵列定位且图6B中说明的寄生天线602B以列阵列定位。图6C说明根据本发明的又一示范性实施例的无线电力发射器600C。无线电力发射器600C包含发射天线601、呈行阵列的多个寄生天线602A以及呈列阵列的多个寄生天线602B。寄生天线602A和寄生天线602B呈双层配置。图6D中说明本发明的另一示范性实施例，图6D描绘包含发射天线601和以行与列阵列布置的多个寄生天线602D的无线电力发射器600D。应注意，如本文中使用以及如图6A到6D中说明，“小区”为可由一个或一个以上寄生天线控制的最小可能区域。
图7A说明包含无线电力发射器700A的无线电力系统700A的实例，无线电力发射器700A包含呈双层配置的多个寄生天线712、714、716、718和720以及另外多个寄生天线722、724和726。更具体来说，无线电力发射器700A包含定位于一个方向上(即，彼此平行)的寄生天线712、714、716、718和720，以及定位于另一方向上(即，彼此平行且垂直于寄生天线712、714、716、718和720)的寄生天线722、724和726。此外，无线电力系统700包含第一无线电力接收器710A和第二无线电力接收器710B。在第一无线电力接收器710A和第二无线电力接收器710B中的每一者包括兼容装置的实例中，无线电力发射器700A可断开寄生天线722、724、714和718中的每一者以及短接寄生天线712、716、720和726中的每一者。因此，在寄生线圈712、716、720和726中的任一者内的区域可包括零场区。因此，在此实例中，接收器710A或接收器710B可接收由发射天线601产生的电力。
图7B说明包含无线电力发射器700A的另一实例无线电力系统700B，无线电力发射器700A包含呈双层配置的多个寄生天线712、714、716、718和720以及另外多个寄生天线722、724和726。更具体来说，无线电力发射器700A包含定位于一个方向上(即，彼此平行)的寄生天线712、714、716、718和720，以及定位于另一方向上(即，彼此平行且垂直于寄生天线712、714、716、718和720)的寄生天线722、724和726。此外，无线电力系统700包含无线电力接收器710C。在无线电力接收器710C包括兼容装置的实例中，无线电力发射器700B可断开寄生天线718、722和724中的每一者以及短接寄生天线712、714、716、720和726中的每一者。因此，在寄生线圈712、714、716、720和726中的任一者内的区域可包括零场区。因此，在此实例中，接收器710C可接收由发射天线601产生的电力。
图8A说明包含无线电力发射器800A的无线电力系统800A的实例，无线电力发射器800A包含多个寄生天线812、814、816、818和820以及另外多个寄生天线822、824和826。类似于无线电力发射器700A，无线电力发射器800A包含定位于一个方向上(即，彼此平行)的寄生天线812、814、816、818和820，以及定位于另一方向上(即，彼此平行且垂直于寄生天线802A)的寄生天线822、824和826。此外，无线电力系统800A包含第一无线电力接收器810A和第二无线电力接收器810B，在此实例中，第一无线电力接收器810A和第二无线电力接收器810B中的每一者包括兼容装置。此外，无线电力系统800A包含装置810C，在此实例中，装置810C包括非兼容装置，例如近场通信(NFC)装置或流氓接收器。在无线电力系统800A的预期操作期间，无线电力发射器可断开寄生天线814、818、822和824中的每一者以及短接寄生天线812、816、820和826中的每一者。因此，在短接的寄生天线812、816、820和826中的任一者内的区域可包括零场区。应注意，装置810C定位于零场区830内，且因此由装置810C接收的电力(如果有的话)可受限制。另外，接收器810A和接收器810B不在零场区830内，且因此可接收由发射天线601产生的电力。
图8B说明包含无线电力发射器801B的无线电力系统800B的实例，无线电力发射器801B包含寄生天线812、814、816、818、820、822、824和826。类似于无线电力发射器800A，无线电力寄生天线812、814、816、818和820定位于一个方向上(即，彼此平行)，且寄生天线822、824和826定位于另一方向上(即，彼此平行且垂直于寄生天线802A)。此外，无线电力系统800B包含无线电力接收器810D，在此实例中，无线电力接收器810D包括兼容装置。此外，无线电力系统800A包含装置810E和装置810F，在此实例中，装置810E和装置810F中的每一者包括非兼容装置，例如近场通信(NFC)装置或流氓接收器。在无线电力系统800B的预期操作期间，无线电力发射器可断开寄生天线814、822和824中的每一者以及短接寄生天线812、814、816、820和826中的每一者。因此，在短接的寄生天线812、814、816、820和826中的任一者内的区域可包括零场区。应注意，装置810E和装置810F定位于零场区832内，且因此由装置810E或装置810F接收的电力(如果有的话)可受限制。另外，接收器810D不在零场区832内，且因此可接收由发射天线601产生的电力。
图9说明包含无线电力发射器852的无线电力系统850，无线电力发射器852包含发射天线852、寄生天线854和寄生天线856。无线电力系统850还包含定位于无线电力发射器852的充电区内的接收器858。参看图9，寄生天线854和寄生天线856(其中每一者为短路的且邻近于发射天线852)具有对抗由发射天线852产生的磁场的诱发的电流。发射天线852内的电流在由箭头851描绘的方向上，且寄生天线854和寄生天线856内的电流在由箭头853描绘的方向上。另外，区860内的电流在由箭头855描绘的方向上。因此，寄生天线854和寄生天线856中的每一者内的磁场可减小且区860内的磁场可增强，且因此耦合效率可改进。应注意，图6A到9中说明的寄生天线包括“完全短接”寄生天线。
如所属领域的技术人员将理解，一个或一个以上短接的寄生天线可经由所述一个或一个以上寄生天线与发射天线之间的互感和所述一个或一个以上寄生天线与接收器的接收天线之间的互感将来自发射天线的能量再耦合到接收器。当一个或一个以上寄生天线定位得较远离接收器时，耦合的增加减少。因此，一个或一个以上寄生天线可经近似地设计大小和间隔以跨越一系列装置实现最佳性能。
根据一个示范性实施例，无线电力发射器可经配置以检测兼容装置(即，可以无线方式充电的装置)的存在。此外，无线电力发射器可经配置以确定所检测到的兼容装置的位置。在一个预期操作期间，无线电力发射器可通过在不同时间短接和断开每一寄生天线来周期性地执行系统扫描以确定兼容装置是否在相应小区内。另外，充电效率的突然下降可触发扫描，因为接收器可能已定位到零场区中。可通过此项技术中已知的方法(例如在扫描例程期间监视电力传递效率、卸载的接收器电压或两者)来执行兼容装置的检测。因此，发射器可意识到每一个别接收器的位置。
在检测到一个或一个以上兼容装置以及确定所检测到的兼容装置的位置后，无线电力发射器可即刻短接不具有定位于其中的至少一个兼容装置的所有寄生线圈以产生零场区使得到非兼容装置(例如，NFC卡或红粉接收器)的电力传递最小或可能被消除。因此，如所属领域的技术人员将了解，由发射器产生的场可在不落入零场区中的区域中增强，因此耦合效率可改进。
如先前提到，无线电力发射器可包含发射天线和一个或一个以上寄生天线，其中至少一个寄生天线具有固定电抗(即，不是完全短路)。包含固定电抗(例如，电容性元件(即，电容性地加载))的寄生天线可用以修改无线电力发射器的场分布(例如，导引场以远离非所要的区域或将场导引到所要区域中)。举例来说，寄生天线可扩展较小发射天线的覆盖区域，或集中较大发射天线的场。
图10A到10G说明各种实例无线电力发射器配置，其中每一配置包含发射天线和至少一个寄生天线。具体来说，图10A说明包含发射天线901A和同心寄生天线902A的无线电力发射器900A，寄生天线902A比发射天线901A小。图10B说明包含发射天线901B和同心寄生天线902B1和902B2的无线电力发射器900B，其中寄生天线902B1和902B2中的每一者比发射天线901B小。图10C说明包含发射天线901C和同心寄生天线902C的无线电力发射器900C，其中寄生天线902C比发射天线901C大。图10D说明包含发射天线901D和非同心寄生天线902D的无线电力发射器900D，其中寄生天线902D比发射天线901D小。图10E说明包含发射天线901E和非同心寄生天线902E1和902E2的无线电力发射器900E，其中寄生天线902E1和902E2中的每一者比发射天线901E小。图10F说明包含发射天线901F和同心寄生天线902F1的无线电力发射器900F，寄生天线902F1比发射天线901F小。无线电力发射器900F进一步包含非同心寄生天线902F2，寄生天线902F2比寄生天线902F1小。图10G说明包含发射天线901G和同心寄生天线902G1的无线电力发射器900G，寄生天线902G1比发射天线901G小。无线电力发射器900F进一步包含非同心寄生天线902G2和902G3，寄生天线902G2和902G3中的每一者比寄生天线902G1小。
图11A到11C说明各种实例无线电力发射器配置的横截面图，其中每一配置包含发射天线921和寄生天线922。图11A说明包含发射天线921和寄生天线922的无线电力发射器920A，寄生天线922定位于发射天线921下方。图11B说明包含发射天线921和寄生天线922的无线电力发射器920B，寄生天线922与发射天线921共平面。图11C说明包含发射天线921和寄生天线922的无线电力发射器920C，寄生天线922定位于发射天线921上方。
图12A到12E说明发射天线内的电流与寄生天线内的电流之间的各种关系。应注意，发射天线内的电流与寄生天线内的电流之间的相位关系可确定寄生线圈内的场(例如，磁场)减小了还是增加了。图12A说明包含发射天线932和寄生天线934的无线电力发射器930A。发射天线932内的电流在由箭头935描绘的方向上。在此实施例中，寄生天线934为开路的，且因此寄生天线934无电流。图12B说明包含发射天线932和寄生天线936的无线电力发射器930B。发射天线932内的电流在由箭头935描绘的方向上，且寄生天线936内的电流在由箭头937描绘的方向上。在此实施例中，寄生天线936的电容小于将使寄生天线936在操作频率下处于谐振中的电容，且寄生天线936内的电流与发射天线932内的电流异相但在相同方向上。图12C说明包含发射天线932和寄生天线938的无线电力发射器930C。发射天线932内的电流在由箭头935描绘的方向上，且寄生天线938内的电流在由箭头937描绘的方向上。在此实施例中，寄生天线938的电容等于将使寄生天线938在操作频率下处于谐振中的电容，且寄生天线938内的电流与发射天线932内的电流同相且在相同方向上。图12D说明包含发射天线932和寄生天线940的无线电力发射器930D。发射天线932内的电流在由箭头935描绘的方向上，且寄生天线940内的电流在由箭头937描绘的方向上。在此实施例中，寄生天线940的电容大于将使寄生天线940在操作频率下处于谐振中的电容，且寄生天线940内的电流与发射天线932内的电流异相且在相反方向上。图12E说明包含发射天线932和寄生天线942的无线电力发射器930E。发射天线932内的电流在由箭头935描绘的方向上，且寄生天线942内的电流在由箭头937描绘的方向上。在此实施例中，寄生天线942的电容非常高(即，短路)且寄生天线942内的电流与发射天线932内的电流异相180度。
应注意，为了获得增强的场分布控制，可调整每一寄生线圈(包含重叠线圈)之间的间隔。另外，寄生线圈的大小和寄生线圈之间的间隔可取决于(例如)相关联的无线电力发射器的大小而变化。另外，应注意，本发明的各种示范性实施例可通过跨越发射天线产生较均匀的磁场来改进耦合效率和阻抗响应。另外，通过减小充电区内的峰值磁场，可缓和与NFC卡相关联的潜在热/火危险问题。通过包含场分布的主动更改，无线电力系统可能够导引磁场以远离非兼容装置(例如，NFC卡)且将磁场导引到兼容接收器中。此外，有效充电区域可增加，同时对耦合效率的影响最小。
图13为说明根据一个或一个以上示范性实施例的另一方法950的流程图。方法950可包含用无线发射天线产生场(由数字952描绘)。方法950可进一步包含用在发射器内且接近发射天线的寄生天线修改所产生的场的分布(由数字954描绘)。
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可在以上整个描述中参考的数据、指令、命令、信息、信号、位、符号和码片。
技术人员将进一步了解，结合本文中所揭示的示范性实施例所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，上文已大体上关于其功能性而描述了各种说明性组件、块、模块、电路和步骤。所述功能性是实施为硬件还是软件取决于特定应用和施加于整个系统的设计约束。熟练的技术人员可针对每一特定应用以不同的方式实施所描述的功能性，但这些实施决策不应被解释为引起与本发明的示范性实施例的范围的偏离。
可用经设计以执行本文中所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)或其它可编程逻辑装置、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。处理器还可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、一个或一个以上微处理器与DSP核心的联合，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、硬磁盘、可装卸式磁盘、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，使得所述处理器可从存储媒体读取信息以及将信息写入到存储媒体。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驻留于用户终端中。
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、固件或其任一组合来实施。如果以软件来实施，则可将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传输。计算机可读媒体包含计算机存储媒体与通信媒体两者，通信媒体包含促进将计算机程序从一处传送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括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，或可用以载送或存储呈指令或数据结构的形式的所要程序代码且可由计算机存取的任何其它媒体。同样，可恰当地将任何连接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含于媒体的定义中。如本文中所使用，磁盘和光盘包含压缩光盘(CD)、激光光盘、光学光盘、数字多功能光盘(DVD)、软磁盘和蓝光光盘，其中磁盘通常以磁性方式再生数据，而光盘使用激光以光学方式再生数据。以上各项的组合也应包含在计算机可读媒体的范围内。
提供所揭示的示范性实施例的先前描述以使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易于明白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，本文中所定义的一般原理可应用于其它实施例。因此，本发明并不希望限于本文中所展示的示范性实施例，而是应被赋予与本文中所揭示的原理和新颖特征相一致的最广范围。

Claims (23)

1.一种用于无线电力传递的发射器，其包括：
发射天线，其经配置以产生用于以无线方式将电力传递到无线电力接收器的场；以及
至少一个寄生天线，其具有回路，所述回路经配置以在所述无线电力接收器定位于所述回路外部时选择性地短路或在所述无线电力接收器定位于所述回路内时选择性地开路。
2.根据权利要求1所述的发射器，所述至少一个寄生天线包括在第一定向上的至少一个第一寄生天线和在垂直于所述第一定向的第二定向上的至少一个第二寄生天线。
3.根据权利要求1所述的发射器，所述至少一个寄生天线包括多维寄生天线阵列。
4.根据权利要求1所述的发射器，所述至少一个寄生天线修改由所述发射天线产生的所述场的分布。
5.根据权利要求1所述的发射器，所述至少一个寄生天线加强由所述发射天线产生的所述场的一部分。
6.根据权利要求1所述的发射器，所述至少一个寄生天线经配置以诱发用以对抗所述所产生的场的电流。
7.根据权利要求1所述的发射器，所述至少一个寄生天线经配置以短路并进一步经配置以去谐来对抗所述所产生的场。
8.根据权利要求1所述的发射器，所述至少一个寄生天线经电抗性地加载以修改所述所产生的场的分布。
9.根据权利要求1所述的发射器，所述至少一个寄生天线定位于所述发射天线上方、定位于所述发射天线下方或与所述发射天线共平面。
10.根据权利要求1所述的发射器，所述至少一个寄生天线小于所述发射天线、大于所述发射天线或与所述发射天线为相同大小。
11.一种用于以无线方式传递电力的方法，其包括：
经由发射器的无线发射天线产生用于以无线方式将电力传递到无线电力接收器的场；以及
当所述无线电力接收器定位于回路外部时使具有所述回路的至少一个寄生天线短路或当所述无线电力接收器定位于所述回路内时使所述至少一个寄生天线开路。
12.根据权利要求11所述的方法，所述短路包括修改经由所述无线发射天线产生的所述场的分布。
13.根据权利要求11所述的方法，所述开路包括修改经由所述无线发射天线产生的所述场的分布。
14.根据权利要求11所述的方法，所述短路包括诱发对抗所述所产生的场的电流。
15.根据权利要求11所述的方法，所述短路包括在寄生天线阵列中的所述至少一个寄生天线中诱发电流，所述至少一个寄生天线是经去谐的。
16.根据权利要求11所述的方法，其进一步包括分析电力传递效率和卸载的接收器电压中的至少一者以确定所述无线电力接收器的位置。
17.根据权利要求11所述的方法，所述短路进一步包括在所述无线发射天线的充电区内的不具有所述无线电力接收器的一个或一个以上区域中产生零场区。
18.根据权利要求11所述的方法，所述短路进一步包括在具有固定电抗的所述至少一个寄生天线中诱发电流。
19.根据权利要求11所述的方法，其进一步包括选择性地使所述至少一个寄生天线短路和开路以确定所述无线发射天线的充电区内的非兼容装置和所述无线电力接收器中的一者的位置。
20.根据权利要求19所述的方法，非兼容装置包括近场通信装置。
21.一种用于无线电力传递的发射器，其包括：
用于经由无线发射天线产生用于以无线方式将电力传递到无线电力接收器的场的装置；以及
用于当所述无线电力接收器定位于回路外部时使具有所述回路的至少一个寄生天线短路或当所述无线电力接收器定位于所述回路内时使所述至少一个寄生天线开路的装置。
22.根据权利要求21所述的发射器，其进一步包括用于诱发对抗所述所产生的场的电流的装置。
23.根据权利要求21所述的发射器，其进一步包括用于在具有固定电抗的所述至少一个寄生天线中诱发电流的装置。
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