CN102983635A - 使用无线电能的通信装置、通信系统和通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种使用无线电能的通信装置、通信系统和通信方法。根据一总体方面，使用无线电能的通信装置可包括：控制器，被配置为控制目标谐振器和源谐振器之间的相互谐振；解调器，被配置为基于从源谐振器接收的能量的量对从源谐振器发送的信息解调；以及调制器，被配置为基于相互谐振调制信息。

Description

使用无线电能的通信装置、通信系统和通信方法

本申请要求于2011年9月2日提交至韩国知识产权局的第10-2011-0088797号韩国专利申请的权益，其全部公开为了所有目的而通过引用包含于此。

技术领域

以下描述涉及使用无线电能执行通信。

背景技术

已经进行了无线电能传输的研究以解决传统电池的有限容量以及用于便携式装置的有线电能的不便利性等问题。研究主要集中于近场无线电能传输。近场无线电能传输指的是当与操作频率的波长相比时发送线圈和接收线圈之间的距离足够短的情况。一个传统的无线电能发送和接收系统使用谐振特性，并可包括用于提供电能的源和用于接收电能的目标。在发送和接收无线电能的处理中，源和目标可共享控制信息。

发明内容

根据一个总体方面，使用无线电能的通信装置可包括：控制器，被配置为控制目标谐振器和源谐振器之间的相互谐振；解调器，被配置为基于从源谐振器接收的能量的量对从源谐振器发送的信息解调；以及调制器，被配置为基于相互谐振调制信息。

控制器可控制目标谐振器和源谐振器之间的相互谐振的时间间隔。

控制器可控制用于通过相互谐振将能量存储在目标谐振器中的时间间隔以及用于捕获存储在目标谐振器中的能量的时间间隔。

调制器可基于相互谐振的时间间隔调制信息。

控制器可控制目标谐振器使得目标谐振器通过一个或多个符号持续时间的相互谐振接收从源谐振器发送的能量，并且确定不同于所述目标谐振器的至少一个目标谐振器是否与源谐振器相互谐振。

调制器可基于所述至少一个目标谐振器与源谐振器是否相互谐振来调制信息。

所述通信装置还可包括：能量调节器，被配置为调节在目标谐振器中消耗的能量的量，其中，控制器控制目标谐振器的谐振频率，使得目标谐振器和源谐振器相互谐振。

能量调节器可使用有源元件或无源元件调节在目标谐振器中消耗的能量的量，使得目标谐振器的品质(Q)因数具有量化的值。

调制器可基于消耗的能量的量调制信息。

所述通信装置还可包括：接收器，被配置为通过目标谐振器和源谐振器之间的相互谐振来接收从源谐振器发送的能量。

控制器可控制目标谐振器和接收的能量传递到的负载之间的电连接。

根据另一总体方面，使用无线电能的通信装置可包括：调制器，被配置为基于存储在源谐振器中的能量的量调制信息；解调器，被配置为通过源谐振器和目标谐振器之间的相互谐振基于存储在源谐振器中的能量的波形的变化对从目标谐振器发送的信息解调；以及控制器，被配置为控制从供电装置传递到源谐振器的能量的量。

解调器可基于符号持续时间内能量的波形变化的时间点对从目标谐振器发送的信息解调。

解调器可基于符号持续时间内能量的大小对从目标谐振器发送的信息解调。

解调器可基于符号持续时间内能量的波形确定源谐振器和目标谐振器之间是否发生了相互谐振，并基于相互谐振是否发生对从目标谐振器发送的信息解调。

控制器可控制供电装置和源谐振器之间的电连接。

所述通信装置还可包括：发送器，被配置为通过相互谐振发送存储在源谐振器中的能量。

所述通信装置还可包括：能量调节器，被配置为调节在源谐振器中消耗的能量的量。

能量调节器可使用有源元件或无源元件调节在源谐振器中消耗的能量的量。

根据另一总体方面，使用无线电能的通信系统可包括：第一调制器，被配置为基于存储在源谐振器中的能量的量调制信息；第一解调器，被配置为通过源谐振器和目标谐振器之间的相互谐振基于存储在源谐振器中的能量的波形的变化对从目标谐振器发送的信息解调；第一控制器，被配置为控制从供电装置传递到源谐振器的能量的量；第二控制器，被配置为控制目标谐振器和源谐振器之间的相互谐振；第二解调器，被配置为基于从源谐振器接收的能量的量对从源谐振器发送的信息解调；第二调制器，被配置为基于相互谐振调制信息。

第二控制器可控制目标谐振器和源谐振器之间的相互谐振的时间间隔。

所述通信系统还可包括：能量调节器，被配置为调节在目标谐振器中消耗的能量的量，其中，第二控制器控制目标谐振器的谐振频率，使得目标谐振器和源谐振器相互谐振。

能量调节器可使用有源元件或无源元件调节在目标谐振器中消耗的能量的量，使得目标谐振器的品质(Q)因数具有量化的值。

根据另一总体方面，使用无线电能的通信方法可包括：控制目标谐振器和源谐振器之间的相互谐振；基于从源谐振器接收的能量的量对从源谐振器发送的信息解调；以及基于相互谐振调制信息。

根据另一总体方面，使用无线电能的通信方法可包括：基于存储在源谐振器中的能量的量调制信息；通过源谐振器和目标谐振器之间的相互谐振基于存储在源谐振器中的能量的波形的变化对从目标谐振器发送的信息解调；以及控制从供电装置传递到源谐振器的能量的量。

通过下面的详细描述、附图和权利要求，其他特点和方面将是清楚的。

附图说明

图1是示出使用无线电能的通信系统的等效电路的示图，其中，电能输入单元和电能发送单元通过电容器和开关单元在物理上隔离，接收器和电能输出单元通过另一电容器和另一开关单元在物理上隔离。

图2是示出使用无线电能的通信系统的等效电路的示图，其中，电源充电器和发送器通过开关在物理上隔离，充电器和电能输出单元通过另一开关在物理上隔离。

图3是示出使用无线电能的通信装置的框图。

图4是示出使用无线电能的另一通信装置的框图。

图5是示出使用无线电能的通信系统的框图。

图6是示出在使用无线电能的通信系统中发送端T_X发送的数据和接收端R_X接收的数据的曲线图。

图7是示出通过在使用无线电能的通信系统的接收端调节相互谐振的时间间隔来发送信息的处理的示图。

图8是示出响应于在使用无线电能的通信系统的接收端调节相互谐振的时间间隔而施加到源谐振器的一信号的波形的曲线图。

图9是与在使用无线电能的通信系统的接收端使用两个目标谐振器实现全双工的情况对应的等效电路。

图10是示出当在使用无线电能的通信系统的接收端使用两个目标谐振器时目标谐振器的操作的示图。

图11是与在使用无线电能的通信系统中使用负电阻的情况对应的等效电路。

图12是示出当在使用无线电能的通信系统中源谐振器的品质(Q)值变化时施加到源谐振器的一信号的波形的曲线图。

贯穿附图和详细的描述，除非另有描述，否则相同的附图标号将被理解为表示相同的元件、特征和结构。为了清楚、说明和方便，可夸大这些元件的相对大小和描述。

具体实施方式

提供以下的详细描述以帮助读者获得对这里描述的方法、设备和/或系统的全面理解。因此，将向本领域普通技术人员提出这里描述的方法、设备和/或系统的各种改变、修改和等同物。所描述的处理步骤和/或操作的进度是示例；但是，操作顺序和/或操作不限于这里所阐述的，并且除了按特定顺序必需发生的步骤和/或操作以外，可进行本领域公知的改变。此外，为了增加的清楚和简明，可省略公知功能和结构的描述。

根据一方面的使用无线电能的通信系统可应用于使用无线电能传输的各种系统。例如，所述通信系统可用于在使用无线电能传输的系统(例如，蜂窝电话、无线电视(TV)等)中的发送端和接收端之间交换控制信息和其他类型的信息。另外，所述通信系统可应用于生物医疗领域，从而所述通信系统可用于将电能远程发送到插入身体的装置，或者用于将电能无线发送到用于测量心跳的绷带型装置。

根据另一方面的使用无线电能的通信系统可应用于排除电源的信息存储装置的远程控制。所述通信系统可应用于如下系统，所述系统将用于驱动装置的电能远程提供给信息存储装置，并无线加载存储在信息存储装置中的信息。

使用无线电能的通信系统可通过将来自供电装置的能量存储在源谐振器中并切断与供电装置和源谐振器电连接的开关来产生信号，从而引起源谐振器的自谐振。当具有与自谐振的源谐振器的谐振频率相同的谐振频率的目标谐振器距源谐振器足够近以连接到源谐振器时，在源谐振器和目标谐振器之间可发生相互谐振。源谐振器可指被提供来自供电装置的能量的谐振器，目标谐振器可指接收通过相互谐振传递的能量的谐振器。

图1示出使用无线电能的通信系统的等效电路，其中，电能输入单元110和电能发送单元120通过电容器C₁和开关单元130在物理上隔离，接收器140和电能输出单元150通过电容器C₂和开关单元160在物理上隔离。

参照图1，使用无线电能的通信系统可与具有源和目标的源-目标配置对应。使用无线电能的通信系统可包括与源对应的无线电能发送装置以及与目标对应的无线电能接收装置。

无线电能发送装置可包括电能输入单元110、电能发送单元120和开关单元130。电能输入单元110可使用供电装置将能量存储在电容器C₁中。开关单元130可将电容器C₁连接到电能输入单元110，同时能量被存储在电容器C₁中，并且可断开电容器C₁与电能输入单元110的连接使得电容器C₁可连接到电能发送单元120，同时存储在电容器C₁中的能量被放电。因此，开关单元130可防止电容器C₁同时连接到电能输入单元110和电能发送单元120。

电能发送单元120可将电磁能量传送到接收器140。电能发送单元120的发送线圈L₁可通过与接收器140的接收线圈L₂的相互谐振来传送电能。发送线圈L₁和接收线圈L₂之间发生的相互谐振的水平可受互感系数M的影响。

电能输入单元110可包括输入电压V_DC、内电阻R_in和电容器C₁，电能发送单元120可包括反映与电能发送单元120对应的物理属性的基本电路元件R₁、L₁和C₁，开关单元130可包括一个或多个开关。有源装置可用作开关以执行开关功能。将认识到，R表示电阻组件，L表示电感组件，C表示电容组件。与输入电压V_DC的部分对应的电容器C₁两端的电压可由V_in来指示。

无线电能接收装置可包括接收器140、电能输出单元150和开关单元160。接收器140可从电能发送单元120接收电磁能量。接收器140可将接收的电磁能量存储在连接的电容器中。开关单元160可将电容器C₂连接到接收器140，同时能量被存储在电容器C₂中，并且可断开电容器C₂与接收器140的连接，使得电容器C₂可连接到电能输出单元150，同时存储在电容器C₂中的能量被传递到负载。开关单元160可防止电容器C₂同时连接到接收器140和电能输出单元150。

接收器140的接收线圈L₂可通过与电能发送单元120的发送线圈L₁的相互谐振来接收电能。使用接收的电能，可对连接到接收线圈L₂的电容器C₂充电。如下所示，电能输出单元150可将在电容器C₂中充电的电能传递到电池。可选择地或者另外地，电能输出单元150可将电能传递到负载或目标装置。

接收器140可包括反映与接收器140对应的物理属性的电路元件R₂、L₂和C₂，电能输出单元150可包括电容器C₂和电池，开关单元160可包括一个或多个开关。与通过接收线圈L₂接收的部分能量对应的电容器C₂两端的电压可由V_out来指示。

如前所述，尤其当与使用阻抗匹配的传统方案相比时，用于通过物理隔离电能输入单元110和电能发送单元120并且物理隔离接收器140和电能输出单元150来发送电能的谐振器隔离(RI)系统可以是有利的。在一些示例中，由于电能可从直流(DC)源直接提供给源谐振器，因此可不使用电能放大器。另外，在一些示例中，由于在接收端从存储在电容器中的电能捕获能量，因此可不需要通过整流器执行的整流。由于可不使用阻抗匹配，因此发送效率可不对发送端和接收端之间的距离的变化做出响应。RI系统可容易地延伸到使用无线电能并包括多个发送端和多个接收端的通信系统。

图2示出使用无线电能的通信系统的等效电路，其中，电源充电器210和发送器230通过开关在物理上隔离，充电器240和电能输出单元260通过另一开关在物理上隔离。

参照图2，使用无线电能的通信系统可与具有源和目标的源一目标配置对应。使用无线电能的通信系统可包括与源对应的无线电能发送装置和与目标对应的无线电能接收装置。

无线电能发送装置可包括电源充电器210、控制器220和发送器230。电源充电器210可包括供电装置V_in和电阻器R_in。源谐振器可包括电容器C₁和电感器L₁。发送器230可通过源谐振器和目标谐振器之间的相互谐振来发送存储在源谐振器中的能量。控制器220可被配置为接通开关，以从电源充电器210向源谐振器提供电能。供电装置V_in可将电压施加到电容器C₁，并可将电流施加到电感器L₁。响应于无线电能发送装置达到稳定状态，施加到电容器C₁的电压可变为“0”，流经电感器L₁的电流可具有值V_in/R_in。在稳定状态，可通过施加的电流对电感器L₁充电。

当存储在源谐振器中的电能达到稳定状态的预定值时，控制器220可断开开关。可在控制器220中设置预定值的信息。电源充电器210和发送器230可彼此隔离。源谐振器可启动电容器C₁和电感器L₁之间的自谐振。存储在源谐振器中的能量可基于互感系数M 270通过源谐振器和目标谐振器之间的相互谐振被传递到目标谐振器。源谐振器的谐振频率f₁可等于目标谐振器的谐振频率f₂，其中：

$f_1=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_1{C}_1}},$ $f_2=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_2{C}_2}}$

f₁＝f₂

无线电能接收装置可包括充电器240、控制器250和电能输出单元260。目标谐振器可包括电容器C₂和电感器L₂。当源谐振器和目标谐振器之间发生相互谐振时，源谐振器可与供电装置V_in隔离，目标谐振器可与负载和电容器C_L隔离。可通过相互谐振对目标谐振器的电容器C₂和电感器L₂充电。控制器250可断开开关以对目标谐振器充电。当开关处于断开状态时，源谐振器的谐振频率可基本等于目标谐振器的谐振频率，并可发生相互谐振。响应于在目标谐振器中充电的电能达到预定值，控制器250可接通开关。可在控制器250中设置预定值的信息。当接通开关时，电容器C_L可连接到目标谐振器，并且目标谐振器的谐振频率可变为f₂′，其中：

$f_2^{\′}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_2(C_2+C_L)}}$

因此，源谐振器和目标谐振器之间的相互谐振可被终止。当与f₂相比f₂′较小时，考虑到目标谐振器的品质(Q)因数，相互谐振通道可停止存在。电能输出单元260可将存储在电容器C₂和电感器L₂中的电能传递到负载。电能输出单元260可在适合负载的方案中传递电能。

当在目标谐振器中充电的电能具有小于预定值的值时，控制器250可断开开关。充电器240可通过源谐振器和目标谐振器之间的相互谐振对目标谐振器充电。

当源谐振器和目标谐振器之间发生相互谐振时，可不接通开关。从而，可防止由于开关的连接导致的发送效率的降低。

当图2的模拟电路与电容器中充电的能量被传递的图1的等效电路相比时，可更容易控制捕获存储在目标谐振器中的能量的时间点。虽然传递在电容器中充电的能量的方案可捕获存储在电容器中的能量，但是通过改变谐振频率捕获能量的方案可捕获存储在目标谐振器的电感器和电容器中的能量，从而，可增强捕获能量的时间点的自由度。

图3示出使用无线电能的通信装置。

通信系统可与包括源和目标的源一目标结构对应。如所示，源可与发送端T_X对应，目标可与接收端R_X对应。

源可通过调节存储在源谐振器中的能量的量来发送数据。通过调节存储在谐振器中的能量的量来发送数据的方案可被称为感应能量(IE)调制方案。IE调制方案在源和目标两者可支持全双工方案方面可能会是有利的。然而，能量发送效率可随着源和目标之间距离的增加而迅速退化。此外，由于存储在源谐振器和目标谐振器中的能量的不完全放电，导致接收数据的性能可随着源和目标之间距离的增加而退化。

当将数据发送到目标时，源可使用IE调制方案，而当将数据发送到源时，目标可使用取决于源谐振器和目标谐振器之间是否发生了相互谐振的方案。取决于相互谐振是否发生的方案可不使用附加能量以在目标发送数据，而可通过与IE调制方案相比相对长的距离来发送数据。然而，在发生相互谐振失败的符号持续时间，目标可不从源接收能量，因此，可不执行同时发送和接收数据的全双工通信。

参照图3，根据多方面的使用无线电能的通信装置包括接收器310、控制器330、调制器340和解调器350。图3的使用无线电能的通信装置可与用于接收能量的接收端R_X对应。

接收器310可通过目标谐振器和源谐振器之间的相互谐振接收从源谐振器发送的能量。发送端T_X可通过调节存储在源谐振器中的能量的量来发送信息。解调器350可基于接收器310在符号持续时间内接收的能量的量对从源谐振器发送的信息解调。接收器310可通过目标谐振器根据由控制器330确定的相互谐振方案来执行相互谐振。

控制器330可控制目标谐振器和源谐振器之间的相互谐振方案。此外，控制器330可控制目标谐振器和源谐振器之间在符号持续时间内的相互谐振的时间间隔。控制器330可在符号持续时间内控制用于通过相互谐振将能量存储在目标谐振器中的时间间隔以及用于捕获存储在目标谐振器中的能量的时间间隔。调制器340可基于相互谐振的时间间隔调制信息。例如，调制器340可通过基于相互谐振的时间间隔的长度(例如，时间间隔是长时间段还是短时间段)分配信息来调制信息。由于相互谐振的时间间隔可被调节为各种时间段，因此接收端R_X可在单个符号持续时间内传递至少1比特的信息。

控制器330可使用多个目标谐振器控制与源谐振器的相互谐振方案。控制器330可控制单个目标谐振器，使得单个目标谐振器可通过与源谐振器持续地相互谐振从源谐振器接收能量。控制器330可确定如下情况：预定的目标谐振器与源谐振器相互谐振，使得预定的目标谐振器可基于相互谐振是否发生将信息传递到源谐振器。控制器330可控制目标谐振器，使得一目标谐振器可从源谐振器持续地接收能量和信息，而另一目标谐振器可将信息发送到源谐振器。在该示例中，调制器340可基于源谐振器和目标谐振器之间是否发生了相互谐振来调制信息。在多个目标谐振器中，可使用指定的用于将信息发送到源谐振器的目标谐振器调制信息。

使用无线电能的通信装置可包括能量调节器320。例如，能量调节器320可调节在目标谐振器中消耗的能量的量。能量调节器320可使用有源元件或无源元件调节在目标谐振器中消耗的能量的量。

在一些示例中，有源元件可将能量另外提供给目标谐振器。能量调节器320可使用有源元件通过另外提供的能量来补偿在目标谐振器中消耗的能量。因此，在目标谐振器中消耗的能量的量可减少。

无源元件可增加在目标谐振器中消耗的能量的量。能量调节器320可使用无源元件增加在目标谐振器中消耗的能量的量。

电阻组件可包括目标谐振器的内电阻。有源元件可包括晶体管、运算放大器(OP Amp)、二极管等。无源元件可包括电阻器等。目标谐振器的有效电阻组件可通过对在目标谐振器中消耗的能量的量的控制而改变。随着在目标谐振器中消耗的能量的量的增加，有效电阻组件可增加。相反，随着在目标谐振器中消耗的能量的量的减少，有效电阻组件可减少。

由于目标谐振器的Q因数可与电阻的大小成反比，因此Q因数可随着有效电阻组件的减少而增大。而随着有效电阻组件的增加，Q因数可减小。

能量调节器320可通过调节在目标谐振器中消耗的能量的量来量化Q因数。例如，控制器330可将目标谐振器的谐振频率与源谐振器的谐振频率匹配，使得目标谐振器和源谐振器持续地执行相互谐振。调制器340可基于在目标谐振器中消耗的能量的量来调制信息。例如，调制器340可基于量化的Q因数调制信息。

控制器330可控制目标谐振器和负载之间的电连接。存储在目标谐振器中的能量可被传递到负载。例如，控制器330可在目标谐振器与源谐振器相互谐振时断开到负载的电连接，并且在将存储在目标谐振器中的能量传递到负载时接通(即，短路)电连接。在一些示例中，控制器330可使用开关断开或接通电连接。例如，控制器330可用于通过控制目标谐振器和负载之间的电连接来构造RI系统。

图4示出使用无线电能的另一通信装置。

参照图4，根据多方面的使用无线电能的通信装置包括调制器410、解调器420、控制器430和发送器440。图4的使用无线电能的通信装置可与发送能量的发送端T_X对应。

发送器440可通过相互谐振发送存储在源谐振器中的能量。由于发送器440可发送与存储在源谐振器中的能量的量对应的能量，因此发送器440可发送根据能量的量分配的信息。

调制器410可基于存储在源谐振器中的能量的量调制信息。源谐振器可接收从供电装置传递的能量。调制器410可通过根据量化的能量的级别分配信息来调制信息。

控制器430可控制从供电装置传递到源谐振器的能量的量。控制器430可基于将发送的信息来调节传递到源谐振器的能量的量。控制器430可控制供电装置和源谐振器之间的电连接。例如，控制器430可在源谐振器与目标谐振器相互谐振时断开供电装置和源谐振器之间的电连接，并且可在将能量从供电装置传递到源谐振器时接通(即，短路)电连接。例如，控制器430可使用开关断开或接通电连接。控制器430可通过控制供电装置和源谐振器之间的电连接来构造RI系统。

解调器420可基于存储在源谐振器中的能量的波形的变化对从目标谐振器发送的信息解调。接收端R_X可调节相互谐振的时间间隔，使得源谐振器和目标谐振器之间发生相互谐振。当相互谐振的时间间隔不一致时，存储在源谐振器中的能量变化的时间点可改变。解调器420可基于符号持续时间内能量的波形改变的时间点对从目标谐振器发送的信息解调。

作为示例，解调器420可基于符号持续时间内能量的波形的变化来确定是否发生了相互谐振，并可基于相互谐振是否发生来对从目标谐振器发送的信息解调。存储在源谐振器中的能量的波形的形状可根据源谐振器和目标谐振器之间是否发生了相互谐振而改变。解调器420可基于所述形状的变化确定相互谐振是否发生，并可对信息解调。

作为另一示例，解调器420可基于符号持续时间内存储在源谐振器中的能量的大小来对从目标谐振器发送的信息解调。接收端R_X可通过调节目标谐振器的Q因数来发送数据。存储在源谐振器中的能量的大小可根据目标谐振器的Q因数而改变。解调器420可根据存储在源谐振器中的能量的大小的变化来对从目标谐振器发送的信息解调。当所述大小的变化大于或等于预定值时，可识别发送的信息。

根据多方面的使用无线电能的通信装置可包括能量调节器450。例如，能量调节器450可调节在源谐振器中消耗的能量的量。能量调节器450可使用有源元件或无源元件调节在源谐振器中消耗的能量的量。

在一些示例中，有源元件可将能量另外提供给源谐振器。能量调节器450可使用有源元件通过另外提供的能量来补偿在源谐振器中消耗的能量。因此，在源谐振器中消耗的能量的量可减少。

无源元件可增加在源谐振器中消耗的能量的量。能量调节器450可使用无源元件增加在源谐振器中消耗的能量的量。

电阻组件可包括源谐振器的内电阻和辐射电阻。辐射电阻可以是当电能从源谐振器辐射时存在的电阻组件，并可与当电能从源谐振器辐射时由等效电路表示的阻抗的实部对应。有源元件可包括晶体管、OP Amp、二极管等。无源元件可包括电阻器等。源谐振器的有效电阻组件可通过对在源谐振器中消耗的能量的量的控制而改变。随着在源谐振器中消耗的能量的量的增加，有效电阻组件可增加。相反，随着在源谐振器中消耗的能量的量的减少，有效电阻组件可减少。

由于源谐振器的Q因数与电阻的大小成反比，因此Q因数随着有效电阻组件的减少而增大。随着有效电阻组件的增大，Q因数可减小。

随着Q因数的增大，在源谐振器和目标谐振器之间发生强相互谐振的距离可增大。通过强相互谐振，可增强发送端T_X和接收端R_X之间发送数据的性能。

图5示出使用无线电能的通信系统。

参照图5，根据多方面的使用无线电能的通信系统包括发送端T_X和接收端R_X。发送端T_X可包括调制器505、解调器510、控制器515、发送器520和能量调节器525。接收端R_X可包括接收器530、能量调节器535、控制器540、调制器545和解调器550。

在发送端T_X，调制器505可基于存储在源谐振器中的能量的量来调制信息。发送器520可通过相互谐振将存储在源谐振器中的能量发送到目标谐振器。能量调节器525可调节在源谐振器中消耗的能量的量。能量调节器525可使用有源元件补偿在源谐振器中消耗的能量的量，使得源谐振器的Q因数具有量化的值。能量调节器525可使用无源元件增加在源谐振器中消耗的能量，使得源谐振器的Q因数可小于预定值。

控制器515可控制源谐振器和供电装置之间的电连接。控制器515可调节存储在源谐振器中的能量的量。解调器510可通过检测存储在源谐振器中的能量的波形来计算能量的波形的变化。解调器510可基于波形的变化对由目标谐振器发送的信息解调。波形的变化可包括波形改变的时间点的变化、波形形状的变化和/或波形大小的变化。

在接收端R_X，接收器530可通过目标谐振器和源谐振器之间的相互谐振来接收从源谐振器发送的能量。解调器550可基于由接收器530接收的能量的量对由源谐振器发送的信息解调。

能量调节器535可调节在目标谐振器中消耗的能量的量。能量调节器535可使用有源元件或无源元件调节在目标谐振器中消耗的能量的量，使得目标谐振器的Q因数可具有量化的值。控制器540可调节目标谐振器和源谐振器之间在符号持续时间内的相互谐振的时间间隔。

控制器540可控制目标谐振器和负载之间的电连接。控制器540可改变目标谐振器的谐振频率。控制器540可在符号持续时间内控制目标谐振器与源谐振器继续相互谐振且另一目标谐振器与源谐振器相互谐振的情况。

调制器545可基于目标谐振器和源谐振器之间的相互谐振方案来调制信息。调制器545可基于相互谐振的时间间隔调制信息。调制器545可基于量化的Q因数调制信息。调制器545可基于相互谐振是否发生来调制信息。

图6示出在使用无线电能的通信系统中由发送端T_X发送的数据和由接收端R_X接收的数据。

参照图6，发送端T_X可通过调节存储在源谐振器中的能量来发送数据，接收端R_X可基于存储在目标谐振器中的能量来接收数据。

可预先确定发送端T_X和接收端R_X之间的n+1个能级，并且可为每个能级分配数据。发送端T_X可在单个符号持续时间内发送1og(n+1)比特信息。

存储在源谐振器中的能量可通过源谐振器和目标谐振器之间的相互谐振被传递到目标谐振器。T_s表示用于源谐振器准备相互谐振的时间段，可与用于将图1的电容器连接到源谐振器的时间段对应，并且可与用于断开连接图2的供电装置和源谐振器的开关的时间段对应。在T_s至T_p-T_f时间段期间，存储在源谐振器中的全部能量可被传递到目标谐振器。在T_p-T_f的时间点，接收端R_X可终止与目标谐振器的相互谐振，并可对基于存储在目标谐振器中的能量接收的信息解调。

图7示出在使用无线电能的通信系统的接收端通过调节相互谐振的时间间隔发送信息的处理。

SW1可与在发送端T_X连接供电装置和源谐振器的开关对应。可响应于SW1接通，使用能量对源谐振器充电，并且可响应于SW1断开，对源谐振器放电。对源谐振器充电和放电的周期可与单个符号持续时间对应。

SW2可与在接收端R_X确定是否产生相互谐振的开关对应。SW2可连接目标谐振器和改变目标谐振器的谐振频率的电容器。响应于SW2断开，目标谐振器和源谐振器可相互谐振(或者可相互耦合)。在相互谐振时间段710，目标谐振器可接收从源谐振器发送的能量。响应于SW2接通，目标谐振器可终止相互谐振，并且存储在目标谐振器中的能量可被捕获。在捕获时间段730捕获的能量可被传递到负载。在接收端R_X，使用无线电能的通信系统可调节相互谐振时间段710以调节耦合时间720。接收端R_X可通过调节SW2的开/关持续时间来调节相互谐振时间段。也就是说，相互谐振的时间间隔可通过增加或减小而变化。此外，施加到源谐振器的信号的波形可根据相互谐振的时间间隔而变化。发送端T_X可通过分析施加到源谐振器的信号的波形对由接收端R_X发送的信息解调。在相同的符号持续时间内，接收端R_X可通过相互谐振根据存储在目标谐振器中的能量的量对从发送端T_X发送的信息解调，并可通过调节相互谐振的时间间隔来调制信息，由此可执行全双工方案的通信。

由于相互谐振的时间间隔的长度可在单个符号持续时间内变化，因此接收端R_X可在单个符号持续时间内发送至少1比特的信息。

发送端T_X可通过在单个符号持续时间内控制SW1来执行充电和放电。例如，接收端R_X可通过控制SW2来确定是否产生相互谐振(或耦合)以及相互谐振的时间间隔的长度。接收端R_X可确保同步(Synch)。在发送端T_X被放电的时间点之前，余量(Margin)用于将发送端T_X和接收端R_X的相互谐振时序同步。

图8示出响应于在使用无线电能的通信系统的接收端调节相互谐振的时间间隔而施加到源谐振器的一信号的波形。

参照图8，当源谐振器和目标谐振器强耦合时，施加到源谐振器的信号的波形在捕获点1捕获的信号810和在捕获点2捕获的信号820之间存在差异。响应于终止捕获，源谐振器和目标谐振器之间的相互谐振可被终止，由此，施加到源谐振器的信号可具有相对小的值。在接收端R_X，可通过调节相互谐振的时间间隔或通过调节捕获点来调制信息。在发送端T_X，可通过识别在符号持续时间内的捕获点对从接收端R_X发送的信息解调。

另一方面，当源谐振器和目标谐振器弱耦合时，施加到源谐振器的信号的波形可在捕获点1捕获的信号830和在捕获点2捕获的信号840之间存在差异。在接收端R_X，可通过调节相互谐振的时间间隔或通过调节捕获点来调制信息。在发送端T_X，即使当源谐振器和目标谐振器弱耦合时波形的差异可能相对不明显，也可通过识别在符号持续时间内的捕获点对从接收端R_X发送的信息解调。

图9示出与在使用无线电能的通信系统的接收端使用两个目标谐振器实现全双工的情况对应的等效电路。

发送端910可通过控制开关SW1将来自供电装置V_in的能量存储在源谐振器C₁和L₁中。响应于开关SW1被打开，源谐振器C₁和L₁可自谐振。当接收端920位于可发生相互谐振的位置时，发送端910可执行与接收端920的相互谐振。

在一些示例中，接收端920可包括两个目标谐振器921和923。然而，将认识到，在其他实施例中可使用另外的谐振器。响应于开关SW21被打开，目标谐振器921可执行与源谐振器C₁和L₁的相互谐振。响应于开关SW22被打开，目标谐振器923可执行与源谐振器C₁和L₁的相互谐振。响应于开关SW21被关闭(即，短路)，相互谐振可被终止，并且存储在目标谐振器921中的能量可被捕获并传递到负载。响应于开关SW22被短路，相互谐振可被终止，并且存储在目标谐振器923中的能量可被捕获并传递到负载。

接收端920可打开开关SW21，使得目标谐振器921可继续执行相互谐振。因此，能量可被持续存储在目标谐振器921中。接收端920可确定目标谐振器923与源谐振器C₁和L₁相互谐振的情况。接收端920可基于目标谐振器923与源谐振器C₁和L₁之间是否发生相互谐振来调制信息。目标谐振器923可发送接收端920的信息。也就是说，目标谐振器921可从发送端910接收能量和信息，而目标谐振器923可从发送端910接收能量，并可将信息发送到发送端910。

在相同的符号持续时间内，接收端920可通过目标谐振器921接收信息，并通过目标谐振器923发送信息，由此，接收端920可执行全双工方案的通信。

图10示出当在使用无线电能的通信系统的接收端使用两个目标谐振器时目标谐振器的操作。

发送端可通过在单个符号持续时间内控制开关SW1来执行充电和放电。例如，接收端可控制第一目标谐振器的开关SW21，使得第一目标谐振器可在1010执行与源谐振器的相互谐振(或耦合)，并可在1020捕获存储在目标谐振器中的能量。

接收端可确保同步(Synch)。在对发送端放电的时间点之前，余量(margin)用于将发送端和接收端的相互谐振时序同步。

接收端可控制第二目标谐振器的开关SW22，以在1030执行相互谐振并在1040执行捕获。在第二符号持续时间可保持在1040的捕获时间段，并且在第二符号持续时间可不发生相互谐振。

第一目标谐振器可通过针对每个符号持续时间重复地执行相同的操作从源谐振器接收能量和信息。接收端可通过为第二目标谐振器设置针对每个符号持续时间不执行相互谐振的情况将接收端的信息发送到源谐振器。

图11示出与在使用无线电能的通信系统中使用负电阻的情况对应的等效电路。

使用来自直流(DC)源的能量进行充电并使用源谐振器和目标谐振器之间的相互谐振现象传递信号的RI系统可根据谐振器之间的物理距离具有强相互耦合和弱相互耦合两种谐振现象。Q因数可与指示当两个谐振器相互谐振时在每个谐振器中消耗的能量的比率的值对应。Q因数可被估计为存储的能量与消耗的能量的比率。在一些示例中，Q因数可与在每个谐振器中存储的能量和消耗的能量之间的比率对应。因此，随着Q因数的增大，在谐振器中消耗的能量的量可减少。

当源谐振器和目标谐振器之间的耦合系数k大于下面表示的k_sp时，源谐振器和目标谐振器可被强相互耦合，否则可被弱相互耦合。

$k_{\mathrm{sp}}=\frac{1}{\sqrt{2}}\sqrt{\frac{1}{Q_1^2}+\frac{1}{Q_2^2}}$

在该示例中，k_sp指示与强相互耦合和弱相互耦合之间的标准对应的耦合系数，Q₁表示源谐振器的Q因数，Q₂表示目标谐振器的Q因数。例如，当Q₁和Q₂两者对应于100时，针对大于0.01的k_sp的值，源谐振器和目标谐振器可被强相互耦合，而针对小于0.01的k_sp的值，源谐振器和目标谐振器可被弱相互耦合。随着Q因数的增大，耦合系数k_sp可减小。通常，认为耦合系数k_sp与源谐振器和目标谐振器之间的距离的第三电能成反比。因此，随着Q因数的增大，发生强相互耦合的距离可增加。

参照图11，等效电路包括T_X端1110和R_X端1120。在T_X端1110以三角形形状提供的部分与有源元件1111对应。在R_X端1120以三角形形状提供的部分与有源元件1121对应。有源元件可通过补偿由于源谐振器中的电阻组件消耗的能量来增大源谐振器的Q因数。对于RLC串联等效电路，Q因数可由下面的等式来表示：

$Q=\frac{1}{R}\sqrt{\frac{L}{C}}$

随着谐振器的电阻组件R的减小，Q因数可增大。有源元件可用于补偿由于源谐振器的电阻组件消耗的能量，从而减小源谐振器的有效电阻组件，并增大Q因数。有源元件可被表示为负电阻以指示有效电阻组件减小。

无源元件可增加由于源谐振器中的电阻组件消耗的能量的量。随着消耗的能量的量的增加，Q因数可减小。使用无源元件可使源谐振器的有效电阻组件增大，由此，Q因数可减小。

R_X端1120可通过调节由有源元件补偿的能量的量来调节Q因数。R_X端1120可通过调节在目标谐振器中补偿的能量的量来量化Q因数，并可根据量化的Q因数调制信息。

R_X端1120可通过无源元件增加在目标谐振器中消耗的能量的量来调节Q因数。R_X端1120可通过调节在目标谐振器中消耗的能量的量来量化Q因数，并可根据量化的Q因数来调制信息。R_X端1120可通过目标谐振器的Q因数的变化将信息发送到T_X端1110。

R_X端1120可结合通过相互谐振从T_X端1110接收信息，通过目标谐振器的Q因数的变化将信息发送到T_X端1110来执行全双工方案的通信。

图12示出了示出当在使用无线电能的通信系统中源谐振器的Q值变化时施加到源谐振器的一信号的波形的曲线图。

当源谐振器和目标谐振器强耦合时，施加到低Q的源谐振器的信号的波形可与在补偿目标谐振器中消耗的能量之后施加到高Q的源谐振器的信号的波形不同。施加到高Q的源谐振器的信号的波形可在大小上大于施加到低Q的源谐振器的信号的波形。发送端T_X可通过波形的变化对从接收端R_X发送的信息解调。通过调节目标谐振器的Q因数，施加到源谐振器的信号的波形的变化可多样化。

当源谐振器和目标谐振器弱耦合时，施加到低Q因数的源谐振器的信号的波形可与在补偿消耗的能量之后施加到高Q因数的源谐振器的信号的波形不同。T_X端可通过波形的变化对从接收端R_X发送的信息解调。

在一些实施例中，可使用硬件组件、软件组件或硬件组件和软件组件的组合来实现这里描述的单元和其他元件。例如，可使用一个或多个通用或专用计算机(诸如例如处理器、控制器和算术逻辑单元、数字信号处理器、微计算机、场可编程阵列、可编程逻辑单元、微处理器或能够响应并以定义的方式执行指令的任何其他装置)来实现处理装置。处理装置可运行操作系统(OS)以及在OS上运行的一个或多个软件应用。处理装置还可响应于软件的执行来访问、存储、操纵、处理并创建数据。为了简单起见，处理装置的描述被用作单数；然而，本领域技术人员将认识到，处理装置可包括多个处理元件以及多类型的处理元件。例如，处理装置可包括多个处理器或者一个处理器和一个控制器。此外，不同的处理配置是可能的，例如，并行处理器。

软件可包括用于独立地或共同地指示或配置处理装置以如期望进行操作的计算机程序、代码段、指令或计算机程序、代码段和指令的一些组合。软件和数据可永久地或暂时地包含在任何类型的机器、组件、物理或虚拟设备、计算机存储介质或装置、或者能够提供由处理装置解释的指令或数据的传播的信号波中。软件还可分布在联网的计算机系统中，以使软件以分布方式被存储和执行。尤其是，可由一个或多个计算机可读记录介质来存储软件和数据。计算机可读记录介质可包括可存储其后可由计算机系统或处理装置读取的数据的任何数据存储装置。计算机可读记录介质的示例包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、CD-ROM、磁带、软盘、光学数据存储装置。此外，基于并使用附图的流程图和框图以及这里提供的它们的相应描述，实施例所属的本领域的编程技术人员可容易地解释用于完成这里公开的示例实施例的功能程序、代码和代码段。

以上已描述了一些示例。然而，应理解可进行各种修改。例如，如果描述的技术以不同的顺序被执行，并且/或者如果描述的系统中的组件、架构、装置或电路以不同的方式组合和/或被其他组件或其等同物代替或补充，则可达到适当的结果。因此，其他实施方式在权利要求的范围内。

Claims (25)

1.一种使用无线电能的通信装置，所述通信装置包括：

控制器，被配置为控制目标谐振器和源谐振器之间的相互谐振；

解调器，被配置为基于从源谐振器接收的能量的量对从源谐振器发送的信息解调；以及

调制器，被配置为基于相互谐振调制信息。

2.如权利要求1所述的通信装置，其中，控制器控制目标谐振器和源谐振器之间的相互谐振的时间间隔。

3.如权利要求2所述的通信装置，其中，控制器控制用于通过相互谐振将能量存储在目标谐振器中的时间间隔以及用于捕获存储在目标谐振器中的能量的时间间隔。

4.如权利要求2所述的通信装置，其中，调制器基于相互谐振的时间间隔调制信息。

5.如权利要求1所述的通信装置，其中，控制器执行如下操作：

控制目标谐振器，使得目标谐振器通过在一个或多个符号持续时间内的相互谐振来接收从源谐振器发送的能量，以及

确定不同于所述目标谐振器的至少一个目标谐振器是否与源谐振器相互谐振。

6.如权利要求5所述的通信装置，其中，调制器基于所述至少一个目标谐振器与源谐振器是否相互谐振来调制信息。

7.如权利要求1所述的通信装置，还包括：

能量调节器，被配置为调节在目标谐振器中消耗的能量的量，

其中，控制器控制目标谐振器的谐振频率，使得目标谐振器与源谐振器相互谐振。

8.如权利要求7所述的通信装置，其中，能量调节器使用有源元件或无源元件调节在目标谐振器中消耗的能量的量，使得目标谐振器的品质Q因数具有量化的值。

9.如权利要求7所述的通信装置，其中，调制器基于消耗的能量的量调制信息。

10.如权利要求1所述的通信装置，还包括：

接收器，被配置为通过目标谐振器和源谐振器之间的相互谐振接收从源谐振器发送的能量。

11.如权利要求10所述的通信装置，其中，控制器控制目标谐振器和接收的能量传递到的负载之间的电连接。

12.一种使用无线电能的通信装置，所述通信装置包括：

调制器，被配置为基于存储在源谐振器中的能量的量来调制信息；

解调器，被配置为通过源谐振器和目标谐振器之间的相互谐振基于存储在源谐振器中的能量的波形的变化对从目标谐振器发送的信息解调；以及

控制器，被配置为控制从供电装置传递到源谐振器的能量的量。

13.如权利要求12所述的通信装置，其中，解调器基于符号持续时间内能量的波形变化的时间点对从目标谐振器发送的信息解调。

14.如权利要求12所述的通信装置，其中，解调器基于符号持续时间内能量的大小对从目标谐振器发送的信息解调。

15.如权利要求12所述的通信装置，其中，解调器基于符号持续时间内能量的波形来确定源谐振器和目标谐振器之间是否发生了相互谐振，并基于相互谐振是否发生对从目标谐振器发送的信息解调。

16.如权利要求12所述的通信装置，其中，控制器控制供电装置和源谐振器之间的电连接。

17.如权利要求12所述的通信装置，还包括：

发送器，被配置为通过相互谐振发送存储在源谐振器中的能量。

18.如权利要求12所述的通信装置，还包括：

能量调节器，被配置为调节在源谐振器中消耗的能量的量。

19.如权利要求18所述的通信装置，其中，能量调节器使用有源元件或无源元件调节在源谐振器中消耗的能量的量。

20.一种使用无线电能的通信系统，所述通信系统包括：

第一调制器，被配置为基于存储在源谐振器中的能量的量调制信息；

第一解调器，被配置为通过源谐振器和目标谐振器之间的相互谐振基于存储在源谐振器中的能量的波形的变化对从目标谐振器发送的信息解调；

第一控制器，被配置为控制从供电装置传递到源谐振器的能量的量；

第二控制器，被配置为控制目标谐振器和源谐振器之间的相互谐振；

第二解调器，被配置为基于从源谐振器接收的能量的量对从源谐振器发送的信息解调；以及

第二调制器，用于基于相互谐振调制信息。

21.如权利要求20所述的通信系统，其中，第二控制器控制目标谐振器和源谐振器之间的相互谐振的时间间隔。

22.如权利要求20所述的通信系统，还包括：

能量调节器，被配置为调节在目标谐振器中消耗的能量的量，

其中，第二控制器控制目标谐振器的谐振频率，使得目标谐振器和源谐振器相互谐振。

23.如权利要求22所述的通信系统，其中，能量调节器使用有源元件或无源元件调节在目标谐振器中消耗的能量的量，使得目标谐振器的品质Q因数具有量化的值。

24.一种使用无线电能的通信方法，所述方法包括：

控制目标谐振器和源谐振器之间的相互谐振；

基于从源谐振器接收的能量的量对从源谐振器发送的信息解调；以及

基于相互谐振调制信息。

25.一种使用无线电能的通信方法，所述方法包括：

基于存储在源谐振器中的能量的量调制信息；

通过源谐振器和目标谐振器之间的相互谐振基于存储在源谐振器中的能量的波形的变化对从目标谐振器发送的信息解调；以及

控制从供电装置传递到源谐振器的能量的量。

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