CN103210620B - 使用无线电力的通信系统 - Google Patents

Abstract

提供一种用于无线发送电力的设备和方法。根据一个总体方面，一种使用无线电力的通信装置可包括：发送器，被配置为通过互谐振将在源谐振器中存储的能量发送到目标谐振器；能量补偿器，被配置为补偿在源谐振器中消耗的能量；控制器，被配置为控制将能量提供给源谐振器的电连接。

Description

使用无线电力的通信系统

技术领域

以下描述涉及无线电力传输。

背景技术

已经进行了无线电力传输的研究，以解决传统电池的有限容量和用于便携式装置的有线电力的不便利性等。研究主要关注于近场无线电力传输。近场无线电力传输是指当与工作频率的波长相比，发送线圈和接收线圈之间的距离足够短的情况。一种传统无线电力发送和接收系统使用谐振特性并可包括用于提供电力的源和用于接收电力的目标。

发明内容

根据一个总体方面，一种使用无线电力的通信装置可包括：发送器，被配置为通过互谐振将在源谐振器中存储的能量发送到目标谐振器；能量补偿器，被配置为补偿在源谐振器中消耗的能量；控制器，被配置为控制将能量提供给源谐振器的电连接。

所述通信装置还可包括：调制器，被配置为使用源谐振器与目标谐振器之间的互谐振来调制信息。

能量补偿器可补偿在源谐振器中存储的能量中由于源谐振器的内部电阻、辐射电阻或者内部电阻和辐射电阻两者消耗的能量。

能量补偿器可包括：检测器，被配置为检测在源谐振器中消耗的能量；补偿器，被配置为补偿检测到的能量。

能量补偿器可使用有源元件来补偿消耗的能量，从而使源谐振器的品质（Q）因数具有大于或等于预定值的值。

调制器可根据源谐振器与目标谐振器之间产生互谐振是否被执行来调制信息。

调制器可通过量化在源谐振器中存储的能量的级别来调制信息。

控制器可通过控制源谐振器与电力供给单元之间的电连接来确定源谐振器与目标谐振器之间是否产生互谐振。

控制器可控制电力供给单元与能量补偿器之间的电连接，从而将能量从电力供给单元提供给能量补偿器。

所述通信装置还可包括：接收器，被配置为通过源谐振器与目标谐振器之间的互谐振来接收从目标谐振器发送的能量；解调器，被配置为通过检测接收的能量的波形来确定是否发生互谐振，并基于是否发生互谐振来解调由目标谐振器发送的信息。

根据另一总体方面，一种使用无线电力的通信装置可包括：发送器，被配置为通过互谐振将在目标谐振器中存储的能量发送到源谐振器；能量补偿器，被配置为补偿在目标谐振器中消耗的能量；控制器，被配置为控制目标谐振器与负载之间的电连接，其中，从目标谐振器向所述负载提供能量。

所述通信装置还可包括：调制器，被配置为使用源谐振器与目标谐振器之间的互谐振来调制信息。

所述通信装置还可包括：接收器，被配置为通过目标谐振器与源谐振器之间的互谐振来接收从源谐振器发送的能量；解调器，被配置为通过检测接收的能量的波形来确定是否发生互谐振，并基于是否发生互谐振来解调由源谐振器发送的信息。

能量补偿器可补偿在目标谐振器中存储的能量中由于目标谐振器的内部电阻、辐射电阻或者内部电阻和辐射电阻两者消耗的能量。

能量补偿器可包括：检测器，被配置为检测在目标谐振器中消耗的能量；补偿器，被配置为补偿检测到的能量。

能量补偿器可使用有源元件来补偿消耗的能量，从而使目标谐振器的品质（Q）因数具有大于或等于预定值的值。

控制器可通过改变目标谐振器的谐振频率来确定目标谐振器与源谐振器之间是否产生互谐振。

所述通信装置还可包括：驱动电力单元，被配置为提供用于驱动能量补偿器的能量。

控制器可包括：监视单元，被配置为监视在目标谐振器中接收的能量的大小；捕获单元，被配置为当在预定时间段内监视的能量的大小具有峰值时捕获在目标谐振器中存储的能量；补偿器，被配置为通过使用捕获的能量来补偿由驱动电力单元提供的能量。

根据另一总体方面，一种使用无线电力的通信系统可包括：第一调制器，被配置为使用源谐振器与目标谐振器之间的互谐振来调制信息；第一发送器，被配置为通过互谐振将在源谐振器中存储的能量发送到目标谐振器；第一能量补偿器，被配置为补偿在源谐振器中消耗的能量；第一控制器，被配置为控制将能量提供给源谐振器的电连接；第一接收器，被配置为通过源谐振器与目标谐振器之间的互谐振来接收从目标谐振器发送的能量；第一解调器，被配置为通过检测接收的能量的波形来确定是否发生互谐振，并基于是否发生互谐振来解调由源谐振器发送的信息；第二能量补偿器，被配置为补偿在目标谐振器中消耗的能量；第二控制器，被配置为控制目标谐振器与负载之间的电连接，其中，从目标谐振器向所述负载提供能量。

所述通信系统还可包括：第二调制器，被配置为使用源谐振器与目标谐振器之间的互谐振来调制信息；第二发送器，被配置为通过互谐振将在目标谐振器中存储的能量发送到源谐振器。

所述通信系统还可包括：第二接收器，被配置为通过源谐振器与目标谐振器之间的互谐振来接收从目标谐振器发送的能量；第二解调器，被配置为通过检测接收的能量的波形来确定是否发生互谐振，并基于是否发生互谐振来解调由目标谐振器发送的信息。

第一能量补偿器可使用有源元件来补偿消耗的能量，从而使源谐振器的品质（Q）因数具有大于或等于预定值的值。

第二能量补偿器可使用有源元件来补偿消耗的能量，从而使目标谐振器的Q因数具有大于或等于预定值的值。

根据另一总体方面，一种使用无线电力的通信方法可包括：补偿在源谐振器中消耗的能量；控制将能量提供给源谐振器的电连接；通过互谐振将在源谐振器中存储的能量发送到目标谐振器。

补偿的步骤可包括：补偿在源谐振器中存储的能量中由于源谐振器的内部电阻、辐射电阻或者内部电阻和辐射电阻两者消耗的能量。

所述通信方法还可包括：使用源谐振器与目标谐振器之间的互谐振来调制信息。

根据另一总体方面，一种使用无线电力的通信方法可包括：补偿在目标谐振器中消耗的能量；控制目标谐振器与负载之间的电连接，其中，从目标谐振器向所述负载提供能量；通过互谐振将在目标谐振器中存储的能量发送到源谐振器。

补偿的步骤可包括：补偿在目标谐振器中存储的能量中由于目标谐振器的内部电阻和辐射电阻消耗的能量。

所述通信方法还可包括：使用源谐振器与目标谐振器之间的互谐振来调制信息。

从以下的详细描述、附图和权利要求中，其它特点和方面将是清楚的。

附图说明

图1是示出使用无线电力的通信系统的等效电路的示图，其中，电力输入单元和电力发送单元被电容器和开关单元物理隔离，接收器和电力输出单元被另一电容器和另一开关单元物理隔离；

图2是示出使用无线电力的通信系统的等效电路的示图，其中，电力充电器和发送器被开关物理隔离，充电器和电力输出单元被另一开关物理隔离；

图3是示出使用无线电力的通信装置的框图；

图4是示出使用无线电力的另一通信装置的框图；

图5是示出使用无线电力的另一通信系统的框图；

图6是示出具有能量补充单元的使用无线电力的通信系统的等效电路的示图；

图7是示出施加到在使用无线电力的通信系统中强互耦的源谐振器和目标谐振器的能量的变化的曲线图；

图8是示出施加到在使用无线电力的通信系统中弱互耦的源谐振器和目标谐振器的能量的变化的曲线图；

图9是示出根据Q因数和源谐振器与目标谐振器之间的距离的互耦的工作特性的曲线图；

图10是示出在使用无线电力的通信系统中当源谐振器的Q因数通过能量补偿而增加时施加到源谐振器的能量的变化的曲线图；

图11是示出在使用无线电力的通信系统中当目标谐振器的Q因数通过能量补偿而增加时施加到目标谐振器的能量的变化的曲线图；

图12是示出当在目标谐振器中使用或不使用负电阻时存储的能量的曲线图。

贯穿附图和详细描述，除非另外描述，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。为了清晰、说明和方便，可能夸大这些元件的相对大小和描述。

具体实施方式

提供以下详细描述在于帮助读者获得这里描述的方法、设备和/或系统的全面理解。因此，将向本领域的普通技术人员建议这里描述的方法、设备和/或系统的各种改变、修改和等同物。描述的处理步骤和/或操作的进行是示例；然而，如本领域所知，除了必须以特定顺序发生的步骤和/或操作之外，步骤和/或操作的顺序不限于这里阐述的顺序并且可被改变。此外，为了增加的清晰和简明，对公知的功能和结构的描述可被省略。

根据一方面的使用无线电力的通信系统可应用到使用无线电力传输的各种系统。例如，通信系统可被用于在使用无线电力传输的系统中的发送端和接收端（诸如蜂窝电话、无线电视（TV）等）之间交换控制信息和其它类型的信息。此外，通信系统可用在生物-医疗保健领域，因此可用于例如将电力远程发送到嵌入人体的装置或用于将电力无线发送到用于测量心跳的绷带类型的装置。

根据另一方面的使用无线电力的通信系统可被用作不包括电源的信息存储装置的遥控器。此外，所述通信系统可被用作用于向信息存储装置远程提供用于驱动装置的电力和用于无线载入存储在信息存储装置中的信息的系统。

使用无线电力的通信系统可通过将来自电源装置的能量存储在源谐振器中，并断开电连接电源装置和源谐振器的开关，从而引起源谐振器的自谐振，来产生信号。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与源谐振器足够近从而与源谐振器耦合时，在源谐振器与目标谐振器之间可发生互谐振。源谐振器可表示从电源装置提供有能量的谐振器，目标谐振器可表示接收通过互谐振传送的能量的谐振器。

图1示出使用无线电力的通信系统的等效电路，其中，电力输入单元110和电力发送单元120被电容器C₁和开关单元130物理隔离，接收器140和电力输出单元150被电容器C₂和开关单元160物理隔离。

参照图1，使用无线电力的通信系统可与具有源和目标的源-目标配置相应。使用无线电力的通信系统可包括与源相应的无线电力发送装置和与目标相应的无线电力接收装置。

无线电力发送装置可包括电力输入单元110、电力发送单元120和开关130。电力输入单元110可使用电源装置将能量存储在电容器C₁中。在将能量存储在电容器C₁中时，开关单元130可将电容器C₁连接到电力输入单元110，并可断开电容器C₁与电力输入单元110的连接，从而在存储在电容器C₁中的能量被释放时，电容器C₁可被连接到电力发送单元120。因此，开关单元130可防止电容器C₁同时被连接到电力输入单元110和电力发送单元120。

电力发送单元120可将电磁能量传送到接收器140。电力发送单元120的发送线圈L₁可通过与接收器140的接收线圈L₂的互谐振来传送能量。发生在发送线圈L₁与接收线圈L₂之间的互谐振的级别可受互感M的影响。

电力输入单元110可包括输入电压V_DC、内部电阻R_in和电容器C₁，电力发送单元120可包括反映与电力发送单元120相应的物理性质的电路元件R₁、L₁和C₁，开关单元130可包括一个或多个开关。有源装置可被用作开关以执行接通和断开功能。如将被理解的那样，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的部分相应的电容器C₁两端的电压可由V_in指示。

无线电力接收装置可包括接收器140、电力输出单元150和开关单元160。接收器140可从电力发送单元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。在将能量存储在电容器C₂中时，开关单元160可将电容器C₂连接到接收器140，并可断开电容器C₂与接收器140的连接，从而在存储在电容器C₂中的能量被传送到负载时，电容器C₂可被连接到电力输出单元150。开关单元160可防止电容器C₂同时被连接到接收器140和电力输出单元150。

接收器140的接收线圈L₂可通过与电力发送单元120的发送线圈L₁的互谐振来接收电力。使用接收的电力，连接到接收线圈L₂的电容器C₂可被充电。如图所示，电力输出单元150可将在电容器C₂中所充的电力传送到电池。可选择地或另外，电力输出单元150可将电力传送到负载或目标装置。

接收器140可包括反映与接收器140相应的物理性质的电路元件R₂、L₂和C₂，电力输出单元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接收的能量的部分相应的电容器C₂两端的电压可由V_out指示。

如上所述，尤其当与使用阻抗匹配的传统的方案相比时，用于通过对电力输入单元110和电力发送单元120进行物理隔离以及对接收器140和电力输出单元150进行物理隔离来发送电力的谐振器隔离（RI）系统会是有益的。在一些示例中，因为可直接从直流（DC）电源向源谐振器提供电力，所以可不使用电力放大器。并且在一些示例中，因为从在接收端的电容器中存储的电力捕获能量，所以可不需要由整流器执行的整流。因为可不使用阻抗匹配，所以传输效率可不响应于发送端与接收端之间的距离的改变。可容易地将RI系统扩展到使用无线电力并且包括多个发送端和多个接收端的通信系统。

图2示出使用无线电力的通信系统的等效电路，其中，电力充电器210和发送器230被开关物理隔离，充电器240和电力输出单元260被另一开关物理隔离。

参照图2，使用无线电力的通信系统可与具有源和目标的源-目标配置相应。例如，使用无线电力的通信系统可包括与源相应的无线电力发送装置和与目标相应的无线电力接收装置。

无线电力发送装置可包括电力充电器210、控制器220和发送器230。电力充电器210可包括电源装置V_in和电阻器R_in。源谐振器可包括电容器C₁和电感L₁。发送器230可通过源谐振器与目标谐振器之间的互谐振来发送在源谐振器中存储的能量。控制器220可被配置为接通开关以将电力从电力充电器210提供给源谐振器。电源装置V_in可向电容器C₁施加电压，并可向电感器L₁施加电流。响应于达到稳定状态的无线电力发送装置，施加到电容器C₁的电压可变为“0”，并且流过电感器L₁的电流可具有V_in/R_in的值。在稳定状态，电感器L₁可通过施加的电流被充电。

当在源谐振器中存储的电力在稳定状态达到预定值时，控制器220可断开开关。可在控制器220中设置预定值的信息。电力充电器210和发送器230可彼此被隔离。源谐振器可启动电容器C₁与电感器L₁之间的自谐振。在源谐振器中存储的能量可通过基于互感M270的源谐振器与目标谐振器之间的互谐振被传送到目标谐振器。源谐振器的谐振频率f₁可与目标谐振器的谐振频率f₂相等。

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

f₁＝f₂

无线电力接收装置可包括充电器240、控制器250和电力输出单元260。目标谐振器可包括电容器C₂和电感器L₂。当源谐振器与目标谐振器之间发生互感时，源谐振器可与电源装置V_in隔离，目标谐振器可与负载以及电容器C_L隔离。目标谐振器的电容器C₂和电感器L₂可通过互谐振被充电。控制器250可断开开关以对目标谐振器进行充电。在开关处于断开状态时，源谐振器的谐振频率可基本上等于目标谐振器的谐振频率，并会发生互谐振。并且，响应于在目标谐振器中所充的电力达到预定值，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可被连接到目标谐振器，目标谐振器的谐振频率可改变为f₂'，其中：

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

因此，源谐振器与目标谐振器之间的互谐振可被终止。当与f₂相比f₂'小时，考虑目标谐振器的Q（品质）因数，互谐振通道会不复存在。电力输出单元260可将在电容器C₂和电感器L₂中存储的电力传送到负载。电力输出单元260可使用适合于负载的方案来传送电力。

当在目标谐振器中所充的电力具有小于预定值的值时，控制器250可断开开关。充电器240可通过源谐振器与目标谐振器之间的互谐振来对目标谐振器进行充电。

当源谐振器与目标谐振器之间发生互谐振时，不可接通开关。因此，可防止由于开关的连接导致的传输效率的降低。

当图2的模拟电路与传送在电容器中所充的能量的图1的等效电路相比时，在一些示例中，可更容易地控制捕获在目标谐振器中存储的能量的时间点。尽管传送在电容器中所充的能量的方案可捕获在电容器中存储的能量，但是通过改变谐振频率而捕获能量的方案可捕获在目标谐振器的电感器和电容器中存储的能量。因此，可提高捕获能量的时间点的自由度。

在图2的使用无线电力的通信系统中，源谐振器与目标谐振器之间的互谐振操作可被用于传送信息。源谐振器可在预定时间段期间（例如，在所述时间段期间通过向源谐振器注入能量或不注入能量的操作的单个符号周期）与目标谐振器产生互谐振或不产生互谐振。在这种情况下，源谐振器可根据是否发生互谐振来分配信息。目标谐振器可在预定时间段期间通过目标谐振器的谐振频率与源谐振器的谐振频率之间的匹配或不匹配的操作来产生或不产生互谐振。例如，目标谐振器可根据是否发生互谐振来分配信息。

当在源谐振器与目标谐振器之间发生强互谐振时，可提高针对源和目标中的每一个的调制和解调信息的性能。此外，当发生强互谐振时，可在相对短的时间段内在源谐振器与目标谐振器之间交换能量，并可增加在预定时间段期间分配的信息量。例如，当发生强互谐振时，可增大用于在源谐振器与目标谐振器之间传送信息的物理距离。

增强源谐振器与目标谐振器之间的互谐振可以是提高发送信息的性能的重要因素。为了增强互谐振，可增大谐振器的Q因数，和/或可增大两个谐振器之间的互感M。例如，互感M可与根据谐振器的物理尺寸的值相应，并且当在系统中确定了谐振器的物理尺寸时，可大致确定所述性能。Q因数可以是指示谐振器的能量损耗的程度的值。当确定了谐振器的物理尺寸时，可大致确定Q因数。例如，当使用负电阻时，可增大Q因数。

图3示出使用无线电力的通信装置。

参照图3，根据一方面的使用无线电力的通信装置包括调制器310、解调器320、控制器330、发送器340、接收器350和能量补偿器360。图3的使用无线电力的通信装置可与发送能量的发送（TX）端相应。

调制器310可使用源谐振器与目标谐振器之间的互谐振来调制信息。可基于能量是否从电力供给单元被传送到源谐振器来确定是否发生互谐振。调制器310可通过根据是否发生互谐振而分配信息来调制信息。调制器310可通过量化在源谐振器中存储的能量的级别来调制信息。

发送器340可通过互谐振将存储在源谐振器中的能量发送到目标谐振器。可通过传送来自电力供给单元和/或其它装置的能量将能量存储在源谐振器中。

能量补偿器360可补偿在源谐振器中消耗的能量。由于源谐振器的内部电阻和辐射电阻，所以会消耗在源谐振器中存储的部分能量。例如，辐射电阻可与在从源谐振器辐射电力时产生的电阻分量相应。此外，内部电阻和辐射电阻可与在从源谐振器辐射电力时的等效电路中表示的阻抗的实部相应。能量补偿器360可补偿由于源谐振器的内部电阻、辐射电阻或者内部电阻和辐射电阻两者所消耗的能量。能量补偿器360可补偿由于从电力供给单元提供能量所消耗的能量。能量补偿器360可补偿使用有源元件所消耗的能量。有源元件可包括晶体管、运算放大器（OP-AMP）、二极管等。能量补偿器360可补偿消耗的能量，从而使源谐振器的Q因数可大于等于预定值。可根据在源谐振器中消耗的能量的比率来确定Q因数。其结果是，当通过能量补偿来减少消耗的能量时，Q因数会增大。

能量补偿器360可包括检测器361和补偿器363。检测器361可检测在源谐振器中消耗的能量。消耗的能量可与部分能量（除了在源谐振器中存储的通过互谐振所传送的能量之外）相应。补偿器363可按照需要被配置为根据预定补偿要求补偿消耗的能量。预定补偿要求可表示Q因数大于等于预定值的要求。

控制器330可控制源谐振器与电力供给单元之间的电连接。电力供给单元可将能量提供给源谐振器。例如，源谐振器和电力供给单元可通过开关彼此电连接或彼此断开电连接。源谐振器和电力供给单元可响应于开关接通彼此电连接，源谐振器和电力供给单元可响应于开关断开彼此断开电连接。控制器330可被配置为控制连接源谐振器和电力供给单元的开关。控制器330可被配置为控制源谐振器与电力供给单元之间的电连接，从而使源谐振器和电力供给单元可互谐振。例如，在当源谐振器和电力供给单元被分离时源谐振器互谐振的情况下，控制器330可分离源谐振器和电力供给单元。

控制器330可控制电力供给单元与能量补偿器360之间的电连接，从而使能量可被提供给能量补偿器360。能量补偿器360可使用能量来补偿在源谐振器中消耗的能量，并且可从能量供给单元提供能量。

接收器350可通过源谐振器与目标谐振器之间的互谐振来接收从目标谐振器发送的能量。目标装置可通过控制目标谐振器的谐振频率来控制是否产生互谐振。根据是否发生互谐振，接收器350可从目标谐振器接收能量，并且可不从目标谐振器接收能量。目标装置可根据是否产生互谐振来调制信息。

解调器320可通过检测由接收器350接收的能量的波形来确定是否发生互谐振。根据发生互谐振还是未发生互谐振，能量的波形可不同。解调器320可基于是否发生互谐振来解调由目标谐振器发送的信息。

图4示出使用无线电力的另一通信装置。

如图所示，通信装置包括发送器410、接收器420、能量补偿器430、控制器440、调制器450、解调器460和驱动电力单元470。图4的使用无线电力的通信装置可与接收能量的接收（RX）端相应。

调制器450可使用源谐振器与目标谐振器之间的互谐振来调制信息。可根据目标谐振器的谐振频率与源谐振器的谐振频率是否匹配来确定互谐振。调制器450可通过根据是否发生互谐振而分配信息来调制信息。

接收器420可通过目标谐振器与源谐振器之间的互谐振来接收从源谐振器发送的能量。接收的能量可被存储在目标谐振器中。在目标谐振器中存储的能量可通过捕获操作被传送到负载。在捕获操作之前，目标谐振器可继续与源谐振器互谐振。

解调器460可通过检测由接收器420接收的能量的波形来确定是否发生互谐振。针对发生互谐振的情况和未发生互谐振的情况，能量的波形可不同。解调器460可基于是否发生互谐振来解调由源谐振器发送的信息。因为源可通过量化在源谐振器中存储的能量的级别来调制信息，所以解调器460可基于在目标谐振器中存储的能量的量来解调由源谐振器发送的信息。响应于在源谐振器中存储的能量通过互谐振被传送到目标谐振器，解调器460可根据在目标谐振器中存储的能量的级别来解调信息。可在源与目标之间预先确定关于调制方案和/或解调方案的信息。

发送器410可通过互谐振将在目标谐振器中存储的能量发送到源谐振器。TX端可通过接收从目标谐振器发送的能量来接收由RX端发送的信息。具体地讲，TX端可根据从目标谐振器发送的能量的波形来分析从RX端发送的信息。

能量补偿器430可补偿在目标谐振器中消耗的能量。由于目标谐振器的内部电阻和辐射电阻，所以会消耗在目标谐振器中存储的部分能量。辐射电阻可与在从目标谐振器辐射电力时产生的电阻分量相应。内部电阻和辐射电阻可与在从目标谐振器辐射电力时的等效电路中表示的阻抗的实部相应。能量补偿器430可补偿由于目标谐振器的内部电阻和辐射电阻所消耗的能量。能量补偿器430可补偿由于从驱动电力单元470提供能量所消耗的能量。驱动电力单元470可提供用于初始操作能量补偿器430的能量。电池的可充电特性（例如，充电量）可被用于驱动电力单元470。能量补偿器430可补偿使用有源元件所消耗的能量。有源元件可包括晶体管、OP-AMP、二极管等。能量补偿器430可补偿消耗的能量，从而使目标谐振器的Q因数可大于等于预定值。可根据在目标谐振器中消耗的能量的比率来确定Q因数。当通过能量补偿来减少消耗的能量时，Q因数会增大。

能量补偿器430可包括检测器431和补偿器433。检测器431可检测在目标谐振器中消耗的能量。消耗的能量可与部分能量（除了在目标谐振器中存储的通过互谐振所传送的能量之外）相应。例如，补偿器433可根据预定补偿要求来补偿消耗的能量。预定补偿要求可表示Q因数大于等于预定值的要求。

控制器440可控制目标谐振器与负载之间的电连接。可从目标谐振器向负载提供能量。控制器440可被配置为控制目标谐振器的谐振频率。当目标谐振器的谐振频率与源谐振器的谐振频率不匹配时，目标谐振器与源谐振器之间的互谐振会被终止。控制器440可被配置为通过控制目标谐振器的谐振频率来确定是否产生互谐振。

控制器440可通过使用在目标谐振器中存储的能量来补偿在驱动电力单元470中使用的能量。控制器440可包括监视单元441、捕获单元443和补偿器445。监视单元441可监视在目标谐振器中接收的能量的大小。捕获单元443可在预定期间内监视的能量的大小具有峰值时捕获能量。例如，捕获单元443可捕获在最大量的能量被存储在目标谐振器中时的能量。在捕获操作期间，控制器440可终止目标谐振器与源谐振器之间的互谐振。补偿器445可通过使用捕获的能量来补偿在驱动电力单元470中使用的能量。在初始驱动期间，可从驱动电力单元470向能量补偿器430提供能量。在互谐振之后，控制器440可使用捕获的能量补偿从驱动电力单元470提供的能量，从而使用于驱动能量补偿器430的能量维持在相对低的级别。

图5示出使用无线电力的另一通信系统。

参照图5，使用无线电力的通信系统包括TX端和RX端。TX端包括调制器505、解调器510、控制器515、发送器520、接收器525和能量补偿器530。RX端包括发送器535、接收器540、能量补偿器545、控制器550、调制器555和解调器560。

在TX端，调制器505可使用源谐振器与目标谐振器之间的互谐振来调制信息。发送器520可通过互谐振将在源谐振器中存储的能量发送到目标谐振器。能量补偿器530可补偿在源谐振器中消耗的能量。能量补偿器530可使用有源元件来补偿在源谐振器中消耗的能量，从而使源谐振器的Q因数具有大于或等于预定值的值。控制器515可被配置为控制源谐振器与电力供给单元之间的电连接。接收器525可通过源谐振器与目标谐振器之间的互谐振来接收从目标谐振器发送的能量。解调器510可通过检测由接收器525接收的能量的波形来确定是否发生互谐振。解调器510可基于是否发生互谐振来解调由目标谐振器发送的信息。

在RX端，接收器540可通过源谐振器与目标谐振器之间的互谐振来接收从源谐振器发送的能量。解调器560可通过检测接收的能量的波形来确定是否发生互谐振。根据发生互谐振还是未发生互谐振，能量的波形可不同。此外，解调器560可基于是否发生互谐振来解调由源谐振器发送的信息。能量补偿器545可补偿在目标谐振器中消耗的能量。例如，能量补偿器545可使用有源元件来补偿在目标谐振器中消耗的能量，从而使目标谐振器的Q因数具有大于或等于预定值的值。控制器550可控制目标谐振器与负载之间的电连接。控制器550可改变目标谐振器的谐振频率。调制器555可使用源谐振器与目标谐振器之间的互谐振来调制信息。发送器535可通过互谐振将在目标谐振器中存储的能量发送到源谐振器。

图6是示出具有能量补充单元的使用无线电力的通信系统的等效电路的示图。

从直流（DC）电源充入能量并使用源谐振器与目标谐振器之间的互谐振现象传送信号的谐振器隔离（RI）系统根据两个谐振器之间的物理距离可具有两个谐振现象，即，强互耦和弱互耦。Q因数可与指示在两个谐振器互谐振时在每个谐振器中消耗的能量的比率的值相应。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相应。因此，随着Q因数的增大，在谐振器中消耗的能量的量会减少。

当源谐振器与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以是强互耦，否则源谐振器和目标谐振器可以是弱互耦。

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

在该示例中，k_sp指示与强互耦和弱互耦之间的标准相应的耦合系数。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Q₂两者均对应于100时，对于k_sp大于0.01，源谐振器和目标谐振器可以是强互耦，对于k_sp小于0.01，源谐振器和目标谐振器可以是弱互耦。随着Q因数增大，与强互耦相应的耦合系数k_sp会减小。通常，耦合系数k_sp被考虑为与源谐振器和目标谐振器之间的距离的三次幂成反比。因此，随着Q因数增大，发生强互耦的距离会增大。

参照图6，等效电路包括TX端610和RX端620。在TX端610的三角形中设置的部分与有源元件611相应。在RX端620的三角形中设置的部分与有源元件621相应。有源元件可通过补偿由于在源谐振器中的电阻分量而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因数可被表示为以下等式。

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

随着谐振器的电阻分量R减小，Q因数会增大。有源元件可被用于补偿由于源谐振器的电阻分量而消耗的能量，从而减小有源谐振器的有效电阻分量。有源元件可被表示为负电阻，以指示有效电阻分量被减小。通过将负电阻连接到两个谐振器，可增大谐振器的Q因数。随着谐振器的Q因数增大，在源谐振器与目标谐振器之间发生强互耦的物理距离可增大。

图7示出施加到在使用无线电力的通信系统中强互耦的源谐振器和目标谐振器的能量的变化。

当源谐振器和目标谐振器强互耦时，在源谐振器中存储的所有的初始能量可在预定时间段期间被发送到目标谐振器，并且传送的能量可返回到源谐振器，这可被称为能量反弹现象并可一直重复（如有需要）到在两个谐振器中剩余的所有能量都被消耗。在谐振器中消耗的能量可以是内部电阻和辐射电阻分量的结果。电阻分量可承担在两个谐振器中存储的能量的减少，响应于存储的能量全部被消耗，互谐振可终止。

在源谐振器中初始存储的能量可被分为1)由于内部电阻和辐射电阻所消耗的部分和2)通过互谐振传送到目标谐振器的部分。因为从谐振器向对应的谐振器发送能量的速度明显大于由于电阻分量而消耗能量的速度，所以强互耦可涉及发生在两个谐振器之间的能量反弹现象。

针对源谐振器和目标谐振器强互谐振的情况以及源谐振器和目标谐振器未互谐振的情况，施加到在TX端的源谐振器的信号的波形可不同。当目标谐振器的谐振频率与源谐振器的谐振频率匹配时，在两个谐振器之间可发生互谐振，并且可发生能量反弹现象。当目标谐振器未发生互谐振时，在源谐振器中存储的能量由于电阻分量会逐渐被消耗。RX端可根据是否产生互谐振来调制数据，TX端可将发生互谐振时的信号波形与未发生互谐振时的信号波形进行比较，并可根据比较的结果解调从RX端发送的数据。

针对源谐振器和目标谐振器强互谐振的情况以及源谐振器和目标谐振器未互谐振的情况，施加到在RX端的目标谐振器的信号的波形可明显不同。可基于能量是否被提供给源谐振器来确定是否发生互谐振以及是否发生能量反弹现象。例如，RX端可通过分析信号的波形来解调从TX端发送的数据。

图8示出施加到在使用无线电力的通信系统中弱互耦的源谐振器和目标谐振器的能量的变化。

当源谐振器和目标谐振器弱互耦时，与被传送到目标谐振器相比，在源谐振器中初始存储的能量可由于电阻分量被更快地消耗。因此，不会发生能量反弹现象。

针对源谐振器和目标谐振器发生弱互谐振的情况以及源谐振器和目标谐振器未互谐振的情况，施加到在TX端的源谐振器的信号的波形可不同，该不同比强互耦合的情况小。针对源谐振器和目标谐振器弱互谐振的情况以及源谐振器和目标谐振器未互谐振的情况，施加到在RX端的目标谐振器的信号的波形可不同。

因为在弱互耦中不会发生能量反弹现象，所以与强互耦的情况相比，根据是否发生互谐振的波形的不同可不明显。

图9示出根据Q因数和源谐振器与目标谐振器之间的距离的互耦的工作特性。

参照图9，低Q与负电阻和谐振器断开连接时的Q因数相应，高Q与通过将负电阻和谐振器连接来增大Q因数的情况相应。将负电阻与谐振器连接可相当于补偿在谐振器中消耗的能量。即，当使用有源元件来补偿在低Q的谐振器中存储的能量时，低Q的谐振器可变为高Q的谐振器。

参照曲线图，随着Q因数增大，发生强互耦的距离会增大。即，发生强互耦的源谐振器与目标谐振器之间的距离会增大。Q因数的增大可指示在源谐振器与目标谐振器之间发送以及接收信息的性能的提高。

图10示出在使用无线电力的通信系统中当源谐振器的Q因数通过能量补偿而增加时施加到源谐振器的能量的变化。

图10的曲线图示出在补偿消耗的能量之前施加到低Q因数的源谐振器的信号的波形，以及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。低Q因数可涉及弱互谐振现象以及根据是否发生互谐振的波形的相对微小的变化。高Q因数可涉及根据是否由于强互谐振现象而发生互谐振的波形的相对明显的变化。因此，TX端可通过波形的变化来检测是否发生互谐振，并可解调从RX端发送的信息。

图11示出在使用无线电力的通信系统中当目标谐振器的Q因数通过能量补偿而增加时施加到目标谐振器的能量的变化。

图11的曲线图示出在补偿消耗的能量之前施加到低Q因数的目标谐振器的信号的波形，以及在补偿消耗的能量之后施加到高Q因数的目标谐振器的信号的波形。低Q因数可涉及弱互谐振现象以及根据是否发生互谐振的波形的相对微小的变化。高Q因数可涉及根据是否由于强互谐振现象而发生互谐振的波形的相对明显的变化。因此，RX端可通过波形的变化来检测是否发生互谐振，并可解调从TX端发送的信息。

图12示出当在目标谐振器中使用或不使用负电阻时存储的能量。

使用负电阻可指示在目标谐振器中补偿由于电阻分量而消耗的能量。当负电阻被连接到源谐振器和目标谐振器以提高数据传输性能时，可使用用于作为负电阻操作的另外的能量。TX端可与具有使用另外的能量的预定自由度的装置（例如，移动电话等）相应，RX端可与具有限制使用另外的能量的装置（例如，微型传感器）相应。因此，可从电源装置向TX端提供能量，RX端可使用用于使用负电阻的另外的能量的电源。此外，可补偿在所述电源中使用的能量。

参照图12，响应于最大能量被存储在目标谐振器中，RX端可终止互谐振现象，并且可捕获存储的能量。当负电阻与目标谐振器断开连接时，能量E_R可被存储在目标谐振器中。当负谐振器被连接到目标谐振器时，能量E_N可被另外存储在目标谐振器中。可预测另外存储的能量E_N与用于在目标谐振器中使用负电阻的能量相应。能量E_N可与通过负电阻来补偿在目标谐振器中消耗的能量而另外存储在目标谐振器中的能量相应。RX端可使用在捕获的能量中的另外存储在目标谐振器中的能量来补偿用于操作负电阻的能量。在这种情况下，可从轻便电池提供用于操作负电阻的能量。RX端可使用在从目标谐振器的轻便电池中捕获的能量来补偿用于操作负电阻的能量。

在一些实施例中，可使用硬件组件、软件组件或它们的组合来实现这里描述的单元或其它元件。例如，可使用一个或多个通用或专用计算机（例如处理器、控制器和算术逻辑单元、数字信号处理器、微型计算机、现场可编程阵列、可编程逻辑单元、微处理器或能够以限定的方式响应和执行指令的任何其它装置）来实现处理装置。处理装置可运行操作系统（OS）和运行在OS上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、操作、处理和创建数据。为了简单的目的，处理装置的描述用作单数；然而，本领域的技术人员将理解，处理装置可包括多个处理元件和多种类型的处理元件。例如，处理装置可包括多个处理器或者处理器和控制器。此外，不同的处理配置（诸如并行处理器）是可行的。

软件可包括用于独立地或共同地命令或配置处理装置按照需要进行操作计算机程序、代码段、指令或它们的一些组合。可在任何类型的机器、组件、物理装置或虚拟装置、计算机存储介质或装置中，或以能够提供指令或数据或者被处理装置解释的传输信号波来实现软件和数据。软件还可被分布在与计算机系统结合的网络上，从而以分布式的形式存储和执行所述软件。尤其是，可通过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之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，这里公开的用于实现示例实施例的功能程序、代码和代码段可容易地被实施例所属领域的程序员解释。

以上已描述了一些示例。然而，应理解，可进行各种修改。例如，如果以不同的顺序执行描述的技术，和/或如果以不同的方式组合和/或由其它组件或它们的等同物代替和补充在描述的系统中的组件、架构、装置或电路，则可实现合适的结果。因此，其它实施方式在权利要求的范围内。

Claims (28)

1.一种使用无线电力的通信装置，所述通信装置包括：

调制器，被配置为使用源谐振器与目标谐振器之间的互谐振来调制信息；

发送器，被配置为通过互谐振将在源谐振器中存储的能量发送到目标谐振器；

能量补偿器，被配置为补偿在源谐振器中消耗的能量；

控制器，被配置为控制将能量提供给源谐振器的电连接。

2.如权利要求1所述的通信装置，其中，能量补偿器补偿在源谐振器中存储的能量中由于源谐振器的内部电阻、辐射电阻或者内部电阻和辐射电阻两者消耗的能量。

3.如权利要求1所述的通信装置，其中，能量补偿器包括：

检测器，被配置为检测在源谐振器中消耗的能量；

补偿器，被配置为补偿检测到的能量。

4.如权利要求1所述的通信装置，其中，能量补偿器使用有源元件来补偿消耗的能量，从而使源谐振器的品质(Q)因数具有大于或等于预定值的值。

5.如权利要求1所述的通信装置，其中，调制器根据源谐振器与目标谐振器之间产生互谐振是否被执行来调制信息。

6.如权利要求1所述的通信装置，其中，调制器通过量化在源谐振器中存储的能量的级别来调制信息。

7.如权利要求1所述的通信装置，其中，控制器通过控制源谐振器与电力供给单元之间的电连接来确定源谐振器与目标谐振器之间是否产生互谐振。

8.如权利要求1所述的通信装置，其中，控制器控制电力供给单元与能量补偿器之间的电连接，从而将能量从电力供给单元提供给能量补偿器。

9.如权利要求1所述的通信装置，还包括：

接收器，被配置为通过源谐振器与目标谐振器之间的互谐振来接收从目标谐振器发送的能量；

解调器，被配置为通过检测接收的能量的波形来确定是否发生互谐振，并基于是否发生互谐振来解调由目标谐振器发送的信息。

10.一种使用无线电力的通信装置，所述通信装置包括：

发送器，被配置为通过互谐振将在目标谐振器中存储的能量发送到源谐振器；

能量补偿器，被配置为补偿在目标谐振器中消耗的能量；

控制器，被配置为控制目标谐振器与负载之间的电连接，其中，从目标谐振器向所述负载提供能量。

11.如权利要求10所述的通信装置，还包括：

调制器，被配置为使用源谐振器与目标谐振器之间的互谐振来调制信息。

12.如权利要求10所述的通信装置，还包括：

接收器，被配置为通过目标谐振器与源谐振器之间的互谐振来接收从源谐振器发送的能量；

解调器，被配置为通过检测接收的能量的波形来确定是否发生互谐振，并基于是否发生互谐振来解调由源谐振器发送的信息。

13.如权利要求10所述的通信装置，其中，能量补偿器补偿在目标谐振器中存储的能量中由于目标谐振器的内部电阻、辐射电阻或者内部电阻和辐射电阻两者消耗的能量。

14.如权利要求10所述的通信装置，其中，能量补偿器包括：

检测器，被配置为检测在目标谐振器中消耗的能量；

补偿器，被配置为补偿检测到的能量。

15.如权利要求10所述的通信装置，其中，能量补偿器使用有源元件来补偿消耗的能量，从而使目标谐振器的品质(Q)因数具有大于或等于预定值的值。

16.如权利要求10所述的通信装置，其中，控制器通过改变目标谐振器的谐振频率来确定目标谐振器与源谐振器之间是否产生互谐振。

17.如权利要求10所述的通信装置，还包括：

驱动电力单元，被配置为提供用于驱动能量补偿器的能量。

18.如权利要求17所述的通信装置，其中，控制器包括：

监视单元，被配置为监视在目标谐振器中接收的能量的大小；

捕获单元，被配置为当在预定时间段内监视的能量的大小具有峰值时捕获在目标谐振器中存储的能量；

补偿器，被配置为通过使用捕获的能量来补偿由驱动电力单元提供的能量。

19.一种使用无线电力的通信系统，所述通信系统包括：

第一调制器，被配置为使用源谐振器与目标谐振器之间的互谐振来调制信息；

第一发送器，被配置为通过互谐振将在源谐振器中存储的能量发送到目标谐振器；

第一能量补偿器，被配置为补偿在源谐振器中消耗的能量；

第一控制器，被配置为控制将能量提供给源谐振器的电连接；

第一接收器，被配置为通过源谐振器与目标谐振器之间的互谐振来接收从目标谐振器发送的能量；

第一解调器，被配置为通过检测接收的能量的波形来确定是否发生互谐振，并基于是否发生互谐振来解调由源谐振器发送的信息；

第二能量补偿器，被配置为补偿在目标谐振器中消耗的能量；

第二控制器，被配置为控制目标谐振器与负载之间的电连接，其中，从目标谐振器向所述负载提供能量。

20.如权利要求19所述的通信系统，还包括：

第二调制器，被配置为使用源谐振器与目标谐振器之间的互谐振来调制信息；

第二发送器，被配置为通过互谐振将在目标谐振器中存储的能量发送到源谐振器。

21.如权利要求20所述的通信系统，还包括：

第二接收器，被配置为通过源谐振器与目标谐振器之间的互谐振来接收从目标谐振器发送的能量；

第二解调器，被配置为通过检测接收的能量的波形来确定是否发生互谐振，并基于是否发生互谐振来解调由目标谐振器发送的信息。

22.如权利要求19所述的通信系统，其中，第一能量补偿器使用有源元件来补偿消耗的能量，从而使源谐振器的品质(Q)因数具有大于或等于预定值的值。

23.如权利要求19所述的通信系统，其中，第二能量补偿器使用有源元件来补偿消耗的能量，从而使目标谐振器的Q因数具有大于或等于预定值的值。

24.一种使用无线电力的通信方法，所述通信方法包括：

使用源谐振器与目标谐振器之间的互谐振来调制信息；

补偿在源谐振器中消耗的能量；

控制将能量提供给源谐振器的电连接；通过互谐振将在源谐振器中存储的能量发送到目标谐振器。

25.如权利要求24所述的通信方法，其中，补偿的步骤包括：补偿在源谐振器中存储的能量中由于源谐振器的内部电阻、辐射电阻或者内部电阻和辐射电阻两者消耗的能量。

26.一种使用无线电力的通信方法，所述通信方法包括：

补偿在目标谐振器中消耗的能量；

控制目标谐振器与负载之间的电连接，其中，从目标谐振器向所述负载提供能量；

通过互谐振将在目标谐振器中存储的能量发送到源谐振器。

27.如权利要求26所述的通信方法，其中，补偿的步骤包括：补偿在目标谐振器中存储的能量中由于目标谐振器的内部电阻和辐射电阻消耗的能量。

28.如权利要求26所述的通信方法，还包括：

使用源谐振器与目标谐振器之间的互谐振来调制信息。