CN103582990B - 磁去耦的成紧密间隔阵列的多个共振线圈 - Google Patents

Abstract

描述了以无线方式供电的本地计算环境的各种实施例。提供了一种系统和方法，用于在计算环境中利用无线近场磁共振（NFMR）功率传输。小形状因子的无线功率单元可以用于替代传统电池。

Description

磁去耦的成紧密间隔阵列的多个共振线圈

技术领域

所描述的实施例总体上涉及在便携式计算环境中利用无线功率传输。

背景技术

所需要的是用于在以无线方式供电的本地计算环境中的外围设备之间的有效并且用户友好的交互的方法、系统和装置。

以下是源自《物理年鉴》第323卷(2008)第34-48页的、AristeidisKaralis等人的“Wirelessnon-radiativemid-rangeenergytransfer”，从2007年4月27日起在网络上可获得。

1.简介

在早期的电磁学中，在部署电网之前，认真的兴趣和努力被投入(最著名的是由尼古拉特斯拉(NikolaTesla)[1])到不使用任何承载介质(例如以无线方式)通过长距离传送能量的方案开发中。这些努力似乎收效甚微。全向天线(其很好地工作用于信息传递)的辐射模式并不适于这样的能量传递，原因在于绝大部分的能量被浪费到自由空间中。使用激光器或者高度定向天线的定向辐射模式可以有效地用于能量传递，甚至用于长距离(传递距离L_TRANs>>L_DEv，其中L_DEv是设备的特征尺寸)，但是在移动对象的情况下需要存在不间断的视线和复杂的跟踪系统。近年来自主电子设备(例如笔记本计算机、蜂窝电话、家用机器人，通常其全部依赖于化学能量存储)的快速发展给出了重新研究这一问题的合理理由。现如今，我们相比特斯拉面临着不同的挑战：由于现有的电网几乎到处承载能量，对于许多应用来说，即便是中等范围(L_TRANs约等于几倍的L_DEv)的无线能量传递也是非常有用的。存在几种当前使用的方案，其依赖于非辐射模式(磁感应)，但被限制在非常接近的范围(L_TRANs<<L_DEv)或非常低功率(～mW)的能量传递[2-6]。

与所有上述方案相反，我们研究使用具有局域慢渐逝场模式的长寿命振荡共振电磁模用于有效的无线非辐射中程能量传递的可行性。提出的方法是基于著名的共振耦合原理(两个相同频率的共振对象趋于耦合，而与其他去共振环境对象较弱地互相作用的事实)，特别是共振渐逝耦合(其中耦合机制通过两个对象的非辐射近场的重叠而介导)。所述著名的物理现象简单地导致如下结果，即能量可以在处于极度近场中(例如，在光学波导或腔体耦合器中以及在共振感应变压器中)的对象之间有效耦合。然而，该相同的物理现象在中程距离如何表现还远不清楚，而且就我们的知识而言，文献中没有工作演示针对传递所涉及的两个对象中的最大维度的几倍的距离的有效能量传递。在本文中，我们详细的理论和数值分析表明只要仔细设计交换系统以相较于所有的本征损耗速率在“强耦合”状态下操作，这种有效的中程无线能量交换实际上是可以实现的，而仅经受进入其他去共振对象中的适度能量传递和损耗。“强耦合”的物理现象也是公知的，但却是在诸如那些光与物质相互作用[7]的非常不同的领域中。在该有利的操作状态中，我们量化地解决了以下问题：这样的方案在上至多远的距离是有效的，以及其对外部扰动有多敏感。近场的全向但平稳(非损耗)的本质使得该机制适于移动无线接收器。因此，其可以具有各种可能的应用，包括例如在工厂房间的天花板上放置源(其连接到有线电力网络)，而设备(机器人、汽车、计算机或类似的)在房间内自由漫步。其他可能的应用包括电动引擎巴士、RFID，甚至可能是纳米机器人。

2.耦合范围和速率

所提出的无线能量传递方案的范围和速率是考查的第一主题，而尚不考虑从系统中汲取能量并应用到工作中。用于建模该共振能量交换的合适的分析框架是著名的耦合模式理论(CMT)[8]。在该图景中，两个共振对象1和2的系统的场由F(r，t)≈a₁(t)F₁(r)+a₂(t)F₂(r)来近似，其中F₁，₂(r)是1和2单独的本征模，于是场幅度a₁(t)和a₂(t)被示出[8]为至最低阶满足： $\frac{{\mathrm{da}}_1}{\mathrm{dt}}=-i({\mathrm{\&omega;}}_i-i{\mathrm{\&Gamma;}}_1)a_1+i{\mathrm{\&kappa;a}}_2$ $\frac{{\mathrm{da}}_2}{\mathrm{dt}}=-i({\mathrm{\&omega;}}_2-i{\mathrm{\&Gamma;}}_2)a_1+i{\mathrm{\&kappa;a}}_1---\left(1\right)$

其中ω_1，2为单独的本征频率，Γ_1，2为由对象的本征(吸收、辐射等)损耗引起的共振宽度，κ为耦合系数。等式(1)示出了在准确的共振(ω₁=ω₂且Γ₁=Γ₂)时，组合系统的正规模以2κ被分割；所述两个对象之间的能量交换在时间～π/2κ处发生，并且除了损耗，几乎是完美的，当耦合速率相比所有损耗速率大很多(κ>>Γ_1，2)时，损耗是最小的。¹我们将准确设置该比值作为我们的品质因数，与实现该比值的距离一起用于所考虑的用于无线能量传递的任何系统。所期望的最佳范围被称为“强耦合”范围。

结果，我们的能量传递应用需要高Q值的共振模用于低(慢)本征损耗速率Γ，其中Q=ω/2Γ，这也是我们提出通过渐逝(非损耗)的平稳近场而非有损耗的辐射远场来实现耦合的方案的原因。此外，在大于对象的特征尺寸的距离上需要强(快)耦合速率κ，因此，由于近场进入到包围有限尺寸的共振对象的空气中的程度通常由波长设定(并由“辐射焦散”严格量化)，该中程非辐射耦合只可以使用亚波长尺寸的共振对象来实现，因此明显地使渐逝场尾变长。由于人们通常偏爱短尾以最小化与附近设备的干扰，所以这是尚未广泛研究的操作范围。如在后面的示例中可以看到的那样，这样的亚波长共振通常可以与高辐射Q值相伴随，所以这通常会是对于可能移动的共振设备对象d的合适的选择。然而需要注意，共振源对象s在实际中通常是不活动的，并且对其允许的几何形状和尺寸具有较不严厉的限制，因此可以选择所述尺寸为足够大，使得近场范围不被波长限制(为了获得其中的慢指数衰减，使用例如具有与空气中的“光线”紧密调谐的导模的波导)。

所提出的方案是非常通用的，满足上述需求的任何类型的各种结构(例如电磁的、声的、核的)可以被用于其实施。作为示例并为了明确性，我们选择研究两个著名的但非常不同的电磁共振系统：电介质盘和电容性负载导线环路。尽管二者简单，但可以表明二者展现了可接受的优良性能，甚至可以不经优化。

2.1.电介质盘

考虑由空气包围的半径为r且相对介电常数为□的2D电介质盘对象，其支持高Q值的“回音廊”共振模(图1)。用于存储在这样的共振系统内的能量的损耗机制是进入到自由空间中的辐射和盘材料内的吸收。只有在介电常数很大且方位场变化很慢(即小主数m)时，高Q^rad值和长尾亚波长共振才可以实现。材料吸收与材料损耗正切相关：Qabs～Re{ε}/Im{ε}。针对这种盘共振的模求解计算通过使用两个独立的方法来执行：在数值方面，以30pts/r的分辨率来进行2D有限差分频域(FDFD)仿真(除了空间离散，其正是在频域求解麦克斯韦方程)，在分析方面，使用了极坐标形式的标准变量分离(SV)。图1呈现了针对λ/r≥10的两种TE极化的电介质盘亚波长模的结果。所述两种方法具有极好的一致，暗示了对于适当设计的共振低损耗电介质对象，Q^raa≥2000和Q^abs～10000的取值应当是可以实现的。

注意，图1示出的ε的所需取值可能起初看起来大得不切合实际。然而，不仅在微波领域中(适合于几米范围的耦合应用)存在很多既具有合理地足够高的介电常数又具有低的损耗的材料(例如，二氧化钛：ε≈96，Im{ε}/ε≈10^-3；四钛酸钡：ε≈37，Im{ε}/ε≈10^-4；锂钽铁矿：ε≈40，Im{ε}/ε≈10^-4；等等)[9，10]，而且ε可以代为表示其他已知的亚波长(λ/r>>1)表面波系统的有效指数，诸如在类金属(负ε值)材料[11]或准金属电介质光子晶体[12]的表面上的表面等离激元模式。

现在为了计算两个盘1和盘2之间可实现的能量传递速率，我们将它们放置为其中心之间的距离为D。在数值方面，FDFD模求解仿真通过组合系统的正规模的频率分割(=2κ)给出κ，其中组合系统的正规模是初始的单盘模的奇偶叠加；在分析方面，使用用于变量分离本征场E_1，2(r)的表示，CMT通过 $\mathrm{\&kappa;}={\mathrm{\&omega;}}_1/2\&CenterDot;{\&Integral;d}^{3}r{\mathrm{\&epsiv;}}_2\left(r\right)E_2^{*}\left(r\right)E_1\left(r\right)/\&Integral;d^3\mathrm{r\&epsiv;}\left(r\right){\left|E_1\left(r\right)\right|}^2$ 给出κ，其中ε_i(r)和ε(r)分别是只描述盘j(减去背景常量ε₀)和整个空间的介电函数。于是，对于D/r=10-3的中等距离和非辐射耦合，D<2r_C，其中r_C=mλ/2π是辐射焦散的半径，两种方法非常好地一致，最终我们发现(图2)耦合损耗比值在κ/Γ～1-50的范围。尽管所实现的品质因数值没有落入理想的“强耦合”操作范围κ/Γ>>1中，但其仍然足够大以用于应用，如我们在后面所见的那样。

图2，图：两个相同的2D高ε值半径r(黄色)的盘的系统，用于盘之间的中等距离D的耦合，以及叠加的(红/白/蓝)正规模的电场，其是图1的单盘模的偶叠加。注意，也存在正规模，其为图1的单盘模的奇叠加(未示出)。表：用于所述两个正规模的波长和损耗速率的平均(单独取值未示出)、以及用于图1中呈现的两种情况的盘模的耦合速率和作为耦合距离D的函数的“强/弱耦合”品质因数的数值FDFD(圆括号中是分析CMT)结果。只考虑用于非辐射(D<2r_C)耦合的距离。注意，示出的平均Γ^rad(以及因此的总Γ值)与图1的单盘取值稍微不同，原因在于对两个正规模呈现出的远场干扰作用，CMT不能对该远场干扰作用做出预测，这也是没有示出用于Γ^rad的分析结果而使用单盘取值的原因。(图的特定参数在表格中以粗体突出显示。)(对于该图的图例中对提及的颜色的解释，请读者参考本文的网络版本。)

2.2电容性负载导线环路

考虑由具有半径为a的圆形截面的导线形成的半径为r的环路，其连接至一对面积为A的导电平行板，其经由相对介电常数为ε的电介质而以距离d间隔，并且全部由空气包围(图3)。导线具有电感L，板具有电容C，于是系统具有共振模，其中共振的本质在于由于跨电容器的电压和导线中的电流，而从电容器内的电场到自由空间中的磁场的周期性能量交换。该共振系统中的损耗包括导线内的欧姆损耗R_abs和进入到自由空间中的辐射损耗R_rad。针对该类型的RLC电路共振的模求解计算也是通过使用两个独立的方法来执行：在数值方面，进行了3D有限元频域(FEFD)仿真(除了空间离散，其正是在频域求解麦克斯韦方程)[13]，其中导体的边界使用复数阻抗边界条件来建模，只要η_c/η₀<<1[14](对于微波中的铜，<10^-5)就有效，其中μ₀、ε₀和是自由空间的磁导率、电容率和阻抗，σ是导体的电导率；在分析方面，使用公式L=μ₀r[ln(8r/a)-2][15]和C=ε₀εA/d来确定共振频率及其品质因数Q^abs=ωL/R_abs和Q^rad=ωL/R_rad，在所需的亚波长环路(r<<λ)限制中，也使用了准静态公式R_abs≈η_cr/a(其考虑了趋肤深度效应)和R_rad≈π/6η₀(r/λ)⁴[15]。通过调谐电容以及进而调谐共振频率，总Q值对于由环路参数确定的某个最佳频率变得最高：在低频率处，其由欧姆损耗支配，在高频率处，其由辐射支配。图3呈现了对于在该最优频率处的λ/r≥70(即高度适于近场耦合并真正在准静态的限制中)的两个亚波长模的结果。两种方法再次非常好地一致，表明预期的微波中的品质因数为

Q^abs≥1000和Q^rad≥10000。

图3.图：连接到被空气包围的间隔为d的一对平行板(以黄色示出)的导线环路，其半径为r，以及其重叠的共振模(在正/零/负场区域中分别以红/白/蓝示出)的磁场切片(平行于圆形环路的轴线的分量)。表：针对亚波长环路共振模式的两种不同情况，波长与吸收、辐射与总损耗速率的数值FDFD(圆括号中是分析)结果。注意，材料铜(σ=5.998×10⁷s/m)用于导电。(图的特定参数在表格中以粗体突出显示)(对于该图图例中对提及的颜色的解释，请读者参考本文的网络版本)

对于其中心之间的距离为D的两个环路1和2(图4)之间的能量传递速率：在数值方面，FEFD模求解仿真再次通过组合系统的正规模的频率分割(=2κ)给出κ；在分析方面，κ由给出，其中M是两个环路的互感，在准静态限制r<<D<<λ中以及对于图4所示的相对取向，其为M≈π/2μ₀(r₁r₂)²/D³[14]，这意味着于是，对于中等距离D/r=10-3，两种方法很好地一致，我们最终发现了(图4)耦合与损耗比值在单环路D/r=10-3达到最大值并且在范围κ/Γ～0.5-50中的那些频率之间的频率处达到最大值。

图4.图：连接到平行板(黄色)的两个相同的导线环路的系统，用于它们之间的中等距离D的耦合，以及重叠的偶正规模的磁场切片(红/白/蓝)。注意，也存在奇正规模(未示出)。表：针对图3呈现的模的两种情况，所述两个正规模的平均波长和损耗速率(单独取值未示出)、以及作为耦合距离D的函数的耦合速率和“强/弱耦合”品质因数的数值FDFD(圆括号中是分析)结果。注意，示出的平均Γ^rad再次与图3的单环路取值稍微不同，原因在于对两个正规模呈现出的远场干扰作用，分析模型再次不能对其做出预测，因此没有示出用于Γ^rad的分析结果，而使用了单环路取值。(图的特定参数在表格中以粗体突出显示)(对于该图图例中对提及的颜色的解释，请读者参考本文的网络版本)

理解用于能量传递的这样的共振耦合感应方案与著名的非共振感应方案之间的差别是重要的。使用CMT可以容易地表明，将在源处存储的能量和几何形状保持固定，共振感应机制可以传递～Q²(～10⁶)倍于传统非共振机制的能量以用于在设备处工作。这就是对于后者只有近程无接触中等功率(～W)的传递可行[2，3]，而对于共振，也是近程但大功率(～kW)的传递被允许[4，5]的原因，或者如当前所提出的那样，如果确保在强耦合范围中操作，则中程和中等功率的传递是可行的。实际上，电容性负载导电环路也正被广泛用作共振天线(例如在蜂窝电话中)，但是那些以D/r>>1、r/λ～1操作在远场范围中，而且故意将辐射Q值设计得很小以使得天线有效率，所以其不适合用于能量传递。

3.外部对象的影响

清楚的是，所提出的基于共振的无线能量传递方案的成功很强地依赖于对象的共振的鲁棒性。因此，其对附近出现的随机非共振外部对象的敏感度是所提出的方案需要分析的另一方面。现在合适的分析模型是扰动理论(PT)的[8]，其显示在出现外部对象e时，共振对象1内的场幅度a₁(t)至一阶满足：

$\frac{{\mathrm{da}}_1}{\mathrm{dt}}=-i({\mathrm{\&omega;}}_1-i{\mathrm{\&Gamma;}}_1)a_1+i({\mathrm{\&kappa;}}_{11-e}+i{\mathrm{\&Gamma;}}_{1-e})a_1---\left(2\right)$

其中再一次地，ω₁为频率，Γ₁为本征(吸收、辐射等)损耗速率，而κ_11-e是由于e的存在而在1上引起的频率漂移，Γ_1-e是由e(e内部的吸收、从e的散射等)的损耗速率而引起的外部损耗速率²。频率漂移问题可以通过向每个设备应用反馈机制而简单地解决，反馈机制校正其频率(例如通过几何形状的小的改变)并使该频率与源的频率相匹配。然而，外部损耗对能量传递方案的功能可能是不利的，原因在于其不能被补救，所以总损耗率Γ_1[e]=Γ₁+Γ_1-e和对应的品质因数必须被量化，其中κ_[e]是受扰动的耦合速率。

3.1.电介质盘

在我们已经考虑的共振对象的第一示例即电介质盘中，小的、低指数、低材料损耗或远离的离群对象会引起小的散射和吸收。在这样的小扰动的情况下，这些外部损耗机制可以分别使用分析一阶PT公式 ${\mathrm{\&Gamma;}}_{1-e}^{\mathrm{rad}}\&Proportional;{\mathrm{\&omega;}}_1\&CenterDot;{\&Integral;d}^{3}r{\left|\mathrm{Re}\right\{{\mathrm{\&epsiv;}}_e\left(r\right)\left\}\right|}^2{\left|E_1\left(r\right)\right|}^2/U$ 和 ${\mathrm{\&Gamma;}}_{1-e}^{\mathrm{abs}}{=\mathrm{\&omega;}}_1\&CenterDot;/4{\&Integral;d}^{3}r\mathrm{Im}\left\{{\mathrm{\&epsiv;}}_e\left(r\right)\right\}{\left|E_1\left(r\right)\right|}^2/U$ 来量化，其中是未受扰动模的总共振电磁能量。如可以看出的那样，这两种损耗依赖于外部对象位置处的共振电场尾E₁的平方。相比之下，如之前指出的那样，从对象1到另一对象2的耦合速率为其线性地依赖于1在2内部的场尾E₁。尺度的差别给了我们这样的信心：对于成指数地小的场尾，到其他共振对象的耦合应该相对所有的外部损耗速率(κ>>Γ_1-e)快很多，至少对于小扰动是这样的，因此可以预期对于这类共振电介质盘，能量传递方案是强健的。

然而，我们也想考查其中外部对象引起的扰动太强以至于不能使用上面的一阶PT方法来分析的某些可能的情况。例如，我们将电介质盘c置于接近具有大的Re{ε}、Im{ε}和相同尺寸但不同形状的另一去共振对象(诸如人h)，如图5a所示，以及具有大范围但小Re{ε}、Im{ε}的粗糙表面(诸如墙面w)，如图5b所示。对于D_h/w√r=10-3的盘中心与“人体”中心/“墙面”的距离，图5中呈现的数值FDFD仿真结果显示，(而不是初始的)，(自然地未变化的)，以及即盘共振看起来是相当鲁棒的，原因在于除了非常接近的高损耗对象之外[16]，其没有被外部对象的出现而不利地干扰。

图5.图：以距离D_h/w在外部对象(黄色)附近的盘，外部对象为：(a)与盘相同尺寸(面积)的高ε=49+16i(其很大，但在GHz范围中对于人体肌肉是合适的[16])的正方形对象；(b)ε=2.5+0.05i(适合于普通材料，诸如混凝土、玻璃、塑料和木材[16])的大的粗糙表面，以及盘的干扰共振模的重叠的电场(红/白/蓝)。表：用于盘的干扰共振的参数的数值FDFD结果，包括针对在上面的图中呈现的两种情况的盘模，在外部对象内的吸收速率和总辐射损耗速率(包括从外部物体的损耗)。注意，再次使用了盘材料损耗正切Im{ε}/Re{ε}=10^-4，再次与图1的单盘不同(下降或者甚至上升)，这次的原因在于辐射的和强散射的远场(各自的建设性或破坏性)的干扰作用。(图的特定参数在表格中以粗体突出显示)(对于该图图例中提及的颜色的解释，请读者参考本文的网络版本)

为了考查大扰动对整个能量传递系统的影响，我们考虑接近“人体”和“墙面”出现的两个共振盘。数值FDFD仿真表明，系统性能从κ/Γ_c～1-50(图2)恶化为κ_[hw]/Γc[_hw]～0.5-10(图6)，即仅恶化了可接受的小量。

图6.图：用于两个相同的盘(黄)之间的中等距离D耦合的系统，两个盘在与两个外部对象(黄)相等距离D附近，外部对象为：与盘尺寸(面积)相同的高□=49+16i的正方形对象以及□=2.5+0.05i的大的粗糙表面，以及系统的重叠的受干扰偶正规模的电场(红/白/蓝)。表：用于系统的受干扰的两个正规模的平均波长和损耗速率(单独取值未示出)的数值FDFD结果，以及用于上面的图中呈现的两种情况的盘模的干扰的耦合速率和作为耦合距离D的函数的“强/弱耦合”品质因数的数值FDFD结果。只考虑了用于非辐射(D<2r_C)耦合的距离。再次需要注意，平均Γ^rad考虑了所有辐射的和散射的远场之间的干扰作用。(图的特定参数在表格中以粗体突出显示)(对于该图图例中提及的颜色的解释，请读者参考本文的网络版本)

3.2电容性负载导线环路

在我们已经考虑的共振对象的第二个示例导线环路中，外部对象对共振的影响几乎不存在。原因在于，在我们考虑的操作的准静态范围(r<<λ)中，包围环路的空气区域中的近场主要是磁的(原因在于电场集中在电容器内)，因此可以与该场相互作用并作为对共振的扰动的外部非金属对象e是那些具有明显的磁性质(导磁率Re{μ}>1或磁损耗Im{μ}>0)的。由于几乎所有的日常材料是非磁性，所以其以与自由空间相同的方式响应磁场，因而不会干扰导线环路的共振。为了仅得到该干扰的粗略估计，我们使用之前提到的PT公式和针对如图4的图中所示的示例的场的数值结果以及尺寸为30cm×30cm×1.5m、介电常数□=49+16i(人体肌肉)的矩形对象，其位于环路之间并几乎固定在一个电容器的顶部上方(距离其～3cm)，可以得出对于距离其～10cm，则 因此，对于通常的距离(～1m)和放置(不直接在电容器的顶部上方)或者对于具有更小的损耗正切的大部分的通常的外部对象e，我们可以做出结论，认为和κ_[e]/Γ_[e]～κ/Γ～0.5-50是合理的。预期会影响这些共振的唯一扰动是紧密邻近的大的金属结构。

该事实的极其重要的暗示涉及对于人的安全考虑。人体也是非磁的，可以维持强磁场而不经受任何风险。典型的例子是用于医学检测的磁共振成像(MRI)技术，其中B～1T的磁场安全地用于人体。形成对比的是，我们的方案为了向设备提供几瓦的功率所需的磁近场只有B～10^-4T，其事实上与地球磁场的幅度是可比的。如上面所解释的，由于也没有出现强电近场，并且由该非辐射方案产生的辐射是极小的，因此有理由预期我们提出的能量传递方法对于生物体应当是安全的。

对比两类被考查的共振系统，对外部对象的强免疫和对人体没有风险可能使得导线环路成为对于很多现实世界的应用的优先选择；另一方面，高(有效)折射率的盘(或球体)的系统具有其也可应用于更小的长度尺度的优点(例如在光学领域中电介质是流行的，原因在于导电材料是高度有损耗的)。

4.能量传递方案的效率

再次考虑有一组外部对象e存在的共振源s和设备d的组合系统，现在让我们来研究当从所述设备以速率Γ_work汲取能量以应用到操作工作时的效率。用于设备场幅度的耦合模理论等式是

其中是净扰动设备损耗速率，类似地，我们定义Γ_s[e]用于扰动源。不同的时间方案可以被用来从所述设备提取功率(例如稳态连续波汲取、以周期时间立即汲取等等)，其效率展现出对组合系统参数的不同的依赖性。这里我们假设稳态，以使得源内的场幅度保持为恒量，也就是a_s(t)=A_se^-iωt，于是设备内的场幅度为a_d(t)=A_de^-iωt，其中A_a/A_s=iκ_[e]/(Γ_d[e]+Γ_work)。于是各种感兴趣的时间平均功率为：有用提取功率为P_work=2Γ_work|A_d|²，辐射(包括散射)功率为在源/设备处吸收的功率为以及在外部对象处由能量守恒，进入系统的总时间平均功率为P_total=P_work+P_rad+P_s+P_d+P_e。注意，通常出现在系统中并围绕系统循环存储的能量的无功功率在共振处抵消(其可以在例如来自坡印廷定理[4]的电磁学中被证明)并且不影响功率平衡计算。于是工作效率为：

${\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{work}}\&equiv;\frac{P_{\mathrm{work}}}{P_{\mathrm{total}}}=\frac{1}{1+\frac{{\mathrm{\&Gamma;}}_{d\left[e\right]}}{{\mathrm{\&Gamma;}}_{\mathrm{work}}}\&CenterDot;[1+\frac{1}{{\mathrm{fom}}_{\left[e\right]}^2}{(1+\frac{{\mathrm{\&Gamma;}}_{\mathrm{work}}}{{\mathrm{\&Gamma;}}_{d\left[e\right]}})}^2]}---\left(4\right)$

其中为扰动共振能量交换系统的距离依赖的品质因数。依赖于目标应用，用于工作汲取速率的合理的选择为：Γ_work/Γ_d[e]=1以最小化所需的存储在源中的能量，以最大化用于fom_[e]的某特定取值，或者Γ_work/Γ_d[e]>>1以最小化所需的存储在设备中的能量。对于任何的这些选择，η_work只是参数fom_[e]的函数。图7中以黑实线示出了η_work的最佳选择，对于fom_[e]>1，其为η_work>17％，也就是足够大以用于实际应用。损失转换比例也依赖于其他的系统参数，图7示出针对电介质盘和导电环路的两个示例系统最为扰动的参数(离群对象中的辐射和吸收)，该两个示例系统的参数取值在之前确定的范围内。

为了得到针对系统性能的数值估计，例如，以耦合距离D/r=5、“人体”外部对象在距离D_h/r=10处作为示例，则P_work=10W必须被递送至负载。于是，对于电介质盘我们有(基于图5) $Q_s^{\mathrm{abs}}=Q_d^{\mathrm{abs}}~{10}^4,Q_{s-h}^{\mathrm{abs}}=Q_{d-h}^{\mathrm{abs}}~5\&times;{10}^4$ 和(基于图2和6)fom_[h]～3，所以由图7我们得到效率η_work=52％，P_rad≈8.3W将被辐射到自由空间，P_s≈0.5W将在源内损耗，P_d≈0.3W将在设备内损耗，以及P_h≈0.2W将在人体内损耗。在另一方面，对于导电线圈，我们有(基于图3和4)和fom_[h]～4，所以我们得到η_work=61％、P_rad≈0.6W、P_s≈3.6W、P_d≈2.2W，以及最重要的P_h→0。

5结论

总之，我们给出了基于“强耦合”共振的用于中程无线非辐射能量传递的方案。尽管我们已经做出的考虑是针对静态几何形状(也就是κ和Γ_e不依赖于时间)的，但是所有的结果可以直接应用于移动对象的动态几何形状，原因在于能量传递时间κ^-1(对于微波应用为～1-100μs)与宏观对象的运动相关联的任何时间尺度相比小很多。非常简单的实施的几何形状的分析提供了令人鼓舞的性能特性，而且通过严谨的设计优化，进一步的改进是可预期的。因此所提出的机制对于很多现代应用是有希望的。例如，在宏观世界中，该方案可以潜在地被用来向工厂房间中的机器人和/或计算机，或者向公路上的电车(在该情况下，源腔体将是在公路上方运行的“管道”)递送功率。在其中将使用更加小的波长且需要较小的功率的微观世界中，可以使用其来实现用于CMOS电子的光学互连，或者来传递能量到自主纳米对象(例如，MEMS或纳米机器人)而不需过多关心源与设备之间的相对对准。

作为未来科研的集中之处，应当追求用于电磁系统的增强的性能，或者通过采用不同的材料，诸如大的有效折射率的等离子体或准金属电介质结构，或者通过微调系统设计，例如通过采用之前提到的耦合对象的辐射场之间的干扰作用。此外，应用范围可以被延伸到声学系统，其中源和设备经由普通的凝聚态物质对象连接。

发明内容

本发明提供了用于在计算环境中利用无线近场磁共振(NFMR)功率传输的系统和方法。特别是描述被布置为在以相对于NFMR发送器的大约任何空间取向放置时、以可用值从NFMR功率发送器以无线方式接收功率的外围设备的方法、系统和装置。

在一个实施例中，描述了一种小形状因子便携式功率单元，其布置为从由具有共振频率ω_T的近场磁共振(NFMR)发送器单元提供的磁场无线地接收至少小量功率而与所述便携式功率单元相对于该磁场的空间取向无关。所述便携式功率单元至少包括第一共振器结构，其具有共振频率ω₁和特征尺寸L₁；以及第二共振器结构，其具有共振频率ω₂和特征尺寸L₂。第一共振器结构和第二共振器结构在便携式功率单元内相对于彼此位置固定，以使得第一与第二共振器结构之间的有效磁耦合系数κ_eff大约为0，而与便携式功率单元相对于由无线发送器单元提供的磁场的空间取向无关。当第一共振器结构和第二共振器结构中的至少一个相对于NFMR发送器单元处于调谐状态时，无线发送器单元与第一共振器结构和第二共振器结构之间的非辐射功率传递通过第一共振器结构与第二共振器结构之间的磁共振耦合来介导。

在另一个实施例中，描述了被布置为从NFMR功率发送器以无线方式接收功率的外围设备。所述外围设备至少包括具有至少两个磁去耦合的NFMR功率接收器的功率接收单元。换言之，所述至少两个磁去耦合的NFMR功率接收器之间的耦合系数大约为0，而与功率接收单元相对于由NFMR功率发送器生成的磁场的空间取向无关。这样，在外围设备处从NFMR功率发送器接收可用量的功率，而与由NFMR功率发送器生成的磁场与外围设备的相对取向无关。

在一个实施例中，外围设备是诸如计算机鼠标的用户输入设备，NFMR功率发送器被包含到与计算机鼠标通信的计算系统中。此外，功率接收单元中磁去耦合的NFMR功率接收器具有与传统电池单元一致的形状和尺寸，每个都具有纵轴，在一些情况下纵轴以大约90度彼此重叠，而在其他情况下纵轴彼此正交但不重叠。

在另一个实施例中，描述了磁供电的外围设备的制造方法。在所述实施例中，所述方法可以通过提供彼此尺寸大约相同并具有与外围设备的横向维度一致的纵轴的至少两个NFMR功率接收器单元来执行。接下来，所述至少两个NFMR功率接收器单元中的第一个被布置为以一方式与所述至少两个NFMR功率接收器单元中的第二个重叠，使得所述至少两个NFMR功率接收器单元中的第一个的纵轴大约垂直于所述至少两个NFMR功率接收器单元中的第二个的纵轴，并且相对于所述至少两个NFMR功率接收器单元中的第二个的纵轴大约位于中间。这样，所述第一与第二NFMR功率接收器单元之间的磁耦合系数大约为0，而与外围设备和NFMR功率发送器的空间取向无关。

在所描述的实施例的一个方面中，外围单元包括大约彼此垂直的至少三个NFMR功率接收器单元。这样，外围设备可以在任何三维空间体中移动，而没有从NFMR功率发送器以无线方式接收的功率的实质损耗。

对于本领域的技术人员而言，在考查过下面的附图和详细描述后，所描述的实施例的其他装置、方法、特征和优点会是或者会变得明晰。目标在于包括在该描述中的所有这样附加的装置、方法、特征和优点被包括在权利要求的范围中并受权利要求保护。

附图说明

所包括的附图用于说明的目的，并只用来提供用于公开的实施例的可能的结构和布置的实例。这些附图不限制由本领域的技术人员在不脱离所述实施例的精神和范围的情况下可能对所描述的实施例做出的形式和细节上的任何变型。

图1A-1C示出了磁通与闭合环路的空间取向之间的关系。

图2用图形示出了感应电压或EMF与空间取向角θ之间的关系。

图3A-3B示出了具有依赖于空间取向的输出电压的电源单元。

图4A-4B和图5A-5F示出了根据所描述的实施例的具有共振接收器的各种布置的不依赖取向的电源单元。

图6A-6C示出了根据所描述的实施例的适于组合多个共振接收器之间的功率的组合电路的功能框图的各种实施例。

图7示出了图6A中所示的功率分配电路的特定实施方式。

图8示出了根据所描述的实施例的具有多个独立共振接收器的多频共振功率单元。

图9示出了根据所描述的实施例的详细说明由图8的组合器单元执行的方法的流程图。

图10和11示出了具有用于提供从磁场接收到的功率的小形状因子的无线功率单元的典型外围设备。

图12示出了根据所描述的实施例的分布式系统。

图13示出了根据所描述的实施例的计算系统。

具体实施方式

描述了以无线方式供电的本地计算环境的各种实施例。无线供电的本地计算环境至少包括近场磁共振(NFMR)电源，其布置为向多个合适地配置的设备中的任何设备以无线方式提供功率。在所描述的实施例中，被布置为从NFMR电源以无线方式接收功率的设备可以位于称为近场的区域中，近场延伸大约距离D，距离D可以是NFMR电源传输设备的特征尺寸的若干倍。通常，距离D可以为1米左右的等级。

在本讨论的上下文中，众所周知的是，可用功率可以经由通过磁场瞬时耦合的无线发送器和接收器来以无线方式发送，所述耦合的方式在《物理年鉴》第323卷(2008)第34-48页的、Karalis等人的“Efficientwirelessnon-radiativemid-rangeenergytransfer”中以一定的细节进行了描述，其出于各种目的通过引用全部并入于此。更具体地，根据所描述的实施例的系统可以包括包含于外围设备内或者与其电耦合的无线功率接收器，其可以从外部电源以无线方式接收有用功率值。在所描述的系统中，无线功率接收器可以包括第一共振器结构，其具有第一共振频率ω₁、第一Q因子Q₁(功率传递效率的度量)以及第一特征尺寸L₁。例如，在其中外围设备采用计算机鼠标或其他输入设备的形式的计算系统的上下文中，特征尺寸L₁可以为若干英寸或厘米的等级。所述系统还可以包括耦合到至少一个第二共振器结构的电源，第二共振器结构被放置在距第一共振器结构的可变距离d处，其具有第二共振频率ω₂、第二Q因子Q₂以及第二特征尺寸L₂。例如，第二共振器结构可以包含于诸如桌上型或膝上型计算机的计算机内。这样，在所述计算机周围可以形成充电区域，在充电区域中外围设备(或者任何其他适当地配置的设备)可以经由第二共振器结构从电源以无线方式接收有用功率值。

当第一和第二共振频率ω₁和ω₂接近在一起时，可以形成第一和第二共振器结构之间的耦合区域。在该耦合区域内，有用功率可以经由非辐射能量传递机制而被传递，非辐射能量传递机制利用了由第二共振器结构提供的磁场的共振场渐逝尾。例如，当第一共振器结构被包含到诸如计算机鼠标之类的外围设备中时，计算机鼠标可以至少部分地被提供有来自耦合到电源的第二共振器结构的功率。这样，外围设备可以操作在无线模式中，除了在计算设备中提供的电源之外不需要单独的电源。可以递送到外围设备的功率值及功率持续时间可以很强地依赖于多个因素。例如，第一共振器结构与第二共振器结构之间的耦合可以依赖于第二共振器结构和由第一共振磁结构生成的磁场的取向以及可变距离d。

为了避免或者至少减少空间取向的依赖，在所描述的实施例中，外围设备可以包括功率接收单元，其包含相对于彼此具有不同的空间取向的多个单独的共振器。这样，在功率接收单元处以无线方式接收的功率可以在本质上不依赖于外围设备相对于由第二共振器结构生成的磁场(在下文中被称为NFMR磁场)的任何移动。然而，每个单独的共振器本身可以响应于NFMR磁场而创建磁场，所创建的磁场转而可以与其他的单独的共振器耦合。功率接收单元中单独的共振器之间的耦合可以由耦合系数κ表征，耦合系数κ的范围可以从在存在很小的磁耦合或不存在磁耦合的那些情况下的0到当存在强磁耦合时的1。在单独共振器被强耦合的那些布置中，每个共振器可以对其他共振器具有实质影响，由此影响功率接收单元整体的性能。因此，对于具有多于一个单独共振器的那些功率接收单元，所述多于一个共振器之间的耦合系数κ尽可能可行地接近于0会是有利的。这对于可以在充电区域内到处移动的外围设备是特别正确的，在充电区域中，共振器结构与用来从电源传递能量的NFMR磁场之间的相对取向可以很大地改变。

因此，在一个实施例中，描述了以无线方式供电的本地计算环境。以无线方式供电的本地计算环境可以包括被布置为使用共振通道来向近场距离D(其定义了由NFMR电源发送器发送的磁场的最远无线范围)之内的共振电路传递可用能量的NFMR无线电源和向NFMR电源提供处理资源的中央处理单元。在本地计算环境中还包括可以在本地计算环境内到处自由移动的外围设备，其被布置为从NFMR功率发送器以无线方式接收功率。外围设备可以至少包括具有至少两个磁去耦合的NFMR功率接收器的功率接收单元，所述磁去耦合的NFMR功率接收器采用彼此电耦合以提供输出电压V_out的个体共振器的形式。由于接收器共振器之间的磁耦合系数κ大约为0，输出电压V_out基本独立于外围设备相对于NFMR磁场的空间取向。这样，外围设备可以从NFMR电源以无线方式接收可用功率值，而与其取向无关。

下面参照附图1-9对这些以及其他的实施例进行讨论。然而，本领域的技术人员会很容易地理解，这里相对于这些图给出的详细描述仅是出于说明目的，不应被理解为限制。

功率接收单元中的个体共振器之间的磁耦合可以使用法拉第感应定律或者简单地说法拉第定律来描述，法拉第定律将电动势(EMF)或电压定义为围绕闭合曲线移动单位电荷q所做功的量，如图1A中的系统100所示。根据法拉第定律，围绕闭合环路路径102产生的EMF与由闭合环路路径102范围内的磁通Φ的时间变化率(dΦ/dt)成比例，并与具有法向量A的表面A相关联。这样，当通过表面A的磁通Φ_B变化时，可以在任何的闭合电路中感应电流。电动势(或电压)与磁通变化之间的关系可以以等式1的形式满足法拉第定律的微分形式：

等式1

其中，□为电动势或电压，其由具有相同截面积的N个导电闭合环路中的单个环路的面积A内包围的磁通Φ_B的变化产生。

磁通Φ_B是标量，其根据等式2与磁场向量B和与由闭合环路路径102定义的表面A对应的法向量A相关：

等式2Φ_B=B·A

其中：

B是磁场向量，

A是由闭合环路102所包围的表面A的法向量；以及

B·A是向量B和A的点积，或者表示为标量形式ABcos(θ)。

因此，磁通Φ_B随着取向角θ的余弦变化，其中取向角θ表示磁场向量B和法向量A的空间取向，如图1B、1C所示。根据等式2以及如图1B所示，当磁场向量B与法向量A彼此对准(即角θ为0，因此cos(θ)为1)时，磁通Φ_B为最大值，因此磁通Φ_B的任何变化可以产生在闭合环路102中感应的最大EMF(ε)或电压。该感应电压可以被用来表征任何两个个体导电环路之间的耦合系数κ。应注意，随着取向角θ从0变化并逼近90度(或π/2弧度)变化，磁通Φ_B从最大磁通Φ_Bmax变到0，如图1C所示。因此，如图2所示，使用等式1和等式2，感应电压或EMF以与磁通大致相同的方式也与取向角θ相关。这样，共振器之间的磁耦合系数κ将在很大程度上确定与空间取向相关的无线功率单元的整体性能。

图3A示出了具有第一共振器302和第二共振器304的无线功率单元300，第一共振器302和第二共振器304具有取值大约为1.0(指示强耦合配置)的磁耦合系数κ和相对于NFMR磁场B_NFMR的空间取向角θ。在该配置中，两个共振器之间的磁耦合作用足够强，使得在一个共振器处生成的电压可以有效地抵销在另一共振器处生成的电压。在该示例中，出于简化的目的，共振器302和304每个可以是具有特征长度L的圆柱形的形状，并带有导线306的N个环路，导线306的一端终止于公共电位(系统GND)，另一端分别终止于提供电压V₁和V₂的终端节点308和310。无线功率单元300可以提供输出电压V_out，其作为电压V₁与V₂的差。在该布置中，输出电压V_out依赖于无线功率单元300相对于NFMR磁场B_NFMR的空间取向以及第一共振器302与第二共振器304之间的本征耦合(由磁耦合系数κ≈1.0表征)。更具体地，由与第二共振器304磁耦合的第一共振器302所生成的任何磁场在第二共振器304中产生感应电压，所产生的感应电压相比在第一共振器302中所感应的电压，幅度大致相等、极性相反。

更具体地，第一共振器302可以与磁场B_NFMR共振以创建磁场B₁。由于磁耦合系数κ≈1.0，由第一共振器302生成的任何磁场将与第二共振器304磁耦合(反之亦然)。例如，如图3B所示，磁场B₁与第二共振器304互相作用，以在节点310处感应出与节点308处的电压V₁相位差180°、幅度相等的电压V₂(换言之，V₁=-V₂)，如图3B所示，其结果是输出电压V_out为空值，这显然是不可接受的。

因此，通过改变第一共振器302和第二共振器304相对于彼此的取向和位置，共振器之间的磁耦合可以大幅减小。换言之，恰当地取向和放置第一共振器302和第二共振器304可以产生第一共振器302和第二共振器304的有效的磁去耦合，在该情况下，有效磁耦合系数κ_eff可以趋近0。例如，图4A示出了根据所描述的实施例的被表征为具有有效磁耦合系数κ_eff≈0的无线电源400，κ_eff≈0意指第一共振器302与第二共振器304之间的任何磁耦合的净影响有效地彼此抵销，由此模拟了没有磁耦合的情况。更具体地，当第一共振器302与磁场B_NFMR共振时，感应磁场B₁将由第一共振器302生成。然而，不同于第一共振器302与第二共振器304强耦合的情况，来自磁场B1的磁力线与第二共振器304以大约90°相交。这样，根据等式2，磁通Φ大约为0，因此，在第二共振器304中生成的任何EMF大约为0。

图4B示出了另一种情况，其中第二共振器304与磁场B_NFMR共振，创建了感应磁场B₂。在该情况下，感应磁场B2与共振器302的第一部分302-1互相作用以感应电压V_A。同时，感应磁场B₂与共振器302的第二部分302-2互相作用以感应电压V_B，根据楞次定律(也被称为右手法则)，电压V_B与V_A幅度相等但极性相反。这样，在第一共振器302中感应的任何电压V_A和V_B有效地彼此抵销，其结果是在第一共振器302中没有净感应电压，这模拟了对于全部取向角θ大约为0的有效磁耦合系数κ_eff。

图5A示出了无线电源500形式的不依赖取向的无线电源400的另一个实施例，其中第一共振器302和第二共振器304以交叉状布置垂直放置。在该布置中，第一共振器302和第二共振器304的中点彼此重合并在Z方向上移位距离“r”。这样，由第一共振器302生成的磁场的磁力线以90°与第二共振器304相交，其结果是第二共振器304的磁通Φ₃₀₄大约为0。正如上面参照附图4A描述的情况，生成的净EMF为0，其结果是有效磁耦合系数κ_eff≈0。图5B示出了第二共振器304相对于第一共振器302的等效情况。这样，由第二共振器304生成的磁场B₂相对于第一共振器302的对称本质使得有效耦合系数κ_eff≈0。图5C示出了第一共振器302和第二共振器304的另外的布置，其中第一共振器302和第二共振器304被分别分割为大致相等的部分302a、302b和304a、304b，该布置保持了有效磁耦合系数κ_eff≈0。图5D示出了第一共振器302和第二共振器304的另外的布置，其中共振器302和304中的任一个或另一个被分割为大致相等的部分。例如，如图所示，第二共振器304可以被分割为分别大致相等的部分304a、304b，并相对于第一共振器302以保持有效磁耦合系数κ_eff≈0的方式布置。图5E和图5F示出了根据所描述的实施例的采用具有第一共振器302和第二共振器304的各种配置的计算机鼠标500的形式的典型外围设备。

然而，对于具有多于一个共振接收器的磁共振功率单元，确保接收器的磁耦合系数κ_eff≈0仅是能够增加地组合其功率的第一步。特别地，附连到每个接收器的共振电路需要与另一接收器的共振电路隔离，并且为负载设备提供负载分配荷周(10adsharingduty)。图6A是根据所描述的实施例的可以被用来从多个共振接收器传递功率的组合电路600的特定实施例的功能框图。更具体地，每个接收器302和304可以独立耦合到组合电路600的相应分支。例如，接收器302可以被耦合到第一分支600-1，第一分支600-1可以至少包括被布置为在设备604和接收器302之间匹配阻抗的阻抗匹配网络602。整流电路606可以被用来将来自接收器302的各种信号(诸如AC信号608)转换为可以接着作为输入被提供给或(OR)电路612的DC信号610。同样地，接收器304可以被电耦合到分支600-2，分支600-2可以包括阻抗匹配网络616和整流电路618，整流电路618输出DC信号620，DC信号620可以转而作为输入提供给或电路612。在所描述的实施例中，或电路612可以作为负载均衡，以使得功率P以相对连续的方式被提供给设备604。换言之，如果接收器302相比接收器304从磁场B_NFRM接收到更多的功率，则或电路612会使得接收器302相比接收器304向设备604提供更多的功率，反之亦然。

图6B示出了由二极管622和624形成的或电路的具体实施方式。另一方面，图6C示出了或电路612的又一个实施方式，其包括被布置为暂时存储分别从分支600-1和600-2接收到的整流DC电压610和620的形式的能量的能量存储元件626和628。在一个实施例中，能量存储元件626和628可以采用电容器626和628的形式。负载均衡开关630和632可以被用来确保共振器302和304之间恰当的负载均衡，以向设备604提供稳定的功率。

图7示出了共振接收器302和304和功率分配电路600的模型700。更具体地，每个接收器302和304可以被建模为电感器L702和串联电阻器R704。阻抗匹配网络可以被建模为被布置为将接收器负载RR与设备负载RL匹配的电容C1和C2。全桥整流器706可以被用来将来自发送器302和304的AC信号转换为DC信号以供设备606使用。

图8示出了根据所描述的实施例的具有多个独立的共振接收器802-1、802-2...802-n的多频共振功率单元800。在所描述的实施例中，每个独立共振器802-1、802-2...802-n可以被配置为在不同频带最有效地操作。该布置在例如不同的国家由于当地法律法规可能限制某些频带的使用从而留出有限数目的频带用于以无线方式提供功率的那些情况下可能是有用的。因此，多接收器功率单元800可以被配置为包括多个接收共振器，其每个都被配置为在特定频带处从NFMR磁场最有效地接收功率。例如，共振接收器802-1可以被配置为以频率ω₁从其沉浸在其中的NFMR磁场最有效地接收功率。另一方面，共振接收器802-2可以被配置为以频率ω₂从其沉浸在其中的NFMR磁场最有效地接收功率。在任何情况下，功率组合器单元804可以被用来在可用功率正以频率ω₁和频率ω₂被接收的那些情况下组合接收器的功率。

然而，在以频率ω₁或频率ω₂从NFMR磁场接收功率的那些情况下，组合器单元804可以被用来选择哪个共振接收器(共振接收器802-1或者共振接收器802-2)正在操作或者至少正在接收相比阈值大的功率值。在该情况下，组合器单元804可以感测在共振接收器802-1和802-2处正被接收的功率值，并基于比较结果，组合器单元804可以选择合适的共振功率接收器来向电路提供功率。在一个实施例中，可以选择被视为其与NFMR磁场的互相作用最有效的共振接收器(例如，基于接收到的实际功率值)。与NFMR磁场互相作用的有效性可以基于在一个或另一个共振接收器中的感应磁通的量。应当注意，所述感测和选择可以正在进行且实时地执行。这样，所述多个共振接收器可以彼此紧密物理接近地放置，使得有效磁耦合系数κ_eff>0。

图9示出了详细说明根据本发明的实施例的由组合器单元804执行的过程900的流程图。过程900可以始于902，组合器单元感测从至少两个共振功率接收器接收到的功率，每个共振功率接收器被布置为以彼此不同的规定的共振频率从NFMR磁场接收功率。在904处，组合器单元识别所感测的共振功率接收器中的哪个正在提供最多功率。在906处，组合器单元提供来自所识别的共振功率接收器的功率。

图10示出了根据所描述的实施例的计算机键盘1000形式的典型外围设备。计算机键盘1000可以至少包括第一小形状因子无线功率单元1002和第二小形状因子无线功率单元1004，其每个可以以无线方式从磁场B接收功率。在所描述的实施例中，磁场B可以由包含于例如计算设备1008(诸如桌上型计算机)中的磁发送器单元1006提供。在最可预见的操作场景中，键盘1000会相对于桌上型计算机1008以正向面对布置被定位。这样，就没有必要来磁去耦合小形状因子无线功率单元1002和1004，因此，二者可以同时提供可以被用来操作键盘1000的功率。由于小形状因子无线功率单元1002和1004的尺寸可以形成为沿着标准AAA电池的线，所以小形状因子无线功率单元1002和1004(或者如果需要，可以仅其中之一)可以被容纳到键盘1000的电池仓1010中，如图11所示。这样，小形状因子无线功率单元1002和1004可被用来沿着标准AAA电池的线系统地替换传统电池。然而，应当注意，由于小形状因子无线功率单元1002和1004可以是任何尺寸和形状的，可以预期任何尺寸或配置的任何电池可以由小形状因子功率单元1002和1004替换。

图12示出了根据所描述的实施例的典型虚拟充电区域1100。虚拟充电区域1100提供了充电区域R以用于放置在区域R中的合适地配置的设备。NFMR电源可以被放置在诸如桌上型计算机的中央单元中。这样，桌上型计算机可以向NFMR电源提供计算资源。应注意，近场磁共振(NFMR)电源可以包括高Q值电路，其依赖于借助于功率源和汇点的共振之间形成的共振通道的近场磁耦合以传递功率。NFMR电源可以是独立单元，诸如例如包括在桌上型计算机、膝上型计算机以及平板计算机等中。在其他实施例中，NFMR电源可以采取便携类型单元的形式，诸如可以被连接到诸如桌上型计算机的旧式设备并由此提供改造设备的能力的保护锁(dongle)。在还有的其他实施例中，用来包围NFMR功率源的外壳或外壳的一部分可以用来拓展NFMR电源的有用范围。

如图12所示，虚拟充电区域1100包括中央单元1102(桌上型计算机)，其可以包括NFMR电源、键盘1104、鼠标1106和便携式媒体播放器1108。在一个实施例中，键盘1104可以被配置为直接从包括在桌上型计算机1102中的NFMR电源接收功率，鼠标1106和便携式媒体播放器1108也可以如此(当位于范围R内时)。

在一些情况下，由于任意种因素，桌上型计算机1102直接向鼠标1108提供功率的能力例如可以被降低。这样的因素可以包括例如将需要来自NFMR电源的功率的其他设备添加到区域R中，对在NFMR和鼠标1106之间形成的直接功率通道进行干扰的阻挡等等。在该情况下，键盘1104可以作为再共振器(re-resonator)，使得从NFMR电源递送到键盘1104的功率的一部分可以经由键盘1104中的再共振器传输单元(未示出)传递下去。这样，由鼠标1106经历的任何功率损耗可以由从键盘1104接收到的功率来改善。该布置可以是暂时的或者可以持续与鼠标1106不能直接从NFMR电源接收足够的功率一样长的时间。在其他情况下，将便携式媒体播放器1108定位在区域R中可以降低键盘1104和鼠标1106可获得的功率值。在该情况下，如果键盘1106中的电池完全充电(或额外充电不是必要的)，则键盘1106可以去耦合充电电路，同时仍保持再共振器电路以向鼠标1106提供功率。

在一些实施例中，保护锁1110可以被连接到桌上型计算机1102(例如，经由USB端口或电缆)。这样连接时，保护锁1110可以转而作为用于NFMR电源的范围扩展器。这样，保护锁1110可以扩展可以由包括在桌上型计算机1102中的NFMR电源提供功率的范围。在一些情况下，保护锁1110可以再共振已经从NFMR电源接收到的功率，而在其他情况下，保护锁1110可以包括其自身的NFMR电源。通过具有其自身的NFMR电源，保护锁1110可以向虚拟充电区域1100中的、与由包括在桌上型计算机1102中的NFMR电源所提供的功率相分离的那些设备以无线方式提供额外的功率。应注意，在一些实施例中，桌上型计算机1102的外壳(或者其一部分)可以被用作作为NFMR电源的一部分的共振器。

图13是根据所描述的实施例的计算系统1200的框图。计算系统1200包括处理器1202，其属于用于控制计算系统1200的整体操作的微处理器或控制器。计算系统1200例如在文件系统1204和高速缓存1206中存储属于媒体项目的数据。文件系统1204通常是储存盘或多个盘。文件系统1204通常为计算系统1200提供高容量存储能力。然而，由于到文件系统1204的访问时间相对慢，所以计算系统1200还包括高速缓存1206。高速缓存1206例如是由半导体存储器提供的随机存取存储器(RAM)。到高速缓存1206的相对访问时间相比用于文件系统1204的明显要短。然而，高速缓存1206没有文件系统1204的大存储容量。此外，当文件系统1204活动时，其相比高速缓存1206消耗更多的功率。当计算系统1200是由电池(未示出)供电的便携式媒体播放器时，功耗是特别重要的。

计算系统1200还包括使得计算系统1200的用户与计算系统1200交互的用户输入设备1208。例如，用户输入设备1208可以采用各种形式，诸如按钮、小键盘和拨号盘等。再有，计算系统1200包括数据总线1210，其可以促进数据在至少文件系统1204、高速缓存1206、处理器1202以及编解码器1212之间传递。

在一个实施例中，计算系统1200用来在文件系统1204中存储多个媒体项目(例如歌曲)。当用户想要媒体播放器播放特定的媒体项目时，可用媒体项目的列表被显示在显示器1210上。接着，使用用户输入设备1208，用户可以选择可用媒体项目之一。一经接收到对特定媒体项目的选择，处理器1202将用于特定媒体项目的媒体数据(例如音频文件)提供给编码器/解码器(编解码器)1212。编解码器1212接着产生音频输出信号用于音频插孔1214以输出到外部电路。例如，连接到计算系统1200的耳机或耳塞式耳机会被认为是外部电路的一个例子。在另一个实施例中，提供了包括计算机程序指令的计算机可读介质。

所描述的实施例的各种方面、实施方式、实现或特征可以单独使用或以任何组合形式使用。所描述的实施例的各种方面可以由软件、硬件或硬件和软件的组合来实现。所描述的实施例还可以具体实施为计算机可读介质上的用于控制生产操作的计算机可读代码，或者具体实施为计算机可读介质上的用于控制生产线的计算机可读代码。计算机可读介质是可以存储此后可以由计算机系统读取的数据的任何数据存储装置。计算机可读介质的示例包括：只读存储器、随机存取存储器、CD-ROM、DVD、磁带以及光学数据存储装置。计算机可读介质还可以分布在网络耦合计算机系统上，以使计算机可读代码以分布方式存储和执行。

前面的描述中，出于解释的目的，使用了特定的术语来提供对所描述的实施例的透彻理解。然而，对于本领域的技术人员而言明显的是，并不需要具体的细节以便实施本发明。因此，给出前面的对具体实施例的描述是出于说明和描述的目的。其并非旨在穷举或将本发明限制为所公开的精确形式。对于本领域的技术人员而言明显的是，鉴于以上教导，很多改进和变型都是可行的。

Claims (15)

1.一种小型便携式功率单元，布置为从由具有共振频率ω_T的近场磁共振NFMR发送器单元提供的磁场无线地接收功率而不依赖于所述便携式功率单元相对于所述磁场的空间取向，所述便携式功率单元包括：

第一共振器结构，所述第一共振器结构具有共振频率ω₁和特征尺寸L₁；以及

第二共振器结构，所述第二共振器结构具有共振频率ω₂和特征尺寸L₂，其中所述第一共振器结构和所述第二共振器结构在所述便携式功率单元内相对于彼此位置固定，使得第一和第二共振器结构之间的有效磁耦合系数κ_eff为0，而与所述便携式功率单元相对于由所述NFMR发送器单元提供的磁场的空间取向无关，其中当所述第一共振器结构和所述第二共振器结构中的至少一个相对于所述NFMR发送器单元处于调谐状态时，所述NFMR发送器单元与所述第一共振器结构和所述第二共振器结构之间的非辐射功率传递通过所述第一共振器结构与所述第二共振器结构之间的磁共振耦合来介导。

2.根据权利要求1所述的便携式功率单元，其中当所述第一共振频率ω₁与所述NFMR发送器单元的共振频率ω_T分隔开不超过3db的带宽时，所述第一共振器结构处于调谐状态。

3.根据权利要求2所述的便携式功率单元，其中当所述第二共振频率ω₂与所述NFMR发送器单元的共振频率ω_T分隔开不超过3db的带宽时，所述第二共振器结构处于调谐状态。

4.根据权利要求3所述的便携式功率单元，其中所述第一共振器结构包括：

第一共振线圈，所述第一共振线圈包括：

第一中央核心区，以及

缠绕圆柱形的中央核心区的圆周的连续导电材料的第一组环路。

5.根据权利要求4所述的便携式功率单元，其中所述第二共振器结构包括：

第二共振线圈，所述第二共振线圈包括：

第二中央核心区，以及

缠绕圆柱形的中央核心区的圆周的连续导电材料的第二组环路，其中在所述第一共振线圈中感应的第一电动势EMF不在所述第二共振线圈中感应总体EMF。

6.根据权利要求5所述的便携式功率单元，其中所述第一共振线圈的长度与所述特征尺寸L₁一致。

7.根据权利要求6所述的便携式功率单元，其中所述第二共振线圈的长度与所述特征尺寸L₂一致。

8.根据权利要求3所述的便携式功率单元，其中所述第一共振线圈的纵轴垂直于所述第二共振线圈的纵轴。

9.根据权利要求8所述的便携式功率单元，其中在第一布置中，所述第一共振线圈的第一端邻近所述第二共振线圈的纵轴的中点并与之共平面。

10.根据权利要求9所述的便携式功率单元，其中在所述第一布置中，还包括：

第三共振线圈，包括第三中央核心区，以及缠绕圆柱形的中央核心区的圆周的连续导电材料的第三组环路，其中所述第三共振线圈的第一端邻近所述第二共振线圈的纵轴的中点并与之共平面，并且还与所述第一共振线圈共平面，其中所述第三共振线圈的纵轴与所述第一共振线圈的纵轴对准并垂直于所述第二共振线圈的纵轴。

11.根据权利要求9所述的便携式功率单元，其中所述第一布置是“T”结构。

12.根据权利要求10所述的便携式功率单元，其中所述第三共振线圈与所述第一共振结构和所述第二共振结构形成十字结构。

13.根据权利要求8所述的便携式功率单元，其中在第二布置中，所述第一共振线圈的纵轴垂直于所述第二共振线圈的纵轴，所述第一和第二共振线圈的纵轴的中点彼此对准且隔开至少一段距离。

14.根据权利要求1所述的便携式功率单元，其中所述便携式功率单元被并入到可移动计算机外围设备中。

15.根据权利要求14所述的便携式功率单元，其中所述计算机外围设备是计算机鼠标。