CN103947127A - 多频带发射天线 - Google Patents

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CN103947127A CN201280055800.2A CN201280055800A CN103947127A CN 103947127 A CN103947127 A CN 103947127A CN 201280055800 A CN201280055800 A CN 201280055800A CN 103947127 A CN103947127 A CN 103947127A
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Abstract

本发明提供用于调谐发射天线供在多个频带中操作的系统、方法以及设备。在一个方面中，提供一种发射天线系统。所述发射天线系统包含有源发射天线和可调谐无源天线。所述有源天线经配置以在多个操作频率上发射场。所述无源天线经配置以在所述多个操作频率中的至少两个频率上发射场。在一个方面中，所述可调谐无源天线包含多个电抗元件的网络。在另一方面中，所述多个操作频率时选自包含充电频率、NFC频率以及通信频率的集合。

Description

多频带发射天线
技术领域
本发明大体上涉及无线电力。更具体来说，本发明涉及经配置以在多个频带中操作的电力发射天线。
背景技术
越来越多且种类繁多的电子装置是经由可再充电电池来供电的。此类装置包含移动电话、便携式音乐播放器、膝上型计算机、平板型计算机、计算机外围装置、通信装置(例如，蓝牙装置)、数码相机、助听器及其类似者。虽然已经改进了电池技术，但是电池供电式电子装置愈加需要并消耗更大量电力。因而，这些装置经常需要再充电。常常经由通过电缆或物理连接到电源供应器的其它类似连接器的有线连接来对可再充电装置进行充电。电缆和类似连接器有时可为不方便或麻烦的，且具有其它缺点。能够在自由空间中传送将用于对可再充电电子装置进行充电的电力或将电力提供到电子装置的无线充电系统可克服有线充电解决方案的缺陷中的一些缺陷。因而，需要有效且安全地将电力传送到电子装置的无线电力传送系统和方法。
发明内容
在所附权利要求书的范围内的系统、方法以及装置的各种实施方案各自具有几个方面，所述方面中无单一方面单独负责本文中所描述的所要属性。在不限制所附权利要求书的范围的情况下，本文中描述一些突出特征。
此说明书中所描述的标的物的一或多个实施方案的细节在附图和以下描述中阐明。其它特征、方面以及优势将从描述、图式以及权利要求书变得显而易见。注意，以下诸图的相对尺寸可能未按比例绘制。
本发明的一个方面提供一种用于无线充电的设备。所述设备可包含发射天线。所述发射天线可包含经配置以在多个操作频率上发射场的有源天线。所述发射天线可进一步包含经配置以在所述多个操作频率中的至少两个频率上发射场的无源天线。
本发明的另一方面提供一种对无线装置进行充电的方法。所述方法包含在有源天线处在第一操作频率下发射场。所述方法进一步包含在无源天线处在第一操作频率下发射场。所述方法进一步包含在无源天线处在第二操作频率下发射场。所述无源天线在第一频率下具有第一电抗且在第二频率下具有第二电抗。
本发明的另一方面提供一种对无线装置进行充电的设备。所述设备包含用于在第一操作频率下有源地发射场的装置。所述设备进一步包含用于在第一操作频率和在第二操作频率下无源地发射场的装置。所述用于无源地发射的装置包含用于在第一频率下提供第一电抗且在第二频率下提供第二电抗的装置。
本发明的另一方面提供一种非暂时性计算机可读媒体。所述媒体包含在执行时使设备在有源天线处在第一操作频率下发射场的代码。所述媒体进一步包含在执行时使设备在无源天线处在第一操作频率下发射场的代码。所述媒体进一步包含在执行时使设备在无源天线处在第二操作频率下发射场的代码。所述无源天线在第一频率下具有第一电抗且在第二频率下具有第二电抗。
附图说明
图1为根据示范性实施例的示范性无线电力传送系统的功能框图。
图2为根据各种示范性实施例的可用于图1的无线电力传送系统中的示范性组件的功能框图。
图3为根据示范性实施例的图2的发射电路或接收电路的包含发射或接收天线的部分的示意图。
图4为根据示范性实施例的可用于图1的无线电力传送系统中的发射器的功能框图。
图5为根据示范性实施例的可用于图1的无线电力传送系统中的接收器的功能框图。
图6为可用于图4的发射电路中的发射电路的部分的示意图。
图7为可用于图6的发射电路中的示范性发射天线，其包含有源天线和无源天线。
图8A-D为根据示范性实施例的可用于图7的无源天线中的电抗网络的示意图。
图9A为根据另一示范性实施例的可用于图7的无源天线中的电抗网络的示意图。
图9B为图9A的电抗网络的阻抗相对于频率的曲线图。
图10A为根据示范性实施例的跨越充电表面长度的正规化H场分布的曲线图。
图10B为根据另一示范性实施例的跨越充电表面长度的正规化H场分布的曲线图。
图11为对无线装置进行充电的示范性方法的流程图。
图12为根据示范性实施例的无线电力发射天线的功能框图。
图式中说明的各种特征可能未按比例绘制。因此，为了清晰可见，可能将各种特征的尺寸任意地扩大或减小。另外，图式中的一些可能未描绘给定系统、方法或装置的所有组件。最后，相似参考标号可用于贯穿本说明书及诸图表示相似特征。
具体实施方式
下文中结合附图所阐明的详细描述希望作为对本发明的示范性实施例的描述且不希望表示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”意味“用作实例、例子或说明”，且未必应解释为比其它例示性实施例优选或有利。所述详细描述包含为了提供对示范性实施例的透彻理解的目的的特定细节。可在没有这些特定细节的情况下实践示范性实施例。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。
以无线方式传送电力可指在不使用物理电导体的情况下将与电场、磁场、电磁场或其它场相关联的任何形式的能量从发射器传送到接收器(例如，可通过自由空间来传送电力)。可通过“接收天线”来接收、俘获或耦合进入到无线场(例如，磁场)中的电力输入，以实现电力传送。
图1为根据示范性实施例的示范性无线电力传送系统100的功能框图。可将输入电力102从用于产生用于提供能量传送的场105的电源(未图示)提供到发射器104。接收器108可耦合到场105，且产生输出电力110以供耦合到输出电力110的装置(未图示)存储或消耗。发射器104与接收器108两者隔开距离112。在一个示范性实施例中，根据相互共振关系来配置发射器104和接收器108。当接收器108的共振频率和发射器104的共振频率实质上相同或非常接近时，发射器104与接收器108之间的发射损耗最小。因而，相比可能需要大型天线(需要天线非常接近(例如，在几毫米内))的纯粹电感解决方案，可在较大距离上提供无线电力传送。因此，共振电感性耦合技术可允许改进效率和在各种距离上的电力传送，且具有多种电感性天线配置。
当接收器108位于由发射器104产生的能量场105中时，接收器108可接收电力。场105对应于其中由发射器104输出的能量可由接收器105俘获的区。在一些情况下，场105可对应于发射器104的“近场”，如下文将进一步描述。发射器104可包含用于输出能量发射的发射天线114。接收器108进一步包含用于接收或俘获来自能量发射的能量的接收天线118。近场可对应于其中存在由发射天线114中的电流和电荷产生的强电抗场的区，其在最小程度上使电力辐射远离发射天线114。在一些情况下，近场可对应于在发射天线114的约一个波长(或其部分)内的区。根据应用和将与其相关联的装置来对发射天线114和接收天线118设定大小。如上文所描述，有效能量传送可通过将发射天线114的场105中的大部分能量耦合到接收天线118而不是以电磁波形式将大部分能量传播到远场而发生。当定位在场105内时，可在发射天线114与接收天线118之间形成“耦合模式”。在发射天线114和接收天线118周围的其中可发生此耦合的区域在本文中被称作耦合模式区。
图2为根据各种示范性实施例的可用于图1的无线电力传送系统100中的示范性组件的功能框图。发射器204可包含发射电路206，所述发射电路206可包含振荡器222、驱动器电路224以及滤波器与匹配电路226。振荡器222可经配置以产生在所要频率(例如，468.75KHz、6.78MHz或13.56MHz)下的信号，所述频率可响应于频率控制信号223而调整。可将振荡器信号提供到驱动器电路224，所述驱动器电路224经配置而以(例如)发射天线214的共振频率来驱动发射天线214。驱动器电路224可为经配置以接收来自振荡器222的方波且输出正弦波的切换放大器。举例来说，驱动器电路224可为E类放大器。还可包含滤波器与匹配电路226以滤除谐波或其它不需要的频率，且使发射器204的阻抗与发射天线214匹配。
接收器208可包含接收电路210，所述接收电路210可包含匹配电路232和整流器与切换电路234以从AC电力输入产生DC电力输出，以便对电池236(如图2中所展示)进行充电或对耦合到接收器108的装置(未图示)进行供电。可包含匹配电路232以使接收电路210的阻抗与接收天线218匹配。接收器208与发射器204可另外在单独通信信道219(例如，蓝牙、紫蜂(zigbee)、蜂窝式等)上通信。或者，接收器208与发射器204可使用无线场206的特性经由带内信令来通信。
如下文更全面描述，最初可具有选择性地停用的相关联负载(例如，电池236)的接收器208可经配置以确定由发射器204发射以及由接收器208接收的电力的量是否适于对电池236进行充电。另外，接收器208可经配置以在确定电力量适当时启用负载(例如，电池236)。在一些实施例中，接收器208可经配置以直接利用从无线电力传送场接收的电力，而不对电池236进行充电。举例来说，例如近场通信(NFC)或射频识别装置(RFID)的通信装置可经配置以接收来自无线电力传送场的电力，且通过与无线电力传送场交互来通信和/或利用所接收电力来与发射器204或其它装置通信。
图3为根据示范性实施例的图2的发射电路206或接收电路210的包含发射或接收天线352的部分的示意图。如图3中所说明，用于示范性实施例中的发射或接收电路350包含天线352。天线还可被称为或经配置为“环形”天线352。天线352还可在本文中被称为或经配置为“磁性”天线、感应天线。在一方面中，天线352可为线圈天线。术语“天线”既定指可无线地输出或接收能量用于耦合到另一“天线”的组件。天线352可经配置以包含空气芯或物理芯，例如铁氧体芯(未图示)。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352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218(图2)放置于发射天线214(图2)的平面内，在所述平面处，发射天线214(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之间的有效能量传送在发射器104与接收器108之间的匹配或接近匹配的共振期间发生。然而，甚至在发射器104与接收器108之间的共振不匹配时，仍可传送能量，但是可能会影响效率。能量传送通过将来自发射天线的场105的能量耦合到驻留于其中建立此场105的邻域中的接收天线来发生，而不是将能量从发射天线传播到自由空间中。
环形或磁性天线的共振频率是基于电感和电容。电感可仅为由天线352产生的电感，而可将电容添加到天线的电感以产生在所要共振频率下的共振结构。作为非限制性实例，可将电容器352和电容器354添加到发射或接收电路350，以产生选择在共振频率下的信号356的共振电路。因此，对于直径较大的天线来说，保持共振所需的电容的大小可随着环的直径或电感增加而减小。此外，随着天线的直径增加，近场的有效能量传送区域可增大。使用其它组件形成的其它共振电路也是可能的。作为另一非限制性实例，可将电容器平行放置于天线350的两个端子之间。对于发射天线来说，频率实质上对应于天线352的共振频率的信号358可为天线352的输入。
在一个实施例中，发射器104可经配置以输出频率对应于发射天线114的共振频率的时变磁场。当接收器在场105内时，时变磁场可在接收天线118中诱发电流。如上文所描述，如果接收天线118经配置以在发射天线的频率下共振，那么可有效地传送能量。可如上文所描述对在接收天线118中诱发的AC信号进行整流以产生DC信号，可提供所述DC信号以对负载进行充电或供电。
图4为根据示范性实施例的可用于图1的无线电力传送系统中的发射器404的功能框图。发射器404可包含发射电路406和发射天线414。发射天线414可为如图3中所展示的天线352。发射电路406可通过提供导致在发射天线414周围产生能量(例如，磁通量)的振荡信号来将RF电力提供到发射天线414。发射器404可在任何合适频率下操作。举例来说，发射器404可在13.56MHz的ISM频带下操作。
发射电路406可包含固定阻抗匹配电路409，其用于将发射电路406的阻抗(例如，50欧姆)匹配到发射天线414；及低通滤波器(LPF)408，其经配置以将谐波发射减少到防止耦合到接收器108(图1)的装置发生自干扰的水平。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，所述自适应阻抗匹配可基于可测量发射度量(例如，到天线414的输出电力或由驱动器电路424汲取的DC电流)而变化。发射电路406进一步包含驱动器电路424，所述驱动器电路424经配置以驱动如由振荡器423确定的RF信号。发射电路406可由离散装置或电路构成，或替代地可由集成组合件构成。来自发射天线414的示范性RF电力输出可为约2.5瓦特。
发射电路406可进一步包含控制器415，所述控制器415用于在特定接收器的发射阶段(或工作循环)期间选择性地启用振荡器423、用于调整振荡器423的频率或相位，且用于调整用于实施通信协议(用于通过相邻装置所附接的接收器而与相邻装置交互)的输出功率电平。注意，控制器415在本文中还可被称为处理器415。对发射路径中的振荡器相位和相关电路的调整可允许减少带外发射，尤其在从一个频率转变到另一频率时。
发射电路406可进一步包含用于检测有源接收器在由发射天线414产生的近场附近的存在与否的负载感测电路416。举例来说，负载感测电路416监视流动到驱动器电路424的电流，所述电流受有源接收器在由发射天线414产生的近场附近的存在与否的影响，如下文将进一步描述。由控制器415监视驱动器电路424上的加载改变的检测，以用于确定是否启用振荡器423以发射能量以及与有源接收器通信。如下文更全面描述的，在驱动器电路424处测量的电流可用来确定无效装置是否定位在发射器404的无线电力传送区内。
发射天线414可由利兹线实施或实施为天线条带，其具有经选择以使电阻损耗保持为低的厚度、宽度以及金属类型。在一个实施方案中，发射天线414一股可经配置以与较大结构(例如，桌子、垫、灯或其它不便携带的配置)相关联。因此，发射天线414一股可能不需要“匝”以便具有实际尺寸。发射天线414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共振频率而在较低的可用频率下共振。
发射器404可搜集和追踪关于可与发射器404相关联的接收器装置的行踪和状态的信息。因此，发射电路406可包含连接到控制器415(在本文中还被称作处理器)的存在检测器480、封闭式检测器460，或其组合。控制器415可响应于来自存在检测器480和封闭式检测器460的存在信号而调整由驱动器电路424递送的电力的量。发射器404可通过许多电源接收电力，所述电源例如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404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480可为运动检测器，其用来感测插入到发射器404的覆盖区域中的待充电的装置的初始存在。在检测之后，可将发射器404接通且可使用由装置接收的RF电力来以预定方式拨动Rx装置上的开关，所述拨动又导致发射器404的驱动点阻抗的改变。
作为另一非限制性实例，存在检测器480可为能够(例如)通过红外线检测、运动检测或其它合适手段检测人类的检测器。在一些示范性实施例中，可能存在限制发射天线414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，可能存在其中发射天线414放置于人类未占据的或人类很少占据的区域(例如，车库、厂房、车间及其类似者)中的环境。如果这些环境中无人类，那么可准许将发射天线414的电力输出增加到高于正常电力限制规章。换句话说，控制器415可响应于人类存在而将发射天线414的电力输出调整到管制电平或较低电平，且当人类距发射天线414的电磁场在管制距离之外时，将发射天线414的电力输出调整到高于管制电平的电平。
作为非限制性实例，封闭式检测器460(在本文中还可被称作封闭式隔间检测器或封闭式空间检测器)可为例如感测开关的装置，所述感测开关用于确定外罩何时处于关闭或开放状态。当发射器在处于封闭状态的外罩中时，可增加发射器的功率电平。
在示范性实施例中，可使用发射器404借以不会无限地保持接通的方法。在此情况下，发射器404可经编程以在用户确定的时间量后关闭。此特征防止发射器404(尤其是驱动器电路424)在其周边的无线装置完全充好电之后长时间运行。此事件可由于电路未能检测到从中继器或接收天线发送的指示装置完全充好电的信号。为了防止发射器404在另一装置放置于其周边时自动停止运转，可仅在于其周边检测到缺少运动的设定时段后启动发射器404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充满所述装置所需的时间间隔长。
图5为根据示范性实施例的可用于图1的无线电力传送系统中的接收器508的功能框图。接收器508包含接收电路510，所述接收电路510可包含接收天线518。接收器508进一步耦合到装置550以向所述装置550提供所接收的电力。应注意，将接收器508说明为在装置550外部，但是其可集成到装置550中。能量可无线地传播到接收天线518，然后通过接收电路510的其余部分而耦合到装置550。举例来说，充电装置包含例如以下各者的装置：移动电话、便携式音乐播放器、膝上型计算机、平板型计算机、计算机外围装置、通信装置(例如，蓝牙装置)、数码相机、助听器(和其它医用装置)及其类似者。
接收天线518可经调谐以在与发射天线414(图4)相同的频率下或在指定频率范围内共振。接收天线518可与发射天线414类似地设定尺寸，或可基于相关联装置550的尺寸来不同地设定大小。举例来说，装置550可为具有比所述发射天线414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518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518可放置于装置550的实质圆周周围，以便将天线直径最大化并减少接收天线518的环匝(即，绕组)的数目和绕组间电容。
接收电路510提供与接收天线518的阻抗匹配。接收电路510包含电力转换电路506，其用于将所接收的RF能源转换成供装置550使用的充电电力。电力转换电路506包含RF-DC转换器520且还可包含DC-DC转换器522。RF-DC转换器520将在接收天线518处接收的RF能量信号整流成非交流电，其具有由Vrect表示的输出电压。DC-DC转换器522(或其它功率调节器)将经整流的RF能量信号转换成能量电位(例如，电压)，所述能量电位与具有由Vout和Iout表示的输出电压和输出电流的装置550兼容。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510可进一步包含用于将接收天线518连接到电力转换电路506或者用于断开电力转换电路506的切换电路512。将接收天线518与电力转换电路506断开不仅中止对装置550的充电，而且改变发射器404(图2)所“看到”的“负载”。
如上文所揭示，发射器404包含负载感测电路416，所述负载感测电路416检测向发射器驱动器电路424提供的偏压电流的波动。因此，发射器404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508存在于发射器的近场中时，可能需要对一或多个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。还可隐匿接收器508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。接收器的此“卸载”在本文中还被称为“隐匿”。此外，如下文更全面地解释，由接收器508控制且由发射器404检测的卸载与装载之间的此切换可提供从接收器508到发射器404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508发送到发射器404。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404与接收器508之间的通信是指装置感测和充电控制机制，而不是常规的双向通信(即，使用耦合场的带内信令)。换句话说，发射器404可使用所发射信号的开/关键控，以调整近场中的能量是否可用。接收器可将这些能量改变解释为来自发射器404的消息。从接收器侧来看，接收器508可使用接收天线518的调谐与解调谐来调整正从所述场接收多少电力。在一些情况下，可经由切换电路512来实现调谐和解调谐。发射器404可检测来自场的所使用电力的此差异，且将这些改变解释为来自接收器508的消息。注意，可利用其它形式的对发射功率和负载行为的调制。
接收电路510可进一步包含用来识别所接收的能量波动的信令检测器与信标电路514，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514还可用来检测减少的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510内的未供电或耗尽电力的电路，以便配置接收电路510以进行无线充电。
接收电路510进一步包含用于协调本文所描述的接收器508的处理(包含对本文所描述的切换电路512的控制)的处理器516。接收器508的隐匿还可在发生其它事件(包含检测到向装置550提供充电电力的外部有线充电源(例如，壁式/USB电力))之后即刻发生。除控制接收器的隐匿之外，处理器516还可监视信标电路514以确定信标状态并提取从发射器404发送的消息。处理器516还可调整DC-DC转换器522以获得改进的性能。
图6为可用于图4的发射电路406中的发射电路600的部分的示意图。发射电路600可包含如上文在图4中所描述的驱动器电路624。如上文所描述，驱动器电路624可为开关放大器，所述开关放大器经配置以接收方波且输出将提供到发射电路650的正弦波。在一些情况下，驱动器电路624可被称为放大器电路。将驱动器电路624展示为E类放大器，然而，可根据实施例使用任何合适的驱动器电路624。驱动器电路624可由来自如图4中所展示的振荡器423的输入信号602来驱动。还可向驱动器电路624提供驱动电压VD，驱动电压VD经配置以控制可通过发射电路650递送的最大电力。为了消除或减少谐波，发射电路600可包含滤波器电路626。滤波器电路626可为三极(电容器634、电感器632以及电容器636)低通滤波器电路626。
可将由滤波器电路626输出的信号提供到包括天线614的发射电路650。发射电路650可包含可在由驱动器电路624提供的经滤波信号的频率下共振的串联共振电路，串联共振电路具有电容620和电感(例如，可由于天线的电感或电容或由于额外电容器组件)。发射电路650的负载可由可变电阻器622表示。负载可为被定位以接收来自发射电路650的电力的无线电力接收器508的功能。
在一些实施例中，天线614可包含有源天线和无源天线。在实施例中，有源天线可被称为“主要”天线，且无源天线可被称为“寄生”天线。有源天线与无源天线一起可在基频处或周围产生实质上均匀的场分布。在实施例中，实质上均匀的场分布可包含跨越操作区域(例如，充电表面)的偏差不超过60％的场强度。在另一实施例中，实质上均匀的场分布可包含跨越操作区域的偏差不超过50％的场强度。在另一实施例中，实质上均匀的场分布可包含跨越操作区域的偏差不超过25％的场强度。在实施例中，有源天线与无源天线可在不同于基频的频率下产生实质上不均匀的场分布。在各种实施例中，实质上不均匀的场分布可包含不会偏离超过上文所讨论的实质上均匀的场分布的场强度。
图7为可用于图6的发射电路中的示范性发射天线700，其包含有源天线710和无源天线720。在实施例中，发射天线700可界定在充电表面740中或周围。在实施例中，发射天线700可为天线614(图6)。在其它实施例中，发射天线700可为发射天线214(图2)和/或发射天线414(图4)。在实施例中，无源天线720可包含无源组件730的电抗网络。在实施例中，无源组件730的电抗网络可包含单个电容器。在另一实施例中，电抗网络可包含有源组件。举例来说，电抗网络可包含例如电容器、电阻器等的可变组件的组合。
因为有源天线与无源天线可在不同于基频的频率下产生实质上不均匀的场分布，所以无线电力发射器可能无法检测到被调谐到另一频率的一或多个装置。举例来说，可调谐到大约为天线基频两倍的频率的近场通信(NFC)卡在放置于无源天线内部时，可能会由于NFC频率下的寄生环路内的虚无力场而不被检测到。如本文中所描述，当将在不同于基频的一或多个频率下操作的装置放置在发射天线附近时，可使用各种系统和方法来产生可检测的条件。
在各种实施例中，可调谐电抗网络730的一或多个元件，以提供在几个频率下的所要场分布。举例来说，在下表1中所展示的各种实施例中，电抗网络730可调谐无源天线720以提供在大约6.78MHz(例如，用于充电)、大约13.56MHz(例如，用于NFC检测)和/或任何其它频率(例如，用于通信)下的所要场分布。
表1
上文所展示的表1展示了在电抗网络800A-D的各种调谐下的在无源天线720处的电抗jXpar。在一个实施例中，电抗网络730可在6.78MHz下或大约6.78MHz下将无源天线720调谐到第一电抗-jX0，从而产生均匀场分布。在另一实施例中，电抗网络730可在13.56MHz下或大约13.56MHz下将无源天线720调谐到无穷大的电抗，从而使无源天线“消失”。换句话说，在13.56MHz下，天线700可在电性上看起来仅具有有源天线710而不具有无源天线720(即，在天线700的中心的孔)。此布置可例如用于NFC检测。
在另一实施例中，电抗网络730可在13.56MHz下或大约13.56MHz下将无源天线720调谐到零电抗，从而使无源天线720共振。换句话说，在13.56MHz下，可提高天线700的中心的场强度。在另一实施例中，电抗网络730可在13.56MHz下或大约13.56MHz下将无源天线720调谐到第二电抗-jX1，从而产生均匀场分布。此布置可例如用于NFC检测。
在另一实施例中，电抗网络730可在40.68MHz下或大约40.68MHz下将无源天线720调谐到第二电抗-jX2，从而产生均匀场分布。此布置可例如用来实现在40MHz的带下或大约40MHz的带下的通信。因此，在实施例中，可调谐天线700来支持电力传送与通信两者。
图8A-D为根据示范性实施例的可用于图7的无源天线720中的电抗网络800A-D的示意图。在各种实施例中，电抗网络800A-D可为上文关于图7所描述的电抗网络730。参看图8A，电抗网络800A可包含输入端Port_1、第一寄生电感器Lpara、第二电感器L2、第一电容器C1以及第二电容器C2。在实施例中，第一寄生电感器Lpara可为固定的。可选择第二电感器L2、第一电容器C1以及第二电容器C2以便实现设计目标，例如如上文关于表1所讨论的。
仍然参看图8A，在所说明的实施例中，第一寄生电感器Lpara可为大约299nH。可选择第二电感器L2、第一电容器C1以及第二电容器C2以便实现设计目标，例如如上文关于表1所讨论的。在所说明的实施例中，第二电感器L2为大约665nH，第一电容器为大约825pF，且第二电容器为大约137pF。可将第二电感器L2配置成与第二电容器C2串联，所述两者可配置成与第一电容器C1并联。可将第一寄生电感器Lpara配置成与包含第二电感器L2、第一电容器C1以及第二电容器C2的网络串联。用于图8A中所展示的网络800A的一股方程可给定为方程810A。
现在参看图8B，电抗网络800B可包含输入端Port_1、第一寄生电感器Lpara、第二电感器L2、第一电容器C1以及第二电容器C2。在所说明的实施例中，第一寄生电感器Lpara可为大约299nH。第二电感器L2为大约665nH，第一电容器为大约825pF，且第二电容器为大约137pF。可将第二电感器L2配置成与第一电容器C1和第二电容器C2并联，其全部可配置成与第一寄生电感器Lpara串联。用于图8B中所展示的网络800B的一股方程可给定为方程810B。
现在参看图8C，电抗网络800C可包含输入端Port_1、第一寄生电感器Lpara、第二电感器L2、第一电容器C1以及第二电容器C2。在所说明的实施例中，第一寄生电感器Lpara可为大约299nH。第二电感器L2为大约665nH，第一电容器为大约825pF，且第二电容器为大约137pF。可将第一寄生电感器Lpara配置成分别与第一电容器C1、第二电感器L2以及第二电容器C2串联。用于图8C中所展示的网络800C的一股方程可给定为方程810C。
现在参看图8D，电抗网络800D可包含输入端Port_1、第一寄生电感器Lpara、第二电感器L2、第一电容器C1以及第二电容器C2。在所说明的实施例中，第一寄生电感器Lpara可为大约299nH。第二电感器L2为大约665nH，第一电容器为大约825pF，且第二电容器为大约137pF。可将第二电感器L2配置成与第二电容器C2并联。可将第一寄生电感器Lpara配置成分别与第一电容器C1以及包含第二电容器C2和第二电感器L2的并联网络串联。用于图8D中所展示的网络800D的一股方程可给定为方程810D。
尽管图8A-D展示了包含三个可配置电抗组件的组合的示范性电抗网络800A-D，但是所属领域的技术人员将了解到，可包含更多或更少的电抗组件且可用不同配置来组合电抗组件。此外，虽然在图8A-D中展示了特定值，但是所属领域的技术人员将了解到，给定值为示范性的且可使用其它值。
图9A为根据另一示范性实施例的可用于图7的无源天线中的电抗网络900的示意图。电抗网络900具有与上文关于图8D所描述的电抗网络800D相同的拓扑。具体来说，电抗网络800包含输入端Port_1、第一电感器L1、第二电感器L2、第一电容器C1以及第二电容器C2。在所说明的实施例中，输入端Port_1可具有大约50Ω的阻抗。第一电感器L1为大约299nH、第二电感器L2为大约255nH，第一电容器为大约610pF，且第二电容器为大约968pF。可将第二电感器L2配置成与第二电容器C2并联，所述两者配置成与第一电容器C1串联。
图9B为图9A的电抗网络的阻抗相对于频率的曲线图。x轴展示以MHz为单位的频率，且y轴展示以jΩ为单位的阻抗。如所展示，电抗网络900使用大约-j9.895Ω的寄生阻抗在6.78MHz下提供实质上均匀的场分布。此配置可例如用于无线充电。电抗网络900还使用大约-j27.337Ω的寄生阻抗在13.52MHz下提供实质上均匀的场分布。此配置可例如用于NFC检测。
图10A为根据本发明的示范性实施例的跨越充电表面长度的正规化H场分布的曲线图。x轴为沿着充电天线的第一轴的距离，以mm为单位。充电天线可为例如上文关于图7所描述的天线720。y轴为正规化H场，以A/m为单位。如上文关于图7所讨论的，电抗网络720可经配置以在不同操作频率下或接近不同操作频率来产生无源天线720中的各种可检测条件。图10A展示其中H场在大约6.78MHz下沿着x轴实质上均匀分布且在大约13.56MHz下在天线700的中心产生“孔”的配置。举例来说，电抗网络720可经配置以在大约13.56MHz下呈现无穷大的电抗，从而使无源天线720在所述频率下变得在电磁方面不可见。在一些实施例中，此“孔”可为无意产生的。换句话说，其可能不是由无源天线720上的明显的无穷大的电抗引起的。而是，其可能是在另一单个频率(例如，6.78MHz)下操作无源天线720的结果。在实施例中，可通过将无源天线720配置为在额外频率下操作来移除孔(例如，如图10B中所展示)。
图10B为根据另一示范性实施例的跨越充电表面长度的正规化H场分布的曲线图。x轴为沿着充电天线的第一轴的距离，以mm为单位。充电天线可为例如上文关于图7所描述的天线720。y轴为正规化H场，以A/m为单位。图10B展示其中H场在大约6.78MHz与13.56MHz两者下沿着x轴实质上均匀分布的配置。在实施例中，因为无源天线720经配置以如上文所描述在多个频率(在此情况下，至少6.78MHz和13.56MHz)下操作，所以H场可实质上均匀分布。通过在多个频率下操作无源天线720，可移除上文关于图10A所描述的“孔”(在其中孔为无意产生的实施例中)。
图11为对无线装置进行充电的示范性方法的流程图1100。尽管本文中参考上文关于图7所讨论的天线700来描述流程图1100的方法，但是所属领域的技术人员将了解，可由上文关于图1所讨论的发射器104、上文关于图2所讨论的发射器204和/或任何其它合适的装置来实施流程图1100的方法。在实施例中，可由例如控制器415(图4)和/或处理器信令控制器516(图5)的处理器或控制器来执行流程图1100中的步骤。尽管本文中参考特定次序来描述流程图1100的方法，但在各种实施例中，可以不同次序来执行本文中的方框，或者可省略所述方框，且可添加额外方框。
首先，在方框1102处，有源天线710在第一操作频率下发射场。在各种实施例中，第一操作频率可为大约6.78MHz、大约13.56MHz和/或大约40.68MHz。在各种实施例中，第一操作频率可适合于通信(例如，NFC)和/或适合于无线电力传送或充电。如上文所讨论的，有源天线710可发射实质上均匀分布的场。
接下来，在方框1104处，无源天线720在第一操作频率下发射场。无源天线720在第一操作频率下可具有第一电抗。在各种实施例中，无源天线720在第一操作频率下可具有零或无穷大的电抗。在实施例中，无源天线720可在第一操作频率下发射实质上均匀分布的场。
然后，在方框1106处，无源天线720在第二操作频率下发射场。在各种实施例中，第二操作频率可为大约6.78MHz、大约13.56MHz和/或大约40.68MHz。在各种实施例中，第二操作频率可适合于通信(例如，NFC)和/或适合于无线电力传送或充电。无源天线720在第二操作频率下可具有第二电抗。在各种实施例中，无源天线720在第二操作频率下可具有零或无穷大的电抗。在实施例中，无源天线720可在第二操作频率下发射实质上均匀分布的场。
图12为根据示范性实施例的无线电力发射天线1200的功能框图。无线电力发射天线1200包括：用于在第一操作频率下有源地发射场的装置1202，以及用于在第一操作频率和在第二操作频率下无源地发射场的装置1204。在实施例中，用于有源地发射的装置1202可经配置以执行上文关于方框1102(图11)所描述的功能中的一或多者。装置1202可包含有源天线710(图7)。
用于无源地发射的装置1204可经配置以执行上文关于方框1104和/或1106所描述的功能中的一或多者。装置1204可包含无源天线720(图7)。在各种实施例中，可由例如控制器415(图4)和/或处理器信令控制器516(图5)的处理器或控制器来实施装置1202和1204。
上文所描述的方法的各种操作可由能够执行所述操作的任何合适的装置(例如，各种硬件和/或软件组件、电路和/或模块)执行。通常，图中所说明的任何操作可由能够执行所述操作的对应功能装置执行。
可使用各种不同技艺和技术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、磁场或磁粒子、光场或光粒子或其任何组合来表示在以上描述中始终参考的数据、指令、命令、信息、信号、位、符号以及码片。
结合本文中所揭示的实施例而描述的各种说明性逻辑块、模块、电路和算法步骤可被实施为电子硬件、计算机软件或两者的组合。为清楚说明硬件与软件的此互换性，上文已大致关于其功能性而描述了各种说明性组件、块、模块、电路以及步骤。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。可针对每一特定应用以变化的方式实施所描述的功能性，但此类实施决策不应被解释为会引起偏离实施例的范围。
结合本文所揭示的实施例而描述的各种说明性块、模块以及电路可用通用处理器、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，或其经设计以执行本文所描述的功能的任何组合来实施或执行。通用处理器可为微处理器，但是在替代例中，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、多个微处理器的组合、一或多个微处理器与DSP核心的联合，或任何其它此配置。
可直接以硬件、以由处理器执行的软件模块或以上述两者的组合体现结合本文所揭示的实施例而描述的方法或算法的步骤和功能。如果以软件来实施，那么可将所述功能作为一或多个指令或代码存储于有形、非暂时性计算机可读媒体上或经由有形、非暂时性计算机可读媒体传输。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、硬盘、可移动磁盘、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。在替代例中，存储媒体可与处理器成一体式。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)、软磁盘以及蓝光光盘，其中磁盘通常磁性地复制数据，而光盘使用激光光学地复制数据。上文的组合也应包含在计算机可读媒体的范围内。处理器和存储媒体可驻留于ASIC中。ASIC可驻留于用户终端中。在替代例中，处理器和存储媒体可作为离散组件驻留于用户终端中。
为了概述本发明的目的，本文中已描述某些方面、优点以及新颖特征。将理解，根据任何特定实施例未必可实现所有此类优点。因此，可用实现或最优化如本文中所教示的一个优点或一组优点而未必实现如本文中可教示或建议的其它优点的方式来体现或执行本发明。
所属领域的技术人员将易于显而易见对上述实施例的各种修改，且在不偏离本发明的精神或范围的情况下，可将本文中所界定的一股原理应用于其它实施例。因此，本发明并不既定限于本文中所展示的实施例，而应符合与本文中所揭示的原理和新颖特征一致的最广范围。

Claims (31)

1.一种用于无线充电的设备，其包括发射天线，所述发射天线包括：
有源天线，其经配置以在多个操作频率上产生场；以及
无源天线，其经配置以在所述多个操作频率中的至少两个频率上提供场。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述有源天线连接到发射器，且所述无源天线包括不连接到所述发射器的多个电抗元件的网络。
3.根据权利要求1或2中任一权利要求所述的设备，其中所述多个操作频率是选自包括充电频率、NFC频率以及通信频率的集合。
4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的设备，其中所述无源天线经配置以在第一频率下提供第一电抗，且在第二频率下提供第二电抗。
5.根据权利要求4所述的设备，其中所述第一频率为所述多个操作频率中的所述至少两个频率中的一者，且所述第二频率不为所述多个操作频率中的所述至少两个频率中的一者。
6.根据权利要求4或5中任一权利要求所述的设备，其中所述第一电抗跨越所述发射天线的第一轴实质上均匀。
7.根据权利要求6所述的设备，其中所述第一电抗跨越操作区域的偏差不超过60％。
8.根据权利要求4至7中任一权利要求所述的设备，其中所述第二电抗包括实际上无穷大的电抗。
9.根据权利要求4至7中任一权利要求所述的设备，其中所述第二电抗包括实际上为零的电抗。
10.根据权利要求4至9中任一权利要求所述的设备，其中所述第二电抗跨越所述发射天线的第一轴实质上均匀。
11.根据权利要求10所述的设备，其中所述第二电抗跨越操作区域的偏差不超过60％。
12.根据权利要求4至11中任一权利要求所述的设备，其中所述第一频率为大约6.78MHz。
13.根据权利要求4至11中任一权利要求所述的设备，其中所述第二频率为大约13.56MHz。
14.根据权利要求4至11中任一权利要求所述的设备，其中所述第二频率为大约40.68MHz。
15.一种对无线装置进行充电的方法，所述方法包括：
在有源天线处在第一操作频率下产生场；
在无源天线处在所述第一操作频率下提供场；以及
在所述无源天线处在第二操作频率下提供场，
所述无源天线在所述第一频率下具有第一电抗且在所述第二频率下具有第二电抗。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述有源天线连接到发射器，且所述无源天线包括不连接到所述发射器的多个电抗元件的网络。
17.根据权利要求15或16中任一权利要求所述的方法，其中所述第一和第二操作频率是选自包括充电频率、NFC频率以及通信频率的集合。
18.根据权利要求15至17中任一权利要求所述的方法，其中所述第一电抗跨越发射天线的第一轴实质上均匀。
19.根据权利要求15至18中任一权利要求所述的方法，其中所述第一电抗跨越操作区域的偏差不超过60％。
20.根据权利要求15至19中任一权利要求所述的方法，其中所述第二电抗包括实际上无穷大的电抗。
21.根据权利要求15至19中任一权利要求所述的方法，其中所述第二电抗包括实际上为零的电抗。
22.根据权利要求15至21中任一权利要求所述的方法，其中所述第二电抗跨越所述发射天线的第一轴实质上均匀。
23.根据权利要求15至22中任一权利要求所述的方法，其中所述第二电抗跨越操作区域的偏差不超过60％。
24.根据权利要求15至23中任一权利要求所述的方法，其中所述第一频率为大约6.78MHz。
25.根据权利要求15至23中任一权利要求所述的方法，其中所述第二频率为大约13.56MHz。
26.根据权利要求15至23中任一权利要求所述的方法，其中所述第二频率为大约40.68MHz。
27.一种用于对无线装置进行充电的设备，所述设备包括：
用于在第一操作频率下有源地产生场的装置；
用于在所述第一操作频率和在第二操作频率下无源地提供场的装置，所述用于无源地提供的装置包括用于在所述第一频率下提供第一电抗且在所述第二频率下提供第二电抗的装置。
28.根据权利要求27所述的设备，其中所述用于无源地提供的装置包括用于提供电抗的装置。
29.根据权利要求27或28中任一权利要求所述的设备，其中所述第一和第二操作频率是选自包括充电频率、NFC频率以及通信频率的集合。
30.根据权利要求27至29中任一权利要求所述的设备，其中所述第一电抗跨越发射天线的第一轴实质上均匀。
31.一种计算机可读媒体，其包括在执行时使设备进行以下操作的代码：
在有源天线处在第一操作频率下产生场；
在无源天线处在所述第一操作频率下提供场；以及
在所述无源天线处在第二操作频率下提供场，
所述无源天线在所述第一频率下具有第一电抗且在所述第二频率下具有第二电抗。
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