CN103975503A - 无线电场功率传输系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于通过下述来无线地传输功率的方法和系统：使具有至少两个导体的发射器天线和发射器线圈以启动频率谐振；将发射器天线和发射器线圈调谐到其谐振频率；在至少两个导体所限定的三维体之内产生电场；使具有包括两个板的接收器天线的接收器位于该三维体中；使电势差积聚在两个板上；使接收器天线以谐振频率谐振；使来自接收器天线的功率聚集。

Description

无线电场功率传输系统和方法
技术领域
本发明通常涉及无线功率传输，并且特别涉及一种无线电场功率传输系统和方法。
背景技术
各种各样的辐射或远场以及非辐射或近场能量或功率传送技术已为大家熟知。例如，诸如在无线电和蜂窝通信系统以及家庭计算机网络中所使用的使用低方向性天线的辐射无线信息传送可以被认为是无线能量传送。如将理解的，这类辐射能量传送是低效的，因为仅拾取提供的或辐射的功率的很小部分，即在接收器的方向上且与接收器相重叠的部分。绝大多数的功率辐射在其它方向上并且丢失在自由空间中。这种低效能量传送可以适用于数据传输，但是当为了执行诸如例如向电子设备供电或充电这样的工作而试图传送可用量的电能时这不是切实可行的。提高一些辐射能量传送方案的传送效率的一个方法是使用定向天线以约束并使辐射能束优选地指向接收器。然而，这些定向辐射方案典型地需要发射器与接收器之间的视距不可中断并且在移动发射器和/或接收器的情况下需要潜在的复杂跟踪和转向机构。另外，该定向辐射方案当适度地发射高的功率量时可能会对穿过或横穿辐射能束的物体或人造成危害。
通常被称为感应或传统感应的已知非辐射或近场功率传输系统不(有意地)辐射功率，而是使用穿过初级线圈的振荡电流以产生用于对附近接收或次级线圈中的电流进行感应的振荡磁近场。这种性质的感应方案已证明适度地传输大量功率，然而只能在非常短的距离，并且在初级线圈与次级线圈之间有非常小的偏差容限。变压器和接近充电器是利用该已知短距离、近场能量传送方案的设备的示例。
PCT申请公开No.WO2009/089146公开了一种包括发射器和接收器的无线功率传输系统。该发射器包括射频能量产生器、第一发射板、以及第二发射板。第一发射板可操作地耦合到射频能量产生器。第二发射板可操作地耦合到地。接收器包括整流器、第一接收板、以及第二接收板。第一接收板可操作地耦合到整流器。第一接收板被配置成电容性地耦合到第一发射板并且第二接收板被配置成电容性地耦合到第二发射板。第二接收板可操作地耦合到地。
美国专利申请公开No.20110198939公开了一种发射器的实施例，该发射器包括其包括扁平线圈的基本上二维高Q谐振器结构以及可操作地连接到该谐振器结构的阻抗匹配结构。该发射器被配置成将功率无线地发射到另一个高Q谐振器。
美国专利申请公开No.20090206675公开了一种装置，该装置用于通过使用环绕任何集合的带电导体的库仑场来在缓慢变化的体系(regime)下输送来自远处的电能和/或信息。设备是由相距短距离的能量生成和消耗设备组成的，并且既不使用电磁波的传播也不使用感应并且无法简化为电容器的简单布置。该设备是按照振荡不对称电偶极子之间的交互作用的形式模制的，所述振荡不对称电偶极子是由放置在两个电极之间的高频高电压发生器(1)或高频高电压负载(5)组成的。偶极子彼此施加相互影响。该设备适合于向工业和家用电气装置供电并且尤其适合于向在环境中移动的且用于对信息的短距离非辐射传输的低功率设备供电。
虽然无线功率传输技术已为大家熟知，但是期望改进。因此，本发明的目的是提供一种新颖的无线电场功率传输系统和方法。
发明内容
因此，在一个方面中，提供了一种无线电场功率传输系统，该系统包括：发射器；连接到发射器的发射器天线，该发射器天线包括用于限定其之间的三维体(volume)的至少两个导体；以及至少一个接收器，其中当至少一个接收器在该三维体之内时发射器天线经由电场耦合来无线地传输功率。
根据另一个方面，提供了一种用于无线地发射功率的方法，该方法包括：使包括用于限定三维体的至少两个导体的发射器天线以发射器谐振频率振荡；在该三维体中产生电场；使包括两个板的接收器天线位于该三维体中；以及使接收器天线以发射器谐振频率振荡。
根据又一个方面，提供了一种用于无线地传输功率的方法，该方法包括：使包括至少两个导体的发射器天线和发射器线圈以启动频率谐振；将发射器天线和发射器线圈调谐到其谐振频率；在至少两个导体所限定的三维体之内产生电场；使具有包括两个板的接收器天线的接收器位于该三维体中；使电势差积聚在两个板上；使接收器天线以谐振频率谐振；使来自接收器天线的功率聚集。
根据又一个方面，提供了一种用于无线地发射功率的发射器，该发射器包括：天线，用于创建电场，该天线包括用于限定其之间的三维体的至少两个导体；连接到天线的线圈；以及连接到线圈的谐振器，用于使线圈和天线以谐振频率谐振，该谐振器包括自动频率调谐电路，所述自动频率调谐电路用于将谐振器自动调谐到谐振频率。
天线可以包括横向间隔以限定三维体的至少两个大致平行的板。
天线可以包括用于限定三维体的六个导体。
天线可以是近场天线。
每个导体可以是导电胶带的形式。
线圈可以是使用绞合线构成的。
线圈可以是环形螺旋形、柱形螺旋形、扁平螺旋形、或者盘形线圈。
自动频率调谐电路可以进一步包括被配置成对送至天线的信号提升的电路。该电路可以包括电压增益、电流增益、以及功率放大器中的至少一个。功率放大器可以是推挽式功率放大器。
自动频率调谐电路可以进一步包括延迟线路，该延迟线路被配置成使自动频率调谐电路之内的信号延迟。该延迟线路可以是包括串联连接的互补金属氧化物半导体(CMOS)反相器的有源反相器延迟链。
自动频率调谐电路可以进一步包括去耦合电路，该去耦合电路被配置成使发射器的输出信号去耦合。该去耦合电路可以包括平衡不平衡转换器。
自动频率调谐电路可以进一步包括电流感测电路，该电流感测电路被配置成提供反馈信号。
自动频率调谐电路可以进一步包括振荡器，该振荡器被配置成将启动信号注入到自动频率调谐电路之中。
该谐振器可以进一步包括修改电路，该修改电路被配置成当状况发生时对发射器的输出信号进行修改。该修改电路可以当状况发生时对输出信号的功率水平进行调节。该修改电路可以当状况发生时切断发射器的输出。
在一个实施例中，提供了一种包括本方面的发射器的交通工具。
在另一实施例中，提供了一种包括本方面的发射器的桌子。
在另一实施例中，提供了一种包括本方面的发射器的容器。该容器可以被屏蔽以防止电磁场(EMF)泄漏。当靠近容器时电场强度增大。
根据再一方面，提供了一种用于接收无线发射的功率的接收器，该接收器包括：天线，该天线包括两个导体；连接到天线的线圈；连接到线圈的谐振器，用于使线圈和天线以谐振频率谐振，该谐振器包括自动频率调谐电路，该自动频率调谐电路用于将谐振器自动调谐到谐振频率。
该导体可以在容纳线圈和谐振器的壳体之外。
该导体可以是板或导轨。该导轨可以是矩形且平行。导轨可以是金属的。
线圈可以是由绞合线或电感器构成的。
线圈可以是环形螺旋形、柱形螺旋形、扁平螺旋形、或者盘形线圈。
谐振器可以进一步包括修改电路，该修改电路被配置成当状况发生时对接收器所接收到的信号进行修改。该修改电路可以当状况发生时对接收器所接收到的信号进行调节。修改电路可以是电压转换器和/或整流器。
接收机可以进一步包括阻抗匹配电路。该阻抗匹配电路可以包括平衡不平衡转换器。
在一个实施例中，提供了一种用于接收无线发射的功率的背包，该背包包括本方面的接收器。该背包可以进一步包括连接到接收器的电池充电器。该背包可以进一步包括连接到接收器的至少一个可再充电的电池，该可再充电的电池被配置成当在电池充电器中不存在电池时进行充电。
在另一实施例中，提供了一种用于接收无线发射的功率的无线电通信设备，该设备包括本方面的接收器。
在另一实施例中，提供了一种用于接收无线发射的功率的计算设备，该设备包括本方面的接收器。
在另一实施例中，提供了一种设备，该设备包括先前方面的发射器以及本方面的接收器。
根据再一个方面，提供了一种无线电场功率传输系统，该无线电场功率传输系统包括：发射器；连接到发射器的发射器天线，该发射器天线包括至少一个导体；以及至少一个接收器，其中当至少一个接收器耦合到发射器时，发射器天线经由电场耦合来无线地传输功率。
附图说明
现在参考附图对实施例进行更充分地描述，在附图中：
图1是无线电场功率传输系统的示意性布局图；
图2是图1的无线电场功率传输系统的发射器以及发射器天线形成部分的示意性布局图；
图3a是图2的发射器的发射器线圈形成部分的俯视图；
图3b是图3a的发射器线圈的另一实施例的透视图；
图3c是图3a的发射器线圈的另一实施例的透视图；
图4是容纳图2的发射器的组件的印刷电路板的框图；
图5a是图2的发射器的组件的框图；
图5b是图5a的组件的电路图；
图6是图2的发射器的功率放大器形成部分的电路图；
图7是图1的无线电场功率传输系统的接收器形成部分的示意性布局图；
图8是容纳图7的接收器的组件的印刷电路板的框图；
图9是图7的接收器的组件的电路图；
图10是图7的接收器的整流器形成部分的电路图；
图11a是形成图7的接收器的部分的接收器线圈的透视图；
图11b是图11a的接收器线圈的另一实施例的透视图；
图11c是图11a的接收器线圈的另一实施例的俯视图；
图12示出了由图2的发射器和发射器天线所产生的电场的强度；
图13是用于图1的无线电场功率传输系统的发射器和发射器天线的另一实施例的示意性布局图；
图14示出了由图13的发射器和发射器天线所产生的电场的强度；
图15是铁氧体磁心电感器的示意性布局图；
图16是接收器天线的另一实施例的示意性布局图；
图17是替换接收器的组件的电路图；
图18a和18b是装配有接收器和接收器天线的背包的透视图；
图19a和19b是装配有发射器和发射器天线的交通工具的透视图；
图20a和20b是装配有接收器和接收器天线的无线电的透视图；
图21a和21b是装配有发射器和发射器天线的消防车的透视图；
图22a和22b是装配有发射器和发射器天线的帐篷的透视图；
图23a和23b是装配有发射器和发射器天线的厢式货车内部的透视图；
图24a和24b是装配有发射器和发射器天线的飞机内部的透视图；
图25a和25b是装配有发射器和发射器天线的桌子的透视图；
图26a、26b、26c和26d是装配有接收器和接收器天线的膝上型计算机的透视图；
图27a和27b是装配有接收器和接收器天线的平板计算机的透视图；
图28a和28b是装配有发射器和发射器天线的容器的透视图；
图29a和29b是装配有发射器和发射器天线的桌面的透视图；
图30a和30b是装配有接收器和接收器天线的蜂窝电话的透视图；
图31a和31b是装配有接收器和接收器天线的电视机的透视图；
图32a和32b是装配有接收器和接收器天线的电池的透视图；
图33a和33b是装配有接收器和接收器天线的交通工具的立体图；
图34a和34b是装配有发射器和发射器天线的军用交通工具的透视图；以及
图35a和35b是装配有接收器和接收器天线的无人驾驶交通工具(UAV)的透视图。
具体实施方式
现在转到图1，示出了无线电场功率传输系统并且通常由参考数字10来标识。如可以看出的，功率传输系统10包括发射器12，该发射器12包括耦合的发射器天线16和多个接收器14。虽然仅示出了两个接收器14，但将理解的是这仅为了便于说明。功率传输系统10可以包括更多或更少接收器14。发射器天线16包括用于它们之间的三维体20的两个大致平行的横向间隔的导体18。导体18是细长的并且大致为矩形并且被定向为使导体的主要表面彼此相面对。在该实施例中，由于铝箔胶带的柔软性、低成本、以及可用性，因此每个导体18是由铝箔胶带形成的。每个接收器14可位于三维体20之内以作为发射器天线16在三维体20之内所产生的电场的结果而无线地采集功率。
现在转到图2，对包括发射器天线16的发射器12进行更好地说明。发射器12进一步包括发射器线圈30以及谐振器32，谐振器32连接到发射器线圈30、用于使线圈30和发射器天线16以谐振频率谐振。将谐振器32的组件安装在印刷电路板(PCB)或其它合适衬底上。发射器壳体或外壳34收纳发射器线圈30和谐振器32。
在本实施例中，发射器线圈30是如图3a所示的扁平螺旋形或盘形线圈并且是使用14AWG(美国线规)绝缘实心铜线构成的。发射器线圈30具有四十八(48)匝并且直径为约十五(15)英寸(37.5厘米)。发射器线圈30的操作频率为一(1)MHz并且发射器线圈的电感是二百八十(280)uH。发射器线圈30具有两百(200)的质量因子(Q因子)。发射器线圈30被配置成利用在其操作频率的发射器天线16的导体18来创建高Q因子谐振。
现在转到图4，对谐振器32进行更好地说明。如可以看出的，该实施例中的谐振器32包括功率放大器36、安全切断电路38、功率板40、自动增益控制(AGC)电路42、自动频率调谐(AFT)电路44、以及相位检测器46。在图5a中对功率放大器36、AFT电路44、相位检测器46进行进一步说明。如将要描述的，这些组件被配置成自动检测并调谐到发射器天线16所发射的功率以提高或优化传送到位于三维体20之内的接收器14的无线电场功率传送。该电路包括串联连接的延迟线路41、电流增益级43、以及电压增益级45。电压增益级45连接到功率放大器36。平衡不平衡转换器48形式的去耦合电路连接在功率放大器36与发射器线圈30之间以使功率放大器输出与地去耦合。电流感测环形线圈49形式的电流传感器感测平衡不平衡转换器48所输出的电流。电流感测环形线圈49和电流增益级43将输出提供给反馈和控制电路47。
如图5b所示，延迟线路41是使用用于经由常闭半导体开关506来接收来自启动振荡器504的输入的有源反相器延迟链502实现的。反相器延迟链502包括串联连接的多个互补金属氧化物半导体(CMOS)反相器508。反相器延迟链502连接到电流增益级43，该电流增益级43包括并行布置的多个电流增压反相级510。在该实施例中，电流增益级43包括三个(3)反相级510。最后反相级510包括40(40)个CMOS反相器510a，中间反相级510包括12(12)个CMOS反相器510a，并且第一个反相级510包括四(4)个CMOS反相器510a。使最后反相级510的反相器510a的输出耦合并且连接到在该实施例中是宽带变压器512的电压增益级45。宽带变压器512具有1：4的匝数比。电流增益级43的最后反相级510连接到宽带变压器512的一个线圈。宽带变压器512的另一个线圈连接到功率放大器36。功率放大器36的输出耦合到平衡不平衡转换器48的一个线圈。为了阻抗匹配的目的，该实施例中的平衡不平衡转换器48具有铁氧体磁芯并且具有比1：1稍高的匝数比。铁氧体磁心平衡不平衡转换器已被发现提供了比空气平衡不平衡转换器多两倍的电流并且提供了更高效率。平衡不平衡转换器48的另一个线圈提供了平衡差分输出端口。平衡不平衡转换器48的一个输出端口经由调谐电容器514连接到发射器线圈30。平衡不平衡转换器48的另一个输出端口穿过电流感测环形线圈49并且连接到发射器天线16。
电流感测环形线圈49经由RC网络516将反馈信号提供给作为反馈和控制电路47的一部分的反相器延迟链502并且经由RC网络516和反相器518a提供给相位检测器46。相位检测器46还经由反相器518b来接收电流增益级43的输出。相位检测器46与电荷泵520一起作用以保持启动振荡器504同相且频率锁定。电流感测环形线圈49还经由RC网络516将反馈信号提供给包络检测器522，包络检测器522进而将输出提供给常闭半导体开关506。
如图6所示，该实施例中的功率放大器36是AB类推挽功率放大器并且用于使输入到此的信号增大至少80(80)(约十九(19)分贝)的因子，其然后经由平衡不平衡转换器48被传递到发射器线圈30。
安全切断电路38是自动切断电路，该自动切断电路用于确定人、动物、或其它生物体何时存在于三维体20中并且降低发射器天线16所发射的功率的强度或者停止发射器天线16所发射的功率。在如果由于短路、热失控、或者任何其它此类事件引起过载的情况下，安全切断电路38还切断向发射器12供电。在该实施例中，安全切断电路38是使用运算放大器(Op-amp)(未示出)、金属氧化物半导体场效应晶体管形式的半导体开关(未示出)、包络检测器(未示出)来实现的。包络检测器对发射器12的输出进行监控，并且当检测到输出电流或电压的突然变化时将信号发送到Op-amp。作为响应，Op-amp将信号发射到半导体开关，该半导体开关通过使谐振器与输入功率分离来关闭谐振器32。
功率板40包括多个高效电压调节器(未示出)，该高效电压调节器将常规交流主功率转换成用于向发射器12的各种组件供电的直流功率。
AGC电路42与功率放大器36相结合使用以对所发射的输出功率进行控制。AGC电路42是具有取决于所需安全水平的功率绝对值的功率射频(RF)电路。在该实施例中，AGC电路42是使用Op-amp(未示出)、OSFET形式的半导体开关(未示出)、以及包络检测器(未示出)来实现的。包络检测器对发射器12的输出进行监控并且当输出超过阈值时将信号发送到Op-amp。作为响应，Op-amp将适当信号发送到会引起半导体开关限制功率放大器36的功率输出的半导体开关。
现在转到图7，对接收器14中的一个进行更好地说明。如可以看出的，接收器14包括高Q因子接收器线圈52、连接到接收器线圈52的接收器天线54、以及连接到接收器线圈52的功率采集器50。将功率采集器50的组件安装在印刷电路板(PCB)或其它合适衬底上。接收器壳体或外壳56容纳接收器天线54、接收器线圈52、以及功率采集器50。功率采集器50包括连接器以及从其输出接收功率的插孔。需要功率的设备可以连接到这些连接器和插孔。
图8更好地说明了功率采集器50。如可以看出的，功率采集器包括接收器自动频率调谐(AFT)电路60、接收器安全电路62、桥式整流器64、直流-直流电压转换器66、以及接收器电源(未示出)。AFT电路60与图5b中所示的发射器AFT电路32相类似并且被配置成使接收器天线54和线圈52谐振。接收器电源向AFT60电路供电。在图9中示出了功率采集器50的电路布局的一部分。连接到接收器14的设备被模制为与电阻器Rp串联的感应器Lp，感应器Lp和电阻器Rp这两者与电容器Cp并联。在图9中未示出直流-直流电压转换器66。
高Q因子谐振接收器线圈52两端的输出电压导致交流电压。通过连接到接收器线圈52的输出的桥式整流器对该电压进行整流。在图10中示出了桥式整流器64并且将所接收到的交流电压转换成其是千伏特量级的直流电压。桥式整流器64采用具有低结电容、高反向击穿电压、以及低正向压降的超快二极管D1至D4。
直流-直流电压转换器66具有高转化率并且执行直流-直流下转换以使桥式整流器64输出的整流电压降低到可用电平。例如，如果通过桥式整流器64对0.5W高交流信号进行整流，那么它将具有四百(400)V电势和一(1)毫安电流。将该整流输出下转换成诸如例如五(5)V和八十(80)mA输出这样的更可用形式在特定应用中是有利的。在该实施例中，直流-直流电压转换器66的最大输入电压大于一千(1000)V，而输出电压在五(5)V与十四(14)V之间，其中额定功率在一(1)W至四(4)W之间。桥式整流器64的输出连接到直流-直流电压转换器66(未示出)，直流-直流电压转换器66然后通过插孔和连接器将所转换的功率输出到需要功率的设备。
如果检测到比标准安全限值更高的电场，那么接收器安全电路62自动切断接收器14。如果检测到短路负载，那么接收器安全电路62还停止将直流功率送至连接到接收器14的任何设备。
该实施例中的接收器天线54包括两个通常矩形的大致平行的导体，在该实施例中其是导电板58。两个板58之间的距离约等于每个板58的平均尺寸。板58可以是刚性的或者柔性的。接收器天线54相对于其尺寸和接收信号波长而言具有低阻抗(约七(7)pf至九(9)pf)。当接收器天线54谐振时，功率采集器50通过在发射器天线16的导体18之间的三维体20之内所创建的电场来采集电功率。如将理解的，接收器14相对于它可在三维体20之内所采集的功率量而言是很小的。
如图11所示，该实施例中的接收器线圈52是柱形螺旋形线圈。接收器线圈52是由绝缘实心铜线构成的并且具有约四(4)英寸(十二(12)厘米)的直径。接收器线圈52位于与两个板58相邻的位置。
通常，在操作期间使发射器12操作以便它驱动发射器天线16，这使得通过使相位相反、幅度相等的电流流过导体18而在导体18之间的三维体20之内产生电场。当接收器14位于三维体20之内时，接收器天线54开始以谐振频率振荡，这导致经由电场耦合将无线功率从发射器12发射到接收器14。
发射器12的闭环结构确保发射器12总是以发射器天线-发射器线圈对的谐振频率自动地振荡。尤其是，最初启动振荡器504用于注入施加到延迟信号线41的反相器延迟链502上的启动信号。然后通过电流增益级43对信号的当前电平进行提升并且经由电压增益级45的宽带变压器512将其施加到功率放大器36。然后将功率放大器36的输出施加到下述平衡不平衡转换器48，该平衡不平衡转换器48使信号与地去耦合并经由调谐电容器514将输出提供给发射线圈30。发射线圈30进而驱动发射器天线16，这导致在三维体20之内产生电场。包络检测器520使用用于对发射器天线16中的电流进行感测的电流感测环形线圈49所输出的反馈信号以调节半导体开关520以使启动振荡器504与反相器延迟链502分离。其结果是，施加到反相器延迟链502的反馈信号用于维持发射器输出。如将理解的，通过使用用于对流过发射器天线16的电流进行感测的电流感测环形线圈49来产生反馈信号并且将该信号反馈到发射器12，发射器12自动地以发射器天线-发射器线圈对的谐振频率振荡。
如将要理解的，发射器12具有快速自调谐和紧凑设计。因为发射器12自动地以发射器天线-发射器线圈对的谐振频率振荡，因此发射器天线16保持调谐并且不需要手调谐或自动调谐电路。而且，发射器12不需要前置放大器或数字控制系统以执行自动频率调谐。
如上所述，当发射器线圈30驱动发射器天线16时，在三维体20之内创建电场(无功近场)，其可被位于该三维体之内的每个接收器14使用以采集功率。图12示出了在三维体20之内所产生的示意性电场。如可以看出的，电场的强度朝着导体18的方向增大并且朝着三维体20中间的方向减弱。因此当接收器越靠近导体18时实现了无线功率传送到接收器4的效率越大并且当接收器位于三维体20的中心附近的位置时实现无线功率传送到接收器14的效率越低。因而，通过导体18之间的分离而不是导体长度来确定辐射的功率。
发射器12的高Q因子限制了无意信宿(三维体之内的这样的人体)可从发射器12恢复的功率量。在人体的情况下，当无意信宿进入到三维体20时，由于信宿破坏了谐振，因此所产生的电场不再与接收器14谐振，这使电场的功率下降以便耗散到信宿的总功率小于规定限制。
当接收器14位于三维体之内并且存在电场时，作为电荷积聚在两个板58上的结果，观察接收器天线54的板58两端上的电压。通过AFT电路60使接收器天线54谐振这可对功率进行采集。尤其是，当通过AFT电路60使接收器天线54谐振时，使从一个板58流到另一板58的电荷量乘以谐振Q因子，这导致经由整流器64而转换为直流信号的高频交流信号。然后通过直流-直流电压转换器66将直流信号下转换成取决于应用的期望电压和电流。然后通过RLC电路(Rp、Lp、Cp)所模制的设备接收直流-直流电压转换器所输出的信号。
接收器14的输出功率取决于接收器14上可用的电场强度、接收器天线54的两个板58之间的距离、以及接收器线圈52的Q因子。
接收器14处可用的电场强度根据接收器14相对于导体8的位置而改变。如前所述，电场在两个导体18之间的三维体20的中点最弱。接收器天线54发出非常小的辐射量并且发射器天线16所创建的几乎所有电场是反应性的(即非辐射)。因此，可将大量功率无线地发射到接收器14而不会违反相应频率带中的电场发射限制。在加拿大卫生部第六号安全法规中可找到加拿大的场致发射限制并且可在IEEE标准C95.1-2005中发现美国的场致发射限制。
无线功率采集效率受到板58相对于三维体20之内的电场而言的取向的影响。因为电场随距离而变，因此使两个板58沿着电场方向(即两个板58的公共轴沿着电场的方向)分隔一定距离这在当它们位于电场之内时在板58之间创建了电势差。当两个板58的公共轴与电场的方向相垂直时，两个板58几乎在相同电势，这将显著降低功率传送的效率。因而，无线功率接收效率取决于两个板58的长度距离比以及板58相对于电场方向而言的取向。如将理解的，维持板58与电场相垂直这使无线功率采集效率最大化。此外，板58相对于电场而言的取向和位置确定电场耦合的类型。接收器14和发射器12可以是强的、松的、或者临界耦合。当接收器14靠近发射器12并且对接收器14的板58进行对准以用于以最高效率水平进行最大功率传送时，接收器14和发射器14强耦合。当接收器14远离发射器12并且仍对接收器14的板58进行对准以用于最大功率传送时，接收器14和发射器12松耦合。当接收器14与发射器12相距功率采集的效率级低于阈级这样的距离时和/或当板58相对于电场而言的取向是如此以至功率采集的效率级低于阈级时，发射器12和接收器14变为临界耦合。
发射器12与接收器14之间的无线功率传输基于与发射器天线16和发射器线圈30的谐振频率相调谐的接收器天线54和接收器线圈52的谐振频率。因为该频率会受到三维体20所处的环境的影响，因此接收器AFT电路60将接收器14的操作频率调谐到所需的谐振频率。接收器AFT电路60不必是持续活动。作为对三维体20中的环境变化的响应，仅需对接收器14的操作频率进行间歇地调节。接收器14必须最初向接收器AFT电路60供以接收器电源，但是一旦无线功率传送开始，无线传送的功率可用于向接收器AFT电路60供电。谐振频率最初是已知的以便接收器AFT电路60可以将该接收器14调谐到该频率。
虽然上面已对示例性功率传输系统进行了描述，但是本领域技术人员将理解的是许多替代配置是可能的。例如，如果需要的话，谐振器32可以包括其自身的电源或者将电源提供给发射器12的各个组件。
虽然发射器线圈30已被描述为扁平螺旋形或盘形线圈，但是可以使用不同发射器线圈。例如，在另一实施例中，发射器线圈30是使用绞合线构成的。相对于实心铜线而言利兹线提供了增大的总效率。在该实施例中，利兹线是一百七十六(176)股四十(40)AWG线并且最终的发射器线圈30具有直径约十(10)英寸的三十(30)匝。发射器线圈的操作频率为一(1)MHz并且发射器线圈的电感为一百五十(150)uH。这样的发射器线圈30具有两百(200)的Q因子。在又一实施例中，发射器线圈30是使用多股48AWG利兹线构成的。在该实施例中，利兹线是2700股并且最终的发射器线圈30具有直径约为15英寸的四十八(48)匝。发射器线圈的操作频率为1兆赫并且发射器线圈的电感为180uH。当然，本领域的技术人员将理解的是匝数、量规、股数、导线类型的变型是可能的，只要发射器线圈30以所需频率谐振。
发射器线圈也可以采取不同形状。例如，图3b示出环形发射器线圈30，并且图3c示出了可以采用的以代替扁平螺旋形或盘形线圈的柱形螺旋形发射器线圈。
发射器天线16的导体18的数目和配置也可以变化。例如，图13示出了具有六个导体18的发射器天线16，其中三个(3)导体位于三维体的每侧上。在该实施例中，与使用两个导体18相比，容抗降低了。与先前实施例相似，六个导线18是由铝箔胶带制成的。由于导体18的整个表面面积增大，因此发射器天线所发射出的电场变得更均匀。如图14所示电场强度在侧附近降低并且朝着三维体20的中间方向增大，这导致更均匀分布的场。在该实施例中，发射器天线16的导体18相距五(5)米，然而分隔距离可以根据应用而变。例如，可以将导体18安装在不同空间大小，以便分隔距离变化。在又一实施例中，发射器天线16可以包括单个导体18。
已发现导体材料对性能影响不大并且其结果是可以使用导体的其它导电材料。例如，导体18可以是由铜带或其它适当导电材料形成的。为了美观目的可以由装饰品来覆盖住导体18。
虽然已示出了谐振器电路的特定实现，但是这也可以变化。例如，延迟线路41可以是使用无源LC网络或传输线路实现的。可以采用非铁氧体磁心平衡不平衡转换器或其他适当去耦结构。
虽然已对特定接收器14的配置进行了描述，但是其它配置是可能的。例如，接收器天线54的板58不必由接收器壳体56容纳，而是可以在接收器壳体56的外部。
此外，所使用的接收器线圈用52也可以变化。例如，接收器线圈52可以是由利兹线构成的。在一个这种实施例中，利兹线是四十(40)AWG3股利兹线。最终的接收器线圈52具有超过三百(300)匝和六十(60)的Q因子。接收器线圈的操作频率是一(1)至两(2)MHz并且接收器线圈的电感是三(3)mH。接收器线圈52的直径是约四(4)英寸(12(12)厘米)。接收线圈58位于两个板58之间并且在该取向上接收器线圈52所创建的磁场在板58中创建了有损环电流，因此这将耗散接收器14上的少量可用功率。在另一实施例中，用于制成接收器线圈52的导线(利兹线或绝缘实心铜线)可以缠绕在非导电材料上以确保接收器线圈52的匝数的一致性。在另一实施例中，即就是四十八(48)AWG、五十(50)股利兹线的利兹线用于接收器线圈52。匝数超过三百(300)，频率为一(1)MHz，并且电感是三(3)mH。接收器线圈52的直径仍是四(4)英寸(12(12)厘米)。在另一实施例中，即就是四十八(48)AWG、六百七十五(675)股利兹线的利兹线用于接收器线圈。匝数超过七十五(75)，频率为二(2)MHz，并且电感是七百五十(750)uH。接收器线圈52的直径仍是四(4)英寸(12(12)厘米)。当然，本领域的技术人员将理解是匝数、量规、股数、导线类型的变型是可能的，只要接收器线圈52以所需频率谐振。
在另一实施例中，由如图15中所说明的铁氧体芯电感器70来替代接收器线圈52。电感器70的每一个长十(10)毫米并且因而小于接收器线圈52。这类小型电感器70的Q因子是六十(60)并且频率为二(2)MHz。将电感器70设计成以更高频率工作，具有高品质因子以及大于五十(50)uH的高电感值。
接收器线圈的形状也可以变化。例如，图11(b)示出了环形接收器线圈52并且图11c示出了扁平螺旋形接收器线圈。
在另一实施例中，接收器天线54包括导轨68以替代板58。如图16中所说明的，导轨68附连到具有低介电常数的材料并且位于同一平面上。因而，接收器天线54可是完全平坦的，这使得容易并入到设备之中。导轨68不必彼此精确地平行。
虽然已示出了直流-直流电压转换器66的特定配置，因此其它配置是可能的。例如，可以采用平行布置的两个或多个直流-直流电压转换器66以将整流器输出的直流电压下转换到可用电平。替代地，可以采用串联布置的两个或多个直流-直流电压转换器66以将整流器输出的直流电压下转换到可用电平。例如，可采用第一直流-直流转换器以将整流器输出的直流电压从一千(1000)V转换到一百(100)V，然后可以采用第二直流-直流转换器66以将第一直流-直流转换器所输出的直流电压从一百(100)V转换到五(5)V。整个下转换的总效率是所有串联连接的块的乘积，其仅低于转换器66中的一个。
此外，虽然已参考图9对特定功率采集电路进行了描述，但是其它配置是可能的。例如，在另一实施例中，图9的电路具有串联配置。如图17所示，该设备与桥式整流器64串联。该设备是由串联连接的电感器Ls，电容器Cs、以及电阻Rs模制的，与并联配置相比这导致较低的输出交流电压和较高的电流。平衡不平衡转换器位于LSCS串联谐振电路与桥式整流器64之间以提供阻抗匹配。
在另一实施例中，在使用集总元件匹配的接收器14中阻抗匹配。
在多种不同的应用中可以采用该功率传输系统以允许经由电场耦合将功率无线地从发射器发射到接收器。例如，如图18a和18b所示，在一个应用中接收器14位于背包100内。板58被集成到背包100之中的其相对侧上。板58连接到接收器壳体56以及接收器壳体56之内的组件。然后接收器壳体56进一步连接到充电器(未示出)，该充电器用于对诸如AA、9V电池这样的传统电池或者其它非传统或定制的可再充电电池形式进行再充电。背包100可以用在下述军事应用中，即士兵需要用于诸如夜视镜这样的各种装备的电池。对电池再充电降低了士兵必须携带备用电池的需要，从而已显著地降低了在军用中所使用的背包100的重量。背包100可以进一步包括连接到接收器14的用于在充电器中不存在电池时进行充电的电池(未示出)。
如在图19a和19b中所说明的，可以将发射器12和发射天线16集成到交通工具102之中。在该示例中，将发射器天线16的导体18集成到交通工具102的内壁之中并隐藏并且连接到发射器12。使导体18位于这样的位置以便它们大致彼此平行。当背包100位于交通工具102中并且位于导体之间的三维体之内时，接收器14能够按照上述方式采集功率。
在另一应用中，将接收器14集成到诸如消防员、警察、或者其他个人所使用的那些这样的无线电通信设备104之中。如将要理解的，在这种情况下由于疏忽或者紧急情况之前的准备时间不足而可能未对无线电通信设备104完全充电。在这种情况下，如图20a和20b所示将接收器14的导轨68附装到无线电通信设备104的背面上。可以将发射器12和发射器天线集成到如图21a和21b所示的消防车或其它交通工具106的前舱之中。因而，当无线电通信设备位于消防车106的前舱之内以及发射器天线的导体18之间的三维体之内时，对无线电通信设备进行充电。在另一实施例中，发射器和发射器天线位于消防站内的特定位置。
在另一应用中，在军事营地中可以采用功率传输系统10。当军官设定了基地兵营时将大部分电子设备存放在如图22a和22b所示的少许所选帐篷108或兵营中。这部分是由于不是每个位置装配有用于向电子设备供电的电力这样的事实。在该实施例中，将发射器天线12的导体18集成到帐篷108的内壁之中并且将无线功率提供给装配有接收器14的帐篷108之内的所有设备。支撑该设备的桌子位于帐篷108的内壁附近，由此在导体18附近，这确保了最大功率传送效率。因此可对设备进行充电而无需物理有线连接，这降低了大量的有害导线和功率电缆。
在另一应用中，将发射器12和发射器天线集成到如图23a和23b所示的厢式货车区域110的内部。将导体18集成到厢式货车区域110的内部的相对壁之中，并且当装配有接收器14的背包100或者其它设备位于货物区域110之内时，将功率无线地发射到背包100或者其它设备。
在另一应用中，将发射器12和发射天线16集成到如图24a和24b所示的飞机112的内部。将天线16的导体18集成到飞机112的内壁之中。装配有接收器的背包100或其它设备在处于飞机112内部时无线地供电。
在另一应用中，将发射器12和发射器天线16集成到如图25a和25b所示的桌子114之中。导体18平放在桌子114上并且连接到如已解释的发射器线圈30。接收器14位于导体18之上或之间以无线地接收功率。
在另一应用中，将接收器14的板58附装到如在图26a和26b中所说明的膝上型计算机116。一个板58是平的并且将其附装到膝上型计算机116的显示屏后面，而另一板58是平的将其附装到位于膝上型计算机116的底部的键盘之下。可将所接收到的无线功率传送到膝上型计算机116的电池。
在另一应用中，接收器14的导轨68在同一平面上，如在图26C和26D中所说明的这两者在屏幕的后面或者在膝上型计算机116的底部。该配置非常适合于从如已描述的装配有发射器12的桌子接收功率。
在另一应用中，与已在图27a和27b中所描述的安装在膝上型屏幕的背部相类似，在平板计算机118的屏幕的背面上安装接收器14的板58以彼此相距一段距离。
在另一应用中，将发射器12和发射器天线集成到密封容器120，如在图28a和29b中所说明的，该密闭容器120可以具有一个或多个可移动或铰接板以允许接收器14的设备放置在内部。当接收器14在容器120之内时，它们可接收从发射器12发射而来的无线功率。可以将容器120构造成使得它被屏蔽以防止电磁场(EMF)或其它信号或场从容器20的内部任何泄漏到外部。当关闭容器120的面板或盖子时，发射器12经由信号认识到可增大容器120之内的信号或场强而没有暴露于人或动物的危险，从而允许实现更大量的功率和更高速率的功率传送效率。这允许当它被关闭或密封时从容器20内的接收器14进行电池再充电的速率更快。
在另一应用中，将发射器2和发射器天线16集成到、安置在、或者以其它方式附装到平坦表面，在该平坦表面上可以安置或悬挂接收器14设备。这可包括但不限于桌子、台子、柜台、架子、墙壁、地板、天花板、以及门。在图29a和29b中图示了将发射器12的导体18集成到桌面122中。
在另一应用中，将接收器14的板58集成到或者以其它方式附装到如图30a和30b中所图示的无绳、移动、或者蜂窝电话124。
在另一应用中，将接收器14的板58集成到或者以其它方式附装到电视机126，如图31a和31b所图示的电视机是等离子、LCD、LED、OLED、或者一些其它技术。
在另一应用中，可以将接收器14的板58集成到或者以其它方式附装到家用电子设备，该家用电子设备包括但不限于DVD播放器、蓝光播放器、接收器、放大器、所有功能于一身的家庭影院、扬声器、重低音扬声器、游戏器、视频游戏控制器、遥控设备、电视、计算机或其它监控器、数字照相机、摄像机、数码相框、视频或图像投影器、或者介质流媒体设备。
在另一应用中，将接收器14的板58集成到或者以其它方式附装到可再充电电池128以便电池变成如在图32a和32b中所图示的接收器设备。
在另一应用中，将接收器14的板58集成到或者以其它方式附装到电或混合电动交通工具130。在该示例中板58位于交通工具130的底部以用于从如在图33a和33b中所图示的位于交通工具130之下的发射器12接收无线功率。可以将发射器12和发射器天线16放置在交通工具130的垫中或者嵌入在交通工具130下面的道路或车道之中或之下。
在另一应用中，将发射器12和发射器天线16集成到如在图34a和34b中所图示的折叠式护翼或挡板中，该折叠式护翼或挡板被附装到军用交通工具132、墙壁、或门。当这样的护翼从它们所安装到的结构或设备伸出时，它们创建了三维体20，在该三维体20内可以放置用于无线电功率传送的接收器14。该护翼可以含有钩子、架子、或者用于持有或以其它方式安装诸如背包这样的包括接收器14的结构的其它这种设备。
在另一应用中，将接收器14的板58集成到或者以其它方式附装到无人驾驶交通工具(UAVs)134或其它这样的交通工具或设备，以便可以将无线功率传递到如图35a和35b所图示的UAV及其板载功率系统和/或功率储存设备。
在另一应用中，将发射器12和发射器天线16集成到可以位于公共场所或公共区域中的设备，由此一个或更多人可以进入传输三维体20并且利用包括至少一个接收器14的其自己的设备来接收无线功率。可以将用于无线功率传输的这些公众可用区域称为热点，因为它们是公众可用的无线因特网接入区。
在另一应用中，将发射器12和发射器天线16集成到用于创建如在前一段落中所描述的热点的设备之中，热点对于诸如但不局限于下述军事任务的特定应用来说可以是移动的，在所述军事任务中一组士兵携带便携式功率产生源或便携式功率储存源，其中发射器12和发射器天线16被集成到该源之中或者以其它方式连接到该源。
在另一应用中，将发射器12和发射器天线16集成到可以用来创建也可以是移动的热点的设备之中。该设备还具有并入到它之中的接收器14和板58，这有效地使该设备成为用于发送和接收无线功率的功率收发信机。
在另一应用中，任何先前描述的接收器设备可以是无线功率收发信机。也就是说，它可以能够接收和发射无线功率。
虽然在上面参考附图已对实施例进行了描述，但是本领域技术人员将理解的是在不脱离由所附权利要求所限定的其范围的情况下可做出变化和修改。

Claims (46)

1.一种无线电场功率传输系统，包括：
发射器，所述发射器包括发射器天线，所述发射器天线包括用于限定其之间的三维体的至少两个导体；以及
至少一个接收器，其中，当所述至少一个接收器在所述三维体之内时，所述发射器天线经由电场耦合来无线地传输功率。
2.一种用于无线地发射功率的方法，所述方法包括：
使发射器天线以发射器谐振频率振荡，所述发射器天线包括用于限定三维体的至少两个导体；
在所述三维体中产生电场；
使包括两个板的接收器天线位于所述三维体中；以及
使所述接收器天线以所述发射器谐振频率振荡。
3.一种用于无线地传输功率的方法，所述方法包括：
使发射器天线和发射器线圈以启动频率谐振，所述发射器天线包括至少两个导体；
将所述发射器天线和所述发射器线圈调谐到其谐振频率；
在所述至少两个导体所限定的三维体之内产生电场；
使具有接收器天线的接收器位于所述三维体中，所述接收器天线包括两个板；
使电势差积聚在所述两个板上；
使所述接收器天线以所述谐振频率谐振；以及
使来自所述接收器天线的功率聚集。
4.一种用于无线地发射功率的发射器，所述发射器包括：
天线，用于创建电场，所述天线包括限定其之间三维体的至少两个导体；
连接到所述天线的线圈；以及
连接到所述线圈的谐振器，用于使所述线圈和所述天线以谐振频率谐振，所述谐振器包括自动频率调谐电路，所述自动频率调谐电路被配置成对所述发射器进行自动调谐。
5.根据权利要求4所述的发射器，其中所述天线包括至少两个大致平行的板，所述至少两个大致平行的板横向间隔以限定所述三维体。
6.根据权利要求4所述的发射器，所述天线包括用于限定所述三维体的六个导体。
7.根据权利要求4至6中的任何一个所述的发射器，其中所述天线是近场天线。
8.根据权利要求4至7中的任何一个所述的发射器，其中每个导体是由导电胶带形成的。
9.根据权利要求4至8中的任何一个所述的发射器，其中所述线圈是使用绞合线构成的。
10.根据权利要求4至8中的任何一个所述的发射器，其中所述线圈是环形螺旋形、柱形螺旋形、扁平螺旋形、或者盘形线圈。
11.根据权利要求4至10中的任何一个所述的发射器，其中所述自动频率调谐电路进一步包括被配置成对送至天线的信号进行提升的电路。
12.根据权利要求11所述的发射器，其中所述电路包括下述中的至少一个：电压增益、电流增益、以及功率放大器。
13.根据权利要求12所述的发射器，其中所述功率放大器是推挽式功率放大器。
14.根据权利要求4至13中的任何一个所述的发射器，其中所述自动频率调谐电路进一步包括延迟线路，所述延迟线路被配置成：使所述自动频率调谐电路之内的信号延迟。
15.根据权利要求14所述的发射器，其中所述延迟线路是有源反相器延迟链，所述有源反相器延迟链包括串联连接的互补金属氧化物半导体CMOS反相器。
16.根据权利要求4至15中的任何一个所述的发射器，其中所述自动频率调谐电路进一步包括去耦合电路，所述去耦合电路被配置成：使所述发射器的输出信号去耦合。
17.根据权利要求16所述的发射器，其中所述去耦合电路包括平衡不平衡转换器。
18.根据权利要求4至17中的任何一个所述的发射器，其中，所述自动频率调谐电路进一步包括电流感测电路，所述电流感测电路被配置成：提供反馈信号。
19.根据权利要求4至18中的任何一个所述的发射器，其中，所述自动频率调谐电路进一步包括振荡器，所述振荡器被配置成：将启动信号注入到所述自动频率调谐电路之中。
20.根据权利要求4至19中的任何一个所述的发射器，其中，所述谐振器进一步包括修改电路，所述修改电路被配置成：当状况发生时对发射器的输出信号进行修改。
21.根据权利要求20所述的发射器，其中，当所述状况发生时，所述修改电路对所述输出信号的功率水平进行调节。
22.根据权利要求20或21所述的发射器，其中，当所述状况发生时，所述修改电路切断所述发射器的输出。
23.一种交通工具，所述交通工具包括权利要求4至22中的任何一个所述的发射器。
24.一种桌子，所述桌子包括权利要求4至22中的任何一个所述的发射器。
25.一种容器，所述容器包括权利要求4至22中的任何一个所述的发射器。
26.根据权利要求25所述的容器，其中所述容器被屏蔽，以防止电磁场(EMF)泄漏。
27.根据权利要求26所述的容器，其中当靠近所述容器时，电场强度增大。
28.一种用于接收无线发射的功率的接收器，所述接收器包括：
天线，所述天线包括两个导体；
连接到所述天线的线圈；
连接到所述线圈的谐振器，用于使所述线圈和所述天线以谐振频率谐振，所述谐振器包括自动频率调谐电路，所述自动频率调谐电路被配置成对所述谐振器进行自动调谐。
29.根据权利要求28所述的接收器，其中所述导体在容纳所述线圈和所述谐振器的壳体之外。
30.根据权利要求28或29所述的接收器，其中所述导体是板或导轨。
31.根据权利要求30所述的接收器，其中所述导轨是矩形且平行。
32.根据权利要求30或31所述的接收器，其中所述导轨是金属的。
33.根据权利要求28至32中的任何一个所述的接收器，其中所述线圈是由绞合线或电感器构成的。
34.根据权利要求28至32中的任何一个所述的接收器，其中所述线圈是环形螺旋形、柱形螺旋形、扁平螺旋形、或者盘形线圈。
35.根据权利要求28至34中的任何一个所述的接收器，其中所述谐振器进一步包括修改电路，所述修改电路被配置成：当状况发生时对所述接收器所接收到的信号进行修改。
36.根据权利要求35所述的接收器，其中，当所述状况发生时，所述修改电路对所述接收器所接收到的信号进行调节。
37.根据权利要求35或36所述的接收器，其中所述修改电路是电压转换器和/或整流器。
38.根据权利要求28至37中的任何一个所述的接收器，进一步包括阻抗匹配电路。
39.根据权利要求38所述的接收器，其中所述阻抗匹配电路包括平衡不平衡转换器。
40.一种用于接收无线发射的功率的背包，所述背包包括权利要求28至39中的任何一个所述的接收器。
41.根据权利要求40所述的背包，进一步包括连接到所述接收器的电池充电器。
42.根据权利要求41所述的背包，进一步包括：连接到所述接收器至少一个可再充电的电池，所述至少一个可再充电的电池被配置成当在所述电池充电器中不存在电池时进行充电。
43.一种用于接收无线发射的功率的无线电通信设备，所述设备包括权利要求28至39中的任何一个所述的接收器。
44.一种用于接收无线发射的功率的计算设备，所述设备包括权利要求28至39中的任何一个所述的接收器。
45.一种设备，包括：
权利要求4至22中的任何一个所述的发射器；以及
权利要求28至39中的任何一个所述的接收器。
46.一种无线电场功率传输系统，包括：
发射器，所述发射器包括发射器天线，所述发射器天线包括至少一个导体；以及
至少一个接收器，其中当所述至少一个接收器耦合到所述发射器时，所述发射器天线经由电场耦合来无线地传输功率。
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