CN104054235A - 用于对无线设备充电的可变阻抗发送器路径的系统和方法 - Google Patents

Abstract

在一个实施方式中，一种方法包括：将发送器无线耦接至无线设备；采用第一传输阻抗确定从发送器传输至无线设备的信号的第一功率传输值；采用第二传输阻抗确定从发送器传输至无线设备的信号的第二功率传输值；并且基于第一功率传输值和第二功率传输值选择第一传输阻抗和第二传输阻抗中的一个。

Description

用于对无线设备充电的可变阻抗发送器路径的系统和方法

技术领域

本公开整体涉及对无线设备充电。

背景技术

常规无线通信设备能够利用从非常靠近设备的源产生的电磁功率对该设备进行充电。电磁功率可以是高频或者低频功率。无线通信设备通常需要大量的存储能量，通常，100mW小时至75瓦特小时，并且使用无线方法对这些设备有效地充电要求设备位于该源的几毫米内，并且要求该设备上的天线具有近似等于该设备大小的面积。诸如蓝牙低能耳机、遥控器、运动器材、手表、与医疗配件、以及NFC(近场通信)和UHF-RFID(超高频率射频识别)卡、标签和传感器等新无线设备消耗更低量的功率并且具有长达多年的电池寿命或者根本不需要电池。在本发明中所描述的至少一些实施方式中，提供了为这些低功率设备供电和充电的方便的机制。

发明内容

根据一方面，提供系统和方法，以通过使源设备的阻抗更为有效地匹配至由负载设备和传输路径的组合所呈现的有效阻抗，使从一个无线通信设备(源)至近场和中场中另一(负载)的功率传输最大化。

附图说明

图1示出了示例性通信系统。

图2示出了用于对无线设备充电的示例性系统。

图3示出了表示在无线设备处接收的功率的示例图。

图4示出了耦接在两个无线设备之间的示例性近场和中场。

图5示出了调节无线设备阻抗的实施例。

图6示出了被蚀刻到印刷电路板的层中的示例性图案。

图7示出了用于在对无线设备充电时优化功率传输的示例性方法。

具体实施方式

图1是根据本发明的一种实施方式的通信系统100的示图。通信系统100包括移动通信基站102和多个无线通信设备104a、104b、104c以及104d。基站发射RF(射频)信号106，其中包括RF功率。由无线通信设备104a-104d接收RF信号106。根据各种实施方式，无线通信基站102可包括一个或者多个手机、平板电脑、个人数字助理、iPhone、音乐播放器、iPod、iPad、膝上型电脑、计算机或者照相机。多个无线通信设备104a-104d可以是与无线通信基站相同的设备类型，而且还可以是耳机、耳麦(包括扩音器和听筒)、手表、心率监测仪、糖尿病监测仪、动态传感器或者玩具。根据一种实施方式，基站102可以连接至电源。电源可以是电插座。

图2是通信系统的典型实施方式的示图，该通信系统包括无线通信基站或者设备的发送器200和第二设备的功率接收器230。发送器200是正交发送器并且可以是无线标准所使用的相同类型的发送器，诸如，WiFi、GSM(全球移动系统)、3G、LTE(长期演进)、UHF-RFID、蓝牙以及WiMax。正交信号包括实数字数据信号分量210和虚数字数据信号分量211。实210数字数据和虚211数字数据的类型可根据所使用的编码和调制类型而变化。如图2所示，在第一数模(DAC)转换器212，将实数字信号分量210转换成实模拟信号分量214，并且在第二数模(DAC)转换器213，将虚数字信号分量211转换成虚模拟信号分量215。然后，经由第一混频器217将实模拟信号分量214转换至射频(RF)域，并且经由第二混频器218将虚模拟信号分量215转换至射频域。根据一种实施方式，实数字信号分量210和虚数字信号分量211均是需要在其被向上转换至RF域之前转换成模拟基带信号的数字信号。混频器217和218从本地振荡器216接收本地振荡器信号，并且将本地振荡器信号乘以相应的实复合信号分量和虚复合信号分量。在一种实施例中，本地振荡器信号位于WiFi或者蓝牙所使用的大约2.45GHz或者5GHz的范围或者另一微波频率内。实214模拟信号分量和虚215模拟信号分量在220处组合产生输出信号x(t)221。通过放大器222放大输出信号x(t)221。位于无线通信基站上的天线223转换被放大的功率并且将其作为电磁功率225发射。

功率接收器230包括天线231以及整流器和功率调节电路232。通信设备可以是NFC或者UHF-RFID设备、或者来自更大无线通信设备中这些协议中的一种的电路系统，并且接收器230可以被适配至其他频率。如果天线223和231充分在彼此范围内，则可以从发送器200将足够的功率传输至接收器230。在一种实施例中，发送器200是基站并且接收器230是无线通信设备。可传输的功率量大致根据发送器与接收器之间的距离而变化，且具有发送器信号的波长。在一种实施例中，发送功率从10m处大约0.001％变化至10cm处大约1％。

图3是从距离200mW UHF发送器10cm处的典型接收设备所接收的功率的图表300。在一种实施例中，发送器是用于对具有接收器的设备充电的无线通信基站。Y轴的单位是dBm。图表300示出了当接收器靠近于发送器时，传输给无线设备的功率可大致根据频率改变大于8.9dB(大约7.7的因数)。对于利用图10中所示的利用频率范围内的频率跳变或者选择的设备，设备的充电时间也将改变大约7.7的因数。在本发明中提供的至少一些系统中，电路系统被设计成接收器和发送器中的至少一个，以将轨迹线320朝向与频率轨迹线310相对的理想功率移动。

图4是示出了在具体频率和空间方位处耦接在无线通信基站420与无线通信设备404a-404d之间的近场和中场的示图。在近场和中场无线通信中，天线405、410a-410d的几何结构和阻抗以及耦接至天线405、410a-410d的电路影响从基站402至无线通信设备404a-404d的功率传输。在远场通信中，接收天线和相应匹配电路系统的阻抗共轭匹配于自由空间的阻抗：

Z₀＝1/ε₀c；   (1)

其中，ε₀是自由空间的介电常数或者近似8.854x10^-12，并且c是光速(299792458m/s)。因此，Z₀近似376.7Ω。当连接发送器和接收器的阻抗为零时(例如，当发送器和接收器利用配线相连接时)，接收器的阻抗近似于发送器的复共轭。

Z_R(f)＝Z_T(f)*   (2)

在近场和中场中，从发送器至接收器的最优功率传输是自由空间术语与发送器阻抗的组合。无线通信设备404a-404d具有相应的阻抗Z3 443、Z4 444、Z5 445以及Z6 446。阻抗Z3 443、Z4 444、Z5 445以及Z6 446耦接至无线通信设备天线410a-410d与基站天线405之间介质ZP1 431、ZP2 432、ZP3 433以及ZP4 434的阻抗。无线通信基站402具有两个阻抗：天线405的阻抗Z2 421和延伸至天线405的电路系统的阻抗Z1 420。如果无线通信设备不能改变其自身阻抗443-446，并且材料的阻抗431-434保持不变，则无线通信基站402仅可通过调整其自身源阻抗Z1 420来改变阻抗。

在常规设备中，如虚线408示意性示出的，基站402的源阻抗Z1420通常是位于印刷电路板(PWB)上的静态带状线。根据一种实施方式，提供的系统和方法，以利用具有不同阻抗的一条或者多条电路径或者具有连续可控阻抗的单一路径取代静态带状线。在一种实施例中，第二设备404b的阻抗Z1420和Z2421的对被尽可能地匹配至阻抗ZP1431和Z3443和自由空间的阻抗。对于不同的设备，Z1值可能不同。使用单一天线405，可以连续对每个设备最优地充电，或者可将短时窗交错，从而以伪同步方式对多个设备充电。进一步应当注意的是，放大器之前的发送器信号可以结合为Z1420选择的阻抗来改变发送器相位。

图5是这样一种实施方式的示图，即，可以调整无线通信基站天线516之前的阻抗，从而提供高效的功率传输。改变天线516之前的阻抗可能导致由天线516发送的输出信号的变化。如图5所示，使用该路径中配对的3路开关503、515可离散地改变发送器与无线通信基站的天线516之间的阻抗。在每个开关位置，阻抗511-513被设计成用于测试组合系统中新阻抗能否提高或者降低将无线功率从基站传输至无线通信设备之一的能力。在各种实施方式中，开关503、515可具有任意数目的开关位置，并且可以使用或大或小的阻抗值。在进一步的实施方式中，可以采用一种机制来连续改变电阻、电容、电感或者其任意组合的网路，以改变路径的阻抗。

图6是示出了根据一种实施方式被蚀刻到印刷电路板(PWB)的单层中以实现图5中所示的三开关阻抗的图案600布局的示图。图案600被蚀刻到印刷电路板(PWB)的单层中，图案600上方或者下方有相应的地平面。在被蚀刻时，图案600中所示的线变成带状线传输线611-613，且在带状线内有集成的电感。在一种实施方式中，图案600可进一步具有对应于电容器的额外形状。利用离散表面安装部件或者基板中集成的部件，可添加进一步的阻抗。根据一方面，带状线611-613的宽度620被选择为对应于发送器放大器502的阻抗并且可被调节为匹配至发送器天线或者连接至天线的网路。根据一种实施方式，带状线611-613的曲率半径610、高度615、以及宽度620被选择为产生适合于所选择应用的预定电感。

图7是使用具有无线通信基站的通信系统以利用无线通信设备优化功率传输的方法700的实施方式的示图。根据一种实施方式，在近场和中场中，与设备通信的能力的链路余量等于或者大致高于启用充电电路系统的能力的链路余量。根据一种实施例，对于无源RFID标签，与RFID标签通信的链路余量等于启用充电电路系统的链路余量。在近场或者中场中，对于基于电池的设备，通信链路余量通常介于大约80dB与大约110dB之间，同时启动功率或者充电链路余量可具有负值，因为充电电路需要最小量的功率来克服内部漏电，或者其范围从大约0dB高达至大约40dB。几乎所有电路均具有一些电流泄露。实际上，使硅电路中的开关可从低阻抗(例如，零点几欧姆到几欧姆)达到千兆欧姆(即，毫微安培)非常困难。给定电路设计者在乎在对电路充电时毫微瓦特至微瓦特的泄露，则必须首先供应超过泄露的电流量。如果存在必须始终开启以确保发生某种状态转变(例如，按压按钮、唤醒AP等)的小型微处理器或者逻辑电路，这将变得更加困难，因为泄露可能为微瓦特或者毫瓦特。在任一种情况下，充电电路必须克服负“链路余量”，从而在实际上能对电池充电。因为基站能够与无线通信设备通信，所以基站可使用通过无线通信设备观测的整流参数，从而有效地关闭测量回路并且通过基站进行控制。

在步骤701，无线通信基站连接至所有设备并且使用通信协议请求有关通过各个设备看到的功率级的信息。在步骤705，无线通信基站将传输阻抗408离散地(如图5和图6所示)或者连续地切换至不同阻抗。在步骤710，无线通信基站内的状态机创建其是否已经测试可能的传输阻抗的全部集合或者空间。如果否，则在步骤705，将传输阻抗更改为新值，并且重复步骤710。为了纳入可能阻抗的全部集合，可能需要花费几微秒至数秒来创建最佳的功率传输阻抗。然而，相比较于几分钟或者几小时的总充电时间，该时间较短。在一种实施例中，将转变相位整合到算法中。在步骤715，基站确定哪个阻抗允许最佳功率传输。通过接受产生功率传输阈值量的阻抗，基站可确定哪个阻抗允许最佳功率传输，或者基站可测试所有集合的传输阻抗和相位并且选择允许最佳功率传输的阻抗。如上所述，对于一种设备最佳的阻抗可能不同于对于另一种设备最佳的阻抗。在一种实施方式中，各个最佳阻抗按时间排序，从而将最佳功率传输提供给无线通信设备的集合。

根据一种实施方式，通信链路余量对于与无线通信设备的通信可能较高。根据另一种实施方式，用于初始目的通信应用(WiFi网络或者蜂窝基站)的链路余量可能妥协这种算法。因此，在一些实施例中，对于无线通信设备，可能不将传输阻抗设置为最优值，或者对于与网络基站的通信，传输阻抗可被时间交错入默认值。如果多个无线通信基站同时尝试最优地提供功率给同一组无线通信设备，则可能存在其之间的通信协议的额外实施方式。

如此描述了至少一种实施方式的若干个方面，应当认识到，本领域技术人员可以容易地做出各种改造、变形以及改进。该等改造、变形以及改进旨在为本公开的一部分并且旨在落在本发明范围内。因此，上述描述和附图仅为实施例，并且应从所附权利要求及其等同物的适当解释确定本发明的范围。

Claims (20)

1.一种方法，包括：

将发送器无线耦接至无线设备；

采用第一传输阻抗确定从所述发送器传输至所述无线设备的信号的第一功率传输值；

采用第二传输阻抗确定从所述发送器传输至所述无线设备的所述信号的第二功率传输值；并且

基于所述第一功率传输值和所述第二功率传输值选择所述第一传输阻抗和所述第二传输阻抗中的一个。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所选择的传输阻抗对应于所述第一功率传输值与所述第二功率传输值之间的较高功率传输值。

3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

采用所述第一传输阻抗重新确定从所述发送器传输至所述无线设备的所述信号的所述第一功率传输值；

采用所述第二传输阻抗重新确定从所述发送器传输至所述无线设备的所述信号的所述第二功率传输值；并且

基于所重新确定的第一功率传输值和所重新确定的第二功率传输值重新选择所述第一传输阻抗和所述第二传输阻抗中的一个。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，基于所重新确定的第一功率传输值和所重新确定的第二功率传输值重新选择所述第一传输阻抗和所述第二传输阻抗中的一个包括：

基于所述无线设备与具有所述发送器的通信设备之间共享的有关功率传输值的信息重新选择所述第一传输阻抗和所述第二传输阻抗中的一个。

5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

使用所选择的一个传输阻抗对所述无线设备无线充电。

6.根据权利要求1所述的方法，其中：

所述发送器是通信设备的一部分；以及

所述通信设备进一步包括各自具有不同阻抗的多条电路径。

7.根据权利要求1所述的方法，其中：

所述发送器是通信设备的一部分；以及

所述通信设备进一步包括具有连续可控阻抗的电路径。

8.一种通信设备，包括：

发送器，所述发送器被配置为将无线信号传输至无线设备；以及

处理电路，所述处理电路耦接至所述发送器并且被配置为：

确定使用第一传输阻抗传输的所述无线信号的第一功率传输值；

确定使用第二传输阻抗传输的所述无线信号的第二功率传输值；以及

基于所述第一功率传输值和所述第二功率传输值选择所述第一传输阻抗和所述第二传输阻抗中的一个。

9.根据权利要求8所述的通信设备，其中：

所选择的传输阻抗对应于所述第一功率传输值与所述第二功率传输值之间的较高功率传输值；以及

所述处理电路进一步被配置为使用所选择的一个传输阻抗对所述无线设备无线充电。

10.根据权利要求8所述的通信设备，进一步包括：

印刷电路板，所述印刷电路板被蚀刻有多条电路径，每条电路径具有不同的传输阻抗，所述多条电路径包括用于改变每条电路径的所述传输阻抗的一个或者多个无源部件；以及

开关，所述开关用于从所述多条电路径选择具体电路径。

11.根据权利要求8所述的通信设备，其中，所述发送器包括：

第一数模转换器，所述第一数模转换器被配置为将实数字信号转换成实模拟信号；

第二数模转换器，所述第二数模转换器被配置为将虚数字信号转换成虚模拟信号；

第一混频器，所述第一混频器被配置为将所述实模拟信号转换至射频(RF)域，以用于控制被传输至所述无线设备的所述无线信号的射频相；以及

第二混频器，所述第二混频器被配置为将所述虚模拟信号转换至所述射频域，以用于控制被传输至所述无线设备的所述无线信号的所述射频相。

12.根据权利要求8所述的通信设备，进一步包括：

一个或者多个天线，所述一个或者多个天线用于将所述发送器耦接至所述无线设备，其中，所述一个或者多个天线共享所述通信设备的其他通信功能。

13.一种方法，包括：

将发送器无线耦接至一个或者多个第一无线设备；以及

对于每个第一无线设备，

使用多个传输阻抗将多个信号从所述发送器分别发送至所述第一无线设备；

为所述多个信号分别确定多个功率传输值；以及

基于所述多个功率传输值从所述多个传输阻抗选择具体传输阻抗。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，对于每个第一无线设备，所述具体传输阻抗对应于从所述发送器发送至所述第一无线设备的具体信号，所述第一无线设备具有所述多个功率传输值中的最佳功率传输值。

15.根据权利要求13所述的方法，进一步包括：

对于每个第一无线设备，

使用所述多个传输阻抗将所述多个信号从所述发送器分别重新发送至所述第一无线设备；

为所述多个信号分别重新确定所述多个功率传输值；以及

基于所述多个功率传输值从所述多个传输阻抗重新选择所述具体传输阻抗。

16.根据权利要求13所述的方法，进一步包括：

对于每个第一无线设备，使用为所述第一无线设备选择的所述具体传输阻抗，通过具有所述发送器的第二无线设备对所述第一无线设备无线充电。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述第二无线设备进一步包括：

多条电路径，所述多条电路径各自具有不同的传输阻抗；

印刷电路板，所述印刷电路板被蚀刻有所述多条电路径；以及

开关，所述开关用于从所述多条电路径选择具体电路径。

18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述第二无线设备进一步包括具有连续可控传输阻抗的电路径。

19.根据权利要求13所述的方法，其中，分配给每个第一无线设备的充电时间相等。

20.根据权利要求13所述的方法，其中，基于权重列表确定分配给每个第一无线设备的充电时间。