CN108604832B - 无线功率近场中继器系统 - Google Patents

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Abstract

这里描述的实施例可以涉及一种包括发送谐振器的系统，该发送谐振器被配置为通过以振荡频率谐振的发送谐振器将来自源的功率耦合到利用参考相位产生的振荡场中；一个或多个中继器，每个中继器位于相应的位置，每个中继器包括：重复谐振器，被配置为以所述振荡频率谐振，其中，所述一个或多个中继器中的每一个被配置为用相对于所述相应位置处的相位的相移重新产生所述振荡场，以及至少一个接收器，包括：接收谐振器，被配置为响应于耦合到振荡场而以振荡频率谐振；其中所述至少一个接收器被配置为将所述振荡场的功率传输到与所述至少一个接收器相关联的负载。

Description

无线功率近场中继器系统
相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年11月13日提交的题为“Wireless Power Near-FieldRepeater System That Includes Metamaterial Arrays to Suppress Far-FieldRadiation and Power Loss”的美国专利申请No.14/940,747的优先权，其通过引用全文合并于此。
背景技术
除非本文另外指出，否则本部分中描述的材料不是本申请中的权利要求的现有技术，并且并不因包含在本部分中而被承认为现有技术。
诸如移动电话、膝上型电脑和平板电脑的电子设备已经成为日常生活的组成部分。传统上使用非电源的其他机器，诸如汽车，越来越依靠电力作为电源。由于电子设备通常是移动的，因此设备经由导线保持与电源连接可能是不可行的。因此，当设备未耦合到固定电源时，电子设备可以使用电池来供应电力。
然而，目前的电池技术通常不能满足电子设备的充电容量和/或放电率要求，这可能限制可移动设备的范围。即使在电池满足给定设备的功率需求的情况下，这样的设备通常也必须经由导线连接到固定的充电源以便对其电池进行充电。这种有线充电机制可能限制设备在充电时的移动以及可用性。另外，随着连接到充电源的设备数量的增加，电插座附近的导线数量可能增加，导致“线路混乱”。
发明内容
由于有线输送功率的限制，用于无线功率输送的解决方案是期望的。本文公开的一些示例系统使用谐振元件(诸如电感器和电容器)来产生谐振磁场和/或电场并与其耦合。这种系统可以包括发送器中的谐振元件以及一个或多个接收器中的谐振元件。此外，这样的系统可以使用发送器中的谐振元件来产生谐振场，并且可以使用接收器中的谐振元件来与谐振场耦合。这样，一些示例系统可以允许经由谐振场从发送器到接收器的无线功率输送。另外，一些示例系统可以包括一个或多个相移元件。
在一个方面，一种系统可以包括：发送谐振器，被配置为通过以振荡频率谐振的发送谐振器将来自电源的功率耦合到由参考相位产生的振荡场中，所述振荡场是振荡电场或振荡磁场中的至少一个；一个或多个中继器，每个中继器位于相应的位置，并且每个中继器包括：重复谐振器，被配置为响应于在相应位置处耦合到振荡场而以振荡频率谐振；其中，所述一个或多个中继器中的每一个被配置为响应于以所述振荡频率谐振的所述耦合谐振器，以相对于所述相应位置处的相位的相移重新产生所述振荡场，并且其中，在相应位置处的振荡场是以下中的至少一个：由发送谐振器产生的振荡场或由所述一个或多个中继器中的不同中继器重新产生的振荡场；以及至少一个接收器，所述至少一个接收器包括：接收谐振器，被配置为响应于耦合到振荡场而以振荡频率谐振；其中所述至少一个接收器被配置为响应于所述接收谐振器以所述振荡频率谐振，将所述振荡场的功率的至少一部分传输到与所述至少一个接收器相关联的负载。
另一方面，提供了一种方法，包括：通过以振荡频率谐振的发送谐振器将来自电源的功率耦合到由参考相位产生的振荡场中，所述振荡场是振荡电场或振荡磁场中的至少一个；响应于耦合到相应位置处的振荡场，使得一个或多个中继器中的每一个的相应重复谐振器以振荡频率谐振，所述每个中继器在相应位置处，指定相对于每个相应位置处的振荡场的相位的相应相移；响应于以所述振荡频率谐振的相应耦合谐振器，通过所述一个或多个中继器中的每一个重新产生所述振荡场，其中所述振荡场在所述相应位置处以所指定的相移重新产生，并且其中在相应位置处的振荡场是由发送谐振器产生的振荡场或由一个或多个中继器中的不同中继器重新产生的振荡场中的至少一个；响应于在所述至少一个接收器的位置处耦合到所述振荡场的所述接收谐振器，使所述至少一个接收器的相应接收谐振器以所述振荡频率谐振；以及响应于以所述振荡频率谐振的所述至少一个接收器的所述接收谐振器，将所述振荡场的功率的至少一部分传输到与所述至少一个接收器相关联的负载。
附图说明
图1是示出根据示例实施例的无线功率输送系统的组件的功能框图。
图2是示出根据示例实施例的耦合到发送器的阻抗匹配电路的功能框图。
图3是示出根据示例实施例的在数学推导中使用的双向耦合器的表示的图。
图4A至图4B是示出根据示例实施例的电感谐振耦合的简化电路图。
图5A至图5C是示出根据示例实施例的共模电容谐振耦合的简化电路图。
图6A至图6B是示出根据示例实施例的差模电容谐振耦合的简化电路图。
图7示出根据示例实施例的从发送器向一个或多个负载输送功率的方法。
图8是示出根据示例实施例的系统的操作模式的表格。
图9A至9B示出根据示例实施例的TDMA无线谐振耦合信道。
图10是示出根据示例实施例的采用侧信道通信的无线功率输送系统的功能框图。
图11示出了根据示例实施例的用于确认用相同接收器建立功率传输链路和侧信道通信链路的方法。
图12是示出根据示例实施例的采用多路复用功率传输的无线功率输送系统的功能框图。
图13(a)和图13(b)示出根据示例实施例的重复发送器近场的中继器链的相移。
图14示出根据示例实施例的控制系统中的近场的相移的方法。
图15示出根据示例实施例的无线功率输送系统的实现。
图16是示出根据示例实施例的使用高频测试脉冲来确定发送器的振荡场的近场区域中的反射实体的一个或多个特性的方法的流程图。
图17、18、19A和19B是根据示例实施例的无人飞行器的简化图示。
图20示出根据示例实施例的使用移动无线功率输送设备进行谐振无线功率传输的方法。
图21是根据示例实施例的移动功率输送设备的简化框图。
具体实施方式
这里描述了示例性的方法和系统。应该理解的是，本文使用词语“示例性”来表示“用作示例、实例或说明”。本文描述为“示例性”的任何实施例或特征不一定被解释为比其他实施例或特征是优选或有利的。这里描述的示例性实施例并不意味着限制。将容易理解的是，所公开的系统和方法的某些方面可以以各种各样的不同配置进行布置和组合，所有这些都在本文中考虑。
此外，图中所示的特定布置不应视为限制。应该理解，其他实施例可以包括给定附图中所示的每个元件的更多或更少。此外，所示元件中的一些可以被组合或省略。另外，示例性实施例可以包括未在附图中示出的元件。
此外，这里使用的术语“电容器”应广义地理解为包括一个或多个元件的具有电容特性的任何系统。由此，术语“电容器”可以用于指集总电容元件和/或分布电容元件。类似地，这里使用的术语“电感器”应广义地理解为包括一个或多个元件的具有电感特性的任何系统。这样，术语“电感器”可以用于指集总式电感元件和/或分布式电感元件。
一，概述
无线功率传输涉及从电源到接收器的电力传输，而无需使用实心导体(例如导线)将接收器耦合到电源。一些传统的无线功率输送系统可以包括经由振荡磁场感应耦合的发送器和接收器。例如，来自电源的功率信号可以被输送到发送器中的发送线圈以产生振荡磁场。该振荡磁场穿过接收器中的接收线圈并感应在接收器中流动的AC并流向负载。发送器和接收器之间的耦合幅度可以由耦合因子k表示，该无量纲参数表示耦合发送器和接收器的通量分数。为了在这样的常规系统中建立有效的功率传输，耦合因子k必须保持在足够高的水平。因此，接收器线圈通常需要位于紧邻发送器线圈并且相对于发送器线圈精确定位的位置。另外，为了确保足够的耦合和实现合理有效的功率传输，可能需要大型发送器和接收器线圈。
本文公开的系统、设备和方法涉及利用谐振耦合将功率有效地从发送器传输到接收器的无线功率输送系统。与传统的电感耦合无线功率系统相比，这样的系统和方法可以具有较不严格的接近度和/或位置要求。也就是说，即使当耦合因子k小时，本文公开的系统和方法也可以提供高效的无线功率传输。具体地，根据示例实施例，功率可以经由发送器产生的振荡场在谐振耦合的发送器和接收器之间传输。振荡场可以包括振荡磁场分量和/或振荡电场分量。
在示例系统中，发送器可以包括发送谐振器并且接收器可以包括接收谐振器。诸如发送谐振器或接收谐振器的谐振器可以由一个或多个谐振频率等因子来表征。具体地，发送谐振器和相应的接收谐振器可以被配置为以共同的谐振频率谐振。当谐振时，接收谐振器可以产生以谐振频率振荡的输出信号。输出信号然后可以被整流或以其他方式转换成电力，其可以被输送到负载。
振荡电场和/或磁场可以由其谐振频率ω0来描述。这种场具有谐振波长
Figure GDA0003132466430000051
其中c是通过其传输场的介质中的光速。来自谐振器的大约一个谐振波长内的区域可以被称为“近场”。近场中的电场和/或磁场主要是非辐射的。可选地，近场可以被认为是等于或小于3*λ的距离的场，其中λ是发送信号的波长。此外，近场的场强随距离迅速衰减。距离谐振器超过大约一个或几个谐振波长的区域被称为“远场”。远场几乎完全是辐射的(例如RF辐射)，并且可以被描述为超出3*λ距离的区域。
诸如发送谐振器和接收谐振器的谐振器可以根据固有损耗率Γ来表征，固有损耗率Γ是谐振周期内耗散的能量的度量。比率
Figure GDA0003132466430000052
d定义谐振器的品质因子，以每个周期的能量损耗表示。每个周期耗散较少能量的谐振器通常具有较高的品质因子Q。具有高品质因子Q(例如，高于100)的系统可被认为是高度谐振的。
即使在发送谐振器和接收谐振器之间可能存在弱耦合的情况下，具有高Q谐振器的谐振系统也可以操作为高效地传输功率。也就是说，通过采用具有足够高品质因子Q(例如，Q>100)的谐振器，具有低耦合因子k(例如，k＝0.1)的系统仍可以高效率地传输功率，因为功率传输效率是品质因子Q和耦合因子k的函数。相应地，高度谐振的系统可以操作为用于长距离无线传输功率。此外，在一些实施例中，谐振系统可以实现比采用有线功率传输的系统更高的效率。
如上所述，为了传输功率，发送谐振器和接收谐振器可以经由振荡磁场和/或振荡电场耦合。因此，示例实施例可以在任何给定时间使用三种耦合模式中的任何一种或多种来操作：(i)电感模式，(ii)差分电容模式和(iii)公共电容模式。
在电感模式中，发送谐振器中的至少一个电感器接收来自电源的信号并且谐振以产生以谐振频率ω0振荡的磁场。在这种场景下，接收谐振器中的至少一个电感器可响应于接近磁场而振荡。在差分电容模式中，发送谐振器和接收谐振器的每个电容器在两个导体之间形成电容。在公共电容模式中，发送谐振器和接收谐振器的每个电容器在第一导体与接地或公共导体之间形成电容。在公共电容模式下，接地或公共导体可包含接地连接。换句话说，接地或公共导体可包括与地电势的电连接。电连接可以是物理连接(例如，使用金属桩)，或者可以是与地电势的电容连接。发送器可以包括控制器，以确定是否以及何时经由电感模式、差分电容模式和/或公共电容模式输送功率并相应地控制发送器的各种元件。
在谐振无线功率传输中，可以通过动态调节发送侧和/或接收侧的阻抗(电阻和/或电抗)来实现更高的效率。例如，发送器可以包括耦合到发送谐振器的阻抗匹配网络。可以控制发送侧的阻抗匹配网络，以便连续或间歇地调节发送器和相关联的元件的阻抗。类似地，接收器可以包括耦合到接收谐振器的阻抗匹配网络。可以控制接收侧的阻抗匹配网络，以便连续或间歇地调节接收器和相关联的元件的阻抗。
在示例实施例中，控制器可以执行操作以基于与发送器和接收器相关联的发送-接收电路来创建电路模型。使用这个发送-接收电路，也可以计算耦合因子k。由于与接收器相关联的阻抗可以从经由双向RF耦合器接收的反射功率来计算，所以电路模型中唯一的未知数是发送器和接收器的耦合因子k。电路模型确定耦合因子k与接收器的阻抗之间的特定关系。通过确定耦合因子k，可以计算或以其他方式确定功率传输的最佳有效条件。发送侧和/或接收侧上的阻抗可以经由各自的阻抗匹配网络进行调节，以实现和/或维持该最佳有效条件。具体地，当接收器和发送器之间的方向和空间关系改变时，随着发送谐振器和接收谐振器之间的耦合改变，可以采用动态阻抗调节。
在本文描述的一些无线功率输送系统中，发送器可操作以将功率传输到多个接收器中的任何接收器。由于许多设备可以位于发送器的范围内以用于无线功率传输，所以发送器可以被配置为将合法接收器与非预期的功率传输接收方的非法设备区分开。否则这些非法设备可能会在未经许可的情况下通过从发送器接收功率而作为寄生负载。因此，在将功率传输到相应的接收器之前，发送器可以执行认证处理以认证接收器。认证处理可以至少部分地通过建立发送器和接收器之间的辅助信道的无线侧信道通信链路来进行，所述无线侧信道通信链路与谐振功率链路分开。替代地或附加地，发送器可以采用时分和/或频分复用来分别向多个合法接收器传输功率。
根据示例实施例，谐振无线功率输送系统可以包括一个或多个谐振中继器，其被配置为在空间上延伸振荡场的近场区域。这样的谐振中继器可以是无源的，从某种意义上它们可以仅由其所处的近场供电。多个中继器可以以链状配置(例如，“菊花链”)来配置，以将发送器近场扩展，使得链中的每个后续中继器谐振地重复谐振中继器链中的较早链路的近场。中继器之间和/或发送器与中继器之间的间隔可受到从一个中继器到下一个中继器的近场衰减的限制。此外，由于跨链式中继器的累积相移，可能限制发送器近场可延伸的最大距离。
根据示例实施例，通过在中继器中包括额外能力，可以克服最大中继器间隔限制和累积相移限制。首先，通过使用各自包含独立电源的有源中继器，有源中继器可以向重复场中“注入”额外功率，从而减轻否则可能发生的近场衰减。其次，通过在中继器的一些或全部中包括一个或多个相位调节元件，可以抑制或消除跨中继器链或阵列的累积相位延迟。另外地或替代地，可以借助超材料在中继器中引入相位控制。此外，可以实现中继器的相位控制，使得发送器和有源中继器作为共同的超材料一起工作。
根据示例实施例，无线功率输送系统可利用测试信号来探测系统组件和/或系统组件之间的无线功率传输路径的物理特性。更具体地，发送器可以包括信号发生器等，其被配置为在可能发生无线功率传输的区域上发送或广播一种或多种类型的无线信号。这样的信号可以由一个或多个反射实体(例如，接收器、中继器等)反射，并且然后它们的反射可以由发送器的测试信号接收器接收。通过分析发送的信号及其反射的相位和幅度信息，发送器可以因此确定反射实体的电特性以及发送器和反射实体之间的传输路径。以这种方式利用测试信号可以提供类似于向无线功率输送系统施加的矢量网络分析仪(VNA)的诊断能力。
在示例系统中，测试信号可以跨越宽频率范围以按照如VNA频率扫描的方式提供频率扫描。然后可以执行这种频率扫描的分析以确定一个或多个接收器的阻抗、发送器与给定接收器之间的中继器的数量、发送器与给定接收器的相对位置、以及无线传输路径的特性阻抗以及系统的其他属性。该信息反过来可以用来提高功率传输的准确性，并区分合法的接收器和可能的未经授权的接收器和/或寄生设备。在其他情况下，测试信号可以产生为频率和时间上更窄的脉冲或线性调频信号。例如，可以在测距应用中使用这种脉冲信号的反射分析。
在一些场景下，当设备在固定谐振无线电源的范围之外时，设备可以需要无线功率输送。在一些情况下，在设备需要操作的位置提供固定发送器可能不切实际或困难。示例包括现场设备，如移动传送/运输车辆、远程通信设备、以及固定电源不可用的远程位置的设备集群。
根据示例实施例，用于谐振无线功率输送的系统可以包括作为混合发送器/接收器(TX/RX)的移动节点或设备，其被配置为移动、行进和/或“通勤”到远程接收器并无线输送功率。在示例系统中，混合TX/RX设备可以包括具有发送器功能的发送器组件(TX)、具有接收器功能的接收器(RX)组件、以及用于存储功率用于供给接收器的功率存储装置(例如电池)。功率存储装置还可以充当用于混合TX/RX设备的各种功能的电源，所述功能包括但不限于移动性(通勤)、通信、控制和处理。TX/RX设备可以采用自主无人驾驶车辆的形式。在这种场景下，自主无人驾驶车辆可以可操作地在固定发送器和可以主控一个或多个远程接收器的一个或多个指定位置之间行进。在一个或多个远程接收器的位置中，TX组件可以可操作地将功率从功率存储装置无线传输到一个或多个远程接收器。尽管接近固定发送器的位置，但RX组件可以被配置为经由无线功率传输来接收功率，并且使用所接收的功率来至少部分地补充(例如，再填充和/或再充电)其功率存储装置。
示例系统和操作
图1中示出了用于无线传输功率的示例系统100。系统100可以包括如下所述的各种子系统、元件和组件。一个或多个子系统可以包括被配置为执行各种操作中的一个或多个的控制器。根据示例实施例，控制器可以包括一个或多个处理器、存储器、和存储在存储器中的机器语言指令，所述机器语言指令在由一个或多个处理器执行时，使控制器携带其控制功能或操作中的一个或多个。控制器还可以包括用于设备控制、通信等的一个或多个接口。
进一步根据示例实施例，下面描述的各种功能和操作可以被定义为可以在系统内执行的方法，其中方法的至少一些方面可以基于由一个或多个控制器和/或一个或多个处理器执行的功能和/或操作来实现。例如，在一个或另一个控制器的控制下，响应于环境因素，或响应于接收或检测到信号，方法的其他方面可以由系统的其他元件或组件执行。
在示例实施例中，无线功率输送系统可以包括电源，其被配置为经由发送器和接收器无线地向负载输送功率。如图1所示，系统100可以包括都可以被认为是系统100的子系统的发送器102和接收器108、以及控制器114。为了图1中和本文其他地方的简洁起见，控制功能和操作通常被描述为仅由控制器114执行。因此，可以在概念上将控制器114视为统一的控制功能。然而，应该理解，作为系统100的子系统，发送器102和接收器108可各自包括其自己的控制器，如本文其他地方所述。替代地或另外地，控制器114可以包括分布式计算系统，例如网状网络。
由此，归因于控制器114的各种控制功能和操作可以跨越一个或多个控制器实现，所述控制器诸如发送器102和接收器108中包括(但未示出)的控制器。例如，描述为由发送器执行的操作可以在发送器中的控制器的控制下完成。类似地，描述为由接收器执行的操作可以在接收器中的控制器的控制下完成。
除了可能包括其自己的控制器的发送器102和接收器108中的每一个之外，它们中的每一个还可以包括各种类型的电子组件和/或由各种类型的电子组件构成。例如，电子组件可以包括诸如反相器、变容二极管、放大器、整流器、晶体管、开关、继电器、电容器、电感器、二极管、传输线、谐振腔和导体的电路元件。此外，电气部件可以以诸如集中式或分布式的任何可行的电气配置来布置。
返回图1，系统100的发送器102可以包括发送谐振器106。发送谐振器106可以具有高Q值并且可以被配置为以一个或多个谐振频率谐振。发送器102可以与电源104耦合，电源104可以被配置为向发送谐振器106提供在发送谐振器谐振频率中的一个处振荡的信号。在示例中，电源104可以包括功率振荡器，以产生振荡信号，振荡信号可以在发送谐振器谐振频率中的一个处振荡。功率振荡器可以由从电插座接收的功率信号供电。例如，电插座可以以60Hz的频率向电源104供应120V的AC电压。在其他示例中，电源可以包括转换器，该转换器可以使用来自可以具有低频率(即60/50Hz)的功率信号的功率来产生载波信号，该载波信号具有发送谐振频率中的一个的振荡频率。载波信号可以被调制以承载功率信号并且因此可以是由电源104提供的振荡信号。
此外，信号可以在其处振荡的谐振频率ω0(也称为系统谐振频率)可以由系统100的控制器114选择。发送谐振器106可以在从源104接收到振荡信号时发生谐振，并且因此可以产生以系统谐振频率振荡的场。
接收器108可以包括接收谐振器112。接收谐振器112可以具有高Q值并且还可以被配置为以系统谐振频率谐振。接收器108还可以包括负载110。因此，如果接收谐振器112处于振荡场的范围内(即，场穿透接收谐振器112)，则谐振器112可以与振荡场无线耦合，由此与发送谐振器106谐振耦合。当谐振时，接收谐振器112可以产生可以被输送到负载110的信号。注意，在由电源104产生的振荡信号是调制的载波信号(由转换器产生)的实现方式中，接收器108可以包括滤波器网络。滤波器网络可用于将功率信号与调制的载波信号隔离。功率信号(即50/60Hz信号)然后可以被输送到负载110。
在示例系统中，可以存在多于一个接收器。这在下面进一步详细描述。
无线功率输送系统可以包括被配置为提高无线功率传输的效率的至少一个阻抗匹配网络。图2示出根据示例性实施例的系统中的阻抗匹配网络。如图2所示，阻抗匹配网络202耦合到发送器204。此外，阻抗匹配网络202可以与发送谐振器214串联、并联或以任何其他配置。在一些实施例中，阻抗匹配网络218可以附加地和/或替代地耦合到接收器。此外，阻抗匹配网络202和218可以各自包括L个匹配网络、pi网络、T个网络和/或多个部分匹配网络的任意组合。
在一些实施例中，系统可以通过配置阻抗匹配网络以匹配被确定的阻抗来向负载输送被确定的功率。在示例中，系统的控制器可以确定从发送器输送到负载的功率。控制器可以至少使用从负载到发送器的反射阻抗来确定阻抗匹配网络可以被配置为匹配的阻抗。相应地，当阻抗匹配网络匹配确定的阻抗时，系统可以将确定的功率输送到负载。
更具体地，系统的控制器可以产生系统的模型(诸如SPICE模型)以确定阻抗匹配网络可以匹配的阻抗。该模型可以包括已知值，诸如控制器可以使用本文描述的方法从接收器接收的负载的实际阻抗。然而，控制器可能需要确定从发送器供应给负载的实际功率以及从负载到发送器的反射阻抗，以完全表征系统的模型(例如导出耦合因子k)。控制器可以使用系统的完全表征的模型，以通过精确确定阻抗匹配电路可匹配的阻抗来动态地阻抗匹配。
因此，该系统可以包括双向耦合器，该双向耦合器可以用于确定从发送器供应给负载的实际功率以及从负载到发送器的反射阻抗。双向耦合器可以与计算机和/或控制器结合使用，以精确求解与其连接的负载的阻抗。双向耦合器也可以与计算机和/或控制器一起使用，以精确地求解电源输出的功率量。可以使用负载的反射阻抗值和源输出的功率量来调节阻抗匹配网络。因此，系统可以被配置为通过使用双向耦合器来确定由源提供的实际功率以及从负载到发送器的反射阻抗，以单个步骤来动态地阻抗匹配。
然而，来自负载的反射阻抗的值可能由于不同因素(诸如发送器与接收器之间的耦合的改变)而改变。发送器和接收器之间的耦合可能由于各种因素(诸如发送器和接收器之间的距离的改变)而改变。
例如，接收器可以在功率传输期间移动，这可能改变发送器和接收器之间的耦合。这种相对运动可能改变负载的反射阻抗。相应地，随着从负载到发送器的反射阻抗改变，控制器可以被配置为连续地或间歇地求解输送到负载的实际功率和反射负载阻抗，以便动态地阻抗匹配。
图3示出了根据示例性实施例的包括在电源304和负载306之间级联耦合的双向耦合器302的系统的网络表示。如图3所示，双向耦合器可以在端口2处的电源与端口8处的系统的其余部分(集中到负载306)之间耦合。通常，在双向耦合器(端口1、3、4和5)的每个端口处可以存在正向和反射功率波。
通过充分表征双向耦合器的RF特性，可以精确地确定每个端口处的正向和反射波以及因此的功率和阻抗。例如，可以使用双向耦合器302中的端口中的每个的输入波和输出波之间的数学关系，以精确地计算输送到负载306的功率以及负载306返回到源304的反射阻抗。数学关系可以使用双向耦合器302的S参数表征，使得双向耦合器302的端口中的每个的输入波和输出波之间相关。
双向耦合器302可以通过将来自端口1的正向功率耦合到端口3来操作。衰减的正向功率可以耦合到端口4并且在测量FWD端口6处被采样。另外，少量的正向功率也可以被耦合进入端口5并在REF端口7处测量。同样地，反射功率从端口3耦合到端口1，并且衰减功率可以耦合到端口5并且在测量REF端口7被采样。另外，少量反射功率可以被耦合到端口4并且在FWD端口6被测量。尽管耦合到端口5的正向功率以及耦合到端口4的反射功率的这些非理想性，计算机和/或控制器可以精确地计算输送到负载306的功率和负载306的反射阻抗。
数学关系(A)的预先测量值可以包括电源302的4×4S参数矩阵和输入反射系数(S参数)。另外，双向耦合器的操作中的非理想性可以通过预先测量双向耦合器302的4×4S参数矩阵来处理。在一些实施例中，可以使用矢量网络分析仪(VNA)预先测量S参数。所测量的S参数可以存储在系统300的控制器可以访问的查找表中。
此外，如上所述，双向耦合器302可以用于对可用于求解输送给负载306的功率和负载306的反射阻抗的波进行周期性地实时测量。具体地，为了精确地计算输送到负载306的功率和负载306的反射阻抗，可以测量端口6和7处的功率信号的绝对幅度以及每个信号相对于另一个的相位。FWD和REF可以包括能够测量信号的任何测量设备或电路，例如电流表、电压表、频谱分析仪等。此外，FWD和REF可以将指示相应测量信号的信息发送到系统的控制器。
此外，网络300的某些配置可以简化双向耦合器302的S参数表征。通过设计，FWD308和REF 310可以是与携带信号到每个端口的传输线路匹配的阻抗，以防止当信号在每个端口测量时反射。例如，当具有50Ω的特征阻抗(Z0)的传输线被用于将信号携带到每个端口时，FWD端口308和REF端口310可以是50Ω端接的。
因此，无线功率输送系统的控制器可以使用双向耦合器来求解负载的反射阻抗和输送到负载的功率。系统可以使用系统模型中的值求解来充分表征系统。由此，至少可以计算耦合因子k。此外，控制器可以通过调节阻抗匹配电路可以匹配的阻抗，使用系统的模型来预测可以输送到负载的功率的量。
此外，控制器可以根据预定的时间周期来周期性地测量负载的反射阻抗和输送到负载的功率，该预定的时间周期可以在从几微秒到几十秒的范围内。在每次测量之后，控制器可以周期性地调节系统的至少一个阻抗匹配网络。在示例中，控制器可以测量反射阻抗并且可以使用上述方法来相应地每毫秒调节阻抗匹配网络。其他时间间隔是可能的。替代地，控制器可以连续测量负载的反射阻抗和输送给负载的功率。在这种场景下，控制器可以连续地调节系统的阻抗匹配网络以将确定的功率输送给负载。
在一些实施例中，无线功率输送系统可以包括利用单个双向耦合器耦合到单个发送器的多个接收器。在这种场景下，由于耦合到每个接收器的每个负载处的可能的阻抗失配，每个接收器可将信号反射到发送器。控制器可以使用测量值来完全表征系统，以便确定阻抗匹配网络可以匹配的阻抗。
在一些实施例中，多个接收器可以耦合到单个双向耦合器。双向耦合器可以在给定的时间间隔期间使用时分复用(TDM)将每个接收器的反射信号发送到测量设备。控制器然后可以使用上述方法来求解耦合到每个相应接收器的每个负载的反射阻抗。
系统的控制器可以基于测量值来调节至少一个阻抗匹配电路。在示例实施例中，具有多个接收器的系统可以包括耦合到发送器和/或耦合到接收器中的每一个的阻抗匹配网络。然而，由于发送器可从每个负载接收不同的反射阻抗，所以控制器可能无法调节阻抗匹配网络以同时匹配每个接收器的反射阻抗和电源的阻抗。因此，在一些实施例中，控制器可以调节耦合到接收器中的每一个的阻抗匹配网络中的至少一个阻抗匹配网络。在其他实施例中，控制器可以调节耦合到发送器的阻抗匹配网络，以匹配来自多个接收器的被选择的接收器的反射阻抗。由此，其反射阻抗在阻抗匹配网络处匹配的所选择的接收器可以比系统中的其他接收器按比例接收更多的功率。在一些实施例中，向所选择的接收器的无线功率输送可比向多个接收器中的其他接收器的这种功率输送更高效。
在其他示例中，具有多个接收器的系统可以根据时分(TDM)和/或频分(FDM)复用来执行阻抗匹配。例如，在TDM方案中，每个接收器可以被配置为在特定时间间隔期间用单个阻抗匹配网络耦合到发送器。系统可以在接收器耦合到发送器的特定时间间隔期间从接收器接收反射信号。在这种场景下，控制器可以调节阻抗匹配网络，使得每个接收器可以在接收器耦合到发送器的时间间隔期间接收最大功率。在示例实施例中，可以根据接收器优先级或接收器次序来为多个接收器中的每个接收器分配相应的时隙。时隙的持续时间可以相等，但不必相等。例如，具有较高接收器优先级的接收器可以比具有较低接收器优先级的那些接收器分配更长的时隙。
在FDM方案中，每个接收器可以被配置为以特定的相应频率耦合到发送器。系统可以在接收器耦合到发送器的特定频率上从每个接收器接收相应的反射信号。在这种场景下，控制器可以调节可以连接到发送器和/或接收器中的每个的阻抗匹配网络，使得每个接收器可以接收确定量的功率。
在具有多个接收器的系统的又另一个示例中，控制器可以通过调节阻抗匹配网络来确定每个接收器可以同时从发送器接收的功率。具体地，阻抗匹配网络的阻抗可以至少部分地确定每个接收器可以接收的功率量。例如，每个接收器可以至少基于接收器的阻抗和阻抗匹配网络的阻抗之间的差来接收功率。因此，控制器可以调节阻抗匹配网络，以便至少基于接收器的阻抗来增加或减少输送到相应接收器的功率量。
控制器可以基于各种参数来确定每个接收器可以从发送器接收的功率量。在示例实施例中，每个接收器可以与相应的优先级相关联，使得较高优先级接收器可以在单个功率分发周期期间接收比低优先级接收器更多的功率。在其他示例中，接收器的当前充电状态(如果接收器耦合到包括电池的负载)可以确定接收器可以接收的功率量。也就是说，具有低电池水平的接收器可比具有完整电池的接收器具有更高的优先级。应该理解，控制器可以基于各种其他参数向多个接收器中的每个接收器分发功率。
在示例内，当认证接收器时，控制器可以从接收器接收指示至少一个参数的信息。由此，控制器可以基于接收到的信息产生动态优先级列表。在示例实施例中，当接收器连接发送器或从其断开时，可以更新动态优先级列表。此外，控制器可以在本地或在服务器上存储接收到的信息和对应的动态优先级列表。在其他示例中，如果接收器的参数在初始同步过程之后改变，则接收器可以发送控制器更新的信息。在其他示例中，控制器可以例如经由侧信道通信链路周期性地查询接收器以请求关于接收器的状态的信息。由此，控制器可以经由侧信道例如接收诸如接收器的电池的当前充电状态或接收器的当前功率要求的信息。
在其他示例中，系统可以在多个接收器中的每个接收器中包括一个或多个阻抗匹配网络。系统可以另外地或替代地在发送器和至少一个接收器中包括阻抗匹配网络。在这样的场景中，控制器可以被配置为调节系统的多个阻抗匹配网络，使得每个接收器可以从发送器接收确定量的功率。
另外地或替代地，系统可以使用上述动态阻抗匹配方法来检测寄生接收器。具体地，系统的控制器可以使用关于授权接收器的信息(诸如标称阻抗)来产生无线功率输送系统的至少一部分的电路模型。另外地或替代地，控制器可以基于可基于它们的相对位置的发送器和接收器之间的耦合条件的近似、估计或其他确定来产生电路模型。基于电路模型，控制器可以计算它可以从每个接收器接收的理想功率接收量。因此，控制器可以将所计算的理想的接收功率与实际的接收功率进行比较。如果理想和实际的接收功率在指定的误差边界内不相等，则控制器可以确定系统中可能存在寄生设备。例如，如果所计算的接收功率的值变化超过实际的接收功率的值的10％，则控制器可以确定系统中可能存在寄生设备。另外地或替代地，控制器可以使用本文公开的其他方法来识别寄生接收器。
A.耦合模式
无线功率输送系统的发送器和接收器可以建立无线耦合谐振链路，并且因此经由各种耦合模式变成谐振耦合。每个耦合模式与在发送器和/或接收器中可包括的谐振器的类型相关联。相应地，系统可以激发一种类型的谐振器，以便经由相关联的耦合模式提供无线谐振链路。此外，系统可以在任何给定时间维持不同耦合模式类型的多个无线谐振链路。在示例中，系统的发送器和接收器可以包括三种谐振器类型中的至少一种。由此，系统的操作状态可以利用三个谐振耦合模式中的至少一个。
图4A和图4B示出根据示例性实施例的电感谐振耦合模式，即第一耦合模式。发送谐振器402和接收谐振器404中的每一个可以至少包括电感器。此外，每个谐振器可以被配置为至少以系统400的系统谐振频率谐振。发送谐振器402可以在接收到来自电源406的以系统谐振频率振荡的信号时谐振。因此，发送谐振器402的发送电感器408可以产生以系统谐振频率振荡的磁场。如果接收谐振器404在发送谐振器402附近，则它可以与振荡磁场耦合。结果，可以建立无线耦合谐振链路。耦合的接收谐振器404然后可以谐振，并且因此可以产生可以被输送到负载412的信号。
另外地或替代地，系统可以包括包含电容谐振器的发送器和/或接收器，所述电容谐振器可以可操作为将发送器和接收器耦合。在示例实施例中，发送器电容谐振器和接收器电容谐振器中的每一个可以至少包括电容器。发送谐振器可以在从电源接收到以系统谐振频率振荡的信号时发生谐振。当发送谐振器谐振时，发送谐振器的电容器可以产生以系统谐振频率振荡的电场。接收谐振器如果靠近发送谐振器则可以与振荡电场耦合；从而在发送器和接收器之间建立无线耦合链路。由此，接收谐振器可以谐振，并且因此可以产生可以被输送到耦合到接收器的负载的信号。
在示例实施例中，系统可以包括两种类型的电容谐振器中的至少一种，每种电容谐振器可以与相应的耦合模式相关联。这两种电容谐振器在其各自电容器的配置不同。第一电容谐振器可以包括共模电容器，其可以支持单个导体和地之间的电容。共模电容谐振器可以可操作为经由称为共模的耦合模式提供无线耦合链路。第二电容谐振器类型可以包括可以支持两个导体之间的电容的差模电容器。差模电容谐振器可以可操作为经由称为差模的耦合模式提供无线耦合链路。
图5A、图5B和图5C以三种表示示出根据示例性实施例的包括共模电容谐振器的系统。发送谐振器502和接收谐振器504中的每一个包括共模电容谐振器。由此，每个谐振器包括共模电容器，该共模电容器包括导体和接地参考506。接地参考506可以传导电流以完成发送器508和接收器510的电路。此外，发送器508可以与电源512耦合，电源512可以一端连接到接地参考506，另一端连接到至少发送器导体514。可选地，电源512不需要连接到接地参考506。发送谐振器502可以在从电源512接收到以系统谐振频率振荡的信号时谐振。当发送谐振器502谐振时，发送谐振器502的共模电容器516可以产生以系统谐振频率振荡的电场。接收器510可以包括负载518，其可以一端连接到接地参考506，另一端连接到接收器导体520。如果在发送谐振器502的近场内，则接收谐振器504(其包括共模电容器522)可以与振荡电场耦合，从而建立无线谐振耦合链路。这样，接收谐振器504可以谐振，并且可以产生可以被输送到负载的信号。
在一些实施例中，共模电容器的接地参考可以经由直接或间接连接而连接到地面。例如，接地参考可以包括容纳无线功率系统的建筑物的基础设施，其可以包括到地面的间接连接。在其他示例中，接地参考可以包括连接到共模电容器的导电物体。由此，导电物体可以在包括发射器和/或接收器的电路中提供导电返回路径。
图6A和6B以两种表示示出根据示例性实施例的包括差模电容器的系统600。发送谐振器602和接收谐振器604中的每一个可以包括至少一个电容器。电源606可以将以系统谐振频率振荡的信号提供给发送谐振器602。发送谐振器602可以在接收到来自源606的信号时谐振。当发送谐振器602谐振时，发送器差模电容器608可以产生以系统谐振频率振荡的电场。接收谐振器604如果接近发送谐振器602，则可以与振荡电场耦合。由此，可以在发送器和接收器之间建立无线谐振耦合链路。此外，接收器差模电容器610可以谐振，并且因此可以产生可以被输送到耦合到接收器614的负载612的信号。
在示例实施例中，系统可根据包括电容谐振耦合模式和电感谐振耦合模式的一个或多个耦合模式在发送器和接收器之间建立无线谐振耦合链路。发送器和接收器可以各自包括在每个耦合模式中建立无线链路所需的谐振器。此外，可以在同时或单独地利用不同耦合模式的发送器和接收器之间维持无线耦合链路。在一些示例中，谐振器可以包括单个电路元件，该单个电路元件可以被配置为作为电感器、电容器或两者操作。在示例中，元件可以包括形状像一对导体板的线圈，使得该元件可以作为电感器和/或电容器操作。在其他示例中，发送器或接收器可以包括在谐振器组中布置的多个谐振器。谐振器组可以包括可以包括电感器的至少一个谐振器、以及可以包括电容器的至少一个谐振器。相应地，谐振器组可以被配置为在电容和电感谐振耦合模式下建立无线谐振耦合链路。
图7示出根据示例性实施例的可在系统的发送器和接收器之间建立无线谐振耦合链路的方法700的流程图。在一些实施例中，方法700可以由系统的控制器执行。
此外，如上所述，结合本文描述的流程图描述的功能可以实现为特殊功能和/或配置的通用功能硬件模块、由一个或多个处理器执行的用于实现结合图7中所示的流程图描述的特定逻辑功能、确定和/或步骤的程序代码的部分。例如，一个或多个处理器可以是控制器114的一部分。在使用时，程序代码可以存储在任何类型的非暂时性计算机可读介质上，例如，诸如包括磁盘或硬盘驱动器的存储设备。
另外，图7中所示的流程图的每个框可以表示被连线以执行该处理中的特定逻辑功能的电路。除非特别指出，否则取决于所涉及的功能，图7中所示的流程图中的功能可以与所示出或讨论的顺序无关地执行，包括基本上同时执行单独描述的功能，或者在一些示例中甚至以相反的顺序执行，只要所述方法的整体功能得以保持。
如图7的框702所示，方法700可涉及确定系统的操作状态。所确定的操作状态可以包括至少一个耦合模式。例如，所确定的操作状态可以包括本文描述的任何无线耦合模式。在示例中，所确定的操作状态可以由系统的控制器确定。如框704所示，方法700还包括使耦合到系统的发送器的电源以振荡频率提供信号。例如，振荡频率可以是发送器的一个或多个谐振频率中的一个。在一些实施例中，振荡频率可以是发送谐振器的谐振频率范围内的频率。
因此，如框706所示，在接收到来自系统的电源的信号时，发送谐振器可以以振荡频率谐振。振荡发送谐振器可以产生以振荡频率振荡的场。在一些实施例中，发送谐振器可以产生可以以在接收谐振器的谐振频率范围内的频率振荡的场。如框708所示，如果接收谐振器位于由发送谐振器产生的振荡场的范围内，则接收谐振器也可以以振荡频率谐振。结果，如框710所示，可以根据所确定的操作状态来建立无线谐振耦合链路。最后，如框712所示，方法700可以使发送器经由建立的无线谐振耦合链路向一个或多个负载中的每个负载输送电力。
图8示出根据示例性实施例的可形成无线谐振耦合链路的耦合模式的不同组合。在示例实施例中，系统可以包括均具有三种不同类型的谐振器元件(例如，电感器、共模电容器和差模电容器)的发送器和接收器。因此，发送器和接收器之间的无线谐振耦合链路可以包括三种不同耦合模式的各种组合。相应地，组合1-7各自包括经由至少一个耦合模式来支持无线谐振耦合链路。操作状态8表示何时系统不操作或者何时发送器和接收器未经由无线谐振耦合链路耦合。在示例中，形成发送器和接收器之间的无线耦合链路的耦合模式的各种组合可以由控制器确定和控制。在其他示例中，用户可以向控制器提供输入，该输入可以引导系统利用耦合模式的给定组合来形成无线谐振耦合链路。
在示例实施例中，系统可以建立发送器和多个接收器之间的无线谐振耦合链路。在这种场景下，多个接收器可以全部在单个操作状态下操作以建立到发送器的同时链路。在其他场景下，接收器中的每个可以使用不同的耦合模式与发送器建立无线谐振耦合链路。这种系统的发送器可以包括谐振器组，该谐振器组被配置为经由一个或多个耦合模式实现与多个接收器的同时链路。
如本文其他地方所说明的，系统可以使用时分多址(TDMA)来建立可以由多个接收器共享的无线谐振耦合链路。具体地，无线谐振耦合链路可以在给定的时间帧内分成不同的时隙。由此，多个接收器中的每个接收器可以在给定时间帧内的被分配的时隙期间从发送器接收电力。换句话说，在给定的时间帧内，发送器可以在给定的时隙期间向给定的接收器分发功率。每个接收器可以被分配以在该时间帧内的一个或多个时隙期间接收功率。
图9A示出根据示例性实施例的TDMA无线谐振耦合链路。具体地，十个时隙(T1-T10)可以代表功率分发的单个时间帧。相同的分发可以在随后的时隙T11-T20和/或时间帧(未示出)中重复。此外，系统的控制器可以向系统的每个接收器分配一个或多个时隙，在该时隙期间接收器可以从发送器接收功率。在该示例中，接收器1-4被配置为在该时间帧的各个时隙期间从发送器接收功率，而接收器5未被配置为接收功率。在这种场景下，控制器可以分配接收器1-4特定的时隙，在此期间它们可以从发送器接收功率。根据系统的任何操作模式，可以在给定时隙期间将功率传送到接收器。在示例中，控制器可以在每个时间间隔期间确定每个接收器的操作状态(例如，耦合模式类型)。在其他示例中，操作状态可以由相应接收器的用户输入。
图9B示出根据示例性实施例的TDMA无线谐振耦合链路。类似于图9A中所示的系统，十个时隙(T1-T10)可以表示功率分发的单个帧。然而，如图9B所示，多于一个接收器可以同时从发送器接收功率。此外，每个接收器可以根据系统的任何操作模式来接收功率。在一些示例中，同时接收功率的接收器可以根据相同的操作模式接收功率。在其他示例中，同时接收功率的接收器可以根据不同的操作模式来接收功率。
根据一些实施例，系统的组件(例如，发送器和接收器)可以包括电路元件(被示为图2中的元件212、图4A和图4B中的元件414、图5A、图5B和图5C中的元件524以及图6A和图6B中的元件616)，诸如电感器、电容器、晶体管、逆变器、放大器、整流器、变容二极管、继电器、二极管、传输线、谐振腔和开关，其可以被布置为便于在系统的不同耦合模式之间切换。例如，系统可以通过使线圈和一个或两个(或更多)导体处于串并联连接的组合中而在不同模式之间切换。在其他示例中，系统可以通过在每个模式的谐振器的元件之间串联或并联中动态地添加集总元件电抗元件来动态地抑制或增强耦合模式。
在一些示例中，系统的操作状态可以由系统的控制器确定。例如，控制器可以基于它可以从接收器接收的数据来确定系统的操作模式，所述数据诸如接收器的功率需求、优选的操作状态和位置。替代地或附加地，控制器可以基于可以由系统的用户输入的数据来确定操作状态。此外，操作状态可以基于系统的状态和/或环境条件来确定。
在一些实施例中，控制器可以响应于检测到寄生设备(使用本文描述的方法)来切换操作状态，该寄生设备可以从合法接收器转移功率。在示例中，系统可以在利用共模谐振耦合的状态下操作。然而，控制器可以检测也可以使用共模而耦合到发送器的寄生设备。作为响应，控制器可以停止经由共模的无线功率输送，并且可以经由差分电容耦合模式、电感谐振耦合模式或两者实现无线功率输送。在其他实施例中，控制器可以使用环境条件来确定系统的操作状态。例如，控制器可以接收指示系统环境中存在高铁素体含量对象的信息。因此，控制器可以确定以不利用电感谐振耦合模式的模式进行操作。
控制器还可以确定系统可以输送给系统中的每个负载的电力量。控制器还可以确定经由系统中的每个可用耦合模式向每个负载输送多少电力。因此，在示例中，控制器可以使电源将所确定的功率量引导至谐振器组，并且经由各自确定的耦合模式来进一步控制对各个接收器的功率输送。
此外，外部元件可以安装在系统环境中，其可以被配置为改善或以其他方式修改系统的性能。在一些实施例中，场集中器可以被配置为形成(电感谐振器的)振荡磁场、(电容谐振器的)振荡电场或两者的形状。例如，高磁导率材料(诸如铁氧体)可以安装在系统环境中。在示例实施例中，当系统以电感谐振耦合模式操作时，高磁导率材料可以被布置成形成振荡磁场的形状并延伸其范围。类似地，高介电常数介电材料可以布置在系统环境中。系统的电容器可以利用高介电常数介电材料来增加或以其他方式修改其电容，并且因此调节由谐振电容器产生的电场的特性。此外，还可以将导体布置在系统环境中，以影响由系统谐振器产生的磁场和/或电场。
在示例中，系统可以包括可以在系统中根据需要使用以实现系统功能的电路元件。例如，系统可以包括诸如反相器、变容二极管、放大器、传输线、谐振腔整流器、晶体管、开关、继电器、电容器、电感器、二极管和导体的电路元件。继电器可以用于在被配置为操作每个耦合模式的电路元件之间进行切换。如这里所解释的，开关可以将负载连接到接收器，使得负载可切换地耦合到接收谐振器。各种电路元件的可能用途的其他示例是可能的。
B.到合法的接收器的功率传输
图10示出根据示例实施例的谐振无线功率输送系统1000。系统1000包括电源1010、发送器1020和接收器1040。发送器1020从电源1010接收功率并将该功率无线地传输到接收器1040。发送器1020可以是多个发送器中的一个。接收器1040是可以从发送器1020接收功率的多个接收器中的一个。
发送器1020包括发送谐振器1022，并且接收器1040包括接收谐振器1042。发送谐振器1022被提供有来自以谐振频率ω0振荡的电源1010的功率信号。如上所述，发送谐振器1022以谐振频率ω0谐振并产生以谐振频率ω0振荡的场。接收器-谐振器1042相应地被配置为以谐振频率ω0谐振。接收器1040被放置得足够接近发送器1020以将接收谐振器1042与由发送谐振器1022产生的场耦合，例如，取决于如上所述的品质因子Q，接收器-谐振器1042在发送谐振器1022的场内。该耦合建立谐振功率传输链路1002，其提供用于发送谐振器1022和接收谐振器1042之间的功率传输的无线管道。如上所述，发送谐振器1022和接收谐振器1042可以经由振荡磁场和/或振荡电场耦合。具体地，耦合可以包括以下三种模式中的任何一种或多种：(i)电感模式，(ii)差分电容模式，以及(iii)公共电容模式。
当接收谐振器1042响应于振荡场而谐振时，整流器1048或其他功率转换电路可以转换来自接收谐振器1042的功率，并且随后将功率输送到负载1060。当负载1060被并入接收器1040时，如图10所示，一些实施例可以包括与接收器1040物理分开或以其他方式分开的负载。
如图10所示，发送器1020包括控制器1024。在示例实施例中，控制器1024可以确定要采用哪种(哪些)耦合模式，并且可以控制发送器1020的各种元件以便建立和/或根据所确定的耦合模式来维持无线谐振耦合链路。控制器1024还可以确定经由相应耦合模式传输的功率的量。
如上所述，通过调节发送侧和/或接收侧的阻抗(电阻和/或电抗)，例如阻抗匹配，可以实现更高的效率。因此，发送器1020可以包括耦合到发送谐振器1022的阻抗匹配网络1026。类似地，接收器1040可以包括耦合到接收谐振器1042的阻抗匹配网络1046。
在示例实施例中，多个设备和对象可以存在于发送器1020的本地环境内。在这样的场景中，示例系统1000可以被配置为将合法接收器与作为功率传输的非预期接收方的非法设备区分开。如果没有能力区分功率传输的可能接收方，则非法设备可能作为未经许可而从发送器接收功率的寄生负载。因此，在将功率传送到接收器1040之前，发送器1020可以执行认证处理以认证接收器1040。在示例实施例中，可以经由无线侧信道通信链路1004来促进认证处理。
发送器1020可以包括无线通信接口1028，并且接收器1040可以包括对应的无线通信接口1048。在这样的场景下，发送器1020和接收器1040可以经由无线通信技术建立侧信道通信链路1004。例如，可以采用经典的
Figure GDA0003132466430000221
或
Figure GDA0003132466430000222
LOWENERGY(BLE)(2.4至2.485GHz UHF)或WIFITM(2.4GHz UHF/5GHz SHF)来提供发送器1020与接收器1040之间的安全通信。其他无线通信协议是可能的和预期的。如图10所示，侧信道链路1004通过与谐振功率传输链路1002分离的辅信道，在通信上耦合发送器1020和接收器1040。然而，在替代实施例中，发送器1020和接收器1040可以采用相同的信道来传输功率并如本文所述传送信息，例如通过调制功率传输的方面来传送信息。
在示例实施例中，发送器1020可以通过侧信道通信链路1004与接收器1040进行通信，以确定接收器1040被授权或以其他方式被允许接收功率。接收器1040可以被配置为提供发送器1020所需的任何类型的信息和/或确认以认证接收器1040。例如，接收器1040可以向发送器1020发送认证码、消息或密钥。在这种场景下，无法与发送器1020建立侧信道通信的设备可以不被识别为合法设备。
接收器1040还可以包括控制器1044。由此，控制器1024、1044可以经由侧信道链路1004进行通信，并且处理在发送器1020和接收器1040之间交换的信息。
如上所述，当功率从发送器1020传输到接收器1040时，功率可被反射回发送器1020。如图10所示，发送器1020可包括双向RF耦合器1030以如上所述测量反射功率。使用来自双向RF耦合器1030的测量结果，可以确定功率传输链路1002的最佳效率，并且可以经由阻抗匹配网络1026、1046调节发送侧和/或接收侧上的阻抗，以优化或以其他方式修改功率输送效率。
可以基于由测量设备结合双向RF耦合器1030检测的反射功率来确定与接收器1040相关联的阻抗。如果已知接收器1040的标称阻抗(例如，设计阻抗)，则标称阻抗与基于反射功率的测量值的计算阻抗之间的差可指示存在一个或多个寄生负载。这种寄生负载可包括非法接收器。使用在发送器1020和接收器1040之间建立的侧信道通信链路1004，接收器1040可以可操作为将其标称阻抗传送到发送器1020。因此，使用双向RF耦合器1030进行的阻抗计算可以使得能够进行寄生负载的识别以及如本文其他地方所公开的那样实现动态阻抗匹配。可以经由阻抗匹配网络1026、1046来调节发送器1020和/或接收器1040的阻抗以解决寄生负载。
如这里所描述的，发送器1020可以可操作为通过经由侧信道通信链路1004的认证通信来识别合法接收器1040的存在。另外地或替代地，发送器1020可以可操作为通过其他方法来区分合法接收器1040与其他合法或非法设备。具体地，发送器1020可以可操作为控制与同一接收器1040的功率传输链路1002以及通过侧信道通信链路1004的通信。
图11示出了用于确认与同一接收器1040建立功率传输链路1002和侧信道通信链路1004的示例方法1100。在步骤1102中，发送器1020和接收器1040可以经由侧信道通信链路1004建立无线通信。在步骤1104中，接收器1040经由侧信道通信链路1004向发送器1020发送认证信息，并且在步骤1106中，发送器1020评估认证信息以确定接收器1040被允许接收功率。
已经经由侧信道通信链路1004识别出合法接收器1040的存在后，发送器1020可尝试确定正在与同一接收器1040出现对应功率传输链路1002。因此，在步骤1108中，发送器1020尝试经由功率传输链路1002向接收器1040发送预定量的功率。在步骤1110中，发送器1020经由侧信道通信链路1004与接收器1040通信，以确认接收器1040接收到来自步骤1108的功率传输。例如，接收器1040可以检测并报告所接收的功率。如果接收器1040未能提供确认来自发送器1020的功率传输的信息，则在步骤1112中，发送器1020可以重新尝试与接收器1040建立功率传输链路1002。利用每次重新尝试，发送器1020可以改变功率量和/或调制阻抗以试图解决可能干扰对正确接收器1040的功率传输的任何寄生负载。另外地或替代地，发送器1020可以改变用于功率传输链路的耦合模式。一旦建立了到正确的接收器1040的功率传输链路1002，如果需要，发送器1020可以进一步调制阻抗，并且继续将功率传输到接收器1040。
鉴于前述，侧信道通信链路1004可用于识别和验证接收器1040并建立和调节功率传输链路1002的各方面，特别是解决寄生负载。具体地，侧信道通信链路1004和功率传送链路1002可以启用各种认证协议，以提供安全的通信和功率输送。例如，发送器1020和接收器1040可以可操作为执行密码认证协议(PAP)、质询握手认证协议(CHAP)、多因素认证或另一类型的密码协议。然而，通常，发送器1020和接收器1040可以使用侧信道通信链路1004来交换任何类型的信息以管理功率传输链路1002的任何方面。
在示例实施例中，系统1000可以通过经由预定的无线谐振耦合链路配置间歇地或连续地发送一定量的功率来帮助确保侧信道通信链路1004的可用性。即使接收器1040的其他方面没有接收到功率，该传输1006也可以为无线通信接口1048供电并且允许其保持活动。由此，接收器1040可以接收到足够的功率以建立与发送器1020的初始通信。此后，接收器1040可以建立功率传输链路1002。例如，传输1006可以提供低功率，例如大约1W。在这种场景下，传输1006的功率分发效率在相对较低的功率下不太受关注。
如上所述，控制器1024可以确定在示例系统1000中采用哪种耦合模式。控制器1024可以基于寄生负载的识别来选择耦合模式。例如，发送器1020可以在第一时间段期间经由公共电容模式向接收器1040输送功率。然而，在第一时间段之后，控制器1024可以检测也可以经由公共电容模式耦合到发送器1020的寄生设备。因此，控制器1024可以使发送器1020和/或接收器1040切换到差分电容模式和/或电感模式。
如图12所示，发送器1020还可以分别对多个合法接收器1040a-d采用时分和/或频分复用用于功率传输链路1002a-d。尽管图12可以示出四个接收器，但是应当理解，根据本公开，任何数量的接收器可以从发送器接收功率。
复用可以允许发送器1020控制如何将功率分发给接收器1040a-d。例如，在时分复用的情况下，给定时间段期间的功率传输可以被分配给一个或多个指定的接收器。在频分复用的情况下，功率可以经由各自的频率传输到指定的接收器。在这种场景下，发送器可以被配置为同时发送多个相应的频率。因此，如图12所示，功率传输链路1002a-d可以分别以各种指定的时间和/或频率组合(t,f)1,(t,f)2,(t,f)3,(t,f)4出现。因此，多路复用的使用可以提升对接收器1040a-d的协调输送和功率可用性。
尽管发送器1020可以经由具有如图12所示的特定时间和/或频率组合的单个功率传输链路向一个接收器传输功率，但是在替代实施例中，发送器1020可以经由具有不同时间和/或频率组合的多个功率传输链路将功率传输到一个接收器。这种方法在发送器1020由于例如非法接收器的干扰而不能利用功率传输链路中的一个或多个来传输功率的情况下提供一些冗余。发送器1020可以回退到剩余的功率传输链路上，以无中断地向接收器传输功率。通常，发送器1020可以建立并选择性地使用与单个接收器的任何数量的功率传输链路，其中功率传输链路使用不同的相应时间和/或频率组合。
发送器1020和接收器1040a-d可以采用如上所述的侧信道通信链路1004a-d来协调多路复用的功率传输。例如，发送器1020可以传送将使用哪些时隙和/或哪些频率来将功率传输到接收器1040a-d。在示例实施例中，利用时间和频率复用的无线功率输送可以比其他无线功率输送方法更安全，至少因为由发送器1020采用的复用方案很可能对于非法设备是未知的。
在没有多路复用的情况下，具有类似于合法设备的阻抗或负载简档的非法设备可能在未经许可的情况下接收功率。在功率资源可能受限的情况下，未经许可使用该功率资源可能会导致对于合法接收器的功率被拒绝。因此，即使在存在非法或寄生接收器的情况下，复用也可以允许从发送器到任意数量的合法接收器的更有效和稳健的功率传输。
应该理解的是，侧信道链路的使用不限于以上示例。在替代实施方式中，例如，发送器和多个接收器可以利用关于用于向多个接收器进行功率输送的复用方案的信息来预先编程。另外地或替代地，发送器可以用关于接收器的标称阻抗的信息预先编程。在一些情况下，接收器可具有相同的阻抗。然后可以使用侧信道通信链路来传送未被预编程到发送器和/或接收器中的信息。例如，如果无线功率输送系统是用复用方案以及与接收器的标称阻抗有关的信息预先编程的，则接收器可以使用侧信道通信链路来报告它接收到的功率，使得可以如上所述确定任何寄生负载的存在。
C.中继器
根据示例实施例，系统可以包括被配置为在空间上延伸振荡场的近场区域的一个或多个谐振中继器(或简称中继器)。如上所述，这样做可以扩大其中可以放置接收器以谐振地耦合到振荡场并且从振荡场接收功率的发送器周围的区域。在一个示例中，谐振中继器可以包括重复谐振器，被配置为当位于发送器近场中时以系统的谐振频率ω0(系统谐振频率)谐振。由谐振重复谐振器驱动，中继器然后可以重复发送器近场，由此延伸近场的范围。该中继器可以是无源的，从某种意义上它们可以仅由它们所处的近场供电。
在实施例中，谐振中继器可以经由可以已经与发送器或另一个中继器建立的无线谐振耦合链路来接收功率信号。如上所述，当中继器与发送器或另一中继器的第一近场耦合时，可以建立无线谐振耦合链路。中继器然后可以经由与另一中继器和/或接收器建立的第二无线耦合链路发送信号。此外，由中继器发送的信号具有另一中继器和/或接收器可以与其耦合的相关联的近场。在一些实施例中，中继器可发送信号，使得与发送信号相关联的近场比第一近场的范围更远离发送器。
进一步根据示例实施例，多个中继器可以以链状配置来配置，使得链中的每个后续中继器谐振地重复谐振中继器链中较早链路的近场。多个中继器也可以以阵列状配置来配置。在这种场景下，近场发送器可不断延伸超出其原始范围。在示例中，中继器可以与一个或多个接收器和/或与一个或多个中继器建立若干无线耦合链路。在一些实施例中，中继器可以经由单个无线谐振耦合链路向一个或多个中继器和/或一个或多个接收器发送功率。
此外，每个中继器可以被配置为与磁近场和/或电近场耦合。每个中继器也可以被配置为重复磁近场和/或电近场。至少取决于系统的操作状态，中继器可以与各种场类型耦合并且可以重复各种场类型。例如，根据系统的操作状态，每个中继器可以使用至少一个耦合模式与发送器或另一个中继器耦合。因此，每个中继器可以包括共模谐振器、差模谐振器和电感谐振器中的至少一个。可以包括在中继器中的一个或多个谐振器类型可以统称为重复谐振器。
尽管可以使用一个或多个中继器来扩展发送器近场，但是可能存在对通过链接中继器来延伸近场的程度的物理限制。具体地，近场将在一定程度上从一个中继器到下一个中继器衰减，使得由无源中继器产生的每个重复场可能具有比由较早的无源链路产生的重复场稍低或基本上较低的平均能量密度。因此，累积的衰减最终可能导致很少的功率传输或不产生功率传输。
根据示例实施例，由于近场衰减而导致的物理限制可以通过在中继器中包括额外能力来克服。例如，每个中继器可以包括阻抗匹配电路，其可以提高从一个中继器到另一个中继器的功率传输效率。在其他示例中，系统可以通过使用每一个包括独立(次级)电源的有源中继器来减轻近场的衰减。由此，有源中继器可以将额外的功率“注入”到重复的场中。在一个示例实施例中，系统的所有中继器都是有源中继器。在另一个示例实施例中，只有一些中继器是有源中继器，而其他中继器可以是无源中继器。
在示例中，有源中继器可通过将信号增益应用于有源中继器从发送器或另一中继器接收的功率信号来将额外功率“注入”到重复的场中。中继器然后可以将该信号发射到另一个中继器或接收器。在一些实施例中，中继器可以被配置为将预定增益应用于所接收的信号。在其他示例中，系统的控制器可以确定每个有源中继器应用于接收到的信号的增益。例如，控制器可以指示有源中继器应用等于信号传播损耗的增益。因此，负载可以接收与初级电源提供的原始信号具有相同幅度的信号。此外，在这种场景下，每个中继器近场的范围可与发送器近场的范围相似。在其他示例中，有源中继器可以被配置为发射幅度可以大于由发送器发射的信号的幅度的信号。
由于跨链式中继器的累积相位延迟，可能出现下面讨论的另一物理限制。同样如下所述，根据示例实施例，可通过在中继器中引入可调节的相移来实现对相位累积效应的补偿。
D.超材料和相移调节
通常，在中继器与之耦合的近场与由中继器重复的近场之间可能发生相移。具体地，当信号被接收并随后由中继器发射时，可能由于功率信号的传播延迟而发生相移。替代地或另外地，相移可以至少部分地由于发送器和中继器之间的介质(例如，空气)中的电磁波的传播而发生。因此，由给定的中继器产生的每个重复的近场将相对于由较早的中继器产生的振荡相位而移位。但是，如果跨链中的中继器累积的相移接近谐振波长的四分之一，则发送器和中继器链将表现得像辐射天线阵列，从而将功率作为电磁波在天线阵列的远场区域中辐射。这种辐射行为可能导致整体功率损耗和低效的功率输送。
通过在中继器的一些或全部中包括一个或多个相位调节元件，可以抑制或消除由于跨中继器链或阵列的累积相位延迟而引起的辐射损耗。具体地，具有相位调节元件的中继器可以调节其重复的近场的相位。通过适当的相位调节，系统的近场可以被延伸而不成为辐射天线阵列。可以通过集总元件(诸如电感器和电容器)或通过使用超材料或两者来在中继器中提供相位调节。另外地和/或替代地，可以通过可具有电容和/或磁特性的分布式元件来调节相位。
中继器可以包括相位调节元件，其可以被配置为调节磁场和/或电场的相位。如上所述，近场类型可取决于系统的操作状态。例如，系统可以使用电感谐振耦合和/或电容谐振耦合进行操作。由此，由发送器产生并且然后由每个中继器重复的近场可以是磁场(与电感谐振耦合相关联)和/或电场(与电容谐振耦合相关联)。在示例中，在每个中继器中包括的相位调节元件可以包括可操作以调节与每个中继器发射的每个信号相关联的感应磁近场和/或感应电近场的任何电路元件。例如，每个中继器可以包括集总或分布的电抗组件(即电容器和电感器)，其被布置为在重复信号之前和/或重复信号时调节接收到的信号的相位。
在一些实施例中，中继器的相位调节元件可以可操作以改变中继器可耦合的近场的相位。中继器可以随后重新产生相移近场，使得另一个中继器和/或接收器可以与相移近场耦合。更具体地，中继器可以相对于中继器的相应位置处的近场的相位来移位近场的相位。替代地，中继器可以将它所耦合的近场的相位相对于由发送器的发送谐振器产生的振荡场的参考相位来移位。
根据一些实施例，中继器可以包括被配置为与近场耦合并且以有限相移重复近场的超材料。通常，超材料是可具有在自然界中找不到的特性的材料，这是因为它的特性取决于其结构而不是其元素的组成这一事实。作为非限制示例，超材料可以包括开环谐振器。在一些实施例中，超材料可以被配置为具有负的磁导率μ和负的介电常数ε。这种超材料可以具有负折射率，因此可被称为负率超材料(NIM)。材料的折射率可以被定义为光速与材料中的相速度的比值。
因此，入射在NIM上或与NIM耦合的场可以以负相速度折射。因此，NIM可以被配置为调节以其可能耦合的谐振频率振荡的场的相位。在一些实施例中，系统的所有中继器可以包括在谐振频率处具有负磁导率和介电常数的NIM。在其他实施例中，系统的一些中继器可以是NIM，而其他中继器可以是包括集总/分布式电抗组件的中继器。
在示例中，NIM可以被配置为使得材料可以是可调节的，以便至少基于给定的谐振频率可控地移位场(磁和/或电)的相位。如这里所说明的，由于系统的谐振频率可以被动态地调节，中继器可以与在不同频率范围内振荡的场耦合。因此，NIM中继器可以是可调谐的，以便与以不同频率振荡的场耦合并改变其相位。在一些实施例中，NIM中继器可以是有源中继器，其可以将功率“注入”具有移位相位的重复场中。
在示例中，每个中继器可以被配置为调节相位以使得发送信号(即，重复场)的近场与由中继器阵列中的较早链路产生的近场同相(或几乎如此)。因此，每个重复场的相位可以被“锁定”到发送器近场的相位。在这种场景下，相位锁定可以阻止中继器的总电长度接近谐振波长的四分之一。中继器的这种配置可以被称为中继器的“锁相”阵列。
然而，移位系统中的场的相位可以增加系统中的总体无功功率。系统中无功功率的增加可能导致系统中的功率损耗的增加。因此，在一些实施例中，每个中继器可以被配置为将每个重复场的相位调节以确定的量，使得无功功率降低，同时保持阵列中的中继器的总电长度小于谐振的四分之一波长。由此，一些中继器不需要被配置为移位它们各自的重复场的相位，以避免增加系统中的整体无功功率。在一些示例中，系统的控制器可以调节一个或多个中继器的相移元件，以调节系统中的无功功率。系统中无功功率的这种调节可以被视为与可以在常规功率传输系统中发生的功率因子校正类似或相似。
图13(a)和13(b)是根据示例性实施例的在中继器链和每个中继器处的各自重复的近场的相位之间的关系的概念图。举例来说，示出了发送器和五个中继器的链(标记为中继器1-5)。为了说明的目的，示出了由发送器发送的近场的一个全波长1300作为系统的谐振频率。同样作为示例，中继器被以0.1波长的增量从发送器处起放置，使得链中的最后中继器距发送器四分之一波长。由于发送场随距离衰减，波1300不代表发送器场的幅度。而是波1300意在说明以系统的谐振频率振荡的发送器场的波长。
图13(a)示出对于在中继器处不包括相位调节的示例情况由中继器1-5重复的谐振发送器近场。如图13(a)的放大图像1302所示，每个重复场添加到聚集近场，并且因此，当每个中继器重复其与之耦合的场时，表示波的线变粗。此外，每个重复场相对于其之前的场是相移的。因此，在第五中继器处的相移场的聚集接近发送器近场的四分之一波长。因此，如上所述，发送器场和中继器1-5的每个重复场的聚集可以使得发送器和中继器链表现如同辐射天线。因此，功率可以作为电磁波辐射到发送器的远场区域。
图13(b)示出对于现在包括在中继器处进行相位调节的示例情况由中继器1-5重复的谐振发送器近场。如图13(b)所示，每个重复场的相位被相应的中继器相移，以匹配发送器近场的相位。这可以是上述中继器的“锁相”阵列的示例。更重要的是，如图13(b)的放大图像1304所示，相移场的聚集不结合到发送器近场的四分之一波长。因此，发送器和中继器1-5可以不表现如同辐射天线。因此，可以抑制或消除远场辐射。
此外，无源和有源中继器可以包括上述的侧信道通信接口，以便与系统的其他组件(诸如发送器、接收器和中继器)进行通信。例如，有源中继器可以接收来自系统的控制器的指令，该控制器可以位于发送器中，以将特定量的功率“注入”到其重复场中。在示例中，控制器可以基于从包括有源中继器的中继器链的末端处的接收器接收的信息，确定有源中继器的功率注入。
此外，配置为控制场的相位的中继器阵列可以表现为一种集体超材料。如上所述，超材料是可具有在自然界中找不到的特性的材料。由于中继器阵列可以以与重复和/或传播场时发生的自然相移不同的方式来控制相移，所以可以将中继器阵列视为集体超材料。这种中继器阵列可被描述为被配置为通过控制与超材料耦合的场的相位来抑制远场辐射的超材料。
因此，被配置为控制近场的相位的中继器的链或阵列可以被建模为单个超材料元件/单元。例如，单个超材料单元可以在一端与近场发送器耦合。另一方面，接收器可以与由单个超材料重复的相移近场耦合。重复场的相移可以是组成超材料的各个中继器的相移的聚集。在另一个示例中，超材料可以是“锁相的”超材料，使得它重复的近场的相位与发送器的近场的相位相同或几乎相同。
图14示出了示出根据示例性实施例的方法1400的流程图，当其被系统一个或多个中继器重复时，方法1400可以调节来自发送器近场的信号的相位。在一些实施例中，方法1400可以由系统的控制器执行。
如图14的框1402所示，方法1400可以涉及使耦合到发送器的电源以振荡频率提供信号。振荡频率可以是发送器的发送谐振器的一个或多个谐振频率中的一个。如框1404所示，方法1400还包括响应于来自源的信号使发送器发射与发送器近场区域相关联的发送器信号。因此，如框1406所示，该方法还包括使一个或多个中继器中的至少一个接收与相应的第一近场区域相关联的相应的第一信号。此外，该方法包括使一个或多个中继器中的每一个将相应的第一信号的相位移位以指定的量。每个中继器的相应的第一近场区域可以是发送器近场，或者可以是由先前的中继器已重复的近场。
如框1410所示，方法1400可以使一个或多个中继器中的至少一个发射与第二相应近场区域相关联的相应第二信号。第二相应近场区域的范围可以被配置为比第一相应近场更远离发送器。框1412可以包括使一个或多个接收器中的至少一个耦合到至少一个最终中继器中的至少一个。因此，可以在一个或多个接收器中的每一个与至少一个最终中继器中的至少一个之间建立无线谐振耦合链路。由此，框1414可以包括使得发送器经由一个或多个中继器中的至少一个和一个或多个接收器中的至少一个向一个或多个负载中的每一个发送电力。
E.动态无线功率分发系统探测器
谐振无线功率传输可被视为经由一个或多个无线传输“路径”或“链路”的功率传输。除了如本文所述产生用于无线功率传输的振荡场之外，发送器还可发送“探测”信号以确定无线功率传输“路径”和与经由路径(例如，接收器，中继器等)传输的功率进行交互的实体的各种特性。这种探测可以用作无线功率分发系统的电气“电路”特性的动态诊断和分析的工具。
因此，根据示例实施例，发送器可以包括信号发生器等，其被配置为发送一种或多种类型的无线信号，以便确定在无线功率传输可以发生的区域中的传播路径的一个或多个电磁特性，并且进一步帮助区分和/或消除合法接收器与可能的未授权设备和/或寄生负载。更具体地，信号发生器可以产生跨越宽频率范围的测试信号，以便以类似于矢量网络分析仪(VNA)频率扫描的方式提供频率扫描。通过分析发送的信号及其反射的相位和幅度信息，发送器可以因此确定反射实体的电特性以及发送器和反射实体之间的传输路径。
进一步根据示例实施例，发送器可以包括测试信号接收器组件，其被配置为接收并测量所发送的测试信号的反射。与发送器相关联的控制器然后可以通过将所发送的测试信号与其对应的反射进行比较来确定反射实体的一个或多个电磁特性。通过分析所发送的测试信号的反射，可以确定各种传播路径的电磁特性，包括反射实体的存在、距反射实体的电距离和那些反射实体的电磁特性。实践中，可以用反射信号相对于发送(参考)信号的相移或延迟来测量电距离。利用该信息，可以优化合法设备的功率输送，并识别和抑制非法功耗。测量和分析可以连续、定期或偶发进行。
测试信号可以携带幅度和相位信息。进一步根据示例实施例，可以分析两种类型的信息以确定反射实体的特性以及发送器和反射实体之间的传播路径的特性。在示例应用中，测试信号可以被产生为一个或多个频率的连续波，诸如一个或多个连续正弦曲线。具体地，通过随时间连续地或逐步地改变正弦波(或其它形式或连续波)的频率，可以产生扫描频率的测试信号。对于典型的应用，频率可以随时间线性地变化，使得频率扫描类似于频率随时间的斜坡(或阶梯)。例如，该扫描可以不时地重复。扫描信号的反射可以由测试信号接收器测量，并以类似于用矢量网络分析仪进行的频率扫描的方式进行分析。例如，反射的扫描信号可以显示与到反射实体的电距离对应的依赖于频率的相位延迟、以及由与反射实体的依赖于频率的交互引起的相位延迟。
在替代示例应用中，测试信号可以是时间脉冲调制的。利用这种布置，反射可以对应于单独反射的脉冲。再次，反射信号可以由测试信号接收器测量。脉冲信号及其反射的测量可用于飞行时间分析和/或其他测距技术。单频连续波测试信号、频率扫描测试信号和脉冲测试信号是可用于探测发送器的无线功率传输区域的电特性的测试信号类型的非限制示例。
例如，通过分析测试信号及其反射确定的电磁特性可以包括阻抗和导纳。反射实体可以包括接收器(合法的和未经授权的)、中继器、寄生负载以及其他可以与电场和/或磁场电相互作用的接收器。在示例实施例中，可以使用来自测试脉冲及其各自反射的相位和幅度信息的分析来确定阻抗源的电“位置”。例如，可以使用反射的依赖于频率的特性和被测量的相位延迟来绘制出沿着传播路径的电特性。这可以被看作类似于VNA如何沿传输路径来定位短线、抽头或短路。在经由振荡场进行无线功率输送的情况下，测试信号可以提供如无线功率输送区域中映射出的实体的一种虚拟“电路图”。
根据示例实施例，通过频率扫描提供的虚拟电路图可以用在系统的虚拟电路模型中，以增强模型的准确性并帮助识别合法的接收器。作为示例，由于检测的反射，中继器可沿着传播路径表现为“跳跃”。例如，然后可以使用相位延迟，以依据到路径阻抗的不连续性的电路距离确定中继器的位置。在示例实施例中，将系统映射到一个或多个频率扫描可以作为系统初始化的一部分来执行并且不时地重复以更新映射。然后可以使用初始映射将电路位置与各个接收器关联(因为它们使其存在已知)(例如，认证、请求功率等)。
在示例系统中，可以使用来自频率扫描的相位延迟和幅度的分析来测量接收器的阻抗和耦合常数。该信息还可以被输入到系统的虚拟电路模型，以提高在功率传输的操作谐振频率处推导的耦合常数的准确度，并由此进一步优化功率传输。
进一步根据示例实施例，可以使用频率扫描测试信号及其来自接收器的反射，以确定到接收器的中继器跳跃的数量。这又可以用来区分已知为远离发送器的特定数量的接收器跳跃的合法接收器和被确定为相距不同跳跃数量的另外明显相似的未授权的接收器。例如，如果频率扫描的分析指示存在具有相同(或几乎相同)阻抗的多于一个的接收器，那么这些接收器仍然可以通过到各个接收器的相应中继器跳跃数来消除歧义，这也可以从测试信号和反射的分析确定。如上所述，被确定处于未被识别的跳跃数的接收器因此可以被认为是未经授权的接收器，在这种情况下，发送器可以采取措施来防止功率传输。
根据示例实施例，发送器的控制器可以执行对发送和反射的测试信号的分析，其包括连续波信号、频率扫描信号和时间脉冲调制信号等。具体地，控制器可以控制信号发生器以产生指定类型的测试信号。控制器还可以控制测试信号接收器，其被配置为检测一个或多个反射并且将它们与对应的被发送的测试信号相关联。控制器还可以执行发送和反射的信号的一个或多个分析以确定上述各种特性和结果。
在示例中，当元件被添加到系统或从系统移除时，控制器可以使用本文描述的测试信号来优化或以其他方式调节无线功率传输。在一些实施例中，系统可以合并便携式和/或非静态中继器来延伸发送器的范围。例如，可将便携式中继器添加到系统中以便增加发送器在特定方向上的范围。在本文描述的认证处理之后，控制器可以使用频率扫描或其他形式的测试信号来探测系统的环境，以便确定所添加的传播路径的一个或多个电磁特性。
此外，如上所述，中继器可以包括可调节的相位元件。在确定可包括中继器的传播路径的特性之后，控制器可以相应地向指示其操作的中继器发送指令。在示例中，控制器可以调节中继器的相位调节元件。在其他示例中，如果中继器是有源中继器，则控制器还可以确定中继器可能想要注入到其重复场中的功率量。
与上述使用测试信号有关的操作可以作为通过发送器的一个或多个处理器的方法来实现。具体地，发送器可以包括发送谐振器，被配置为将来自电源的功率耦合到由以谐振频率谐振的发送谐振器产生的振荡场中。如上所述，振荡场可以是振荡电场、振荡磁场或两者。示例方法1600以图16中的流程图的形式示出。
在步骤1602，发送器的信号发生器以一个或多个频率发送一个或多个电磁测试信号。根据示例实施例，发送的测试信号将携带相位和幅度信息。
在步骤1604，发送器的测试信号接收器从一个或多个反射实体接收被发送的测试信号中的任何给定一个的反射。举例来说，反射实体可以是中继器或接收器。与给定的发送的测试信号一样，反射将携带相位和幅度信息。
在步骤1606，发送器的处理器基于对给定的发送测试信号和相应的反射的分析来确定反射实体的一个或多个电磁特性。具体地，可以在方程组中分析给定的发送的测试信号及其对应反射的相位和幅度信息，以确定诸如反射实体的阻抗和/或给定发送的测试信号及其反射所遵循的传播路径的特征阻抗的特性。
应该理解，这里描述的方法1600的步骤或框仅用于示例的目的。由此，本领域的技术人员将认识到，可以替代地使用其他布置和其他元件(例如，机器、接口、功能、顺序和功能分组等)，并且根据所期望的结果可以一并省略一些元件。此外，所描述的许多元件是功能实体，其可以以分立或分布式组件的形式实现，或者以任何合适的组合和位置与其他组件相结合地实现。
F.示例应用
本文描述的示例无线功率输送系统可以可操作为向“物联网”的任何数量的设备、系统和/或元件提供功率。物联网可以包括各种配置和/或布置的任何数量或组合的设备。具体地，一个或多个发送器和可选的一个或多个中继器可以在空间上组织，以在给定区域、地域、范围、容积或其他空间范围内提供谐振振荡场。作为接收器的其他设备可以各自包括接收谐振器，使得它们可以在位于空间范围内时可操作地耦合到这些谐振振荡场。在这种场景下，每个设备可以可操作地经由谐振振荡场接收功率，并且可以向一个或多个负载提供功率。
示例实现方式可以提供家庭无线功率输送系统。例如，家庭电器和其他电动家庭设备可以被配置为从位于整个家庭的发送器和中继器接收功率。
在这种场景下，无线功率输送系统可以增加使用电动设备的便利性。作为示例，设备的使用不需要限于家庭附近可以接入有线电源的地方(例如壁式插座)。另外，家庭可以动态地重新配置，因为具有不同功能的设备可以容易地重新定位在家庭空间中，而不需要新的有线功率连接。
在一些实施例中，至少是因为无线功率的传送不需要取决于到壁式插座、电插板或延长线的固定数量的物理连接，可以在家庭中供电更多数量的电动设备。而是，无线功率输送系统可以被配置为向大量设备(例如，数百或数千个设备或更多)提供功率。此外，无线功率输送系统可以被配置为更容易适应升级。与在家庭中增加壁式插座和安装电气导管相比，升级到无线功率输送系统可包括空中软件更新。在这种场景下，软件更新可以使得无线功率输送系统能够通过改进的时域复用向更多数量的设备提供无线功率。其他升级类型、功能和/或用途也是可能的。
本文考虑的无线功率输送系统可以提供提高的家庭自动化而无需大量布线。例如，家庭无线功率输送系统可以向自动窗户、窗户护理、门和/或锁的系统提供功率。而且，家庭无线功率输送系统可以被配置为适应每个房间中的房间恒温器和其他环境监测设备。另外，家庭无线功率输送系统可以可操作为延伸到外部区域。例如，向外部区域的无线功率输送可以包括向自动庭院喷洒器、室外照明、户外照相机、安全设备和/或运动、加热或其他传感器提供电力。此外，家庭无线功率输送系统可允许控制装置(例如，用于自动化设备的控制面板)在整个家庭中灵活地和/或可移动地方便地定位。
如上所述，示例无线功率输送系统可以被配置为检测和识别本地接近度内的各种接收器。例如，家庭无线功率输送系统可以被配置为定位与其谐振耦合的家庭物品。此外，定位家庭物品的能力不必限于从无线功率输送系统接收功率的电动设备。例如，如果非电动设备(诸如钥匙、工具、器具和衣服)可以包括可以由无线功率输送系统识别的特征标签，则也可以定位这些物体。例如，物体可以合并RFID标签，可以具有特征RF阻抗，或者可以包括如本文其他地方所述的接收谐振器。其他类型的标签或定位设备可以被合并到物体中以便经由无线功率输送系统找到它们。
与电池供电的设备相比，家庭无线功率输送系统可以向设备提供连续的功率而不需要电池或另一种类型的能量存储设备。例如，接收无线功率的机器人真空清洁设备可以在家庭空间内连续移动，而不需要更换电池或对电池再充电。
在另一示例实现方式中，考虑了医院无线功率输送系统。电动医疗设备可以被配置为从位于整个医院的发送器和/或中继器接收功率。医院无线功率输送系统可以提供类似于上述家庭无线功率输送系统的优点。例如，医疗设备和其他设备可以容易地和方便地在医院内移动，而不需要新的有线电源连接。另外，无线功率输送系统可以用于定位耦合到无线功率输送系统的谐振振荡场的医院物品。特别地，手术物品可以包括具有可由无线功率输送系统检测的接收谐振器和/或特征阻抗的标签。在这种场景下，定位手术物品可有助于确保在关闭体腔之前没有在手术部位无意地留下任何东西。
目前，诸如电话、计算机平板电脑、膝上计算机和手表的便携式电子设备的使用可能受到其可再充电电池电量的程度或对固定壁式插座的访问的限制。此外，再充电处理通常需要将电源连接器连接到便携式电子设备并从中拆卸。重复使用电源连接器可能会导致磨损和损坏便携式电子设备。
一些便携式电子设备可以采用传统的无线功率输送系统。然而，如上所述，这种常规系统中的耦合因子k必须维持在足够高的水平以建立有效的功率传输。换句话说，便携式电子设备必须位于紧邻发送器并且相对于发送器精确定位的位置。在传统的无线功率输送系统中，发送器通常必须能够访问固定的壁式插座。由此，与也需要接入固定壁式插座的有线再充电相比，传统的无线功率输送系统仅仅消除了将功率连接器物理连接到便携式电子设备的需要，并且不提供使用便携式电子设备的另外的位置自由度。
因此，在又一示例实现方式中，无线功率输送系统可以用于公共空间(诸如机场、汽车、飞机、火车、公共汽车等)中，以便于允许便携式电子设备被再充电和/或无线供电。便携式电子设备可以包括可以耦合到无线功率输送系统的接收谐振器。在一些情况下，当便携式电子设备进入这些公共空间中的一个时，充电处理可自动发生而无需用户动作。也就是说，便携式电子设备可以自动地耦合到设备附近的无线功率输送系统。在其他情况下，便携式电子设备可能需要经由无线功率账户注册和/或可能需要在从无线功率输送系统接收功率之前进行认证。在一些场景下，无线功率账户可以是可以与可以为便携式电子设备提供蜂窝(例如语音通信)和/或数据服务的无线通信网络相关联的付费账户。
在进一步的示例实现方式中，可以采用本公开的方面来无线地组装模块化计算机组件。如图15所示，计算机系统1500包括多个模块化计算机组件，其可以包括计算机处理单元/主逻辑板(CPU/MLB)1502a、图形处理单元(GPU)1502b、一个或多个硬盘(HD)1502c、辅助光学读/写(R/W)设备1502d和广域网(WAN)卡1502e。在其他实施例中，计算机系统1500可以包括其他/附加的计算机组件。
GPU 1502b、HD 1502c、R/W设备1502d和网卡1502e可以通信地耦合到CPU/MLB1502a。通过与计算机组件1502b-e交换数据和其他信号，CPU/MLB 1502a可以集中控制计算机组件1502b-e。为了建立这样的通信，组件1502a-e可以包括各自的无线通信接口1504a-e，如图15所示。例如，无线通信接口1504a-e可以建立射频(RF)通信(例如，60GHz RF)和/或计算机组件1502a-e之间的光学自由空间通信。
计算机系统1500还包括无线功率输送系统以向组件1502a-e供电。具体地，一个或多个发送器1510(以及可选的一个或多个中继器)在空间上被组织以在被定义的空间界限1501内提供谐振振荡场。空间界限1501例如可以与计算机桌面/塔的硬壳体的内部空间对应。每个发送器1510可以耦合到电源1520并且可以包括发送谐振器1516以产生谐振振荡场。计算机组件1502a-e各自可以包括被配置为耦合到谐振振荡场的相应的接收谐振器1506a-e。当位于空间界限1501内时，每个计算机组件1502a-e可以经由谐振振荡场接收功率以执行其各自的功能。在一些实施例中，发送器1510可以与CPU/MLB 1502a集成以进一步集中控制计算机系统1500。
通过建立无线通信和接收无线功率，空间界限1501内的计算机组件1502a-e可以一起作为计算机来运行。有利地，计算机系统1500的无线配置消除了对连接计算机组件1502a-e的硬连线连接(例如，线束)的复杂系统的需要。另外，无线配置便于例如从计算机硬壳安装和移除计算机组件1502a-e。由此，计算机组件1502a-e可以容易地维护、修理和/或更换。计算机系统1500也可以通过将额外的计算机组件(诸如附加硬盘1502c)放置在空间界限1501中而不设置任何硬连线连接来升级。在一些实施例中，CPU/MLB 1502a可以经由无线通信来检测新的计算机组件的存在，并且因此将新的计算机组件合并在计算机系统1500的操作中。
如上所述，无线功率输送系统可以使用侧信道通信来协调功率传输的多个方面。由此，每个发送器1510还可以包括无线通信接口1514以与充当接收器的计算机组件1502a-e中的每个通信。换句话说，通信接口1504a-e也可以用于提供与发送器1510的侧信道通信。
如计算机系统1500所示，通过采用无线功率输送系统以及无线通信，可以根据模块化方法来组装组件系统。因此，在又一示例实现方式中，计算机数据中心可以采用发送器和中继器的系统来允许计算机服务器被实现为模块化组件。只要它们位于计算机数据中心内，服务器就可以接收功率。另外，可以使用无线通信(例如自由空间光通信)来允许服务器之间的数据交换。无线功率输送系统和无线通信允许服务器容易地部署到计算机数据中心，无需建立有线功率和有线网络连接。服务器可以很容易地维护、修理和/或更换。另外，这些服务器可以在计算机数据中心的空间中以更大的自由度进行组织。尽管发送器可以接收有线功率，但是服务器不限于可以接入有线功率和/或有线网络连接的位置。
因为计算机数据中心使用较少的有线功率和较少的有线网络连接，所以计算机数据中心的物理设计可以更加强调其他设计考虑或特征。例如，物理设计可以提供更优化的热管理。替代地，物理设计可聚焦于降低建设或实施计算机数据中心的成本。
G.移动功率输送系统
一些设备可以在固定谐振无线电源的范围之外操作。在一些情况下，在接收器操作或需要操作的位置提供固定发送器可能不切实际或困难。示例包括现场设备，诸如移动输送/运输车辆、远程通信设备、以及固定电源不可用的远程位置的设备集群。
根据示例实施例，用于谐振无线功率输送的系统可以包括作为混合发送器/接收器(TX/RX)的移动节点或设备，其被配置为移动、行进或“通勤”到远程接收器并基于本文描述的技术无线地输送功率。更具体地，混合TX/RX设备可以包括具有发送器功能的发送器组件(TX)、具有接收器功能的接收器(RX)组件、以及用于存储用于向接收器供电的功率(例如，电池)的功率存储器。功率存储器还可以充当用于混合TX/RX设备的各种功能的电源，包括但不限于移动性(通勤)、通信、控制和处理。TX/RX设备可以被配置在自主无人驾驶车辆中，其可操作以在一个或多个固定发送器与可以主控一个或多个远程接收器的一个或多个指定位置之间行进。在一个或多个远程接收器的位置中，TX组件可用于将功率从功率存储器无线地传输到一个或多个远程接收器。在固定发送器的位置，RX组件可以被配置为经由无线功率传输来接收功率，并且使用所接收的功率来至少部分地补充(例如，再填充和/或再充电)功率存储器。
在示例实施例中，混合TX/RX设备可以包括高密度存储的电源，诸如液体燃料或燃料电池。该源可以与可补充功率存储器分开。高密度存储的电源可用于为混合TX/RX设备的操作供电和/或为对接收器的无线功率传输提供功率。
自主无人驾驶车辆可以采取各种形式和模式的移动性。非限制示例包括无人驾驶飞行器(UAV)、无人地面车辆(UGV)和无人驾驶船舶(UMV)。UAV的非限制示例是配置用于在位置之间空中飞行并悬停在各个位置处的多飞行器。UGV的非限制示例是机器人轮式车辆，被配置用于在位置之间驾驶并且在各个位置“停车”。UMV的非限制示例是机器人表面船，被配置用于在位置之间的水体(例如，海洋、湖泊、河流等)的表面上行进并在各个位置处漂浮在表面上。UMV也可以是机器人潜艇。在一些示例中，自主无人驾驶车辆可能不一定停放或悬停在某个位置，而是仅仅被该位置“驱动”，可能以与行进到该位置或在位置之间的速度相比减速。
此外，自主无人驾驶车辆可以是完全自主的或半自主的。例如，完全自动化的车辆可以被配置为在没有人类辅助或干预的情况下操作，除了例如可能在操作之前加载或安装指令时的人类动作之外。部分自主式车辆可以被配置用于在一定程度的人类辅助或干预下操作，诸如远程或局部控制车辆的操作中的至少一些。除非另有规定或从上下文中明显可见，否则术语“自主式无人驾驶车辆”在本文中将被认为是指完全和部分自主的无人驾驶车辆。
在示例实施例中，自主无人驾驶车辆可以是UAV。这里，术语“无人驾驶飞行器”和“UAV”是指能够在没有物理存在的人类驾驶员的情况下执行一些功能的任何自主或半自主车辆。飞行相关功能的示例可以包括但不限于感测其环境或在空中运行，而不需要来自操作员的输入等。本文使用的术语“飞行器”(有人或无人驾驶)是指被配置用于飞行的车辆，并且取决于上下文，在飞行期间或当飞行器不飞行时适用。术语“空中交通工具”(有人或无人驾驶)是指飞行中(或在飞行期间)的交通工具(诸如飞行器)。
UAV可以是自主的或半自主的。例如，一些功能可以由远程操作人员来控制，而其他功能则可以自主执行。此外，UAV可以被配置为允许远程操作员接管否则可以由UAV自主地控制的功能。更进一步地，给定类型的功能可以在一个抽象等级上被远程控制，并且在另一个抽象等级上自主执行。例如，远程操作员可以例如通过指定UAV应该从一个位置行进到另一个位置(例如，从美国Anytown的123Main Street到美国Anytown的987First Avenue)，控制UAV的高级导航决策，而UAV的导航系统可以自主控制更为细粒度的导航决策，诸如两个位置之间采取的特定路线、实现该路线的特定飞行控制以及在沿该路线航行时避开障碍等等。其他示例也是可能的。
UAV可以具有各种形式。例如，UAV可以采取旋翼飞行器的形式，诸如直升机或多旋翼飞行器、固定翼飞机、喷气式飞机、导管式风扇飞机、轻于空气的飞船(如飞艇或可操纵气球)、尾翼飞机、滑翔机和/或直升机等等。此外，术语“无人机”、“无人驾驶飞行器系统”(“UAVS”)或“无人航空系统”(“UAS”)也可以用于指UAV。
图17是根据示例实施例的UAV的简化图示。具体地，图17示出了通常被称为多旋翼飞行器的旋翼飞行器1700的示例。多旋翼飞行器1700也可以称为四旋翼飞行器，因为它包括四个旋翼1710。应该理解的是，示例实施例可以涉及具有比多旋翼飞行器1700更多或更少的旋翼的旋翼飞行器。例如，直升机通常具有两个旋翼。具有三个或更多个旋翼的其他示例也是可能的。这里，术语“多旋翼飞行器”是指具有多于两个旋翼的任何旋翼飞行器，并且术语“直升机”是指具有两个旋翼(例如主旋翼和尾翼)的旋翼飞行器。
更详细地参考多旋翼飞行器1700，四个旋翼1710为多旋翼飞行器1700提供推进和可操纵性。更具体地，每个旋翼1710包括附接到马达1720的叶片。如此构造，旋翼可允许多旋翼飞行器1700垂直起降，在任何方向操纵，和/或悬停。此外，叶片的桨距可以作为一组和/或有差别地进行调节，并且可以允许多旋翼飞行器1700执行三维空中操纵，例如上下颠倒的悬停，连续的尾下“滴答”、循环、具有皮鲁埃特旋转的循环、具有皮鲁埃特旋转的转体、侧飞(knife-edge)、殷麦曼翻转、俯冲(slapper)和行进翻转等等。当调节所有叶片的桨距以执行这种空中操纵时，这可以被称为调节多旋翼飞行器1700的“集体俯仰”。桨距调节对于在旋翼和/或传动系中具有大量惯性的旋翼飞行器特别有用，但不限于这种旋翼飞行器。
另外地或替代地，多旋翼飞行器1700可以共同地或差异地推进和操纵它们自身并且调节电动机的旋转速率。该技术对于在电动机和/或旋翼系统中具有低惯性的小型电动旋翼飞行器可能特别有用，但不限于这种旋翼飞行器。
多旋翼飞行器1700还包括具有铰接盖1735的中央外壳1730。中央外壳可以包含例如控制电子设备，诸如惯性测量单元(IMU)和/或电子速度控制器、电池、其他传感器和/或有效载荷等等。
说明性多旋翼飞行器1700还包括起落架1740以协助控制起飞和着陆。在其他实施例中，多旋翼飞行器和其他类型的无起落架的UAV也是可能的。
在另一方面，多旋翼飞行器1700包括旋翼保护器1750。这种旋翼保护器1750可以用于多种目的，诸如如果多旋翼飞行器1700偏离物体太近而保护旋翼1710免受损坏、保护多旋翼飞行器1700结构不受损坏、并且保护附近的物体免受旋翼1710损坏。应该理解的是，在其他实施例中，多旋翼飞行器和其他类型的无旋翼保护器的UAV也是可能的。此外，在不脱离本发明的范围的情况下，不同形状、尺寸和功能的旋翼保护器是可能的。
多旋翼飞行器1700可以通过控制它的俯仰、滚转、偏航和/或高度来控制其运动的方向和/或速度。为此，多旋翼飞行器1700可以增加或减少旋翼1710旋转的速度。例如，通过保持三个旋翼1710的恒定速度并降低第四旋翼的速度，多旋翼飞行器1700可以取决于哪个马达的速度降低而向右滚动、向左滚动、向前俯仰或向后俯仰。具体地，多旋翼飞行器可以以降低的速度在马达的方向滚动。作为另一个示例，同时增加或减少所有旋翼1710的速度可以导致多旋翼飞行器1700分别增加或降低其高度。作为又一个示例，增加或减少沿相同方向转动的旋翼1710的速度可以导致多旋翼飞行器1700执行向左偏航或向右偏航的移动。这些只是通过独立或共同调节RPM和/或旋翼Y10旋转的方向可以实现的不同类型的运动的一些示例。
图18是根据示例实施例的UAV的简化图示。具体地，图18示出了尾座式UAV 1800的示例。在所示示例中，尾座式UAV 1800具有固定的翼部1802以提供升力并允许UAV水平滑动(例如，沿着x轴，在大致垂直于图18所示位置的位置)。然而，固定翼1802还允许尾座式UAV1800自行起飞并垂直着陆。
例如，在发送场地，尾座式UAV 1800可垂直定位(如图所示)，其中尾翼部1804和/或侧翼部1802搁置在地面上并使UAV在垂直位置稳定。然后可以通过操作螺旋桨1806来产生向上的推力(例如，大致沿着y轴的推力)，从而使尾座式UAV 1800起飞。一旦处于合适的高度，尾翼1800可以使用其护翼1808将其自身重新定向在水平位置，使得机身1810与y轴相比更接近x轴。水平放置时，推进器1806可以提供向前的推力，使得尾翼UAV 1800可以以与典型的飞机相似的方式飞行。
所示的尾座式UAV 1800的变化是可能的。例如，带有更多或更少螺旋桨的尾座式UAV或使用管道风扇或多个管道风扇的UAV也是可能的。此外，具有更多机翼(例如具有四个机翼的“x翼”配置)、具有更少机翼、或者甚至没有机翼的不同机翼配置也是可能的。更一般地，应该理解的是，其他类型的尾座式UAV和所示的尾座式UAV 1800的变型也是可能的。
如上所述，除了或替代多旋翼飞行器，一些实施例可以包括其他类型的UAV。例如，图19A和19B是根据示例实施例的其他类型的UAV的简化图示。
具体地，图19A示出了固定翼飞行器1900的示例，其也可以被称为普通飞机、飞行器或简单的飞机。顾名思义，固定翼飞机1900具有基于机翼形状和交通工具的前空速产生升力的固定翼1902。这种机翼配置不同于通过围绕固定桅杆的旋转旋翼产生升力的旋翼飞机的配置、以及通过拍动翼部产生升力的扑翼飞机配置。
图19A描绘了用于固定翼飞行器1900中的一些常见结构。具体地，固定翼飞机1900包括机身1904、具有翼型横截面以产生空气动力的两个水平翼1902、用于稳定飞机的偏航(左转或右转)的垂直稳定器1906(或翼片)，稳定俯仰(向上或向下倾斜)的水平稳定器1908(也称为升降器或水平尾翼)、起落架1910和推进单元1912年，其可以包括电机、轴和螺旋桨。
图19B示出了推进器配置中具有螺旋桨的飞机1950的示例。术语“推进器”指的是推进单元1958安装在飞机的后部并且向前推动交通工具这一事实，这与推进单元安装在飞机的前部相反。类似于图19A所提供的描述，图19B描绘了在推进器平面中使用的常见结构：机身1952、两个水平翼1954、垂直稳定器1956和推进单元1958，其可以包括马达、轴和螺旋桨。
可以使用各种类型的发射系统(其也可以被称为部署系统)以各种方式发射UAV。发射UAV的一个非常简单的方法是手动发射。为了执行手动发射，用户握住飞机的一部分(优选远离旋转旋翼)，并且将飞机抛入空中，同时对推进单元节流以产生升力。
不是使用其中发射交通工具的人员承受快速旋转的螺旋桨的风险的手动发射过程，而是可以使用固定或移动发射站。例如，发射系统可以包括支撑体、有角度和倾斜的导轨、以及止回器。飞机开始于将发射系统固定在有角度和倾斜的导轨上，并通过充分提高螺旋桨的速度以产生沿发射系统倾斜的前空速而发射。在有角度和倾斜的导轨末端，飞机可以有足够的空速产生升力。作为另一个示例，发射系统可以包括轨道枪或炮，其中的任一个都可以通过将UAV推进飞行来发射UAV。这种类型的发射系统可以快速发射UAV和/或可以远距离朝向UAV的目的地来发射UAV。也可以使用其他类型的发射系统。
在一些情况下，可能不存在用于UAV的单独的发射系统，因为UAV可以被配置为发射它自己。例如，“尾座式”UAV通常具有提供升力并允许UAV滑翔的固定机翼，但也被配置为自行起飞和垂直着陆。自发射UAV的其他示例也是可能的。
根据示例实施例，移动TX/RX设备可行进到否则超出任何其他固定发送器的范围的接收器的位置。在该位置，移动TX/RX设备然后可将其自身定位得足够靠近接收器，使得接收器可耦合到由移动TX/RX设备的TX组件产生的振荡场。例如，移动设备可以根据其谐振波长来确定合适的接近距离。它也可以使用距离检测器(诸如激光器)确定与接收器的距离。另外地或替代地，如上所述，它可以以发送测试脉冲的模式使用测试信号发生器，并且基于来自接收器的反射来测量往返延迟。一旦移动TX/RX设备确定其足够接近接收器，其可以根据上述技术从其功率存储器(例如，电池)向接收器开始无线地传输功率。
在示例实施例中，移动TX/RX设备可以行进到发送器的位置。在该位置，移动TX/RX设备可以将其自身定位得足够靠近发送器，使得其RX组件可以耦合发送器的振荡场。移动设备可以使用距离检测器(诸如激光器)来确定到发送器的距离。另外地或替代地，如上所述，它可以以发送测试脉冲的模式使用测试信号发生器，并且基于来自发送器的反射来测量往返延迟。一旦移动TX/RX设备确定它与发送器足够接近，其可以根据上述技术请求无线功率。它可以使用所接收的无线功率为其自己的操作(例如，飞行或驾驶)供电和/或补充其功率存储器(例如，对电池进行再充电)以用于随后向一个或多个远程接收器输送无线功率。
在示例实施例中，移动TX/RX设备可以包括被配置用于从远场波束发送器接收功率的远场接收器。远场波束发送器的非排他性示例包括微波发送器和激光发送器。在任一示例中，功率可以以足以补充功率存储器的水平无线地发送到远场接收器。当远场发送器和远场接收器之间的视距路径可用时，可以使用远场波束功率。
以上描述的与移动TX/RX设备有关的操作可以作为移动TX/RX设备的一个或多个处理器的方法来实现。具体地，更一般地称为移动无线功率输送设备(MWPD)的移动TX/RX设备可包括自主移动交通工具、电源和发送器设备，所述发送器设备包括发送谐振器，被配置为将来自电源的功率耦合到由在第一谐振频率谐振的发送谐振器产生的第一振荡场中。MWPD还可以包括接收器设备，该接收器设备包括接收谐振器，被配置为响应于位于由除MWPD的发送器设备之外的电源发送器所产生的第二振荡场中而以第二谐振频率谐振。此外，响应于以第二谐振频率谐振的接收谐振器，接收器设备可将第二振荡场的至少一部分功率传输到电源的可再充电组件。第一和第二振荡场各自可以是振荡电场、振荡磁场或两者。图20中以流程图的形式说明了示例方法。
在步骤2002，MWPD的控制器使自主车辆移动到足够接近远程接收器的第一位置，以使远程接收器与第一振荡场耦合。步骤2004包括控制器使得自主车辆经由第一振荡场将功率传输到远程接收器。
在步骤2006，MWPD的控制器使自主交通工具移动到足够靠近电源发送器的第二位置，以使接收器设备与第二振荡场耦合。步骤2008包括使自主交通工具经由第二振荡场从电源发送器接收功率。
应该理解的是，本文仅出于示例的目的描述了方法2000。由此，本领域的技术人员将认识到，可以替代地使用其他布置和其他元件(例如，机器、接口、功能、顺序和功能分组等)，并且根据所期望的结果可以一并省略一些元件。此外，所描述的许多元件是功能实体，其可以以分立或分布式组件的形式实现，或者以任何合适的组合和位置与其他组件相结合地实现。
图21描绘了根据示例实施例的MWPD 2100的简化框图。如图所示，MWPD 2100包括代表性的自主交通工具2102，其实践中可以构成用于MWPD 2100的其他组件中的一些或全部的物理平台。MWPD 2100还包括电源2104、发送器2106和接收器2108。举例来说，这些组件被描绘为通过总线2112连接，该总线2112可以支持组件之间的通信以及MWPD 2100的电源和/或其它操作方面。虽然在图21中未示出，但是MWPD 2100可以包括用于执行其他任务的有效载荷。
通过示例的方式，图21还包括代表性远程接收器2114(其包括接收器负载)以及包括其自己的电源的代表性固定发送器2116。通过表示MWPD 2100在固定发送器2116和远程接收器2114之间的行进的运动箭头2117，概念性地示出诸如上面描述和结合图20讨论的示例操作。当在固定发送器2116的位置处时，MWPD 2100的接收器2108可以经由由固定发送器2116产生的振荡场2115来无线地接收功率。所接收的功率可以用于为MWPD 2100的操作供电并且可以用于对MWPD 2100的电源2104进行再充电或补充。当在远程接收器2114的位置处时，MWPD可以经由由MWPD 2100的发送器2106产生的振荡场2113，无线地向远程接收器输送功率。将理解的是，图21的简化框图和简化的示例操作描述旨在用于说明目的。
III.结论
虽然本文已经公开了各个方面和实施例，但是其他方面和实施例对于本领域技术人员而言将是显而易见的。这里公开的各个方面和实施例是为了说明的目的而提供的，并非旨在进行限制，真正的范围由以下权利要求书指出。

Claims (20)

1.一种用于无线功率传输的系统，包括：
发送器，包括：
发送谐振器，被配置为将来自电源的功率耦合到通过以振荡频率谐振的发送谐振器以参考相位产生的振荡场中，所述振荡场是振荡电场或振荡磁场中的至少一个；
一个或多个中继器，每个中继器位于相应的位置，每个中继器包括：
重复谐振器，被配置为响应于耦合到相应位置处的振荡场而以振荡频率谐振；
其中，所述一个或多个中继器中的每一个被配置为响应于重复谐振器以所述振荡频率谐振，以相对于所述相应位置处的相位的相移重新产生所述振荡场，
并且其中，在所述相应位置处的振荡场是以下中的至少一个：由发送谐振器产生的振荡场或由所述一个或多个中继器中的不同中继器重新产生的振荡场；以及
至少一个接收器，所述至少一个接收器包括：
接收谐振器，被配置为响应于耦合到所述振荡场而以振荡频率谐振，
其中，所述至少一个接收器被配置为响应于所述接收谐振器以所述振荡频率谐振，将所述振荡场的功率的至少一部分传输到与所述至少一个接收器相关联的负载。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述发送谐振器被配置为通过将来自所述电源的功率耦合到所述振荡场的非辐射近场区域中，将来自所述电源的功率耦合到所述振荡场中。
3.如权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个中继器形成中继器的聚集阵列。
4.如权利要求3所述的系统，其中，所述中继器的聚集阵列包括超材料，所述超材料被配置为抑制处于所述振荡频率的电磁辐射。
5.如权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个中继器中的至少一个是超材料中继器。
6.如权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个中继器中的至少一个是有源中继器，其中，所述有源中继器包括次级电源，其中，所述次级电源被配置为将相应的增益应用于所述振荡场。
7.如权利要求1所述的系统，其中，所述系统还包括：
控制器，被配置为：
确定所述一个或多个中继器中的至少一个的相应相移；以及
至少基于所确定的相移来调节所述一个或多个中继器中的所述至少一个的相移元件。
8.如权利要求1所述的系统，其中，所述发送谐振器包括以下中的至少一个：发送电感器或至少一个发送电容器，并且
其中，一个或多个重复谐振器包括以下中的至少一个：重复电感器或至少一个重复电容器，并且
其中，至少一个接收谐振器包括以下中的至少一个：接收电感器或至少一个接收电容器。
9.如权利要求8所述的系统，其中，所述发送电感器、至少一个发送电容器、重复电感器、至少一个重复电容器、接收电感器、以及至少一个接收电容器中的一个或多个是分布式元件。
10.如权利要求8所述的系统，其中，所述发送谐振器被配置为以一个或多个发送器谐振频率谐振，其中，所述一个或多个发送器谐振频率至少包括所述振荡频率，并且
其中，所述一个或多个重复谐振器中的每一个重复谐振器被配置为以一个或多个中继器谐振频率谐振，其中，所述一个或多个重复谐振器中的至少一个的一个或多个中继器谐振频率至少包含所述振荡频率，以及
其中，所述至少一个接收谐振器被配置为以一个或多个接收器谐振频率谐振，其中，所述一个或多个接收器谐振频率包含至少一个重复谐振器的所述一个或多个中继器谐振频率中的至少一个。
11.如权利要求1所述的系统，所述系统的操作模式包括三种耦合模式中的至少一个，其中，所述三种耦合模式是电容公共模式、电容差分模式和电感模式。
12.如权利要求1所述的用于无线功率传输的系统，其中，所述重新产生的振荡场以所述振荡频率振荡。
13.一种用于无线功率传输的方法，包括：
将来自电源的功率耦合到通过以振荡频率谐振的发送谐振器以参考相位产生的振荡场中，所述振荡场是振荡电场或振荡磁场中的至少一个；
响应于耦合到相应位置处的振荡场，使得一个或多个中继器中的各自在所述相应位置处的每一个的相应重复谐振器以振荡频率谐振；
指定相对于每个相应位置处的振荡场的相位的相应相移；
响应于相应重复谐振器以所述振荡频率谐振，通过所述一个或多个中继器中的每一个重新产生所述振荡场，其中，所述振荡场在所述相应位置处用所指定的相移重新产生，
并且其中，在所述相应位置处的振荡场是以下中的至少一个：由发送谐振器产生的振荡场或由一个或多个中继器中的不同中继器重新产生的振荡场；
响应于至少一个接收器的相应接收谐振器耦合到在所述至少一个接收器的位置处的振荡场，使所述相应接收谐振器以所述振荡频率谐振；以及
响应于所述至少一个接收器的相应接收谐振器以所述振荡频率谐振，将所述振荡场的功率的至少一部分传输到与所述至少一个接收器相关联的负载。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所述一个或多个中继器形成中继器的聚集阵列，其中，所述中继器的聚集阵列被配置为抑制处于所述振荡频率的电磁辐射。
15.如权利要求14所述的方法，其中，所述中继器的聚集阵列包括超材料。
16.如权利要求13所述的方法，其中，所述一个或多个中继器中的至少一个是超材料中继器。
17.如权利要求13所述的方法，其中，所述发送谐振器、重复谐振器和接收谐振器中的一个或多个包括分布式元件。
18.如权利要求13所述的方法，其中，所述一个或多个中继器中的至少一个是有源中继器，其中，所述有源中继器包括次级电源，并且其中，所述方法还包括：
使用所述次级电源将相应的信号增益施加到所述振荡场。
19.如权利要求13所述的方法，其中，所述方法还包括：
确定操作模式，其中，所述操作模式包括三种耦合模式中的至少一个，其中，所述三种耦合模式是电容公共模式、电容差分模式和电感模式。
20.如权利要求13所述的方法，其中，所述重新产生的振荡场以所述振荡频率振荡。
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