CN109041586A - 用于在无线电能传输系统中生成功率波的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本文中所公开的系统及方法涉及无线电能传输系统。在一示例方法中：发射机测量多个比吸收率(SAR)值，每个相应的SAR值与发射机的传输场内的关于从发射机的一个或多个天线辐射的一个或多个功率波的相应空间位置对应。发射机还确定传输场内的选定空间位置，在该选定空间位置中，多个SAR值中的第一测量SAR值不满足预定义的SAR值阈值。发射机还发射一个或多个功率波以在传输场内的选定空间位置处或该选定空间位置附近相消地汇聚。

Description

用于在无线电能传输系统中生成功率波的系统及方法
技术领域
本发明总体上涉及无线充电系统以及在这种系统中使用的硬件和软件。
背景技术
已经进行了各种尝试来向电子设备无线地传送能量，在该电子设备中，接收机设备会消耗该传输能量并将其转换成电能。然而，大多数常规技术无法在任何有意义的距离上传送能量。例如，磁共振为设备提供电力而不需要将电子设备有线地连接到功率谐振器。然而，需要将电子设备靠近功率谐振器的线圈(即，在磁场内)设置。其他的常规方案可能没有考虑给他们的移动设备充电的用户的用户移动性或者这些方案不允许设备位于具备可操作性的狭窄窗户外侧。
对远程电子设备无线供电可能需要用于识别电子设备处于电能传输设备的传输场内的的位置的装置。常规的系统通常尝试就近放置电子设备，因此没有用于识别并映射可用设备的频谱以例如在大的咖啡店、仓库、办公楼或电气设备能够潜在地到处移动的其他三维空间中充电的能力。而且，出于方向性目的和电能输出调制两者考虑，需要一种用于管理功率波产生的系统。因为许多常规系统未考虑它们服务的电子设备的大范围移动，所以还需要一种用于动态且精确地追踪可由电能传输设备服务的电子设备的装置。
无线电能传输可能需要满足某些规章要求。发送无线电能的设备可能需要遵从针对人类或其他生物的电磁场(EMF)暴露防护标准。美国标准和欧洲标准根据功率密度限制和电场限制(以及磁场限制)定义了最大暴露限制。这些限制中的一些是由美国联邦通信委员会(FCC)针对最大可容许暴露量(MPE)而建立的，而一些限制是由欧洲监委会针对辐照暴露量而建立的。FCC建立的针对MPE的限制被编纂成47CFR§1.1310。对微波范围内的电磁场(EMF)频率而言，功率密度可以用来表示暴露强度。功率密度被定义为每单位面积的功率。例如，功率密度通常可以由以下来表达：每平方米的瓦特数(W/m2)、每平方厘米的毫瓦数(mW/cm2)或每平方厘米的微瓦数(μW/cm2)。
因此，期望适当地管理用于无线电能传输的系统及方法以满足上述规章要求。需要一种用于无线电能传输的装置，该装置包含各种安全技术以确保在传输场内的人或其他生物不暴露在接近或高于规章限制或其他标称限制的EMF能量下。
发明内容
本文中公开了解决现有技术中的上述缺点并且也可以提供附加或替选的优点的系统及方法。本文中所公开的实施例可以生成并发射功率波，该功率波由于它们自身的物理波形特征(例如频率、振幅、相位、增益、方向)而在传输场中的预定位置处汇聚以生成能量袋。与通过无线充电系统供电的电子设备相关联的接收机可以从这些能量袋中提取能量，然后将该能量转换成对与接收机相关联的电子设备可用的电力。能量袋可以表现为三维场(例如传输场)，在该三维场中，能量可以被定位在能量袋内或附近的接收机获取。在一些实施例中，发射机可以通过调整功率波的发射来执行自适应袋形成过程，以基于来自传感器的输入传感器数据来调节电能水平(power level)或以避开某些对象。可以利用用于识别传输场中的区域的技术来确定应该在何处形成能量袋以及应该在何处发射功率波。在一示例中，这种技术可能会使得确定在传输场内的每个空间位置处的关于从传输场中的一个或多个天线辐射的一个或多个功率波的比吸收率(SAR)值。比SAR的确定可以通过耦接至发射机或集成到发射机中的传感器来完成。这些传感器可以捕获对在传输场内进行SAR测量是有用的信息，并且发射机可以将该信息与预存储的计算和估计结合使用，该预存储的计算和估计基于由发射机产生的功率波的已知传播特征来确定传输场中的SAR值。SAR是来自射频(RF)波的电磁能量被人体或生物吸收的比率。在另一示例中，在确定应该在何处形成能量袋时可以使用以可存储在映射存储器中用于以后参考或计算的映射数据形式的热图数据。在又一示例中，传感器可以生成可以识别功率波应该避开的区域的传感器数据。该传感器数据可以是也可存储在映射存储器中用于以后参考或计算的附加或替选形式的映射数据。
在实施例中，无线电能传输方法包括：发射机计算发射机的传输场内的每个空间位置处的关于从发射机的一个或多个天线辐射的一个或多个功率波的比吸收率(SAR)；发射机确定传输场内的的选定部分，在该选定部分中，所计算的SAR值不满足预定义的SAR值阈值；以及发射机发射所述一个或多个功率波以在传输场内的选定部分处相消地汇聚。
在另一实施例中，无线电能传输方法包括：发射机接收传输场内的每个空间位置处的关于从一个或多个天线辐射的一个或多个功率波的比吸收率(SAR)值。该方法还包括发射机确定传输场内的选定部分，在该选定部分中，所接收的SAR值大于预定义的SAR值。该方法还包括发射机发射一个或多个功率波以在传输场内的选定部分处相消地汇聚。该方法还包括发射机发射一个或多个功率波以在所述传输场内的其余部分处相消地汇聚而形成零空间。
在另一实施例中，用于无线电能传输的系统可以包括一个或多个发射机。所述一个或多个发射机中的每一个可以包括微处理器，所述微处理器被配置成计算传输场内的每个空间位置处的关于从一个或多个天线辐射的一个或多个功率波的比吸收率(SAR)值，以及确定传输场内的选定部分，在该选定部分中，所计算的SAR值大于预定义的SAR值。所述一个或多个发射机中的每一个还可以包括一个或多个天线阵列，其中，所述一个或多个天线阵列中的每一个包括一个或多个天线，所述一个或多个天线被配置成发射功率波以在传输场内的选定部分处相消地汇聚而形成零空间。
附图说明
附图构成该说明书的一部分并解释了本发明的实施例。通过参照以下附图，本公开可以得到更好地理解。附图中的部件不一定按比例绘制，而是将重点放在示出本公开的原理上。
图1A示出了根据示例性实施例的无线电能传输系统。
图1B示出了根据示例性实施例的系统的部件。
图1C示出了根据图1B示出的示例性实施例的系统的部件。
图2示出了根据示例性实施例的在无线电能传输系统中形成能量袋的方法。
图3示出了根据示例性实施例的用于在无线电能传输系统中形成零空间的方法。
具体实施方式
现将参照附图中示出的示例性实施例，并且本申请将使用特定的语言来描述该示例性实施例。应该理解的是，不意图通过对这些示例性实施例的描述来限制本发明的范围。为相关技术领域且知晓本公开的技术人员进行的、对实施创造性特征的原理的示例性实施例和附加应用的变化和进一步修改应该被视为在本公开的范围内。
用来无线地提供电能的能量袋可以在由发射机发送的功率波的相长干涉图案的位置处形成。能量袋可以表现为三维场，在该三维场中，能量可被位于能量袋内或附近的接收机获取。在操作时，由发射机在袋形成过程期间产生的能量袋可以被接收机获取、转换为电荷，然后提供给与该接收机相关联的电子设备(例如，膝上型计算机、智能手机、可充电电池)以使该设备工作或向设备电池充电。在一些实施例中，多个发射机和/或多个接收机可以向各种电子设备供电。接收机可以独立于电子设备或集成到电子设备中。
相长干涉可以是功率波在与一个或多个发射机相关联的传输场内的特定位置处汇聚而生成的一种类型的波形干涉。当功率波汇聚且它们各自的波形特征聚合时会发生相长干涉，从而增强了在功率波汇聚的特定位置处集中的能量的量。相长干涉可能是具有特定波形特征使得相长干涉导致在传输场中的功率波汇聚的特定位置处产生能量场或“能量袋”的功率波引起的。在诸如啁啾波或正弦波之类的周期性信号的情况下，当到达具体位置处的功率波的正峰和负峰同步时，产生相长干涉图案。波形上相关的正峰和负峰累积地相加以产生累积波形，该累积波形具有比各个功率波中的每一个的振幅更大的振幅。
相消干涉可以是功率波在与一个或多个发射机相关联的传输场内的特定位置处汇聚而生成的另一类型的波形干涉。当功率波在特定位置处汇聚且它们各自的波性特征彼此相反(即波形互相抵消)时，会发生相消干涉，从而使在特定位置处集中的能量的量减小。在相长干涉可能在存在足够能量时导致生成能量袋的情况下，相消干涉可能会导致在传输场内功率波汇聚以形成相消干涉的特定位置处生成可忽略量的能量或“零”。在诸如啁啾波或正弦波之类的周期性波的情况下，当功率波的到达具体位置的正峰和负峰彼此相减、而不是累积相加时，产生相消干涉图案，因而产生了低(理想时为零)振幅的波形信号结果。
发射机可以是包括各种部件和电路或与各种部件和电路相关联的电子设备，所述各种部件和电路负责例如生成并发送功率波、在传输场中的位置处形成能量袋、监测传输场的条件以及在需要时生成零空间。发射机可以基于由发射机确定的在该发射机的传输场内的一个或多个空间位置处的比吸收率(SAR)值来生成并发送功率波，用于袋形成和/或调零。比吸收率(SAR)值可以由发射机的处理器来确定，并指示被暴露于射频(RF)波下的活体组织(诸如人体)吸收的电力。发射机可以生成并发送、或以其他方式调整功率波，以使得针对传输场中的特定位置处的RF能量的SAR值不超过预定的SAR阈值。
接收机可以是包括以下部件的电子设备：至少一个天线、至少一个整流电路和至少一个电源变换器，该电子设备可以利用能量袋来向电子设备供电或充电。“袋形成”可以指生成在传输场中汇聚从而形成可控的能量袋和零空间的一个或多个RF波。“能量袋”可以指一空间区域或区，在该空间区域或区中，能量或电能可以基于在该区域或区处引起相长干涉的波的汇聚而累积。“零空间”可以指空间的以下区域或区，在该区域或区处，可能由波的相消干涉而导致没有形成能量袋。
发射机可以使用一个或多个采样或测量技术来确定传输场的一个或多个特定空间处的RF能量的当前SAR值。在一些实现方式中，发射机可以预加载有为发射机指示哪些波形特征可能超过预存储的SAR阈值的值、表和/或算法。例如，查找表可以指示位于距接收具有特定频率(F)的多个功率波(P)的发射机一定距离(D)处的空间体积(V)的SAR值。本领域技术人员将理解的是，可能存在可使用任意数目的变量的任意数量的可能计算来确定RF能量在特定位置处的SAR值。
此外，当生成、发射或调整功率波时，发射机可以以各种方式应用针对特定位置识别的SAR值。在一些实施例中，发射机可以测量和使用SAR值来在整个传输场中保持恒定的能量水平，其中，能量水平虽然安全地低于SAR阈值，但对接收机而言仍然包含足够的RF能量以有效地转换成电力。在一些实现方式中，发射机可以基于期望由基于预定的SAR值新形成的功率波产生的RF来主动调制功率波。例如，在确定如何生成或调整功率波之后，但在实际发送功率波之前，发射机可以确定待发送的功率波是否将导致在特定位置处的满足或不满足SAR阈值的RF能量累积。附加地或替选地，在一些实现方式中，当发射机确定通过特定位置或在特定位置处累积的功率波不满足SAR阈值时，发射机主动地监测传输场以反应式地调整发射到特定位置或通过特定位置的功率波。在发射机被配置为主动和反应式地调整功率波以保持整个传输场中的连续的电能等级的情况下，发射机虽然可被配置为主动调整待发射到特定位置的功率波以使确定功率波将满足SAR阈值，但也可以连续地轮询整个传输场中的各位置处的SAR值来确定在特定位置处累积或通过该特定位置的功率波的SAR值是否会突然不满足SAR阈值。在一些实施例中，发射机可以被配置成在特定位置处生成能量袋或零点，因此可以使用SAR值来确定能量袋周围的区域是否令人满意地低于SAR阈值，或者确定生成零空间的相消干涉图案的功效。
虽然本文中所描述的示例性实施例提到使用基于RF的波传输技术，但是应该理解的是，可使用的无线充电技术不限于这种基于RF的技术和方法。相反地，应该理解的是，存在附加或替选的无线充电技术，其可以包括用于向接收机无线地发射能量、能够将所传送的能量转换成电力的任意数量的技术和方法。针对可以通过接收设备转换成电力的能量的非限制示例性传输技术可以包括：超声波、微波、激光、红外线或其他形式的电磁能量。
在一些实施例中，发射机的控制系统遵从人类对象的电磁场(EMF)暴露防护标准。美国标准和欧洲标准根据功率密度限制定义了最大暴露限制和电场限制(以及磁场限制)。这些限制例如包括由联邦通信委员会(FCC)针对MPE而建立的限制，以及由欧洲监委会针对辐照暴露而建立的限制。FCC针对MPE建立的限制被编纂成47CFR§1.1310。针对微波范围的电磁场(EMF)频率而言，功率密度可以用来表示暴露密度。功率密度被定义为每单位面积的功率。例如，功率密度通常可以根据以下来表达：每平方米的瓦特数(W/m2)、每平方厘米的毫瓦数(mW/cm2)或每平方厘米的微瓦数(μW/cm2)。
在一些实施例中，用于无线电能传输的本系统及方法包括各种安全技术，以确保位于传输场中或附近的人类居住者(human occupants)不暴露在接近或超过规定限制或其他标称限制的EMF能量下。一种安全方法是包括超出标称限制的误差裕度(例如约10％至20％)，以使得人类对象不暴露于在EMF暴露限制处或附近的电能等级下。第二种安全方法可以提供分级保护措施，诸如在人(以及在一些实施例中，其他生物或敏感对象)向具有超过EMF暴露限制的功率密度水平的能量袋运动的情况下减小或终止无线电能传输。
图1A示出了根据示例性实施例的无线电能传输系统100。无线电能传输系统100包括从天线阵列106发射一个或多个功率波104的发射机102。功率波104的非限制性示例可以包括微波、无线电波和超声波。通过发射机102的微处理器来控制功率波104以在传输场中的一个或多个位置处形成能量袋112，其中，控制器确定需要能量袋112。发射机102还被配置成发射功率波104，该功率波在三维空间中汇聚以在所发射的功率波基本上互相抵消的一个或多个位置中产生一个或多个零空间。在一些实现方式中，发射机102可以连续地测量传输场内的区域的比吸收率(SAR)值，以在整个传输场保持一致的能量水平。在这些实施例中，保持的能量水平可以足够高以向给电子设备108、110充电的接收机103提供电力，但是该能量水平仍保持低于给定的SAR阈值。因此，本领域技术人员将理解的是，能量袋112或零空间的生成可能不是在每个实施例中都是必需的，这是由于一些实施例可以在整个传输场保持均匀或基本均匀、安全且有效的能量水平。还将理解的是，发射机102可以被配置成根据用于确定用于向传输场中的接收机103传递功率波104的适当装置的技术的任何组合来操作。
在一些实施例中，发射机102可以包括或可以以其他方式耦接到存储预定SAR值确定准则的存储器或硬盘，该预定的SAR值确定准则为诸如算法、变量、表或发射机102的处理器可以用来基于正发射到给定位置或通过给定位置、或即将发射到给定位置或通过给定位置的功率波的特征来确定给定位置处的SAR值的其他这种信息。发射机102可以使用已知的信道传播模型和关于在制造之前或在部署之前收集的关于传播损耗的经验数据来计算SAR在距发射机102一段距离处可能是什么。例如，在部署之前或在制造之前，可以使用探针来扫描活体组织模型内的空间体积，或者可以在传输场内设置意在类似于人体的其他模型(诸如填充有具有与身体组织近似相同的特征的流体的容器)。发射机102的天线阵列106可以发射具有使功率波104接近所述模型并与所述模型相交的各种特征的功率波104。探针可以测量模型附近和/或模型内的SAR值和RF能量水平。可以使用探针来记录由天线阵列106发射的功率波104的各种波形特征(诸如振幅、频率和矢量特征)产生的RF能量和SAR值。所产生的SAR值和RF能量可以存储在发射机102可访问的存储器中，发射机102然后可以基于由发射机102生成的功率波104的特征使用预存储的数据来确定传输场的各位置处的SAR值。
接收机103和发射机102可以包括各自的通信部件111(对于接收机103而言未示出)，该通信部件111可以是被配置为通过通信信号131来发射各种类型的数据的无线通信芯片，该通信信号131是独立于功率波104的不同无线通信信道。在一些情况下，诸如图1的接收机103，通信部件可以嵌入或集成到耦接至接收机103或发射机102的电子设备(诸如膝上型计算机108或其他计算机)中。例如，接收机103可以集成到膝上型计算机108中，且接收机103的通信部件可以包括膝上型计算机108的本地蓝牙芯片组。在一些情况下，诸如图1的发射机102，通信部件可以嵌入或以其他方式集成到发射机102或接收机103中。在一些实施例中，通信部件可以是与发射机102、接收机103或任何其他电子设备不同的独立结构。发射机102可以向接收机103发射通信信号，该通信信号包含用于接收机103执行的操作指令、或包含针对来自接收机103的电能等级数据或其他操作数据的请求。
在一些实施例中，发射机102的微处理器被配置成确定应该如何生成及发射功率波以有效地提供能量并安全地避开生物或其他敏感对象。确定如何生成功率波104可以基于在发射机102的传输场内的每个空间位置处针对从发射机102的一个或多个天线辐射到传输场中的一个或多个功率波104采样或确定的SAR值。当确定应该如何生成及发射功率波104时，微控制器可以确定功率波104的物理特征(例如，频率、振幅、相位)、和/或发射机102的哪些天线可以用来发射功率波104。发射机102可以确定功率波104的特征和/或识别用来发射功率波104的天线子集，使得功率波104在传输场中的特定位置处汇聚以产生相长干涉图案和/或相消干涉图案。附加地或替选地，微控制器可以确定发送功率波104的特征和/或天线，以使得功率波104在整个传输场中或在传输场的一个或多个特定的局部区域处生成均匀或大体上均匀的能量水平。
作为示例，基于在传输场中的特定位置处采样的特定SAR值，发射机102的微处理器可以选择功率波104的波形特征(例如，啁啾、正弦、锯齿、步进等)，选择功率波104的输出频率、一个或多个天线阵列106的形状以及至少一个天线阵列106中的一个或多个天线的间距。使用这些选择或确定中的一个或多个，发射机100可以生成并发射功率波104，因而，功率波104在目标位置处形成能量袋112以为一个或多个电子设备108、110供电。在一些实施例中，发射机102的微处理器还被配置成基于在发射机102的传输场内的每个空间位置处的SAR值，选择功率波104的输出频率、一个或多个天线阵列106的形状以及至少一个天线阵列106中的一个或多个天线的间距，以在发射机102的传输场内的位置处形成一个或多个零空间。能量袋在功率波104累积以形成三维能量场的位置形成。
在一些实施例中，发射机102的天线阵列106中的天线可操作为一个或多个天线的单个阵列。在一些其他实施例中，微控制器可以将该阵列分段成子集，所述子集操作为服务传输场中的多个设备或多个区域。在实施例中，天线阵列106可以包括天线元件，其中阵列106中的至少一个天线的高度可以介于约1/8英寸到约1英寸之间，至少一个天线的宽度可以介于约1/8英寸到约1英寸之间。天线阵列106中的两个相邻天线之间的距离可以介于约1/3倍λ到约12λ之间。例如，在一些情况下，天线之间的距离可以大于约1λ；在一些情况下，天线之间的距离可以介于约1λ和约10λ之间；而在一些情况下，该距离可以介于约4λ和约10λ之间。λ是功率波106的波长，并且可以用作对天线阵列106的天线之间的间隔的度量。
发射机102计算发射机102的传输场内的每个空间位置处关于从传输场中的天线阵列106的一个或多个天线辐射的一个或多个功率波104的SAR值。在一些实施例中，发射机102的微处理器然后将所计算的每个空间位置处的SAR值与阈值SAR值进行比较。例如，基于FCC规定，预定义的SAR值是约每千克1.6瓦特(W/Kg)，因此当发射机102确定在特定位置处累积的功率波102生成2.0W/Kg的相长干涉图案，而因此不再满足阈值时，发射机102可以调整功率波102的各种特征来减小在传输场中的特定位置处累积的能量或功率的量。
在一些实施例中，当所计算的空间位置处的SAR值不满足预定义的SAR值阈值时，发射机102可以生成并发射、或调整功率波104。发射机104的微处理器可以被配置成确定功率波104的特征和/或确定从哪些天线发射功率波104，使得功率波104在特定位置处汇聚以形成相消干涉图案，且产生极少的、可忽略不计的零空间或者在传输场中的某部分处没有能量累积。在一些实现方式中，为了生成零空间，发射机102可以生成相长地汇聚而形成能量袋112的第一组功率波104，然后生成相消地汇聚而形成零空间的第二组功率波104。在一些实施例中，基于在传输场中的一个或多个位置处采样的SAR值，微处理器可以生成并发射、或调整功率波104以在传输场内的某些位置处相长地汇聚，并同时生成及发射、或调整功率波104以在传输场内的其他位置处相消地汇聚以形成一个或多个零空间。
在又一实施例中，当所计算的SAR值小于传输场的选定部分中的预定义的SAR值时，微处理器被配置成选择要发射的功率波104的类型，以使得功率波104在传输场内的选定部分处相长地汇聚，并同时发射在除传输场中的选定部分之外的部分中相消地汇聚而形成一个或多个零空间的任何其他类型的功率波104。还可以通过使用外部电源和使用压电材料的本地振荡器芯片来产生这些功率波104。在一些实施例中，由发射机102的微处理器恒定地控制功率波104，微处理器还可以包括用于调整功率波104的相位和/或相对振幅的专有芯片。
发射机102的微处理器可以根据一个或多个采样触发器或参数连续地或周期地接收和/或计算SAR值。在一些示例中，微处理器可根据位置采样间隔(例如，1英寸间隔、1英尺间隔)来确定预定位置的SAR值。在一些示例中，微处理器可以连续地确定各位置的SAR值或者可以在给定的时间采样间隔内确定SAR值。在一些示例中，每当一个或多个功率波104的频率值变化时，微处理器可以确定或接收各位置的SAR值。在采样期间，发射机102的微处理器确定在每个预定位置处或给定位置采样间隔内的新的功率波104或调整后的功率波104的SAR值，然后将针对传输场中的每个空间位置获得的新SAR值与预定义的SAR值阈值进行比较。基于比较结果，微处理器可以例如识别传输场区域内的位置，在该位置中，对应的新计算的SAR值不再满足预定SAR值。然后，发射机102的微处理器可以控制所发射的功率波104的频率、相位、幅度或其他特征，和/或选择用于发射新的功率波104的一组新的天线或天线阵列来控制功率波104的发射。
发射机102可以接收在发射机102的传输场内的一个或多个接收机的位置数据。在另一实施例中，发射机102确定在发射机102的传输场内的一个或多个接收机的位置数据。发射机102计算一个或多个接收机位置中的每一位置处以及在围绕距发射机102的传输场中的一个或多个接收机预定距离的区域中的SAR值。在另一实施例中，发射机102接收如通过接收机测量并上报的一个或多个接收机位置中的每一个位置处、以及围绕距发射机102的传输场中的一个或多个接收机的预定距离的区域中的SAR值。然后，发射机102的微处理器将所计算的一个或多个接收机位置中的每一个位置处及围绕距传输场中的一个或多个接收机预定距离的区域中的SAR值与预定义的SAR值进行比较。在实施例中，预定义的SAR值可以是1.6瓦特每千克(W/kg)。在另一实施例中，预定义的SAR值可以是由联邦通信委员会(FCC)建立的任意值。
当所计算的一个或多个接收机位置中的每一个位置处及围绕距一个或多个接收机预定距离的区域中的SAR值满足传输场的选定部分中的预定义的SAR值时，发射机102可以生成并发射、或调整功率波104以在传输场内的选定部分处相长地汇聚。在另一实施例中，当所计算的一个或多个接收机位置中的每一个位置处及围绕距一个或多个接收机预定距离的区域中的SAR值不满足传输场的选定部分中的预定义的SAR值时，微处理器被配置为生成并发射、或调整一个或多个功率波104以在传输场中的选定部分内相消地汇聚以形成一个或多个零空间。
为了确定一个或多个接收机的位置，发射机102可以连续地向发射机102的传输场中发射功率波104和通信信号。功率波104可以是具有可以向位于传输场内的给定位置处的一个或多个接收机提供电能的任一组特征的任何类型的波。功率波的非限制性示例可以包括超声波、微波、红外波和射频波。可以采用导致功率波104在传输场中的给定位置处提供升高的能量水平的某一组物理特征(例如，频率、相位、能量水平、振幅、距离、方向)来发射功率波104。在一些实施例中，发射机102可以发射所谓的勘探功率波(exploratory powerwaves)，勘探功率波是电能水平相对低于通常用于向一个或多个接收机提供电能的功率波的电能水平的功率波。勘探功率波可以用来识别一个或多个接收机，和/或用来确定将最终向传输场中的一个或多个接收机提供电能的功率波104的适当特征。
通信信号可以是电气设备用来通过相关协议传递数据的任何类型的波。非限制性示例可包括NFC、Wi-Fi、等。可以使用通信信号来传递发射机102所使用的参数以适当地公式化功率波104。通信信号可以包含描述正被发射的低水平功率波的特征的数据。该数据可以例如指示与通信信号一起发射的功率波104的方向和能量水平。
一个或多个接收机的一个或多个天线可以从发射机102接收功率波104和通信信号。功率波104可以具有给予功率波104低电能水平的波形特征。通信信号可以包含指示功率波104的特征的数据。当发射机102公式化和/或沿某个方向或向传输场内的某个位置发射功率波104时，发射机102的通信部件111可以在通信信号114内生成并发射描述功率波104的数据。例如，通信信号114可以指示有关功率波的信息，诸如振幅、频率、能量水平、功率波的轨迹和/或功率波被发射到的期望位置。
在一些实施例中，接收机103然后可以采用对其位置的指示来响应发射机102，接收机103的位置指示为例如位置信息的显式通信或者指示以下的通信：在片段或子片段中接收到勘探低功率波传输，和/或使用通信信号中的数据作为输入参数来确认所述勘探波的电能水平超过传输场内的特定阈值。一个或多个接收机可以包括被配置成采用对其位置指示生成用于响应发射机102的消息的处理器。一个或多个接收机可以集成到(例如，在智能手机内)或耦接到(例如，智能手机后壳)电子设备中，该电子设备包括被配置成当接收到低功率波传输时生成指示接收机的位置的消息的处理器。在替选实施例中，一个或多个接收机可以基于如通过所接收的通信信号指示的所接收的功率波的特征来确定其自身的位置，并将该位置传送给发射机102。
在一实施例中，一个或多个天线可以固定在可移动元件上，且一个或多个天线阵列中的每一个阵列中的一个或多个天线之间的距离根据传输场内的以下部分的位置来动态调整，在该部分中，能量袋或零空间必须基于所计算的SAR值与针对给定部分的预定义的SAR值的比较结果形成。可移动元件是由发射机的微处理器控制的任何机械致动器。发射机的微处理器确定传输场内的所述部分的位置，并且基于所述部分的位置，微处理器控制安装天线的机械致动器的移动。
一个或多个天线阵列中的每一个阵列中的一个或多个天线可以被配置成由于对一个或多个天线的放置而在彼此不同的时间发射一个或多个功率波。在另一实施例中，一个或多个天线阵列中的每一个阵列中的一个或多个天线可以被配置为由于由发射机的微处理器控制的定时电路的存在而在彼此不同的时间发射一个或多个功率波。定时电路可以用来针对一个或多个天线中的每一个选择不同的发射时间。在一示例中，微处理器可以采用从一个或多个天线中的每一个发射一个或多个传输波的定时来预配置定时电路。在另一示例中，根据在传输场内的以下部分的位置发射机可以延迟从少数天线对少量传输波的发射，在该部分中，能量袋或零空间必须基于所计算的SAR值与针对给定部分的预定义的SAR值的比较结果形成。
在一实现方式中，发射机可以包括耦接到开关的天线电路，其中根据传输场内的以下位置来调整或选择天线阵列中的一个或多个天线中的每一个，在所述位置中，功率波、能量袋、零空间必须基于所计算的SAR值与针对给定位置的预定义的SAR值的比较结果形成或发射。在一实施例中，天线阵列被配置成使得可以通过接通一个或多个天线中的第一组天线来沿第一方向调转功率波方向，并且可以通过接通一个或多个天线中的第二组天线来沿第二方向调转天线阵列的功率波方向。第二组天线可以包括来自第一组天线的一个或多个天线，或者第二组天线可以不包括来自第一组天线的任何天线。在一实施例中，针对多个方向中的每一个，可以通过接通来自一个或多个天线中的一组天线来沿多个方向调转天线阵列的功率波方向。在一些实施例中，第一组天线和第二组天线中的天线的选择基于第一组天线和第二组天线中的天线之间的距离。在一些实施例中，该距离被选择成使得从第一组天线、第二组天线或任一组天线中发出的功率波在期望位置处生成能量袋的有效发射。
在另一实施例中，发射机包括至少两个天线阵列。在一示例中，至少两个天线阵列包括第一天线阵列和第二天线阵列。在一些实施例中，微处理器被配置成控制第一天线阵列和第二天线阵列之间的间距。在一些实施例中，根据传输场内的以下位置来动态调整第一天线阵列和第二天线阵列之间的距离，在所述位置中，能量袋或零空间必须基于所计算的SAR值与针对给定部分的预定义的SAR值的比较结果来形成。在实施例中，第一天线阵列和第二天线阵列可以是扁平形的且至少两个天线阵列之间的偏移距离是4英寸。
在另一实施例中，发射机包括至少两个天线阵列。在一示例中，至少两个天线阵列包括第一天线阵列和第二天线阵列。应该注意的是，为了简化解释，描述了具有第一天线阵列和第二天线阵列的天线；然而，在不脱离所公开的实施例的范围的情况下，系统中可以包括多于两个天线阵列。第一天线阵列和第二天线阵列中的每一个包括被配置成发射一个或多个功率波的一行或多行天线以及一列或多列天线。在一示例中，第一天线阵列和第二天线阵列两者用于根据传输场内的以下位置来同时产生能量袋，在所述位置中，能量袋或零空间必须基于所计算的SAR值与针对给定部分的预定义的SAR值的比较结果形成。在另一示例中，第一天线阵列和第二天线阵列两者用于根据传输场内的以下位置来同时产生零空间，在所述位置中，能量袋或零空间必须基于所计算的SAR值与针对给定部分的预定义的SAR值的比较结果形成。在另一示例中，第一天线阵列和第二天线阵列两者用于根据传输场内的以下位置来同时产生能量袋和零空间，在所述位置中，必须基于所计算的SAR值与针对给定部分的预定义的SAR值的比较结果形成能量袋或零空间。
图1B示出了根据示例性实施例的系统100的部件。示例性系统包括被配置成发射一个或多个功率波104的发射机102，所述一个或多个功率波104旨在保持一致的能量水平以使得SAR水平不超过SAR阈值、但使得为接收机103保留足够的RF能量以捕获并转换成用于耦接到接收机103的电子设备108的电力。在一些实施例中，第一位置105包括RF能量超过SAR阈值的足够的RF能量；第二位置107包括在整个传输场中均匀且符合SAR阈值的RF能量。发射机102可以通过任意数量的技术来检测第一位置105的不符合的SAR值。例如，发射机102可以以给定距离间隔连续地确定发射机102正向特定位置处生成的功率波104的SAR值。在这些示例中，发射机102可以确定位于距发射机102给定距离处且以特定横向间隔的第一位置105具有正在发射的功率波104，该功率波104具有使得该位置处的RF能量超过SAR值阈值的特定特征。因此，发射机102可以确定功率波104可被调整为在传输场上保持均匀的能量水平。
图1C示出了根据图1B示出的示例性实施例的系统100的部件。在图1C中，发射机102已经调整了由发射机102生成及发射的功率波104，以减少第一位置105处的超过SAR阈值的RF能量。因此，功率波104的RF能量在整个传输场中保持均匀。
图2示出了根据示例性实施例的在无线电能传输系统中形成能量袋的方法。
在第一步骤202中，发射机(TX)确定发射机的传输场内每个空间位置的关于从传输场中的一个或多个天线辐射的一个或多个功率波的SAR值。例如，在另一实施例中，TX确定针对传输场内的每个空间位置获得的关于从传输场中的一个或多个天线辐射的一个或多个功率波的SAR值。
本领域技术人员将理解的是，SAR值可以根据多个波形参数预先确定或建模。模型和预先确定的值存储在存储器中或预编程在TX的处理器中，且波形参数由于确定了如何生成并发射、或调整功率波而对TX是已知的。例如，发射机可以使用模型来确定特定位置的SAR值样本，所述模型使用进入特定位置所处的特定空间体积的一个或多个功率波的频率、电能水平、天线强度以及距离。使用这些已知值和模型，TX可以确定由在包含所述位置的体积内的功率波生成多少电能。
在下一步骤204中，发射机将针对传输场内的每个空间位置的关于从传输场中的一个或多个天线辐射的一个或多个功率波的SAR值与预定义的SAR值的进行比较。在实施例中，预定义的SAR值可以是1.6瓦特每千克(W/kg)。在另一实施例中，预定义的SAR值可以是由联邦通信委员会(FCC)建立的任意值。
在下一步骤206中，发射机的微处理器可以执行一个或多个软件模块，以分析传输场内的每个空间位置的SAR值与预定义的SAR值之间的比较，并基于该分析识别传输场内的安全区域。在一实施例中，安全区域是在传输场内的所计算的SAR值小于预定义的SAR阈值的区域。
然后，微处理器将确定距发射机的安全区域的距离和安全区域的大小，并基于所确定的安全区域的距离和大小，微处理器可以执行一个或多个软件模块来选择待由波形发生器生成的功率波、选择功率波的输出频率，从一个或多个天线阵列的固定物理形状中选择对应于天线的期望间距的天线子集，以在安全区域处形成能量袋。
在一实施例中，发射机可以针对安全区域的距离和大小来调整功率波。例如，发射机可以调整发射机的天线发射电能的相位。当天线的最佳配置被识别时，发射机的存储器可存储所述配置以保持发射机以最高水平进行发射。在另一实施例中，基于所确定的距发射机的安全区域的距离和安全区域的大小的发射机算法可以确定何时需要调整功率波，并且还可以改变发射机天线的配置。例如，基于所确定的安全区域的距离和大小，发射机可以确定在安全区域处接收的电能小于最大电能。然后，发射机可以调整功率波的相位。
在下一步骤208中，发射机将传送一个或多个功率波以在传输场内的安全区域处相长地汇聚进而在安全区域处生成能量袋。
图3示出了根据示例性实施例的在无线电能传输系统中形成零空间的方法。
在第一步骤302中，发射机(TX)针对发射机的传输场内的每个空间位置计算SAR值。在另一实施例中，TX接收针对传输场内的每个空间位置获得的SAR值。
在下一步骤304中，发射机将传输场内的每个空间位置的SAR值与预定义的SAR值进行比较。在实施例中，预定义的SAR值可以是1.6瓦特每千克(W/kg)。在另一实施例中，预定义的SAR值可以是由联邦通信委员会(FCC)建立的任意值。
在下一步骤306中，发射机的微处理器可以执行一个或多个软件模块，以分析传输场内的每个空间位置的SAR值与预定义SAR值之间的比较，并基于该分析识别传输场内的不安全区域。在一实施例中，不安全区域是传输场内的针对传输场内的每个空间位置计算的SAR值大于预定义的SAR阈值的区域。
然后，微处理器将确定距发射机的不安全区域的距离和不安全区域的大小，并且基于所确定的距发射机的不安全区域的距离和不安全区域的大小，微处理器可以执行一个或多个软件模块来选择待由波形发生器生成的功率波、选择功率波的输出频率，从一个或多个天线阵列的固定物理形状中选择对应于天线的期望间距的天线子集，以在不安全区域处形成零空间。
在一实施例中，如根据发射机算法计算的距发射机的不安全区域的距离和不安全区域的大小可以改变由发射机的天线对功率波的产生和发射，以在不安全区域处形成零空间。例如，发射机可以调整发射机的天线发射电能的相位。当天线的最佳配置被识别时，发射机的存储器可存储所述配置以保持发射机以最高水平发射。在另一实施例中，基于所确定的距发射机的不安全区域的距离和不安全区域的大小的发射机算法可以确定何时需要调整功率波，并且还可以改变发射机天线的配置。
在下一步骤308中，发射机将传送一个或多个功率波以在传输场内的不安全区域处相消地汇聚，进而在不安全区域处形成零空间。在实施例中，不安全区域可以从发射机接收多个电能传输信号。多个电能传输信号中的每个电能传输信号包括来自发射机的多个天线的功率波。因为功率波相消地叠加在一起产生了零空间，所以这些电能传输信号的组合会基本上为零。
在另一实施例中，至少两个功率波可以由发射机的波形发生器生成。所生成的至少两个功率波可以具有不同的频率。在一些实施例中，所述至少两个功率波中的一个的频率的相位变化可能会导致统一的功率波的形成。均匀的功率波可以使得将在传输场中的不安全区域处生成零空间，以及在传输场中的除了不安全区域之外的区域中生成能量袋。
上述方法描述和过程流程图仅作为说明性示例提供并不意在要求或暗示不同实施例的步骤必须按所呈现的顺序来执行。正如本领域技术人员将理解的那样，上文中的实施例中的步骤可以按任何顺序来执行。诸如“然后”、“接下来”等词不用于限制步骤的顺序；这些词仅用来通过对方法的描述来引导读者。尽管过程流程图可以将操作描述为顺序过程，但多个操作可以并行或同时执行。此外，可以重新布置操作的顺序。过程可以与方法、函数、步骤、子例程、子程序等对应。当过程与函数对应时，过程的结束可以对应于函数返回到调用函数或主函数。
结合本文中所公开的实施例描述的各种说明性逻辑框、模块、电路以及算法步骤可以被实施为电子硬件、计算机软件或两者的组合。为了清楚地说明硬件和软件的这种互换性，上文中已对各种说明性部件、框、模块、电路以及步骤在其功能方面进行了总体描述。将该功能实施为硬件还是软件取决于在整个系统上的特定应用和设计限制。技术人员可以针对以每个特定应用以不同的方式实施所描述的功能，但是这种实施方式策略不应被解释为偏离本发明的范围。
在计算机软件中实施的实施例可以在软件、固件、中间件、微代码、硬件描述语言或前述的任何组合中实施。代码段或计算机可执行指令可以表示步骤、函数、子程序、程序、例程、子例程、模块、软件包、分类或指令、数据结构或程序语句的任何组合。代码段可以通过传送和/或接收信息、数据、参量、参数或存储内容来耦接到另一代码段或硬件电路。信息、参量、参数、数据等可以经由包括内存共享、消息传递、令牌传递、网络传输等任何合适的装置来传递、转发或传送。
用来实施这些系统和方法的实际软件代码或专用控制硬件不限制本发明。因此，在不需要参考具体的软件代码的情况下描述的系统及方法的操作和行为可以被理解为软件和控制硬件可被设计成基于本文中的描述来实现系统及方法
当在软件中实施时，这些函数可以存储为非暂时性计算机可读或处理器可读存储介质上的一个或多个指令或代码。可以在处理器可执行软件模块中实施本文中所公开的方法或算法的步骤，该处理器可执行软件模块可以驻留在计算机可读或处理器可读存储介质上。非暂时性计算机可读或处理器可读介质包括有助于将计算机程序从一个地方转移到另一地方的计算机存储介质和有形的存储介质。非暂时性计算机可读存储介质可以是可以被计算机访问的任何可用的介质。通过非限制性示例，这种非暂时性处理器可读介质可以包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或任何其他光盘存储、磁盘存储或其他磁存储设备、或者任何其他有形的存储介质，该任何其他有形的存储介质可以用来以指令或数据结构的形式存储所需的程序代码并且可以被计算机或处理器访问。如本文中所使用的磁盘和光盘包括致密性光盘(CD)、激光盘、光碟、数字通用光盘(DVD)、软盘以及蓝光光盘，其中磁盘通常以磁性方式再现数据，而光盘采用激光光学地再现数据。上述内容的组合也应该被包括在计算机可读介质的范围内。此外，方法或算法的操作可以作为代码和/或指令集中的一个或任何组合驻留在可以并入计算机程序产品中的驻留为非暂时性计处理器可读介质和/或计算机可读介质上。

Claims (20)

1.一种无线电能传输方法，所述方法包括：
发射机测量多个比吸收率(SAR)值，每个相应的SAR值与所述发射机的传输场内的关于从所述发射机的一个或多个天线辐射的一个或多个功率波的相应空间位置对应；
所述发射机确定所述传输场内的选定空间位置，在所述选定空间位置中，所述多个SAR值中的第一测量SAR值不满足预定义的SAR值阈值；以及
所述发射机发射所述一个或多个功率波以在所述传输场内的所述选定空间位置处或所述选定空间位置附近相消地汇聚。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
所述发射机确定所述传输场内的附加空间位置，在所述附加空间位置中，所述多个SAR值中的第二测量SAR值满足预定义的SAR值阈值；以及
所述发射机发射所述一个或多个功率波以在所述传输场内的所述附加空间位置处相长地汇聚。
3.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，发射相消汇聚的一个或多个功率波在所述传输场内的所述选定空间位置处或所述选定空间位置附近形成一个或多个零空间。
4.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述预定义的SAR值是约每千克1.6瓦特(W/Kg)。
5.根据任一前述权利要求所述的方法，还包括：所述发射机接收有关与所述发射机的传输场内的一个或多个接收机相关联的位置的位置数据。
6.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述一个或多个功率波选自包括以下各项的分组的功率波：电磁波、无线电波、微波、声波、超声波以及磁共振。
7.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述发射机包括一个或多个天线阵列，并且其中，所述一个或多个天线阵列中的相应天线阵列包括一个或多个天线。
8.一种无线电能传输方法，所述方法包括：
发射机确定多个比吸收率(SAR)值，每个相应的SAR值与所述发射机的传输场内的关于从所述发射机的一个或多个天线辐射的一个或多个功率波的相应空间位置对应；
所述发射机确定所述传输场内的选定空间位置，在所述选定空间位置中，第一测量SAR值不满足预定义的SAR值阈值；
所述发射机确定所述传输场内的附加空间位置，在所述附加空间位置中，第二测量SAR值满足预定义的SAR值阈值；
所述发射机发射所述一个或多个功率波以在所述传输场内的所述选定空间位置处或所述选定空间位置附近相消地汇聚；以及
所述发射机发射所述一个或多个功率波以在所述传输场内的所述附加空间位置处相长地汇聚而形成能量袋。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述预定义的SAR值是约每千克1.6瓦(W/Kg)。
10.根据权利要求8至9中任一项所述的方法，其中，所述一个或多个功率波包括选自包括以下各项的分组的功率波：电磁波、无线电波、微波、声波、超声波以及磁共振。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的方法，其中，所述发射机包括一个或多个天线阵列，并且其中，所述一个或多个天线阵列中的相应天线阵列包括一个或多个天线。
12.一种无线电能传输系统，所述系统包括：
一个或多个发射机，所述一个或多个发射机中的各个发射机包括：
微控制器，所述微处理器被配置成：
测量多个比吸收率(SAR)值，每个相应的SAR值与所述发射机的传输场内的相应空间位置对应；以及
确定所述传输场内的选定空间位置，在所述选定空间位置中，第一测量SAR值满足预定义的SAR值阈值；以及
一个或多个天线阵列，其中，所述一个或多个天线阵列中的相应天线阵列包括被配置成发射功率波的一个或多个天线，所述功率波在所述传输场内的所述选定空间位置处或所述空间位置附近相消汇聚而形成零空间。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述微处理器被配置成：
根据确定所述第一测量SAR值不满足所述预定义的SAR阈值，(i)从所述一个或多个天线阵列中的每一个天线阵列中选择相应天线以在所述相应天线之间形成所需形状和间距，以及(ii)选择所述一个或多个功率波的输出频率；以及
经由所选择的相应天线并使用所选择的输出频率来发射所述一个或多个功率波，使得所述一个或多个功率波在所述传输场内的所述选定空间位置处或所述空间位置附近相消地汇聚而形成零空间。
14.根据权利要求12至13中任一项所述的系统，其中，所述微处理器被配置成：
确定所述传输场内的附加空间位置，在所述附加空间位置中，所述多个SAR值中的第二测量SAR值满足预定义的SAR值阈值；
根据确定所述第二测量SAR值满足所述预定义的SAR阈值，(i)从所述一个或多个天线阵列中的每一个天线阵列中选择相应天线以在所述相应天线之间形成所需形状和间距；以及(ii)选择所述一个或多个功率波的输出频率；以及
经由所选择的相应天线并使用所选择的输出频率来发射所述一个或多个功率波，使得所述一个或多个功率波在所述传输场内的所述附加空间位置处相长汇聚而形成能量袋。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的系统，其中，所述预定义的SAR值是约每千克1.6瓦(W/Kg)。
16.根据权利要求12至15中任一项所述的系统，其中，所述一个或多个功率波包括啁啾波，所述啁啾波具有被所述微处理器不断改变的频率。
17.根据权利要求14所述的系统，其中，所述附加空间位置包括接收机，所述接收机包括被配置成接收来自所述一个或多个功率波的、用于向与所述接收机相关联的目标电子设备充电的一个或多个天线。
18.根据权利要求12至17中任一项所述的系统，其中，
所述一个或多个天线中的至少一个天线选自包括以下各项的分组：扁平天线、贴片天线和偶极子天线，
所述至少一个天线的高度从约1/8英寸至约1英寸，以及
所述至少一个天线的宽度从约1/8英寸至约1英寸。
19.根据权利要求12至18中任一项所述的系统，其中，所述一个或多个发射机的相应的一个或多个天线阵列中的相应的一个或多个天线被配置成以独立频率工作，所述独立频率允许袋形成在单个阵列、成对阵列及四方阵列中的至少一个中的多信道操作。
20.根据权利要求12至19中任一项所述的系统，其中，所述一个或多个功率波包括选自包括以下各项的分组的功率波：电磁波、无线电波、微波、声波、超声波以及磁共振。
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