CN110168809B

CN110168809B - 聚焦微波场的微波无线充电器

Info

Publication number: CN110168809B
Application number: CN201780076204.5A
Authority: CN
Inventors: A.R.弗伦斯基; M.N.马库林; 朴成范
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2016-12-14
Filing date: 2017-11-30
Publication date: 2021-10-01
Anticipated expiration: 2037-11-30
Also published as: EP3535831A4; CN110168809A; KR102366923B1; RU2643177C1; US10763704B2; US20200395790A1; US11025096B2; WO2018110876A1; US20180166926A1; EP3535831B1; KR20180068856A; EP3535831A1

Abstract

公开了一种用于从电力发送器向电力接收器无线传输电力的装置和方法。本公开提供了用于电力接收器的位置的合理搜索过程，并且提供了使用微波多聚焦同时对多个接收器充电的功能。由电力发送器执行的无线电力发送方法包括确定电力发送器相对于至少一个电力接收器的位置的角度坐标；通过使用聚焦的微波场，基于所确定的角度坐标确定至少一个电力接收器和电力发送器之间的距离；基于所确定的角度坐标和距离确定至少一个电力接收器的位置；通过聚焦微波场到至少一个电力接收器的确定位置来无线传输电力。

Description

聚焦微波场的微波无线充电器

技术领域

本公开涉及一种用于对便携式电子装置的电池进行无线充电的装置，更具体地，涉及一种用于确定接收无线电力的电力接收器的数量和位置并将无线电力发送到电力接收器的发送器。

背景技术

近来，便携式电子装置的数量不断增加。

电子装置通常通过有线连接从外部电源供电。然而，用户总是通过有线连接接收电力是不实际的。由于各种电子装置具有不同的电源要求，因此大多数电子装置都配备有自己的专用电源。因此，存在各种专用于各个电子装置的电源。

同时，许多便携式电子装置由电池供电。经常使用便携式电子装置常常使得电池容易耗尽。然而，电池的使用将避免在使用电子装置期间与电源有线连接的需求。但是，由于电池因装置的使用而失去电力，因此需要重新充电(或更换)。为了提供显着改善的用户体验，已经提出了一种通过微波向电子装置无线供电的电源。微波电力传输能够使无线电力传输到电子装置而无需任何有线连接。

无线电力传输的效率取决于电力接收器(RX)和发送器(TX)的尺寸以及RX与TX之间的距离。随着TX与RX之间距离的增加，发送的微波显著发散。微波的发散率由发送孔径尺寸、距离和工作波长之间的关系确定。为了近似估计可实现的效率，RX天线孔径表示为D_RX，D_TX表示针对接收器位置重新计算的等效TX孔径尺寸。以包括从TX天线发出的主电力通量的方式确定等效孔径D_TX。电力传输的效率η同RX天线孔径的平方与等效TX天线孔径的平方的比率成比例(η～D_RX ²/D_TX ²)。图1A和图1B示出了基于TX天线与RX天线之间的距离的电力传输效率的比较，TX天线较小。具体而言，图1A示出了TX天线与RX天线之间的短距离处的高效率，图1B示出了TX天线与RX天线之间的长距离处的低效率。更具体地，当TX天线较小时，随着TX天线与RX天线之间的距离变短，电力传输的效率η变高。然而，随着TX天线与RX天线之间距离的增加，由于强烈的场发散，电力传输的效率η下降地非常快。

另一方面，对于如图1C所示的较大的TX天线，场发散低于图1A和图1B所示的较小天线的发散。因此，对于较大的TX天线，随着TX天线和RX天线之间的距离增加，电力传输的效率η缓慢下降。即使TX天线和RX天线彼此紧靠，效率η也保持在适度水平(参见图1C)。电力传输效率η的评估基于发散电磁波的假设。如图1A至图1C所示，通过提供从TX至RX会聚的辐射波，可以充分地增加接收电力并因此提高效率η。这种效应被称为电磁波聚焦现象，并且可以用于微波无线充电系统。

为了实现从TX天线到RX天线的有效电力传输，可以向TX系统提供RX天线相对于TX天线的位置的信息。获得该信息的一种方法是通过TX系统详细说明提供初始RX搜索，从而提供窄的辐射电磁能量束。如果TX实现了用于附近RX的波束控制，则接收电力没有差异，因为对于不同的扫描角度(例如，图2A和2B)，接收器吸收相同的微波电力。TX选择最大接收电力的角度并扫描以找到RX的角位置，并且在扫描期间，RX发送关于接收电力的反馈信息。为了最有效的电力传输控制，TX系统可以基于来自RX的反馈信息确定RX的精确位置。然而，对于不同的扫描角度，RX的接收电力是相同的，因此并不能够确定RX的精确位置。

因此，目前，正在积极地开发无线电力传输领域，并且存在许多公开了问题的不同方面的解决方案。

发明内容

技术问题

仔细研究其中一种解决方案，即通过微波能量为电子/电气装置提供无线充电和/或主电源的系统，微波能量通过具有一个或多个自适应相位微波阵列发射器的电力发送器聚焦到位置。待充电装置内的整流天线接收并整流微波能量并将其用于电池充电和/或主电源。然而，发送单元可以具有许多收发器模块，以在发送和接收模式下操作从而检测接收器单元。在后一种模式期间，发送单元可操作为检测天线阵列的每个元件处的接收信号的相位。此外，上述TX设计假定系统能够维持单个发送阵列元件操作模式。但TX架构相当复杂，并且可以具有比单模传输单元多至少两倍的硬件元件。而且，可能不提供如何同时对多个接收单元充电。

另一种电力系统建议TX发送电力传输信号(例如微波信号波)以产生三维能量袋。至少一个RX可以连接到或集成到电子装置中，并且可以从能量袋接收电力。TX可以使用通信介质(例如蓝牙技术)在三维空间中定位至少一个RX。TX生成波形以在至少一个RX中的每个RX周围创建能量袋。TX使用算法以三维方式指引、聚焦和控制波形。RX可以将传输信号(例如微波信号)转换成电力以为电子装置供电。因此，用于无线电力传输的实施方式可以允许在没有电线的情况下为多个电子装置供电和充电。然而，用于确定与电力发送器相关的电力接收器的位置的搜索过程非常长并且不是最佳的，因为它是基于每个TX天线元件的所有相位状态的迭代分类。此外，多接收器充电可以在几个阵列上具有TX天线分离，这会导致低效率的电力传输。

解决方案

为了解决上述缺陷，本公开的目的是提供一种用于在接收器的位置处提供场聚焦的发送器和发送方法。

本公开还提供了用于实现与接收器的位置有关的合理(智能)搜索过程的发送器和发送方法。

本公开还提供了一种用于以最大效率同时对多个接收器充电的发送器和发送方法。

本公开还提供了一种用于简单且精确地确定接收器的位置以控制最大有效电力传输的发送器和发送方法。

本公开还提供了一种允许微波多聚焦以同时对多个接收器充电的发送器和发送方法。

根据本公开的一方面，提供了一种通过电力发送器执行无线电力传输的方法。该无线电力传输方法包括：确定电力发送器相对于至少一个电力接收器的位置的角度坐标；通过使用聚焦的微波场，基于所确定的角度坐标确定至少一个电力接收器与电力发送器之间的距离；基于所确定的角度坐标和距离确定至少一个电力接收器的位置；通过聚焦微波场到至少一个电力接收器的已确定位置来发送电力，其中，如果是多个电力接收器，则无线传输电力包括通过多聚焦微波场到多个电力接收器的已确定接收位置来同时对多个电力接收器充电。

根据本公开的另一方面，提供了一种用于执行无线电力传输的电力发送器。该电力发送器包括：至少一个电力发送器天线阵列，用于产生微波场；以及控制器，用于确定电力发送器相对于至少一个电力接收器的位置的角度坐标，通过使用聚焦的微波场基于所确定的角度坐标确定至少一个电力接收器与电力发送器之间的距离，基于所确定的角度坐标和距离确定至少一个电力接收器的位置，并通过聚焦所述微波场到至少一个电力接收器的已确定位置来无线地传输电力，其中，如果是多个电力接收器，则控制器通过多聚焦微波场到多个电力接收器的位置来同时对多个电力接收器充电。

根据本公开的另一方面，提供了一种用于生成微波场的发送器天线阵列。发送器天线阵列包括第一印刷电路板(PCB)和第二PCB，它们在没有电连接的情况下堆叠，其中第一PCB在第一侧上承载微波输入、电力分配电路、移相器、微带或共面阵元件激励电路，并且第二侧上的耦合槽孔，其中，第二PCB承载由耦合到微带或共面激励电路的槽孔激发的圆偏振贴片，并且第一PCB包括双侧低损耗高频率PCB，第二PCB包括单侧PCB。

在进行下面的具体实施方式详细描述之前，阐述本专利文件中使用的某些词和短语的定义可能是有利的：用语“include(包括)”和“comprise(包括)”及其派生词，意指包含但不限于此；用语“或”是包含性的，含义为和/或；“与……相关联”和“与之相关联”的短语及其衍生词可以意味着包括、包含在其中、与之互连、包含、包含在内、连接或与之连接、耦接或与之耦接、与之通信、合作、交错、并置、接近、与其束缚或拥有、含有、具有等；用语“控制器”表示控制至少一个操作的任何装置、系统或其部分，这种装置可以用硬件、固件或软件或其中至少两个的某种组合来实现。应当注意，与任何特定控制器相关联的功能可以是集中的或分布式的，无论是本地的还是远程的。

此外，下面描述的各种功能可以由一个或多个计算机程序实现或支持，每个计算机程序由计算机可读程序代码形成并且包含在计算机可读介质中。用语“应用程序”和“程序”指的是适于在合适的计算机可读程序代码中实现的一个或多个计算机程序、软件组件、指令集、过程、功能、对象、类、实例、相关数据或其一部分。短语“计算机可读程序代码”包括任何类型的计算机代码，包括源代码、目标代码和可执行代码。短语“计算机可读介质”包括能够被计算机访问的任何类型的介质，例如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、硬盘驱动器、光盘(CD)、数字视频光盘(DVD)或任何其他类型的内存。“非暂时性”计算机可读介质排除了传输瞬时电信号或其他信号的有线、无线、光学或其他通信链路。非暂时性计算机可读介质包括可以永久存储数据的介质和可以存储数据并随后被重写的介质，例如可重写光盘或可擦除存储器设备。

在本专利文件中提供了对某些词语和短语的定义，本领域普通技术人员应理解，在许多情况下，如果不是大多数情况，这些定义适用于此类定义词语以及短语的先前和将来使用。

附图说明

为了更完整地理解本公开及其优点，现在参考结合附图的以下描述，其中相同的附图标记表示相同的部分：

图1A和图1B是小天线的两种不同类型的磁场发散的示意图；

图1C是大天线的磁场发散的示意图；

图2A和图2B是用于确定接收器位置的波束控制期间的两个不同扫描角度的示意图；

图3是示出了根据本公开实施方式的无线充电方法的流程图；

图4A和图4B是由发送阵列产生的三维(3D)电场分布的两种不同类型的纵向切口的图像；

图4C和图4D是根据本公开实施方式的在聚焦波束控制状态中3D电场分布的两种不同类型的纵向切口的图像；

图5A示出了没有聚焦的接收器(RX)场结构；

图5B示出了具有聚焦的RX场结构；

图6A示出了根据本公开实施方式的由单个电力发送器(TX)同时对三个电力RX进行充电的情况；

图6B示出了示例性横向电场的横切面；

图7A和图7B分别示出了根据本公开实施方式的用于最佳和均匀激励的TX阵列中的幅度和相位分布；

图8是根据本公开实施方式的示例性天线阵元结构的剖视图；

图9是根据本公开实施方式的具有狭槽激励和馈电微带线的示例性贴片元件的俯视图；以及

图10A是示出根据本公开实施方式的在对第一电力RX充电的同时搜索至少一个第二电力RX的电力TX的操作的流程图；以及

图10B示出了根据图10A的取决于TX的电场分布。

具体实施方式

下文中讨论的图3至图10B以及用于描述本专利文件中的本公开原理的各种实施方式仅是示例性的，不应以任何方式解释为限制本公开的范围。本领域技术人员将理解，本公开的原理可以在任何适当布置的系统或装置中实现。

为了执行无线电力传输，首先必须确定电力接收器的数量和位置。

图3是示出根据本公开实施方式的无线充电方法的流程图。

参照图3，现在将详细描述根据本公开的确定接收器的位置的过程。

在步骤310中，发送器(TX)登记接收器(RX)。然后，在步骤320中，TX使用单波束对登记的装置执行波束控制。随后，在步骤330中，TX确定是否成功确定了所有RX的粗略角度坐标或角度位置。如果成功确定了所有RX的粗略角度位置(角度坐标)，则在步骤340中TX使用单波束/聚焦波束重复执行每个RX的角度搜索。否则，如果没有成功确定RX的角度位置(角度坐标)，在步骤335中对角度定位不成功的RX执行聚焦波束控制。之后，TX使用单波束/聚焦波束重复进行角度搜索从而具有精确搜索的所有RX的角度位置(角度坐标)。一旦搜索到所有RX的正确角度位置(角度坐标)，则TX就沿聚焦线重复地搜索到每个RX的距离。该距离搜索是重复执行的。

一旦确定了所有RX的角度位置(角度坐标)和距离，在步骤350中，TX就确定所有RX的精确三维(3D)位置。随后，在步骤360中，TX执行3D位置分析和多焦场结构分析。在步骤370中，搜索所有登记的RX，并形成适当的充电区域。对此，TX是用于电力发送的电力TX，并且RX是用于电力接收的电力RX。用于定位RX的方法将描述如下：

阶段1：空间(θ(仰角),

(方位角))中的波束控制。

发送天线阵列实现全景波束控制以检测所有RX的位置。发送天线形成给定形状的单波束，由反馈信号发送的所有测量的RX电力记录在TX的存储器中。

如果TX与RX之间的距离R是R>D_TX(实际发送阵列孔径线性尺寸)，TX可以通过用最大接收器电压拾取角点来检测近似接收器的角位置(θ'RX,

)。

如果在波束控制阶段，对于特定角度，TX控制器未能检测到在接收器输出处存在最大输出电力(无输出尖锐极值)，则TX控制器确定R≤D_TX。这意味着可以不仅仅通过单波束控制进行角位置检测，电力控制器可以将发送系统切换到聚焦波束控制状态。

图4A和图4B示出了根据本公开的在波束控制状态(状态1)中由约30×30cm²的发送阵列产生的3D电场分布的两种不同类型的纵向切口。RX距离TX约30cm。在这种情况下，RX对于许多控制角具有相同的输出电力。因此，不可能检测到接收最大输出电力的精确角位置。

在波束控制状态期间，以下面的方式激励TX天线阵列。

令k为发送天线阵元的索引，则可以如下计算第k个元素的复激励系数A_k：

【数学式1】

A_k＝exp(iΨ_k)，

其中，i是虚数单位，ψ_k是用于波束控制的第k个元素相位：

【数学式2】

其中λ是充电场的波长；q和

是与TX阵列中心相关的球坐标系中的当前仰角和方位角；x_k和y_k是阵列平面中第k个TX阵列元素的笛卡尔坐标。

第k个发送天线阵元的激励幅度(M_k)和相位

可以确定为：

【数学式3】

其中运算符<<mag>>和<<phase>>分别用于获得复数的幅度和相位。

图4C和图4D示出了根据本公开的在聚焦波束控制状态(状态2)中由30×30cm²发送阵列产生的3D电场分布的两种不同类型的纵向切口。在这种状态下，TX辐射聚焦波束。聚焦波束可以通过点聚焦在距发送孔径(0.8-1.2)D_TX距离处或使用贝塞尔波束技术(Besselbeam technique)产生。在这种情况下，TX可以成功地检测R≤D_TX的近似接收器的角位置。但对于R>D_TX，可以使用单波束控制。

在聚焦波束控制状态期间，以下面的方式激励TX天线阵列。

【数学式4】

A_k＝exp(iΨ_k)，

其中i是一个虚数单位，ψ_k是第k个元素和焦点之间电磁波传播的相位延迟：

【数学式5】

其中λ是充电场的波长；R_k ^FB是第k个元素和焦点之间的距离。焦点从距TX阵列孔径中心距离～(0.8-1.2)D_TX处选择，用于当前θ和

角度。

第k个发送天线阵元的激励幅度(M_k)和相位

可以确定为：

【数学式6】

其中运算符<<mag>>和<<phase>>分别用于获得复数的幅度和相位。

阶段2：

空间中的迭代角度搜索。

在阶段1之后，基于特定接收器的位置在阶段1中如何分类，TX通过实施波束控制或聚焦波束控制来连续地对每个RX执行迭代角度搜索。每个RX的迭代搜索从点

开始并基于迭代优化过程之一。例如，可以使用具有最大输出接收器电力的共轭梯度优化作为目标。

作为阶段2的结果，获得所有接收器的精确角度位置

阶段3：R空间中的迭代距离搜索。

在阶段1和阶段2期间确定所有RX的角度位置之后，TX执行迭代距离搜索从而连续地为每个接收器找到沿方向

从发送阵列中心到RX位置的距离(R)。为了实现距离搜索，TX从某个预设距离开始执行点聚焦。距离搜索算法基于迭代优化过程之一，其中最大输出RX电力作为目标。

在伴随确定的角度位置的点聚焦期间，以下面的方式激励TX天线阵列。

【数学式7】

A_k＝exp(iΨ_k·)，

【数学式8】

其中λ是充电场的波长；R_k ^PF是第k个元素和焦点之间的距离。在搜索阶段1和2之后，沿着为每个RX找到的θ和

角选择焦点。

第k个发送天线阵元的激励幅度(M_k)和相位

可以确定为：

【数学式9】

其中运算符<<mag>>和<<phase>>分别用于获得复数的幅度和相位。

作为阶段3的结果，在步骤360中获得所有RX的整个3D位置的精确角度位置

在步骤360中还执行RX的3D位置分析和多焦场结构分析。随后，创建所有已登记的RX的最佳充电场。

图10A是示出根据本公开实施方式的TX在对第一RX充电的同时搜索至少一个第二RX的操作的流程图。图10B示出了根据图10A的取决于TX的电场分布。

参照图10A和图10B，现在将描述根据本公开的在TX对RX充电的同时搜索至少一个其他RX的过程。

在步骤1013中，当TX对第一RX(RX1)充电时，如果TX登记了第二RX(RX2)或检测到第二RX(RX2)的移动，则在步骤1012中TX搜索第二RX(RX2)。TX对第二RX(RX2)移动的检测可以通过第二RX(RX2)经由反馈信道向TX发送关于第二RX(RX2)的移动的信息来进行。这种对第二RX(RX2)的移动的检测可以使得TX能够在小区域中执行搜索。

同时，如果RX通过反馈信道向TX通知低电池事件，则TX可以形成电磁场(EM场)以能够为更多接收器分配电力。

在步骤1031中，TX确定接收的信号是否依赖于扫描方向。如图10B所示，TX在第一RX(RX1)的方向上搜索第二RX(RX2)。

如果确定接收的信号不依赖于扫描方向，则在步骤1032中TX中断第一RX(RX1)的充电操作一段时间。然后在步骤1042中，TX在第一RX(RX1)的方向上搜索第二RX(RX2)的位置。在搜索第二RX(RX2)的位置之后，在步骤1051中TX对第一RX和第二RX(RX1和RX2)充电。

如果接收的信号依赖于扫描方向，则在步骤1051中TX搜索第二RX(RX2)的位置，然后在步骤1051中对第一RX和第二RX(RX1和RX2)充电。

根据本公开，TX可以使用多焦点算法将电力成功地发送到距离TX不同距离但在与TX相同的方向上的两个RX。这是因为多焦区域比单焦区域宽，因此遮蔽效果不重。

例如，考虑在第一RX和第二RX(RX1和RX2)位于与TX相同的方向但分别距离TX40cm和70cm的距离的情况下的电力效率。

在使用多聚焦的电力传输期间，第一RX和第二RX(RX1和RX2)处的场强测量分别是-0.55dB和-4.5dB。相比之下，在使用单聚焦的电力传输期间，第一RX和第二RX(RX1和RX2)处的场强测量分别是-0.85dB和-6.0dB。也就是说，比较第一RX和第二RX处的电力传输效率，可以看出，获得-4.5dB的测量的基于多聚焦的电力传输方法具有比获得-6.0dB的测量的基于单聚焦的电力传输方法更高的电力传输效率。

图5A示出了没有聚焦的RX场结构，图5B示出了具有聚焦的RX场结构。与不执行聚焦的情况(图5A)相比，图5B示出了在确定RX位置和电力传输期间对RX(图5B)使用场聚焦的优点。图5B示出了由TX天线在RX位置上聚焦的近场电磁(EM)场。在这种情况下，与示出了不执行聚焦情况的图5A中的接收电力相比，图5B中的接收电力示出了场聚焦显著增加的情况。因此，使用近场聚焦，可以以精确的方式确定RX位置并确保无线电力传输的高效率。

可以通过评估找到电力接收器的位置的多个步骤，来估计所提出的搜索过程时间。

根据3D空间中的直接(基本)搜索的扫描点的数量如下式确定：

其中N_θ是仰角扫描范围内的点的数量；

是方位角扫描范围内的点的数量；

N_R是距离聚焦范围内的点的数量。

通过比较，在下面的等式中确定在本公开的实施方式中提出的搜索方法：提出的搜索空间

空间：

作为示例，将直接搜索和本公开中提出的搜索进行如下比较：

对于N_θ＝16，

以及N_R＝10，根据直接搜索，搜索点计算为16×16×10，因此可以扫描多达2560个点。相反，根据所提出的扫描方法，需要扫描16×16+10、即最多266个点。因此，根据本公开的搜索方法比3D空间中的直接搜索提高了10倍的搜索速度。根据RX的位置，它可以使用一个或多个额外的步骤进行迭代RX位置细化。

当获得所有RX的位置时，TX可以开始电力传输。

当TX运行以对若干RX充电时，系统可以执行同时充电。已知的方法是阵列分支方案。该技术基于将整个TX阵列分成若干子阵列并且分配用于每个子阵列它自己的RX来进行无线电力传输。然而，该方案存在如下问题：

-通过宽子阵列波束搜索不准确的RX位置；

-子阵列波束/焦点之间的干扰可以使用所有子阵列的初始相位调整，这需要额外的时间来优化相位分布；

-由非最佳TX相位分布引起的低效率。

本公开提出的多个RX的同时充电的特征在于：

1、在连续搜索每个RX之后，使用全发送阵列形成多焦场图形；

2、TX沿TX阵列孔径产生特定的幅度和相位分布，使得每个TX天线阵列元件对每个RX充电；

3、通过形成成型的单个“宽”焦点来减轻在附近有RX充电时出现的“聚焦干扰”问题。

图6A示意性地示出了通过产生三个焦点同时对三个RX充电，图6B示出了在距离对三个RX充电的30×30cm²TX阵列0.5m距离处的示例性横向电场横切面。

需要通过特定方式激励TX天线阵列以实现用于同时充电若干RX的最大电力效率。

在图7A和图7B中分别示出了对单个RX充电的TX阵列的示例性幅度和相位分布，并示出了用于常规均匀天线阵列激励和用于根据本公开的天线阵列激励的幅度和相位分布图。所提出的激励方法实现了多聚焦充电场，并且采用了在所提出的3阶段搜索过程期间确定的所有接收单元的已知3D位置。

令k为发送天线阵元的索引，N_RX为用于充电的RX的数量，则可以如下计算第k个元素的复激励系数A_k：

【数学式10】

其中C_j是加权系数，i是虚数单位，ψ_k是在第k个元素和第j个RX之间传播的电磁波的相位延迟：

【数学式11】

在等式(11)中，λ是充电场的波长，并且R_kj是第k个元素和第j个RX之间的距离。在计算等式(10)之后，第k个发送天线阵元的激励幅度(M_k)和相位

可以确定为：

【数学式12】

其中运算符<<mag>>和<<phase>>分别用于获得复数的幅度和相位。

在最简单的情况下，当发送阵列仅具有移相器时，幅度设置为固定的(在阵列上是均匀的)，并且仅来自等式(12)的相位被用于多聚焦实现。在这种情况下，采用等式(1)中的复系数C_j来校正多焦场图案并补偿由幅度均衡引起的一些场分布误差。

在可以控制激励幅度和相位的情况下，等式(12)用于设置阵列的可控衰减器和移相器，而系数C_j可用于通过向第j个RX发送更高的相对电力水平来强调第j个RX的重要(majority)。

根据一个实施方式，本公开提供移动便携式设备的充电。

RX可以经由反馈信道向TX发送客户端号、用于充电的逻辑请求以及关于RX整流器处的测量电压的信息。

RX还可以经由反馈信道发送关于电池电量的信息、关于优选输入电力的信息，以及用于快速波束聚焦调整的相对位移的信息。

RX在反馈信道上发送关于开始移动的信息。根据上述技术，TX在RX周围的小区域中开始搜索过程。如果RX具有移动数据(如速度或位置数据)，TX可以处理它并搜索更小的区域。

此外，根据本公开的另一实施方式，RX通过反馈信道发送关于低电池事件的信息。TX形成在焦点/波束之一具有更大电力的微波场分布。对于TX天线的幅度-相位控制，可以仅进行相位控制。

例如，如果两个RX位于相同的方向但距离TX的距离不同，则一般的多焦点算法将成功地向两个RX传送电力。也就是说，与单波束生成相比，它具有更好的效率。当实际无线电力传输场景中的焦点区域非常窄时，位于TX附近的第一RX(RX1)将遮蔽远离TX的第二RX(RX2)。因此，第二RX(RX2)的电力传输效率将下降。本公开允许产生更宽的焦点区域，因此遮蔽效果并没有那么重。

根据本公开的另一方面，提出了用于执行上述无线电力传输方法的系统。所提出的系统包括电力TX和至少一个电力RX。电力TX包括用于产生微波场的TX天线阵列。微波也称为超高频波或超短波。TX天线阵列配置为形成微波场焦点/线。至少一个电力接收器包括待充电的电池。根据一个实施方式，TX天线阵列可以是无源TX天线阵列。根据另一实施方式，TX天线阵列可以是有源TX天线阵列。所提出的无线电力传输系统能够进行微波多聚焦，以同时对一些电力RX进行充电。

根据本公开的另一方面，提出了一种用于在前述无线电力传输系统中使用的TX天线阵列。TX天线阵列用于根据前述技术产生微波场。

TX天线阵列结构的特征在于：

-使用两个印刷电路板(PCB)：第一个是双侧低损耗高频基板，第二个是对微波性能没有特殊要求的单侧基板(例如FR4基板)；

-至少一个串联分压器，允许在第一个PCB上将馈电电路与有源电子器件(移相器、放大器、衰减器等)紧密放置在一起；

-天线元件的槽激励不包括PCB之间的任何连接器。

图8中示出了根据本公开的示例性天线阵元件结构的横截面。

根据本公开的天线阵列包括两个PCB：第一个是双侧低损耗高频基板，第二个是单侧基板，对其微波性能没有特殊要求。两个PCB通过介电层、或具有间隔物的气隙连接。所提出的设计不需要两个PCB之间的任何电流连接。因此，阵列制造和组装过程被简化，因为每个PCB可以单独制造并通过使用例如PCB间隔物的直接连接来组装。该阵列结构具有降低成本、设计灵活性和高重复性的优点。第一PCB承载连接到天线阵列馈电系统的微波输入，例如，使用放置在层1上的微带或共面传输线实现(图8)。由于天线阵列具有平面结构，因此其元件被放置为形成一些平面网格。因此，馈电系统可以包括两个部分，即行和列电力分配器。为了减少第一PCB上的馈电系统占用的空间，至少一个电力分配器用串行结构实现。天线阵列元件在第二PCB的一侧(图8中的层3)上形成为印刷谐振贴片，并且通过与第一PCB的微带/共面激励线的槽耦合来激励。在第一PCB的接地层(图8中的层2)中形成槽结构。为了在空间和时间上自适应地控制发送的微波能量，例如，为了实现波束控制和聚焦，发送天线阵列可以至少配备有移相器装置。移相器被直接集成在第一PCB(图8中的层1)的相同覆盖区中的电力分配器和阵列元件激励电路之间。这允许第一PCB布局结构具有非常高水平的组件集成。例如，如果移相器基于受控变容二极管或PIN二极管表面安装器件(SMD)元件，则可以在单个SMD安装过程期间实现第一PCB的组装。

为了进一步增加辐射控制能力，每个阵列元件可以配备有电力放大器和可控衰减器，其可以与移相器一起在相同的第一PCB(图8中的层1)覆盖区中实施。在另一种情况下，这些组件可以具有单片微波集成电路(MMIC)配置，并且可以直接安装在第一PCB上。MMIC指的是在单个半导体衬底上通过批处理制造的高频积分电路，能够执行弱信号放大、频率转换等的部分。利用MMIC，高频系统可以是重量轻和小型化的，并且可以通过显著减少使用部件的数量来增加产量。由于半导体衬底上的有源器件和无源器件以及单元器件的连接是以批量工艺制造的，因此与传统的高频电路板相比，MMIC体积小、可靠并且具有均匀的特性。此外，MMIC不需要用于单个部件的额外封装，因此与制造具有单个部件的高频电路相比降低了制造成本。

阵列元件辐射器使用通过具有降级对称形式(例如倒角的方形贴片)的贴片的单槽激励实现的圆极性。

第一PCB还可以承载用于有源电子器件的控制和直流(DC)馈电线，并且还可以包括一些数字控制部件。

图9示出了具有微带激励和耦合到倒角方形贴片的H形槽的示例性阵列元件的俯视图(移相器未示出)。

因此，本公开可以获得以下优点：

-通过3D空间中的3阶段搜索算法进行接收器快速定位；

-通过聚焦提高电力传输效率；

-多焦点，用于同时为一些电力RX充电；

-简单、紧凑且鲁棒的发送机天线阵列结构。

应当注意，本公开的实施方式可以为用户体验提供至少以下改进：

-用于任何类型的便携式电子设备(智能手机、平板电脑、手表等)的无线供电的可能性；

-同时对多个装置充电的可能性；

-移动便携式装置的充电的可能性；

-TX和RX之间的快速连接等。

根据本公开的实施方式，可以通过在波束控制和聚焦状态之间进行切换而在3D空间中进行合理的接收器搜索。而且，多聚焦可以用于同时为多个接收器充电。

根据本公开的实施方式的发送器可以通过三阶段搜索算法在3D空间中搜索高速接收器。

发送器可以通过聚焦来增加电力传输效率。

发送器可以使用多聚焦同时对多个电力接收器充电。

本说明书中描述的所有功能可以由控制器或处理器控制和执行。除非另有说明，否则本文中以单数形式提及的元件不排除多个元件。尽管已经详细描述并且在附图中示出了示例性实施方式，但是应该理解，这些实施方式仅仅是说明性的，并不旨在限制更广泛的公开，并且本公开不应限于具体示出和描述的布置和结构，因为对于本领域技术人员而言，各种其他修改是显而易见的。

尽管已经利用示例性实施方式描述了本公开，但是可以向本领域技术人员建议各种改变和修改。本公开旨在包含落入所附权利要求范围内的这些改变和修改。

Claims

1.一种通过包括发送天线阵列的电力发送器执行无线电力传输的方法，所述方法包括：

基于由发送天线阵列执行的聚焦波束控制来确定多个电力接收器相对于所述电力发送器的位置的角度坐标，所述聚焦波束控制是使用聚焦在特定点的聚焦波束执行的；

通过使用聚焦的微波场，基于所确定的角度坐标确定所述多个电力接收器中的每一个与所述电力发送器之间的距离；

基于所确定的角度坐标和所确定的距离来确定所述多个电力接收器中的每一个的位置；以及

通过聚焦所述微波场到所述多个电力接收器中的每一个的已确定位置来发送电力，其中，电力发送包括通过激励发送天线阵列以形成具有多个焦点的多焦微波场图形到所述多个电力接收器中的每个已确定的位置来同时对所述多个电力接收器充电，从而电力被发送到距离发送器不同距离但与发送器相同的方向上的多个电力接收器。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，确定角度坐标包括：如果所述电力发送器与所述多个电力接收器中的每一个之间的距离等于或小于所述电力发送器的发送阵列孔径，则通过使用微波场的聚焦波束来执行确定角度坐标。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，通过迭代角度搜索来执行确定角度坐标。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，通过迭代距离搜索来执行确定所述多个电力接收器中的每一个与所述电力发送器之间的距离。

5.根据权利要求1所述的方法，还包括：通过反馈信道从所述多个电力接收器中的每一个接收客户端号、用于充电的逻辑请求和关于由整流器测量的电压信息。

6.根据权利要求5所述的方法，还包括：通过所述反馈信道从所述多个电力接收器中的每一个接收关于所述多个电力接收器中的每一个的电池电量的信息、关于优选输入电力的信息或关于用于快速波束聚焦调整的相对位移的信息中的至少一种。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述发送电力包括以如下方式确定第k个发送天线阵元的激励幅度(M_k)和相位

其中k是发送天线阵元的索引，

其中运算符<<mag>>和<<phase>>分别用于获得复数激励系数A_k的幅度和相位，A_k计算如下：

其中N_RX是待充电的电力接收器的数量，C_j是加权系数，i是虚数单位，ψ_kj是第k个发送天线阵元和第j个电力接收器之间的电磁波传播的相位延迟，计算如下：

其中λ是充电场的波长，R_kj是第k个天线阵元和第j个电力接收器之间的距离，以及

基于所确定的激励幅度(M_k)和相位

来激励第k个天线阵元。

8.一种用于执行无线电力传输的电力发送器，所述电力发送器包括：

收发器；

发送天线阵列，配置为产生微波场；以及

控制器，配置为：

基于由发送天线阵列执行的聚焦波束控制来确定多个电力接收器相对于所述电力发送器的位置的角度坐标，所述聚焦波束控制是使用聚焦在特定点的聚焦波束执行的，

通过使用聚焦的微波场基于所确定的角度坐标确定所述多个电力接收器中的每一个与所述电力发送器之间的距离，

基于所确定的角度坐标和所确定的距离来确定所述多个电力接收器中的每一个的位置，以及

控制收发器通过聚焦所述微波场到所述多个电力接收器中的每一个的已确定位置来发送电力，

其中，所述控制器被配置为通过激励发送天线阵列以形成具有多个焦点的多焦微波场图形到所述多个电力接收器中的每一个的已确定的位置来同时对所述多个电力接收器充电，从而电力被发送到距离发送器不同距离但与发送器相同的方向上的多个电力接收器。

9.根据权利要求8所述的电力发送器，其中，所述控制器被配置为执行权利要求2至7中任一项所述的方法。

10.根据权利要求8所述的电力发送器，其中，所述发送天线阵列包括：

第一印刷电路板(PCB)和第二印刷电路板(PCB)，所述第一印刷电路板和所述第二印刷电路板堆叠但没有电连接，

其中，所述第一印刷电路板是双侧PCB，并且包括第一侧的微波输入、电力分配电路、移相器、微带或共面阵元件激励电路，以及第二侧的槽耦合孔，以及

其中，所述第二印刷电路板是单侧PCB，并且包括由耦合到微带或共面激励电路的槽耦合孔激发的圆偏振贴片。

11.根据权利要求10所述的电力发送器，其中，所述移相器集成到所述第一印刷电路板的覆盖区中。

12.根据权利要求11所述的电力发送器，其中，所述第一印刷电路板还包括电力放大器和衰减器。

13.根据权利要求12所述的电力发送器，其中，所述移相器、所述电力放大器和所述衰减器集成到所述第一印刷电路板的覆盖区中。

14.根据权利要求11所述的电力发送器，其中，移相器、电力放大器和衰减器实现为单独的单片微波集成电路(MMIC)组件。

15.根据权利要求11所述的电力发送器，其中，所述第一印刷电路板和所述第二印刷电路板使用介电层或具有间隔物的气隙连接。