CN112005464A - 具有内置无线功率传输发射器和接收器装置的瓷砖 - Google Patents
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Abstract
一种提供有内置无线功率传输技术的瓷砖，使得功率能够从瓷砖的无线功率传输谐振器无线地传输到瓷砖的无线功率接收器装置。无线功率接收器装置包括或电耦合到设置在瓷砖的前表面上的一个或多个电气装置，并对其供电。可以提供一种瓷砖阵列，在这种情况下，每个瓷砖具有无线功率传输谐振器。阵列的瓷砖中的至少一个电耦合到RF电源。每个瓷砖产生的EM场从该瓷砖感应耦合到阵列的最近邻瓷砖。
Description
相关申请的交叉引用
本申请是非临时性PCT国际申请，其要求于2018年4月20日提交的、标题为“TILESHAVING BUILT-IN WIRELESS POWER TRANSFER TRANSMITTER AND RECEIVER DEVICES(具有内置无线功率传输发射器和接收器装置的瓷砖)”、序列号为62/660,448的美国临时申请的申请日的权益并要求其优先权，其全部内容通过引用的方式并入本文。
背景技术
无线功率传输是不使用人造导体连接电源和电负载而将电能从电源传输到电负载。无线功率传输系统包括发射器和一个或多个接收器装置。发射器电耦合到电源并将功率转换为时变电磁(EM)场。一个或多个接收器装置经由EM场接收功率并将接收到的功率转换回电流以供电负载使用，该电负载是接收器装置的一部分或电耦合到接收器装置。
本申请的发明人发明并先前提交了关于无线功率传输系统的美国非临时申请，该无线功率传输系统包括用于无线功率传输领域的可变形状因数(form factor)的发射器和接收器装置。例如，2016年10月18日提交的、标题为“WIRELESS POWER TRANSFER TOMULTIPLE RECEIVER DEVICES ACROSS A VARIABLE-SIZED AREA(将无线功率传输到可变大小区域中的多个接收器装置)”、序列号为15/296,704的美国申请公开了这样的发射器和接收器装置，该美国申请的发明人与本申请的发明人相同。
这种可变形状因数的发射器的形状和大小可以改变，以适应实际上任何大小和形状的无线功率传输区域，同时仍然实现特定的特征频率。该发射器被配置为从电耦合到发射器的射频(RF)电源经由由发射器所生成的近EM场而在无线传输功率区域上发射RF功率。
在无线功率传输区域中运行的接收器装置被配置为以发射器正运行的特征频率谐振，以便从近EM场接收功率。接收器装置将来自近EM场的接收功率转换为电流，该电流随后可用于为作为接收器装置的一部分或与接收器装置电耦合的电负载供电。
上述无线功率传输技术的一种潜在应用是照明应用。例如，接收器装置可以被配置为向一个或多个发光二极管(LED)供应直流(DC)电流，如'704申请中所公开的。在这种情况下，无线功率传输区域可以例如在天花板上横向延伸并且稍微在天花板的上方和下方延伸。包含有LED的接收器装置可以设置在天花板面向地面的一侧上，用于为房间提供照明。
与这种照明应用相关联的一个困难在于，在天花板(例如，铝支柱)中、上或上方经常存在导电特征或装置，发射器所生成的EM场可能在这些导电特征或装置中感应出涡电流。这些涡电流可能部分或完全阻挡EM场，从而降低LED照明方案的有效性。类似的困难在照明应用涉及地板、墙壁、庭院、人行道、车道等时可能出现。从本质上讲，该问题可能在安装接收器和照明方案的表面与其中感应出涡电流的导电元件(例如，金属管道、金属支柱、铝制螺柱等)的网络相邻的任何位置出现。
尽管已经提出了无线功率照明方案，但是它们仅部分有效，因为它们没有考虑到由EM场内的金属对象中的涡电流引起的问题。例如，凯斯勒(Kesler)等人的第2014/0021798号公开的美国专利申请提出将无线谐振器构建成各种结构，例如墙壁、地板、天花板、隔板、墙壁覆盖物等，但是没有考虑与涡电流相关联的问题。
与这种照明应用相关联的另一个困难在于，如果将无线传输技术并入例如形成阵列的地砖或天花板瓷砖中，则EM场由于阵列中不同位置处的瓷砖具有不同数量的最近邻的瓷砖而不均匀。位于瓷砖上的谐振器主要与最近邻的瓷砖感应耦合。因此，具有不同数量的最近邻的瓷砖将具有不同的感应EMF量，这取决于它们是内部瓷砖(四个最近邻)、边缘瓷砖(三个最近邻)还是拐角瓷砖(两个最近邻)。为了在整个阵列上保持均匀的EM场幅值，必须考虑这些差异。提出的无线功率照明方案(包括在Kesler等人中公开的)没有考虑这些差异。因此，如果使用已知的提出的技术创建的阵列完全工作，则不能整体有效。
存在对如下照明方案的需求：该照明方案利用无线功率传输技术，并且克服了以上讨论的具有涡电流流的困难及维持均匀EM场的困难。
发明内容
根据本文公开的发明原理和概念，提供了一种瓷砖，其包括具有前表面和后表面的基板，设置在瓷砖中或瓷砖上的无线功率传输谐振器以及设置在瓷砖中或瓷砖上的无线功率接收器装置。
根据另一方面，瓷砖还包括电气装置，该电气装置电耦合到无线功率传输接收器装置并安装在瓷砖的前表面上。该电气装置由无线功率接收器装置供电。根据另一方面，电气装置是电气照明装置。根据另一方面，电气装置是电气检测器装置。
根据另一方面，瓷砖是适合用于形成吊顶的吊顶砖(drop-out tile)。
根据另一方面，瓷砖还包括射频(RF)电源，该射频(RF)电源电耦合到无线功率传输谐振器并设置在瓷砖上或瓷砖中。
根据前述方面中的一个或多个方面，无线功率传输谐振器包括：导电材料的矩形回路，该矩形回路具有分别与瓷砖的第一边、第二边、第三边和第四边相邻延伸的第一段、第二段、第三段和第四段；以及至少第一电容器，电耦合到矩形回路的相对端。矩形回路和至少第一电容器预先选择为确保无线功率传输谐振器以预先选择的特征频率谐振。
根据前述方面中的一个或多个方面，无线功率接收器装置以预先选择的特征频率谐振。
根据前述方面中的一个或多个，无线功率传输谐振器设置在瓷砖的后表面上。
根据另一方面，提供了一种瓷砖的阵列，其被布置为使得每个瓷砖具有至少一个相邻的瓷砖，其中，该阵列的每个瓷砖包括具有前表面和后表面的基板以及设置在相应的瓷砖中或上的第一无线功率传输谐振器。
根据瓷砖阵列的一方面，第一无线功率传输谐振器中的至少一个电耦合到第一RF电源，该第一RF电源设置在其上设置有第一无线功率传输谐振器的瓷砖上或瓷砖中。
根据瓷砖阵列的一个方面，该阵列的至少第一瓷砖包括：至少第一无线功率接收器装置，其设置在第一瓷砖中或第一瓷砖上；以及电气装置，其电耦合到第一无线功率传输接收器装置并且安装在瓷砖的前表面上。电气装置由第一无线功率传输接收器装置供电。根据瓷砖阵列的一方面，电气装置是电气照明装置。根据瓷砖阵列的另一方面，电气装置是电气检测器装置。
根据瓷砖阵列的一个方面，该阵列的每个瓷砖是适合用于形成吊顶的吊顶砖。
根据瓷砖阵列的一个或多个前述方面，每个第一无线功率传输谐振器包括：导电材料的矩形回路，该矩形回路具有分别与瓷砖的第一边、第二边、第三边和第四边相邻延伸的第一段、第二段、第三段和第四段；以及至少第一电容器，电耦合到矩形回路的相对端。矩形回路和至少第一电容器预先选择为确保第一无线功率传输谐振器以预先选择的特征频率谐振。
根据瓷砖阵列的一个或多个前述方面，每个第一无线功率传输谐振器的预先选择的特征频率至少部分地基于阵列中相应的瓷砖的位置来预先选择。位于阵列的拐角处的瓷砖具有以第一特征频率谐振的第一无线功率传输谐振器。位于阵列的内部的瓷砖具有以第二特征频率谐振的第一无线功率传输谐振器。位于阵列的边上且不是拐角瓷砖的瓷砖具有以第三特征频率谐振的第一无线功率传输谐振器。仅与位于阵列的边上且不是拐角瓷砖的另一个瓷砖相邻的瓷砖具有以第四特征频率谐振的第一无线功率传输谐振器。
根据瓷砖阵列的另一方面，第一、第二、第三和第四特征频率预先选择为确保在整个阵列上存在基本恒定的电磁场。
根据瓷砖阵列的另一方面，该阵列的至少第二瓷砖还具有设置在其上的第二无线功率传输谐振器。设置在第二瓷砖上的第一无线功率传输谐振器和第二无线功率传输谐振器确保零净磁通量通过第二瓷砖。
根据瓷砖阵列的一个或多个前述方面，第一无线功率传输谐振器和第二无线功率传输谐振器通过交叉结而彼此耦合，以确保零净磁通量通过第二瓷砖。
根据瓷砖阵列的一个或多个前述方面，该阵列的至少第三瓷砖具有设置在其上的至少第二、第三和第四无线功率传输谐振器。设置在第三瓷砖上的第一、第二、第三和第四无线功率传输谐振器通过交叉结而彼此耦合，以确保零净磁通量通过第三瓷砖。
根据瓷砖阵列的一个或多个前述方面，该阵列还包括至少第二RF电源，电耦合到至少第二无线功率传输谐振器。第二RF电源设置在第二无线功率传输谐振器所设置在其中或其上的瓷砖之上或之中。第一RF电源和第二RF电源彼此隔开预定距离。
根据瓷砖阵列的一个或多个前述方面，瓷砖阵列中的相邻瓷砖通过预选的间隙彼此分离，该预选的间隙预先选择为确保相邻瓷砖的无线功率传输之间的足够强的互感。
根据瓷砖阵列的一个或多个前述方面，每个矩形回路具有至少部分地基于间隙尺寸的公差预先选择的宽度。
根据瓷砖阵列的一个或多个前述方面，第一RF电源和第二RF电源彼此同相。
附图说明
参照以下附图可以更好地理解本公开的许多方面。附图中的组件不一定按比例绘制，而是着重于清楚地示出本公开的原理。而且，在附图中，相同的附图标记表示几个视图中对应的部分。
图1是无线功率传输系统的框图，该无线功率传输系统包括可变形状因数的无线功率发射器，该可变形状因数的无线功率发射器从RF电源接收功率以用于在具有一个或多个无线功率接收器装置的无线功率传输区域上进行无线功率传输。
图2示出了根据本发明的一个或多个实施例的示例接收器装置的示意图。
图3示出了根据本发明的一个或多个实施例的另一示例接收器装置的示意图。
图4A和图4B分别示出了根据代表性实施例的具有内置无线功率传输技术的天花板瓷砖的后视图和前视图。
图5示出了根据实施例的天花板瓷砖阵列的平面图，其中每个天花板瓷砖都包含无线功率谐振器。
图6示出了根据实施例的天花板瓷砖阵列的平面图，其中，每个单元具有两个相同的谐振器，这两个谐振器通过交叉结互连，从而产生零净通量。
图7示出了根据实施例的2'x2'天花板瓷砖阵列的平面图，其中，每个单元具有四个相同的谐振器，这些谐振器通过交叉结互连，从而产生零净通量。
图8示出了当所有谐振器都具有相同的特征频率并且未采取步骤以确保EM场的幅值在整个阵列上保持恒定时，在每个谐振器的中心处测量的电磁场的方格强度的图。
图9示出了针对整个瓷砖阵列上的电磁场均匀的情况的电磁场方格强度的图。
图10示出了针对整个阵列上的均匀场幅值的基本模式的电磁场方格强度的图。
图11至图13示出了阵列的第一、第二和第三谐波(overtone)的电磁场强度的方格强度。
图14示出了两个相邻的瓷砖和小的间隙，该间隙将包括相应的谐振器的回路的相邻部分分隔开。
图15示出了可以在图4A和图4B所示的谐振器中使用的类型的两个相邻的导电回路在回路由被小的间隙分隔开的平坦的导电带制成的情况下的仿真。
图16示出了作为两个回路之间的间隙的函数的、图15所示的两个方形回路之间的耦合系数k的近似仿真的图。
图17示出了耦合系数k对间隙宽度变化的灵敏度的图。
图18是Q＝400时λ与k之间的关系图，其表明k的小幅值是不希望的，因为当k的幅值接近零时，可以传输功率的距离接近零。
图19描绘了两个相邻的谐振器的方形回路，其中，每个谐振器在方形回路的中心具有扁平导体，以改善相邻方形回路之间的感应耦合。
图20示出了图4A和图4B所示的瓷砖的阵列的平面图，该阵列具有用于驱动瓷砖的谐振器的四个RF放大器。
图21图解了示出通过注入锁相被锁相的两个相同的RF电源的示意图。
具体实施方式
根据本文描述的代表性实施例，提供了一种瓷砖，该瓷砖具有内置的无线功率传输技术，其能够从瓷砖的无线功率发射器或谐振器无线传输功率到瓷砖的无线功率接收器装置。瓷砖通常布置为瓷砖阵列。阵列的一个或多个瓷砖包括无线功率接收器装置，该无线功率接收器装置包括或电耦合到一个或多个照明装置，这些照明装置设置在瓷砖的前表面上。阵列的每个瓷砖都具有无线功率传输发射器或谐振器。无线功率传输发射器或谐振器中的至少一个电耦合到RF电源。每个瓷砖生成的EM场从该瓷砖感应耦合到阵列的最近邻瓷砖，以在整个阵列上耦合功率。
在描述具有内置无线功率传输技术的瓷砖之前，将提供对根据代表性实施例的适合于并入瓷砖的无线功率发射器和无线功率接收器装置的示例的讨论。应当注意，本领域技术人员鉴于本文提供的说明将理解，本发明的原理和构思不限于无线功率发射器和接收器装置的这些特定配置，并且还可以使用其它配置。
图1是无线功率传输系统100的框图，该无线功率传输系统100包括无线功率发射器102，该无线功率发射器102从RF电源108(例如，RF放大器)接收功率，以在其中设置有一个或多个无线功率接收器装置(标记为标记为A、B、C、D、E和F的圆形图标)的无线功率传输区域101上进行无线功率传输。这些组件的每一个将在下面详细描述。
在本发明的一个或多个实施例中，无线功率传输区域101是任意的三维(3-D)物理空间，在该三维物理空间中，一个或多个接收器装置正在从发射器102接收功率。根据以下描述的代表性实施例，无线功率传输区域101包括在天花板上及稍微在天花板的上方和下方沿至少彼此垂直的第一方向和第二方向横向延伸的3-D空间，使得包含有无线功率传输技术的天花板瓷砖在无线功率传输区域内。
在本发明的一个或多个实施例中，接收器装置(A)至(F)设置在天花板瓷砖中或天花板瓷砖上，如下面将更详细描述的。如上所述，接收器装置包括或者电耦合到通过接收器装置所接收的电功率供电的一个或多个电气装置。这些电气装置可以是可使用本文描述的电功率传输技术有益地供电的任何类型的电气装置。通常用于该目的的电气装置是设置在天花板瓷砖的前表面上的照明装置和检测器装置。基于发射器102的近电磁场的性质，未被任何接收器装置接收的近电磁场的功率返回到发射器102和RF电源108。这与经由其辐射功率的远电磁场相反，远电磁场导致对无线功率传输无益的能量损失。接收器装置的示例在下面参考图2和图3进行描述。
在本发明的一个或多个实施例中，发射器102包括至少一个电容器103。出于说明的目的，发射器102在图1中被示出为具有分布式电容器串。该分布式电容器串包括多个电容器导线段，其串联连接以传导由电源108产生的RF电流105。RF电流105感应出在整个无线功率传输区域101上存在的磁场(例如，磁场106)。在一个或多个实施例中，RF电流105在端子A和端子B处进入/离开导线。在一个或多个实施例中，附加的中间组件(未示出)还可以插入串联的电容器导线段或者插在串联的电容器导线段与一个或多个端子(例如，端子A、端子B)之间，而不会妨碍可变形状因数的发射器102的操作。
在一个或多个实施例中，每个电容器导线段包括连接到导线段(例如，导线段104)的电容器(例如，电容器103)。在一个或多个实施例中，发射器102中的每个电容器(例如，电容器103)具有与发射器中的任何其它电容器相同的标称电容值，该标称电容值是在将发射器102设置在无线功率传输区域101中之前确定的。例如，在用户使用发射器102在无线功率传输区域101内无线地提供功率之前，可以在工厂中安装发射器102中的电容器(例如，电容器103)。电容器(例如，电容器103)可以是合适的类型，例如陶瓷电容器、薄膜和纸电容器、电解质电容器、聚合物电容器、银云母电容器等。在一个或多个实施例中，一个或多个电容器可包括由铝或其它金属氧化物层隔开的两个铝或其它金属片、箔或薄膜。在工厂制造过程中典型地，例如由于制造公差，发射器102中的所有电容器(例如，电容器103)的电容值可以在范围(称为电容范围)内变化。
在一个或多个实施例中，每个电容器导线段包括具有预定的段长度且每单位长度具有预定电感的导线段。例如，在用户使用可变形状因数的发射器102在无线功率传输区域101内无线地提供功率之前，可在工厂中安装可变形状因数的发射器102中的导线段(例如，导线段104)。导线段(例如，导线段(104))可以是合适的类型，例如由铜、铝或其它合适的金属和/或合金材料制成的绝缘或非绝缘的线、片、箔或薄膜。在工厂制造过程中典型地，例如由于制造公差，可变形状因数的发射器102中的每个和所有导线段(例如，导线段104)的长度和电感值可以在范围(称为长度范围和电感范围)内变化。
通过限制电场，发射器102中的电容器(例如，电容器103)减少了杂散电场和导线段(例如，导线段104)所得到的感应电压。因此，发射器102中的电容器(例如，电容器103)减少了导线段(例如，导线段104)的杂散电容中存储的能量在系统100中的总能量中所占的比例。与杂散电容相关联的感应电压和存储能量的减少降低了由于环境相互作用而造成的损耗，并提高了用户的安全性。
在本发明的一个或多个实施例中，发射器102与至少基于预定电容、预定段长度和每单位长度的预定电感的特征频率相关联。在整个文档中，术语“特征频率”和“谐振频率”可以根据上下文互换使用。
在一个或多个实施例中，代替直接连接到电源108，发射器102经由驱动回路(未示出)使用感应耦合从电源108接收功率。换句话说，电源108可以直接耦合或感应耦合到发射器102。
图2示出了根据本发明的一个或多个实施例的示例接收器装置A(500a)的示意图。在一个或多个实施例中，可以省略、重复和/或替换图2中所示的一个或多个模块和元件。因此，本发明的实施例不应被认为限于图2所示的模块的特定布置。
根据该代表性实施例，接收器装置A(500a)包括照明方案，在该代表性实施例中，照明方案是以圆形图案布置的多个LED 502。LED 502并联连接以形成LED串。应当注意，接收器装置A(500a)可以仅仅具有一个LED502。LED串的两端连接到整流器电路A(50la)以形成回路。例如，该回路可以是用作移动LED照明装置的圆形回路，该移动LED照明装置在图1所描绘的无线功率传输区域101内使用。在本发明的一个或多个实施例中，整流器电路A(50la)包括电容器C1、C2和C3以及整流二极管D1和D2。当接收器装置A(500a)存在于振荡磁场中时，通过LED串的回路的变化的磁通量在LED串的两端之间感应出电压差。所感应的电压差随时间振荡。调节电容C3以使LED串与振荡磁场谐振，来增强感应的振荡电压。整流二极管D1和D2对感应的振荡电压进行整流，以在LED串的外侧导线503a和内侧导线503b之间产生DC电压差，从而将功率输送到并联连接的LED 502。电容器C1和C2用作RF旁路电容器，用于维持LED串的外侧导线503a和内侧导线503b对RF电流呈现短路。接收器装置A(500a)的配置通过与整流二极管D1或D2串联的LED两端的组合的正向压降来限制回路电压，这提高了用户的安全性。
图3示出了根据一个或多个实施例的另一示例接收器装置500d的示意图。调谐电感器L和电容器C1、C2以在参考图1描述的发射器102和RF电源108的特征频率处谐振，但是接收器装置500d不限于与发射器102和/或RF电源108一起使用。电容器C1的值被选择为在谐振接收器和LED负载之间提供阻抗匹配。桥式整流器将电容器C1上呈现的RF电压转换为DC电压，该DC电压驱动LED。例如，LED可以对应于装饰性发光二极管(LED)串。
图1和图2分别表示可以内置在根据实施例的瓷砖中的无线功率发射器102和无线功率接收器装置500a的示例。图3表示可以内置在根据实施例的瓷砖中的无线功率接收器装置500d的另一示例。然而，如下面将更详细描述的，通常与瓷砖一起使用的发射器具有一个或多个电容器，并且可仅仅具有单个电容器。发射器的配置不仅取决于要获得的特征频率，还取决于其它因素，例如相邻瓷砖之间的间隔，这将在下面更详细地描述。
如上所述，与利用无线功率传输技术的照明应用相关联的一个困难在于，在天花板(例如，铝支柱)中、上或上方经常存在导电特征或装置，发射器产生的EM场可能在这些导电特征或装置中感应涡电流。这些涡电流感应出其自身的EM场，其可以抵消或降低发射器产生的EM场。对于将无线功率传输技术并入天花板瓷砖的情况，以下提供了针对该问题的解决方案。
图4A和图4B分别示出了根据代表性实施例的用于吊顶的天花板瓷砖600的后视图和前视图。天花板瓷砖600可以是由已知材料(例如，乙烯基或聚苯乙烯)制成的已知类型的吊顶瓷砖。这样的天花板瓷砖通常制造为2'x4'或2'x2'的瓷砖。为了说明的目的，假设天花板瓷砖600是2'x4'的天花板瓷砖。
天花板瓷砖600具有设置在其背表面600a上的无线功率谐振器601和设置在其正表面600b上的无线功率接收器装置602。在该实施例中，前表面600b通常面对包含天花板的建筑物的地板。除了无线功率谐振器601不需要电耦合到其自身的RF电源，并且谐振器601的形状因数是固定的且是具有与瓷砖600的相应边相邻的边的矩形回路之外，无线功率谐振器601可以与图1所示的发射器102类似或相同。根据该实施例，谐振器具有单个电容器603。谐振器601的矩形回路包括诸如铜的导电材料，例如，其可以通过上述任何过程来形成。无线功率谐振器601通常将具有固定的形状因数，例如具有特定配置和尺寸的柔性电路。根据该实施例，谐振器601具有预先选择的特征频率，该预先选择的特征频率基于包括谐振器601的矩形回路的电感和电容器603的电容。如本领域技术人员将理解的，矩形回路604的宽度、长度和/或高度可以被预先选择为具有特定的电感值，电容器603可以被选择为具有特定的电容值。因此，谐振器601的特征频率可以通过对包括谐振器601的矩形回路的配置的预先选择和对具有适当电容值的电容器603的预先选择来预先选择。
多个瓷砖600可以被定位成在网格图案中横向上彼此相邻，从而以与当前组装这种吊顶的方式相同的方式形成阵列。然而，应注意，瓷砖600的阵列可以是任何期望的图案且可具有任何形状。阵列的至少一个瓷砖600中的至少一个谐振器601将被电耦合到RF电源(未示出)，以使谐振器601产生EM场。然后，EM场将在整个阵列中从一个瓷砖600感应耦合到紧挨着的瓷砖。但是，如上所述，应采取步骤以确保EM场幅值在整个阵列上基本恒定。下面还详细描述其实现方式。
图5示出了根据实施例的天花板瓷砖600的阵列610的平面图，其中每个天花板瓷砖600包含无线功率谐振器601。每个瓷砖600还包含无线功率接收器装置，但为了示出磁通线604的方向省略了无线功率接收器装置。为了简化图示，每个谐振器601由具有互连矩形回路的端部的电容器603的矩形回路表示。然而，在其它实施例中，矩形回路可以具有图1所示的由导线段104隔开的电容器103的配置。如以上参考图1所示的发射器102所指示的，谐振器601的特征频率至少基于预定电容、预定段长度和每单位长度的预定电感。接收器装置(未示出)被调谐到特征频率。如以下将更详细描述的，某些谐振器601可以根据其在阵列中的位置而具有不同的特征频率，以确保EM场的幅值在整个阵列610上基本恒定。
通常，天花板瓷砖600由铝支柱621支撑，该铝支柱621形成矩形网格。这些支柱621是导电的并在接头处电连接。穿过该网格中的单元的任何EM场将在将与该场相对的支柱621中产生涡电流。根据实施例，谐振器601被布置为使得网格中的每个单元通过零净磁通。这可以通过在每个单元内放置成对的相同的谐振器601来实现(因为当阵列以其最低频率(即，基本模式(fundamental mode))被驱动时，相邻的谐振器具有指向相反方向的磁场)。
图6示出了根据实施例的天花板瓷砖600的阵列630的平面图，其中每个单元具有两个相同的谐振器601，这两个谐振器通过交叉结631互连，使得产生零净通量。
图7示出了根据实施例的2'x2'天花板瓷砖600的阵列640的平面图，其中每个单元具有四个相同的谐振器601，这些谐振器通过交叉结641互连，使得产生零净通量。
相同的谐振器601的矩形阵列在以其固有模式之一自由振荡时将不会具有均匀幅值的EM场。这对于无线功率传输来说是不希望的，因为可用于接收装置的功率在整个阵列上将不是均匀的，而是逐个瓷砖变化。在相同的谐振器601的阵列中，在谐振器601的阵列的边缘和拐角处的EM场的幅值将接近于零，这是由于这些瓷砖具有不同数量的最近邻。
图8示出了当所有谐振器601具有相同的特征频率并且不采取步骤以确保EM场的幅值在整个阵列上基本恒定时，在每个谐振器601的中心处测量的EM场的方格强度的图。由谐振器601产生的EM场的幅值将随位置平滑地变化，并且在阵列的中心附近达到最大值。由于相邻谐振器601之间的感应耦合，每个谐振器601的固有谐振频率的适当选择基于该谐振器的最近邻的数目来确定。令n为最近邻的数量，k为耦合系数，f0为整个阵列的期望振荡频率。每个瓷砖的固有谐振频率f应该被调谐为：
对于矩形网格，存在三种不同类型的谐振器601：内部谐振器(4个最近邻)、边缘谐振器(3个最近邻)和拐角谐振器(2个最近邻)。当根据等式(1)调谐谐振器601时，在以频率f0驱动阵列时整个阵列上的谐振器601的幅值将是均匀的，如图8所示。这可以与如图7所示的所有谐振器具有相同的谐振频率的情况进行比较。应当注意，频率f0对应于阵列的基本模式的频率。下面参考图10至图13讨论其重要性的原因。
图9示出了针对电磁场在整个瓷砖阵列上是均匀的情况下的EM场的方格强度的图。谐振器601的阵列将具有一系列驻波模式。图10至图13是在每个谐振器601的中心处测量的EM场的方格强度的图。如图10所示，基本模式在整个阵列上具有均匀的场幅值。从图11至图13可以看出，在基本模式下，EM场的方向在相邻的谐振器中是相反的。但是，谐波(overtone)具有节点线，场幅值在节点线上为零。如果以对应于基频以外的任何谐波的频率驱动阵列，则阵列将具有这些节点线。这对于无线功率应用是不希望的，因为放置在节点线上的接收装置将不会接收任何功率。该问题通过根据等式(1)调谐谐振器601并以作为基本模式的频率的频率f0驱动阵列来避免。
需要解决的另一个问题是该阵列可能允许基本驱动频率的谐波传播。该阵列将具有范围从f0到f0√(1-4k)/(1+4k)的谐振带，其中，-1/4<k<0。该阵列将由一个或多个RF放大器以频率f0驱动。连接到系统的任何RF放大器都会产生f0的整数倍的一些谐波。如果这些谐波能够以波的形式传播通过阵列，则由于不希望频率的意外传输，可能会导致与其它电气装置发生干扰。
如果最低频率的谐波高于谐振带的上边缘，或者换句话说，如果满足以下条件，则f0的谐波将不会传播通过阵列：
如果–0.15<k<0，则该等式被满足。
如果满足等式(2)，则该阵列将抑制驱动频率的谐波传播。这将提高驱动波形的纯度，并有助于防止意外干扰。
在该阵列中，功率通过相邻谐振器601之间的互感从谐振器601耦合到谐振器601。耦合越强，功率传输越有效。相邻谐振器之间的互感M等于kL，其中，k是无量纲耦合系数，L是每个谐振器601的自感。功率可以传播的距离随k的幅值增加而增加。通过使组成每个谐振器回路的导线尽可能靠近其近邻，可以使耦合系数的幅值最大。对于方形网格，这意味着谐振器601将被形成为导线或金属带的方形回路，使得导线或带之间的间隙尽可能小。
图14示出了两个相邻的瓷砖600和小间隙650，该间隙650将包括相应的谐振器的回路601a和601b的相邻部分分隔开。随着间隙650接近零，由细线组成的相邻方形的k的极限值为k→-1/4。应当注意，该极限值超过了由等式(2)施加的约束。因此，间隙650应足够大，以使k>-0.15。然而，应当注意，因为该系统对于该范围之外的k值有效地工作，所以本发明的原理和构思不限于该k值的范围。可能存在这样的情况，其中吊顶的其它约束防止瓷砖间隔得足够靠近以满足该约束。在这种情况下，谐振器601a和601b之间的相互耦合可能不会最大化，但是可以使其足够强以使系统有效地运行。
在实践中，瓷砖600的布置可能存在某些变化，因此谐振器601的布置也可能存在某些变化。吊顶被设计为允许瓷砖在支柱621(图5至图7)内以一定的自由度移动。因此，谐振器601之间的间隙650可能由于安装过程的正常公差而变化。因为耦合系数k是该间隙大小的函数，所以耦合系数k将在整个阵列中随机变化。如果该随机变化太大，则将干扰整个阵列上磁场幅值的均匀性。可以按以下方式解决此问题。如果谐振器601的矩形回路由例如平坦的导电带制成，则可以增加带的宽度以减小耦合系数k对间隙650的宽度的灵敏度。
图15示出了在回路由被小的间隙分隔开的扁平的导电带制成的情况下谐振器601中可以使用的类型的两个相邻导电方形回路661和662。图16示出了作为两个回路之间的间隙的函数的、两个方形回路661和662之间的耦合系数k的近似仿真的图。方形回路跨度为24英寸(从中心到中心测量)。模拟了三个带宽度：1英寸、1/2英寸和2英寸。曲线663、664和665分别对应于1/2英寸宽、1英寸宽和2.0英寸宽的扁平导电带。图17示出了耦合系数k对间隙宽度的变化的灵敏度的图。在图17中，曲线667、668和669分别对应于1/2英寸宽，1英寸宽和2.0英寸宽的扁平导电带。应当注意，与由较窄的带构成的方形之间的耦合系数相比，由较宽的带构成的方形之间的耦合系数对间隙宽度的变化不那么敏感。
等式(2)中描述的约束对k的大小提供了严格的约束。如果希望抑制基本驱动频率的谐波传播，则必须满足此约束。但是，也存在对k的软约束：较大的幅值(即，k更大的负值)在跨耦合阵列传输功率时更有效。可以在耦合阵列中传输功率的特征长度尺度λ由下式给出：
其中，Q是每个谐振器的品质因数，k是每个谐振器与其最近邻之间的无量纲耦合因子。长度尺度λ是无量纲数。一个单位对应一个网格空间。
图18是Q＝400时λ与k之间的关系的图。从图中可以看出，k的小幅值是不希望的，因为随着k的幅值接近零，可以传输功率的距离接近零。由于以下事实发生折衷：对于小的间隙宽度，随着组成谐振器的导电带的宽度变大，k的幅值变小(参见图16)。使带变窄增加了耦合系数的幅值，但是也增加了耦合系数对谐振器601的精确间隔的灵敏度。使带变宽降低了耦合系数的灵敏度，但是也降低了耦合系数的幅值。因此，除了由等式(2)限定的约束之外，还存在对k的附加约束，即，应使其尽可能大，同时仍将对间隙尺寸的灵敏度保持在某个允许值以下。最大允许灵敏度取决于间隙尺寸的已知公差，该公差由谐振器601的安装过程确定。
如上所述，增加带状导体的宽度会减小k对间隙尺寸的灵敏度，但也会减小k的幅值，从而减小无线功率传输的特征长度。图19描绘了两个相邻的谐振器601的方形回路671，其中，每个谐振器601在方形回路671的中心具有扁平导体672。可以通过将扁平导体672放置在每个方形谐振器601的中心来增加相邻的方形回路671之间的耦合。该扁平导体672将磁场线集中在方形的边缘附近，在此处它们可以更有效地耦合到谐振器601的四个最近邻。应注意，由于在扁平导体672中感应出的涡电流，这种布置将屏蔽磁场穿过每个谐振器601的中心。因此，如果将无线接收器装置放置为直接与该扁平导体672接触，则该无线接收器装置(例如，如图2或3分别所示的装置500a或500d)不会接收任何功率。这意味着该方案并不适用于所有情况。然而，屏蔽磁场穿过谐振器601的中心这一事实在某些应用中可能无关紧要。可以将装置(例如，平面OLED面板灯)直接连接到每个瓷砖上的谐振器。这样的装置可以从与每个谐振器的直接连接汲取功率，而无需依靠感应耦合。在其它应用中，可以将有效无线功率传输的区域限制在导电带671和扁平导体672之间的空间。
图20示出了图4A和图4B所示的瓷砖600的阵列的平面图，该阵列具有四个用于驱动谐振器601的RF放大器770。如上所述，至少一个谐振器601(直接地或感应地)电耦合到RF放大器770。电耦合到RF放大器770的谐振器601产生EM场，该EM场然后电磁耦合到最近邻谐振器601，依此类推，以在整个阵列上耦合该场。下面展示了在确定给定尺寸的给定阵列所需的RF放大器770的数量和RF放大器770之间的间隔时应考虑的考虑因素。
图20所示的示例假定谐振器601形成方形网格，并且RF放大器770附接到某些谐振器601以提供功率。RF放大器770在方形网格上均匀地间隔开，使得放大器之间具有s个方形的距离，其中，s是正整数。在图20所示的示例中，放大器770之间有5个方形的距离，即s＝5。
由连接到单个谐振器601的RF放大器770产生的功率密度随距RF放大器770的距离呈指数衰减。该指数衰减的特征长度在上面由等式(3)给出。如果耦合阵列的尺度大于等式(3)限定的特征长度，则阵列的功率密度将不均匀。确保这种均匀性的一种方法是通过多个RF放大器770在多个点处驱动阵列，每个RF放大器770都附接到单个谐振器601。可以选择RF放大器770之间的间距，使其与λ的阶数相同，以便确保功率密度的均匀性。
然而，如果阵列由多个独立的RF放大器770驱动，则这些RF放大器770自然将在不同的频率和/或相位下运行。独立的RF放大器770之间缺乏同步会导致在RF放大器770产生的组合场中出现拍音(beat note)。例如，如果两个独立的RF放大器770的频率相差10Hz，则在放置于两个RF源之间的任何无线供电的灯中都将看到可见的10Hz闪烁。为此，RF放大器770应被锁相以消除这些拍音的产生。可以通过将主时钟信号分配给所有RF放大器770来实现锁相。也可以通过在系统中存在的所有RF放大器770之间注入锁定来实现锁相。
图21是示出了彼此同相运行的两个相同的RF电源780a和780b的示意图。图20所示的RF放大器770可以被实现为图21所示的RF源780a和780b。每个源780a和780b包含分别通过窄带通滤波器781a和781b耦合的正反馈。正反馈引起振荡，并且滤波器781a和781b设置振荡的频率。两个RF电源780a和780b彼此具有弱耦合。这种耦合导致来自第一源780a的一些RF泄漏到第二源780b中，在第二源780b中它成为反馈回路的一部分。RF从一个源注入到另一个源的反馈回路中导致两个源780a和780b以相同的相位振荡。图21所示的示意图仅是可用于确保RF放大器770同相工作的技术和电路配置的一个示例。
应该注意的是，尽管以上出于示例性目的参照天花板瓷砖描述了本发明的原理和构思，但是本发明的原理和构思同样适用于并排定位以形成瓷砖阵列的其它类型的瓷砖，包括地砖、庭院铺路材料、人行道和车道铺路材料、墙壁(例如，后挡板)上使用的装饰砖、阳台和门廊上使用的室外砖等。在更一般的(即，非矩形)配置中，将有四种不同类型的瓷砖，具有四种不同的固有谐振频率：即，具有4个、3个、2个或1个最近邻中任一个的瓷砖。
除非特别指出，否则诸如短语“X、Y或Z中的至少一个”之类的析取语言应理解为上下文通常用于表示物品、项等可以是X、Y或Z，或其任何组合(例如，X、Y和/或Z)。因此，这样的析取语言通常并不意味着并且不应该暗示某些实施例要求X中的至少一个、Y中的至少一个或者Z中的至少一个各自存在。
应该强调的是，本公开的上述实施例仅仅是为了清楚理解本公开的原理而提出的实现的可能示例。在不实质偏离本公开的精神和原理的情况下，可以对上述实施例做出许多变化和修改。所有这些修改和变化旨在被包括在本公开的范围内，并由所附的权利要求保护。
Claims (25)
1.一种瓷砖，包括：
基板，具有前表面和后表面；
无线功率传输谐振器，设置在所述瓷砖中或所述瓷砖上；以及
无线功率接收器装置，设置在所述瓷砖中或所述瓷砖上。
2.根据权利要求1所述的瓷砖，还包括：
电气装置，电耦合到所述无线功率传输接收器装置并且安装在所述瓷砖的所述前表面上，所述电气装置由所述无线功率接收器装置供电。
3.根据权利要求2所述的瓷砖，其中，所述电气装置是电气照明装置。
4.根据权利要求2所述的瓷砖，其中，所述电气装置是电气检测器装置。
5.根据权利要求1所述的瓷砖，其中，所述瓷砖是适合用于形成吊顶的吊顶砖。
6.根据权利要求1或2中任一项所述的瓷砖，其中，所述瓷砖还包括：
射频RF电源，电耦合到所述无线功率传输谐振器，所述RF电源设置在所述瓷砖上或所述瓷砖中。
7.根据权利要求1或2中的任一项所述的瓷砖，其中，所述无线功率传输谐振器包括：
导电材料的矩形回路，具有分别与所述瓷砖的第一边、第二边、第三边和第四边相邻延伸的第一段、第二段、第三段和第四段；以及
至少第一电容器，电耦合到所述矩形回路的相对端，其中，所述矩形回路和所述至少第一电容器被预先选择为确保所述无线功率传输谐振器以预先选择的特征频率谐振。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的瓷砖，其中，所述无线功率接收器装置以所述预先选择的特征频率谐振。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的瓷砖，其中，所述无线功率传输谐振器设置在所述瓷砖的所述后表面上。
10.一种瓷砖的阵列，被布置为使得每个瓷砖具有至少一个相邻的瓷砖，所述阵列的每个瓷砖包括：
基板，具有前表面和后表面；以及
第一无线功率传输谐振器，设置在相应的瓷砖中或相应的瓷砖上。
11.根据权利要求10所述的阵列，其中，第一无线功率传输谐振器中的至少一个电耦合到第一射频RF电源，所述第一RF电源设置在其上设置有第一无线功率传输谐振器中的该一个无线功率传输谐振器的瓷砖上或瓷砖中。
12.根据权利要求11所述的阵列，其中，所述阵列的至少第一瓷砖包括：
至少第一无线功率接收器装置，设置在所述第一瓷砖中或所述第一瓷砖上；以及
电气装置，电耦合到所述第一无线功率传输接收器装置并且安装在所述瓷砖的所述前表面上，所述电气装置由所述第一无线功率传输接收器装置供电。
13.根据权利要求12所述的阵列，其中，所述电气装置是电气照明装置。
14.根据权利要求12所述的阵列，其中，所述电气装置是电气检测器装置。
15.根据权利要求12所述的阵列，其中，每个瓷砖是适合用于形成吊顶的吊顶砖。
16.根据权利要求10至15中的任一项所述的阵列，其中，所述第一无线功率传输谐振器中的每一个包括：
导电材料的矩形回路，具有分别与所述瓷砖的第一边、第二边、第三边和第四边相邻延伸的第一段、第二段、第三段和第四段；以及
至少第一电容器，电耦合到所述矩形回路的相对端，其中，所述矩形回路和所述至少第一电容器被预先选择为确保所述第一无线功率传输谐振器以预先选择的特征频率谐振。
17.根据权利要求10至16中的任一项所述的阵列，其中，每个所述第一无线功率传输谐振器的所述预先选择的特征频率至少部分地基于所述阵列中相应的瓷砖的位置来预先选择，
其中，位于所述阵列的拐角处的瓷砖具有以第一特征频率谐振的第一无线功率传输谐振器，
其中，位于所述阵列的内部的瓷砖具有以第二特征频率谐振的第一无线功率传输谐振器，
其中，位于所述阵列的边上且不是拐角瓷砖的瓷砖具有以第三特征频率谐振的第一无线功率传输谐振器，并且
其中，仅与一个位于所述阵列的边上且不是拐角瓷砖的其它瓷砖相邻的瓷砖具有以第四特征频率谐振的第一无线功率传输谐振器。
18.根据权利要求10至16中任一项所述的阵列，其中，所述第一特征频率、所述第二特征频率、所述第三特征频率和所述第四特征频率被预先选择为确保在整个所述阵列上存在基本恒定的电磁场。
19.根据权利要求10至18中的任一项所述的阵列，其中，所述阵列的至少第二瓷砖具有设置在其上的第二无线功率传输谐振器，其中，设置在所述第二瓷砖上的所述第一无线功率传输谐振器和所述第二无线功率传输谐振器确保零净磁通量通过所述第二瓷砖。
20.根据权利要求10至19中的任一项所述的阵列，其中，所述第一无线功率传输谐振器和所述第二无线功率传输谐振器通过交叉结彼此耦合，以确保零净磁通量通过所述第二瓷砖。
21.根据权利要求10至19中任一项所述的阵列，其中，所述阵列的至少第三瓷砖至少具有设置在其上的第二无线功率传输谐振器、第三无线功率传输谐振器和第四无线功率传输谐振器，其中，设置在所述第三瓷砖上的所述第一无线功率传输谐振器、所述第二无线功率传输谐振器、所述第三无线功率传输谐振器和所述第四无线功率传输谐振器通过交叉结彼此耦合，以确保零净磁通量通过所述第三瓷砖。
22.根据权利要求10或11中任一项所述的阵列，还包括：
至少第二RF电源，电耦合到至少第二无线功率传输谐振器，所述第二RF电源被设置在所述第二无线功率传输谐振器所设置于其中或其上的瓷砖之上或之中，其中，所述第一RF电源和所述第二RF电源彼此分隔开预先选择的距离。
23.根据权利要求10所述的阵列，其中，所述瓷砖阵列中的相邻瓷砖通过预先选择的间隙彼此分离，所述预先选择的间隙被预先选择为确保所述相邻瓷砖的无线功率传输谐振器之间的足够强的互感。
24.根据权利要求10至16所述的阵列，其中，每个矩形回路具有至少部分地基于所述间隙的尺寸的公差预先选择的宽度。
25.根据权利要求10至21中任一项所述的阵列，其中，所述第一RF源和所述第二RF源彼此同相。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US201862660448P | 2018-04-20 | 2018-04-20 | |
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| PCT/US2019/028293 WO2019204709A1 (en) | 2018-04-20 | 2019-04-19 | Tiles having built-in wireless power transfer transmitter and receiver devices |
Publications (2)
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