CN112332556A

CN112332556A - 在可变大小的区域上到多个接收器设备的无线功率传输

Info

Publication number: CN112332556A
Application number: CN202011170367.XA
Authority: CN
Inventors: R·莫法特; J·延
Original assignee: Aizen Technology Co ltd
Current assignee: Aizen Technology Co ltd; Etherdyne Technologies Inc
Priority date: 2016-10-18
Filing date: 2017-10-17
Publication date: 2021-02-05
Also published as: AU2017346759B2; EP3545606A2; AU2017346759A1; US10523059B2; US20200212718A1; CN110326188B; JP2020025456A; EP3545606B1; JP6599052B1; CN110326188A; WO2018075491A3; US20180366991A1; EP3545606A4; JP2019537410A; US11133715B2; JP6812522B2; US10250078B2; WO2018075491A2; US20180109151A1

Abstract

一种无线功率传输方法。该方法包括基于预定无线功率传输区域使可变形状因子发射器适配于适配形状因子，其中适配形状因子中的可变形状因子发射器包括特征频率，保持特征频率基本上独立于适配形状因子，并从射频(RF)电源并且至少部分地基于特征频率，经由可变形状因子发射器的近电磁场在预定无线功率传输区域上传输RF功率。

Description

在可变大小的区域上到多个接收器设备的无线功率传输

本申请是申请号为2017800646720、发明名称为“在可变大小的区域上到多个接收器设备的无线功率传输”、申请日为2017年10月17日的发明专利申请的分案申请。

背景技术

无线功率传输是将电能从电源传输到电力负载而不使用人造导体将电源连接到电力负载。无线功率传输系统包括发射器和一个或多个接收器设备。发射器连接到电源并将功率转换为时变电磁场。一个或多个接收器设备经由电磁场接收功率并将接收的功率转换回电流以供电力负载使用。

发明内容

通常，在一个方面，本发明涉及一种用于无线功率传输的方法。该方法包括基于预定无线功率传输区域将可变形状因子发射器适配于适配形状因子，其中适配形状因子中的可变形状因子发射器包括特征频率，保持特征频率基本上独立于适配形状因子，并且从射频(RF)电源并且至少部分地基于特征频率，经由可变形状因子发射器的近电磁场在预定无线功率传输区域上传输RF功率。

通常，在一个方面，本发明涉及用于无线功率传输的可变形状因子发射器。可变形状因子发射器包括多个电容器，每个电容器具有预定电容和多个线段，每个线段具有预定的段长度和每单位长度的预定电感，其中多个电容器经由至少所述多个导线段串联连接成一串分布式电容器，其中基于预定无线功率传输区域将所述一串分布式电容器适配于适配形状因子，其中所述适配形状因子中的所述一串分布式电容器包括基本上独立于适配形状因子的特征频率，并且其中可变形状因子发射器被配置为从射频(RF)电源并且至少部分地基于特征频率，经由所述一串分布式电容器的近电磁场在所述预定无线功率传输区域上传输RF功率。

通常，在一个方面，本发明涉及一种用于无线功率传输的系统。该系统包括射频(RF)电源和可变形状因子发射器，其可基于预定无线功率传输区域适应于适配形状因子，其中适配形状因子中的可变形状因子发射器包括特征频率，并且其中可变形状因子发射器被配置为保持特征频率基本上独立于适配形状因子并且从RF电源并且至少部分地基于特征频率经由所述可变形状因子发射器的近电磁场在所述预定无线功率传输区域上传输RF功率。

根据以下交易描述和所附权利要求，本发明的其他方面将变得显而易见。

附图说明

图1A、1B和1C示出了根据本发明的一个或多个实施例的具有可变形状因子发射器的示例系统的示意图。

图2A、2B、2C、2D、2E、2F、2G和2H示出了用于示出根据本发明的一个或多个实施例的示例可变形状因子发射器的示意图。

图3A、3B、3C、3D和3E示出了根据本发明的一个或多个实施例的示例可变形状因子发射器的示例特性。

图4示出了根据本发明的一个或多个实施例的示例射频(RF)电源的示意图。

图5A、5B和5C示出了根据本发明的一个或多个实施例的示例接收器设备的示意图。

图6示出了根据本发明的一个或多个实施例的流程图。

具体实施方式

现在将参考附图详细描述本发明的特定实施例。为了一致性，各个图中的相同元件由相同的附图标记表示。此外，在附图中，三个或更多个共线点意味着根据本发明的一个或多个实施例可以可选地存在正如三个或更多个共线点的相同类型的更多元素。

在本发明实施例的以下详细交易描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的更透彻的理解。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明。在其他情况下，没有详细描述众所周知的特征以避免不必要地使交易描述复杂化。

通常，本发明的实施例提供用于无线功率传输的方法、发射器设备和系统。在本发明的一个或多个实施例中，该方法、发射器设备和系统提供用于基于预定无线功率传输区域将可变形状因子发射器适配于特定形状因子(称为适配形状因子)的功能。特别地，适配形状因子中的可变形状因子发射器具有特征频率，该特征频率被保持为基本上独立于适配形状因子。因此，RF 功率从射频(RF)电源并且至少部分地基于特征频率经由可变形状因子发射器的近电磁场跨越预定无线功率传输区域传输。在本发明的一个或多个实施例中，特征频率在由国际电信联盟(ITU)无线电规则定义的工业、科学和医学(ISM)无线电频带内。例如，在ITU“无线电规则”第5条脚注5.138 中规定的A类频率范围(即6.765MHz-6.795MHz)内，随着适配形状因子变化，可以保持特征频率。

图1A示出了根据本发明的一个或多个实施例的示例系统(100)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1A中所示的一个或多个模块和元件。因此，不应认为本发明的实施例限于图1A中所示的模块的特定布置。

如图1A所示，系统(100)包括可变形状因子发射器(102)，其从RF 电源(108)接收功率，用于跨越具有设置在其中的一个或多个接收器设备(例如，表示为标记为A、B、C、D、E和F的圆形图标)的无线功率传输区域 (101)的无线功率传输。下面详细描述这些部件中的每一个。

在本发明的一个或多个实施例中，无线功率传输区域(101)是任何三维 (3D)物理空间，其中一个或多个接收器设备从可变形状因子发射器(102) 接收功率。例如，无线功率传输区域(101)可以包括建筑物或车辆内的3D 空间，诸如房间、走廊、汽车的客舱、公共汽车、火车、飞机或太空船、或建筑物或车辆的任何一部分。在另一示例中，无线功率传输区域(101)可以包括未被封闭的3D空间，诸如游戏场地、道路、游乐园、或地面上、地面上方或远离太空中的地球(例如，大气层或星际空间)的任何类型的场地。在又一个示例中，无线功率传输区域(101)可以包括地下或水下空间，例如洞穴、靠近海洋平台或海床的水下区域等。在又一个示例中，无线功率传输区域(101)可以包括以上示例的组合。

在本发明的一个或多个实施例中，可变形状因子发射器(102)完全布置在无线功率传输区域(101)内，与无线功率传输区域(101)重叠，或者在无线功率传输区域(101)附近。在一个或多个实施例中，可变形状因子发射器(102)的至少一部分可以插入保护套管中，嵌入材料片中，独立地放置在无线功率传输区域(101)中，或者附接到无线功率传输区域(101)。在一个或多个实施例中，可变形状因子发射器(102)的至少一部分可以相对于无线功率传输区域(101)和/或设置在其中的一个或多个接收器设备(例如，表示为标记为A、B、C、D、E和F的圆形图标)固定或移动。在本发明的一个或多个实施例中、根据由无线功率传输区域(101)施加的几何约束来适配可变形状因子发射器(102)的形状因子。例如，可变形状因子发射器(102) 可以由柔韧材料制成，使得可变形状因子发射器(102)的形状因子由用户改变以适合无线功率传输区域(101)的房间、走廊、客舱、游乐场、道路、游乐园、田地、洞穴、水下区域等的物理形状。例如，可变形状因子发射器(102) 的形状因子可以包括3D部分，例如曲面、螺旋曲线等。

在本发明的一个或多个实施例中，接收器设备(A)到(F)可以是由一个或多个用户(例如个人)使用的相同类型或不同类型。在一个或多个实施例中，接收器设备(A)到(F)中的一个或多个设置在整个无线功率传输区域(101)的用户指定位置处，并且在无线功率传输期间是静止的。在一个或多个实施例中，接收器设备(A)到(F)中的一个或多个具有小于无线功率传输区域(101)的尺寸的尺寸。在一个或多个实施例中，接收器设备(A) 到(F)中的一个或多个具有与无线功率传输区域(101)的尺寸相当或更大的尺寸。例如，接收器设备(A)可以是由用户放置在房间或走廊的天花板上的照明设备。在一个或多个实施例中，接收器设备(A)到(F)中的一个或多个由在无线功率传输期间不时在无线功率传输区域(101)中四处移动的相应用户携带。基于可变形状因子发射器(102)的近电磁场的性质，未被任何接收器设备接收的近电磁场的功率被返回到可变形状因子发射器(102)和 RF电源(108)。这与远端电磁场相反，经由远端电磁场辐射功率导致能量损失，这对于无线功率传输而言是无效的。下面参考图5A、5B和图5C描述接收器设备(A)、接收器设备(B)、接收器设备(C)、接收器设备(D)、接收器设备(E)和接收器设备(F)的示例。

在本发明的一个或多个实施例中，可变形状因子发射器(102)包括一串分布式电容器。特别地，所述一串分布式电容器包括多个电容器线段，它们串联连接以传导由电源(108)产生的射频(RF)电流(105)。RF电流(105) 感应存在于整个无线功率传输区域(101)中的磁场(例如，磁场(106))。在一个或多个实施例中，RF电流(105)在端子A(107a)和端子B(107b) 处进入/离开导线。在一个或多个实施例中，附加的中间部件(未示出)也可以插入一系列电容器线段中或插入一系列电容器线段和一个或多个端子(例如，端子A(107a)，端子B(107b))之间，而不妨碍可变形状因子发射器(102)的操作。

在一个或多个实施例中，每个电容器线段包括连接到线段(例如，线段 (104))的电容器(例如，电容器(103))。在一个或多个实施例中，可变形状因子发射器(102)中的每个电容器(例如，电容器(103))具有与其中任何其他电容器相同的标称电容值，其在无线功率传输区域(101)中布置可变形状因子发射器(102)之前确定。例如，可以在用户使用可变形状因子发射器(102)以在无线功率传输区域(101)内无线地提供功率之前，在工厂中安装可变形状因子发射器(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以包括由铝或其他金属氧化物层隔开的两个铝或其他金属片、箔或膜。如在工厂制造过程中典型的那样，可变形状因子发射器(102)中的所有电容器(例如，电容器(103))的电容值可以在一定范围内变化(称为电容范围)，例如，由于制造公差。

在一个或多个实施例中，每个电容器线段包括具有预定段长度和每单位长度预定电感的线段。例如，可以在用户使用可变形状因子发射器(102)以在无线功率传输区域(101)内无线地提供功率之前，在工厂中安装可变形状因子发射器(102)中的线段(例如，线段(104))。线段(例如，线段(104)) 可以是合适的类型，例如绝缘或非绝缘的线、片、箔或膜，由铜、铝或其他合适的金属和/或合金材料制成。在一个或多个实施例中，一个或多个线段(例如，线段(104))是柔性的或柔韧的，使得用户可以弯曲、拉伸或以其他方式改变一个或多个线段的形状。如在工厂制造过程中典型的，可变形状因子发射器(102)中的每个和所有线段(例如，线段(104))的长度和电感值可以在一定范围(称为长度范围和电感范围)内变化，例如，由于制造公差。

在本发明的一个或多个实施例中，通过限制电场，可变形状因子发射器(102)中的电容器(例如，电容器(103))减少杂散电场和线段(例如，线段(104))的合成感应电压。因此，可变形状因子发射器(102)中的电容器 (例如，电容器(103))减少了存储在线段(例如，线段(104))的杂散电容中的能量相对于系统(100)中的总能量的比例。与杂散电容相关联的感应电压和存储能量的减少减少了由于环境相互作用引起的损失并且提高了用户的安全性。

在本发明的一个或多个实施例中，可变形状因子发射器(102)与特征频率相关联，该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。下面参考图2A、2B、2D、2E、3A、3B、3C、3D和3E描述可变形状因子发射器(102)的特征频率。在整个文件中，术语“特征频率”和“共振频率”可以根据上下文互换使用。

在一个或多个实施例中，代替与电源(108)的直接连接，可变形状因子发射器(102)经由驱动回路(109a)使用电感耦合从电源(108)接收功率。图1B示出了电感耦合功率配置中的示例系统(100)的示意图。下面参考图 1C描述通过驱动回路(109a)接收功率的细节。

图1C示出了经由上面图1B中描绘的驱动回路(109a)供电的示意图。在一个或多个实施例中，可以省略、重复和/或替换图1C中所示的一个或多个模块和元件。因此，不应认为本发明的实施例限于图1C中所示的模块的特定布置。

如图1C所示，驱动回路(109a)包括一个或多个导线环(例如，具有电感L₁)，其经由平衡-不平衡变换器(108a)耦合到电源(108)。平衡-不平衡变换器(108a)包括调谐电容器A(109d)(例如，具有可变电容C₁)、调谐电容器B(109e)(例如，具有可变电容C₂)和同轴电缆(109c)(例如，绕铁氧体磁芯(109b)盘绕并具有电感L₂)。具体地，驱动回路(109a)放置在距可变形状因子发射器(102)一定距离(110)处，使得电源(108)通过跨越距离(110)的电磁耦合向可变形状因子发射器(102)供电。在一个或多个实施例中，调谐电容器B(109e)被调谐以与铁氧体磁芯(109b)的电感L₂谐振，以形成并联谐振LC电路，其在同轴电缆(109c)的两个相对端之间施加高阻抗。此外，调谐电容器A(109d)用于调谐驱动回路(109a) 的谐振频率以匹配RF电源(108)的频率。可以调整驱动回路(109a)和可变形状因子发射器(102)之间的距离(110)，以使可变形状因子发射器(102) 的表观输入阻抗与同轴电缆(109c)的阻抗以及RF电源(108)的输出阻抗相匹配。

图2A示出了根据本发明的一个或多个实施例的平行线传输线(201)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2A中所示的一个或多个模块和元件。因此，不应认为本发明的实施例限于图2A中所示的模块的特定布置。

如图2A所示，正弦曲线形图标(201a)和(201b)表示沿平行线传输线(201)传播的电磁波。平行线传输线(201)由两条平行线(201d)组成，每条线具有由电容器连接的线段，其中s表示每个线段的长度，C表示每个电容器的电容，并且q表示电荷沿平行线传输线(201)的位移。在两条平行线(201d)传导RF电流(例如，图1A中所示的电流(105))的情况下，在整个文件中两条平行线(201d)的每根线也被称为导线。正弦形图标(201a) 和(201b)之间的距离对应于平行线传输线(201)的长度，而两个并联的一串电容器之间的间隔对应于平行线传输线(201)的宽度。虽然平行线传输线 (201)的长度可以与无线功率传输区域(101)的其他尺寸的长度相当，但是平行线传输线(201)的宽度可以在小于1厘米到无线功率传输区域(101) 的宽度或其他维度的范围内。在一个或多个实施例中，平行线传输线(201) 对应于上面图1A中描绘的可变形状因子发射器(102)的一部分。换句话说，图1A中描绘的一串分布式电容器的两个线段可以彼此平行设置。通常，沿平行线传输线(201)移位的电荷q是沿着平行线传输线(201)的位置和时间的函数。相应的电荷密度(即每单位长度的电荷)ρ_λ和电流I由以下用于平行线传输线(201)的等式(1)给出。在等式(1)中，x和t分别表示沿着平行线传输线(201)的位置和时间。

表1显示了本文档中等式中使用的变量的其他定义。

表1

c＝每单位长度的电容

l＝每单位长度的电感

C＝每个连接电容器的电容

s＝每个段的长度

q＝电荷位移

ρ_λ＝电荷密度

λ＝自由空间中的波长

I＝电流

U_j＝存储在两个连接电容器中的能量

u_E＝每单位长度存储的电能

u_B＝每单位长度存储的磁能

v＝渐近速度

ω₀＝截止频率

v_p＝相速度

v_g＝群速度

存储在平行线传输线(201)中的一对相邻电容器(例如，电容器对(201c)) 中的电能U_j由下面等式(2)给出。

在s基本上小于q的空间变化的情况下，存储的能量U_j除以段长度s可以被认为是沿着平行线传输线(201)存储在电容器C中的能量密度。设c 表示平行线传输线(201)的两条平行线之间的每单位长度的杂散电容。沿着平行线传输线(201)每单位长度存储的总电能u_E由下面等式(3)给出。

沿着平行线传输线(201)每单位长度存储的总磁能u_B由下面等式(4) 给出。

因此，平行线传输线(201)的拉格朗日由下面等式(5)给出。

广义动量π、欧拉-拉格朗日运动方程和平行线传输线(201)的波动方程由下面等式(6)等式(7)和等式(8)给出。

基于波动等式等式(8)，平行线传输线(201)的色散关系由下面等式(9a)、等式(9b)和等式(9c)给出。

在等式(9a)、等式(9b)和等式(9c)中，ω表示角频率，k表示波数， v表示等式(9a)中定义的渐近波速度，并且ω₀表示如等式(9b)中定义的截止角频率。特别地，截止角频率ω₀独立于长度，并且与平行线传输线(201) 的宽度呈对数变化。在一个或多个实施例中，具有平行线传输线(201)的相关电容器的一个或多个线段是可拆卸的。因此，可以由用户重新配置平行线传输线(201)，而基本上不改变ω₀，以根据无线功率传输区域(101)的尺寸改变总长度。

基于等式(9c)，图3A示出了角频率ω对波数k的曲线图，以示出平行线传输线(201)的色散关系。此外，相位速度v_p和群速度v_g在下面等式(10a) 和等式(10b)中给出。

注意，随着波数k渐近逼近0，相速度v_p渐近接近无穷大，群速度v_g渐近接近0，并且角频率ω渐近地接近ω₀。

图2B示出了根据本发明的一个或多个实施例的由RF电源(108)驱动的平行线传输线(201)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2B中所示的模块和元件中的一个或多个。因此，不应认为本发明的实施例限于图2B中所示的模块的特定布置。

如图2B所示，平行线传输线(201)由经由端子A(204a)和端子B(204b) 连接的RF电源(108)驱动。此外，平行线传输线(201)由导电连接(202) 终结(terminate)并以特征频率ω₀操作。在本发明的一个或多个实施例中，导电连接(202)可以由可变电容器或其他电子元件代替，其可以用于微调平行线传输线(201)的特征频率。

在本发明的一个或多个实施例中，图2B中所示的平行线传输线(201) 的配置近似于上面图1A中所示的可变形状因子发射器(102)。类似于图1A，接收器设备(例如，表示为标记为A、B、C、D、E和F的圆形图标)围绕图2B中所示的平行线传输线(201)设置。该近似特别适用于无线功率传输区域(101)具有细长形状并且可变形状因子发射器(102)的一串分布式电容器根据无线功率传输区域(101)的细长形状布置成一对平行线的情况。如下所述，可变形状因子发射器(102)的特征频率对应于上面参考图2A描述的ω₀，并且基本上独立于长度，并且与平行线传输线(201)的宽度呈对数变化。

在图2B所示的配置中，由RF电源(108)激励的沿着平行线传输线(201) 的驻波具有无限的相速度。因此，沿着平行线传输线(201)的电压和电流在平行线传输线(201)的不同位置处全部同相。换句话说，无论平行线传输线 (201)的物理长度如何，平行线传输线(201)的有效电长度都等于零。在平行线传输线(201)中没有能量损失的情况下，无论平行线传输线(201) 的物理长度如何，提供给RF电源(108)的平行线传输线(201)的输入阻抗都等于零。换句话说，平行线传输线(201)相当于在ω₀处谐振的RLC电路(未示出)，而不管平行线传输线(201)的物理长度是否比驱动频率即ω₀的自由空间波长(例如，基于无线功率传输区域(101)的传输介质)短得多或长得多。因此，由RF电源(108)驱动并由导电连接(202)终结的平行线传输线(201)可以用作用于无线功率传输的谐振电源，以引起放置在平行线传输线(201)附近的接收器设备的共振。特别地，谐振接收器设备耦合到由平行线传输线(201)的驻波产生的电场和/或磁场，并从电场和/或磁场接收功率。

在一个或多个实施例中，谐振接收器设备从平行线传输线(201)的近电磁场接收功率。即使平行线传输线(201)的物理长度比驱动频率的自由空间波长(例如，基于无线功率传输区域(101)的传输介质)长得多，从RF电源(108)提供的功率基本上保留在平行线传输线(201)中，用于传输到附近的谐振接收器设备，而不会丢失到远场辐射。由于辐射损耗引起的平行线传输线的品质因数仅取决于线距离和线半径，而不取决于长度。

图2C示出了具有分布电容的平行线传输线(201)的变型，其中一根导线形成围绕另一根导线的导电屏蔽(203)，以下称为屏蔽传输线(201a)。例如，导电屏蔽(203)可以是基本上圆柱形的。图2C所示的屏蔽传输线(201a) 的工作原理与上面图2B所示的平行线传输线(201)相同，只是分布电容仅放置在中心导体上。在一些配置中，中心导体可以不与外导体(即，导电屏蔽203)同心。此外，中心导体和外导体(即导电屏蔽203)的横截面可以不是圆形的。

在本发明的一个或多个实施例中，图2C中所示的屏蔽传输线(201a) 的配置近似于上面图1A中所示的可变形状因子发射器(102)。类似于图1A，接收器设备(例如，表示为标记为A、B、C、D、E和F的圆形图标)围绕图2C中所示的平行线传输线(201)设置。该近似特别适用于无线功率传输区域(101)对应于导电外壳内(例如在金属管道、飞机或航天飞机的机身等内部)的内部空间的情况。如图2C所示，可变形状因子发射器(102)的特征频率对应于上面参考图2A和2B描述的ω₀，并且基本上独立于导电屏蔽 (203)的长度，并且与导体屏蔽(203)的直径呈对数变化。图2C中所示的屏蔽传输线(201a)的特征频率由等式(11)给出。请注意，这与等式(9b) 相差因子

因为只有一根导线包括分布式电容器。

图3B示出了任意长度的平行线传输线(例如，图2A或图2B中所示) 的品质因数Q的曲线图，其由以14.78MHz驱动的14AWG铜线组成，作为 (两条线之间)距离d除以自由空间波长λ的函数。对于相对于自由空间波长较大的线距离，Q由于辐射损失而被抑制。然而，对于与自由空间波长相比较小的线距离，辐射被抑制并且损耗主要由铜线中的欧姆损耗决定。

注意，由于导电屏蔽(203)完全包围内部电磁场的事实，屏蔽传输线(201) 没有辐射损耗。

相反，虽然由RF电源(108)驱动的导线环(参考下面的图2D描述) 也可以将功率传输到附近的谐振接收器设备，但是当导线环的尺寸增加到接近或超过驱动频率的自由空间波长时，由于远场辐射，功率传递的效率降低。图3C示出了由以6.78MHz驱动的14AWG铜线组成的圆形环的品质因数Q 的曲线图，其作为环半径a除以自由空间波长λ的函数。注意，Q变低，因此无线功率传输的效率受到抑制，因为环路半径相对于自由空间波长变大。

图2D示出了根据本发明的一个或多个实施例的具有分布式电容器并由 RF电源(108)驱动的线环(204)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2D中所示的模块和元件中的一个或多个。因此，不应认为本发明的实施例限于图2D中所示的模块的特定布置。

在一个或多个实施例中，线环(204)具有圆环半径a和线半径(对应于线的规格)b(未示出)并且由多个电容器C连接的长度为s的线段组成。在本发明的一个或多个实施例中，图2D中所示的线环(204)的配置近似于上面图1A中描绘的可变形状因子发射器(102)。该近似特别适合于无线功率传输区域(101)的特定形状与可变形状因子发射器(102)的圆形形状因子匹配的情况。如下所述，可变形状因子发射器(102)的特征频率对应于线环(204)的谐振频率ω₀，并且基本上独立于线环(204)的宽度和/或长度(即，形状因子)。

线环(204)的电感L、总电容C_tot和谐振角频率ω₀由下面的等式(12a)、等式(12b)和等式(12c)给出。

在等式(12a)、等式(12b)和等式(12c)中，N表示线环(204)中的线段或电容器C的数量，μ表示无线功率传输区域(101)中的传输介质的电磁磁导率。在一个或多个实施例中，谐振角频率ω₀仅微弱地取决于线环(204) 的半径a或线半径b。在一个或多个实施例中，具有线环(204)的相关联电容器的一个或多个线段是可拆卸的。因此，根据无线功率传输区域(101)的尺寸，用户可以重新配置线环(204)，而基本上不改变谐振角频率ω₀，以改变环路半径a。

与上面图2A中所示的平行线传输线(201)不同，线环(204)变为有效的远场辐射器，因为半径a变得与驱动频率即ω₀的自由空间波长相当或超过其自由空间波长(例如，基于无线功率传输区域(101)的传输介质)。承载均匀电流的闭环导线的辐射电阻(即由远场辐射引起的有效串联电阻)R_rad由导线路径上的二重积分给出，如下面的等式(13a)给出。

在等式(13a)中，基于无线功率传输区域(101)的传输介质，

是自由空间的阻抗，并且k是自由空间波数。基于应用于线环(204)的等式(13a)，图3D示出了辐射电阻除以自由空间的阻抗作为半径除以波长的函数的曲线图。从图3D可以看出，辐射电阻具有下面等式(14)中给出的大小环路半径的渐近形式。

由辐射引起的环路的品质因数Q等于感抗ω₀L除以总串联电阻R(其包括辐射电阻R_rad)的比值。随着辐射电阻增加，品质因数降低，导致无线功率传输的效率降低。

对于图2D中所示的圆形线环(204)，等式(12c)适用，

其中a为环半径，b为线半径。对于图2B中所示的平行线传输线(201)，等式(9b)适用并且可以示出

其中d是平行线传输线的宽度，b是线半径。如果ln(a/b)≈ln(d/b)，则特征频率ω₀对于圆形环路和平行线路配置具有相似的值。以这种方式，可以基于用户适应的细长形状因子或圆形形状因子，制造单个可变形状因子发射器 (102)，以在细长形状的服务区域和圆形服务区域中使用。换句话说，基于用于制造可变形状因子发射器(102)的线半径b，用户可以选择环路半径a 和平行线传输线宽度d，使得ln(a/b)≈ln(d/b)。以这种方式，在工厂制造的单个可变形状因子发射器可以被配置成图2B中描绘的平行线形状因子或图2D 中描绘的圆形形状因子，以向调谐到特定共振频率ω₀的同一组接收设备供电。

图2E示出了根据本发明的一个或多个实施例的具有分布式电容器并由 RF电源(108)驱动的矩形环(206)的示意图。在本发明的一个或多个实施例中，矩形环(206)的配置近似于上面图1A中描绘的可变形状因子发射器 (102)。类似于图1A，接收器设备(例如，表示为标记为A、B、C、D、E 和F的圆形图标)围绕图2E中所示的矩形环(206)设置。例如，矩形环(206) 可以对应于图2B中所示的平行线传输线(201)，其已经由用户适配以适合矩形无线功率传输区域。在另一个示例中，矩形环(206)可以对应于图2D 中所示的线环(204)，其已经由用户适配以适合矩形无线功率传输区域。如图2E所示，矩形环(206)由RF电源(108)使用变压器耦合方案驱动。特别地，变压器(206a)包括与初级线圈L₁并联的电容器C₂和与次级线圈L₁并联的电容器C₁。另外，图2B中所示的导电连接(202)由电容器C₂代替。电容器C₁、C₂和C₃的电容值可以在工厂和/或由用户调节，以用于电源(108) 和矩形环(206)之间的阻抗匹配，并用于调谐矩形环(206)的谐振频率。

图2F示出了使用电容耦合方案连接电源(108)的示意图。特别地，电源(108)在调谐电容器C₁的相对端子处经由同轴电缆(208)和双绞线(209) 连接到分布式电容器串(207)。可以在因子中或由用户调整调谐电容器C₁的值，以向RF电源(108)和同轴电缆(208)提供适当的阻抗匹配。通过将同轴电缆(208)的屏蔽附接到分布式电容器串(207)的电压节点，同轴电缆(208)的外部连接器保持在地电位。

在一个或多个实施例中，分布式电容器串(207)可以对应于图2B和2C 中所示的平行线传输线(201)的一部分、图2D中所示的线环(204)的一部分、或者图2E所示的矩形环(206)的一部分。由电源(108)感应的相对于地的电压幅度(210)被示出为沿分布式电容器串(207)的位置的函数。

图2G示出了使用替代电容耦合方案将电源(108)连接到可变形状因子发射器的示意图。如图2G所示，谐振平衡-不平衡变换器(211)用于将电源(108)连接到调谐电容器C₁。

图3E是作为矩形环(例如，上面图2E中所示的矩形环(206))(由83 英尺的14AWG线制成，并且以6.78MHz驱动)的纵横比(由宽度/半周长表示)的函数的电感的曲线图。具有图3E中所示的纵横比范围的矩形环表示各种形状，图2D中所示的线环(204)可以由用户调整以适合任何无线功率传输区域。曲线图示出矩形环的电感，当周长(即，对应于线环(204)的圆周)保持固定但纵横比是变化的时候。从图中可以看出，当纵横比在0.05和0.95之间的宽范围内变化时，电感变化小于20％。因此，线环(204)的特征频率变化小于10％，同时适配于宽范围纵横比的矩形环。这证明了具有分布电容的环路的谐振频率对适配形状因子的变化的相对不敏感性。

返回参考图1A的讨论，在本发明的一个或多个实施例中，系统(100) 基于ISM频带提供跨无线功率传输区域(101)的无线功率传输。在可变形状因子发射器(102)由图2A、2B或2C所示的平行线传输线(201)近似的情况下，线段长度s的值、每单位长度的电感l、以及电容器C可以基于等式(9b)在工厂中选择，以保持平行线传输线(201)的谐振角频率ω₀等于RF电源的角频率，其可以在国际电联“无线电规则”第5条，脚注5.138 中定义的A类频率范围内(即，6.765MHz-6.795MHz)。

在由图2D中所示的线环(204)近似可变形状因子发射器(102)的情况下，线段长度s和电容器C的值可以基于等式(12c)在工厂中选择，以保持线环(204)的谐振角频率ω₀等于RF电源的角频率，其可以在国际电联“无线电规则”第5条，脚注5.138定义的A类频率范围内(即， 6.765MHz-6.795MHz)。

在本发明的一个或多个实施例中，控制上述制造公差，使得所得到的电容范围、长度范围和电感范围不会导致谐振角频率ω₀偏离A类频率范围(即 6.765MHz-6.795MHz)。另外，对于上述两种情况，由于可变形状因子发射器 (102)的用户适配形状因子与平行线传输线(201)或线环(204)的简化形状因子之间的物理差异而存在近似误差。在本发明的一个或多个实施例中，为了补偿上述制造公差和近似误差，可变形状因子发射器(102)的输入阻抗和特征频率可以在工厂中以及由用户调整。

图2H示出了可变形状因子发射器(102)的等效电路A(205a)和等效电路B(205b)的示意图。为了来自电源(108)的最佳功率传输，可变形状因子发射器(102)的输入阻抗与电源(108)的输出阻抗(由电阻器R_L表示) 匹配。电阻器R是有效串联电阻，表示可变形状因子发射器(102)的所有损耗源(例如，欧姆损耗、辐射损耗、介电损耗等)。可变电容器C₁确定可变形状因子发射器(102)在其谐振频率下的表观输入阻抗，而可变电容器 C₂设定谐振频率。

等效电路B(205b)对应于等效电路A(205a)的简化形式，其中C₂、 C₃和L已经组合成单个电抗χ。当C₁具有由等式(15)给出的值时，可变形状因子发射器(102)的输入阻抗等于R_L。

对于R_L<R的情况，可以使用图2E中所示的变压器耦合方案。对于R_L≥R的情况，可以使用图2F中所示的电容耦合方案。

图4示出了根据本发明的一个或多个实施例的示例RF电源的示意图。特别地，图4中所示的示例性RF电源可以基于ISM频带作为上面的图1A、 1C、2B、2C和2D中描绘的电源(108)来操作。具体地，图4所示的示例性RF电源包括对应于上面图1A、1C、2B、2C和2D中所示的电源(108) 的两个端子的端子A(204a)和端子B(204b)。该示意图规定了各种RLC 电路元件的电容值、电感值和电阻值以及各种集成电路元件的商业部件号。在一个或多个实施例中，可以省略、重复和/或替换图4中所示的一个或多个模块和元件。因此，不应认为本发明的实施例限于图4中所示的模块的特定布置。

图5A示出了根据本发明的一个或多个实施例的示例接收器设备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5A 中所示的一个或多个模块和元件。因此，不应认为本发明的实施例限于图5A 中所示的模块的特定布置。

如图5A所示，接收器设备A(500a)包括并联连接以形成LED串的多个发光二极管(LED)(例如，LED(502))。LED串的两端连接到整流电路A(501a)以形成环路。例如，环路可以是用作在上面图1A中描绘的无线功率传输区域(101)内使用的移动LED照明设备的圆形环路。在本发明的一个或多个实施例中，整流电路A(501a)包括电容器C₁、C₂和C₃以及整流二极管D₁和D₂。当接收器设备A(500a)存在振荡磁场时，通过LED串的环路的磁通量的变化引起LED串的两端之间的电压差。感应电压差随时间振荡。调整电容C₃以使LED串与振荡磁场共振，以增强感应振荡电压。整流二极管D₁和D₂对感应振荡电压进行整流，以在LED串的外部导线(503a) 和内部导线(503b)之间产生DC电压差，从而向并联连接的LED(例如， LED(502))供电。电容器C₁和C₂用作RF旁路电容器，以保持LED串的外部导线(503a)和内部导线(503b)看起来与RF电流短路。接收器设备 A(500a)的配置通过与整流二极管D₁或D₂串联的LED上的组合正向电压降来限制环路电压，这提高了对用户的安全性。

类似于图5A，图5B示出了示例接收器设备B(500b)，其是具有多个整流电路(即，整流电路B(501b)、整流电路C(501c)、整流电路D(501d)、整流电路E(50le))的接收器设备A(500a)的较大版本。接收器设备B(500b) 的操作与接收器设备A(500a)基本相同。可以选择接收器设备B(500b) 中的段的数量，以提供给负载(即，并联连接的LED)的最佳阻抗匹配。

除了图5A和5B之外，图5C示出了其他示例接收器设备的示意图。

图5C示出根据本发明的一个或更多实施例的示例接收器设备电路 (500c)的示意图。在一个或多个实施例中，接收器设备电路(500c)用于具有不同形状、尺寸、形状因子等的各种类型的接收器设备，用于如上图1A 所示的无线功率传输区域(101)内的各种不同类型的移动或固定应用。在一个或多个实施例中，接收器设备电路(500c)的至少电感器L放置在无线功率传输区域(101)内，用于接收无线功率传输。图5C中所示的其余组件被配置为将所接收的无线功率转换为由负载(由电阻R_L表示)消耗的合适格式。

如图5C所示，电感器L与电容器C₁、C₂和C₃一起被调谐，以在参考上面的图1A至图2G描述的可变形状因子发射器(102)和RF电源(108) 的特征频率下谐振。选择电容器C₁的值，以提供谐振接收器与DC-DC转换器(504)的输入之间的阻抗匹配。DC-DC转换器(504)将整流电压转换为恒定电压以驱动负载R_L。DC-DC转换器(504)允许接收器设备电路(500c) 向负载R_L提供恒定电压，即使在接收器设备电路(500c)移动通过无线功率传输区域(101)内的变化磁场强度的区域的情况下也是如此。注意，负载 R_L不必是线性器件(即具有线性的电压与电流关系的器件)。负载R_L的示例包括但不限于LED、微控制器、电动机、传感器、致动器等。

在本发明的一个或多个实施例中，接收器设备A(500a)、接收器设备B (500b)或接收器设备电路(500c)可以从任何电磁发射器(例如偶极发射器(例如磁偶极发射器)、具有分布电容的环形天线、具有分布电容的平行线传输线、具有分布电容的屏蔽传输线等)无线地接收功率。在本发明的一个或多个实施例中，接收器设备A(500a)、接收器设备B(500b)和/或接收器设备电路(500c)被放置在无线功率传输区域(101)内，作为接收器设备 (A)、接收器设备(B)、接收器设备(C)、接收器设备(D)、接收器设备 (E)或接收器设备(F)，以从可变形状因子发射器(102)无线地接收功率。

图6示出了根据本发明的一个或多个实施例的流程图。在本发明的一个或多个实施例中，可以使用上面参考图1A、1C、2A、2B和/或2D描述的示例系统和示例可变形状因子发射器来实践图6的方法。在本发明的一个或多个实施例中，图6中所示的一个或多个元件可以被省略、重复和/或以与图6 中所示的顺序不同的顺序执行。因此，图6中所示的步骤的具体布置不应被解释为限制本发明的范围。

最初，在元素601中，基于预定无线功率传输区域将可变形状因子发射器适配于适配形状因子。在一个或多个实施例中，适配形状因子中的可变形状因子发射器具有特征频率。

在元素602中，可变形状因子发射器的特征频率在适应可变形状因子发射器的同时保持基本上独立于适配形状因子。

在一个或多个实施例中，可变形状因子发射器包括通过线段串联连接成一串分布式电容器的多个电容器。

在一个或多个实施例中，适配可变形状因子发射器包括通过切割或接合线段来基于预定无线功率传输区域的尺寸来调整一串分布式电容器的长度。特别地，特征频率基本上独立于一串分布式电容器的调整后的长度。

在一个或多个实施例中，适配可变形状因子发射器包括：基于预定无线功率传输区域的形状，布置一串分布式电容器以占据多维表面。特别地，特征频率基本上独立于与多维表面的形状因子。

在一个或多个实施例中，适配可变形状因子发射器包括基于预定无线功率传输区域的细长形状将一串分布式电容器折叠成一对平行线。特别地，特征频率基本上独立于该对平行线的形状因子。

在一个或多个实施例中，适配可变形状因子发射器包括将一串分布式电容器设置在圆柱形导电屏蔽内(例如，沿着中心线)。所述一串分布式电容器的一端连接到圆柱形导电屏蔽，作为到电源的返回路径。特别地，特征频率基本上独立于串联连接的电容器的长度。

在一个或多个实施例中，确定适配形状因子的尺寸公差以确保无线功率传输的范围覆盖预定无线功率传输区域。特别地，特征频率保持在预定范围内，同时使可变形状因子发射器适配在尺寸公差内。

在元素603中，从射频(RF)电源并且至少部分地基于特征频率，RF 功率经由可变形状因子发射器的近电磁场在预定无线功率传输区域上传输。在一个或多个实施例中，驱动线环设置在可变形状因子发射器附近。特别是，驱动线环由RF电源供电，并且进而激励可变形状因子发射器。

在一个或多个实施例中，RF电源连接到匹配电容器，匹配电容器的值被选择为提供RF电源和可变形状因子发射器之间的阻抗匹配。在一个或多个实施例中，RF电源通过谐振平衡-不平衡变换器连接到匹配电容器。在一个或多个实施例中，RF电源通过不平衡同轴传输线连接到匹配电容器，其屏蔽附接到可变形状因子发射器的电压节点。

在元素604中，接收器设备被布置在预定无线功率传输区域内。在一个或多个实施例中，由RF电源经由可变形状因子发射器发射的RF功率的一部分由接收器设备接收。特别地，特征频率还基本上独立于接收器设备的数量或布置。

Claims

1.一种无线功率接收器，其从生成振荡磁场的可变形状因子发射器无线地接收功率，包括：

接收线圈电路，包括：

二极管串，由外部导线、内部导线和多个二极管形成，所述多个二极管中的每一个具有耦合到所述外部导线的第一端和耦合到所述内部导线的第二端，使得所述多个二极管中的每一个彼此并联连接，所述二极管串形成圆形环路；以及

整流电路，耦合到所述二极管串的端部，所述整流电路包括：

多个电容器，其中至少一个电容器被配置为使所述二极管串与所述振荡磁场共振并且增强感应振荡电压；以及

多个整流二极管，对所述感应振荡电压进行整流，以在所述二极管串的外部导线和内部导线之间产生DC电压差，从而为并联连接的二极管供电。

2.根据权利要求1所述的无线功率接收器，其中：

耦合到所述外部导线的每个二极管的第一端是阳极；以及

耦合到所述内部导线的每个二极管的第二端是阴极。

3.根据权利要求2所述的无线功率接收器，其中，所述多个二极管是多个发光二极管LED。

4.根据权利要求3所述的无线功率接收器，其中，在发光二极管LED照明设备中实现所述无线功率接收器。

5.根据权利要求1所述的无线功率接收器，其中：

所述多个电容器包括第一旁路电容器C₁和第二旁路电容器C₂，所述第一旁路电容器C₁和第二旁路电容器C₂使所述二极管串的外部导线和内部导线短路射频RF电流；以及

被配置为使所述二极管串共振的所述至少一个电容器是第三电容器C₃。

6.根据权利要求5所述的无线功率接收器，其中，所述第三电容器C₃是可变电容器。

7.根据权利要求6所述的无线功率接收器，其中，所述第一旁路电容器C₁和所述第二旁路电容器C₂与每个所述二极管并联。

8.根据权利要求1所述的无线功率接收器，其中，所述接收线圈电路的配置通过与所述整流二极管中的一个串联的二极管上的组合正向电压降来限制所述圆形环路中的电压。

9.根据权利要求1所述的无线功率接收器，其中，所述整流电路是所述接收线圈电路中的多个整流电路之一。

10.一种具有在其中实现的无线功率接收器的设备，所述无线功率接收器从生成振荡磁场的发射线圈电路无线地接收功率，包括：

接收线圈电路，包括：

二极管串，由第一导电元件、第二导电元件和多个二极管形成，所述多个二极管中的每一个具有耦合到所述第一导电元件的第一端和耦合到所述第二导电元件的第二端，使得所述多个二极管中的每一个彼此并联连接，所述二极管串形成环路；以及

多个整流二极管，对所述感应振荡电压进行整流，以在所述二极管串的第一导电元件和第二导电元件之间产生DC电压差，从而为并联连接的二极管供电。

11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述第一导电元件是外部导线，所述第二导电元件是内部导线。

12.根据权利要求10所述的设备，其中，所述环路是圆形环路。

13.根据权利要求10所述的设备，其中，在可变形状因子发射器中实现所述发射线圈电路。

14.根据权利要求11所述的设备，其中：

每个二极管的第一端是阳极；以及

每个二极管的第二端是阴极。

15.根据权利要求14所述的设备，其中，所述多个二极管是多个发光二极管LED。

16.根据权利要求15所述的设备，其中，在发光二极管LED照明设备中实现所述无线功率接收器。

17.根据权利要求11所述的设备，其中：

被配置为使所述二极管串共振的所述至少一个电容器是第三电容器C₃，其中，所述第三电容器C₃是可变电容器。

18.根据权利要求17所述的设备，其中，所述第一旁路电容器C₁和所述第二旁路电容器C₂与每个所述二极管并联。

19.根据权利要求10所述的设备，其中，所述接收线圈电路的配置通过与所述整流二极管中的一个串联的二极管上的组合正向电压降来限制所述环路中的电压。

20.根据权利要求10所述的设备，其中，所述整流电路是所述接收线圈电路中的多个整流电路之一。