CN115210988A - 利用多个发射天线与共同电子装置的无线功率发射系统 - Google Patents

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CN115210988A CN202180016088.4A CN202180016088A CN115210988A CN 115210988 A CN115210988 A CN 115210988A CN 202180016088 A CN202180016088 A CN 202180016088A CN 115210988 A CN115210988 A CN 115210988A
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Abstract

一种无线功率发射系统至少包含第一发射天线及第二发射天线，所述两者均与所述系统的共同功率调节系统电连接。所述第一发射天线发射输出功率并包含第一极及第二极，而所述第二发射天线也发射所述输出功率并包含第三极及第四极。所述第一及第二发射天线经由所述第一极及所述第二极中的至少一者以及所述第三极及所述第四极中的至少一者与所述功率调节系统电连接。进一步来说，所述第一极及所述第二极中的至少一者与所述第三极及所述第四极中的至少一者电连接。

Description

利用多个发射天线与共同电子装置的无线功率发射系统
相关申请案的交叉引用
本申请案主张2020年1月3日申请的标题为“利用多个发射天线与共同电子装置的无线功率发射系统(WIRELESS POWER TRANSMISSION SYSTEM UTILIZING MULTIPLETRANSMISSION ANTENNAS WITH COMMON ELECTRONICS)”的第16/733,521号美国非临时申请案的优先权，所述申请案的全部内容以引用的方式并入本文中。
技术领域
本公开大体上涉及用于电功率及/或电数据信号的无线传送的系统及方法，且更特定来说，涉及包含用于增加发射范围的多个天线的无线功率发射系统及/或多个接收器传输。
背景技术
无线连接系统在各种应用中用于电能、电功率、电磁能、电数据信号以及其它已知的可无线传输的信号的无线传送。此类系统通常使用感应式无线功率传送，当由发射元件产生的磁场在接收元件中感应出电场及因此电流时，就会发生感应式无线功率传送。这些发射及接收器元件通常采用盘绕导线及/或天线的形式。
电能、电功率、电磁能及电子数据信号中的一或多者从此类盘绕天线中的一者到另一者的传输通常以操作频率及/或操作频率范围操作。可出于多种原因选择操作频率，例如(但不限于)功率传送特性、功率电平特性、自谐振频率约束、设计要求、遵守标准机构要求的特性、物料清单(BOM)及/或形状因子约束等。应注意，如所属领域的技术人员所已知的，“自谐振频率”通常是指由于组件的寄生特性而导致的电感器的谐振频率。
在一些实例中，由于自谐振频率(SRF)、线圈灵敏度、放大器驱动能力及/或低耦合效率等，用于高频(通常范围为3MHz到1GHz)耦合的天线线圈可能会对线圈天线的大小产生约束。在非限制性实例中，在一些在6.78MHz的操作频率下操作的系统中可看到，由于此类约束，设计者发现难以创建大小大于约200毫米(mm)乘以约200mm的运行良好的天线。在高频下，实验结果表明，在不影响系统的线圈灵敏度、自谐振的情况下，很难设计大型线圈，因为其涉及互感、可大规模生产性及均匀设计等。
为此，在一些无线传输天线系统设计中，已利用多个天线来扩展系统的耦合包络及/或耦合区域。此类设计利用系统内的多个驱动器到天线子系统来增加能量、功率、数据及/或信号传送的可用空间。然而，此类系统因为需要为每一天线提供单独的放大器电路而大幅增加系统的物料清单。
发明内容
鉴于上文，用于传输电能、电功率、电磁能及电数据中的一或多者的新的无线传输系统是所期望的，其中可在不大幅增加物料清单的情况下增加耦合包络及/或启用多装置耦合。
根据本公开的一个方面，公开一种无线功率发射系统。所述无线功率发射系统包含功率调节系统，所述功率调节系统与输入功率源操作可操作地相关联，所述输入功率源提供输入电功率并连接到所述无线功率发射系统，功率放大器经配置以将所述输入功率调节为输出功率用于发射。所述系统进一步包含：第一发射天线，其经配置以发射所述输出功率，所述第一发射天线至少包含第一极及第二极；及第二发射天线，其经配置以发射所述输出功率，所述第二发射天线至少包含第三极及第四极。所述第一发射天线及第二发射天线经由所述第一极及所述第二极中的至少一者以及所述第三极及所述第四极中的至少一者与所述功率调节系统电连接。进一步来说，所述第一极及所述第二极中的至少一者与所述第三极及所述第四极中的至少一者电连接。
在改进中，所述第一发射天线与所述第二发射天线相对于所述功率调节系统串联电连接。
在改进中，所述功率调节系统包含第一功率极及第二功率极，所述第一极与所述第一功率极电连接，所述第四极与所述第二功率极电连接，且所述第二极与所述第三极电连接。
在改进中，所述系统进一步包含与所述第一发射天线及所述第二发射天线电连接的分布式电容器，所述分布式电容器包含第一电容器极及第二电容器极。在此类改进中，所述功率调节系统包含第一功率极及第二功率极，所述第一极与所述第一功率极电连接，所述第四极与所述第二功率极电连接，所述第二极与所述第一电容器极电连接，且所述第三极与所述第二电容器极电连接。
在进一步改进中，所述系统进一步包含印刷电路板(PCB)，且所述第一发射天线、所述第二发射天线中的至少一者及所述分布式电容器在功能上与所述印刷电路板耦合。
在另一进一步改进中，所述功率调节系统至少包含所述分布式电容器。
在又一进一步改进中，所述系统进一步包含与所述第一发射天线耦合的第一叉指电容器及与所述第二发射天线耦合的第二叉指电容器。
在另一改进中，所述系统包含与所述第一发射天线及所述第二发射天线电连接的叉指电容器，所述分布式电容器包含第一电容器极及第二电容器极。在此类进一步改进中，所述第一极与所述第一功率极电连接，所述第四极与所述第二功率极电连接，所述第二极与所述第一电容器极电连接，且所述第三极与所述第二电容器极电连接。
在进一步改进中，所述系统进一步包含与所述第一发射天线耦合的第二叉指电容器及与所述第二发射天线耦合的第三叉指电容器。
在另一改进中，所述系统进一步包含与所述第一发射天线耦合的第一叉指电容器及与所述第二发射天线耦合的第二叉指电容器。
在另一改进中，所述第一发射天线与所述第二发射天线相对于所述功率调节系统并联电连接。
在另一改进中，所述功率调节系统包含第一功率极及第二功率极，所述第一极及所述第三极与所述第一功率极电连接，且所述第二极及所述第四极与所述第二功率极电连接。
根据本公开的另一方面，公开一种无线功率系统。所述无线功率系统包含无线功率发射系统及至少一个无线功率接收器系统。所述无线功率发射系统包含功率调节系统，所述功率调节系统与输入功率源可操作地相关联，所述输入功率源提供输入电功率并连接到所述无线功率发射系统，功率放大器经配置以将所述输入功率调节为输出功率用于发射。所述系统进一步包含：第一发射天线，其经配置以发射所述输出功率，所述第一发射天线至少包含第一极及第二极；及第二发射天线，其经配置以发射所述输出功率，所述第二发射天线至少包含第三极及第四极。所述第一发射天线及第二发射天线经由所述第一极及所述第二极中的至少一者以及所述第三极及所述第四极中的至少一者与所述功率调节系统电连接。进一步来说，所述第一极及所述第二极中的至少一者与所述第三极及所述第四极中的至少一者电连接。所述至少一个无线功率接收器系统中的每一者与负载可操作地相关联，且所述至少一个无线功率接收器系统中的每一者包含接收器天线，所述接收器天线经配置以与所述第一天线及所述第二天线中的一或两者可操作地耦合以用于无线功率传送。
在改进中，与所述至少一个无线功率接收器系统中的每一者相关联的每一负载与功率存储装置相关联，且所述第一发射天线与所述第二发射天线相对于所述功率调节系统串联电连接。
在进一步改进中，所述无线功率发射系统进一步包含与所述第一发射天线及所述第二发射天线电连接的分布式电容器，所述分布式电容器包含第一电容器极及第二电容器极。在此类进一步改进中，所述功率调节系统包含第一功率极及第二功率极，所述第一极与所述第一功率极电连接，所述第四极与所述第二功率极电连接，所述第二极与所述第一电容器极电连接，且所述第三极与所述第二电容器极电连接。
在另一改进中，与所述至少一个无线功率接收器系统中的每一者相关联的每一负载与电子装置相关联，所述电子装置经配置以在所述负载处从所述无线功率发射系统接收直流功率，且所述第一发射天线与所述第二发射天线相对于所述功率调节系统并联电连接。
根据本公开的又一方面，公开一种操作无线功率发射系统的方法。所述方法包含在功率调节系统处从输入功率源接收输入电功率，及在所述功率调节系统处调节所述输入功率，以产生用于通过第一发射天线及第二发射天线中的一或两者发射的输出功率，所述第一发射天线包含第一极及第二极，且所述第二发射天线包含第三极及第四极。所述方法进一步包含确定所述至少一个无线接收器系统是否可耦合地靠近所述第一发射天线及所述第二发射天线中的一或两者。所述方法进一步包含通过所述第一发射天线及所述第二发射天线中的一或两者将功率无线发射到所述至少一个无线接收器系统。所述第一发射天线及第二发射天线经由所述第一极及所述第二极中的至少一者以及所述第三极及所述第四极中的至少一者与所述功率调节系统电连接，且所述第一极及所述第二极中的至少一者与所述第三极及所述第四极中的至少一者电连接。
在改进中，所述功率调节系统包含第一功率极及第二功率极，所述第一极与所述第一功率极电连接，所述第四极与所述第二功率极电连接，所述第二极与所述第三极电连接，所述至少一个无线接收器系统中的每一者与负载相关联，且将功率发射到所述至少一个无线接收器系统包含基于与所述至少一个无线接收器系统中的每一者相关联的每一负载的量值成比例地将功率发射到所述至少一个无线接收器系统。
在另一改进中，分布式电容器与所述第一发射天线及所述第二发射天线电连接，所述分布式电容器包含第一电容器极及第二电容器极，所述功率调节系统包含第一功率极及第二功率极，所述第一极与所述第一功率极电连接，所述第四极与所述第二功率极电连接，所述第二极与所述第一电容器极电连接，所述第三极与所述第二电容器极电连接，将功率发射到所述至少一个无线接收器系统包含基于与所述至少一个无线接收器系统中的每一者相关联的每一负载的量值成比例地将功率发射到所述至少一个无线接收器系统。
在另一改进中，所述功率调节系统包含第一功率极及第二功率极，所述第一极及所述第三极与所述第一功率极电连接，所述第二极及所述第四极与所述第二功率极电连接，且将功率发射到所述至少一个无线接收器系统包含将大体上类似的功率发射到与所述至少一个无线接收器系统中的每一者相关联的每一负载。
为此，本文所公开的系统、方法及设备允许两个或更多个发射天线由相同的发射器放大器以大体上一致及高效的方式驱动，从而能够以可限制物料清单的较低成本方式实现高效、单个及/或同时功率传送。
在一些此类实例中，此类多天线设计可提供具有多个“子区域”的发射装置，其提供更宽的功率传输区域的优点或允许多个装置由单个传输系统供电。
通过利用本文所公开的系统、方法及设备中的一或多者，可缓解瞬态电流尖峰及大相位变化。此类缓解可能有利于提高线圈灵敏度、可大规模制造性及线圈到线圈效率。
在一些进一步实例中，利用本文所公开的系统、方法及设备中的一或多者，系统可经历约6％的线圈到线圈效率增加及约52％的因金属引起的阻抗偏移降低。
此外或替代地，在一些实例中，与具有替代组件的装置相比，利用本文所公开的系统、方法及设备中的一或多者可提供通常可以较低的成本制造的稳健、较薄的设计。
在其一些进一步实例中，与传统系统相比，利用本文所公开的系统、方法及设备中的一或多者可使系统更具机械耐久性、更薄的形状因子及更低的成本。
当结合附图阅读时，将更好地理解本公开的这些及其它方面及特征。
附图说明
图1是根据本公开的用于无线传送电能、电功率、电磁能、电子数据及其组合中的一或多者的系统的实施例的框图。
图2是说明根据图1及本公开的图1的系统的无线发射系统及图1的系统的无线接收器系统的组件的框图。
图3是说明根据图1、图2及本公开的图2的无线发射系统的发射控制系统的组件的框图。
图4是说明根据图1到3及本公开的图3的发射控制系统的感测系统的组件的框图。
图5是说明根据图1、图2及本公开的图2的无线发射系统的功率调节系统的组件的框图。
图6是说明根据图1、图2及本公开的图2的无线接收器系统的接收器控制系统及接收器功率调节系统的组件的框图。
图7是根据本公开的用于无线传送电能、电功率、电磁能、电子数据及其组合中的一或多者的系统的实施例的框图，所述系统包含与图1到7的元件共同或类似的元件。
图8A是根据图7及本公开的图7的系统的无线发射系统的第一实施例的电示意图，其说明无线发射系统的天线配置。
图8B是根据图7、图8A及本公开的图7的系统的无线发射系统的第一实施例的另一示意图，其说明无线发射系统的天线配置。
图9A是根据图7及本公开的图7的系统的无线发射系统的第二实施例的电示意图，其说明无线发射系统的天线配置。
图9B是根据图7、图9A及本公开的图7的系统的无线发射系统的第二实施例的另一示意图，其说明无线发射系统的天线配置。
图10是根据图7及本公开的图7的系统的无线发射系统的第三实施例的示意图，其说明无线发射系统的天线配置。
图11是根据图7及本公开的图7的系统的无线发射系统的第四实施例的示意图，其说明无线发射系统的天线配置。
图12A是根据图7及本公开的图7的系统的无线发射系统的第五实施例的电示意图，其说明无线发射系统的天线配置。
图12B是根据图7、图12A及本公开的图7的系统的无线发射系统的第五实施例的另一示意图，其说明无线发射系统的天线配置。
图13是根据本公开的用于与图12A、12B、14A、14B中的任一者一起使用的示范性叉指电容器的俯视图。
图14A是根据图7及本公开的图7的系统的无线发射系统的第六实施例的电示意图，其说明无线发射系统的天线配置。
图14B是根据图7、图14A及本公开的图7的系统的无线发射系统的第六实施例的另一示意图，其说明无线发射系统的天线配置。
图15A是根据图7及本公开的图7的系统的无线发射系统的第七实施例的电示意图，其说明无线发射系统的天线配置。
图15B是根据图7、图15A及本公开的图7的系统的无线发射系统的第六实施例的另一示意图，其说明无线发射系统的天线配置。
图16是根据图7到15及本公开的用于操作图7到15的无线发射系统中的一或多者的方法的流程图。
图17是根据本公开的示范性天线的俯视图，所述天线用于用作图1的系统及/或本文所公开的任何其它系统、方法或设备的发射天线及接收器天线中的一或两者。
图18是根据图1到17及本公开的用于设计用于无线发射电能、电功率、电磁能、电子数据及其组合中的一或多者的系统的示范性方法的流程图。
图19是根据图1到17及本公开的用于设计用于图18的系统的无线发射系统的示范性方法的流程图。
图20是根据图1到17及本公开的用于设计用于图18的系统的无线接收器系统的示范性方法的流程图。
图21是根据图1到17及本公开的用于制造用于无线传输电能、电功率、电磁能、电子数据及其组合中的一或多者的系统的示范性方法的流程图。
图22是根据图1到17、图21及本公开的用于设计用于图21的系统的无线发射系统的示范性方法的流程图。
图23是根据图1到17、图21及本公开的用于设计用于图21的系统的无线接收器系统的示范性方法的流程图。
虽然将关于某些说明性实施例给出以下详细描述，但应理解，图式不一定按比例绘制，且有时以图解及局部视图来说明所公开的实施例。另外，在某些例子中，可能省略理解所公开的标的物不需要的细节或使得其它细节太难感知的细节。因此，应理解，本公开不限于本文所公开及说明的特定实施例，而是限于公正地阅读整个本公开及权利要求书以及其任何等效物。
具体实施方式
在以下描述中，以实例的方式阐述许多具体细节以提供对相关教示的透彻理解。然而，对于所属领域的技术人员来说，显而易见的是，可在没有此类细节的情况下实践本教示。在其它例子中，为了避免不必要地模糊本教示的方面，已在相对较高的级别上描述众所周知的方法、过程、组件及/或电路系统而没有进行详述。
现在参考图式并具体参考图1，说明无线电连接系统10。无线电连接系统10提供电信号的无线传输，所述电信号例如(但不限于)电能、电功率、电磁能及可以电子方式传输的数据(“电子数据”)。明确来说，无线电连接系统10经由近场磁耦合提供电信号的无线传输。如图1的实施例中所展示，无线电连接系统10包含无线发射系统20及无线接收器系统30。无线接收器系统经配置以至少从无线发射系统20接收电能、电功率、电磁能及/或电子数据。
如所说明的，无线发射系统20及无线接收器系统30可经配置以至少跨分离距离或间隙17传输电能、电功率、电磁能及/或可以电子方式传输的数据。因此，无线发射系统20及无线接收器系统30的组合创建电连接，而不需要物理连接。如本文所界定，“电连接”是指对将电流、电压及/或功率从第一位置、装置、组件及/或源传送到第二位置、装置、组件及/或目的地的任何促进。为此，“电连接”可为将第一位置、装置、组件及/或源连接到第二位置、装置、组件及/或目的地的物理连接，例如(但不限于)导线、迹线、通路等物理电连接。此外或替代地，“电连接”可为将第一位置、装置、组件及/或源连接到第二位置、装置、组件及/或目的地的无线电连接，例如(但不限于)磁场、电磁、谐振及/或感应场等无线电连接。
替代地，间隙17可被称为“Z距离”，因为如果人们认为天线21、31基本上沿共同X-Y平面安置，那么分离天线21、31的距离是“Z”或“深度”方向上的间隙。然而，本公开的实施例肯定考虑柔性及/或非平面线圈，且因此，经考虑，间隙17跨天线21、31之间的连接距离包络可能不均匀。经考虑，各种调谐、配置及/或其它参数可改变间隙17的可能最大距离，使得从无线发射系统20到无线接收器系统30的电传输仍是可能的。
为此，当无线发射系统20及无线接收器系统30耦合时，无线功率系统10操作。如本文所界定，术语“耦合(couples/coupled及coupling)”通常指磁场耦合，当发射器及/或其任何组件的能量与接收器及/或其任何组件的能量通过磁场相互耦合时，会发生磁场耦合。在系统10中，无线发射系统20与无线接收器系统30的耦合可由系统10的谐振耦合系数表示，且出于无线功率传送的目的，系统10的耦合系数可在约0.01到0.9的范围内。
如所说明的，无线发射系统20可与主机装置11相关联，主机装置11可从输入功率源12接收功率。主机装置11可为任何电动装置、电路板、电子组合件、专用充电装置或任何其它经考虑电子装置。与无线发射系统20相关联的实例主机装置11包含(但不限于)包括包含集成电路的装置、可穿戴电子装置的外壳、电子装置的插座、便携式计算装置、经配置有电子装置的衣服、电子装置的存储媒体、一或多个电子装置的充电设备、专用充电装置、活动或运动相关装备、商品及/或数据收集装置，以及其它经考虑电子装置。
如所说明的，无线发射系统20及主机装置11中的一或两者可与输入功率源12可操作地相关联。输入功率源12可为或可包含一或多个电存储装置，例如电化学电池、电池组及/或电容器，以及其它存储装置。此外或替代地，输入功率源12可为任何电输入源(例如，任何交流(AC)或直流(DC)递送端口)，且可包含从所述电输入源到无线发射系统20的连接设备(例如，变压器、调节器、导电导管、迹线、导线或装备、物品、计算机、相机、移动电话及/或其它电子装置连接端口及/或适配器，例如(但不限于)USB或mp3端口及/或适配器，以及其它经考虑电子组件)。
然后，由无线发射系统20接收的电能用于至少两个目的：向无线发射系统20的内部组件提供电功率及向发射器天线21提供电功率。发射器天线21经配置以经由近场磁耦合(NFMC)无线发射经调节及修改以用于由无线发射系统20无线发射的电信号。近场磁耦合实现通过发射器天线21与无线接收器系统30的或与之相关联的接收天线31之间的磁感应无线传送电能、电功率、电磁能及/或可以电子方式传输的数据。因此，近场磁耦合可实现“感应耦合”，如本文所定义的，感应耦合是利用交变电磁场在两个天线之间传送电能的无线功率传输技术。因此，此类感应耦合是被调谐为以类似频率谐振的两个磁耦合线圈之间的电能的近场无线传输。进一步来说，此类近场磁耦合可经由“互感”提供连接，如本文所定义的，互感是一个电路中的电动势与磁耦合到第一电路的第二电路中的电流变化的乘积。
在一或多个实施例中，发射器天线21或接收器天线31的电感器线圈经策略性地定位以促进通过近场磁感应接收及/或发射无线传送的电能、电功率、电磁能及/或数据。天线操作频率可包括所有操作频率范围，其实例可包含(但不限于)约110kHz到约205kHz(Qi接口标准)、100kHz到约350kHz(PMA接口标准)、6.78MHz(Rezence接口标准及/或以6.78MHz的频率操作的任何其它专有接口标准)、13.56MHz(近场通信(NFC)标准，由ISO/IEC标准18092定义)，27MHz及/或，替代地，以另一专有操作模式的操作频率。为此，天线21、31的操作频率可为由国际电信联盟(ITU)在工业、科学及医疗(ISM)频带中指定的操作频率，其包含(但不限于)指定用于无线功率传送的6.78MHz、13.56MHz及27MHz。另外，除了Qi、PMA、Rezence及NFC接口标准外，本公开的发射天线及/或接收天线可经设计以在约1kHz到约1GHz或更大的广泛操作频率范围内分别发射或接收。另外，本公开的发射天线及接收天线可经配置以发射及/或接收具有在约10mW到约500W之间的量值的电功率。在一或多个实施例中，发射天线21的电感器线圈经配置以在发射天线谐振频率下或在发射天线谐振频带内谐振。如所属领域的技术人员所已知的，“谐振频率”或“谐振频带”是指其中天线的振幅响应处于相对最大值的频率，或，此外或替代地，是指其中电容性电抗具有大体上类似于感应电抗的量值的量值的频率或频带。在一个或多个实施例中，发射天线谐振频率是至少1kHz。在一或多个实施例中，发射天线谐振频带从约1kHz延伸到约100MHz。在一或多个实施例中，接收天线31的电感器线圈经配置以在接收天线谐振频率下或在接收天线谐振频带内谐振。在一或多个实施例中，接收天线谐振频率为至少1kHz。在一或多个实施例中，接收天线谐振频带从约1kHz扩展到约100MHz。
无线接收器系统30可与至少一个电子装置14相关联，其中电子装置14可为需要电功率以实现任何功能及/或进行电力存储(例如，经由电池及/或电容器)的任何装置。此外或替代地，电子装置14可为能够接收可以电子方式传输的数据的任何装置。例如，所述装置可为(但不限于)手持计算装置、移动装置、便携式设备、集成电路、可识别标签、厨房公用设施装置、电子工具、电动汽车、游戏控制台、机器人装置、可穿戴电子装置(例如，电子表、电子改装眼镜、改变现实(AR)眼镜、虚拟现实(VR)眼镜等)、便携式扫描装置、便携式识别装置、体育用品、嵌入式传感器、物联网(IoT)传感器、物联网启用的服装、物联网启用的娱乐装备、工业装备、医疗装备、医疗装置、平板计算装置、便携式控制装置、电子装置的遥控器、游戏控制器等。
出于说明所公开的实施例的特征及特性的目的，利用以箭头结束的线来说明可传送及/或通信信号，并使用各种模式来说明希望用于功率传输的电信号及希望用于数据及/或控制指令的传输的电信号。实线指示电能以功率信号的形式通过物理及/或无线电连接的信号传输，所述功率信号最终用于从无线发射系统20到无线接收器系统30的无线功率传输。进一步来说，虚线用于说明可以电子方式传输的数据信号，其最终可从无线发射系统20无线传输到无线接收器系统30。虽然本文的系统及方法说明无线传输能量、无线传输功率、无线传输电磁能量及可以电子方式传输的数据的传输，但肯定可考虑到，本文所公开的系统、方法及设备可用于仅传输一个信号、两个信号的各种组合，或多于两个信号，且进一步来说，经考虑，本文所公开的系统、方法及设备可用于除上述信号中的一或多者之外或与之唯一地组合的其它电信号的无线传输。在一些实例中，实线或虚线的信号路径可表示功能信号路径，而在实际应用中，实际信号在到达其指示目的地的途中通过额外组件路由。例如，可指示数据信号从通信设备路由到另一通信设备；然而，在实际应用中，数据信号可通过放大器，然后通过发射天线路由到接收器天线，其中，在接收器端上，数据信号由接收器的相应通信装置解码。
现在转到图2，无线连接系统10经说明为包含无线发射系统20及无线接收器系统30两者的实例子系统的框图。如所说明的，无线发射系统20可至少包含功率调节系统40、发射控制系统26、发射调谐系统24及发射天线21。如所说明的，从输入功率源12输入的电能的第一部分经配置以向无线发射系统20的组件(例如(但不限于)发射控制系统26)供电。从输入功率源12输入的电能的第二部分经调节及/或修改以经由发射天线21向无线接收器系统30进行无线功率发射。因此，输入能量的第二部分由功率调节系统40修改及/或调节。虽然未说明，但肯定可考虑到，在由功率调节系统40及/或发射控制系统26接收之前，可通过进一步经考虑的子系统(例如，电压调节器、电流调节器、开关系统、故障系统、安全调节器等)修改、调节、改变及/或以其它方式改变输入电能的第一及第二部分中的一或两者。
现在参考图3，继续参考图1及2，说明发射控制系统26的子组件及/或系统。发射控制系统26可包含(但不限于)感测系统50、发射控制器28、通信系统29、驱动器48及存储器27。发射控制器28可为任何电子控制器或计算系统，其至少包含执行操作、执行控制算法、存储数据、检索数据、收集数据、控制及/或提供与和无线发射系统20相关联的其它组件及/或子系统的通信，及/或执行所期望的任何其它计算或控制任务的处理器。发射控制器28可为单个控制器，或可包含多于一个的控制器，其安置以控制无线发射系统20的各种功能及/或特征。发射控制器28的功能性可在硬件及/或软件中实施且可依赖于与无线发射系统20的操作相关的一或多个数据映射。为此，发射控制器28与存储器27可操作地相关联。存储器可包含内部存储器、外部存储器及/或远程存储器中的一或多者(例如，经由网络(例如(但不限于)因特网)可操作地连接到发射控制器28的数据库及/或服务器)。内部存储器及/或外部存储器可包含(但不限于)只读存储器(ROM)(包含可编程只读存储器(PROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或有时但很少标记的EROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM))、随机存取存储器(RAM)(包含动态RAM(DRAM)、静态RAM(SRAM)、同步动态RAM(SDRAM)、单数据速率同步动态RAM(SDR SDRAM)、双数据速率同步动态RAM(DDR SDRAM、DDR2、DDR3、DDR4)，及图形双数据速率同步动态RAM(GDDR SDRAM、GDDR2、GDDR3、GDDR4、GDDR5))、快闪存储器、便携式存储器等中的一或多者。此类存储器媒体是非暂时性机器可读及/或计算机可读存储器媒体的实例。
进一步来说，虽然发射控制系统26的特定组件经说明为发射控制系统26的独立组件及/或电路(例如，驱动器48、存储器27、通信系统29、感测系统50等其它经考虑元件)，但此类组件可与发射控制器28集成。在一些实例中，发射控制器28通常可为经配置以包含发射控制器28及无线发射系统20中的一或两者的功能性元件的集成电路。
如所说明的，出于数据发射、接收及/或通信的目的，发射控制器28至少与存储器27、通信系统29、功率调节系统40、驱动器48及感测系统50可操作地相关联。驱动器48可经实施以至少部分地控制功率调节系统40的操作。在一些实例中，驱动器48可从发射控制器28接收指令，以产生脉宽调制(PWM)信号及/或将产生的脉宽调制信号输出到功率调节系统40。在一些此类实例中，PWM信号可经配置以驱动功率调节系统40以将电功率作为交流电信号输出，其具有由PWM信号定义的操作频率。
感测系统可包含一或多个传感器，其中每一传感器与无线发射系统20的一或多个组件可操作地相关联，并经配置以提供信息及/或数据。术语“传感器”在其最广泛的解释中用于定义与无线发射系统20可操作地相关联的一或多个组件，所述组件操作以感测无线发射系统20、无线接收系统30、输入功率源12、主机装置11、发射天线21、接收器天线31中的一或多者以及任何其它组件及/或其子组件的功能、条件、电特性、操作及/或操作特性。
如图4的实施例中所说明，感测系统50可包含(但不限于)热感测系统52、物体感测系统54、接收器感测系统56及/或任何其它传感器58。在这些系统中，可能存在用于解决应用所需的特定感测方面的更特定的任选额外或替代感测系统，例如(但不限于)：基于状况的维护感测系统、性能优化感测系统、充电状态感测系统、温度管理感测系统、组件加热感测系统、IoT感测系统、能量及/或功率管理感测系统、碰撞检测感测系统、电状态感测系统、速度检测感测系统、装置健康感测系统等。物体感测系统54可进一步为异物检测(FOD)系统。包含任选的额外或替代系统的热感测系统52、物体感测系统54、接收器感测系统56及/或其它传感器58中的每一者可操作地及/或通信地连接到发射控制器28。热感测系统52经配置以监测无线发射系统20内或无线发射系统20附近的其它元件内的环境及/或组件温度。热感测系统52可经配置以检测无线发射系统20内的温度，且如果所检测的温度超过阈值温度，那么发射控制器28防止无线发射系统20操作。可出于安全考虑、操作考虑、效率考虑及/或其任何组合来配置此阈值温度。在非限制性实例中，如果经由来自热感测系统52的输入，发射控制器28确定无线发射系统20内的温度已从可接受的操作温度增加到非所要的操作温度(例如，在非限制性实例中，内部温度从约20摄氏度(C)增加到约50℃，那么发射控制器28防止无线发射系统20的操作及/或降低从无线发射系统20输出的功率的电平。在一些非限制性实例中，热感测系统52可包含热电偶、热敏电阻、负温度系数(NTC)电阻器、电阻温度检测器(RTD)及/或其任何组合中的一或多者。
如图4中所描绘，发射感测系统50可包含物体感测系统54。物体感测系统54可经配置以检测与无线发射系统20接触或靠近无线发射系统20的非所要物体的存在。在一些实例中，物体感测系统54经配置以检测非所要物体的存在。在一些此类实例中，如果发射控制器28经由由物体感测系统54提供的信息检测到非所要物体的存在，那么发射控制器28防止或以其它方式修改无线发射系统20的操作。在一些实例中，物体感测系统54利用阻抗变化检测方案，其中发射控制器28对照已知的可接受的电阻抗值或电阻抗值范围分析由发射天线20观察到的电阻抗的变化。此外或替代地，物体感测系统54可利用质量因子(Q)变化检测方案，其中发射控制器28分析从被检测的物体(例如接收器天线31)的已知的质量因子值或质量因子值的范围的变化。电感器的“质量因子”或“Q”可定义为(频率(Hz)×电感(H))/电阻(欧姆)，其中频率是电路的操作频率，电感是电感器的电感输出，且电阻是电感器内部的辐射电阻与反应电阻的组合。如本文所定义的，“质量因子”通常被接受为测量例如天线、电路或谐振器的设备的效率的指数(测量数字)。在一些实例中，物体感测系统54可包含光学传感器、电光传感器、霍尔效应传感器、靠近传感器及/或其任何组合中的一或多者。
接收器感测系统56是经配置以检测可与无线发射系统20耦合的任何无线接收系统的存在的任何传感器、电路及/或其组合。在一些实例中，如果检测到任何此类无线接收系统的存在，那么启用通过无线发射系统20向所述无线接收系统的电能、电功率、电磁能及/或数据的无线发射。进一步来说，在一些实例中，如果未检测到无线接收器系统的存在，那么防止发生电能、电功率、电磁能及/或数据的无线发射。因此，接收器感测系统56可包含一或多个传感器及/或与一或多个传感器可操作地相关联，所述传感器经配置以分析无线发射系统20的环境内或其附近的电特性，并基于电特性确定无线接收器系统30的存在。
现在参考图5，并继续参考图1到4，说明说明功率调节系统40的第一实施例的框图。在功率调节系统40处，通常经由输入功率源12本身或将AC源转换为DC源的介入功率转换器(未展示)接收作为直流(DC)功率源的电功率。电压调节器46从输入功率源12接收电功率，并经配置以提供用于通过天线21发射的电功率并提供用于为无线发射系统21的组件供电的电功率。因此，电压调节器46经配置以将所接收的电功率转换为各自处于适当的电压下以用于相应下游组件的操作的至少两个电功率信号：第一电功率信号，其用于为无线发射系统20的任何组件供电；及第二部分，其经调节及修改以用于无线发射到无线接收器系统30。如图3中所说明，此类第一部分被发射到至少感测系统50、发射控制器28及通信系统29；然而，第一部分不限于仅发射到这些组件，且可发射到无线发射系统20的任何电子组件。
电功率的第二部分被提供到功率调节系统40的放大器42，放大器42经配置以调节电功率以用于通过天线21进行无线发射。放大器可用作逆变器，其从电压调节器46接收输入DC功率信号，并至少部分地基于来自发射控制系统26的PWM输入产生交流电(AC)作为输出。为此，放大器42可为或包含功率级逆变器，例如双场效应晶体管功率级逆变器。在功率调节系统40内且继而在无线发射系统20内使用放大器42使得能够无线发射具有比在没有此类放大器的情况下进行发射大得多的振幅的电信号。例如，放大器42的添加可使无线发射系统20能够将电能作为具有约10mW到约500W的电功率的电功率信号进行发射。
在一些非限制性实例中，放大器42可为或可包含一或多个E类功率放大器。E类功率放大器是经设计以在高频(例如，从约1MHz到约1GHz的频率)下使用的高效调谐的开关功率放大器。通常，E类放大器在开关与输出负载(例如，天线21)之间采用单极开关元件及调谐反应网络。E类放大器可通过仅在零电流(例如，从开到关切换)或零电压(从关到开切换)点处操作开关元件来实现高频下的高效率。此类开关特性可最小化开关中的功率损耗，即使与操作频率相比装置的开关时间较长也如此。然而，放大器42当然不限于E类功率放大器，且可为或可包含D类放大器、EF类放大器、H逆变器放大器中的一或多者，以及可作为放大器42的一部分包含的其它放大器。
现在回到图2，在通过天线发射之前，来自功率调节系统40的经调节信号然后由发射调谐系统24接收。发射调谐系统24可包含经配置以优化从无线发射系统20到无线接收器系统30的信号的无线传送的任何调谐、阻抗匹配、滤波器(例如低通滤波器、高通滤波器、“pi”或“Π”滤波器、“T”滤波器、“L”滤波器、“LL”滤波器、L-C陷波滤波器等)、网络匹配、感测及/或调节元件。例如，发射调谐系统24可包含滤波器60，例如所说明的包括LF及CF的低通滤波器。进一步来说，发射调谐系统24可包含阻抗匹配电路，其经设计以针对给定功率、电流及/或电压要求与对应的无线接收器系统30匹配阻抗以进行电能、电功率、电磁能及电子数据中的一或多者的无线发射。
现在转到图6，并继续参考至少图1及2，进一步详细说明无线接收器系统30。无线接收器系统30经配置以经由近场磁耦合从无线发射系统20经由发射天线21至少接收电能、电功率、电磁能及/或可以电子方式传输的数据。如图6中最佳地所说明的，无线接收器系统30至少包含接收器天线31、接收器调谐系统34、功率调节系统32及接收器控制系统36。接收器调谐系统34可经配置以与无线发射系统20的电阻抗大体上匹配。在一些实例中，接收器调谐系统34可经配置以动态调整接收器天线31的电阻抗，并使其与功率产生器或负载在发射天线20的驱动频率下的特性阻抗大体上匹配。
如所说明的，功率调节系统32包含整流器33及电压调节器35。在一些实例中，整流器33与接收器调谐系统34电连接。整流器33经配置以将所接收的电能从交流电能信号修改为直流电能信号。在一些实例中，整流器33包括至少一个二极管。整流器33的一些非限制性实例配置包含(但不限于)全波整流器(包含中心抽头全波整流器及具有滤波器的全波整流器)、半波整流器(包含具有滤波器的半波整流器)、桥式整流器(包含具有滤波器的桥式整流器)、分供整流器、单相整流器、三相整流器、受控整流器、非受控整流器及半受控整流器。由于电子装置可能对电压敏感，可通过削波电路或装置提供电子装置的额外保护。整流器33可进一步包含削波电路或削波装置。削波器在本文中定义为去除输入AC信号的正半部分(上半部分)、负半部分(下半部分)或正半部分及负半部分两者的电路或装置。换句话说，削波器是限制输入AC信号的正振幅、负振幅或正振幅及负振幅两者的电路或装置。
电压调节器35的一些非限制性实例包含(但不限于包含)串联线性电压调节器、并联线性电压调节器、升压开关电压调节器、降压开关电压调节器、逆变器电压调节器、齐纳控制晶体管串联电压调节器及发射极跟随器电压调节器。电压调节器35可进一步包含电压倍增器。电压倍增器在本文中定义为递送具有比输入电压的振幅(峰值)大两倍、三倍或更多倍的振幅(峰值)的输出电压的电子电路或装置。电压调节器35与整流器33电连接，并经配置以在通过整流器33转换为AC之后调整无线接收到的电能信号的电压振幅。在一些实例中，电压调节器35可为低压差线性电压调节器；然而，考虑其它电压调节电路及/或系统。如所说明的，在电子装置14的负载16处接收由电压调节器35输出的直流电能信号。在一些实例中，直流电功率信号的一部分可用于为接收器控制系统36及其任何组件供电；然而，当然有可能的是，接收器控制系统36及其任何组件可从负载16及/或电子装置14的其它组件供电及/或从其接收信号。
接收器控制系统36可包含(但不限于包含)接收器控制器38、通信系统39及存储器37。接收器控制器38可为至少包含执行操作、执行控制算法、存储数据、检索数据、收集数据、控制及/或提供与和无线接收器系统30相关联的其它组件及/或子系统的通信及/或执行所期望的任何其它计算或控制任务的处理器的任何电子控制器或计算系统。接收器控制器38可为单个控制器，或可包含经安置以控制无线接收器系统30的各种功能及/或特征的多于一个控制器。发射控制器38的功能可在硬件及/或软件中实施，且可依赖于与无线发射系统30的操作相关的一或多个数据映射。为此，接收器控制器38与存储器37可操作地相关联。存储器可包含内部存储器、外部存储器及/或远程存储器中的一或两者(例如，经由网络(例如(但不限于)因特网)可操作地连接到接收器控制器28的数据库及/或服务器)。内部存储器及/或外部存储器可包含(但不限于)只读存储器(ROM)(包含可编程只读存储器(PROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或有时但很少标记的EROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM))、随机存取存储器(RAM)(包含动态RAM(DRAM)、静态RAM(SRAM)、同步动态RAM(SDRAM)、单数据速率同步动态RAM(SDR SDRAM)、双数据速率同步动态RAM(DDR SDRAM、DDR2、DDR3、DDR4)，及图形双数据速率同步动态RAM(GDDR SDRAM、GDDR2、GDDR3、GDDR4、GDDR5))、快闪存储器、便携式存储器等中的一或多者。此类存储器媒体是非暂时性计算机可读存储器媒体的实例。
进一步来说，虽然接收器控制系统36的特定元件经说明为接收器控制系统36的独立组件及/或电路(例如，存储器37、通信系统39等其它经考虑元件)，但此类组件可与接收器控制器38集成。在一些实例中，接收器控制器38通常可为及/或包含经配置以包含接收器控制器38及无线接收器系统30中的一或两者的功能元件的一或多个集成电路。如本文所定义的“集成电路”通常是指其中电路元件中的所有或一些不可分离地相关联且电互连使得出于构造及商业目的认为其不可分割的电路。此类集成电路可包含(但不限于)薄膜晶体管、厚膜技术及/或混合集成电路。
在一些实例中，通信系统39可为经配置以以给定操作频率发送及接收数据的专用电路。例如，通信系统39可为标签或标识符集成电路，例如(但不限于)NFC标签及/或标记集成电路。此类NFC标签及/或标记集成电路的实例包含由NXP半导体N.V.制造的
Figure BDA0003809069360000161
系列集成电路。此外或替代地，通信系统39可包含
Figure BDA0003809069360000162
通信组件、WiFi通信组件、TransferJetTM通信组件，以及其它经考虑的带外通信组件。然而，通信系统39肯定不限于这些实例组件，且在一些实例中，通信系统39可用另一集成电路实施(例如，与接收器控制器38集成)，可为电子装置14及无线接收器系统30以及其它经考虑的通信系统及/或设备中的一或两者的另一收发器或与之可操作地关联。进一步来说，在一些实例中，通信系统39的功能可与接收器控制器39集成，使得控制器修改天线21、31之间的感应场以在无线功率传送操作频率的频带中通信。
现在参考图7，并继续参考图1到6中的一或多者，说明用于无线传送电能、电功率、电磁能及可以电子方式传输的数据中的一或多者的系统110的实施例。如由参考数字所指示，无线发射系统120可包含与图1到6的元件大体上类似、相同及/或相似的元件，如由共同参考数字所指示。替代地，执行与另一描述的组件类似的一或多个功能但具有区别特性的功能上相当的组件由三位数字表示，其中最高有效数字指示当前实施例的“系列”，且两个最低有效数字对应于先前描述的组件。如本文所定义的“功能上对应”意味着两个或更多个组件在其相应更广泛的系统、方法及/或设备的上下文中执行类似的功能。例如，在描述无线发射系统120时，最高有效数字“1”指示图7的实施例的系列，且两个最低有效数字“20”指示无线接收器系统在功能上对应于先前描述的无线发射系统20。为此，无线发射系统120在功能上与无线发射系统20对应，因为系统20、120两者都经配置以将电能、电功率、电磁能及可以电子方式传输的数据中的一或多者发射到无线接收器系统30。
如所说明的，系统110包含与输入功率源12可操作地相关联的无线发射系统120，其包含功率调节系统40、发射控制系统26、发射调谐系统24及多个发射天线121A到N。如所说明的，无线发射系统120可包含两个或更多个发射天线121A、121B，总共多达“n”个发射天线121N。无线接收器天线121A到N中的每一者可共同连接到单个功率调节系统40。系统110进一步包含一或多个无线接收器系统30A到N，其每一者与电子装置16A到N的负载16A到N相关联。如所说明的，系统110可包含两个或更多个无线接收器系统30A、30B，总共多达“n”个无线接收器系统30N。虽然说明每一无线发射天线121A到N与无线接收器天线31A到N可操作地相关联，但肯定可考虑，无线发射系统120可仅与一个接收器天线30操作地相关联，使得多个发射天线121A到N创建更大的场耦合区域以将功率传送到无线接收器系统30。替代地，虽然图7说明每一发射天线121A到N与单个接收器天线30可操作地关联及/或耦合，但肯定可考虑，单个发射天线121可与一或多个接收器天线30总共多达“n”个接收器天线30N可操作地关联及/或操作耦合。
在其中需要高谐振频率的无线功率传送系统中，由于自谐振频率、线圈灵敏度、放大器驱动能力及/或低耦合效率，与低频解决方案相比，天线的大小可能相对有限。在一些应用中，例如(但不限于)其中谐振频率高于约5MHz的无线功率传送系统，这些问题可能使天线设计者难以创建二维面积大于约200mm×200mm的适当线圈。然而，使用相似地定大小的天线，但将这些相似的天线中的每一者耦合到共同功率放大器/功率系统(例如，功率调节系统40)可允许以更高的谐振频率耦合的更大的功率传送区域及/或多个装置的功率传送区域。此类设计允许系统具有两个或更多个发射天线，其由相同发射器功率放大器以统一高效的方式驱动，其使得以可能限制物料清单的较低成本方式实现高效、单次及/或同时功率传送。此外，使用此类设计可提供额外的益处，例如(但不限于)增加无线发射系统120的耦合区域、相对于单天线设计的优化电磁干扰(EMI)性能等。
鉴于图7的系统110及下面描述的实施例，此类多天线设计可提供具有多个“子区域”的传输装置，其提供更宽功率传输区域的益处或允许多个装置由单个传输系统供电。因此，天线到共同功率放大器的不同连接方案具有不同的优点及缺点。特定来说，当比较串联天线到放大器连接(参见，例如，图8到14)的优点与并联天线到放大器连接(参见，例如，图15)的益处时，可看到这些优缺点。例如，当线圈具有较低的输出电流要求时，与并联天线到放大器的连接相比，串联天线到放大器的连接可能是有利的。替代地，当以共同功率电平及传送速率为多个负载供电时，并联天线到放大器布置可能是有利的。
图8到14说明串联连接到共同功率调节系统及/或放大器的天线的各种配置。此类串联连接最适合于任何无线功率传送场景(例如，对电池、电容器、负载等充电及直流功率传送应用)，因为由接收器天线负载感应的到功率放大器的传送阻抗是增加的，而不是分开的(如并联配置的情况)。
现在转到图8A到B并继续参考图7，说明无线发射系统120A的示意图。如图8A到B所示且类似地，在随后所说明的无线发射系统120A的实施例中，第一发射天线121A包含第一极161及第二极162，第二发射天线121B包含第三极163及第四极164，且放大器42包含第一功率极171及第二功率极172。如所说明的，为了实现串联天线到放大器连接，第一发射天线121A的第一极161与第一功率极171电连接，第二发射天线121B的第四极与第二功率极172电连接，且第一发射天线121A的第二极162与第二接收器天线121B的第三极163电连接，从而建立接收器天线121A、121B之间相对于放大器42的串联连接。
图9A到B说明无线传送系统120B的另一实施例，其中在第一发射天线121A与第二发射天线121B之间的串联连接中包含分布式电容器CD。在此类实例中，CD包含第一电容器极166及第二电容器极167。如所说明的，为了实现CD安置在其间的串联天线到放大器连接，第一发射天线121A的第一极161与第一功率极171电连接，第二发射天线121B的第四极164与第二功率极172电连接，第二极162与第一电容器极166电连接，且第三极163与第二电容器极167电连接。
通过在第一发射天线121A与第二发射天线121B之间的串联连接中安置CD，可缓解瞬态电流尖峰及大相位变化。此类瞬态电流尖峰及相位变化可能导致电流灵敏度问题、制造困难及/或多个发射天线121之间的线圈到线圈效率降级。因此，经由包含CD的缓解可能有利于改进线圈灵敏度、可大规模制造性(例如，单元到单元的线圈一致性、跨多个制造批次的材料及工艺差异公差等)，以及线圈到线圈效率。为此，实验结果指示，包含CD致使线圈到线圈效率提高约6％，而由于金属的原因，阻抗偏移降低约52％。此类效率的提高及阻抗偏移的减少在发射天线121设计中可能尤其有利，其中相对较小的发射天线121扩大了对耦合Z距离的要求。
此外，通过限制干扰，在第一发射天线121A与第二发射天线121B之间的串联连接中包含CD有助于隔离每一发射天线121A-N的通信。例如，如果两个发射天线121A、121B与两个无线接收器系统30A、30B耦合，那么CD可防止无线接收器系统30A、30B经由接收器天线121A、121B中的一或两者的操作频率的频带内的通信发射的通信信号中的干扰。
鉴于图9A到B，图10说明系统120C的另一实施例，其中CD经实施为印刷电路板(PCB)169上的组件，在印刷电路板上安置第一及第二发射天线121A、121B中的一或两者。通过利用其上具有CD的PCB 169，可改进物料清单中的易用性。进一步来说，在此类实例中，第一及第二发射天线121A、121B两者可印刷在PCB 169的相同衬底上，且因此，接收器天线121A、121B可通过CD在内部相互连接，其中，在此类实例中，CD是PCB 169上的表面安装电容器。与其它设计相比，此配置可通过减少到放大器42的连接数量来降低天线复杂性，这简化接收器天线121A、121B的制造。因此，在此类实例中，发射天线121A、121B及CD都在功能上与PCB 169耦合。如本文所界定，“在功能上耦合”意味着天线121A、121B及CD至少在能够作用时出于系统120的目的与PCB 169耦合。
再次参考PCB 169，所属领域的技术人员将理解PCB 169可为单层或多层。多层PCB可进一步包括表面及嵌入式电路迹线，且还可包含通孔、表面安装及/或嵌入式组件及/或组件电路。典型的PCB衬底材料可包含玻璃纤维、FR4、陶瓷等。在一些实例中，PCB169可进一步为或包含柔性印刷电路板(FPCB)。
现在转到图11，并继续参考图9，说明无线发射系统120D的另一实施例，其中CD被安置为放大器42及/或更广泛的功率调节系统40的一部分。在此类实例中，到放大器42的连接因此是四端口连接，而不是如图8到10的实施例中的两端口连接。在此类实例中，第一及第二电容器极166、167是放大器42上的端口。通过包含CD作为放大器42的功能组件，放大器42的输出电流可进入第一接收天线121A，经由第一电容器极166返回放大器42，从而拉回功率信号的相位，进入第二接收天线121B，然后在第二功率极172处返回到放大器。
继续参考图8，图12A到B说明无线发射系统120E的另一实施例，其中无线发射系统120E进一步包含与第一发射天线121A及第二发射天线121B电连接的叉指电容器180。叉指电容器180至少包含第一电容器极181及第二电容器极182。如所说明的，第一天线121A的第一极161与第一功率极171电连接，第二天线121B的第四极164与第二功率极172电连接，第一发射天线121A的第二极与叉指电容器180的第一电容器极181电连接，且第二发射天线121B的第三极163与叉指电容器180的第二电容器极182电连接。
可包含叉指电容器180以将所期望的电容赋予发射天线121A、121B中的一或两者。叉指电容器180可利用平行板配置，其可提供稳健、薄的设计，与类似电容器组件相比，所述设计通常可以较低的成本制造。如在图13中最好地说明，叉指电容器180具有指状形状，其中叉指电容器180包含多个微带线184，其可产生高通特性、低通特性及/或带通特性中的一或多者。叉指电容器180的电容的值通常取决于各种构造参数，例如(但不限于)，微带线184的长度185、微带线184的宽度187、两个相邻微带线184之间的水平间隙186及两条相邻微带线184之间的垂直盖188。在一或多个实施例中，微带线184的长度185及宽度187可从约10mm到600mm，水平间隙186可在约0.1mm到约100mm之间，且垂直间隙188可在约0.0001mm到约2mm之间。
在一些实例中，叉指电容器180可集成在与发射天线121A、121B中的一或两者相关联的衬底，例如PCB内。进一步来说，在一些实例中，叉指电容器180可定位在支撑发射天线121A、121B中的一或两者的衬底内的开口或空腔内。叉指电容器180可类似于CD那样用于改进线圈灵敏度、可大规模制造性及线圈到线圈效率。此外或替代地，叉指电容器180可被用作向发射天线121A、121B中的一或两者添加电容的具有成本效益的手段。进一步来说，与表面安装电容器相比，叉指电容器180可更机械耐用、具有更薄的形状因子及更低的成本。
图14A到B说明无线发射系统120F、120G的示范性实施例，其中第一及第二叉指电容器180A、180B分别安置在第一及第二发射天线121A、121B内或恭敬地作为其一部分。因此，叉指电容器180A、180B可恭敬地位于第一及第二发射天线121A、121B内或作为其一部分，及/或第一及第二发射天线121A、121B可分别位于叉指电容器180A、180B周围。由于此类定位及/或包含，叉指电容器180A、180B提供一种具有成本效益的方式来向第一及第二发射天线121A、121B中的一或两者添加电容。因此，在其中期望发射天线121与接收器天线31之间大于正常距离(例如，大于25mm)的充电距离的功率传送场景中，此类配置可能尤其有用。
在图14A的无线发射系统120F的实例中，第三叉指电容器180C以与图24A到B的叉指电容器180类似的方式电连接到发射天线121A、121B。在此配置中，在其中否则会出现线圈灵敏度及匹配容差问题的无线功率传送场景中，添加的电容有助于发射天线121A、121B。在图14B的实例中，无线发射系统120G包含CD，其以类似于图11的CD与发射天线121A、121B之间的电连接的方式经由放大器42连接。在其中发射天线121A、121B不能安置在单个衬底及/或PCB上的情况下，无线发射系统120G的配置可能尤其有用，但将受益于叉指电容器180A、180B的天线安置放置的优势。
图15A到B说明无线发射系统120H的另一实施例，其中第一发射天线121A与第二发射天线121B相对于功率调节系统40及/或放大器42并联电连接。为此，在实现并联电连接时，第一发射天线121A的第一极及第二发射天线121B的第三极与第一功率极171电连接。此外，第一发射天线121A的第二极162及第二发射天线121B的第四极164与第二功率极172电连接。无线发射系统120H的并联电连接在需要以低成本高效地向独立的相同负载提供功率的应用中可能是有利的。因此，无线发射系统120H的并联电连接在针对直流功率而不是针对为存储负载充电而配置的无线功率传送场景中可能是有利的。此外，无线发射系统120H的并联电连接在需要较低电压要求与较大电流要求的配置中可能是有利的。
现在转到图16并继续参考图7到15，公开用于操作无线发射系统120的方法190的框图。如所说明的，围绕一或多个框的经标记虚线边框指示无线发射系统120的哪些组件执行所述框(例如，框192、194由功率调节系统40执行)。方法190从框192开始，其中功率调节系统从输入功率源14接收输入电功率。然后，功率调节系统40调节输入功率以产生输出功率用于通过一、两个或更多个发射天线121A到N进行发射，如框194中所说明。方法190进一步包含至少通过发射控制系统26确定至少一个无线接收器系统30是否可耦合地靠近发射天线121A到N中的至少一者，如框196处所说明。如果发射控制系统26确定无线接收器系统30可耦合地靠近，那么方法190包含通过发射天线121A到N中的一或多者将功率无线发射到至少一个无线接收器系统30，如框198中所说明。
现在转到图17，本文公开可与系统、方法及/或设备中的任一者一起使用的发射天线21、发射天线121及接收器天线31中的一或多者的示范性非限制性实施例。在所说明的实施例中，天线21、31、121是扁平螺旋线圈配置。在所展示的示范性实施例中，天线包括四层交替的电导体与电绝缘层，其集成到印刷电路板(PCB)、柔性电路板(FPC)或混合电路板(HCB)中，HBC包括PCB部分及FPC部分。如所展示，天线21、31、121包括电串联连接的两个天线段。如所展示，天线21、31、121经构造成具有沉积在绝缘衬底99的表面上的五匝铜迹线95，迹线95的每一匝之间具有例如15到200微米的间隙97。每一段包括以电并联配置定位在绝缘衬底98上的电导体(例如，迹线95)。非限制性实例可在佩拉尔塔(Peralta)等人的第9,941,743号、第9,960,628号、第9,941,743号，辛格(Singh)等人的第9,948,129号、第10,063,100号，卢津斯基(Luzinski)的第9,941590号，拉贾戈帕兰(Rajagopalan)等人的第9,960,629号美国专利，以及佩拉尔塔(Peralta)等人的第2017/0040107号、第2017/0040105号、第2017/0040688号美国专利申请案中找到，所有所述申请案转让给本申请案的受让人并以引用的方式完全并入本文中。
另外，天线21、31、121可经构造成具有多层多匝(MLMT)构造，其中至少一个绝缘体位于多个导体之间。可并入无线发射系统20及/或无线接收器系统30中的具有MLMT构造的天线的非限制性实例可在都授予辛格(Singh)等人的第8,610,530、8,653,927、8,680,960、8,692,641、8,692,642、8,698,590、8,698,591、8,707,546、8,710,948、8,803,649、8,823,481、8,823,482、8,855,786、8,898,885、9,208,942、9,232,893、9,300,046号美国专利中找到，所述专利转让给本申请案的受让人并完全并入本文中。还应注意，其它天线(例如(但不限于)经配置以在UHF无线电波频率(例如IEEE标准802.15.1)下发送及接收信号的天线)可并入本发明的系统、方法及/或设备中。
图18是根据本公开的系统、方法及设备的用于设计用于无线传送电能、电功率、电磁能及电子数据中的一或多者的系统的方法1000的实例框图。为此，方法1000可用于根据系统10、110及其任何组件的任何所公开的实施例设计系统。
在框1200处，方法1000包含设计用于在系统10、110中使用的无线发射系统。在框1200处设计的无线发射系统可全部或部分地根据无线发射系统20、120及120A到H的前述提及及所公开的实施例中的一或多者来设计及任选地包含其任何组件。框1200可经实施为用于设计无线发射系统的方法1200。
现在转到图19并继续参考图18的方法1000，说明用于设计无线发射系统的方法1200的实例框图。通过方法1000设计的无线发射系统可全部或部分地根据无线发射系统20、120及120A到H的前述提及及所公开的实施例中的一或多者来设计及任选地包含其任何组件。方法1200包含设计及/或选择用于无线发射系统的发射天线，如框1210中所说明。所设计及/或所选择的发射天线可全部或部分地根据发射天线21、121及121A到N的前述提及及所公开的实施例中的一或多者来设计及/或选择及包含其任何组件。方法1200包含设计及/或调谐用于无线发射系统的发射调谐系统，如框1220中所说明。如上文更详细讨论的，此类设计及/或调谐可用于(但不限于用于)阻抗匹配。所设计及/或所调谐的发射调谐系统可全部或部分地根据无线发射系统20、120及120A到H的前述提及及所公开的实施例中的一或多者来设计及/或调谐及任选地包含其任何组件。
方法1200进一步包含设计用于无线发射系统的功率调节系统，如框1230中所说明。所设计的功率调节系统可使用多个功率输出特性考虑因素中的任一者来设计，所述考虑因素例如(但不限于)功率传送效率、最大化传输间隙(例如，间隙17)、增加到接收器的输出电压、减轻无线功率传送期间的功率损耗、在不使数据通信保真度降级的情况下增加功率输出、优化从共同电路及/或放大器接收功率的多个线圈的功率输出，及其它经考虑的功率输出特性考虑因素。功率调节系统可全部或部分地根据功率调节系统40的前述提及及所公开的实施例中的一或多者来设计及任选地包含其任何组件。进一步来说，在框1240处，方法1200可确定及优化连接以及任何相关联的连接组件，以配置及/或优化输入功率源12与框1230的功率调节系统之间的连接。此类确定、配置及/或优化可包含选择及实施保护机制及/或设备、选择及/或实施电压保护机制等。
方法1200进一步包含设计及/或编程方法1000的无线发射系统的发射控制系统，如框1250中所说明。所设计的发射控制系统可全部或部分地根据发射控制系统26的前述提及及所公开的实施例中的一或多者来设计及任选地包含其任何组件。所述发射控制系统的此类组件全部或部分包含(但不限于包含)感测系统50、驱动器41、发射控制器28、存储器27、通信系统29、热感测系统52、物体感测系统54、接收器感测系统56、其它传感器58、栅极电压调节器43、PWM产生器41、频率产生器348及任选地包含其任何组件。
现在回到图18，在框1300处，方法1000包含设计用于在系统10中使用的无线接收器系统。在框1300处设计的无线发射系统可全部或部分地根据无线接收器系统30的前述提及及所公开的实施例中的一或多者来设计及任选地包含其任何组件。框1300可经实施为用于设计无线接收器系统的方法1300。
现在转到图20并继续参考图8的方法1000，说明用于设计无线接收器系统的方法1300的实例框图。通过方法1300设计的无线接收器系统可全部或部分地根据无线接收器系统30的前述提及及所公开的实施例中的一或多者来设计及任选地包含其任何组件。方法1300包含设计及/或选择用于无线接收器系统的接收器天线，如框1310中所说明。所设计及/或所选择的接收器天线可全部或部分地根据接收器天线31的前述提及及所公开的实施例中的一或多者来设计及任选地包含其任何组件。方法1300包含设计及/或调谐用于无线接收器系统的接收器调谐系统，如框1320中所说明。如上文更详细讨论的，此类设计及/或调谐可用于(但不限于用于)阻抗匹配。所设计及/或所调谐的接收器调谐系统可全部或部分地根据接收器调谐系统34的前述提及及所公开的实施例中的一或多者来设计及/或调谐及/或任选地包含其任何组件。
方法1300进一步包含设计用于无线接收器系统的功率调节系统，如框1330中所说明。所设计的功率调节系统可使用多个功率输出特性考虑因素中的任一者来设计，所述考虑因素例如(但不限于)功率传送效率、最大化传输间隙(例如，间隙17)、增加到接收器的输出电压、减轻无线功率传送期间的功率损耗、在不使数据通信保真度降级的情况下增加功率输出、优化从共同电路及/或放大器接收功率的多个线圈的功率输出，及其它经考虑的功率输出特性考虑因素。功率调节系统可全部或部分地根据功率调节系统32的前述提及及所公开的实施例中的一或多者来设计及任选地包含其任何组件。进一步来说，在框1340处，方法1300可确定及优化连接以及任何相关联的连接组件，以配置及/或优化负载16与框1330的功率调节系统之间的连接。此类确定、配置及/或优化可包含选择及实施保护机制及/或设备、选择及/或实施电压保护机制等。
方法1300进一步包含设计及/或编程方法1300的无线接收器系统的接收器控制系统，如框1350中所说明。所设计的接收器控制系统可全部或部分地根据接收器控制系统36的前述提及及所公开的实施例中的一或多者来设计及任选地包含其任何组件。所述接收器控制系统的此类组件全部或部分包含(但不限于包含)接收器控制器38、存储器37及通信系统39及任选地包含其任何组件。
现在回到图18的方法1000，在框1400处，方法1000进一步包含优化及/或调谐用于无线功率传送的无线发射系统及无线接收器系统。此类优化及/或调谐包含(但不限于包含)根据本文所公开的系统、方法及设备中的任一者控制及/或调谐装置的参数以匹配阻抗、优化及/或配置输出功率信号的电压及/或功率电平等。进一步来说，方法1000包含鉴于无线功率传送所需的系统特性优化及/或调谐用于数据通信的无线发射系统及无线接收器系统。此类优化及/或调谐包含(但不限于包含)根据本文所公开的系统、方法及设备中的任一者优化电能及电数据信号的并发传输的功率特性、针对不同的传输方案调谐天线的质量因子。
图21是根据本公开的系统、方法及设备的用于制造用于无线传送电能及电子数据中的一或两者的系统的方法2000的实例框图。为此，方法2000可用于根据系统10、110及其任何组件的任何所公开实施例制造系统。
在框2200处，方法2000包含制造用于系统10中的无线发射系统。在框2200处制造的无线发射系统可全部或部分地根据无线发射系统20、120及/或120A到H的前述提及及所公开的实施例中的一或多者来设计及任选地包含其任何组件。框2200可经实施为用于制造无线发射系统的方法2200。
现在转到图22并继续参考图21的方法2000，说明用于制造无线发射系统的方法2200的实例框图。通过方法2000制造的无线发射系统可全部或部分地根据无线发射系统20、120及120A到H的前述提及及所公开的实施例中的一或多者来制造及任选地包含其任何组件。方法2200包含制造用于无线发射系统的发射天线，如框2210中所说明。所制造的发射系统可全部或部分地根据发射天线21、121及/或121A到N的前述提及及所公开的实施例中的一或多者来构建及/或调谐及包含其任何组件。方法2200包含构建及/或调谐用于无线发射系统的发射调谐系统，如框2220中所说明。如上文更详细讨论的，此类设计及/或调谐可用于(但不限于用于)阻抗匹配。所构建及/或所调谐的发射调谐系统可全部或部分地根据发射调谐系统24的前述提及及所公开的实施例中的一或多者来设计及/或调谐及任选地包含其任何组件。
方法2200进一步包含选择及/或连接用于无线发射系统的功率调节系统，如框2230中所说明。所制造的功率调节系统可使用多个功率输出特性考虑因素中的任一者来设计，所述考虑因素例如(但不限于)功率传送效率、最大化传输间隙(例如，间隙17)、增加到接收器的输出电压、减轻无线功率传送期间的功率损耗、在不使数据通信保真度降级的情况下增加功率输出、优化从共同电路及/或放大器接收功率的多个线圈的功率输出，及其它经考虑的功率输出特性考虑因素。功率调节系统可全部或部分地根据功率调节系统40的前述提及及所公开的实施例中的一或多者来设计及任选地包含其任何组件。进一步来说，在框2240处，方法2200可确定及优化连接以及任何相关联的连接组件，以配置及/或优化输入功率源12与框2230的功率调节系统之间的连接。此类确定、配置及/或优化可包含选择及实施保护机制及/或设备、选择及/或实施电压保护机制等。
方法2200进一步包含组装及/或编程方法2000的无线发射系统的发射控制系统，如框2250中所说明。经组装的发射控制系统可全部或部分地根据发射控制系统26的前述提及及所公开的实施例中的一或多者来设计及任选地包含其任何组件。其此类组件全部或部分包含(但不限于包含)感测系统50、驱动器41、发射控制器28、存储器27、通信系统29、热感测系统52、物体感测系统54、接收器感测系统56、其它传感器58、栅极电压调节器43、PWM产生器41、频率产生器348及任选地包含其任何组件。
现在回到图21，在框2300处，方法2000包含制造用于系统10中的无线接收器系统。在框2300处制造的无线发射系统可全部或部分地根据无线接收器系统30的前述提及及所公开的实施例中的一或多者来设计及任选地包含其任何组件。框2300可经实施为用于制造无线接收器系统的方法2300。
现在转到图23并继续参考图21的方法2000，说明用于制造无线接收器系统的方法2300的实例框图。通过方法2000制造的无线接收器系统可全部或部分地根据无线接收器系统30的前述提及及所公开的实施例中的一或多者来设计及任选地包含其任何组件。如框2310中所说明，方法2300包含制造用于无线接收器系统的接收器天线。制造的接收器天线可全部或部分地根据接收器天线31的前述提及及所公开的实施例中的一或多者来制造、设计及/或选择及包含其任何组件。方法2300包含构建及/或调谐用于无线接收器系统的接收器调谐系统，如框2320中所说明。如上文更详细讨论的，此类构建及/或调谐可用于(但不限于用于)阻抗匹配。构建及/或调谐的接收器调谐系统可全部或部分地根据接收器调谐系统34的前述提及及所公开的实施例中的一或多者来设计及/或调谐及任选地包含其任何组件。
方法2300进一步包含选择及/或连接用于无线接收器系统的功率调节系统，如框2330中所说明。所设计的功率调节系统可使用多个功率输出特性考虑因素中的任一者来设计，所述考虑因素例如(但不限于)功率传送效率、最大化传输间隙(例如，间隙17)、增加到接收器的输出电压、减轻无线功率传送期间的功率损耗、在不使数据通信保真度降级的情况下增加功率输出、优化从共同电路及/或放大器接收功率的多个线圈的功率输出，及其它经考虑的功率输出特性考虑因素。功率调节系统可全部或部分地根据功率调节系统32的前述提及及所公开的实施例中的一或多者来设计及任选地包含其任何组件。进一步来说，在框2340处，方法2300可确定及优化连接以及任何相关联的连接组件，以配置及/或优化负载16与框2330的功率调节系统之间的连接。此类确定、配置及/或优化可包含选择及实施保护机制及/或设备、选择及/或实施电压保护机制等。
方法2300进一步包含组装及/或编程方法2300的无线接收器系统的接收器控制系统，如框2350中所说明。组装的接收器控制系统可全部或部分地根据接收器控制系统36的前述提及及所公开的实施例中的一或多者来设计及任选地包含其任何组件。所述接收器控制系统的此类组件全部或部分包含(但不限于包含)接收器控制器38、存储器37及通信系统39及任选地包含其任何组件。
现在回到图21的方法2000，方法2000进一步包含，在框2400处，优化及/或调谐用于无线功率传送的无线发射系统及无线接收器系统两者。此类优化及/或调谐包含(但不限于包含)根据本文所公开的系统、方法及设备中的任一者控制及/或调谐装置的参数以匹配阻抗、优化及/或配置输出功率信号的电压及/或功率电平等。进一步来说，方法2000包含鉴于无线功率传送所需的系统特性优化及/或调谐用于数据通信的无线发射系统及无线接收器系统，如框2500处所说明。此类优化及/或调谐包含(但不限于包含)根据本文所公开的系统、方法及设备中的任一者优化电能及电数据信号的并发传输的功率特性、针对不同的传输方案调谐天线的质量因子。
本文所公开的系统、方法及设备经设计以按高效、稳定及可靠的方式操作以满足各种操作及环境条件。本文所公开的系统、方法及/或设备经设计以在广泛的热应力及机械应力环境中操作，使得高效地传输数据及/或电能且损耗最小。另外，系统10可使用允许可扩展性的制造技术设计成小的形状因子，且成本对开发者及采用者来说能够接受。另外，本文所公开的系统、方法及设备可经设计以在广泛的频率范围内操作以满足广泛应用的要求。
在实施例中，系统可传输约100μW到约10W的电功率。在另一实施例中，也可传输高达约500W的电功率。特定考虑作为无线发射系统20、120、120A到H与无线接收器系统30之间的无线功率传送机制的近场磁耦合(NFMC)，众所周知，如果选择更高的操作频率，那么通常更容易实现更小的大小。这是由于所需互感与操作频率的反比关系，如以下等式所指示：
Figure BDA0003809069360000271
其中：
Vinduced是接收器天线线圈上的感应电压
Itx是流经发射器天线线圈的AC电流，且
ω是操作频率乘以2π。
由于所需的互感增加以使电能的无线传送增加，因此增加发射器或接收器的电感或耦合同时最小化AC损耗是必要的。互感可通过以下关系计算：
Figure BDA0003809069360000272
其中：
M是系统的互感，
k是系统的耦合，
LTx是发射器天线线圈的电感，且
LRx是接收器天线线圈的电感。
随着天线线圈的形状因子减小，在任一接收器或发射器上获得所需的电感伴随着天线线圈电阻的增加，因为所需的高匝数导致迹线宽度减小。电阻的增加通常会降低天线线圈的质量因子及系统的整体线圈间效率，其中质量因子经定义为：
Figure BDA0003809069360000273
其中：
Q是天线线圈的质量因子，
L是天线线圈的电感，
ω是天线线圈的操作频率，单位为弧度/秒(替代地，如果操作的频率以Hz为单位，那么操作频率为ω除以2π)，
R是操作频率下的等效串联电阻(ESR)。
进一步来说，发射(Tx)天线线圈到接收器(Rx)天线线圈效率(Eff)由以下等式定义：
Figure BDA0003809069360000274
其中：
k是系统的耦合，
QRx是接收器天线的质量因子，且
QTx是发射天线的质量因子。
在实施例中，可将铁氧体屏蔽并入天线结构内以改进天线性能。铁氧体屏蔽材料的选择取决于操作频率，因为复磁导率(μ＝μ′-j*μ″)取决于频率。所述材料可为烧结柔性铁氧体片、刚性屏蔽或混合屏蔽，其中混合屏蔽包括刚性部分及柔性部分。此外，铁氧体屏蔽可由不同的材料成分组成。材料的实例可包含(但不限于包含)铁氧体材料的锌，例如锰锌、镍锌、铜锌、镁锌及其组合。
另外，取决于系统10、110的操作频率及功率要求，可能期望包括利兹(Litz)线与PCB线圈组合的混合天线构造来高效地传送功率。在一个实施例中，混合利兹线与PCB线圈组合可包括缠绕利兹线构造的发射天线21、121、120A到N或接收器天线31，且发射器天线21、121、120A到N或接收器天线31中的另一者可具有安置在电路板的表面上的线圈，例如图17中所展示的天线。约100kHz到若干MHz范围的较低操作频率可能需要发射天线21、121、120A到N与接收器天线31之间的一定互感。这可通过与包括安置在电路板表面上的线圈的接收器天线31组合地使用具有新颖的铁氧体磁芯的利兹线构造的发射器天线21、121、120A到B来实现，例如图17中所展示的天线。
为了增加互感，必须增加发射器模块20、120、120A到H或接收器模块30的耦合及/或电感。然而，由于小的形状因子限制，耦合受到连接器模块的物理大小的限制。注意，使用包括安置在电路板表面上的线圈的构造的发射器及接收器天线21、31、121、121A到N，例如图17中所展示的天线，可增加天线线圈的电感及电阻，从而降低质量因子Q及天线到天线效率。
在实施例中，系统10、110包括具有利兹线构造及屏蔽材料的发射天线21、121、121A到N的发射系统20、120A到H及具有包括安置在电路板(图17)的表面上的线圈的接收器天线31的线圈接收器系统30可用于增加系统10、110的示范性的小形状因子的耦合及互感。为了实现更高的天线到天线效率，可使用此配置来实现必要的功率传送，同时在较低频率下维持高Q因子。这些改进还可提高具有相对较小形状因子的示范性系统10、110的整体性能。
线圈设计及构造的选择由以下电及磁参数的组合确定：电感(L)、操作频率下的等效串联电阻(ESR)、耦合(k)及互感。针对较低的操作频率，即，从约100kHz到约10MHz，以及针对实现约0.1mm到约100mm的增加功率传输，此特定天线拓扑是有益的。例如，根据互感方程，如果将递送到负载的功率是恒定的，而操作频率降低，那么发射器天线线圈与接收器天线线圈之间的互感在恒定发射电流下增加。表I说明互感的改进。表II说明耦合的改进，且表III说明天线到天线效率的改进。
表I
发射器天线构造 发射器天线屏蔽 接收器天线构造 M(μH)
FR4 PCB上的线圈 片 FR4 PCB上的线圈 0.35
利兹线 T型芯 FR4 PCB上的线圈 1.35
表II
发射器天线构造 发射器天线屏蔽 接收器天线构造 耦合
FR4 PCB上的线圈 片 FR4 PCB上的线圈 0.26
利兹线 T型芯 FR4 PCB上的线圈 0.29
表III
发射器天线构造 发射器天线屏蔽 接收器天线构造 天线到天线效率
FR4 PCB上的线圈 片 FR4 PCB上的线圈 57.9％
利兹线 T型芯 FR4 PCB上的线圈 80.8％
另外，如果系统10以更高的频率操作，即，约1MHz或更高的频率，那么所需的互感将减少，从而允许更小的发射器及接收器天线21、31、121、121A到N、无线发射系统20、120、120A到H及无线接收器系统30。如本文所界定，屏蔽材料是一种捕获磁场的材料。其实例是铁氧体材料。在表I到III中详细描述的实施例中，一片铁氧体材料直接邻近于发射器天线21定位，例如，位于发射天线21、121、121A到N的后面。如本文所界定，“T型芯”屏蔽材料是一种磁场屏蔽组合件，其包括一片屏蔽材料，例如铁氧体材料，其直接放置在发射器或接收器天线21、31、121的后面，以及额外第二屏蔽材料，例如铁氧体材料，其放置在发射器或接收器天线21、31、121的平面内线圈的内部区域内。此外，无线发射系统20或无线接收器系统30可经构造成具有相应的发射器或接收器天线21、31、121，其包括“C型芯”屏蔽材料，其中屏蔽材料(例如类似于字母“C”配置的铁氧体材料)邻近于天线21、31、121定位。另外，无线发射系统20或无线接收器系统30可经构造成具有相应的发射器或接收器天线21、31、121，其包括“E型芯”屏蔽材料，其中屏蔽材料(例如类似于字母“E”配置的铁氧体材料)邻近于天线21、31、121定位。
利用基于相对较小大小的印刷电路板或柔性印刷电路板(PCB/FPC)的线圈天线可允许更适合于更高频率的适当堆叠、适当的迹线宽度、间隙宽度及铜(或其它导电材料)深度。进一步来说，基于印刷电路板及柔性印刷电路板的线圈天线高度集成到PCB制造工艺中，从而允许与电路系统的其余部分集成。这还允许集成MLMT天线设计以减少ESR并改进天线的Q。
此外，以分层方法利用线圈允许其它制造工艺，例如，印刷、织物上印刷、半导体制造工艺，例如低温共烧陶瓷(LTCC)工艺、高温共烧陶瓷(HTCC)工艺等。
由于所需电感较低，小形状因子PCB线圈设计适合于较高的操作频率，同时维持较低的线圈ESR以最小化发射及接收线圈中耗散的功率。与线卷绕天线线圈解决方案相比，印刷电路板(PCB)线圈天线从制造、成本及组装角度提供额外的优势。针对对整体组合件厚度有严格要求的应用，印刷电路板(PCB)线圈天线是优选的，因为即使采用多层结构也可减小厚度。
为线圈组合选择的铁氧体屏蔽材料也取决于操作频率，因为复磁导率(μ＝μ′-j*μ″)取决于频率。所述材料可为烧结柔性铁氧体片或刚性屏蔽并由不同的材料成分组成。
注意，天线21、31、121的构造是非限制性的。并入系统内的天线可包括磁线或具有冲压金属构造。此外，天线21、31、121可在其构造中利用厚膜、薄膜或其它印刷制造技术。
在实施例中，具有多层多匝(MLMT)构造的发射器或接收器天线21、31、121的并入显著降低本发明的相应无线发射系统20及无线接收器系统30以及无线连接器系统10的等效串联电阻(ESR)。发明者已发现，具有多层多匝(MLMT)构造的至少一个发射器及接收器天线21、31、121的并入将无线发射系统20或无线接收器系统30的等效串联电阻(ESR)降低约50％。
此外，通过减少线圈中的(I2×R)损耗，减少ESR可改进整体系统效率并减少天线21、31、121及系统10中的加热。下表IV详细展示与包括缠绕在电感器周围的利兹线的天线相比，两种多层多匝(MLMT)天线设计的经测量ESR。如下表IV中所展示，与具有传统卷绕利兹线构造的天线相比，使用MLMT设计构造的天线展现更低的电感(0.60μH)及更低的等效串联电阻(ESR)(0.50Ω)。因此，具有多层多匝(MLMT)构造的发射器或接收器天线21、31、121有助于提高功率传输的电性能，并增加本发明的系统10的间隙17的模块分离距离。
表III
天线设计 频率(MHz) 电感(μH) ESR(Ω)
利兹线 2 3.80 0.97
MLMT 2 0.60 0.50
MLMT 10 0.65 1.05
将模块连接到主机装置的实例性方法包含(但不限于)将至少一个无线发射系统20及无线接收器系统30直接焊接或放置在电路板或主机装置上。替代地，至少一个无线发射系统20、120、120A到H及无线接收器系统30可使用导线/缆线连接到电路板或主机装置。一旦连接到主机装置，至少一个无线发射系统20、120、120A到H及无线接收器系统30的整个结构或结构的至少一部分可囊封在绝缘涂层内。
在另一实施例中，本申请案的系统10、110可包含既可作为发射器又可作为接收器操作的模块(例如，收发器)。在进一步实施例中，除了单个天线外，本申请案的系统10、110还可包括功率及数据传送系统，其中数据被调制成功率频率。
在另一实施例中，本发明的系统10、110可包括每一无线发射系统20、120、120A到H及无线接收器系统30内的多个天线。如果采用多天线系统，那么可保留第一天线用于识别、诊断及任何单向或双向数据传送，而第二天线可专用于功率传送。
如本文所使用的，在一系列项目之前的短语“至少一者”，其中术语“及”或“或”用来分离项目中的任一者，修饰作为一个整体的列表，而不是列表的每一成员(即，每一项目)。短语“至少一者”不需要选择所列出的每一项目中的至少一者；相反，所述短语允许包含项目中的任一者中的至少一者，及/或项目的任何组合中的至少一者，及/或项目中的每一者中的至少一者的含义。以实例的方式，短语“A、B及C中的至少一者”或“A、B或C中的至少一者”各自指代仅A、仅B或仅C；A、B及C的任意组合；及/或A、B及C中的每一者中的至少一者。
谓语词“经配置以”、“可操作以”及“经编程以”并不暗示对主语进行任何特定的有形或无形修改，而是旨在可互换地使用。在一或多个实施方案中，经配置以监测及控制操作或组件的处理器也可能意味着处理器经编程以监测及控制操作或处理器可操作以监测及控制操作。同样，经配置以执行代码的处理器可解释为经编程以执行代码或可操作以执行代码的处理器。
例如“方面”的短语并不暗示此方面对本主题技术至关重要，或此方面适用于本主题技术的所有配置。与方面相关的公开可应用于所有配置或一个或多个配置。方面可提供本公开的一或多个实例。例如“方面”的短语可指一或多个方面，且反之亦然。例如“实施例”的短语并不暗示此实施例对本主题技术至关重要，或此实施例适用于本主题技术的所有配置。与实施例相关的公开可适用于所有实施例或一或多个实施例。实施例可提供本公开的一或多个实例。例如“实施例”的短语可指一或多个实施例，且反之亦然。例如“配置”的短语并不暗示此配置对本主题技术至关重要，或此配置适用于本主题技术的所有配置。与配置相关的公开可适用于所有配置或一或多个配置。配置可提供本公开的一或多个实例。例如“配置”的短语可指一或多个配置，且反之亦然。
本文使用“示范性”一词意味着“用作实例、例子或说明”。本文中描述为“示范性”或“实例”的任何实施例不一定被解释为比其它实施方案更优选或更有利。此外，在说明书或权利要求书中使用术语“包含”、“具有”或其类似者的情况下，此类术语旨在以类似于术语“包括”的方式包含，因为当在权利要求中用作过渡词时“包括”被解释。此外，在说明书或权利要求书中使用术语“包含”、“具有”或其类似者的情况下，此类术语旨在以类似于术语“包括”的方式为包含性的，如“包括”当在权利要求中用作过渡词时被解释那样。
所属领域的一般技术人员已知或后来知道的贯穿本公开所描述的各个方面的元素的所有结构及功能等效物以引用的方式明确并入本文中并旨在涵盖在权利要求书中。此外，本文所公开的任何内容都不意在贡献给公众，无论权利要求书中是否明确叙述此类公开。不根据35 U.S.C.§112第六段的规定对任何权利要求要素进行解释，除非所述要素使用短语“用于…的构件”明确叙述，或在方法权利要求的情况下，所述要素使用短语“用于…的步骤”叙述。
除非另有明确陈述，否则单数形式的元素并非指“一个且仅一个”，而是指“一或多个”。除非另有明确陈述，否则术语“一些”指一或多个。阳性代词(例如，他的)包含阴性及中性(例如，她的及它的)，反之亦然。标题及副标题(如有)仅为方便起见，且不限制本公开。
虽然本说明书包含许多细节，但这些细节不应被解释为对可能要求保护的范围的限制，而应解释为对标的物的特定实施方案的描述。本说明书中在单独实施例的上下文中描述的某些特征也可在单个实施例中组合实施。相反，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可分别在多个实施例中或在任何合适的子组合中实施。此外，尽管特征可在上面描述为在某些组合中起作用，且甚至最初也可这样主张，但在某些情况下可从所主张的组合中删除一或多个特征，且所主张的组合可涉及子组合或子组合的变体。

Claims (20)

1.一种无线功率发射系统，其包括：
功率调节系统，所述功率调节系统与输入功率源可操作地相关联，所述输入功率源提供输入电功率并连接到所述无线功率发射系统，功率放大器经配置以将所述输入功率调节为输出功率用于发射；
第一发射天线，其经配置以发射所述输出功率，所述第一发射天线至少包含第一极及第二极；及
第二发射天线，其经配置以发射所述输出功率，所述第二发射天线至少包含第三极及第四极，
其中所述第一发射天线及第二发射天线经由所述第一极及所述第二极中的至少一者以及所述第三极及所述第四极中的至少一者与所述功率调节系统电连接，且
其中所述第一极及所述第二极中的至少一者与所述第三极及所述第四极中的至少一者电连接。
2.根据权利要求1所述的无线功率发射系统，其中所述第一发射天线与所述第二发射天线相对于所述功率调节系统串联电连接。
3.根据权利要求1所述的无线功率发射系统，其中所述功率调节系统包含第一功率极及第二功率极，
其中所述第一极与所述第一功率极电连接，
其中所述第四极与所述第二功率极电连接，且
其中所述第二极与所述第三极电连接。
4.根据权利要求1所述的无线功率发射系统，其进一步包括与所述第一发射天线及所述第二发射天线电连接的分布式电容器，所述分布式电容器包含第一电容器极及第二电容器极，
其中所述功率调节系统包含第一功率极及第二功率极，
其中所述第一极与所述第一功率极电连接，
其中所述第四极与所述第二功率极电连接，
其中所述第二极与所述第一电容器极电连接，且
其中所述第三极与所述第二电容器极电连接。
5.根据权利要求4所述的无线功率发射系统，其进一步包括印刷电路板(PCB)，且
其中所述第一发射天线、所述第二发射天线中的至少一者及所述分布式电容器在功能上与所述印刷电路板耦合。
6.根据权利要求4所述的无线功率系统，其中所述功率调节系统至少包含所述分布式电容器。
7.根据权利要求6所述的无线功率发射系统，其进一步包括：
第一叉指电容器，其与所述第一发射天线耦合；及
第二叉指电容器，其与所述第二发射天线耦合。
8.根据权利要求1所述的无线功率发射系统，其进一步包括与所述第一发射天线及所述第二发射天线电连接的叉指电容器，所述分布式电容器包含第一电容器极及第二电容器极，
其中所述功率调节系统包含第一功率极及第二功率极，
其中所述第一极与所述第一功率极电连接，
其中所述第四极与所述第二功率极电连接，
其中所述第二极与所述第一电容器极电连接，且
其中所述第三极与所述第二电容器极电连接。
9.根据权利要求8所述的无线功率发射系统，其进一步包括：
第二叉指电容器，其与所述第一发射天线耦合；及
第三叉指电容器，其与所述第二发射天线耦合。
10.根据权利要求1所述的无线功率发射系统，其进一步包括：
第一叉指电容器，其与所述第一发射天线耦合；及
第二叉指电容器，其与所述第二发射天线耦合。
11.根据权利要求1所述的无线功率发射系统，其中所述第一发射天线与所述第二发射天线相对于所述功率调节系统并联电连接。
12.根据权利要求1所述的无线功率发射系统，其中所述功率调节系统包含第一功率极及第二功率极，
其中所述第一极及所述第三极与所述第一功率极电连接，且
其中所述第二极及所述第四极与所述第二功率极电连接。
13.一种无线功率系统，其包括：
无线功率发射系统，其包含
功率调节系统，所述功率调节系统与输入功率源可操作地相关联，所述输入功率源提供输入电功率并连接到所述无线功率发射系统，功率放大器经配置以将所述输入功率调节为输出功率用于发射；
第一发射天线，其经配置以发射所述输出功率，所述第一发射天线至少包含第一极及第二极；及
第二发射天线，其经配置以发射所述输出功率，所述第二发射天线至少包含第三极及第四极，
其中所述第一发射天线及第二发射天线经由所述第一极及所述第二极中的至少一者以及所述第三极及所述第四极中的至少一者与所述功率调节系统电连接，且
其中所述第一极及所述第二极中的至少一者与所述第三极及所述第四极中的至少一者电连接；及
至少一个无线功率接收器系统，所述至少一个无线功率接收器系统中的每一者与负载可操作地相关联，所述至少一个无线功率接收器系统中的每一者包含接收器天线，所述接收器天线经配置以与所述第一天线及所述第二天线中的一或两者可操作地耦合以用于无线功率传送。
14.根据权利要求13所述的无线功率发射系统，其中与所述至少一个无线功率接收器系统中的每一者相关联的每一负载与功率存储装置相关联，且
其中所述第一发射天线与所述第二发射天线相对于所述功率调节系统串联电连接。
15.根据权利要求14所述的无线功率发射系统，其中所述无线功率发射系统进一步包含与所述第一发射天线及所述第二发射天线电连接的分布式电容器，所述分布式电容器包含第一电容器极及第二电容器极，
其中所述功率调节系统包含第一功率极及第二功率极，
其中所述第一极与所述第一功率极电连接，
其中所述第四极与所述第二功率极电连接，
其中所述第二极与所述第一电容器极电连接，且
其中所述第三极与所述第二电容器极电连接。
16.根据权利要求13所述的无线功率发射系统，与所述至少一个无线功率接收器系统中的每一者相关联的每一负载与电子装置相关联，所述电子装置经配置以在所述负载处从所述无线功率发射系统接收直流功率，且
其中所述第一发射天线与所述第二发射天线相对于所述功率调节系统并联电连接。
17.一种操作无线功率发射系统的方法，所述方法包括：
在功率调节系统处从输入功率源接收输入电功率；
在所述功率调节系统处调节所述输入功率，以产生用于通过第一发射天线及第二发射天线中的一或两者发射的输出功率，所述第一发射天线包含第一极及第二极，且所述第二发射天线包含第三极及第四极；
确定至少一个无线接收器系统是否与所述第一发射天线及所述第二发射天线中的一或两者充分耦合；及
通过所述第一发射天线及所述第二发射天线中的一或两者将功率无线发射到所述至少一个无线接收器系统，
其中所述第一发射天线及第二发射天线经由所述第一极及所述第二极中的至少一者以及所述第三极及所述第四极中的至少一者与所述功率调节系统电连接，且
其中所述第一极及所述第二极中的至少一者与所述第三极及所述第四极中的至少一者电连接。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述功率调节系统包含第一功率极及第二功率极，
其中所述第一极与所述第一功率极电连接，
其中所述第四极与所述第二功率极电连接，
其中所述第二极与所述第三极电连接，
其中所述至少一个无线接收器系统中的每一者与负载相关联；且
其中将功率发射到所述至少一个无线接收器系统包含基于与所述至少一个无线接收器系统中的每一者相关联的每一负载的量值成比例地将功率发射到所述至少一个无线接收器系统。
19.根据权利要求17所述的方法，其中分布式电容器与所述第一发射天线及所述第二发射天线电连接，所述分布式电容器包含第一电容器极及第二电容器极，
其中所述功率调节系统包含第一功率极及第二功率极，
其中所述第一极与所述第一功率极电连接，
其中所述第四极与所述第二功率极电连接，
其中所述第二极与所述第一电容器极电连接，
其中所述第三极与所述第二电容器极电连接，且
其中将功率发射到所述至少一个无线接收器系统包含基于与所述至少一个无线接收器系统中的每一者相关联的每一负载的量值成比例地将功率发射到所述至少一个无线接收器系统。
20.根据权利要求17所述的方法，其中所述功率调节系统包含第一功率极及第二功率极，
其中所述第一极及所述第三极与所述第一功率极电连接，
其中所述第二极及所述第四极与所述第二功率极电连接，且
其中将功率发射到所述至少一个无线接收器系统包含将大体上类似的功率发射到与所述至少一个无线接收器系统中的每一者相关联的每一负载。
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