CN115398766A - 高固有品质接收器结构 - Google Patents

Abstract

一种用于无线充电系统的接收器系统，包括：接收器天线，形成第一平面层；屏蔽材料，与接收器天线相邻，屏蔽材料形成第二平面层；以及介电分离材料层，设置在接收器天线和屏蔽材料层之间，其中，介电分离材料包括0.1mm或更大的厚度，并且在1MHz频率下包括0.01或更低的耗散因数，以及其中，介电分离材料配置成将接收器天线的固有品质因数“Q”值保持在目标固有Q值以上。

Description

高固有品质接收器结构

相关申请的交叉引用

本申请要求于2020年3月5日提交的名称为“HIGH INTRINSIC QUALITY RECEIVERCONSTRUCTION(高固有品质接收器结构)”的第62/985,799号美国临时专利申请的优先权和权益，该美国临时专利申请通过引用以其整体并入本文中。

背景技术

近年来，允许对电子设备进行无线充电的产品已经普及。未来的趋势可能是实际上许多使用电池电力操作的设备可以被无线地充电。

发明内容

公开了用于实现高固有品质接收器的各种技术。这些技术可以被用于构造无线充电系统接收器的无线充电系统的实施方式使用，该无线充电系统接收器包括设置在屏蔽材料层和接收器天线之间的介电分离层，其中介电分离层的性质和厚度防止屏蔽材料层降低接收器天线的固有品质因数。

在一个示例方面，公开了一种用于无线充电系统的接收器系统。接收器系统包括：接收器天线，形成第一平面层；屏蔽材料，与接收器天线相邻，屏蔽材料形成第二平面层；以及介电分离材料层，设置在接收器天线和屏蔽材料层之间，其中，介电分离材料包括0.1mm或更大的厚度，并且在1MHz频率下包括0.01或更低的耗散因数，并且其中，介电分离材料配置成将接收器天线的固有品质因数“Q”值保持在目标固有Q值以上。

在另一示例实施方式中，公开了一种用于制造用于无线充电系统的接收器系统的方法。该方法包括：在第一平面层上形成接收器天线；在第二平面层上形成第一介电分离材料；在第三平面层上形成屏蔽材料，其中，第二平面层设置在第一平面层和第三平面层之间，并且其中，第一介电分离材料配置成将接收器天线的固有品质因数“Q”值保持在目标固有Q值以上，并且其中，第一介电分离材料在1MHz频率下具有0.01或更低的耗散因数，并且具有0.1mm或更大的厚度。

这些和其它方面在整个本文件中公开。

附图说明

图1A是用于无线充电系统的代表性接收器系统结构。

图1B是用于无线充电系统的另一个代表性接收器系统结构。

图2A是用于高固有品质接收器天线的无线充电系统的代表性接收器系统结构。

图2B是用于高固有品质接收器天线的无线充电系统的另一个代表性接收器系统结构。

图3是用于包括屏蔽材料和介电分离材料的无线充电系统的接收器系统结构的代表性图示。

图4A是嵌入电话壳体中的接收器系统的代表性第一立体图。

图4B是嵌入电话壳体中的接收器系统的代表性第二立体图。

图4C是完全组装好的电话壳体的代表性视图。

图5示出制造接收器系统的方法的流程图。

具体实施方式

用于无线充电系统的接收器天线的固有品质因数或“Q”值是确定无线充电系统执行得多好的重要因素。天线的Q是天线中耗散的能量相对于存储在天线中的能量的量度，并且是天线效率的指标。Q越高，天线能够耦合电磁场越好，这可以导致向负载传递更多的电力。

传统的无线充电系统接收器通常不被构造为优化天线的固有Q值。例如，当智能电话或平板电脑被物理地放置在充电垫的顶部时，谐振感应充电垫通常工作。

下面的说明书描述了用于构造无线充电系统接收器的系统和方法，无线充电系统接收器包括设置在屏蔽材料层和接收器天线之间的介电分离层，其中介电分离层的性质和厚度防止屏蔽材料层降低接收器天线(即，降低Q接收器天线)的固有品质因数。

现在将描述各种实施方式。以下描述提供了用于彻底理解和能够描述这些实施方式的具体细节。然而，本领域的技术人员将理解，可以在没有许多这些细节的情况下实践本发明。另外，一些公知的结构或功能可能不会被详细示出或描述，以避免不必要地模糊各种实施方式的相关描述。在下面呈现的描述中使用的术语旨在以其最广泛的合理方式来解释，即使它与本发明的某些具体实施方式的详细描述一起使用。

图1A是用于传统无线充电系统的代表性接收器系统结构。如果电子装置110(例如，智能电话、平板电脑等)不具有嵌入在电子装置中的无线充电芯片，则接收器结构通常如图1A中所示，其中电子装置110通常具有夹在装置和装置壳体之间或直接嵌入在装置壳体中的接收器。接收器包括在装置110和接收器天线180之间的屏蔽层或屏蔽材料120。屏蔽材料120可以是在无线电力发射频率(诸如100kHz或6.78MHz)下的高磁导率、低损耗材料。这种构造方法对于直接嵌入到装置中的无线充电接收器也是典型的。

在图1B中，图1A的接收器系统还可以包括放置在天线180周围(例如，在天线180的下面和/或在天线180的侧面和/或在天线180的中心)的芯190，以将磁通量限制到天线180周围的区域。

天线180的品质因数(“Q”)在图1A和图1B的接收器结构中降低。为什么图1A和图1B的接收器结构对接收器天线降低Q(de-Q)有几个原因。例如，因为屏蔽材料120与接收器天线180直接接触，所以它可以增加天线180的额外电阻，从而减小天线的固有Q。这可能看起来违反直觉的，因为屏蔽材料120通常旨在将接收器天线180与诸如智能电话的电子装置屏蔽开。然而，尽管屏蔽材料120可以从电子装置110中的金属或导电结构部分地屏蔽天线180，但是屏蔽材料120还通过与天线迹线接触引入额外电阻来减小接收器天线180的固有Q。这导致接收器天线180的固有Q的进一步降低。

尽管图1A和图1B的接收器结构对于低电力信号(例如，用于射频识别(RFID)标签的信号)可以很好地工作，但是这些结构对于无线电力传输，特别是对于在毫瓦范围内和以上的高电力传输以及对于高频信号，都是无效的或没有效率的。发射器(例如，无线充电垫)和接收器(例如，智能电话)之间的物理间隔小(例如，几毫米)的应用可能不需要高固有Q接收器天线。在主要设计焦点可能是信号完整性而不是电力效率的其它应用(诸如RFID标签)中，也可以放宽对高固有Q的需求。然而，在发射器和接收器物理地远离放置的应用中，例如，对于松散耦合的无线充电系统，保持高固有Q是重要的设计标准。在电力效率特别重要的应用中，例如在低电力或电池操作的系统中，高固有Q也是重要的设计标准。因此，需要一种保持接收器天线的高固有Q的构造方法。高固有Q的实例是Q大于约100(例如，在200和800之间)。

图2A是用于实现和保持高固有品质接收器天线的无线充电系统的代表性接收器结构。在图2A的结构中，介电分离材料层210被放置在天线180和屏蔽材料层120之间。电子器件110被放置在屏蔽材料120附近。在一些实施方式中，电子器件110与屏蔽材料120隔开距离220A。在一些实施方式中，间隔220A为零，或电子器件直接放置在屏蔽材料120上。在其它实施方式中，由于壳体的材料，例如电话壳体或平板壳体的塑料材料，间隔220A可以是固定的间隔，其中间隔材料可以类似于介电分离材料。

介电分离材料210用作接收器天线180和屏蔽材料120之间的物理缓冲器。与如上讨论的使接收器天线降低Q(de-Q)的屏蔽材料120不同，介电分离材料210具有保持天线的固有效率所需的某些性质，例如，低损耗因数和低介电常数。在一些实施方式中，介电分离材料210可以是聚丙烯塑料，其在1MHz处具有约0.0003的耗散因数，并且在1MHz处具有约2.2的介电常数。因此，天线与介电分离材料210的物理接触将对降低接收器天线180的固有效率具有最小的影响。

通常希望介电分离材料210为几毫米厚。然而，介电分离材料210的厚度可以被减小以允许其适合预期应用的尺寸限制。例如，智能电话接收器附件可以非常薄(例如，1mm至2mm)，以便物理地配合在智能电话和电话壳体之间。类似地，接收器需要是薄的(例如1mm至3mm)，以便安装在内部嵌入接收器的改进的电话壳体内。在这种应用中，介电分离材料需要更薄。例如，具有至少0.1mm的厚度和在约1MHz的测试频率下的0.01或更低的耗散因数的介电分离材料210可以更有效地将接收器天线180与屏蔽材料120物理隔离。

在一些实施方式中，屏蔽材料120可以是铁素体，介电分离材料210可以由具有约0.1mm或更大厚度(例如，0.4mm的单独或组合厚度)的聚碳酸酯塑料片制成，并且接收器天线可以连接到其相应的印刷电路板(PCB)。在这种结构中，接收器可以在电子装置和屏蔽材料之间具有最小(例如，0.1mm)到零的间隔。也就是说，间隔220A可以接近于零。在一些实施方式中，介电分离材料的厚度可以在约0.2mm到约0.5mm之间，但是根据所选择的接收器结构，它可以具有更宽的范围。

在一些实施方式中，分离器可以占据屏蔽材料和电子装置之间的间隔220A。分离器可以是另一种低损耗因数的材料，如厚度约为0.4mm的聚碳酸酯塑料。例如，间隔220A中的分离器可以是在接收器壳体中的低耗散因数塑料，诸如在电话或平板电脑壳体中。

图2B是用于高固有品质接收器天线的无线充电系统的另一种代表性接收器结构。在图2B中，芯190设置在天线下方以帮助将磁通量限制到天线的区域。在一些实施方式中，取决于天线结构，芯190可以在天线周围、在天线的中心、或以其他方式相对于天线定位，以将所产生的磁通量限定在天线周围、内部或附近的区域。

在一个实施方式中，天线可以包括一个或多个线圈，其中每个线圈被布置为由没有中断或射频间断的连续导体构成的表面螺旋线圈。导体可以以一定的角度缠绕在介电材料周围，以减小无线充电发射器装置的工作频率的邻近效应，并且保持表面螺旋线圈在工作频率的高固有品质因数(“Q”)。连续导体可以具有约40μm的厚度。

为了制造用于无线充电系统的接收器，接收器天线180可以形成在第一平面层上，介电分离材料210可以形成在第二平面层上，并且屏蔽材料120可以形成在第三平面层上，使得第二平面层设置在第一平面层和第三平面层之间(即，形成第二层的介电分离材料210夹在接收器天线180和屏蔽材料120之间)。介电分离材料配置成将接收器天线的固有品质Q保持在目标固有Q值以上，具有至少0.1mm的厚度，并且对于所选择的介电分离材料在约1MHz的测试频率下具有0.01或更低的耗散因数。

在一些实施方式中，可以在天线180周围形成芯，以将由天线180产生的磁通量限制在天线180周围的区域。此外，分离距离220B内的区域可以包括在第四平面层上的第二介电分离材料，其中第四平面层设置在第三平面层(屏蔽材料120)和电子设备110之间。与天线180和屏蔽材料层120之间的第一介电分离材料层一样，第二介电分离材料层配置成通过使分离材料保持一定的性质而将接收器的固有Q保持在目标固有Q值以上。第二介电分离材料在约1MHz的测试频率下可以具有0.01或更低的厚度。在一些实施方式中，例如，在谐振电感系统中，目标固有Q值至少为100。在其它实施方式中，目标固有Q值为至少700。第二介电分离材料，例如电话壳体的中间框架，需要具有某些性质(例如，某些耗散因数)，以不降低接收器的性能。例如，如果将高耗散因数塑料(例如ABS塑料)用于第一介电分离材料或第二介电分离材料，则固有Q可以降低超过50％。此外，如果天线的迹线直接接触屏蔽材料(例如，在图1A和图1B的构造方法中)，则固有Q也可以降低超过50％。

图3是用于包括屏蔽材料和介电分离材料的无线充电系统的接收器结构的代表性图示。在该图示中公开的代表性实施方式包括屏蔽材料310(例如，铁素体屏蔽材料)、介电分离材料320(例如，由总厚度约0.4mm的一个或多个聚碳酸酯塑料片组成)以及接收器天线330，接收器天线330连接到其相应的PCB。在一个实施方式中，在约1MHz频率处具有0.01或更低的耗散因数和至少0.1mm的厚度的介电分离材料320充分地将接收器天线330与屏蔽材料310物理隔离。

图4A和图4B是嵌入电话壳体中的接收器的代表性立体图。图4C是完全组装好的电话壳体的代表性视图。所示的代表性实施方式包括与图3中的接收器相同的结构，但是因为接收器被嵌入到壳体中，电子装置和屏蔽材料220B之间的分离距离被替换为在约1MHz频率处具有0.01或更低的低耗散因数塑料，用于在电话壳体中的第二分离距离材料。在电子装置和屏蔽层之间放置这种额外材料也可以提高性能。图4A的结构410示出天线及其相应的PCB 415以及低耗散因数分离材料和屏蔽材料。在结构410的壳体中，用于天线的保持器的塑料部件包括低耗散因数材料以改善性能。结构420示出在结构410后面的电话壳体的背面。当结构420与结构410组合时，它看起来像图4B中的结构440。连接器插头465在图4C的结构440和完全组装的壳体460中是可见的。图4A的结构430示出与第二分离材料等效的覆盖片(或可以根据应用来代替另一屏蔽层)。

在一些实施方式中，电子装置可以包括如本文中描述的无线充电接收器。电子装置可以是使用电池(battery)或电池(cell)作为电源的任何用户装置，诸如移动电话、便携式装置等。电子装置可以包括汽车、航空航天、农业装置和工业电子装置，诸如用于车辆导航、车载控制、自动引导车辆(AGV)和平面电子装置的电子系统。

美国专利申请号15/759,473(公开号US2018/0262050)(通过引用以其整体并入本文中)描述了可以使用本文中描述的技术的一些示例线圈配置。

可以使用以下条款描述优选地由一些实施方式实施的方案列表。

条款1.一种用于无线充电系统的接收器系统，包括：接收器天线，形成第一平面层；屏蔽材料，与所述接收器天线相邻，所述屏蔽材料形成第二平面层；以及介电分离材料层，设置在所述接收器天线和所述屏蔽材料层之间，其中，所述介电分离材料包括0.1mm或更大的厚度，并且在1MHz频率下包括0.01或更低的耗散因数；以及其中，所述介电分离材料配置成将所述接收器天线的固有品质因数“Q”值保持在目标固有Q值以上。关于图1A到图3描述了一些示例性实施方式。

条款2.根据条款1所述的接收器系统，还包括设置在所述接收器天线的周围或所述接收器天线的中心的芯，以将由所述接收器天线产生的磁通量限制在所述接收器天线周围的区域。

条款3.根据条款1所述的接收器系统，其中，所述介电分离材料包括在1MHz测试频率下介电常数约为4或更低的材料。

条款4.根据条款1所述的接收器系统，其中，所述介电分离材料包括聚丙烯塑料。

条款5.根据条款1所述的接收器系统，其中，所述介电分离材料包括聚碳酸酯塑料。

条款6.根据条款1所述的接收器系统，其中，所述屏蔽材料包括铁素体，并且所述介电分离材料包括具有约0.1mm或更大的组合厚度的一个或多个聚碳酸酯片。

条款7.根据条款1所述的接收器系统，其中，所述目标固有Q值至少为100。

条款8.根据条款1所述的接收器系统，其中，当所述接收器天线与所述介电分离材料物理接触时，选择所述介电分离材料层的一个或多个性质，以保持所述接收器天线的固有效率。

条款9.根据条款1所述的接收器系统，其中，所述介电分离材料在1MHz下具有约0.0003的耗散因数和约2.2的介电常数。

条款10.根据条款1所述的接收器系统，其中，所述接收器天线配置成从无线充电发射器接收无线电力。

条款11.根据条款1所述的接收器系统，其中，所述接收器天线配置成向电子装置提供电力。

条款12.一种用于制造用于无线充电系统的接收器系统的方法(例如，图5中描绘的方法)，包括：在第一平面层上形成接收器天线(510)；在第二平面层上形成第一介电分离材料(520)；在第三平面层上形成屏蔽材料(530)；其中，所述第二平面层设置在所述第一平面层与所述第三平面层之间；以及其中，所述第一介电分离材料配置成将所述接收器天线的固有品质因数“Q”值保持在目标固有Q值以上；以及其中，所述第一介电分离材料在1MHz频率下具有0.01或更低的耗散因数，并且具有0.1mm或更大的厚度。例如，使用这种方法，可以制造图1A至图4C中的附图描绘的接收器系统。

条款13.根据条款12所述的方法，还包括：在第四平面层上形成第二介电分离材料，其中，所述第四平面层设置在所述第三平面层和电子装置之间。

条款14.根据条款12所述的方法，还包括在所述接收器天线的周围或所述接收器天线的中心形成芯，以将由所述接收器天线产生的磁通量限制在所述接收器天线周围的区域。

条款15.根据条款12所述的方法，其中，所述第一介电分离材料包括在1MHz测试频率下介电常数约为4或更低的材料。

条款16.根据条款12所述的方法，其中，所述第一介电分离材料包括聚丙烯塑料或聚碳酸酯塑料中的至少一种。

条款17.根据条款12所述的方法，其中，所述屏蔽材料包括铁素体，并且所述第一介电分离材料包括具有约0.1毫米或更大的组合厚度的一个或多个聚碳酸酯片。

条款18.根据条款12所述的方法，其中，所述目标固有Q值至少为100。

条款19.根据条款12所述的方法，其中，当所述接收器天线与所述第一介电分离材料物理接触时，选择所述第一介电分离材料层的一个或多个性质，以保持所述接收器天线的固有效率。

条款20.根据条款12所述的方法，其中，所述接收器天线配置成从无线充电发射器接收无线电力并且向电子装置提供所述无线电力。

评论

附图和上面的描述提供了可以在其中实现本发明的适当环境的简要的、一般的描述。本发明的示例的以上详细描述并不旨在穷举或将本发明限制为以上公开的精确形式。虽然为了说明的目的在上面描述了本发明的具体示例，但是相关领域的技术人员将认识到，在本发明的范围内，各种等同的修改是可能的。例如，虽然以给定顺序呈现进程或块，但是替代实现可以执行具有步骤/块的例程、或采用具有不同顺序的块的系统，并且一些进程或块可以被删除、移动、添加、细分、组合或修改以提供替代或子组合。这些进程或块中的每个都可以以各种不同的方式来实现。而且，虽然进程或块有时被示为串行执行，但是这些进程或块可以替代地并行执行或实现、或可以在不同的时间执行。此外，本文所提到的任何特定数字仅为示例：替代实施方案可以采用不同的值或范围。例如，对于实施方案，可以使用高达±10％的容差。

考虑到以上详细描述，可以对本发明进行这些和其它改变。虽然以上描述描述了本发明的某些示例，并且描述了预期的最佳模式，但是无论上面的详细描述如何在文本中出现，本发明都可以以多种方式来实现。系统的细节在其具体实现中可以有相当大的变化，但是仍然被本文中公开的本发明所涵盖。如上所述，当描述本发明的某些特征或方面时，所使用的术语不应被认为意味着该术语在本文中被重新定义为限于与该术语相关联的本发明的任何特定特性、特征或方面。通常，在以下权利要求中使用的术语不应被解释为将本发明限制在说明书中公开的具体示例，除非以上详细描述部分明确地定义了这些术语。因此，本发明的实际范围不仅包括所公开的示例，而且还包括在权利要求下实践或实施本发明的所有等同方式。

Claims (20)

1.一种用于无线充电系统的接收器系统，包括：

接收器天线，形成第一平面层；

屏蔽材料，与所述接收器天线相邻，所述屏蔽材料形成第二平面层；以及

介电分离材料层，设置在所述接收器天线和所述屏蔽材料层之间，

其中，所述介电分离材料包括0.1mm或更大的厚度，并且在1MHz频率下包括0.01或更低的耗散因数；以及

其中，所述介电分离材料配置成将所述接收器天线的固有品质因数“Q”值保持在目标固有Q值以上。

2.根据权利要求1所述的接收器系统，还包括设置在所述接收器天线的周围或所述接收器天线的中心的芯，以将由所述接收器天线产生的磁通量限制在所述接收器天线周围的区域。

3.根据权利要求1所述的接收器系统，其中，所述介电分离材料包括在1MHz测试频率下介电常数约为4或更低的材料。

4.根据权利要求1所述的接收器系统，其中，所述介电分离材料包括聚丙烯塑料。

5.根据权利要求1所述的接收器系统，其中，所述介电分离材料包括聚碳酸酯塑料。

6.根据权利要求1所述的接收器系统，其中，所述屏蔽材料包括铁素体，并且所述介电分离材料包括具有约0.1mm或更大的组合厚度的一个或多个聚碳酸酯片。

7.根据权利要求1所述的接收器系统，其中，所述目标固有Q值至少为100。

8.根据权利要求1所述的接收器系统，其中，当所述接收器天线与所述介电分离材料物理接触时，选择所述介电分离材料层的一个或多个性质，以保持所述接收器天线的固有效率。

9.根据权利要求1所述的接收器系统，其中，所述介电分离材料在1MHz下具有约0.0003的耗散因数和约2.2的介电常数。

10.根据权利要求1所述的接收器系统，其中，所述接收器天线配置成从无线充电发射器接收无线电力。

11.根据权利要求1所述的接收器系统，其中，所述接收器天线配置成向电子装置提供电力。

12.一种用于制造用于无线充电系统的接收器系统的方法，包括：

在第一平面层上形成接收器天线；

在第二平面层上形成第一介电分离材料；

在第三平面层上形成屏蔽材料；

其中，所述第二平面层设置在所述第一平面层与所述第三平面层之间；以及

其中，所述第一介电分离材料配置成将所述接收器天线的固有品质因数“Q”值保持在目标固有Q值以上；以及

其中，所述第一介电分离材料在1MHz频率下具有0.01或更低的耗散因数，并且具有0.1mm或更大的厚度。

13.根据权利要求12所述的方法，还包括：

在第四平面层上形成第二介电分离材料，其中，所述第四平面层设置在所述第三平面层和电子装置之间。

14.根据权利要求12所述的方法，还包括在所述接收器天线的周围或所述接收器天线的中心形成芯，以将由所述接收器天线产生的磁通量限制在所述接收器天线周围的区域。

15.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第一介电分离材料包括在1MHz测试频率下介电常数约为4或更低的材料。

16.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第一介电分离材料包括聚丙烯塑料或聚碳酸酯塑料中的至少一种。

17.根据权利要求12所述的方法，其中，所述屏蔽材料包括铁素体，并且所述第一介电分离材料包括具有约0.1毫米或更大的组合厚度的一个或多个聚碳酸酯片。

18.根据权利要求12所述的方法，其中，所述目标固有Q值至少为100。

19.根据权利要求12所述的方法，其中，当所述接收器天线与所述第一介电分离材料物理接触时，选择所述第一介电分离材料层的一个或多个性质，以保持所述接收器天线的固有效率。

20.根据权利要求12所述的方法，其中，所述接收器天线配置成从无线充电发射器接收无线电力并且向电子装置提供所述无线电力。

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