CN116345722A - 一种无线充电装置 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例公开了一种无线充电装置，该装置采用多馈、多模、谐振相干的工作机制，通过聚焦场向受能端装置进行无线充电，有效提高无线充电效率和实现受能端天线的小型化。本申请实施例的无线充电装置包含腔体和相控阵天线；腔体内包含偶数个侧面，偶数个侧面两两平行，每个侧面具有反射电磁波的能力；相控阵天线包含天线阵列，天线阵列包含多个天线；多个天线设置在偶数个侧面上且用于发射电磁波，以为放置在腔体内的受能设备充电；平行的两个侧面间的距离，等于由第一天线发射的电磁波的半波长的整数倍，以在腔体内产生驻波场，第一天线是设置在平行的两个侧面上的一个天线。

Description

一种无线充电装置
技术领域
本申请涉及充电技术领域，尤其涉及一种无线充电装置。
背景技术
近些年无线充电(Wireless Power Transfer，WPT)产业在快速的发展，首先在智能手机、智能穿戴等领域获得了大规模的商业应用；同时在智能汽车、家庭物联网(Internet of Things，IoT)、工业IoT、无人机等的领域商业应用已经起步，形成一个庞大的新兴产业。
当前大规模商用的主要是接触式的磁感应无线充电技术，但这种技术只是省掉了终端的充电线，没有做到真自由的隔空充电。相比之下，以射频(Radio Frequency，RF)式无线充电为代表的“真”无线充电技术正在快速的发展，它能够实现远距离隔空、非接触式、真自由地充电，将成为未来10年新的主流无线充电技术。
RF式无线充电装置主要分为“内充式”和“外充式”的两种形态。“外充式”是通过各种形式的天线/天线阵列向自由空间中的受能终端辐射电磁波能量，“内充式”是基于腔体的结构，发射天线/天线阵列向在腔体内的受能终端辐射电磁波能量。相比而言，“外充式”更自由，“内充式”效率更高、更安全。
然而，现有的“内充式”无线充电装置未全面考虑腔体的结构以及天线对无线充电效率的影响，要么在腔体内存在输能盲区，要么难以灵活调整高效率充电区域的形状和位置，导致无线充电体验不佳。
发明内容
本申请实施例提供了一种无线充电装置，该装置采用多馈、多模、谐振相干的工作机制，通过聚焦场向受能端装置进行无线充电，有效提高无线充电效率和实现受能端天线的小型化。
本申请提供了一种无线充电装置，无线充电装置包含腔体和相控阵天线；其中，腔体可以理解为一个包含内腔的主体；腔体内包含偶数个侧面，偶数个侧面两两平行，每个侧面具有反射电磁波的能力；相控阵天线包含天线阵列、馈电网络和控制器，天线阵列包含多个天线，其中，天线阵列的数量可以为一个，也可以为多个；多个天线设置在偶数个侧面上且用于发射电磁波，以为放置在腔体内的受能设备充电，多个天线在偶数个侧面上的分布有多种情况，本申请对此不做具体限定；平行的两个侧面间的距离，等于由第一天线发射的电磁波的半波长的整数倍，第一天线是设置在平行的两个侧面上的一个天线。
由于平行的两个侧面间的距离，等于由天线发射的电磁波的半波长的整数倍，根据谐振腔的理论，由天线发射的电磁波与该电磁波经侧面多次反射后形成谐振驻波场。而谐振使得更多的能量辐射入腔体内部，并且谐振驻波场会使得辐射的能量集中在腔体内，对外辐射损耗较少，使得能量更多地保留在腔体内，从而为腔体内的受能设备提供更多的能量，从而提高无线充电效率，更节能更经济。
作为一种可实现的方式，腔体还包含一个底面，底面具有反射电磁波的能力；第二天线与底面间的垂直距离，等于由第二天线发射的电磁波的半波长的整数倍，该垂直距离也可以理解为第二天线的高度，第二天线为多个天线中的一个。
由于天线与底面间的垂直距离，是由天线发射的电磁波的半波长的整数倍，所以由天线发射的电磁波与该电磁波经底面反射后的反射波能够相干叠加，从而提高了无线充电效率，更节能更经济。
作为一种可实现的方式，天线包含辐射振子；辐射振子的谐振边长度与非谐振边长度的比值大于或等于4；其中，辐射振子的谐振边一般是指辐射振子的长边，辐射振子的非谐振边一般是指辐射振子的短边。
辐射振子的谐振边长度与非谐振边长度的比值大于或等于4，此类振子方向图具有宽波束、低增益的特性，能有效的减少天线间的耦合，同时保持合适辐射面积，最适合在电磁环境复杂的腔体内提供高效的辐射效率。
作为一种可实现的方式，天线阵列中的天线的数量与侧面的数量相同；每个侧面上设置天线阵列中的一个天线。
通过在每个侧面上设置天线阵列中的一个天线，使得在采用少量天线的情况下实现了对受能设备的充电，降低了成本。
作为一种可实现的方式，多个天线发射的电磁波的频率相同。
多个天线发射的电磁波的频率相同，更利于相控阵天线控制电磁波的相干叠加过程。以实现在受能天线处，由多馈天线产生的多模谐振驻波场的相干叠加，产生具有单峰值的能量聚焦场，有利于受能端天线的小型化。
作为一种可实现的方式，腔体还包含一个底面，多个天线与底面间的垂直距离都相同。
多个天线与底面间的垂直距离都相同，更利于相控阵天线控制电磁波的相干叠加过程。
作为一种可实现的方式，多个天线中任意两个相邻天线的间距相等。
多个天线中任意相邻天线的间距都相等，更利于相控阵天线控制电磁波的相干叠加过程。
作为一种可实现的方式，天线阵列的数量为多个；不同天线阵列中的天线与底面间的垂直距离不同。
由于天线阵列的数量为多个且不同天线阵列中的天线与底面间的垂直距离不同，所以可以根据实际需要选择相应高度的天线阵列为受能设备供电。
作为一种可实现的方式，腔体的顶端开口。
腔体的顶端开口，使得无线充电装置呈半封闭结构，便于将受能设备放入腔体以及从腔体中取出受能设备，还能保证受能设备在充电时的通信功能能够正常使用，提升用户使用体验。
作为一种可实现的方式，无线充电装置还包含顶盖；顶盖设置在腔体的顶端开口处，且顶盖的内表面具有反射电磁波的能力。
由于顶盖的内表面具有反射电磁波的能力，所以能够将电磁波约束在腔体内，减少能量的泄露，提高充电效率；同时，顶盖的存在，为用户提供了更多的选择，即用户可以关闭顶盖以提高充电效率，用户还可以打开顶盖，在保证较高充电效率的情况下，保持受能设备的通信能力。
附图说明
图1为本申请提供的一种无线充电装置的实施例示意图；
图2为本申请实施例中侧面间的距离的示意图；
图3为本申请实施例中天线的高度示意图；
图4为本申请实施例中波节和波腹交错的实施例示意图；
图5为本申请实施例中基于时间反演算法的波束聚焦方法为受能设备充电的过程示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行详细描述。
为了便于理解，下面先对本申请实施例所提及的专业术语进行说明。
相控阵天线指的是通过控制天线阵列中辐射单元的馈电相位来改变方向图形状的天线。
多馈是指输能腔体内有多个独立的馈电通道，每个馈电通道可以独立控制幅度和相位。
多模是指由腔体内多个天线激发的不同模式谐振驻波场，不同谐振驻波场具有相同的谐振频率，但具有不同的空间电场分布。
谐振相干是指多模谐振驻波场在受能天线处，同相位矢量叠加，形成具有单峰值的能量聚焦场；
时间反演是指空间坐标保持不变，时间坐标改变符号的变换；在频域上，时间反演等效于相位共轭；在时域上，时间反演是指对于时域信号进行时间维度上的逆序操作，即把信号在时间轴上进行反转，使得最早时刻采样得到的信号变为最末时刻的信号，而最末时刻信号成为最早时刻信号。
时间反演无线输能技术则是利用传感器阵列接收探测信号，然后基于探测信号的幅度和相位信息对输能信号进行时间反演处理，然后由传感器阵列发射经过时间反演处理的输能信号；各个传感器发射的输能信号将自动在探测信号的源点处(受能端位置处)形成电磁能量聚焦斑，从而为受能端位置处的设备供电；在偏离探测信号的源点处的电磁能量密度迅速减弱，具有这种空间电磁能量点聚焦特性的无线输能也称为点聚焦无线输能。
输能设备，是指输送能量的设备，在本申请实施例中，具体可以理解为充电设备。
受能设备，是指接收能量的设备，在本申请实施例中，具体可以理解为被充电的设备。
行波(travelling wave)是指平面波在传输线上的一种传输状态，其幅度沿传播方向按指数规律变化，相位沿传输线按线性规律变化。
驻波是指频率相同、传输方向相反的两种波，沿传输线形成的一种分布状态。其中的一个波一般是另一个波的反射波。在波形上，驻波的波节和波腹的位置始终是不变的，给人“驻立不动”的印象，但它的瞬时值是随时间而改变的。
应理解，“内充式”无线充电装置的腔体结构会影响电磁波在腔体内的反射，进而影响电磁场在腔体内的分布，电磁场的分布不同，会影响对腔体内受能设备的无线充电效率。
基于此，本申请实施例提供了一种无线充电装置，该装置通过对腔体的设计，使得天线发射的电磁波在腔体内能够形成驻波，进而在腔体内形成谐振驻波场，以通过谐振驻波场为腔体内的受能设备充电。
而在已有的无线充电装置中，电磁波可以看成是行波；由于行波是由波源向外不断传播，所以行波所形成的电磁场容易传播到腔体外，进而导致能量损耗，造成无线充电效率低；而谐振驻波场会集中在腔体内，辐射损耗较少，使得能量更多地保留在腔体内；因此，本申请实施例通过对腔体的设计，使得腔体内形成驻波场，会为腔体内的受能设备提供更多的能量，从而提高无线充电效率。
下面对本申请实施例提供的无线充电装置进行具体介绍。
本申请实施例提供的无线充电装置是用于为受能设备提供无接触式的无线充电，该受能设备可以是智能手机、智能穿戴产品(耳机、手表手环、眼镜等)、智能小家电和玩具、遥控器等体积较小的智能设备。
如图1所示，本申请提供了一种无线充电装置的实施例，该无线充电装置包含腔体1和相控阵天线。
其中，腔体1可以理解为一个包含内腔的主体，内腔是由侧面2围成的。
腔体1内包含偶数个侧面2，偶数个侧面2两两平行；每个侧面2具有反射电磁波的能力，也可以将侧面2称为电磁波发射面。
本申请实施例对腔体1的内腔的形状不做具体限定，只要包含偶数个两两平行的侧面2即可；本申请实施例腔体1内侧面2的数量也不做具体限定，例如，侧面2的数量可以为4个、6个、8个等。
图1示出了侧面2数量为8个的情况，相应地，腔体1的内部形状(即内腔的形状)可以为正八边形的棱柱形；当侧面2数量为6个时，腔体1的内部形状可以为正六八边形的棱柱形。
侧面2相对于腔体1的底面5通常是竖直的。
需要说明的是，在图1中，为了展示底面5上的组件，所以底面5呈现非光滑的结构；但在实际应用中，底面5通常是光滑的。
为了使侧面2具有反射电磁波的能力，侧面2的材料有多种选择，本申请实施例对此不做具体限定；例如，侧面2可以选择PCB板、金属材质(如铜)屏蔽板，或一些对电磁波具有良好的屏蔽和反射作用的非金属材料。
本申请实施例对腔体1的外部形状不做具体限定，例如，如图1所示，腔体1的外部形状可以为圆柱形；腔体1的外部形状还可以与腔体1的内部形状相同，例如，当腔体1的内部形状为正八边形的棱柱形时，腔体1的外部形状也为正八边形的棱柱形。
相控阵天线通常包含天线阵列、馈电网络和控制器，其中，如图1所示，馈电网络和控制器可以设置在腔体1的底面5上。
本申请实施例主要对天线阵列进行了改进，所以下文主要介绍天线阵列，馈电网络和控制器可参照已有的技术进行理解。
相控阵天线包含天线阵列，天线阵列包含多个天线3。
天线阵列的数量可以为一个，也可以为多个，下面先对一个天线阵列中的多个天线3进行说明，然后对多个天线阵列的情况进行说明。
具体地，多个天线3设置在偶数个侧面2上且用于发射电磁波，以为放置在腔体1内的受能设备4充电。
多个天线3在偶数个侧面2上的分布有多种情况，本申请实施例对此不做具体限定，下面对多个天线3的分布情况进行具体说明。
第一，天线3的高度。
该高度是相对于腔体1的底面5来说的，因此，该高度也可以理解为天线3与底面5间的垂直距离。
作为一种可实现的方式，腔体1还包含一个底面5，底面5具有反射电磁波的能力。底面5的材料与侧面2类似，具体可参照侧面2的相关说明进行理解。
第二天线与底面5间的垂直距离，等于由第二天线发射的电磁波的半波长的整数倍，第二天线为多个天线3中的一个。
例如，当电磁波的频率为5.8GHz时，第二天线与底面5间的垂直距离可以是半波长2倍，即5.17cm。
第二天线与底面5间的垂直距离可以是第二天线的中心与底面5间的垂直距离；第二天线包含辐射振子，第二天线与底面5间的垂直距离也可以是辐射振子与底面5间的垂直距离。
由于天线3与底面5间的垂直距离，是由天线3发射的电磁波的半波长的整数倍，所以由天线3发射的电磁波与该电磁波经底面5反射后的反射波能够相干叠加，从而提高了无线充电效率，更节能更经济。
对于天线阵列中的多个天线3来说，至少一个天线3与底面5间的垂直距离是天线3发射的电磁波的半波长的整数倍，即可在腔体1内产生驻波，因此本申请实施例采用第二天线表示多个天线3中的一个。
基于上述说明，作为另外一种可实现的方式，当腔体1还包含一个底面5时，多个天线3与底面5间的垂直距离都相同，即天线阵列中所有天线3与底面5间的垂直距离都相同。
此时，可以认为天线阵列中所有天线3都在同一高度上。
第二，天线3和侧面2的对应关系。
一个侧面2上可以设置一个天线3，也可以设置多个天线3，本申请实施例对此不做具体限定。
示例性地，天线阵列中的天线3的数量与侧面2的数量相同；每个侧面2上设置天线阵列中的一个天线3，本申请实施例对天线3在侧面2上的位置不做具体限定，天线3可以设置在侧面2上中线的位置，也可以设置在侧面2上偏离中线的位置。
例如，如图1所示，侧面2的数量为8个，天线3的数量也为8个。
每个侧面2上设置一个天线3，能够保证相邻天线3的间距大致相同，以便于相控阵天线采用相控阵技术对受能设备4进行充电。
第三，天线3的间距。
具体地，作为一种可实现的方式，多个天线3中任意两个相邻天线3的间距相等。
例如，如图1所示，每个天线3都设置在侧面2的中间，所以多个天线3的分布是等间距的。
多个天线3中任意相邻天线3的间距都相等，更利于通过相控阵天线控制电磁波的发射。
第四，天线3发射的电磁波频率。
作为一种可实现的方式，多个天线3发射的电磁波的频率相同，更利于控制电磁波的相干叠加过程。
第五，天线3内的辐射振子。
具体地，天线3包含辐射振子；辐射振子的谐振边长度与非谐振边长度的比值大于或等于4。
其中，辐射振子的谐振边一般是指辐射振子的长边，辐射振子的非谐振边一般是指辐射振子的短边。
需要说明的是，为了降低相邻天线3间的干扰，通常会将天线3竖直设置，即辐射振子的谐振边垂直于底面5，辐射振子的非谐振边平行于底面5和侧面2，以减少天线3间的距离。
作为一种可实现的方式，天线3可以采用窄条状的空气微带天线3。
辐射振子的谐振边长度与非谐振边长度的比值大于或等于4，此类振子方向图具有宽波束、低增益的特性，能有效的减少天线间的耦合，同时保持合适辐射面积，最适合在电磁环境复杂的腔体内提供高效的辐射效率。
由于一个侧面2上可以设置一个天线3，也可以设置多个天线3，所以在本申请实施例中，平行的两个侧面2间的距离，等于由第一天线发射的电磁波的半波长的整数倍，第一天线是设置在平行的两个侧面2上的一个天线3。
例如，如图2所示，内腔包含8个侧面2，且每个侧面2上只设置一个天线3。
侧面2间的距离为侧面2上一个天线3发射的半波长的5倍；例如，当侧面2上的一个天线3发射的电磁波的频率为5.8GHz时，侧面2间的距离可以为约13cm。
上文对一个天线阵列的情况进行了说明，下面对多个天线阵列的情况进行说明。
当天线阵列的数量为多个时，且在每个天线阵列中多个天线3的高度都相同时，不同天线阵列中的天线3与所述底面5间的垂直距离不同。
也可以简单理解为本申请实施例提供的无线充电装置包含多个上文所述的天线阵列，且这多个天线阵列的高度不同。
例如，请参阅图3，天线阵列的数量为n个，n个天线阵列高度不同且都为电磁波的半波长的整数倍；n个天线阵列的位置如图3所示，由下往上依次为天线阵列位置1、天线阵列位置2……天线阵列位置n，每个天线阵列中的天线3发射的电磁波的频率都相同，相邻天线阵列的高度差为电磁波的半波长的1倍。
其中，图3中的天线阵列仅示出了2个天线3，需要说明的是，天线阵列中天线3的数量不限于2个。
由于天线阵列的数量为多个且不同天线阵列中的天线3与底面5间的垂直距离不同，所以可以根据实际需要选择相应高度的天线阵列为受能设备4供电。
例如，可以根据腔体1内受能设备4的高度，选择相应高度的天线阵列为受能设备4供电。
在本申请实施例中，由于平行的两个侧面2间的距离，等于由天线3发射的电磁波的半波长的整数倍，根据谐振腔的理论，由天线3发射的电磁波经侧面2多次反射后形成谐振驻波场。而谐振使得更多的能量辐射入腔体内部，并且又由于谐振驻波场会使得辐射的能量更多地集中在腔体1内，对外辐射损耗较少，使得能量更多地保留在腔体1内，从而为腔体1内的受能设备4提供更多的能量，从而提高无线充电效率，更节能更经济。
在驻波场中，波腹和波节的位置都是固定的，所以在充电场景下存在波的能量分布不均匀的现象，可能导致腔体1内不同位置充电效率有较大的差异。
对于上述问题，在本申请实施例中，在腔体1的侧面上设置多个天线3，从而得到了多馈源的天线阵列；在腔体1内的侧面间距离为电磁波的半波长的整数倍的情况下，多馈源的天线阵列能够在在腔体1内形成多种模式的驻波；不同模式的驻波的在腔体1空间内波节和波腹彼此交错，互补叠加，能够平滑腔体1内整体电磁波的能量分布，进而保证腔体1内每个位置的充电效率都大致相同，消除输能盲区(即充电效率过低的位置)。
例如，如图4所示，图4示出了两种模式的驻波，两种模式的驻波的波节和波腹彼此交错，互补叠加，从而使得电磁波的能量分布均匀，进而保证腔体1内每个位置的充电效率都大致相同，消除输能盲区。
基于前文说明可知，本申请实施例是通过相控阵天线为受能设备4供电的，通过相控阵天线可以为可以控制天线3发射的电磁波的相位和幅度，从而控制经谐振腔体产生的多模式驻波的相位和幅度，使得多模式驻波在受能设备4处相干叠加，形成具有单峰值的点状能量聚焦斑，为受能设备4提供更多的能量，从而提升充电效率。
需要说明的是，相控阵天线可以采用不同的控制方法为受能设备4进行充电，本申请实施例对控制方法的种类不做具体限定。
例如，可以采用基于时间反演方法的波束聚焦方法为受能设备4进行充电。下面结合图5对采用该方法进行充电的过程进行介绍。
如图5所示，受能设备4先发射输能请求信号；相控阵天线接收到该输能请求信号，并对该输能请求信号进行幅相提取，以得到该输能请求信号的幅度相位信息；相控阵天线根据该幅度相位信息且通过移相器，对RF信号源输出的信号进行相位调控，然后经过功率放大器放大以及波束赋形，最终经天线3发出；波束会聚焦到受能设备4的所在区域，受能设备4在接收后进行整流处理，然后通过电源管理模块(图5以电源管理示出)给内置电池充电。
基于前文说明可知，本申请实施例提供的无线充电装置可以在内腔中产生谐振驻波场，谐振驻波场可以将大部分能量尽可能地约束在腔体1内部，减少了能量向腔体外的泄露，从而提升电磁辐射安全。
在此基础上，作为一种可实现的方式，腔体1的顶端开口。
腔体1的顶端开口，使得无线充电装置呈半封闭结构，一方面便于将受能设备4放入腔体1以及从腔体1中取出受能设备4，另一方面还能保证受能设备4在充电时的通信功能能够正常使用，提升用户使用体验。
可以理解的是，尽管本申请实施例提供的无线充电装置能够减少能量的泄露，但依然存在少量的能量泄露，所以为了进一步提高充电效率，作为一种可实现的方式，无线充电装置还包含顶盖。
顶盖设置在腔体1的顶端开口处，且顶盖的内表面具有反射电磁波的能力。
由于顶盖的内表面具有反射电磁波的能力，所以能够将电磁波约束在腔体1内，减少能量的泄露，提高充电效率；同时，顶盖的存在，为用户提供了更多的选择，即用户可以关闭顶盖以提高充电效率，用户还可以打开顶盖，在保证较高充电效率的情况下，保持受能设备4的通信能力。

Claims (10)

1.一种无线充电装置，其特征在于，所述无线充电装置包含腔体和相控阵天线；
所述腔体内包含偶数个侧面，所述偶数个侧面两两平行，每个所述侧面具有反射电磁波的能力；
所述相控阵天线包含天线阵列，所述天线阵列包含多个天线；
所述多个天线设置在所述偶数个侧面上且用于发射电磁波，以为放置在所述腔体内的受能设备充电；
平行的两个所述侧面间的距离，等于由第一天线发射的电磁波的半波长的整数倍，所述第一天线是设置在所述平行的两个侧面上的一个所述天线。
2.根据权利要求1所述的无线充电装置，其特征在于，所述腔体还包含底面，所述底面具有反射电磁波的能力；
第二天线与所述底面间的垂直距离，等于由所述第二天线发射的电磁波的半波长的整数倍，所述第二天线为所述多个天线中的一个。
3.根据权利要求1或2所述的无线充电装置，其特征在于，所述天线包含辐射振子；
所述辐射振子的谐振边长度与非谐振边长度的比值大于或等于4。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的无线充电装置，其特征在于，所述天线阵列中的天线的数量与所述侧面的数量相同；
每个所述侧面上设置所述天线阵列中的一个天线。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的无线充电装置，其特征在于，所述多个天线发射的电磁波的频率相同。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的无线充电装置，其特征在于，所述腔体还包含一个底面，所述多个天线与所述底面间的垂直距离都相同。
7.根据权利要求6所述的无线充电装置，其特征在于，所述多个天线中任意两个相邻天线的间距相等。
8.根据权利要求6或7所述的无线充电装置，其特征在于，所述天线阵列的数量为多个；
不同天线阵列中的天线与所述底面间的垂直距离不同。
9.根据权利要求1至8中任意一项所述的无线充电装置，其特征在于，所述腔体的顶端开口。
10.根据权利要求9所述的无线充电装置，其特征在于，所述无线充电装置还包含顶盖；
所述顶盖设置在所述腔体的顶端开口处，且所述顶盖的内表面具有反射电磁波的能力。
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