JP2011523336A - ワイヤレス電力伝達の適応同調のための方法および装置 - Google Patents

Abstract

例示的な実施形態はワイヤレス電力伝達を対象とする。送信アンテナが、送信アンテナの近距離場内で結合モード領域を生成するために共振周波数において電磁界を発生させる。受信アンテナが、結合モード領域内にあるとき、共振周波数を受信し、実質的に共振周波数の近くで共振する。送信アンテナと受信アンテナの一方、または両方は、適応同調できるチューナブルアンテナである。適応同調は、チューナブルアンテナにおける不整合を検出することと、チューナブルアンテナにおける電圧定在波比に応答して不整合信号を発生することとによって達成される。チューナブルアンテナの共振特性は、チューナブルアンテナに接続された可変キャパシタネットワークのキャパシタンスを調整することによって修正できる。

Description

米国特許法第１１９条に基づく優先権の主張
本出願は、
２００８年６月１１日に出願された「REVERSE LINK SIGNALING VIA RECEIVE ANTENNA IMPEDANCE MODULATION」と題する米国仮特許出願番号第６１／０６０，７３５号と、
２００８年６月１１日に出願された「SIGNALING CHARGING IN WIRELESS POWER ENVIRONMENT」と題する米国仮特許出願番号第６１／０６０，７３８号と、
２００８年５月１３日に出願された「ADAPTIVE TUNING MECHANISM FOR WIRELESS POWER TRANSFER」と題する米国仮特許出願番号第６１／０５３，００８号と、
２００８年５月１３日に出願された「EFFICIENT POWER MANAGEMENT SCHEME FOR WIRELESS POWER CHARGING SYSTEMS」と題する米国仮特許出願番号第６１／０５３，０１０号と、
２００８年６月１１日に出願された「TRANSMIT POWER CONTROL FOR A WIRELESS CHARGING SYSTEM」と題する米国仮特許出願番号第６１／０６０，７４１号と、
２００８年５月１３日に出願された「REPEATERS FOR ENHANCEMENT OF WIRELESS POWER TRANSFER」と題する米国仮特許出願番号第６１／０５３，０００号と、
２００８年５月１３日に出願された「WIRELESS POWER TRANSFER FOR APPLIANCES AND EQUIPMENTS」と題する米国仮特許出願番号第６１／０５３，００４号と、
２００８年７月１６日に出願された「WIRELESS POWER TRANSFER USING NEGATIVE RESISTANCE」と題する米国仮特許出願番号第６１／０８１，３３２号と、
２００８年５月１３日に出願された「EMBEDDED RECEIVE ANTENNA FOR WIRELESS POWER TRANSFER」と題する米国仮特許出願番号第６１／０５３，０１２号と、
２００８年５月１３日に出願された「PLANAR LARGE AREA WIRELESS CHARGING SYSTEM」と題する米国仮特許出願番号第６１／０５３，０１５号と
の、米国特許法第１１９条（ｅ）項に基づく優先権を主張する。

一般に、ワイヤレス電子デバイスなどの各バッテリ電源式デバイスは、通常交流（ＡＣ）電源出力であるそれ自体の充電器および電源を必要とする。そのようなワイヤード構成は、多くのデバイスが充電を必要とするときに扱いにくくなる。

充電すべき電子デバイスに結合された送信機と受信機との間で無線またはワイヤレス電力伝送を使用する手法が開発されている。そのような手法は一般に２つのカテゴリに入る。１つは、充電すべきデバイス上の送信アンテナと受信アンテナとの間の平面波放射（遠距離場放射とも呼ばれる）の結合に基づく。受信アンテナは、バッテリを充電するために放射電力を収集し、それを整流する。アンテナは一般に、結合効率を改善するために共振長からなる。この手法は、電力結合がアンテナ間の距離とともに急速に低下することから損害を被る。したがって、（たとえば、１〜２メートルよりも短い）妥当な距離にわたる充電が困難になる。さらに、送信システムは平面波を放射するので、フィルタ処理によって適切に制御されない場合、偶発的な放射が他のシステムを妨害することがある。

ワイヤレスエネルギー伝送技法に対する他の手法は、たとえば、「充電」マットまたは表面中に埋め込まれた送信アンテナと、充電すべきホスト電子デバイス中に埋め込まれた受信アンテナ（および整流回路）との間の誘導結合に基づく。この手法には、送信アンテナと受信アンテナとの間の間隔が極めて近接している（たとえば、数千分の１メートル内である）必要があるという欠点がある。この手法は、同じエリア中の複数のデバイスを同時に充電する機能を有するが、このエリアは一般に極めて小さく、ユーザがデバイスを特定のエリアに正確に配置する必要がある。したがって、送信アンテナと受信アンテナとの柔軟な配置および配向に適応するワイヤレス充電構成を提供する必要がある。

ワイヤレス電力伝送の場合、様々な状況に適応し、電力伝達特性を最適化するようにアンテナの動作特性を調整するためのシステムおよび方法が必要である。

ワイヤレス電力伝達システムの簡略ブロック図。 ワイヤレス電力伝達システムの簡略化された概略図。 本発明の例示的な実施形態において使用するためのループアンテナの概略図。 送信アンテナと受信アンテナとの間の結合強度を示すシミュレーション結果を示す図。 本発明の例示的な実施形態による送信アンテナと受信アンテナとのためのループアンテナのレイアウトを示す図。 本発明の例示的な実施形態による送信アンテナと受信アンテナとのためのループアンテナのレイアウトを示す図。 図５Ａおよび図５Ｂに示す方形および円形送信アンテナの様々な周囲サイズに対する送信アンテナと受信アンテナとの間の結合強度を示すシミュレーション結果を示す図。 図５Ａおよび図５Ｂに示す方形および円形送信アンテナの様々な表面積に対する送信アンテナと受信アンテナとの間の結合強度を示すシミュレーション結果を示す図。 共面および同軸配置における結合強度を示すための、送信アンテナに対する受信アンテナの様々な配置点を示す図。 送信アンテナと受信アンテナとの間の様々な距離における同軸配置のための結合強度を示すシミュレーション結果を示す図。 本発明の例示的な実施形態による送信機の簡略ブロック図。 本発明の例示的な実施形態による受信機の簡略ブロック図。 送信機と受信機との間のメッセージングを実施するための送信回路の一部分の簡略化された概略図。 受信機と送信機との間のメッセージングを示すための様々な状態における受信回路の一部分の簡略化された概略図。 受信機と送信機との間のメッセージングを示すための様々な状態における受信回路の一部分の簡略化された概略図。 受信機と送信機との間のメッセージングを示すための様々な状態における受信回路の一部分の簡略化された概略図。 受信機と送信機との間のメッセージングを示すための様々な状態における代替受信回路の一部分の簡略化された概略図。 受信機と送信機との間のメッセージングを示すための様々な状態における代替受信回路の一部分の簡略化された概略図。 受信機と送信機との間のメッセージングを示すための様々な状態における代替受信回路の一部分の簡略化された概略図。 送信機と受信機との間の通信のためのメッセージングプロトコルを示すタイミング図。 送信機と受信機との間の通信のためのメッセージングプロトコルを示すタイミング図。 送信機と受信機との間の通信のためのメッセージングプロトコルを示すタイミング図。 送信機と受信機との間で電力を送信するためのビーコン電力モードを示す簡略ブロック図。 送信機と受信機との間で電力を送信するためのビーコン電力モードを示す簡略ブロック図。 送信機と受信機との間で電力を送信するためのビーコン電力モードを示す簡略ブロック図。 送信機と受信機との間で電力を送信するためのビーコン電力モードを示す簡略ブロック図。 大きい送信アンテナと、その送信アンテナと共面および同軸に配設されたより小さいリピータアンテナとを示す図。 送信アンテナと、その送信アンテナに対して同軸配置されたより大きいリピータアンテナとを示す図。 大きい送信アンテナと、その送信アンテナと共面に、その送信アンテナの周囲内に配設された３つの異なるより小さいリピータアンテナとを示す図。 大きい送信アンテナと、その送信アンテナに対してオフセット同軸配置およびオフセット共面配置されたより小さいリピータアンテナとを示す図。 送信アンテナとリピータアンテナと受信アンテナとの間の結合強度を示すシミュレーション結果を示す図。 リピータアンテナがない場合の送信アンテナと受信アンテナとの間の結合強度を示すシミュレーション結果を示す図。 リピータアンテナがある場合の送信アンテナと受信アンテナとの間の結合強度を示すシミュレーション結果を示す図。 Ｔ型ネットワークを使用する、アンテナのための適応同調回路の簡略ブロック図。 Ｌ型ネットワークを使用する、アンテナのための適応同調回路の簡略ブロック図。 π型ネットワークを使用する、アンテナのための適応同調回路の簡略ブロック図。 送信アンテナにおける電力消費量に基づく送信アンテナのための適応同調回路の簡略ブロック図。 可変キャパシタネットワークの例示的な実施形態を示す簡略化された回路図。 可変キャパシタネットワークの例示的な実施形態を示す簡略化された回路図。 適応同調前の、近距離結合された送信アンテナと受信アンテナのシミュレーション結果を示す図。 適応同調後の、近距離結合された送信アンテナと受信アンテナのシミュレーション結果を示す図。

「例示的」という単語は、本明細書では「例、事例、または例示の働きをすること」を意味するために使用する。本明細書に「例示的」と記載されたいかなる実施形態も、必ずしも他の実施形態よりも好ましいまたは有利なものと解釈すべきではない。

添付の図面とともに以下に示す詳細な説明は、本発明の例示的な実施形態を説明するものであり、本発明を実施できる唯一の実施形態を表すものではない。この説明全体にわたって使用する「例示的」という用語は、「例、事例、または例示の働きをすること」を意味し、必ずしも他の例示的な実施形態よりも好ましいまたは有利であると解釈すべきではない。詳細な説明は、本発明の例示的な実施形態の完全な理解を与える目的で具体的な詳細を含む。本発明の例示的な実施形態はこれらの具体的な詳細なしに実施できることが当業者には明らかであろう。いくつかの例では、本明細書で提示する例示的な実施形態の新規性を不明瞭にしないように、よく知られている構造およびデバイスをブロック図の形式で示す。

「ワイヤレス電力」という単語は、本明細書では、電界、磁界、電磁界に関連する任意の形態のエネルギー、あるいは物理電磁導体を使用せずに送信機から受信機に送信される任意の形態のエネルギーを意味するために使用する。

図１に、本発明の様々な例示的な実施形態による、ワイヤレス送信または充電システム１００を示す。エネルギー伝達を行うための放射界１０６を発生させるために入力電力１０２を送信機１０４に供給する。受信機１０８は、放射界１０６に結合し、出力電力１１０に結合されたデバイス（図示せず）が蓄積または消費するための出力電力１１０を発生する。送信機１０４と受信機１０８の両方は距離１１２だけ分離されている。１つの例示的な実施形態では、送信機１０４および受信機１０８は相互共振関係に従って構成され、受信機１０８の共振周波数と送信機１０４の共振周波数とがまったく同じである場合、受信機１０８が放射界１０６の「近距離場」に位置するとき、送信機１０４と受信機１０８との間の伝送損失は最小になる。

送信機１０４は、エネルギー送信のための手段を与えるための送信アンテナ１１４をさらに含み、受信機１０８は、エネルギー受信のための手段を与えるための受信アンテナ１１８をさらに含む。送信アンテナおよび受信アンテナは、それに関連する適用例およびデバイスに従ってサイズ決定される。上述のように、エネルギーの大部分を電磁波で遠距離場に伝搬するのではなく、送信アンテナの近距離場におけるエネルギーの大部分を受信アンテナに結合することによって効率的なエネルギー伝達が行われる。近距離場にある場合、送信アンテナ１１４と受信アンテナ１１８との間に結合モードが生じる。この近距離結合が行われるアンテナ１１４および１１８の周りのエリアを、本明細書では結合モード領域と呼ぶ。

図２に、ワイヤレス電力伝達システムの簡略化された概略図を示す。送信機１０４は、発振器１２２と、電力増幅器１２４と、フィルタおよび整合回路１２６とを含む。発振器は、調整信号１２３に応答して調整される所望の周波数で発生するように構成される。発振器信号は、制御信号１２５に応答する増幅量で電力増幅器１２４によって増幅できる。フィルタおよび整合回路１２６は、高調波または他の不要な周波数をフィルタ除去し、送信機１０４のインピーダンスを送信アンテナ１１４に整合させるために含めることができる。

受信機は、図２に示すようにバッテリ１３６を充電するため、または受信機（図示せず）に結合されたデバイスに電力供給するために、整合回路１３２と、ＤＣ電力出力を発生するための整流器およびスイッチング回路とを含むことができる。整合回路１３２は、受信機１０８のインピーダンスを受信アンテナ１１８に整合させるために含めることができる。

図３に示すように、例示的な実施形態において使用されるアンテナは、本明細書では「磁気」アンテナとも呼ぶ「ループ」アンテナ１５０として構成できる。ループアンテナは、空芯またはフェライトコアなどの物理コアを含むように構成できる。空芯ループアンテナは、コアの近傍に配置された外来物理デバイスに対してより耐性がある。さらに、空芯ループアンテナでは、コアエリア内に他の構成要素を配置することができる。さらに、空芯ループは、送信アンテナ１１４（図２）の結合モード領域がより強力である送信アンテナ１１４（図２）の平面内での受信アンテナ１１８（図２）の配置をより容易に可能にすることができる。

上述のように、送信機１０４と受信機１０８との間のエネルギーの効率的な伝達は、送信機１０４と受信機１０８との間の整合されたまたはほぼ整合された共振中に行われる。しかしながら、送信機１０４と受信機１０８との間の共振が整合されていないときでも、エネルギーをより低い効率で伝達することができる。エネルギーの伝達は、送信アンテナからのエネルギーを自由空間に伝搬するのではなく、送信アンテナの近距離場からのエネルギーを、この近距離場が確立される近傍に常駐する受信アンテナに結合することによって行われる。

ループまたは磁気アンテナの共振周波数はインダクタンスおよびキャパシタンスに基づく。ループアンテナにおけるインダクタンスは、一般に、単にループによって生成されるインダクタンスであり、キャパシタンスは、一般に、所望の共振周波数で共振構造を生成するためにループアンテナのインダクタンスに追加される。非限定的な例として、共振信号１５６を発生する共振回路を生成するために、キャパシタ１５２およびキャパシタ１５４をアンテナに追加することができる。したがって、直径がより大きいループアンテナでは、ループの直径またはインダクタンスが増加するにつれて、共振を誘起するために必要なキャパシタンスの大きさは減少する。さらに、ループまたは磁気アンテナの直径が増加するにつれて、近距離場の効率的なエネルギー伝達エリアは増加する。もちろん、他の共振回路も可能である。別の非限定的な例として、ループアンテナの２つの終端間にキャパシタを並列に配置することができる。さらに、当業者なら、送信アンテナの場合、共振信号１５６をループアンテナ１５０への入力とすることができることを認識されよう。

本発明の例示的な実施形態は、互いの近距離場にある２つのアンテナ間の電力を結合することを含む。上述のように、近距離場は、電磁界が存在するが、アンテナから離れて伝搬または放射しないアンテナの周りのエリアである。それらは、一般に、アンテナの物理体積に近い体積に限定される。本発明の例示的な実施形態では、電気タイプアンテナ（たとえば、小さいダイポール）の電気近距離場に比較して磁気タイプアンテナの磁気近距離場振幅のほうが大きくなる傾向があるので、単巻きおよび多巻きループアンテナなどの磁気タイプアンテナを送信（Ｔｘ）アンテナシステムと受信（Ｒｘ）アンテナシステムの両方に使用する。これによりペア間の結合を潜在的により強くすることができる。さらに、「電気」アンテナ（たとえば、ダイポールおよびモノポール）または磁気アンテナと電気アンテナとの組合せをも企図する。

Ｔｘアンテナは、上述した遠距離場および誘導手法によって可能になる距離よりもかなり大きい距離で小さいＲｘアンテナへの良好な結合（たとえば、＞−４ｄＢ）を達成するのに十分に低い周波数および十分大きいアンテナサイズで動作できる。Ｔｘアンテナが正しくサイズ決定された場合、ホストデバイス上のＲｘアンテナが励振Ｔｘループアンテナの結合モード領域（すなわち、近距離場）内に配置されたとき、高い結合レベル（たとえば、−２〜−４ｄＢ）を達成することができる。

図４に、送信アンテナと受信アンテナとの間の結合強度を示すシミュレーション結果を示す。曲線１７０および１７２は、それぞれ送信アンテナおよび受信アンテナによる電力の受容の測度を示す。言い換えれば、大きい負数では、極めて近接したインピーダンス整合があり、電力の大部分は受容され、その結果、送信アンテナによって放射される。逆に、小さい負数は、所与の周波数で近接したインピーダンス整合がないので、電力の大部分がアンテナから反射されることを示す。図４では、送信アンテナと受信アンテナは、約１３．５６ＭＨｚの共振周波数を有するように同調させられる。

曲線１７０は、様々な周波数において送信アンテナから送信される電力の量を示す。したがって、約１３．５２８ＭＨｚおよび１３．５９３ＭＨｚに対応する点１ａおよび点３ａでは、電力の大部分は反射され、送信アンテナから送信されない。しかしながら、約１３．５６ＭＨｚに対応する点２ａでは、大量の電力が受容され、アンテナから送信されることがわかる。

同様に、曲線１７２は、様々な周波数において受信アンテナによって受信される電力の量を示す。したがって、約１３．５２８ＭＨｚおよび１３．５９３ＭＨｚに対応する点１ｂおよび点３ｂでは、電力の大部分は反射され、受信アンテナを通して受信機に搬送されない。しかしながら、約１３．５６ＭＨｚに対応する点２ｂでは、大量の電力が受信アンテナによって受容され、受信機に搬送されることがわかる。

曲線１７４は、送信機から送信アンテナを通して送信され、受信アンテナを通して受信され、受信機に搬送された後、受信機において受信される電力の量を示す。したがって、約１３．５２８ＭＨｚおよび１３．５９３ＭＨｚに対応する点１ｃおよび点３ｃでは、（１）送信アンテナが送信機からそれに送信された電力の大部分を拒絶し、（２）周波数が共振周波数から離れるにつれて、送信アンテナと受信アンテナとの間の結合が効率的でなくなるので、送信機から送信された電力の大部分は受信機において利用できない。しかしながら、約１３．５６ＭＨｚに対応する点２ｃでは、送信機から送信された大量の電力が受信機において利用可能であり、送信アンテナと受信アンテナとの間の高度の結合を示すことがわかる。

図５Ａおよび図５Ｂに、本発明の例示的な実施形態による送信アンテナと受信アンテナとのためのループアンテナのレイアウトを示す。ループアンテナは、多種多様なサイズの単巻きループまたは多巻きループを用いて、いくつかの異なる方法で構成できる。さらに、ループは、例にすぎないが、円形、楕円形、方形、および長方形など、いくつかの異なる形状とすることができる。図５Ａは、大きい方形ループ送信アンテナ１１４Ｓと、送信アンテナ１１４Ｓと同じ平面内にあって送信アンテナ１１４Ｓの中心の近くに配置された小さい方形ループ受信アンテナ１１８とを示す。図５Ｂは、大きい円形ループ送信アンテナ１１４Ｃと、送信アンテナ１１４Ｃと同じ平面内にあって送信アンテナ１１４Ｃの中心の近くに配置された小さい方形ループ受信アンテナ１１８’とを示す。方形ループ送信アンテナ１１４Ｓの辺の長さは「ａ」であり、円形ループ送信アンテナ１１４Ｃの直径は「Φ」である。方形ループの場合、その直径がΦ_ｅｑ＝４ａ／πとして定義される等価円形ループがあることを示すことができる。

図６に、図５Ａおよび図５Ｂに示す方形および円形送信アンテナの様々な周囲に対する送信アンテナと受信アンテナとの間の結合強度を示すシミュレーション結果を示す。したがって、曲線１８０は、円形ループ送信アンテナ１１４Ｃと、円形ループ送信アンテナ１１４Ｃの様々な周囲サイズにおける受信アンテナ１１８との間の結合強度を示す。同様に、曲線１８２は、方形ループ送信アンテナ１１４Ｓと、送信ループ送信アンテナ１１４Ｓの様々な等価周囲サイズにおける受信アンテナ１１８’との間の結合強度を示す。

図７に、図５Ａおよび図５Ｂに示す方形および円形送信アンテナの様々な表面積に対する送信アンテナと受信アンテナとの間の結合強度を示すシミュレーション結果を示す。したがって、曲線１９０は、円形ループ送信アンテナ１１４Ｃと、円形ループ送信アンテナ１１４Ｃの様々な表面積における受信アンテナ１１８との間の結合強度を示す。同様に、曲線１９２は、方形ループ送信アンテナ１１４Ｓと、送信ループ送信アンテナ１１４Ｓの様々な表面積における受信アンテナ１１８’との間の結合強度を示す。

図８に、共面および同軸配置における結合強度を示すための、送信アンテナに対する受信アンテナの様々な配置点を示す。本明細書で使用する「共面」は、送信アンテナと受信アンテナとが実質的に整合された平面（すなわち、実質的に同じ方向を指す表面法線）を有し、送信アンテナの平面と受信アンテナの平面との間の距離がない（または小さい）ことを意味する。本明細書で使用する「同軸」は、送信アンテナと受信アンテナとが実質的に整合された平面（すなわち、実質的に同じ方向を指す表面法線）を有し、２つの平面間の距離がわずかではなく、さらに、送信アンテナと受信アンテナとの表面法線が実質的に同じベクトルに沿っているか、または２つの法線がエシェロン状であることを意味する。

例として、点ｐ１、点ｐ２、点ｐ３、および点ｐ７は、すべて送信アンテナに対する受信アンテナの共面配置点である。別の例として、点ｐ５および点ｐ６は、送信アンテナに対する受信アンテナの同軸配置点である。下記の表に、図８に示す様々な配置点（ｐ１〜ｐ７）における結合強度（Ｓ２１）と（送信アンテナから送信され、受信アンテナに達した電力の割合として表される）結合効率とを示す。

わかるように、共面配置点ｐ１、ｐ２、およびｐ３は、すべて比較的高い結合効率を示す。配置点ｐ７も共面配置点であるが、送信ループアンテナの外部にある。配置点ｐ７は高い結合効率を有しないが、若干の結合があり、結合モード領域は送信ループアンテナの周囲を越えて広がっていることが明らかである。

配置点ｐ５は、送信アンテナと同軸であり、かなりの結合効率を示す。配置点ｐ５の結合効率は共面配置点の結合効率ほど高くない。しかしながら、配置点ｐ５の結合効率は、同軸配置において送信アンテナと受信アンテナとの間でかなりの電力を搬送することができるほど十分に高い。

配置点ｐ４は、送信アンテナの周囲内にあるが、送信アンテナの平面の上方のわずかな距離にあって、オフセット同軸配置（すなわち、表面法線が実質的に同じ方向であるが、異なるロケーションにある）またはオフセット共面（すなわち、表面法線が実質的に同じ方向であるが、平面が互いにオフセットされる）と呼ばれる位置にある。表から、オフセット距離が２．５ｃｍの場合、配置点ｐ４は、依然として比較的良好な結合効率を有することがわかる。

配置点ｐ６は、送信アンテナの周囲の外部にあり、送信アンテナの平面の上方のかなりの距離にある配置点を示す。表からわかるように、配置点ｐ６は、送信アンテナと受信アンテナとの間の結合効率をほとんど示さない。

図９に、送信アンテナと受信アンテナとの間の様々な距離における同軸配置のための結合強度を示すシミュレーション結果を示す。図９のシミュレーションは、どちらも一辺が約１．２メートルであり、送信周波数が１０ＭＨｚである、同軸配置の方形送信アンテナおよび受信アンテナに関する。結合強度は、約０．５メートル未満の距離において非常に高く、一様なままであることがわかる。

図１０は、本発明の例示的な実施形態による送信機の簡略ブロック図である。送信機２００は、送信回路２０２と送信アンテナ２０４とを含む。一般に、送信回路２０２は、発振信号を供給することによって送信アンテナ２０４にＲＦ電力を供給し、その結果、送信アンテナ２０４の周りに近距離場エネルギーが発生する。例として、送信機２００は、１３．５６ＭＨｚ ＩＳＭバンドにおいて動作することができる。

例示的な送信回路２０２は、送信回路２０２のインピーダンス（たとえば、５０オーム）を送信アンテナ２０４に整合させるための固定のインピーダンス整合回路２０６と、受信機１０８（図１）に結合されたデバイスの自己ジャミングを防ぐレベルまで高調波放出を低減するように構成された低域フィルタ（ＬＰＦ）２０８とを含む。他の実施形態は、限定はしないが、他の周波数をパスしながら特定の周波数を減衰させるノッチフィルタを含む様々なフィルタトポロジを含むことができ、また、アンテナへの出力電力または電力増幅器によるＤＣ電流ドローなど、測定可能な送信メトリクスに基づいて変化できる適応型インピーダンス整合を含むことができる。送信回路２０２は、発振器２１２によって判断されたＲＦ信号を駆動するように構成された電力増幅器２１０をさらに含む。送信回路は、ディスクリートデバイスまたは回路からなるか、あるいは代わりに、一体型アセンブリからなることができる。送信アンテナ２０４からの例示的なＲＦ電力出力は２．５ワットのオーダーである。

送信回路２０２は、特定の受信機に対する送信位相（またはデューティサイクル）中に発振器２１２を使用可能にし、発振器の周波数を調整し、それらの取り付けられた受信機を通して隣接デバイスと対話するための通信プロトコルを実装するために出力電力レベルを調整するためのプロセッサ２１４をさらに含む。

送信回路２０２は、送信アンテナ２０４によって発生された近距離場の近傍におけるアクティブ受信機の存在または不在を検出するための負荷感知回路２１６をさらに含むことができる。例として、負荷感知回路２１６は、送信アンテナ２０４によって発生された近距離場の近傍におけるアクティブ受信機の存在または不在によって影響を及ぼされる、電力増幅器２１０に流れる電流を監視する。電力増幅器２１０に対する負荷の変化の検出は、アクティブ受信機と通信するためのエネルギーを送信するために発振器２１２を使用可能にすべきかどうかを判断する際に使用するために、プロセッサ２１４によって監視される。

送信アンテナ２０４は、抵抗損を低く保つように選択された厚さ、幅および金属タイプをもつアンテナストリップとして実装できる。従来の実装形態では、送信アンテナ２０４は、一般に、テーブル、マット、ランプまたは他のより可搬性が低い構成など、より大きい構造物との関連付けのために構成できる。したがって、送信アンテナ２０４は、一般に、実際的な寸法にするための「巻き」を必要としない。送信アンテナ２０４の例示的な実装形態は、「電気的に小形」（すなわち、波長の分数）とし、共振周波数を定義するためにキャパシタを使用することによって、より低い使用可能な周波数で共振するように同調させることができる。送信アンテナ２０４の直径が、または方形ループの場合は、辺の長さが、受信アンテナに対してより大きい（たとえば、０．５０メートル）例示的な適用例では、送信アンテナ２０４は、妥当なキャパシタンスを得るために必ずしも多数の巻きを必要としない。

図１１は、本発明の一実施形態による受信機のブロック図である。受信機３００は、受信回路３０２と受信アンテナ３０４とを含む。受信機３００は、さらに、それに受信電力を与えるためにデバイス３５０に結合する。受信機３００は、デバイス３５０の外部にあるものとして示されているが、デバイス３５０に一体化できることに留意されたい。一般に、エネルギーは、受信アンテナ３０４にワイヤレスに伝搬され、次いで、受信回路３０２を通してデバイス３５０に結合される。

受信アンテナ３０４は、送信アンテナ２０４（図１０）と同じ周波数、または同じ周波数の近くで共振するように同調させられる。受信アンテナ３０４は、送信アンテナ２０４と同様に寸法決定でき、または関連するデバイス３５０の寸法に基づいて別様にサイズ決定できる。例として、デバイス３５０は、送信アンテナ２０４の直径または長さよりも小さい直径寸法または長さ寸法を有するポータブル電子デバイスとすることができる。そのような例では、受信アンテナ３０４は、同調キャパシタ（図示せず）のキャパシタンス値を低減し、受信アンテナのインピーダンスを増加するために、多巻きアンテナとして実装できる。例として、受信アンテナ３０４は、アンテナ直径を最大にし、受信アンテナのループ巻き（すなわち、巻線）の数および巻線間キャパシタンスを低減するために、デバイス３５０の実質的な周囲の周りに配置できる。

受信回路３０２は、受信アンテナ３０４に対するインピーダンス整合を行う。受信回路３０２は、受信したＲＦエネルギー源を、デバイス３５０が使用するための充電電力に変換するための電力変換回路３０６を含む。電力変換回路３０６は、ＲＦ−ＤＣ変換器３０８を含み、ＤＣ−ＤＣ変換器３１０をも含むことができる。ＲＦ−ＤＣ変換器３０８は、受信アンテナ３０４において受信されたＲＦエネルギー信号を非交流電力に整流し、ＤＣ−ＤＣ変換器３１０は、整流されたＲＦエネルギー信号を、デバイス３５０に適合するエネルギーポテンシャル（たとえば、電圧）に変換する。部分および完全整流器、調整器、ブリッジ、ダブラー、ならびに線形およびスイッチング変換器を含む、様々なＲＦ−ＤＣ変換器が企図される。

受信回路３０２は、受信アンテナ３０４を電力変換回路３０６に接続するため、または代替的に電力変換回路３０６を切断するためのスイッチング回路３１２をさらに含むことができる。電力変換回路３０６から受信アンテナ３０４を切断することは、デバイス３５０の充電を中断するだけでなく、以下でより十分に説明するように、送信機２００（図２）から「見た」「負荷」を変化させる。上記で開示したように、送信機２００は、送信機電力増幅器２１０に供給されたバイアス電流の変動を検出する負荷感知回路２１６を含む。したがって、送信機２００は、受信機が送信機の近距離場に存在するときを判断するための機構を有する。

複数の受信機３００が送信機の近距離場に存在するとき、他の受信機がより効率的に送信機に結合することができるように、１つまたは複数の受信機の装荷および除荷を時間多重化することが望ましいことがある。受信機はまた、他の近くの受信機への結合を解消するため、または近くの送信機に対する装荷を低減するためにクローキングできる。受信機のこの「除荷」を、本明細書では「クローキング」とも呼ぶ。さらに、受信機３００によって制御され、送信機２００によって検出される除荷と装荷との間のこのスイッチングは、以下でより十分に説明するように受信機３００から送信機２００への通信機構を与える。さらに、受信機３００から送信機２００へのメッセージの送信を可能にするプロトコルをスイッチングに関連付けることができる。例として、スイッチング速度は１００μ秒のオーダーとすることができる。

例示的な一実施形態では、送信機と受信機との間の通信は、従来の双方向通信ではなく、デバイス感知および充電制御機構を指す。言い換えれば、送信機は、近距離場においてエネルギーが利用可能であるかどうかを調整するために送信信号のオン／オフキーイングを使用する。受信機は、エネルギーのこれらの変化を送信機からのメッセージと解釈する。受信機側から、受信機は、近距離場からどのくらいの電力が受容されているかを調整するために受信アンテナの同調および離調を使用する。送信機は、近距離場から使用される電力のこの差異を検出し、これらの変化を受信機からのメッセージと解釈することができる。

受信回路３０２は、送信機から受信機への情報シグナリングに対応する、受信したエネルギー変動を識別するために使用される、シグナリング検出器およびビーコン回路３１４をさらに含むことができる。さらに、シグナリングおよびビーコン回路３１４はまた、低減されたＲＦ信号エネルギー（すなわち、ビーコン信号）の送信を検出し、ワイヤレス充電のための受信回路３０２を構成するために、低減されたＲＦ信号エネルギーを整流して、受信回路３０２内の無電力供給回路または電力消耗回路のいずれかをアウェイクさせるための公称電力にするために使用できる。

受信回路３０２は、本明細書で説明するスイッチング回路３１２の制御を含む、本明細書で説明する受信機３００のプロセスを調整するためのプロセッサ３１６をさらに含む。受信機３００のクローキングは、デバイス３５０に充電電力を供給する外部ワイヤード充電ソース（たとえば、ウォール／ＵＳＢ電力）の検出を含む他のイベントの発生時にも行われることがある。プロセッサ３１６は、受信機のクローキングを制御することに加えて、ビーコン状態を判断し、送信機から送信されたメッセージを抽出するためにビーコン回路３１４を監視することもできる。プロセッサ３１６はまた、パフォーマンスの改善ためにＤＣ−ＤＣ変換器３１０を調整することができる。

図１２に、送信機と受信機との間のメッセージングを実施するための送信回路の一部分の簡略化された概略図を示す。本発明のいくつかの例示的な実施形態では、送信機と受信機との間で通信のための手段を使用可能にすることができる。図１２では、電力増幅器２１０は、送信アンテナ２０４を励振して放射界を発生させる。電力増幅器は、送信アンテナ２０４に対して所望の周波数で発振しているキャリア信号２２０によって駆動される。電力増幅器２１０の出力を制御するために送信変調信号２２４が使用される。

送信回路は、電力増幅器２１０に対してオン／オフキーイングプロセスを使用することによって受信機に信号を送信することができる。言い換えれば、送信変調信号２２４がアサートされたとき、電力増幅器２１０は、送信アンテナ２０４に対してキャリア信号２２０の周波数を励振する。送信変調信号２２４がネゲートされたとき、電力増幅器は送信アンテナ２０４に対して周波数を励振しない。

図１２の送信回路はまた、電力増幅器２１０に電力を供給し、受信信号２３５出力を発生する負荷感知回路２１６を含む。負荷感知回路２１６では、信号の電力２２６と電力増幅器２１０への電力供給２２８との間で、抵抗Ｒ_ｓの両端間の電圧降下が生じる。電力増幅器２１０によって消費される電力の変化は、差動増幅器２３０によって増幅される電圧降下の変化を引き起こす。送信アンテナが受信機中の受信アンテナ（図１２に図示せず）との結合モードにあるとき、電力増幅器２１０によって引き出される電流の量が変化する。言い換えれば、送信アンテナ２１０の結合モード共振が存在しない場合、放射界を励振するために必要とされる電力が最初の量である。結合モード共振が存在する場合、電力の大部分が受信アンテナに結合されているので、電力増幅器２１０によって消費される電力の量は上昇する。したがって、受信信号２３５は、以下で説明するように、送信アンテナ２３５に結合された受信アンテナの存在を示すことができ、受信アンテナから送信された信号を検出することもできる。さらに、以下で説明するように、受信機電流ドローの変化は、送信機の電力増幅器電流ドローにおいて観測可能であり、この変化を使用して、受信アンテナからの信号を検出することができる。

図１３Ａ〜図１３Ｃに、受信機と送信機との間のメッセージングを示すための様々な状態における受信回路の一部分の簡略化された概略図を示す。図１３Ａ〜図１３Ｃのすべては、様々なスイッチの状態が異なる、同じ回路要素を示す。受信アンテナ３０４は、ノード３５０を駆動する特性インダクタンスＬ１を含む。ノード３５０は、スイッチＳ１Ａを通して接地に選択的に結合される。ノード３５０はまた、スイッチＳ１Ｂを通してダイオードＤ１および整流器３１８に選択的に結合される。整流器３１８は、受信デバイス（図示せず）への電力供給、バッテリの充電、またはそれらの組合せのために、受信デバイスにＤＣ電力信号３２２を供給する。ダイオードＤ１は、高調波および不要な周波数を除去するためにキャパシタＣ３および抵抗Ｒ１を用いてフィルタ処理される送信信号３２０に結合される。したがって、Ｄ１、Ｃ３、およびＲ１の組合せは、送信信号３２０に対して、図１２の送信機を参照しながら上述した送信変調信号２２４によって発生された送信変調を模する信号を発生させることができる。

本発明の例示的な実施形態は、受信デバイスの電流ドローの変調と、逆方向リンクシグナリングを達成するための受信アンテナのインピーダンスの変調とを含む。図１３Ａおよび図１２を参照すると、受信デバイスの電力ドローが変化すると、負荷感知回路２１６は、送信アンテナの得られた電力変化を検出し、これらの変化から受信信号２３５を発生させることができる。

図１３Ａ〜図１３Ｃの実施形態では、スイッチＳ１ＡおよびＳ２Ａの状態を修正することによって、送信機を通る電流ドローを変化させることができる。図１３Ａでは、スイッチＳ１ＡおよびスイッチＳ２Ａは、どちらも開いており、「ＤＣ開状態」を生成し、送信アンテナ２０４からの負荷を本質的に除去する。これにより、送信機が受ける電流が低減される。

図１３Ｂでは、スイッチＳ１Ａは閉じており、スイッチＳ２Ａは開いており、受信アンテナ３０４の「ＤＣショート状態」を生成する。したがって、図１３Ｂの状態を使用して、送信機が受ける電流を増加させることができる。

図１３Ｃでは、スイッチＳ１Ａは開いており、スイッチＳ２Ａは閉じており、ＤＣｏｕｔ信号３２２によって電力を供給することができ、送信信号３２０を検出することができる通常受信モード（本明細書では「ＤＣ動作状態」とも呼ぶ）を生成する。図１３Ｃに示す状態では、受信機は、通常の量の電力を受信し、したがってＤＣ開状態またはＤＣショート状態よりも多いまたは少ない送信アンテナからの電力を消費する。

ＤＣ動作状態（図１３Ｃ）とＤＣショート状態（図１３Ｂ）との間のスイッチングによって逆方向リンクシグナリングが達成できる。逆方向リンクシグナリングは、ＤＣ動作状態（図１３Ｃ）とＤＣ開状態（図１３Ａ）との間のスイッチングによっても達成できる。

図１４Ａ〜図１４Ｃに、受信機と送信機との間のメッセージングを示すための様々な状態における代替受信回路の一部分の簡略化された概略図を示す。

図１４Ａ〜図１４Ｃのすべては、様々なスイッチの状態が異なる、同じ回路要素を示す。受信アンテナ３０４は、ノード３５０を駆動する特性インダクタンスＬ１を含む。ノード３５０は、キャパシタＣ１およびスイッチＳ１Ｂを通して接地に選択的に結合される。ノード３５０はまた、キャパシタＣ２を通してダイオードＤ１および整流器３１８にＡＣ結合される。ダイオードＤ１は、高調波および不要な周波数を除去するためにキャパシタＣ３および抵抗Ｒ１を用いてフィルタ処理される送信信号３２０に結合される。したがって、Ｄ１、Ｃ３、およびＲ１の組合せは、送信信号３２０に対して、図１２の送信機を参照しながら上述した送信変調信号２２４によって発生された送信変調を模する信号を発生させることができる。

整流器３１８は、抵抗Ｒ２および接地と直列に接続されたスイッチＳ２Ｂに接続される。整流器３１８はスイッチＳ３Ｂにも接続される。スイッチＳ３Ｂの反対側は、受信デバイス（図示せず）への電力供給、バッテリの充電、またはそれらの組合せのために、受信デバイスにＤＣ電力信号３２２を供給する。

図１３Ａ〜図１３Ｃでは、受信アンテナ３０４のＤＣインピーダンスは、スイッチＳ１Ｂを通して受信アンテナを接地に選択的に結合することによって変化させられる。対照的に、図１４Ａ〜図１４Ｃの実施形態では、受信アンテナ３０４のＡＣインピーダンスが変化するようにスイッチＳ１Ｂ、Ｓ２Ｂ、およびＳ３Ｂの状態を修正することによって、アンテナのインピーダンスを修正して逆方向リンクシグナリングを発生させることができる。図１４Ａ〜図１４Ｃでは、受信アンテナ３０４の共振周波数は、キャパシタＣ２を用いて同調させることができる。したがって、スイッチＳ１Ｂを使用してキャパシタＣ１を通して受信アンテナ３０４を選択的に結合することによって受信アンテナ３０４のＡＣインピーダンスを変更し、共振回路を、送信アンテナと最適に結合する範囲の外側にある異なる周波数に本質的に変更することができる。受信アンテナ３０４の共振周波数がほぼ送信アンテナの共振周波数であり、受信アンテナ３０４が送信アンテナの近距離場にある場合、受信機が放射界１０６からかなりの電力を引き出すことができる結合モードが生じる。

図１４Ａでは、スイッチＳ１Ｂは閉じており、受信アンテナが送信アンテナの周波数で共振しないので、アンテナを離調し、送信アンテナ２０４による検出から受信アンテナ３０４を本質的に「クローキングする」「ＡＣクローキング状態」を生成する。受信アンテナが結合モードにないので、スイッチＳ２ＢおよびＳ３Ｂの状態は、本議論には特に重要ではない。

図１４Ｂでは、スイッチＳ１Ｂは開いており、スイッチＳ２Ｂは閉じており、スイッチＳ３Ｂは開いており、受信アンテナ３０４の「同調ダミー負荷状態」を生成する。スイッチＳ１Ｂが開いているので、キャパシタＣ１は共振回路に寄与せず、キャパシタＣ２と組み合わせた受信アンテナ３０４は、送信アンテナの共振周波数と整合することができる共振周波数にある。開いたスイッチＳ３Ｂと閉じたスイッチＳ２Ｂとの組合せは、整流器に対する比較的高い電流ダミー負荷を生成し、受信アンテナ３０４を通して、送信アンテナによって感知できるより多くの電力を引き出す。さらに、受信アンテナが送信アンテナから電力を受信する状態にあるので、送信信号３２０を検出することができる。

図１４Ｃでは、スイッチＳ１Ｂは開いており、スイッチＳ２Ｂは開いており、スイッチＳ３Ｂは閉じており、受信アンテナ３０４の「同調動作状態」を生成する。スイッチＳ１Ｂが開いているので、キャパシタＣ１は共振回路に寄与せず、キャパシタＣ２と組み合わせた受信アンテナ３０４は、送信アンテナの共振周波数と整合することができる共振周波数にある。開いたスイッチＳ２Ｂと閉じたスイッチＳ３Ｂとの組合せは、ＤＣｏｕｔ３２２によって電力を供給することができ、送信信号３２０を検出することができる通常動作状態を生成する。

同調動作状態（図１４Ｃ）とＡＣクローキング状態（図１４Ａ）との間のスイッチングによって逆方向リンクシグナリングが達成できる。逆方向リンクシグナリングは、同調ダミー負荷状態（図１４Ｂ）とＡＣクローキング状態（図１４Ａ）との間のスイッチングによっても達成できる。受信機によって消費される電力の量に、送信機中の負荷感知回路によって検出できる差があるので、逆方向リンクシグナリングは、同調動作状態（図１４Ｃ）と同調ダミー負荷状態（図１４Ｂ）との間のスイッチングによっても達成できる。

もちろん、当業者なら、スイッチＳ１Ｂ、Ｓ２Ｂ、およびＳ３Ｂの他の組合せを使用して、クローキングを生成し、逆方向リンクシグナリングを発生させ、受信デバイスに電力を供給することができることを認識されよう。さらに、クローキング、逆方向リンクシグナリング、および受信デバイスへの電力供給のための他の可能な組合せを生成するために、スイッチＳ１ＡおよびＳ１Ｂを図１４Ａ〜図１４Ｃの回路に追加することができる。

したがって、図１２を参照しながら上述したように、結合モードにあるとき、送信機から受信機に信号を送信することができる。さらに、図１３Ａ〜図１３Ｃおよび図１４Ａ〜図１４Ｃを参照しながら上述したように、結合モードにあるとき、受信機から送信機に信号を送信することができる。

図１５Ａ〜図１５Ｃは、上述のシグナリング技法を使用する、送信機と受信機との間の通信のためのメッセージングプロトコルを示すタイミング図である。１つの例示的な手法では、送信機から受信機への信号を本明細書では「順方向リンク」と呼び、通常発振と発振なしとの間の単純なＡＭ変調を使用する。他の変調技法も企図される。非限定的な例として、信号存在を１と解釈し、信号不在を０と解釈することができる。

逆方向リンクシグナリングは、送信機中の負荷感知回路によって検出できる、受信デバイスによって引き出された電力の変調によって行われる。非限定的な例として、高電力状態を１と解釈し、低電力状態を０と解釈することができる。受信機が逆方向リンクシグナリングを実行することができるように、送信機がオンでなければならないことに留意されたい。さらに、受信機は、順方向リンクシグナリング中に逆方向リンクシグナリングを実行してはならない。さらに、２つの受信デバイスが同時に逆方向リンクシグナリングを実行しようと試みた場合、衝突が起こることがあり、それにより送信機が適切な逆方向リンク信号を復号することが、不可能でないとしても困難になる。

本明細書で説明する例示的な実施形態では、シグナリングは、スタートビットと、データバイトと、パリティービットと、ストップビットとをもつＵｎｉｖｅｒｓａｌ Ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｒｅｃｅｉｖｅ Ｔｒａｎｓｍｉｔ（ＵＡＲＴ）シリアル通信プロトコルと同様である。もちろん、どんなシリアル通信プロトコルも、本明細書で説明する本発明の例示的な実施形態を実施するのに好適である。限定としてではなく、説明を簡単にするために、各バイト送信を通信するための期間が約１０ｍＳであるものとして、メッセージングプロトコルについて説明する。

図１５Ａは、メッセージングプロトコルの最も単純で、最も低電力の形態を示す。同期パルス４２０は循環期間４１０（例示的な実施形態では約１秒）ごとに反復される。非限定的な例として、同期パルスオン時間は約４０ｍＳとすることができる。少なくとも同期パルス４２０をもつ循環期間４１０は、送信機がオンの間、無期限に反復できる。同期パルス３５０は、「白」パルス４２０’によって示されるパルス周期の間、一定の周波数とすることができるので、「同期パルス」はいくぶん誤称であることに留意されたい。同期パルス４２０はまた、「ハッチ」パルス４２０によって示される、上述したオン／オフキーイングを用いた共振周波数におけるシグナリングを含むことができる。図１５Ａは、同期パルス４２０中に共振周波数における電力が供給され、電力期間４５０中に送信アンテナがオフである、最小電力状態を示す。すべての受信デバイスは、同期パルス４２０中に電力を受信することが可能である。

図１５Ｂは、同期パルス４２０と、逆方向リンク期間４３０と、電力期間４５０’とをもつ循環期間４１０を示し、送信アンテナはオンであり、共振周波数において発振することによって全電力を供給しており、シグナリングは実行していない。上側のタイミング図は循環期間４１０全体を示し、下側のタイミング図は同期パルス４２０および逆方向リンク期間４３０の分解図を示す。電力期間４５０’は、以下で説明するように、複数の受信デバイスのための異なる期間にセグメント化できる。図１５Ｂは、３つの異なる受信デバイスのための３つの電力セグメントＰｄ１、Ｐｄ２、およびＰｄｎを示す。

順方向リンクシグナリングが行われるとき、同期パルス４２０は、ウォームアップ期間４２２と、順方向リンク期間４２４と、リスニング期間４２６とを含むことができる。リスニング期間４２６は、ハンドオーバ期間４２７と逆方向リンク開始期間４２８とを含むことができる。同期パルス４２０の間、送信機は、（「ハッチ」セクションによって示される）順方向リンク期間４００中に順方向リンクメッセージを送出し、リスニング期間４２６中に受信機からの応答を待つ。図１５Ｂでは、受信機は応答せず、これはリスニング期間４２６中の「白」セクションによって示されている。

図１５Ｃは、受信機が、「クロスハッチ」セクションによって示される逆方向リンク開始期間４２８および逆方向リンク期間４３０中に応答することを除いて図１５Ｂと同様である。図１５では、同期パルス４２０の間、送信機は、順方向リンク期間４００中に順方向リンクメッセージを送出し、リスニング期間４２６中に受信機からの応答を待つ。応答しようとしている受信機は、ハンドオーバ期間４２７の終了の前、逆方向リンク開始期間４２８中、場合によっては逆方向リンク期間４３０中にそれらの応答を開始する。

非限定的な例として、表２に、送信機および受信機によって送信されるいくつかの可能なメッセージを示す。

ただし、
ヌル＝送信コマンドなし
ＤＤ＝デバイス番号
ＴＴ＝デバイスタイプ
ＰＰ＝要求される電力
ｒｒ＝乱数
ｃｃ＝チェックサム
ＮＮ＝タイムスロットの開始、および
ＭＭ＝タイムスロットの終了
表２の説明において、ヌルコマンドは、送信機が順方向リンク期間４２４中にメッセージングを送信しないことを意味する。行２において、送信機は新デバイス照会（ＮＤＱ）を送信する。受信デバイスが応答する場合、受信デバイスは、デバイス番号（デバイス番号が送信機によって割り当てられるまで、新しいデバイスでは０であるはずである）、電力要求、乱数、および受信応答中のすべてのデータビットのチェックサムとともに新デバイス応答（ＮＤＲ）で応答する。

行３において、送信機は、デバイス照会（ＤＱ）をデバイス番号とともに送信する。ＤＱ応答によって指定された受信デバイスは、デバイス番号、デバイスタイプ、要求される電力の量、受信応答中のすべてのデータビットのチェックサムとともに、デバイスステータス（ＤＳ）で応答する。

行４において、送信機は、確認応答（ＡＣＫ）を、前のＤＱに応答した受信機に送出する。受信機はＡＣＫには応答しない。

行５において、送信機は、デバイス番号、電力期間４５０’内の開始時間、電力期間４５０’内の終了時間、および受信応答中のすべてのデータビットのチェックサムとともにスロット割当て（ＳＡ）を送出する。受信機はＳＡには応答しない。

行６において、送信機は、すべての受信機が、それらの割り当てられたタイムスロットの使用を停止しなければならないことを示すリセット（ＲＥＳ）を送出する。受信機はＲＥＳには応答しない。

もちろん、当業者なら、コマンドおよび応答は例示的なものであり、本発明の範囲内で企図される様々な実施形態では、これらのコマンドおよび応答の変形体を使用することができ、本発明の範囲内で追加のコマンドおよび応答が考案できることを認識されよう。

通信がどのように行われるかをさらに示すために、５つの異なるシナリオについて論じる。第１のシナリオでは、最初に送信機の結合モード領域内に受信デバイスはなく、１つの受信デバイスが結合モード領域に入る。結合モード領域中にデバイスが存在しないとき、送信機は、図１５Ａに示すように低電力状態のままであり、循環期間４１０ごとに同期パルス４２０を反復する。同期パルス４２０は順方向リンク期間４２４中にＮＤＱを含み、送信機はリスニング期間４２６中に応答をリッスンする。応答が受信されない場合、送信機は、次の循環期間４１０の同期パルス４２０のための時間まで停止する。

新しい受信デバイスが結合モード領域に導入されたとき、受信デバイスは、最初にオンになり、同期パルス４２０をリッスンする。新しい受信デバイスは、電力のために同期パルス４２０を使用することができるが、電力期間４５０’中にクローキングまたは非電力受信モードに進まなければならない（本明細書では「バスから降りる」と呼ぶ）。さらに、新しい受信デバイスは、送信コマンドをリッスンし、ＮＤＱを除いてすべての送信コマンドを無視する。新しい受信デバイスは、ＮＤＱを受信すると、ハンドオーバ期間４２７、逆方向リンク開始期間４２８、場合によっては逆方向リンク期間４３０の間、オンのままになる。順方向リンク期間４２４後、ハンドオーバ期間４２７の終了の前に、受信デバイスは、デバイスＩＤ０（新しいデバイスＩＤは送信機によって割り当てられる）、電力量要求、乱数およびチェックサムとともにＮＤＲで応答する。新しい受信デバイスは、次いで、電力期間４５０’中にバスから降りる。

送信機がＮＤＲを正しく受信した場合、送信機は、次の同期パルス４２０上で新しい受信デバイスのためのスロット割当て（ＳＡ）で応答する。ＳＡは、新しい受信デバイスのデバイスＩＤと、開始時間と、終了時間と、チェックサムとを含む。このＳＡの開始時間および終了時間は０であり、新しい受信デバイスが電力期間４５０’中のどの時間期間にもバスに乗ってはならないことを示す。新しい受信デバイスは、それがバスに乗ることができるとき、特定の電力セグメントＰｄｎを割り当てる実際の開始時間および終了時間とともに後続のＳＡを受信する。新しい受信デバイスが適切なチェックサムを受信しない場合、新しい受信デバイスは新デバイスモードのままになり、再びＮＤＱに応答する。

第２のシナリオでは、送信機の結合モード領域内に受信デバイスはなく、２つ以上の受信デバイスが結合モード領域に入る。このモードでは、２つの新しい受信デバイスが結合モード領域に導入されたとき、それらは最初にずっとバスに乗っている。新しい受信デバイスは、同期パルス４２０を受信すると、電力のために同期パルス４２０を使用することができるが、電力期間４５０’中にバスから降りなければならない。さらに、新しい受信デバイスは、送信コマンドをリッスンし、ＮＤＱを除いてすべての送信コマンドを無視する。新しい受信デバイスは、ＮＤＱを受信すると、ハンドオーバ期間４２７、逆方向リンク開始期間４２８、場合によっては逆方向リンク期間４３０の間、オンのままになる。順方向リンク期間４２４後、ハンドオーバ期間４２７の終了の前に、受信デバイスは、デバイスＩＤ０（新しいデバイスＩＤは送信機によって割り当てられる）、電力量要求、乱数およびチェックサムとともにＮＤＲで応答する。

しかしながら、２つ以上の受信デバイスが同時に応答しており、異なる乱数およびチェックサムを有する可能性があるので、送信機によって受信されたメッセージは歪曲され、送信機におけるチェックサムは不正確になる。したがって、送信機は、後続の同期パルス４２０上でＳＡを送出しない。

ＮＤＲ後に即時のＳＡが利用できない場合、受信デバイスの各々は、ＮＤＲで応答する前にランダムな数の後続のＮＤＱを待つ。たとえば、２つのデバイスが両方とも第１のＮＤＱに応答すると、後続のＳＡは生じない。デバイス１は、別のＮＤＱに応答する前に４つのＮＤＱを待つことを決定する。デバイス２は、別のＮＤＱに応答する前に２つのＮＤＱを待つことを決定する。したがって、送信機によって送出される次のＮＤＱに対して、どちらのデバイスもＮＤＲで応答しない。送信機によって送出される次のＮＤＱに対して、デバイス２のみがＮＤＲで応答し、送信機は、ＮＤＲをうまく受信し、デバイス２のためのＳＡを送出する。次のＮＤＱに対して、デバイス２は、それがもはや新しいデバイスではないので応答せず、デバイス１は、そのランダムな待機期間が経過していないので応答しない。送信機によって送出される次のＮＤＱに対して、デバイス１のみがＮＤＲで応答し、送信機は、ＮＤＲをうまく受信し、デバイス１のためのＳＡを送出する。

第３のシナリオでは、少なくとも１つの受信デバイスが結合モード領域中にあり、新しい受信デバイスが結合モード領域に入る。このモードでは、新しい受信デバイスが結合モード領域に導入され、最初にずっとバスに乗っている。新しい受信デバイスは、同期パルス４２０を受信すると、電力のために同期パルス４２０を使用することができるが、電力期間４５０’中にバスから降りなければならない。さらに、新しい受信デバイスは、送信コマンドをリッスンし、ＮＤＱを除いてすべての送信コマンドを無視する。周期的に、送信機は、新しいデバイスが結合モード領域に入ったかどうかを確かめるためにＮＤＱを発行する。新しいデバイスは、次いでＮＤＲで応答する。後続の同期パルス４２０上で、送信機は、割り当てられた電力スロットなしの、新しいデバイスのためのＳＡを発行する。送信機は、次いで、結合モード領域中のすべてのデバイスのための電力割振りを再計算し、重複電力セグメントＰｄｎがないように、各デバイスのための新しいＳＡを発生する。各デバイスは、その新しいＳＡを受信した後、その新しいＰｄｎ中にのみバスに乗ることを開始する。

第４のシナリオでは、受信デバイスが結合モード領域に出入りすることなしに通常の電力供給動作が続く。このシナリオの間、送信機は、各デバイスをデバイス照会（ＤＱ）で周期的にピングする。照会されたデバイスはデバイスステータス（ＤＳ）で応答する。ＤＳが異なる電力要求を示した場合、送信機は、結合モード領域中のデバイスの各々に対する電力割振りを再割振りすることができる。送信機はまた、第３のシナリオに関して上記で説明したように、ＮＤＱを周期的に発行する。

第５のシナリオでは、デバイスは結合モード領域から除去される。この「除去された」状態は、デバイスが結合モード領域から物理的に除去されること、デバイスが遮断されること、または、おそらくデバイスがそれ以上の電力を必要としないので、自体をクローキングすることとすることができる。上述のように、送信機は、結合モード領域中のすべてのデバイスに対して周期的にＤＱを送出する。特定のデバイスへの２つの連続するＤＱが有効なＤＳを戻さない場合、送信機は、割り振られたデバイスのそのリストからそのデバイスを除去し、電力期間４５０’を残りのデバイスに再割振りする。送信機はまた、消失したデバイスがまだ受信しているが送信することができない場合、消失したデバイスに０時間の電力割振りを割り当てる。デバイスが間違って電力割振りから除去された場合、デバイスは、適切なＮＤＲでＮＤＱに応答することによって電力割振りを回復することができる。

表３に、通信プロトコルがどのように動作するかを示すために、コマンドおよび応答の非限定的なシーケンスを示す。

新しいデバイスのための最初のスロット割当てはタイムスロットを割り振らないことに留意されたい。各既存デバイスに新しい非重複タイムスロットが割り振られ、次いで、新しいデバイスに、電力を受信するためのタイムスロットが最後に割り振られる。

例示的な一実施形態では、ワイヤレス充電デバイスは、たとえば、デバイスがうまく充電領域に入り、自体をローカル送信機に登録したことを示すライトなどの可視信号をユーザに対して表示することができる。これは、デバイスが実際に充電する準備ができているという肯定のフィードバックをユーザに与える。

本発明の他の例示的な実施形態では、受信機と送信機は、図２に示すように別個の通信チャネル１１９（たとえば、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＺｉｇＢｅｅ、セルラーなど）上で通信することができる。別個の通信チャネルの場合、循環期間は通信期間を含む必要がなく、時間全体を電力期間４５０’に充てることができる。送信機は依然として（別個の通信チャネルを介して通信される）各受信デバイスにタイムスロットを割り振ることができ、各受信デバイスはその割り当てられた電力セグメントＰｄｎの間にバスに乗るだけである。

上述の時分割多重化電力割振りは、送信機の結合モード領域内の複数の受信デバイスに電力を供給するための最も効率的な方法であることがある。しかしながら、他の電力割振りシナリオを本発明の他の実施形態とともに採用することができる。

図１６Ａ〜図１６Ｄは、送信機と１つまたは複数の受信機との間で電力を送信するためのビーコン電力モードを示す簡略ブロック図である。図１６Ａは、受信デバイスがビーコン結合モード領域５１０にないときの低電力「ビーコン」信号５２５を有する送信機５２０を示す。ビーコン信号５２５は、非限定的な例として、約１０〜約２０ｍＷ ＲＦの範囲内などにあるとすることができる。この信号は、充電すべきデバイスが結合モード領域中に配置されたとき、デバイスに初期電力を供給するのに十分である。

図１６Ｂは、ビーコン信号５２５を送信している送信機５２０のビーコン結合モード領域５１０内に配置された受信デバイス５３０を示す。受信デバイス５３０がオンであり、送信機との結合を生じる場合、受信デバイス５３０は、まさに受信機がビーコン信号５２５から電力を受容する逆方向リンク結合５３５を発生する。この追加の電力は、送信機の負荷感知回路２１６（図１２）によって感知できる。したがって、送信機は高電力モードに進むことができる。

図１６Ｃは、高電力信号５２５’を発生し、高電力結合モード領域５１０’を生じている送信機５２０を示す。受信デバイス５３０が電力を受容しており、その結果、逆方向リンク結合５３５を発生している限り、送信機は高電力状態のままである。ただ１つの受信デバイス５３０が示されているが、複数の受信デバイス５３０が結合モード領域５１０中に存在することができる。複数の受信デバイス５３０がある場合、それらは、各受信デバイス５３０がどのくらい良好に結合されるかに基づいて、送信機によって送信される電力の量を共有する。たとえば、結合効率は、図８および図９を参照しながら上記で説明したように、デバイスが結合モード領域５１０内のどこに配置されるかに応じて、受信デバイス５３０ごとに異なることがある。

図１６Ｄは、受信デバイス５３０がビーコン結合モード領域５１０中にあるときでも、ビーコン信号５２５を発生している送信機５２０を示す。受信デバイス５３０が遮断されたとき、またはおそらく受信デバイス５３０がそれ以上の電力を必要としないので、デバイスが自体をクローキングするとき、この状態が起こることがある。

時間多重化モードの場合と同様に、受信機と送信機は、別個の通信チャネル（たとえば、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、ＺｉｇＢｅｅなど）上で通信することができる。別個の通信チャネルの場合、送信機は、結合モード領域５１０中の受信デバイスの数とそれらのそれぞれの電力要件とに基づいて、ビーコンモードと高電力モードとの間でいつ切り替えるべきかを判断し、または複数の電力レベルを生成することができる。

本発明の例示的な実施形態は、リピータとして働き、送信アンテナから受信アンテナに向かう電力のフローを強調する追加のアンテナを、結合されたアンテナのシステムに導入することによって、２つのアンテナ間の近距離場電力伝達における比較的大きい送信アンテナと小さい受信アンテナとの間の結合を強調することを含む。

例示的な一実施形態では、システム中の送信アンテナと受信アンテナとに結合する１つまたは複数の余分のアンテナが使用される。これらの余分のアンテナは、アクティブまたはパッシブアンテナなどのリピータアンテナを備える。パッシブアンテナは単に、アンテナループと、アンテナの共振周波数を同調させるための容量性素子とを含むことができる。能動素子は、アンテナループおよび１つまたは複数の同調キャパシタに加えて、反復近距離場放射の強度を増加させるための増幅器を含むことができる。

非常に小さい受信アンテナへの電力の結合が、終端負荷、同調構成要素、共振周波数、および送信アンテナに対するリピータアンテナの配置などのファクタに基づいて強調されるように、電力伝達システム中の送信アンテナとリピータアンテナとの組合せを最適化することができる。

単一の送信アンテナは有限の近距離場結合モード領域を呈する。したがって、送信アンテナの近距離場結合モード領域中の受信機を通して充電するデバイスのユーザは、法外に高いまたは少なくとも不都合であろう相当なユーザアクセススペースを必要とすることがある。さらに、結合モード領域は、受信アンテナが送信アンテナから離れて移動するにつれて急速に減少することがある。

リピータアンテナは、送信アンテナから結合モード領域を再収束させ、再整形して、リピータアンテナの周りに第２の結合モード領域を生成することができ、エネルギーを受信アンテナに結合するのにより好適である。

図１７Ａに、大きい送信アンテナ７１０Ａと、送信アンテナ７１０Ａと共面に、送信アンテナ７１０Ａの周囲内に配設されたより小さいリピータアンテナ７２０Ａとを示す。送信アンテナ７１０Ａとリピータアンテナ７２０Ａは両方ともテーブル７４０上に形成される。受信アンテナ７３０Ａを含むデバイスはリピータアンテナ７２０Ａの周囲内に配置される。極めて大きいアンテナの場合、送信アンテナ７１０Ａの中心の近くに比較的弱い結合モード領域のエリアがあることがある。極めて小さい受信アンテナ７３０Ａに結合しようと試みるとき、この弱い領域の存在が特に顕著になることがある。送信アンテナ７１０Ａと共面に配置され、サイズがより小さいリピータアンテナ７２０Ａは、送信アンテナ７１０Ａによって発生された結合モード領域を、リピータアンテナ７２０Ａの周りのより小さく、より強い反復結合モード領域に再集束させることが可能である。したがって、比較的強い反復近距離場放射が受信アンテナ７３０Ａのために利用可能である。

図１７Ｂに、送信アンテナ７１０Ｂと、送信アンテナ７１０Ｂに対して同軸配置されたより大きいリピータアンテナ７２０Ｂとを示す。受信アンテナ７３０Ｂを含むデバイスはリピータアンテナ７２０Ｂの周囲内に配置される。送信アンテナ７１０Ｂはランプシェード７４２の下縁周囲の周りに形成され、リピータアンテナ７２０Ｂはテーブル７４０上に配設される。同軸配置の場合を思い出すと、近距離場放射は、アンテナの平面から離れた距離に対して比較的急速に減少することがある。したがって、送信アンテナ７１０Ｂに対する同軸配置で配置された小さい受信アンテナ７３０Ｂは、弱い結合モード領域中にあることがある。しかしながら、送信アンテナ７１０Ｂと同軸に配置された大きいリピータアンテナ７２０Ｂは、送信アンテナ７１０Ｂの結合モード領域を、リピータアンテナ７２０Ｂの周りの異なる場所において別の結合モード領域に再整形することが可能である。したがって、比較的強い反復近距離場放射が、リピータアンテナ７２０Ｂと共面に配置された受信アンテナ７３０Ｂのために利用可能である。

図１８Ａに、大きい送信アンテナ７１０Ｃと、送信アンテナ７１０Ｃと共面に、送信アンテナ７１０Ｃの周囲内に配設された３つのより小さいリピータアンテナ７２０Ｃとを示す。送信アンテナ７１０Ｃとリピータアンテナ７２０Ｃはテーブル７４０上に形成される。受信アンテナ７３０Ｃを含む様々なデバイスは、送信アンテナ７１０Ｃおよびリピータアンテナ７２０Ｃ内の様々なロケーションに配置される。図１７Ａに示す実施形態の場合と同様に、図１８Ａの実施形態は、送信アンテナ７１０Ｃによって発生された結合モード領域を、リピータアンテナ７２０Ｃの各々の周りのより小さく、より強い反復結合モード領域に再収束させることが可能である。したがって、比較的強い反復近距離場放射が受信アンテナ７３０Ｃのために利用可能である。受信アンテナのいくつかは任意のリピータアンテナ７２０Ｃの外側に配置される。結合モード領域がアンテナの周囲の外側にいくぶん広がっていることを思い出されたい。したがって、受信アンテナ７３０Ｃは、送信アンテナ７１０Ｃならびに近くのリピータアンテナ７２０Ｃの近距離場放射から電力を受信することが可能である。したがって、任意のリピータアンテナ７２０Ｃの外側に配置された受信アンテナは、依然として、送信アンテナ７１０Ｃならびに近くのリピータアンテナ７２０Ｃの近距離場放射から電力を受信することが可能である。

図１８Ｂに、大きい送信アンテナ７１０Ｄと、送信アンテナ７１０Ｄに対してオフセット同軸配置およびオフセット共面配置されたより小さいリピータアンテナ７２０Ｄとを示す。受信アンテナ７３０Ｄを含むデバイスは、リピータアンテナ７２０Ｄのうちの１つの周囲内に配置される。非限定的な例として、送信アンテナ７１０Ｄは天井７４６に配設でき、リピータアンテナ７２０Ｄはテーブル７４０上に配設できる。図１７Ｂの実施形態の場合と同様に、オフセット同軸配置のリピータアンテナ７２０Ｄは、送信機アンテナ７１０Ｄからの近距離場放射をリピータアンテナ７２０Ｄの周りの反復近距離場放射に再整形し、強調することが可能である。したがって、比較的強い反復近距離場放射が、リピータアンテナ７２０Ｄと共面に配置された受信アンテナ７３０Ｄのために利用可能である。

概して表面上にある様々な送信アンテナおよびリピータアンテナを示したが、これらのアンテナは、表面の下（たとえば、テーブルの下、床の下、壁の後ろ、または天井の後ろ）に、または表面内（たとえば、テーブルの上面板、壁、床、または天井）にも配設できる。

図１９に、送信アンテナとリピータアンテナと受信アンテナとの間の結合強度を示すシミュレーション結果を示す。送信アンテナとリピータアンテナと受信アンテナは、約１３．５６ＭＨｚの共振周波数を有するように同調させられる。

曲線８１０は、様々な周波数において送信アンテナに供給される総電力のうち、送信アンテナから送信される電力の量の測度を示す。同様に、曲線８２０は、様々な周波数において受信アンテナの端子の近傍で利用可能な総電力のうち、リピータアンテナを通して受信アンテナによって受信される電力の量の測度を示す。最後に、曲線８３０は、様々な周波数においてリピータアンテナを通して送信アンテナと受信アンテナとの間で実際に結合される電力の量を示す。

約１３．５６ＭＨｚに対応する曲線８３０のピークでは、送信機から送信された大量の電力が受信機において利用可能であり、送信アンテナとリピータアンテナと受信アンテナとの組合せの間の高度の結合を示すことがわかる。

図２０Ａに、リピータアンテナがない場合の、送信アンテナと、送信アンテナに対して同軸配置で配設された受信アンテナとの間の結合強度を示すシミュレーション結果を示す。送信アンテナと受信アンテナは、約１０ＭＨｚの共振周波数を有するように同調させられる。このシミュレーションにおける送信アンテナは一辺が約１．３メートルであり、受信アンテナは一辺が約３０ｍｍの多重ループアンテナである。受信アンテナは、送信アンテナの平面から約２メートル離れて配置される。曲線８１０Ａは、様々な周波数において送信アンテナの端子に供給される総電力のうち、送信アンテナから送信される電力の量の測度を示す。同様に、曲線８４０は、様々な周波数において受信アンテナの端子の近傍で利用可能な総電力のうち、受信アンテナによって受信される電力の量の測度を示す。最後に、曲線８３０Ａは、様々な周波数において送信アンテナと受信アンテナとの間で実際に結合される電力の量を示す。

図２０Ｂに、リピータアンテナがシステム中に含まれる場合の図２０Ａの送信アンテナと受信アンテナとの間の結合強度を示すシミュレーション結果を示す。送信アンテナおよび受信アンテナは図２０Ａの場合と同じサイズおよび配置である。リピータアンテナは、一辺が約２８ｃｍであり、受信アンテナと共面に（すなわち、送信アンテナの平面から約０．１メートル離れて）配置される。図２０Ｂでは、曲線８１０Ｂは、様々な周波数において送信アンテナの端子に供給される総電力のうち、送信アンテナから送信される電力の量の測度を示す。曲線８２０Ｂは、様々な周波数において受信アンテナの端子の近傍で利用可能な総電力のうち、リピータアンテナを通して受信アンテナによって受信される電力の量を示す。最後に、曲線８３０Ｂは、様々な周波数においてリピータアンテナを通して送信アンテナと受信アンテナとの間で実際に結合される電力の量を示す。

図２０Ａおよび図２０Ｂから結合された電力（８３０Ａと８３０Ｂ）を比較すると、リピータアンテナなしの場合、結合された電力８３０Ａは約−３６ｄＢにおいてピークに達することがわかる。一方、リピータアンテナがある場合、結合された電力８３０Ｂは約−５ｄＢにおいてピークに達する。したがって、共振周波数の近くでは、リピータアンテナの包含により、受信アンテナのために利用可能な電力の量が著しく増加する。

上述のように、受信アンテナおよび送信アンテナは、それらが互いに密結合されている互いの近距離場およびそれらのローカル環境において動作するように設計される。これは、（充電を必要とする他のデバイスを含むことができる）他の構造との間でのＲＦエネルギーの結合および散乱が、送信アンテナと受信アンテナの両方の駆動点インピーダンスに影響を及ぼす可能性があることを意味する。送信機電子回路および／または受信電子回路とそれらのそれぞれのアンテナポートとの間の不十分なインピーダンス整合は、その２つの間の電力伝達のレベルの劣化を引き起こす可能性がある。さらに、ローカル環境は時間とともに変化する（近くのデバイスおよび構造が除去または追加される）ので、劣化も時間に依存する可能性がある。本発明の例示的な実施形態は、この変化する環境に応答してインピーダンス整合を適応的に改善し、それによってデバイス間の電力伝達およびデバイスを充電するための全体的な時間を改善する機能を有する。

本発明の例示的な実施形態は、送信電子回路と送信アンテナとの間または受信機電子回路と受信機アンテナとの間のインピーダンス整合を適応的に最適化することが可能なＲＦ回路トポロジを含む。これらの適応は、送信アンテナと受信機アンテナとの間の電力結合を最適化するようにローカル環境に対して自己調節する方法で実行される。

本発明の例示的な実施形態は、この適応同調機能を達成するために、アンテナに接続された帰還機構および可変キャパシタを使用する。非限定的な例として、適応同調を使用して、送信アンテナと受信アンテナとの間、送信アンテナとリピータアンテナとの間、リピータアンテナと受信アンテナとの間、またはそれらの組合せの近距離場放射の結合を最適化することができる。さらに、追加の受信アンテナが送信アンテナの結合モード領域中に配置されたとき、適応同調機能を使用して、送信アンテナ、受信アンテナ、またはそれらの組合せを同調させることができる。

図２１Ａ〜図２１Ｃは、それぞれ、Ｔ型ネットワーク、Ｌ型ネットワーク、π型ネットワークを使用する、アンテナのための適応同調回路の簡略ブロック図である。図２１Ａ〜図２１Ｃは、放射界１０６を受信または送信するための特性インピーダンスＬ１をもつアンテナ９０４を含む。アンテナは、電圧定在波比（ＶＳＷＲ）検出器９２０と総称的に９５０として示される可変キャパシタネットワークとの間で信号を分割するための結合器９１０に接続される。特に、図２１Ａでは、可変キャパシタネットワーク９５０ＴがＴ型ネットワーク中に構成され、図２１Ｂでは、可変キャパシタネットワーク９５０ＬがＬ型ネットワーク中に構成され、図２１Ｃでは、可変キャパシタネットワーク９５０Ｐがπ型ネットワーク中に構成される。ＶＳＷＲ検出器９２０は、制御信号を使用して可変キャパシタの各々を制御するコントローラ９３０に接続される。ＲＦ信号９５５は、アンテナ９０４が受信機の一部であるか、送信機の一部であるか、リピータの一部であるかに応じて、追加の回路（図示せず）に結合する。

動作中、結合器９１０からのＲＦ信号がＶＳＷＲ検出器９２０を給電する。非限定的な例として、ＶＳＷＲ検出器９２０は、反射信号の大きさに比例する電圧を発生するダイオード電力検出器回路とすることができる。アンテナにおける大きい反射信号は、アンテナ９０４が非効率的に動作していることを示す。この比例電圧はコントローラ９３０によって読み取られる。コントローラは、可変キャパシタネットワーク９５０と結合されたアンテナ９０４の特性インピーダンスＬ１を備えるＬ−Ｃネットワークの特性を分析するためのソフトウェアを含む。比例電圧に基づいて、コントローラ９３０は、制御信号を使用して可変容量ネットワークのキャパシタンス値を調整する。

図２１Ａの場合、制御信号は、Ｔ型ネットワーク中に構成された可変キャパシタＶＣ１Ａ、ＶＣ２Ａ、およびＶＣ３Ａのキャパシタンスを調整することができる。図２１Ｂの場合、制御信号は、Ｌ型ネットワーク中に構成された可変キャパシタＶＣ１ＢおよびＶＣ２Ｂのキャパシタンスを調整することができる。図２１Ｃの場合、制御信号は、Ｐｉ型ネットワーク中に構成された可変キャパシタＶＣ１Ｃ、ＶＣ２Ｃ、およびＶＣ３Ｃのキャパシタンスを調整することができる。

可変キャパシタのこの調整は帰還ループを閉じる。ＶＳＷＲ検出器９２０からの比例電圧は、アンテナ９０４における新しい反射特性に基づいて調整され、コントローラ９３０は、新しい比例電圧をサンプリングし、制御信号を修正して可変キャパシタネットワーク９０５を再び調整する。帰還ループは、アンテナ９０４における反射電力を最小限に抑えるために監視および調整を継続し、アンテナ９０４から供給される電力を最大にする。

図２２は、送信アンテナ９０４における電力消費量に基づく送信アンテナ９０４のための適応同調回路の簡略ブロック図である。発振器９２２は、電力入力ＶｄｓによってＰＡセンサ９４０から電力を受信する電力増幅器９２４を駆動する。ＰＡセンサ９４０はコントローラ９３０を給電し、コントローラ９３０は、制御信号を発生して、可変キャパシタネットワーク９５０Ｐ中の可変キャパシタ（ＶＣ１Ｃ、ＶＣ２Ｃ、およびＶＣ３Ｃ）を調整する。

送信アンテナにおける反射エネルギーの変化を監視する代わりに、図２２の実施形態は、近距離場放射１０６から消費される電力の変化を検出する。消費される電力が変化するにつれて、アンテナにおける反射エネルギーは変化し、これは可変キャパシタネットワーク９５０Ｐを調整することによって最小限に抑えることができる。帰還機構は、ＶＳＷＲではなくアンテナ非効率を判断するために、消費される電力を監視することを除いて、図２１Ａ〜図２１Ｃの実施形態の場合と同様に動作する。もちろん、図示されていないが、当業者なら、図２１Ａ〜図２１Ｃに示した可変キャパシタネットワークのいずれかを図２２の実施形態に使用することができることを認識されよう。さらに、他の適切な可変キャパシタネットワークを、図２１Ａ〜図２１Ｃおよび図２２の実施形態のいずれかとともに使用することができる。

図２３Ａおよび図２３Ｂは、可変キャパシタネットワークの例示的な実施形態を示す簡略化された回路図である。図２３Ａでは、可変キャパシタは、Ｌ型ネットワーク９５０Ｌ中に構成されたスイッチトキャパシタとして実装される。したがって、Ｌ（ＲＸ／ＴＸ）はアンテナの特性インピーダンスであり、Ｃ１１、Ｃ１２、．．．Ｃ１ｎは可変キャパシタＶＣ１Ｂを形成し、Ｃ２１、Ｃ２２、．．．Ｃ２ｍは可変キャパシタＶＣ２Ｂを形成する。Ｚ（負荷）は、ネットワークに対する負荷をモデル化する。１：ｎ復号器はＶＣ１Ｂキャパシタへのスイッチを制御し、１：ｍ復号器はＶＣ２Ｂキャパシタへのスイッチを制御する。したがって、キャパシタンスの可変量が選択できる。キャパシタは、すべて同じキャパシタンスを有するように構成するか、２進重みを有するように構成するか、または他の好適な重みとともに構成できる。

図２３Ｂでは、可変キャパシタは、Ｔ型ネットワーク９５０Ｔ中に構成されたバラクタ（すなわち、逆バイアスされた可変キャパシタンスダイオード）として実装される。したがって、制御信号９３５は、ダイオードＶ１１、Ｖ１２、Ｖ２１、Ｖ２２、Ｖ３１、およびＶ３２に対するバイアスを調整することによって、可変キャパシタＶＣ１Ａ、ＶＣ２Ａ、およびＶＣ３Ａのキャパシタンスを調整するために使用されるアナログ信号である。バイアスが調整されると、組み合わせられた逆方向ダイオード（すなわち、Ｖ１１−Ｖ１２、Ｖ２１−Ｖ２２、およびＶ３１−Ｖ３２）の見掛けのキャパシタンスが調整される。

他のタイプの可変キャパシタを使用して、可変キャパシタネットワークを実装することができる。非限定的な例として、可変キャパシタネットワークのいずれかのための可変キャパシタとして使用できる可変キャパシタ微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）可変キャパシタが最近提案された。さらに、所与の可変キャパシタネットワーク中で２つ以上のタイプの可変キャパシタを使用することができる。

図２４Ａおよび図２４Ｂは、それぞれ、適応同調前および適応同調後の、近距離結合された送信アンテナと受信アンテナのシミュレーション結果を示す図である。図２４Ａでは、曲線８６０Ａは、様々な周波数において送信アンテナから送信されない電力の量（すなわち、反射減衰量）を示す。同様に、曲線８７０Ａは、様々な周波数において受信アンテナによって受信されない電力の量（すなわち、反射減衰量）を示す。最後に、曲線８８０Ａは、様々な周波数において送信アンテナと受信アンテナとの間で実際に結合される電力の量を示す。図２４Ａでわかるように、送信アンテナは、約１３．５６ＭＨｚの共振周波数における曲線中の比較的小さいディップによって示されるように、十分に同調されていない。

図２４Ｂでは、曲線８６０Ｂは、様々な周波数において送信アンテナから送信されない電力の量を示す。同様に、曲線８７０Ｂは、様々な周波数において受信アンテナによって受信されない電力の量を示す。最後に、曲線８８０Ｂは、様々な周波数において送信アンテナと受信アンテナとの間で実際に結合される電力の量を示す。わかるように、送信アンテナは、約１３．５６ＭＨｚの共振周波数における著しいディップによって示されるように、はるかに良好に同調させられる。図２４Ｂの曲線８８０Ｂによって示される結合されたエネルギーは、図２４Ａの結合されたエネルギー８８０Ａに対して著しく高くはない。しかしながら、これは、たとえば、別の受信アンテナの存在、送信アンテナに対する受信アンテナの配置、または不適当に同調された受信アンテナなどの他のファクタに起因することがある。

したがって、受信アンテナと送信アンテナの両方において適応同調を用いるシステムでは、アンテナは環境の変化に適応するように連続的に同調させられ、同調は他のアンテナにおいても変化する。たとえば、図２４ＡＡＡの曲線８６０Ａは、受信アンテナが、図２４Ｂの曲線８６０Ｂによって示される場合と同様には同調されないことを示す。ここで、同調の変化は、送信アンテナにおける同調の変化の結果であることがある。したがって、適応同調を用いる受信アンテナは、より良好な同調を達成しようと試み、送信アンテナと受信アンテナとの間により多くの結合を生じる。

上述のように、受信アンテナおよび送信アンテナとともに使用される適応同調ネットワークと同様の適応同調ネットワークを、送信アンテナと受信アンテナとリピータアンテナとの間の電力結合をさらに強調するために使用することができる。リピータの場合、（図１１において要素３０８および３１０によって示される）ＲＦ−ＤＣ変換回路は、リピータアンテナ構造に一体化され、ＲＦ電力をＤＣ電力に変換するために使用できる。このＤＣ電力を電源として使用して、リピータ適応同調ネットワーク、ならびにアクティブリピータ中の他の能動素子を制御することができる。このようにして、アクティブリピータアンテナへのコード付き電源はなくてよい。例示的な一実施形態では、リピータおよび実際的であれば受信機アンテナ上に一連の３〜４つのＬＥＤを一体化して、各々が送信機アンテナの範囲内にあるときを示すことができる。

情報および信号は様々な異なる技術および技法のいずれかを使用して表すことができることを、当業者は理解されよう。たとえば、上記の説明全体にわたって言及されるデータ、命令、コマンド、情報、信号、ビット、シンボル、およびチップは、電圧、電流、電磁波、磁界または磁性粒子、光場または光学粒子、あるいはそれらの任意の組合せによって表すことができる。

さらに、本明細書で開示した実施形態に関して説明した様々な例示的な論理ブロック、モジュール、回路、およびアルゴリズムステップは、電子ハードウェア、コンピュータソフトウェア、または両方の組合せとして実装できることを当業者なら諒解されよう。ハードウェアとソフトウェアのこの互換性を明確に示すために、様々な例示的な構成要素、ブロック、モジュール、回路、およびステップを、上記では概してそれらの機能に関して説明した。そのような機能をハードウェアとして実装するか、ソフトウェアとして実装するかは、特定の適用例および全体的なシステムに課される設計制約に依存する。当業者は、説明した機能を特定の適用例ごとに様々な方法で実装することができるが、そのような実装の決定は、本発明の範囲からの逸脱を生じるものと解釈すべきではない。

本明細書で開示した実施形態に関連して説明した様々な例示的な論理ブロック、モジュール、および回路は、汎用プロセッサ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）または他のプログラマブル論理デバイス、個別ゲートまたはトランジスタロジック、個別ハードウェア構成要素、あるいは本明細書に記載の機能を実行するように設計されたそれらの任意の組合せを用いて実装または実行できる。汎用プロセッサはマイクロプロセッサとすることができるが、代替として、プロセッサは、任意の従来のプロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ、または状態機械とすることができる。プロセッサは、コンピューティングデバイスの組合せ、たとえば、ＤＳＰとマイクロプロセッサとの組合せ、複数のマイクロプロセッサ、ＤＳＰコアと連携する１つまたは複数のマイクロプロセッサ、あるいは任意の他のそのような構成として実装することもできる。

本明細書で開示する実施形態に関して説明する方法またはアルゴリズムのステップは、直接ハードウェアで実施するか、プロセッサによって実行されるソフトウェアモジュールで実施するか、またはその２つの組合せで実施することができる。ソフトウェアモジュールは、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、フラッシュメモリ、読取り専用メモリ（ＲＯＭ）、電気的プログラマブルＲＯＭ（ＥＰＲＯＭ）、電気的消去可能プログラマブルＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭ）、レジスタ、ハードディスク、リムーバブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、または当技術分野で知られている任意の他の形態の記憶媒体中に常駐することができる。例示的な記憶媒体は、プロセッサが記憶媒体から情報を読み取り、記憶媒体に情報を書き込むことができるように、プロセッサに結合される。代替として、記憶媒体はプロセッサに一体化することができる。プロセッサおよび記憶媒体はＡＳＩＣ中に常駐することができる。ＡＳＩＣはユーザ端末中に常駐することができる。代替として、プロセッサおよび記憶媒体は、ユーザ端末中に個別構成要素として常駐することができる。

１つまたは複数の例示的な実施形態では、説明した機能はハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、またはその任意の組合せで実装できる。ソフトウェアで実装する場合、機能は、１つまたは複数の命令またはコードとしてコンピュータ可読媒体上に記憶するか、あるいはコンピュータ可読媒体を介して送信することができる。コンピュータ可読媒体は、ある場所から別の場所へのコンピュータプログラムの転送を可能にする任意の媒体を含む、コンピュータ記憶媒体と通信媒体の両方を含む。記憶媒体は、コンピュータによってアクセスできる任意の利用可能な媒体でよい。限定ではなく例として、そのようなコンピュータ可読媒体は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭもしくは他の光ディスク記憶装置、磁気ディスク記憶装置もしくは他の磁気記憶デバイス、または命令もしくはデータ構造の形態の所望のプログラムコードを担持または記憶するために使用でき、コンピュータによってアクセスできる任意の他の媒体を備えることができる。また、いかなる接続もコンピュータ可読媒体と適切に呼ばれる。たとえば、ソフトウェアが、同軸ケーブル、光ファイバケーブル、ツイストペア、デジタル加入者回線（ＤＳＬ）、または赤外線、無線、およびマイクロ波などのワイヤレス技術を使用して、ウェブサイト、サーバ、または他のリモートソースから送信される場合、同軸ケーブル、光ファイバケーブル、ツイストペア、ＤＳＬ、または赤外線、無線、およびマイクロ波などのワイヤレス技術は、媒体の定義に含まれる。本明細書で使用するディスク（disk）およびディスク（disc）は、コンパクトディスク（disc）（ＣＤ）、レーザディスク（disc）、光ディスク（disc）、デジタル多用途ディスク（disc）（ＤＶＤ）、フロッピー（登録商標）ディスク（disk）およびブルーレイディスク（disc）を含み、ディスク（disk）は、通常、データを磁気的に再生し、ディスク（disc）は、データをレーザで光学的に再生する。上記の組合せもコンピュータ可読媒体の範囲内に含めるべきである。

開示した例示的な実施形態の前述の説明は、当業者が本発明を実施または使用できるようにするために提供されるものである。これらの例示的な実施形態への様々な修正は当業者には容易に明らかであり、本明細書で定義した一般原理は、本発明の趣旨または範囲から逸脱することなく他の実施形態に適用できる。したがって、本発明は、本明細書で示した実施形態に限定されるものではなく、本明細書で開示した原理および新規の特徴に合致する最も広い範囲を与えられるべきである。

Claims (23)

1. ＲＦ信号を発生するために、送信アンテナによって発生された近距離場放射を介して前記送信アンテナと結合するための受信アンテナと、
   前記受信アンテナにおける不整合の程度を示す不整合信号を発生するために、前記受信アンテナに動作可能に結合された電圧定在波比検出器と、
   前記不整合信号を分析し、それに応答して制御信号を発生するために、前記不整合信号に動作可能に結合されたコントローラと、
   前記制御信号に動作可能に結合され、前記受信アンテナと前記ＲＦ信号との間に動作可能に結合された可変キャパシタネットワークであって、前記制御信号に応答して前記可変キャパシタネットワークのキャパシタンスを修正することによって前記受信アンテナの共振特性と前記可変キャパシタネットワークとを修正するための可変キャパシタネットワークと
   を備えるワイヤレス電力受信機。
2. 前記可変キャパシタネットワークが、Ｔ型ネットワークとＬ型ネットワークとπ型ネットワークとからなる群から選択されたネットワークを備える、請求項１に記載のワイヤレス電力受信機。
3. 前記可変キャパシタネットワークが複数の可変キャパシタを備え、各可変キャパシタが前記制御信号のうちの制御信号によって制御され、各キャパシタのキャパシタンスがその対応する制御信号に応答して調整される、請求項１に記載のワイヤレス電力受信機。
4. 前記複数の各可変キャパシタが、並列に動作可能に結合された複数のスイッチトキャパシタを備え、各スイッチトキャパシタが、直列に動作可能に結合されたスイッチとキャパシタとを備え、各スイッチトキャパシタが、それに動作可能に結合された前記制御信号に応答して前記可変キャパシタ中に選択的に含まれる、請求項３に記載のワイヤレス電力受信機。
5. 前記複数の各可変キャパシタが、少なくとも１つのバラクタのためのバイアス制御として働く対応する制御信号に動作可能に結合された前記少なくとも１つのバラクタを備え、前記少なくとも１つのバラクタが、逆方向バイアスバラクタダイオードとＭＥＭＳ可変キャパシタとからなる群から選択される、請求項３に記載のワイヤレス電力受信機。
6. 受信アンテナに結合するための近距離場放射を発生させるための送信アンテナと、
   前記送信アンテナにおける不整合の程度を示す不整合信号を発生するために、前記送信アンテナに動作可能に結合された電圧定在波比検出器と、
   前記不整合信号を分析し、それに応答して制御信号を発生するために、前記不整合信号に動作可能に結合されたコントローラと、
   前記制御信号に動作可能に結合され、前記送信アンテナとＲＦ信号との間に動作可能に結合された可変キャパシタネットワークであって、前記制御信号に応答して前記可変キャパシタネットワークのキャパシタンスを修正することによって前記送信アンテナの共振特性と前記可変キャパシタネットワークとを修正するための可変キャパシタネットワークと
   を備えるワイヤレス電力送信機。
7. 前記可変キャパシタネットワークが、Ｔ型ネットワークとＬ型ネットワークとπ型ネットワークとからなる群から選択されたネットワークを備える、請求項６に記載のワイヤレス電力送信機。
8. 前記可変キャパシタネットワークが複数の可変キャパシタを備え、各可変キャパシタが前記制御信号のうちの制御信号によって制御され、各キャパシタのキャパシタンスがその対応する制御信号に応答して調整される、請求項６に記載のワイヤレス電力送信機。
9. 前記複数の各可変キャパシタが、並列に動作可能に結合された複数のスイッチトキャパシタを備え、各スイッチトキャパシタが、直列に動作可能に結合されたスイッチとキャパシタとを備え、各スイッチトキャパシタが、それに動作可能に結合された前記制御信号に応答して前記可変キャパシタ中に選択的に含まれる、請求項８に記載のワイヤレス電力送信機。
10. 前記複数の各可変キャパシタが、少なくとも１つのバラクタのためのバイアス制御として働く対応する制御信号に動作可能に結合された逆方向バイアスダイオードを備える少なくとも１つのバラクタを備える、請求項８に記載のワイヤレス電力送信機。
11. 受信アンテナに結合するための近距離場放射を発生させるための送信アンテナと、
    増幅器に電力を供給するための電力信号をもつ増幅器であって、前記送信アンテナにＲＦ信号を印加するための増幅器と、
    前記増幅器に動作可能に結合され、前記電力信号を介して電流の変化を検出するための負荷感知回路であって、電流の前記変化に応答して負荷指示信号を発生する負荷感知回路と、
    前記負荷指示信号に動作可能に結合され、前記負荷指示信号に応答して制御信号を発生するためのコントローラと、
    前記制御信号に動作可能に結合され、前記送信アンテナと前記ＲＦ信号との間に動作可能に結合された可変キャパシタネットワークであって、前記負荷指示信号に応答して前記可変キャパシタネットワークのキャパシタンスを修正することによって前記送信アンテナの共振特性と前記可変キャパシタネットワークとを修正するための可変キャパシタネットワークと
    を備えるワイヤレス電力送信機。
12. 前記可変キャパシタネットワークが、Ｔ型ネットワークとＬ型ネットワークとπ型ネットワークとからなる群から選択されたネットワークを備える、請求項１１に記載のワイヤレス電力送信機。
13. 前記可変キャパシタネットワークが複数の可変キャパシタを備え、各可変キャパシタが前記制御信号のうちの制御信号によって制御され、各キャパシタのキャパシタンスがその対応する制御信号に応答して調整される、請求項１１に記載のワイヤレス電力送信機。
14. 前記複数の各可変キャパシタが、並列に動作可能に結合された複数のスイッチトキャパシタを備え、各スイッチトキャパシタが、直列に動作可能に結合されたスイッチとキャパシタとを備え、各スイッチトキャパシタが、それに動作可能に結合された前記制御信号に応答して前記可変キャパシタ中に選択的に含まれる、請求項１３に記載のワイヤレス電力送信機。
15. 前記複数の各可変キャパシタが、少なくとも１つのバラクタのためのバイアス制御として働く対応する制御信号に動作可能に結合された逆方向バイアスダイオードを備える少なくとも１つのバラクタを備える、請求項１３に記載のワイヤレス電力送信機。
16. 送信アンテナの近距離場内で結合モード領域を生成するために前記送信アンテナの共振周波数において電磁界を発生させることと、
    実質的に前記共振周波数の近くで共振する受信アンテナを前記結合モード領域内に配設することと、
    前記送信アンテナと前記受信アンテナとからなる群から選択されたチューナブルアンテナを、
    前記チューナブルアンテナにおける電圧定在波比に応答して不整合信号を発生することによって前記チューナブルアンテナにおける不整合を検出することと、
    前記チューナブルアンテナに動作可能に結合された可変キャパシタネットワークのキャパシタンスを調整することによって前記チューナブルアンテナの共振特性を修正することとによって適応同調させることと
    を備える方法。
17. 前記送信アンテナが第１のチューナブルアンテナを備え、前記受信アンテナが第２のチューナブルアンテナを備え、前記不整合を検出する動作と前記共振特性を修正する動作とが前記送信アンテナと前記受信アンテナとに適用される、請求項１６に記載の方法。
18. 前記可変キャパシタネットワークの前記キャパシタンスを調整することが、前記不整合信号に応答して複数のスイッチトキャパシタを選択的に使用可能にすることを備え、前記複数のスイッチトキャパシタが、前記可変キャパシタネットワークを形成するために動作可能に結合される、請求項１６に記載の方法。
19. 前記可変キャパシタネットワークの前記キャパシタンスを調整することが、前記不整合信号に応答して複数のバラクタをバイアスすることを備え、前記複数のバラクタが、前記可変キャパシタネットワークを形成するために動作可能に結合される、請求項１６に記載の方法。
20. 送信アンテナの近距離場内で結合モード領域を生成するために前記送信アンテナの共振周波数において電磁界を発生させるための手段と、
    実質的に前記共振周波数の近くで共振する受信アンテナを用いて、前記結合モード領域内で前記共振周波数を受信するための手段と、
    前記送信アンテナと前記受信アンテナとからなる群から選択されたチューナブルアンテナを、
    前記チューナブルアンテナにおける電圧定在波比に応答して不整合信号を発生することによって前記チューナブルアンテナにおける不整合を検出するための手段と、
    前記チューナブルアンテナに動作可能に結合された可変キャパシタネットワークのキャパシタンスを調整することによって前記チューナブルアンテナの共振特性を修正するための手段とを使用して適応同調させるための手段と
    を備えるワイヤレス電力伝達システム。
21. 前記送信アンテナが、前記不整合を検出するための前記手段と前記共振特性を修正するための前記手段とともに第１のチューナブルアンテナを備え、
    前記受信アンテナが、前記不整合を検出するための前記手段と前記共振特性を修正するための前記手段とともに第２のチューナブルアンテナを備える、請求項２０に記載のシステム。
22. 前記可変キャパシタネットワークの前記キャパシタンスを前記調整することが、前記不整合信号に応答して複数のスイッチトキャパシタを選択的に使用可能にすることを備え、前記複数のスイッチトキャパシタが、前記可変キャパシタネットワークを形成するために動作可能に結合される、請求項２０に記載のシステム。
23. 前記可変キャパシタネットワークの前記キャパシタンスを調整することが、前記不整合信号に応答して複数のバラクタをバイアスすることを備え、前記複数のバラクタが、前記可変キャパシタネットワークを形成するために動作可能に結合される、請求項２０に記載のシステム。

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