JP2015511477A - 無線装置を充電するための可変インピーダンス送信機経路のためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

一実施形態では、方法は、送信機を無線装置に無線により結合させる工程と、第１送信インピーダンスを用いて送信機から無線装置に送信された信号の第１電力伝送値を判定する工程と、第２送信インピーダンスを用いて送信機から無線装置に送信された信号の第２電力伝送値を判定する工程と、第１電力伝送値と第２電力伝送値とに基づいて、第１送信インピーダンスと第２送信インピーダンスとのうちの１つを選択する工程とを備える。

Description

本開示は、一般に、無線装置を充電することに関する。

従来の無線通信装置では、装置に近接したソースから生成される電磁出力を利用して、その装置を充電できる。電磁出力は、高周波数出力の場合もあれば、低周波数出力の場合もある。無線通信装置は、典型的には、大量の貯蔵エネルギを必要とし（典型的には、１００ｍＷｈから７５Ｗｈ）、無線方法を使用して装置を効果的に充電するには、その装置がソースの数ミリメートル内にあることや、装置上のアンテナがその装置のサイズにほぼ等しい面積を有することが必要である。新規な無線装置（ブルートゥース（登録商標）低エネルギのヘッドセット、リモコン、フィットネス装置、時計、医療アクセサリ（ｍｅｄｉｃａｌ ａｃｃｅｓｓｏｒｉｅｓ）や、ＮＦＣ（ｎｅａｒ ｆｉｅｌｄ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）及びＵＨＦ−ＲＦＩＤ（ｕｌｔｒａ ｈｉｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−ｒａｄｉｏ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）のカード、ラベル、及びセンサ等）は、非常に少ない量の電力しか消費せず、複数年有効なバッテリ寿命を有するか、又はバッテリを全く有しない。その比較的低電力の装置に電力を供給して充電するための簡便な機構は、本明細書において説明される少なくともいくつかの実施形態において提供される。

一例の通信システムを示す図。 無線装置を充電するための一例のシステムを示す図。 無線装置において受信される電力を表す一例のプロットを示す図。 ２つの無線装置の間の一例の近距離及び中距離の結合を示す図。 無線装置のインピーダンスを調節することの一例を示す図。 プリント配線板の層へエッチングされる一例のパターンを示す図。 無線装置を充電する時の電力伝送を最適化するための一例の方法を示す図。

一態様によると、ソース装置のインピーダンスを負荷装置と送信経路との組み合わせによって与えられる実効インピーダンスに対してより効果的に整合させることによって、１つの無線通信装置（ソース）から別の無線通信装置（負荷）への近距離及び中距離における電力伝送を最大化するためのシステム及び方法が提供される。

図１は、本発明の一実施形態にしたがった通信システム１００の図である。通信システム１００は、移動体通信基地局１０２と、複数の無線通信装置１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃ，１０４ｄとを備える。基地局は、ＲＦ（無線周波数）出力を含むＲＦ信号１０６を送信する。ＲＦ信号１０６は、無線通信装置１０４ａ−１０４ｄによって受信される。様々な実施形態によると、無線通信基地局１０２は、１つの、より多くの（ｏｎｅ ｍｏｒｅ）携帯電話、タブレット、携帯情報端末、ｉＰｈｏｎｅ（登録商標）、ミュージックプレーヤ、ｉＰｏｄ（登録商標）、ｉＰａｄ（登録商標）、ラップトップ、コンピュータ、又はカメラを含む場合がある。複数の無線通信装置１０４ａ−１０４ｄは、無線通信基地局と同じ装置の種類の場合があるが、ヘッドホン、ヘッドセット（マイクロホン及びイヤホンを含む）、時計、ハートレートモニタ、糖尿病用のモニタ、アクティビティセンサ、又は玩具であってもよい。一実施形態によると、基地局１０２は、電力源に接続されている場合がある。電力源はコンセントの場合がある。

図２は、無線通信基地局又は無線通信装置の送信機２００と、第２装置の電力受信機２３０とを備える通信システムの典型的な実施形態の図である。送信機２００は、直交送信機であり、無線標準規格（ＷｉＦｉ（登録商標）、ＧＳＭ（ｇｌｏｂａｌ ｓｙｓｔｅｍ
ｆｏｒ ｍｏｂｉｌｅ）（登録商標）、３Ｇ、ＬＴＥ（ｌｏｎｇ ｔｅｒｍ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）（登録商標）、ＵＨＦ−ＲＦＩＤ、ブルートゥース、及びＷｉＭａｘ（登録商標）等）に関して使用される送信機と同じ種類であってもよい。直交信号は、実デジタルデータ信号成分２１０と虚デジタルデータ信号成分２１１とを含む。実デジタルデータ２１０と虚デジタルデータ２１１の種類は、使用される符号化及び変調の種類によっては変化し得る。図２に示されているように、実デジタル信号成分２１０は、第１デジタル−アナログ（ＤＡＣ）コンバータ２１２において実アナログ信号成分２１４に変換され、虚デジタル信号成分２１１は、第２デジタル−アナログ（ＤＡＣ）コンバータ２１３において虚アナログ信号成分２１５に変換される。次に、実アナログ信号成分２１４は、第１ミキサ２１７を介して無線周波数（ＲＦ）領域へと変換され、虚アナログ信号成分２１５は、第２ミキサ２１８を介して無線周波数領域へと変換される。一実施形態によると、実デジタル信号成分２１０と虚デジタル信号成分２１１の両方は、ＲＦ領域へとアップコンバートされる前にアナログベースバンド信号に変換される必要のあるデジタル信号である。ミキサ２１７，２１８は、局部発振器２１６から局部発振器信号を受信し、局部発振器信号に実及び虚の複素信号成分の各々を乗算する。一例では、局部発振器信号は、約２．４５ＧＨｚ若しくは５ＧＨｚ（ＷｉＦｉ又はブルートゥースのために使用される）又は別のマイクロ波周波数の範囲にある。実アナログ信号成分２１４と虚アナログ信号成分２１５は、出力信号ｘ（ｔ）２２１を生成するべく２２０において結合される。出力信号ｘ（ｔ）２２１は、増幅器２２２によって増幅される。無線通信基地局上のアンテナ２２３は、増幅された出力を変換し、それを電磁出力２２５として放射する。

電力受信機２３０は、アンテナ２３１と、整流器及び電力調整回路２３２とを備える。通信装置は、ＮＦＣ若しくはＵＨＦ−ＲＦＩＤによる装置又はより大きな無線通信装置におけるこれらのプロトコルのうちの１つに由来する回路の場合があり、受信機２３０は、他の周波数に適合していてもよい。アンテナ２２３とアンテナ２３１が各々他方から十分な範囲内にあれば、十分な電力が送信機２００から受信機２３０へと伝送されることが可能である。一例では、送信機２００は基地局であり、受信機２３０は無線通信装置である。伝送され得る電力の量は、送信機と受信機との間の距離や、送信機信号の波長に伴い相当変化する。一例では、送信される電力は、１０ｍにおける約０．００１％から１０ｃｍにおける約１％まで変化する。

図３は、２００ｍＷのＵＨＦ送信機から１０ｃｍの典型的な受信装置から受信される電力のプロット３００である。一例では、送信機は、受信機を有する装置を充電するのに使用される無線通信基地局である。ｙ軸の単位はｄＢｍである。プロット３００によって、受信機が送信機に近接している場合、無線装置への電力伝送は、周波数に依存して８．９ｄＢ（約７．７倍）差よりも大きく相当変化し得ることが示されている。図１０に示されている周波数範囲にわたって周波数ホッピング又は周波数選択を利用する装置について、装置のための充電時間も、約７．７倍の変化をする（ｖｅｒｙ）であろう。本明細書において提供される少なくともいくつかのシステムでは、トレース線３２０を理想の電力対周波数のトレース線３１０に向かって動かすべく、回路が受信機及び送信機のうちの少なくとも１つに設計される。

図４は、特定の周波数及び空間配向における無線通信基地局４０２と無線通信装置４０４ａ−４０４ｄとの間の近距離及び中距離の結合を示す図である。近距離及び中距離の無線通信では、アンテナ４０５，４１０ａ−４１０ｄと、アンテナ４０５，４１０ａ−４１０ｄに結合される回路との配置及びインピーダンスは、基地局４０２から無線通信装置４
０４ａ−４０４ｄへの電力の伝送に影響を与える。遠距離通信では、受信アンテナと、対応する整合回路とのインピーダンスは、自由空間のインピーダンス（Ｚ_０＝１／ε_０ｃ；
（１））に共役整合させられている。ここで、ε_０は自由空間の誘電率であり（すなわち、約８．８５４×１０^−１２）、ｃは光速（２９９７９２４５８ｍ／ｓ）である。したがって、Ｚ_０は、約３７６．７Ωである。送信機と受信機とを接続するインピーダンスがゼロの場合（例えば、送信機と受信機とが有線接続される場合）、受信機のインピーダンスは、送信機のほぼ複素共役である（Ｚ_Ｒ（ｆ）＝Ｚ_Ｔ（ｆ）^＊ （２））。近距離及び中距離では、送信機から受信機への最適な電力伝送は、自由空間の項と、送信機のインピーダンスとの組み合わせである。無線通信装置４０４ａ−４０４ｄは、対応するインピーダンスＺ３（４４３），Ｚ４（４４４），Ｚ５（４４５），Ｚ６（４４６）を有する。インピーダンスＺ３（４４３），Ｚ４（４４４），Ｚ５（４４５），Ｚ６（４４６）は、無線通信装置のアンテナ４１０ａ−４１０ｄと、基地局のアンテナ４０５との間において媒体ＺＰ１（４３１），ＺＰ２（４３２），ＺＰ３（４３３），ＺＰ４（４３４）のインピーダンスに結合される。無線通信基地局４０２は２つのインピーダンスを有する。すなわち、アンテナ４０５のインピーダンスＺ２（４２１）と、アンテナ４０５に至る回路のインピーダンスＺ１（４２０）とである。無線通信装置がそれ自身のインピーダンス４４３−４４６を変化させることがなく、物質のインピーダンス４３１−４３４が一定のままである場合、無線通信基地局４０２は、それ自身のソースインピーダンスＺ１（４２０）を調節することによってインピーダンスを修正できるのみである。

従来の装置では、基地局４０２のソースインピーダンスＺ１（４２０）は、通常、破線４０８を用いて概略的に示されているように、プリント配線板（ＰＷＤ）上の静的なストリップ線路である。一実施形態によると、静的なストリップ線路を異なるインピーダンスを有する１つ以上の電気的経路に置き換えるか、又は静的なストリップ線路を連続的に制御可能なインピーダンスを有する１つの経路に置き換えるシステム及び方法が提供される。一例では、第２装置４０４ｂに対するインピーダンスＺ１（４２０）とＺ２（４２１）とのペアは、インピーダンスＺＰ１（４３１）及びＺ３（４４３）並びに自由空間のインピーダンスに対して可能なだけ整合させられる。Ｚ１の値は、異なる複数の装置について変化する場合がある。１つのアンテナ４０５を用いて、各装置は、順番に最適に充電される場合もあれば、短時間の期間がインタリーブされて擬似的に同時の方式で複数の装置を充電する場合もある。増幅器前の送信機信号は、Ｚ１（４２０）のために選択されたインピーダンスと組み合わせて送信機の位相を変化させ得ることがさらに注意される。

図５は、無線通信基地局のアンテナ５１６の前のインピーダンスが調節されて効率的な電力の伝送が提供されることが可能である一実施形態の図である。アンテナ５１６の前のインピーダンスを変化させることによって、アンテナ５１６によって送信される出力信号における変化がもたらされる場合がある。図５において示されているように、無線通信基地局における送信機とアンテナ５１６との間のインピーダンスは、経路における３方向スイッチ５０３，５１５のペアを使用して不連続に変化させられることが可能である。各スイッチの位置において、インピーダンス５１１−５１３は、組み合わせられたシステムの新たなインピーダンスによって基地局から無線通信装置のうちの１つへの無線電力を伝送する性能が改善又は減少されるかを検査するのに使用されるように設計される。様々な実施形態では、スイッチ５０３，５１５は、任意の数のスイッチ位置を有していてもよく、より多くの又はより少ないインピーダンス値が使用されてもよい。さらなる実施形態では、抵抗、キャパシタンス、インダクタンス、又はこれらの任意の組み合わせからなる回路網を連続的に変化させて経路のインピーダンスを変化させるための機構が利用されてもよい。

図６は、本発明の一実施形態による、図５に示される３つの切り替えのされるインピーダンスを実装するべく、プリント配線板（ＰＷＢ）の１つの層にエッチングされるパター
ン６００のレイアウトを示す図である。パターン６００は、パターン６００の上方又は下方における対応する接地面とともに、プリント配線板（ＰＷＢ）の１つの層にエッチングされる。エッチングされると、パターン６００において示されている線は、ストリップ線路中に統合されたインダクタンスを有する、ストリップ線路の送信線６１１−６１３になる。一実施形態では、パターン６００は、さらに、キャパシタに対応する追加の形状を有していてもよい。さらなるインピーダンスは、ディスクリートの表面実装の構成要素を用いて、又は基板内に一体化されている構成要素を用いて追加されてもよい。一態様によれば、ストリップ線路６１１−６１３の幅６２０は、送信機の増幅器５０２のインピーダンスに対応するように選択され、送信機のアンテナ、又はアンテナに接続するネットワークと整合するように調節されることが可能である。一実施形態によると、ストリップ線路６１１−６１３の曲率６１０、高さ６１５、及び幅６２０は、選択された用途に適した所定のインダクタンスが得られるように選択される。

図７は、無線通信装置に関する電力伝送を最適化するために無線通信基地局を有する通信システムを使用する方法７００の一実施形態の図である。一実施形態によると、近距離及び中距離では、装置と通信する性能のリンクマージンは、回路の充電を可能にするリンクマージンと等しいか又は実質的にそのリンクマージンより大きい。一例によると、受動型のＲＦＩＤタグについて、ＲＦＩＤタグと通信する性能のリンクマージンは、回路の充電を可能にするリンクマージンと等しい。近距離及び中距離では、通信リンクマージンは、一般に、バッテリ式の装置に関しては約８０ｄＢから約１１０ｄＢの間である一方、始動又は充電におけるリンクマージンは、負の値を有する場合もあれば（回路の充電は、内部漏れを克服するための電力の最小量を必要とするので）、約０ｄＢから約４０ｄＢまで及ぶ場合がある。ほとんど全ての回路には、幾分かの電流漏れが存在する。実際上、低インピーダンス（例えば、１Ωの数分の１から数Ω）からギガオーム（すなわち、ナノアンペア）になる場合のあるシリコン回路において切り替えを行うことは非常に困難である。回路設計者がナノワットからマイクロワットの漏れについて注意する場合には、回路を充電するべく、漏れを上回る電流の量が最初に供給される必要がある。このことは、何らかの状態遷移が起こることを確実にするように常に作動状態にされる必要のある小さなマイクロプロセッサ又は論理回路が存在する（例えば、ボタンを押下すること、ＡＰをウェイクアップすること等）場合、さらに困難である（この漏れは、マイクロワットからミリワットの場合があるので）。いずれの場合においても、回路の充電には、実際にバッテリを充電できるように、その負の“リンクマージン”が克服される必要がある。基地局は無線通信装置と通信できるので、基地局は無線通信装置によって観測された整流パラメータを使用して、基地局による測定及び制御のループを効果的に閉じることが可能である。

工程７０１では、無線通信基地局は、全ての装置に接続し、各装置によって確かめられる電力レベルについての情報を要求するべく通信プロトコルを使用する。工程７０５では、無線通信基地局は、送信インピーダンス４０８を異なるインピーダンスに切り替える（図５及び図６に示されるように不連続に、又は連続的に）。工程７１０では、無線通信基地局内の状態マシンは、可能な送信インピーダンスの全組又は全空間が検査されたかどうかを確立する。全組又は全空間が検査されていない場合、送信インピーダンスは工程７０５において新たな値に変化させられ、工程７１０が繰り返される。可能なインピーダンスの全組を扱うために、最適な電力伝送インピーダンスを確立するには数マイクロ秒から数秒の間の時間がかかる。しかしながら、その時間は、全充電時間（数分から数時間）と比べると短い。一例では、送信位相は、アルゴリズム中に組み入れられる。工程７１５では、基地局は、どのインピーダンスが最適な電力伝送を可能にするかを判定する。基地局は、電力伝送の最低基準量が得られるインピーダンスを受容することによって、どのインピーダンスが最適な電力伝送を可能にするかを判定する場合もあれば、基地局は、送信インピーダンスと送信位相との全組を検査し、最適な電力伝送を可能にするインピーダンスを選択する場合もある。以上で説明したように、ある装置に対して最適なインピーダンスは
、別の装置に対して最適なインピーダンスとは異なる場合がある。一実施形態では、様々な最適なインピーダンスは、一組の無線通信装置に対して最適な電力伝送を提供するべく時間に従って与えられる（ｔｉｍｅ−ｓｅｑｕｅｎｃｅ）場合がある。

一実施形態によると、通信リンクマージンは、無線通信装置との通信に関して大きな場合がある。別の実施形態によると、元の意図される通信用途（ＷｉＦｉネットワーク又はセルラ基地局）のためのリンクマージンは、そのアルゴリズムを用いて損なわれる場合がある。したがって、いくつかの実施形態では、送信インピーダンスは、無線通信装置に関して最適な値に設定されない場合もあれば、ネットワーク化された基地局との通信のための初期値を用いてタイムインタリーブされる場合もある。複数の無線通信基地局の間の通信プロトコルについての追加の実施形態が存在する場合がある（それらの複数の無線通信基地局が、同じ一組の無線通信装置に電力を最適に提供するように同時に試みる場合）。

少なくとも１つの実施形態のいくつかの態様をこのように説明してきたが、様々な変更、改変、及び改良を当業者が容易に考え付くと認められる。そのような変更、改変、及び改良は、本開示の一部であると意図されており、本発明の範囲内であると意図されている。したがって、以上の説明及び図面は、例示に過ぎず、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲及びその均等物の適切な解釈から決定されるべきである。

Claims (20)

1. 送信機を無線装置に無線により結合させる工程と、
   第１送信インピーダンスを用いて前記送信機から前記無線装置に送信された信号の第１電力伝送値を判定する工程と、
   第２送信インピーダンスを用いて前記送信機から前記無線装置に送信された前記信号の第２電力伝送値を判定する工程と、
   前記第１電力伝送値と前記第２電力伝送値とに基づいて、前記第１送信インピーダンスと前記第２送信インピーダンスとのうちの１つを選択する工程とを備える、方法。
2. 選択された送信インピーダンスは、前記第１電力伝送値と前記第２電力伝送値のいずれかの高い方の電力伝送値に対応する、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１送信インピーダンスを用いて前記送信機から前記無線装置に送信された前記信号の前記第１電力伝送値を再判定する工程と、
   前記第２送信インピーダンスを用いて前記送信機から前記無線装置に送信された前記信号の前記第２電力伝送値を再判定する工程と、
   前記再判定された第１電力伝送値と前記再判定された第２電力伝送値とに基づいて、前記第１送信インピーダンスと前記第２送信インピーダンスとのうちの１つを再選択する工程とをさらに備える、請求項１に記載の方法。
4. 前記再判定された第１電力伝送値と前記再判定された第２電力伝送値とに基づいて、前記第１送信インピーダンスと前記第２送信インピーダンスとのうちの１つを再選択する工程は、前記無線装置と、前記送信機を有する通信装置との間において共有される電力伝送値についての情報に基づいて、前記第１送信インピーダンスと前記第２送信インピーダンスとのうちの１つを再選択することを含む、請求項３に記載の方法。
5. 選択された１つの送信インピーダンスを使用して前記無線装置を無線により充電する工程をさらに備える、請求項１に記載の方法。
6. 前記送信機は、通信装置の一部であり、
   前記通信装置は、さらに、異なるインピーダンスを各々有する複数の電気的経路を備える、請求項１に記載の方法。
7. 前記送信機は、通信装置の一部であり、
   前記通信装置は、さらに、連続的に制御可能なインピーダンスを有する電気的経路を備える、請求項１に記載の方法。
8. 通信装置であって、
   無線信号を無線装置に送信するように構成されている送信機と、
   前記送信機に結合されている処理回路であって、
   第１送信インピーダンスを使用して送信された前記無線信号の第１電力伝送値を判定し、
   第２送信インピーダンスを使用して送信された前記無線信号の第２電力伝送値を判定し、
   前記第１電力伝送値と前記第２電力伝送値とに基づいて、前記第１送信インピーダンスと前記第２送信インピーダンスとのうちの１つを選択するように構成されている、前記処理回路とを備える、通信装置。
9. 選択された送信インピーダンスは、前記第１電力伝送値と前記第２電力伝送値のいずれ
   かの高い方の電力伝送値に対応し、前記処理回路は、さらに、選択された１つの送信インピーダンスを使用して前記無線装置を無線により充電するように構成されている、請求項８に記載の通信装置。
10. エッチングされて複数の電気的経路を有するプリント配線板であって、各電気的経路は異なる送信インピーダンスを有し、前記複数の電気的経路は各電気的経路の前記送信インピーダンスを変更するための１つ以上の受動構成要素を備える、前記プリント配線板と、
    前記複数の電気的経路から特定の電気的経路を選択するためのスイッチとをさらに備える、請求項８に記載の通信装置。
11. 前記送信機は、
    実デジタル信号を実アナログ信号に変換するように構成されている第１デジタル−アナログコンバータと、
    虚デジタル信号を虚アナログ信号に変換するように構成されている第２デジタル−アナログコンバータと、
    前記無線装置へ送信される前記無線信号の無線周波数（ＲＦ）位相を制御するために、前記実アナログ信号をＲＦ領域へと変換するように構成されている第１ミキサと、
    前記無線装置へ送信される前記無線信号のＲＦ位相を制御するために、前記虚アナログ信号を前記ＲＦ領域へと変換するように構成されている第２ミキサとを備える、請求項８に記載の通信装置。
12. 前記送信機を前記無線装置に結合させるための１つ以上のアンテナをさらに備え、該１つ以上のアンテナは前記通信装置の他の通信機能に共通して使用される、請求項８に記載の通信装置。
13. 送信機を１つ以上の第１無線装置に無線により結合させる工程と、
    各第１無線装置について、
    前記送信機から前記第１無線装置へと、複数の送信インピーダンスを使用して複数の信号をそれぞれ送る工程と、
    前記複数の信号について複数の電力伝送値をそれぞれ判定する工程と、
    前記複数の電力伝送値に基づいて、前記複数の送信インピーダンスから特定の送信インピーダンスを選択する工程とを備える、方法。
14. 各第１無線装置について、前記特定の送信インピーダンスは、前記送信機から前記第１無線装置へと送られた特定の信号であって、前記複数の電力伝送値の中で最適な電力伝送値を有する前記特定の信号に対応する、請求項１３に記載の方法。
15. 各第１無線装置について、
    前記送信機から前記第１無線装置へと、前記複数の送信インピーダンスを使用して前記複数の信号をそれぞれ再び送る工程と、
    前記複数の信号について前記複数の電力伝送値をそれぞれ再判定する工程と、
    前記複数の電力伝送値に基づいて、前記複数の送信インピーダンスから前記特定の送信インピーダンスを再選択する工程とをさらに備える、請求項１３に記載の方法。
16. 各第１無線装置について、前記第１無線装置のために選択された前記特定の送信インピーダンスを使用して、前記送信機を有する第２無線装置によって前記第１無線装置を無線により充電する工程をさらに備える、請求項１３に記載の方法。
17. 前記第２無線装置は、
    異なる送信インピーダンスを各々有する複数の電気的経路と、
    エッチングされて前記複数の電気的経路を有するプリント配線板と、
    前記複数の電気的経路から特定の電気的経路を選択するためのスイッチとをさらに備える、請求項１６に記載の方法。
18. 前記第２無線装置は、連続的に制御可能な送信インピーダンスを有する電気的経路をさらに備える、請求項１６に記載の方法。
19. 充電のために各第１無線装置に割り当てられている時間は等しい、請求項１３に記載の方法。
20. 充電のために各第１無線装置に割り当てられている時間は、重み付けリストに基づいて決定される、請求項１３に記載の方法。

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