RU2566792C1 - Мобильное устройство связи с беспроводным блоком коммуникации и беспроводным приемником энергии - Google Patents
Мобильное устройство связи с беспроводным блоком коммуникации и беспроводным приемником энергии Download PDFInfo
- Publication number
- RU2566792C1 RU2566792C1 RU2014121055/07A RU2014121055A RU2566792C1 RU 2566792 C1 RU2566792 C1 RU 2566792C1 RU 2014121055/07 A RU2014121055/07 A RU 2014121055/07A RU 2014121055 A RU2014121055 A RU 2014121055A RU 2566792 C1 RU2566792 C1 RU 2566792C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- inductor
- compensating element
- nfc
- ferrite
- wireless
- Prior art date
Links
- 238000004891 communication Methods 0.000 title claims abstract description 44
- 238000010295 mobile communication Methods 0.000 title claims abstract description 20
- 229910000859 α-Fe Inorganic materials 0.000 claims abstract description 63
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims abstract description 13
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims abstract description 13
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims abstract description 13
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 claims abstract description 13
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 12
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims description 6
- 239000011889 copper foil Substances 0.000 claims description 5
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 claims 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 abstract description 14
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 13
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 6
- 238000013461 design Methods 0.000 description 6
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 4
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 4
- 239000003086 colorant Substances 0.000 description 2
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 2
- 230000009931 harmful effect Effects 0.000 description 2
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 230000007257 malfunction Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H04B5/48—
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
- Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
- Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks
Abstract
Настоящее изобретение относится к области мобильных технологий и, в частности, к мобильному устройству связи с беспроводным блоком коммуникации и беспроводным приемником энергии, в котором катушки индуктивности блока коммуникации и приемника энергии находятся в непосредственной близости друг от друга. Технический результат заключается в компенсации изменения индуктивности катушки индуктивности беспроводного блока коммуникации, вызванного расположением вблизи нее ферритового экрана катушки индуктивности беспроводного приемника энергии, за счет использования компенсирующего элемента между ферритовым экраном и катушкой индуктивности беспроводного блока коммуникации. Предложенное мобильное устройство связи содержит корпус, в котором размещены аккумуляторная батарея, беспроводной блок коммуникации и беспроводной приемник энергии. Беспроводной блок коммуникации содержит первую катушку индуктивности, используемую для приема и передачи данных посредством индуктивной связи. Беспроводной приемник энергии содержит вторую катушку индуктивности, используемую для приема энергии посредством индуктивной связи. Вторая катушка индуктивности расположена вблизи и над первой катушкой индуктивности. Беспроводной приемник энергии также содержит ферритовый экран, расположенный между первой катушкой индуктивности и второй катушкой индуктивности, и компенсирующий элемент, расположенный между первой катушкой индуктивности и ферритовым экраном. Компенсирующий элемент выполнен с возможностью компенсации изменения индуктивности первой катушки индуктивности, вызванного расположением вблизи нее ферритового экрана. 14 з.п. ф-лы, 13 ил.
Description
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области мобильных технологий и, в частности, к мобильному устройству связи с беспроводным блоком коммуникации и беспроводным приемником энергии, в котором катушки индуктивности блока коммуникации и приемника энергии находятся в непосредственной близости друг от друга.
Уровень техники
Современные мобильные устройства связи объединяют в себе множество беспроводных интерфейсов. Компактные размеры таких устройств создают трудности при расположении внутри них антенн, передатчиков и других компонентов. Компоненты мобильного устройства связи, такие как беспроводной приемник энергии и беспроводной блок коммуникации, требуют большой площади для размещения катушек индуктивности. Оптимальное решение в этом случае состоит в размещении одной катушки индуктивности внутри другой. Однако ферритовая экранировка одной катушки индуктивности может вызвать изменение параметров второй. Это нарушает согласование второй катушки индуктивности с приемопередатчиком и влияет на работу устройства.
Такое влияние может быть учтено при одновременной разработке всех компонентов внутри одного устройства. Однако одновременное согласование является труднодостижимым, когда необходимо установить беспроводной приемник энергии и беспроводной блок коммуникации от различных производителей или когда указанные компоненты должны работать как вместе, так и по отдельности.
Примером такого случая является мобильное устройство связи, в которое встроен беспроводной блок коммуникации, а беспроводной приемник энергии установлен на съемной крышке от корпуса устройства. При этом индуктивность катушки индуктивности беспроводного блока коммуникации будет расти вблизи ферритовой экранировки беспроводного приемника энергии, вследствие чего может быть нарушена работа беспроводного блока коммуникации.
В патентных документах US 20100190436 А1 (29.07.2010), US 20050085873 А1 (21.04.2005), US 20090085408 А1 (02.04.2009), US 20120293006 А1 (22.11.2012) и US 8144066 А1 (26.08.2010) описана одновременная работа системы беспроводной передачи энергии (WPT) и системы беспроводной связи малого радиуса действия (NFC) на одной частоте. В настоящий момент рабочие частоты WPT- и NFC-систем различны. Спецификация A4WP (см http://www.a4wp.org) подразумевает работу устройств беспроводного питания на частоте 6.78 МГц; рабочая частота NFC составляет 13.56 МГц. Устройства, описанные в указанных выше документах, не поддерживают работу на двух различных частотах.
Другой метод, описанный в работе Dionigi M., Mongiardo M., “Multi band resonators for wireless power transfer and near field magnetic communications”, Microwave Workshop Series on Innovative Wireless Power Transmission: Technologies, Systems, and Applications (IMWS), 2012 IEEE MTT-S International, Kyoto, 2012, состоит в использовании резонатора с несколькими собственными частотами для работы в двух диапазонах одновременно. Данный метод подразумевает, что WPT- и NFC-системы объединены в одном устройстве, поэтому он не может быть использован в существующих устройствах, где NFC-система может быть уже встроена, а WPT-система установлена на съемной крышке.
Подавляющее большинство литературы, относящейся к данной проблеме, описывает способы организации одновременной работы беспроводного приема энергии и беспроводной передачи данных посредством интеграции WPT-системы и системы беспроводной передачи данных вместе в одном устройстве так, что они не могут быть отделены от этого устройства. Нигде не описан метод создания WPT- и NFC-систем, способных работать как вместе, так и по отдельности.
Раскрытие изобретения
Задача настоящего изобретения состоит в устранении упомянутых выше недостатков, присущих известным из уровня техники решениям.
Указанная задача решается посредством разработки мобильного устройства связи, в котором беспроводной приемник энергии интегрирован со съемной крышкой устройства и способен одновременно работать с беспроводным блоком коммуникации, встроенным в устройство. Указанное устройство охарактеризовано в независимом пункте формулы изобретения. Дополнительные варианты осуществления настоящего изобретения представлены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Технический результат, достигаемый посредством использования настоящего изобретения, заключается в компенсации изменения индуктивности катушки индуктивности беспроводного блока коммуникации, вызванного расположением вблизи нее ферритового экрана катушки индуктивности беспроводного приемника энергии, за счет использования компенсирующего элемента между катушкой индуктивности беспроводного блока коммуникации и ферритовым экраном. Благодаря такому компенсирующему элементу индуктивность катушки индуктивности беспроводного блока коммуникации остается одной и той же при отсутствии и наличии вблизи нее катушки индуктивности беспроводного приемника энергии. Вследствие этого беспроводной блок коммуникации может одновременно хорошо работать совместно с беспроводным приемником энергии и отдельно от него.
Предлагаемое мобильное устройство связи содержит корпус, в котором расположены аккумуляторная батарея, беспроводной блок коммуникации и беспроводной приемник энергии. Беспроводной блок коммуникации содержит первую катушку индуктивности, используемую для приема и передачи данных посредством индуктивной связи. Беспроводной приемник энергии содержит вторую катушку индуктивности, используемую для приема энергии посредством индуктивной связи. Вторая катушка индуктивности расположена вблизи и над первой катушкой индуктивности. Беспроводной приемник энергии также содержит ферритовый экран, расположенный между первой катушкой индуктивности и второй катушкой индуктивности, для улучшения приема энергии. Однако такое расположение ферритового экрана вызывает изменение индуктивности первой катушки индуктивности. Для компенсации этого изменения беспроводной приемник энергии дополнительно содержит компенсирующий элемент. Компенсирующий элемент расположен между первой катушкой индуктивности и ферритовым экраном и выполнен с возможностью компенсации упомянутого изменения индуктивности первой катушки индуктивности, вызванного ферритовым экраном, в результате чего индуктивность первой катушки индуктивности принимает значение, близкое к тому, которое она бы имела в отсутствие ферритового экрана.
Согласно одному варианту осуществления, первая и вторая катушки индуктивности являются плоскими, что обеспечивает их компактность и, следовательно, малые размеры устройства.
В другом варианте осуществления ферритовый экран имеет вырез с размерами больше или меньше, чем размеры первой катушки индуктивности.
В еще одном варианте осуществления компенсирующий элемент выполнен в виде медной фольги толщиной 10-50 мкм. Компенсирующий элемент может быть выполнен в виде рамки с вырезом. Эта рамка обеспечивает распределение магнитного поля первой катушки индуктивности, близкое к тому, какое она имела бы в отсутствие второй катушки индуктивности и ферритового экрана. Размеры компенсирующего элемента могут быть близки к размерам первой катушки индуктивности. При этом расстояния от выреза компенсирующего элемента до краев первой катушки индуктивности могут выбираться, исходя из условия постоянства индуктивности первой катушки индуктивности.
Согласно другому варианту осуществления, компенсирующий элемент выполнен из материала с высокой проводимостью, чтобы обеспечить малые потери от вихревых токов, которые могут наводиться в проводящих компонентах устройства. Например, компенсирующий элемент может быть выполнен из меди или алюминия.
В еще одном варианте осуществления беспроводной блок коммуникации установлен внутри корпуса устройства, при этом первая катушка индуктивности может быть смонтирована на аккумуляторной батарее устройства. Между аккумуляторной батареей устройства и первой катушкой индуктивности может быть расположен ферритовый лист для экранировки первой катушки индуктивности от аккумуляторной батареи.
В другом варианте осуществления корпус устройства имеет съемную крышку, на внутреннюю поверхность которой монтируется беспроводной приемник энергии.
В одном варианте осуществления беспроводной блок коммуникации реализован на основе технологии беспроводной связи малого радиуса действия (NFC).
Согласно еще одному варианту осуществления, беспроводной блок коммуникации выполнен с возможностью работы на частоте 13,56 МГц, а беспроводной приемник энергии - на частоте 6,78 МГц.
Другие признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидны после прочтения нижеследующего подробного описания и просмотра сопроводительных чертежей.
Краткое описание чертежей
Сущность настоящего изобретения поясняется сопроводительными чертежами, на которых:
Фиг. 1А представляет собой вид сверху примерного мобильного устройства связи без съемной крышки, в которое встроен беспроводной блок коммуникации;
Фиг. 1В представляет собой изометрический вид примерного мобильного устройства связи без съемной крышки, в котором на встроенный беспроводной блок коммуникации смонтирован беспроводной приемник энергии;
Фиг. 2 представляет собой вид сверху примерного устройства с Фиг. 1В, на котором указаны размер ферритового экрана и ширина катушки индуктивности беспроводного приемника энергии;
Фиг. 3 представляет собой покомпонентный вид структуры смонтированных вместе беспроводного блока коммуникации и беспроводного приемника энергии;
Фиг. 4 иллюстрирует структуру съемной крышки мобильного устройства связи с беспроводным приемником энергии;
Фиг. 5A демонстрирует графики зависимости параметров беспроводной передачи энергии от размеров ферритового экрана беспроводного приемника энергии;
Фиг. 5B демонстрирует графики зависимости параметров беспроводной передачи энергии от ширины катушки индуктивности беспроводного приемника энергии;
Фиг. 6 показывает положение оси, ортогональной к мобильному устройству связи (оси Z), в направлении которой должно быть проверено распределение магнитного поля;
Фиг. 7 демонстрирует график зависимости амплитуды магнитного поля, создаваемого катушкой индуктивности беспроводного блока коммуникации, от расстояния вдоль оси Z для случая наличия только катушки индуктивности беспроводного блока коммуникации и для случая наличия катушки индуктивности беспроводного блока коммуникации, катушки индуктивности беспроводного приемника энергии и ферритового экрана (внутренний размер феррита w_in = 1 мм, 3 мм, 5 мм);
Фиг. 8 демонстрирует структуру компенсирующего элемента беспроводного приемника энергии;
Фиг. 9 иллюстрирует подбор геометрии выреза компенсирующего элемента для компенсации изменения индуктивности катушки индуктивности в беспроводном блоке коммуникации;
Фиг. 10 показывает рассогласование импеданса, вызванное наличием вблизи катушки индуктивности беспроводного блока коммуникации катушки индуктивности беспроводного приемника энергии;
Фиг. 11 демонстрирует распределение Z-составляющей магнитного поля над мобильным устройством;
Фиг. 12А-D показывают распределения магнитного поля в плоскости, параллельной поверхности мобильного устройства связи, для разных расстояний вдоль оси Z от мобильного устройства связи;
Фиг. 13А-В демонстрируют экспериментальные результаты измерений для распределения магнитного поля в плоскости, параллельной поверхности мобильного устройства.
Осуществление изобретения
Различные варианты осуществления настоящего изобретения описываются в дальнейшем более подробно со ссылкой на сопроводительные чертежи. Однако настоящее изобретение может быть воплощено во многих других формах и не должно истолковываться как ограниченное любой конкретной структурой или функцией, представленной в нижеследующем описании. Напротив, данные варианты осуществления предоставлены с тем, чтобы описание настоящего изобретения было тщательным и полным. На основании настоящего описания специалист в данной области техники поймет, что объем охраны настоящего изобретения охватывает любой вариант осуществления настоящего изобретения, раскрытый в данном документе, вне зависимости от того, реализован ли он независимо или в сочетании с любым другим вариантом осуществления настоящего изобретения. Например, устройство может быть реализовано на практике с использованием любого числа вариантов осуществления, изложенных в данном документе. Кроме того, следует понимать, что любой вариант осуществления настоящего изобретения, раскрытый в данном документе, может быть воплощен с помощью одного или более элементов формулы изобретения.
Слово «примерный» используется в данном документе в значении «служащий в качестве примера или иллюстрации». Любой вариант осуществления, описанный в данном документе как «примерный», необязательно должен истолковываться как предпочтительный или обладающий преимуществом над другими вариантами осуществления.
Кроме того, термин «беспроводной блок коммуникации», упоминаемый в данном документе, подразумевает устройство, которое объединяет в себе функции беспроводной передачи и приема данных с использованием индуктивной связи. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения беспроводной блок коммуникации реализован на основе известной технологии беспроводной связи малого радиуса действия (NFC). Поэтому в дальнейшем будет обсуждаться именно этот тип беспроводного приемопередающего устройства. Однако следует понимать, что другие виды беспроводных блоков коммуникации, использующих индуктивную связь, также включены в объем охраны настоящего изобретения.
Другой термин «беспроводной приемник энергии», также упоминаемый в данном документе, характеризует устройство, способное осуществлять беспроводной прием энергии посредством индуктивной связи. В дальнейшем беспроводной приемник энергии сокращенно называется WPR-приемником.
Настоящее изобретение основано на использовании компенсирующего элемента для подстройки импеданса катушки индуктивности NFC-блока.
Как известно, если вблизи катушки индуктивности находятся сторонние проводящие компоненты или компоненты, обладающие магнитомягкими свойствами, то импеданс NFC-катушки индуктивности меняется. Например, индуктивность катушки индуктивности NFC-блока увеличивается, когда ферритовый экран WPR-приемника располагается вблизи нее. Изменение импеданса NFC-катушки индуктивности ведет к рассогласованию электрической цепи NFC-блока.
В предлагаемой конструкции наличие компенсирующего элемента уменьшает индуктивность NFC-катушки индуктивности до начального значения, которое было до размещения ферритового экрана вблизи нее. Эффект заключается в том, что токи, наводимые в компенсирующем элементе, создают магнитное поле, противоположное по направлению магнитному полю, производимому NFC-катушкой индуктивности, тем самым уменьшая магнитный поток через поверхность катушки индуктивности, что и соответствует уменьшению индуктивности.
Таким образом, предлагаемая конструкция предотвращает изменение индуктивности NFC-катушки индуктивности при помещении WPR-приемника с ферритовым экраном вблизи нее. В этом случае работа электрической цепи NFC не будет нарушаться в присутствии или отсутствии WPR-приемника. Кроме того, предлагаемая конструкция незначительно искажает начальное поле, производимое NFC-катушкой индуктивности в отсутствие WPR-приемника.
На Фиг. 1А схематически показан NFC-блок, встроенный в корпус примерного мобильного устройства 150 связи. NFC-блок содержит NFC-катушку 140 индуктивности и ферритовый лист 141, необходимый для экранировки NFC-катушки 140 индуктивности от аккумуляторной батареи, также расположенной в корпусе устройства 150 связи.
На Фиг. 1В показан изометрический вид устройства 150 со съемным WPR-приемником и встроенным NFC-блоком. WPR-приемник содержит подложку (не показана), на которой сформирована WPR-катушка 110 индуктивности, ферритовый экран 120 и компенсирующий элемент 130. В одном варианте осуществления WPR-приемник вместе со своими компонентами может быть установлен на съемной крышке 160 устройства 150 (см Фиг. 4).
На Фиг. 2 показаны параметры, которые необходимо учитывать при проектировании WPR-приемника. В частности, символом w_in обозначена ширина ферритового экрана 120, а символом Rw - ширина WPR-катушки 110. Оптимизация выбора значений данных параметров обсуждается ниже.
На Фиг. 3 показан покомпонентный вид структуры смонтированных вместе WPR-приемника и NFC-блока.
Ферритовый экран 120 имеет вырез в центре, который позволяет использовать NFC-катушку 140 индуктивности без изменений. Детальное обсуждение размеров выреза в центре ферритового экрана 120 приводится ниже.
Ферритовый экран 120 увеличивает индуктивность NFC-катушки 140 индуктивности. В предпочтительном варианте осуществления индуктивность NFC-катушки 140 индуктивности уменьшается при наличии компенсирующего элемента 130, входящего в состав WPR-приемника.
В соответствии с настоящим изобретением, компенсирующий элемент 130 может быть помещен между ферритовым экраном 120 и NFC-катушкой 140 индуктивности.
В некоторых вариантах осуществления компенсирующий элемент 130 выполнен в виде медной фольги, расположенной на внутренней стороне съемной крышки 160 устройства 150. Иллюстрация структуры съемной крышки 160 устройства 150 с WPR-приемником показана на Фиг. 4.
Рассмотрим теперь параметры NFC-катушки 140 индуктивности в двух случаях: без и с WPR-катушкой 110 индуктивности и ферритовым экраном 120, установленными на съемной крышке 160. Нормальная работа NFC-блока будет обеспечена, если NFC-катушка 140 индуктивности имеет одну и ту же индуктивность в обоих случаях. В свою очередь, WPR-катушка 110 индуктивности должна иметь ферритовый экран 120, чтобы обеспечить достаточно высокую взаимную индуктивность с внешним беспроводным передатчиком энергии в присутствии массивного проводящего объекта, такого как устройство 150.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения компенсирующий элемент 130 может быть выполнен в виде рамки. Она обеспечивает близкое распределение магнитного поля NFC-катушки 140 индуктивности с и без WPR-катушки 110 индуктивности и ферритового экрана 120.
Расстояния от выреза в компенсирующем элементе 130 до краев NFC-катушки 140 индуктивности (см Фиг. 2) могут быть симметричными или несимметричными. Эти параметры находятся, исходя из условия постоянства индуктивности NFC-катушки индуктивности.
В предпочтительном варианте осуществления компенсирующий элемент 130 выполнен из меди или алюминия.
В соответствии с настоящим изобретением, компенсирующий элемент 130 устанавливается на съемной крышке 160 устройства 150 с WPR-приемником (см Фиг. 4). Замена съемной крышки 160 устройства 150 удаляет ферритовый экран 120 и компенсирующий элемент 130. Таким образом, индуктивность NFC-катушки 140 индуктивности остается постоянной с и без съемной крышки 160 устройства 150.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения компенсирующий элемент 130 помещается между аккумуляторной батареей 142 (см Фиг. 1В) и ферритовым экраном 120, чтобы изолировать от магнитного поля аккумуляторную батарею 142 и остальные компоненты устройства 150. Таким образом, защищаются компоненты мобильных устройств связи от возможного вредного воздействия магнитного поля, генерируемого в процессе беспроводной передачи энергии.
В предпочтительном варианте осуществления WPR-катушка 110 индуктивности и NFC-катушка 140 индуктивности являются плоскими.
Ферритовый экран 120 имеет вырез в центре над NFC-катушкой 140 индуктивности, чтобы минимизировать распределение магнитного поля от NFC-катушки 140 индуктивности вне устройства 150.
Далее будет описана методика проектирования беспроводного приемника энергии на съемной крышке 160 устройства 150, сосуществующего с NFC-блоком, встроенным в устройство 150.
На первом этапе должны быть определены начальные параметры: диапазоны рабочих частот приема/передачи мощности и приема/передачи данных, размеры и взаимное расположение WPR-катушки 110 индуктивности и NFC-катушки 140 индуктивности.
Предлагаемую структуру можно использовать, например, для мобильных устройств связи. В этом случае, согласно спецификации A4WP-консорциума, применяются следующие примерные стандартные частоты: 6.78 МГц для WPR-приемника и 13.56 МГц для NFC-блока.
На следующем этапе структуры WPR-катушки 110 индуктивности и ферритового экрана 120 должны быть оптимизированы для требуемых параметров беспроводной передачи энергии. Рассмотрим следующий пример ферритового экрана 120:
- габаритные размеры: 51×70 мм;
- вырез в центре для NFC-катушки индуктивности;
- ширина феррита: 10 мм;
- толщина: 0.5 мм - 0.6 мм;
- относительная магнитная проницаемость феррита 130 на частоте 13,56 МГц;
- расстояние между ферритовым экраном 120 и NFC-катушкой 140 индуктивности: 0,5 мм.
Вырез ферритового экрана 120 располагается над NFC-катушкой 140 индуктивности, чтобы избежать ослабления магнитного поля от NFC-катушки индуктивности. С другой стороны, ферритовый экран 120 должен быть оптимизирован для улучшения эффективности беспроводной передачи энергии. Зависимость коэффициента индуктивной связи от размеров ферритового экрана 120 (см w_in на Фиг. 2) показана на Фиг. 5А. Коэффициент 510 индуктивной связи (К) и добротность 530 WPT-катушки индуктивности (Q_rx) увеличиваются с ростом w_in до определенного уровня насыщения. На Фиг. 5А также приведена зависимость добротности 520 передающей катушки (Q_tx), т.е. внешней катушки индуктивности, которая передает энергию на WPT-катушку индуктивности, от размера w_in.
В предпочтительном варианте размеры выреза могут быть немного меньше, чем наружные размеры NFC-катушки 140 индуктивности.
На следующем этапе оптимизации WPR-катушки 110 индуктивности осуществляется настройка ширины катушки индуктивности и подбор количества витков. Зависимость коэффициента индуктивной связи (К) и добротности WPR-катушки индуктивности (Q_rx) от ширины (см. Rw на Фиг. 2) показана на Фиг. 5B. Повышение ширины Rw приводит к увеличению коэффициента 540 индуктивной связи и добротности 560. Увеличение добротности вызвано более быстрым снижением сопротивления, чем индуктивности. На Фиг. 5В также приведена зависимость добротности 550 передающей катушки (Q_tx) от ширины Rw.
На следующем этапе должна быть сделана оптимизация распределения напряженности магнитного поля.
Фиг. 6 иллюстрирует положение оси, ортогональной к мобильному устройству (ось Z), в направлении которой распределение магнитного поля и должно быть проверено. Амплитуды магнитного поля, создаваемого NFC-катушкой 140 индуктивности, показаны на Фиг. 7 в зависимости от расстояния вдоль оси Z для следующих случаев:
- амплитуда поля NFC-катушки индуктивности без WPR-приемника; и
- амплитуда поля NFC-катушки индуктивности с WPR-приемником (w_in = 1 мм, 3 мм, 5 мм).
Согласно Фиг. 7, интенсивность магнитного поля NFC-катушки 140 индуктивности значительно снижается, если ферритовый экран 120 значительно покрывает NFC-катушку индуктивности (w_in = 5 мм). В противном случае, интенсивность поля не зависит от размеров выреза в ферритовом экране 120.
В предпочтительном варианте осуществления размеры выреза в ферритовом экране 120 могут быть немного меньше, чем наружные размеры NFC-катушки 140 индуктивности (w_in = 3 мм является оптимальным в рассматриваемом случае). Ферритовый экран 120 с вырезом позволяет использовать катушку индуктивности без ее модификации.
На следующем этапе размеры компенсирующего элемента 130 оптимизируются для компенсации расстройки индуктивности NFC-катушки 140 индуктивности. В данном примере компенсирующий элемент 130 представляет собой рамку из медной фольги, расположенную внутри периметра аккумуляторной батареи 142 и над ней (см Фиг. 2, Фиг. 3).
В некоторых вариантах размеры компенсирующего элемента 130 могут быть больше размеров ферритового экрана 120, как показано на Фиг. 8.
Увеличение размера w1 (т.е. ширины компенсирующего элемента 130) оказывает незначительное влияние на импеданс NFC-катушки 140 индуктивности. Прежде всего при увеличении внешних размеров компенсирующего элемента 130 уменьшаются токи, наводимые WPR-катушкой 110 индуктивности на компонентах устройства 150. Таким образом, оптимизация параметра w1 позволяет защитить компоненты устройства 150 от потенциального вредного воздействия магнитного поля, генерируемого в процессе беспроводной передачи энергии. Оптимальное значение w1 можно узнать, измеряя добротность WPR-катушки 110 индуктивности при различных величинах w1. Следует отметить, что параметр w1 влияет на индуктивность WPR-катушки 110 индуктивности. Импедансное согласование WPR-приемника осуществляется после завершения работы над компенсирующим элементом 130.
Геометрия внутреннего выреза компенсирующего элемента 130 определяется, исходя из необходимого значения импеданса NFC-катушки 140 индуктивности. Внутренние размеры выреза должны быть оптимизированы так, чтобы компенсировать расстройку NFC-катушки 140 индуктивности. На этом этапе оптимизация компенсирующего элемента 130 осуществляется в присутствии ферритового экрана 120. Этапы оптимизации внутреннего выреза компенсирующего элемента 130 показаны на Фиг. 9A-C. Большая площадь выреза соответствует большей индуктивности NFC-катушки 140 индуктивности.
Кроме того, больший вырез обеспечивает больший магнитный поток от WPR-катушки 110 индуктивности через устройство 150. Таким образом, больший размер выреза уменьшает добротность WPR-катушки 110 индуктивности. Существует определенный минимальный размер выреза в компенсирующем элементе 130, который полностью изолирует магнитное поле WPR-катушки 110 индуктивности от устройства 150 (см. Фиг. 9B). При дальнейшем уменьшении выреза добротность WPR-катушки 110 индуктивности не увеличивается. Следует отметить, что при применении WPR-катушки 110 индуктивности с ферритовым экраном 120 уменьшается добротность NFC-катушки 140 индуктивности.
Заключительный этап включает в себя оценку параметров беспроводной передачи энергии и оценку параметров беспроводной передачи данных. Настройка WPR-катушки 110 индуктивности осуществляется в присутствии компенсирующего элемента 130.
Компенсирующий элемент 130 может вызвать максимально 5%-ную расстройку индуктивности WPR-катушки 110 индуктивности и порядка 10%-ного изменения добротности (в зависимости от взаимного расположения индукторов и мобильного устройства).
Таким образом, последний этап должен включать в себя тонкую настройку согласования импеданса, конденсаторов согласующей цепи WPR-приемника.
Экспериментальная проверка проводится для подтверждения отсутствия расстройки NFC-катушки 140 индуктивности. Импеданс NFC-катушки 140 индуктивности измеряется при следующих условиях:
- WPR-приемник зафиксирован на мобильном телефоне. Аккумулятор телефона имеет встроенный NFC-датчик.
- Выходные контакты датчика NFC изолированы от телефона, анализатор цепей подключается к контактам для измерения импеданса.
- Компенсирующий элемент из медной фольги помещается сверху над встроенным NFC-датчиком так, чтобы компенсировать расстройку.
Экспериментально измеренные частотные зависимости реальной и мнимой частей импеданса NFC-катушки индуктивности показаны на Фиг. 10 для трех случаев:
501 - NFC-катушка без WPR-приемника;
502 - NFC-катушка с WPR-приемником, компенсации отстройки нет;
503 - NFC-катушка с WPR-приемником, используется компенсирующий элемент 130.
Согласно экспериментальным результатам, расстройка NFC-катушки 140 индуктивности полностью компенсируется компенсирующим элементом 130.
Фиг. 11 является иллюстрацией распределения Z-компонентов магнитного поля вдоль оси, ортогональной к устройству 150. Для магнитного поля, создаваемого NFC-катушкой 140 индуктивности, построены распределения для двух случаев:
201 - амплитуда поля без WPR-приемника;
202 - амплитуда поля с WPR-приемником и компенсирующим элементом 130 под ферритовым экраном 120.
Фиг. 12А-D являются иллюстрациями распределения магнитного поля в плоскости, параллельной поверхности устройства 150 (при этом темными цветами в центре плоскости на каждой из Фиг. 12А-D обозначены области с большим магнитным полем, а светлыми цветами - области с меньшим магнитным полем). Рассмотрены следующие случаи:
801 - амплитуда поля NFC-катушки 140 индуктивности с WPR-приемником и компенсирующим элементом 130 под ферритовым экраном 120 в 10 мм над поверхностью устройства 150;
802 - амплитуда поля NFC-катушки 140 индуктивности без WPR-приемника в 10 мм над поверхностью устройства 150;
803 - амплитуда поля NFC-катушки 140 индуктивности с WPR-приемником и компенсирующим элементом 130 под ферритовым экраном 120 в 40 мм над поверхностью устройства 150;
804 - амплитуда поля NFC-катушки 140 индуктивности без WPR-приемника в 40 мм над поверхностью устройства 150.
Фиг. 13А-В являются иллюстрациями экспериментальных результатов измерения при частоте 13,56 МГц для распределения магнитного поля в плоскости, параллельной устройству 150.
Рассмотрены следующие случаи:
Фиг. 13А - амплитуда поля NFC-катушки 140 индуктивности без WPR-приемника в 10 мм над поверхностью устройства 150;
Фиг. 13B - амплитуда поля NFC-катушки 140 индуктивности с WPR-приемником и компенсирующим элементом 130 под ферритовым экраном 120 в 10 мм над поверхностью устройства 150.
Измерения выполнялись с помощью модуля измерения магнитного ближнего поля EMxpertTM от EMScan.
Согласно представленным данным, на Фиг. 10-Фиг. 13 амплитуда поля NFC-катушки 140 индуктивности снижается не более чем на 10% от оригинала для всех расстояний над поверхностью устройства 150. Таким образом, эффект от WPR-приемника, размещенного над NFC-катушкой 140 индуктивности, компенсируется наличием компенсирующего элемента 130.
Предложенную технологию следует использовать для разработки мобильных устройств с функцией беспроводного питания. Настоящее изобретение описывает съемную крышку устройства с WPR-функцией, применимую для всех типов мобильных устройств и батарей с или без NFC-блоков, вмонтированных в мобильные устройства связи. В соответствии с настоящим изобретением:
- Проектирование катушек индуктивности для NFC-блока и для WPR-приемника можно сделать раздельно, без взаимных договоренностей. Сосуществование WPR- и NFC-компонентов и их эффективное функционирование достигается за счет конструкции компенсирующего элемента для отстройки NFC-катушки индуктивности.
- Возможно эффективное функционирование WPR- и NFC-компонентов как по отдельности, так и вместе, когда WPR-приемник находится над NFC-катушкой индуктивности.
- Можно достичь наименьшей возможной толщины мобильного устройства связи за счет расположения WPR-катушки индуктивности, ферритового экрана и компенсирующего элемента плоскопараллельно, в контакте друг с другом.
Хотя в настоящем документе показаны примерные варианты осуществления изобретения, следует понимать, что различные изменения и модификации могут быть выполнены, не выходя за рамки объема охраны настоящего изобретения, определяемого прилагаемой формулой изобретения. В формуле изобретения упоминание элементов устройства в единственном числе не исключает множества таких элементов, если в явном виде не указано иное.
Claims (15)
1. Мобильное устройство связи, содержащее:
корпус, внутри которого расположены:
аккумуляторная батарея,
беспроводной блок коммуникации, содержащий первую катушку индуктивности, используемую для приема и передачи данных посредством индуктивной связи; и
беспроводной приемник энергии, содержащий:
вторую катушку индуктивности, используемую для беспроводного приема энергии посредством индуктивной связи, причем вторая катушка расположена вблизи и над первой катушкой индуктивности;
ферритовый экран, расположенный между первой катушкой индуктивности и второй катушкой индуктивности, для улучшения беспроводного приема энергии посредством индуктивной связи; и
компенсирующий элемент, расположенный между первой катушкой индуктивности и ферритовым экраном, причем компенсирующий элемент выполнен с возможностью компенсации изменения индуктивности первой катушки индуктивности, вызванного ферритовым экраном.
корпус, внутри которого расположены:
аккумуляторная батарея,
беспроводной блок коммуникации, содержащий первую катушку индуктивности, используемую для приема и передачи данных посредством индуктивной связи; и
беспроводной приемник энергии, содержащий:
вторую катушку индуктивности, используемую для беспроводного приема энергии посредством индуктивной связи, причем вторая катушка расположена вблизи и над первой катушкой индуктивности;
ферритовый экран, расположенный между первой катушкой индуктивности и второй катушкой индуктивности, для улучшения беспроводного приема энергии посредством индуктивной связи; и
компенсирующий элемент, расположенный между первой катушкой индуктивности и ферритовым экраном, причем компенсирующий элемент выполнен с возможностью компенсации изменения индуктивности первой катушки индуктивности, вызванного ферритовым экраном.
2. Устройство по п. 1, в котором первая и вторая катушки индуктивности являются плоскими.
3. Устройство по п. 1, в котором ферритовый экран имеет вырез с размерами больше, чем размеры первой катушки индуктивности.
4. Устройство по п. 1, в котором ферритовый экран имеет вырез с размерами меньше, чем размеры первой катушки индуктивности.
5. Устройство по п. 1, в котором компенсирующий элемент выполнен в виде медной фольги толщиной 10-50 мкм.
6. Устройство по п. 1, в котором компенсирующий элемент выполнен в виде рамки с вырезом.
7. Устройство по п. 1, в котором компенсирующий элемент имеет размеры, близкие к размерам первой катушки индуктивности.
8. Устройство по п. 1, в котором компенсирующий элемент выполнен из материала с высокой проводимостью.
9. Устройство по п. 6, в котором расстояния от выреза компенсирующего элемента до краев первой катушки индуктивности выбраны исходя из условия постоянства индуктивности первой катушки индуктивности.
10. Устройство по п. 1, в котором компенсирующий элемент выполнен из меди или алюминия.
11. Устройство по п. 1, в котором первая катушка индуктивности смонтирована на аккумуляторной батарее устройства.
12. Устройство по п. 11, в котором между аккумуляторной батареей устройства и первой катушкой индуктивности расположен ферритовый лист, используемый для экранировки первой катушки индуктивности от аккумуляторной батареи.
13. Устройство по п. 12, в котором корпус устройства имеет съемную крышку, при этом беспроводной приемник энергии установлен на внутренней поверхности съемной крышки корпуса устройства.
14. Устройство по п. 1, в котором беспроводной блок коммуникации реализован на основе технологии беспроводной связи малого радиуса действия (NFC).
15. Устройство по п. 1, в котором беспроводной блок коммуникации выполнен с возможностью функционирования на частоте 13,56 МГц, а беспроводной приемник энергии - на частоте 6,78 МГц.
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014121055/07A RU2566792C1 (ru) | 2014-05-23 | 2014-05-23 | Мобильное устройство связи с беспроводным блоком коммуникации и беспроводным приемником энергии |
| KR1020140174213A KR102134858B1 (ko) | 2014-05-23 | 2014-12-05 | 무선 통신부와 무선 전력 수신부를 가지는 이동 통신 장치 |
| US14/717,165 US9866280B2 (en) | 2014-05-23 | 2015-05-20 | Mobile communication device with wireless communications unit and wireless power receiver |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014121055/07A RU2566792C1 (ru) | 2014-05-23 | 2014-05-23 | Мобильное устройство связи с беспроводным блоком коммуникации и беспроводным приемником энергии |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2566792C1 true RU2566792C1 (ru) | 2015-10-27 |
Family
ID=54362397
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014121055/07A RU2566792C1 (ru) | 2014-05-23 | 2014-05-23 | Мобильное устройство связи с беспроводным блоком коммуникации и беспроводным приемником энергии |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102134858B1 (ru) |
| RU (1) | RU2566792C1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11757490B2 (en) | 2018-08-02 | 2023-09-12 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V | Data transmission from a user terminal to another apparatus |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20070035917A1 (en) * | 2005-08-09 | 2007-02-15 | Apple Computer, Inc. | Methods and apparatuses for docking a portable electronic device that has a planar like configuration and that operates in multiple orientations |
| US20070182367A1 (en) * | 2006-01-31 | 2007-08-09 | Afshin Partovi | Inductive power source and charging system |
| RU2306654C1 (ru) * | 2006-04-20 | 2007-09-20 | Олег Валерьевич Белянин | Беспроводная зарядная система (варианты) |
| RU124852U1 (ru) * | 2012-07-19 | 2013-02-10 | Александр Викторович Атаманов | Беспроводная зарядная система для маломощных потребителей электрической энергии |
| RU2493579C2 (ru) * | 2007-10-17 | 2013-09-20 | Эксесс Бизнес Груп Интернейшнл Ллс | Беспроводные системы электропитания портативных компьютеров и электронных устройств |
| RU133368U1 (ru) * | 2013-06-11 | 2013-10-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "18 Центральный научно-исследовательский институт" Министерства обороны Российской Федерации | Устройство индукционной зарядки аккумуляторной батареи электронного прибора |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20130134759A (ko) * | 2012-05-31 | 2013-12-10 | 엘에스전선 주식회사 | 이중 모드 안테나용 인쇄 회로 기판, 이중 모드 안테나 및 이를 이용한 사용자 단말 |
-
2014
- 2014-05-23 RU RU2014121055/07A patent/RU2566792C1/ru active
- 2014-12-05 KR KR1020140174213A patent/KR102134858B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20070035917A1 (en) * | 2005-08-09 | 2007-02-15 | Apple Computer, Inc. | Methods and apparatuses for docking a portable electronic device that has a planar like configuration and that operates in multiple orientations |
| US20070182367A1 (en) * | 2006-01-31 | 2007-08-09 | Afshin Partovi | Inductive power source and charging system |
| RU2306654C1 (ru) * | 2006-04-20 | 2007-09-20 | Олег Валерьевич Белянин | Беспроводная зарядная система (варианты) |
| RU2493579C2 (ru) * | 2007-10-17 | 2013-09-20 | Эксесс Бизнес Груп Интернейшнл Ллс | Беспроводные системы электропитания портативных компьютеров и электронных устройств |
| RU124852U1 (ru) * | 2012-07-19 | 2013-02-10 | Александр Викторович Атаманов | Беспроводная зарядная система для маломощных потребителей электрической энергии |
| RU133368U1 (ru) * | 2013-06-11 | 2013-10-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "18 Центральный научно-исследовательский институт" Министерства обороны Российской Федерации | Устройство индукционной зарядки аккумуляторной батареи электронного прибора |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11757490B2 (en) | 2018-08-02 | 2023-09-12 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V | Data transmission from a user terminal to another apparatus |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20150135047A (ko) | 2015-12-02 |
| KR102134858B1 (ko) | 2020-07-17 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6015830B2 (ja) | アンテナ装置および電子機器 | |
| US9019168B2 (en) | Frequency stabilization circuit, frequency stabilization device, antenna apparatus and communication terminal equipment, and impedance conversion element | |
| US8212735B2 (en) | Near field communication | |
| JP5655962B2 (ja) | アンテナ装置および無線通信装置 | |
| US9837976B2 (en) | Impedance converting circuit and communication terminal apparatus | |
| US8325103B2 (en) | Antenna arrangement | |
| JP5234084B2 (ja) | アンテナ装置および通信端末装置 | |
| JP5726983B2 (ja) | チップ状アンテナ装置及び送受信用通信回路基板 | |
| US10230274B2 (en) | Resonance terminal device for resonant wireless power reception system | |
| EP3588790B1 (en) | Near-field electromagnetic induction (nfemi) antenna and devices | |
| US8847833B2 (en) | Loop resonator apparatus and methods for enhanced field control | |
| JP2010087024A (ja) | 回路基板、回路基板の製造方法および電子機器 | |
| JPWO2019220818A1 (ja) | アンテナ装置および電子機器 | |
| US9780755B1 (en) | On flex circuit desense filter for wireless communications | |
| KR101492992B1 (ko) | 무선 통신기기 및 안테나 장치 | |
| KR101765482B1 (ko) | 근거리 통신용 안테나 및 무선 충전용 전력 전달용 코일을 실장하는 안테나 장치를 외부 장치에 실장하는 방법 | |
| KR101765487B1 (ko) | 근거리 통신용 안테나 및 무선 충전용 전력 전달용 코일을 실장하는 안테나 장치를 외부 장치에 실장하는 방법 | |
| RU2566792C1 (ru) | Мобильное устройство связи с беспроводным блоком коммуникации и беспроводным приемником энергии | |
| DK2733962T3 (en) | Hearing aid with a near-field resonance parasitic element | |
| US10305169B2 (en) | Antenna apparatus and terminal | |
| US9866280B2 (en) | Mobile communication device with wireless communications unit and wireless power receiver | |
| JPWO2011090050A1 (ja) | アンテナ装置 | |
| KR20170048258A (ko) | 근거리 통신용 안테나 및 무선 충전용 전력 전달용 코일을 실장하는 안테나 장치를 외부 장치에 실장하는 방법 |