TWI473383B - Configuration antenna with concentrated magnetic field - Google Patents

Description

具集中磁場的構型天線

本發明係一種天線，尤指一種可集中磁場之磁力線輻射方向的天線。

由於科技的快速發展，從小型的可攜式的電子產品到大型的電動汽/機車，其利用內建之可重複充電的電池，透過電力驅動而可達到減少環境汙染以及可令使用者隨時使用的目的，不過欲對電池充電時，常見的問題即是需要連接充電線才能充電，然而各種不同的產品因製造廠家不同，使用的充電線接頭規格也不盡相同，而有使用不便的問題。

因此現有技術是透過無線充電的方式對電池充電，請參閱圖8所示，其於電子產品或電動汽/機車上設有一無線接收器71，再由一無線供電器72將交流電經轉換為直流電後，由一射頻功率放大器721透過一傳輸天線722轉換為電磁場後傳送至無線接收器71，無線接收器71的一接收天線711接收該電磁場且經整流器712轉換為直流電力後，即可為其內建之電池充電，利用該等天線711、722之間的電磁感應而達到無線充電的目的，解決現有電子產品或電動汽/機車於充電時需要連接充電線造成使用不便的問題，不過該等天線使用時必須對準否則容易產生漏磁的問題，而降低無線充電的傳輸效率。

請參閱圖9、10所示，係為一環型線圈73的磁場分 布圖，當環形線圈73輸入電流(I)時，依據安培右手定則，環型線圈73會產生磁場(B)，該磁場是由環形線圈73的中心通過且向外輻射，再回到環形線圈73的中心；如圖10所示，係為前述環形線圈73的磁場強度示意圖，該等環形線圈73是相對設置，且兩環形線圈73間形成傳輸作用區，而兩環形線圈73的外側則分別形成非傳輸作用區，由於該等環形線圈73的磁力線是均勻分布，故非傳輸作用區亦會有磁力線通過，當環形線圈73通過大電流時，會在非傳輸作用區產生強磁場分布，而有電磁干擾的問題。

請參閱圖11所示，係為現有天線進行傳送與接收測試的示意圖，由一網路分析儀81分別透過一阻抗匹配器82、83連接至一環型天線84、85，該網路分析儀81由第一埠(Port1)送出功率訊號至傳送的環型天線85，再由接收的環型天線84接收功率訊號並送至網路分析儀81的第二埠(Port2)，網路分析儀81藉由分析第一埠與第二埠的參數(S₁₁ 、S₂₁ )，可得到兩環型天線84、85的傳輸效率。

不過前述之無線供電器72與無線接收器71的天線722、711或環型線圈73於傳輸電力時，使用的線圈組或天線必須相互對準才能避免電磁感應的電磁場漏失，若該等線圈組無法對準則會產生漏磁而降低無線充電的傳輸效率，或是在非電磁場的傳輸作用區域產生強磁場分布，造成週邊之電子產品受到電磁干擾(EMI)的問題。

請參閱圖12所示，如美國專利第7227504號「閘門型天線(Gate Antenna Device)」，其於一積體電路(IC) 上，由一個供電線圈91與四個未供電線圈92組成閘門型天線，供電線圈91與未供電線圈92皆呈平面狀，各未供電線圈92是分別設於供電線圈91的四周且分別與供電線圈91的平面垂直，而呈具有開口的盒狀，當供電線圈91通電產生電波訊號，各未供電線圈92會因電磁感應而產生電流，藉此集中供電線圈91產生的電波訊號以朝向開口方向X輻射；雖然各未供電線圈92是位於供電線圈91的四周，可避免供電線圈91的電波訊號向四周輻射而有集中電波訊號的效果，不過未供電線圈92是藉由供電線圈91的電磁感應而產生電流，會將供電線圈91的部分電波訊號消耗於電磁感應，而有降低供電線圈91之電波強度的問題。

由上述可知，現有無線供電器72的天線722容易產生漏磁而降低無線充電的效率，在非電磁場傳輸的作用區域會有強磁場分布，造成電磁干擾的問題，而閘門型天線雖可集中電波訊號，但因其未供電線圈92是藉由供電線圈91的電磁感應以集中電波訊號，所以會消耗供電線圈91的部分電波訊號而有降低整體電波強度的問題。

如前揭所述，現有無線充電裝置的線圈組容易產生漏磁而降低無線充電的效率，在非電磁場傳輸的區域會有強磁場分布，造成電磁干擾的問題，而閘門型天線雖可集中電波訊號，但會消耗供電線圈的部分電波訊號而降低電波強度的問題，因此本發明主要目的在提供一具集中磁場的 構型天線，主要是利用諧振方式集中天線向外輻射的磁場，解決現有利用電磁感應的線圈組產生漏磁、非電磁場傳輸的區域會有強磁場分布與電磁干擾的問題，以及解決閘門型天線之電波強度降低的問題。

為達成前述目的所採取的主要技術手段係令前述具集中磁場的構型天線，包含有：一主要線圈，其包含有一個以上呈環形的導線線段，且各導線線段設有一個以上的饋入點，該主要線圈在其導線線段上定義一虛擬基準面，並以該虛擬基準面集中導線線段產生之磁場的磁力線；一對以上的輔助線圈，各對輔助線圈是相對設置且分別包含有一個以上呈環形的導線線段，各導線線段定義一虛擬基準面且設有一個以上的饋入點，各對輔助線圈分別設於主要線圈的周緣處，且各對輔助線圈的虛擬基準面是與主要線圈的虛擬基準面呈一夾角，各對輔助線圈的饋入點係與主要線圈的饋入點電連接，利用各對輔助線圈之導線線段產生的磁力線將主要線圈之磁力線集中導向主要線圈的虛擬基準面。

利用前述元件組成的具集中磁場的構型天線，係於主要線圈的饋入點輸入電力，使主要線圈之導線線段產生的磁力線由其虛擬基準面向外輻射，又主要線圈的饋入點是與各輔助線圈的饋入點電連接，使得各輔助線圈之導線線段產生的磁力線將主要線圈之磁力線集中導向主要線圈的虛擬基準面，而可集中並增強主要線圈之磁力線以及減少主要線圈周圍的漏磁，藉此解決現有利用電磁感應的線圈 組容易產生漏磁與非電磁場傳輸的區域會有強磁場分布，而造成電磁干擾的問題，以及可解決閘門型天線因未供電線圈消耗電磁場產生之電波強度降低的問題。

關於本發明的較佳實施例，請參閱圖1所示，係於一集中磁場天線10上包含有一主要線圈11與兩對的輔助線圈12、12’，其中，各對輔助線圈12、12’是分別以兩兩相對的方式設置，又主要線圈11與各對輔助線圈12、12’是分別呈扁平狀，在本實施例中，主要線圈11與輔助線圈12、12’的輪廓概呈矩形，其中，主要線圈11具有四個邊，各對輔助線圈12、12’是以直角相鄰地分設於主要線圈11的四個邊上，以形成具有開口的盒狀。

如圖所示，當集中磁場天線10連接一電源(圖中未示)時，其主要線圈11與輔助線圈12、12’可產生並集中磁場向外輻射以做為傳輸天線，當集中磁場天線10用於接收外部磁場時可視為一接收天線；請配合參閱圖2至4所示，其中：該主要線圈11包含有一個以上呈環形的導線線段111，且各導線線段111設有一個以上的饋入點113，該主要線圈11在其導線線段111上定義一虛擬基準面，並以該虛擬基準面集中導線線段111產生之磁場的磁力線，如圖2所示，該主要線圈11是由兩導線線段111、112組成，各導線線段111、112是分別呈多數個彎折的環形，又兩導線線段111、112是向相反的方向彎折，位於相對 外側的導線線段111是以逆時針方向彎折，位於相對內側的導線線段112是以順時針方向彎折，且各導線線段111、112分別於其中一端設有一饋入點113、114，以分別連接電源或輔助線圈12、12’，該主要線圈11根據兩導線線段111、112以定義出虛擬基準面，並以該虛擬基準面集中導線線段111、112產生之磁場的磁力線。

如圖3所示，該主要線圈11是由一導線線段111A組成，該導線線段111A是呈多數個彎折的環形，其以逆時針方向彎折並於兩端分設有饋入點113、114以連接至電源或輔助線圈12、12’。

如圖4所示，該主要線圈11是由一導線線段111B組成，該導線線段111B是呈多數個彎折的環形，其以逆時針方向彎折並於一端設有饋入點113以連接至電源。

其中，圖2與圖4所示之導線線段111、111B的配置方式為開路式(Open-End)，而圖3所示之導線線段111A的配置方是為短路式(Short-End)。

各對輔助線圈12、12’可以是與主要線圈11之導線線段111、112採用相同的導線線段配置方式，亦可選用不同的導線線段配置方式，本發明不加以限制。

請參閱圖5所示，各對輔助線圈12、12’是以兩兩相對的方式設於主要線圈11的四個邊上，且皆與主要線圈11的虛擬基準面垂直，各對輔助線圈12、12’包含兩個具有複數個彎折的導線線段121、122以及121’、122’，各導線線段121、122以及121’、122’定義一虛擬基準面，且輔助線圈12、12’的各虛擬基準面是與主要線圈11的虛 擬基準面呈一夾角，該夾角範圍是介於30至150度之間，於本實施例中，該夾角的最佳角度為90度；又兩導線線段121、122以及121’、122’是分別向相反的方向彎折，位於相對外側的導線線段121、121’是以順時針方向彎折，位於相對內側的導線線段122、122’是以逆時針方向彎折，且各導線線段121、122以及121’、122’的其中一端設有一饋入點123、124以及123’、124’，前述主要線圈11的饋入點113是連接至一正極(+)的電源端，主要線圈11的另一饋入點114是與輔助線圈12的饋入點123電連接，而輔助線圈12的饋入點124則是與輔助線圈12’的饋入點123’連接，如此依序連接後，再接至一負極(-)的電源端，藉此將各對輔助線圈12、12’產生的磁力線集中導向主要線圈11之磁力線的方向(如圖所示X軸方向)，各對輔助線圈12、12’並將主要線圈11產生之磁力線集中導向導線線段111、112形成的虛擬基準面(如圖1所示)，而可令所有線圈產生的磁力線集中朝向同一方向並減少磁力線外漏。

上述之各對輔助線圈12、12’與主要線圈11的面積大小並無特定限制，但是各對輔助線圈12、12’面積為主要線圈11面積的四分之一時，其集中磁力線與傳輸效率為最佳。

請參閱圖6所示，係為集中磁場天線10之磁場輻射的模擬示意圖，其實際模擬時為3D，但此圖係以2D呈現作為示意，於天線模擬軟體中輸入天線的構型與對應參數後，主要線圈11與各對輔助線圈12、12’產生的磁場會集 中朝向集中磁場天線10的右側，而集中磁場天線10左側的磁場分布則相當稀疏，可滿足本發明欲達到之集中磁場的目的。

上述之主要線圈11與各對輔助線圈12、12’並不限於矩形，亦可以是圓形、六邊形、八邊形或其他形狀，而各對輔助線圈12、12’是對應或配合主要線圈11的輪廓，使各對輔助線圈12、12’可相鄰地分設於主要線圈11的邊緣；又主要線圈11與各對輔助線圈12、12’的各導線線段111、112與121、122以及121’、122’可為環形(Loop)、螺旋形(Helix)或盤旋形(Spiral)。另，主要線圈11與各對輔助線圈12之各導線線段111、112與121、122以及121’、122’的型式除可為開路式(Open-End)外，亦可為短路式(Short-End)。

請參閱圖7所示，為本發明之集中磁場天線10進行動態供電的使用示意圖，係於道路的路面下依序設有多數個發射用的集中磁場天線10，路面上的車輛則於車底設有接收用的集中磁場天線10，路面下的各集中磁場天線10是以其主要線圈11朝向路面，以將主要線圈11之磁力線集中導向路面，可增加傳輸距離與效率；車輛底部的集中磁場天線10則是以其主要線圈11朝向路面，以接收路面下之各集中磁場天線10的磁力線，可減少車輛之電磁干擾的問題。

由上述可知，各對輔助線圈12、12’之磁力線是將主要線圈11產生之磁力線集中導向主要線圈11本身的虛擬基準面，可集中並增加通過主要線圈11之磁力線的磁通

量，並減少磁力線外漏，藉此解決現有利用電磁感應的線圈組容易產生漏磁，非電磁場傳輸的區域會有強磁場分布而造成電磁干擾的問題，以及解決閘門型天線因未供電線圈消耗電磁場產生之電波強度降低的問題。

10‧‧‧集中磁場天線

11‧‧‧主要線圈

111、111A、111B、112‧‧‧導線線段

113、114‧‧‧饋入點

12、12’‧‧‧輔助線圈

121、121’、122、122’‧‧‧導線線段

123、123’、124、124’‧‧‧饋入點

71‧‧‧無線接收器

711‧‧‧接收天線

712‧‧‧整流器

72‧‧‧無線供電器

721‧‧‧射頻功率放大器

722‧‧‧傳輸天線

73‧‧‧環型線圈

81‧‧‧網路分析儀

82、83‧‧‧阻抗匹配器

84、85‧‧‧環型天線

91‧‧‧供電線圈

92‧‧‧未供電線圈

圖1：係本發明較佳實施例之基本架構示意圖。

圖2：係本發明較佳實施例之導線線段的配置圖(一)。

圖3：係本發明較佳實施例之導線線段的配置圖(二)。

圖4：係本發明較佳實施例之導線線段的配置圖(三)。

圖5：係本發明較佳實施例之各線圈的配置與接線圖。

圖6：係本發明較佳實施例之磁場輻射的模擬示意圖。

圖7：係本發明較佳實施例之應用於動態供電的示意圖。

圖8：係現有無線充電裝置的基本架構圖。

圖9：係現有線圈產生磁力線方向的示意圖。

圖10：係現有傳輸線圈與接收線圈之磁場強度的示意圖。

圖11：係現有環型天線測試傳輸效率的示意圖。

圖12：係現有閘門型天線的基本架構圖。

11‧‧‧主要線圈

111、112‧‧‧導線線段

113、114‧‧‧饋入點

12、12'‧‧‧輔助線圈

121、121'、122、122'‧‧‧導線線段

123、123'、124、124'‧‧‧饋入點

Claims (10)

1. 一種具集中磁場的構型天線，包含有：一主要線圈，其包含有一個以上呈環形的導線線段，且各導線線段設有一個以上的饋入點，該主要線圈在其導線線段上定義一虛擬基準面，並以該虛擬基準面集中導線線段產生之磁場的磁力線；一對以上的輔助線圈，各對輔助線圈是相對設置且分別包含有一個以上呈環形的導線線段，各導線線段定義一虛擬基準面且設有一個以上的饋入點，各對輔助線圈分別設於主要線圈的周緣處，且各對輔助線圈的虛擬基準面是與主要線圈的虛擬基準面呈一夾角，各對輔助線圈的饋入點係與主要線圈的饋入點電連接，利用各對輔助線圈之導線線段產生的磁力線將主要線圈之磁力線集中導向主要線圈的虛擬基準面。
2. 如請求項1所述之具集中磁場的構型天線，各對輔助線圈之虛擬基準面與主要線圈之虛擬基準面的夾角範圍是介於30至150度之間，而其最佳的夾角為90度。
3. 如請求項2所述之具集中磁場的構型天線，各對輔助線圈面積為主要線圈面積的四分之一。
4. 如請求項3所述之具集中磁場的構型天線，該主要線圈與各對輔助線圈之導線線段的配置方式是呈開路式或短路式。
5. 如請求項1至4中任一項所述之具集中磁場的構型 天線，該主要線圈與各對輔助線圈是呈扁平狀，其輪廓為矩形，由兩成對的輔助線圈設於主要線圈的四周，以形成具有開口的盒狀。
6. 如請求項1至4中任一項所述之具集中磁場的構型天線，該主要線圈與各對輔助線圈分具有兩導線線段，各導線線段是分呈多數個彎折的環形，且兩導線線段是向相反的方向彎折，位於相對外側的導線線段以逆時針方向彎折，位於相對內側的導線線段以順時針方向彎折。
7. 如請求項5所述之具集中磁場的構型天線，該主要線圈與各對輔助線圈分具有兩導線線段，各導線線段是分呈多數個彎折的環形，且兩導線線段是向相反的方向彎折，位於相對外側的導線線段以逆時針方向彎折，位於相對內側的導線線段以順時針方向彎折。
8. 如請求項1至4中任一項所述之具集中磁場的構型天線，各導線線段可為螺旋形(Helix)或盤旋形(Spiral)。
9. 如請求項5所述之具集中磁場的構型天線，各導線線段可為螺旋形(Helix)或盤旋形(Spiral)。
10. 如請求項6所述之具集中磁場的構型天線，各導線線段可為螺旋形(Helix)或盤旋形(Spiral)。