TWI565184B - 無線電磁波集電系統及其方法 - Google Patents

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無線電磁波集電系統及其方法
本發明涉及一種集電系統，尤指一種具遠距且無線方式蒐集所屬空間中多餘電磁波並轉換為直流電之功能的無線電磁波集電系統。
無線電力傳輸技術(Wireless Power Transmission,WPT)是於西元1961年由美國雷神公司(Raytheon)的William C.Brown所提出，其並於1964年完成首次利用無線充電技術讓直升機起降的實驗，為無線充電技術奠定了基礎架構，其所用運用的原理為電磁感應(Electromagnetic Induction)或核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance)之其中一者。而發展至今，無線電力傳輸技術主要有三個主流，分別為金頂電池(Duracell)為首的PMA(Power Matters Alliance)標準、英特爾(intel)及高通(Qualcomm)等為首的A4WP(Alliance for Wireless Power)標準、以及谷歌(Google)、諾基亞(Nokia)、三星(SAMSUNG)等為首的Qi(Wireless Power Consortium,WPC亦稱Qi)標準；其中目前又以Qi標準的使用率最為廣泛。
對於一般常見之現有技術的無線充電方法來說，是透過兩組線圈之間的電磁感應進行能量傳輸，其中一線圈通電以於空間中產生一磁場變化，根據法拉第的電磁感應定律(Faraday's law)，另一線圈則可藉由感應空間中磁場變化而產生一感應電能，此時可將感應電能儲存或直接使用；即是前述之能量傳遞的媒介為磁場，由於無線電力傳輸技術本身即採用非接觸式的傳輸方式，電力傳送單元或金屬接點並無外露的必要，因此較傳統採用接觸式的傳輸方式較不易因為人體誤觸而遭電擊，且不易受大氣中之水氣、氧氣等物質侵蝕，對於長期使用而言不需時常更換零件而節省成本，另一方面，亦不存在有磨損問題而具有較佳耐用度。
然而，現有技術的兩組線圈是透過電磁感應的方式進行能量傳 輸，即是以磁場作為能量傳輸的媒介，一般僅0mm至45mm之間的距離才能夠於電源與欲充電裝置之間進行充電動作，一旦電源與欲充電裝置之間的距離太遠，則感應電能將減弱至不敷欲充電裝置之使用；然而一般使用情況下，電源與欲充電裝置之間的距離並非皆於45mm之內；另一方面，現有技術的欲充電裝置必須要接近電源才能充電，但一般使用情況下由於空間中之電源的個數與位置並不多，使欲充電裝置所置放的位置遭到限制，故在一般使用情況下現有技術會在使用上造成困擾與限制。
因此，提出一種系統其具有符合一般使用情況的有效傳輸距 離，且不受使用位置的限制，讓使用上較靈活而不受限制，實為目前各界亟欲解決之技術問題。
鑒於前述之習知技術的缺點，本發明之主要目的係提供一種無線電磁波集電系統，其藉由無線電磁波作為能量傳輸的媒介，其具有符合一般使用情況的有效傳輸距離，且不受使用位置的限制，可達到讓使用較靈活而不受限制之目的。
為了達到前述目的及其他目的，本發明之無線電磁波集電系統包括：一整流天線陣列，係包括：至少一寬頻天線模組，係接收一空間中的至少一電磁波；以及至少一整流模組，係連接至該至少一寬頻天線模組，且將該至少一寬頻天線模組所接收之該至少一電磁波轉換為一直流電；一充電模組，係連接至該整流天線陣列之該至少一整流模組，且包括至少一電晶體、至少一稽納二極體及一蓄電模組；以及一輸出模組，係連接至該充電模組，且輸出儲存於該蓄電模組中之一穩壓直流電。
較佳地，復包括至少一阻抗匹配電路，係連接於該至少一寬頻天線模組及該至少一整流模組之間，其中，該至少一阻抗匹配電路為一阻抗匹配網路，該至少一整流模組藉由該至少一阻抗匹配電路連接至該至少 一寬頻天線模組。
較佳地，其中，該充電模組藉由該至少一稽納二極體使該直流 電穩定於該蓄電模組所需之電壓範圍，以產生該穩壓直流電。
較佳地，其中，該充電模組復包括一保護電路，係連接於該蓄 電模組，其中，該保護電路包括至少一電阻，用以保護該充電模組及該蓄電模組。
較佳地，其中，該整流模組為一倍壓整流電路，該倍壓整流電 路包括至少一整流二極體及至少一濾波電容。
較佳地，該蓄電模組為可重複充放電的一二次電池，其中，該 蓄電模組為可重複充放電的一二次電池，且儲存該至少一整流模組之該直流電，該二次電池為鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池及鋰電池之其中一者。
較佳地，其中，該至少一寬頻天線模組符合UHF(Ultra High Frequency)之頻段標準。
較佳地，其中，該輸出模組藉由一無線傳輸方式及一電性傳輸 線方式的其中之一者輸出該穩壓直流電。
於開始使用本發明之無線電磁波集電系統時，先將該至少一寬 頻天線模組置於該空間中，並藉由該至少一寬頻天線模組以無線方式接收該空間中的散佈的至少一電磁波，該至少一寬頻天線模組可相容於複數訊號頻段；接著該至少一整流模組將該至少一寬頻天線模組所接收到的該至少一電磁波進行整流處理，以將該至少一電磁波轉換為一直流電；該至少一電晶體及該至少一稽納二極體對該直流電進行穩壓處理，以產生該穩壓直流電；該蓄電模組是將該至少一整流模組的該穩壓直流電儲存於該蓄電模組之中，以供未來之使用；而該輸出模組則將該蓄電模組中之該穩壓直流電輸出。
藉此，由於本發明藉由該至少一寬頻天線模組作為能量傳輸的 傳輸端，其以電磁波作為能量傳輸的載體，由於電磁波的物理波動模型是由彼此相互垂直之電場與磁場所組合而成，因此其有效傳輸距離與速率均較單純的磁場更遠；而在一般使用情況下，該至少一電磁波即充斥於該空間中，故於使用時不會受到使用位置的限制，可達到讓使用較靈活而不受限制之目的。
為了達到前述目的及其他目的，本發明之無線電磁波集電方法 包括下列步驟：一第一步驟，係藉由一具有至少一寬頻天線模組之整流天線陣列判斷是否接收到一空間中的至少一電磁波，其中，若是，則繼續下一步驟；若否，則重複該第一步驟；一第二步驟，係藉由至少一整流模組，針對該至少一寬頻天線模組所接收到的該至少一電磁波進行整流處理及轉換，以產生一直流電，繼續下一步驟；一第三步驟，係藉由一充電模組將該直流電穩定於一蓄電模組所需之電壓範圍，以產生及儲存一穩壓直流電於該蓄電模組中；以及一第四步驟，係藉由一輸出模組判斷該蓄電模組中是否具有該穩壓直流電，其中，若是，則輸出儲存於該蓄電模組中之該穩壓直流電；若否，則重複該第一步驟。
20‧‧‧整流天線陣列
21‧‧‧寬頻天線模組
22‧‧‧整流模組
221‧‧‧整流二極體
222‧‧‧濾波電容
30‧‧‧充電模組
31‧‧‧電晶體
32‧‧‧稽納二極體
33‧‧‧蓄電模組
34‧‧‧保護電路
40‧‧‧阻抗匹配電路
50‧‧‧輸出模組
第1圖係根據本發明之第一實施例，顯示一無線電磁波集電系統的系統方塊示意圖；第2係根據本發明之第一實施例，顯示一整流天線陣列的電路結構示意圖；第3圖係根據本發明之第一實施例，顯示輸出模組的配置示意圖；第4圖係根據本發明之無線電磁波集電方法，顯示一流程示意圖。
以下係藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點及功效。本發明亦可藉由其他不同的具體實例加以施行或應用，本發明說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用在不悖離本發明之精神下進行各種修飾與變更。
須知，本說明書所附圖式繪示之結構、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示之內容，以供熟悉此技藝之人士瞭解與閱讀，並非用以限定本發明可實施之限定條件，故不具技術上之實質意義，任何結構之 修飾、比例關係之改變或大小之調整，在不影響本發明所能產生之功效及所能達成之目的下，均應落在本發明所揭示之技術內容得能涵蓋之範圍內。
以下依據本發明之第一實施例，描述一無線電磁波集電系統。
請參閱第1圖所示，本發明之無線電磁波集電系統包括：一整流天線陣列20、一充電模組30及一輸出模組50。
請參閱第2圖所示，該整流天線陣列20包括：至少一寬頻天線模組21、至少一整流模組22，其中該至少一寬頻天線模組21係接收一空間中的至少一電磁波(Electromagnetic wave,EM wave)，該至少一整流模組22連接至該至少一寬頻天線模組21且將該至少一寬頻天線模組21所接收之該至少一電磁波轉換為一直流電。依據本發明之第一實施例，至少一寬頻天線模組21包括一射頻辨識系統電子標籤(RFID Tag)的天線，其以低成本且大量印刷的方式進行製造。在本發明之第一實施例中，所使用的至少一寬頻天線模組21其適用的電磁波頻譜範圍為840MHz至960MHz之間，可相容於數位電視廣播、航空通訊、手機、無線網路、藍牙、廣播電台及無線對講機等用途，符合UHF(Ultra High Frequency)之300MHz至3GHz的頻段標準。
依據本發明之第一實施例，本發明之無線電磁波集電系統復包括介於至少一寬頻天線模組21及至少一整流模組22之間的至少一阻抗匹配電路40，換言之，該至少一阻抗匹配電路40係連接於該至少一寬頻天線模組21及該至少一整流模組22之間，該至少一整流模組22藉由該至少一阻抗匹配電路40連接至該至少一寬頻天線模組21；其中，該至少一阻抗匹配電路40為一阻抗匹配網路，其將至少一寬頻天線模組21之阻抗與該至少一整流模組22之阻抗進行匹配，使至少一寬頻天線21與該至少一整流模組22達成阻抗共軛匹配，讓該至少一寬頻天線模組21得以發揮最佳的電磁波接收效率。
依據本發明之第一實施例，該整流模組22為一倍壓整流電路，該倍壓整流電路包括至少一整流二極體221及至少一濾波電容222。在本發明之第一實施例中，該至少一整流二極體221為蕭特基位障二極體(Schottky Barrier Diode)，該至少一整流二極體221連接至該至少一阻抗匹配電路40，透過該至少一阻抗匹配電路40將該至少一寬頻天線模組21所接收到之至 少一電磁波進行整流處理而轉換為具有數倍原始電壓峰值的一直流電，藉以整流並提升輸出電壓值；而該濾波電容222連接於該至少一整流二極體221及該充電模組30之間，該濾波電容222是將經整流處理後產生之該直流電進行漣波等雜訊消除處理，使傳輸至該充電模組30之該直流電的電性波形較為平穩，可避免對後端電路會有觸發誤動作或電性損毀的現象。
請參閱第3圖所示，該充電模組30連接至該整流天線陣列20之該至少一整流模組22，且包括至少一電晶體31、至少一稽納二極體32及一蓄電模組33。依據本發明之第一實施例，該充電模組30藉由該至少一稽納二極體32使該直流電穩定於該蓄電模組33所需之電壓範圍，以產生一穩壓直流電；而該蓄電模組33為可重複充放電的一二次電池(Secondary battery)，且儲存該至少一整流模組之該直流電，該二次電池為鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池及鋰電池之其中一者。
依據本發明之第一實施例，該充電模組30復包括一保護電路34，係連接於該蓄電模組33，其中，該保護電路34包括至少一電阻，用以保護該充電模組30及該蓄電模組33，避免因通過瞬時大量電流而造成該充電模組30及該蓄電模組33電性損毀。
輸出模組50連接至蓄電模組33，且輸出儲存於蓄電模組33中之穩壓直流電。依據本發明之第一實施例，該輸出模組藉由一無線傳輸方式及一電性傳輸線方式的其中之一者輸出該穩壓直流電於相容之電子裝置。
此外，請參閱第4圖所示，本發明之無線電磁波集電方法包括下列步驟：一第一步驟、一第二步驟、一第三步驟以及一第四步驟。
第一步驟(步驟S1)藉由一具有至少一寬頻天線模組之整流天線陣列判斷是否接收到一空間中的至少一電磁波，其中，若是，則繼續下一步驟；若否，則重複該第一步驟；第二步驟(步驟S2)藉由至少一整流模組，針對該至少一寬頻天線模組所接收到的該至少一電磁波進行整流處理及轉換，以產生一直流電，繼續下一步驟；第三步驟(步驟S3)藉由一充電模組將該直流電穩定於一蓄電模組所需之電壓範圍，以產生及儲存一穩壓直流電於該蓄電模組中；以及 第四步驟(步驟S4)藉由一輸出模組判斷該蓄電模組中是否具有該穩壓直流電，其中，若是，則輸出儲存於該蓄電模組中之該穩壓直流電；若否，則重複該第一步驟。
於開始使用本發明時，先將寬頻天線模組21配置於欲接收及降低多餘電磁波的空間中，並藉由至少一寬頻天線模組21以無線方式接收空間中的散佈的至少一電磁波，該至少一寬頻天線模組21可相容於複數訊號頻段；接著至少一整流模組22透過至少一阻抗匹配電路40將至少一寬頻天線模組21所接收到的至少一電磁波進行整流及濾波處理，以將至少一電磁波轉換為一直流電；該至少一電晶體31及該至少一稽納二極體32對該直流電進行穩壓處理，以產生該穩壓直流電；蓄電模組33是將至少一整流模組22的穩壓直流電儲存於蓄電模組33之中，以供未來之使用，而輸出模組則將蓄電模組33中之穩壓直流電輸出。
藉此，由於本發明藉由至少一寬頻天線模組21作為能量傳輸的傳輸端，其以電磁波作為能量傳輸的載體，由於電磁波的物理波動模型是由彼此相互垂直之電場與磁場所組合而成，因此其有效傳輸距離與速率均較單純的磁場更遠；而在一般使用情況下，至少一電磁波即充斥於空間中，故於使用時不會受到使用位置的限制，可達到讓使用較靈活而不受限制之目的。
儘管已參考本申請的許多說明性實施例描述了實施方式，但應瞭解的是，本領域技術人員能夠想到多種其他改變及實施例，這些改變及實施例將落入本公開原理的精神與範圍內。尤其是，在本公開、圖式以及所附申請專利範圍的範圍內，對主題結合配置的組成部分及/或配置可作出各種變化與修飾。除對組成部分及/或配置做出的變化與修飾之外，可替代的用途對本領域技術人員而言將是顯而易見的。
20‧‧‧整流天線陣列
21‧‧‧寬頻天線模組
22‧‧‧整流模組
30‧‧‧充電模組
50‧‧‧輸出模組

Claims (10)

  1. 一種無線電磁波集電系統，係包括：一整流天線陣列，係包括：至少一寬頻天線模組，係接收一空間中的至少一電磁波；以及至少一整流模組，係連接至該至少一寬頻天線模組，且將該至少一寬頻天線模組所接收之該至少一電磁波轉換為一直流電；一充電模組，係連接至該整流天線陣列之該至少一整流模組，且包括至少一電晶體、至少一稽納二極體、一保護電路及一蓄電模組，其中，該保護電路的一端連接至該電晶體，該保護電路的另一端連接至該蓄電模組；以及一輸出模組，係連接至該充電模組，且輸出儲存於該蓄電模組中之一穩壓直流電。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之無線電磁波集電系統，復包括至少一阻抗匹配電路，係連接於該至少一寬頻天線模組及該至少一整流模組之間，其中，該至少一阻抗匹配電路為一阻抗匹配網路，該至少一整流模組藉由該至少一阻抗匹配電路連接至該至少一寬頻天線模組。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之無線電磁波集電系統，其中，該充電模組藉由該至少一稽納二極體使該直流電穩定於該蓄電模組所需之電壓範圍，以產生該穩壓直流電。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之無線電磁波集電系統，其中，該保護電路包括至少一電阻，用以保護該充電模組及該蓄電模組。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之無線電磁波集電系統，其中，該至少一整流模組為一倍壓整流電路，該倍壓整流電路包括至少一整流二極體及至少一濾波電容。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之無線電磁波集電系統，其中，該蓄電模組為可重複充放電的一二次電池，且儲存該至少一整流模組之該直流電， 該二次電池為鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池及鋰電池之其中一者。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之無線電磁波集電系統，其中，該至少一寬頻天線模組符合UHF(Ultra High Frequency)之頻段標準。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之無線電磁波集電系統，其中，該輸出模組藉由一無線傳輸方式及一電性傳輸線方式的其中之一者輸出該穩壓直流電。
  9. 一種無線電磁波集電方法，係包括：一第一步驟，係藉由一具有至少一寬頻天線模組之整流天線陣列判斷是否接收到一空間中的至少一電磁波，其中，若是，則繼續下一步驟；若否，則重複該第一步驟；一第二步驟，係藉由至少一整流模組，針對該至少一寬頻天線模組所接收到的該至少一電磁波進行整流處理及轉換，以產生一直流電，繼續下一步驟；一第三步驟，係藉由一充電模組將該直流電穩定於一蓄電模組所需之電壓範圍，以產生及儲存一穩壓直流電於該蓄電模組中；以及一第四步驟，係藉由一輸出模組判斷該蓄電模組中是否具有該穩壓直流電，其中，若是，則輸出儲存於該蓄電模組中之該穩壓直流電；若否，則重複該第一步驟，其中，該充電模組連接至該整流天線陣列之該至少一整流模組，且包括至少一電晶體、至少一稽納二極體、一保護電路及一蓄電模組，該保護電路的一端連接至該電晶體，該保護電路的另一端連接至該蓄電模組。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之無線電磁波集電方法，其中，該充電模組包括一具有至少一電阻的保護電路，用以保護該充電模組及該蓄電模組；以及該蓄電模組為可重複充放電的一二次電池，該二次電池包括鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池及鋰電池之其中一者。
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