TWI677160B - 無線電力傳輸系統 - Google Patents

Abstract

一種無線電力傳輸系統，包括發射天線及接收天線。發射天線耦接電源裝置，且發射天線是八木天線。發射天線接收電源裝置提供的第一電力訊號，並朝第一方向發射電力輻射訊號。接收天線連接整流器，整流器連接電力接收器，且接收天線是八木天線。接收天線距離發射天線有一預設距離。接收天線接收電力輻射訊號並轉換電力輻射訊號為第二電力訊號。整流器將第二電力訊號轉換為第三電力訊號並傳送給電力接收器。

Description

無線電力傳輸系統

本發明有關於一種傳輸系統，且特別關於一種使用八木天線的無線電力傳輸系統。

隨著各式電子產品的普及，人們對於電子產品的依賴程度日益提高，也發展出越來越多例如智慧型手機或平板電腦等可攜式電子裝置。而隨著這些電子裝置的普及，充電的需求也不斷的增加。而使用者都希望能夠盡可能減少攜帶連接線，因此無線充電技術於是應運而生。

當無線充電的技術被應用在電子裝置時，電力是由發射天線或發射線圈所傳送，再由接收天線或接收線圈所接收。然而，使用發射線圈與接收線圈傳輸電力必須在很短的距離之內，對於使用上會造成很大的限制。而目前使用發射天線及接收天線傳輸電力的效率十分低落，且成本高昂。因此，如何建立一套高效率且低成本的無線電力傳輸系統實為本領域相關人員所關注的焦點。

本發明提供一種無線電力傳輸系統，可以八木天線進行電力的傳輸。

本發明的其他目的和優點可以從本發明所揭露的技術特徵中得到進一步的了解。

為達上述之一或部分或全部目的或是其他目的，本發明之一實施例提供一種無線電力傳輸系統，包括發射天線及接收天線。發射天線耦接電源裝置，且發射天線是八木天線。發射天線接收電源裝置提供的第一電力訊號，並朝第一方向發射電力輻射訊號。接收天線耦接整流器，整流器耦接電力接收器，且接收天線是八木天線。接收天線距離發射天線有一預設距離。接收天線接收電力輻射訊號並轉換電力輻射訊號為第二電力訊號。整流器將第二電力訊號轉換為第三電力訊號並傳送給電力接收器。

在本發明的一實施例中，上述之發射天線包括一第一基板、一第一反射器、一第一驅動器及多個第一引向器，第一反射器、第一驅動器及這些第一引向器依序沿第一方向設置於第一基板上，第一驅動器用於接收第一電力訊號並產生一第一輻射場型，這些第一引向器用於將第一輻射場型往第一方向牽引，以使發射天線朝第一方向發射電力輻射訊號。

在本發明的一實施例中，上述之發射天線是印刷式八木天線，第一反射器、第一驅動器及這些第一引向器是印刷於第一基板上的金屬層。

在本發明的一實施例中，上述之這些第一引向器的數量是7個，第一驅動器及這些第一引向器彼此間距是一第一預設間距。

在本發明的一實施例中，上述之接收天線包括一第二基板、一第二反射器、一第二驅動器及多個第二引向器，第二反射器、第二驅動器及這些第二引向器依序沿一第二方向設置於第二基板上，其中第二方向與第一方向方向相反，這些第二引向器用於接收電力輻射訊號，並往第一方向牽引以形成一第二輻射場型，第二驅動器用於接收第二輻射場型並產生第二電力訊號。

在本發明的一實施例中，上述之接收天線是印刷式八木天線，第二反射器、第二驅動器及這些第二引向器是印刷於第二基板上的金屬層。

在本發明的一實施例中，上述之這些第二引向器的數量是7個，第二驅動器及這些第二引向器彼此間距是一第二預設距離。

在本發明的一實施例中，上述之發射天線包括一第一基板、一第一反射器、一第一驅動器及多個第一引向器，第一反射器、第一驅動器及這些第一引向器依序沿第一方向設置於第一基板的一第一表面，第一驅動器用於接收第一電力訊號並產生一第一輻射場型，這些第一引向器用於將第一輻射場型往第一方向牽引，以使發射天線朝第一方向發射電力輻射訊號；接收天線包括一第二基板、一第二反射器、一第二驅動器及多個第二引向器，第二反射器、第二驅動器及這些第二引向器依序沿一第二方向設置於第二基板的一第二表面，其中第二方向與第一方向方向相反，且第二基板平行於第一基板，第一表面與第二表面並位於同一平面，第一反射器、第一驅動器、這些第一引向器、這些第二引向器、第二驅動器及第二反射器並沿一直線排列，這些第二引向器用於接收電力輻射訊號，並往第一方向牽引以形成一第二輻射場型，第二驅動器用於接收第二輻射場型並產生第二電力訊號。

在本發明的一實施例中，上述之整流器包括一三階倍壓電路，其輸出的第三電力訊號的電壓是第二電力訊號的電壓的6倍。

在本發明的一實施例中，上述之整流器包括一金屬-半導體接面二極體（metal-semiconductor junction diode），用於將第二電力訊號以成為第三電力訊號。

在本發明的一實施例中，上述之電力輻射訊號的頻率介於2.3GHz至2.5GHz之間。

在本發明的一實施例中，上述之發射天線與接收天線間的預設距離介於30公分至100公分。

本發明實施例的無線電力傳輸系統透過使用兩個八木天線，分別做為電力發射天線與電力接收天線，讓無線電力傳輸系統可以八木天線無線的傳輸電力。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用來說明並非用來限制本發明。

請參閱圖1，圖1是本發明的無線電力傳輸系統一實施例的示意圖。無線電力傳輸系統100包括發射天線101、電源裝置102、接收天線103、整流器105及電力接收器104。發射天線101與接收天線103皆是八木天線（Yagi-Uda antenna）。發射天線101接收電源裝置102提供的電力訊號，並朝第一方向A發射電力輻射訊號。接收天線103距離發射天線101有一預設距離D。接收天線103接收發射天線101發射的電力輻射訊號，並轉換電力輻射訊號為電力訊號後傳送給整流器105。整流器105將接收到的電力訊號轉換後傳送給電力接收器104。藉此，本實施例的無線電力傳輸系統100使用兩個八木天線，分別做為電力發射天線與電力接收天線，讓無線電力傳輸系統100可以八木天線無線的傳輸電力。具體操作細節以下將會詳細說明。

請同時參閱圖2，圖2是圖1所示的無線電力傳輸系統100的功能方塊示意圖。無線電力傳輸系統100包括發射天線101、電源裝置102、接收天線103、整流器105及電力接收器104。發射天線101耦接電源裝置102，且發射天線101是八木天線。發射天線101接收電源裝置102提供的第一電力訊號E1，並朝第一方向A發射電力輻射訊號RF。接收天線103耦接整流器105，整流器105並耦接電力接收器104。接收天線103是八木天線，且距離發射天線101是預設距離D。接收天線103接收發射天線101發射的電力輻射訊號RF，並轉換電力輻射訊號RF為第二電力訊號E2。接收天線103並將第二電力訊號E2傳送給整流器105，而整流器105將第二電力訊號E2轉換為第三電力訊號E3並傳送給電力接收器104，達成以八木天線無線的傳輸電力的目的。

電源裝置102例如可以使用一訊號產生器（signal generator）來達成，電力接收器104例如可以使用一RF網路分析儀（RFnetwork analyzer ）來達成，但本發明並不以此為限制。電源裝置102只要是可以提供第一電力訊號E1的電源裝置即可，電力接收器104只要是可以接收第三電力訊號E3的裝置即可。

請同時參閱圖3A，圖3A是圖1所示無線電力傳輸系統100的發射天線101的示意圖。具體而言，發射天線101包括第一基板1011、第一反射器R1、第一驅動器118及第一引向器111、112、113、114、115、116、117。第一反射器R1、第一驅動器118及第一引向器111、112、113、114、115、116、117依序沿第一方向A設置於第一基板1011的第一表面1011a上。第一驅動器118用於接收電源裝置102提供的第一電力訊號E1並產生第一輻射場型（未圖示），而第一引向器111、112、113、114、115、116、117用於將第一輻射場型往第一方向A牽引，以使發射天線101朝第一方向A發射電力輻射訊號RF。其中，第一反射器R1具有將第一輻射場型反射至第一方向A的功用，也具有屏蔽圖3A中左側來的輻射的作用。

請同時參閱圖3B，圖3B是圖1所示無線電力傳輸系統100的接收天線103的示意圖。具體而言，接收天線103包括第二基板1031、第二反射器R2、第二驅動器138及第二引向器131、132、133、134、135、136、137。第二反射器R2、第二驅動器138及第二引向器131、132、133、134、135、136、137依序沿第二方向B設置於第二基板1031的第二表面1031a上，其中第二方向B與第一方向A的方向是相反的。第二引向器131、132、133、134、135、136、137用於接收發射天線101發射的電力輻射訊號RF，並將電力輻射訊號RF往第一方向A牽引以形成第二輻射場型（未圖示）。第二驅動器138用於接收第二輻射場型並產生第二電力訊號E2。其中，第二反射器R2具有屏蔽圖3B中左側來的輻射的功用，也具有將第二輻射場型反射至第二方向B的功用。

具體而言，在本實施例中，接收天線103的第二基板1031是平行於發射天線101的第一基板1011，第一表面1011a與第二表面1031a並位於同一平面，第一反射器R1、第一驅動器118、第一引向器111、112、113、114、115、116、117、第二引向器131、132、133、134、135、136、137、第二驅動器138及第二反射器R2並沿一直線排列。

詳細來說，發射天線101的第一驅動器118可以具有第一饋入端1181，並透過第一饋入端1181連接第一傳輸線119，而第一傳輸線119用於連接電源裝置102。第一驅動器118可以透過第一饋入端1181接收經由第一傳輸線119傳輸而來的第一電力訊號E1。接收天線103的第二驅動器138可以具有第二饋入端1381，並透過第二饋入端1381連接第二傳輸線139。第二驅動器138在產生第二電力訊號E2後，可以透過第二饋入端1381將第二電力訊號E2送入第二傳輸線139，而第二傳輸線139可將第二電力訊號E2傳送給整流器105。圖3A及圖3B所示的第一饋入端1181、第一傳輸線119、第二饋入端1381及第二傳輸線139的結構僅為一舉例說明，並非用以限制本發明。

此外，發射天線101可以是印刷式八木天線，第一反射器R1、第一驅動器118及第一引向器111、112、113、114、115、116、117是印刷於第一基板1011上的金屬層。另外，第一傳輸線119也可以是印刷於第一基板1011上的金屬層。而接收天線103可以是印刷式八木天線，第二反射器R2、第二驅動器138及第二引向器131、132、133、134、135、136、137是印刷於第二基板1031上的金屬層。另外，第二傳輸線139也可以是印刷於第二基板1031上的金屬層。其中，第一基板1011及第二基板1031可以包括絕緣的材料。

在本實施例中，以發射天線101包括7個第一引向器111、112、113、114、115、116、117做為舉例說明，而第一驅動器118及第一引向器111、112、113、114、115、116、117彼此間距是第一預設間距d1。在本實施例中，接收天線103並以包括7個第二引向器131、132、133、134、135、136、137做為舉例說明，而第二驅動器138及第二引向器131、132、133、134、135、136、137彼此間距是第二預設距離d2。經實驗證明，發射天線101具有7個第一引向器111、112、113、114、115、116、117，且接收天線103具有7個第二引向器131、132、133、134、135、136、137時，無線電力傳輸系統100具有較佳的電力轉換效率。

在本實施例中，經實驗證實，第一驅動器118及第一引向器111、112、113、114、115、116、117彼此間的第一預設間距d1是18.3mm，而第二驅動器138及第二引向器131、132、133、134、135、136、137彼此間的第二預設距離d2是18.3mm時，無線電力傳輸系統100可以有較佳的電力轉換效率。而在本實施例中，第一引向器111、112、113、114、115、116、117的寬度t1是1.9mm，第二引向器131、132、133、134、135、136、137的寬度t2是1.9mm，第一引向器111、112、113、114、115、116、117的長度分別是L111=43.5mm、L112=39mm、L113=36mm、L114=36mm、L115=36mm、L116=36mm、L117=36mm，第二引向器131、132、133、134、135、136、137的長度分別是L131=43.5mm、L132=39mm、L133=36mm、L134=36mm、L135=36mm、L136=36mm、L137=36mm，第一驅動器118的長度L118=48.9mm，第二驅動器138的長度L138=48.9mm時，無線電力傳輸系統100可以有較佳的電力轉換效率。前述之各項數值僅為本實施例之一較佳結果的舉例說明，並非用來限制本發明。具體的實驗結果以下將會詳細說明。

請參閱圖4A及圖4B，圖4A為本發明實施例之無線電力傳輸系統100的反射損耗的示意圖，圖4B為本發明實施例之無線電力傳輸系統100的史密斯圖。在圖4A中，曲線S401是軟體模擬的模擬值，而曲線S403是經實驗量測得到的實驗值。本發明實施例之無線電力傳輸系統100操作於2.45GHz的頻帶時，實驗的反射損耗在-42dB左右，而模擬的反射損耗在-38dB左右。在圖4B中，曲線S402是軟體模擬的模擬值，而曲線S404是經實驗量測得到的實驗值。

請參閱圖5，圖5為本發明另一實施例之無線電力傳輸系統200的功能方塊示意圖。本實施例的無線電力傳輸系統200與圖1~圖3B所示的無線電力傳輸系統100具有相似的結構與功能。本實施例與圖1~圖3B所示的實施例不同之處在於：整流器205包括了三階倍壓電路2051。使三階倍壓電路2051可使整流器205輸出的第三電力訊號E3的電壓是第二電力訊號E2的電壓的6倍，可以使整流器205的輸入阻抗與接收天線103的阻抗匹配，因而可以有較佳的電力轉換效率。其中，整流器205例如可以包括金屬-半導體接面二極體（metal-semiconductor junction diode），用於將第二電力訊號E2轉換為第三電力訊號E3。相較於半導體-半導體接面二極體（semiconductor-semiconductor junction diode），本實施例使用的金屬-半導體接面二極體具有很快的開關時間，使得無線電力傳輸系統200可以在高頻率下進行無線電力傳輸。在本實施例中，電力輻射訊號RF的頻率是2.45GHz，但本發明並不以此為限制。在本發明其他實施例中，電力輻射訊號RF的頻率例如可以是介於2.3GHz至2.5GHz之間，但本發明也不排除可運作於其他頻率。

請參閱圖6A及圖6B，圖6A為圖5所示之無線電力傳輸系統200的反射損耗的示意圖，圖6B為圖5所示之無線電力傳輸系統200的史密斯圖。在圖6A中，曲線S601是經實驗量測得到的實驗值，本實施例之無線電力傳輸系統200操作於2.45GHz的頻帶時，實驗的反射損耗在-19dB左右。在圖6B中，曲線S602是經實驗量測得到的實驗值。

請參閱表一，表一是圖5所示之無線電力傳輸系統200產生的輸出電壓與天線間的距離關係。表一顯示無線電力傳輸系統200操作於2.45GHz的頻帶時，將接收天線103距離發射天線101的預設距離D分別設置在30cm~100cm，所量測到整流器205輸出第三電力訊號E3的電壓，其中在D=30cm處整流器205可以輸出3.2V的直流電壓，並相當於具有51%的RF-DC轉換效率。然而，這只是本發明一實施例的實驗數據，並非用來限制本發明。

D（cm）	輸出直流電壓（V）
30	3.2
40	2.4
50	2.2
60	1.8
70	1.6
80	1.1
90	0.8
100	0.56

表一

綜上所述，本發明之實施例的無線電力傳輸系統使用兩個八木天線，分別做為電力發射天線與電力接收天線，讓無線電力傳輸系統可以八木天線無線的傳輸電力，不但效率高而且成本較低。並且，相較於使用線圈進行無線電力傳輸，本發明的無線電力傳輸系統能在長距離下無線傳輸電力，並具有很高的電力轉換效率。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100、200：無線電力傳輸系統 101：發射天線 1011：第一基板 1011a：第一表面 102：電源裝置 103：接收天線 1031：第二基板 1031a：第二表面 105：整流器 104：電力接收器 111、112、113、114、115、116、117：第一引向器 118：第一驅動器 1181：第一饋入端 119：第一傳輸線 131、132、133、134、135、136、137：第二引向器 138：第二驅動器 1381：第二饋入端 139：第二傳輸線 205：整流器 2051：三階倍壓電路 A：第一方向 B：第二方向 D：預設距離 d1：第一預設間距 d2：第二預設距離 E1：第一電力訊號 E2：第二電力訊號 E3：第三電力訊號 L111、L112、L113、L114、L115、L116、L117、L118：長度 L131、L132、L133、L134、L135、L136、L137、L138：長度 R1：第一反射器 R2：第二反射器 RF：電力輻射訊號 S401、S402、S403、S404、S601、S602：曲線 t1：寬度 t2：寬度

圖1是本發明的無線電力傳輸系統一實施例的示意圖。 圖2是本發明的無線電力傳輸系統一實施例的功能方塊示意圖。 圖3A是本發明的無線電力傳輸系統一實施例的發射天線示意圖。 圖3B是本發明的無線電力傳輸系統一實施例的接收天線示意圖。 圖4A為本發明的無線電力傳輸系統一實施例的反射損耗的示意圖。 圖4B為本發明的無線電力傳輸系統一實施例的史密斯圖。 圖5是本發明的無線電力傳輸系統另一實施例的功能方塊示意圖。 圖6A為本發明的無線電力傳輸系統另一實施例的反射損耗的示意圖。 圖6B為本發明的無線電力傳輸系統另一實施例的史密斯圖。

Claims (11)

1. 一種無線電力傳輸系統，包括：一發射天線，耦接一電源裝置，該發射天線是八木天線，該發射天線接收該電源裝置提供的一第一電力訊號，並朝一第一方向發射一電力輻射訊號；以及一接收天線，耦接一整流器，該整流器耦接一電力接收器，該接收天線是八木天線，該接收天線距離該發射天線有一預設距離，該接收天線接收該電力輻射訊號並轉換該電力輻射訊號為一第二電力訊號，該整流器將該第二電力訊號轉換為一第三電力訊號並傳送給該電力接收器；其中該接收天線包括一第二基板、一第二反射器、一第二驅動器及多個第二引向器，該第二反射器、該第二驅動器及該些第二引向器依序沿一第二方向設置於該第二基板上，其中該第二方向與該第一方向方向相反，該些第二引向器用於接收該電力輻射訊號，並往該第一方向牽引以形成一第二輻射場型，該第二驅動器用於接收該第二輻射場型並產生該第二電力訊號。
2. 如申請專利範圍第1項所述的無線電力傳輸系統，其中該發射天線包括一第一基板、一第一反射器、一第一驅動器及多個第一引向器，該第一反射器、該第一驅動器及該些第一引向器依序沿該第一方向設置於該第一基板上，該第一驅動器用於接收該第一電力訊號並產生一第一輻射場型，該些第一引向器用於將該第一輻射場型往該第一方向牽引，以使該發射天線朝該第一方向發射該電力輻射訊號。
3. 如申請專利範圍第2項所述的無線電力傳輸系統，其中該發射天線是印刷式八木天線，該第一反射器、該第一驅動器及該些第一引向器是印刷於該第一基板上的金屬層。
4. 如申請專利範圍第2項所述的無線電力傳輸系統，其中該些第一引向器的數量是7個，該第一驅動器及該些第一引向器彼此間距是一第一預設間距。
5. 如申請專利範圍第1項所述的無線電力傳輸系統，其中該接收天線是印刷式八木天線，該第二反射器、該第二驅動器及該些第二引向器是印刷於該第二基板上的金屬層。
6. 如申請專利範圍第1項所述的無線電力傳輸系統，其中該些第二引向器的數量是7個，該第二驅動器及該些第二引向器彼此間距是一第二預設距離。
7. 如申請專利範圍第1項所述的無線電力傳輸系統，其中該發射天線包括一第一基板、一第一反射器、一第一驅動器及多個第一引向器，該第一反射器、該第一驅動器及該些第一引向器依序沿該第一方向設置於該第一基板的一第一表面，該第一驅動器用於接收該第一電力訊號並產生一第一輻射場型，該些第一引向器用於將該第一輻射場型往該第一方向牽引，以使該發射天線朝該第一方向發射該電力輻射訊號；該第二反射器、該第二驅動器及該些第二引向器依序沿該第二方向設置於該第二基板的一第二表面，且該第二基板平行於該第一基板，該第一表面與該第二表面並位於同一平面，該第一反射器、該第一驅動器、該些第一引向器、該些第二引向器、該第二驅動器及該第二反射器並沿一直線排列。
8. 如申請專利範圍第1項所述的無線電力傳輸系統，其中該整流器包括一三階倍壓電路，其輸出的該第三電力訊號的電壓是該第二電力訊號的電壓的6倍。
9. 如申請專利範圍第8項所述的無線電力傳輸系統，其中該整流器包括一金屬-半導體接面二極體(metal-semiconductor junction diode)，用於將該第二電力訊號以成為該第三電力訊號。
10. 如申請專利範圍第1項所述的無線電力傳輸系統，其中該電力輻射訊號的頻率介於2.3GHz至2.5GHz之間。
11. 如申請專利範圍第1項所述的無線電力傳輸系統，其中該發射天線與該接收天線間的該預設距離介於30公分至100公分。