專利名稱：用于無線電力傳遞的接收天線的制作方法
用于無線電力傳遞的接收天線
依據(jù)35 U.S.C. 1119主張優(yōu)先權
本申請案依據(jù)35 U.S.C.§ 119(e)主張以下申請案的優(yōu)先權
在2008年6月11日申請的題為“經(jīng)由接收天線阻抗調(diào)制的反向鏈路信令 (REVERSELINK SIGNALING VIA RECEIVE ANTENNA IMPEDANCE MODULATION) ” 的美國臨時專利申請案61/060,735 ；
在2008年6月11日申請的題為“無線電力環(huán)境中的信令充電 (SIGNALINGCHARGING IN WIRELESS POWER ENVIRONMENT) ” 的美國臨時專利申 請案 61/060,738 ；
在2008年5月13日申請的題為“用于無線電力傳遞的自適應調(diào)諧機制 (ADAPTIVETUNING MECHANISM FOR WIRELESS POWER TRANSFER) ” 的美國臨時 專利申請案61/053,008 ；
在2008年5月13日申請的題為“用于無線電力充電系統(tǒng)的有效電力管 理方案(EFFICIENT POWER MANAGEMENT SCHEME FOR WIRELESS POWER CHARGINGSYSTEMS) ”的美國臨時專利申請案61/053,010 ；
在2008年6月11日申請的題為“用于無線充電系統(tǒng)的發(fā)射電力控制 (TRANSMITPOWER CONTROL FOR A WIRELESS CHARGING SYSTEM) ” 的美國臨時專利申請案61/060,741 ；
在2008年5月13日申請的題為“用于增強無線電力傳遞的轉發(fā)器 (REPEATERSFOR ENHANCEMENT OF WIRELESS POWER TRANSFER) ” 的美國臨時 專利申請案61/053,000 ；
在2008年5月13日申請的題為“用于電器和設備的無線電力傳遞 (WIRELESSPOWER TRANSFER FOR APPLIANCES AND EQUIPMENTS) ” 的美國臨時 專利申請案61/053,004 ；
在2008年7月16日申請的題為“使用負電阻的無線電力傳遞(WIRELESS POWERTRANSFER USING NEGATIVE RESISTANCE) ” 的美國臨時專利申請案 61/081,332 ；
在2008年5月13日申請的題為“用于無線電力傳遞的嵌入式接收天線 (EMBEDDEDRECEIVE ANTENNA FOR WIRELESS POWER TRANSFER) ” 的美國臨時 專利申請案61/053,012 ；以及
在2008年5月13日申請的題為“平面大面積無線充電系統(tǒng)(PLANAR LARGE AREAWIRELESS CHARGING SYSTEM) ” 的美國臨時專利申請案 61/053,015。
背景技術：
無線電力傳遞領域的方法包括使用例如電感性充電墊的電感，其中電感耦合發(fā) 生于所述墊與待充電的裝置之間。然而，除了電力的受體(接收點)與硬連線到電源(插 座)的插線之間的幾英寸的最后耦合外，此方法并未有效地減少對傳遞電力的電線的需要。
用于無線電力傳遞的另一種方法推薦使用發(fā)射到發(fā)射天線的遠場的電力。然 而，此種方法的效率非常低，因為經(jīng)發(fā)射電力與從發(fā)射天線到接收點的距離的平方成比 例地衰減。
用于無線電力傳遞的另一種方法使用所產(chǎn)生的近場來將電力從兩個緊密耦合天 線的系統(tǒng)中的一個諧振天線傳遞到另一諧振天線。然而，此種方法需要的天線過大以 致不能配合于在電力傳遞系統(tǒng)的接收端中的大多數(shù)便攜式裝置(例如，膝上型計算機、 PDA或無線手持機)中。舉例來說，在一個無線電力傳遞實驗中，在類似地成形而具有 300mm的半徑和200mm的高度且相隔約2米的發(fā)射天線與接收天線之間，能量傳遞效率 為約百分之40。當所述天線中的一者實質(zhì)性小于另一者時，效率進一步減少。歸因于此 大小失配的效率導致能量傳遞效率顯著減少到低于百分之10。
此外，接收天線定位在電屏蔽或基于鐵氧體的區(qū)上也導致效率減少。特定來 說，鐵氧體材料為導致無線電力傳遞的較低效率的有損材料。因此，需要一種將電力傳 遞的效率擴展到較小尺寸的接收天線的接收天線和附接到其的裝置。


圖1展示無線電力傳遞系統(tǒng)的簡化框圖。
圖2展示無線電力傳遞系統(tǒng)的簡化示意圖。
圖3展示用于本發(fā)明的示范性實施例中的環(huán)形天線的示意圖。
圖4展示指示發(fā)射天線與接收天線之間的耦合強度的模擬結果。
圖5A和圖5B展示根據(jù)本發(fā)明的示范性實施例的用于發(fā)射天線和接收天線的環(huán) 形天線的布局。
圖6展示指示與圖4A和圖4B中所說明的正方形和圓形發(fā)射天線的各種周長大 小有關的在發(fā)射天線與接收天線之間的耦合強度的模擬結果。
圖7展示指示與圖4A和圖4B中所說明的正方形和圓形發(fā)射天線的各種表面積 有關的在發(fā)射天線與接收天線之間的耦合強度的模擬結果。
圖8展示接收天線相對于發(fā)射天線的各種放置點以說明在共面和同軸放置下的 耦合強度。
圖9展示指示在發(fā)射天線與接收天線之間的各種距離下同軸放置的耦合強度的 模擬結果。
圖10為根據(jù)本發(fā)明的示范性實施例的發(fā)射器的簡化框圖。
圖11為根據(jù)本發(fā)明的示范性實施例的接收器的簡化框圖。
圖12展示用于在發(fā)射器與接收器之間進行消息接發(fā)的發(fā)射電路的一部分的簡化 示意圖。
圖13A到圖13C展示在各種狀態(tài)下的接收電路的一部分的簡化示意圖，以說明 接收器與發(fā)射器之間的消息接發(fā)。
圖14A到圖14C展示在各種狀態(tài)下的替代性接收電路的一部分的簡化示意圖， 以說明接收器與發(fā)射器之間的消息接發(fā)。
圖15A到圖15C為說明用于發(fā)射器與接收器之間的通信的消息接發(fā)協(xié)議的時序圖。
圖16A到圖16D為說明用于在發(fā)射器與接收器之間發(fā)射電力的信標電力模式的 簡化框圖。
圖17為根據(jù)本發(fā)明的實施例的擴大區(qū)域無線充電設備的簡化框圖。
圖18為根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的擴大區(qū)域無線充電設備的簡化框圖。
圖19為根據(jù)本發(fā)明的實施例的包括無線充電天線的電子裝置的透視圖。
圖20為根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的包括無線充電天線的電子裝置的透視圖。
具體實施方式
詞語“示范性”在本文中用以指“充當實例、例子或說明”。本文中描述為 “示范性”的任何實施例不必理解為比其它實施例優(yōu)選或有利。
在下文結合附圖陳述的詳細描述意欲作為對本發(fā)明的示范性實施例的描述且無 意表示可實踐本發(fā)明的僅有實施例。在整個此描述中所使用的術語“示范性”指“充當 實例、例子或說明”且應沒有必要理解為比其它示范性實施例優(yōu)選或有利。所述詳細描 述包括特定細節(jié)以用于提供對本發(fā)明的示范性實施例的徹底理解的目的。所屬領域的技 術人員將明白，可在無這些特定細節(jié)的情況下實踐本發(fā)明的示范性實施例。在一些例子 中，以框圖形式來展示眾所周知的結構和裝置以便避免使本文所呈現(xiàn)的示范性實施例的 新穎性模糊不清。
詞語“無線電力”在本文中用以指與在不使用物理電磁導體的情況下從發(fā)射器 發(fā)射到接收器的電場、磁場、電磁場或其它相關聯(lián)的任何形式的能量。
圖1說明根據(jù)本發(fā)明的各種示范性實施例的無線發(fā)射或充電系統(tǒng)100。將輸入電 力102提供到發(fā)射器104以供產(chǎn)生用于提供能量傳遞的輻射場106。接收器108耦合到 輻射場106且產(chǎn)生輸出電力110以供耦合到輸出電力110的裝置(未圖示)存儲或消耗。 發(fā)射器104與接收器108兩者相隔距離112。在一個示范性實施例中，根據(jù)相互諧振關系 來配置發(fā)射器104和接收器108，且當接收器108位于輻射場106的“近場”中時，在接 收器108的諧振頻率與發(fā)射器104的諧振頻率完全相同時，發(fā)射器104與接收器108之間 的發(fā)射損失是最小的。
發(fā)射器104進一步包括用于提供用于能量發(fā)射的裝置的發(fā)射天線114，且接收器 108進一步包括用于提供用于能量接收的裝置的接收天線118。根據(jù)應用和將與其相關 聯(lián)的裝置來設計發(fā)射天線和接收天線的大小。如所陳述，通過將發(fā)射天線的近場中的能 量的大部分耦合到接收天線而非以電磁波形式將大多數(shù)能量傳播到遠場來進行有效能量 傳遞。當在此近場中時，可在發(fā)射天線114與接收天線118之間形成耦合模式。在天線 114和118周圍的可發(fā)生此近場耦合的區(qū)域在本文中被稱作耦合模式區(qū)。
圖2展示無線電力傳遞系統(tǒng)的簡化示意圖。發(fā)射器104包括振蕩器122、功率放 大器IM以及濾波和匹配電路126。所述振蕩器經(jīng)配置以在所要頻率下產(chǎn)生，可響應于調(diào) 整信號123來調(diào)整所述所要頻率?？捎晒β史糯笃?24以響應于控制信號125的放大量 來放大振蕩器信號?？砂V波和匹配電路126以濾出諧波或其它不想要的頻率且將發(fā) 射器104的阻抗與發(fā)射天線114匹配。
接收器可包括匹配電路132以及整流和切換電路以產(chǎn)生DC電力輸出，以對電池136(如圖2所示)充電或向耦合到接收器的裝置(未圖示)供電?？砂ㄆヅ潆娐?32 以將接收器108的阻抗與接收天線118匹配。
如圖3中所說明，示范性實施例中所使用的天線可經(jīng)配置為“環(huán)形”天線150， 其在本文中還可被稱作“磁性”天線。環(huán)形天線可經(jīng)配置以包括空氣芯或實體芯(例 如，鐵氧體芯)?？諝庑经h(huán)形天線可更能容忍放置于所述芯附近的外來實體裝置。此 外，空氣芯環(huán)形天線允許其它元件放置于芯區(qū)域內(nèi)。另外，空氣芯環(huán)形可更易于使得能 夠將接收天線118(圖2)放置于發(fā)射天線114(圖2)的平面內(nèi)，在所述平面內(nèi)，發(fā)射天線 114(圖2、的耦合模式區(qū)可更強大。
如所陳述，在發(fā)射器104與接收器108之間的諧振匹配或近似匹配期間，發(fā)生發(fā) 射器104與接收器108之間的有效能量傳遞。然而，即使當發(fā)射器104與接收器108之 間的諧振不匹配時，還可在較低效率下傳遞能量。通過將來自發(fā)射天線的近場的能量耦 合到駐留于形成了此近場的鄰域中的接收天線而非將能量從發(fā)射天線傳播到自由空間中 來進行能量傳遞。
環(huán)形或磁性天線的諧振頻率是基于電感和電容。環(huán)形天線中的電感通常僅為由 所述環(huán)形產(chǎn)生的電感，而通常將電容添加到環(huán)形天線的電感以在所要諧振頻率下產(chǎn)生諧 振結構。作為非限制性實例，可將電容器152和電容器IM添加到所述天線以創(chuàng)建產(chǎn)生諧 振信號156的諧振電路。因此，對于較大直徑的環(huán)形天線來說，誘發(fā)諧振所需的電容的 大小隨著環(huán)形的直徑或電感增加而減小。此外，隨著環(huán)形或磁性天線的直徑增加，近場 的有效能量傳遞區(qū)域增加。當然，其它諧振電路為可能的。作為另一非限制性實例，電 容器可并行地放置于環(huán)形天線的兩個端子之間。另外，所屬領域的技術人員將認識到， 對于發(fā)射天線，諧振信號156可為環(huán)形天線150的輸入。
本發(fā)明的示范性實施例包括在處于彼此的近場中的兩個天線之間耦合電力。如 所陳述，近場為在天線周圍的存在磁場但不可傳播或輻射遠離所述天線的區(qū)域。其通常 限于接近所述天線的物理體積的體積。在本發(fā)明的示范性實施例中，磁性型天線(例 如，單匝環(huán)形天線和多匝環(huán)形天線)用于發(fā)射(Tx)和接收(Rx)天線系統(tǒng)兩者，因為與電 型天線(例如，小偶極)的電近場相比，磁性型天線的磁近場振幅趨于更高。此允許所 述對天線之間的潛在較高耦合。此外，還涵蓋“電”天線(例如，偶極和單極)或磁性 天線與電天線的組合。
Tx天線可在足夠低的頻率下和在天線大小足夠大的情況下操作，以在顯著大于 由早先所提及的遠場和電感方法允許的距離的距離下實現(xiàn)到小Rx天線的良好耦合(例 如，>_4dB)。如果正確地設計Tx天線的大小，則在主機裝置上的Rx天線放置于受 驅動Tx環(huán)形天線的耦合模式區(qū)(即，在近場中)內(nèi)時，可實現(xiàn)高耦合程度(例如，-2 到 _4dB)。
圖4展示指示發(fā)射天線與接收天線之間的耦合強度的模擬結果。曲線170和172 分別指示對發(fā)射天線和接收天線的電力接受的測量。換句話說，在大負數(shù)的情況下，存 在非常緊密的阻抗匹配，且大多數(shù)電力被接受且因此由發(fā)射天線輻射。相反，小負數(shù)指 示許多電力從天線反射回，因為在給定頻率下不存在緊密阻抗匹配。在圖4中，調(diào)諧發(fā) 射天線和接收天線以使其具有約13.56MHz的諧振頻率。
曲線170說明在各個頻率處的從發(fā)射天線發(fā)射的電力量。因此，在對應于約13.528MHz和13.593MHz的點Ia和3a處，許多電力被反射且不發(fā)射到發(fā)射天線外。然 而，在對應于約13.56MHz的點&處，可看到，大量電力被接受且被發(fā)射到天線外。
類似地，曲線172說明在各個頻率處由接收天線接收的電力量。因此，在對應 于約13.5^MHz和13.593MPiz的點Ib和3b處，許多電力被反射且不經(jīng)由接收天線輸送 并進入接收器中。然而，在對應于約13.56MHz的點2b處，可看到，大量電力被接收天 線接受且輸送到接收器中。
曲線174指示在經(jīng)由發(fā)射天線從發(fā)射器發(fā)送、經(jīng)由接收天線接收且輸送到接收 器后在接收器處接收到的電力量。因此，在對應于約13.5^MHz和13.593MHz的點Ic 和北處，發(fā)送到發(fā)射器外的許多電力在接收器處為不可用的，因為(1)發(fā)射天線拒絕從 發(fā)射器發(fā)送到其的許多電力和(2)發(fā)射天線與接收天線之間的耦合隨著頻率遠離諧振頻 率而效率降低。然而，在對應于約13.56MHz的點北處，可看到，從發(fā)射器發(fā)射的大量 電力在接收器處為可用的，從而指示發(fā)射天線與接收天線之間的高耦合程度。
圖5A和圖5B展示根據(jù)本發(fā)明的示范性實施例的用于發(fā)射天線和接收天線的環(huán) 形天線的布局?？梢栽S多不同方式來配置環(huán)形天線，其中單個環(huán)或多個環(huán)具有廣泛多種 大小。另外，所述環(huán)可呈許多不同形狀，例如(僅舉例)圓形、橢圓形、正方形和矩形。 圖5A說明大正方形環(huán)形發(fā)射天線114S和小正方形環(huán)形接收天線118，小正方形環(huán)形接收 天線118與發(fā)射天線114S放置于相同平面中且接近發(fā)射天線114S的中心。圖5B說明 大圓形環(huán)形發(fā)射天線114C和小正方形環(huán)形接收天線118'，小正方形環(huán)形接收天線118' 與發(fā)射天線114C放置于相同平面中且接近發(fā)射天線114C的中心。正方形環(huán)形發(fā)射天線 114S具有邊長“a”，而圓形環(huán)形發(fā)射天線114C具有直徑“Φ”。對于正方形環(huán)形來 說，可展示存在等效圓形環(huán)形，其直徑可界定為O6q = 4a/π。
圖6展示指示與圖4Α和圖4Β中所說明的正方形和圓形發(fā)射天線的各種周長有 關的在發(fā)射天線與接收天線之間的耦合強度的模擬結果。因此，曲線180展示在圓形環(huán) 形發(fā)射天線114C的各種周長大小下圓形環(huán)形發(fā)射天線114C與接收天線118之間的耦合 強度。類似地，曲線182展示在正方形環(huán)形發(fā)射天線114S的各種等效周長大小下正方形 環(huán)形發(fā)射天線114S與接收天線118'之間的耦合強度。
圖7展示指示與圖5Α和圖5Β中所說明的正方形和圓形發(fā)射天線的各種表面積 有關的在發(fā)射天線與接收天線之間的耦合強度的模擬結果。因此，曲線190展示在圓形 環(huán)形發(fā)射天線114C的各種表面積下圓形環(huán)形發(fā)射天線114C與接收天線118之間的耦合 強度。類似地，曲線192展示在正方形環(huán)形發(fā)射天線114S的各種表面積下正方形環(huán)形發(fā) 射天線114S與接收天線118'之間的耦合強度。
圖8展示接收天線相對于發(fā)射天線的各種放置點以說明在共面和同軸放置中的 耦合強度。如本文所使用，“共面”指發(fā)射天線與接收天線具有大體上對準的平面(即， 具有指向大體上相同的方向的表面法線)且發(fā)射天線與接收天線的平面之間不具有距離 (或具有小距離)。如本文所使用，“同軸”指發(fā)射天線與接收天線具有大體上對準的 平面(即，具有指向大體上相同的方向的表面法線)且所述兩個平面之間的距離并非細微 的，且此外，發(fā)射天線與接收天線的表面法線大體上沿著相同向量展現(xiàn)，或所述兩個法 線排成梯隊。
作為實例，點pi、p2、p3和p7為接收天線相對于發(fā)射天線的所有共面放置點。作為另一實例，點p5和p6為接收天線相對于發(fā)射天線的同軸放置點。下表展示在圖8 中所說明的各個放置點(pi到p7)處的耦合強度(S21)和耦合效率(表達為從發(fā)射天線發(fā) 射的到達接收天線的電力的百分比)。
表 權利要求
1.一種無線充電接收天線，其包含能量接收導體的第一環(huán)形，所述第一環(huán)形形成環(huán)形天線以在無線充電頻率處諧振， 所述無線充電接收天線進一步與電子裝置耦合且用于將無線地接收到的電力提供到所述 電子裝置，所述環(huán)形天線用于耦合到所述電子裝置的外殼。
2.根據(jù)權利要求1所述的天線，其進一步包含所述能量接收導體的至少另一環(huán)形，所 述至少另一環(huán)形電耦合到所述第一環(huán)形以形成多環(huán)形天線。
3.根據(jù)權利要求1所述的天線，其中所述無線充電接收天線外接所述電子裝置的所述 外殼的表面的主要平面的大半部分。
4.根據(jù)權利要求1所述的天線，其中所述無線充電接收天線進一步實質(zhì)上外接且不實 質(zhì)上重疊所述電子裝置的電池的內(nèi)部電路區(qū)域。
5.根據(jù)權利要求1所述的天線，其中所述無線充電接收天線實質(zhì)上外接經(jīng)指定用于所 述電子裝置的內(nèi)部電路板的區(qū)域。
6.根據(jù)權利要求1所述的天線，其中所述無線充電接收天線占據(jù)所述電子裝置的電子 電路外部的空間。
7.根據(jù)權利要求1所述的天線，其中所述無線充電接收天線為用于與所述電子裝置的 所述外殼集成的多匝印刷天線。
8.根據(jù)權利要求7所述的天線，其中所述多匝印刷天線與所述外殼的大半表面集成且 外接所述大半表面的大半部分。
9.根據(jù)權利要求1所述的天線，其中所述無線充電天線在來自所述外殼的附件上在外 部耦合到所述外殼。
10.根據(jù)權利要求1所述的天線，其中所述無線充電天線包含用于在無線充電頻率處 諧振的電抗性組件且其中所述電抗性組件的一部分可被可切換地改變以抑制諧振。
11.一種設備，其包含外殼中的電子電路，其用于執(zhí)行所述裝置的電子功能；以及無線充電接收器電路，其耦合到所述電子電路以用于將無線地接收到的電力提供到 所述電子電路，所述無線充電接收器電路包括無線充電接收天線，其用于在無線充電頻率處諧振，所述無線充電接收天線與所述 裝置的外殼集成。
12.根據(jù)權利要求11所述的設備，其中所述無線充電接收天線包含多匝環(huán)形天線。
13.根據(jù)權利要求12所述的設備，其中所述多匝環(huán)形天線基于所述環(huán)形的直徑而包含一定數(shù)量的匝。
14.根據(jù)權利要求11所述的設備，其中所述無線充電接收天線外接所述裝置的外表面 的主要平面的大半部分。
15.根據(jù)權利要求11所述的設備，其中所述無線充電接收天線實質(zhì)上外接且不實質(zhì)上 重疊經(jīng)指定用于所述裝置的電池的區(qū)域。
16.根據(jù)權利要求11所述的設備，其中所述無線充電接收天線實質(zhì)上外接所述裝置的 內(nèi)部電路板。
17.根據(jù)權利要求11所述的設備，其中所述無線充電接收天線占據(jù)所述裝置的電子電 路外部的空間。
18.根據(jù)權利要求11所述的設備，其中所述無線充電接收天線為耦合到所述裝置的所 述外殼的外表面的多匝印刷天線。
19.根據(jù)權利要求18所述的設備，其中所述多匝印刷天線耦合到所述外殼的大半表面 且外接所述大半表面的大半部分。
20.根據(jù)權利要求11所述的設備，其中所述無線充電天線在來自所述外殼的附件上在 外部耦合到所述外殼。
21.根據(jù)權利要求11所述的設備，其中所述無線充電天線包含用于在無線充電頻率處 諧振的電抗性組件且其中所述電抗性組件的一部分可被可切換地改變以抑制諧振。
22.—種無線裝置，其包含 夕卜殼；電子電路，其根據(jù)操作電力而操作，所述電子電路進一步封閉于外殼內(nèi)；以及 無線充電電路，其用于提供所述操作電力，所述無線充電電路包含 多匝環(huán)形天線，其用于在諧振發(fā)射器的近場耦合模式區(qū)中諧振且從其產(chǎn)生所述操作 電力，所述多匝環(huán)形天線耦合到所述外殼的外部主要平面。
23.根據(jù)權利要求22所述的無線裝置，其中所述多匝環(huán)形天線在所述外殼上經(jīng)定向以 實質(zhì)上外接用于所述無線裝置的電池的位置。
24.根據(jù)權利要求22所述的無線裝置，其中所述多匝環(huán)形天線在所述外殼上經(jīng)定向以 實質(zhì)上外接所述無線裝置的所述電子電路的電路板。
25.根據(jù)權利要求22所述的無線裝置，其中所述多匝環(huán)形天線被應用于所述外殼的外 表面。
26.根據(jù)權利要求22所述的無線裝置，其中所述多匝環(huán)形天線嵌入于所述外殼的表面中。
全文摘要
示范性實施例針對于到包括無線充電接收天線的電子電路的無線電力傳遞，所述無線充電接收天線包含能量接收導體的第一環(huán)形和電耦合到所述第一環(huán)形的所述能量接收導體的至少另一環(huán)形。所述環(huán)形形成多匝環(huán)形天線以在無線充電頻率處諧振且將無線地接收到的電力提供到電子裝置。所述多匝環(huán)形天線經(jīng)配置以附加到無線裝置的外殼。
文檔編號H01Q1/22GK102027688SQ200980117104
公開日2011年4月20日 申請日期2009年5月11日 優(yōu)先權日2008年5月13日
發(fā)明者埃內(nèi)斯特·T·奧薩基, 斯坦利·S·通茨奇, 斯里尼瓦·卡斯圖里, 艾倫·明-特里特·德蘭, 邁爾斯·A·柯比, 阿西禮薩·H·穆罕默迪安 申請人:高通股份有限公司