專利名稱：無線功率磁諧振器中的高效率和功率轉移的制作方法
無線功率磁諧振器中的高效率和功率轉移本申請案主張2007年9月17日申請的第60/973，166號臨時申請案的優(yōu)先權，所 述臨時申請案的整個揭示內容以引用的方式并入本文中。
背景技術：
在不使用電線來引導電磁場的情況下需要從源向目的地轉移電能。先前嘗試的困 難是低效率以及所遞送功率的量不適當。我們的先前申請案和臨時申請案描述了無線功率轉移，所述申請案包含(但不限 于)2008年1月22日申請的題目為“無線設備和方法(Wireless Apparatus and Methods)” 的第12/018，069號美國專利申請案，所述美國專利申請案的整個揭示內容以引用的方式 并入本文中。所述系統(tǒng)可使用優(yōu)選為諧振天線的發(fā)射天線和接收天線，所述天線大體上例如在 5% -10%諧振、15%諧振或20%諧振內諧振。天線優(yōu)選具有小尺寸以允許其配合到其中用 于天線的可用空間可能有限的移動手持式裝置中?？赏ㄟ^在發(fā)射天線的近場中存儲能量而 不是將能量以行進電磁波的形式發(fā)送到自由空間中來在兩個天線之間實行有效的功率轉 移。可使用具有高質量因數(shù)的天線。放置兩個高Q天線以使得其類似于松散耦合變壓器而 起作用，其中一個天線將功率感應到另一天線中。所述天線優(yōu)選具有大于1000的Q。

發(fā)明內容
本申請案描述具有高效率和/或高功率的經(jīng)由電磁場耦合的從功率源向功率目 的地的能量轉移。實施例描述操作和實際效率。


現(xiàn)在將參看附圖詳細描述這些和其它方面，在附圖中圖1展示基于磁波的無線功率發(fā)射系統(tǒng)的框圖；圖2說明包含放大器耦合回路和天線的發(fā)射器框圖；圖3說明包含耦合回路、接收器和調諧元件處的趨勢的接收器框圖；圖4說明隨距離而變的所接收功率；圖5說明隨距離而變的最大可轉移功率；圖6說明隨距離而變的轉移效率；圖7說明相對于天線直徑而標準化的效率；以及圖8說明天線測量設置。
具體實施例方式圖1中展示基本實施例。功率發(fā)射器組合件100從源(例如，AC插頭102)接收 功率。頻率產(chǎn)生器104用以將能量耦合到天線110 (此處為諧振天線)。天線110包含電感 性回路111，其以電感性方式耦合到高Q諧振天線部分112。諧振天線包含N數(shù)目個線圈回路113，每一回路具有半徑Ra。電容器114(此處展示為可變電容器)與線圈113串聯(lián)，從 而形成諧振回路。在所述實施例中，電容器是與線圈完全分離的結構，但在某些實施例中， 形成線圈的電線的自電容可形成電容114。頻率產(chǎn)生器104可優(yōu)選經(jīng)調諧到天線110，且還經(jīng)選擇以獲得FCC順應性。此實施例使用多向天線。115展示在所有方向上輸出的能量。在天線的大部分輸 出不是電磁 輻射能量而是較為靜止的磁場的意義上，天線100是非輻射性的。當然，來自天 線的部分輸出將實際上輻射。另一實施例可使用輻射性天線。接收器150包含與發(fā)射天線110相距距離D放置的接收天線155。接收天線類似 地為具有線圈部分和電容器的高Q諧振線圈天線151，其耦合到電感性耦合回路152。耦合 回路152的輸出在整流器160中整流，且施加于負載。所述負載可為任何類型的負載，例如 為例如燈泡等電阻性負載，或者例如電器、計算機、可再充電電池、音樂播放器或汽車等電 子裝置負載。能量可通過電場耦合或磁場耦合而轉移，但本文主要描述磁場耦合作為一實施 例。電場耦合提供電感性加載的電偶極，其為開路電容器或介電圓盤。外來物體可能 對電場耦合提供相對強的影響。磁場耦合可為優(yōu)選的，因為磁場中的外來物體具有與“空 白”空間相同的磁性質。所述實施例描述使用電容性加載的磁偶極的磁場耦合。此偶極由形成線圈的至少 一個回路或匝的電線回路與將天線電加載到諧振狀態(tài)中的電容器串聯(lián)形成。我們的先前申請案已經(jīng)描述了單匝回路用作諧振器的優(yōu)點。本申請案描述兩個不 同單匝回路可如何用以在無線功率發(fā)射系統(tǒng)中產(chǎn)生顯著增加的范圍。在實施例中，使用圖8所示的測試設置來實行測試。發(fā)射器801是45cm直徑的6mm 電線回路。接收器由40cmX30mm銅回路形成。請注意，接收器天線通常出于封裝目的而應 較小。如本文中進一步解釋，測試結果是完全互逆的，進而避免所接收功率中的任何差異。天線802具有比天線801低約20kHz的諧振頻率。調諧回路803用以使調諧回路 802的天線移位以與發(fā)射接收器天線801的諧振匹配。信號耦合到耦合回路804且耦合到 負載805。在操作中，RF產(chǎn)生器用以創(chuàng)建13. 56MHz連續(xù)波信號。放大器205提供50dB放大 以在206處產(chǎn)生25W的最大功率輸出。出于所述測試的目的，使用模擬功率計。將功率提 供到耦合回路220，所述耦合回路220鄰近于天線801且以無線方式耦合到天線801，天線 801由回路250和電容器252形成，電容器252將回路帶到在13. 56MHz處的諧振。圖3展示接收器，其包含由電感回路113和電容器114形成的接收回路102、調諧 回路103和接收功率的耦合回路320。數(shù)字功率計330測試在20dB衰減器進行衰減之后接 收到的功率的量。與調諧回路組合的接收側諧振器回路如同具有低但可調整的耦合因數(shù)的1 1變 壓器一樣起作用。耦合因數(shù)是主回路與調諧回路之間的距離。調諧回路可被視為產(chǎn)生短路 的次級回路。所述短路使諧振器的總電感減少取決于耦合因數(shù)的小部分，因此在不顯著減 少質量因數(shù)的情況下增加了其諧振頻率。主回路102和103可連接到展示為333的滑架，所述滑架可使所述兩個回路相對于彼此移動。如果使用具有低電感電容比的諧振器，那么 其可能極為有效。圖4說明隨指定距離而變的所接收功率。根據(jù)此測試，距離從1. 6m變化到4m。未 測量比1. 6m近的距離，因為較近距離可致使系統(tǒng)去諧。因此，內插這些值，以避免去諧效 應。近場到遠場的過渡在13. 56MHz下在約31/2m處發(fā)生。此距離使優(yōu)選定向從同軸改變 為共面，進而顯著影響可接收到的功率的量。圖4展示在3. 5m處，所接收功率由于此定向 變化而接近0W。 在大于1. 7m的距離處，所計劃距離與所計算距離緊密相關。圖5說明最大可轉移功率。這些天線為高度線性的，這意味著如果發(fā)射器功率加 倍，那么接收功率也將加倍。發(fā)射回路僅受電容器的額定電壓和電流限制；前提條件是存在 充分的冷卻。30mm銅回路使用具有9kV峰值和100安運載限值的200pF電容器。這提供約 300W的發(fā)射功率。因為系統(tǒng)是線性的，所以圖5展示按300W的發(fā)射功率縮放的數(shù)據(jù)點。這展示現(xiàn)有 系統(tǒng)可在1. 6m的距離處轉移67W。這些電平將超過ICNIRP所建議的最大輻射暴露限制。 然而，圖6中展示轉移效率，其說明對于小于2 1/2 m的所有距離來說轉移效率均為-15dB。 圖7相對于天線直徑來標準化此距離。圖7中還展示MIT所執(zhí)行的測試。結論如下。除了最靠近近場邊界的區(qū)和在緊密距離處外，天線為高度線性的，且可 簡單地使功率加倍來使所接收功率加倍。系統(tǒng)可在1. 5m的距離上以25W的發(fā)射功率和25 %的轉移效率來操作。系統(tǒng)相對 于諧振頻率和Q因數(shù)來說極為穩(wěn)定。系統(tǒng)也可在1.5m的距離處提供達70W的功率。向較 小距離的外推也可以是可能的。雖然上文已經(jīng)詳細揭示了僅幾個實施例，但其它實施例也是可能的，且發(fā)明人希 望這些實施例涵蓋在本說明書內。說明書描述用以實現(xiàn)可以另一方式實現(xiàn)的較一般目標的 具體實例。此揭示內容既定為示范性的，且權利要求書既定涵蓋所屬領域的一般技術人員 可能可預測到的任何修改或替代。舉例來說，可使用其它尺寸、材料和連接。雖然天線的耦 合部分展示為單個電線回路，但應理解，此耦合部分可具有多個電線回路。其它實施例可使 用所述實施例的類似原理，且同樣等效地適用于主要靜電和/或電動力場耦合。大體上，可 使用電場來代替磁場作為主要耦合機制。而且，發(fā)明人希望僅使用詞“用于...的裝置”的那些權利要求既定根據(jù)35 USC 112第六節(jié)來解釋。此外，不希望來自說明書的任何限制對任何權利要求添加另外的意義， 除非那些限制明確地包含于權利要求中。在本文提到特定數(shù)字值的情況下，應認為，所述值可增加或減少20%，同時仍保留 在本申請案的教示內，除非具體提到某種不同的范圍。在使用指定的邏輯意義的情況下，還 既定涵蓋相反的邏輯意義。
權利要求
一種無線功率系統(tǒng)，其包括信號產(chǎn)生器，其具有到功率源的連接且其創(chuàng)建第一頻率處的經(jīng)調制信號；發(fā)射天線，其發(fā)射具有所述第一頻率且基于由所述信號產(chǎn)生器創(chuàng)建的功率的磁場；接收天線，其接收由所述發(fā)射天線創(chuàng)建的磁功率信號，所述接收天線與所述發(fā)射天線間隔大于1m的距離；以及負載接收部分，其從所述接收天線接收功率；其中所述發(fā)射天線與所述接收天線之間的轉移效率在所述發(fā)射天線與所述接收天線之間具有1m距離時大于25％。
2.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述發(fā)射天線發(fā)射25W的功率。
3.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述轉移效率在所述發(fā)射天線與所述接收天線之 間具有1.5m距離時大于25%。
4.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述發(fā)射天線為電容性耦合的偶極，且所述接收 天線為電容性耦合的偶極。
5.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其進一步包括耦合回路，所述耦合回路位于所述發(fā)射 天線上，直接耦合到所述信號產(chǎn)生器和所述發(fā)射天線且未通過任何電線連接連接到所述發(fā) 射天線。
6.根據(jù)權利要求5所述的系統(tǒng)，其進一步包括耦合回路，所述耦合回路位于所述接收 天線上，耦合于所述接收電子器件與所述天線之間，使得所述接收電子器件未通過任何電 線直接連接到所述接收天線。
7.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其進一步包括調諧回路，所述調諧回路可相對于所述 接收器移動，且所述移動影響所述接收器的諧振頻率。
8.一種以無線方式發(fā)射功率的方法，其包括基于來自功率源的功率而創(chuàng)建第一頻率處的經(jīng)調制信號；使用發(fā)射天線來發(fā)射具有所述第一頻率且基于來自所述功率源的所述功率的磁場；在與所述發(fā)射天線間隔大于Im的距離處以無線方式接收由所述發(fā)射天線創(chuàng)建的所述 磁場；以及以所述發(fā)射天線與所述接收天線之間大于25%的轉移效率，將來自所述無線方式接收的功率耦合到負載。
9.根據(jù)權利要求8所述的方法，其中所述發(fā)射天線發(fā)射25W的功率。
10.根據(jù)權利要求8所述的方法，其中所述轉移效率在所述發(fā)射天線與所述接收天線 之間具有1.5m距離時大于25%。
11.根據(jù)權利要求8所述的方法，其中所述發(fā)射天線為電容性耦合的偶極，且所述接收 天線為電容性耦合的偶極。
12.根據(jù)權利要求8所述的方法，其進一步包括使用耦合回路，所述耦合回路位于所述 發(fā)射天線上在所述RF產(chǎn)生器與所述發(fā)射材料之間，使得所述RF產(chǎn)生器未通過電線直接連 接到所述發(fā)射天線。
13.根據(jù)權利要求12所述的方法，其進一步包括使用耦合回路，所述耦合回路位于所 述接收天線上，耦合于所述接收電子器件與所述天線之間，使得所述接收電子器件未直接 耦合到所述接收天線。
14.根據(jù)權利要求8所述的方法，其進一步包括移動調諧回路，所述調諧回路可相對于 所述接收器移動，其中所述移動改變所述接收器的諧振頻率。
15.一種無線功率系統(tǒng)，其包括信號產(chǎn)生器，其具有到功率源的連接且其創(chuàng)建第一頻率處的經(jīng)調制信號；發(fā)射天線，其發(fā)射具有所述第一頻率且基于由所述信號產(chǎn)生器創(chuàng)建的功率的磁場；接收天線，其接收由所述發(fā)射天線創(chuàng)建的磁功率信號，所述接收天線與所述發(fā)射天線 間隔大于Im的距離；以及負載接收部分，其從所述接收天線接收功率；其中所述負載在距所述發(fā)射天線11/2米的距離處接收至少21/2瓦的功率。
16.根據(jù)權利要求15所述的系統(tǒng)，其中所述發(fā)射天線發(fā)射25W的功率。
17.根據(jù)權利要求15所述的系統(tǒng)，其中所述發(fā)射天線為電容性耦合的偶極，且所述接 收天線為電容性耦合的偶極。
18.根據(jù)權利要求15所述的系統(tǒng)，其進一步包括耦合回路，所述耦合回路位于所述發(fā) 射天線上，直接耦合到所述信號產(chǎn)生器和所述發(fā)射天線且未通過任何電線連接連接到所述 發(fā)射天線。
19.根據(jù)權利要求15所述的系統(tǒng)，其進一步包括耦合回路，所述耦合回路位于所述接 收天線上，耦合于所述接收電子器件與所述天線之間，使得所述接收電子器件未通過任何 電線直接連接到所述接收天線。
20.根據(jù)權利要求15所述的系統(tǒng)，其進一步包括調諧回路，所述調諧回路可相對于所 述接收器移動，且所述移動影響所述接收器的諧振頻率。
全文摘要
本發(fā)明提供用于在誘發(fā)高功率轉移和/或高耦合效率的電平下進行無線功率發(fā)射的技術。
文檔編號H02J17/00GK101849342SQ200880107520
公開日2010年9月29日 申請日期2008年9月16日 優(yōu)先權日2007年9月17日
發(fā)明者盧卡斯·西貝爾, 奈杰爾·P·庫克, 漢斯彼得·威德默 申請人:高通股份有限公司