本申請(qǐng)總體上涉及無(wú)線電力傳輸，并且具體地，涉及無(wú)線電場(chǎng)電力傳輸系統(tǒng)、其發(fā)射器和接收器以及無(wú)線地傳送電力的方法。

背景技術(shù)：

已知各種輻射或遠(yuǎn)場(chǎng)以及非輻射或近場(chǎng)、能量或電力傳送技術(shù)。例如，使用諸如在無(wú)線電和蜂窩通信系統(tǒng)和家庭計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中使用的那些低方向性天線的輻射無(wú)線信息傳送可以被認(rèn)為是無(wú)線能量傳送。如將理解的，這種類型的輻射能量傳送是低效的，因?yàn)閮H拾取了供應(yīng)的或輻射的電力的小部分，即在接收器的方向上并且與接收器重疊的部分。絕大多數(shù)的電力在其它方向輻射，并在自由空間中丟失。這種低效的能量傳送對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸可以是可接受的，但是當(dāng)試圖傳送有用量的電能以用于做功，例如為電氣或電子設(shè)備供電或充電時(shí)，這是不實(shí)用的。一種改進(jìn)一些輻射能量傳送方案的傳送效率的方式是使用定向天線來(lái)限制并優(yōu)先地朝向接收器引導(dǎo)輻射能量束。然而，這些定向輻射方案通常需要在發(fā)射器和接收器之間的不間斷視線，以及在移動(dòng)發(fā)射器和/或接收器的情況下的潛在復(fù)雜的跟蹤和操縱機(jī)制。此外，當(dāng)發(fā)送適度到高電力能量束時(shí)，這種定向輻射方案可能對(duì)與輻射能量束交叉或相交的物體或人造成危險(xiǎn)。

已知的非輻射或近場(chǎng)無(wú)線電力傳輸系統(tǒng)，經(jīng)常被稱為感應(yīng)或傳統(tǒng)感應(yīng)，不(有意地)輻射電力，而是使用通過(guò)初級(jí)線圈的交流電流，以生成在近旁接收或次級(jí)線圈中感應(yīng)電流的交變磁近場(chǎng)。這種性質(zhì)的感應(yīng)方案已經(jīng)證明了能夠發(fā)射適度到大量的電力，但是僅在非常短的距離上，并且在初級(jí)線圈和次級(jí)線圈之間具有非常小的偏移公差。電變壓器和接近充電器是利用這種已知的短程近場(chǎng)能量傳送方案的設(shè)備的示例。

PCT申請(qǐng)公開(kāi)號(hào)WO 2009/089146公開(kāi)了一種包括發(fā)射器和接收器的無(wú)線電力傳輸系統(tǒng)。發(fā)射器包括射頻能量生成器、第一發(fā)射板和第二發(fā)射板。第一發(fā)射板可操作地耦合到射頻能量生成器。第二發(fā)射板可操作地耦合到地。接收器包括整流器、第一接收板和第二接收板。第一接收板可操作地耦合到整流器。第一接收板被配置為電容性地耦合到第一發(fā)射板，并且第二接收板被配置為電容性地耦合到第二發(fā)射板。第二接收板可操作地耦合到地。

美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)號(hào)20110198939公開(kāi)了一種發(fā)射器，其包括大體上二維高Q諧振器結(jié)構(gòu)，其包括平面線圈以及可操作地連接到諧振器結(jié)構(gòu)的阻抗匹配結(jié)構(gòu)。發(fā)射器被配置為無(wú)線地向另一個(gè)高Q諧振器發(fā)射電力。

美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)號(hào)20090206675公開(kāi)了用于通過(guò)在慢速變化的狀態(tài)下使用圍繞任何一組帶電導(dǎo)體的庫(kù)侖場(chǎng)而從遠(yuǎn)處傳輸電能和/或信息的設(shè)備。設(shè)備由位于間隔很短的距離的能量產(chǎn)生和消耗設(shè)備組成，并且既不使用電磁波的傳播也不使用感應(yīng)，并且不能簡(jiǎn)化為電容器的簡(jiǎn)單布置。設(shè)備以振蕩的不對(duì)稱電偶極子之間的相互作用的形式建模，其由放置在兩個(gè)電極之間的高頻高壓生成器或高頻高壓負(fù)載組成。偶極子對(duì)彼此施加相互影響。設(shè)備適用于為工業(yè)和家用電氣設(shè)備供電，特別適用于為在環(huán)境中移動(dòng)的低功率設(shè)備供電以及信息的短距離無(wú)輻射傳輸。

雖然無(wú)線電力傳輸技術(shù)是已知的，但是需要改進(jìn)。因此，目的是提供一種新穎的無(wú)線電場(chǎng)電力傳輸系統(tǒng)、其發(fā)射器和接收器以及無(wú)線地發(fā)射電力的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

因此，在一個(gè)方面，提供一種無(wú)線電場(chǎng)電力傳輸系統(tǒng)，包括：發(fā)射器，其包括發(fā)射諧振器和發(fā)射電容性平衡-不平衡變換器(balun)；以及至少一個(gè)接收器，其包括接收諧振器和接收電容性平衡-不平衡變換器，其中，經(jīng)由電場(chǎng)耦合：發(fā)射電容性平衡-不平衡變換器被配置為向發(fā)射諧振器傳送電力，作為響應(yīng)，發(fā)射諧振器被配置為向接收諧振器傳送電力，并且接收電容性平衡-不平衡變換器被配置為從接收諧振器提取電力。

根據(jù)另一方面，提供一種無(wú)線地傳送電力的方法，方法包括：經(jīng)由電場(chǎng)耦合從源經(jīng)由發(fā)射電容性平衡-不平衡變換器向發(fā)射諧振器傳遞電力；作為響應(yīng)，經(jīng)由電場(chǎng)耦合從發(fā)射諧振器向接收諧振器傳送電力；以及經(jīng)由電場(chǎng)耦合經(jīng)由接收電容性平衡-不平衡變換器從接收諧振器提取電力。

根據(jù)另一方面，提供一種用于無(wú)線地傳送電力的發(fā)射器，發(fā)射器包括：電容性平衡-不平衡變換器，其被配置為接收交變信號(hào)且作為響應(yīng)而生成電場(chǎng)；以及發(fā)射諧振器，其響應(yīng)于由電容性平衡-不平衡變換器生成的電場(chǎng)，被配置為諧振并生成到接收器的電場(chǎng)。

發(fā)射諧振器可以響應(yīng)于由電容性平衡-不平衡變換器生成的電場(chǎng)，被配置為諧振并生成到接收器的諧振電場(chǎng)。電容性平衡-不平衡變換器和發(fā)射諧振器可以響應(yīng)于由電容性平衡-不平衡變換器生成的電場(chǎng)，被配置為諧振并且生成到接收器的諧振電場(chǎng)。電容性平衡-不平衡變換器可以被配置為接收交變信號(hào)，并且作為響應(yīng)生成諧振電場(chǎng)。發(fā)射諧振器可以響應(yīng)于由電容性平衡-不平衡變換器生成的諧振電場(chǎng)，被配置為諧振并生成到接收器的電場(chǎng)。發(fā)射諧振器可以響應(yīng)于由電容性平衡-不平衡變換器生成的諧振電場(chǎng)，被配置為諧振并且生成到接收器的諧振電場(chǎng)。

發(fā)射諧振器可以包括通過(guò)串聯(lián)電感互連的橫向地間隔開(kāi)的電極，并且電容性平衡-不平衡變換器可以包括橫向地間隔開(kāi)的導(dǎo)電元件，各個(gè)導(dǎo)電元件接近至少一個(gè)相應(yīng)的電極并與至少一個(gè)相應(yīng)的電極間隔開(kāi)。導(dǎo)電元件和電極可以大體上對(duì)準(zhǔn)，使得導(dǎo)電元件和電極的主面彼此面對(duì)。導(dǎo)電元件和電極也可以通常是平面的并且可以具有大體上相似的尺寸?？商孢x地，導(dǎo)電元件和電極可以具有不同的尺寸并且可以是彎曲的、成角度的和/或有紋理的。

發(fā)射器可以進(jìn)一步包括連接到電容性平衡-不平衡變換器的兩端的電力逆變器，電力逆變器被配置為輸出激勵(lì)電容性平衡-不平衡變換器的交變信號(hào)。

發(fā)射器可以進(jìn)一步包括被配置為生成激勵(lì)電容性平衡-不平衡變換器的交變信號(hào)的源。

交變信號(hào)可以是射頻(RF)信號(hào)。

根據(jù)另一方面，提供一種用于無(wú)線地接收電力的接收器，接收器包括：接收諧振器，其被配置為在存在生成的電場(chǎng)的情況下諧振；以及電容性平衡-不平衡變換器，其電容性地耦合到接收諧振器，并且被配置為響應(yīng)于接收諧振器的諧振輸出交變信號(hào)。

接收諧振器可以被配置為在存在生成的諧振電場(chǎng)的情況下諧振。接收諧振器可以響應(yīng)于產(chǎn)生的諧振電場(chǎng)而被配置為諧振并產(chǎn)生電場(chǎng)。接收諧振器可以響應(yīng)于生成的諧振電場(chǎng)而被配置為諧振并生成諧振電場(chǎng)。接收諧振器和電容性平衡-不平衡變換器可以響應(yīng)于由接收諧振器生成的諧振電場(chǎng)而被配置為諧振并生成諧振電場(chǎng)。

接收諧振器和電容性平衡-不平衡變換器可以響應(yīng)于生成的電場(chǎng)而被配置為諧振并生成諧振電場(chǎng)。

接收諧振器可以包括通過(guò)串聯(lián)電感互連的橫向地間隔開(kāi)的電極，并且電容性平衡-不平衡變換器可以包括橫向地間隔開(kāi)的導(dǎo)電元件，各個(gè)導(dǎo)電元件接近至少一個(gè)相應(yīng)的電極并且與至少一個(gè)相應(yīng)的電極間隔開(kāi)。導(dǎo)電元件和電極可以大體上對(duì)準(zhǔn)，使得導(dǎo)電元件和電極的主面彼此面對(duì)。導(dǎo)電元件和電極也可以通常是平面的并且可以具有大體上相似的尺寸?？商孢x地，導(dǎo)電元件和電極可以具有不同的尺寸并且可以是彎曲的、成角度的和/或有紋理的。

接收器可以進(jìn)一步包括：整流器，其被配置為將交變信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)，以及調(diào)節(jié)器，其被配置為調(diào)節(jié)直流信號(hào)。

附圖說(shuō)明

現(xiàn)在將參考附圖更全面地描述實(shí)施例，在附圖中：

圖1是無(wú)線電場(chǎng)電力傳輸系統(tǒng)的示意性布局圖；

圖2是另一無(wú)線電場(chǎng)電力傳輸系統(tǒng)的示意性布局圖；

圖3是形成圖2的無(wú)線電場(chǎng)電力傳輸系統(tǒng)的部分的發(fā)射平衡-不平衡變換器、發(fā)射諧振器、接收平衡-不平衡變換器和接收諧振器布置的透視圖；

圖4a是形成圖2的無(wú)線電場(chǎng)電力傳輸系統(tǒng)的部分的串聯(lián)發(fā)射電感的俯視平面圖；

圖4b是串聯(lián)發(fā)射電感的另一實(shí)施例的透視圖；

圖4c是串聯(lián)發(fā)射電感的又一實(shí)施例的透視圖；

圖5是等效于圖2的無(wú)線電場(chǎng)電力傳輸系統(tǒng)的電路圖；

圖6是示出無(wú)線電場(chǎng)電力傳輸系統(tǒng)阻抗特性的史密斯圖；

圖7是無(wú)線電場(chǎng)電力傳輸系統(tǒng)電力效率對(duì)頻率的曲線圖；

圖8是示出無(wú)線電場(chǎng)電力傳輸系統(tǒng)阻抗特性的另一史密斯圖；

圖9是無(wú)線電場(chǎng)電力傳輸系統(tǒng)電力效率對(duì)頻率的另一曲線圖；

圖10是無(wú)線電場(chǎng)電力傳輸系統(tǒng)效率對(duì)示例性系統(tǒng)的頻率的曲線圖；

圖11是示出測(cè)試無(wú)線電場(chǎng)電力傳輸系統(tǒng)的發(fā)射器阻抗特性的史密斯圖；

圖12是示出示例性系統(tǒng)的接收器阻抗特性的史密斯圖；

圖13是替選的發(fā)射平衡-不平衡變換器、發(fā)射諧振器、接收平衡-不平衡變換器和接收諧振器布置的透視圖；

圖14是又一發(fā)射平衡-不平衡變換器、發(fā)射諧振器、接收平衡-不平衡變換器和接收諧振器布置的透視圖；

圖15是無(wú)線電場(chǎng)電力傳輸系統(tǒng)的另一實(shí)施例的示意性布局；

圖16是形成圖15的無(wú)線電場(chǎng)電力傳輸系統(tǒng)的部分的發(fā)射平衡-不平衡變換器、發(fā)射諧振器、接收平衡-不平衡變換器和接收諧振器布置的透視圖；

圖17是形成圖2的無(wú)線電場(chǎng)電力傳輸系統(tǒng)的一部分的接收器的另一實(shí)施例的透視圖；以及

圖18是示出用于電容性發(fā)射和接收平衡-不平衡變換器中的導(dǎo)電元件的各種配置的透視圖。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖1，示出了無(wú)線電場(chǎng)電力傳輸系統(tǒng)，并且通常由附圖標(biāo)記20表示?？梢钥闯?，無(wú)線電場(chǎng)電力傳輸系統(tǒng)20包括發(fā)射器22和與發(fā)射器22間隔開(kāi)的接收器40。發(fā)射器22包括電連接到電力逆變器26的電源24，電力逆變器26又電連接到感應(yīng)發(fā)射平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器28的兩端。發(fā)射器22進(jìn)一步包括電容性發(fā)射電極(C_TX)30，電容性發(fā)射電極(C_TX)30中的每一個(gè)通過(guò)相應(yīng)的串聯(lián)電感(L_TX)32電連接到感應(yīng)發(fā)射平衡-不平衡變換器28。電容發(fā)射電極(C_TX)30與串聯(lián)電感(L_TX)32在特定工作頻率(f_s)諧振以形成通常由附圖標(biāo)記34識(shí)別的發(fā)射諧振器。電力逆變器26經(jīng)由感應(yīng)發(fā)射平衡-不平衡變換器28輸出在工作頻率(r～s)激勵(lì)發(fā)射諧振器34的射頻(RF)信號(hào)，導(dǎo)致發(fā)射諧振器34生成諧振電場(chǎng)。感應(yīng)發(fā)射平衡-不平衡變換器28互連不平衡與平衡系統(tǒng)并進(jìn)行阻抗變換。

接收器40包括電連接到調(diào)節(jié)器44的負(fù)載42，調(diào)節(jié)器44又電連接到射頻到直流(RF-DC)整流器46。RF-DC整流器46電連接到電感性接收平衡-不平衡變換器28的兩端。類似于電感性發(fā)射平衡-不平衡變換器28，電感性發(fā)射平衡-不平衡變換器48互連不平衡與平衡系統(tǒng)并進(jìn)行阻抗變換。在此實(shí)施例中，RF-DC整流器46采用具有低結(jié)電容、高反向擊穿電壓和低正向壓降的超快速二極管。RF-DC整流器46還可以采用同步MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)。

負(fù)載42可以采取許多形式，諸如在上面并入的美國(guó)專利申請(qǐng)No.13/607,474中識(shí)別的那些形式。其它示例性負(fù)載42包括但不限于：電池(例如AA，9V和非傳統(tǒng)或定制的可再充電電池格式)、無(wú)線電通信設(shè)備、計(jì)算機(jī)電池(例如臺(tái)式電腦、膝上型電腦和平板電腦)、電話(例如無(wú)繩、移動(dòng)和蜂窩)、電視機(jī)或顯示面板(例如等離子體、LCD、LED和OLED)和家庭電器(例如DVD播放器、藍(lán)光播放器、接收器、放大器、一體化家庭影院、揚(yáng)聲器、低音炮、視頻游戲控制臺(tái)、視頻游戲控制器、遙控設(shè)備、電視機(jī)、計(jì)算機(jī)或其它監(jiān)視器、數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)、數(shù)碼相框、視頻或圖像投影儀和媒體流傳輸設(shè)備)。

接收器40進(jìn)一步包括電容性接收電極(C_RX)50，電容性接收電極(C_RX)50中的每一個(gè)通過(guò)相應(yīng)的串聯(lián)電感(L_RX)52電連接到電感性接收平衡-不平衡變換器48。當(dāng)電容性接收電極50暴露于由發(fā)射諧振器34生成的諧振電電場(chǎng)，電容性接收電極(C_RX)50電感在與發(fā)射諧振器34相同的工作頻率(f_s)與串聯(lián)電感(L_RX)諧振，以形成通常由附圖標(biāo)記54識(shí)別的接收諧振器。

在此實(shí)施例中，電感性發(fā)射平衡-不平衡變換器28和電感性接收平衡-不平衡變換器48分別包括鐵氧體磁芯，并且為了阻抗匹配目的具有略高于1:1的匝數(shù)比。雖然這些平衡-不平衡變換器表現(xiàn)良好，但它們不利地需要顯著的物理空間。此外，這些平衡-不平衡變換器在工作頻率和功率水平方面本質(zhì)上受到限制。此外，在更高的功率水平下，這些平衡-不平衡變換器升溫，增加了損壞無(wú)線電場(chǎng)電力傳輸系統(tǒng)的平衡-不平衡變換器或其它部件的風(fēng)險(xiǎn)。

現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖2，示出了替選的無(wú)線電場(chǎng)電力傳輸系統(tǒng)120。可以看出，無(wú)線電場(chǎng)電力傳輸系統(tǒng)120包括發(fā)射器122和與發(fā)射器122間隔開(kāi)的接收器140。發(fā)射器122包括電連接到電力逆變器126的電源124，電力逆變器126又電連接到電容性發(fā)射平衡-不平衡變換器(C_TX)128的兩端。電源124和電力逆變器126共同地形成RF源127。發(fā)射器122進(jìn)一步包括電容性發(fā)射電極(C_TX)130，其通過(guò)串聯(lián)發(fā)射電感(L_TX)132電連接并且電容性地耦合到電容性發(fā)射平衡-不平衡變換器128。電容性發(fā)射電極130在特定工作頻率(fs)與串聯(lián)發(fā)射電感132諧振，以形成通常由附圖標(biāo)記134識(shí)別的發(fā)射諧振器。

接收器140包括電連接到調(diào)節(jié)器144的負(fù)載142，調(diào)節(jié)器144又電連接到RF-DC整流器146。RF-DC整流器146電連接到電容性接收平衡-不平衡變換器(C_LOAD)148的兩端。類似于前述實(shí)施例，RF-DC整流器146采用具有低結(jié)電容、高反向擊穿電壓和低正向壓降的超快速二極管。RF-DC整流器146還可以采用同步MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)。負(fù)載142可以采取許多形式，諸如在上面并入的美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?3/607,474中識(shí)別的形式。其它示例性負(fù)載142包括但不限于：電池(例如AA，9V和非傳統(tǒng)或定制的可再充電電池模式)、無(wú)線電通信設(shè)備、計(jì)算機(jī)電池(例如臺(tái)式電腦、膝上型電腦和平板電腦)、電話(例如無(wú)繩、移動(dòng)和蜂窩)、電視機(jī)或顯示面板(例如等離子、LCD、LED和OLED)和家庭電器(例如DVD播放器、藍(lán)光播放器、接收器、放大器、一體化家庭影院、揚(yáng)聲器、低音炮、視頻游戲控制臺(tái)、視頻游戲控制器、遙控設(shè)備、電視機(jī)、計(jì)算機(jī)或其它監(jiān)視器、數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)、數(shù)碼相框、視頻或圖像投影儀和媒體流傳輸設(shè)備)。

接收器140進(jìn)一步包括由串聯(lián)接收電感(L_RX)152電連接并且電容性地耦合到電容性接收平衡-不平衡變換器148的電容性接收電極(C_RX)150。電容性接收電極150在特定工作頻率(f_s)與串聯(lián)接收電感152諧振，以形成通常由附圖標(biāo)記154識(shí)別的接收諧振器。

現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖3，更好地示出了電容性發(fā)射平衡-不平衡變換器128、發(fā)射諧振器134、電容性接收平衡-不平衡變換器148以及接收諧振器154。發(fā)射器122和接收器140間隔開(kāi)距離d_TR。在此實(shí)施例中，電容性發(fā)射平衡-不平衡變換器128包括由導(dǎo)電材料形成的一對(duì)橫向地間隔開(kāi)的細(xì)長(zhǎng)元件。導(dǎo)電元件通常是矩形的平板的形式。發(fā)射諧振器34的電容性發(fā)射電極30也是由導(dǎo)電材料形成的細(xì)長(zhǎng)的通常矩形的平板的形式。電容性發(fā)射平衡-不平衡變換器128的各個(gè)板接近相應(yīng)的電容性發(fā)射電極130并且與相應(yīng)的電容性發(fā)射電極130對(duì)準(zhǔn)，使得板和電容性發(fā)射電極130的主表面136和138彼此面對(duì)并且分離開(kāi)距離d₁。在此實(shí)施例中，主表面136和138的面積相等或接近相等，即電容性發(fā)射平衡-不平衡變換器128和電容性發(fā)射電極30的板的尺寸基本相同。

電容性接收平衡-不平衡變換器148包括由導(dǎo)電材料形成的一對(duì)橫向地間隔開(kāi)的細(xì)長(zhǎng)元件。導(dǎo)電元件是通常矩形的平板的形式。接收諧振器154的電容性接收電極150也是由導(dǎo)電材料形成的細(xì)長(zhǎng)的通常矩形的平板的形式。電容性接收平衡-不平衡變換器148的每個(gè)板接近相應(yīng)的電容性接收電極150并且與相應(yīng)的電容性接收電極150對(duì)準(zhǔn)，使得板和電容性接收電極150的主表面156和158彼此面對(duì)并且分離開(kāi)距離d₂。在此實(shí)施例中，主表面156和158的面積是相等的或接近相等的，即電容性接收平衡-不平衡變換器148和電容性接收電極150的板的尺寸基本相同。

現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖4a，更好地示出了串聯(lián)發(fā)射電感(L_TX)132。可以看出，在此實(shí)施例中，串聯(lián)發(fā)射電感(L_TX)132是平螺旋或扁平線圈。串聯(lián)發(fā)射電感(L_TX)132具有高品質(zhì)因數(shù)(Q因子)，并且被配置為與電容性發(fā)射電極(C_TX)130在工作頻率(f_s)產(chǎn)生高Q因子諧振。高Q因子意味著存儲(chǔ)的能量的量大于耗散的能量的量。與施加的電壓相比，高Q因子諧振增加了電容性發(fā)射電極(C_TX)130上的電壓。在此實(shí)施例中，串聯(lián)接收電感(L_RX)152類似地是平螺旋或扁平線圈。串聯(lián)接收電感(L_RX)152還具有高Q因子，并且被配置與電容性接收電極(C_RX)150為在工作頻率(fs)產(chǎn)生高Q因子諧振。

然而，串聯(lián)發(fā)射電感(L_TX)132和串聯(lián)接收電感(L_RX)152可以采用不同的形式，如圖4b和圖4c所示。在圖4b中，串聯(lián)發(fā)射電感(L_TX)132是環(huán)形發(fā)射電感(L_TX)132a的形式，并且在圖4c中，串聯(lián)發(fā)射電感是圓柱形螺旋發(fā)射電感(L_TX)132b的形式。類似于串聯(lián)發(fā)射電感(L_TX)132，串聯(lián)接收電感(L_RX)152也可以是環(huán)形接收電感(L_RX)或圓柱形螺旋接收電感(L_RX)的形式。

現(xiàn)在將描述無(wú)線電場(chǎng)電力傳輸系統(tǒng)120的操作。在操作期間，RF電源127包括電源124和電力逆變器126，并且在工作頻率(f_s)輸出RF信號(hào)，然后向電容性傳輸平衡-不平衡變換器C_drive128的兩端的板施加該RF信號(hào)，從而激勵(lì)電容性發(fā)射平衡-不平衡變換器(C_drive)128。激勵(lì)的電容性發(fā)射平衡-不平衡變換器(C_drive)128又在圍繞電容性發(fā)射平衡-不平衡變換器C_drive128的板的空間中生成電場(chǎng)。當(dāng)電容性發(fā)射諧振器134在生成的電場(chǎng)內(nèi)時(shí)，電容性發(fā)射電極(C_TX)130以及電容性發(fā)射平衡-不平衡變換器(C_drive)128在工作頻率(f_s)與串聯(lián)電感(L_TX)132諧振，從而生成延伸到接收諧振器154的諧振電場(chǎng)。

在接收諧振器154處于生成的諧振電場(chǎng)中的情況下，電容性接收電極(C_RX)150開(kāi)始與串聯(lián)接收電感(L_RX)152諧振，導(dǎo)致在圍繞電容性發(fā)射平衡-不平衡變換器C_drive128的板的空間中的諧振電場(chǎng)的生成。當(dāng)電容性接收平衡-不平衡變換器(C_load)148在生成的諧振電場(chǎng)內(nèi)時(shí)，電容性接收平衡-不平衡變換器(C_load)148和電容性接收電極(C_RX)150在工作頻率(f_s)與串聯(lián)電感(L_RX)152諧振，導(dǎo)致電容性接收平衡-不平衡變換器(C_load)148輸出輸送到RF-DC整流器146的RF信號(hào)。

RF-DC整流器146又將RF信號(hào)轉(zhuǎn)換為DC信號(hào)，然后在調(diào)節(jié)器144調(diào)節(jié)DC信號(hào)并將其輸送到負(fù)載142。

在圖5中示出等效于無(wú)線電場(chǎng)電力傳輸系統(tǒng)120的電路圖。如上所述，由RF源127輸出的在操作頻率(f_s)的RF信號(hào)用于激勵(lì)電容性傳輸平衡-不平衡變換器(C_drive)128，并且該激勵(lì)導(dǎo)致圍繞電容性傳輸平衡-不平衡變換器(C_drive)128和電容性發(fā)射電極(C_drive)130的板的電場(chǎng)的生成。電容性傳輸平衡-不平衡變換器(C_drive)28和電容性傳輸電極(C_TX)130之間的耦合系數(shù)由k₁₂表示，并且由下式給出：

其中M₁₂是電容性發(fā)射平衡-不平衡變換器128和電容性發(fā)射電極30之間的互電容。

電容性發(fā)射電極130和電容性接收電極150之間的耦合系數(shù)由k₂₃表示，并且由下式給出：

其中M₂₃是電容性發(fā)射電極130和電容性接收電極150之間的互電容。

電容性接收電極150和電容性接收平衡-不平衡變換器148之間的耦合系數(shù)由k₃₄表示，并且由下式給出：

其中M₃₄是電容性接收電極150和電容性接收平衡-不平衡變換器148之間的互電容。

如將理解的，變化分隔距離d₁和d₂，通過(guò)改變互電容來(lái)變化耦合系數(shù)。此外，由于接收器140處于發(fā)射器122的近場(chǎng)中，因此由發(fā)射器122看到的阻抗隨著發(fā)射器122和接收器140之間的分離距離d_TR變化而變化，導(dǎo)致無(wú)線電場(chǎng)電力傳輸系統(tǒng)120的諧振頻率的變化?？梢酝ㄟ^(guò)改變分離距離d₁或者通過(guò)增加電容性發(fā)射平衡-不平衡變換器(C_drive)128的板的長(zhǎng)度來(lái)將該阻抗調(diào)節(jié)到RF源127的阻抗R_s。

類似地，由接收器140看到的阻抗也隨著發(fā)射器122和接收器140之間的分離距離d_TR變化而變化?？梢酝ㄟ^(guò)改變分離距離d₂或通過(guò)增加電容性接收平衡-不平衡變換器(C_drive)148的板的長(zhǎng)度來(lái)將該阻抗調(diào)整到負(fù)載142的阻抗。

回到圖3，發(fā)射器122的長(zhǎng)度重疊(L_ol)被定義為電容性發(fā)射平衡-不平衡變換器(C_drive)128的板的主表面136與電容性發(fā)射電極(C_TX)130的主表面138之間沿著那些主表面的長(zhǎng)度重疊的量。發(fā)射器122的寬度重疊(W_ol)被定義為電容性發(fā)射平衡-不平衡變換器(C_drive)128的板的主表面136與電容性發(fā)射電極(C_TX)130的主表面138之間沿著那些主表面的寬度重疊的量。

類似地，接收器140的長(zhǎng)度重疊(L_ol)被定義為電容性接收平衡-不平衡變換器(C_load)148的板的主表面156與電容性接收電極(C_RX)150的主表面158之間沿著那些主表面的長(zhǎng)度重疊的量。接收器40的寬度重疊(W_ol)被定義為電容性接收平衡-不平衡變換器(C_load)148的板的主表面156與電容性接收電極(C_RX)150的主表面158之間沿著那些主表面的寬度重疊的量。在此實(shí)施例中，發(fā)射器122和接收器140的長(zhǎng)度重疊(L_ol)和寬度重疊(W_ol)相同。

根據(jù)耦合模式理論，當(dāng)發(fā)射器122和接收器140在其基本頻率諧振時(shí)，所得到的工作頻率取決于發(fā)射器122和接收器140之間的耦合。如果存在強(qiáng)耦合，則存在在兩個(gè)不同的頻率工作的兩種模式。這種現(xiàn)象被稱為分頻。如果耦合弱，則這兩個(gè)模式收斂到在單個(gè)頻率的單個(gè)工作模式。在下面描述的模擬中呈現(xiàn)分頻。

進(jìn)行使用CST Microwave Studio軟件的電磁場(chǎng)模擬以確定無(wú)線電場(chǎng)電力傳輸系統(tǒng)120在特定工作頻率(f_s)的阻抗要求。圖6至圖9示出了用于確定無(wú)線電場(chǎng)電力傳輸系統(tǒng)120在7MHz的工作頻率(f_s)下的阻抗要求的電磁場(chǎng)模擬的結(jié)果。如圖6的史密斯圖所示，在標(biāo)記1和2的點(diǎn)，從5MHz到8MHz的頻率掃描在發(fā)射器122和接收器之間產(chǎn)生匹配的阻抗。在圖7中描繪了無(wú)線電場(chǎng)電力傳輸系統(tǒng)120在這些點(diǎn)的效率，其中點(diǎn)2的頻率被示出為大約7MHz。來(lái)自圖6的史密斯圖在點(diǎn)2的對(duì)應(yīng)阻抗要求大約為99歐姆。該阻抗通過(guò)等于1.57mm的分離距離d₁和d₂以及等于120mm的長(zhǎng)度重疊(L_ol)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

如圖8的史密斯圖所示，在標(biāo)記為1和2的點(diǎn)，從1到12MHz的頻率掃描在發(fā)射器122和接收器140之間產(chǎn)生匹配的阻抗。在圖9中描繪無(wú)線電場(chǎng)電力傳輸系統(tǒng)120在這些點(diǎn)的效率，其中點(diǎn)1的頻率被示出為大約7MHz。圖8的史密斯圖在點(diǎn)1的對(duì)應(yīng)阻抗要求約為62歐姆。該阻抗通過(guò)等于0.867mm的分離距離d₁和d₂以及等于60mm的長(zhǎng)度重疊(L_ol)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

在上述模擬中，電容性發(fā)射平衡-不平衡變換器(C_load)128的板的寬度、電容性發(fā)射電極(C_TX)130的寬度、電容性接收平衡-不平衡變壓器(C_load)148的板的寬度和電容性接收電極(C_RX)150的寬度相等。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，這些寬度可以變化。

從模擬的結(jié)果可以理解，很清楚的是，無(wú)線電場(chǎng)電力傳輸系統(tǒng)120的諧振頻率(f_s)和發(fā)射器122與接收器140的阻抗兩者均可以通過(guò)分別改變距離d₁、d₂以及電容性發(fā)射平衡-不平衡變換器(C_drive)128和電容性接收平衡-不平衡變換器(C_load)148的板的主表面136和156的長(zhǎng)度來(lái)匹配。

與電感性平衡-不平衡變換器相比，電容性發(fā)射平衡-不平衡變換器(C_drive)128和電容性接收平衡-不平衡變換器(C_load)148的使用允許電容性發(fā)射電極(C_TX)130和電容性接收電極(C_RX)150的尺寸減小，因?yàn)殡娙菪越邮掌胶?不平衡變換器(C_drive)128和(C_load)148是電容性而不是電感性的，并且需要較少的電容以達(dá)到諧振狀態(tài)。電容性發(fā)射平衡-不平衡變換器(C_drive)128和電容性接收平衡-不平衡變換器(C_load)148的使用還消除了感應(yīng)平衡-不平衡變換器的需要并且減少了在發(fā)射諧振器134和接收諧振器154所需的電感的數(shù)量。在發(fā)射器122和接收器140中的結(jié)果是更小、更便宜并且更容易設(shè)計(jì)。

根據(jù)圖2和圖3的示例性無(wú)線電場(chǎng)電力傳輸系統(tǒng)用以下參數(shù)構(gòu)造：大約27MHz的操作頻率和大約10cm的距離d_TR。關(guān)于發(fā)射器，使用以下參數(shù)：電容性發(fā)射電極之間的大約15cm的距離、電容性發(fā)射電極的各個(gè)電極的大約33cm的電極長(zhǎng)度、大約1.7cm的長(zhǎng)度重疊L_ol、大約5cm的寬度重疊W_ol、大約0.24cm的距離d₁、具有大約5.9μH的電感的串聯(lián)發(fā)射電感L_TX以及大約300的品質(zhì)因數(shù)。關(guān)于接收器，使用以下參數(shù)：電容性接收電極之間大約15cm的距離、電容性接收電極的每個(gè)電極大約33cm的電極長(zhǎng)度、大約2.6cm的長(zhǎng)度L_ol、大約5cm的寬度重疊W_ol、大約0.54cm的距離d₂、具有大約5.1μH的電感的串聯(lián)接收電感L_RX和大約250的品質(zhì)因數(shù)。使用Copper Mountain Technologies^TM PLANAR 808/1四端口矢量網(wǎng)絡(luò)分析器(VNA)收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。頻率從20MHz掃描到30MHz，以測(cè)量在各種工作頻率的系統(tǒng)阻抗和效率。如圖10所示，在大約26.84MHz、點(diǎn)1，從20MHz到30MHz的頻率掃描在發(fā)射器和接收器之間產(chǎn)生匹配的最大效率。對(duì)于點(diǎn)1的發(fā)射器，來(lái)自圖11的史密斯圖的對(duì)應(yīng)阻抗要求大約為63歐姆。對(duì)于點(diǎn)1的接收器，來(lái)自圖12的史密斯圖的相應(yīng)阻抗要求大約為56歐姆。

在圖2的實(shí)施例中，電容性發(fā)射平衡-不平衡變換器128和電容性發(fā)射電極130的板具有相同的尺寸，并且被布置使得它們的面對(duì)的主表面136和138大體上完美對(duì)準(zhǔn)。類似地，電容性接收平衡-不平衡變換器148和電容性接收電極50的板具有相同的尺寸，并且布置使得它們的面對(duì)的主表面56和58大體上完美對(duì)準(zhǔn)。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，變化是可能的。

例如，圖13中示出了電容性發(fā)射平衡-不平衡變換器、電容性發(fā)射電極、電容性接收電極和電容性接收平衡-不平衡變換器布置的另一實(shí)施例。圖13中所示的實(shí)施例類似于圖3中所示的實(shí)施例，并且因此為了清楚起見(jiàn)，類似的組件用相同的附圖標(biāo)記添加“100”來(lái)表示。在此實(shí)施例中，電容性發(fā)射平衡-不平衡變換器228的板在尺寸上比電容性發(fā)射電極230的板更短或更小，并且電容性接收平衡-不平衡變換器248的板在尺寸上比電容性接收電極250的板更短或更小。由電容性傳輸平衡-不平衡變換器228的板的長(zhǎng)度和電容性接收平衡-不平衡變換器248的板的長(zhǎng)度的改變而導(dǎo)致的阻抗的改變可以通過(guò)改變間隔距離d₁和d₂來(lái)偏移。與圖3所示的實(shí)施例一樣，寬度與W_ol重疊，長(zhǎng)度與L_ol重疊，距離d₁和d₂和d_TR可根據(jù)需要調(diào)節(jié)。

還有其它布置是可能的。如圖14所示，可以采用通常由附圖標(biāo)記360識(shí)別的感應(yīng)發(fā)射天線，而不是使用電容性發(fā)射平衡-不平衡變換器(C_drive)128來(lái)激勵(lì)電容性發(fā)射電極30。圖14中所示的實(shí)施例類似于圖3中所示的實(shí)施例，并且為了清楚起見(jiàn)，類似的部件用相同的附圖標(biāo)記添加“200”來(lái)表示。各個(gè)電容性發(fā)射電極330經(jīng)由相應(yīng)的串聯(lián)電感362連接到感應(yīng)發(fā)射平衡-不平衡變換器360。這使得將發(fā)射器322放置在非平坦表面上更加困難，因?yàn)槿绻鼈儽粡澢苑戏瞧教贡砻妫瑒t發(fā)射電感362遭受電感損耗和品質(zhì)因數(shù)(Q)降低。

類似于圖13的實(shí)施例，在該實(shí)施例中，電容性接收平衡-不平衡變換器348的板在尺寸上比電容性接收電極350的板更短或更小。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識(shí)到，電容性接收平衡-不平衡變換器348在尺寸上可類似于電容性接收電極350。此外，可以采用電容性發(fā)射平衡-不平衡變換器，并且可以用電感性接收平衡-不平衡變換器來(lái)代替電容性接收平衡-不平衡變換器348，而不是用電感性發(fā)射平衡-不平衡變換器360來(lái)代替電容性發(fā)射平衡-不平衡變換器128。

現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖15和圖16，示出了與圖2所示的實(shí)施例類似的無(wú)線電場(chǎng)電力傳輸系統(tǒng)的另一實(shí)施例，并且因此為了清楚起見(jiàn)，類似的部件用相同的附圖標(biāo)記添加“300”來(lái)表示。在此實(shí)施例中，發(fā)射器422和接收器440進(jìn)一步包括用于額外的阻抗和諧振控制的串聯(lián)電感(L_s)。可以看出，在發(fā)射器422中，電力逆變器426直接地連接到電容性發(fā)射平衡-不平衡變換器428(C_drive)的一個(gè)板，并且經(jīng)由串聯(lián)電感(L_s)464連接到電容性發(fā)射平衡-不平衡變換器428(C_drive)的另一個(gè)板。

在接收器440中，RF-DC整流器446直接地連接到電容性接收平衡-不平衡變換器(C_drive)448的一個(gè)板，并且經(jīng)由串聯(lián)電感(L_s)466連接到電容性接收平衡-不平衡變換器448的另一個(gè)板。如圖所示的電容性發(fā)射平衡-不平衡變換器的板和電容性發(fā)射電極以及電容性接收平衡-不平衡變換器的板和電容性接收電極的配置類似于圖13的布置。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，電容性發(fā)射平衡-不平衡變換器的板和電容性發(fā)射電極以及電容性接收平衡-不平衡變換器的板和電容性接收電極的配置可以變化，并且例如采取與圖3的布置類似的形式。各種尺寸包括寬度重疊W_ol，長(zhǎng)度重疊L_ol，距離d₁和d₂以及距離d_TR可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)。

在操作期間，當(dāng)由電源424驅(qū)動(dòng)時(shí)，電力逆變器426在工作頻率(f_s)輸出RF信號(hào)，然后向電容性發(fā)射平衡-不平衡變換器(C_drive)428的兩端的板施加該RF信號(hào)，由此激勵(lì)電容性發(fā)射平衡-不平衡變換器(C_drive)428。激勵(lì)的電容性發(fā)射平衡-不平衡變換器(C_drive)428與串聯(lián)電感(L_s)464在工作頻率(f_s)諧振，從而生成諧振電場(chǎng)。當(dāng)電容性發(fā)射諧振器434在生成的諧振電場(chǎng)內(nèi)時(shí)，電容性發(fā)射電極(C_TX)430和電容性發(fā)射平衡-不平衡變換器(C_drive)428與串聯(lián)電感(L_TX)432和(L_S)464在工作頻率(f_s)諧振，從而生成延伸到接收諧振器454的諧振電場(chǎng)。

在接收諧振器454處于生成的諧振電場(chǎng)中的情況下，電容性接收電極(C_RX)450開(kāi)始與串聯(lián)接收電感(L_RX)452諧振，致使在圍繞電容性接收平衡-不平衡變換器(C_load)448的板的空間中的諧振電場(chǎng)的生成。當(dāng)電容性接收平衡-不平衡變換器(C_load)448在生成的諧振電場(chǎng)內(nèi)時(shí)，電容性接收平衡-不平衡變換器(C_load)448和電容性接收電極(C_RX)450與串聯(lián)電感(L_RX)152在工作頻率(f_s)諧振，致使電容性接收平衡-不平衡變換器(C_load)448輸出輸送到RF-DC整流器446的RF信號(hào)。

圖17描繪了替選的電容性接收電極和電容性接收平衡-不平衡變換器布置。該實(shí)施例類似于圖3所示的實(shí)施例的接收器140，并且因此為了清楚起見(jiàn)，類似的部件用相同的附圖標(biāo)記添加“400”來(lái)表示。類似于圖13的布置，電容性接收平衡-不平衡變換器548的板在尺寸上比電容性接收電極550的板更短或更小，但是如果需要，電容性接收平衡-不平衡變換器548的板和電容性接收電極550的板可以是相同的尺寸。然而，在此實(shí)施例中，電容性接收平衡-不平衡變換器548的板和電容性接收電極550的板是彎曲的，而不是平面的。

本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，彎曲的板和電極布置可以應(yīng)用于發(fā)射器。

盡管電容性發(fā)射和接收平衡-不平衡變換器以及電容性發(fā)射和接收電極的導(dǎo)電元件已經(jīng)被示出和描述為采用通常矩形平行板的形式，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，替代方案是可能的。電容性發(fā)射和接收平衡-不平衡變換器以及電容性發(fā)射和接收電極的導(dǎo)電元件可以采取各種形式。例如，圖18描繪了電容性發(fā)射和接收平衡-不平衡變換器以及電容性發(fā)射和接收電極的導(dǎo)電元件的各種幾何形狀?？梢钥闯?，電容性發(fā)射和接收平衡-不平衡變換器和電極的導(dǎo)電元件可以具有正方形形狀、箭頭形狀、凸圓形形狀、具有彎曲側(cè)邊的菱形形狀、圓形形狀或三角形形狀。如將理解的，電容性發(fā)射和接收平衡-不平衡變換器以及電容性發(fā)射和接收電極的導(dǎo)電元件可以在各種配置中是成角度的、彎曲的和/或有紋理的。

雖然無(wú)線電場(chǎng)電力傳輸系統(tǒng)被示為包括一對(duì)電容性發(fā)射電極和一對(duì)電容性接收電極，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，可以采用多于兩個(gè)的電容性發(fā)射電極和多于兩個(gè)的電容性接收電極。增加電容性發(fā)射電極(C_TX)130的數(shù)量和增加電容性接收電極(C_RX)150的數(shù)量減少了渦流損耗。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解，無(wú)線電力傳輸系統(tǒng)可用于各種應(yīng)用中，包括在上文包含的美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?3/607,474中識(shí)別的那些應(yīng)用。此外，應(yīng)用包括但不限于將部分或全部無(wú)線電力傳輸系統(tǒng)集成到：背包、車輛(例如消防車、公共汽車、軍用車輛、無(wú)人自主車輛(UAV)電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車)、無(wú)線電通信設(shè)備、軍事?tīng)I(yíng)地、飛機(jī)、桌子、計(jì)算機(jī)(例如，膝上型計(jì)算機(jī)、臺(tái)式計(jì)算機(jī)和平板計(jì)算機(jī))、集裝箱、平面(例如桌子、桌子、柜臺(tái)、架子、墻壁、地板、天花板和門)、電話(例如無(wú)繩、移動(dòng)和蜂窩)、電視機(jī)或顯示面板(例如等離子體、LCD、LED和OLED)、家用電子設(shè)備(例如DVD播放器、藍(lán)光播放器、接收器、放大器、家庭影院、揚(yáng)聲器、低音炮、視頻游戲控制臺(tái)、視頻游戲控制器、遙控設(shè)備、電視、計(jì)算機(jī)或其它監(jiān)視器、數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)、數(shù)碼相框、視頻或圖像投影儀和媒體流傳輸設(shè)備)以及公共空間或公共區(qū)域。

盡管無(wú)線電場(chǎng)電力傳輸系統(tǒng)被示為包括連接到電力逆變器的電源，其中電力逆變器輸出激勵(lì)電容性平衡-不平衡變換器的RF信號(hào)，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，其它配置是可能的。例如，可以不包括電力逆變器，并且可以采用輸出交變信號(hào)或RF信號(hào)以激勵(lì)電容平衡-不平衡變換器的電源。

雖然以上已經(jīng)參照附圖描述了實(shí)施例，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，在不脫離由所附權(quán)利要求限定的范圍的情況下，可以進(jìn)行變化和修改。