專(zhuān)利名稱(chēng)：遠(yuǎn)程低頻率諧振器和材料的制作方法
遠(yuǎn)程低頻率諧振器和材料本申請(qǐng)案主張2007年8月13日申請(qǐng)的第60/955，598號(hào)臨時(shí)申請(qǐng)案的優(yōu)先權(quán)，所 述臨時(shí)申請(qǐng)案的整個(gè)內(nèi)容以引用的方式并入本文中。
背景技術(shù)：
在不使用電線(xiàn)來(lái)引導(dǎo)電磁場(chǎng)的情況下從源向目的地轉(zhuǎn)移電能是合意的。先前嘗試 的困難是低效率連同不足量的所遞送功率。我們的先前申請(qǐng)案和臨時(shí)申請(qǐng)案描述了無(wú)線(xiàn) 功率轉(zhuǎn)移，所述申請(qǐng)案包含(但不限 于)2008年1月22日申請(qǐng)的題目為“無(wú)線(xiàn)設(shè)備和方法(Wireless Apparatus and Methods)” 的第12/018，069號(hào)美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)案，所述美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)案的整個(gè)揭示內(nèi)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(xiàn)的發(fā)射天線(xiàn)和接收天線(xiàn)，所述天線(xiàn)大體上例如在 10%諧振、15%諧振或20%諧振內(nèi)諧振。天線(xiàn)優(yōu)選具有小尺寸以允許其配合到用于天線(xiàn)的 可用空間可能有限的移動(dòng)手持式裝置中?？赏ㄟ^(guò)在發(fā)射天線(xiàn)的近場(chǎng)中存儲(chǔ)能量而不是將能 量以行進(jìn)電磁波的形式發(fā)送到自由空間中來(lái)在兩個(gè)天線(xiàn)之間實(shí)行有效的功率轉(zhuǎn)移?？墒褂?具有高質(zhì)量因數(shù)的天線(xiàn)。放置兩個(gè)高Q天線(xiàn)以使得其類(lèi)似于松散耦合變壓器而相互作用， 其中一個(gè)天線(xiàn)將功率感應(yīng)到另一天線(xiàn)中。所述天線(xiàn)優(yōu)選具有大于1000的Q。

發(fā)明內(nèi)容
本申請(qǐng)案描述經(jīng)由電磁場(chǎng)耦合從功率源向功率目的地的能量轉(zhuǎn)移。實(shí)施例描述用 于新型耦合結(jié)構(gòu)(例如，發(fā)射天線(xiàn)和接收天線(xiàn))的技術(shù)。


現(xiàn)在將參看附圖詳細(xì)描述這些和其它方面，在附圖中圖1展示基于磁波的無(wú)線(xiàn)功率發(fā)射系統(tǒng)的框圖；圖2說(shuō)明圖1的框圖中的電路的電路圖；圖3說(shuō)明示范性近場(chǎng)條件曲線(xiàn)圖。
具體實(shí)施例方式圖1中展示基本實(shí)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(xiàn)110 (此處為諧振天線(xiàn))。天線(xiàn)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(xiàn)部分112。諧振天線(xiàn)包含N數(shù)目個(gè)線(xiàn)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(xiàn)圈113串聯(lián)，從 而形成諧振回路。在所述實(shí)施例中，電容器是與線(xiàn)圈完全分離的結(jié)構(gòu)，但在某些實(shí)施例中， 形成線(xiàn)圈的電線(xiàn)的自電容可形成電容114。頻率產(chǎn)生器104可優(yōu)選經(jīng)調(diào)諧到天線(xiàn)110，且還經(jīng)選擇以獲得FCC順應(yīng)性。此實(shí)施例使用多向天線(xiàn)。115展示在所有方向上輸出的能量。在天線(xiàn)的大部分輸出不是電磁輻射能量而是較為靜止的磁場(chǎng)的意義上，天線(xiàn)100是非輻射性的。當(dāng)然，來(lái)自天線(xiàn)的部分輸出將實(shí)際上輻射。另一實(shí)施例可使用輻射性天線(xiàn)。接收器150包含與發(fā)射天線(xiàn)110離開(kāi)距離D放置的接收天線(xiàn)155。接收天線(xiàn)類(lèi)似 地為具有線(xiàn)圈部分和電容器的高Q諧振線(xiàn)圈天線(xiàn)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(fù)載。所述負(fù)載可為任何類(lèi)型的負(fù)載，例如 為例如燈泡等電阻性負(fù)載或例如電器、計(jì)算機(jī)、可再充電電池、音樂(lè)播放器或汽車(chē)等電子裝
置負(fù)載。能量可通過(guò)電場(chǎng)耦合或磁場(chǎng)耦合而轉(zhuǎn)移，但本文主要描述磁場(chǎng)耦合作為實(shí)施例。電場(chǎng)耦合提供電感性加載的電偶極子，其為開(kāi)路電容器或介電圓盤(pán)。外來(lái)物體可 能對(duì)電場(chǎng)耦合提供相對(duì)強(qiáng)的影響。磁場(chǎng)耦合可為優(yōu)選的，因?yàn)榇艌?chǎng)中的外來(lái)物體具有與“空 白”空間相同的磁性質(zhì)。所述實(shí)施例描述使用電容性加載的磁偶極子的磁場(chǎng)耦合。此偶極子由形成線(xiàn)圈的 至少一個(gè)回路或匝的電線(xiàn)回路與將天線(xiàn)電加載到諧振狀態(tài)的電容器串聯(lián)形成。圖2展示用于能量轉(zhuǎn)移的等效電路。發(fā)射電路100是串聯(lián)諧振電路，其具有在高 頻率產(chǎn)生器205的頻率處諧振的RLC部分。發(fā)射器包含串聯(lián)電阻210和電感性線(xiàn)圈215以 及可變電容220。這產(chǎn)生磁場(chǎng)M，其展示為磁力線(xiàn)225。信號(hào)產(chǎn)生器205具有優(yōu)選通過(guò)電感性回路在諧振處匹配于發(fā)射諧振器的電阻的 內(nèi)部電阻。這允許從發(fā)射器向接收器天線(xiàn)轉(zhuǎn)移最大功率。接收部分150對(duì)應(yīng)地包含電容器250、變壓器線(xiàn)圈255、整流器260以及調(diào)節(jié)器261 以提供經(jīng)調(diào)節(jié)的輸出電壓。輸出連接到負(fù)載電阻265。圖2展示半波整流器，但應(yīng)了解，可 使用較復(fù)雜的整流器電路。整流器260和調(diào)節(jié)器261的阻抗在諧振處匹配于接收諧振器的 電阻。這使得能夠向負(fù)載轉(zhuǎn)移最大量的功率。電阻考慮了集膚效應(yīng)/鄰近效應(yīng)、輻射電阻 以及內(nèi)部和外部介電損失兩者。理想的諧振發(fā)射器將忽略具有不同諧振頻率的所有其它附近的諧振物體或與其 最少地反應(yīng)。然而，當(dāng)具有適當(dāng)諧振頻率的接收器遇到發(fā)射天線(xiàn)225的場(chǎng)時(shí)，兩者耦合以便 建立強(qiáng)能量鏈路。實(shí)際上，發(fā)射器和接收器操作而變?yōu)樗缮Ⅰ詈系淖儔浩鳌０l(fā)明人已發(fā)現(xiàn)若干改進(jìn)從發(fā)射器向接收器的功率轉(zhuǎn)移的因素。上文所述的電路的Q因數(shù)可輔助某些效率。高Q因數(shù)允許諧振頻率下的電流值增 力口。這使得能夠維持相對(duì)低瓦特?cái)?shù)的發(fā)射。在實(shí)施例中，發(fā)射器Q可為1400，而接收器Q為 300左右。出于本文陳述的原因，在一個(gè)實(shí)施例中，接收器Q可比發(fā)射器Q低得多，例如為發(fā) 射器Q的1/4到1/5。然而，可使用其它Q因數(shù)。諧振裝置的Q是諧振裝置的諧振頻率與所 謂的“三分貝”或“半功率”帶寬的比率。雖然存在若干“定義”，但全都在按照諧振電路元 件的測(cè)量或值來(lái)描述Q的方面大體上彼此等效。高Q具有窄帶寬效應(yīng)的對(duì)應(yīng)缺點(diǎn)。此窄帶寬通常被視為對(duì)于數(shù)據(jù)通信是不合意 的。然而，窄帶寬可在功率轉(zhuǎn)移中使用。當(dāng)使用高Q時(shí)，發(fā)射器信號(hào)充分純凈且不含不需要 的頻率或相位調(diào)制，從而允許在此窄帶寬上發(fā)射其大部分功率。舉例來(lái)說(shuō)，實(shí)施例可將諧振頻率與大體上未經(jīng)調(diào)制的基頻一起使用。然而，對(duì)基頻 的某種調(diào)制可被容許或?yàn)榭扇菰S的，尤其是在使用其它因素來(lái)增加效率的情況下。其它實(shí)施例使用較低Q組件，且可允許對(duì)基頻的對(duì)應(yīng)較多的調(diào)制。重要特征可包含使用通過(guò)調(diào)節(jié)(例如FCC調(diào)節(jié))而準(zhǔn)許的頻率。此示范性實(shí)施例中的優(yōu)選頻率是13. 56MHz，但也可使用其它頻率。另外，電容器應(yīng)能夠承受高電壓，例如高達(dá)1000V，因?yàn)殡娮杩赡芟鄬?duì)于電容性電 抗來(lái)說(shuō)較小。最終的重要特征是封裝系統(tǒng)應(yīng)具有小的形狀因數(shù)。改進(jìn)發(fā)射天線(xiàn)與接收天線(xiàn)之間的耦合的一個(gè)方面是增加天線(xiàn)的Q。功率轉(zhuǎn)移的效 率η可表達(dá)為
16 J請(qǐng)注意，這隨著發(fā)射天線(xiàn)的半徑的立方、接收天線(xiàn)的半徑的立方而增加，且減小到 距離的六次冪。發(fā)射天線(xiàn)和接收天線(xiàn)的半徑可受到其所用于的應(yīng)用的約束。因此，在一些 應(yīng)用中增加Q可為僅有的增加效率的實(shí)際方法。在一實(shí)施例中，用于發(fā)射功率的波的頻率在“ISM帶”中，例如處于135kHz?？墒褂?其它“低”頻率，例如160KHz、457Khz，或任何小于IMhz的頻率均在本文中視為“低”頻率。 此頻帶在本文中稱(chēng)為低頻率或“LF”。舉例來(lái)說(shuō)，使用此低頻率(LF)帶用于檢測(cè)雪崩遇難者 的個(gè)人識(shí)別單元——Barryvox 系統(tǒng)。此LF系統(tǒng)使用具有較長(zhǎng)波長(zhǎng)的頻率。本質(zhì)上，此系統(tǒng)依據(jù)場(chǎng)強(qiáng)度的斜率而向較近 程發(fā)送功率。由于LF系統(tǒng)的性質(zhì)，電路和天線(xiàn)的質(zhì)量因數(shù)可在某種程度上降低。發(fā)明人偏 向于1000或更高的Q。此類(lèi)型的較高頻率系統(tǒng)已使用較低數(shù)目的線(xiàn)圈匝來(lái)增加Q。LF系統(tǒng)具有比其它 (HF)系統(tǒng)低的集膚效應(yīng)。LF系統(tǒng)具有較高數(shù)目的匝。LF系統(tǒng)的第一實(shí)施例可使用鐵氧體 (例如，非導(dǎo)電性鐵磁陶瓷化合物)作為線(xiàn)圈內(nèi)的芯。舉例來(lái)說(shuō)，任何材料XY2O4(其中X和 Y各自為不同的金屬陽(yáng)離子)可用作實(shí)施例中的鐵氧體。一種優(yōu)選材料可為ZnFe204。鐵氧體可用作用于天線(xiàn)(例如，111、112、151、152中的任一者或全部)的“芯”。舉 例來(lái)說(shuō)，天線(xiàn)152展示為其中具有鐵氧體芯153。另一實(shí)施例可使用利茲電線(xiàn)(Litze wire)作為線(xiàn)圈，例如111、112、151、152中的 任一者或全部可由利茲電線(xiàn)形成。這是一束幾根線(xiàn)，其交織但相互隔離以迫使電流分布于 電線(xiàn)的完整橫截面上。接收器處于最高優(yōu)先級(jí)以便獲得良好性能。接收器將具有高相對(duì)功率值，將需要 幾百毫微法的電容，以及“高”的Q值，例如大于100，較優(yōu)選大于300，或大于1000。在一實(shí) 施例中，接收器具有PDA尺寸，例如(60mmX 100mm)。發(fā)射器優(yōu)選使用真空電容器來(lái)保持高Q。接收器的另一實(shí)施例使用空心線(xiàn)圈，其以如本文所述的電容器優(yōu)化。實(shí)施例可使用多個(gè)發(fā)射器和/或無(wú)源寄生回路(純諧振器)，其放置于畫(huà)框后面 或桌子下面以充當(dāng)由發(fā)射器激活的中繼器。一個(gè)此類(lèi)中繼器在圖1中展示為155。發(fā)射器 隨后充當(dāng)用于遠(yuǎn)程跳躍點(diǎn)的母天線(xiàn)。寄生回路充當(dāng)近程跳躍點(diǎn)。此配置實(shí)際上是多個(gè)發(fā)射 器，但既不需要單獨(dú)的饋送也不需要多個(gè)頻率同步寄生天線(xiàn)(能量中繼)。所述實(shí)施例的一個(gè)方面是使用因增加處于用于所使用的電磁場(chǎng)、電壓或電流的正 弦波形的自諧振頻率的耦合結(jié)構(gòu)(主要是天線(xiàn))的Q因數(shù)而來(lái)的高效率。對(duì)于使用單個(gè)大體上未經(jīng)調(diào)制的正弦波的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，功率的效率和量是優(yōu)良的。明確地說(shuō)，性能優(yōu)于嘗試俘 獲寬帶波形中或多個(gè)具有不同頻率的相異正弦波形中含有的功率的寬帶系統(tǒng)。根據(jù)所使用 材料的現(xiàn)實(shí)特性，其它實(shí)施例可能使用較不純的波形。雖然上文已經(jīng)詳細(xì)揭示了僅幾個(gè)實(shí)施例，但其它實(shí)施例也是可能的，且發(fā)明人希 望這些實(shí)施例涵蓋在此說(shuō)明書(shū)內(nèi)。說(shuō)明書(shū)描述用以實(shí)現(xiàn)可以另一方式實(shí)現(xiàn)的較一般目標(biāo)的 具體實(shí)例。此揭示內(nèi)容既定為示范性的，且權(quán)利要求書(shū)既定涵蓋所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員可能 可預(yù)測(cè)到的任何修改或替代。舉例來(lái)說(shuō)，可使用其它尺寸、材料和連接。雖然天線(xiàn)的耦合部 分展示為單個(gè)電線(xiàn)回路，但應(yīng)理解，此耦合部分可具有多個(gè)電線(xiàn)回路。其它實(shí)施例可使用所 述實(shí)施例的類(lèi)似原理，且同樣等效地適用于主要靜電和/或電動(dòng)力場(chǎng)耦合。大體上，可使用 電場(chǎng)來(lái)代替磁場(chǎng)作為主要耦合機(jī)制。而且，發(fā)明人希望僅使用詞“用于...的裝置”的那些權(quán)利要求既定根據(jù)35 USC 112第六節(jié)來(lái)解釋。此外，不希望來(lái)自說(shuō)明書(shū)的任何限制對(duì)任何權(quán)利要求添加另外的意義， 除非這些限制明確地包含于權(quán)利要求中。在本文提到特定數(shù)字值的情況下，應(yīng)考慮，所述值可增加或減少20%，同時(shí)仍保留在本申請(qǐng)案的教示內(nèi)，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(quán)利要求
一種無(wú)線(xiàn)功率發(fā)射器系統(tǒng)，其包括與線(xiàn)路功率源的連接；調(diào)制部分，其對(duì)所述線(xiàn)路功率進(jìn)行調(diào)制以產(chǎn)生低于1MHz的第一頻率；以及發(fā)射器部分，其包含由導(dǎo)電回路與電容器形成的發(fā)射天線(xiàn)，所述電容器將所述天線(xiàn)帶到處于所述第一頻率的諧振，且所述發(fā)射器部分基于所述線(xiàn)路功率源產(chǎn)生磁場(chǎng)，所述發(fā)射器部分在所述頻率處具有Q因數(shù)，其中所述Q因數(shù)為至少300。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述Q因數(shù)為至少1000。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述天線(xiàn)使用由多股線(xiàn)形成的用于所述導(dǎo)電回路 的多股絞合電線(xiàn)，所述多股線(xiàn)各自載運(yùn)電流但各自彼此絕緣。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述天線(xiàn)在所述感應(yīng)回路內(nèi)部使用芯。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中所述芯由鐵氧體材料形成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)電回路由多股線(xiàn)所形成的多股絞合電線(xiàn)材 料形成，所述多股線(xiàn)各自載運(yùn)電流但各自彼此絕緣。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中所述多股絞合電線(xiàn)材料是利茲電線(xiàn)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括至少一個(gè)無(wú)源回路，所述無(wú)源回路經(jīng)調(diào) 諧以中繼由所述發(fā)射器產(chǎn)生的磁場(chǎng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述第一頻率低于500kHz。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括接收器，所述接收器具有由線(xiàn)圈回路和 電容器形成的天線(xiàn)，所述天線(xiàn)形成處于所述第一頻率的諧振電路，所述諧振電路中具有由 所述發(fā)射器感應(yīng)的磁能，且所述天線(xiàn)產(chǎn)生輸出功率。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述接收器中的所述天線(xiàn)在所述線(xiàn)圈回路中使 用由多股線(xiàn)形成的多股絞合電線(xiàn)，所述多股線(xiàn)各自載運(yùn)電流但各自彼此絕緣。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述接收器中的所述天線(xiàn)使用鐵氧體作為用于 所述線(xiàn)圈回路的芯。
13.一種無(wú)線(xiàn)功率接收器系統(tǒng)，其包括接收器部分，其包含由導(dǎo)電回路與電容器形成的接收天線(xiàn)，所述電容器將所述天線(xiàn)帶 到處于第一頻率的諧振，且所述接收器部分接收磁場(chǎng)且產(chǎn)生基于所述磁場(chǎng)的輸出，所述第 一頻率低于lMhz ；以及整流器，其對(duì)所述輸出進(jìn)行整流以產(chǎn)生功率輸出。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述接收器部分的Q因數(shù)為至少300。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述天線(xiàn)使用由多股線(xiàn)形成的用于所述導(dǎo)電回 路的多股絞合電線(xiàn)，所述多股線(xiàn)各自載運(yùn)電流但各自彼此絕緣。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述天線(xiàn)在所述感應(yīng)回路內(nèi)部使用芯。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中所述芯由鐵氧體材料形成。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)電回路由多股線(xiàn)所形成的多股絞合電線(xiàn) 材料形成，所述多股線(xiàn)各自載運(yùn)電流但各自彼此絕緣。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中所述多股絞合電線(xiàn)材料是利茲電線(xiàn)。
20.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括至少一個(gè)無(wú)源回路，所述無(wú)源回路經(jīng) 調(diào)諧以中繼處于所述第一頻率的磁場(chǎng)。
21.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述第一頻率低于500kHz。
22.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括發(fā)射器，所述發(fā)射器具有由線(xiàn)圈回路 和電容器形成的天線(xiàn)，所述天線(xiàn)形成處于所述第一頻率的諧振電路，所述諧振電路中具有 由線(xiàn)路功率源產(chǎn)生的磁能。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其中所述接收器中的所述天線(xiàn)在所述線(xiàn)圈回路中使 用多股絞合電線(xiàn)。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其中所述接收器中的所述天線(xiàn)使用鐵氧體作為用于 所述線(xiàn)圈回路的芯。
25.一種發(fā)射功率的方法，其包括使用電功率來(lái)產(chǎn)生具有低于1MHz的第一頻率的信號(hào)；使用在所述第一頻率處自諧振的天線(xiàn)來(lái)發(fā)射所述信號(hào)；以及使用由所述發(fā)射器激活的無(wú)源中繼器來(lái)中繼處于所述第一頻率的所述信號(hào)。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中所述天線(xiàn)包含感應(yīng)回路以及將所述天線(xiàn)帶到處 于所述第一頻率的諧振的電容器。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其中所述天線(xiàn)由多股線(xiàn)所形成的多股絞合電線(xiàn)形 成，所述多股線(xiàn)各自載運(yùn)電流但各自彼此絕緣。
28.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其中所述感應(yīng)回路包含由鐵氧體形成的芯部分。
29.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中所述中繼器由多股絞合電線(xiàn)形成。
30.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中所述中繼器包含由鐵氧體形成的芯。
全文摘要
本發(fā)明揭示例如小于1MHz的低頻率下的功率發(fā)射?？墒褂冒缋濍娋€(xiàn)等多股絞合電線(xiàn)的不同結(jié)構(gòu)來(lái)以各種方式發(fā)射功率。電感器還可使用例如鐵氧體芯。還可使用無(wú)源中繼器。
文檔編號(hào)H04B7/005GK101803224SQ200880102575
公開(kāi)日2010年8月11日 申請(qǐng)日期2008年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月13日
發(fā)明者盧卡斯·西貝爾, 奈杰爾·P·庫(kù)克, 漢斯彼得·威德默 申請(qǐng)人:高通股份有限公司