專利名稱：增加諧振器的q因數(shù)的制作方法
增加諧振器的Q因數(shù)
分案聲明
本案是發(fā)明名稱為“增加諧振器的Q因數(shù)”，申請日為2008年8月11日，申請?zhí)枮?00880102232.0的專利申請的分案申請。
優(yōu)先權(quán)聲明
本申請案主張2007年8月9日申請的第60/954，941號臨時(shí)申請案的優(yōu)先權(quán)，所述臨時(shí)申請案的整個(gè)內(nèi)容以引用的方式并入本文中。
背景技術(shù)：
在不使用電線來引導(dǎo)電磁場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。發(fā)明內(nèi)容
本申請案教示一種無線電能轉(zhuǎn)移，且教示用于所述能量轉(zhuǎn)移的特定技術(shù)，其包含特定天線以及用于所述天線的特定材料。


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展示基于磁波的無線功率發(fā)射系統(tǒng)的框圖2說明圖1的圖中的電路的電路圖3說明示范性近場條件曲線；
圖4說明在不同天線之間實(shí)驗(yàn)性發(fā)現(xiàn)的Q因數(shù)之間的曲線圖5說明大的單匝天線；
圖6說明立方體形狀的兩匝天線；
圖7說明非常小的接收器天線；
圖8說明一些示范性功率轉(zhuǎn)移操作；以及
圖9說明具有包含多個(gè)不同支架的電容器固持器的大發(fā)射天線。
具體實(shí)施方式
本文中描述一般結(jié)構(gòu)和技術(shù)，以及可用以實(shí)現(xiàn)實(shí)行較一般目標(biāo)的不同方式的較特定實(shí)施例。
本申請案描述經(jīng)由電磁場耦合從功率源向功率目的地的能量轉(zhuǎn)移。實(shí)施例描述用于新的耦合結(jié)構(gòu)(例如，發(fā)射和接收天線)的技術(shù)。
展示實(shí)施例，其中主要耦合主要使用磁場組件經(jīng)由電感性耦合而發(fā)生。在例如圖1所示的實(shí)施例中，能量在發(fā)射天線110的區(qū)域中形成為靜止磁波。所產(chǎn)生的能量至少部分為非輻射性的靜止磁場。所產(chǎn)生的場不是完全磁性的，也不是完全靜止的，但至少一部分是靜止且磁性的。與將持續(xù)傳播到空間中且使其能量浪費(fèi)的行進(jìn)電磁波不同，靜止磁波的至少一部分保留在發(fā)射天線的區(qū)域中，且通過所揭示的技術(shù)而使得其可用。其它實(shí)施例可使用所述實(shí)施例的類似原理，且同樣適用于主要為靜電和/或電動(dòng)的場耦合。大體上，可使用電場代替磁場作為主要的耦合機(jī)制。所述實(shí)施例的一個(gè)方面是來自增加處于用于所使用的電磁場、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)的所謂Q因數(shù)的高效率的使用。本發(fā)明的發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)，對于使用單個(gè)大體上未經(jīng)調(diào)制的正弦波的系統(tǒng)來說，功率的效率和量是優(yōu)良的。明確地說，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)。按照所使用材料的現(xiàn)實(shí)特性，其它實(shí)施例可能使用較不純凈的波形。本文中描述實(shí)現(xiàn)具有相對較高Q因數(shù)的小諧振天線的技術(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量或值來描述Q的方面大體上彼此等效。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用以產(chǎn)生處于頻率(Pt)的信號且將所述頻率耦合到天線110 (此處為諧振天線)。天線Iio包含耦合回路111，其以電感性且不接觸方式耦合到高Q諧振天線部分112。諧振天線包含N數(shù)目個(gè)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(shí)施例中，電容器是與線圈完全分離的結(jié)構(gòu)，但在某些實(shí)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(diào)諧到天線110，且還經(jīng)選擇以獲得FCC順應(yīng)性。此實(shí)施例使用多向天線作為天線部分112。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(dāng)然，來自天線的部分輸出將實(shí)際上輻射。另一實(shí)施例可使用輻射性天線。接收器150包含與發(fā)射天線110離開距離d放置但不與其耦合的接收天線155。接收天線類似地為具有線圈部分和電容器151的高Q諧振線圈天線，其耦合到電感性耦合回路152。電容器151可為可變的以用于調(diào)諧。如在發(fā)射天線中，耦合回路152與天線的主要部分在物理上分離。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、音樂播放器或汽車等電子裝置負(fù)載。能量可通過電場耦合或磁場耦合而轉(zhuǎn)移，但本文主要描述磁場耦合作為實(shí)施例。電場耦合提供電感性加載的電偶極子，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(qiáng)的影響。磁場耦合可為優(yōu)選的，因?yàn)槠渫鈦砦矬w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耦合。此偶極子由形成線圈的至少一個(gè)回路或匝的電線回路與將天線電加載到諧振狀態(tài)的電容器串聯(lián)形成。圖2展示能量轉(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和電感性線圈215以及可變電容220。這產(chǎn)生磁場M，其展示為磁力線225。
信號產(chǎn)生器205具有優(yōu)選通過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)射器向接收器天線轉(zhuǎn)移最大功率。
接收部分150對應(yīng)地包含電容器250、變壓器線圈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225的場時(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?br> 發(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低瓦數(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)。
高Q具有窄帶寬效應(yīng)的對應(yīng)缺點(diǎn)。此窄帶寬通常被視為對于數(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)射其功率的大部分。
舉例來說，實(shí)施例可使用13.56MHz的諧振頻率和9kHz左右的帶寬。這較高程度地可用于大體上未經(jīng)調(diào)制的基頻。然而，對基頻的某種調(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，且可允許對基頻的對應(yīng)較多的調(diào)制。
重要特征可包含使用通過調(diào)節(jié)(例如FCC調(diào)節(jié))而準(zhǔn)許的頻率的使用。在此示范性實(shí)施例中的優(yōu)選頻率是13.56MHz，但同樣可使用其它頻率。
另外，電容器應(yīng)能夠承受高電壓，例如高達(dá)4kV，因?yàn)殡娮杩赡芟鄬τ陔娙菪噪娍箒碚f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)射天線與接收天線之間的耦合的一個(gè)方面是增加天線的Q。功率轉(zhuǎn)移的效率n可表達(dá)為
權(quán)利要求
1.一種用于接收無線電功率的高Q接收器系統(tǒng)，其包括: 襯底，其具有在指定頻率下小于或等于0.0Oll的損耗因數(shù)； 天線部分，其形成在所述襯底上，且經(jīng)配置以無線方式接收磁場中發(fā)射的能量，所述天線部分由具有電感L的電感性部分和具有電容C的電容性部分形成，所述電感性部分和所述電容性部分共同界定LC值使得所述天線部分大體上與所述指定頻率諧振；以及 耦合回路，其與所述天線部分間隔開，使得所述耦合回路以磁性方式連接到所述天線部分，所述耦合部分從所述天線部分接收具有所述指定頻率的信號，且基于所述信號產(chǎn)生功率輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的接收器系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括接收所述功率輸出且基于所述功率輸出產(chǎn)生輸出功率的電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的接收器系統(tǒng)，其中所述天線部分具有大于500的質(zhì)量因數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的接收器系統(tǒng)，其中所述電容性部分包括真空電容器。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的接收器系統(tǒng)，其中所述電感性部分包括其中具有間隙的電感性線圈回路，且跨越所述間隙來連接所述電容性部分。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的接收器系統(tǒng)，其中所述電感性線圈回路具有單匝。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的接收器系統(tǒng)，其中所述電感性線圈回路具有兩匝。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的接收器系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括發(fā)射器，所述發(fā)射器經(jīng)配置以經(jīng)由所述磁場發(fā)射能量，其中所述發(fā)射器包含調(diào)諧到所述指定頻率的天線。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的接收`器系統(tǒng)，其中所述天線部分具有低于所述發(fā)射器天線的質(zhì)量因數(shù)值的質(zhì)量因數(shù)值。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的接收器系統(tǒng)，其中所述天線部分具有等于或小于所述發(fā)射器天線的所述質(zhì)量因數(shù)的1/4的質(zhì)量因數(shù)。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的接收器系統(tǒng)，其中所述天線部分具有小于所述發(fā)射器天線的大小的大小。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的接收器系統(tǒng)，其中所述電容性部分具有至少1000的Q。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的接收器系統(tǒng)，其中所述電容性部分包括真空電容器。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的接收器系統(tǒng)，其中所述指定頻率是13.56MHz。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的接收器系統(tǒng)，其中所述襯底包括PTFE。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的接收器系統(tǒng)，其中所述襯底包括PVC。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的接收器系統(tǒng)，其中所述襯底包括Rubalit710。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的接收器系統(tǒng)，其中所述襯底包括FR4。
19.一種用于接收無線電功率的高Q接收器系統(tǒng)，包括: 襯底，其具有在指定頻率下小于或等于0.0011的損耗因數(shù)； 天線部分，其形成在所述襯底上，且經(jīng)配置以無線方式接收磁場中發(fā)射的能量，所述天線部分由具有電感L的電感性部分和具有電容C的電容性部分形成，所述電感性部分和所述電容性部分共同界定LC值使得所述天線部分大體上與所述指定頻率諧振； 耦合回路，其與所述天線部分間隔開，使得所述耦合回路以磁性方式連接到所述天線部分，所述耦合回路由多匝電線構(gòu)成，且所述耦合回路從所述天線部分接收具有所述指定頻率的信號，且基于所述信號產(chǎn)生功率輸出。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的接收器系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括接收所述功率輸出且基于所述功率輸出產(chǎn)生輸出功率的電路。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的接收器系統(tǒng)，其中所述天線部分具有大于500的質(zhì)量因數(shù)。
22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的接收器系統(tǒng)，其中所述天線部分在所述電感性部分中具有單匝。
23.根據(jù)權(quán)利要求19所述的接收器系統(tǒng)，其中所述天線在所述電感性部分中具有兩匝。
24.根據(jù)權(quán)利要求19所述的接收器系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括發(fā)射器，所述發(fā)射器經(jīng)配置以經(jīng)由所述磁場發(fā)射能量，其中所述發(fā)射器包含調(diào)諧到所述指定頻率的天線。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的接收器系統(tǒng)，其中所述天線部分具有低于所述發(fā)射器天線的質(zhì)量因數(shù)值的質(zhì)量因數(shù)值。
26.根據(jù)權(quán)利要求24所述的接收器系統(tǒng)，其中所述天線部分具有等于或小于所述發(fā)射器天線的所述質(zhì)量因數(shù)的1/4的質(zhì)量因數(shù)。
27.根據(jù)權(quán)利要求24所述的接收器系統(tǒng)，其中所述天線部分具有小于所述發(fā)射器天線的大小的 大小。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種增加諧振器的Q因數(shù)的技術(shù)。本發(fā)明描述一種無線供電和充電系統(tǒng)。天線可為高q環(huán)形天線。所述天線可使用第一部分與第二部分之間的耦合。
文檔編號H02J7/02GK103187629SQ20131004595
公開日2013年7月3日 申請日期2008年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月9日
發(fā)明者盧卡斯·西貝爾, 奈杰爾·P·庫克 申請人:高通股份有限公司