專利名稱:經(jīng)由無線電線路傳送能量至電氣或電子設備的方法和裝置的制作方法
技術領域:
本發(fā)明整體上涉及用于能量轉移或功率傳送(power transfer )的方 法和裝置,在一方面涉及對與電子設備有關的、諸如電池的便攜式電源進 行無線充電。
背景技術:
04現(xiàn)有技術中已知用于電力的無線傳輸?shù)姆椒ê拖到y(tǒng),例如,2003年 10月4日頒發(fā)給圖奧米寧(Tuominen)的、名稱為"無線輸電"的美國 專利第6,633,026號披露了包括電力發(fā)射器的系統(tǒng)中的、用于無線輸電的方 法,該系統(tǒng)還包括第一光源和用于把由第一光源所發(fā)射的光線指向所希望 的方向的工具,以及至少一個包括用于接收發(fā)射光和用于將該光線轉換為 電流的第 一光檢測器。包括在電力發(fā)射器中的第二光源用于在由第 一光源 所發(fā)射的光線的周圍發(fā)射光線并與其大體平行,光線的密度低于由第一光 源所發(fā)射的光線的密度。包括在電力接收器中的第二光檢測器用于檢測第二光源所發(fā)射的光線并用于發(fā)射控制信號至電力發(fā)射器響應于由第二光 源所發(fā)射的光線的成功接收。電力發(fā)射器的第一光源被接通響應于接收來 自電力接收器的控制信號,通知第二光源所發(fā)射的光線的接收。 2006年2月14日頒發(fā)給卡斯珀等人的、名稱為"用于傳感i殳備的 數(shù)據(jù)通信和電力發(fā)射系統(tǒng)"的美國專利第6,999,857號披露了為用于水下航 行器上的傳感器提供詢問和動力的無線輸電和通信網(wǎng)絡。本發(fā)明使用允許 電磁波傳播通過絕緣材料的波導管,該絕緣材料覆蓋水下航行器的船體的 外部。嵌入在絕緣材料中的是耦連至無線電頻率(RF)解碼器和收發(fā)器以 及導電金屬帶的條的微機電系統(tǒng)的N維陣列傳感設備。諸如微波的電磁波 傳播通過絕緣材料,對傳感器網(wǎng)絡供電以及對單個傳感i殳備尋址和詢問。 傳感設備進行讀出然后將數(shù)據(jù)結果格式化并發(fā)射返回穿過波導管,其中該 數(shù)據(jù)結果由水下航行器的外殼中的數(shù)字處理器接收和處理。 2006年6月27日頒發(fā)給帕里塞的、名稱為"用于電子裝備的遠距 離電力再充電"的美國專利第7,068,991號披露了用于電子器件的無導體充 電和供電系統(tǒng)以及使用無線能量發(fā)射將電力傳達至電力接收器的方法。遠 距離充電系統(tǒng)包括將能量作為定向電力光束發(fā)射的電力發(fā)射單元以及接 收所發(fā)射的能量的電力接收系統(tǒng)。電力接收系統(tǒng)優(yōu)選地并入器件中以及包 括能夠接收無線電力光束和將能量從光束發(fā)射至器件所包括的能量存儲 設備的能量接收器。電力發(fā)射單元從電力接收系統(tǒng)接收并跟蹤供電請求信 號以在能量發(fā)射期間跟蹤電力接收器系統(tǒng)位置。數(shù)據(jù)流可以并入遠距離充 電系統(tǒng)的無線信號中,以允許遠距離充電系統(tǒng)用作通信路徑以及電力傳送系統(tǒng)。 2006年10月14日公開的貝亞爾等人的、名稱為"適于4更攜式電子 設備無線接收電力"的美國專利申請第20060205381號披露了改進為便攜 式電子設備以使設備無線接收電力的無線電力接收裝置。裝置包括適于例 如通過粘合劑被連接至該設備以及適于當發(fā)射器和元件相互鄰近時,從電 力發(fā)射器無線接收電力的電力接收元件。 一個或更多的電力連接器電子地 連接至電力接收元件,以及當使用裝置時,適于連接至一個或更多的便攜 式電子設備的相應的電力連接器以將元件所接收的的電力傳送至設備。電 力接收元件可以為粘著劑的形式,或者可以由用于便攜式電子i殳備的替代 覆蓋部分攜帶或并入其中。 2006年10月26日公開的韋基奧內(nèi)的、名稱為"短距離無線輸電和 接收"的美國專利申請第20060238365號披露了短距離無線輸電和接收系 統(tǒng)和方法。電力從電力設施主電力網(wǎng)供電通過電磁輻射發(fā)射至電子供電設 備。該設備能夠接收所發(fā)射的電力,將其轉換成電并將其存儲用于后續(xù)使 用,以及將其用于直接對設備供電。
12] 2006年11月30日公開的巴爾帝斯等人的、名稱為"無線輸電系統(tǒng),, 的美國專利申請第20060266917號披露了包括發(fā)射器和接收器的用于無線 輸電的方法。接收器不需要獨立電源并由對發(fā)射器的光反饋組成,因此無 需至發(fā)射器的專用信道。發(fā)射器使用光反饋定位和跟蹤接收器。發(fā)射器能 夠以可選擇的方式使用用于最優(yōu)輸電的、將波束指向接收器上的宏觀調(diào)節(jié) 器和微觀調(diào)節(jié)器。系統(tǒng)還可以具有緊環(huán)束檢測器(tight loop beam detector ) 以增強系統(tǒng)安全性。接收器和/或發(fā)射器還可以對能量發(fā)射上的數(shù)據(jù)編 碼,產(chǎn)生單向數(shù)椐發(fā)射或雙向數(shù)據(jù)發(fā)射。 最近的技術發(fā)展使得諸如不限于膝上型電腦或筆記本電腦、行動電 話和PDA (個人數(shù)字助理)的電子設備能夠運轉各種多媒體應用或其它處 理加強器應用。然而,盡管前述的無線輸電系統(tǒng),這些新的多媒體應用經(jīng) 常需要很大量的電力來運轉,而且不能經(jīng)由無線電線路充電。除了與無線 輸電系統(tǒng)相關的便利性以外,當任何此類設備例如行動電話,無需連接至 帶電線(powered wire)即可保持充分充電時,在便利性和安全性上還有 顯著優(yōu)點。因此,希望提供經(jīng)由無線電線路對某些電子設備供電的裝置和 /或系統(tǒng)。
此外,根據(jù)使用和放置,傳送電力至電子或電子設備(例如設備、 照明等)還將允許很大程度的靈活性;例如無線的燈能夠被放置在房間的 任何地方而無需考慮絆住線、美學等。
發(fā)明內(nèi)容
在另一變體中,控制單元組件適于控制發(fā)射天線在至少兩個自由度 上運動。這至少兩個自由度包括基本方位角自由度(azimuthal degree of freedom)和基本高度自由度(elevational degree of freedom )。 在另一變體中,控制單元適于才艮據(jù)時分復用多址(TDMA)方案經(jīng) 由無線電線路對多個設備充電。
在本發(fā)明的第二方面,披露了用于經(jīng)由無線電線,供電力至設備 的方法。在一個實施例中,方法包括使用傳感天線檢測i殳備的第一方向; 檢測發(fā)射天線使得其能夠至少部分地根據(jù)檢測活動在第一方向上發(fā)射至 少一些電力;經(jīng)由無線電線路從發(fā)射天線發(fā)射電力至設備。 在一個變體中,多址方案包括基本時分方案。在另一變體中,多址 方案包括基本頻分方案。在又一個變體中,多址方案包括跳頻方案。在又 一個變體中,多址方案包括基本碼分方案。如又一個替代,多址方案包括 傳感方案,其中在授予地址前對信道取樣。 在本發(fā)明的第四方面,披露了用于經(jīng)由無線電線,供電力至多個 設備的裝置。在一個實施例中,該裝置包括配置成輻射電力的發(fā)射天線, 該天線還包括允許天線有選擇性地發(fā)射電力至多個設備;能夠產(chǎn)生用于發(fā) 射的電力的電源;與至少一個天線和電源信號通信的控制器,該控制器適 于根據(jù)多址方案引起天線發(fā)射電力至多個設備。
在一個變體中,天線基本是定向的,多址方案包括基本時分方案。 在本發(fā)明的第五方案,披露了用于經(jīng)由無線電線,收電力的裝置。 在一個實施例中,電力可用于提供電力至一個或更多的裝置元件,該裝置 包括配置成接收來自發(fā)射天線的電力的接收天線;能夠為后續(xù)4吏用存儲 至少一部分所接收的電力的電源裝置;與至少一個天線和電源裝置信號通 信的控制器,該控制器適于經(jīng)由天線促進選擇性的接收電力。在一個變體 中,選擇性接收包括根據(jù)多址方案選擇性接收,其中,除裝置之外的設備 也與裝置接收電力基本同時地接收電力。
圖1示出了至少一個用于經(jīng)由無線電線路對電子i殳備充電的系統(tǒng)的 示例性實施例。圖2是示出了指引來自發(fā)射天線的電力的第一示例性方法的邏輯流 程圖。
28] 圖3是示出了將多個移動設備之間共享時間(timesharing)列入優(yōu) 先地位的第一示例性方法的邏輯流程圖。
現(xiàn)在對附圖進行引用,其中各圖中類似的數(shù)字指的是類似部分。
31正如此處所用到的,術語"移動設備"或者"客戶端設備,,包括但 不局限于個人數(shù)字助理(PDA)、手持計算機、個人通信器、J2ME裝備設 備(equipped device )、便攜式電話、智能電話、"SIP"電話、個人電腦(PC ) 和小型機、桌上型、膝上型或者相反,或者字面上的任何其它能夠利用電 功率或電磁功率的設備。 參見圖l,描述了根據(jù)本發(fā)明的動力傳送系統(tǒng)的一個示例性實施例。 在一個實施例中,盡管預期了移動應用(例如在轎車、卡車、飛4亍器等), 系統(tǒng)的發(fā)射器102還可以存在于例如懸桂在天花板上的圓頂上或其它此類 固定物上。接收器104可以存在于能夠使用電子或電磁電力和/或無線充 電的設備內(nèi)。設備可以包括但不限于至少一個移動或便攜式電話、個人數(shù) 字助理(PDA)、便攜式電腦(例如筆記本PC)、媒體播放器、時鐘、電 子顯示器或利用例如來自諸如可充電電池的便攜式電源的電子或電磁的 任何其它設備。 打開的移動設備被認為是運行的。在移動電話的示例中,移動電話 是運行的因為通過例如應答信號,其不斷地或周期地與其服務提供商的本 地手機發(fā)射塔(local cell tower)通信。這一應答信號使得充電系統(tǒng)的發(fā)射 器102能夠定位移動設備的準確或近似位置,以及將集中充電波束瞄準在 其接收器104處以對其電池充電。
〖40在一個實施例中,如圖1的插入物1 (106)所示,單個發(fā)射器102 的覆蓋范圍內(nèi)的多個移動i殳備可以同時充電。在另一個實施例中,如圖1 的插入物2 (108)所示,具有內(nèi)置接收器104的單個移動設備可以定位在 多個發(fā)射器102的覆蓋范圍內(nèi)并由該多個發(fā)射器102充電。 如上所述,示例性實施例的發(fā)射器102定位在例如天花板圓頂103 內(nèi)并由例如標準120伏AC電源供電。發(fā)射器102產(chǎn)生攜帶充電能量的信 號。包括例如連續(xù)波(CW)單頻信號、正弦波信號(無諧波)的各種波 形的信號可以用于攜帶和傳送電功率至接收器104。在另一實施例中,可 以使用多頻信號。同樣地,信號可以為適于攜帶和傳送足以在大約40英尺 范圍內(nèi)、優(yōu)選地為0-20英尺范圍內(nèi)對移動i殳備的電池進行充電的電力的 任何頻率和電力電平。信號的一個示例可以為在微波帶中選定的單頻。在 一個實施例中,信號可以選定為具有l(wèi)GHz-40GHz間的頻率,優(yōu)選地為 12GHz - 36GHz之間。希望選擇發(fā)射器102以產(chǎn)生足夠電力以對移動設備 無線充電的信號,同時在相同時間避免不希望的結果,諸如在發(fā)射器102的附近與其它無線系統(tǒng)干擾。在一個實施例中,發(fā)射器102被選定以在大 約1至50瓦特電力電平處產(chǎn)生信號。例如,發(fā)射器102的電力可以選定為 在大約l、 2、 3、 4、 5、 6、 7、 8、 9、 10、 11、 12、 13、 14、 15、 16、 17、 18、 19、 20、 21、 22、 23、 24、 25、 26、 27、 28、 29、 30、 31、 32、 33、 34、 35、 36、 37、 38、 39、 40、 41、 42、 43、 44、 45、 46、 47、 48、 49或 50瓦特電力電平處將信號傳達至發(fā)射天線105。在另一個實施例中,更低 的或更高的電力信號還可以用于實現(xiàn)電力的傳送。 來自發(fā)射器102的信號可以饋送至發(fā)射(TX)天線105,該天線可 以為全向的或定向的。在一個實施例中,希望選定TX天線105作為定向 天線,例如帶有0.1 - 20度之間的波束寬度角(beam-width angle )。例如, 波束寬度角可以選定為大約0.1、 0.2、 0.25、 0.5、 0.75、 1、 2、 3、 4、 5、 6、 7、 8、 9、 10、 11、 12、 13、 14、 15、 16、 17、 18、 19或20度。在一個實 施例中,TX天線105配置成發(fā)射波束寬度角為大約1度的信號,該信號 適于發(fā)射在12GHz至36GHz帶內(nèi)的頻率信號。TX天線105的電力增益 可以為大約5、 6、 7、 8、 9、 10、 11、 12、 13、 14、 15或16分貝(dB )。 當使用12分貝電力增益,TX天線105可以將傳輸信號放大大約16倍。 在另一個實施例中,TX天線105和傳感天線107能夠^B殳置成在獨 立方向上操作。這一實施例的優(yōu)點使TX天線能夠例如獨立于傳感天線107 操作。例如,傳感天線107能夠有利地在掃描方式中操作,其經(jīng)常地試圖 重獲最優(yōu)化方向并藉此提供例如接收器104的定位的更新信息至控制單元 111,在該最優(yōu)化方向上接收器104所發(fā)射的信號最大化。在一個實施例中, 控制單元包括集成電路元件(例如數(shù)字處理器、存儲器、微控制器等), 該集成電路元件用于影響裝置的控制,例如根據(jù)此處所描述的原理和方 法,諸如經(jīng)由控制邏輯和本領域已知類型的計算機程序。因此TX天線105能夠保持所希望的方向上的固定位置,而傳感天線107掃描該場直至控制 單元111通知TX天線105所希望的發(fā)射方向已經(jīng)改變(例如由于接收器 104的移動等)。在該方式中,TX天線105的發(fā)射方向能夠保持靜止而傳 感天線107繼續(xù)佳發(fā)射方向最大化。 如之前所暗示的,方位/垂直控制單元111配置成將裝置109移動 通過搜索模式,諸如例如經(jīng)由圖2所示的示例性方法200。在步驟202中, 依據(jù)由傳感天線107檢測工作的移動設備(例如通過在800 - 1900MHz范 圍內(nèi)接收信號),可移動裝置109的位置可以精確調(diào)節(jié)直至傳感天線107 從移動設備接收最大信號或接近所接收的電力的最大值。在步驟204,用 這一瞄準程序所實現(xiàn)的一個目標以準確地排列TX天線105以確保其直接 指向移動設備(例如其接收(RX)天線113 ),藉此實現(xiàn)最大傳輸-至-接收電力捕捉。在一個實施例中,然后在事先調(diào)整的時間期滿后,程序200 可以以可選擇的方式重復。在另一個實施例中, 一旦在步驟202中檢測到 的、從移動設備所接收的電力減少到在預定閾值以外,程序200可以以可 選擇的方式重復。在又一個實施例中,程序200可以以可選擇的方式繼續(xù) 重復以便對用于TX天線105的正確方向重新估價。
46在一個實施例中,除了控制單元111配置成響應于傳感天線107所 接收的監(jiān)控信號(例如應答信號)而不是紅外信號的移動裝置109方位/ 垂直控制單元111可以選定為以類似于紅外跟蹤安全相機。更具體地,控 制單元111可以配置成用于在所希望的頻率(和電力電平范圍內(nèi))范圍內(nèi) 的無線電頻率信號進行掃描以鑒別用于經(jīng)由無線電線路115激活充電功率 的目標設備。然后TX天線105和傳感天線107能夠前后移動或如之前所 述的以獨立方式移動。
在另一個變體中,能夠^f吏用類似于載波偵聽(例如CSMA)的方法以在其它設備不使用時有效地"抓住,,電力傳送信道,然而認知到在嚴格 意義上,沒有栽波本身(除非以可選擇的方式施加調(diào)制)。在又一個變體
中,能夠使用碼分方法(例如CDMA),使得橫過頻率的范圍發(fā)射電力至 多個設備,每一個設備配置成根據(jù)它們的特定擴頻碼接收電力。這一選擇 性接收能夠通過例如使用選擇性過濾、僅對某些頻率靈敏的接收器或數(shù)字 通信和多址領域所公知的任何其它技術來完成。然而,應當理解,不像數(shù) 字通信領域,希望時,無需調(diào)制能夠利用本發(fā)明的裝置;即,除非希望, 在發(fā)射電力上無需對數(shù)據(jù)或其它調(diào)制編碼。 接收器104配置成接收來自發(fā)射器102的信號,提供相同信號以對 移動設備充電。在某些實施例中,接收器104建成移動設備。接收器104 包括無線充電接收天線113,其可以或不可以與移動設備的用于和電池塔 通信的天線為同一天線。無線充電接收天線113收集同樣多的來自發(fā)射器 102的波束無線電頻率能量,以及將其傳送至整流器117。整流器117可以 為鍺基的整流器,其特征為低的阻擋層電壓或閾值電壓(即低電力整流 器),以允許接收低電平信號時激活整流器117。整流器117還可以描述為 被動RF電力傳感器以使來自移動設備的、整流器117所使用的電力最小 化。在一個實施例中,接收器104還包括多個二極管119 (例如兩個二極
13管),其允許移動設備的電池由無線充電線路115或接線充電路由充電。 整流器117配置成將AC電信號從天線轉換為電壓信號,例如DC 電壓信號,適于用于對移動設備的電池充電。在一個實施例中,電壓調(diào)節(jié) 器可以用整流器集成或除整流器外集成以在希望的電平處調(diào)節(jié)或限制供 應至移動設備的電力。當移動設備的物質(zhì)運動引起RX天線113所接收的 信號電力變化時,電壓調(diào)節(jié)器可以特別地操作。 示例性的無線充電系統(tǒng)100配置成使得在接收天線113處發(fā)射和傳 送用于充電的足夠能量。如說明,典型的便攜式電話可以具有大約4.9伏 和450毫安(mA)的最大額定。因此,電力額定為大約2.2瓦特,1瓦特 最佳。為進行說明,發(fā)射器102可以提供有效的充電區(qū)域,例如1000平方 英尺。在一個實施例中,發(fā)射器102發(fā)送出25瓦特電力。發(fā)射天線105 可以設計成12分貝電力增益,將信號電力放大為400瓦特(即等于16x 25瓦特)??紤]信號在20英尺的路由上可能受到最大20dB損失,從發(fā)射 其102定位20英尺的移動設備可以接收至少4瓦特的信號,足以對典型移 動設備充電。因此,這一實施例提供大于1000平方英尺的覆蓋區(qū)域。 盡管示出了和說明了上述詳細描述并指出施加至各種實施例的本發(fā) 明的新穎特征,應當理解,無需背離本發(fā)明,本領域的技術人員可以作出 各種形式上的省略、替代和變化以及設備或過程的細節(jié)。上述說明為實現(xiàn) 本發(fā)明的最佳實施例的目前預期。這一說明決不意圖限制但應采用本發(fā)明 的一般原則的說明。本發(fā)明的范圍應當參考權利要求確定。
權利要求
1. 一種經(jīng)由無線電線路提供電力至設備的裝置,包括適于經(jīng)由所述無線電線路提供電力至所述設備的發(fā)射天線;適于感測由所述設備所發(fā)射信號的傳感天線;和適于控制所述發(fā)射天線的操作的控制單元組件。
2. 如權利要求l所述的裝置,其中所述裝置基本安裝在天花板安 裝式的圓頂內(nèi)。
3. 如權利要求l所述的裝置,其中所述控制單元組件適于控制所 述發(fā)射天線在至少兩個自由度上的運動,其中所述至少兩個自由度包括 基本方位角自由度和基本高度自由度。
4. 如權利要求l所述的裝置,其中所述控制單元適于根據(jù)時分多 址(TDMA)方案經(jīng)由無線電線路對多個設備充電。
5. —種用于經(jīng)由無線電線路提供電力至設備的方法,包括 使用傳感天線來檢測用于所述設備的第一方向; 指引發(fā)射天線使得其能夠至少部分地基于所述檢測動作而在所述第一方向上發(fā)射至少一些電力;和經(jīng)由所述無線電線路從所述發(fā)射天線發(fā)射基本未調(diào)制電力至所述設備。
6. —種用于經(jīng)由無線電線路提供電力至多個設備的方法,所述電 力從發(fā)射天線發(fā)射,所述方法包括放置所述發(fā)射天線使得電力能夠基本同時地發(fā)射至所述多個設備;和 根據(jù)多址方案,經(jīng)由所述無線電線路從所述發(fā)射天線實質(zhì)上發(fā)射電力 至所述多個設備。
7. 如權利要求6所述的方法,其中所述多址方案包括基本時分方案。
8. 如權利要求6所述的方法,其中所述多址方案包括基本頻分方案。
9. 如權利要求6所述的方法,其中所述多址方案包括基本跳頻方案。
10. 如權利要求6所述的方法,其中所述多址方案包括基本碼分方案。
11. 如權利要求6所述的方法,其中所述多址方案包括傳感方案,其 中在被授予地址之前對信道取樣。
12. —種用于經(jīng)由無線電線,供電力至多個設備的裝置,包括 配置成輻射電力的發(fā)射天線,所述天線還包括允許所述天線選擇性地發(fā)射電力至所述多個設備的裝置;能夠產(chǎn)生用于發(fā)射的所述電力的源;和與所述天線和功率中的至少一個通信的控制器,所述控制器適于才艮據(jù) 多址方案使得所述天線將所述電力發(fā)射至所述多個設備。
13. 如權利要求12所述的裝置,其中所述天線為基本定向的。
14. 如權利要求13所述的裝置,其中所述多址方案包括基本時分方案。
15. —種用于經(jīng)由無線電線膝接收功率的裝置,所述功率用于提供電 功率至所述裝置的一個或更多元件,包括配置成從發(fā)射天線接收功率的接收天線;能夠存儲至少一部分所述所接收的功率用于后續(xù)^f吏用的功率源;和 與所述天線和源裝置中的至少一個通信的控制器,所述控制器適于促 進經(jīng)由所述天線選擇性接收所述功率。
16. 如權利要求15所述的裝置,其中所述選擇性接收包括根據(jù)多址 方案的選擇性接收,其中除所述裝置外的設備還與所述裝置接收功率基本 同時地接收功率。
全文摘要
用于經(jīng)由無線電頻率線路提供電力至例如可充電設備的方法和裝置。在一個方面,經(jīng)由無線電頻率線路提供電力至可充電設備的方法包括產(chǎn)生基本未調(diào)制信號。所述方法還包括根據(jù)所述基本未調(diào)制信號經(jīng)由發(fā)射天線將基本未調(diào)制無線電頻率(RF)信號輻射至所述可充電設備。所述方法還包括用所述基本未調(diào)制RF信號所傳送的電力對可充電設備供電或充電。
文檔編號H04B1/38GK101438504SQ200780005317
公開日2009年5月20日 申請日期2007年1月18日 優(yōu)先權日2006年1月18日
發(fā)明者奈杰爾·P.·庫克, 理查德·C.·萊文 申請人:奈杰爾電力有限責任公司