增加諧振器的q因數的製作方法

2023-05-29 16:23:16

專利名稱：增加諧振器的q因數的製作方法
增加諧振器的Q因數
分案聲明
本案是發明名稱為「增加諧振器的Q因數」，申請日為2008年8月11日，申請號為200880102232.0的專利申請的分案申請。
優先權聲明
本申請案主張2007年8月9日申請的第60/954，941號臨時申請案的優先權，所述臨時申請案的整個內容以引用的方式併入本文中。
背景技術：
在不使用電線來引導電磁場的情況下從源向目的地轉移電能是合意的。先前嘗試的困難是低效率連同不足量的所遞送功率。發明內容
本申請案教示一種無線電能轉移，且教示用於所述能量轉移的特定技術，其包含特定天線以及用於所述天線的特定材料。


現在將參看附圖詳細描述這些和其它方面，在附圖中:
圖1展示基於磁波的無線功率發射系統的框圖2說明圖1的圖中的電路的電路圖3說明示範性近場條件曲線；
圖4說明在不同天線之間實驗性發現的Q因數之間的曲線圖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說明一些示範性功率轉移操作；以及
圖9說明具有包含多個不同支架的電容器固持器的大發射天線。
具體實施方式
本文中描述一般結構和技術，以及可用以實現實行較一般目標的不同方式的較特定實施例。
本申請案描述經由電磁場耦合從功率源向功率目的地的能量轉移。實施例描述用於新的耦合結構(例如，發射和接收天線)的技術。
展示實施例，其中主要耦合主要使用磁場組件經由電感性耦合而發生。在例如圖1所示的實施例中，能量在發射天線110的區域中形成為靜止磁波。所產生的能量至少部分為非輻射性的靜止磁場。所產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。與將持續傳播到空間中且使其能量浪費的行進電磁波不同，靜止磁波的至少一部分保留在發射天線的區域中，且通過所揭示的技術而使得其可用。其它實施例可使用所述實施例的類似原理，且同樣適用於主要為靜電和/或電動的場耦合。大體上，可使用電場代替磁場作為主要的耦合機制。所述實施例的一個方面是來自增加處於用於所使用的電磁場、電壓或電流的正弦波形的自諧振頻率的耦合結構(主要是天線)的所謂Q因數的高效率的使用。本發明的發明人已發現，對於使用單個大體上未經調製的正弦波的系統來說，功率的效率和量是優良的。明確地說，性能優於嘗試俘獲寬帶波形中或多個具有不同頻率的相異正弦波形中含有的功率的寬帶系統。按照所使用材料的現實特性，其它實施例可能使用較不純淨的波形。本文中描述實現具有相對較高Q因數的小諧振天線的技術。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中展示基本實施例。功率發射器組合件100從源(例如，AC插頭102)接收功率。頻率產生器104用以產生處於頻率(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包含耦合迴路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數目個線圈迴路113，每一迴路具有半徑Ra。電容器114 (此處展示為可變電容器)與線圈113串聯，從而形成諧振迴路。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。頻率產生器104可優選經調諧到天線110，且還經選擇以獲得FCC順應性。此實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迴路152。電容器151可為可變的以用於調諧。如在發射天線中，耦合迴路152與天線的主要部分在物理上分離。耦合迴路152的輸出在整流器160中整流，且施加於負載。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實施例。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的影響。磁場耦合可為優選的，因為其外來物體具有與「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子的磁場耦合。此偶極子由形成線圈的至少一個迴路或匝的電線迴路與將天線電加載到諧振狀態的電容器串聯形成。圖2展示能量轉移的等效電路。發射電路100是串聯諧振電路，其具有在高頻率產生器205的頻率處諧振的RLC部分。發射器包含串聯電阻210和電感性線圈215以及可變電容220。這產生磁場M，其展示為磁力線225。
信號產生器205具有優選通過電感性迴路在諧振處匹配於發射諧振器的電阻的內部電阻。這允許從發射器向接收器天線轉移最大功率。
接收部分150對應地包含電容器250、變壓器線圈255、整流器260以及調節器261以提供經調節的輸出電壓。輸出連接到負載電阻265。圖2展示半波整流器，但應了解，可使用較複雜的整流器電路。整流器260和調節器261的阻抗在諧振處匹配於接收諧振器的電阻。這使得能夠向負載轉移最大量的功率。電阻考慮了集膚效應/鄰近效應、輻射電阻以及內部和外部介電損失兩者。
理想的諧振發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。然而，當具有適當諧振頻率的接收器遇到發射天線225的場時，兩者耦合以便建立強能量鏈路。實際上，發射器和接收器操作而變為鬆散耦合的變壓器。
發明人已發現若干改進從發射器向接收器的功率轉移的因素。
上文所述的電路的Q因數可輔助某些效率。高Q因數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的發射。在實施例中，發射器Q可為1400，而接收器Q為300左右。出於本文陳述的原因，在一個實施例中，接收器Q可比發射器Q低得多，例如為發射器Q的1/4到1/5。然而，可使用其它Q因數。
高Q具有窄帶寬效應的對應缺點。此窄帶寬通常被視為對於數據通信是不合意的。然而，窄帶寬可在功率轉移中使用。當使用高Q時，發射器信號充分純淨且不含不需要的頻率或相位調製，從而允許在此窄帶寬上發射其功率的大部分。
舉例來說，實施例可使用13.56MHz的諧振頻率和9kHz左右的帶寬。這較高程度地可用於大體上未經調製的基頻。然而，對基頻的某種調製可被容許或為可容許的，尤其是在使用其它因素來增加效率的情況下。其它實施例使用較低Q組件，且可允許對基頻的對應較多的調製。
重要特徵可包含使用通過調節(例如FCC調節)而準許的頻率的使用。在此示範性實施例中的優選頻率是13.56MHz，但同樣可使用其它頻率。
另外，電容器應能夠承受高電壓，例如高達4kV，因為電阻可能相對於電容性電抗來說較小。最終的重要特徵是封裝:系統應具有小的形狀因數。
改進發射天線與接收天線之間的耦合的一個方面是增加天線的Q。功率轉移的效率n可表達為
權利要求
1.一種用於接收無線電功率的高Q接收器系統，其包括: 襯底，其具有在指定頻率下小於或等於0.0Oll的損耗因數； 天線部分，其形成在所述襯底上，且經配置以無線方式接收磁場中發射的能量，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 耦合迴路，其與所述天線部分間隔開，使得所述耦合迴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，且基於所述信號產生功率輸出。
2.根據權利要求1所述的接收器系統，其進一步包括接收所述功率輸出且基於所述功率輸出產生輸出功率的電路。
3.根據權利要求2所述的接收器系統，其中所述天線部分具有大於500的質量因數。
4.根據權利要求3所述的接收器系統，其中所述電容性部分包括真空電容器。
5.根據權利要求3所述的接收器系統，其中所述電感性部分包括其中具有間隙的電感性線圈迴路，且跨越所述間隙來連接所述電容性部分。
6.根據權利要求5所述的接收器系統，其中所述電感性線圈迴路具有單匝。
7.根據權利要求5所述的接收器系統，其中所述電感性線圈迴路具有兩匝。
8.根據權利要求3所述的接收器系統，其進一步包括發射器，所述發射器經配置以經由所述磁場發射能量，其中所述發射器包含調諧到所述指定頻率的天線。
9.根據權利要求8所述的接收`器系統，其中所述天線部分具有低於所述發射器天線的質量因數值的質量因數值。
10.根據權利要求8所述的接收器系統，其中所述天線部分具有等於或小於所述發射器天線的所述質量因數的1/4的質量因數。
11.根據權利要求8所述的接收器系統，其中所述天線部分具有小於所述發射器天線的大小的大小。
12.根據權利要求1所述的接收器系統，其中所述電容性部分具有至少1000的Q。
13.根據權利要求1所述的接收器系統，其中所述電容性部分包括真空電容器。
14.根據權利要求1所述的接收器系統，其中所述指定頻率是13.56MHz。
15.根據權利要求1所述的接收器系統，其中所述襯底包括PTFE。
16.根據權利要求1所述的接收器系統，其中所述襯底包括PVC。
17.根據權利要求1所述的接收器系統，其中所述襯底包括Rubalit710。
18.根據權利要求1所述的接收器系統，其中所述襯底包括FR4。
19.一種用於接收無線電功率的高Q接收器系統，包括: 襯底，其具有在指定頻率下小於或等於0.0011的損耗因數； 天線部分，其形成在所述襯底上，且經配置以無線方式接收磁場中發射的能量，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； 耦合迴路，其與所述天線部分間隔開，使得所述耦合迴路以磁性方式連接到所述天線部分，所述耦合迴路由多匝電線構成，且所述耦合迴路從所述天線部分接收具有所述指定頻率的信號，且基於所述信號產生功率輸出。
20.根據權利要求19所述的接收器系統，其進一步包括接收所述功率輸出且基於所述功率輸出產生輸出功率的電路。
21.根據權利要求19所述的接收器系統，其中所述天線部分具有大於500的質量因數。
22.根據權利要求19所述的接收器系統，其中所述天線部分在所述電感性部分中具有單匝。
23.根據權利要求19所述的接收器系統，其中所述天線在所述電感性部分中具有兩匝。
24.根據權利要求19所述的接收器系統，其進一步包括發射器，所述發射器經配置以經由所述磁場發射能量，其中所述發射器包含調諧到所述指定頻率的天線。
25.根據權利要求24所述的接收器系統，其中所述天線部分具有低於所述發射器天線的質量因數值的質量因數值。
26.根據權利要求24所述的接收器系統，其中所述天線部分具有等於或小於所述發射器天線的所述質量因數的1/4的質量因數。
27.根據權利要求24所述的接收器系統，其中所述天線部分具有小於所述發射器天線的大小的 大小。
全文摘要
本發明公開了一種增加諧振器的Q因數的技術。本發明描述一種無線供電和充電系統。天線可為高q環形天線。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 優先權日2007年8月9日
發明者盧卡斯·西貝爾, 奈傑爾·P·庫克 申請人:高通股份有限公司