無線電源的製作方法

2023-04-24 12:04:41

專利名稱：無線電源的製作方法
技術領域：
本發明涉及設備之間的數據無線傳送。本發明還涉及在所需總能量最小化情況下的數據傳送。
背景技術：
數字數據現在通常在樓房和住所內傳送。還可添加其他情況的非窮舉性列表包括在計算機設備之間提供的指令和信息數位訊號、提供至裝置和從裝置提供的控制和反饋數位訊號、以及限定提供至多媒體設備、從多媒體設備提供和在多媒體設備之間提供的數位訊號的控制和內容，多媒體設備諸如電視顯示器和記錄器、視頻播放器以及音頻播放和記錄設備。已知使用多種不同類型的媒介來傳送數字數據。較普遍的是使用有線連接。可以如在乙太網電纜、或同軸電纜、多芯屏蔽電纜或任意其他種類的電線或電纜中使用雙絞線。電線和電纜並不是沒有缺點。電線和電纜具有以下缺點易損耗，特別是以較高的頻率時；易受串擾影響；以及由於固有的導體間電容，可以對任何信號限制最大帶寬或數據傳輸率以及相對較低的最大帶寬或數據傳輸率。電線或電纜數據傳送鏈路的另一個問題是存在固有的特性阻抗，要避免電纜線中的反射，該特性阻抗必須精確地被終端匹配。反射可能破壞數位訊號的可理解性並且限制數位訊號可以傳播的有效距離。電線和電纜的另一個缺點是其所連接的設備不能移動。設備電線或電纜的路線在進行任何移動之前必須被計劃和布置好，從而不阻礙人或動物。電纜和電線的美觀也需要考慮。在使用電線或電纜的情況下，必須進行許多考慮，而這些考慮必須同時是準確的。本發明試圖對於使用電線和電纜時遇到的許多問題提供解決方案，從而允許容易地行動裝置，而沒有大量的匹配和帶寬困難。一些設備在家庭或商業設置中使用光纖電纜。光纖電纜可以提供超高帶寬。然而，電纜再次被固定，使得其所連接的設備的移動受限、困難或不可能移動。將光纖電纜結合至終端或相互結合是精確的操作，需要高技術的人員來設置、連接或維修任何系統。光纖避免電線或電纜的一些問題，但帶來了其他的困難。本發明試圖避免與光纖電纜有關的問題，從而可代替地提供在不需要高技術水平的情況下允許方便連接的解決方案。無線數據傳送已經被使用。僅作為兩個示例，藍牙(註冊商標)是無線發射機和接收器的系統，一般用於在行動電話中從遠程連接設備提供服務。WiFi是使用2. 4GHz或5GHz的無線電雙向連接協議，用於將可攜式計算機設備連接至本地收發機，從而提供對任何其他網絡的網際網路的訪問。任何一種無線連接的問題(利用電線、電纜或光纖連接也一樣)都是終端設備的有關電源需求，從而需要至少附加的電池和可能的電力網供電來維持。這浪費了能量，潛在有毒的電池和電源材料的浪費，以及隨其製造產生的二氧化碳排放不是「綠色的」(「環境保護」的偶爾術語)。本發明試圖提高數據傳送中的能量效率。本發明還試圖提供伴隨數據傳送的能量傳送。已知使用接觸墊進行能量的無線傳送，其中諸如可再充電的牙刷、剃刀、音樂播放器或類似設備的設備被放置在接觸墊上以允許使用墊內的磁芯來進行內部電池的再充電。墊內的芯帶有AC場，其可以磁性耦合至設備內或連接至設備的次級芯。當將設備放置在墊上時,AC磁場在次級芯上的次級線圈上感應電壓。次級線圈提供電池的充電功率。還已知將天線連接至車輛的外部玻璃並且通過將電容緊接耦合在車輛玻璃內的連接點之後的方式饋送射頻功率和能量。這些能量和可能的數據耦合解決方案是非常短距離的，並且涉及可能潛在有害的強電磁場。

發明內容
本發明在於用於接收數據信號的設備，該設備包括第一天線部件，用於接收被調製為包括數據信號的輸入信號；用於接收和解碼無線信號以提供解碼的數據信號的部件；以及用於將輸入信號轉換成電能以對設備進行供電的部件。本發明還提供這樣一種設備，該設備可以包括生成利用解碼的數據信號調製後的輸出無線信號的部件；以及用於發射輸出無線信號的第二天線部件。本發明還提供用於將輸入無線信號轉換成電能的部件，該部件可以包括用於將來自第一天線部件的信號轉換成DC電壓的部件；電池部件；以及用於從DC電壓對電池部件進行充電的充電器。本發明還提供用於將來自第一天線部件的信號轉換成DC電壓的部件，該部件可以包括用於將第一天線部件的阻抗與名義負載(notional load)匹配的天線阻抗匹配器，可以包括用於轉換名義負載的阻抗以提供足以用於整流的未整流電壓的阻抗轉換部件，並且可以包括用於提供DC電壓的整流和平滑部件。本發明還提供電池部件，其用於在沒有DC電壓的情況下對設備進行供電，以及在存在輸入無線信號的情況下使用DC電壓來對設備進行供電。本發明還提供這樣一種設備，該設備包括休眠部件，用於在輸入無線信號在預定強度以下時將設備設置為低功率模式，休眠模式保存電池部件中的電荷。本發明還提供這樣一種設備，該設備可以具有無線電信號、磁感應信號或無線電信號和磁感應信號的組合作為輸入信號。本發明還提供這樣一種輸出信號，該輸出信號可以是無線電信號、磁感應信號或無線電信號和磁感應信號的組合。


通過以下結合附圖閱讀說明書以示例的方式進一步說明本發明，其中圖1示出如何以鏈布置本發明。圖2示出圖1的鏈的細節並且是本發明的一個可能實施例的示例。圖3是示出圖2的控制電路的可能示例性內容的示意框圖。圖4是適於與無線電信號或磁感應場使用的示例性磁性天線的透視圖。圖5是示出圖4的天線中的調諧和阻抗匹配的示例性電路圖。圖6示出適於高速數據傳送的天線。圖7示出組合天線。圖8是示出如何組合磁性天線和無線電天線的框圖。以及圖9是示出如何布置多個鏈的框圖。
具體實施例方式首先關注圖1，其示出通過數據信號7耦合在一起的數據和能量傳送設備5的鏈，數據信號7是無線電信號或磁感應信號、或兩者、或兩者的混合信號。數據接收功率設備9可以耦合至鏈中的數據和能量傳送設備5中的一些或所有設備以經由數據信號接收能量。一個數據和能量傳送設備5A位於鏈的頭部，並且不需要接收供能數據信號7，而是從諸如來自供電線的另一電源得到其能量，並且從數據源(未示出)得到其數據信號。只要鏈的下遊的數據和能量傳送設備5之間的累積能量損失不足以妨礙以下能力，即鏈中的倒數第二個數據和能量傳送設備5提供輸出的數據信號，鏈中最後的數據和能量傳送設備5能對數據接收功率設備9進行供電，則鏈就將維持其完整功能。圖1的鏈還可以用於將有用的信息數據輸送至耦合至數據和能量傳送設備5的數據接收功率設備9。不是所有的數據接收功率設備9都需要接收數據，並且不是所有的數據接收功率設備9都需要接收電能。數據接收功率設備中的一些可以接收電能和數據。同樣，不是每個數據和能量傳送設備5都需要耦合有數據接收功率設備9，而是僅用作鏈中的鏈路。接著關注圖2，其示出圖1的鏈的數據和能量傳送設備5的細節並且是數據和能量傳送設備5的一個可能實施例的示例。在該示例中，使用無線電。第一天線10可以接收輸入無線電信號12，無線電信號12被提供至天線調諧器14以使第一天線10諧振並使其具有適當的阻抗，以將信號提供至輸入信號線16將數據信號輸送至控制電路18。來自天線調諧器14的輸出還被提供至阻抗轉換器20，阻抗轉換器20增大由輸入無線電信號12所輸送的電壓直到(所希望地)足以驅動DC電源24。電壓充足線22在轉換電壓足夠大到驅動DC電源24時對控制電路18提供指示。DC電源24將電荷輸送至電池26，電池26通過正極功率輸入端28和負極功率輸入端30以將供能電力提供至控制電路18。在條件合適的情況下，控制電路18驅動第二天線32發射輸出無線電信號34。輸入無線電信號12和輸出無線電信號34各自包含數據。來自輸入無線電信號12的數據經由輸入信號線22被提供至控制電路18，然後數據通過控制電路18內的解調被恢復。數據(不是必須與解調的數據一致)被調製至輸出無線電信號34中。通過輸入無線電信號12所輸送的電力被輸送以對控制電路18進行供電，並且還向耦合至控制電路的任何其他裝置或儀器(在圖1中未示出)輸送電力。輸出無線電信號目的在於被與圖1所示類似的另外的設備接收。圖1設備的鏈可以由此形成。當然，如果具體的圖1設備是鏈中最後一個，則不需要發射輸出無線電信號34。如後面更加清楚的是，第一和第二天線可以具有用於無線電信號的各種形式。設備還可以使用在高頻下工作的感應磁場來工作。本領域技術人員將可以想到設置天線或磁場感應線圈匹配來輸送數據和充足電壓以驅動DC電源24的其他方案。僅作為一個示例，這種其他方案在英國無線電學會(Radio Society of Great Britain, RSGB)和美國無線電傳播聯盟(American Radio RelayLeague, ARRL)的出版物中可以找到。在圖2中，數據接收功率設備9以虛線輪廓示出，其不是數據和能量傳送設備5的必要部件，不是必須耦合至控制電路18。數據接收功率設備9被示出為經由功率和/或數據耦合36而耦合至控制電路18。接著關注圖3，其是示出控制電路18的可能示例內容的示意框圖。控制器38整體上是命令控制電路。接收機和解調器40接收來自第一天線10的輸入並且將數據信號輸送至控制器38。發射機模塊42接收來自控制器38的指令、控制信號和數據信號，並且將輸入提供至第二天線32以發送輸出無電線信號34。功率和數據開關44被控制器38控制來確定能量和數據將圍繞控制電路和從控制電路怎樣提供和提供到哪裡。控制器38還監控電池26的正極電源線28以評估電池26的充電狀態，並且監控電壓充足線22以判斷是否可以對電池26進行充電。接著關注圖4和5，其中圖4是適於與無線電信號或磁感應場一起使用的示例性磁性天線的透視圖，以及圖5是示出圖4的天線中的調諧和阻抗匹配的示例性電路圖。優選在線圈架48上纏繞的主線圈46被可變電容器50調諧至諧振。諧振頻率典型地是幾兆赫至幾十兆赫，但是可以是任意值。接頭52沿著主線圈48設置以相對於基極接線端54提供各種電壓和阻抗。可以提供互感耦合環和線圈56，其具有與主線圈48相同或比主線圈48小的直徑。這些特定地在提供用於發射機模塊42的驅動饋送阻抗中使用。未示出但是所使用的是，在主線圈48內包括諸如鐵素體的低損耗磁性棒，其由於相對磁導效應給出對於磁性天線更大的有效面積。本領域技術人員將想到可以與磁性天線和磁感應天線一起使用的饋送和阻抗/電壓轉換的其他部件。接著關注圖6和7，其中，圖6示出適於高速數據傳送的天線，以及圖7示出組合的磁性天線和無線電天線。圖6示出單個示例性高數據傳送速率天線。宇田一八夫陣列(yagi_udaarray)58公知用於接收和發送在24或5GHz頻率範圍中提供高數據傳輸率的WiFi信號。宇田一八夫陣列可以在幾乎任何頻率上使用，它們的尺寸與所使用的頻率成反比。其提供高增益並且因此窄的波束寬度，對於能量傳送很有用。所驅動的或接收元件60後面是一個或多個稍長的平行間隔的反射器元件62，前面是多個稍短的並行間隔的導向元件64，以從所驅動的或接收元件60在沿著軸66的方向上具有最大靈敏度和波束功率。為了更大的靈敏度和方向性，宇田一八夫陣列可以並排堆放、上下疊放或兩者皆可。不限於使用宇田一八夫陣列。使用的天線可以包括但不限於框架插口天線和陣列、鎖眼天線和陣列、拋物線天線和陣列、菱形天線和陣列、四邊形天線和陣列、以及三角形環天線和陣列等等。圖7示出組合天線，其在該示例中使用允許高速數據傳送的圖6的天線以及圖4和5的磁性天線，其中可能需要另外的能量傳送。實際上，可以使用任何類型的天線，並且可以使用兩個以上天線的任意組合。圖8是示出如何組合磁性天線和無線電天線的框圖。圖8與圖2相似，並且相同的數字表示相同的元件。與圖4和5所示相似，使用磁性天線70來用於能量傳送，這是因為與無線電波相比，感應磁場以安全的場強度傳送能量的能力增強。另一方面，用於感應射頻(RF)磁場的磁性天線具有減少的數據承載能力。因此，第一天線10和第二天線32是例如圖7所示的類型，具有高速數據承載能力。接著關注圖9，其是示出如何使用多個鏈的框圖。在建築物、住宅、場所或設施內，可以建立和使用多個鏈5A5B5C5。鏈5A5B5C5可以通過場定向、頻率、場類型(磁感應或無線電)的選擇和通過物理分離來相互功能上分開。數據和能量傳送設備鏈的頭部數據和能量傳送設備5A、5B、5C位於多個鏈的各鏈的頭部，並且其他數據和能量傳送設備5設置在各鏈中。鏈可以具有不同長度。鏈可以在同一時間或不同時間操作。最後關注圖10，其是示出控制單元18中的控制器38怎樣組織其他數據和能量傳送設備5的操作的流程圖。在控制控制電路18時，控制器具有許多選擇。潛在地，電池26具有對初始電路18的活動供電的能力。然而，如果電池沒電，則不能操作，並且在沒有來自電源24的電力的情況下，控制電路18不能工作。假定通過電池或電源對控制電路18供電，則首先優先對電池26充電，以使得可以進行後面的電源24的操作。第一個選擇是檢查電池26是否被充滿，並且一旦電池26被充滿或至少部分充電，就僅通過控制電路18提供電力和數據。另一優先是檢查操作是否針對最後的數據和能量傳送設備5。如果是，則不需要操作發射機模塊42。在一個示例中，這可以通過對具體數據和能量傳送設備5編址傳送數據來傳達給該數據和能量傳送設備5。該編址還可以表示數據是否被傳送至耦合的數據接收功率設備9。另一優先是判斷在鏈中具體數據和能量傳送設備5是否是下一個。如果具有交互雙向信號傳輸能力，則可以通過握手來實現。如果調諧鏈中下一個數據和能量傳送設備5的發射頻率，則可以在數據和能量傳送設備5之間交換握手數據來用於相互認證。最後，怎樣提供數據？如果僅需要對設備供給能量和對電池26充電，則數據和能量傳送設備鏈的頭部數據和能量傳送設備5A5B5C可以對鏈中所有數據和能量傳送設備5中的特定的數據和能量傳送設備生成數據。數據和能量傳送設備5的地址數據可以與來自外部源的可用數據結合以將外部源數據指引至特定數據和能量傳送設備5或耦合的數據接收功率設備9。各鏈5A5B5C5可以具有鏈單元的共同頭部，對於所有鏈5A5B5C5共用，用於監控在各鏈5A5B5C5上下傳遞的消息以判斷哪個單元5A5B5C5是工作的、它們的工作條件、功耗以及許多其他數據。鏈單元的公共頭部可以包括顯示單元5A5B5C5的狀態的屏幕。該屏幕可以是觸控螢幕，用於控制單元5A5B5C5。該系統可以僅包括一個鏈單元的公共頭部，省略其他鏈單元5A5B5C的頭部。同樣，其他鏈單元的頭部可以監控單元5A5B5C的工作並且可以包括屏幕作為鏈單元的公共頭部。下遊的鏈單元5也可以具有屏幕以及監控和控制功能。本發明的一個應用是在汽車內提供電力，其中，必須在鏈頭單元5A、5B、5C或在公共鏈頭單元內單獨地生成數據。已經參考無線電波和磁感應場描述了本發明。應當理解，本發明還擴展至所有類型的場的使用，包括但不限於聲波場和超聲波場、電場以及可以設置接收天線或換能器以及發射天線或換能器的任何其他類型的場。通過實施例和示例的方式描述和說明了本發明。本領域技術人員將想到在不背離以下權利要求所限定的本發明的情況下可以使用的差異和變化。
權利要求
1.一種用於接收數據信號的設備，該設備包括第一天線部件，用於接收被調製為包括所述數據信號的輸入信號；用於接收和解碼無線信號以提供解碼的數據信號的部件；以及用於將所述輸入信號轉換成電能以對所述設備進行供電的部件。
2.根據權利要求1所述的設備，還包括生成利用所述解碼的數據信號調製的輸出信號的部件；以及用於發射所述輸出信號的第二天線部件。
3.根據權利要求1或2所述的設備，其中，用於將輸入無線信號轉換成電能的部件包括用於將來自所述第一天線部件的信號轉換成DC電壓的部件；電池部件；以及用於提供DC電壓並用於從所述DC電壓對所述電池部件進行充電的電源。
4.根據權利要求3所述的設備，其中，用於將來自所述第一天線部件的信號轉換成電能的部件包括用於將所述第一天線部件的阻抗與名義負載匹配的天線阻抗匹配器；用於轉換所述名義負載的阻抗以提供足以用於整流的未整流電壓的阻抗轉換部件；以及用於提供所述DC電壓的整流和平滑部件。
5.根據權利要求3或4所述的設備，其中，所述電池部件用於在沒有所述DC電壓的情況下對所述設備進行供電；以及在存在所述輸入信號的情況下使用所述DC電壓來對所述設備進行供電。
6.根據權利要求5所述的設備，其中，在不存在所述DC電壓的情況下，所述設備用於防止所述電池對所述部件進行供電以生成利用所述解碼的數據信號調製的輸出信號。
7.根據前述權利要求中任一項所述的設備，其中，所述輸入信號是無線電信號。
8.根據權利要求1-6中任一項所述的設備，其中，所述輸入信號是磁感應信號。
9.根據權利要求7或8所述的設備，其中，所述輸入信號是無線電信號和磁感應信號的組合。
10.根據權利要求2、或從屬於權利要求2的權利要求3-9中任一項所述的設備，其中，所述輸出信號是無線電信號、磁感應信號、或組合的無線電信號和磁感應信號。
11.一種基本參考附圖所述的設備。
全文摘要
設備(5)可以在鏈中的相鄰設備(5)之間接收和傳送數據和能量。每個設備(5)包括用於接收輸入信號(12)的輸入天線(10)，其中針對控制電路(18)中的接收機和解調器(40)對輸入信號(12)進行調諧和阻抗匹配(14)。將解調後的信號作為輸入提供至發射機模塊(42)以創建輸出信號(34)。然後輸入信號(12)被阻抗轉換(20)以生成充足的電壓以對電源(24)供能，電源(24)用於對電池(26)進行充電。輸入信號(12)和輸出信號(34)可以是無線電信號、磁感應信號、或組合的無線電信號和磁感應信號。控制電路(18)中的控制器(38)監控電池(26)和電源(24)的情況，並且控制開關(44)以根據它們的監控情況來選擇性地對設備(5)的部件供電。
文檔編號H02J5/00GK103069681SQ201180039777
公開日2013年4月24日 申請日期2011年8月13日 優先權日2010年8月13日
發明者桑迪普·庫馬爾·其塔拉 申請人:桑迪普·庫馬爾·其塔拉