用于對無線設(shè)備充電的可變阻抗發(fā)送器路徑的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】在一個實施方式中，一種方法包括：將發(fā)送器無線耦接至無線設(shè)備；采用第一傳輸阻抗確定從發(fā)送器傳輸至無線設(shè)備的信號的第一功率傳輸值；采用第二傳輸阻抗確定從發(fā)送器傳輸至無線設(shè)備的信號的第二功率傳輸值；并且基于第一功率傳輸值和第二功率傳輸值選擇第一傳輸阻抗和第二傳輸阻抗中的一個。
【專利說明】用于對無線設(shè)備充電的可變阻抗發(fā)送器路徑的系統(tǒng)和方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本公開整體涉及對無線設(shè)備充電。

【背景技術(shù)】
[0002]常規(guī)無線通信設(shè)備能夠利用從非?？拷O(shè)備的源產(chǎn)生的電磁功率對該設(shè)備進(jìn)行充電。電磁功率可以是高頻或者低頻功率。無線通信設(shè)備通常需要大量的存儲能量，通常，10mff小時至75瓦特小時，并且使用無線方法對這些設(shè)備有效地充電要求設(shè)備位于該源的幾毫米內(nèi)，并且要求該設(shè)備上的天線具有近似等于該設(shè)備大小的面積。諸如藍(lán)牙低能耳機(jī)、遙控器、運(yùn)動器材、手表、與醫(yī)療配件、以及NFC(近場通信)和UHF-RFID(超高頻率射頻識別)卡、標(biāo)簽和傳感器等新無線設(shè)備消耗更低量的功率并且具有長達(dá)多年的電池壽命或者根本不需要電池。在本發(fā)明中所描述的至少一些實施方式中，提供了為這些低功率設(shè)備供電和充電的方便的機(jī)制。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]根據(jù)一方面，提供系統(tǒng)和方法，以通過使源設(shè)備的阻抗更為有效地匹配至由負(fù)載設(shè)備和傳輸路徑的組合所呈現(xiàn)的有效阻抗，使從一個無線通信設(shè)備(源)至近場和中場中另一(負(fù)載)的功率傳輸最大化。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0004]圖1示出了示例性通信系統(tǒng)。
[0005]圖2示出了用于對無線設(shè)備充電的示例性系統(tǒng)。
[0006]圖3示出了表示在無線設(shè)備處接收的功率的示例圖。
[0007]圖4示出了耦接在兩個無線設(shè)備之間的示例性近場和中場。
[0008]圖5示出了調(diào)節(jié)無線設(shè)備阻抗的實施例。
[0009]圖6示出了被蝕刻到印刷電路板的層中的示例性圖案。
[0010]圖7示出了用于在對無線設(shè)備充電時優(yōu)化功率傳輸?shù)氖纠苑椒ā?br>
【具體實施方式】
[0011]圖1是根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的通信系統(tǒng)100的示圖。通信系統(tǒng)100包括移動通信基站102和多個無線通信設(shè)備104a、104b、104c以及104d。基站發(fā)射RF (射頻)信號106，其中包括RF功率。由無線通信設(shè)備104a-104d接收RF信號106。根據(jù)各種實施方式，無線通信基站102可包括一個或者多個手機(jī)、平板電腦、個人數(shù)字助理、iPhone、音樂播放器、iPod、iPad、膝上型電腦、計算機(jī)或者照相機(jī)。多個無線通信設(shè)備104a_104d可以是與無線通信基站相同的設(shè)備類型，而且還可以是耳機(jī)、耳麥(包括擴(kuò)音器和聽筒)、手表、心率監(jiān)測儀、糖尿病監(jiān)測儀、動態(tài)傳感器或者玩具。根據(jù)一種實施方式，基站102可以連接至電源。電源可以是電插座。
[0012]圖2是通信系統(tǒng)的典型實施方式的示圖，該通信系統(tǒng)包括無線通信基站或者設(shè)備的發(fā)送器200和第二設(shè)備的功率接收器230。發(fā)送器200是正交發(fā)送器并且可以是無線標(biāo)準(zhǔn)所使用的相同類型的發(fā)送器，諸如，WiF1、GSM(全球移動系統(tǒng))、3G、LTE(長期演進(jìn))、UHF-RFID、藍(lán)牙以及WiMax。正交信號包括實數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號分量210和虛數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號分量211。實210數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)和虛211數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的類型可根據(jù)所使用的編碼和調(diào)制類型而變化。如圖2所示，在第一數(shù)模(DAC)轉(zhuǎn)換器212，將實數(shù)字信號分量210轉(zhuǎn)換成實模擬信號分量214，并且在第二數(shù)模(DAC)轉(zhuǎn)換器213，將虛數(shù)字信號分量211轉(zhuǎn)換成虛模擬信號分量215。然后，經(jīng)由第一混頻器217將實模擬信號分量214轉(zhuǎn)換至射頻(RF)域，并且經(jīng)由第二混頻器218將虛模擬信號分量215轉(zhuǎn)換至射頻域。根據(jù)一種實施方式，實數(shù)字信號分量210和虛數(shù)字信號分量211均是需要在其被向上轉(zhuǎn)換至RF域之前轉(zhuǎn)換成模擬基帶信號的數(shù)字信號?；祛l器217和218從本地振蕩器216接收本地振蕩器信號，并且將本地振蕩器信號乘以相應(yīng)的實復(fù)合信號分量和虛復(fù)合信號分量。在一種實施例中，本地振蕩器信號位于WiFi或者藍(lán)牙所使用的大約2.45GHz或者5GHz的范圍或者另一微波頻率內(nèi)。實214模擬信號分量和虛215模擬信號分量在220處組合產(chǎn)生輸出信號x(t) 221。通過放大器222放大輸出信號x(t)221。位于無線通信基站上的天線223轉(zhuǎn)換被放大的功率并且將其作為電磁功率225發(fā)射。
[0013]功率接收器230包括天線231以及整流器和功率調(diào)節(jié)電路232。通信設(shè)備可以是NFC或者UHF-RFID設(shè)備、或者來自更大無線通信設(shè)備中這些協(xié)議中的一種的電路系統(tǒng)，并且接收器230可以被適配至其他頻率。如果天線223和231充分在彼此范圍內(nèi)，則可以從發(fā)送器200將足夠的功率傳輸至接收器230。在一種實施例中，發(fā)送器200是基站并且接收器230是無線通信設(shè)備?？蓚鬏?shù)墓β柿看笾赂鶕?jù)發(fā)送器與接收器之間的距離而變化，且具有發(fā)送器信號的波長。在一種實施例中，發(fā)送功率從1m處大約0.001%變化至1cm處大約I %。
[0014]圖3是從距離200mW UHF發(fā)送器1cm處的典型接收設(shè)備所接收的功率的圖表300。在一種實施例中，發(fā)送器是用于對具有接收器的設(shè)備充電的無線通信基站。Y軸的單位是dBm。圖表300示出了當(dāng)接收器靠近于發(fā)送器時，傳輸給無線設(shè)備的功率可大致根據(jù)頻率改變大于8.9dB(大約7.7的因數(shù))。對于利用圖10中所示的利用頻率范圍內(nèi)的頻率跳變或者選擇的設(shè)備，設(shè)備的充電時間也將改變大約7.7的因數(shù)。在本發(fā)明中提供的至少一些系統(tǒng)中，電路系統(tǒng)被設(shè)計成接收器和發(fā)送器中的至少一個，以將軌跡線320朝向與頻率軌跡線310相對的理想功率移動。
[0015]圖4是示出了在具體頻率和空間方位處耦接在無線通信基站420與無線通信設(shè)備404a-404d之間的近場和中場的示圖。在近場和中場無線通信中，天線405、410a_410d的幾何結(jié)構(gòu)和阻抗以及耦接至天線405、410a-410d的電路影響從基站402至無線通信設(shè)備404a-404d的功率傳輸。在遠(yuǎn)場通信中，接收天線和相應(yīng)匹配電路系統(tǒng)的阻抗共軛匹配于自由空間的阻抗:
[0016]Z0 = I/ ε 0c ； (I)
[0017]其中，ε。是自由空間的介電常數(shù)或者近似8.854χ10_12，并且c是光速(299792458m/s)。因此，Ztl近似376.7 Ω。當(dāng)連接發(fā)送器和接收器的阻抗為零時(例如，當(dāng)發(fā)送器和接收器利用配線相連接時)，接收器的阻抗近似于發(fā)送器的復(fù)共軛。
[0018]Ze (f) = Zt (f)* (2)
[0019]在近場和中場中，從發(fā)送器至接收器的最優(yōu)功率傳輸是自由空間術(shù)語與發(fā)送器阻抗的組合。無線通信設(shè)備404a-404d具有相應(yīng)的阻抗Z3 443、Z4 444、Z5 445以及Z6 446。阻抗Z3 443、TA 444、Z5 445以及Z6 446耦接至無線通信設(shè)備天線410a_410d與基站天線405之間介質(zhì)ZPl 431、ZP2 432、ZP3 433以及ZP4 434的阻抗。無線通信基站402具有兩個阻抗:天線405的阻抗Z2 421和延伸至天線405的電路系統(tǒng)的阻抗Zl 420。如果無線通信設(shè)備不能改變其自身阻抗443-446，并且材料的阻抗431-434保持不變，則無線通信基站402僅可通過調(diào)整其自身源阻抗Zl 420來改變阻抗。
[0020]在常規(guī)設(shè)備中，如虛線408示意性示出的，基站402的源阻抗Z1420通常是位于印刷電路板(PWB)上的靜態(tài)帶狀線。根據(jù)一種實施方式，提供的系統(tǒng)和方法，以利用具有不同阻抗的一條或者多條電路徑或者具有連續(xù)可控阻抗的單一路徑取代靜態(tài)帶狀線。在一種實施例中，第二設(shè)備404b的阻抗Z1420和Z2421的對被盡可能地匹配至阻抗ZP1431和Z3443和自由空間的阻抗。對于不同的設(shè)備，Zl值可能不同。使用單一天線405，可以連續(xù)對每個設(shè)備最優(yōu)地充電，或者可將短時窗交錯，從而以偽同步方式對多個設(shè)備充電。進(jìn)一步應(yīng)當(dāng)注意的是，放大器之前的發(fā)送器信號可以結(jié)合為Z1420選擇的阻抗來改變發(fā)送器相位。
[0021]圖5是這樣一種實施方式的示圖，即，可以調(diào)整無線通信基站天線516之前的阻抗，從而提供高效的功率傳輸。改變天線516之前的阻抗可能導(dǎo)致由天線516發(fā)送的輸出信號的變化。如圖5所示，使用該路徑中配對的3路開關(guān)503、515可離散地改變發(fā)送器與無線通信基站的天線516之間的阻抗。在每個開關(guān)位置，阻抗511-513被設(shè)計成用于測試組合系統(tǒng)中新阻抗能否提高或者降低將無線功率從基站傳輸至無線通信設(shè)備之一的能力。在各種實施方式中，開關(guān)503、515可具有任意數(shù)目的開關(guān)位置，并且可以使用或大或小的阻抗值。在進(jìn)一步的實施方式中，可以采用一種機(jī)制來連續(xù)改變電阻、電容、電感或者其任意組合的網(wǎng)路，以改變路徑的阻抗。
[0022]圖6是示出了根據(jù)一種實施方式被蝕刻到印刷電路板(PWB)的單層中以實現(xiàn)圖5中所示的三開關(guān)阻抗的圖案600布局的示圖。圖案600被蝕刻到印刷電路板(PWB)的單層中，圖案600上方或者下方有相應(yīng)的地平面。在被蝕刻時，圖案600中所示的線變成帶狀線傳輸線611-613，且在帶狀線內(nèi)有集成的電感。在一種實施方式中，圖案600可進(jìn)一步具有對應(yīng)于電容器的額外形狀。利用離散表面安裝部件或者基板中集成的部件，可添加進(jìn)一步的阻抗。根據(jù)一方面，帶狀線611-613的寬度620被選擇為對應(yīng)于發(fā)送器放大器502的阻抗并且可被調(diào)節(jié)為匹配至發(fā)送器天線或者連接至天線的網(wǎng)路。根據(jù)一種實施方式，帶狀線611-613的曲率半徑610、高度615、以及寬度620被選擇為產(chǎn)生適合于所選擇應(yīng)用的預(yù)定電感。
[0023]圖7是使用具有無線通信基站的通信系統(tǒng)以利用無線通信設(shè)備優(yōu)化功率傳輸?shù)姆椒?00的實施方式的示圖。根據(jù)一種實施方式，在近場和中場中，與設(shè)備通信的能力的鏈路余量等于或者大致高于啟用充電電路系統(tǒng)的能力的鏈路余量。根據(jù)一種實施例，對于無源RFID標(biāo)簽，與RFID標(biāo)簽通信的鏈路余量等于啟用充電電路系統(tǒng)的鏈路余量。在近場或者中場中，對于基于電池的設(shè)備，通信鏈路余量通常介于大約80dB與大約IlOdB之間，同時啟動功率或者充電鏈路余量可具有負(fù)值，因為充電電路需要最小量的功率來克服內(nèi)部漏電，或者其范圍從大約OdB高達(dá)至大約40dB。幾乎所有電路均具有一些電流泄露。實際上，使硅電路中的開關(guān)可從低阻抗(例如，零點(diǎn)幾歐姆到幾歐姆)達(dá)到千兆歐姆(即，毫微安培)非常困難。給定電路設(shè)計者在乎在對電路充電時毫微瓦特至微瓦特的泄露，則必須首先供應(yīng)超過泄露的電流量。如果存在必須始終開啟以確保發(fā)生某種狀態(tài)轉(zhuǎn)變(例如，按壓按鈕、喚醒AP等)的小型微處理器或者邏輯電路，這將變得更加困難，因為泄露可能為微瓦特或者毫瓦特。在任一種情況下，充電電路必須克服負(fù)“鏈路余量”，從而在實際上能對電池充電。因為基站能夠與無線通信設(shè)備通信，所以基站可使用通過無線通信設(shè)備觀測的整流參數(shù)，從而有效地關(guān)閉測量回路并且通過基站進(jìn)行控制。
[0024]在步驟701，無線通信基站連接至所有設(shè)備并且使用通信協(xié)議請求有關(guān)通過各個設(shè)備看到的功率級的信息。在步驟705，無線通信基站將傳輸阻抗408離散地(如圖5和圖6所示)或者連續(xù)地切換至不同阻抗。在步驟710，無線通信基站內(nèi)的狀態(tài)機(jī)創(chuàng)建其是否已經(jīng)測試可能的傳輸阻抗的全部集合或者空間。如果否，則在步驟705，將傳輸阻抗更改為新值，并且重復(fù)步驟710。為了納入可能阻抗的全部集合，可能需要花費(fèi)幾微秒至數(shù)秒來創(chuàng)建最佳的功率傳輸阻抗。然而，相比較于幾分鐘或者幾小時的總充電時間，該時間較短。在一種實施例中，將轉(zhuǎn)變相位整合到算法中。在步驟715，基站確定哪個阻抗允許最佳功率傳輸。通過接受產(chǎn)生功率傳輸閾值量的阻抗，基站可確定哪個阻抗允許最佳功率傳輸，或者基站可測試所有集合的傳輸阻抗和相位并且選擇允許最佳功率傳輸?shù)淖杩?。如上所述，對于一種設(shè)備最佳的阻抗可能不同于對于另一種設(shè)備最佳的阻抗。在一種實施方式中，各個最佳阻抗按時間排序，從而將最佳功率傳輸提供給無線通信設(shè)備的集合。
[0025]根據(jù)一種實施方式，通信鏈路余量對于與無線通信設(shè)備的通信可能較高。根據(jù)另一種實施方式，用于初始目的通信應(yīng)用(WiFi網(wǎng)絡(luò)或者蜂窩基站)的鏈路余量可能妥協(xié)這種算法。因此，在一些實施例中，對于無線通信設(shè)備，可能不將傳輸阻抗設(shè)置為最優(yōu)值，或者對于與網(wǎng)絡(luò)基站的通信，傳輸阻抗可被時間交錯入默認(rèn)值。如果多個無線通信基站同時嘗試最優(yōu)地提供功率給同一組無線通信設(shè)備，則可能存在其之間的通信協(xié)議的額外實施方式。
[0026]如此描述了至少一種實施方式的若干個方面，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以容易地做出各種改造、變形以及改進(jìn)。該等改造、變形以及改進(jìn)旨在為本公開的一部分并且旨在落在本發(fā)明范圍內(nèi)。因此，上述描述和附圖僅為實施例，并且應(yīng)從所附權(quán)利要求及其等同物的適當(dāng)解釋確定本發(fā)明的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種方法，包括: 將發(fā)送器無線耦接至無線設(shè)備； 采用第一傳輸阻抗確定從所述發(fā)送器傳輸至所述無線設(shè)備的信號的第一功率傳輸值； 采用第二傳輸阻抗確定從所述發(fā)送器傳輸至所述無線設(shè)備的所述信號的第二功率傳輸值；并且 基于所述第一功率傳輸值和所述第二功率傳輸值選擇所述第一傳輸阻抗和所述第二傳輸阻抗中的一個。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所選擇的傳輸阻抗對應(yīng)于所述第一功率傳輸值與所述第二功率傳輸值之間的較高功率傳輸值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括: 采用所述第一傳輸阻抗重新確定從所述發(fā)送器傳輸至所述無線設(shè)備的所述信號的所述第一功率傳輸值； 采用所述第二傳輸阻抗重新確定從所述發(fā)送器傳輸至所述無線設(shè)備的所述信號的所述第二功率傳輸值； 并且 基于所重新確定的第一功率傳輸值和所重新確定的第二功率傳輸值重新選擇所述第一傳輸阻抗和所述第二傳輸阻抗中的一個。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，基于所重新確定的第一功率傳輸值和所重新確定的第二功率傳輸值重新選擇所述第一傳輸阻抗和所述第二傳輸阻抗中的一個包括: 基于所述無線設(shè)備與具有所述發(fā)送器的通信設(shè)備之間共享的有關(guān)功率傳輸值的信息重新選擇所述第一傳輸阻抗和所述第二傳輸阻抗中的一個。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括: 使用所選擇的一個傳輸阻抗對所述無線設(shè)備無線充電。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中: 所述發(fā)送器是通信設(shè)備的一部分；以及 所述通信設(shè)備進(jìn)一步包括各自具有不同阻抗的多條電路徑。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中: 所述發(fā)送器是通信設(shè)備的一部分；以及 所述通信設(shè)備進(jìn)一步包括具有連續(xù)可控阻抗的電路徑。
8.一種通信設(shè)備，包括: 發(fā)送器，所述發(fā)送器被配置為將無線信號傳輸至無線設(shè)備；以及 處理電路，所述處理電路耦接至所述發(fā)送器并且被配置為: 確定使用第一傳輸阻抗傳輸?shù)乃鰺o線信號的第一功率傳輸值； 確定使用第二傳輸阻抗傳輸?shù)乃鰺o線信號的第二功率傳輸值；以及基于所述第一功率傳輸值和所述第二功率傳輸值選擇所述第一傳輸阻抗和所述第二傳輸阻抗中的一個。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的通信設(shè)備，其中: 所選擇的傳輸阻抗對應(yīng)于所述第一功率傳輸值與所述第二功率傳輸值之間的較高功率傳輸值；以及所述處理電路進(jìn)一步被配置為使用所選擇的一個傳輸阻抗對所述無線設(shè)備無線充電。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的通信設(shè)備，進(jìn)一步包括: 印刷電路板，所述印刷電路板被蝕刻有多條電路徑，每條電路徑具有不同的傳輸阻抗，所述多條電路徑包括用于改變每條電路徑的所述傳輸阻抗的一個或者多個無源部件；以及開關(guān)，所述開關(guān)用于從所述多條電路徑選擇具體電路徑。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的通信設(shè)備，其中，所述發(fā)送器包括: 第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器，所述第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器被配置為將實數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成實模擬信號；第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器，所述第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器被配置為將虛數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成虛模擬信號；第一混頻器，所述第一混頻器被配置為將所述實模擬信號轉(zhuǎn)換至射頻(RF)域，以用于控制被傳輸至所述無 線設(shè)備的所述無線信號的射頻相；以及 第二混頻器，所述第二混頻器被配置為將所述虛模擬信號轉(zhuǎn)換至所述射頻域，以用于控制被傳輸至所述無線設(shè)備的所述無線信號的所述射頻相。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的通信設(shè)備，進(jìn)一步包括: 一個或者多個天線，所述一個或者多個天線用于將所述發(fā)送器耦接至所述無線設(shè)備，其中，所述一個或者多個天線共享所述通信設(shè)備的其他通信功能。
13.—種方法,包括: 將發(fā)送器無線耦接至一個或者多個第一無線設(shè)備；以及 對于每個第一無線設(shè)備， 使用多個傳輸阻抗將多個信號從所述發(fā)送器分別發(fā)送至所述第一無線設(shè)備； 為所述多個信號分別確定多個功率傳輸值；以及 基于所述多個功率傳輸值從所述多個傳輸阻抗選擇具體傳輸阻抗。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，對于每個第一無線設(shè)備，所述具體傳輸阻抗對應(yīng)于從所述發(fā)送器發(fā)送至所述第一無線設(shè)備的具體信號，所述第一無線設(shè)備具有所述多個功率傳輸值中的最佳功率傳輸值。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，進(jìn)一步包括: 對于每個第一無線設(shè)備， 使用所述多個傳輸阻抗將所述多個信號從所述發(fā)送器分別重新發(fā)送至所述第一無線設(shè)備； 為所述多個信號分別重新確定所述多個功率傳輸值；以及 基于所述多個功率傳輸值從所述多個傳輸阻抗重新選擇所述具體傳輸阻抗。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，進(jìn)一步包括: 對于每個第一無線設(shè)備，使用為所述第一無線設(shè)備選擇的所述具體傳輸阻抗，通過具有所述發(fā)送器的第二無線設(shè)備對所述第一無線設(shè)備無線充電。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述第二無線設(shè)備進(jìn)一步包括: 多條電路徑，所述多條電路徑各自具有不同的傳輸阻抗； 印刷電路板，所述印刷電路板被蝕刻有所述多條電路徑；以及 開關(guān)，所述開關(guān)用于從所述多條電路徑選擇具體電路徑。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述第二無線設(shè)備進(jìn)一步包括具有連續(xù)可控傳輸阻抗的電路徑。
19.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，分配給每個第一無線設(shè)備的充電時間相等。
20.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，基于權(quán)重列表確定分配給每個第一無線設(shè)備的充電時間。
【文檔編號】H02J17/00GK104054235SQ201380005466
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2013年1月10日 優(yōu)先權(quán)日:2012年1月12日
【發(fā)明者】耶爾·馬圭爾 申請人:臉譜公司