專利名稱：用于無線功率轉(zhuǎn)移的鐵氧體天線的制作方法
用于無線功率轉(zhuǎn)移的鐵氧體天線
背景技術(shù)：
本申請(qǐng)案主張2008年6月5日申請(qǐng)的第61/059，241號(hào)臨時(shí)申請(qǐng)案的優(yōu)先權(quán)，所 述揭示內(nèi)容的全部內(nèi)容以引用的方式并入本文中。申請(qǐng)人:的先前申請(qǐng)案和臨時(shí)申請(qǐng)案描述了無線功率轉(zhuǎn)移，所述申請(qǐng)案包括(但 不限于)2008年1月22日申請(qǐng)的題目為“無線設(shè)備和方法(Wireless Apparatus and Methods)”的第12/018,069號(hào)美國專利申請(qǐng)案，所述美國專利申請(qǐng)案的揭示內(nèi)容以引用的 方式并入本文中。一個(gè)示范性實(shí)施例的發(fā)射天線和接收天線為諧振天線，其為大致諧振的， 例如在10%諧振、15%諧振或20%諧振內(nèi)。示范性實(shí)施例的天線具有小尺寸以允許其配合 到其中用于天線的可用空間可能為有限的移動(dòng)手持式裝置中。示范性實(shí)施例描述一種用于 發(fā)射和接收功率的特定特性和環(huán)境的高效率天線。天線理論表明高效但小型的天線將通常 具有其在上面將有效的窄頻帶。本文中所描述的特殊天線可對(duì)這種功率轉(zhuǎn)移尤其有用。一個(gè)示范性實(shí)施例通過在發(fā)射天線的近場(chǎng)中儲(chǔ)存能量而不是將能量以行進(jìn)電磁 波的形式發(fā)送到自由空間中來在兩個(gè)天線之間使用有效的功率轉(zhuǎn)移。此示范性實(shí)施例增加 了天線的質(zhì)量因數(shù)⑴)。這可降低輻射電阻隊(duì))和損耗電阻。在一個(gè)示范性實(shí)施例中，放置兩個(gè)高Q天線以使得其類似于松散耦合變壓器而起 作用，其中一個(gè)天線將功率感應(yīng)到另一天線中。所述天線可具有大于200的Q，但接收天線可具有由積分和阻尼引起的較低Q。發(fā)射天線和接收天線可為諧振天線，其為大致諧振的，例如在10%諧振、15%諧振 或20%諧振內(nèi)。天線可具有小尺寸以允許其配合到其中用于天線的可用空間可能為有限的 移動(dòng)手持式裝置中。示范性實(shí)施例描述一種用于發(fā)射和接收功率的特定特性和環(huán)境的高效 率天線。一個(gè)示范性實(shí)施例通過在發(fā)射天線的近場(chǎng)中儲(chǔ)存能量而不是將能量以行進(jìn)電磁 波的形式發(fā)送到自由空間中來在兩個(gè)天線之間使用有效的功率轉(zhuǎn)移。此示范性實(shí)施例增加 了天線的質(zhì)量因數(shù)⑴)。這可降低輻射電阻(Rr)和損耗電阻況)。


在附圖中圖1和圖2展示等效電路；圖3和圖4說明鐵氧體的使用；圖5到圖8B展示測(cè)量設(shè)置；以及圖9展示測(cè)量設(shè)置。
具體實(shí)施例方式本文中使用詞“示范性”來意指“充當(dāng)實(shí)例、例子或說明”。本文中描述為“示范性” 的任何實(shí)施例不必解釋為比其它實(shí)施例優(yōu)選或有利。下文結(jié)合附圖所陳述的詳細(xì)描述既定作為對(duì)本發(fā)明的示范性實(shí)施例的描述且不4希望表示其中可實(shí)踐本發(fā)明的僅有實(shí)施例。貫穿此描述內(nèi)容所使用的術(shù)語“示范性”意指 “充當(dāng)實(shí)例、例子或說明”，且不必解釋為比其它示范性實(shí)施例優(yōu)選或有利。詳細(xì)描述包括出 于提供對(duì)本發(fā)明的示范性實(shí)施例的徹底理解的目的的特定細(xì)節(jié)。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將了 解，可在沒有這些特定細(xì)節(jié)的情況下實(shí)踐本發(fā)明的示范性實(shí)施例。在一些例子中，以框圖形 式展示眾所周知的結(jié)構(gòu)和裝置以便避免混淆本文中所呈現(xiàn)的示范性實(shí)施例的新穎性。本文中使用詞“無線功率”以意指與電場(chǎng)、磁場(chǎng)、電磁場(chǎng)相關(guān)聯(lián)或者在不使用物理 電磁導(dǎo)體的情況下在從發(fā)射器到接收器之間發(fā)射的任何形式的能量。示范性實(shí)施例在天線中使用鐵氧體以用于發(fā)射和接收用作無線功率的磁通量。舉 例來說，鐵氧體材料通常包括由MO-Fe2O3形成的陶瓷，其中MO為例如鋅、鎳、錳和銅氧化物 等二價(jià)金屬的組合。常用的鐵氧體可包括MnSu NiZn和其它Ni基鐵氧體。鐵氧體結(jié)構(gòu)將磁通線集中到所述結(jié)構(gòu)中，進(jìn)而形成在裝置電子學(xué)中具有較少干擾 和渦電流損耗的磁路/磁場(chǎng)。這本質(zhì)上吸收磁通線，進(jìn)而改進(jìn)磁功率分配的效率。實(shí)施例 描述鐵氧體棒形天線。這些天線可提供易于集成到某些種類的封裝中的緊湊解決方案。而 且，鐵氧體的性質(zhì)可改進(jìn)無線功率發(fā)射。鐵氧體棒天線的諧振頻率可較易于調(diào)諧。在一個(gè)示范性實(shí)施例中，可通過以機(jī)械 方式調(diào)整線圈在棒上的位置來實(shí)現(xiàn)所述調(diào)諧。然而，鐵氧體棒天線可能歸因于鐵氧體材料中不斷增加的磁滯損耗而在較高磁場(chǎng) 強(qiáng)度(較高接收功率電平)下遭受Q降級(jí)。而且，鐵氧體可能僅在相對(duì)較低頻率下有實(shí)效。 然而，在這些低頻率下，鐵氧體具有使磁場(chǎng)開槽穿過芯而非穿過位于芯附近的板上的電子 元件的優(yōu)點(diǎn)。這可有助于增加電路的所得Q。本申請(qǐng)案描述使用特殊鐵氧體天線來實(shí)現(xiàn)無線功率轉(zhuǎn)移。一個(gè)示范性實(shí)施例描述 用于低頻率(例如，135Khz)的鐵氧體天線。示范性實(shí)施例描述可能在較高功率接收電平和較高磁場(chǎng)強(qiáng)度下發(fā)生鐵氧體材料 中的磁滯損耗。另外，增加磁場(chǎng)強(qiáng)度可實(shí)際上使諧振頻率移位，尤其是在其中在鐵氧體中存 在非線性B-H特性的某些材料中。另外，可歸因于固有非線性而產(chǎn)生諧波發(fā)射。此非線性 在較低Q因數(shù)下變得較重要。圖1為在源100與負(fù)載150之間的電感性耦合的能量發(fā)射系統(tǒng)的框圖。源包括功 率供應(yīng)102，其具有內(nèi)部阻抗& 104、串聯(lián)電阻禮106、電容Cl 108和電感Ll 110。電容器 108與電感器110的LC常數(shù)引起以指定頻率振蕩。次級(jí)線圈150也包括電感L2 152和電容C2 154，其可匹配于初級(jí)線圈的電容和電 感。串聯(lián)電阻R2 156。跨越端子160產(chǎn)生輸出功率，且輸出功率被施加到負(fù)載ZL 165以向 所述負(fù)載供電。以此方式，來自源102的功率通過展示為120的無線連接耦合到負(fù)載165。 無線通信由互感M設(shè)定。圖2展示圖1的發(fā)射系統(tǒng)的等效電路。功率產(chǎn)生器200具有內(nèi)部阻抗h 205和 串聯(lián)電阻Rl 210。電容器Cl 215和電感器Ll 210形成LC常數(shù)。電流Il 215流動(dòng)通過 LC組合，所述LC組合可顯現(xiàn)為展示為220的等效源且具有值Ul。此源感應(yīng)到接收器中的對(duì)應(yīng)等效功率源230中，以形成感應(yīng)功率U2。源230與電 感L2 M0、電容C2 M2、電阻R2 244且最終到負(fù)載165串聯(lián)。電子電路可連接到耦合環(huán)路，其以電子方式將功率耦合到主電感環(huán)路。上文所提及的等效電路可指代主電感環(huán)路，其與任何電路部分電分離。一個(gè)示范性實(shí)施例是在不同功率電平和其它不同特性下比較這些天線的性能。通 過這樣做，分析關(guān)于這些材料以不同特性操作的方式的信息。示范性實(shí)施例描述大型(L)、 中型(M)和小型( 鐵氧體天線及其性能。鐵氧體棒材料通常在通信接收器應(yīng)用中在小信號(hào)電平下(例如在ImW下或在低于 ImW下)使用。尚未建議在大功率電平(例如，高達(dá)2W)下或針對(duì)功率轉(zhuǎn)移使用這些材料。我們的申請(qǐng)案已展示基于鐵氧體或非常磁性材料的天線可在用于發(fā)射和/或接 收無線功率時(shí)具有某些優(yōu)點(diǎn)。然后，這些天線可極為應(yīng)用特定的舉例來說，盡管鐵氧體可 用于許多不同應(yīng)用中且在無線功率發(fā)射中產(chǎn)生顯著優(yōu)點(diǎn)，但其使用實(shí)際上限于其中鐵氧體 產(chǎn)生優(yōu)點(diǎn)的非常受限的情形。然而，本申請(qǐng)案還描述了鐵氧體棒的細(xì)長形狀可實(shí)際上對(duì)一 些應(yīng)用有利。此細(xì)長形狀的恰當(dāng)定形可實(shí)際上改進(jìn)鐵氧體棒的操作，且因而可能較重要。因 此，示范性實(shí)施例界定用于無線功率系統(tǒng)的鐵氧體棒和無線功率系統(tǒng)中的天線的此形狀和 位置以及用于所述鐵氧體棒的材料可能至關(guān)重要。圖1和圖2中的線圈Ll和L2可為管狀鐵氧體元件，其中線圈纏繞在其周圍。管 狀鐵氧體元件具有細(xì)長形狀，這意味著元件的長度大于寬于元件的寬度，如圖3所示。圖3還說明鐵氧體如何本質(zhì)上集中磁場(chǎng)線(例如300)，其中在位于鐵氧體裝置之 前的區(qū)域301上的場(chǎng)線集中到對(duì)應(yīng)于鐵氧體裝置的直徑的區(qū)域302中。此放大可改進(jìn)操作。通過實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)等于B= μ o(l+X m) H= μ 0 (Η+Μ) = μ 0 μ rH其中u為材料的磁導(dǎo)率，且H為以安培/米計(jì)的磁場(chǎng)。圖4說明以安培/米計(jì)的磁場(chǎng)H與所得磁場(chǎng)B之間的曲線圖。此展示磁滯效應(yīng)， 且一個(gè)示范性實(shí)施例界定將所要B和H場(chǎng)維持于其中磁滯損耗減到最小的指定電平。此外，由于磁場(chǎng)集中于鐵氧體中，所以這提供較少由于鄰域影響引起的降級(jí)。示范性實(shí)施例描述不同原型示范性實(shí)施例且描述不同鐵氧體尺寸和材料的測(cè)試。圖5和圖6表示作為原型測(cè)試的第一鐵氧體棒，其稱為尺寸L。尺寸L具有 87mmX IOmm直徑的尺寸。所述鐵氧體棒自身在圖6中展示。棒600可由任何鐵氧體材料制 成，但在示范性實(shí)施例中，由立方結(jié)構(gòu)鐵氧體(ferrOXCube)4B2制成。鐵氧體棒還具有主線圈部分605，其相對(duì)于鐵氧體棒600滑動(dòng)。主線圈由尺寸為 72x.5mm的絞合線(或較常見為多股接觸線)形成。耦合繞組也以機(jī)械方式耦合到滑動(dòng)主 線圈605。耦合繞組610未電連接到主線圈605，且可由1到10圈電線形成。在操作中，耦合繞組從源接收功率，且將所述功率耦合到主線圈?；瑒?dòng)繞組的總體 長度(絞合線加上耦合線)為四讓，其沿著87mm鐵氧體棒上滑動(dòng)。本文中所描述的示范性實(shí)施例展示主線圈電感、耦合線圈電感的不同數(shù)目的繞 組，且還展示展示為650的值“d”的效應(yīng)。到組合件的連接被展示為經(jīng)由BMC連接器620，BMC連接器620僅經(jīng)由柔性連接電 纜622連接到耦合繞組610。電纜足夠長以使得滑動(dòng)線圈601可在滑動(dòng)線圈主體600上在 任何地方滑動(dòng)。主線圈605還與電容器610并聯(lián)，從而形成LC常數(shù)。在一個(gè)示范性實(shí)施例中，電容器與線圈之間的連接可由柔性電線制成，或者電容器可經(jīng)安裝以使得每當(dāng)線圈移動(dòng)時(shí)其 就移動(dòng)。線圈/電容器連接被連接到輸出線659，所述輸出線659自身連接到無線功率電 路660。舉例來說，此電路可為在某一頻率(例如，135Khz)下產(chǎn)生經(jīng)調(diào)制功率信號(hào)的無線 功率發(fā)射器或接收無線功率且對(duì)其進(jìn)行整流的接收器。尺寸L可提供(例如)高達(dá)2W的發(fā)射或接收功率。圖7A和圖7B展示尺寸M的另一示范性實(shí)施例，其中使用40mmX IOmm直徑的中型 尺寸鐵氧體棒。這可提供(例如)IW或更小的接收功率。圖8A和圖8B展示直徑為22mmX8mm的小尺寸棒。棒自身(圖8B中在800處展 示)還具有由主線圈與耦合線圈主線圈806和耦合線圈807形成的滑動(dòng)線圈組合件805。 裝置與電容器并聯(lián)形成。在示范性實(shí)施例中，小尺寸裝置可能已失去中型尺寸裝置的可能 可用于小于1/2W的功率電平的一些功能。已針對(duì)不同天線進(jìn)行若干測(cè)試，且可從這些測(cè)試發(fā)現(xiàn)不同信息。對(duì)于尺寸L的鐵 氧體天線，可使用若干不同尺寸裝置。所測(cè)試的第一天線具有長度大約為24mm的主線圈，其由72乘0. 5mm絞合(多股) 線形成。這形成約88. ΙμΗ的電感，其在IOOmV下具有為273的Q。在此示范性實(shí)施例中， 所使用的電容對(duì)于為135kHz的頻率為15. 77 μ F0本文中所描述的測(cè)試值可通過使用不同電容和電壓值來使用圖9所展示的測(cè)試 設(shè)置。根據(jù)一個(gè)示范性實(shí)施例，可通過使用發(fā)射天線且假定互逆性作為接收天線來實(shí)行測(cè) 量。根據(jù)一個(gè)示范性實(shí)施例，使用Q值來確定對(duì)所施加的功率量的限制。根據(jù)一個(gè)示范性實(shí)施例，基于以下參數(shù)來評(píng)估鐵氧體棒天線的特性—線圈長度 24mm線圈材料-絞合72 X 0, 05mm— Indue tan ceL = 88，1 μ Hbisd = 8，5mm/Q = 273— C = 15，77uF諧振頻率fQ = 135kHz (IOOmV)
測(cè)試結(jié)果材料電容Q 135 kHzQ IMHz1MKC 6\400V15mJ17448,62？400V15mM32,45,033？400V15mK230814MKS4630V33m？59355？630V15m10%231936？400V15m10%239867MMK400V15mK239868ERD 310 LCC63V16m9>40008009WMA FKP-I1000V3m3ca，2000ca，200010WMA FKP63V5u62,5%ca，2000337(OPTO 3000)MKP4(WMA)15 /400V-5x11x13823631a、FKPlU15 uf600V ~6x15x26,5823464a、-697 U29所測(cè)試的安捷倫(Agilent)^94A7
Lmin = 69 μ H (Q = 245) (d = 0)Lmax = 103，9μ H(Q = 311) (d = 30mm)LLuft = 6，31 μ H Q = 28，4(135kHz)對(duì)于C = 15uF的電容器這些結(jié)果在表1中概述，表1展示L天線(長度為87mm、直徑為IOmm)的那些結(jié) 果。主線圈為24mm長，由37匝電線形成。使用15. 77nf電容器，且所測(cè)得的電感(不具有 鐵氧體)為6. 3 IuH:
權(quán)利要求
1.一種無線功率系統(tǒng)，其包含到具有第一頻率的信號(hào)的連接，所述信號(hào)攜載指定功率電平；電感性部分，其由環(huán)路基座以及具有第一指定數(shù)目的環(huán)路匝的主電感性環(huán)路和具有第 二數(shù)目的環(huán)路匝的耦合環(huán)路形成，所述耦合環(huán)路具有比所述主環(huán)路少的環(huán)路匝，且所述連 接電耦合到所述耦合環(huán)路而不耦合到所述主電感性環(huán)路，所述耦合環(huán)路和所述主環(huán)路在物 理上彼此耦合且可相對(duì)于所述環(huán)路基座移動(dòng)，使得所述主環(huán)路和所述耦合環(huán)路兩者一起在 所述環(huán)路基座上移動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其進(jìn)一步包含在與所述主電感性環(huán)路諧振的頻率下接 收無線功率且形成功率輸出的電路，所述功率輸出經(jīng)耦合以從所述耦合環(huán)路接收輸出。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其進(jìn)一步包含在與所述主電感性環(huán)路諧振的頻率下形 成功率輸出且將所述功率輸出耦合到所述耦合環(huán)路以發(fā)射無線功率的電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述連接包括多個(gè)柔性電線，無論所述耦合環(huán)路 在所述環(huán)路基座上移動(dòng)到哪里，所述柔性電線均連接到所述耦合環(huán)路。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述電感性部分形成有鐵氧體芯。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述耦合環(huán)路上的繞組的數(shù)目用以設(shè)定所述系統(tǒng) 的輸入阻抗。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其進(jìn)一步包含跨越所述主電感性環(huán)路耦合的電容。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述電容具有一值，使得所述電感和電容一起的 LC值以指定頻率諧振。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述指定頻率為135kHz。
10.一種發(fā)射無線功率的方法，其包含優(yōu)化天線的第一耦合環(huán)路部分；以機(jī)械方式將主電感性環(huán)路附接到所述第一耦合環(huán)路且保持所述主環(huán)路與所述耦合 環(huán)路彼此電隔離；與優(yōu)化所述耦合環(huán)路分開地優(yōu)化所述天線的所述主環(huán)路；將所述耦合環(huán)路和所述主環(huán)路兩者移動(dòng)到不同位置，以相對(duì)于電路的參數(shù)優(yōu)化其位 置；以及使用彼此附接的所述耦合環(huán)路和主環(huán)路來發(fā)射無線功率。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中根據(jù)所述天線的所要輸入阻抗來優(yōu)化所述耦合 環(huán)路。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其進(jìn)一步包含跨越所述主環(huán)路耦合電容器，其中所 述主環(huán)路和所述電容器共同形成以所述無線功率發(fā)射的指定頻率諧振的LC常數(shù)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述指定頻率為135kHz。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其進(jìn)一步包含將所述連接的耦合環(huán)路和主環(huán)路移動(dòng) 到不同位置以優(yōu)化所述耦合環(huán)路和主環(huán)路的特性。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其進(jìn)一步包含將所述耦合環(huán)路和所述主環(huán)路纏繞在 芯上，且其中所述移動(dòng)是相對(duì)于所述芯。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述芯為鐵氧體芯。
17.一種接收無線功率的方法，其包含優(yōu)化天線的第一耦合環(huán)路部分；以機(jī)械方式將主電感性環(huán)路附接到所述第一耦合環(huán)路且保持所述主環(huán)路與所述耦合 環(huán)路彼此電隔離；與優(yōu)化所述耦合環(huán)路分開地優(yōu)化所述天線的所述主環(huán)路；將所述耦合環(huán)路和所述主環(huán)路兩者移動(dòng)到不同位置，以相對(duì)于用以接收所述無線功率 且由所述無線功率供電的電路的參數(shù)優(yōu)化其位置；以及使用彼此附接的所述耦合環(huán)路和主環(huán)路來接收無線功率。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中根據(jù)所述天線的所要輸入阻抗來優(yōu)化所述耦合 環(huán)路。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其進(jìn)一步包含跨越所述主環(huán)路耦合電容器，其中所 述主環(huán)路和所述電容器共同形成以所述無線功率發(fā)射的指定頻率諧振的LC常數(shù)。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中所述指定頻率為135kHz。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其進(jìn)一步包含將所述連接的耦合環(huán)路和主環(huán)路移動(dòng) 到不同位置以優(yōu)化所述耦合環(huán)路和主環(huán)路的特性。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其進(jìn)一步包含將所述耦合環(huán)路和所述主環(huán)路纏繞在 芯上，且其中所述移動(dòng)是相對(duì)于所述芯。
23.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述芯為鐵氧體芯。
全文摘要
本發(fā)明提供用于發(fā)射或接收無線功率的鐵氧體芯天線。所述天線可相對(duì)于所述芯移動(dòng)。
文檔編號(hào)H02J5/00GK102057552SQ200980120849
公開日2011年5月11日 申請(qǐng)日期2009年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月5日
發(fā)明者盧卡斯·西貝爾, 奈杰爾·庫克, 彼得·施瓦英格, 漢斯彼得·威德默 申請(qǐng)人:高通股份有限公司