专利名称：用于无线功率转移的铁氧体天线的制作方法
用于无线功率转移的铁氧体天线
背景技术：
本申请案主张2008年6月5日申请的第61/059，241号临时申请案的优先权，所 述揭示内容的全部内容以引用的方式并入本文中。申请人:的先前申请案和临时申请案描述了无线功率转移，所述申请案包括(但 不限于)2008年1月22日申请的题目为“无线设备和方法(Wireless Apparatus and Methods)”的第12/018,069号美国专利申请案，所述美国专利申请案的揭示内容以引用的 方式并入本文中。一个示范性实施例的发射天线和接收天线为谐振天线，其为大致谐振的， 例如在10%谐振、15%谐振或20%谐振内。示范性实施例的天线具有小尺寸以允许其配合 到其中用于天线的可用空间可能为有限的移动手持式装置中。示范性实施例描述一种用于 发射和接收功率的特定特性和环境的高效率天线。天线理论表明高效但小型的天线将通常 具有其在上面将有效的窄频带。本文中所描述的特殊天线可对这种功率转移尤其有用。一个示范性实施例通过在发射天线的近场中储存能量而不是将能量以行进电磁 波的形式发送到自由空间中来在两个天线之间使用有效的功率转移。此示范性实施例增加 了天线的质量因数⑴)。这可降低辐射电阻队)和损耗电阻。在一个示范性实施例中，放置两个高Q天线以使得其类似于松散耦合变压器而起 作用，其中一个天线将功率感应到另一天线中。所述天线可具有大于200的Q，但接收天线可具有由积分和阻尼引起的较低Q。发射天线和接收天线可为谐振天线，其为大致谐振的，例如在10%谐振、15%谐振 或20%谐振内。天线可具有小尺寸以允许其配合到其中用于天线的可用空间可能为有限的 移动手持式装置中。示范性实施例描述一种用于发射和接收功率的特定特性和环境的高效 率天线。一个示范性实施例通过在发射天线的近场中储存能量而不是将能量以行进电磁 波的形式发送到自由空间中来在两个天线之间使用有效的功率转移。此示范性实施例增加 了天线的质量因数⑴)。这可降低辐射电阻(Rr)和损耗电阻况)。
在附图中图1和图2展示等效电路；图3和图4说明铁氧体的使用；图5到图8B展示测量设置；以及图9展示测量设置。
具体实施例方式本文中使用词“示范性”来意指“充当实例、例子或说明”。本文中描述为“示范性” 的任何实施例不必解释为比其它实施例优选或有利。下文结合附图所陈述的详细描述既定作为对本发明的示范性实施例的描述且不4希望表示其中可实践本发明的仅有实施例。贯穿此描述内容所使用的术语“示范性”意指 “充当实例、例子或说明”，且不必解释为比其它示范性实施例优选或有利。详细描述包括出 于提供对本发明的示范性实施例的彻底理解的目的的特定细节。所属领域的技术人员将了 解，可在没有这些特定细节的情况下实践本发明的示范性实施例。在一些例子中，以框图形 式展示众所周知的结构和装置以便避免混淆本文中所呈现的示范性实施例的新颖性。本文中使用词“无线功率”以意指与电场、磁场、电磁场相关联或者在不使用物理 电磁导体的情况下在从发射器到接收器之间发射的任何形式的能量。示范性实施例在天线中使用铁氧体以用于发射和接收用作无线功率的磁通量。举 例来说，铁氧体材料通常包括由MO-Fe2O3形成的陶瓷，其中MO为例如锌、镍、锰和铜氧化物 等二价金属的组合。常用的铁氧体可包括MnSu NiZn和其它Ni基铁氧体。铁氧体结构将磁通线集中到所述结构中，进而形成在装置电子学中具有较少干扰 和涡电流损耗的磁路/磁场。这本质上吸收磁通线，进而改进磁功率分配的效率。实施例 描述铁氧体棒形天线。这些天线可提供易于集成到某些种类的封装中的紧凑解决方案。而 且，铁氧体的性质可改进无线功率发射。铁氧体棒天线的谐振频率可较易于调谐。在一个示范性实施例中，可通过以机械 方式调整线圈在棒上的位置来实现所述调谐。然而，铁氧体棒天线可能归因于铁氧体材料中不断增加的磁滞损耗而在较高磁场 强度(较高接收功率电平)下遭受Q降级。而且，铁氧体可能仅在相对较低频率下有实效。 然而，在这些低频率下，铁氧体具有使磁场开槽穿过芯而非穿过位于芯附近的板上的电子 元件的优点。这可有助于增加电路的所得Q。本申请案描述使用特殊铁氧体天线来实现无线功率转移。一个示范性实施例描述 用于低频率(例如，135Khz)的铁氧体天线。示范性实施例描述可能在较高功率接收电平和较高磁场强度下发生铁氧体材料 中的磁滞损耗。另外，增加磁场强度可实际上使谐振频率移位，尤其是在其中在铁氧体中存 在非线性B-H特性的某些材料中。另外，可归因于固有非线性而产生谐波发射。此非线性 在较低Q因数下变得较重要。图1为在源100与负载150之间的电感性耦合的能量发射系统的框图。源包括功 率供应102，其具有内部阻抗& 104、串联电阻礼106、电容Cl 108和电感Ll 110。电容器 108与电感器110的LC常数引起以指定频率振荡。次级线圈150也包括电感L2 152和电容C2 154，其可匹配于初级线圈的电容和电 感。串联电阻R2 156。跨越端子160产生输出功率，且输出功率被施加到负载ZL 165以向 所述负载供电。以此方式，来自源102的功率通过展示为120的无线连接耦合到负载165。 无线通信由互感M设定。图2展示图1的发射系统的等效电路。功率产生器200具有内部阻抗h 205和 串联电阻Rl 210。电容器Cl 215和电感器Ll 210形成LC常数。电流Il 215流动通过 LC组合，所述LC组合可显现为展示为220的等效源且具有值Ul。此源感应到接收器中的对应等效功率源230中，以形成感应功率U2。源230与电 感L2 M0、电容C2 M2、电阻R2 244且最终到负载165串联。电子电路可连接到耦合环路，其以电子方式将功率耦合到主电感环路。上文所提及的等效电路可指代主电感环路，其与任何电路部分电分离。一个示范性实施例是在不同功率电平和其它不同特性下比较这些天线的性能。通 过这样做，分析关于这些材料以不同特性操作的方式的信息。示范性实施例描述大型(L)、 中型(M)和小型( 铁氧体天线及其性能。铁氧体棒材料通常在通信接收器应用中在小信号电平下(例如在ImW下或在低于 ImW下)使用。尚未建议在大功率电平(例如，高达2W)下或针对功率转移使用这些材料。我们的申请案已展示基于铁氧体或非常磁性材料的天线可在用于发射和/或接 收无线功率时具有某些优点。然后，这些天线可极为应用特定的举例来说，尽管铁氧体可 用于许多不同应用中且在无线功率发射中产生显着优点，但其使用实际上限于其中铁氧体 产生优点的非常受限的情形。然而，本申请案还描述了铁氧体棒的细长形状可实际上对一 些应用有利。此细长形状的恰当定形可实际上改进铁氧体棒的操作，且因而可能较重要。因 此，示范性实施例界定用于无线功率系统的铁氧体棒和无线功率系统中的天线的此形状和 位置以及用于所述铁氧体棒的材料可能至关重要。图1和图2中的线圈Ll和L2可为管状铁氧体元件，其中线圈缠绕在其周围。管 状铁氧体元件具有细长形状，这意味着元件的长度大于宽于元件的宽度，如图3所示。图3还说明铁氧体如何本质上集中磁场线(例如300)，其中在位于铁氧体装置之 前的区域301上的场线集中到对应于铁氧体装置的直径的区域302中。此放大可改进操作。通过实验，发现磁场等于B= μ o(l+X m) H= μ 0 (Η+Μ) = μ 0 μ rH其中u为材料的磁导率，且H为以安培/米计的磁场。图4说明以安培/米计的磁场H与所得磁场B之间的曲线图。此展示磁滞效应， 且一个示范性实施例界定将所要B和H场维持于其中磁滞损耗减到最小的指定电平。此外，由于磁场集中于铁氧体中，所以这提供较少由于邻域影响引起的降级。示范性实施例描述不同原型示范性实施例且描述不同铁氧体尺寸和材料的测试。图5和图6表示作为原型测试的第一铁氧体棒，其称为尺寸L。尺寸L具有 87mmX IOmm直径的尺寸。所述铁氧体棒自身在图6中展示。棒600可由任何铁氧体材料制 成，但在示范性实施例中，由立方结构铁氧体(ferrOXCube)4B2制成。铁氧体棒还具有主线圈部分605，其相对于铁氧体棒600滑动。主线圈由尺寸为 72x.5mm的绞合线(或较常见为多股接触线)形成。耦合绕组也以机械方式耦合到滑动主 线圈605。耦合绕组610未电连接到主线圈605，且可由1到10圈电线形成。在操作中，耦合绕组从源接收功率，且将所述功率耦合到主线圈。滑动绕组的总体 长度(绞合线加上耦合线)为四讓，其沿着87mm铁氧体棒上滑动。本文中所描述的示范性实施例展示主线圈电感、耦合线圈电感的不同数目的绕 组，且还展示展示为650的值“d”的效应。到组合件的连接被展示为经由BMC连接器620，BMC连接器620仅经由柔性连接电 缆622连接到耦合绕组610。电缆足够长以使得滑动线圈601可在滑动线圈主体600上在 任何地方滑动。主线圈605还与电容器610并联，从而形成LC常数。在一个示范性实施例中，电容器与线圈之间的连接可由柔性电线制成，或者电容器可经安装以使得每当线圈移动时其 就移动。线圈/电容器连接被连接到输出线659，所述输出线659自身连接到无线功率电 路660。举例来说，此电路可为在某一频率(例如，135Khz)下产生经调制功率信号的无线 功率发射器或接收无线功率且对其进行整流的接收器。尺寸L可提供(例如)高达2W的发射或接收功率。图7A和图7B展示尺寸M的另一示范性实施例，其中使用40mmX IOmm直径的中型 尺寸铁氧体棒。这可提供(例如)IW或更小的接收功率。图8A和图8B展示直径为22mmX8mm的小尺寸棒。棒自身(图8B中在800处展 示)还具有由主线圈与耦合线圈主线圈806和耦合线圈807形成的滑动线圈组合件805。 装置与电容器并联形成。在示范性实施例中，小尺寸装置可能已失去中型尺寸装置的可能 可用于小于1/2W的功率电平的一些功能。已针对不同天线进行若干测试，且可从这些测试发现不同信息。对于尺寸L的铁 氧体天线，可使用若干不同尺寸装置。所测试的第一天线具有长度大约为24mm的主线圈，其由72乘0. 5mm绞合(多股) 线形成。这形成约88. ΙμΗ的电感，其在IOOmV下具有为273的Q。在此示范性实施例中， 所使用的电容对于为135kHz的频率为15. 77 μ F0本文中所描述的测试值可通过使用不同电容和电压值来使用图9所展示的测试 设置。根据一个示范性实施例，可通过使用发射天线且假定互逆性作为接收天线来实行测 量。根据一个示范性实施例，使用Q值来确定对所施加的功率量的限制。根据一个示范性实施例，基于以下参数来评估铁氧体棒天线的特性—线圈长度 24mm线圈材料-绞合72 X 0, 05mm— Indue tan ceL = 88，1 μ Hbisd = 8，5mm/Q = 273— C = 15，77uF谐振频率fQ = 135kHz (IOOmV)
测试结果材料电容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所测试的安捷伦(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)对于C = 15uF的电容器这些结果在表1中概述，表1展示L天线(长度为87mm、直径为IOmm)的那些结 果。主线圈为24mm长，由37匝电线形成。使用15. 77nf电容器，且所测得的电感(不具有 铁氧体)为6. 3 IuH:
权利要求
1.一种无线功率系统，其包含到具有第一频率的信号的连接，所述信号携载指定功率电平；电感性部分，其由环路基座以及具有第一指定数目的环路匝的主电感性环路和具有第 二数目的环路匝的耦合环路形成，所述耦合环路具有比所述主环路少的环路匝，且所述连 接电耦合到所述耦合环路而不耦合到所述主电感性环路，所述耦合环路和所述主环路在物 理上彼此耦合且可相对于所述环路基座移动，使得所述主环路和所述耦合环路两者一起在 所述环路基座上移动。
2.根据权利要求1所述的系统，其进一步包含在与所述主电感性环路谐振的频率下接 收无线功率且形成功率输出的电路，所述功率输出经耦合以从所述耦合环路接收输出。
3.根据权利要求1所述的系统，其进一步包含在与所述主电感性环路谐振的频率下形 成功率输出且将所述功率输出耦合到所述耦合环路以发射无线功率的电路。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述连接包括多个柔性电线，无论所述耦合环路 在所述环路基座上移动到哪里，所述柔性电线均连接到所述耦合环路。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述电感性部分形成有铁氧体芯。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述耦合环路上的绕组的数目用以设定所述系统 的输入阻抗。
7.根据权利要求1所述的系统，其进一步包含跨越所述主电感性环路耦合的电容。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述电容具有一值，使得所述电感和电容一起的 LC值以指定频率谐振。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述指定频率为135kHz。
10.一种发射无线功率的方法，其包含优化天线的第一耦合环路部分；以机械方式将主电感性环路附接到所述第一耦合环路且保持所述主环路与所述耦合 环路彼此电隔离；与优化所述耦合环路分开地优化所述天线的所述主环路；将所述耦合环路和所述主环路两者移动到不同位置，以相对于电路的参数优化其位 置；以及使用彼此附接的所述耦合环路和主环路来发射无线功率。
11.根据权利要求10所述的方法，其中根据所述天线的所要输入阻抗来优化所述耦合 环路。
12.根据权利要求10所述的方法，其进一步包含跨越所述主环路耦合电容器，其中所 述主环路和所述电容器共同形成以所述无线功率发射的指定频率谐振的LC常数。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述指定频率为135kHz。
14.根据权利要求12所述的方法，其进一步包含将所述连接的耦合环路和主环路移动 到不同位置以优化所述耦合环路和主环路的特性。
15.根据权利要求14所述的方法，其进一步包含将所述耦合环路和所述主环路缠绕在 芯上，且其中所述移动是相对于所述芯。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述芯为铁氧体芯。
17.一种接收无线功率的方法，其包含优化天线的第一耦合环路部分；以机械方式将主电感性环路附接到所述第一耦合环路且保持所述主环路与所述耦合 环路彼此电隔离；与优化所述耦合环路分开地优化所述天线的所述主环路；将所述耦合环路和所述主环路两者移动到不同位置，以相对于用以接收所述无线功率 且由所述无线功率供电的电路的参数优化其位置；以及使用彼此附接的所述耦合环路和主环路来接收无线功率。
18.根据权利要求17所述的方法，其中根据所述天线的所要输入阻抗来优化所述耦合 环路。
19.根据权利要求17所述的方法，其进一步包含跨越所述主环路耦合电容器，其中所 述主环路和所述电容器共同形成以所述无线功率发射的指定频率谐振的LC常数。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述指定频率为135kHz。
21.根据权利要求19所述的方法，其进一步包含将所述连接的耦合环路和主环路移动 到不同位置以优化所述耦合环路和主环路的特性。
22.根据权利要求21所述的方法，其进一步包含将所述耦合环路和所述主环路缠绕在 芯上，且其中所述移动是相对于所述芯。
23.根据权利要求17所述的方法，其中所述芯为铁氧体芯。
全文摘要
本发明提供用于发射或接收无线功率的铁氧体芯天线。所述天线可相对于所述芯移动。
文档编号H02J5/00GK102057552SQ200980120849
公开日2011年5月11日 申请日期2009年6月5日 优先权日2008年6月5日
发明者卢卡斯·西贝尔, 奈杰尔·库克, 彼得·施瓦英格, 汉斯彼得·威德默 申请人:高通股份有限公司