使用一个或多个传感器来检测无线功率发射场的禁区中的物体并对其进行分类的系统和方法以及具有集成传感器布置的天线与流程

本公开总体上涉及用于无线功率发射的系统，并且更具体地涉及在无线充电系统中使用一个或多个传感器(例如，包括测距传感器和物体分类传感器的两个传感器、或被配置为辅助测距和物体分类功能的一个传感器)来检测无线功率发射场的禁区中的物体并对其进行分类，以及具有用于在不使用波束成形控制的情况下在近场(nf)或nf+距离处无线发射能量的集成传感器布置的天线。

背景技术：

1、用于消费类设备的无线充电系统通常需要复杂且往往昂贵的部件来发射和接收无线输送的功率。传统地，无线功率发射器很难准确区分需要充电的有效无线功率接收器与异物、或者可能被无线输送的功率伤害的生命或生物有机体(例如，人类)。开发用于检测无线功率发射场内的物体并且对其进行分类两者的传感器布置也是具有挑战性的。一些传统充电设备的用户遇到了许多令人失望的问题，这些问题包括对包括磁条和/或rfid芯片(例如，信用卡、安全徽章、护照、钥匙卡等)在内的物体造成损坏。此外，每当存在异物或者生命或生物有机体时，传统系统会中断或终止充电。这导致许多用户失望的体验，因为他们体验到他们的设备充电中断，并且可能进一步地最终损坏他们日常使用的重要物品。此外，传统的无线充电系统不利用专用的功率放大器控制器集成电路，更不用说能够辅助对异物(其可以包括生命或生物有机体)的分类和检测的集成电路了。

2、为了在远距离无线发射功率时产生集中的能量，许多现有解决方案使用波束成形，例如，控制相位和其他波形特性来产生相长和/或相消干涉图案，从而将功率束集中到某个位置的设备上。波束成形通常需要多个天线、波束成形算法控制电路和/或算法、以及多个功率放大器，所有这些增加了系统的复杂性，并增加了整体系统成本。

3、因此，将期望提供解决上述缺点的、用于无线发射和接收功率的系统和方法。

技术实现思路

1、本文描述的无线功率发射系统使得可以使用一个或多个传感器(例如，包括测距传感器和物体分类传感器的两个传感器、或被配置为辅助测距和物体分类功能的一个传感器，如与本文描述的天线集成的电容式传感器)来检测无线功率发射场的禁区中的物体并对其进行分类，并且还使得可以产生具有集成传感器布置的天线。在一些实施例中，根据本文描述的技术，系统利用第一类型的传感器来检测禁区内的物体并且利用第二类型(不同于该第一类型)的传感器来对这些物体进行分类。在其他实施例中，单个传感器可以被配置为辅助测距功能(例如，检测禁区内的物体)和物体分类功能(例如，使用来自单个传感器的数据将物体分类为特定类型的物体)两者。以这种方式，例如，系统能够检测到用户的手进入具有要充电的设备的禁区并且避免启动该设备的无线充电，直到确定用户的手已离开禁区为止。因此，本文描述的技术有助于确保无线功率的安全发射。

2、附加地，本文描述的无线功率发射系统使得能够在充电操作期间仅使用单个功率放大器来连续控制辐射剖面以维持发射场内的功率水平，该功率水平被控制为保持在人类(以及其他潜在敏感物体)的安全阈值内，从而解决了上述一些问题。还可以检测到异物的存在(例如，可以在靠近充电表面和/或在充电表面上、和/或在更远的距离处时利用来自一个或多个传感器的数据检测到异物的存在)，并且功率放大器控制器可以用于帮助禁用、启用或调整辐射剖面以确保系统安全运行(既保护人类用户又保护其他敏感物体)。

3、本文所公开的无线功率发射系统的紧凑且具有成本效益的设计包括基于来自一个或多个传感器(例如电容式传感器、飞行时间传感器(例如，超声波飞行时间传感器等))的信息、阻抗测量、和/或依据经由带外ble链路(或其他通信协议)从无线功率接收器接收的信息来启用和禁用的功率放大器(例如，在一些实施例中，仅给单个天线馈电的单个功率放大器)。在一些实施例中，本文所公开的无线功率发射系统消除了使用复杂的波束成形系统的需要(例如，即使波束成形控制可用，系统也不需要使用它来产生对无线发射能量的受控输送)，该复杂的波束成形系统需要附加的笨重电子部件和多个昂贵的功率放大器来控制多个天线/给多个天线馈电。

4、在一些实施例中，本文所公开的无线功率发射系统包括多对天线和功率放大器(每对中只有一个功率放大器和一个天线)。每一对天线和功率放大器负责特定的充电区域，使得该对天线和功率放大器控制对被检测到位于特定充电区域内的任何接收器进行充电，并且这种受控充电是在不使用任何波束成形控制的情况下执行的。在一些实施例中，作为包括多对功率放大器和天线的系统的补充或替代方案，无线功率发射系统仅包括给多个天线馈电的一个功率放大器(例如，通过使用单个功率放大器给不同的天线馈电，降低了整个系统的成本，但系统仍然能够将天线指派到各个充电区域)。在一些其他实施例中，本文所公开的无线功率发射系统包括多组天线和功率放大器(每组中仅一个功率放大器和多个天线)。每组多个天线和功率放大器负责特定的充电区域，使得该组多个天线和功率放大器控制对被检测到位于特定充电区域内的任何接收器进行充电，并且这种受控充电是在不使用任何波束成形控制的情况下执行的。一个或多个天线可以支持经由发射器处的rf算法控制的固定或可编程的rf能量图案(或剖面)，该rf算法限制功率放大器的能量水平，控制rf能量图案，并且所产生的充电区域在监管要求的限制内，以满足电场和sar水平(例如，符合联邦通信委员会(fcc)要求的第15部分或第18部分)。

5、无线功率发射器设备的不同实施例可以包括i)单个功率放大器和单个天线，ii)单个功率放大器和两个或更多个天线，该功率放大器经由一个或多个馈源耦接到每个天线，iii)单个功率放大器以及两个或更多个天线，该功率放大器经由一个或多个开关选择性地耦接到天线，iv)单个功率放大器以及两个或更多个天线，该功率放大器经由一个或多个分流器耦接到天线，v)两个或更多个功率放大器和单个天线，vi)两个或更多个功率放大器和两个或更多个天线，单个功率放大器耦接到单个天线，vii)两个或更多个功率放大器和两个或更多个天线，这些功率放大器被动态地配置为与这些天线耦接。可以使用上文描述的实施例的不同组合。上文描述的实施例中的每一个都包括如本文描述的功率放大器控制器集成电路、用于执行本文描述的测距和物体分类功能的一个或多个传感器、和/或用于执行下文描述的方法的其他部件。

6、在一些实施例中，本文描述的无线功率发射系统包括用于管理和控制功率放大器的操作的功率放大器控制器集成电路。功率放大器控制器集成电路控制功率放大器以提供rf信号，该信号当被提供给一个或多个天线时使rf能量发射不会伤害人类、异物和/或功率放大器。功率放大器控制器集成电路可以用于选择启用或禁用rf能量发射。功率放大器控制器集成电路可以接收来自一个或多个传感器的数据以允许其检测阻抗变化、对接收器进行分类、定位接收器、对人类和/或其他生命有机体进行分类、以及下文参考图5a至图7b描述的多个其他功能。

7、本文所公开的无线功率发射系统包括近场+(nf+)系统的功能，该nf+系统能够通过空气将无线功率从发射器设备输送到充电区域内(但不与发射器设备直接接触)的多个接收器。nf+系统针对成本、性能和合规性进行了优化/表征。出于本公开的目的，nf+范围是指发射器设备周围大约(由发射器设备以特定频率发射的功率波的)一个半波长或更短距离内的区。在一些实施例中，本文描述的无线功率发射系统可以用于以下各项中的一项或多项：近场、nf+、中场和远场发射应用。近场(nf)是指发射天线周围大约(由发射器设备以特定频率发射的功率波的)一个波长或更短距离内的区。远场是指发射天线周围大约(由发射器设备以特定频率发射的功率波的)两个波长或更长距离内的区。中场是指在近场与远场之间的区。例如，当发射波的频率是2.4ghz时，nf+范围等于或在大约0.188m内，近场范围等于或在大约0.125m内，中场范围是从大约0.125m至大约0.25m，并且远场范围等于或大于大约0.25m。在另一示例中，当发射波的频率是5ghz时，nf+范围等于或在大约0.09m内，近场范围等于或在大约0.06m内，中场范围是从大约0.06m至大约0.12m，并且远场范围等于或大于大约0.12m。

8、在一个示例中，对近场发射的提及是指通过天线(例如，本文所描述的环形天线)进行的电磁波辐射的距离长达大约天线的操作频率的波长(例如，5.8ghz的操作频率的波长为大约5.17厘米，因此在该示例中，天线的近场发射距离为大约5.17厘米)。在一些实施例中，操作频率范围为从400mhz到60ghz。出于以下描述的目的，近场功率发射器(或近场射频功率发射器)是包括一个或多个无线功率发射器的无线功率发射设备，这些无线功率发射器中的每一个被配置为将电磁波辐射到位于功率发射器的近场距离内(例如，如果功率发射器的一个或多个无线功率发射器正在使用5.8ghz的操作频率，则位于功率发射器的0至5.17厘米内)的接收器设备。

9、(a1)根据一些实施例，一种无线功率发射系统包括至少两个不同类型的至少两个传感器、一个或多个天线、被配置为放大提供给一个或多个天线的射频(rf)信号的功率放大器、以及一个或多个集成电路。一个或多个天线在接收到放大的rf信号时被配置为在无线功率发射系统的发射场(例如，1m)内辐射rf能量。一个或多个集成电路被配置为从至少两个传感器中的第一传感器接收指示无线功率发射系统的发射场的禁区(例如，20cm)内存在物体的第一传感器数据。响应于该接收，一个或多个集成电路被配置为使用来自不同于第一传感器的第二传感器的第二传感器数据将物体分类为敏感物体。在继续检测到禁区内存在敏感物体时，一个或多个集成电路被配置为放弃向功率放大器提供放大rf信号的指令。根据敏感物体不再在禁区内的第一确定，一个或多个集成电路被配置为确定需要充电的电子设备是否在发射场内。根据需要充电的电子设备在发射场内的第二确定，一个或多个集成电路被配置为指示功率放大器放大rf信号，以使一个或多个天线辐射集中在需要充电的电子设备附近的rf能量。

10、(a2)在a1的一些实施例中，一个或多个集成电路进一步被配置为在辐射集中在电子设备附近的rf能量时从至少两个传感器中的第一传感器接收指示无线功率发射系统的发射场的禁区内存在另一物体的第三传感器数据。响应于该接收，一个或多个集成电路被配置为使用来自第二传感器的第四传感器数据将另一物体分类为另一敏感物体。然后，一个或多个集成电路被配置为指示功率放大器在检测到禁区内存在另一敏感物体时停止放大rf信号。

11、(a3)在a1至a2中任一项的一些实施例中，敏感物体是人手，并且另一敏感物体也是人手。

12、(a4)在a2的一些实施例中，在检测到另一敏感物体的预定时间量内向功率放大器提供停止放大rf信号的指令。

13、(a5)在a2和a4中任一项的一些实施例中，预定时间量少于150毫秒。

14、(a6)在a2和a4至a5中任一项的一些实施例中，预定时间量少于100毫秒。

15、(a7)在a2和a4至a6中任一项的一些实施例中，预定时间量少于50毫秒。

16、(a8)在a1至a7中任一项的一些实施例中，在继续检测到禁区内存在敏感物体时，需要充电的电子设备也存在于发射场内。

17、(a9)在a1至a8中任一项的一些实施例中，发射场包括三维空间的大于禁区中所包括的三维空间区域的区域。

18、(a10)在a1至a9中任一项的一些实施例中，第一传感器是被配置为检测禁区内的物体的测距传感器。

19、(a11)在a10的一些实施例中，第一传感器是超声传感器、光学传感器或红外传感器。

20、(a12)在a10至a11中任一项的一些实施例中，第二传感器是被配置为检测用于将物体分类为敏感物体的数据的分类传感器，并且第二传感器不能在禁区内执行准确测距。

21、(a13)在a1至a12中任一项的一些实施例中，第二传感器是电容式传感器或是被配置为检测无线功率发射系统处的阻抗变化的传感器。

22、(a14)在a1至a13中任一项的一些实施例中，第一传感器数据指示无线功率发射系统的发射场的禁区内存在至少两个物体，并且一个或多个集成电路进一步被配置为基于第一传感器数据来确定禁区内的物体数量。在一些实施例中，第一传感器数据和第二传感器数据共同用于帮助确定禁区内的物体数量。

23、(a15)在a14的一些实施例中，一个或多个集成电路进一步被配置为使用来自第二传感器的第二传感器数据对禁区内的每个物体进行分类。根据基于第二传感器数据检测到的至少一个物体是敏感物体的第五确定，一个或多个集成电路被配置为指示功率放大器在禁区内检测到存在另一敏感物体时停止放大rf信号。

24、(a16)在a1至a15中任一项的一些实施例中，第一传感器被配置为检测距无线功率发射系统的外部壳体至少20cm远的一个或多个物体。

25、(a17)在a16中任一项的一些实施例中，无线功率发射系统的发射场从无线功率发射系统的外部壳体延伸到距无线功率发射系统的外部壳体至少1m远的距离。

26、(a18)在a1至a17中任一项的一些实施例中，第一确定是在敏感物体不再在禁区内但仍在发射场内时进行的。

27、(a19)在a1至a18中任一项的一些实施例中，一个或多个集成电路进一步被配置为丢弃来自第一传感器的指示存在已在禁区中停留预定时间段的非移动目标(例如，如杯子等不可充电的设备或充满电的设备)的数据。

28、(a20)在a1至a19中任一项的一些实施例中，一个或多个集成电路进一步被配置为丢弃来自第一传感器的指示存在禁区之外的物体的数据。换言之，第一传感器在某种情况下仅用于检测禁区内的物体的存在，但不用于检测在禁区之外的物体。

29、(a21)在a1至a20中任一项的一些实施例中，一个或多个集成电路被配置为从至少两个传感器中的单个传感器接收第一传感器数据和第二传感器数据。响应于该接收，一个或多个集成电路被配置为使用来自单个传感器的第一传感器数据检测物体，并且使用来自单个传感器的第二传感器数据将物体分类为敏感物体。换言之，在一些实施例中，第一传感器和第二传感器是同一个传感器(如与天线集成的电容式传感器，这在下文更加详细地进行描述)。

30、(a22)根据一些实施例，一种方法包括：从至少两个传感器中的第一传感器接收指示无线功率发射系统的发射场的禁区内存在物体的第一传感器数据。该方法包括：响应于该接收，使用来自不同于第一传感器的第二传感器的第二传感器数据将物体分类为敏感物体。该方法进一步包括：在继续检测到禁区内存在敏感物体时，放弃向功率放大器提供放大rf信号的指令。根据敏感物体不再在禁区内的第一确定，该方法包括确定需要充电的电子设备是否在发射场内。根据需要充电的电子设备在发射场内的第二确定，该方法包括指示功率放大器放大rf信号以使一个或多个天线辐射集中在需要充电的电子设备附近的rf能量。

31、(a22.5)在a21的一些实施例中，该方法还包括根据上述a2至a21中任一项的操作。

32、(a23)根据一些实施例，一种非暂态计算机可读介质存储指令，该指令在由计算机中的处理器执行时使计算机执行包括以下的操作：从至少两个传感器中的第一传感器接收指示无线功率发射系统的发射场的禁区内存在物体的第一传感器数据。该方法进一步包括：响应于该接收，使用来自不同于第一传感器的第二传感器的第二传感器数据将物体分类为敏感物体。在继续检测到禁区内存在敏感物体时，该方法包括放弃向功率放大器提供放大rf信号的指令。根据敏感物体不再在禁区内的第一确定，该方法包括确定需要充电的电子设备是否在发射场内。根据需要充电的电子设备在发射场内的第二确定，该方法包括指示功率放大器放大rf信号以使一个或多个天线辐射集中在需要充电的电子设备附近的rf能量。

33、(a23.5)在a23的一些实施例中，操作进一步包括根据上述a2至a21中任一项的操作。

34、(b1)根据一些实施例，一种无线功率发射天线包括被配置为放大提供给信号馈源的射频(rf)信号的功率放大器，该信号馈源被配置为传导射频(rf)信号。无线功率发射天线进一步包括由单片金属形成的单元式谐振器。单元式谐振器直接接触信号馈源并且被使得基于rf信号在发射场(例如，具有预定大小和形状的预定发射场)中辐射rf能量。无线功率发射天线还包括：间隔件，该间隔件耦接在单元式谐振器与接地平面之间；以及该接地平面。接地平面形成(或接地平面的一部分包括或与之耦接)电容式传感器，该电容式传感器被配置为在不干扰辐射的rf能量的情况下检测发射场内的一个或多个物体。

35、(b2)在b1的一些实施例中，接地平面是实心铜平面。

36、(b3)在b1至b2中任一项的一些实施例中，接地平面的表面区域作为电容式传感器操作。在一些实施例中，无线功率发射天线被配置为同时辐射rf能量，同时还操作电容式传感器，使得天线能够在同一时间执行两个独立功能(对物体的无线功率发射和感测)。

37、(b4)在b1至b3中任一项的一些实施例中，接地平面是包括顶层和底层的pcb，该顶层包括至少两个部分，该底层包括单个部分。

38、(b5)在b4的一些实施例中，顶层的至少两个部分中的第一部分居中地位于接地平面上，并且顶层的至少两个部分中的第二部分与第一部分共面并且在第一部分周围，使得在顶层的至少两个部分中的第一部分与第二部分之间形成矩形。第一部分和第二部分作为导电物体操作，并且矩形是在这些导电物体之间对施加到这些导电物体的电压差做出响应的空间(即，形成传感器)。在一些实施例中，形成在接地平面上的电容式传感器的性能基于以下各项中的一项或多项：顶层的第一部分的大小、顶层的矩形(即，第一部分与第二部分之间的间隙)、制成接地平面的材料(例如，铜)、以及制成接地平面的材料的厚度(即，pcb材料和厚度)。

39、(b6)在b1至b5中任一项的一些实施例中，顶层和底层由铜材料制成。

40、(b7)在b1至b6中任一项的一些实施例中，一个或多个电气部件耦接到接地平面的第一表面，接地平面的第一表面定位成与接地平面的耦接到间隔件的第二表面相对。

41、(b8)在b1至b7中任一项的一些实施例中，当电容式传感器在操作中时，辐射的rf能量具有至少6db的峰值增益。

42、(b9)在b1至b8中任一项的一些实施例中，电容式传感器被配置为在天线辐射rf能量时检测距接地平面最高15英寸远的一个或多个物体。

43、注意，上文描述的各种实施例可以与本文描述的任何其他实施例相结合。说明书中描述的特征和优点并非都是包含性的，并且特别地，鉴于附图、说明书和权利要求，许多附加特征和优点对于本领域普通技术人员将是显而易见的。此外，应当注意，说明书中使用的语言主要是出于可读性和指导性目的而选择的，并且可能不是为了界定或限制本发明的主题而选择的。