具有以单谐振本征模式振荡的耦合谐振器的谐振无线电源制造技术

描述了各种实施例，所述实施例用于调谐耦合谐振器的系统以实现RF电流振幅和方向的期望的布置，并且耦合谐振本征频率等于期望的驱动频率。动频率。动频率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有以单谐振本征模式振荡的耦合谐振器的谐振无线电源
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2020年1月14日提交的名称为“具有以单谐振本征模式振荡的耦合谐振器的谐振无线电源”的美国临时专利申请No.62/961,040的权益和优先权，其全部内容通过引用并入本文。

技术介绍

[0003]小传感器和物联网(IoT)技术近期的大量出现引入了对在大预定义体积内为大量小装置供电的新需求。因为线材限制了装置的移动性并且电池对装置功能和寿命造成了限制，所以期望无线功率解决方案。
[0004]一种这样的解决方案是谐振磁无线功率系统，该谐振磁无线功率系统用振荡磁场填充一定体积的空间。谐振偶极子接收器可以在该空间内自由地移动并且从由射频(RF)源生成的场接收功率。在一些情况下，由简单的电流回路产生的磁场是足够的。然而，在其他情况下，可能需要更加复杂的场方向图。
附图说明
[0005]参考以下附图能够较好地理解本公开的许多方面。附图中的部件不一定是按比例的，而是将重点放在清楚地示出本公开的原理上。此外，在附图中，相似的附图标记表示在若干视图中相应的部分。
[0006]图1是示出根据本公开的各种实施例的具有多个耦合谐振器的系统的示例电路图。
[0007]图2是示出根据本公开的各种实施例的驱动具有多个耦合谐振器的系统的E类放大器的示例电路图。
[0008]图3是示出根据本公开的各种实施例的驱动磁环天线并且为谐振接收器供电的分布式E类RF发生器的示例电路图。
[0009]图4是示出根据本公开的各种实施例的包括两个方形回路的双谐振器系统的示例电路图。
[0010]图5是根据本公开的各种实施例的为五个调节的5W发光二极管负载供电的12英尺x12英尺双谐振器系统的照片，其中，外部回路由分布式E类放大器有源地驱动，内部回路是无源谐振器。
[0011]图6是根据本公开的各种实施例的双谐振器在回路平面上方5英寸的高度处的磁场的垂直分量的量值的模拟。
[0012]图7是示出根据本公开的各种实施例的图4的双谐振器系统的模拟场方向图的横截面的图。
[0013]图8是根据本公开的各种实施例的三重嵌套的谐振器系统的示例电路图。
[0014]图9是根据本公开的各种实施例的布置成锥形的四个堆叠的耦合谐振回路的图。
[0015]图10是根据各种实施例的4x4阵列的平铺的谐振器的示意图。
[0016]图11是根据本公开的各种实施例的为六个低功率(<1W)发光二极管负载供电的4x4阵列的平铺的谐振器的照片，其中，整个结构的尺寸为8英尺x8英尺，除了边缘上有源地驱动的一个拼块之外，所有的拼块都是无源的。
[0017]图12是示出根据各种实施例的使用开关电容器的自调谐谐振器的示例电路图。
[0018]图13是示出根据各种实施例的使用开关电感器的自调谐谐振器的示例电路图。
[0019]图14是示出根据各种实施例的使用接近重调谐的自调谐谐振器的等效电路的示例电路图。
[0020]图15是根据本公开的各种实施例的相对于电流密度和半径示出的具有不同几何形状的二维环形接收谐振器的各种谐振器设计。
[0021]图16是根据本公开的各种实施例的各种谐振器设计的照片。
[0022]图17是示出根据本公开的各种实施例的E类放大器的示例电路图。
[0023]图18是绘制出根据本公开的各种实施例的示例理论开关电压波形的图。
[0024]图19是根据本公开的各种实施例的具有切向表面电流密度的环形导体的图。
[0025]图20是根据本公开的各种实施例的用于测量谐振器偶极子体积的谐振亥姆霍兹线圈的图。
[0026]图21是根据本公开的各种实施例的谐振亥姆霍兹线圈和测试谐振器的照片。
[0027]图22是对在亥姆霍兹线圈的输入处的反射系数进行拟合的三参数最小二乘曲线。
[0028]图23是示出根据本公开的各种实施例的示例无线功率传输方法的流程图。
具体实施方式
[0029]本公开涉及谐振无线电源，该谐振无线电源包括以单谐振本征模式振荡的多个耦合谐振器。根据本文描述的各种实施例，描述了射频(RF)电源，该射频电源包括多个耦合的谐振器，所述多个耦合的谐振器被配置为使得它们产生一个或多个复杂的场方向图。
[0030]谐振无线功率传输利用从振荡的环境场吸收功率的谐振偶极子接收器。通常，偶极子和环境场可以均是电的、磁的或其某种组合。例如，可以利用磁偶极子和磁场，因为磁偶极子和磁场与人体的相互作用较弱。假设接收器仅当它们在某预定义体积的空间内时才需要接收功率。如果RF电源允许显著的磁场存在于在该空间外部，则系统效率将因辐射或涡流损耗而降低，或者因在预定义体积内的能量密度的稀释而降低。
[0031]因此，取决于要供电的区域的形状，可能需要产生比简单的磁环天线的磁场方向图更复杂的磁场方向图。根据本文描述的各种实施例，具有多个耦合谐振器的RF源被描述为产生复杂的场方向图的方式。此外，本文描述的实施例描述了源场，该源场可以通过调谐本文描述的系统提供的附加的自由度来形成。
[0032]图1示出了包括RF电源105的无线功率传输系统100的示例，其中，RF电源105包括多个耦合谐振器110a...110n(统称为“耦合谐振器110”)。换言之，无线功率传输系统100可以包括N个耦合谐振器110，其中，N等于或大于二。N个耦合谐振器110具有N个本征模式的振荡，每个本征模式的振荡具有对应的谐振本征频率。为了有效地将耦合谐振器110利用为无线功率传输系统100中的无线电源，可以将驱动频率设置为等于这些谐振本征频率中的一个谐振本征频率。
[0033]如果本征模式具有足够高的品质因数，并且在频率上充分地间隔开使得它们的谐
振响应曲线不重叠，则只有频率等于驱动频率的本征模式被激发。所有其它本征模式的振幅都被抑制。这使得被驱动的本征模式由连接至谐振器中的任何一个谐振器的RF发生器激发。
[0034]设计本征模式.令L
n
和C
n
分别表示第n个谐振器的电感和电容。令q
n
表示存储在第n个电容器上的电荷，并且令I
n
表示流经第n个电感器的电流。
[0035]假设期望无线功率传输系统100具有本征模式，该本征模式具有由I
n
给出的电流振幅的特征向量，并且具有等于期望驱动角频率ω的对应本征频率。令电流的方向定义成使得在电荷q
n
与电流I
n
之间保持以下关系：
[0036]I
n
＝
‑
jωq
n
ꢀꢀ
(等式1)
[0037]第n个电容器上的电压V
n
与电荷q
n
之间的关系由下式表示：
[0038]q
n
＝C
n...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于无线功率传输的方法，包括：确定用于生成无线功率传输区域的期望的磁场方向图，在所述无线功率传输区域中，多个接收器能够无线地接收功率；确定多个谐振器的布置，以在所述无线功率传输区域内生成期望的磁场，所述多个谐振器的布置包括所述多个谐振器中的每个谐振器的电流的方向和振幅；确定在所述布置中彼此耦合的所述多个谐振器中的每个谐振器的所需的调谐，使得存在本征模式，所述本征模式具有等于期望的驱动频率的本征频率，且所述本征模式针对所述多个谐振器中的每个谐振器确定的电流的方向和振幅等于生成所述期望的磁场方向图的电流的期望的布置；以及提供生成所述期望的磁场方向图的无线功率系统，其中，所述无线功率系统被调谐至所述所需的调谐并且包括所确定的所述多个谐振器的布置。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所提供的无线功率系统包括多个导电回路，其中，所述多个导电回路包括外部导电回路和至少一个内部导电回路。3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述至少一个内部导电回路是单个内部导电回路，所述导电回路的总数是两个。4.根据权利要求2所述的方法，其中，提供所述无线功率系统包括：提供至少一个分布式射频RF发生器；使用所述至少一个分布式RF发生器有源地驱动作为有源谐振器的所述外部导电回路；以及使用所述至少一个分布式RF发生器无源地驱动作为无源谐振器的至少一个内部回路。5.根据权利要求4所述的方法，其中，提供无线功率传输系统还包括提供放大器并且以期望的本征模式的角谐振频率驱动所述放大器。6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述放大器是E类放大器。7.一种用于无线功率传输的系统，包括：无线功率传输...

【专利技术属性】
技术研发人员：R，
申请(专利权)人：爱泽达恩技术有限公司，
类型：发明
国别省市：