CN109690897A - 用于无线充电的低频整流天线*** - Google Patents

Abstract

一种使用圆极化源天线的人类安全的无线充电***，所述圆极化源天线可以在40‑50、150或200 MHz频率下以半球状方向图或定向像心脏线方向图向被耦合到寄生接收元件的接收环形天线辐射。

Description

用于无线充电的低频整流天线***

发明背景

相关申请

本专利申请要求John T.Apostolos等人于2016年6月20日提交的题为Low FrequencyRectenna System For Wireless Charging的美国临时专利申请号62/352,186 和JohnT.Apostolos等人于2016年8月9日提交的题为Low Frequency Rectenna System ForWireless Charging的美国临时专利申请号62/372,355的优先权，其两者特此被通过引用而结合。

技术领域

本申请针对电子设备的充电，并且特别地涉及电池使能设备的无线充电。

相关技术的描述

自移动无线电时代开始以来，用户一直受到有限的电池寿命以及将其设备***到充电器中的零碎工作的困扰。在无线电设备和无线设备将用户与电线分开以传输数据的情况下，这些设备为了电力依然被链接到充电器。

近年来，已经进行了若干努力来为移动设备进行无线充电。电力事务联盟（PWA）依靠磁感应。基本上，无线充电的PMA解决方案依赖于（通常在充电垫上的）发射器线圈和（在设备中的）接收线圈的对准。接收器将发射器线圈生成的交变磁场转换成电流，并且电池再充电。Qi，另一标准，也使用磁感应进行再充电。这两个技术都要求接收功率的设备物理上接近充电器并与发射器线圈对准。虽然不要求***电线，但是它们要求用户采取动作以将设备放在充电器上并将设备对准。

无线电力联盟（A4WP）部署磁共振充电，其采用自尼古拉特斯拉以来一直发挥作用的原理并应用它以为智能电话供电。其类似于磁感应，因为它依靠线圈的相互作用，但是用功率传送速率换取不需要完美地对准发射器和接收器的增加便利性。

但是这两个解决方案都通过紧密接触或在短距离内进行充电。它们要求用户采取主动的步骤来充电，并要求用户记得周期性地为电话充电。

无线充电的另一方法是利用无线电波在空中发送功率。有若干公司尝试过该方法，从TechNovator的XE产品到Energous和Ossia。然而，我们明白这些技术向接收设备传输极化能量，又需要设备的具体取向。接收设备还需要它们自己的专用天线，从而需要充电技术所耗费的附加成本和空间。

本文中描述的设备消除了上面清楚地表达的问题以及关于当前已知的产品的其他问题。

背景技术

联邦通信委员会（FCC）、电气与电子工程师协会（IEEE）、美国职业安全与健康署（OSHA）、国际非电离辐射委员会（ICNIRP）、美国劳工部和美国环境保护署（EPA）都为人类可能暴露于的非电离辐射设置了标准。EPA建议人类将其暴露限于每平方米0.6至14.78瓦特（W/m²）。FCC、IEEE、OSHA、ICNIRP和劳工部将标准极限设置成来自100-300 MHz的10 W/m²。然而，在3英尺处，典型的计算机发射59.1 W/m²。许多其他家用电器超过EPA推荐：真空吸尘器可以是3782 W/m²，吹风机可以是85.11 W/m²，并且微波炉可以是1478 W/m²。

科学研究已经示出，更高频率的电磁场与人体组织更强烈地相互作用，并且对暴露的组织具有更不利的生物学影响。射频和微波辐射暴露是遗传毒性的（引起遗传损伤）。唯一的绝对安全暴露水平是为零的暴露水平。

非电离辐射随着其穿过各种材料而衰减。大多数衰减数据针对900 MHz以上的频率。在较低频率下，衰减较低。四英寸的混凝土在900 MHz下将引起12 dB的损失；3.5英寸砖引起3.5 dB损失；3英寸的木材引起2.8 dB损失；并且0.5英寸的玻璃将引起2 dB损失。

发明内容

描述了一种使用在例如40-50、100-150和200 MHz频率下（在人类安全功率水平下）的射频（RF）功率传输的无线充电***。该***使用圆极化发射天线进行传输，所述发射天线可以提供半球状覆盖和/或定向像心脏线（cardiod）的方向图（pattern）。使用被耦合到无线移动设备中的环形天线（loop antenna）或者单独的回路接收元件的寄生回路元件来接收功率。使用串联电容器使环形天线谐振以抵消回路的电抗。

整流天线功率传送***通常在微波频率下操作，并使用大相控阵列或抛物面天线。那些情况下的有效面积基本上等于天线的物理面积。本文中描述的***在至多是典型移动电话的1/10的频率下操作。因此，它们在其中有效面积比物理面积大得多的域中操作。作为示例，在1.5小时内为智能电话的电池充满电耗费2.0瓦特的充电。在5.8 GHz下的2.0瓦特充电水平下，其将在被安装在智能电话上的5.0 in²面积的10元件相控阵列上采取800瓦特/m²的入射场。人类安全暴露极限是100 W/m²，这被大大超过。相反，本文中描述的在100MHz下操作的低频整流天线仅需要2.0 W/m²的入射场来生成2.0 W的充电，这相当大地低于安全的人类暴露极限。

附图说明

图1示出了取向独立的（ORIAN）天线阵列和被安装在墙壁上的发射器，其向具有寄生环形馈源和***环形天线的接收器传输功率。

图2是iPhon^tm 6上的天线的图片。

图3是ORIAN天线阵列及其传输波瓣的绘图。

图4是在房间天花板上的ORIAN配置的绘图。

图5A是圆形ORIAN天线阵列的绘图。

图5B是ORIAN阵列的示例体积的（volumetric）圆柱形元件。

图5C是ORIAN阵列的示例折叠矩形元件。

图6是用于无线配置的双模式接收天线。

图7A是用于环形天线配置的天线接收信号强度。

图7B是用于偶极子天线配置的天线接收信号强度。

图8是整流器的示意图。

图9是桌面（table top）超方向性ORIAN阵列的图片。

具体实施方式

圆极化RF无线充电

基于天线的能量传输***如本文中描述的那样，并且可以在图1中看到。该***包括发射器104和接收器101。经由无线电波在发射器104和接收器101之间传输能量。接收器101检测107和/或整流108所接收的信号以提取功率信号，并将其用于某个目的，例如，以为电池109再充电或为某个电子设备供电。

电池109可以被安装在任何接收器设备101中，例如便携式无线电设备、蜂窝电话、智能电话、PDA、平板、膝上型计算机、智能手表、标签或多个物联网设备；以及当前不是智能设备的其他设备，诸如手电筒、内部和外部装饰性照明设备、儿童的 玩具、工具等。在一些实施例中，该技术可以用于直接为设备供电而不结合电池，或者可以用于为电容器或其他能量存储设备充电。在使用标签的一些实施例中，发射器101可以结合技术以使用天线的定向性质连同信号强度（或飞行时间）数据来定位标签的物理位置。

通过最大可用天线大小与频率的关系曲线来管理优选的操作频率。例如，智能手表实现利用2.5 cm（1英寸）平方的天线在200 MHz下操作，智能电话利用7.5 cm（3英寸）x15 cm（6英寸）天线在50-150 MHz下操作，并且更大的设备（诸如平板或膝上型计算机）将利用更大的天线在50 MHz下操作。这些频率可以是可选择的，或者是从发射器电源同时传输的。这些天线的有效面积远远超过其物理尺寸。例如，智能电话的7.5厘米（3英寸）x15厘米（6英寸）天线可能在100 MHz下具有1平方米的有效面积，并且在50 MHz下使有效面积加倍。

在设备101在使用中时可以使用能量传输***。功率水平和频率对于用户而言在充电时存在是安全的，并且在用户正在使用设备101（将电话握在脸旁）时对接收设备101进行充电是安全的。

此外，充电频率和智能电话操作频率中的极大差异促进了在使用智能电话时进行充电的能力。智能电话操作在900 MHz以上，而充电发生在50-150 MHz下。这允许将简单的滤波器***到正常的智能电话天线中以拒绝50-150 MHz能量。为了优化性能，可以在接收天线上实现自调谐匹配网络，以确保即使在存在诸如人类之类的解谐对象的情况下天线也在正确的频率下执行。匹配网络的一个实现是在传输频率上的锁相环使用变容二极管设备。

发射器

在一个实施例中，发射器104是在接收设备101的视线内的被安装在（如所描绘的）房间的天花板或墙壁上（或被安装在运载工具中或桌子上）的外壳。然而，视线不是必需的，因为无线电波将穿过墙壁并在其他障碍物周围行进，其中可能或可能不显著的功率损失取决于多个因素。

发射器104连接到电源110，诸如电网、发电机或电池。在一个实施例中，发射器104连接到诸如家用AC电源之类的电源。该电源可以被通过两叉或三叉插座供应。在另一实施例中，还可以通过螺旋类型灯插座供应电力，其充当中间设备，其中发射器104具有用于灯泡的插座并且拧到灯插座本身中。在又一实施例中，发射器104可以从硬接线烟雾检测器电线获取电力。在该实施例中，发射器104可以被集成到烟雾检测器中，或者可以具有安装板和电源插座以将烟雾检测器安装在发射器104下面。在另一实施例中，发射器104可以被硬连线到家用AC电源，或者可用作到吊扇的接口（或结合到无线风扇本身中）。利用风扇接口，发射器104被安装在吊扇上，并且吊扇安装到天花板，其中发射器104充当风扇和天花板之间的机械和电气接口。

来自该源的电力用于操作发射器104，所述发射器104将生成经由无线电波发送到接收器101的辐射功率信号。发射器104中的正弦波生成器111用于在40-50 Mhz附近的未使用频率上产生正弦波（未使用频率可以是不需要FCC许可证的频率，或者可以是FCC为此目的所许可的频率）。这优选地是包含要被放大的信号的恒定功率水平、窄带正弦波。然后，该正弦波被发射器中的电路112放大到允许在人类附近使用的所期望的辐射功率。美国联邦通信委员会指定用户处的最大功率密度为10瓦特/米²（每cm²1毫瓦）。最小功率基于为接收器供电所需的功率，在一些实施例中在期望的时间量内在期望的距离处对电池再充电。然而，本专利申请的范围不限于任何功率水平。

发射器104被耦合到天线114，所述天线114可以是圆极化天线，诸如如在美国专利8,988,303、美国专利9,013,360和/或或2016年11月29日提交的题为“Super DirectiveArray of Volumetric Antenna Elements for Wireless Device Applications”的未决美国专利申请序列号15/362,988中描述的用于取向独立的天线（ORIAN）的各种配置，其都被通过引用结合于本文中。ORIAN天线114可以成形为（例如被折叠在矩形设备壳体的边缘上的）立方体、圆柱体、球体或U形辐射表面，或者可以包括这样的元件的阵列等。可在所引用的专利和专利申请中获得这些ORIAN天线的更多细节。应当缩放在本发明的实施例中对这些ORIAN天线的使用以在期望的低频下操作，如下面更详细描述的。在一个实施例中，发射侧上的天线114在大小上为15 cm（6英寸）x15 cm（6英寸）x 7.5 cm（3英寸）天线（225cm²表面），并且在40-50 MHz下80-90％有效。这允许功率的使用圆极化的定向传输，因此接收设备101取向无所谓。

自由空间中的传输功率被若干因素限制。这些包括（如上面所描述的）人类暴露安全水平、可用功率水平以及功率应被传输的范围。

在一个实施例中，发射器104可以被放置在墙壁或天花板上（或在桌子上或在汽车中），大约10英尺远。取向独立的天线114可用于在要充电的设备101的方向上生成圆极化（cpol）像心脏线的方向图。要充电的设备和ORIAN天线之间的通信可以进一步促进整个充电过程。例如，ORIAN可以被耦合到信号处理电路和/或处理器（未示出）以确定设备101的方向。在其他实施例中，发射器101可以利用蓝牙握手来确定设备的位置，以在那个方向上产生波束。cpol使***独立于电话101的取向，而像心脏线的方向图限制了向房间的其他区域的暴露。而且，由于定向方向图提供的额外增益，总接收功率增加。在一个实施例中，具有清晰视图安装的半球状方向图使得多个设备101能够被充电。当多个设备101同时在相同区域中充电时，每个设备的有效接收功率将减少50％，因为天线的有效面积重叠。针对半球状方向图的最大暴露将是大约每平方米1瓦特，其低于IEEE、OSHA、ICNIRP和FCC人类暴露数（针对10小时暴露，为10 W/m²）20 db。在另一实施例中，功率可以被相等地分配到天线下面的区域或被通过聚焦波束来分配。

在另一实施例中，如图3中所示，ORIAN“超增益”天线可以被配置为5个ORIAN天线元件114的阵列414。阵列414可以用于进一步将天线波瓣成形到某些方向上，作为内置波束形成器。可以生成8个高增益波束（10 dBi）和一个低增益波束的任何组合。高增益阵列414在大约40-50 MHz的中心频率处具有50kHz的带宽。这提供了为2000的Q因子。该配置允许在大空间上的地平面（ground level）处的相等功率分配，因为波束被同时传输并且具有在地平面处恒定的增益/范围轮廓。另外，可以在安装时自动地或手动地定制波束，以在需要时发射功率或避开障碍。

图4示出了天花板401上的发射器104在两个功率波瓣404a和404b（可以使用任何数量的波瓣）中朝向地板402进行传输（也参见图3中的“超增益”阵列）。天花板401和地板402之间的距离是高度403。在该绘图中，波瓣404a和404b被对准以使得波瓣是房间高度403的1.74倍。发射器104中的发射阵列使用锥形圆极化超方向性阵列以沿着地板402生成恒定的全向功率密度。单个波束404a或404b可用于沿着所选方位线集中功率。使用大约100 MHz的操作频率，功率相对覆盖区域是：

注意，在上面的图表中，发射功率是来自发射器104的有效辐射功率。充电功率是以快速充电速率为设备101充满电所需的功率。在模式列中，“波束”意味着能量被聚焦的定向天线模式。全向是以半球状方向图发出的能量。两者都被圆极化（CP）。

图5A示出了用于使图1的天线114作为九（9）个圆柱形的、体积的ORIAN天线元件700-708的圆形阵列的一个可能布置，其中每个元件是单独的辐射天线元件。在图5B中更详细地示出了示例元件701。圆柱形元件每个包围一定体积。

在一个实施例中，组件的总直径为30英寸，其中8个寄生耦合或有源的天线元件701-708围绕圆周并且一个有源元件700在中间。

在一个实施例中，中心天线700是有源的，并且周围的天线701-708是寄生的。如在别处引用的未决专利申请中所描述的，可以控制寄生元件以提供不同的极化或波束赋形。在（本文中未示出的）一些实现中，可以围绕公共中心元件将元件布置在两个或更多个圆形阵列中。因此，天线元件701-708中的每个可以具有pin二极管，其由（未示出的）控制器使用以打开或关闭相关联的天线元件701-708。

图5B是体积的圆柱形的元件1310、1320中的一个的更详细视图，其可包括提供一对交叉偶极子的一对象限部分。在美国专利9,118,116中进一步详细地描述了该类型的圆柱形的、取向独立的（ORIAN）天线元件，所述美国专利已在上面被通过引用结合于本文中。在那个专利的图6A中，元件601-1连接到601-4。在本实施例中，可以利用与用于将天线元件601-1和601-4断开连接的pin二极管串联的100pf电容器将601-1连接到601-4。利用电容器和pin二极管将元件601-2和601-3类似地连接。

图5C是如在上面已经提及的美国专利申请15/362,988中描述的发射天线114中使用的ORIAN天线元件的另一可能实施例。如那个申请中所解释的，该元件可以采取被折叠成“u”形并被放置到一个或多个线性阵列中的矩形贴片辐射器的形式。每个ORIAN辐射器由一对由四个贴片元件形成的交叉偶极子组成。此处，所述四个贴片中的每个是被布置在绝缘（电介质）衬底上的金属表面，并且在每个辐射器上提供馈电点。折叠元件可能与设备壳体的外边缘一致。

图5C是如在美国专利申请15/362,988中较详细地描述的用于ORIAN元件的一个配置，但是可以使用在那个申请中描述的任何体积ORIAN元件。此处，每个ORIAN元件或单位单元（unit cell）902-1实际上由两组交叉偶极子或ORIAN辐射器组成。第一ORIAN辐射器917-1由四个贴片921和最接近观察者的四个贴片920组成；第二ORIAN 917-2由后面的八个贴片组成。因此，每个ORIAN 917由（在顶部示出的）四个贴片921和在侧面上示出的四个贴片920组成（要理解，在该视图中，电话被放置在其边缘上，其中贴片920靠近前面和后面并且贴片921靠近侧面）。要理解，元件920和921可以是单个导电材料贴片，或者可以是与折测线（meander line）和/或电容互连的两个贴片。馈线925、926可以沿着底部边缘延伸到点928、929。为每个ORIAN元件提供A、B馈电点930-A和930-B的对，其类似于上面描述的那个。虽然图5C示出了其中每个单位单元由一对ORIAN元件组成（每个ORIAN继而由一对交叉偶极子组成）的布置，但是应当理解，可以使用一组、两组、三组或更多组交叉偶极子来实现每个单位单元。

可以经由（与Amazon的Alexa类似的）语音命令、利用远程控制、利用实际单元上的按钮或触摸屏、或通过IoT设备来控制发射器104。该控制可以打开和关闭发射器104，引导发射器104以全向模式或以定向波束模式进行传输，以减小输出功率，以及其他功能。在语音命令实施例中，发射器104可以具有用来与用户通信的扬声器和用来听用户的命令的麦克风。

在一个实施例中，可以向发射器104添加光以向用户示出天线进行传输的方向。

图9示出了具有5个元件的桌面超方向性ORIAN阵列114。中心元件03被供电（直接馈电）并且周围的天线01、02、04和05是寄生的。该设计允许从发射器104引导8个波束。可以通过利用pin二极管接通电容器来控制寄生元件。例如，在软件程序的控制下，启用或禁用元件01、02、04、05中的pin二极管以产生定向波束。如果启用了所有元件01、02、03、04、05，则存在被定向成遍及区域的全向波束。为了产生方向6和2，启用元件02、03、04。为了产生方向8和4，启用元件01、03、05。电容器将元件01、02、04、05调谐成稍微高于或稍微低于谐振以作为引导器或作为反射器。如果没有接通电容器，则元件实际上不存在。在每个元件中都存在pin二极管开关。

接收器

接收天线可以从标准天线或通过定向天线吸收辐射功率。图2示出了具有两个天线（用于蓝牙、Wi-Fi和GPS的一个天线301以及用于UTMS和GSM的另一天线302）的Apple^tmiPhone^tm 6天线布局。这些天线中的一个或两个可充当***环形天线102并且被经由寄生回路103寄生地耦合到整流108电路。寄生回路103允许高Q和检测107和/或使回路102谐振以提高其效率。该天线可以用于利用为了将环形天线102耦合到电池再充电电路所添加的电路接收功率。参见针对寄生天线103与***环形天线102的绘图的图1。寄生环形天线102是近似为驱动回路103的大小的1/10的小天线。它允许来自回路102的耦合能量而不影响其功能性。一个方法是不具有与进一步由寄生馈源103使能的整流器107、108的50欧姆匹配，从而减少对匹配电路中的电感器的需要。

用于***回路102的其他布置是可能的。例如，它可以是被围绕设备101的边缘布置的专用电线。在替代实施例中，可以将接收天线回路安装在智能电话壳（诸如Otter Box）中，并且将辐射功率接收电路***到用来（为Android）供应功率的USB端口或Lightning连接器（Apple）中。在该实施例中，可以将环形天线调谐到功率传输***的特定频率。

考虑到典型的智能电话平均使用大约0.4-0.7瓦特，接收器需要在一小时内接收大约5瓦特以为设备101充电（如稍后所解释的那样）。诸如USB 2.0类别A技术之类的新有线充电器在5或9或12伏特下使用3安培或高达36瓦特时，从而允许设备在大约15分钟内被充好电。本文中描述的接收天线设计具有1 m²的有效面积，因为我们能够使环形天线102谐振。利用10 W/m²（或1 mW/cm²）的FCC最大功率传输，传输设备104具有在发射天线114的1 m²有效面积中传输10 W的能力。每m² 10瓦特允许智能电话在大约30分钟内充好电。但是考虑到这是无需用户干预的无线充电，不论何时设备在范围中，其就可以被充电。这意味着再充电时间不太重要，因为不论何时设备101在发射器104的范围内其将进行充电。在一些实施例中，设备101可以在使用中（传输和接收数据）并且同时接收功率。在其他实施例中，设备101可以被设计成在设备101在使用中时停止接受功率。在又一实施例中，设备101可以具有单独的天线用于接收功率和用于数据传输。

如上面简略提及的，也可以通过将专用的窄带高Q单匝电线回路102***到设备101中来实现无线充电。回路102可以位于设备的周边周围。使用设备中的具有类似形状因子的现有天线可以是可能的。回路可以在40-50MHz下以300的Q进行谐振，从而提供80％天线效率。全波整流器108可用于将RF转换成DC。使用共面回路103，耦合到该回路优选是寄生的。这为平均设备大小提供大约1平方米的有效面积。通用设备平均使用0.437瓦特。以0.437瓦特进行充电需要0.55瓦特/平方米的入射波前到40-50 MHz回路中。10％的整流器损耗将需要大约0.6瓦特/平方米的入射。

不论何时设备101在发射器104的范围内就可以发生充电。一旦电池109充满，在一个实施例中，发射器104和/或接收器101就可以切换到涓流充电，使得设备在离开发射器附近的区域时将具有充满的电池。在另一实施例中，一旦设备充满就可以停止充电，或者仅在电池下降到某一充满水平时才充电。

图6示出了使用两个回路520、521用于无线充电的双模式接收天线。此处，固态开关在基于最高信号强度选择的两个不同匹配网络（电偶极子或磁偶极子）（天线模式）500、510之间进行选择。接收设备（电话、平板等）中的硬件或软件尝试匹配网络500、510两者，并选择具有最高信号强度的模式。信号强度可以基于接收设备的取向或干扰而变化，或者可能因用户的身体而变化。在一个实施例中，设备的加速计可用于确定接收设备的取向并且该取向用于选择要使用哪个模式500、510。

匹配网络被设计成尽可能接近天线元件的阻抗，以便实现最大效率。在一些情况下，阻抗为大约0.5欧姆。在一个实施例中，可以添加另一匹配电路以允许设备101还从诸如被设计成利用Qi、Rezience或功率事务联盟（PMA）标准进行工作的感应无线充电垫接收功率。

在第一模式500——电偶极子模式（还参见图7A）中，天线520、521与四个电感器501、502、503、504匹配，每个电感器为大约100纳亨。电感器501、502、503、504被配置在中间具有二极管等效物503的H结构中。电感器501将天线520上的A端子与电感器502（其然后连接到天线520上的C端子）和二极管等效物503连接。电感器504将天线521上的B端子与电感器505（其然后连接到天线521上的D端子）和二极管等效物503连接。对该电路，二极管等效物503看起来是二极管，但是实际上是来自天线的功率被从其分接（tap）的整流器电路。

在第二模式510——磁偶极子（回路）模式（参见图7B）中，天线520、521与四个电容器511、512、513、514匹配，每个电容器为大约10皮法。电容器511、512、513、514被配置在中间具有二极管等效物513的HX结构中。电容器511将天线520上的A端子与电容器512（其然后连接到天线521上的D端子）和二极管等效物513连接。导体514将天线521上的B端子与导体515（其然后连接到天线520上的C端子）和二极管等效物513连接。对该电路，二极管等效物513看起来是二极管，但是实际上是来自天线的功率被从其分接的整流器电路。

图7A示出了用于模式500的天线方向图。这示出了在蜂窝电话的正面和背面上的中心点处的死区，但是围绕每个边缘的良好覆盖。图7B示出了模式510的天线方向图。这示出了在顶部和底部短边的中间的死区，但是围绕电话的中心和长边的良好覆盖。

图8是用于接收器101的可能的整流器电路的示意图。该整流器电路是图6中的二极管等效物503、513。效率是重要的，因为利用高效率，更多的功率被递送到目标。在一个实施例中，调制发射功率以确保接收整流器中的二极管在其性能曲线的最佳部分中操作，同时保持在安全传输水平内。

在接收设备中使用的环形天线中的一个或多个也可以由上面已经提及的美国专利申请15/362,988中描述的折叠矩形ORIAN天线的某一操作模式提供。例如，在那个申请中的图1、3A、6A-6D中和别处示出的ORIAN元件可以采取被折叠成“u”形并被放置到设备（诸如移动电话或平板设备）的壳体的正面和背面上、内部和/或附近的矩形贴片元件的形式。如还在那个申请中所解释的，可以使用诸如折测线之类的依赖频率的耦合在回路中连接贴片元件。折测线可以将ORIAN元件缩到回路中以用于为了充电所使用的较低频率，但是然后将它们隔离成单独的辐射阵列元件以用于在4G/5G波带中的无线电频率下操作。

通信

在一个实施例中，接收设备101和发射器104一检测到彼此的存在，接收设备101就还可以使用蓝牙、近场通信（NFC）或Wi-Fi（或类似的无线协议）与发射器104传送数据。通信可以包括关于特定设备的身份、电池电量以及电池和设备上的细节的信息。发射器104可以发送其功率传输能力、其身份和设备标识信息。利用这些通信，发射器104和接收器101可以确定另一设备的方向和距离。可以使用接收信号强度指示器（RSSI）和/或飞行时间（ToF）来计算距离。ORIAN天线的定向天线特性还允许发射器104知道到接收设备101的方向（从发射器上的固定点到接收设备101的角度）。

利用该方向和角度，定向天线可以以接收设备101所需的功率水平仅朝向接收设备101聚焦功率。这增大了能量效率。此外，如果电池充满，则可以按比例缩减或关闭电源。当接收设备101移动时，发射器104和接收器101可以监视信号强度并移动聚焦的功率波束。

在一个实施例中，可以将来自接收器101的数据编码在从接收器101反射回来的信号上，其中接收设备以对数据进行编码的方式更改信号的反射。在另一实施例中，可以诸如在无源RFID技术中使用从接收的RF信号清除的功率来传输所述数据。

在一个实施例中，发射器104可以通过将多个波束聚焦在多个接收器处而同时对多个电话充电。替代地，可以在不同的方向上对波束进行时分多路传输，以为不同的设备供电。

在一个实施例中，接收器101可以监视从发射器104接收的信号的强度，并且基于来自人或来自墙壁的干扰来检测功率中的减小。如果检测到干扰，则接收器101可以要求发射器104从聚焦的波束切换到宽波束，使得供电可以继续，虽然以减小的功率水平继续。在另一实施例中，发射器可以通过寻找某些人的蜂窝电话来检测他们是否进入房间，并且当该用户到达房间时，发射器关闭直到用户离开房间。

低功率操作

如果设备101中的电池完全没电，则存在关于具有功率来建立协议和启动再充电过程的问题。一个选项是在智能电话的电池中保留小量功率（假设接收器101在该示例中是智能电话）以运行再充电电路。考虑到电话本身需要显著的功率来操作，并且再充电电路仅需要小量功率，再充电电路可以监听来自发射器104的传输并利用请求全功率的简单消息进行响应。一旦电池被稍微再充电，发射器104和接收器101然后就可以交换完全信息。在另一实施例中，可以实现RFID类型电路以通知发射器104如何发送，因为电池没电。当电池具有电力时，可能禁用该RFID电路，并且仅在不存在用来主动响应的电力时才激活该RFID电路。可能存在其他情况，其中使电力进入电池中的唯一方式是通过有线充电。

在一些实施例中，可能需要（经由远程、语音或按钮输入）向发射器104给出命令以便以统一的（uniform）或半球状模式发射功率，使得功率可用于接收器101，可能直到接收器101具有足够的功率来引导发射器将波束聚焦。

在一个实施例中，发射器104或接收器101可以限制为设备供电的能力或拒绝为设备供电，除非该设备来自某个制造商或在批准的供应商列表上。可以基于在发射器104和接收器101之间交换的信息在软件中实施模拟。发射器104或接收器101可以实施该限制。这允许封闭的供电***。为了确保传输单元194是批准的设备，如为了防止对接收设备101的损坏，可以周期性地发送有限带宽编码波形。接收设备然后将由传输单元发送的波形识别为批准的无线充电器。波形可以是CW功率波形的相位调制，以便不减小波形功率。相位调制的边带可能偏离波形以促进检测。

所调制的波形的使用也可以用作访问的手段。类似于需要WiFi代码来获得对热点的访问，可以使用访问代码来允许接收设备看到传输设备正在传输的功率。

在另一实施例中，充电每次可以被限于固定数量的设备，诸如用于出售给居住社区。另一型号可以为诸如咖啡店之类的公共区域中的大量设备供电。

对实施例、替代实施例和特定示例的以上描述是被通过说明的方式给出，并且不应被视为限制性的。进一步地，可以在本发明的实施例的范围内进行许多改变和修改而不脱离其精神，并且本发明包括这样的改变和修改。

Claims (1)

1.一种使用低于200 MHz的射频（RF）功率传输频率并且在人类安全功率水平下的无线充电***，包括：

圆极化发射天线，用来提供半球状覆盖和定向心脏线覆盖方向图二者；以及

接收寄生回路元件，其被耦合到电池使能设备中的环形天线。