CN110021814B - 平面天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种平面天线。平面天线可包括在平面线圈的端部附近添加的一个或多个高磁导率对象。此外，平面天线包括具有两个或更多个层的线圈，每个层具有两个或更多匝。平面天线还具有受限的导体布置，其中在任一水平层中布置了最大数量的匝。匝的导体可以是单个导体或者可以是并联布置的两个(2)或更多个导体。

Description

平面天线
技术领域
本公开总体上涉及天线，尤其涉及平面天线。
背景技术
移动装置要求移动电源例如电池无线地工作。这些电池要求周期性的充电以更新电力供应。已存在对移动装置无线充电的转变，因为无线充电技术给用户更好的体验。为了对移动装置无线充电，许多移动装置采用平面天线，平面天线是一种天线，其中大部分或者所有元件位于一个平面。平面天线减小了接收无线充电信号所需的空间量。
一般而言，平面天线的线圈由绞合线(Litz，一种用在电子器件中的专用多股电线或缆线，以在射频下传送交流电流(AC))或实心电线制成。在一些其它设计中，由于PCB线圈的薄度、高耐用性、恒定性能和精确几何形状，印刷电路板(PCB)线圈已经被利用。还采用了一些其它平面线圈(例如冲压线圈、柔性印刷电路板(FPC)线圈等)，这是因为这些线圈的薄度和低成本。
尽管这些技术是有前途的，但是不恰当的平面线圈设计会导致大的线圈损耗、高温升，并降低***效率，这是需要避免的。当前的平面天线使用平板屏蔽件和垂直于平面线圈导体的强磁场强度，该设计可导致巨大的线圈损耗。此外，不恰当的导体对准导致在并联导体中的环流，这也会导致大的线圈损耗。
附图说明
图1A是根据本公开的实施例的平面天线的透视图；
图1B是根据本公开的实施例的平面天线的剖视图；
图2A是根据本公开的实施例的平面天线的另一剖视图；
图2B是根据本公开的实施例的高磁导率对象的透视图；
图2C是根据本公开的高磁导率对象的另一透视图；
图3是根据本公开的实施例的平面天线的另一剖视图；
图4是根据本公开的实施例的平面天线的另一剖视图；
图5是根据本公开的实施例的用于解释环流的电路图；
图6是根据本公开的实施例的平面天线的另一剖视图；
图7是根据本公开的实施例的平面天线的另一剖视图；
图8是根据本公开的实施例的平面天线的另一剖视图；
图9是根据本公开的实施例的平面天线的另一剖视图；
图10是根据本公开的实施例的平面天线的另一剖视图；
图11是根据本公开的实施例的平面天线的另一剖视图；
图12是描绘在根据本公开的实施例的平面天线构造中的损耗的图表；
图13是根据本公开的实施例的平面天线的另一剖视图；以及
图14是根据本公开的实施例的平面天线的另一透视图。
具体实施方式
相对于上述问题和其它问题设想在本文中提出的实施例。总体上，本公开的实施例提供了一种平面天线。该平面天线可具有在平面线圈的端部附近添加的一个或多个高磁导率对象。平面天线具有受限的导体布置，在导体布置中，在任何水平层中布置了最大数量的匝数。匝的导体可以是单个导体或可以是并联布置的两个(2)或更多个导体。
图1A示出包括发射器天线1和接收器天线2的天线对100的透视图。发射器天线1可包括发射器天线平面线圈12和发射器天线屏蔽件12。类似地，接收器天线2可包括接收器天线平面线圈21和接收器天线屏蔽件22。将参考坐标系101解释平面天线1、2。
为了给接收器天线2提供电力，发射器天线1和接收器天线2放置成物理接近，接收器天线2在“Y”方向上放置在发射器天线1上方或之上。由发射器天线1产生的磁场可在接收器天线2中感应出电流。然后，电流可以驱动移动装置和/或对移动装置中的电池充电。
发射器天线1和接收器天线2在图1A的XY平面中的剖视图如图1B所示。空气中的曲线104表示由发射器产生的磁场的磁场强度H。平面线圈会经受变化的磁场，在充电期间，应理想地被传送通过平面线圈的一些电力会在线圈或芯部中损耗。这些损耗可作为热量并且有时作为噪声被耗散。导体11中的颜色表示导体11中的损耗密度(该区域中的损耗量)。
在平面线圈的端部(边缘)108a、108b，磁场强度H 104(在Y方向上)垂直于导体11。端部108处的磁场强度H会在平面导体中导致大的涡流损耗，这称为端部损耗。如图1B所示，在天线1的端部108处有大的端部损耗，这表示大的损耗密度。
现在参见图2A，为了减少端部损耗，高磁导率对象31、32可以邻近线圈的端部108放置。高磁导率对象31、32可以由铁的或其它具有高磁导率的材料制成，例如硅钢、铁氧体、软铁、锰游合金、坡莫合金、镍铁钼超导磁合金、铝硅铁粉、非晶态合金、金属玻璃非晶态金属等。如图2A所示，通过减小端部108a处的损耗密度，证明了端部损耗得以减小。
平面天线12的透视图如图2B所示。如图2B所示，高磁导率对象31、32从屏蔽件12在Y方向上向上延伸。高磁导率对象31定位在天线1的内部，线圈11环绕该高磁导率对象。第二高磁导率对象32定位在天线1的外部，线圈11由该高磁导率对象32环绕。高磁导率对象31、32的磁阻是低的，这会减小垂直于导体11的磁场强度H。
在一些构造中，高磁导率对象31、32可以由与平板屏蔽件12相同的材料制成，并且可以与屏蔽件12一起形成为单个零件。在其它构造中，高磁导率对象31、32可以由与平板屏蔽件12不同的材料制成，这可能需要将高磁导率对象31、32联接到平板屏蔽件12。联接可以包括任何类型的附接方法，包括机械附接、熔合、焊接和/或利用粘合剂或油漆将高磁导率对象31、32粘附到平板屏蔽件12，油漆包括与沉积在线圈的端部108上的磁粉末混合的粘合剂。
如图2B所示，在线圈108a、108b的每个端部可以有两个高磁导率对象31、32。在一些构造中，外部高磁导率对象32可具有一个或多个开口或缺口(未示出)。此外，在一些构造中，在线圈108a或108b的一个端部处可以有一个高磁导率对象31或32。如图2C所示，为了方便地连接线圈11和其它部件，高磁导率对象31可以布置在屏蔽件12的中心。高磁导率对象31的磁导率应当比空气的磁导率高。高磁导率对象31、32还提高了天线11的耦合系数，这提高了无线电力传送效率。
现在参见图3，靠近导体的端部108a、108b的高磁导率对象31、32减小了竖直磁场强度H，并维持了水平磁场强度H，这导致水平H较大，竖直H较小。水平H在线圈11的各层之间。竖直H在相同层的导体之间。平面线圈11可在Y方向上包含一个或多个层，例如有两个、四个或八个层。作为示例，如图3所示并且根据安培环路定理，四层PCB具有在每一层中的水平H值，在图3的右侧示出。
平面线圈11可包含多个层，线圈11中的导体并联布置以减少直流(DC)阻抗。一般而言，每一并联导体中的电流不是相同的。该电流差称为环流。电流不平衡还会导致大的线圈损耗。
根据无线充电联盟(WPC)的技术规定，发射器天线线圈应当包括10匝。当考虑10匝线圈的线圈成本和DC阻抗时，可以使用两层PCB。总体上，为了在各导体上维持相同的DC阻抗，导体404a,404b,404c,404d,404e,404f,404g,404h,404i,和/或404j可以如图4所示并联放置。此外，“框”中的导体404在Y方向上是并联的。每个“框”表示导体404的单匝，每个框中的导体404串联电连接。
导体404的数量例如10表示匝数。根据上述分析，当高磁导率对象31、32靠近导体的端部108放置时，在这些并联的导体404之间有水平H。该导体布置可以导致大的环流和线圈损耗。
图5示出解释由动态磁场导致的环流的理论的可视电路图500。电流i1 504是分支1 508的电流，电流i2 512是分支2 516的电流。分支1 508和分支2 516是并联的。根据法拉第定律，分支1 508和分支2 512的环路中的动态磁场强度在环路中感应出环流icir 520。
如较早所解释的，当高磁导率对象31、32靠近导体的端部108a布置和/或布置在线圈的导体108b之间时，水平H较大，竖直H较小。如图6所示，天线11可具有两匝604、608，匝604、608中的线圈布置在相同的水平层中。导体612a、614、616、618和/或620可以作为单个导体612布置，如图6所示。在其它构造中，可具有并联布置的两个或更多个导体。例如，如图7所示，导体712a、712b可以并联。类似地，导体714a、714b、716a和716b、718a和718b、720a和720b也是并联的。因此，在相同的水平层中，匝的线圈704可以由并联的两个或更多个导体构成。每个“框”712-720中的导体是并联的。
为了减少线圈中的DC损耗，多个层(例如层704、708)可以布置在平面天线11中。图8和9示出四层PCB线圈的实施例。如图8所示，在一个框820a中，四个导体804、808、812和816是并联的。在图9中，导体804-816也是并联的，但是以不同的构造布置。每个框820a-820i表示单匝，并且可以串联连接。尽管并联的导体804-816在这两个模式中具有良好的DC阻抗平衡，如图8或9所示，但是由动态磁场强度感应的大的环流仍可导致大的线圈损耗。
天线1000、1100的其它构造可如图10和11所示。在构造1000、1100中，线圈仍具有10匝。然而，10匝以图6-9所示的框构造的混合布置。例如，在构造1000中，两个框(例如框820a和820b)具有如图8所示的导体构造，而第三框820c具有如图9所示的导体布置。因此，线圈1000布置在四个层中，任一层中具有平均2.5匝。
如图11和12所示，在任一水平层中可以有三个或更少的匝的导体。一个框820中的导体是并联的。每个框表示一个匝，并且串联连接。框的数量表示匝数。
图12示出比较图8至11所示匝构造的线圈损耗的图表1200。如图表1200所示，构造1000和1100具有比图8和图9中的布置800、900更低的线圈损耗。
为了确定可以布置在一个水平层中的最多匝数，可以计算上限函数(“上限”)。在等式中，匝数由“m”表示，层数由“n”表示。下述对于“上限”的表达确定了可以布置在一个水平层中的最多匝数：
在图11中，构造11包括具有2匝的第一层、具有3匝的第二层、具有3匝的第三层和具有2匝的第四层。在图13的构造1300中，在第一、第二、第三和第四层中分别具有3、2、2、3匝。匝模式可以以各种其它模式布置，例如在第一、第二、第三和第四层中分别具有3,2,3,2；2,3,2,3；1,4,1,4匝。
平面天线1400的透视图如图14所示。如图4所示，平面天线1400可具有不同形状，比如矩形、圆形、椭圆形、跑道形等。图14示出矩形天线1404的俯视图。
本文所述天线可以是发射器天线和/或接收器天线。不管怎样，天线可具有放置在平面线圈的端部处或附近的高磁导率对象。此外，每一匝的导体可以布置在相同的水平层中。另外，一个匝的线圈可以是一个导体或者两个或更多个并联的导体。上述上限函数可限定层中可能的最多匝。
高磁导率对象减小竖直磁场强度H，竖直磁场强度导致大的涡流损耗，并可最大化水平方向的H。一个匝的导体布置在相同的水平层中，因为相同的水平H中的导体之间的H较低。该布置不会导致大的环流和线圈损耗。
本文所述的各实施例的特征不意图彼此排斥。实际上，一个实施例的特征和方面可以与另一实施例的特征或方向组合。另外，相对于一个实施例对特定元件的描述可适用于该特定元件在另一实施例中的使用，而不管关于该特定元件在另一实施例中的使用是否重复描述。
本文提供的示例意在是说明性的和非限制性的。因此，提供用于说明本公开的一个或多个方面的任何示例或示例组不应当认为包括所讨论的方面的可能实施例的整个组。示例可以通过使用这样的语言来标识出，如“例如”、“比如”、“举例而言”和“举例来说”，并且通常理解为指明后续内容是一示例的其它语言。
可以使用本公开的许多变型例和修改例。可提供本公开的一些特征，而不提供其它特征。
在各实施例、构造和方面中，本公开包括基本上在本文所描绘和所描述的部件、方法、过程、***和/或设备，包括其各种实施例、子组合和子集。本领域技术人员在理解了本公开之后会理解如何制作和使用本文公开的***和方法。在各实施例、构造和方面中，本公开包括在缺乏本文中未描绘和/或描述的物件的情况下提供装置和过程，或者在各实施例、构造或其方面中，包括在缺乏先前装置或处理中已使用的这样物件的情况下提供装置和过程，例如为了改进性能、获得便利性和/或降低实施成本。
已经为了说明和描述的目的而提出对本公开的前述讨论。前述内容不意图限制本文公开的本公开的形式。在前述具体实施方式中，例如，本公开的各特征在一个或多个实施例、构造或方面中成组合在一起，以组织本公开。本公开的各实施例、构造或方面的特征可以在除了上面讨论过的之外的替代实施例、构造或方面中组合。本公开的该方法不应被理解为反映所要求的公开要求比在每个权利要求中明确引用的特征更多的特征的意图。实际上，作为下面权利要求所反映的，创造性方面在于少于单个前面公开的实施例、构造或方面的所有特征。因此，下面的权利要求由此合并入该具体实施方式，每个权利要求自身作为本公开的一单独的优选实施例。
本公开的实施例包括一种包括线圈的平面天线，线圈包括：第一层中的第一匝；第一端部；定位在第一端部附近的第一高磁导率对象。
根据一个或多个上述方面的任一项，其中，线圈还包括第二层。
根据一个或多个上述方面的任一项，其中，第一层包括第二匝。
根据一个或多个上述方面的任一项，其中，线圈包括与第一端部相对的第二端部。
根据一个或多个上述方面的任一项，还包括定位在第二端部附近的第二高磁导率对象。
根据一个或多个上述方面的任一项，其中，第一匝包括两个或更多个导体。
根据一个或多个上述方面的任一项，其中，两个或更多个导体并联布置。
根据一个或多个上述方面的任一项，其中，第一层包括比第二层更少的匝。
根据一个或多个上述方面的任一项，其中，第二层具有比第一层更少的匝。
根据一个或多个上述方面的任一项，其中，第一层和第二层具有三个或更少的匝。
根据一个或多个上述方面的任一项，其中，第一高磁导率对象由铁氧体、硅钢、非晶态钢和/或软钢中的一种或多种制成。
根据一个或多个上述方面的任一项，其中，平面天线具有矩形形状。
根据一个或多个上述方面的任一项，其中，第一层中的最大匝数由上限函数ceil＝(m/n)*n确定。
本公开的实施例包括平面天线的线圈，包括第一层和第二层，第一层包括第一匝和第二匝，第二层包括第三匝和第四匝。
根据一个或多个上述方面的任一项，其中，第二层包括第五匝。
根据一个或多个上述方面的任一项，其中，第二层和第一层具有不同匝数。
根据一个或多个上述方面的任一项，还包括第三层和第四层。
根据一个或多个上述方面的任一项，其中，第一匝包括两个或更多个导体，其中两个或更多个导体并联布置。
根据一个或多个上述方面的任一项，其中，平面天线具有矩形形状。
根据一个或多个上述方面的任一项，其中，第一层中的最大匝数由上限函数ceil＝(m/n)*n确定。
各方面/各实施例的任何一个或多个基本上如本文所公开的。
基本上如本文所公开的各方面/各实施例的任何一个或多个可选地与基本上如本文所公开的任何一个或多个其它方面/实施例组合。
适于执行上述方面/实施例的任何一个或多个的一个或多个措施基本上如本文所公开的。
短语“至少一个”、“一个或多个”、“或者”和“和/或”是在操作中连接性的和分离性的开放式表述。例如，表述“A、B和C中的至少一个”、“A、B或C中的至少一个”、“A、B和C的一个或多个”、“A、B或C的一个或多个”、“A、B和/或C”和“A、B或C”每一个意味着单独A、单独B、单独C、A和B一起、A和C一起、B和C一起或A、B和C一起。
术语“一个”或“一”实体指的是该实体中的一个或多个。如此，术语“一个”(或“一”)、“一个或多个”和“至少一个”可以在本文中互换地使用。还应注意，术语“包括”、“包含”和“具有”可以互换地使用。
如本文所使用的，术语“自动”及其变体指的是任何过程或操作，其通常是连接地或半连续地完成，而在过程或操作被执行时没有实质人为输入。然而，过程或操作可以是自动的，即使处理或操作的执行使用实质或无形人为输入，如果该输入在处理或操作的执行之前接收的话。人为输入被认为是实质的，如果这种输入影响过程或操作如何执行的话。允许执行过程或操作的人为输入不应被认为是“实质的”。
本公开的各方面可采取这样的完全是硬件的实施例的形式，完全是软件(包括固件、常驻软件、微码等)的实施例形式，或组合软件和硬件方面的实施例的形式，软件和硬件方面本文全部总体上称为“电路”、“模块”或“***”。可以使用一个或多个计算机可读介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或计算机可读存储介质。
如本文所使用的术语“确定”、“计算”、“计算机计算”及其变体互换地使用，并包括任何类型的方法、过程、数学操作或技术。

Claims (19)

1.一种平面天线，包括：
线圈，包括：
第一层中的第一匝，
第一端部；
第一高磁导率对象，定位在第一端部附近，其中所述第一高磁导率对象是单件结构，包括第一部分、第二部分和在第一部分和第二部分之间的第三部分，其中所述第三部分从第一部分和第二部分凹进并容纳线圈，其中所述第一部分环绕线圈，并且其中所述第二部分被线圈环绕，其中，第一匝包括并联布置并且在第一层内布置在相同平面中的两个或更多个导体，其中，所述第二部分包括具有第一点和与第一点相对的第二点的侧壁，并且其中，所述第二部分包括从第一点到第二点跨越第二部分的整个顶部的连续顶表面。
2.如权利要求1所述的平面天线，其中，所述线圈还包括第二层。
3.如权利要求2所述的平面天线，其中，所述第一层包括第二匝。
4.如权利要求1所述的平面天线，其中，所述线圈包括位于线圈的中心的空隙。
5.如权利要求4所述的平面天线，其中，所述第二部分占据所述空隙。
6.如权利要求3所述的平面天线，其中，第二匝包括并联布置并且在第一层内布置在相同平面中的两个或更多个导体。
7.如权利要求6所述的平面天线，其中，第一层包括比第二层更少的匝。
8.如权利要求6所述的平面天线，其中，第二层具有比第一层更少的匝。
9.如权利要求6所述的平面天线，其中，第一层和第二层中的每个具有三个或更少的匝。
10.如权利要求1所述的平面天线，其中，第一高磁导率对象由铁氧体、硅钢、非晶态钢和/或软钢中的一种或多种制成。
11.如权利要求10所述的平面天线，其中，所述平面天线具有矩形形状。
12.如权利要求11所述的平面天线，其中，第一层中的最大匝数由以下上限函数确定：
其中m表示匝的总数，并且n表示层的总数。
13.一种平面天线的线圈，包括：
第一层，第一层包括：
第一匝，
第一端部，
第一高磁导率对象，定位在第一端部附近，其中所述第一高磁导率对象是单件结构，包括第一部分、第二部分和在第一部分和第二部分之间的第三部分，其中所述第三部分从第一部分和第二部分凹进并容纳线圈，其中所述第一部分环绕线圈，并且其中所述第二部分被线圈环绕，其中第一匝包括两个或更多个导体，其中所述两个或更多个导体并联布置并且在第一层内布置在相同平面中；其中，所述第二部分包括具有第一点和与第一点相对的第二点的侧壁，并且其中，所述第二部分包括从第一点到第二点跨越第二部分的整个顶部的连续顶表面；
第二匝；
在所述第一层上的第二层，第二层包括：
第三匝；
第四匝。
14.如权利要求13所述的线圈，其中，所述第二层包括第五匝。
15.如权利要求13所述的线圈，其中，所述第二层和所述第一层具有不同匝数。
16.如权利要求13所述的线圈，还包括：
第三层；以及
第四层。
17.如权利要求13所述的线圈，其中，所述两个或更多个导体包括四个导体。
18.如权利要求13所述的线圈，其中，所述平面天线具有矩形形状。
19.如权利要求13所述的线圈，其中，第一层中的最大匝数由以下上限函数确定：
其中m表示匝的总数，并且n表示层的总数。
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