МИКРОВОЛНОВОЕ БЕСПРОВОДНОЕ ЗАРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО С ФОКУСИРОВКОЙ МИКРОВОЛНОВОГО ПОЛЯ Российский патент 2018 года по МПК H02J50/20 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к устройствам и способам для беспроводной зарядки батарей портативных электронных устройств, и более конкретно, к методике для определения количества и местоположения беспроводных приемников мощности и для передачи мощности беспроводным способом от передатчика мощности к приемникам мощности.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Количество используемых портативных электронных устройств в последнее время возросло.

Большинство современных электронных устройств требует электропроводки и/или явно определенных электрических контактов, чтобы получать питание от внешнего источника питания. Однако это является непрактичным и требует, чтобы пользователь физически вставлял соединители или иным образом устанавливал физический электрический контакт между устройствами и источниками питания. Типично, требования по питанию также различаются значительно, и в настоящее время большинство устройств обеспечиваются своим собственным специализированным источником питания. В результате, пользователь обычно имеет большое количество различных источников питания, предназначенных для конкретных устройств.

Многие портативные электронные устройства получают питание с помощью батарей. Частое использование этих устройств может требовать значительной величины мощности, что может привести к истощению заряда батарей. Хотя использование внутренних батарей может исключить потребность в проводном соединении с источником питания во время использования, это обеспечивает только частичное решение, так как батареям требуется подзарядка (или замена, которая является дорогостоящей).

Для того чтобы обеспечить значительное улучшение пользовательского опыта, было предложено использовать беспроводный источник питания, в котором мощность передается от передатчика к приемнику посредством микроволнового (сверхвысокочастотного) излучения.

Микроволновая передача мощности представляет собой хорошо известный принцип. Такая конфигурация обеспечивает возможность беспроводной передачи мощности к устройству, не требуя создания каких-либо проводов или физических электрических соединений.

Эффективность беспроводной передачи мощности зависит от размеров приемника (RX) и передатчика (ТХ) мощности и от расстояния между приемником и передатчиком мощности. Передаваемые радиоволны существенным образом расходятся с увеличением расстояния между передатчиком и приемником. Степень расходимости определяется соотношением между размером передающей апертуры, расстоянием и рабочей длиной волны. Для приближенной оценки достижимой эффективности обозначим апертуру RX-антенны как D_RX, и D_TX будет обозначать эквивалентный размер ТХ-апертуры в пересчете на местоположение приемника (см. фиг. 1). Эквивалентная апертура D_TX определяется таким образом, чтобы включать в себя основной поток мощности, исходящий от ТХ-антенны. Эффективность (η) передачи мощности пропорциональна отношению квадрата апертуры приемной антенны к квадрату эквивалентной апертуры передающей антенны . Когда ТХ-антенна мала, η является высоким для малого расстояния между TX- и RX-антеннами, но очень быстро падает с увеличением расстояния (см. фиг. 1A) из-за сильной расходимости поля. С другой стороны, для ТХ-антенн большего размера, расходимость поля ниже, и η падает медленно с увеличением расстояния, но остается на умеренном уровне, даже когда TX-антенна и RX-антенна находятся близко друг к другу (см. фиг. 1B). Описанная оценка η основана на предположении расходящихся электромагнитных волн. Из фиг. 1 ясно, что за счет обеспечения волн излучения, сходящихся от TX- к RX-апертуре, принимаемая мощность и тем самым η могут быть существенно увеличены. Этот эффект определяется явлением фокусировки электромагнитных волн и должен быть использован в системах микроволновой беспроводной зарядки.

В оптимальном сценарии, для эффективного переноса мощности от TX-антенны к RX-антенне, TX-система должна быть обеспечена информацией о местоположении RX-антенны относительно TX-антенны. Один способ получения этой информации заключается в выполнении предварительного поиска RX посредством TX-системы, обеспечивающей узкий луч излученной электромагнитной мощности. Известная проблема этого решения предшествующего уровня техники состоит в том, что когда обычный передатчик реализует управление лучом (сканирование луча), а приемник расположен близко к передатчику, отсутствует различие в принятой мощности, так как для различных углов сканирования приемник поглощает ту же самую долю микроволной мощности. Во время сканирования, приемник посылает информацию обратной связи о принятой мощности. В результате, передатчик не может найти угловое положение приемника путем выбора угла с максимальной принятой мощностью (фиг. 2). Поэтому невозможно точно определить местоположение приемника по отношению к передатчику, чтобы обеспечить максимально эффективное управление передачей мощности.

В настоящее время, область беспроводной передачи мощности активно развивается, и имеется много решений, раскрывающих различные аспекты по данному вопросу.

Соответствующее предшествующему уровню техники решение, описанное в US 8,854,176 B2, раскрывает систему для обеспечения беспроводной зарядки и/или предоставления первичной мощности к электронным/электрическим устройствам посредством микроволновой энергии. Микроволновая энергия фокусируется в некоторое местоположение посредством передатчика мощности, имеющего один или более излучателей адаптивно фазируемой микроволновой решетки. Ректенны (антенны со встроенным выпрямителем) в устройстве, подлежащем зарядке, принимают и выпрямляют микроволновую энергию и используют ее для зарядки батареи и/или для первичного питания. Однако передающий блок должен иметь несколько приемопередающих модулей, чтобы работать как в передающем, так и в приемном режимах, чтобы осуществлять обнаружение приемного блока. В последнем режиме, передающий блок должен работать так, чтобы определять фазу принятого сигнала на каждом элементе антенной решетки. Кроме того, описанная схема передатчика предполагает, что система должна быть способной поддерживать рабочий режим отдельного элемента передающей решетки. Описанная архитектура передатчика является относительно сложной и требует по меньшей мере в два раза больше элементов аппаратных средств, по сравнению с однорежимным передающим блоком. Также упомянутое изобретение не содержит раскрытия того, каким образом одновременно заряжать несколько приемных блоков.

Дополнительно, документ US 2016/099614 A1 раскрывает передатчик, который передает сигнал передачи мощности (например, волны микроволнового сигнала), чтобы создать трехмерную зону энергии. По меньшей мере один приемник может быть соединен с или встроен в электронные устройства и может принимать питание из упомянутой зоны энергии. Передатчик может определять местоположение по меньшей мере одного приемника в трехмерном пространстве с использованием среды связи (например, технологии Bluetooth). Передатчик генерирует форму волны (сигнал), чтобы создать зону энергии вокруг каждого из по меньшей мере одного приемника. Передатчик использует алгоритм, чтобы направлять, фокусировать и управлять формой волны по трем измерениям. Приемник может преобразовывать переданные сигналы (например, микроволновые сигналы) в электричество для питания электронного устройства. Соответственно, варианты осуществления для беспроводной передачи мощности могут обеспечивать возможность питания и зарядки множества электрических устройств без использования проводов. Однако процедура поиска для определения местоположения приемников мощности по отношению к передатчику мощности, раскрытая в вышеупомянутом решении, является относительно длительной и неоптимальной, так как она основана на итерационном переборе всех фазовых состояний для каждого элемента передающей антенны. Кроме того, зарядка множества приемников требует разделения передающей антенны на несколько решеток, что приводит к низкой эффективности передачи мощности.

Таким образом, в решениях согласно предшествующему уровню техники, имеется ряд проблем, требующих решения:

1. Передающий блок должен иметь возможность обеспечения фокусировки поля в местоположениях приемников (сходящихся волн).

2. Передающий блок должен реализовывать рациональную (интеллектуальную) процедуру поиска местоположений приемников.

3. Передающий блок должен иметь возможность заряжать несколько приемников одновременно с наивысшей эффективностью.

4. Передающий блок должен быть разработан как компактная и простая структура с высокой степенью интеграции.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения, предложен способ беспроводной передачи мощности, причем способ обеспечивает простое и точное определение местоположения приемника для управления передачей мощности с максимальной эффективностью. Кроме того, заявленный способ обеспечивает мультифокусировку микроволн для одновременной зарядки нескольких приемников мощности.

Заявленный способ беспроводной передачи мощности в основном содержит следующие этапы:

- определение местоположений приемников, включающее в себя угловое управление микроволновым полем (управление направлением плоской волны или фокального луча) для определения угловых координат приемников по отношению к передатчику и точечную фокусировку вдоль определенного углового положения для определения расстояния между приемниками и передатчиком;

- передачу мощности беспроводным способом от передатчика ко всем приемникам одновременно с использованием мультифокусировки микроволнового поля.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения, предложена система беспроводной передачи мощности, причем система содержит передатчик мощности, содержащий пассивную или активную антенную решетку передатчика, выполненную с возможностью формировать фокальные точки/линии микроволнового поля, и по меньшей мере один приемник мощности. Заявленная система беспроводной передачи мощности обеспечивает возможность мультифокусировки микроволн для одновременной зарядки нескольких приемников мощности.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения, предложена антенная решетка передатчика для формирования микроволнового поля для использования в системе беспроводной передачи мощности, причем антенная решетка выполнена с возможностью формировать фокальные точки/линии и выполнять мультифокусировку микроволн для одновременной зарядки нескольких приемников мощности.

Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает следующие преимущества:

- рациональный поиск приемников в 3D-пространстве с переключением между режимами управления направлением и фокусировки луча;

- одновременная зарядка нескольких приемников посредством мультифокусировки.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Дальнейшие детали и преимущества изобретения описаны ниже со ссылками на приложенные чертежи.

Фиг. 1 показывает расходимость поля для малой (A) и большой (B) передающих антенн.

Фиг. 2 показывает различные углы сканирования во время управления лучом (диаграммой направленности) для определения местоположения приемника.

Фиг. 3 показывает продольное сечение 3D-распределения электрического поля, формируемого передающей решеткой.

Фиг. 4 показывает сравнение между структурами плоского поля и поля, сфокусированного на RX.

Фиг. 5 показывает случай, когда три приемника одновременно заряжаются одним передатчиком.

Фиг. 6 показывает примерное амплитудное и фазовое распределение в TX-решетке.

Фиг. 7 показывает поперечное сечение примерной структуры элемента антенной решетки.

Фиг. 8 показывает вид сверху примерного полоскового излучающего элемента (патч-элемента) с щелевым возбуждением и питающей микрополосковой линией.

ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Варианты осуществления изобретения не ограничены теми, которые описаны ниже. Другие варианты осуществления изобретения, не отклоняющиеся от сущности и объема изобретения, будут очевидны специалистам в данной области техники, исходя из информации, содержащейся в описании, и знаний предшествующего уровня техники.

Для выполнения беспроводной передачи мощности сначала необходимо определить количество и местоположение приемников мощности.

Процедура определения местоположения приемников согласно настоящему изобретению будет детально описана ниже.

Этап 1: управление (сканирование) лучом в пространстве (θ (угол возвышения (места)), ϕ (азимутальный угол)).

Передающая антенная решетка реализует панорамное управление лучом для обнаружения местоположений всех приемников. Передающая антенна формирует один луч заданной формы, и измеренные мощности всех приемников, посланные посредством сигналов обратной связи, записываются в памяти передатчика.

Если расстояние от передатчика до приемника R>D_TX (реальный линейный размер апертуры передающей решетки), передатчик может обнаруживать приближенное угловое местоположение приемника (θʹ_RX, ϕʹ_RX) путем фиксации угловой точки с максимальным напряжением приемника.

Если во время этапа управления лучом, контроллер передатчика не обнаруживает, что, для конкретного угла, существует максимальная выходная мощность на выходе приемника (нет четкого экстремума выходного сигнал), то контроллер передатчика делает вывод, что R≤D_TX. Это означает, что обнаружение углового положения не может быть выполнено однозначно определенным образом посредством обычного управления лучом, и контроллер должен переключить передающую систему в режим управления фокальным (сфокусированным) лучом.

Фиг. 3A изображает продольное сечение 3D-распределения электрического поля, сформированного передающей решеткой 30×30 см² в обычном режиме управления лучом (режим 1). Приемник расположен на расстоянии 30 см от передатчика. В этом режиме приемник имеет ту же самую выходную мощность для различных углов отклонения, то есть отсутствует возможность корректного определения его углового положения.

Во время упомянутого режима управления лучом TX антенная решетка возбуждается следующим образом.

Пусть k обозначает индекс элемента передающей антенной решетки, тогда требуемый комплексный коэффициент Ak возбуждения k-го элемента может быть вычислен следующим образом:

(1)

где i - мнимая единица, ψk - фаза k-го элемента для требуемого управления лучом:

(2)

где λ - длина волны поля зарядки; θ и ϕ - текущие угол места и азимутальный угол в сферической системе координат относительно центра TX-решетки; xk и yk - декартовы координаты k-го элемента TX-решетки в плоскости решетки.

Амплитуда (Mk) и фаза (ϕk) возбуждения k-го элемента передающей антенной решетки могут быть определены следующим образом:

(3)

где операторы "mag" и "phase" используются для получения амплитуды и фазы комплексного числа, соответственно.

Фиг. 3B изображает продольное сечение 3D-распределения электрического поля, формируемого передающей решеткой размерами 30×30 см² в режиме управления фокальным лучом (режим 2). В этом режиме передатчик излучает не обычный луч, а фокальный (сфокусированный) луч. Фокальный луч может быть сгенерирован точечной фокусировкой на расстоянии ~(0,8-1,2)D_TX от передающей апертуры или с использованием метода луча Бесселя. В этом случае передатчик может успешно обнаруживать приблизительное угловое положение приемника для R≤D_TX. Однако для R>D_TX должно использоваться обычное управление лучом.

Во время режима управления фокальным лучом TX антенная решетка возбуждается следующим образом.

Пусть k обозначает индекс элемента передающей антенной решетки, тогда требуемый комплексный коэффициент Ak возбуждения k-го элемента может быть вычислен следующим образом:

(4)

где i - мнимая единица, ψk - фазовая задержка распространения электромагнитных волн между k-м элементом и фокальной точкой:

(5)

где λ - длина волны поля зарядки; - расстояние между k-м элементом и фокальной точкой. Фокальная точка выбрана на расстоянии ~(0,8-1,2)D_TX от центра апертуры TX-решетки для текущих углов θ и ϕ.

Амплитуда (Mk) и фаза (ϕk) возбуждения k-го элемента передающей антенной решетки могут быть определены следующим образом:

(6)

где операторы ʺmagʺ и ʺphaseʺ используются для получения амплитуды и фазы комплексного числа, соответственно.

Этап 2: итерационный угловой поиск в (θ,ϕ)-пространстве.

После этапа 1, передатчик выполняет итерационный угловой поиск для каждого приемника последовательно путем реализации управления обычным или фокальным лучом в зависимости от того, каким образом местоположение конкретного приемника было классифицировано во время этапа 1. Итерационный поиск для каждого приемника начинается с точки (θʹ_RX,ϕʹ_RX) и основан на одной из итерационных процедур оптимизации. Например, может использоваться оптимизация по методу сопряженных градиентов с максимальной выходной мощностью приемника в качестве цели.

В результате этапа 2 получают точные угловые положения (θ_RX,ϕ_RX) всех приемников.

Этап 3: итерационный поиск расстояния в R-пространстве.

После того как угловые положения всех приемников были определены на этапах 1 и 2, передатчик выполняет итерационный поиск расстояния для нахождения расстояния (R) от центра передающей решетки до местоположения приемника вдоль направления (θ_RX,ϕ_RX) для каждого приемника последовательно. Для реализации поиска расстояния, передатчик выполняет точечную фокусировку, начиная с некоторого предварительно установленного расстояния. Алгоритм поиска расстояния основан на одной из итерационных процедур оптимизации с максимальной выходной мощностью приемника в качестве цели.

В течение точечной фокусировки вдоль определенного углового положения, TX антенная решетка возбуждается следующим образом.

Пусть k обозначает индекс элемента передающей антенной решетки, тогда требуемый комплексный коэффициент Ak возбуждения k-го элемента может быть вычислен следующим образом:

(7)

где i - мнимая единица, ψk - фазовая задержка распространения электромагнитных волн между k-м элементом и фокальной точкой:

(8)

где λ - длина волны поля зарядки; - расстояние между k-м элементом и фокальной точкой. Фокальная точка выбирается вдоль углов θ и ϕ, найденных для каждого приемника после этапов 1 и 2 поиска.

Амплитуда (Mk) и фаза (ϕk) возбуждения k-го элемента передающей антенной решетки могут быть определены следующим образом:

(9)

где операторы "mag" и "phase" используются для получения амплитуды и фазы комплексного числа, соответственно.

В результате этапа 3, получают полные 3D-положения (θ_RX, ϕ_RX, R) всех приемников.

Фиг. 4 иллюстрирует преимущество использования фокусировки поля на приемнике (фиг. 4B) во время определения местоположения приемника и передачи мощности по сравнению со случаем, когда не выполняется фокусировка (фиг. 4A). Фиг. 4B изображает фокусировку ЕМ-поля в ближней зоне в местоположении приемника посредством антенны передатчика. В этом случае принятая мощность возрастает радикально. Таким образом, используя фокусировку в ближней зоне, можно определить местоположение приемника точным образом и гарантировать высокую эффективность беспроводной передачи мощности.

Временные характеристики (тайминг) предложенной процедуры поиска могут быть оценены путем оценки количества этапов для нахождения грубого местоположения приемника мощности.

Прямой (базовый) поиск в 3D-пространстве:

,

where - число точек в диапазоне сканирования по углу места;

- число точек в диапазоне сканирования по азимуту;

- число точек в диапазоне фокусировки по дальности.

Предложенный поиск в (θ,ϕ)-пространстве+R-пространстве:

.

В соответствии с одним примерным вариантом осуществления:

=16, =16, =10.

Тогда N1=2560 и N2=266. Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает улучшение примерно в 10 раз скорости поиска по сравнению с прямым поискoм в 3D-пространстве. Следует отметить, что данная оценка является аппроксимацией для демонстрации порядка требуемых этапов управления лучом/фокусировки. В зависимости от местоположения приемника может потребоваться некоторое дополнительное количество этапов для итерационного уточнения местоположения приемника.

Когда получены местоположения всех приемников, передатчик может начать передачу мощности.

Когда передатчик работает таким образом, чтобы заряжать несколько приемников, система должна реализовывать одновременную зарядку. Известным способом осуществить это является разделение антенной решетки. Этот способ основан на разделении всей TX-решетки на несколько подрешеток и назначения каждой подрешетке ее собственного приемника для беспроводной передачи мощности. Способ, несмотря на его простоту, имеет следующие серьезные недостатки:

- неточный поиск местоположений RX широкими лучами подрешеток;

- неблагоприятная интерференция между лучами/фокусами подрешеток требует начальной регулировки фаз всех подрешеток, что приводит к дополнительным затратам времени на оптимизацию фазового распределения;

- низкая эффективность, обусловленная неоптимальным фазовым распределением ТХ.

Одновременная зарядка множества приемников, предложенная в настоящем изобретении, характеризуется следующими признаками:

1. После последовательного поиска каждого приемника, вся передающая антенная решетка используется для формирования мультифокусной конфигурации поля;

2. Для этой цели, передатчик генерирует конкретное амплитудное и фазовое распределение вдоль апертуры ТХ-решетки, так что каждый элемент TX антенной решетки заряжает каждый приемник;

3. Проблема ʺинтерференции фокусовʺ, возникающая при зарядке нескольких рядом расположенных RX, смягчается за счет формирования профилированного единственного ʺширокогоʺ фокуса.

Фиг. 5 показывает случай, когда три приемника заряжаются одновременно одним передатчиком, причем фиг. 5A изображает схематично одновременную зарядку трех приемников путем генерации 3 фокальных точек, и фиг. 5B изображает примерное поперечное сечение электрического поля на расстоянии 0,5 м от ТХ-решетки размером 30×30 см², заряжающей 3 RX.

TX антенная решетка должна возбуждаться особым образом для реализации максимальной эффективности по мощности для одновременной зарядки нескольких приемников. Примерные амплитудное и фазовое распределения в TX-решетке, заряжающей только один приемник, показаны на фиг. 6, где изображены диаграммы для амплитудного и фазового распределения для обычного равномерного возбуждения антенной решетки и для возбуждения антенной решетки в соответствии с настоящим изобретением. Предложенный способ возбуждения реализует мультифокусное поле зарядки и использует известные 3D местоположения всех приемных блоков, определенные в течение предложенной 3-этапной процедуры поиска.

Пусть k будет индексом элемента передающей антенной решетки, NRX - число приемников для зарядки, тогда требуемый комплексный коэффициент Ak возбуждения k-го элемента может быть вычислен следующим образом:

(10)

где Cj - весовой коэффициент, i - мнимая единица, ψ_kj - фазовая задержка распространения электромагнитных волн между k-м элементом и j-м приемником:

(11)

В уравнении (11), λ - длина волны поля зарядки, Rkj - расстояние между k-м элементом и j-м приемником. После вычисления уравнения (10), амплитуда (Mk) и фаза (ϕk) возбуждения k-го элемента передающей антенной решетки могут быть определены следующим образом:

(12)

где операторы "mag" и "phase" используются для получения амплитуды и фазы комплексного числа, соответственно.

В простейшем случае, если передающая антенная решетка имеет только фазовращатели, амплитуда устанавливается фиксированной (равномерной по решетке), и только фаза из уравнения (12) используется для реализации мультифокусировки. В этом случае, комплексные коэффициенты Cj в (10) используются для корректировки мультифокусной конфигурации поля и для компенсации некоторых ошибок распределения поля, вызванных выравниванием амплитуды.

В случае, когда как амплитуда, так и фаза возбуждения могут регулироваться, уравнение (12) используется для настройки регулируемых аттенюаторов и фазовращателей решетки, в то время как коэффициенты Cj могут быть использованы для акцентирования на j-м приемнике путем посылки к нему более высокого относительного уровня мощности.

В соответствии с одним вариантом осуществления, настоящее изобретение обеспечивает возможность зарядки подвижных портативных устройств. RX посылает информацию о начале перемещения по каналу обратной связи. TX начинает процедуру поиска в малой области вокруг RX в соответствии с вышеупомянутым способом. Если RX имеет данные перемещения (такие как данные скорости или местоположения), TX может обрабатывать их и выполнять поиск в меньшей области.

Кроме того, в соответствии другим вариантом осуществления настоящего изобретения, RX посылает информацию о событии низкого заряда батареи по каналу обратной связи. TX формирует распределение микроволнового поля с большей мощностью в одном из фокусов/лучей. Это возможно и для только фазового управления, и для амплитудно-фазового управления по TX-антенне.

Если, например, 2 RX имеют одинаковое направление, но разные расстояния, общий алгоритм мультифокусировки будет успешно доставлять мощность на оба устройства, имея более высокую эффективность по сравнению с генерацией одного луча. Если фокальная область очень узкая, в реальном сценарии беспроводной передачи мощности, RX1 будет затенять RX2. Поэтому эффективность передачи мощности будет падать для RX2. Настоящее изобретение позволяет генерировать более широкую фокальную область, тогда эффект затенения не является таким сильным.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения, предложена система для выполнения вышеупомянутого способа беспроводной передачи мощности. Заявленная система содержит передатчик мощности и по меньшей мере один приемник мощности. Передатчик мощности содержит антенную решетку передатчика для генерации микроволнового поля. Упомянутая антенная решетка передатчика выполнена с возможностью формировать фокальные точки/линии микроволнового поля. По меньшей мере один приемник мощности содержит батарею, подлежащую подзарядке. В соответствии с одним вариантом осуществления, антенная решетка передатчика может быть пассивной антенной решеткой передатчика. В соответствии с другим вариантом осуществления, антенная решетка передатчика может быть активной антенной решеткой передатчика. Заявленная система беспроводной передачи мощности обеспечивает возможность мультифокусировки микроволн для одновременной зарядки нескольких приемников мощности.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения, предложена антенная решетка передатчика для использования в вышеупомянутой системе беспроводной передачи мощности. Упомянутая антенная решетка передатчика используется для формирования микроволнового поля в соответствии с вышеупомянутыми методами.

Структура антенной решетки передатчика характеризуется следующими признаками:

- используются только две печатные платы (PCB): 1-я - двусторонняя высокочастотная подложка с низкими потерями, 2-я - односторонняя подложка без специальных требований к ее микроволновым рабочим характеристикам (например, подложка из FR4);

- по меньшей мере один последовательный делитель обеспечивает возможность компактного размещения питающей (фидерной) схемы вместе с активными электронными компонентами (фазовращателями, усилителями, аттенюаторами и т.д.) на 1-й PCB;

- щелевое возбуждение (возбуждение через щелевую апертуру) антенных элементов исключает любые соединители между PCB.

Поперечное сечение примерной структуры элемента антенной решетки согласно настоящему изобретению показано на фиг. 7.

Заявленная антенная решетка состоит из множества элементов антенной решетки, содержащих две PCB: первая - двусторонняя высокочастотная подложка с малыми потерями и вторая - односторонняя подложка без специальных требований к ее микроволновым рабочим характеристикам. Обе PCB соединены с использованием диэлектрического слоя или воздушного зазора с прокладками. Предложенная конструкция не требует никаких гальванических соединений между двумя PCB. Следовательно, процессы изготовления и сборки антенной решетки упрощаются, так как каждая PCB может изготавливаться отдельно, при этом сборка выполняется простым соединением с использованием, например, PCB спейсеров. Общий результат такой архитектуры антенной решетки заключается в сокращении стоимости, многофункциональности конструкции и высокой воспроизводимости.

На 1-й PCB расположен микроволновый вход, соединенный с питающей системой антенной решетки, реализованной, например, с использованием микрополосковых или копланарных линий передачи, расположенных на слое 1 (фиг. 7). Так как антенная решетка имеет планарную структуру, ее элементы расположены так, чтобы формировать некоторую планарную сетку. Таким образом, питающая система должна состоять из двух секций - строчных и столбцовых делителей мощности. Чтобы уменьшить пространство, занимаемое питающей системой на 1-й PCB, по меньшей мере один из делителей мощности реализован с последовательной архитектурой. Элементы антенной решетки сформированы как печатные резонансные полосковые излучатели (патчи) на одной стороне 2-й PCB (слой 3, фиг. 7) и возбуждаются посредством связи через щелевую апертуру с микрополосковой/копланарной возбуждающей линией 1-й PCB. Щелевая структура сформирована в слое заземления 1-ой PCB (слой 2, фиг. 7). Для адаптивного управления передаваемой микроволновой энергией в пространстве и времени, например, для реализации управления лучом и фокусировки, передающая антенная решетка должна быть оснащена по меньшей мере фазовращающими устройствами. Фазовращатели непосредственно интегрированы между делителем мощности и схемами возбуждения элементов антенной решетки на той же самой рабочей зоне (топологии)1-й PCB (слой 1, фиг. 7). Это позволяет обеспечить структуру топологии 1-й PCB с очень высоким уровнем интеграции компонентов. Например, если фазовращатели основаны на управляемых варакторных или PIN-диодных элементах SMD (устройства с поверхностным монтажом), сборка 1-й PCB может быть реализована в ходе одного процесса SMD монтажа.

Для дальнейшего увеличения функциональных возможностей управления излучением, каждый элемент решетки может быть оснащен усилителем мощности и регулируемым аттенюатором, которые могут быть выполнены на той же самой рабочей зоне 1-й PCB вместе с фазовращателями (слой 1, фиг. 7). В другом случае, эти компоненты могут иметь реализацию на MMIC (монолитной микроволновой интегральной схеме) и могут непосредственно монтироваться на 1-й PCB.

Излучатель элемента антенной решетки использует круговую поляризацию, реализуемую однощелевым возбуждением патча с деградированной симметричной формой (например, квадратный полосковый излучатель со скошенными кромками).

На 1-й PCB также расположены линии управления и DC питающие линии для активных электронных компонентов, а также могут содержаться некоторые цифровые управляющие компоненты.

Вид сверху примерного элемента антенной решетки с микрополосковым возбуждением и связью через H-щель с квадратным полосковым излучателем со скошенными кромками, показан на фиг. 8 (фазовращатель не показан).

Таким образом, настоящее изобретение позволяет достичь следующих преимуществ:

- быстрая локализация приемника посредством 3-этапного алгоритма поиска в 3D-пространстве;

- увеличение эффективности передачи мощности за счет фокусировки;

- мультифокусировка для одновременной зарядки нескольких приемников мощности;

- простая, компактная и надежная структура антенной решетки передатчика.

Следует отметить, что настоящее изобретение обеспечивает следующие усовершенствования для пользовательского опыта:

- возможность использования для беспроводного питания любого типа портативных электронных устройств (смартфонов, планшетов, часов и т.д.);

- возможность одновременной зарядки множества устройств;

- возможность зарядки движущихся портативных устройств;

- быстрое соединение между передатчиком и приемником и т.д.

Элементы, упоминаемые здесь в единственном числе, не исключают их множества, если только не указано иное. Несмотря на то что примерные варианты осуществления были детально описаны и показаны на приложенных чертежах, должно быть понятно, что эти варианты осуществления являются только иллюстративными и не предназначены для ограничения объема изобретения, и что изобретение не должно быть ограничено конкретными проиллюстрированными и описанными конфигурациями и структурами, поскольку различные другие модификации могут быть очевидны для специалистов в данной области техники.

Использование: в области электротехники. Технический результат заключается в обеспечении быстрой и точной процедуры поиска местоположений приемников мощности и в обеспечении возможности одновременной зарядки нескольких приемников с использованием мультифокусировки микроволн. Способ беспроводной передачи мощности, используемый в системе беспроводной передачи мощности, включающей в себя передатчик мощности и по меньшей мере один приемник мощности, содержит: определение угловых координат местоположения приемника по отношению к передатчику мощности для по меньшей мере одного приемника мощности, определение расстояния между по меньшей мере одним приемником мощности и передатчиком мощности вдоль направления с упомянутыми определенными угловыми координатами с использованием сфокусированного микроволнового поля; беспроводную передачу мощности передатчиком путем фокусировки микроволнового поля в упомянутое определенное местоположение приемника для по меньшей мере одного приемника мощности. Если система передачи мощности содержит множество приемников мощности, этап передачи мощности передатчиком выполняется путем мультифокусировки микроволнового поля в упомянутое определенное местоположение приемника для каждого приемника мощности. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Способ беспроводной передачи мощности, выполняемый в системе беспроводной передачи мощности, содержащей передатчик мощности и по меньшей мере один приемник мощности, причем способ содержит:

- определение угловых координат местоположения приемника по отношению к передатчику мощности для по меньшей мере одного приемника мощности,

- определение расстояния между по меньшей мере одним приемником мощности и передатчиком мощности вдоль направления с упомянутыми определенными угловыми координатами с использованием сфокусированного микроволнового поля;

- беспроводную передачу мощности передатчиком мощности путем фокусировки микроволнового поля в упомянутое определенное местоположение приемника по меньшей мере одного приемника мощности для зарядки по меньшей мере одного приемника мощности,

при этом, если система передачи мощности содержит множество приемников мощности, этап передачи мощности передатчиком мощности выполняется путем мультифокусировки микроволнового поля в упомянутые определенные местоположения приемников каждого приемника мощности для одновременной зарядки каждого приемника мощности.

2. Способ беспроводной передачи мощности по п. 1, в котором

если расстояние между передатчиком и приемником равно или меньше, чем апертура передающей решетки, то определение угловых координат выполняется с использованием фокального луча микроволнового поля.

3. Способ беспроводной передачи мощности по п. 1, в котором этап определения угловых координат содержит итерационный угловой поиск, выполняемый передатчиком с использованием итерационных методов оптимизации.

4. Способ беспроводной передачи мощности по п. 1, в котором этап определения расстояния между по меньшей мере одним приемником мощности и передатчиком мощности содержит итерационный поиск расстояния, выполняемый передатчиком с использованием итерационных методов оптимизации.

5. Способ беспроводной передачи мощности по любому из пп. 1-4, в котором передатчик мощности содержит передающую антенную решетку, и амплитуда (Mk) и фаза (ϕ_k) возбуждения k-го элемента передающей антенной решетки на этапе беспроводной передачи мощности могут быть определены следующим образом:

где операторы "mag" и "phase" используются для получения амплитуды и фазы комплексного коэффициента Ak возбуждения, вычисляемого следующим образом:

где NRX - число приемников, подлежащих зарядке, Cj - весовой коэффициент, i - мнимая единица, ψ_kj - фазовая задержка распространения электромагнитных волн между k-м элементом и j-м приемником, вычисляемая следующим образом:

где λ - длина волны поля зарядки, Rkj - расстояние между k-м элементом и j-м приемником.

6. Система беспроводной передачи мощности для выполнения способа беспроводной передачи мощности по любому из пп. 1-5, причем система содержит передатчик мощности и по меньшей мере один приемник мощности, причем передатчик мощности содержит по меньшей мере одну антенную решетку передатчика для формирования микроволнового поля.

7. Система беспроводной передачи мощности по п. 6, в которой антенная решетка передатчика является пассивной антенной решеткой передатчика.

8. Система беспроводной передачи мощности по п. 6, в которой антенная решетка передатчика является активной антенной решеткой передатчика.

9. Антенная решетка передатчика для формирования микроволнового поля для использования в системе беспроводной передачи мощности по п. 6, причем антенная решетка состоит из множества элементов антенной решетки, содержащих:

- две уложенные в стопку PCB, включая первую двустороннюю высокочастотную PCB с низкими потерями и вторую одностороннюю PCB, причем обе PCB уложены в стопку без электрического соединения, при этом

первая PCB содержит микроволновый вход, схемы деления мощности, фазовращатели, микрополосковые или копланарные схемы возбуждения элементов решетки на первой стороне и щелевую апертуру связи на второй стороне, и

вторая PCB содержит патч с круговой поляризацией, возбуждаемый щелевой апертурой, связанной с микрополосковыми или копланарными схемами возбуждения.

10. Антенная решетка передатчика по п. 9, в которой фазовращатели интегрированы в рабочую зону первой PCB.

11. Антенная решетка передатчика по п. 9, в которой первая PCB дополнительно содержит усилители мощности и аттенюаторы.

12. Антенная решетка передатчика по п. 11, в которой усилители мощности и аттенюаторы интегрированы в рабочую зону первой PCB.

13. Антенная решетка передатчика по п. 11, в которой фазовращатели, усилители мощности и аттенюаторы реализованы как отдельные MMIC-компоненты.

14. Антенная решетка передатчика по п. 9, в которой PCB соединены с использованием диэлектрического слоя или воздушного зазора со спейсерами.