无线电源

摘要

设备（5）可以在链中的相邻设备（5）之间接收和传送数据和能量。每个设备（5）包括用于接收输入信号（12）的输入天线（10），其中针对控制电路（18）中的接收机和解调器（40）对输入信号（12）进行调谐和阻抗匹配（14）。将解调后的信号作为输入提供至发射机模块（42）以创建输出信号（34）。然后输入信号（12）被阻抗转换（20）以生成充足的电压以对电源（24）供能，电源（24）用于对电池（26）进行充电。输入信号（12）和输出信号（34）可以是无线电信号、磁感应信号、或组合的无线电信号和磁感应信号。控制电路（18）中的控制器（38）监控电池（26）和电源（24）的情况，并且控制开关（44）以根据它们的监控情况来选择性地对设备（5）的部件供电。

权利要求

1.一种用于接收和发送数据和能量信号的设备的链，该链包括：头部设备，用于接收数据信号；以及

在所述链中的一个或多个其他设备；

其中，所述一个或多个其他设备在所述链中是串联的，所述头部设备形成所述链的开始；

其中，所述链中的所述一个或多个其他设备中的每个设备包括：第一天线部件，用于从所述链中的前一设备接收输入信号，该输入信号被调制为包括第一数据信号；

用于接收和解码所述输入信号以从所述输入信号解调所述第一数据信号的部件；

用于基于所述第一天线部件与名义负载的阻抗匹配将所述输入信号转换成电能以对所述每个设备进行供电的部件；以及控制器，其用于：

从用于接收和解码所述输入信号的部件接收所述第一数据信号；

当数据接收功率设备被连接到所述每个设备时，通过耦合到所述控制器的开关将来自所述第一数据信号的电能和数据中的至少一个发送到所述数据接收功率设备；以及当确定在所述链中存在下一个设备时：向信号生成器提供第二数据信号，以产生用所述第二数据信号调制的输出信号，其中所述第二数据信号是至少部分地由所述第一数据信号形成的；

控制所述信号生成器以向第二天线部件发送所述输出信号，其中所述第二天线将所述输出信号发送到所述链中的下一个设备。

2.根据权利要求1所述的设备的链，其中，用于将输入信号转换成电能的部件包括：用于将来自所述第一天线部件的所述输入信号转换成DC电压的部件；电池部件；以及用于提供DC电压并用于从所述DC电压对所述电池部件进行充电的电源。

3.根据权利要求2所述的设备的链，其中，用于将所述输入信号转换成电能的部件包括：用于将所述第一天线部件的阻抗与名义负载匹配的天线阻抗匹配器；用于转换所述名义负载的阻抗以提供足以用于整流的未整流电压的阻抗转换部件；以及用于提供所述DC电压的整流和平滑部件。

4.根据权利要求2或3所述的设备的链，其中，所述电池部件用于在没有所述DC电压的情况下对所述每个设备进行供电；以及在存在所述输入信号的情况下使用所述DC电压来对所述每个设备进行供电。

5.根据权利要求4所述的设备的链，其中，在不存在所述DC电压的情况下，所述每个设备用于防止所述电池对所述部件进行供电以生成利用所述解码的数据信号调制的输出信号。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的设备的链，其中，所述输入信号是无线电信号。

7.根据权利要求1-3中任一项所述的设备的链，其中，所述输入信号是磁感应信号。

8.根据权利要求1-3中任一项所述的设备的链，其中，所述输入信号是无线电信号和磁感应信号的组合。

9.根据权利要求1-3中任一项所述的设备的链，其中，所述输出信号是无线电信号、磁感应信号、或组合的无线电信号和磁感应信号。

10.根据权利要求1-3中任一项所述的设备的链，其中，所述第一天线部件和所述第二天线部件选自下列各项组成的组：框架插口天线和阵列、锁眼天线和阵列、抛物线天线和阵列、菱形天线和阵列、四边形天线和阵列、三角形环天线和阵列。

11.根据权利要求1-3中任一项所述的设备的链，其中，在所述链中的所述一个或多个其他设备之间交换握手数据来用于相互认证。

说明书

无线电源

技术领域

[0001] 本发明涉及设备之间的数据无线传送。本发明还涉及在所需总能量最小化情况下的数据传送。

背景技术

[0002] 数字数据现在通常在楼房和住所内传送。还可添加其他情况的非穷举性列表包括在计算机设备之间提供的指令和信息数字信号、提供至装置和从装置提供的控制和反馈数字信号、以及限定提供至多媒体设备、从多媒体设备提供和在多媒体设备之间提供的数字信号的控制和内容，多媒体设备诸如电视显示器和记录器、视频播放器以及音频播放和记录设备。

[0003] 已知使用多种不同类型的媒介来传送数字数据。较普遍的是使用有线连接。可以如在以太网电缆、或同轴电缆、多芯屏蔽电缆或任意其他种类的电线或电缆中使用双绞线。电线和电缆并不是没有缺点。电线和电缆具有以下缺点：易损耗，特别是以较高的频率时；
易受串扰影响；以及由于固有的导体间电容，可以对任何信号限制最大带宽或数据传输率以及相对较低的最大带宽或数据传输率。电线或电缆数据传送链路的另一个问题是存在固有的特性阻抗，要避免电缆线中的反射，该特性阻抗必须精确地被终端匹配。反射可能破坏数字信号的可理解性并且限制数字信号可以传播的有效距离。电线和电缆的另一个缺点是其所连接的设备不能移动。设备电线或电缆的路线在进行任何移动之前必须被计划和布置好，从而不阻碍人或动物。电缆和电线的美观也需要考虑。在使用电线或电缆的情况下，必须进行许多考虑，而这些考虑必须同时是准确的。本发明试图对于使用电线和电缆时遇到的许多问题提供解决方案，从而允许容易地移动设备，而没有大量的匹配和带宽困难。

[0004] 一些设备在家庭或商业设置中使用光纤电缆。光纤电缆可以提供超高带宽。然而，电缆再次被固定，使得其所连接的设备的移动受限、困难或不可能移动。将光纤电缆结合至终端或相互结合是精确的操作，需要高技术的人员来设置、连接或维修任何系统。光纤避免电线或电缆的一些问题，但带来了其他的困难。本发明试图避免与光纤电缆有关的问题，从而可代替地提供在不需要高技术水平的情况下允许方便连接的解决方案。

[0005] 无线数据传送已经被使用。仅作为两个示例，蓝牙(注册商标)是无线发射机和接收器的系统，一般用于在移动电话中从远程连接设备提供服务。WiFi是使用2.4GHz或5GHz的无线电双向连接协议，用于将便携式计算机设备连接至本地收发机，从而提供对任何其他网络的因特网的访问。任何一种无线连接的问题(利用电线、电缆或光纤连接也一样)都是终端设备的有关电源需求，从而需要至少附加的电池和可能的电力网供电来维持。这浪费了能量，潜在有毒的电池和电源材料的浪费，以及随其制造产生的二氧化碳排放不是“绿色的”(“环境保护”的偶尔术语)。本发明试图提高数据传送中的能量效率。本发明还试图提供伴随数据传送的能量传送。

[0006] 已知使用接触垫进行能量的无线传送，其中诸如可再充电的牙刷、剃刀、音乐播放器或类似设备的设备被放置在接触垫上以允许使用垫内的磁芯来进行内部电池的再充电。垫内的芯带有AC场，其可以磁性耦合至设备内或连接至设备的次级芯。当将设备放置在垫上时，AC磁场在次级芯上的次级线圈上感应电压。次级线圈提供电池的充电功率。还已知将天线连接至车辆的外部玻璃并且通过将电容紧接耦合在车辆玻璃内的连接点之后的方式馈送射频功率和能量。这些能量和可能的数据耦合解决方案是非常短距离的，并且涉及可能潜在有害的强电磁场。

发明内容

[0007] 本发明在于用于接收数据信号的设备，该设备包括：第一天线部件，用于接收被调制为包括数据信号的输入信号；用于接收和解码无线信号以提供解码的数据信号的部件；以及用于将输入信号转换成电能以对设备进行供电的部件。

[0008] 本发明还提供这样一种设备，该设备可以包括：生成利用解码的数据信号调制后的输出无线信号的部件；以及用于发射输出无线信号的第二天线部件。

[0009] 本发明还提供用于将输入无线信号转换成电能的部件，该部件可以包括：用于将来自第一天线部件的信号转换成DC电压的部件；电池部件；以及用于从DC电压对电池部件进行充电的充电器。

[0010] 本发明还提供用于将来自第一天线部件的信号转换成DC电压的部件，该部件可以包括用于将第一天线部件的阻抗与名义负载(notional load)匹配的天线阻抗匹配器，可以包括用于转换名义负载的阻抗以提供足以用于整流的未整流电压的阻抗转换部件，并且可以包括用于提供DC电压的整流和平滑部件。

[0011] 本发明还提供电池部件，其用于在没有DC电压的情况下对设备进行供电，以及在存在输入无线信号的情况下使用DC电压来对设备进行供电。

[0012] 本发明还提供这样一种设备，该设备包括休眠部件，用于在输入无线信号在预定强度以下时将设备设置为低功率模式，休眠模式保存电池部件中的电荷。

[0013] 本发明还提供这样一种设备，该设备可以具有无线电信号、磁感应信号或无线电信号和磁感应信号的组合作为输入信号。

[0014] 本发明还提供这样一种输出信号，该输出信号可以是无线电信号、磁感应信号或无线电信号和磁感应信号的组合。

附图说明

[0015] 通过以下结合附图阅读说明书以示例的方式进一步说明本发明，其中：

[0016] 图1示出如何以链布置本发明。

[0017] 图2示出图1的链的细节并且是本发明的一个可能实施例的示例。

[0018] 图3是示出图2的控制电路的可能示例性内容的示意框图。

[0019] 图4是适于与无线电信号或磁感应场使用的示例性磁性天线的透视图。

[0020] 图5是示出图4的天线中的调谐和阻抗匹配的示例性电路图。

[0021] 图6示出适于高速数据传送的天线。

[0022] 图7示出组合天线。

[0023] 图8是示出如何组合磁性天线和无线电天线的框图。以及

[0024] 图9是示出如何布置多个链的框图。

具体实施方式

[0025] 首先关注图1，其示出通过数据信号7耦合在一起的数据和能量传送设备5的链，数据信号7是无线电信号或磁感应信号、或两者、或两者的混合信号。数据接收功率设备9可以耦合至链中的数据和能量传送设备5中的一些或所有设备以经由数据信号接收能量。一个数据和能量传送设备5A位于链的头部，并且不需要接收供能数据信号7，而是从诸如来自供电线的另一电源得到其能量，并且从数据源(未示出)得到其数据信号。

[0026] 只要链的下游的数据和能量传送设备5之间的累积能量损失不足以妨碍以下能力，即链中的倒数第二个数据和能量传送设备5提供输出的数据信号给链中最后的数据和能量传送设备5以能对数据接收功率设备9进行供电，则链就将维持其完整功能。

[0027] 图1的链还可以用于将有用的信息数据输送至耦合至数据和能量传送设备5的数据接收功率设备9。

[0028] 不是所有的数据接收功率设备9都需要接收数据，并且不是所有的数据接收功率设备9都需要接收电能。数据接收功率设备中的一些可以接收电能和数据。

[0029] 同样，不是每个数据和能量传送设备5都需要耦合有数据接收功率设备9，而是仅用作链中的链路。

[0030] 接着关注图2，其示出图1的链的数据和能量传送设备5的细节并且是数据和能量传送设备5的一个可能实施例的示例。

[0031] 在该示例中，使用无线电。第一天线10可以接收输入无线电信号12，无线电信号12被提供至天线调谐器14以使第一天线10谐振并使其具有适当的阻抗，以将信号提供至输入信号线16将数据信号输送至控制电路18。

[0032] 来自天线调谐器14的输出还被提供至阻抗转换器20，阻抗转换器20增大由输入无线电信号12所输送的电压直到(所希望地)足以驱动DC电源24。电压充足线22在转换电压足够大到驱动DC电源24时对控制电路18提供指示。

[0033] DC电源24将电荷输送至电池26，电池26通过正极功率输入端28和负极功率输入端30以将供能电力提供至控制电路18。

[0034] 在条件合适的情况下，控制电路18驱动第二天线32发射输出无线电信号34。输入无线电信号12和输出无线电信号34各自包含数据。来自输入无线电信号12的数据经由输入信号线16被提供至控制电路18，然后数据通过控制电路18内的解调被恢复。数据(不是必须与解调的数据一致)被调制至输出无线电信号34中。

[0035] 通过输入无线电信号12所输送的电力被输送以对控制电路18进行供电，并且还向耦合至控制电路的任何其他装置或仪器(在图1中未示出)输送电力。

[0036] 输出无线电信号目的在于被与图1所示类似的另外的设备接收。图1设备的链可以由此形成。当然，如果具体的图1设备是链中最后一个，则不需要发射输出无线电信号34。

[0037] 如后面更加清楚的是，第一和第二天线可以具有用于无线电信号的各种形式。设备还可以使用在高频下工作的感应磁场来工作。

[0038] 本领域技术人员将可以想到设置天线或磁场感应线圈匹配来输送数据和充足电压以驱动DC电源24的其他方案。仅作为一个示例，这种其他方案在英国无线电学会(Radio Society of Great Britain,RSGB)和美国无线电传播联盟(American Radio Relay League,ARRL)的出版物中可以找到。

[0039] 在图2中，数据接收功率设备9以虚线轮廓示出，其不是数据和能量传送设备5的必要部件，不是必须耦合至控制电路18。数据接收功率设备9被示出为经由功率和/或数据耦合36而耦合至控制电路18。

[0040] 接着关注图3，其是示出控制电路18的可能示例内容的示意框图。

[0041] 控制器38整体上是命令控制电路。接收机和解调器40接收来自第一天线10的输入并且将数据信号输送至控制器38。发射机模块42接收来自控制器38的指令、控制信号和数据信号，并且将输入提供至第二天线32以发送输出无电线信号34。功率和数据开关44被控制器38控制来确定能量和数据将围绕控制电路和从控制电路怎样提供和提供到哪里。控制器38还监控电池26的正极电源线28以评估电池26的充电状态，并且监控电压充足线22以判断是否可以对电池26进行充电。

[0042] 接着关注图4和5，其中图4是适于与无线电信号或磁感应场一起使用的示例性磁性天线的透视图，以及图5是示出图4的天线中的调谐和阻抗匹配的示例性电路图。

[0043] 优选在线圈架48上缠绕的主线圈46被可变电容器50调谐至谐振。谐振频率典型地是几兆赫至几十兆赫，但是可以是任意值。接头52沿着主线圈48设置以相对于基极接线端54提供各种电压和阻抗。可以提供互感耦合环和线圈56，其具有与主线圈48相同或比主线圈48小的直径。这些特定地在提供用于发射机模块42的驱动馈送阻抗中使用。未示出但是所使用的是，在主线圈48内包括诸如铁素体的低损耗磁性棒，其由于相对磁导效应给出对于磁性天线更大的有效面积。本领域技术人员将想到可以与磁性天线和磁感应天线一起使用的馈送和阻抗/电压转换的其他部件。

[0044] 接着关注图6和7，其中，图6示出适于高速数据传送的天线，以及图7示出组合的磁性天线和无线电天线。

[0045] 图6示出单个示例性高数据传送速率天线。宇田一八夫阵列(yagi-uda array)58公知用于接收和发送在24或5GHz频率范围中提供高数据传输率的WiFi信号。宇田一八夫阵列可以在几乎任何频率上使用，它们的尺寸与所使用的频率成反比。其提供高增益并且因此窄的波束宽度，对于能量传送很有用。所驱动的或接收元件60后面是一个或多个稍长的平行间隔的反射器元件62，前面是多个稍短的并行间隔的导向元件64，以从所驱动的或接收元件60在沿着轴66的方向上具有最大灵敏度和波束功率。为了更大的灵敏度和方向性，宇田一八夫阵列可以并排堆放、上下叠放或两者皆可。

[0046] 不限于使用宇田一八夫阵列。使用的天线可以包括但不限于：框架插口天线和阵列、锁眼天线和阵列、抛物线天线和阵列、菱形天线和阵列、四边形天线和阵列、以及三角形环天线和阵列等等。

[0047] 图7示出组合天线，其在该示例中使用允许高速数据传送的图6的天线以及图4和5的磁性天线，其中可能需要另外的能量传送。

[0048] 实际上，可以使用任何类型的天线，并且可以使用两个以上天线的任意组合。

[0049] 图8是示出如何组合磁性天线和无线电天线的框图。

[0050] 图8与图2相似，并且相同的数字表示相同的元件。与图4和5所示相似，使用磁性天线70来用于能量传送，这是因为与无线电波相比，感应磁场以安全的场强度传送能量的能力增强。另一方面，用于感应射频(RF)磁场的磁性天线具有减少的数据承载能力。因此，第一天线10和第二天线32是例如图7所示的类型，具有高速数据承载能力。

[0051] 接着关注图9，其是示出如何使用多个链的框图。

[0052] 在建筑物、住宅、场所或设施内，可以建立和使用多个链5A 5B 5C 5。链5A 5B 5C 5可以通过场定向、频率、场类型(磁感应或无线电)的选择和通过物理分离来相互功能上分开。数据和能量传送设备链的头部数据和能量传送设备5A、5B、5C位于多个链的各链的头部，并且其他数据和能量传送设备5设置在各链中。链可以具有不同长度。链可以在同一时间或不同时间操作。

[0053] 控制单元18中的控制器38组织其他数据和能量传送设备5的操作。

[0054] 在控制控制电路18时，控制器具有许多选择。潜在地，电池26具有对初始控制电路18的活动供电的能力。然而，如果电池没电，则不能操作，并且在没有来自电源24的电力的情况下，控制电路18不能工作。假定通过电池或电源对控制电路18供电，则首先优先对电池
26充电，以使得可以进行后面的电源24的操作。第一个选择是检查电池26是否被充满，并且一旦电池26被充满或至少部分充电，就仅通过控制电路18提供电力和数据。

[0055] 另一优先是检查操作是否针对最后的数据和能量传送设备5。如果是，则不需要操作发射机模块42。在一个示例中，这可以通过对具体数据和能量传送设备5编址传送数据来传达给该数据和能量传送设备5。该编址还可以表示数据是否被传送至耦合的数据接收功率设备9。

[0056] 另一优先是判断在链中具体数据和能量传送设备5是否是下一个。如果具有交互双向信号传输能力，则可以通过握手来实现。如果调谐链中下一个数据和能量传送设备5的发射频率，则可以在数据和能量传送设备5之间交换握手数据来用于相互认证。

[0057] 最后，怎样提供数据？如果仅需要对设备供给能量和对电池26充电，则数据和能量传送设备链的头部数据和能量传送设备5A 5B 5C可以对链中所有数据和能量传送设备5中的特定的数据和能量传送设备生成数据。数据和能量传送设备5的地址数据可以与来自外部源的可用数据结合以将外部源数据指引至特定数据和能量传送设备5或耦合的数据接收功率设备9。

[0058] 各链5A 5B 5C 5可以具有链单元的共同头部，对于所有链5A 5B 5C 5共用，用于监控在各链5A 5B 5C 5上下传递的消息以判断哪个单元5A 5B5C 5是工作的、它们的工作条件、功耗以及许多其他数据。链单元的公共头部可以包括显示单元5A 5B 5C 5的状态的屏幕。该屏幕可以是触摸屏，用于控制单元5A 5B 5C 5。该系统可以仅包括一个链单元的公共头部，省略其他链单元5A 5B 5C的头部。同样，其他链单元的头部可以监控单元5A 5B 5C的工作并且可以包括屏幕作为链单元的公共头部。下游的链单元5也可以具有屏幕以及监控和控制功能。

[0059] 本发明的一个应用是在汽车内提供电力，其中，必须在链头单元5A、5B、5C或在公共链头单元内单独地生成数据。

[0060] 已经参考无线电波和磁感应场描述了本发明。应当理解，本发明还扩展至所有类型的场的使用，包括但不限于声波场和超声波场、电场以及可以设置接收天线或换能器以及发射天线或换能器的任何其他类型的场。

[0061] 通过实施例和示例的方式描述和说明了本发明。本领域技术人员将想到在不背离以下权利要求所限定的本发明的情况下可以使用的差异和变化。