УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ПОСТОЯННЫЙ ТОК
DEVICE FOR CONVERSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION INTO DIRECT CURRENT

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области беспроводной подачи энергии, более конкретно, к устройствам для преобразования электромагнитного излучения в постоянный ток, которые могут быть использованы, в частности, в беспроводных зарядных системах.
Уровень техники
Известны беспроводные зарядные устройства на основе явления электромагнитной индукции, которое заключается в возникновении электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего этот контур. Система, обеспечивающая такой тип зарядки, состоит из первичной катушки L1 (источника) и вторичной катушки L2 (приемника). Катушки образуют систему с индуктивной связью. Переменный ток, протекая в обмотке первичной катушки, создает магнитное поле, индуцирующее напряжение в приемной катушке, которое может быть использовано как для зарядки аккумулятора, так и для питания мобильного телефона. По мере удаления вторичной катушки от первичной все большая часть магнитного поля рассеивается и не достигает вторичной катушки. Однако даже при относительно малых расстояниях индуктивная связь становится неэффективной.
Известна система для приема и преобразования электромагнитной энергии (см. US4943811, опубл. 24 июля 1990), в которой используется антенная решетка для приема электромагнитных волн с двойной поляризацией, состоящая из первой тонкопленочной печатной схемы ректенны (1) (устройства, представляющего собой антенну с выпрямителем, которые предназначены для преобразования электромагнитной энергии, падающей на антенну, в энергию постоянного тока), имеющей множество линейных полуволновых дипольных антенн (5А), ориентированных в первом направлении для приема первого компонента волн с двойной поляризацией, и второй тонкопленочной печатной схемы ректенны (2), параллельной первой ректенне и имеющей множество линейных полуволновых дипольных антенн (5B), ориентированных во втором направлении для приема второй ортогональной составляющей электромагнитных волн. Система также содержит экран отражателя (4), расположенный параллельно ректеннам и позади второй ректенны, для отражения падающих электромагнитных волн, передаваемых через первую и вторую ректенны, назад к первой и второй ректеннам для осуществления приема. Дипольные антенны первой ректенны расположены по заданному шаблону относительно дипольной антенны второй ректенны, и первая, и вторая ректенны расположены на по существу нулевом расстоянии от друг друга или разнесены на расстояние, кратное длине полуволны, причем вторая ректенна и отражающий экран также разнесены на заданное расстояние. Однако в данном решении прием осуществляется лишь в направлении, по существу перпендикулярном плоскости, в которой расположена антенна (поперечном направлении, как показано на фиг.1).
Известно также выбранное в качестве прототипа устройство для преобразования электромагнитного излучения в постоянный ток (US2016/0094091, опубл. 31 марта 2016), в котором ректенна содержит полосковую антенну с круговой поляризацией, имеющую двойные щели, питаемые микрополосковой линией, сконфигурированную для приема и вывода радиочастотного (RF) сигнала, и схему выпрямления, сконфигурированную для преобразования радиочастотного сигнала, принятого посредством полосковой антенны с круговой поляризацией, в сигнал постоянного тока (DC) и для передачи сигнала постоянного тока от антенны к нагрузке. Однако в данном решении прием осуществляется лишь в направлении, по существу перпендикулярном плоскости, в которой расположена антенна (то есть только в поперечном направлении, как показано на фиг.1).
Между тем, в реальных условиях пользователю, как правило, неудобно располагать заряжаемое телекоммуникационное устройство, например, мобильный телефон с антенной, принимающей электромагнитное излучение для зарядки, в таком положении, чтобы излучение падало на антенну в перпендикулярном к экрану мобильного телефона направлении. Поэтому есть необходимость создания устройства, которое может принимать электромагнитное излучение не только в поперечном направлении, но и в продольном направлении, то есть в направлении, по существу параллельном плоскости антенны, расположенной в плоскости экрана телефона, и, соответственно, плоскости самого телефона.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В одном аспекте изобретения раскрыто устройство для преобразования электромагнитного излучения в постоянный ток, содержащее:
по меньшей мере два приемных элемента, каждый из которых соединен с по меньшей мере двумя выпрямителями, выполненными с возможностью преобразовывать принятое приемным элементом электромагнитное излучение в постоянный ток,
причем приемные элементы выполнены в виде планарного щелевого антенного элемента, сконфигурированного для приема электромагнитного излучения в диапазоне углов, близких к нулю относительно плоскости антенного элемента, при этом антенный элемент содержит по меньшей мере две щели,
причем один антенный элемент повернут относительно другого на угол от 80 до 100 градусов.
В дополнительных аспектах раскрыто, что по меньшей мере один антенный элемент повернут относительно другого на угол, равный приблизительно 90 градусам; корпус является металлическим или металлизированным по периметру; устройство дополнительно содержит блок управления и набор переключателей для управления съемом энергии с выпрямителей, имеющих выходные конденсаторы; блок управления и набор переключателей сконфигурированы с возможностью осуществлять съем энергии с выпрямителей каждого антенного элемента последовательно во времени; блок управления и набор переключателей сконфигурированы с возможностью задавать время, в течение которого осуществляется съем энергии, согласно величине энергии, накопленной в выходном конденсаторе выпрямителя энергии; блок управления и набор переключателей сконфигурированы с возможностью осуществлять съем энергии только с выпрямителя с наибольшей накопленной в выходном конденсаторе энергией; устройство может дополнительно содержать по меньшей мере один приемный элемент, выполненный в виде планарного антенного элемента, сконфигурированного для приема излучения в диапазоне углов от 0 до 40 градусов от перпендикуляра к плоскости устройства; устройство для преобразования электромагнитного излучения в постоянный ток может быть встроено в элемент корпуса телекоммуникационного устройства или выполнено в отдельной крышке, обложке или чехле, размещаемых на телекоммуникационном устройстве и имеющих соединительное средство с телекоммуникационным устройством; антенный элемент может быть соединен с металлическим или металлизированным корпусом, который служит для отражения излучения, падающего с направления, противоположного стороне соединения с выпрямителями; планарный щелевой антенный элемент может быть выполнен в виде оптически прозрачной антенной решетки, представляющей собой металлическую сетку, нанесенную на экран телекоммуникационного устройства.
Сущность изобретения заключается в том, что в предложенном устройстве для преобразования электромагнитного излучения используется по меньшей мере два планарных щелевых антенных элемента, каждый из которых выполнен с возможностью принимать излучение в диапазоне углов, близких к нулю относительно плоскости антенного элемента (излучение продольного направления, см. фиг.1), причем предложенное устройство выполнено с возможностью принимать излучение с любой поляризацией, в частности, как с горизонтальной, так и с вертикальной поляризацией, при этом антенные элементы повернуты относительно друг друга на заданный угол, который составляет от 80 до 100 градусов, в частности, должен быть близок к 90 градусам.
1
0
fast
0
fast
Прием излучения с горизонтальной поляризацией (параллельной плоскости антенны) осуществляется за счет возбуждения высшей (EH) моды микрополосковой линии, причем фазовая скорость этой моды должна быть выше скорости света в вакууме (так называемая вытекающая мода и антенна вытекающей волны (см. раздел «Leaky-wave antennas» авторов A.A. Oliner, D.R. Jackson, в книге Antenna Engineering Handbook, под ред. J. L. Volakis, часть 11, McGraw-Hill, Нью Йорк, 4-е издание, 2007), причем угол максимума приема относительно нормали к антенне (theta) определяется согласно формуле sin(theta)=c/c, где c- скорость света в вакууме, с - скорость высшей моды.
0
Прием излучения с вертикальной поляризации осуществляется за счет щелей в полоске, при этом возбуждается медленная основная мода EHмикрополосковой линии.
Такое решение позволяет охватить все углы вплоть до 360 градусов, с которых может приходить излучение на предложенное устройство в продольном направлении. При этом, как показано на фиг. 1, продольным направлением является направление, лежащее в плоскости телекоммуникационного устройства или параллельное этой плоскости, а поперечным направлением является направление перпендикулярное плоскости телекоммуникационного устройства, в частности, перпендикулярное плоскости его экрана.
Решаемая проблема заключается в том, что, когда заряжаемое беспроводное телекоммуникационное устройство (например, сотовый телефон или планшетный компьютер), содержащее предложенное устройство для преобразования электромагнитного излучения в постоянный ток, лежит на какой-либо поверхности, излучение от излучателя, подающего электромагнитное излучение, чаще всего падает на него под углом, близким к нулю относительно плоскости экрана беспроводного телекоммуникационного устройства (приходит по существу с продольного направления), и почти не принимается устройством для преобразования электромагнитного излучения в постоянный ток. Это связано с тем, что используемые в уровне техники антенны не подходят для приема излучения с этого направления.
Другой проблемой является то, что заряжаемое беспроводное устройство может иметь произвольную ориентацию относительно источника излучения, при этом под ориентацией следует понимать угол между продольной осью устройства и направлением, с которого приходит излучение, в продольной плоскости, а ориентация беспроводного устройства относительно источника излучения напрямую влияет на прием электромагнитной энергии от источника излучения.
В этой связи появляется необходимость обеспечить такое устройство для преобразования электромагнитного излучения в постоянный ток, которое будет принимать излучение, приходящее в продольном направлении, при любой ориентации заряжаемого беспроводного устройства относительно источника излучения.
Технический результат заключается в обеспечении возможности принимать электромагнитное излучение с любой поляризацией, приходящего с любого направления, в частности, приходящего с продольного направления, при любой ориентации беспроводного заряжаемого устройства относительно направления падающего электромагнитного излучения, что обеспечивает эффективное преобразование падающего электромагнитного излучения в постоянный ток, служащий для зарядки беспроводного телекоммуникационного устройства, которое может быть расположено в любой пространственной ориентации. Кроме того, предложенное устройство преобразования электромагнитного излучения в постоянный ток обладает малой толщиной, что также является преимуществом с учетом ограничений размеров беспроводных телекоммуникационных устройств.
Этот результат достигается благодаря наличию в заявленном устройстве по меньшей мере двух антенных элементов, которые повернуты относительно друг друга на угол от 80 до 100 градусов, предпочтительно расположенных приблизительно перпендикулярно относительно друг друга и выполненных с возможностью принимать излучение продольного направления независимо от его поляризации и ориентации относительно направления принимаемого электромагнитного излучения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 показывает продольное и поперечное направления относительно корпуса беспроводного телекоммуникационного устройства.
Фиг.2 показывает направления и расположения беспроводного телекоммуникационного устройства уровня техники, при которых осуществляется и не осуществляется зарядка.
Фиг.3 показывает вид антенного элемента с выпрямителями согласно изобретению.
Фиг.4 схематично показывает, как принимается излучение с разной поляризацией.
Фиг.5 схематично показывает размещение двух перпендикулярно расположенных относительно друг друга антенных элементов согласно изобретению.
Фиг.6 показывает вариант выполнения, в котором дополнительно содержится антенный элемент для приема электромагнитного излучения в поперечном направлении.
Фиг.7 показывает возможные схемы подключения для съема энергии с выпрямителей.
Фиг.8 показывает графики усиления антенного элемента в зависимости от поляризации и ориентации устройства.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Как указывалось выше и как показано на фиг.2, когда телекоммуникационное устройство 202 лежит на какой-либо поверхности 201, то излучение 204 от излучателя 205, подающего электромагнитное излучение, чаще всего, падает на него под углом, близким к нулю относительно плоскости экрана беспроводного телекоммуникационного устройства, то есть приходит с продольного направления, и при этом зарядки батареи телекоммуникационного устройства не происходит, и зарядка устройства 202 осуществляется, только если оно расположено к направлению излучения 203 под углом, близким к 90 градусам, то есть излучение приходит с перпендикулярного направления.
Данная проблема решается путем использования в конструкции заявленного устройства для преобразования электромагнитного излучения в постоянный ток по меньшей мере двух приемных элементов, каждый из которых содержит микрополосковый планарный щелевой антенный элемент 302 (см. фиг.3) над землей, который имеет по меньшей мере две щели 303 и соединен с четырьмя выпрямителями 301, которые преобразуют принятое приемным элементом излучение в постоянный ток. При этом на фиг. 4 проиллюстрировано, что заявленное устройство способно принимать электромагнитное излучение как с горизонтальной поляризацией (кромкой микрополоскового электрода 302), так и с вертикальной поляризацией (щелями 303).
1
Поперечный размер антенного элемента 302 должен быть больше минимального размера, соответствующего частоте отсечки EH моды, что приблизительно соответствует половине длины волны в материале подложки. Для излучения частотой 5.8 ГГц и диэлектрической проницаемости материала подложки, равной 2, поперечный размер антенного элемента 302 составляет около 18 мм. Длина антенного элемента минимально составляет около одной длины волны излучения в вакууме, то есть около 50 мм.
0
В направлении, близком к горизонтальной плоскости (то есть к продольному направлению), диаграмма направленности антенного элемента (ДН) для вертикальной поляризации имеет паразитный максимум, что используется для приема излучения с помощью щелей 303, длина которых составляет приблизительно половину длины волны излучения в диэлектрике. При этом для угла theta от нормали к плоскости антенны выполняется соотношение: sin(theta)=(c0/c1)-(lambda/d), где c0 - скорость света в вакууме, с1 - скорость распространения излучения в диэлектрике микрополосковой антенны (основная мода EH), lambda - длина волны в вакууме, d - расстояние между щелями, которые размещают равномерно по длине антенного элемента.
Как показано на фиг. 5, в заявленном устройстве по меньшей мере один соединенный с выпрямителями 501 антенный элемент 502, также имеющий по меньшей мере две щели 503 и размещенный в пределах корпуса 504 устройства, может быть повернут относительно другого или других антенных элементов на угол от 80 до 100 градусов, преимущественно повернут на угол, близкий к 90 градусам, то есть антенные элементы расположены так, что их центральные продольные оси образуют угол, приблизительно равный 90 градусам. Такое решение обеспечивает прием излучения со всех направлений.
В одном из вариантов реализации заявленного устройства, показанном на фиг. 6, для обеспечения лучшего охвата всех углов приема электромагнитного излучения дополнительно к предложенным планарным щелевым антенным элементам 602 устройство может также содержать по меньшей мере один соединенный с выпрямителями приемный элемент 601, содержащий антенный элемент, способный принимать электромагнитное излучение в диапазоне углов, близких к перпендикуляру к плоскости антенного элемента, то есть способный осуществлять прием в поперечном направлении.
В отличие от известных из уровня техники устройств, заявленная ректенна совместима с металлическим корпусом телекоммуникационного устройства. В случае четырехпортового устройства подключение выпрямителей осуществляется между микрополосковым планарным антенным элементом и землей (металлической рамкой). В двухпортовом устройстве одна из сторон микрополоскового планарного антенного элемента замыкается на металлическую рамку устройства, тем самым сигнал, принятый с направления, противоположного замыканию на рамку, отражаясь, попадает в порты антенного элемента. В данном варианте выполнения антенный элемент является микрополосковым, но в нем также выполнены по меньшей мере две щели, и в этом варианте выполнения, несмотря на наличие металлического корпуса, также обеспечивается прием электромагнитного излучения в диапазоне углов, близких к нулю относительно плоскости антенного элемента. Излучение с вертикальной поляризацией преимущественно принимается посредством щелей, а излучение с горизонтальной поляризацией преимущественно принимается микрополосковой структурой.
В одном варианте осуществления планарный щелевой антенный элемент является прозрачной, нанесенной на экран антенной решеткой, то есть в этом варианте выполнения сплошной металлический (например, медный) электрод заменяется оптически прозрачной металлической сеткой, в которой также выполнены щели. Тем самым возможно расположить оптически прозрачный антенный элемент, например, на дисплее мобильного телекоммуникационного устройства.
Заявленное устройство для преобразования электромагнитного излучения в постоянный ток может быть получено традиционными методами изготовления планарных антенных элементов, например, традиционными методами изготовления печатных плат. При этом плоские щелевые антенные элементы могут размещаться как в одном слое, так и в разных последовательно расположенных друг над другом слоях многослойной печатной платы.
В одном варианте осуществления для изготовления антенного элемента используется стандартная двухслойная печатная плата с диэлектриком, имеющим проницаемость 2-4, покрытым, например, медью.
Размеры антенного элемента и его щелей выбираются исходя из параметров электромагнитного излучения и характеристик используемых материалов. Минимальная длина антенного элемента, то есть его наибольший размер вдоль его центральной продольной оси, равен приблизительно длине волны излучения в вакууме, в частности, около 50 мм (для частоты сигнала 5.8 ГГц). Поперечный размер, то есть размер антенного элемента в плоскости антенного элемента вдоль оси, перпендикулярной его центральной продольной оси, должен составлять больше половины длины волны в материале подложки. Например, для излучения с частотой 5.8 ГГц и проницаемостью материала подложки около 2 поперечный размер антенного элемента составляет около 18 мм.
При этом устройство для преобразования электромагнитного излучения в постоянный ток может быть встроено в корпус или в элемент корпуса телекоммуникационного устройства, например, устройство может быть выполнено достаточно компактным и тонким и расположено в съемной задней крышке корпуса телекоммуникационного устройства, например, в съемной задней крышке мобильного телефона. В другом варианте выполнения заявленное устройство для преобразования электромагнитного излучения в постоянный ток может быть выполнено в отдельной крышке, обложке или чехле, размещаемых на телекоммуникационном устройстве и имеющих соединительное средство с телекоммуникационным устройством.
Для съема энергии, принятой антенным элементом, используется набор выпрямителей, присоединенных к выходам антенных элементов через элемент согласования. В зависимости от конструкции антенного элемента может использоваться 2 или 4 выпрямителя. Поскольку на каждом выпрямителе свой уровень накопленной энергии и своя величина напряжения, то осуществлять съем энергии со всех выпрямителей одновременно затруднительно. В способах, известных из уровня техники, для съема энергии соединяют все выпрямители последовательно (крайняя левая схема на фиг.7) или параллельно (вторая слева схема на фиг.7), однако данные способы имеют недостатки, заключающиеся во взаимном влиянии выпрямителей друг на друга, что приводит к тому, что выпрямители с текущими плохими характеристиками (в силу текущей поляризации и ориентации), сильно ухудшают характеристики всей схемы съема энергии.
В заявленном решении было предложено использовать блок управления, выполненный с возможностью определять выпрямитель с наибольшей энергией и подключать только его к нагрузке (как показано на фиг.7), что проиллюстрировано на третьей слева схеме на фиг.7, такое решение позволяет использовать выпрямитель с самыми лучшими характеристиками и не задействует остальные выпрямители.
В другом варианте осуществления блок управления посредством переключателей последовательно подключает каждый выпрямитель к нагрузке, но время подключения задает в зависимости от величины энергии, накопленной в выходном конденсаторе выпрямителя, - чем больше энергии накоплено в выпрямителе, тем дольше время подключения.
В другом варианте блок управления сначала определяет антенный элемент, который принимает большую часть падающей энергии, а затем задействует для съема энергии только его переключатели.
Блок управления может быть реализован на базе микроконтроллера, специализированной схемы ASIC, интегральной схемы или иного подходящего аппаратного обеспечения.
Результаты моделирования работы предложенного антенного элемента показаны на фиг.8, на которой представлены зависимости усиления антенного элемента при разных углах падения излучения. На верхнем графике на фиг.8 показан случай горизонтальной поляризации, а на нижнем - вертикальной. Углы по горизонтальной оси относятся к углам между направлением падения излучения и плоскостью телефона. Как видно на фиг.8, при углах падения излучения, близких к плоскости экрана телекоммуникационного устройства, например, телефона, усиление предложенного антенного элемента наибольшее, что говорит об эффективности приема излучения с этого направления.
В конкретном варианте осуществления заявленное устройство для преобразования электромагнитного излучения в постоянный ток встроено в телекоммуникационное устройство (либо в корпус, либо в заднюю крышку, либо в дисплей в случае оптически прозрачного исполнения антенной решетки) или выполнено в отдельной крышке, обложке или чехле, размещаемых на телекоммуникационном устройстве и имеющих соединительное средство с телекоммуникационным устройством в виде, например, кабеля или шлейфа.
Возможные варианты осуществления не ограничиваются описанными здесь вариантами осуществления, и специалисту в данной области техники на основе информации, изложенной в описании, а также знаний уровня техники, станут очевидны и другие варианты осуществления изобретения, не выходящие за пределы сущности и объема данного изобретения.
Элементы, упомянутые в единственном числе, не исключают множественности элементов, если отдельно не указано иное.
Все элементы заявленного устройства функционально связаны, и под функциональной связью элементов следует понимать связь, обеспечивающую корректное взаимодействие этих элементов друг с другом и реализацию той или иной функциональности элементов. Частными примерами функциональной связи могут быть связь с возможностью обмена информацией, связь с возможностью передачи электрического тока, связь с возможностью передачи механического движения, связь с возможностью передачи света, звука, электро-магнитных или механических колебаний и т.д. Конкретный вид функциональной связи определяется характером взаимодействия упомянутых элементов, и, если не указано иное, обеспечивается широко известными средствами, используя общеизвестные в технике принципы.
В заявке не указано конкретное программное и аппаратное обеспечение для реализации блоков, раскрытых в описании и показанных на чертежах, но специалисту в области техники должно быть понятно, что сущность изобретения не ограничена конкретной программной или аппаратной реализацией, и поэтому для осуществления изобретения могут быть использованы любые программные и аппаратные средства, известные в уровне техники. Так аппаратные средства могут быть реализованы в одной или нескольких специализированных интегральных схемах, цифровых сигнальных процессорах, устройствах цифровой обработки сигналов, программируемых логических устройствах, программируемых пользователем вентильных матрицах, процессорах, контроллерах, микроконтроллерах, микропроцессорах, электронных устройствах, других электронных модулях, выполненных с возможностью осуществлять описанные в данном документе функции, компьютерах либо комбинациях вышеозначенного.
Хотя отдельно не упомянуто, но очевидно, что, когда речь идет о хранении данных, программ и т.п., подразумевается наличие машиночитаемого носителя данных; примеры машиночитаемых носителей данных включают в себя постоянное запоминающее устройство, оперативное запоминающее устройство, регистр, кэш-память, полупроводниковые запоминающие устройства, магнитные носители, такие как внутренние жесткие диски и съемные диски, магнитооптические носители и оптические носители, такие как диски CD-ROM и цифровые универсальные диски (DVD), а также любые другие известные в уровне техники носители данных.
Несмотря на то, что примерные варианты осуществления были подробно описаны и показаны на сопроводительных чертежах, следует понимать, что такие варианты осуществления являются лишь иллюстративными и не предназначены ограничивать изобретение, и что данное изобретение не должно ограничиваться конкретными показанными и описанными компоновками и конструкциями, поскольку различные другие модификации могут быть очевидны специалистам в соответствующей области.
Признаки, упомянутые в различных зависимых пунктах формулы, а также варианты реализации, раскрытые в различных частях описания, могут быть скомбинированы с достижением полезных эффектов, даже если возможность такого комбинирования не раскрыта явно.