CN102386948A - 电磁传递装置 - Google Patents

Abstract

一种电磁传递装置，包含多个电磁耦合单元，其中每一电磁耦合单元具有至少一个共振结构。这些电磁耦合单元的排列使得该电磁传递装置在操作于一特定频段时，可利用近场耦合的方式和距离这些电磁传递装置一电磁间距内的一电磁耦合元件进行电磁能量耦合，并可将该电磁能量耦合的电磁波沿着这些电磁耦合单元排列的方向传递。

Description

电磁传递装置

技术领域

本公开涉及一种电磁传递装置。

背景技术

电磁信号或电磁能量传输方式大致可分为有线传输及无线传输两类。有线传输是通过各式传输线作为传输的媒介，例如同轴电缆线、导波管等。此种电磁传输方式虽具有高传输效率的优点，但使用时传输线两端需分别与信号发射端及接收端相连结而降低其使用上方便性，且传输线亦占收纳空间。因此，目前各式消费性电子产品的电磁信号传输较倾向以无线传输的方式进行。

相较于有线传输，以无线传输方式虽然可免除插拔传输线的步骤，便利性与自由度较高，但由于其利用天线作为发射和接收电磁波的装置，而一般小型天线为对空间全向性辐射所欲传输的电磁信号。因此，在接收端天线仅能接收到部分的电磁能量，大部分欲传输的电磁能量皆散逸于空气中。目前虽可利用较高增益的阵列天线或碟型天线提升传输效率，但此方式天线间需进行对位且天线占较大空间较不适用于一般个人用的通信电子产品。

另一种无线传输方式为点对点的近场耦合(point to point near-fieldcoupling)传输方式。此种传输方式于传送端和接收端分别安装电磁耦合元件，并将传送端和接收端的电磁耦合元件对位于一定范围内进行电磁能量或信号的传输。点对点的近场耦合传输方式的应用包含数字相机用以传输照片文件，或电动牙刷用以充电等。点对点的近场耦合传输方式免除了传输线插拔连结的步骤而且在很短的间距时传输效率非常高，但其使用时必须对位的特性局限了电磁能量以及信号可传输的范围。

美国专利US 6,959,450B1揭示一种非接触式的电磁传输装置，在至少两相对移动或转动部分进行电磁能量传输，适用于转轴或滑轨等半固定式结构。各部分由导体线段或结构与多个耦合器连结所形成，由结构一端馈入电磁能量，末端连结一负载以降低信号馈入端能量反射。

美国专利US 6,856,788B2揭示一无线传输方式的芯片互连系统，其收发端的电容耦合器耦合电磁能量至一导波结构，如微带传输线或共面波导传输线，电磁能量再经由导波结构传递达到传输电磁能量的目的。本架构需于导波结构两端连接终端匹配电阻降低信号反射量，并于结构特定位置配置电容耦合器作为电磁能量馈入或撷取处。

Areisteidis Karalis等人于2007年4月27日所发表的论文″Efficientwireless non-radiative mid-range energy transfer″揭示一种电磁能量传输方式，其利用两个非辐射的共振结构达成电磁能量传输的目的。

本公开其中一应用可提供一种电磁传递装置可免除传输线插拔的步骤即可传输电磁信号或能量，具有高传输效率而且不需要精确的对位。

发明内容

本公开揭示一种利用各电磁耦合单元所构成的周期性单元排列的电磁传递装置。此电磁传递装置的各电磁耦合单元间可传输电磁能量，且移动或固定式装置上的一电磁耦合元件可与此电磁传递装置于一电磁间距内进行电磁能量以及信号的交换，因此可点对点、点对多点和多点对多点的电磁能量以及信号的传输。

根据本公开的一实施范例的电磁传递装置包含多个电磁耦合单元，各电磁耦合单元间是呈现直流开路(DC open)的连接状态，而其中每一电磁耦合单元由至少一个谐振器所组成，其中每一电磁耦合单元和其相邻的一电磁耦合单元交迭以构成一耦合区间。这些电磁耦合单元的排列使得该电磁传递装置在操作于一特定频段时，可利用近场耦合的方式和距离这些电磁传递装置一电磁间距内的一的一电磁耦合元件进行电磁能量耦合，并可将该电磁耦合元件耦合的电磁能量以及信号沿着这些电磁耦合单元排列的方向传递。

根据本公开的另一实施范例的电磁传递装置包含多个电磁耦合单元，各电磁耦合单元间是呈现直流开路(DC open)的连接状态，而其中每一电磁耦合单元由至少一个谐振器所组成，其中每一电磁耦合单元和其相邻的一电磁耦合单元交迭以构成一耦合区间。这些电磁耦合单元的排列使得该电磁传递装置在操作于一特定频段时，可利用近场耦合的方式将距离这些电磁传递装置一电磁间距内的一的一电磁耦合元件的电磁能量以及信号传递至距离这些电磁传递装置一电磁间距内的另一电磁耦合元件。

上文已经概略地叙述本公开的技术特征，俾使下文的详细描述得以获得较佳了解。构成本公开的申请专利范围标的其它技术特征将描述于下文。本公开本领域技术人员应可了解，下文揭示的概念与特定实施例可作为基础而相当轻易地予以修改或设计其它结构或制程而实现与本公开相同的目的。本公开本领域技术人员亦应可了解，这类等效的建构并无法脱离后附的权利要求书所提出的本公开的精神和范围。

附图说明

图1显示本公开的一实施范例的电磁传递装置的示意图；

图2显示本公开的部分实施范例的电磁耦合单元的示意图；

图3A显示本公开的部分实施范例的电磁传递装置布置于双层结构的示意图；

图3B显示本公开的另一实施范例的电磁传递装置布置于双层结构的示意图；

图3C显示本公开的一电磁传递装置的传输特性；

图3D显示本公开的另一电磁传递装置的传输特性；

图4显示本公开的部分实施范例的电磁传递装置布置于单层结构的示意图；

图5显示本公开的部分实施范例的电磁传递装置的排列方式的示意图；

图6显示本公开的部分实施范例的电磁传递装置搭配层状介质材料的示意图；

图7显示本公开的另一实施范例的电磁传递装置的示意图；以及

图8显示本公开的又一实施范例的电磁传递装置的示意图。

【主要元件符号说明】

100      电磁传递装置

110      电磁耦合单元

10～20   电磁耦合元件

202～208 电磁传递装置

212～218 电磁耦合单元

222～228          谐振器

302～308          电磁传递装置

312～318          谐振器

320～322          耦合区间

350               电磁传递装置

352               谐振器

354               耦合区间

402、404          电磁传递装置

412、414          谐振器

450、452          耦合区间

502～512          电磁传递装置

602、604          电磁传递装置

612、614          层状介质材料

700               电磁传递装置

710               电磁耦合单元

720               层状介质材料

30～60            电磁耦合元件

800               电磁传递装置

810               平板

820               磁性物质元件

821               磁性物质元件

70                电磁耦合元件

具体实施方式

本公开在此所探讨的方向为一种电磁传递装置。为了能彻底地了解本公开，将在下列的描述中提出详尽的组成。显然地，本公开的施行并未限定于本公开技术领域的技术人员所熟习的特殊细节。另一方面，众所周知的组成并未描述于细节中，以避免造成本公开不必要的限制。本公开的优选实施例会详细描述如下，然而除了这些详细描述之外，本公开还可以广泛地施行在其他的实施例中，且本公开的范围不受限定，其以所附的权利要求书为准。

图1显示本公开的一实施范例的电磁传递装置的示意图。如图1所示，该电磁传递装置100包含多个电磁耦合单元110。这些电磁耦合单元110皆具有至少一个共振结构(即谐振器)以造成电磁近场能量分布，且每一电磁耦合单元110和其相邻的一电磁耦合单元110部分交迭以构成一耦合区间，而且两单元呈现直流开路(DC open)的连接状态。在本公开的部分实施例中，部分交迭是指相邻两电磁耦合单元法线方向投影交集面积不为零。这些电磁耦合单元110的排列使得该电磁传递装置100在操作于一特定频段时，利用近场耦合的方式沿着这些电磁耦合单元110排列的方向传递电磁能量以及信号。如图1所示，一电磁耦合元件10欲和另一电磁耦合元件20进行电磁能量以及信号的传递，例如该电磁耦合元件10欲对该电磁耦合元件20进行充电，或该电磁耦合元件10欲传递电磁信号至该电磁耦合元件20，其中这些电磁耦合元件10和20可与收发机、射频辨识标签或充电模组等相连接。

当该电磁传递装置100操作于一特定频段时，距离该电磁传递装置100一电磁间距内任一位置的电磁耦合元件会和该电磁传递装置100进行电磁能量耦合。电磁能量以及信号也可经由传输线与电磁传递装置100的金属部分直接连接馈入或撷取电磁能量以及信号。据此，如果这些电磁耦合元件10和20皆距离该电磁传递装置100一电磁间距内，则这些电磁耦合元件10和20即可通过该电磁传递装置100传递电能或电磁信号。较佳的，该电磁间距小于五分之一该特定频段所对应的电磁波波长，而这些电磁耦合元件10和20的距离大于十分之一该特定频段所对应的电磁波波长。

该电磁传递装置100除可和这些电磁耦合元件10和20进行电磁耦合外，也可以实体传输线连接至收发机、射频辨识标签或充电模组相连接。据此，这些电磁耦合元件10和20即可通过该电磁传递装置100和该实体连接的电子装置进行电磁能量或信号的传递。

图2显示本公开的部分实施范例的电磁耦合单元的示意图。如图2所示，各电磁传递装置202至208由各多个电磁耦合单元212至218所构成，而各电磁耦合单元212至218由至少一个谐振器222至228所组成。这些构成电磁耦合单元212至218的谐振器222至228可为相同形状或不同形状。图2显示同为C型的谐振器222，同为S型的谐振器224，分别为S型及阶梯形的谐振器226以及同为H型但尺寸不同的谐振器228。这些谐振器222至228的组合即构成这些电磁耦合单元212至218。这些电磁耦合单元212至218和其相邻的电磁耦合单元部分交迭以构成一耦合区间，此区间可增加相邻的电磁耦合单元间电磁能量的耦合，使能量得以沿这些电磁传递装置202至208传递。

由于本公开的实施范例的电磁传递装置由多个电磁耦合单元所构成，因此可通过增加或删减这些电磁耦合单元的数量来任意调整电磁传递装置的长度。此外，可通过特殊的设计来改变电磁传递装置排列的方向使其转向。因此，本公开的实施范例的电磁传递装置可在平面或曲面上布局以达到相当广的感应范围。

图3A显示本公开的部分实施范例的电磁传递装置布置于双层结构的示意图。如图3A所示，这些电磁传递装置302至308分别由各多个电磁耦合单元所构成，并各设置于一层状介质材料上。这些电磁耦合单元分别由S型谐振器312、O型谐振器314、C型谐振器316(两C型谐振器316组成一电磁耦合单元)以及双T型谐振器318所组成，其中这些谐振器312至318设置设置于这些层状介质材料之上表面及下表面。这些谐振器312至318所构成的电磁耦合单元于这些层状介质材料的垂直区间部分重叠，即上下表面的电磁耦合单元错位(例如S型谐振器312、O型谐振器314及双C型谐振器316)以构成耦合区间320和322，其中耦合区间320乃谐振器部分交迭所构成，而耦合区间322乃谐振器完全交迭所构成，如图3A箭头所示的侧视图。

图3B显示本公开的另一实施范例的电磁传递装置布置于双层结构的示意图。如图3B所示，该电磁传递装置350由多个S型谐振器352所构成，其中这些S型谐振器352设置设置于一层状介质材料之上表面及下表面，并以部分交迭方式构成耦合区间354，如图3B的箭头所示的侧视图。值得注意的是，这些S型谐振器352的结构可使该电磁传递装置350产生弯折转向的效果，如图3B下方的转向状态所示。

图3C显示该电磁传递装置302的传输特性于S形谐振器中心点到相邻S形谐振器中心点距离约8.1mm。如图3C所示，该电磁传递装置302的穿透损耗约为2dB。

图3D显示该电磁传递装置350的传输特性于S形谐振器中心点到相邻S形谐振器中心点距离约19.2mm。如图3D所示，该电磁传递装置350的最低传输损耗约为4dB。两电磁耦合元件间于相同距离下的最低传输损耗约为35dB，这些电磁传递装置302和350可改善传输损耗。

图4显示本公开的部分实施范例的电磁传递装置配置于单层结构的示意图。如图4所示，这些电磁传递装置402和404分别由各多个电磁耦合单元所构成，并各设置于一层状介质材料上。这些电磁耦合单元分别由C型谐振器412以及S型谐振器414所组成，其中这些谐振器412和414设置设置于这些层状介质材料单一表面。这些谐振器412和414于这些层状介质材料的水平方向部分重叠以构成耦合区间450和452，其排列方式如图4箭头所示。图3和图4的这些电磁耦合单元可以印刷或蚀刻方式布置于这些层状介质材料上。此外电磁传递装置操作频段与所承载的层状介质基板的介电系数有关，因此设计时需将此参数纳入考量。较佳的，这些层状介质材料为可弯折的材料，使得这些电磁传递装置能弯曲布置于一曲面，以增加这些电磁传递装置的实用性。

图3和图4是本公开的部分实施范例的电磁传递装置布置于层状介质材料的示意图，然而本公开的电磁传递装置不限于布置于单层或双层的表面，而应及于任何符合本公开精神的布置方式。此外，这些层状介质材料于不同层的介电常数可为相同或不同，其均为本公开的申请专利范围所涵盖。

图5显示本公开的部分实施范例的电磁传递装置的配置方式的示意图(未包含层状介质机板)。如图5所示，电磁传递装置502至506的两端不相连而形成一开放回路。其中，这些开放回路两端点的电磁耦合单元各具有一个耦合区间，其余每一电磁耦合单元则具有两个耦合区间。电磁传递装置508和510的两端相连而形成一闭合回路，而其中每一电磁耦合单元皆具有两个耦合区间。电磁传递装置512的配置方式即为多分支开放式的配置方式。然而，本公开的电磁传递装置不限于上述配置方式，而应及于任何符合本公开精神的配置方式。在本公开的部分实施范例中，这些电磁传递装置502～508的配置方式使用图3B的电磁传递装置350并应用其转向弯折的特性所实现。

图6显示本公开的部分实施范例的电磁传递装置的示意图。如图6所示，该电磁传递装置602二维分布于一平板状的层状介质材料612。层状介质材料612可由单一介质材料或多种介质材料堆迭而成。据此，任何放置于该层状介质材料612上的电磁耦合元件皆可和另一放置于该层状介质材料上612的电磁耦合元件进行电磁能量耦合。另一方面，该电磁传递装置604沿着一长条状的层状介质材料614呈一维方向配置。该电磁传递装置602可铺设于一桌面让使用者自由放置电磁耦合元件，而该电磁传递装置604可通过类似胶带的特性收纳及粘贴，电磁传递装置602也可由电磁传递装置604所组合而成。

图7显示本公开的另一实施范例的电磁传递装置的示意图。如图7所示，该电磁传递装置700由多个电磁耦合单元710所构成，相邻的电磁耦合单元710呈现直流开路(DC open)的连接状态，并设置于一层状介质材料720上。如图7所示，当该电磁传递装置700操作于一特定频段时，该层状介质材料720上的电磁耦合元件30和40可馈入电磁信号至该电磁传递装置700，而电磁耦合元件50和60可经由该电磁传递装置700接收电磁信号。据此，该电磁传递装置700即可应用于多点对多点的电磁能量与信号传输。由于这些电磁耦合元件30至60利用该电磁传递装置700以近场耦合的方式进行电磁传输，这些电磁耦合元件30至60彼此间的距离原则上对传输损耗的影响不大。换句话说，距离该电磁耦合元件30较近的该电磁耦合元件50和距离该电磁耦合元件30较远的该电磁耦合元件60两者间接收电磁信号的效率原则上相差不多。

图8显示本公开的又一实施范例的电磁传递装置的示意图。如图8所示，该电磁传递装置800铺设于一平板810上。一电磁耦合元件70欲和该电磁传递装置800进行电磁耦合。该电磁传递装置800和该电磁耦合元件70内皆配置有磁性物质元件820及821，使得该电磁耦合元件70于该电磁传递装置800附近时，可因这些磁性物质元件820与821彼此间的磁力作用而使该电磁耦合元件70朝向该移动电磁传递装置800以精准对位，如图8的箭头所示。

综上所述，本公开的电磁传递装置利用多个电磁耦合单元间独特的周期性金属单元排列以达成利用近场耦合进行电磁传输的目的。其中，本公开的电磁传递装置可通过增减电磁耦合单元的数量以任意调整长度，搭配可改变排列的方向，可在平面上或曲面上达到广大的感应范围，故可解决传统电磁传输方式中(例如点对点的近场耦合传输方式)需有效对位的问题，进而大幅增进使用上的便利性。此外，本公开的电磁传递装置利用近场耦合将电磁波沿着电磁耦合单元排列的方向传递。根据模拟结果显示，本公开的电磁传递装置相较于传统利用天线的无线传输方式原则上可增加信号强度(如约20-25dB)。因此，本公开的电磁传递装置原则上具有较大的传输频宽，较低的传输损号，故拥有较高的传输效率。又，本公开的电磁传递装置可用以传输电能或电磁信号，故大幅增加了可应用的领域。

本公开的技术内容及技术特点已揭示如上，然而熟悉本项技术的人士仍可能基于本公开的教示及揭示而作种种不背离本公开精神的替换及修饰。因此，本公开的保护范围应不限于实施例所揭示者，而应包括各种不背离本公开的替换及修饰，并为所附权利要求书要求保护的范围所涵盖。

Claims (27)

1.一种电磁传递装置，包含：

多个电磁耦合单元，相邻的电磁耦合单元呈现直流开路的连接状态，每一电磁耦合单元由至少一个谐振器所组成，其中每一电磁耦合单元和其相邻的一电磁耦合单元交迭以构成一耦合区间；

其中这些电磁耦合单元的排列使得该电磁传递装置在操作于至少一特定频段时，可利用近场耦合的方式和距离这些电磁传递装置一电磁间距内的一个以上电磁耦合元件进行电磁能量耦合，并可将该电磁能量耦合的电磁波沿着这些电磁耦合单元排列的方向传递。

2.如权利要求1所述的电磁传递装置，其中这些电磁耦合单元设置设置于一层状介质材料上。

3.如权利要求2所述的电磁传递装置，其中这些电磁耦合单元设置设置于该层状介质材料的同一表面。

4.如权利要求2所述的电磁传递装置，其中这些电磁耦合单元设置设置于该层状介质材料的不同表面。

5.如权利要求4所述的电磁传递装置，其中该层状介质材料呈平板状，这些电磁耦合单元被二维配置于该层状介质材料上。

6.如权利要求2所述的电磁传递装置，其中该层状介质材料呈长条状，这些电磁耦合单元沿着该层状介质材料的一维方向配置。

7.如权利要求2所述的电磁传递装置，其中该层状介质材料为可弯折的材料，并可使得这些电磁耦合单元布置于一曲面上。

8.如权利要求1所述的电磁传递装置，其中这些电磁耦合单元形成一闭合回路，而每一电磁耦合单元皆具有两个以上耦合区间。

9.如权利要求1所述的电磁传递装置，其中这些电磁耦合单元形成一开放回路，该开放回路两端点的电磁耦合单元各具有一个以上耦合区间，其余每一电磁耦合单元则具有两个以上耦合区间。

10.如权利要求1所述的电磁传递装置，其中该电磁间距小于五分之一该特定频段所对应的电磁波波长。

11.如权利要求1所述的电磁传递装置，其中该电磁耦合元件与收发机、射频辨识标签及充电模组的其中之一相连结。

12.如权利要求1所述的电磁传递装置，其进一步包含：

至少一个磁性物质元件，其可和一具备磁性物质元件的电磁耦合元件相互吸引。

13.如权利要求1所述的电磁传递装置，其进一步包含：

一金属部分，其可和一传输线连接以直接馈入或撷取电磁能量。

14.一种电磁传递装置，包含：

多个呈现直流开路的连接状态的电磁耦合单元，每一电磁耦合单元由至少一个谐振器所组成，其中每一电磁耦合单元和其相邻的一电磁耦合单元交迭以构成一耦合区间；

其中这些电磁耦合单元的排列使得使得该电磁传递装置在操作于至少一特定频段时，可利用近场耦合的方式将距离这些电磁传递装置一电磁间距内的一电磁耦合元件的电磁波传递至距离这些电磁传递装置一电磁间距内的另一电磁耦合元件。

15.如权利要求14所述的电磁传递装置，其中这些电磁耦合单元设置设置于一层状介质材料上。

16.如权利要求15所述的电磁传递装置，其中这些电磁耦合单元设置设置于该层状介质材料的同一表面。

17.如权利要求15所述的电磁传递装置，其中这些电磁耦合单元设置设置于该层状介质材料的不同表面。

18.如权利要求15所述的电磁传递装置，其中该层状介质材料呈平板状，这些电磁耦合单元被二维配置于该层状介质材料上。

19.如权利要求15所述的电磁传递装置，其中该层状介质材料呈长条状，这些电磁耦合单元沿着该层状介质材料呈一维方向配置。

20.如权利要求15所述的电磁传递装置，其中该层状介质材料为可弯折的材料，并可使得这些电磁耦合单元布置于一曲面上。

21.如权利要求14所述的电磁传递装置，其中这些电磁耦合单元形成一闭合回路，而每一电磁耦合单元皆具有两个以上耦合区间。

22.如权利要求14所述的电磁传递装置，其中这些电磁耦合单元形成一开放回路，该开放回路两端点的电磁耦合单元各具有一个以上耦合区间，其余每一电磁耦合单元则具有两个以上耦合区间。

23.如权利要求14所述的电磁传递装置，其中该电磁间距小于五分之一该特定频段所对应的电磁波波长。

24.如权利要求14所述的电磁传递装置，其中这些电磁耦合元件的距离大于十分之一该特定频段所对应的电磁波波长。

25.如权利要求14所述的电磁传递装置，其中这些电磁耦合元件与收发机、射频辨识标签及充电模组的其中之一相连接。

26.如权利要求14所述所述的电磁传递装置，其进一步包含：

至少一个磁性物质元件，其可和一具备磁性物质元件的电磁耦合元件相互吸引。

27.如权利要求14所述所述的电磁传递装置，其进一步包含：

一金属部分，其可和一传输线连接以直接馈入或撷取电磁能量。

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