相關(guān)申請的交叉引用

本申請要求于2014年9月11日提交的題為“guidedsurfacewavetransmissionofmultiplefrequenciesinalossymedia(在有損介質(zhì)中的多個(gè)頻率的引導(dǎo)表面波傳輸)”的共同未決美國臨時(shí)專利申請第62/048,994號和于2015年9月8日提交的題為“guidedsurfacewavetransmissionofmultiplefrequenciesinalossymedia(在有損介質(zhì)中的多個(gè)頻率的引導(dǎo)表面波傳輸)”的美國專利申請第14/847,606號的權(quán)益和優(yōu)先權(quán)，其全部內(nèi)容通過引用全部合并于此。

本申請涉及于2013年3月7日提交的并被分配申請?zhí)?3/789,538、并且于2014年9月11日公開為公開號us2014/0252886a1的標(biāo)題為“excitationanduseofguidedsurfacewavemodesonlossymedia”的共同未決美國非臨時(shí)專利申請，并將其通過引用全部合并于此。本申請還涉及于2013年3月7日提交的并被分配申請?zhí)?3/789,525、并且于2014年9月11日公開為公開號us2014/0252865a1的標(biāo)題為“excitationanduseofguidedsurfacewavemodesonlossymedia”的共同未決美國非臨時(shí)專利申請，并將其通過引用全部合并于此。本申請進(jìn)一步涉及于2014年9月10日提交的并被分配申請?zhí)?4/483,089的標(biāo)題為“excitationanduseofguidedsurfacewavemodesonlossymedia”的共同未決美國非臨時(shí)專利申請，且將其通過引用全部合并于此。本申請進(jìn)一步涉及于2015年6月2日提交的并被分配申請?zhí)?4/728,507的標(biāo)題為“excitationanduseofguidedsurfacewaves”的共同未決美國非臨時(shí)專利申請，且將其通過引用全部合并于此。本申請進(jìn)一步涉及于2015年6月2日提交的并被分配申請?zhí)?4/728,492的標(biāo)題為“excitationanduseofguidedsurfacewaves”的共同未決美國非臨時(shí)專利申請，且將其通過引用全部合并于此。

背景技術(shù)：

近百年來，通過無線電波發(fā)送的信號涉及使用傳統(tǒng)的天線結(jié)構(gòu)啟動的輻射場。相比無線電科學(xué)，最近一世紀(jì)的電功率分布系統(tǒng)涉及沿著導(dǎo)電體引導(dǎo)的能量的傳輸。自從1900年代早期以來，已經(jīng)存在射頻(rf)和功率傳輸之間的區(qū)別的理解。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本公開的實(shí)施例涉及通過激勵(lì)引導(dǎo)表面波導(dǎo)探針頭沿著有損介質(zhì)(例如，地面介質(zhì))的表面經(jīng)由引導(dǎo)表面波來傳輸多個(gè)頻率的能量的系統(tǒng)和方法。

在一個(gè)實(shí)施例中，其中，系統(tǒng)包括引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭；耦合到所述引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭的多個(gè)電源，所述多個(gè)電源中的各個(gè)電源被配置為以相應(yīng)的不同頻率激勵(lì)所述引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭；和引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭被調(diào)節(jié)以沿著有損導(dǎo)電介質(zhì)發(fā)射多個(gè)引導(dǎo)表面波，所述多個(gè)引導(dǎo)表面波包括在各個(gè)電源的相應(yīng)不同頻率處的引導(dǎo)表面波。其中各個(gè)電源直接耦合到所述引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭。在一些實(shí)施例中，各個(gè)電源感應(yīng)耦合到所述表面波導(dǎo)探頭。在一些實(shí)施例中，系統(tǒng)包括設(shè)置在所述引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭和至少一個(gè)獨(dú)立電源之間的相應(yīng)的隔離組件。在一些實(shí)施例中，相應(yīng)的隔離組件包括隔離器、帶通濾波器、定向耦合器、窄帶耦合器、循環(huán)器或放大器。在一些實(shí)施例中，所述引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭包括在有損導(dǎo)電介質(zhì)上方升高的充電端子，配置為生成至少一個(gè)復(fù)合場，所述至少一個(gè)復(fù)合場合成以有損導(dǎo)電介質(zhì)的復(fù)數(shù)布魯斯特入射角(θi,b)入射的波前，所述充電端子被所述多個(gè)電源中的至少一個(gè)激勵(lì)。在一些實(shí)施例中，系統(tǒng)包括在所述有損導(dǎo)電介質(zhì)上方升高并且在所述充電端子下方的補(bǔ)償端子，其中所述充電端子以第一抽頭耦合到線圈，并且所述補(bǔ)償端子以第二抽頭耦合到所述線圈，所述第二抽頭是經(jīng)由切換機(jī)構(gòu)可變的。在一些實(shí)施例中，所述切換機(jī)構(gòu)包括沿著線圈直接耦合到多個(gè)抽頭的多個(gè)端子。在一些實(shí)施例中，所述第一抽頭的位置或所述第二抽頭的位置中的至少一個(gè)至少部分地基于與所述引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭的地樁相關(guān)聯(lián)的電流測量、地面參數(shù)測量、場測量、由相應(yīng)的一個(gè)電源提供的功率或由負(fù)載消耗的功率中的至少一個(gè)。在一些實(shí)施例中，系統(tǒng)包括設(shè)置在所述切換機(jī)構(gòu)的輸出端和所述補(bǔ)償端子之間的濾波器機(jī)構(gòu)，所述濾波器機(jī)構(gòu)被配置為濾除預(yù)定頻帶外的頻率。在一些實(shí)施例中，系統(tǒng)包括電氣耦合到充電端子的饋送網(wǎng)絡(luò)，所述饋送網(wǎng)絡(luò)提供相位延遲(φ)，所述相位延遲(φ)匹配與復(fù)數(shù)布魯斯特入射角(θi,b)相關(guān)聯(lián)的波傾斜角(ψ)，所述復(fù)數(shù)布魯斯特入射角(θi,b)與在引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭附近的有損導(dǎo)電介質(zhì)相關(guān)聯(lián)。在一些實(shí)施例中，所述引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭包括：耦合到線圈的充電端子，被配置為被所述各個(gè)電源激勵(lì)；第一補(bǔ)償板，其在第一抽頭處耦合到所述線圈；和第二補(bǔ)償板，其在第二抽頭處耦合到所述線圈；其中所述第一抽頭至少部分地基于與所述多個(gè)電源中的第一獨(dú)立電源相關(guān)聯(lián)的第一相應(yīng)不同頻率進(jìn)行調(diào)整；和其中所述第二抽頭至少部分地基于與所述多個(gè)電源中的第二獨(dú)立電源相關(guān)聯(lián)的第二相應(yīng)不同頻率進(jìn)行調(diào)整。

在另一實(shí)施例中，系統(tǒng)包括：引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭包括：充電端子，其在有損導(dǎo)電介質(zhì)上方升高；補(bǔ)償端子，其位于充電端子下方；第一和第二饋送網(wǎng)絡(luò)，其耦合到所述充電端子和所述補(bǔ)償端子并被配置為向所述充電端子提供電壓；經(jīng)由所述第一饋送網(wǎng)絡(luò)耦合到所述充電端子的第一電源，所述第一電源以第一頻率激勵(lì)所述充電端子；和經(jīng)由所述第二饋送網(wǎng)絡(luò)耦合到所述充電端子的第二電源，所述第二電源以不同于所述第一頻率的第二頻率激勵(lì)所述充電端子；和其中所述引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭被調(diào)整為沿著所述有損導(dǎo)電介質(zhì)以所述第一頻率發(fā)射第一引導(dǎo)表面波并且沿著所述有損導(dǎo)電介質(zhì)以所述第二頻率發(fā)射第二引導(dǎo)表面波。在一些實(shí)施例中，所述引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭還包括第一n-plexer和第二n-plexer，所述充電端子經(jīng)由所述第一n-plexer耦合到所述第一饋送網(wǎng)絡(luò)和所述第二饋送網(wǎng)絡(luò)；并且所述補(bǔ)償端子經(jīng)由所述第二n-plexer耦合到所述第一饋送網(wǎng)絡(luò)和所述第二饋送網(wǎng)絡(luò)。在一些實(shí)施例中，所述補(bǔ)償端子經(jīng)由第一切換機(jī)構(gòu)裝置耦合到所述第一饋送網(wǎng)絡(luò)，所述第一切換機(jī)構(gòu)裝置被配置為至少部分地基于對應(yīng)于第一頻率的與所述第一饋送網(wǎng)絡(luò)相關(guān)聯(lián)的當(dāng)前測量、地面參數(shù)測量或?qū)?yīng)于第一頻率的第一場測量中的至少一個(gè)來改變所述補(bǔ)償端子的激勵(lì)；和所述補(bǔ)償端子經(jīng)由第二切換機(jī)構(gòu)耦合到所述第二饋送網(wǎng)絡(luò)，所述第二切換機(jī)構(gòu)被配置為至少部分地基于對應(yīng)于第二頻率的與所述第二饋電網(wǎng)絡(luò)相關(guān)聯(lián)的第二電流測量、所述地面參數(shù)測量或第二場測量來改變所述補(bǔ)償終端的激勵(lì)。在一些實(shí)施例中，所述第一引導(dǎo)表面波和所述第二引導(dǎo)表面波具有相應(yīng)的場強(qiáng)輪廓，所述場強(qiáng)輪廓以與從引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭的距離的函數(shù)為指數(shù)衰減。在一些實(shí)施例中，所述引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭至少在距離所述引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭的第一漢克爾交叉距離處產(chǎn)生具有第一復(fù)數(shù)入射角的第一復(fù)合場，所述第一漢克爾交叉距離至少部分地基于第一頻率，以及至少在距離所述引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭的第二漢克爾交叉距離處產(chǎn)生具有第二復(fù)數(shù)入射角的第二復(fù)合場，所述第二漢克爾交叉距離至少部分地基于第二頻率。

在另一實(shí)施例中，方法包括：激勵(lì)具有不同的相應(yīng)頻率的多個(gè)信號的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探針，所述引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭位于有損導(dǎo)電介質(zhì)上方；并且在所述有損介質(zhì)中以不同的相應(yīng)頻率發(fā)射多個(gè)引導(dǎo)表面波，所述多個(gè)引導(dǎo)表面波中的每一個(gè)具有相應(yīng)的場強(qiáng)輪廓，所述場強(qiáng)輪廓以與從引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭的距離的函數(shù)為指數(shù)衰減。在一些實(shí)施例中，所述有損介質(zhì)是陸地介質(zhì)，并且所述多個(gè)引導(dǎo)表面波沿著大氣介質(zhì)和所述陸地介質(zhì)的表面?zhèn)鞑?。在一些?shí)施例中，所述多個(gè)引導(dǎo)表面波同時(shí)發(fā)射。在一些實(shí)施例中，激發(fā)所述引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭至少在與所述引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭相對應(yīng)的漢克爾交叉距離處產(chǎn)生具有復(fù)數(shù)入射角的多個(gè)合成場，所述多個(gè)合成場中的每一個(gè)對應(yīng)于多個(gè)信號中的相應(yīng)的一個(gè)信號。在一些實(shí)施例中，所述引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭包括在所述有損導(dǎo)電介質(zhì)上方升高的充電端子，所述有損導(dǎo)電介質(zhì)配置為生成至少一個(gè)復(fù)合場，所述至少一個(gè)復(fù)合場合成以有損導(dǎo)電介質(zhì)的復(fù)數(shù)布魯斯特入射角(θi,b)入射的波前。在一些實(shí)施例中，所述引導(dǎo)表面波導(dǎo)探針包括電氣耦合到充電端子的饋送網(wǎng)絡(luò)，所述饋送網(wǎng)絡(luò)提供相位延遲(φ)，所述相位延遲(φ)匹配與復(fù)數(shù)布魯斯特入射角(θi,b)相關(guān)聯(lián)的波傾斜角(ψ)，所述復(fù)數(shù)布魯斯特入射角(θi,b)與在引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭附近的有損導(dǎo)電介質(zhì)相關(guān)聯(lián)。

在以下附圖和詳細(xì)說明的審查時(shí)，本公開的其他系統(tǒng)、方法、特征和優(yōu)點(diǎn)將對本領(lǐng)域技術(shù)人員明顯或變得明顯。意在所有這種附加的系統(tǒng)、方法、特征和優(yōu)點(diǎn)包括在該描述內(nèi)，在本公開的范圍內(nèi)，且由所附的權(quán)利要求保護(hù)。

另外，描述的實(shí)施例的所有可選的和優(yōu)選的特征和修改可用于在這里教導(dǎo)的本公開的所有方面。此外，從屬權(quán)利要求的單獨(dú)的特征、以及描述的實(shí)施例的所有可選的和優(yōu)選的特征和修改是彼此可組合和可互換的。

附圖說明

參考以下附圖能夠更好地理解本公開的許多方面。在圖中的組件并非必須是按比例的，代替地可以強(qiáng)調(diào)以清楚地示出本公開的原理。此外，在圖中，類似的附圖標(biāo)記指定遍及幾幅圖的對應(yīng)部分。

圖1是示出對于引導(dǎo)電磁場和輻射電磁場的作為距離的函數(shù)的場強(qiáng)的圖表。

圖2是示出根據(jù)本公開的各種實(shí)施例的為了引導(dǎo)表面波的傳輸采用的具有兩個(gè)區(qū)域的傳播接口的圖。

圖3是示出根據(jù)本公開的各種實(shí)施例的針對圖2的傳播接口部署的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭的圖。

圖4是根據(jù)本公開的各種實(shí)施例的一階漢克爾函數(shù)的逼近和遠(yuǎn)離漸近線的幅度的實(shí)例的繪圖。

圖5a和5b是示出根據(jù)本公開的各種實(shí)施例的由引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭合成的電場的復(fù)數(shù)入射角的圖。

圖6是示出根據(jù)本公開的各種實(shí)施例的在圖5a的電場以布魯斯特角與有損導(dǎo)電介質(zhì)交叉的位置上充電端子的升高效果的圖形表示。

圖7是根據(jù)本公開的各種實(shí)施例的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭的實(shí)例的圖形表示。

圖8a到8c是示出根據(jù)本公開的各種實(shí)施例的圖3和7的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭的等效像平面模型的實(shí)例的圖形表示。

圖9a和9b是示出根據(jù)本公開的各種實(shí)施例的圖8b和8c的等效像平面模型的單線傳輸線和經(jīng)典傳輸線模型的實(shí)例的圖形表示。

圖10是示出根據(jù)本公開的各種實(shí)施例的調(diào)整圖3和7的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭以沿著有損導(dǎo)電介質(zhì)的表面啟動引導(dǎo)表面波的實(shí)例的流程圖。

圖11是示出根據(jù)本公開的各種實(shí)施例的在圖3和7的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭的波傾斜角度和相位延遲之間的關(guān)系的實(shí)例的繪圖。

圖12是示出根據(jù)本公開的各種實(shí)施例的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭的實(shí)例的圖。

圖13是示出根據(jù)本公開的各種實(shí)施例的按照復(fù)數(shù)布魯斯特角入射合成電場、以匹配在漢克爾跨越距離處的引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式的圖形表示。

圖14是根據(jù)本公開的各種實(shí)施例的圖12的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭的實(shí)例的圖形表示。

圖15a包括根據(jù)本公開的各種實(shí)施例的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭的充電端子t1的相位延遲(φu)的虛數(shù)和實(shí)數(shù)部分的實(shí)例的繪圖。

圖15b是根據(jù)本公開的各種實(shí)施例的圖14的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭的示意圖。

圖16是示出根據(jù)本公開的各種實(shí)施例的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭的實(shí)例的圖。

圖17是根據(jù)本公開的各種實(shí)施例的圖16的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭的實(shí)例的圖形表示。

圖18a到18c示出根據(jù)本公開的各種實(shí)施例的為了接收按照由引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭啟動的引導(dǎo)表面波的形式發(fā)送的能量、所能采用的接收結(jié)構(gòu)的實(shí)例。

圖18d是示出根據(jù)本公開的各種實(shí)施例的調(diào)整接收結(jié)構(gòu)的實(shí)例的流程圖。

圖19示出根據(jù)本公開的各種實(shí)施例的為了接收按照由引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭啟動的引導(dǎo)表面波的形式發(fā)送的能量、所能采用的附加的接收結(jié)構(gòu)的實(shí)例。

圖20a至20e描繪了根據(jù)本公開的各種實(shí)施例的各種示意性符號的實(shí)例。圖20a描繪了根據(jù)本公開的各種實(shí)施例的表示引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭的示意性符號的實(shí)例。圖20b描繪了根據(jù)本公開的各種實(shí)施例的表示引導(dǎo)表面波接收結(jié)構(gòu)的示意性符號的實(shí)例。圖20c描繪了根據(jù)本公開的各種實(shí)施例的表示線性探頭的示意性符號的實(shí)例。圖20d描繪了根據(jù)本公開的各種實(shí)施例的表示調(diào)諧諧振器的示意性符號的實(shí)例。圖20e描繪了根據(jù)本公開的各種實(shí)施例的表示電磁線圈的示意性符號的實(shí)例。

圖21是示出根據(jù)本公開的各種實(shí)施例的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭的實(shí)例的圖。

圖22是示出根據(jù)本公開的各種實(shí)施例的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭的實(shí)例的圖。

圖23是示出根據(jù)本公開的各種實(shí)施例的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭的實(shí)例的圖。

圖24是示出根據(jù)本公開的各種實(shí)施例的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭的實(shí)例的圖。

圖25是示出根據(jù)本公開的各種實(shí)施例的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭的實(shí)例的圖。

圖26是示出根據(jù)本公開的各種實(shí)施例的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭的實(shí)例的圖。

圖27是示出根據(jù)本公開的各種實(shí)施例的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭的實(shí)例的圖。

具體實(shí)施方式

開始，應(yīng)該建立某些術(shù)語以提供后續(xù)概念的討論的清楚。首先，如在這里考慮的，在輻射電磁場和引導(dǎo)電磁場之間劃清形式區(qū)別。

如在這里考慮的，輻射電磁場包括以不與波導(dǎo)綁定的波的形式從源結(jié)構(gòu)發(fā)出的電磁能。例如，輻射電磁場通常是離開諸如天線的電氣結(jié)構(gòu)、并通過大氣或者其他介質(zhì)傳播、且不與任何波導(dǎo)結(jié)構(gòu)綁定的場。一旦輻射電磁波離開諸如天線的電氣結(jié)構(gòu)，它們繼續(xù)獨(dú)立于它們的源在傳播介質(zhì)(比如空氣)中傳播，直到它們耗散為止，無論源是否繼續(xù)操作。一旦輻射電磁波，它們除非被截取是不可回收的，且如果不截取，輻射電磁波中固有的能量永遠(yuǎn)丟失。比如天線的電氣結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)，以通過最大化輻射電阻對結(jié)構(gòu)損耗電阻的比率，來輻射電磁場。輻射能在空間中擴(kuò)散并丟失，而無論是否存在接收器。輻射場的能量密度由于幾何發(fā)散所以是距離的函數(shù)。因此，按照在此使用的它的所有形式的術(shù)語“輻射”指的是電磁傳播的該形式。

引導(dǎo)電磁場是其能量集中在具有不同電磁性質(zhì)的介質(zhì)之間的邊界內(nèi)或者該邊界附近的傳播電磁波。在這種意義上，引導(dǎo)電磁場是與波導(dǎo)綁定的電磁場，且其可被特征化為由波導(dǎo)中流動的電流傳送。如果沒有負(fù)載來接收和/或耗散在引導(dǎo)電磁波中傳送的能量，則除了引導(dǎo)介質(zhì)的電導(dǎo)率中耗散的能量之外不丟失能量。換言之，如果沒有用于引導(dǎo)電磁波的負(fù)載，則不消耗能量。因此，產(chǎn)生引導(dǎo)電磁場的發(fā)生器或者其他源不傳遞實(shí)際功率，除非存在電阻負(fù)載。為此，這種發(fā)生器或者其他源基本上空閑地運(yùn)行，直到存在負(fù)載為止。這類似于運(yùn)行發(fā)生器以生成通過沒有電負(fù)載的電力線發(fā)送的60赫茲電磁波。應(yīng)當(dāng)注意，引導(dǎo)電磁場或者波等效于所謂的“傳輸線模式”。這與其中總是供應(yīng)實(shí)際功率以生成輻射波的輻射電磁波形成對比。與輻射電磁波不同，引導(dǎo)電磁能在能量源關(guān)斷之后不繼續(xù)沿著有限長度波導(dǎo)傳播。因此，術(shù)語“引導(dǎo)”以如在此使用的它的所有形式指的是電磁傳播的該傳輸模式。

現(xiàn)在參考圖1，示出了在log-db繪圖上作為以千米為單位的距離的函數(shù)的以伏特/米為單位的任意基準(zhǔn)以上的以分貝(db)為單位的場強(qiáng)的曲線圖100，以進(jìn)一步示出輻射電磁場和引導(dǎo)電磁場之間的區(qū)別。圖1的曲線圖100示出引導(dǎo)場強(qiáng)曲線103，該曲線示出作為距離的函數(shù)的引導(dǎo)電磁場的場強(qiáng)。該引導(dǎo)場強(qiáng)曲線103基本上與傳輸線模式相同。此外，圖1的曲線圖100示出輻射場強(qiáng)曲線106，該曲線示出作為距離的函數(shù)的輻射電磁場的場強(qiáng)。

感興趣的是分別用于引導(dǎo)波和用于輻射傳播的曲線103和106的形狀。輻射場強(qiáng)曲線106幾何地下降(1/d，其中d是距離)，這在對數(shù)-對數(shù)尺度上描繪為直線。另一方面，引導(dǎo)場強(qiáng)曲線103具有的特性指數(shù)衰減，并在對數(shù)-對數(shù)尺度上展現(xiàn)有區(qū)別的拐點(diǎn)109。引導(dǎo)場強(qiáng)曲線103和輻射場強(qiáng)曲線106在點(diǎn)112交叉，在相交距離出現(xiàn)點(diǎn)112。在小于在交點(diǎn)112的相交距離的距離處，引導(dǎo)電磁場的場強(qiáng)在大部分位置顯著地大于輻射電磁場的場強(qiáng)。在大于相交距離的距離時(shí)，情況相反。因此，引導(dǎo)場強(qiáng)曲線和輻射場強(qiáng)曲線103和106進(jìn)一步示出引導(dǎo)電磁場和輻射電磁場之間的基本傳播差。對于引導(dǎo)電磁場和輻射電磁場之間的差別的非正式討論，參考milligan,t.，modernantennadesign，mcgraw-hill，第一版，1985，pp.8-9，將其通過引用完全包括于此。

以上做出的輻射電磁波和引導(dǎo)電磁波之間的區(qū)別容易正式地表示，并置于嚴(yán)格的基礎(chǔ)上。兩個(gè)這種不同的解決方案可以從同一個(gè)線性偏微分方程顯露出來，其是波動方程，分析上從施加于該問題的邊界條件得出。用于波動方程本身的格林函數(shù)包括輻射波和引導(dǎo)波的本質(zhì)之間的區(qū)別。

在空的空間中，該波動方程是其特征函數(shù)擁有復(fù)數(shù)波數(shù)平面上的特征值的連續(xù)譜的微分算子。該橫向電磁(tem)場被稱為輻射場，且那些傳播場被稱作“赫茲波”。但是，在傳導(dǎo)邊界的存在時(shí)，波動方程加上邊界條件數(shù)學(xué)地導(dǎo)致由連續(xù)譜組成的波數(shù)的譜表示加上離散譜的和。為此，對sommerfeld,a.，“uberdieausbreitungderwelleninderdrahtlosentelegraphie”，annalenderphysik，vol.28,1909，pp.665-736做出參考。還參見sommerfeld,a.，“problemsofradio”，作為第6章在partialdifferentialequationsinphysics–lecturesontheoreticalphysics:volumevi中發(fā)表，academicpress，1949，pp.236-289，295-296；collin,r.e.，“hertziandipoleradiatingoveralossyearthorsea:someearlyandlate20thcenturycontroversies”，ieeeantennasandpropagationmagazine，vol.46，no.2，2004年4月，pp.64-79；和reich,h.j.，ordnung,p.f，krauss,h.l.和skalnik,j.g.，microwavetheoryandtechniques，vannostrand，1953，pp.291-293，這些參考中的每一個(gè)通過引用完全包括于此。

術(shù)語“地波”和“表面波”標(biāo)識兩個(gè)明顯不同的物理傳播現(xiàn)象。表面波分析上從產(chǎn)生平面波譜中的離散分量的不同的極出現(xiàn)。例如，參見cullen,a.l.的“theexcitationofplanesurfacewaves”，(proceedingsoftheiee(british)，vol.101，部分iv，1954年8月，pp.225-235)。在上下文中，表面波被認(rèn)為是引導(dǎo)表面波。表面波(在zenneck-sommerfeld引導(dǎo)波意義中)，物理地和數(shù)學(xué)地與來自無線電廣播的現(xiàn)在如此熟悉的地波(在weyl-norton-fcc意義中)不相同。這兩個(gè)傳播機(jī)制起因于復(fù)平面上不同類型的特征值頻譜(連續(xù)或者分立的)的激勵(lì)。引導(dǎo)表面波的場強(qiáng)隨著距離指數(shù)地衰減，如圖1的曲線103所示(更類似于有損波導(dǎo)中的傳播)，并且聚集徑向傳輸線中的傳播，這與地波的經(jīng)典赫茲輻射相反，地波球形地傳播，擁有特征值的連續(xù)，如圖1的曲線106所示地幾何地下降，且來自分支切割積分。如由c.r.burrows在“thesurfacewaveinradiopropagationoverplaneearth”(proceedingsoftheire，vol.25，no2，1937年2月，pp.219-229)和“thesurfacewaveinradiotransmission”(belllaboratoriesrecord，vol.15，1937年6月，pp.321-324)中實(shí)驗(yàn)地示范的，垂直天線輻射地波，而不啟動引導(dǎo)表面波。

綜上所述，首先，與分支切割積分對應(yīng)的波數(shù)特征值譜的連續(xù)部分產(chǎn)生輻射場，且其次，離散譜以及從由積分的輪廓包圍的極出現(xiàn)的相應(yīng)的剩余和導(dǎo)致在對傳播橫向的方向上指數(shù)地衰減的非tem遷移表面波。這種表面波是引導(dǎo)傳輸線模式。為了進(jìn)一步說明，對friedman,b.，principlesandtechniquesofappliedmathematics，wiley，1956，pp.pp.214，283-286，290，298-300做出參考。

在自由空間中，天線激勵(lì)波動方程的連續(xù)特征值，其是輻射場，其中具有ez和hφ同相的向外傳播rf能量永久丟失。另一方面，波導(dǎo)探頭激勵(lì)離散特征值，這導(dǎo)致傳輸線傳播。參見collin,r.e.，fieldtheoryofguidedwaves，mcgraw-hill，1960，pp.453，474-477。雖然這種理論分析已經(jīng)維持啟動通過有損均勻介質(zhì)的平面或者球面的、開放表面引導(dǎo)波的假定的可能性，但是一百多年來工程領(lǐng)域還沒有已知的結(jié)構(gòu)存在，用于以任何實(shí)際的效率實(shí)現(xiàn)此。不幸地，因?yàn)樗?0世紀(jì)早期出現(xiàn)，所以以上提出的理論分析已經(jīng)基本上只剩下理論，并且還沒有已知的結(jié)構(gòu)用于實(shí)際上實(shí)現(xiàn)通過有損均勻介質(zhì)的平面或者球面的開放表面引導(dǎo)波的啟動。

根據(jù)本公開的各種實(shí)施例，描述了各種引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭，其配置為沿著有損導(dǎo)電介質(zhì)的表面激勵(lì)耦合到引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式中的電場。這種引導(dǎo)電磁場實(shí)質(zhì)上在幅度和相位上與有損導(dǎo)電介質(zhì)的表面上的引導(dǎo)表面波模式模式匹配。這種引導(dǎo)表面波模式也可以被稱為zenneck波導(dǎo)模式。由于在這里描述的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭所激勵(lì)的復(fù)合場實(shí)質(zhì)上與有損導(dǎo)電介質(zhì)的表面上的引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式模式匹配的事實(shí)，所以沿著有損導(dǎo)電介質(zhì)的表面啟動具有引導(dǎo)表面波的形式的引導(dǎo)電磁場。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，有損導(dǎo)電介質(zhì)包括比如大地的陸地介質(zhì)。

參考圖2，示出了準(zhǔn)備用于對在1907導(dǎo)出的麥克斯韋方程的邊界值解的檢查的傳播界面，其由jonathanzenneck在他的論文zenneck,j.，“onthepropagationofplaneelectromagneticwavesalongaflatconductingsurfaceandtheirrelationtowirelesstelegraphy”，annalenderphysik，serial4，vol.23，1907年9月20日，pp.846-866中提出。圖2示出用于沿著如區(qū)域1指定的有損導(dǎo)電介質(zhì)和如區(qū)域2指定的絕緣體之間的界面、徑向地傳播波的圓柱坐標(biāo)。區(qū)域1例如可以包括任何有損導(dǎo)電介質(zhì)。在一個(gè)實(shí)例中，這種有損導(dǎo)電介質(zhì)可以包括比如大地的陸地介質(zhì)或者其他介質(zhì)。區(qū)域2是與區(qū)域1共享邊界界面、且具有相對于區(qū)域1的不同構(gòu)成參數(shù)的第二介質(zhì)。區(qū)域2例如可以包括任何絕緣體，比如大氣或者其他介質(zhì)。這種邊界界面的反射系數(shù)僅對于在復(fù)數(shù)布魯斯特角的入射到達(dá)零。參見stratton,j.a.，electromagnetictheory，mcgraw-hill，1941，p.516。

根據(jù)各種實(shí)施例，本公開提出了各種引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭，其產(chǎn)生與包括區(qū)域1的有損導(dǎo)電介質(zhì)的表面上的引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式實(shí)質(zhì)上模式匹配的電磁場。根據(jù)各種實(shí)施例，這種電磁場實(shí)質(zhì)上合成按照可以導(dǎo)致零反射的有損導(dǎo)電介質(zhì)的復(fù)數(shù)布魯斯特角入射的波前。

為了進(jìn)一步解釋，在其中假定e^jωt場變化且其中ρ≠0和z≥0(其中，z是垂直于區(qū)域1的表面的垂直坐標(biāo)，且ρ是圓柱坐標(biāo)中的徑向維度)的區(qū)域2中，滿足沿著界面的邊界條件的麥克斯韋方程的zenneck的封閉形式精確解由以下電場和磁場分量表示：

和(2)

在其中假定e^jωt場變化且其中ρ≠0和z≤0的區(qū)域1中，滿足沿著界面的邊界條件的麥克斯韋方程的zenneck的封閉形式精確解由以下電場和磁場分量表示：

和(5)

在這些表達(dá)式中，z是垂直于區(qū)域1的表面的垂直坐標(biāo)，且ρ是徑向坐標(biāo)，是第二種類和階n的復(fù)數(shù)變元漢克爾函數(shù)，u1是區(qū)域1中的正垂直(z)方向上的傳播常數(shù)，u2是區(qū)域2中的垂直(z)方向上的傳播常數(shù)，σ1是區(qū)域1的電導(dǎo)率，ω等于2πf，其中f是激勵(lì)的頻率，εo是自由空間的介電常數(shù)，ε1是區(qū)域1的介電常數(shù)，a是由源施加的源常數(shù)，且γ是表面波徑向傳播常數(shù)。

方向上的傳播常數(shù)通過在區(qū)域1和2之間的界面以上和以下分離波動方程、且施加邊界條件，而確定±z方向上的傳播常數(shù)。該實(shí)踐在區(qū)域2中給出：

并且在區(qū)域1中給出，

u1＝-u2(εr-jx)。(8)

徑向傳播常數(shù)γ由以下給出：

其是復(fù)數(shù)表示，其中n是由下式給出的復(fù)數(shù)折射率：

在所有上述等式中，

且(11)

其中εr包括區(qū)域1的相對介電常數(shù)，σ1是區(qū)域1的電導(dǎo)率，εo是自由空間的介電常數(shù)，且μo包括自由空間的滲透性。因此，生成的表面波平行于界面?zhèn)鞑ィ掖怪庇诮缑嬷笖?shù)地衰減。這已知為光衰(evanescence)。

因此，等式(1)-(3)可以被看作圓柱對稱的、徑向傳播的波導(dǎo)模式。參見barlow,h.m.，和brown,j.，radiosurfacewaves，oxforduniversitypress，1962，pp.10-12，29-33。本公開詳述激勵(lì)該“開放邊界”波導(dǎo)模式的結(jié)構(gòu)。特別的，根據(jù)各種實(shí)施例，向引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭提供適當(dāng)大小的充電端子，該充電端子被饋送電壓和/或電流且相對于區(qū)域2和區(qū)域1之間的邊界界面定位。這可以參考圖3更好地理解，圖3示出了包括沿著垂直于由有損導(dǎo)電介質(zhì)203(例如，地面)表示的平面的垂直軸z在有損導(dǎo)電介質(zhì)203上方升高的充電端子t1的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200a的實(shí)例。該有損導(dǎo)電介質(zhì)203組成區(qū)域1，且第二介質(zhì)206組成區(qū)域2并與有損導(dǎo)電介質(zhì)203共享邊界界面。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，有損導(dǎo)電介質(zhì)203可以包括比如行星地球的陸地介質(zhì)。為此，這種陸地介質(zhì)包括在其上包括的所有結(jié)構(gòu)或者形式，無論自然的或者人造的。例如，這種陸地介質(zhì)可以包括比如巖石、土壤、沙土、淡水、海水、樹木、植物之類的自然元素，以及組成我們的星球的所有其他自然元素。另外，這種陸地介質(zhì)可以包括人造元素，比如混凝土、瀝青、建筑材料和其他人造材料。在其他實(shí)施例中，有損導(dǎo)電介質(zhì)203可以包括地球之外的某些介質(zhì)，無論自然出現(xiàn)或者人造的。在其他實(shí)施例中，有損導(dǎo)電介質(zhì)203可以包括比如人造表面和結(jié)構(gòu)的其他介質(zhì)，比如汽車、飛機(jī)、人造材料(比如膠合板、塑料片或者其他材料)或者其他介質(zhì)。

在有損導(dǎo)電介質(zhì)203包括陸地介質(zhì)或者大地的情況下，第二介質(zhì)206可以包括地面以上的大氣。因此，大氣可以被稱為包括空氣和組成大地的大氣的其他元素的“大氣介質(zhì)”。另外，第二介質(zhì)206可以包括相對于有損導(dǎo)電介質(zhì)203的其他介質(zhì)。

引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200a包括饋送網(wǎng)絡(luò)209，該饋送網(wǎng)絡(luò)209例如經(jīng)由垂直饋線導(dǎo)體將激勵(lì)源212耦合到充電端子t1。根據(jù)各種實(shí)施例，電荷q1施加在充電端子t1上，以基于在任何給定時(shí)刻施加到端子t1的電壓合成電場。取決于電場(e)的入射角度(θi)，可能將電場與包括區(qū)域1的有損導(dǎo)電介質(zhì)203的表面上的引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式實(shí)質(zhì)上模式匹配。

通過考慮等式(1)-(6)的zenneck封閉形式解，區(qū)域1和區(qū)域2之間的leontovich阻抗邊界條件可以陳述為：

其中是在正垂直(+z)方向上垂直的單元，且是由以上等式(1)表示的區(qū)域2中的磁場強(qiáng)度。等式(13)暗示等式(1)-(3)中指定的電場和磁場可以導(dǎo)致沿著邊界界面的徑向表面電流密度，其中徑向表面電流密度可以由下式指定：

其中a是常數(shù)。另外，應(yīng)該注意趨近引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200(對于ρ＜＜λ)，以上等式(14)具有特性：

負(fù)號指的是當(dāng)源電流(io)垂直向上流動時(shí)，如圖3所示，“趨近”地電流向內(nèi)徑向流動。通過關(guān)于hφ“趨近”的場匹配，可以確定：

其中在等式(1)-(6)和(14)中，q1＝c1v1。因此，等式(14)的徑向表面電流密度可以重申為：

等式(1)-(6)和(17)表示的場具有對有損界面綁定的傳輸線模式的性質(zhì)，不是與地波傳播關(guān)聯(lián)的輻射場。參見barlow,h.m.和brown,j.,，radiosurfacewaves，oxforduniversitypress，1962，pp.1-5。

在這點(diǎn)上，對于波動方程的這些解提供等式(1)-(6)和(17)中使用的漢克爾函數(shù)的性質(zhì)的評述。人們可以觀察到第一和第二種類和階n的漢克爾函數(shù)被定義為第一和第二種類的標(biāo)準(zhǔn)巴塞爾函數(shù)的復(fù)數(shù)組合：

和(18)

這些函數(shù)分別表示徑向向內(nèi)和向外傳播的柱面波。該定義類似于關(guān)系e^±jx＝cosx±jsinx。例如，參見harrington,r.f.，time-harmonicfields，mcgraw-hill，1961，pp.460-463。

該是可以從它的大變元漸近線性態(tài)識別的輸出波，它的大變元漸近線性態(tài)可以從jn(x)和nn(x)的系列定義直接獲得。從引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭的遠(yuǎn)離：

其在乘以e^jωt時(shí)，是具有空間變化的形式e^j(ωt-kρ)的向外傳播的柱面波。該第一階(n＝1)的解能通過等式(20a)被確定為

趨近引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭(對于ρ＜＜λ)，第一階和第二種類的漢克爾函數(shù)表現(xiàn)為：

注意到這些漸近線表示是復(fù)數(shù)量。當(dāng)x是實(shí)數(shù)量時(shí)，等式(20b)和(21)在相位上相差其對應(yīng)于45°的額外相位提前或者“相位提升”，或者等效的，λ/8。第二種類的第一階漢克爾函數(shù)的趨近和遠(yuǎn)離漸近線具有漢克爾“相交”或者轉(zhuǎn)換點(diǎn)，在這里它們與距離ρ＝rx的具有相等幅度。

因此，超出漢克爾相交點(diǎn)，“遠(yuǎn)離”表示相對于漢克爾函數(shù)的“趨近”表示占據(jù)主導(dǎo)。可以通過對于-jγρ令等式(20b)和(21)相等，并求解rx，來求出到漢克爾相交點(diǎn)的距離(或者漢克爾相交距離)。對于x＝σ/ωεo，可以看到遠(yuǎn)離和趨近漢克爾函數(shù)漸近線是取決于頻率的，其中當(dāng)頻率降低時(shí)漢克爾相交點(diǎn)向外移動。還應(yīng)當(dāng)注意，漢克爾函數(shù)漸近線也隨著有損導(dǎo)電介質(zhì)的電導(dǎo)率(σ)改變而變化。例如，土壤的電導(dǎo)率可以隨著天氣狀況的改變而變化。

參考圖4，示出了在1850khz的操作頻率、電導(dǎo)率σ＝0.010mhos/m且相對介電常數(shù)εr＝15的區(qū)域1的等式(20b)和(21)的第一階漢克爾函數(shù)的幅度的繪圖的實(shí)例。曲線115是等式(20b)的遠(yuǎn)離漸近線的幅度，且曲線118是等式(21)的趨近漸近線的幅度，其中在rx＝54英尺的距離出現(xiàn)漢克爾相交點(diǎn)121。當(dāng)幅度相等時(shí)，在漢克爾相交點(diǎn)121的兩個(gè)漸近線之間存在相位偏移。還可以看到漢克爾相交距離遠(yuǎn)小于操作頻率的波長。

考慮由區(qū)域2中的zenneck封閉形式解的等式(2)和(3)給出的電場分量，可以看到ez和eρ的比率漸近地轉(zhuǎn)為：

其中n是等式(10)的復(fù)數(shù)折射率，且θi是電場的入射角。另外，等式(3)的模式匹配的電場的垂直分量漸近地轉(zhuǎn)為：

其與在端子電壓處升高的充電端子的電容的隔離分量上的自由電荷線性成正比，qfree＝cfree×vt。

例如，圖3中的升高的充電端子t1的高度h1影響充電端子t1上的自由電荷量。當(dāng)充電端子t1在區(qū)域1的地平面附近時(shí)，端子上的大部分電荷q1被“綁定”。當(dāng)充電端子t1升高時(shí)，綁定的電荷減少，直到充電端子t1達(dá)到實(shí)質(zhì)上所有隔離電荷自由的高度為止。

充電端子t1的增加的電容升高的優(yōu)點(diǎn)在于從地平面進(jìn)一步去除升高的充電端子t1上的電荷，導(dǎo)致增加量的自由電荷qfree將能量耦合到引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式中。當(dāng)充電端子t1移動遠(yuǎn)離地平面時(shí)，電荷分布變得在端子的表面周圍更均勻地分布。自由電荷量與充電端子t1的自電容相關(guān)。

例如，球形端子的電容可以表示為地平面以上的物理高度的函數(shù)。在完美的地面以上的物理高度h處的球的電容由下式給出：

celevatedsphere＝4πεoa(1+m+m²+m³+2m⁴+3m⁵+…)，(24)

其中球的直徑是2a，且其中m＝a/2h，h是球形端子的高度。如可以看到的，端子高度h的增加減小充電端子的電容c?？梢允境鰧τ谠诖蠹s直徑4倍或者更大的高度(4d＝8a)處的充電端子t1的升高，電荷分布在球形端子周圍近似均勻，這可以改進(jìn)到引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式中的耦合。

在充分隔離的端子的情況下，導(dǎo)電球的自電容可以由c＝4πεoa近似，其中a是以米為單位的球的直徑，且盤的自電容可以由c＝8εoa近似，其中a是以米為單位的盤的半徑。充電端子t1可以包括任何形狀，比如球形、盤形、圓柱形、錐形、環(huán)形、罩形、一個(gè)或多個(gè)環(huán)或者任何其他隨機(jī)形狀或者形狀的組合。等效的球直徑可以被確定和使用用于充電端子t1的定位。

這可以進(jìn)一步參考圖3的實(shí)例理解，在圖3中，充電端子t1在有損導(dǎo)電介質(zhì)203以上的物理高度hp＝h1處升高。為了減小“綁定”電荷的效果，充電端子t1可以位于充電端子t1的球面半徑(或者等效的球面半徑)至少四倍的物理高度處，以減小綁定的電荷效果。

接下來參考圖5a，示出了由圖3的充電端子t1上的升高電荷q1產(chǎn)生的電場的射線光學(xué)解釋。因?yàn)樵诠鈱W(xué)中，最小化入射電場的反射可以改進(jìn)和/或最大化耦合到有損導(dǎo)電介質(zhì)203的引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式中的能量。對于平行于入射面(不是邊界界面)極化的電場(e||)，可以使用fresnel反射系數(shù)來確定入射電場的反射量，fresnel反射系數(shù)可表示為：

其中θi是針對表面法線測量的常規(guī)的入射角。

在圖5a的實(shí)例中，射線光學(xué)解釋示出平行于具有針對表面法線測量的入射角θi的入射面極化的入射場。當(dāng)γ||(θi)＝0時(shí)將沒有入射電場的反射，且因此入射電場將沿著有損導(dǎo)電介質(zhì)203的表面完全耦合到引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式中。可以看到當(dāng)入射角如下時(shí)等式(25)的分子變?yōu)榱悖?/p>

其中x＝σ/ωεo。該復(fù)數(shù)入射角(θi,b)被稱為布魯斯特角。回去參考等式(22)，可以看到在等式(22)和(26)兩者中存在相同的復(fù)數(shù)布魯斯特角(θi,b)關(guān)系。

如圖5a所示，電場矢量e可以被示出為平行于入射平面而極化的輸入非均勻平面波。可以從如下的獨(dú)立的水平和垂直分量創(chuàng)建電場矢量e：

幾何上，圖5a的示出提出電場矢量e可以由下式給出：

eρ(ρ,z)＝e(ρ,z)cosθi，和(28a)

這意味著場比率是：

稱為“波傾斜”的廣義參數(shù)w為在這里被記錄為水平電場分量對垂直電場分量的比率，由下式給出：

或者(30a)

其是復(fù)數(shù)且具有幅度和相位兩者。對于區(qū)域2中的電磁波，波傾斜角(ψ)等于在與區(qū)域1的邊界界面處的波前的法線和該邊界界面的切線之間的角。這可以在圖5b中更容易地看到，圖5b示出了電磁波的等相位表面和它們對于徑向圓柱引導(dǎo)表面波的法線。在與完美導(dǎo)體的邊界界面(z＝0)處，波前法線平行于邊界界面的切線，導(dǎo)致w＝0。但是，在有損電介質(zhì)的情況下，因?yàn)椴ㄇ胺ň€不平行于在z＝0處的邊界界面的切線，所以存在波傾斜w。

將等式(30b)應(yīng)用于引導(dǎo)表面波給出：

其中入射角等于復(fù)數(shù)布魯斯特角(θi,b)，等式(25)的fresnel反射系數(shù)消失，如下式所示：

通過調(diào)整等式(22)的復(fù)數(shù)場比率，可以合成入射場以按照復(fù)數(shù)角入射，在該復(fù)數(shù)角，反射減小或者被消除。將該比率建立為導(dǎo)致合成電場以復(fù)數(shù)布魯斯特角入射，使得反射消失。

電有效高度的概念可以提供以下進(jìn)一步洞察，以利用引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200合成具有復(fù)數(shù)入射角的電場。對于具有物理高度(或者長度)hp(或者長度)的單極，電有效高度(heff)已被定義為：

因?yàn)樵摫磉_(dá)式取決于沿著該結(jié)構(gòu)的源分布的幅度和相位，所以有效高度(或者長度)通常是復(fù)數(shù)。該結(jié)構(gòu)的分布電流i(z)的積分在該結(jié)構(gòu)(hp)的物理高度上執(zhí)行，且被歸一化為通過該結(jié)構(gòu)的基極(或者輸入)向上流動的地電流(i0)。沿著該結(jié)構(gòu)的分布電流可以表示為：

i(z)＝iccos(β0z)，(34)

其中β0是在該結(jié)構(gòu)上傳播的電流的傳播因數(shù)。在圖3的實(shí)例中，ic是沿著引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200a的垂直結(jié)構(gòu)分布的電流。

例如，考慮包括該結(jié)構(gòu)的底部的低損耗線圈(例如，螺旋線圈)以及在該線圈和充電端子t1之間連接的垂直饋線導(dǎo)體的饋送網(wǎng)絡(luò)209。由于線圈(或者螺旋延遲線)導(dǎo)致的相位延遲是θc＝βplc，其中物理長度是lc且傳播因數(shù)如下：

其中vf是該結(jié)構(gòu)上的速度因數(shù)，λ0是在供應(yīng)頻率處的波長，且λp是從速度因數(shù)vf產(chǎn)生導(dǎo)致的傳播波長。相對于地(樁)電流i0測量相位延遲。

另外，沿著垂直饋線導(dǎo)體的長度lw的空間相位延遲可以由θy＝βwlw給出，其中βw是用于垂直饋線導(dǎo)體的傳播相位常數(shù)。在某些實(shí)現(xiàn)中，空間相位延遲可以由θy＝βwhp近似，因?yàn)橐龑?dǎo)表面波導(dǎo)探頭200a的物理高度hp和垂直饋線導(dǎo)體長度lw之間的差值遠(yuǎn)小于供應(yīng)頻率處的波長(λ0)。結(jié)果，通過線圈和垂直饋線導(dǎo)體的總相位延遲是φ＝θc+θy，且從物理結(jié)構(gòu)的底部饋送到線圈頂部的電流是：

ic(θc+θy)＝i0e^jφ，(36)

其中相對于地(樁)電流i0測量總相位延遲φ。因此，對于物理高度hp＜＜λ0的情況，引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200的電有效高度可以由下式近似：

在角度(或者相移)φ處的單極的復(fù)數(shù)有效高度heff＝hp可以被調(diào)整，以使得源場匹配導(dǎo)線表面波導(dǎo)模式，并使得在有損導(dǎo)電介質(zhì)203上啟動引導(dǎo)表面波。

在圖5a的實(shí)例中，射線光學(xué)用于示出具有在漢克爾相交距離(rx)121處的復(fù)數(shù)布魯斯特入射角(θi,b)的入射電場(e)的復(fù)數(shù)角度三角學(xué)。從等式(26)回想，對于有損導(dǎo)電介質(zhì)，布魯斯特角是復(fù)數(shù)且由下式指定：

電氣地，幾何參數(shù)通過下式由充電端子t1的電有效高度(heff)相關(guān)：

rxtanψi,b＝rx×w＝heff＝hpe^jφ，(39)

其中ψi,b＝(π/2)-θi,b是從有損導(dǎo)電介質(zhì)的表面測量的布魯斯特角。為了耦合到引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式中，在漢克爾相交距離處的電場的波傾斜可以表示為電有效高度和漢克爾相交距離的比率：

因?yàn)槲锢砀叨?hp)和漢克爾相交距離(rx)兩者都是實(shí)數(shù)量，所以在漢克爾相交距離(rx)處的所需的引導(dǎo)表面波傾斜的角度(ψ)等于復(fù)數(shù)有效高度(heff)的相位(φ)。這暗示通過在線圈的供應(yīng)點(diǎn)改變相位，且因此改變等式(37)中的相移，可以操縱復(fù)數(shù)有效高度的相位φ以匹配在漢克爾相交點(diǎn)121處的引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式的波傾斜角ψ：φ＝ψ。

在圖5a中，示出直角三角形具有沿著有損導(dǎo)電介質(zhì)表面的長度rx的相鄰邊、以及在rx處的漢克爾相交點(diǎn)121和充電端子t1的中心之間延伸的射線124與在漢克爾相交點(diǎn)121和充電端子t1之間的有損導(dǎo)電介質(zhì)表面127之間測量的復(fù)數(shù)布魯斯特角ψi,b。對于位于物理高度hp處并以具有適當(dāng)?shù)南辔谎舆tφ的電荷激勵(lì)的充電端子t1，產(chǎn)生的電場在漢克爾相交距離rx，處并以布魯斯特角對于該有損導(dǎo)電介質(zhì)邊界界面入射。在這些條件下，可以激勵(lì)引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式，而沒有反射或者實(shí)質(zhì)上微不足道的反射。

如果充電端子t1的物理高度減小而不改變有效高度(heff)的相移φ，則產(chǎn)生的電場在距引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200的減小的距離處以布魯斯特角與有損導(dǎo)電介質(zhì)203交叉。圖6圖形地示出減小充電端子t1的物理高度對于以布魯斯特角入射電場的距離的影響。隨著高度從h3通過h2減小到h1，電場以布魯斯特角與有損導(dǎo)電介質(zhì)(例如，大地)交叉的點(diǎn)移動更靠近充電端子位置。但是，如等式(39)指示的，充電端子t1的高度h1(圖3)應(yīng)該等于或者高于物理高度(hp)，以便激勵(lì)漢克爾函數(shù)的遠(yuǎn)離分量。利用位于有效高度(heff)或者該有效高度以上的充電端子t1，有損導(dǎo)電介質(zhì)203可以以處于或者超出漢克爾相交距離(rx)121以布魯斯特入射角(ψi,b＝(π/2)-θi,b)照射，如圖5a所示。為了減小或者最小化充電端子t1上的綁定電荷，該高度應(yīng)該是如上所述的充電端子t1的球面直徑(或者等效的球面直徑)的至少四倍。

引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200可以配置為建立具有與以復(fù)數(shù)布魯斯特角照射有損導(dǎo)電介質(zhì)203的表面的波對應(yīng)的波傾斜的電場，由此通過實(shí)質(zhì)上模式匹配到在(或者超出)rx的漢克爾相交點(diǎn)121的引導(dǎo)表面波模式，來激勵(lì)徑向表面電流。

參考圖7，示出了包括充電端子t1的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200b的實(shí)例的圖形表示。ac源212用作充電端子t1的激勵(lì)源，其通過包括比如螺旋線圈的線圈215的饋送網(wǎng)絡(luò)(圖3)耦合到引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200b。在其他實(shí)現(xiàn)中，ac源212可以通過主線圈電感地耦合到線圈215。在一些實(shí)施例中，可以包括阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)以改進(jìn)和/或最大化ac源212到線圈215的耦合。

如圖7所示，引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200b可以包括沿著垂直軸z實(shí)質(zhì)上正交由有損導(dǎo)電介質(zhì)定位的上部充電端子t1(例如，在高度hp的球形)，該垂直軸z實(shí)質(zhì)上與由有損導(dǎo)電介質(zhì)203表示的平面正交。第二介質(zhì)206位于有損導(dǎo)電介質(zhì)203以上。充電端子t1具有自電容ct。在操作期間，電荷q1取決于在任何給定時(shí)刻施加到端子t1的電壓，而強(qiáng)加在端子t1上。

在圖7的實(shí)例中，線圈215耦合到在第一端的地樁218，并經(jīng)由垂直饋線導(dǎo)體221耦合到充電端子t1。在一些實(shí)現(xiàn)中，到充電端子t1的線圈連接可以使用如圖7所示的線圈215的抽頭224來調(diào)整。線圈215可以通過在線圈215的下部的抽頭227由ac源212在操作頻率處致能。在其他實(shí)現(xiàn)中，ac源212可以通過主線圈電感地耦合到線圈215。

引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200的結(jié)構(gòu)和調(diào)整基于各種操作條件，比如傳輸頻率、有損導(dǎo)電介質(zhì)的條件(例如，土壤導(dǎo)電率σ和相對介電常數(shù)εr)和充電端子t1的大小。折射率可以如下從等式(10)和(11)計(jì)算：

其中x＝σ/ωεo，且ω＝2πf。導(dǎo)電率σ和相對介電常數(shù)εr可以通過有損導(dǎo)電介質(zhì)203的測試測量來確定。從表面法線測量的復(fù)數(shù)布魯斯特角(θi,b)也可以從等式(26)如下確定：

或者如下從如圖5a所示的表面測量：

還可以使用等式(40)求出在漢克爾相交距離處的波傾斜(wrx)。

還可以通過對于-jγρ令等式(20b)和(21)的幅度相等，并求解如圖4所示的rx，來求出漢克爾相交距離。然后可以使用漢克爾相交距離和復(fù)數(shù)布魯斯特角從等式(39)如下確定電有效高度：

heff＝hpe^jφ＝rxtanψi,b。(44)

如可以從等式(44)看到的，復(fù)數(shù)有效高度(heff)包括與充電端子t1的物理高度(hp)關(guān)聯(lián)的幅度、和要與在漢克爾相交距離(rx)處的波傾斜的角度(ψ)關(guān)聯(lián)的相位延遲(φ)。利用這些變量和所選的充電端子t1配置，可能確定引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200的配置。

利用位于物理高度(hp)或以上的充電端子t1，饋送網(wǎng)絡(luò)209(圖3)和/或?qū)佀途W(wǎng)絡(luò)連接到充電端子t1的垂直饋線可以被調(diào)整，以將充電端子t1上的電荷q1的相位(φ)與波傾斜(w)的角度(ψ)匹配?？梢赃x擇充電端子t1的大小，以對于強(qiáng)加在端子上的電荷q1提供充分大的表面?？偟膩碚f，希望使得充電端子t1實(shí)際上盡可能大。充電端子t1的大小應(yīng)該足夠大以避免周圍空氣的電離，這可導(dǎo)致充電端子周圍的放電或者火花。

螺旋纏繞的線圈的相位延遲θc可以從麥克斯韋方程確定，如已經(jīng)由corum,k.l.和j.f.corum，“rfcoils,helicalresonatorsandvoltagemagnificationbycoherentspatialmodes”，microwavereview，vol.7，no.2，2001年9月，pp.36-45.討論的，將其通過引用完全包括于此。對于具有h/d＞1的螺旋線圈，沿著線圈的縱向軸的波的傳播速率(υ)與光的速度(c)的比率，或者“速度因數(shù)”由下式給出：

其中h是螺線管螺旋線的軸向長度，d是線圈直徑，n是線圈的匝數(shù)，s＝h/n是線圈的匝到匝間隔(或者螺旋線間距)，且λo是自由空間波長。基于該關(guān)系，螺旋線圈的電長度，或者相位延遲由下式給出：

如果螺旋線以螺旋狀地纏繞或者短和粗，該原理是相同的，但是vf和θc更易于通過實(shí)驗(yàn)測量獲得。螺旋傳輸線的特性(波)阻抗的表達(dá)還已經(jīng)被導(dǎo)出為：

該結(jié)構(gòu)的空間相位延遲θy可以使用垂直饋線導(dǎo)體221(圖7)的行波相位延遲確定。在完美地平面以上的圓柱垂直導(dǎo)體的電容可以表示為：

法拉，(48)

其中hw是導(dǎo)體的垂直長度(或者高度)，且a是半徑(以mk為單位)。對于螺旋線圈，垂直饋線導(dǎo)體的行波相位延遲可以由下式給出：

其中βw是垂直饋線導(dǎo)體的傳播相位常數(shù)，hw是垂直饋線導(dǎo)體的垂直長度(或者高度)，vw是線路上的速率因數(shù)，λ0是在供應(yīng)頻率的波長，且λw是從速率因數(shù)vw導(dǎo)致的傳播波長。對于均勻圓柱導(dǎo)體，速率因數(shù)是具有vw≈0.94的常數(shù)，或者在從大約0.93到大約0.98的范圍內(nèi)。如果考慮桅是均勻傳輸線，則其平均特性阻抗可以由下式近似：

其中對于均勻圓柱導(dǎo)體vw≈0.94對于均勻圓柱導(dǎo)體，且a是導(dǎo)體的半徑。在單線饋線的特性阻抗的業(yè)余無線電文獻(xiàn)中已經(jīng)采用的替代表示可以由下式給出：

等式(51)暗示用于單線饋送器的zw隨著頻率改變?？梢曰陔娙莺吞匦宰杩?，來確定相位延遲。

利用位于如圖3所示的有損導(dǎo)電介質(zhì)203以上的充電端子t1，饋送網(wǎng)絡(luò)209可以被調(diào)整，而以等于在漢克爾相交距離處的波傾斜的角度(ψ)的復(fù)數(shù)有效高度(heff)的相位延遲(φ)、或者φ＝ψ，來激勵(lì)充電端子t1。當(dāng)滿足該條件時(shí)，由在充電端子t1上振蕩的電荷q1產(chǎn)生的電場耦合到沿著有損導(dǎo)電介質(zhì)203的表面行進(jìn)的引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式中。例如，如果布魯斯特角(θi,b)、與垂直饋線導(dǎo)體221相關(guān)聯(lián)的相位延遲(θy)(圖7)、和線圈215(圖7)的配置已知，則抽頭224(圖7)的位置可以被確定和調(diào)整，以在具有相位φ＝ψ的充電端子t1上施加振蕩電荷q1。抽頭224的位置可以被調(diào)整為，將行進(jìn)的表面波最大化耦合到引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式中。超出抽頭224的位置的過度線圈長度可以被去除，以減小電容效應(yīng)。螺旋線圈的垂直線高度和/或幾何參數(shù)也可以改變。

在有損導(dǎo)電介質(zhì)203的表面上耦合到引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式可以通過針對與充電端子t1上的電荷q1相關(guān)聯(lián)的復(fù)數(shù)鏡像平面、對于駐波諧振調(diào)諧引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200來改進(jìn)和/或優(yōu)化。通過這樣做，可以調(diào)整引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200的性能，用于充電端子t1上增加的和/或最大的電壓(且因此電荷q1)?；仡^參考圖3，可以使用鏡像原理來檢查區(qū)域1中的有損導(dǎo)電介質(zhì)203的效果。

物理上，位于完美導(dǎo)電平面上方的升高的電荷q1吸引完美導(dǎo)電平面上的自由電荷，其然后在升高的電荷q1下的區(qū)域中“積累”。產(chǎn)生的完美導(dǎo)電平面上的“綁定”電荷的分布類似于鐘形曲線。升高的電荷q1的電勢加上它下面的感應(yīng)的“積累”電荷的電勢的疊加促使完美導(dǎo)電平面的零等勢面。描述完美導(dǎo)電平面以上的區(qū)域中的場的邊界值問題解可以使用鏡像電荷的經(jīng)典概念而獲得，其中來自升高的電荷的場與來自完美導(dǎo)電平面之下的相應(yīng)的“鏡像”電荷的場疊加。

該分析還可以通過假定引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200之下的有效鏡像電荷q1'的存在而針對有損導(dǎo)電介質(zhì)203使用。有效鏡像電荷q1'關(guān)于導(dǎo)電鏡像地平面130與充電端子t1上的電荷q1一致，如圖3所示。但是，鏡像電荷q1'不僅位于某個(gè)實(shí)際深度，而且與充電端子t1上的主要源電荷q1成180°反向，如它們在完美導(dǎo)體的情況下那樣。而是，有損導(dǎo)電介質(zhì)203(例如，陸地介質(zhì))表示相移鏡像。就是說，鏡像電荷q1'在有損導(dǎo)電介質(zhì)203的表面(或者物理邊界)以下的復(fù)數(shù)深度。對于復(fù)數(shù)鏡像深度的討論，參考wait,j.r.，“compleximagetheory—revisited”，ieeeantennasandpropagationmagazine，vol.33，no.4，1991年8月，pp.27-29，將其通過引用完全包括于此。

代替在等于電荷q1的物理高度(h1)的深度處的鏡像電荷q1'，導(dǎo)電鏡像地平面130(表示完美導(dǎo)體)位于復(fù)數(shù)深度z＝-d/2，且鏡像電荷q1'在由-d1＝-(d/2+d/2+h1)≠h1給出的復(fù)數(shù)深度(即，“深度”具有幅度和相位兩者)出現(xiàn)。對于大地上的垂直極化源，

其中

和(53)

如在等式(12)中指示的。鏡像電荷的復(fù)數(shù)間隔又暗示外部場將經(jīng)歷當(dāng)界面是電介質(zhì)或者完美導(dǎo)體時(shí)未遇到的額外相移。在有損導(dǎo)電介質(zhì)中，波前法線在z＝-d/2處，且不在區(qū)域1和2之間的邊界界面處，平行于導(dǎo)電鏡像地平面130的切線。

考慮圖8a中示出的有損導(dǎo)電介質(zhì)203是具有物理邊界136的有限導(dǎo)電大地133的情況。有限導(dǎo)電大地133可以由如圖8b所示的完美導(dǎo)電鏡像地平面139替代，其位于物理邊界136之下的復(fù)數(shù)深度z1。當(dāng)向下看到在物理邊界136處的界面中時(shí)，該等效表示展現(xiàn)相同阻抗。圖8b的等效表示可以被建模為等效傳輸線，如圖8c所示。等效結(jié)構(gòu)的截面表示為(z-方向)端負(fù)載傳輸線，該完美導(dǎo)電鏡像平面的阻抗短路(zs＝0)。該深度z1可以通過令在大地向下看的tem波阻抗與看到圖8c的傳輸線中的鏡像地平面阻抗zin相等而確定。

在圖8a的情況下，上部區(qū)域(空氣)142中的傳播常數(shù)和波固有阻抗是：

和(55)

在有損大地133中，傳播常數(shù)和波固有阻抗是：

和(57)

對于法線入射，圖8b的等效表示等效于其特性阻抗是空氣的阻抗(zo)、具有傳播常數(shù)γo，、且其長度是z1的tem傳輸線。這樣，在圖8c的短的傳輸線的界面處看到的鏡像地平面阻抗zin由下式給出：

zin＝zotanh(γoz1)。(59)

令與圖8c的等效模式相關(guān)聯(lián)的鏡像地平面阻抗zin與圖8a的法線入射波阻抗相同并求解z1給出到短路(完美導(dǎo)電鏡像地平面139)的距離為：

其中對于該近似僅考慮反雙曲線正切的串行擴(kuò)展的第一項(xiàng)。注意到在空氣區(qū)域142中，傳播常數(shù)是γo＝j(luò)βo，所以zin＝j(luò)zotanβoz1(其對于實(shí)數(shù)z1是完全虛數(shù)量)，但是如果σ≠0則ze是復(fù)數(shù)值。因此，僅當(dāng)z1是復(fù)數(shù)距離時(shí)，zin＝ze。

因?yàn)閳D8b的等效表示包括完美導(dǎo)電鏡像地平面139，所以位于大地表面(物理邊界136)處的電荷或者電流的鏡像深度等于在鏡像地平面139的另一側(cè)上的距離z1，或者在大地表面之下的d＝2×z1(其位于z＝0處)。因此，到完美導(dǎo)電鏡像地平面139的距離可以由下式近似：

另外，“鏡像電荷”將與真實(shí)電荷“大小相等方向相反”，所以在深度z1＝-d/2處的完美導(dǎo)電鏡像地平面139的電勢將是零。

如果在如圖3所示的大地表面以上的距離h1升高電荷q1，則鏡像電荷q1駐留在該表面以下的復(fù)數(shù)距離d1＝d+h1處，或者鏡像地平面130以下的復(fù)數(shù)距離d/2+h1處。圖7的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200b可以建模為可以基于圖8b的完美導(dǎo)電鏡像地平面139的等效單線傳輸線鏡像平面模型。圖9a示出等效單線傳輸線鏡像平面模型的實(shí)例，且圖9b示出包括圖8c的短路傳輸線的等效經(jīng)典傳輸線模型的實(shí)例。

在圖9a和圖9b的等效鏡像平面模型中，φ＝θy+θc是參考大地133(或者有損導(dǎo)電介質(zhì)203)的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200的行波相位延遲，θc＝βph是以度表示的物理長度h的線圈215(圖7)的電長度，θy＝βwhw是以度表示的物理長度hw的垂直饋線導(dǎo)體221(圖7)的電長度，且θd＝βod/2是鏡像地平面139和大地133(或者有損導(dǎo)電介質(zhì)203)的物理邊界136之間的相移。在圖9a和圖9b的實(shí)例中，zw是以歐姆為單位的升高垂直饋線導(dǎo)體221的特性阻抗，zc是以歐姆為單位的線圈215的特性阻抗，且zo是自由空間的特性阻抗。

在引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200的基底(base)，“向上看”到該結(jié)構(gòu)中的阻抗是z↑＝zbase。其中負(fù)載阻抗是：

其中ct是充電端子t1的自電容，“向上看”到垂直饋線導(dǎo)體221(圖7)中的阻抗由下式給出：

且“向上看”到線圈215(圖7)中的阻抗由下式給出：

在引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200的基底處，“向下看”到有損導(dǎo)電介質(zhì)203中的阻抗是z↓＝zin，其由下式給出：

其中zs＝0。

忽略損耗，等效鏡像平面模型可以被調(diào)諧為當(dāng)z↓+z↑＝0時(shí)在物理邊界136處諧振?；蛘撸诘蛽p耗情況下，在物理邊界136處x↓+x↑＝0，其中x是相應(yīng)的電抗分量。因此，“向上看”到引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200中的物理邊界136處的阻抗是“向下看”到有損導(dǎo)電介質(zhì)203中的物理邊界136處的阻抗的共軛。通過調(diào)整充電端子t1的負(fù)載阻抗zl，同時(shí)維持行波相位延遲φ等于介質(zhì)的波傾斜ψ的角度，以使得φ＝ψ，這改進(jìn)和/或最大化沿著有損導(dǎo)電介質(zhì)203(例如，大地)的表面的、探頭的電場到引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式的耦合，圖9a和圖9b的等效鏡像平面模型可以被調(diào)諧以相對于鏡像地平面139諧振。以該方式，等效復(fù)數(shù)鏡像平面模型的阻抗是純電阻的，這維持使得端子t1上的電壓和升高電荷最大化的探頭結(jié)構(gòu)上的疊加駐波，并且通過等式(1)-(3)和(16)使得傳播表面波最大化。

從漢克爾解得出，由引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200激勵(lì)的引導(dǎo)表面波是向外傳播的行波。充電端子t1和引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200的地樁218之間的沿著饋送網(wǎng)絡(luò)209的源分布(圖3和圖7)實(shí)際上由該結(jié)構(gòu)上的行波加上駐波的疊加構(gòu)成。利用位于物理高度hp或其以上的充電端子t1，通過饋送網(wǎng)絡(luò)209移動的行波的相位延遲匹配與有損導(dǎo)電介質(zhì)203相關(guān)聯(lián)的波傾斜的角度。該模式匹配允許沿著有損導(dǎo)電介質(zhì)203啟動行波。一旦對于行波已建立了相位延遲，就調(diào)整充電端子t1的負(fù)載阻抗zl以使得探頭結(jié)構(gòu)針對在復(fù)數(shù)深度-d/2的鏡像地平面(圖3的130或者圖8的139)駐波諧振。在該情況下，從鏡像地平面看的阻抗具有零電抗，且充電端子t1上的電荷最大化。

行波現(xiàn)象和駐波現(xiàn)象之間的區(qū)別在于(1)在長度d的傳輸線(有時(shí)稱為“延遲線”)的部分上的行波的相位延遲(θ＝βd)是由于傳播時(shí)間延遲；然而(2)駐波(由前向和后向傳播波構(gòu)成)的取決于位置的相位取決于線長度傳播時(shí)間延遲和在不同特性阻抗的線部分之間的界面處的阻抗變換兩者。除了由于以正弦穩(wěn)態(tài)操作的傳輸線部分的物理長度導(dǎo)致的相位延遲，存在由于比率zoa/zob導(dǎo)致的阻抗不連續(xù)處的額外反射系數(shù)相位，其中zoa和zob是傳輸線的兩個(gè)部分的特性阻抗，例如，特性阻抗的螺旋線圈部分zoa＝zc(圖9b)和特性阻抗的垂直饋線導(dǎo)體的直線部分zob＝zw(圖9b)。

作為該現(xiàn)象的結(jié)果，普遍不同的特性阻抗的兩個(gè)相對短的傳輸線部分可以用于提供非常大的相移。例如，可以制造由傳輸線的兩個(gè)部分(一個(gè)是低阻抗另一個(gè)是高阻抗)與總共0.05λ的物理長度一起構(gòu)成的探頭結(jié)構(gòu)，以提供等效于0.25λ諧振的90°的相移。這是由于特性阻抗的大的跳變。以該方式，物理上短的探頭結(jié)構(gòu)可以電氣地長于組合的兩個(gè)物理長度。這在圖9a和圖9b示出，其中阻抗比率的不連續(xù)性提供相位的大的跳變。阻抗不連續(xù)性提供其中各部分接合在一起的實(shí)質(zhì)的相移。

參考圖10，示出了流程圖150，示出調(diào)整引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200(圖3和圖7)以實(shí)質(zhì)上模式匹配到有損導(dǎo)電介質(zhì)的表面上的引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式的實(shí)例，該引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式啟動沿著有損導(dǎo)電介質(zhì)203(圖3)的表面的引導(dǎo)表面行波。以153開始，引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200的充電端子t1位于有損導(dǎo)電介質(zhì)203以上的限定高度。利用有損導(dǎo)電介質(zhì)203的特性和引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200的操作頻率，可以通過對于-jγρ令等式(20b)和(21)的幅度相等，并求解圖4所示的rx，來求出漢克爾相交距離。可以使用等式(41)確定復(fù)數(shù)折射率(n)，且然后可以從等式(42)確定復(fù)數(shù)布魯斯特角(θi,b)。然后可以從等式(44)確定充電端子t1的物理高度(hp)。充電端子t1應(yīng)該在或者高于物理高度(hp)以便激勵(lì)漢克爾函數(shù)的遠(yuǎn)離分量。當(dāng)啟動表面波時(shí)，最初考慮該高度關(guān)系。為了減小或者最小化充電端子t1上的綁定電荷，該高度應(yīng)該是充電端子t1的球面直徑(或者等效球面直徑)的至少四倍。

在156，充電端子t1上的升高的電荷q1的電相位延遲φ匹配到復(fù)數(shù)波傾斜角ψ。螺旋線圈的相位延遲(θc)和/或垂直饋線導(dǎo)體的相位延遲(θy)可以被調(diào)整以使得φ等于波傾斜(w)的角度(ψ)。基于等式(31)，波傾斜的角度(ψ)可以如下確定：

電相位φ然后可以匹配到波傾斜的角度。當(dāng)啟動表面波時(shí)，接下來考慮該角(或者相位)關(guān)系。例如，可以通過改變線圈215(圖7)的幾何參數(shù)和/或垂直饋線導(dǎo)體221(圖7)的長度(或者高度)，來調(diào)整電相位延遲φ＝θc+θy。通過匹配φ＝ψ，可以在邊界界面處具有復(fù)數(shù)布魯斯特角的漢克爾相交距離(rx)處或者超出該漢克爾相交距離(rx)建立電場，以激勵(lì)表面波導(dǎo)模式和沿著有損導(dǎo)電介質(zhì)203啟動行波。

接下來在159，調(diào)諧充電端子t1的負(fù)載阻抗，以諧振該引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200的等效鏡像平面模型。圖9a和圖9b的導(dǎo)電鏡像地平面139(或者圖3的130)的深度(d/2)可以使用等式(52)、(53)和(54)以及可以測量的有損導(dǎo)電介質(zhì)203(例如，大地)的值確定。使用該深度，可以使用θd＝βod/2確定有損導(dǎo)電介質(zhì)203的鏡像地平面139和物理邊界136之間的相移(θd)。然后可以使用等式(65)確定“向下看”到有損導(dǎo)電介質(zhì)203中的阻抗(zin)?？梢钥紤]該諧振關(guān)系，以最大化啟動的表面波。

基于線圈215的調(diào)整的參數(shù)以及垂直饋線導(dǎo)體221的長度，可以使用等式(45)到(51)確定線圈215和垂直饋線導(dǎo)體221的速率因數(shù)、相位延遲和阻抗。另外，可以例如使用等式(24)確定充電端子t1的自電容(ct)?？梢允褂玫仁?35)確定線圈215的傳播因數(shù)(βp)，且可以使用等式(49)確定垂直饋線導(dǎo)體221的傳播相位常數(shù)(βw)。使用自電容以及線圈215和垂直饋線導(dǎo)體221的確定的值，可以使用等式(62)、(63)和(64)確定如“向上看”到線圈215中的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200的阻抗(zbase)。

通過調(diào)整負(fù)載阻抗zl以，可將引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200的等效鏡像平面模型調(diào)諧為諧振，使得zbase的電抗分量xbase抵消zin的電抗分量xin，或者xbase+xin＝0，來。因此，“向上看”到引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200中的物理邊界136處的阻抗是在“向下看”到有損導(dǎo)電介質(zhì)203中的物理邊界136處的阻抗的共軛。可以通過改變充電端子t1的電容(ct)而不改變充電端子t1的電相位延遲φ＝θc+θy，來調(diào)整負(fù)載阻抗zl?？梢圆捎玫桨?，來調(diào)諧負(fù)載阻抗zl以，用于等效鏡像平面模型相對于導(dǎo)電鏡像地平面139(或者130)的諧振。以該方式，沿著有損導(dǎo)電介質(zhì)203(例如，大地)的表面的電場到引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式的耦合可以改進(jìn)和/或最大化。

這可以通過示出具有數(shù)字實(shí)例的情況更好地理解。考慮以充電端子t1在頂部的包括物理高度hp的頂部負(fù)載垂直根的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200，其中在1.85mhz的操作頻率(fo)通過螺旋線圈和垂直饋線導(dǎo)體激勵(lì)充電端子t1。對于16英尺的高度(h1)和具有相對介電常數(shù)εr＝15和導(dǎo)電率σ1＝0.010mhos/m的有損導(dǎo)電介質(zhì)203(例如，大地)，可以對于fo＝1.850mhz計(jì)算幾個(gè)表面波傳播參數(shù)。在這些情況下，可以求出漢克爾相交距離是具有hp＝5.5英尺的物理高度的rx＝54.5英尺，其很好地在充電端子t1的實(shí)際高度以下。雖然可以使用充電端子高度h1＝5.5英尺，但是更高的探頭結(jié)構(gòu)減小綁定電容，這允許充電端子t1上更大百分比的自由電荷，提供更大場強(qiáng)和行波的激勵(lì)。

波長度可以確定為：

其中c是光的速度。從等式(41)，復(fù)數(shù)折射率是：

其中x＝σ1/ωεo，且ω＝2πfo，且從等式(42)，復(fù)數(shù)布魯斯特角是：

使用等式(66)，波傾斜值可以確定為：

因此，可以調(diào)整螺旋線圈以匹配φ＝ψ＝40.614°

垂直饋線導(dǎo)體(近似為具有0.27英寸的直徑的均勻圓柱導(dǎo)體)的速率因數(shù)可以給出為vw≈0.93。因?yàn)閔p＜＜λo，所以垂直饋線導(dǎo)體的傳播相位常數(shù)可以近似為：

從等式(49)，垂直饋線導(dǎo)體的相位延遲是：

θy＝βwhw≈βwhp＝11.640°。(72)

通過調(diào)整螺旋線圈的相位延遲以使得θc＝28.974°＝40.614°-11.640°，φ將等于ψ以匹配引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式。為示出φ和ψ之間的關(guān)系，圖11示出兩者在頻率范圍上的繪圖。因?yàn)棣蘸挺變烧呤侨Q于頻率的，所以可以看到它們各自的曲線在大約1.85mhz處彼此相交。

對于具有0.0881英寸的導(dǎo)體直徑、30英寸的線圈直徑(d)和4英寸的匝到匝間隔(s)的螺旋線圈，該線圈的速率因數(shù)可以使用等式(45)確定為：

且來自等式(35)的傳播因數(shù)是：

在θc＝28.974°的情況下，螺線管螺旋線(h)的軸向長度可以使用等式(46)確定，使得：

該高度確定螺旋線圈上連接垂直饋線導(dǎo)體的位置，導(dǎo)致具有8.818匝(n＝h/s)的線圈。

通過調(diào)整線圈和垂直饋線導(dǎo)體的行波相位延遲以匹配波傾斜角(φ＝θc+θy＝ψ)，可以調(diào)整充電端子t1的負(fù)載阻抗(zl)，用于引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200的等效鏡像平面模型的駐波諧振。從測量的大地的介電常數(shù)、電導(dǎo)率和滲透率，可以使用等式(57)確定徑向傳播常數(shù)：

并且導(dǎo)電鏡像地平面的復(fù)數(shù)深度可以從等式(52)近似為：

其中導(dǎo)電鏡像地平面和大地的物理邊界之間的相應(yīng)的相移由下式給出：

θd＝βo(d/2)＝4.015-j4.73°。(78)

使用等式(65)，“向下看”到有損導(dǎo)電介質(zhì)203(即，大地)中的阻抗可以確定為：

zin＝zotanh(jθd)＝rin+jxin＝31.191+j26.27歐姆。(79)

通過匹配“向下看”到有損導(dǎo)電介質(zhì)203中的電抗分量(xin)與“向上看”到引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200中的電抗分量(xbase)，可以使得到引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式中的耦合最大化。這可以通過調(diào)整充電端子t1的電容來實(shí)現(xiàn)，而不改變線圈和垂直饋線導(dǎo)體的行波相位延遲。例如，通過將充電端子電容(ct)調(diào)整到61.8126pf，來自等式(62)的負(fù)載阻抗是：

且匹配在邊界處的電抗分量。

使用等式(51)，垂直饋線導(dǎo)體(具有0.27英寸的直徑(2a))的阻抗給出為：

且“向上看”到垂直饋線導(dǎo)體中的阻抗由等式(63)給出為：

使用等式(47)，螺旋線圈的特性阻抗給出為：

且在基底處“向上看”到線圈中的阻抗由等式(64)給出為：

當(dāng)與等式(79)的解比較時(shí)，可以看到電抗分量相反且近似相等，且因此是彼此的共軛。因此，從完美導(dǎo)電鏡像地平面“向上看”到圖9a和圖9b的等效鏡像平面模型中的阻抗(zip)僅是電阻，或者zip＝r+j0。

當(dāng)通過匹配饋送網(wǎng)絡(luò)的行波相位延遲與波傾斜角建立由引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200(圖3)產(chǎn)生的電場、且探頭結(jié)構(gòu)相對于在復(fù)數(shù)深度z＝-d/2處的完美導(dǎo)電鏡像地平面諧振時(shí)，場實(shí)質(zhì)上被模式匹配到有損導(dǎo)電介質(zhì)的表面上的引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式，沿著有損導(dǎo)電介質(zhì)的表面啟動引導(dǎo)表面行波。如圖1所示，引導(dǎo)電磁場的引導(dǎo)場強(qiáng)曲線103具有的特性指數(shù)衰減，且以對數(shù)-對數(shù)量級展現(xiàn)區(qū)別拐點(diǎn)109。

總之，分析地和實(shí)驗(yàn)地，引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200的結(jié)構(gòu)上的行波分量在其上端具有匹配表面行波的波傾斜的角度(ψ)的相位延遲(φ)(φ＝ψ)。在該情況下，可以認(rèn)為該表面波導(dǎo)是“模式匹配的”。另外，引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200的結(jié)構(gòu)上的諧振駐波分量在充電端子t1處具有vmax且在鏡像平面139(圖8b)下具有vmin，其中在復(fù)數(shù)深度z＝-d/2處而不是在有損導(dǎo)電介質(zhì)203的物理邊界136處的連接處，zip＝rip+j0。(圖8b)。最后，充電端子t1處于圖3的充分高度h1(h≥rxtanψi,b)，使得在復(fù)數(shù)布魯斯特角處入射到有損導(dǎo)電介質(zhì)203上的電磁波在距離(≥rx)之外這樣做，其中項(xiàng)是占主導(dǎo)的?？梢耘c一個(gè)或多個(gè)引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭一起使用接收電路，以促進(jìn)無線傳輸和/或功率傳遞系統(tǒng)。

回去參考圖3，可以控制引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200的操作，以調(diào)整與引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200相關(guān)聯(lián)的操作條件的改變。例如，可以使用自適應(yīng)探頭控制系統(tǒng)230來控制饋送網(wǎng)絡(luò)209和/或充電端子t1，以控制引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200的操作。操作條件可以包括，但是不限于有損導(dǎo)電介質(zhì)203的特性(例如，電導(dǎo)率σ和相對介電常數(shù)εr)的改變、場強(qiáng)的變化和/或引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200的負(fù)載的變化。如可以從等式(31)、(41)和(42)看到的，可以通過例如天氣狀況導(dǎo)致的土壤導(dǎo)電率和介電常數(shù)的改變，來影響折射率(n)、復(fù)數(shù)布魯斯特角(θi,b)和波傾斜(|w|e^jψ)。

例如電導(dǎo)率測量探頭、介電常數(shù)傳感器、地參數(shù)計(jì)、場計(jì)、電流監(jiān)視器和/或負(fù)載接收器之類的儀器可以用于監(jiān)控操作條件的改變，并將關(guān)于當(dāng)前操作條件的信息提供給自適應(yīng)探頭控制系統(tǒng)230。探頭控制系統(tǒng)230然后可以對引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200做出一個(gè)或多個(gè)調(diào)整，以維持引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200的特定操作條件。例如，當(dāng)濕度和溫度改變時(shí)，土壤的電導(dǎo)率也將改變。電導(dǎo)率測量探頭和/或介電常數(shù)傳感器可以位于引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200周圍的多個(gè)位置。通常，可期望在該操作頻率的漢克爾相交距離rx處或其周圍監(jiān)控電導(dǎo)率和/或介電常數(shù)。電導(dǎo)率測量探頭和/或介電常數(shù)傳感器可以位于引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200周圍的多個(gè)位置(例如，每個(gè)象限中)。

電導(dǎo)率測量探頭和/或介電常數(shù)傳感器可以配置為按照周期性的基礎(chǔ)估計(jì)電導(dǎo)率和/或介電常數(shù)，并將該信息傳遞到探頭控制系統(tǒng)230。該信息可以通過網(wǎng)絡(luò)傳遞到探頭控制系統(tǒng)230，網(wǎng)絡(luò)比如但是不限于lan、wlan、蜂窩網(wǎng)絡(luò)、或者其他適當(dāng)?shù)挠芯€或者無線通信網(wǎng)絡(luò)。基于監(jiān)控的電導(dǎo)率和/或介電常數(shù)，探頭控制系統(tǒng)230可以估計(jì)折射率(n)、復(fù)數(shù)布魯斯特角(θi,b)和/或波傾斜(|w|e^jψ)的變化，并調(diào)整引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200，以維持饋送網(wǎng)絡(luò)209的相位延遲(φ)等于波傾斜角(ψ)和/或維持引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200的等效鏡像平面模型的諧振。這可以通過例如調(diào)整θy、θc和/或ct來實(shí)現(xiàn)。例如，探頭控制系統(tǒng)230可以調(diào)整充電端子t1的自電容和/或應(yīng)用于充電端子t1的相位延遲(θy，θc)，以將引導(dǎo)表面波的電啟動效率維持在最大或其附近。例如，充電端子t1的自電容可以通過改變端子的大小來改變。電荷分布也可以通過增加充電端子t1的大小來改進(jìn)，增加充電端子t1的大小可以減小從充電端子t1的放電的機(jī)會。在其他實(shí)施例中，充電端子t1可以包括可以調(diào)整以改變負(fù)載阻抗zl的可變電感。應(yīng)用于充電端子t1的相位可以通過改變線圈215(圖7)上的抽頭位置、和/或通過包括沿著線圈215的多個(gè)預(yù)定義抽頭并在不同預(yù)定義抽頭位置之間切換來調(diào)整，以最大化啟動效率。

場或者場強(qiáng)(fs)計(jì)也可以圍繞引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200分布，以測量與引導(dǎo)表面波相關(guān)聯(lián)的場的場強(qiáng)。場或者fs計(jì)可以配置為檢測場強(qiáng)和/或場強(qiáng)(例如，電場強(qiáng))的改變，并將該信息傳遞到探頭控制系統(tǒng)230。該信息可以通過網(wǎng)絡(luò)傳遞到探頭控制系統(tǒng)230，網(wǎng)絡(luò)比如但是不限于lan、wlan、蜂窩網(wǎng)絡(luò)、或者其他適當(dāng)?shù)耐ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)。當(dāng)負(fù)載和/或環(huán)境條件在操作期間改變或者變化時(shí)，可以調(diào)整引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200以維持在fs計(jì)位置的特定場強(qiáng)，以保證到接收器的適當(dāng)?shù)墓β蕚鬏?、和它們提供的?fù)載。

例如，可以調(diào)整應(yīng)用于充電端子t1的相位延遲(φ＝θy+θc)以匹配波傾斜角(ψ)。通過調(diào)整一個(gè)或兩個(gè)相位延遲，可以調(diào)整引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200，以保證波傾斜對應(yīng)于復(fù)數(shù)布魯斯特角。這可以通過調(diào)整線圈215(圖7)上的抽頭位置、以改變供應(yīng)到充電端子t1的相位延遲來實(shí)現(xiàn)。供應(yīng)到充電端子t1的電壓電平還可以增加或者減少，以調(diào)整電場強(qiáng)。這可以通過調(diào)整激勵(lì)源212的輸出電壓或者通過調(diào)整或者重新配置饋送網(wǎng)絡(luò)209來實(shí)現(xiàn)。例如，可以調(diào)整ac源212的抽頭227(圖7)的位置，以增加由充電端子t1看到的電壓。在預(yù)定義范圍內(nèi)維持場強(qiáng)級別可以改進(jìn)接收器的耦合，減小地電流損耗，和避免與來自其他引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200的傳輸?shù)母蓴_。

探頭控制系統(tǒng)230可以以硬件、固件、由硬件執(zhí)行的軟件、或者其組合實(shí)現(xiàn)。例如，探頭控制系統(tǒng)230可以包括處理電路，其包括處理器和存儲器，處理器和存儲器兩者可以耦合到本地接口，例如具有附帶的控制/地址總線的數(shù)據(jù)總線，如本領(lǐng)域技術(shù)人員認(rèn)識到的那樣。探頭控制應(yīng)用可以由處理器執(zhí)行，以基于監(jiān)控的條件調(diào)整引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200的操作。探頭控制系統(tǒng)230還可以包括用于與各種監(jiān)控裝置通信的一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口。通信可以通過網(wǎng)絡(luò)，比如但是不限于lan、wlan、蜂窩網(wǎng)絡(luò)、或者其他適當(dāng)?shù)耐ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)。探頭控制系統(tǒng)230例如可以包括比如服務(wù)器、桌面計(jì)算機(jī)、膝上型計(jì)算機(jī)之類的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，或者具有類似性能的其他系統(tǒng)。

回頭參考圖5a的實(shí)例，示出復(fù)數(shù)角三角學(xué)用于具有在漢克爾相交距離(rx)處的復(fù)數(shù)布魯斯特角(θi,b)的充電端子t1的入射電場(e)的射線光學(xué)解釋?；叵?，對于有損導(dǎo)電介質(zhì)，布魯斯特角是復(fù)數(shù)且由等式(38)指定。電氣地，幾何參數(shù)通過等式(39)由充電端子t1的電有效高度(heff)相關(guān)。因?yàn)槲锢砀叨?hp)和漢克爾相交距離(rx)兩者都是實(shí)數(shù)量，所以在漢克爾相交距離處的所需的引導(dǎo)表面波傾斜的角度(wrx)等于復(fù)數(shù)有效高度(heff)的相位(φ)。對于位于物理高度hp處且以具有適當(dāng)相位φ的電荷激勵(lì)的充電端子t1，產(chǎn)生的電場在漢克爾相交距離rx處，并以布魯斯特角入射該有損導(dǎo)電介質(zhì)邊界界面。在這些條件下，可以激勵(lì)引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式，而沒有反射或者實(shí)質(zhì)上可忽略的反射。

但是，等式(39)指的是引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200的物理高度可以相對小。雖然這將激勵(lì)引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式，但是這可能導(dǎo)致具有很小自由改變的過大的綁定電荷。為了補(bǔ)償，可以將充電端子t1升高到適當(dāng)標(biāo)高，以增加自由電荷量。作為一個(gè)示例經(jīng)驗(yàn)法則，充電端子t1可以位于充電端子t1的有效直徑的大約4-5倍(或者更大)的標(biāo)高處。圖6示出將充電端子t1升高到如圖5a所示的物理高度(hp)以上的效果。增加的標(biāo)高導(dǎo)致波傾斜入射該有損導(dǎo)電介質(zhì)的距離移動超出漢克爾相交點(diǎn)121(圖5a)。為了改進(jìn)引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式中的耦合，且因此提供引導(dǎo)表面波的更大的啟動效率，可使用下部補(bǔ)償端子t2，以調(diào)整充電端子t1的總有效高度(hte)，使得在漢克爾相交距離處的波傾斜在布魯斯特角。

參考圖12，示出了引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200c的實(shí)例，其包括沿著與由有損導(dǎo)電介質(zhì)203表示的平面垂直的垂直軸z布置的升高的充電端子t1和下部補(bǔ)償端子t2。在這方面，充電端子t1直接位于補(bǔ)償端子t2以上，雖然可能使用兩個(gè)或者更多充電和/或補(bǔ)償端子tn的一些其他布置。根據(jù)本公開的實(shí)施例，引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200c設(shè)置在有損導(dǎo)電介質(zhì)203以上。有損導(dǎo)電介質(zhì)203組成區(qū)域1，同時(shí)第二介質(zhì)206組成區(qū)域2，第二介質(zhì)206與有損導(dǎo)電介質(zhì)203共享邊界界面。

引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200c包括饋送網(wǎng)絡(luò)209，該饋送網(wǎng)絡(luò)209將激勵(lì)源212耦合到充電端子t1和補(bǔ)償端子t2。根據(jù)各種實(shí)施例，取決于在任何給定時(shí)刻施加到端子t1和t2的電壓，電荷q1和q2能施加于相應(yīng)充電和補(bǔ)償端子t1和t2上。i1是經(jīng)由端子引線在充電端子t1上饋送電荷q1的傳導(dǎo)電流，且i2是經(jīng)由端子引線在補(bǔ)償端子t2上饋送電荷q2的傳導(dǎo)電流。

根據(jù)圖12的實(shí)施例，充電端子t1位于有損導(dǎo)電介質(zhì)203以上物理高度h1處，且補(bǔ)償端子t2沿著垂直軸z直接位于t1以下物理高度h2處，其中h2小于h1。傳輸結(jié)構(gòu)的高度h可以計(jì)算為h＝h1-h2。充電端子t1具有隔離的(或者自)電容c1，且補(bǔ)償端子t2具有隔離的(或者自)電容c2?；ル娙輈m可取決于其間的距離而存在于端子t1和t2之間。在操作期間，取決于在任何給定時(shí)刻施加到充電端子t1和補(bǔ)償端子t2的電壓，電荷q1和q2分別施加在充電端子t1和補(bǔ)償端子t2上。

接下來參考圖13，示出了由圖12的充電端子t1和補(bǔ)償端子t2上的升高的電荷產(chǎn)生的效果的射線光學(xué)解釋。利用升高到射線在大于如由線163示出的漢克爾相交點(diǎn)121的距離處以布魯斯特角與有損導(dǎo)電介質(zhì)相交的高度的充電端子t1，補(bǔ)償端子t2可以用于通過補(bǔ)償增加的高度而調(diào)整hte。補(bǔ)償端子t2的效果是減小引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭的電有效高度(或者有效地提升有損介質(zhì)界面)，使得在漢克爾相交距離處的波傾斜在布魯斯特角，如線166示出的。

總有效高度可以寫為與充電端子t1相關(guān)聯(lián)的上部有效高度(hue)和與補(bǔ)償端子t2相關(guān)聯(lián)的下部有效高度(hle)的疊加，使得：

其中φu是施加到上部充電端子t1的相位延遲，φl是施加到下部補(bǔ)償端子t2的相位延遲，β＝2π/λp是來自等式(35)的傳播因數(shù)，hp是充電端子t1的物理高度且hd是補(bǔ)償端子t2的物理高度。如果考慮額外的引線長度，則可以通過將充電端子引線長度z加到充電端子t1的物理高度hp和將補(bǔ)償端子引線長度y加到補(bǔ)償端子t2的物理高度hd來說明它們，如下所示：

下部有效高度可以用于調(diào)整總有效高度(hte)以等于圖5a的復(fù)數(shù)有效高度(heff)。

等式(85)或者(86)可以用于確定補(bǔ)償端子t2的下部盤的物理高度和饋送端子的相位角，以獲得在漢克爾相交距離處的所需波傾斜。例如，等式(86)可以重寫為作為補(bǔ)償端子高度(hd)的函數(shù)施加到充電端子t1的相移，以給出：

為了確定補(bǔ)償端子t2的定位，可以使用上述關(guān)系。首先，總有效高度(hte)是上部充電端子t1的復(fù)數(shù)有效高度(hue)和下部補(bǔ)償端子t2的復(fù)數(shù)有效高度(hle)的疊加，如等式(86)表示的。之后，入射角的正切可以幾何地表示為：

其等于波傾斜的定義，w。最終，給定所需漢克爾相交距離rx，可以調(diào)整hte以使得入射射線的波傾斜匹配在漢克爾相交點(diǎn)121處的復(fù)數(shù)布魯斯特角。這可以通過調(diào)整hp、φu和/或hd實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)在引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭的實(shí)例的上下文中討論時(shí)，這些概念可以更好地理解。參考圖14，示出了包括沿著實(shí)質(zhì)上與由有損導(dǎo)電介質(zhì)203表示的平面正交的垂直軸z定位的上部充電端子t1(例如，在高度ht的球)和下部補(bǔ)償端子t2(例如，在高度hd的盤)的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200d的實(shí)例的圖形表示。在操作期間，取決于在任何給定時(shí)刻施加到端子t1和t2的電壓，電荷q1和q2分別施加在充電端子t1和補(bǔ)償端子t2上。

ac源212用作充電端子t1的激勵(lì)源，其通過包括比如螺旋線圈的線圈215的饋送網(wǎng)絡(luò)209耦合到引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200d。ac源212可以通過抽頭227連接在線圈215的下部兩端，如圖14所示，或者可以通過主線圈的方式電感地耦合到線圈215。線圈215可以在第一端耦合到地樁218并在第二段耦合到充電端子t1。在一些實(shí)現(xiàn)中，可以使用在線圈215的第二端處的抽頭224調(diào)整到充電端子t1的連接。補(bǔ)償端子t2位于有損導(dǎo)電介質(zhì)203(例如，地或者大地)以上并實(shí)質(zhì)上與其平行，且通過耦合到線圈215的抽頭致能。位于線圈215和地樁218之間的電流計(jì)236可以用于提供在引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭的基底處的電流(i0)的幅度的指示。替代地，可以在耦合到地樁218的導(dǎo)體周圍使用電流鉗以獲得電流(i0)的幅度的指示。

在圖14的實(shí)例中，線圈215在第一端耦合到地樁218，并經(jīng)由垂直饋線導(dǎo)體221在第二端耦合到充電端子t1。在一些實(shí)現(xiàn)中，可以使用在線圈215的第二端處的抽頭224調(diào)整到充電端子t1的連接，如圖14所示。線圈215可以通過在線圈215的下部的抽頭227由ac源212以操作頻率致能。在其他實(shí)現(xiàn)中，ac源212可以通過主線圈電感地耦合到線圈215。補(bǔ)償端子t2通過耦合到線圈215的抽頭233致能。位于線圈215和地樁218之間的電流計(jì)236可以用于提供在引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200d的基底處的電流的幅度的指示。替代的，可以在耦合到地樁218的導(dǎo)體周圍使用電流鉗，以獲得電流的幅度的指示。補(bǔ)償端子t2位于有損導(dǎo)電介質(zhì)203(例如，地)以上并實(shí)質(zhì)上與其平行。

在圖14的實(shí)例中，位于線圈215上的到充電端子t1的連接在用于補(bǔ)償端子t2的抽頭223的連接點(diǎn)以上。這種調(diào)整允許增大的電壓(且因此更高的電荷q1)施加到上部充電端子t1。在其他實(shí)施例中，充電端子t1和補(bǔ)償端子t2的連接點(diǎn)可以反向?？梢哉{(diào)整引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭220d的總有效高度(hte)以激勵(lì)具有在漢克爾相交距離rx處的引導(dǎo)表面波傾斜的電場。漢克爾相交距離也可以通過對于-jγρ令等式(20b)和(21)的幅度相等，并求解如圖4所示的rx而求出。折射率(n)、復(fù)數(shù)布魯斯特角(θi,b和ψi,b)、波傾斜(|w|e^jψ)和復(fù)數(shù)有效高度(heff＝hpe^jφ)可以相對于上面的等式(41)-(44)確定。

利用所選的充電端子t1配置，可以確定球面直徑(或者有效球面直徑)。例如，如果充電端子t1不配置為球面，則端子配置可以建模為具有有效球面直徑的球面電容?？梢赃x擇充電端子t1的大小以提供用于施加在端子上的電荷q1的足夠大的表面?？偟膩碚f，期望使得充電端子t1盡可能大。充電端子t1的大小應(yīng)該足夠大以避免周圍空氣的電離，這可能導(dǎo)致充電端子周圍的放電或者火花。為了減小充電端子t1上的綁定電荷的量，提供用于啟動引導(dǎo)表面波的充電端子t1上的自由電荷的期望提升應(yīng)該是有損導(dǎo)電介質(zhì)(例如，大地)以上的有效球面直徑的至少4-5倍。補(bǔ)償端子t2可以用于調(diào)整引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200d的總有效高度(hte)，以激勵(lì)具有在rx處的引導(dǎo)表面波傾斜的電場。補(bǔ)償端子t2可以在hd＝ht-hp處位于充電端子t1以下，其中ht是充電端子t1的總物理高度。對于固定的補(bǔ)償端子t2的位置和施加到上部充電端子t1的相位延遲φu，施加到下部補(bǔ)償端子t2的相位延遲φl可以使用等式(86)的關(guān)系來確定，以使得：

在替代實(shí)施例中，補(bǔ)償端子t2可以位于高度hd處，其中im{φl}＝0。這在圖15a中圖形地示出，圖15a分別示出φu的虛數(shù)和實(shí)數(shù)部分的繪圖172和175。補(bǔ)償端子t2位于高度hd處，其中im{φu}＝0，如繪圖172圖形地示出的。在該固定高度，可以從re{φu}確定線圈相位φu，如繪圖175圖形地示出的。

對于耦合到線圈215的ac源212(例如，在50ω點(diǎn)以最大化耦合)，可以調(diào)整抽頭233的位置以用于補(bǔ)償端子t2與在操作頻率的線圈的至少一部分的并行諧振。圖15b示出了圖14的總的電氣關(guān)聯(lián)(hookup)的示意性圖，其中v1是通過抽頭227從ac源212施加到線圈215的下部部分的電壓，v2是供應(yīng)到上部充電端子t1的抽頭224處的電壓，且v3是通過抽頭233施加到下部補(bǔ)償端子t2的電壓。電阻rp和rd分別表示充電端子t1和補(bǔ)償端子t2的地返回電阻。充電端子t1和補(bǔ)償端子t2可以配置為球面、圓柱、環(huán)面、環(huán)、罩或者電容結(jié)構(gòu)的任何其他組合?？梢赃x擇充電端子t1和補(bǔ)償端子t2的大小以提供在端子上施加的電荷q1和q2的足夠大的表面?？偟膩碚f，需要使得充電端子t1盡可能大。充電端子t1的大小應(yīng)該足夠大以避免周圍空氣的電離，這可導(dǎo)致充電端子周圍的放電或者火花。充電端子t1和補(bǔ)償端子t2的自電容cp和cd例如可以分別使用等式(24)確定。

如在圖15b中看到的，由線圈215的電感的至少一部分、補(bǔ)償端子t2的自電容cd和與補(bǔ)償端子t2相關(guān)聯(lián)的地返回電阻rd形成諧振電路。可以通過調(diào)整施加到補(bǔ)償端子t2的電壓v3(例如，通過調(diào)整線圈215上的抽頭233位置)或者通過調(diào)整補(bǔ)償端子t2的高度和/或大小以調(diào)整cd，來建立并行諧振?？梢哉{(diào)整線圈抽頭233的位置以用于并行諧振，這將導(dǎo)致通過地樁218和通過電流計(jì)236的地電流達(dá)到最大點(diǎn)。在已經(jīng)建立補(bǔ)償端子t2的并行諧振之后，可以調(diào)整ac源212的抽頭227的位置到線圈215上的50ω點(diǎn)。

來自線圈215的電壓v2可以施加到充電端子t1，且可以調(diào)整抽頭224的位置以使得總有效高度(hte)的相位(φ)近似地等于在漢克爾相交距離(rx)處的引導(dǎo)表面波傾斜(wrx)的角度。可以調(diào)整線圈抽頭224的位置直到到達(dá)該操作點(diǎn)為止，這導(dǎo)致通過電流計(jì)236的地電流增大到最大。在這點(diǎn)，由引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200d激勵(lì)的產(chǎn)生的場實(shí)質(zhì)上模式匹配到有損導(dǎo)電介質(zhì)203的表面上的引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式，導(dǎo)致沿著有損導(dǎo)電介質(zhì)203的表面的引導(dǎo)表面波的啟動。這可以通過測量沿著從引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200延伸的徑向的場強(qiáng)來確認(rèn)。

可以通過充電端子t1的附加和/或通過抽頭224施加到充電端子t1的電壓的調(diào)整，來改變包括補(bǔ)償端子t2的電路的諧振。雖然調(diào)整補(bǔ)償端子電路用于諧振幫助充電端子連接的后續(xù)調(diào)整，但是不必建立在漢克爾相交距離(rx)處的引導(dǎo)表面波傾斜(wrx)?？梢赃M(jìn)一步調(diào)整該系統(tǒng)，以通過迭代地調(diào)整ac源212的抽頭227的位置以在線圈215上的50ω點(diǎn)、和調(diào)整抽頭233的位置以最大化通過電流計(jì)236的地電流，來改進(jìn)耦合。當(dāng)調(diào)整抽頭227和233的位置時(shí)，或者當(dāng)其他組件附加到線圈215時(shí)，包括補(bǔ)償端子t2的電路的諧振可以漂移。

在其他實(shí)現(xiàn)中，來自線圈215的電壓v2可以施加到充電端子t1，且可以調(diào)整抽頭233的位置，以使得總有效高度(hte)的相位(φ)近似地等于在rx處的引導(dǎo)表面波傾斜的角度(ψ)?？梢哉{(diào)整線圈抽頭224的位置，直到達(dá)到操作點(diǎn)為止，這導(dǎo)致通過電流計(jì)236的地電流實(shí)質(zhì)上達(dá)到最大。產(chǎn)生的場實(shí)質(zhì)上模式匹配到有損導(dǎo)電介質(zhì)203上的引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式，且沿著有損導(dǎo)電介質(zhì)203的表面啟動引導(dǎo)表面波。這可以通過測量沿著從引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200延伸的徑向的場強(qiáng)來確認(rèn)。可以進(jìn)一步調(diào)整該系統(tǒng)，以通過迭代地調(diào)整ac源212的抽頭227的位置在線圈215上的50ω點(diǎn)，并調(diào)整抽頭224和/或223的位置以最大化通過電流計(jì)236的地電流，來改進(jìn)耦合。

回頭參考圖12，可以控制引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200的操作，以調(diào)整用于與引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200相關(guān)聯(lián)的操作條件的變化。例如，探頭控制系統(tǒng)230可以用于控制饋送網(wǎng)絡(luò)209和/或充電端子t1和/或補(bǔ)償端子t2的定位，以控制引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200的操作。操作條件可以包括，但是不限于有損導(dǎo)電介質(zhì)203的特性(例如，電導(dǎo)率σ和相對介電常數(shù)εr)的變化、場強(qiáng)的變化和/或引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭20的負(fù)載的變化。如可以從等式(41)-(44)看到的，可以通過例如由天氣條件導(dǎo)致的土壤電導(dǎo)率和介電常數(shù)的改變，影響折射率(n)、復(fù)數(shù)布魯斯特角(θi,b和ψi,b)、波傾斜(|w|e^jψ)和復(fù)數(shù)有效高度(heff＝hpe^jφ)。

例如電導(dǎo)率測量探頭、介電常數(shù)傳感器、地參數(shù)計(jì)、場計(jì)、電流監(jiān)視器和/或負(fù)載接收器之類的儀器可以用于監(jiān)控操作條件的改變，并將關(guān)于當(dāng)前操作條件的信息提供給探頭控制系統(tǒng)230。探頭控制系統(tǒng)230然后可以對引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200做出一個(gè)或多個(gè)調(diào)整，以維持引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200的特定操作條件。例如，當(dāng)濕度和溫度改變時(shí)，土壤的電導(dǎo)率也將改變。電導(dǎo)率測量探頭和/或介電常數(shù)傳感器可以位于引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200周圍的多個(gè)位置。通常，期望對于該操作頻率在漢克爾相交距離rx處或其周圍監(jiān)控電導(dǎo)率和/或介電常數(shù)。電導(dǎo)率測量探頭和/或介電常數(shù)傳感器可以位于引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200周圍的多個(gè)位置(例如，每個(gè)象限中)。

然后參考圖16，示出了包括沿著垂直軸z布置的充電端子t1和充電端子t2的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200e的實(shí)例。引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200e設(shè)置在組成區(qū)域1的有損導(dǎo)電介質(zhì)203以上。另外，第二介質(zhì)206共享與有損導(dǎo)電介質(zhì)203的邊界界面，并組成區(qū)域2。充電端子t1和t2位于有損導(dǎo)電介質(zhì)203以上。充電端子t1位于高度h1處，且充電端子t2沿著垂直軸z直接位于t1以下高度h2處，其中h2小于h1。由引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200e表示的傳輸結(jié)構(gòu)的高度h是h＝h1–h2。引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200e包括將激勵(lì)源212耦合到充電端子t1和t2的饋送網(wǎng)絡(luò)209。

充電端子t1和/或t2包括可以保持電荷的導(dǎo)電物質(zhì)(mass)，該導(dǎo)電物質(zhì)可以被調(diào)整大小以保持盡可能多的電荷。充電端子t1具有自電容c1，且充電端子t2具有自電容c2，其可以使用例如等式(24)確定。由于將充電端子t1直接放置在充電端子t2以上，所以在充電端子t1和t2之間創(chuàng)建互電容cm。注意到充電端子t1和t2不需要是相同的，而是每個(gè)可以具有單獨(dú)的大小和形狀，且可以包括不同導(dǎo)電物質(zhì)。最終，由引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200e啟動的引導(dǎo)表面波的場強(qiáng)與端子t1上的電荷量成正比。電荷q1又與和充電端子t1相關(guān)聯(lián)的自電容c1成比例，因?yàn)閝1＝c1v，其中v是在充電端子t1上施加的電壓。

當(dāng)適當(dāng)?shù)卣{(diào)整以在預(yù)定義操作頻率操作時(shí)，引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200e生成沿著有損導(dǎo)電介質(zhì)203的表面的引導(dǎo)表面波。激勵(lì)源212可以以施加到引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200e以激勵(lì)該結(jié)構(gòu)的預(yù)定義頻率生成電能。當(dāng)由引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200e生成的電磁場實(shí)質(zhì)上與有損導(dǎo)電介質(zhì)203模式匹配時(shí)，該電磁場實(shí)質(zhì)上合成在復(fù)數(shù)布魯斯特角入射的波前，導(dǎo)致很少或者沒有反射。因此，表面波導(dǎo)探頭200e不產(chǎn)生輻射波，但是沿著有損導(dǎo)電介質(zhì)203的表面啟動引導(dǎo)表面行波。來自激勵(lì)源的能量可以作為zenneck表面電流傳送到位于引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200e的有效傳輸范圍內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)接收器。

人們可以確定有損導(dǎo)電介質(zhì)203的表面上的徑向zenneck表面電流jρ(ρ)的漸近線是j1(ρ)趨近和j2(ρ)遠(yuǎn)離，其中：

趨近(ρ<λ/8):和(90)

遠(yuǎn)離(ρ>＞λ/8):

其中i1是在第一充電端子t1上饋送電荷q1的傳導(dǎo)電流，且i2是在第二充電端子t2上饋送電荷q2的傳導(dǎo)電流。上部充電端子t1上的電荷q1由q1＝c1v1確定，其中c1是充電端子t1的隔離電容。注意到，對于由給出的上述j1存在第三分量，其符合leontovich邊界條件且是由第一充電端子q1上的提升的振蕩電荷的準(zhǔn)靜態(tài)場泵送的有損導(dǎo)電介質(zhì)203中的徑向電流貢獻(xiàn)。量zρ＝j(luò)ωμo/γe是有損導(dǎo)電介質(zhì)的徑向阻抗，其中γe＝(jωμ1σ1-ω²μ1ε1)^1/2。

表示由等式(90)和(91)提出的徑向電流趨近和遠(yuǎn)離的漸近線是復(fù)數(shù)量。根據(jù)各種實(shí)施例，合成物理表面電流j(ρ))以在幅度和相位上盡可能接近地匹配電流漸近線。就是說，趨近|j(ρ)|是對|j1|的正切，且遠(yuǎn)離|j(ρ)|是對|j2|的正切。此外，根據(jù)各種實(shí)施例，j(ρ)的相位應(yīng)該從j1趨近的相位變換為j2遠(yuǎn)離的相位。

為了在傳輸?shù)牡攸c(diǎn)匹配引導(dǎo)表面波模式以啟動引導(dǎo)表面波，表面電流|j2|遠(yuǎn)離的相位應(yīng)該不同于表面電流|j1|趨近的相位，該不同是與對應(yīng)的傳播相位加上大約45度或者225度的常數(shù)。這是因?yàn)閷τ?imgfile="bda0001290847510000394.gif"wi="78"he="63"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>存在兩個(gè)根，一個(gè)在π/4附近且一個(gè)在5π/4附近。適當(dāng)調(diào)整的合成徑向表面電流是：

注意到這與等式(17)一致。通過麥克斯韋方程，這種j(ρ)表面電流自動創(chuàng)建符合以下的場：

和(94)

因此，對于要匹配的引導(dǎo)表面波模式的表面電流|j2|遠(yuǎn)離和表面電流|j1|趨近之間的相位差是由于與等式(1)-(3)一致的、等式(93)-(95)中的漢克爾函數(shù)的特性。認(rèn)識到以下方面是重要的：由等式(1)-(6)和(17)以及等式(92)-(95)表示的場具有綁定到有損界面的傳輸線模式的性質(zhì)，而不是與地波傳播相關(guān)聯(lián)的輻射場。

為了獲得在給定位置處的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200e的給定設(shè)計(jì)的適當(dāng)?shù)碾妷悍群拖辔?，可以使用迭代方案。特別地，可以考慮到端子t1和t2的饋送電流、充電端子t1和t2上的電荷以及有損導(dǎo)電介質(zhì)203中的它們的鏡像，來執(zhí)行引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200e的給定激勵(lì)和配置的分析，以便確定生成的徑向表面電流密度。可以迭代地執(zhí)行該處理，直到基于所需參數(shù)確定給定引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200e的最優(yōu)配置和激勵(lì)為止。為了幫助確定給定引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200e是否以最優(yōu)級別操作，可以基于在引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200e的位置處的區(qū)域1的電導(dǎo)率(σ1)和區(qū)域1的介電常數(shù)(ε1)的值，使用等式(1)-(12)，來生成引導(dǎo)場強(qiáng)曲線103(圖1)。這種引導(dǎo)場強(qiáng)曲線103可以提供操作的基準(zhǔn)，以使得測量的場強(qiáng)可以與由引導(dǎo)場強(qiáng)曲線103指示的幅度比較，以確定是否已經(jīng)達(dá)成最優(yōu)傳輸。

為了達(dá)成最優(yōu)條件，可以調(diào)整與引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200e相關(guān)聯(lián)的各種參數(shù)?？梢愿淖円哉{(diào)整引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200e的一個(gè)參數(shù)是充電端子t1和/或t2之一或兩者相對于有損導(dǎo)電介質(zhì)203的表面的高度。另外，還可以調(diào)整充電端子t1和t2之間的距離或者間距。這樣做時(shí)，如可以理解的，人們可以最小化或者按照別的方式更改充電端子t1和t2與有損導(dǎo)電介質(zhì)203之間的互電容cm或者任何綁定電容。還可以調(diào)整各個(gè)充電端子t1和/或t2的大小。通過改變充電端子t1和/或t2的大小，如可以理解的，人們將改變各個(gè)自電容c1和/或c2和互電容cm。

此外，可以調(diào)整的另一參數(shù)是與引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200e相關(guān)聯(lián)的饋送網(wǎng)絡(luò)209。這可以通過調(diào)整組成饋送網(wǎng)絡(luò)209的電感和/或電容性電抗的大小來實(shí)現(xiàn)。例如，在這種電感性電抗包括線圈時(shí)，可以調(diào)整這種線圈上的匝數(shù)。最終，可以做出饋送網(wǎng)絡(luò)209的調(diào)整以更改饋送網(wǎng)絡(luò)209的電長度，由此影響充電端子t1和t2上的電壓幅度和相位。

注意到，如可以理解的，通過做出各種調(diào)整所執(zhí)行的傳輸?shù)牡梢酝ㄟ^使用計(jì)算機(jī)模型或者通過調(diào)整物理結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。通過做出上述調(diào)整，人們可以創(chuàng)建近似在上述等式(90)和(91)中指定的引導(dǎo)表面波模式的相同電流j(ρ)的對應(yīng)的“趨近”表面電流j1和“遠(yuǎn)離”表面電流j2。這樣做時(shí)，產(chǎn)生的電磁場將實(shí)質(zhì)上或者近似地模式匹配到有損導(dǎo)電介質(zhì)203的表面上的引導(dǎo)表面波模式。

雖然在圖16的實(shí)例中沒有示出，但是可以控制引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200e的操作，以對于與引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200相關(guān)聯(lián)的操作條件的變化進(jìn)行調(diào)整。例如，圖12中示出的探頭控制系統(tǒng)230可以用于控制饋送網(wǎng)絡(luò)290和/或充電端子t1和/或t2的定位和/或大小，以控制引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200e的操作。操作條件可以包括，但是不限于有損導(dǎo)電介質(zhì)203的特性變化(例如，電導(dǎo)率σ和相對介電常數(shù)εr)、場強(qiáng)的變化和/或引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200e的負(fù)載的變化。

現(xiàn)在參考圖17，示出了圖16的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200e的實(shí)例，在這里表示為引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200f。引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200f包括沿著實(shí)質(zhì)上與由有損導(dǎo)電介質(zhì)203(例如，大地)表示的平面正交的垂直軸z定位的充電端子t1和t2。第二介質(zhì)206在有損導(dǎo)電介質(zhì)203以上。充電端子t1具有自電容c1，且充電端子t2具有自電容c2。在操作期間，取決于在任何給定時(shí)刻施加到充電端子t1和t2的電壓，電荷q1和q2分別施加在充電端子t1和t2上。取決于其間的距離，充電端子t1和t2之間可存在互電容cm。另外，取決于各個(gè)充電端子t1和t2相對于有損導(dǎo)電介質(zhì)203的高度，在各個(gè)充電端子t1和t2與有損導(dǎo)電介質(zhì)203之間可存在綁定電容。

引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200f包括饋送網(wǎng)絡(luò)209，該饋送網(wǎng)絡(luò)209包括電感性阻抗，該電感性阻抗包括具有耦合到充電端子t1和t2中相應(yīng)的一個(gè)的一對引線的線圈l1a。在一個(gè)實(shí)施例中，指定線圈l1a具有引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200f的操作頻率處的波長一半(1/2)的電長度。

雖然將線圈l1a的電長度指定為在操作頻率的波長的近似二分之一(1/2)，但是可以理解可以指定線圈l1a具有在其他值的電長度。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，線圈l1a具有近似在操作頻率的波長的二分之一的電長度的事實(shí)提供在充電端子t1和t2上創(chuàng)建最大電壓差分的優(yōu)勢。但是，當(dāng)調(diào)整引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200f以獲得引導(dǎo)表面波模式的最優(yōu)激勵(lì)時(shí)，線圈l1a的長度或者直徑可以增大或者減小。線圈長度的調(diào)整可以通過位于線圈的一端或者兩端的抽頭提供。在其他實(shí)施例中，這可以是指定電感性阻抗以具有顯著小于或者大于在引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200f的操作頻率的波長的1/2的電長度的情況。

激勵(lì)源212可以通過磁耦合的方式耦合到饋送網(wǎng)絡(luò)209。特別地，激勵(lì)源212耦合到線圈lp，線圈lp電感地耦合到線圈l1a的線圈lp。這可以通過鏈路耦合、分接線圈、可變電抗或者可以理解的其他耦合方法達(dá)成。為此，線圈lp用作初級線圈，且線圈l1a用作次級線圈，如可以理解的。

為了對于所需引導(dǎo)表面波的傳輸調(diào)整引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200f，可以相對于有損導(dǎo)電介質(zhì)203和相對于彼此更改各個(gè)充電端子t1和t2的高度。此外，可以更改充電端子t1和t2的大小。另外，可以通過添加或者去除匝、或者通過改變線圈l1a的一些其他維度，來更改線圈l1a的大小。線圈l1a還可以包括用于調(diào)整如圖17所示的電長度的一個(gè)或多個(gè)抽頭。也可以調(diào)整連接到充電端子t1或者t2的抽頭的位置。

接下來參考圖18a、圖18b、圖18c和圖19，示出了用于使用無線功率傳送系統(tǒng)中的表面引導(dǎo)波的一般接收電路的實(shí)例。圖18a和圖18b-圖18c分別包括線性探頭303和調(diào)諧的諧振器306。圖19是根據(jù)本公開的各種實(shí)施例的磁線圈309。根據(jù)各種實(shí)施例，可以采用線性探頭303、調(diào)諧的諧振器306和磁線圈309中的每一個(gè)，以接收根據(jù)各種實(shí)施例以有損導(dǎo)電介質(zhì)203的表面上的引導(dǎo)表面波的形式發(fā)送的功率。如上所述，在一個(gè)實(shí)施例中，有損導(dǎo)電介質(zhì)203包括陸地介質(zhì)(或者大地)。

通過特別參考圖18a，在線性探頭303的輸出端312處的開路端子電壓取決于線性探頭303的有效高度。為此，端子點(diǎn)電壓可以計(jì)算為：

其中einc是以伏特每米為單位的在線性探頭303上感應(yīng)的入射電場的強(qiáng)度，dl是沿著線性探頭303的方向上的積分元素，且he是線性探頭303的有效高度。電氣負(fù)載315通過阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)318耦合到輸出端312。

當(dāng)線性探頭303經(jīng)歷如上所述的引導(dǎo)表面波時(shí)，在輸出端312兩端生成電壓，該電壓可以通過共軛阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)318施加到電氣負(fù)載315，如情況可能的。為了促進(jìn)功率到電氣負(fù)載315的流動，電氣負(fù)載315應(yīng)該實(shí)質(zhì)上與線性探頭303阻抗匹配，如以下將要描述的。

參考圖18b，擁有等于引導(dǎo)表面波的波傾斜的相移的地電流激勵(lì)線圈306a包括在有損導(dǎo)電介質(zhì)203上方升高(或者懸掛)的充電端子tr。充電端子tr具有自電容cr。另外，取決于充電端子tr在有損導(dǎo)電介質(zhì)203以上的高度，還可能在充電端子tr和有損導(dǎo)電介質(zhì)203之間存在綁定電容(未示出)。綁定電容應(yīng)該優(yōu)選地盡可能最小化，盡管這不是在每個(gè)情況下完全必要的。

調(diào)諧的諧振器306a還包括包含具有相移φ的線圈lr的接收器網(wǎng)絡(luò)。線圈lr的一端耦合到充電端子tr，且線圈lr的另一端耦合到有損導(dǎo)電介質(zhì)203。接收器網(wǎng)絡(luò)可以包括將線圈lr耦合到充電端子tr的垂直供應(yīng)線導(dǎo)體。為此，線圈lr(其也可以被稱為調(diào)諧的諧振器lr-cr)包括串行調(diào)整的諧振器，因?yàn)槌潆姸俗觕r和線圈lr串行設(shè)置?？梢酝ㄟ^改變充電端子tr的大小和/或高度、和/或調(diào)整線圈lr的大小，來調(diào)整線圈lr的相位延遲，以使得該結(jié)構(gòu)的相位φ實(shí)質(zhì)上等于波傾斜的角度ψ的角度。還可以例如通過改變導(dǎo)體的長度，來調(diào)整垂直供應(yīng)線的相位延遲。

例如，由自電容cr表示的電抗被計(jì)算為1/jωcr。注意到，該結(jié)構(gòu)306a的總電容還可以包括充電端子tr和有損導(dǎo)電介質(zhì)203之間的電容，其中該結(jié)構(gòu)306a的總電容可以從自電容cr和任何綁定電容兩者計(jì)算，如可以理解的那樣。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，充電端子tr可以被升高到一高度，從而實(shí)質(zhì)上減小或者消除任何綁定電容。可以從充電端子tr和有損導(dǎo)電介質(zhì)203之間的電容測量來確定綁定電容的存在，如先前討論的。

由分立元件線圈lr表示的電感性電抗可以計(jì)算為jωl，其中l(wèi)是線圈lr的集中元件電感。如果線圈lr是分布元件，則其等效端點(diǎn)電感性電抗可以通過傳統(tǒng)方案確定。為調(diào)諧該結(jié)構(gòu)306a，人們可以做出調(diào)整以使得為了模式匹配到操作頻率的表面波導(dǎo)的目的，相位延遲等于波傾斜。在該情況下，可以認(rèn)為接收結(jié)構(gòu)與表面波導(dǎo)“模式匹配”。該結(jié)構(gòu)周圍的變壓器鏈路和/或阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)324可以插入在探頭和電氣負(fù)載327之間，以將功率耦合到負(fù)載。在探頭端子321和電氣負(fù)載327之間插入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)324可以影響用于到電氣負(fù)載327的最大功率傳送的共軛匹配條件。

當(dāng)在操作頻率的表面電流的存在下放置時(shí)，功率將從表面引導(dǎo)波傳遞到電氣負(fù)載327。為此，電氣負(fù)載327可以通過磁耦合、電容耦合或者導(dǎo)電(直接分接)耦合的方式，耦合到該結(jié)構(gòu)306a。耦合網(wǎng)絡(luò)的元件可以是集中組件或者分布元件，如可以理解的那樣。

在圖18b所示的實(shí)施例中，采用磁耦合，其中線圈ls相對于用作變壓器初級的線圈lr位于次級。如可以理解的，線圈ls可以通過在同一鐵芯結(jié)構(gòu)周圍幾何地纏繞它并調(diào)整耦合的磁通量，來鏈路耦合到線圈lr。另外，雖然接收結(jié)構(gòu)306a包括串行調(diào)諧的諧振器，但是還可以使用適當(dāng)相位延遲的并行調(diào)諧的諧振器或者甚至分布元件諧振器。

雖然浸入電磁場中的接收結(jié)構(gòu)可以耦合來自場的能量，但是可以理解的是通過最大化耦合，極化匹配的結(jié)構(gòu)最好地工作，且應(yīng)該遵守用于到波導(dǎo)模式的探頭耦合的現(xiàn)有規(guī)則。例如，te20(橫向電氣模式)波導(dǎo)探頭對于從以te20模式激勵(lì)的傳統(tǒng)波導(dǎo)提取能量可能是最優(yōu)的。類似地，在這些情況下，可以對于耦合來自表面引導(dǎo)波的功率優(yōu)化模式匹配和相位匹配的接收結(jié)構(gòu)。由引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200在有損導(dǎo)電介質(zhì)203的表面上激勵(lì)的引導(dǎo)表面波可以考慮為開波導(dǎo)的波導(dǎo)模式。排除波導(dǎo)損耗，可以完全恢復(fù)源能量。有用的接收結(jié)構(gòu)可以是耦合的e場、耦合的h場或者激勵(lì)的表面電流。

可以調(diào)整接收結(jié)構(gòu)以基于在接收結(jié)構(gòu)附近的有損導(dǎo)電介質(zhì)203的局部特性增大或者最大化與引導(dǎo)表面波的耦合。為實(shí)現(xiàn)此，可以調(diào)整接收結(jié)構(gòu)的相位延遲(φ)以匹配在接收結(jié)構(gòu)處的表面行波的波傾斜的角度(ψ)。如果適當(dāng)?shù)嘏渲?，則可以調(diào)諧該接收結(jié)構(gòu)以用于相對于在復(fù)數(shù)深度z＝-d/2處的完美導(dǎo)電鏡像地平面的諧振。

例如，考慮包括圖18b的調(diào)諧的諧振器306a的接收結(jié)構(gòu)，包括線圈lr和在線圈lr和充電端子tr之間連接的垂直供應(yīng)線。對于位于有損導(dǎo)電介質(zhì)203以上定義高度的充電端子tr，線圈lr和垂直供應(yīng)線的總相移φ可以與在調(diào)諧的諧振器306a處的波傾斜的角度(ψ)匹配。從等式(22)，可以看到波傾斜漸進(jìn)地通過：

其中εr包括相對介電常數(shù)，且σ1是在接收結(jié)構(gòu)的位置處的有損導(dǎo)電介質(zhì)203的電導(dǎo)率，εo是自由空間的介電常數(shù)，且ω＝2πf，其中f是激勵(lì)的頻率。因此，可以從等式(97)確定波傾斜角度(ψ)。

調(diào)諧的諧振器306a的總相移(φ＝θc+θy)包括通過線圈lr的相位延遲(θc)和垂直供應(yīng)線的相位延遲(θy)兩者。沿著垂直供應(yīng)線的導(dǎo)體長度lw的空間相位延遲可以由θy＝βwlw給出，其中βw是垂直供應(yīng)線導(dǎo)體的傳播相位常數(shù)。由于線圈(或者螺旋延遲線)的相位延遲是θc＝βplc，其中l(wèi)c是物理常數(shù)且傳播因數(shù)是：

其中vf是該結(jié)構(gòu)上的速率因數(shù)，λ0是在供應(yīng)頻率的波長，且λp是從速率因數(shù)vf產(chǎn)生的傳播波長?？梢哉{(diào)整一個(gè)或兩個(gè)相位延遲(θc+θy)以將相移φ與波傾斜的角度(ψ)匹配。例如，可以在圖18b的線圈lr上調(diào)整抽頭位置以調(diào)整線圈相位延遲(θc)以將總相移與波傾斜角匹配(φ＝ψ)。例如，線圈的位置可以通過抽頭連接旁路，如圖18b所示。垂直供應(yīng)線導(dǎo)體也可以經(jīng)由抽頭連接到線圈lr，可以調(diào)整其在線圈上的位置以將總相移與波傾斜角度匹配。

一旦已經(jīng)調(diào)整調(diào)諧的諧振器306a的相位延遲(φ)，就可以調(diào)整充電端子tr的阻抗以調(diào)諧為相對于在復(fù)數(shù)深度z＝-d/2處的完美導(dǎo)電鏡像地平面諧振。這可以通過調(diào)整充電端子t1的電容實(shí)現(xiàn)，而不改變線圈lr和垂直供應(yīng)線的行波相位延遲。該調(diào)整類似于相對于圖9a和圖9b描述的調(diào)整。

“向下看”到有損導(dǎo)電介質(zhì)203中到復(fù)數(shù)鏡像平面的阻抗由下式給定：

zin＝rin+jxin＝zotanh(jβo(d/2))，(99)

其中對于大地以上的垂直極化源，復(fù)數(shù)鏡像平面的深度可以由下式給出：

其中μ1是有損導(dǎo)電介質(zhì)203的介電常數(shù)，且ε1＝εrεo。

在調(diào)諧的諧振器306a的基底，“向上看”到接收結(jié)構(gòu)中的阻抗是z↑＝zbase，如圖9a所示。其中端子阻抗是：

其中cr是充電端子tr的自電容，“向上看”到調(diào)諧的諧振器306a的垂直供應(yīng)線導(dǎo)體中的阻抗由下式給定：

且“向上看”到調(diào)諧的諧振器306a的線圈lr中的阻抗由下式給定：

通過匹配“向下看”到有損導(dǎo)電介質(zhì)203中的電抗分量(xin)與“向上看”到調(diào)諧的諧振器306a中的電抗分量(xbase)，可以最大化到引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式中的耦合。

接下來參考圖18c，示出了不在接收結(jié)構(gòu)的頂部包括充電端子tr的調(diào)諧的諧振器306b的實(shí)例。在該實(shí)施例中，調(diào)諧的諧振器306b不包括在線圈lr和充電端子tr之間耦合的垂直供應(yīng)線。因此，調(diào)諧的諧振器306b的總相移(φ)僅包括通過線圈lr的相位延遲(θc)。如對于圖18b的調(diào)諧的諧振器306a那樣，可以調(diào)整線圈相位延遲θc以匹配從等式(97)確定的波傾斜的角度(ψ)，這導(dǎo)致φ＝ψ。雖然對于耦合到表面波導(dǎo)模式中的接收結(jié)構(gòu)功率提取是可能的，但是難以調(diào)整接收結(jié)構(gòu)以最大化與引導(dǎo)表面波的耦合而沒有由充電端子tr提供的可變電抗性負(fù)載。

參考圖18d，示出了示出調(diào)整接收結(jié)構(gòu)以實(shí)質(zhì)上模式匹配有損導(dǎo)電介質(zhì)203的表面上的引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式的實(shí)例的流程圖180。在181開始，如果接收結(jié)構(gòu)包括充電端子tr(例如，圖18b的調(diào)諧的諧振器306a的充電端子)，則在184，充電端子tr位于有損導(dǎo)電介質(zhì)203以上的定義高度處。因?yàn)橐呀?jīng)由引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200建立了表面引導(dǎo)波，所以充電端子tr的物理高度(hp)可以低于有效高度?？梢赃x擇物理高度以減小或者最小化充電端子tr上的綁定電荷(例如，充電端子的球面直徑的四倍)。如果接收結(jié)構(gòu)不包括充電端子tr(例如，圖18c的調(diào)諧的諧振器306b的充電端子)，則流程進(jìn)行到187。

在187，接收結(jié)構(gòu)的電相位延遲φ匹配由有損導(dǎo)電介質(zhì)203的局部特性定義的復(fù)數(shù)波傾斜角ψ?？梢哉{(diào)整螺旋線圈的相位延遲(θc)和/或垂直供應(yīng)線的相位延遲(θy)以使得φ等于波傾斜(w)的角度(ψ)?？梢詮牡仁?86)確定波傾斜的角度(ψ)。然后電相位φ可以匹配波傾斜的角度。例如，可以通過改變線圈lr的幾何參數(shù)和/或垂直供應(yīng)線導(dǎo)體的長度(或者高度)來調(diào)整電相位延遲φ＝θc+θy。

接下來在190，可以調(diào)諧充電端子tr的負(fù)載阻抗以諧振調(diào)諧的諧振器306a的等效鏡像平面模式。接收結(jié)構(gòu)以下的導(dǎo)電鏡像地平面139(圖9a)的深度(d/2)可以使用等式(100)和可以本地測量的在接收結(jié)構(gòu)處的有損導(dǎo)電介質(zhì)203(例如，大地)的值確定。使用復(fù)數(shù)深度，在鏡像地平面139和有損導(dǎo)電介質(zhì)203的物理邊界136(圖9a)之間的相移(θd)可以使用θd＝βod/2確定。然后可以使用等式(99)確定“向下看”到有損導(dǎo)電介質(zhì)203中的阻抗(zin)?？梢钥紤]該諧振關(guān)系以最大化與引導(dǎo)表面波的耦合。

基于線圈lr的調(diào)整的參數(shù)和垂直供應(yīng)線導(dǎo)體的長度，可以確定速率因數(shù)、相位延遲、以及線圈lr和垂直供應(yīng)線的阻抗。另外，可以例如使用等式(24)確定充電端子tr的自電容(cr)?？梢允褂玫仁?98)確定線圈lr的傳播因數(shù)(βp)，且可以使用等式(49)確定垂直供應(yīng)線的傳播相位常數(shù)(βw)。使用自電容、以及線圈lr和垂直供應(yīng)線的確定的值，可以使用等式(101)、(102)和(103)確定“向上看”到線圈lr中的調(diào)諧的諧振器306a的阻抗(zbase)。

圖9a的等效鏡像平面模型應(yīng)用于圖9b的調(diào)諧的諧振器306a?？梢酝ㄟ^調(diào)整充電端子tr的負(fù)載阻抗zr以使得zbase的電抗分量xbase抵消zin的電抗分量xin，或者xbase+xin＝0，來調(diào)諧調(diào)諧的諧振器306a。因此，“向上看”到調(diào)諧的諧振器306a的線圈中的在物理邊界136(圖9a)處的阻抗是“向下看”到有損導(dǎo)電介質(zhì)203中的在物理邊界136處的阻抗的共軛?？梢酝ㄟ^改變充電端子tr的電容(cr)來調(diào)整負(fù)載阻抗zr，而不改變由充電端子tr看到的電相位延遲φ＝θc+θy?？梢圆捎玫桨竵碚{(diào)諧負(fù)載阻抗zr，以用于等效鏡像平面模型相對于導(dǎo)電鏡像地平面139的諧振。以該方式，可以改進(jìn)和/或最大化沿著有損導(dǎo)電介質(zhì)203(例如，大地)的表面的電場到引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式的耦合。

參考圖19，磁線圈309包括通過阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)333耦合到電氣負(fù)載336的接收電路。為了促進(jìn)來自引導(dǎo)表面波的電能的接收和/或提取，磁線圈309可以定位以使得引導(dǎo)表面波的磁通量通過穿過磁線圈309，由此在磁線圈309中感應(yīng)電流，并在其輸出端330產(chǎn)生端點(diǎn)電壓。耦合到單匝線圈的引導(dǎo)表面波的磁通量由下式表示：

其中是耦合的磁通量，μr是磁線圈309的鐵芯的有效相對介電常數(shù)，μo是自由空間的介電常數(shù)，是入射磁場強(qiáng)矢量，是與匝的橫截面正交的單位矢量，且acs是每個(gè)環(huán)路圍繞的區(qū)域。對于用于到在磁線圈309的橫截面上均勻的入射磁場的最大耦合而定向的n匝磁線圈309，在磁線圈309的輸出端330處出現(xiàn)的開路感應(yīng)電壓是：

其中變量如上定義。磁線圈309可以被調(diào)諧到引導(dǎo)表面波頻率，作為分布諧振器或者外部電容器跨接其輸出端330，如可能的情況，且然后通過共軛阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)333阻抗匹配到外部電氣負(fù)載336。

假定由磁線圈309和電氣負(fù)載336表示的產(chǎn)生的電路被適當(dāng)?shù)卣{(diào)整和經(jīng)由阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)333共軛阻抗匹配，則可以采用磁線圈309中感應(yīng)的電流以最優(yōu)地對電氣負(fù)載336供電。由磁線圈309表示的接收電路提供的優(yōu)點(diǎn)在于它不必須物理地連接到地。

參考圖18a、圖18b、圖18c和圖19，由線性探頭303、模式匹配結(jié)構(gòu)306和磁線圈309表示的接收電路的每個(gè)促進(jìn)接收從上面描述的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200的任何一個(gè)實(shí)施例發(fā)送的電能。為此，接收的能量可以用于經(jīng)由共軛匹配網(wǎng)絡(luò)向電氣負(fù)載315/327/336供應(yīng)功率，如可以理解的。這與可以在接收器中接收的以輻射電磁場的形式發(fā)送的信號形成對比。這種信號具有非常低的可用功率，且這種信號的接收器不加載發(fā)射器。

使用上面描述的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200生成的當(dāng)前引導(dǎo)表面波的特性還在于由線性探頭303、模式匹配結(jié)構(gòu)306和磁線圈309表示的接收電路將加載應(yīng)用于引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200的激勵(lì)源212(例如，圖3、圖12和16)，由此生成這種接收電路經(jīng)歷的引導(dǎo)表面波。這反映由上面描述的給定引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200生成的引導(dǎo)表面波包括傳輸線模式的事實(shí)。通過對比的方式,驅(qū)動生成輻射電磁波的輻射天線的功率源未由接收器加載，而無論采用的接收器的數(shù)目如何。

因此，與一個(gè)或多個(gè)引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200和以線性探頭303、調(diào)諧的模式匹配結(jié)構(gòu)306和/或磁線圈309的形式的一個(gè)或多個(gè)接收電路一起，可以組成無線分布系統(tǒng)。給定使用如以上提出的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200的引導(dǎo)表面波的傳輸距離取決于頻率，則可能在寬區(qū)域上甚至全球地實(shí)現(xiàn)無線功率分布。

現(xiàn)在廣泛地研究的傳統(tǒng)的無線功率傳輸/分布系統(tǒng)包括來自輻射場的“能量收獲”以及耦合到電感或者電抗近場的傳感器。相反地，該無線功率系統(tǒng)不浪費(fèi)以輻射的形式的功率，輻射如果不截取則永遠(yuǎn)丟失。本公開的無線功率系統(tǒng)也不限于傳統(tǒng)的互電抗耦合近場系統(tǒng)那樣的極短距離。在這里公開的無線功率系統(tǒng)探頭耦合到新穎的表面引導(dǎo)傳輸線模式，其等效于通過波導(dǎo)傳遞功率到負(fù)載、或者傳遞功率到直接連線到遠(yuǎn)程功率發(fā)生器的負(fù)載。不考慮維持傳輸場強(qiáng)需要的功率加上在表面波導(dǎo)中耗散的功率(這在極低頻率相對于傳統(tǒng)的在60hz的高壓電源線的傳輸損失是無關(guān)緊要的)，所有發(fā)生器功率僅到達(dá)期望的電氣負(fù)載。當(dāng)電氣負(fù)載需要終止時(shí)，源功率生成相對空閑。

接下來參考圖20a-圖20e，示出了參考后續(xù)討論使用的各種示意性符號的實(shí)例。通過特別參考圖20a，示出了表示引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200a、200b、200c、200e、200d或者200f中的任何一個(gè)；或者其任何變形的符號。在下面的圖和討論中，該符號的敘述將稱為引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭p。為了在下面討論中的簡單起見，對引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭p的任何參考是對引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200a、200b、200c、200e、200d或者200f中的任何一個(gè)或者其變形的參考。

類似地，參考圖20b，示出了表示可以包括線性探頭303(圖18a)、調(diào)諧的諧振器306(圖18b-18c)或者磁線圈309(圖19)中的任何一個(gè)的引導(dǎo)表面波接收結(jié)構(gòu)的符號。在下面的附圖和討論中，該符號的敘述將稱為引導(dǎo)表面波接收結(jié)構(gòu)r。為了在下面討論中的簡單起見，對引導(dǎo)表面波接收結(jié)構(gòu)r的任何參考是對線性探頭303、調(diào)諧的諧振器306或者磁線圈309中的任何一個(gè)或者其變形的參考。

進(jìn)一步，參考圖20c，示出了特別地表示線性探頭303(圖18a)的符號。在下面的附圖和討論中，該符號的敘述將稱為引導(dǎo)表面波接收結(jié)構(gòu)rp。為了在下面討論中的簡單起見，對引導(dǎo)表面波接收結(jié)構(gòu)rp的任何參考是對線性探頭303或者其變形的參考。

另外，參考圖20d，示出了特別地表示調(diào)諧的諧振器306(圖18b-圖18c)的符號。在下面的附圖和討論中，該符號的敘述將稱為引導(dǎo)表面波接收結(jié)構(gòu)rr。為了在下面討論中的簡單起見，對引導(dǎo)表面波接收結(jié)構(gòu)rr的任何參考是對調(diào)諧的諧振器306或者其變形的參考。

另外，參考圖20e，示出了特別地表示磁線圈309(圖19)的符號。在下面的附圖和討論中，該符號的敘述將稱為引導(dǎo)表面波接收結(jié)構(gòu)rm。為了在下面討論中的簡單起見，對引導(dǎo)表面波接收結(jié)構(gòu)rm的任何參考是對磁線圈309或者其變形的參考。

根據(jù)本公開的各種實(shí)施例，上面所描述的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭可以被配置為在多個(gè)頻率傳輸功率。在一些實(shí)施例中，這樣的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭可以被配置為在多個(gè)頻率下同時(shí)發(fā)射功率。圖21-27作為示出根據(jù)本公開的各種實(shí)施例的配置為在不同頻率傳輸功率的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200的實(shí)例的圖形表示。

圖21是示出根據(jù)各種實(shí)施例的配置為在多個(gè)頻率傳輸?shù)囊龑?dǎo)表面波導(dǎo)探頭200g的實(shí)例的圖形表示。圖21中的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200g包括充電端子t1、下部補(bǔ)償端子t2、包括線圈215和多個(gè)ac源(例如，212a、212b、212c)的饋送網(wǎng)絡(luò)209。如圖21所示，引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200g可以包括沿著垂直軸z布置的上部充電端子t1(例如，在高度ht的球)和下部補(bǔ)償端子t2(例如，在高度hd的盤)，該垂直軸z實(shí)質(zhì)上與由有損導(dǎo)電介質(zhì)203(例如，地球或陸地)表示的平面正交。第二介質(zhì)206(例如，大氣)位于有損導(dǎo)電介質(zhì)203以上。在操作期間，根據(jù)在任意給定時(shí)刻施加到端子t1和t2的電壓，電荷q1和q2可以分別施加到端子t1和t2。如上所述，上部電荷端子t1上的電荷q1可以由q1＝c1v1確定，其中c1是充電端子t1的隔離電容，并且v1是施加到充電端子t1的電壓。因此，補(bǔ)償端子t2上的電荷q2可以由q2＝c2v2確定，其中c2是充電端子t2的隔離電容，并且v2是施加到充電端子t2的電壓。

每個(gè)ac源212用作充電端子t1的獨(dú)立激勵(lì)源。電源212通過饋送網(wǎng)絡(luò)209耦合到引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200g。如圖1所示，每個(gè)ac電源212可以通過導(dǎo)電(直接分接)耦合、電容耦合或電感耦合的方式耦合到線圈215的下部，如上面關(guān)于引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭相關(guān)的描述那樣。

如圖21所示，源開關(guān)2018(例如，2018a，2018b，2018c)設(shè)置在相應(yīng)的ac源212和線圈215之間。源開關(guān)2018用于中斷流過特定電路的電流。因此，當(dāng)相應(yīng)的源開關(guān)2018閉合時(shí)，線圈215由耦合到該源開關(guān)2018的ac源供電。相反地，當(dāng)相應(yīng)的源開關(guān)2018斷開時(shí)，線圈215不由耦合到該源開關(guān)2018的相應(yīng)的ac源供電，并且電流被中斷。例如，ac源212a、212b和212c可以分別以不同的頻率f1、f2、f3工作。如果用于ac電源212a的源開關(guān)2018a閉合，并且以f3工作的用于ac電源212b和212c的源開關(guān)2018a和2018c都斷開，則線圈215由ac源212a供電，ac電源212a提供操作頻率為f1的電壓。類似地，源開關(guān)2018a或2018c可以閉合，而另外兩個(gè)源開關(guān)(2018a/2018c或2018a/2018b)是打開的。因此，在這種結(jié)構(gòu)中，在給定的時(shí)刻可以向充電端子t1提供對應(yīng)于僅一個(gè)頻率的功率。由于每個(gè)ac源可以以不同的頻路向線圈供電，所以每個(gè)ac電源212可被認(rèn)為相對于其他ac電源212是唯一的。

線圈215可以在第一端處耦合到地樁218，并且在第二端處耦合到充電端子t1。在一些實(shí)施例中，充電端子t1的抽頭和線圈215的第二端可經(jīng)由可變抽頭進(jìn)行調(diào)整。例如，圖21的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200g21包括充電端子切換機(jī)構(gòu)2024，其包括耦合到線圈215的各種抽頭的多個(gè)端子。充電端子切換機(jī)構(gòu)2024的輸出耦合到充電端子t1。如圖21所示，充電端子切換機(jī)構(gòu)2024可以根據(jù)如上所述的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭所描述的那樣適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，在特定的抽頭上控制耦合到充電端子t1。充電端子切換機(jī)構(gòu)2024允許電流在充電端子切換機(jī)構(gòu)2024的端子和充電端子t1之間流動。充電端子切換機(jī)構(gòu)2024的剩余端子斷開，從而中斷線圈215的另一個(gè)抽頭與充電端子t1之間的電流。充電端子切換機(jī)構(gòu)2024可以包括例如多極開關(guān)、滑動觸點(diǎn)和/或允許線圈215和充電端子t1之間的可變抽頭連接的任何其他類型的組件。

補(bǔ)償端子t2可以位于有損導(dǎo)電介質(zhì)203(例如，陸地或地球)的上方并且基本上平行，并且可以通過線圈215上的可變抽頭耦合到線圈215。如圖21中的實(shí)例所示，補(bǔ)償端子切換機(jī)構(gòu)2027可以設(shè)置在補(bǔ)償端子t2和線圈215之間。具體地，補(bǔ)償端子切換機(jī)構(gòu)2027可以包括多個(gè)端子，多個(gè)端子沿著線圈215耦合到多個(gè)抽頭，使得到補(bǔ)償端子t2的連接可以相應(yīng)地調(diào)整。類似于充電端子切換機(jī)構(gòu)2024，補(bǔ)償端子切換機(jī)構(gòu)2027允許電流在補(bǔ)償端子切換機(jī)構(gòu)2027的一個(gè)端子和補(bǔ)償端子t2之間流動。補(bǔ)償端子切換機(jī)構(gòu)2027的剩余端子斷開，從而中斷線圈215的其他抽頭和補(bǔ)償端子t2之間的電流。盡管如圖21所示的開關(guān)，補(bǔ)償端子切換機(jī)構(gòu)2027可以包括例如多極開關(guān)，滑動觸點(diǎn)和/或允許線圈215和補(bǔ)償端子t2之間的可變抽頭連接的任何其他類型的組件。還應(yīng)注意的是，ac源212和線圈215之間的連接也可以如上所述連接在可變抽頭上，并以參考上述引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭所描述的方式進(jìn)行調(diào)整。

位于線圈215和地樁218之間的電流計(jì)236可用于提供在引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭的基部處的電流(io)的大小的指示。除了上述其他因素之外，該測量可以是在調(diào)整引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200g的操作時(shí)的因素?；蛘撸梢栽隈詈系浇拥貥?18的導(dǎo)體周圍使用電流鉗，以獲得電流(io)的大小的指示。然而，應(yīng)該注意的是，由于調(diào)整是頻率依賴的，因此電流表測量應(yīng)根據(jù)與任何給定時(shí)間的調(diào)整相關(guān)的特定頻率進(jìn)行測量。

注意，在給定時(shí)間點(diǎn)上在端子上呈現(xiàn)的電荷q1和q2取決于多個(gè)ac源212的激勵(lì)。因此，充電端子t1和補(bǔ)償端子t2的尺寸應(yīng)適用于峰值電荷以避免周圍空氣的電離，這可能導(dǎo)致端子周圍的放電或火花。

如先前所討論的，可以調(diào)整引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200g的總有效高度(hte)，以激勵(lì)發(fā)射引導(dǎo)表面波的在漢克爾交叉距離(rx)處傾斜的電場引導(dǎo)表面波。漢克爾交叉距離(rx)將隨著用于激勵(lì)充電端子t1的ac電源212的操作頻率而變化。如前所述，漢克爾交叉距離(rx)隨著操作頻率的降低而增加。

探頭控制系統(tǒng)230可用于調(diào)整各種元件(例如，充電端子t1的位置、補(bǔ)償端子t2的位置等)，以激勵(lì)充具有復(fù)合有效高度(heff)的相移(φ)等于波傾斜的角度(ψ)(在漢克爾交叉距離處)，或φ＝ψ的充電端子t1。當(dāng)滿足該條件時(shí)，在充電端子t1上的振蕩電荷q1產(chǎn)生的電場耦合到引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式，該引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式產(chǎn)生沿著有損導(dǎo)電介質(zhì)203的表面行進(jìn)的引導(dǎo)表面波。例如，如果布魯斯特角(θi,b)、與垂直饋線導(dǎo)體221相關(guān)聯(lián)的相位延遲(θy)和線圈215的構(gòu)造是已知的，則可以確定各種抽頭的位置并將其調(diào)整為在相位φ＝ψ的充電端子t1上施加振蕩電荷q1。可以調(diào)整抽頭位置以最大程度地將行進(jìn)表面波耦合到引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式。

探頭控制系統(tǒng)230還可以用于調(diào)整與引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200g相關(guān)聯(lián)的操作條件的變化。探頭控制系統(tǒng)230在調(diào)整引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200g時(shí)可以考慮的各種因素可以包括但不限于從電流計(jì)236獲得的電流測量、從地面參數(shù)儀2036獲得的地面參數(shù)測量、可以通過場測量儀2039測量的有源ac源212的操作頻率相關(guān)的場測量、由給定ac源212提供的電流、引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200g所呈現(xiàn)的電負(fù)載和/或其他因素。

例如，場測量儀2039可以調(diào)諧到特定的操作頻率并且被放置在距離引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200g適當(dāng)?shù)木嚯x處。因此，可以如上所述進(jìn)行針對特定操作頻率的探頭控制系統(tǒng)230的調(diào)整，直到從場測量儀2039檢測到在特定操作頻率下的引導(dǎo)表面波的最大和/或其他所期望的場強(qiáng)可以獲得。

地面參數(shù)儀2036可以圍繞引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200g分布在與操作頻率處的徑向表面電流相關(guān)聯(lián)的過渡距離附近。地面參數(shù)儀2036可以被配置為定期地確定有損導(dǎo)電介質(zhì)的導(dǎo)電率和介電常數(shù)，并將該信息傳送到探頭控制系統(tǒng)230，以便對引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200g進(jìn)行潛在的調(diào)整。在一些情況下，只有在檢測到監(jiān)視條件的變化時(shí)，地面參數(shù)儀2036才能將該信息傳送到探頭控制系統(tǒng)230。

此外，探頭控制系統(tǒng)230可以控制在特定時(shí)間內(nèi)哪個(gè)源開關(guān)2018閉合和/或打開。由于ac源212以不同的頻率供電，所以對引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200g的調(diào)整可以至少部分地基于在給定情況下為線圈215供電的特定ac源212而改變。例如，如果用于f1的源開關(guān)2018a閉合，并且分別用于f2和f3的源開關(guān)2018b和2018c斷開，則探頭控制系統(tǒng)230可以相對于當(dāng)前操作頻率f1調(diào)整引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200g的操作。此外，探頭控制系統(tǒng)230可以控制充電端子切換機(jī)構(gòu)2024和補(bǔ)償端子切換機(jī)構(gòu)2027，以調(diào)整哪些抽頭連接主動耦合到補(bǔ)償端子t2及充電端子t1。

在一些實(shí)施方案中，充電端子t1可以包括可變電感，其可被調(diào)整以改變引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200h的負(fù)載阻抗zl。在不改變充電端子t1的高度的情況下，可以調(diào)整負(fù)載阻抗zl，以改善操作頻率下的引導(dǎo)表面波的耦合。

轉(zhuǎn)到圖22示出了根據(jù)本公開的各種實(shí)施例的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200h的另一實(shí)例的圖形表示。圖22的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200h與圖21的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200g的不同之處在于，引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200h不包括下部補(bǔ)償端子t2。然而，引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200h仍然可以被調(diào)整以在多個(gè)頻率下操作。

正如前面所討論的，具有放置在物理高度(hp)處或之上的充電端子t1的饋送網(wǎng)絡(luò)209包括，例如線圈215和/或連接線圈215到充電端子t1的垂直饋線221，其可以被調(diào)整以匹配提供給具有波傾斜(w)角度(ψ)的充電端子t1的電荷q1的相位延遲(φ)。當(dāng)滿足該條件時(shí)，在充電端子t1上的振蕩電荷q1產(chǎn)生的電場耦合到引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式，該引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式沿著有損導(dǎo)電介質(zhì)203的表面發(fā)射引導(dǎo)表面波。例如，如果布魯斯特角(θi,b)、與垂直饋線導(dǎo)體221相關(guān)聯(lián)的相位延遲(θy)以及線圈215的構(gòu)造是已知的，則可以確定抽頭的位置并將其調(diào)整為在相位φ＝ψ的充電端子t1上施加振蕩電荷q1?？梢哉{(diào)整抽頭224的位置以最大程度地將行進(jìn)表面波耦合到引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式。

在一些實(shí)施例中，可以基于引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200h的操作頻率f1、f2或f3來調(diào)整引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200h。在一些情況下，不同頻率f1、f2和f3可以在特定范圍內(nèi)，使得引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200h仍然可以在針對所有頻率f1、f2和f3的相同的操作調(diào)整下操作而沒有附加調(diào)整。在其他實(shí)施例中，可以確定由不同ac源212產(chǎn)生的頻率f1、f2和f3的中心頻率，并用于調(diào)整引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭。

在一些實(shí)施方案中，充電端子t1可以包括可變電感，其可被調(diào)整以改變引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200h的負(fù)載阻抗zl。在不改變充電端子t1的高度的情況下，可以調(diào)整負(fù)載阻抗zl，以改善操作頻率下的引導(dǎo)表面波的耦合。

現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖23，示出了根據(jù)本公開的各種實(shí)施例的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200i的另一實(shí)例的圖形表示。圖23的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200i被配置為以多個(gè)頻率同時(shí)發(fā)送，并且包括充電端子t1、下部補(bǔ)償終端t2、包括線圈215的饋送網(wǎng)絡(luò)209和多個(gè)ac源212。如圖23所示，引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200i可以包括沿著垂直軸z布置的上部充電端子t1(例如，在高度ht的球)和下部補(bǔ)償端子t2(例如，在高度hd的盤)，該垂直軸z基本上垂直于由有損導(dǎo)電介質(zhì)203的平面。第二介質(zhì)206(例如，大氣)位于有損導(dǎo)電介質(zhì)2012的上方。在操作期間，電荷q1和q2分別施加在端子t1和t2上，這取決于在任何給定時(shí)刻施加到端子t1和t2的電壓。如上所述，上部充電端子t1上的電荷q1可以由q1＝c1v1確定，其中c1是充電端子t1的隔離電容，并且v1是施加到充電端子t1的電壓。因此，補(bǔ)償端子t2上的電荷q2可以由q2＝c2v2確定，其中c2是充電端子t2的隔離電容，v2是施加到充電端子t2的電壓。

每個(gè)ac源212用作充電端子t1的獨(dú)立激勵(lì)源。ac源212可以通過線圈215耦合到引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200i。如圖23所示，每個(gè)ac源212可以通過導(dǎo)電(直接分接)耦合、電容耦合或電感耦合的方式耦合到線圈215的下部，如上面關(guān)于引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭相關(guān)的描述那樣。此外，每個(gè)ac電源212可以被配置為以不同的頻率激勵(lì)線圈215。因此，每個(gè)ac電源212可以被認(rèn)為是相對于其他ac電源212唯一的。

如圖23所示，隔離組件2041(例如，2042a、2042b、2042c)可以位于每個(gè)ac源212和與線圈215的每個(gè)相應(yīng)抽頭之間。由于多個(gè)ac源212可以以不同的頻率激勵(lì)引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200i，隔離組件2042將每個(gè)ac源212與其他ac源212隔離。因此，可以防止從每個(gè)ac源212提供的能量反饋到其他ac源212。每個(gè)隔離組件2042可以包括隔離器、帶通濾波器、窄帶耦合器、環(huán)行器、放大器和/或能夠?qū)⒚總€(gè)ac源212提供的功率的反饋隔離開的任何其他適當(dāng)?shù)慕M件。

線圈215可以在第一端處耦合到地樁218，并且在第二端處耦合到充電端子t1。在一些實(shí)施例中，將充電端子t1連接到線圈215的第二端的抽頭可以是可變的，并且因此可以被調(diào)整的。這種調(diào)整可以通過一種類型的充電端子切換機(jī)構(gòu)2024(參見例如，圖21)以參照上述引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200所描述的方式進(jìn)行。

補(bǔ)償端子t2可以位于有損導(dǎo)電介質(zhì)203(例如，接地或接地)之上并且基本上平行于線圈215上的抽頭。相應(yīng)的補(bǔ)償端子切換機(jī)構(gòu)2027(例如，2027a、2027b、2027c)可以設(shè)置在補(bǔ)償端子t2和線圈215之間。每個(gè)補(bǔ)償端子切換機(jī)構(gòu)2027可以包括多個(gè)端子，這些端子沿著線圈215耦合到多個(gè)抽頭，使得到補(bǔ)償端子t2的連接可以相應(yīng)地調(diào)整。每個(gè)補(bǔ)償端子切換機(jī)構(gòu)2027允許電流在相應(yīng)的補(bǔ)償端子切換機(jī)構(gòu)2027的端子和補(bǔ)償端子t2之間流動。補(bǔ)償端子切換機(jī)構(gòu)2027的剩余端子打開，從而中斷線圈215的其他抽頭和補(bǔ)償端子t2之間的電流流動。對于每個(gè)操作頻率(例如，f1、f2和/或f3)，可以有直接或通過補(bǔ)償端子切換機(jī)構(gòu)2027將補(bǔ)償端子t2連接到線圈215的相應(yīng)的抽頭連接。

因此，在圖23的實(shí)例中，對于每個(gè)相應(yīng)的操作頻率，補(bǔ)償端子t2和線圈215之間可能存在不同的抽頭連接。然而，應(yīng)當(dāng)注意，盡管附圖示出了每個(gè)補(bǔ)償端子切換機(jī)構(gòu)2027的端子針對每個(gè)操作頻率連接到線圈215的各個(gè)部分處的抽頭，但是每個(gè)補(bǔ)償端子切換機(jī)構(gòu)2027的端子可以連接到沿著線圈215的任何部分的抽頭。此外，補(bǔ)償端子切換機(jī)構(gòu)2027中的每一個(gè)可以連接到與其他補(bǔ)償端子切換機(jī)構(gòu)2027相同的抽頭。因此，引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200i可以調(diào)整使得對應(yīng)于操作頻率f1和抽頭連接的抽頭連接對應(yīng)于操作頻率f2使用相同的抽頭。例如，當(dāng)操作頻率f2是操作頻率f1的諧波時(shí)，可能發(fā)生這種情況。因此，與操作頻率f1相關(guān)聯(lián)的補(bǔ)償端子切換機(jī)構(gòu)2027和與操作頻率f2相關(guān)聯(lián)的補(bǔ)償端子切換機(jī)構(gòu)2027都可以在線圈215上的相同抽頭處連接。在一些實(shí)施例中，補(bǔ)償端子切換機(jī)構(gòu)2027也可以被配置為通過該連接將補(bǔ)償端子t2與線圈215斷開。

盡管圖23所示為開關(guān)，補(bǔ)償端子切換機(jī)構(gòu)2027可以包括例如多極開關(guān)、滑動觸點(diǎn)和/或允許線圈215和補(bǔ)償端子t2之間的可變抽頭連接的任何其他類型的組件。還應(yīng)注意的是，ac源212和線圈215之間的連接也可以是經(jīng)由如上所述的可變抽頭來連接，并且以參考上述引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200所描述的方式進(jìn)行調(diào)整。

在一些實(shí)施例中，濾波器組件2045(例如，2045a、2045b、2045c)可以針對每個(gè)相應(yīng)頻率位于線圈215的抽頭和補(bǔ)償端子t2之間。濾波器組件2045可以被配置為僅通過特定頻帶內(nèi)的頻率，使得補(bǔ)償端子t2和線圈215之間的每個(gè)連接對應(yīng)于特定的操作頻率。例如，僅f1通過第一濾波器組件2045a，僅f2通過第二濾波器組件2045b。因此，可以去除不想要的頻率分量或特征。濾波器組件2045可以包括例如帶通濾波器、雙工器、低通濾波器、高通濾波器、偶極陷阱和/或任何其他組件，其可以用于濾除關(guān)聯(lián)于其他ac源212的任何不期望的頻率其還可以激勵(lì)線圈215。

位于線圈215和地樁218之間的電流計(jì)236可用于提供在引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭的基部處的電流(io)的大小的指示。除了上述其他因素之外，該測量可能是為了獲得最佳效率而調(diào)整引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200i操作的因素。然而，應(yīng)該注意的是，由于調(diào)整是頻率依賴的，因此電流計(jì)測量應(yīng)根據(jù)與任何給定時(shí)間的調(diào)整相關(guān)的特定頻率進(jìn)行測量。

注意，在給定時(shí)間點(diǎn)上在端子上呈現(xiàn)的電荷q1和q2取決于多個(gè)ac源212的激勵(lì)。因此，充電端子t1和補(bǔ)償端子t2的尺寸應(yīng)適用于峰值充電以避免周圍空氣的電離，這可能導(dǎo)致端子周圍的放電或火花。

如前所述，可以為每個(gè)操作頻率調(diào)整引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭的總有效高度(hte)，以激勵(lì)具有在漢克爾交叉距離(rx)處傾斜的引導(dǎo)表面波的對應(yīng)的電場。對于用于激勵(lì)充電端子t1的ac源212的不同操作頻率中的每一個(gè)，可以存在不同的漢克爾交叉距離(rx)。如前所述，漢克爾交叉距離(rx)隨著操作頻率的降低而增加。補(bǔ)償端子t2的單獨(dú)抽頭位置確保在每個(gè)相應(yīng)的頻率下，總有效高度(hte)和相移(φ)是適當(dāng)?shù)摹?/p>

定位在線圈215和補(bǔ)償端子t2之間的補(bǔ)償端子切換機(jī)構(gòu)2027可由探頭控制系統(tǒng)230控制。探頭控制系統(tǒng)230可用于調(diào)整引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200i的操作，使得引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200i可以同時(shí)在多個(gè)頻率發(fā)射引導(dǎo)表面波并且具有最佳效率。例如，探頭控制系統(tǒng)230可以控制補(bǔ)償端子切換機(jī)構(gòu)2027主動地調(diào)整耦合到補(bǔ)償端子t2的抽頭的位置。引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200i的調(diào)整與上面關(guān)于引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭的其他實(shí)施例所述的調(diào)整相似。

此外，可以獨(dú)立地控制與對應(yīng)的操作頻率相關(guān)聯(lián)的每個(gè)組件，而不干擾與其他操作頻率相關(guān)聯(lián)的各種組件。用于調(diào)整引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200i的探頭控制系統(tǒng)230可以考慮的各種因素包括但不限于，從電流計(jì)236獲得的電流測量、從地面參數(shù)儀2036獲得的地面參數(shù)測量、對應(yīng)于由場測量計(jì)2039測量的有源ac源212的每個(gè)操作頻率的場測量、由給定ac源212提供的電流、由引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200i所呈現(xiàn)的電負(fù)載和/或其他因素。應(yīng)該注意的是，每個(gè)操作頻率的發(fā)射效率可以獨(dú)立調(diào)整。

在一些實(shí)施方案中，充電端子t1可以包括可調(diào)整的可變電感，以改變引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200h的負(fù)載阻抗zl。在不改變充電端子t1的高度的情況下，可以調(diào)整負(fù)載阻抗zl，以改善操作頻率下的引導(dǎo)表面波的耦合。

接下來參考圖24，示出了根據(jù)本公開的各種實(shí)施例的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200j的另一實(shí)例的圖形表示。圖24的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200j被配置為同時(shí)發(fā)送多個(gè)頻率，并且包括充電端子t1、第一補(bǔ)償端子t2、第二補(bǔ)償端子t3、包括線圈215的饋送網(wǎng)絡(luò)209、第一電源212a和第二電源212b。引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200j可以包括上部充電端子t1(例如，在高度ht的球)、第一下部補(bǔ)償端子t2(例如，在高度hd1的盤)和第二下部補(bǔ)償端子t3(例如，在高度hd2的盤)，其沿著垂直軸z布置，該垂直軸z基本上垂直于由有損導(dǎo)電介質(zhì)203呈現(xiàn)的平面。

在操作期間，根據(jù)在任何給定時(shí)刻施加到端子t1、t2和t3的電壓，電荷q1、q2和q3分別施加在端子t1、t2和t3上。如上所述，上部充電端子t1上的電荷q1可以由q1＝c1v1確定，其中c1是充電端子t1的隔離電容，并且v1是施加到充電端子t1的電壓。因此，補(bǔ)償端子t2上的電荷q2可以由q2＝c2v2確定，其中c2是充電端子t2的隔離電容，并且v2是施加到充電端子t2的電壓。此外，補(bǔ)償端子t3上的電荷q3可以由q3＝c3v3確定，其中c3是充電端子t3的隔離電容，v3是施加到充電端子t3的電壓。

第一ac源212a和第二ac源212b各自用作充電端子t1的激勵(lì)源。第一ac源212a可以被配置為以第一頻率f1工作，并且第二ac源212b可被配置為以第二頻率f2工作。第一ac源212a和第二ac源212b通過饋送網(wǎng)絡(luò)209的線圈215耦合到引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200j。如上面關(guān)于引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200的其他實(shí)施例所述，第一ac源212a和第二ac源212b可以通過電感耦合耦合到線圈215的下部，如圖24所示，如上文關(guān)于引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200的其他實(shí)施例所述的電容耦合或?qū)щ?直接分接)耦合。如所討論的，多個(gè)ac源212可被配置為以不同的頻率激勵(lì)線圈215。因此，第一ac電212a可以被認(rèn)為是相對于第二ac電源212b唯一的。

引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200j還可以包括設(shè)置在每個(gè)ac源212和線圈215之間的隔離組件2042。由于每個(gè)ac源212可以以不同的頻率同時(shí)/一起向線圈215提供電壓，所以隔離組件2042可以用于將第一ac源212a與由第二ac源212b提供給線圈215的電壓隔離。因此，防止從第一ac源212a提供的能量反饋到第二ac源212b。同樣地，防止從第二ac源212b提供的能量反饋到第一ac源212a。隔離組件2042可以包括，例如隔離器、帶通濾波器、窄帶耦合器、環(huán)行器、放大器和/或能夠從每個(gè)ac源212提供的功率隔離反饋的任何其他適當(dāng)?shù)慕M件。

線圈215可以在第一端處耦合到地樁218，并且在第二端處耦合到充電端子t1。在一些實(shí)施例中，充電端子t1的抽頭和線圈215的第二端可以是可變的，因此是可以調(diào)整的。該調(diào)整可以通過參照上述引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200所描述的方式調(diào)整的充電端子切換機(jī)構(gòu)2024(參見圖21)進(jìn)行。

第一補(bǔ)償端子t2和第二補(bǔ)償端子t3分別位于有損導(dǎo)電介質(zhì)203(例如，陸地或地球)的上方并基本上平行，并且各自耦合到線圈215的相應(yīng)的抽頭，該線圈215根據(jù)特定操作頻率進(jìn)行了調(diào)整。第一補(bǔ)償端子切換機(jī)構(gòu)2027a可以設(shè)置在第一補(bǔ)償端子t2和線圈215之間，并且第二補(bǔ)償端子切換機(jī)構(gòu)2027b可以位于第二補(bǔ)償端子t3和線圈215之間。每個(gè)補(bǔ)償端子切換機(jī)構(gòu)2027a、2027b可以包括多個(gè)端子，其沿著線圈215耦合到多個(gè)抽頭，使得到對應(yīng)補(bǔ)償端子(例如，t2或t3)的連接可以相應(yīng)地調(diào)整。

每個(gè)補(bǔ)償端子切換機(jī)構(gòu)2027可以被配置為允許電流在補(bǔ)償端子切換機(jī)構(gòu)2027a或2027b的端子中的一個(gè)和相應(yīng)的補(bǔ)償端子t2或t3之間流動。每個(gè)補(bǔ)償端子切換機(jī)構(gòu)2027a或2027b的剩余端子打開，使得通過線圈215的其他抽頭的電流中斷。

線圈215和第一補(bǔ)償端子t2之間的抽頭連接可以相對于第一ac源212a的第一操作頻率f1以及如前所述的其他各種因素來調(diào)整。類似地，可以相應(yīng)于第二ac源212b的第二操作頻率f2調(diào)整線圈215和第二補(bǔ)償端子t3之間的抽頭連接。例如，可以獨(dú)立地控制第一補(bǔ)償端子切換機(jī)構(gòu)2027a和第二補(bǔ)償端子切換機(jī)構(gòu)2027b，以調(diào)整哪個(gè)端子主動地耦合到線圈215。在一些實(shí)施例中，補(bǔ)償端子切換機(jī)構(gòu)2027還可以被配置為通過該連接從線圈215的斷開補(bǔ)償端子t2。

應(yīng)當(dāng)注意，盡管附圖示出了每個(gè)補(bǔ)償端子切換機(jī)構(gòu)2027a和2027b的端子針對每個(gè)操作頻率連接到線圈215的各個(gè)部分處的抽頭，但是每個(gè)補(bǔ)償端子切換機(jī)構(gòu)2027a和2027b可以沿著線圈215的任何部分連接到抽頭。此外，兩個(gè)或更多個(gè)補(bǔ)償端子切換機(jī)構(gòu)2027a和2027b可以連接到相同的抽頭。因此，可以調(diào)整引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200j，使得對應(yīng)于第一操作頻率f1的抽頭連接和對應(yīng)于第二操作頻率f2的抽頭連接是線圈215的相同抽頭。

具體地，第一補(bǔ)償端子切換機(jī)構(gòu)2027a的一個(gè)或多個(gè)端子可以連接到與第二補(bǔ)償端子切換機(jī)構(gòu)2027b的一個(gè)或多個(gè)端子相同的線圈215上的抽頭(多個(gè))。因此，在一些實(shí)施例中，與第一操作頻率f1相關(guān)聯(lián)的補(bǔ)償端子切換機(jī)構(gòu)2027a和與第二操作頻率f2相關(guān)聯(lián)的補(bǔ)償端子切換機(jī)構(gòu)2027b都可以被調(diào)整為使得每個(gè)主動耦合在線圈215上的相同抽頭處。

盡管圖24所示為開關(guān)，補(bǔ)償端子切換機(jī)構(gòu)(多個(gè))2027可以包括例如多極開關(guān)、滑動觸點(diǎn)和/或允許線圈215和各個(gè)補(bǔ)償端子t2或t3之間的可變抽頭連接的任何其他類型的組件。還應(yīng)注意的是，ac源212和線圈215之間的連接也可以是如上所述的在可變抽頭處連接，并以參照上述引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200所描述的方式調(diào)整。

在一些實(shí)施例中，濾波器組件2045可以設(shè)置在線圈215和第一補(bǔ)償端子t2之間，用于第一ac源212a的操作頻率，并且設(shè)置在線圈215的抽頭和第二補(bǔ)償端子t3之間，用于第二ac源212b的操作頻率。濾波器組件2045可以被配置為去除不期望的頻率特征，并且僅傳遞與相應(yīng)的補(bǔ)償終端2027的適當(dāng)頻率對應(yīng)的頻帶內(nèi)的頻率的信號，因此只有f1通過第一濾波器組件2045a，并且僅f2通過第二濾波器組件2045b。濾波器組件2045可以包括例如帶通濾波器、雙工器、低通濾波器、高通濾波器、偶極陷阱和/或可用于濾除或消除與其他ac源212相關(guān)聯(lián)的任何不期望的頻率的任何其他適當(dāng)組件，該ac源212也可以對線圈215供電。

位于線圈215和地樁218之間的電流計(jì)236可用于提供在引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200j的基部處的電流(io)的大小的指示。除了上述其他因素之外，該測量可以是調(diào)整引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200j的操作的因素。然而，應(yīng)該注意的是，由于該調(diào)整是頻率依賴的，因此電流計(jì)測量應(yīng)根據(jù)與任何給定時(shí)間的調(diào)整相關(guān)的特定頻率進(jìn)行測量。

注意，在給定時(shí)間點(diǎn)上在端子上呈現(xiàn)的電荷q1、q2和q3取決于多個(gè)ac源212的激勵(lì)。因此，充電端子t1、補(bǔ)償端子t2和補(bǔ)償端子t3的尺寸應(yīng)適用于峰值充電以避免周圍空氣的電離，這可能導(dǎo)致端子周圍的放電或火花。

如前所述，可以為每個(gè)操作頻率調(diào)整引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭的總有效高度(hte)，以激勵(lì)具有在漢克爾交叉距離(rx)處傾斜的引導(dǎo)表面波的對應(yīng)的電場。對于用于激勵(lì)充電端子t1的ac源212的不同操作頻率中的每一個(gè)，可以存在不同的漢克爾交叉距離(rx)。如前所述，漢克爾交叉距離(rx)隨著操作頻率的降低而增加。補(bǔ)償端子t2的單獨(dú)抽頭位置確保在每個(gè)相應(yīng)的頻率下，總有效高度(hte)和相移(φ)是適當(dāng)?shù)摹?/p>

此外，正如前面所討論的，具有放置在物理高度(hp)處或之上的充電端子t1的饋送網(wǎng)絡(luò)209包括，線圈215和/或連接線圈215到充電端子t1的垂直饋線221、和/或用于補(bǔ)償端子t2、t3的抽頭的位置可以相對于補(bǔ)償端子t2或t3上的電荷q2或q3被調(diào)整為匹配充電端子t1上的電荷q1相位(φ)于波傾斜(w)的角度(ψ)。當(dāng)滿足該條件時(shí)，在充電端子t1上的振蕩電荷q1產(chǎn)生的電場耦合到沿著有損導(dǎo)電介質(zhì)203的表面行進(jìn)引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式。例如，如果布魯斯特角(θi,b)、與垂直饋線導(dǎo)體221相關(guān)聯(lián)的相位延遲(θy)以及線圈215的構(gòu)造是已知的，則可以確定抽頭的位置并將其調(diào)整為在相位φ＝ψ的充電端子t1上施加振蕩電荷q1?？梢哉{(diào)整抽頭的位置以最大程度地將行進(jìn)表面波耦合到引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式。

設(shè)置在線圈215，第一補(bǔ)償端子t2和第二補(bǔ)償端子t3之間的補(bǔ)償端子切換機(jī)構(gòu)2027可以由探頭控制系統(tǒng)230控制。探頭控制系統(tǒng)230可以用于調(diào)整引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200j的操作使得引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200j可以同時(shí)以多個(gè)頻率和最佳效率發(fā)射信號。例如，探頭控制系統(tǒng)230可以控制相應(yīng)的補(bǔ)償端子切換機(jī)構(gòu)2027來調(diào)整哪個(gè)抽頭連接主動耦合到補(bǔ)償端子t2或t3。

引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200j的調(diào)整類似于如上關(guān)于引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200的其他實(shí)施例所述的調(diào)整。此外，與對應(yīng)的操作頻率相關(guān)聯(lián)的每個(gè)組件可以獨(dú)立地控制，而不會干涉與其他操作頻率相關(guān)聯(lián)的各種組件。用于調(diào)整引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200j的探頭控制系統(tǒng)230可以考慮的各種因素可以包括但不限于從電流計(jì)236獲得的電流測量、從地面參數(shù)儀2036獲得的地面參數(shù)測量、由場測量儀2039測量的對應(yīng)于有源ac源212的每個(gè)操作頻率的場測量、由給定ac源212提供的電流、引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200j所呈現(xiàn)的電負(fù)載和/或其他因素。應(yīng)該注意的是，每個(gè)操作頻率的發(fā)射效率可以獨(dú)立調(diào)整。

在一些實(shí)施方案中，充電端子t1可以包括可變電感，其可調(diào)整以改變引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200h的負(fù)載阻抗zl。在不改變充電端子t1的高度的情況下，可以調(diào)整負(fù)載阻抗zl，以改善操作頻率下的引導(dǎo)表面波的耦合。

轉(zhuǎn)到圖25，示出了根據(jù)本公開的各種實(shí)施例的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200k的另一實(shí)例的圖形表示。引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200k被配置為同時(shí)以多個(gè)頻率傳輸，并且包括充電端子t1、下部補(bǔ)償端子t2、多個(gè)線圈215(例如，215a...215n)、充電端子n-plexer2048、補(bǔ)償端子n-plexer2051和多個(gè)ac源212(例如，215a...215n)。如圖25所示，引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200k包括沿垂直軸z放置的上部充電端子t1(例如，在高度ht的球)和下部補(bǔ)償端子t2(例如，在高度hd的盤)，該垂直軸z基本上垂直于由有損導(dǎo)電介質(zhì)203提供的平面。第二介質(zhì)206(例如，大氣)位于有損導(dǎo)電介質(zhì)203上方。在操作期間，根據(jù)在任何給定時(shí)刻施加到端子t1和t2的電壓，電荷q1和q2分別施加在端子t1和t2上。如上所述，上部充電端子t1上的電荷q1可以由q1＝c1v1確定，其中c1是充電端子t1的隔離電容，v1是施加到充電端子t1的電壓。因此，補(bǔ)償端子t2上的電荷q2可以由q2＝c2v2確定，其中c2是充電端子t2的隔離電容，v2是施加到充電端子t2的電壓。

每個(gè)ac源212用作充電端子t1的獨(dú)立激勵(lì)源。每個(gè)ac源212可以經(jīng)由相應(yīng)的饋送網(wǎng)絡(luò)209(例如，209a...209n)耦合到引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭202k，該饋送網(wǎng)絡(luò)209可以包括相應(yīng)的線圈215。ac源212可以通過導(dǎo)電(直接分接)耦合方式耦合到相應(yīng)的線圈215，如圖25所示。如上述關(guān)于其他引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200所述的電容耦合或電感耦合。例如，以頻率f1工作的ac源212a直接耦合到第一線圈215a，并且以頻率fn工作的ac源212n直接耦合到第n線圈215n，而以其他頻率工作的其他ac源212耦合到其他線圈215。此外，每個(gè)ac源212可以被配置為以不同的頻率向各個(gè)線圈215供電。因此，每個(gè)ac源212可被認(rèn)為是相對于其他ac源212唯一的。

每個(gè)線圈215可以在第一端處耦合到相應(yīng)的地柱236，并且在第二端處經(jīng)由充電端子n-plexer2048耦合到充電端子t1。線圈215中的一些或全部也可以使用公共地樁236。在一些實(shí)施例中，充電端子t1的抽頭和線圈215的第二端可以是可變的，并且由此是可以被調(diào)整的。該調(diào)整可以通過可以參照上述引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭所描述的方式調(diào)整的充電端子切換機(jī)構(gòu)2024(見圖21)進(jìn)行。

充電端子n-plexer2048包括對應(yīng)于線圈215的各個(gè)抽頭的兩個(gè)或更多個(gè)輸入。因此，n由引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200k內(nèi)的線圈215的數(shù)量限定。充電端子n-plexer2048實(shí)現(xiàn)多頻域復(fù)用，使得具有與對應(yīng)于充電端子t1的線圈215的每個(gè)抽頭具有的不同頻率的信號可以組合并輸出到充電端子t1而不會彼此干擾。

補(bǔ)償端子t2位于有損導(dǎo)電介質(zhì)203(例如，陸地或地球)的上方并基本上平行，并且經(jīng)由補(bǔ)償端子n-plexer2051耦合到每個(gè)線圈215上的抽頭。如上所述相對于充電端子n-plexer2048，補(bǔ)償端子n-plexer2051包括對應(yīng)于與補(bǔ)償端子t2相關(guān)聯(lián)的線圈215的抽頭的兩個(gè)或更多個(gè)輸入。補(bǔ)償端子n-plexer2051的輸出耦合到補(bǔ)償端子t2。補(bǔ)償端子n-plexer2051的輸出可以是來自線圈215a...215n的每個(gè)信號的組合。由于每個(gè)線圈215可以以不同的頻率激勵(lì)，所以補(bǔ)償端子n-plexer2051可以組合部分或全部信號以產(chǎn)生輸出信號，而不會在不同信號之間產(chǎn)生干擾。

對應(yīng)于每個(gè)不同操作頻率的相應(yīng)的補(bǔ)償端子切換機(jī)構(gòu)2027可以設(shè)置在補(bǔ)償端子n-plexer2051和每個(gè)線圈215之間。每個(gè)補(bǔ)償端子切換機(jī)構(gòu)2027(例如，2027a...2027n)可以包括耦合到相應(yīng)線圈215的多個(gè)抽頭的多個(gè)端子，使得可以相應(yīng)地調(diào)整經(jīng)由補(bǔ)償端子n-plexer2051到補(bǔ)償端子t2的連接。應(yīng)當(dāng)注意，盡管附圖示出了每個(gè)補(bǔ)償端子切換機(jī)構(gòu)2027的端子連接到線圈215的特定部分處的抽頭，但是每個(gè)補(bǔ)償端子切換機(jī)構(gòu)2027的端子可以沿著對應(yīng)線圈215任何部分連接到抽頭。在一些實(shí)施例中，補(bǔ)償端子切換機(jī)構(gòu)2027還可以被配置為將相應(yīng)的線圈215與n-plexer2051斷開。

每個(gè)補(bǔ)償端子切換機(jī)構(gòu)2027允許電流經(jīng)由n-plexer2051在相應(yīng)的補(bǔ)償端子切換機(jī)構(gòu)2027的一個(gè)端子和補(bǔ)償端子t2之間流動。每個(gè)補(bǔ)償端子切換機(jī)構(gòu)2027的其余端子是打開的，從而中斷相應(yīng)線圈215和補(bǔ)償端子t2的其他抽頭之間的電流。對于每個(gè)操作頻率(例如，f1...f)，可以是不同的抽頭組將補(bǔ)償端子nplexer2051連接到各個(gè)線圈215?？梢钥刂蒲a(bǔ)償端子切換機(jī)構(gòu)2051，以調(diào)整哪個(gè)端子被主動耦合到線圈215。

盡管圖25中所示為開關(guān)，每個(gè)補(bǔ)償端子切換機(jī)構(gòu)2027可以包括例如多極開關(guān)、滑動觸點(diǎn)和/或允許各個(gè)線圈215和補(bǔ)償端子t2之間的可變抽頭連接的任何其他類型的組件。還應(yīng)注意的是，每個(gè)相應(yīng)的ac源212和相應(yīng)的線圈215之間的連接也可以以如上所述的可變抽頭連接，并以參照上述引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200所描述的方式進(jìn)行調(diào)整。

位于每個(gè)線圈215和地樁218之間的電流計(jì)236可用于提供每個(gè)相應(yīng)線圈215在引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭的基部處的電流(io)的大小的指示。該測量可以作為上述其他因素中因素，如上所述關(guān)于引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭的其他實(shí)施例在調(diào)整引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200k的操作以獲得最佳效率。然而，應(yīng)該注意的是，由于調(diào)整是頻率依賴的，因此電流計(jì)測量應(yīng)根據(jù)與任何給定時(shí)間的調(diào)整相關(guān)的特定頻率進(jìn)行測量。

注意，在給定時(shí)間點(diǎn)上在端子上呈現(xiàn)的電荷q1和q2取決于多個(gè)ac源212的激勵(lì)。因此，充電端子t1和補(bǔ)償端子t2的尺寸應(yīng)適用于峰值充電以避免周圍空氣的電離，這可能導(dǎo)致端子周圍的放電或火花。

如前所述，可以為每個(gè)操作頻率調(diào)整引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200k的總有效高度(hte)，以激勵(lì)具有在漢克爾交叉距離(rx)處傾斜的引導(dǎo)表面波的對應(yīng)的電場。對于用于激勵(lì)充電端子t1的ac源212的不同操作頻率中的每一個(gè)，存在不同的漢克爾交叉距離(rx)。如前所述，漢克爾交叉距離(rx)隨著操作頻率的降低而增加。補(bǔ)償端子t2的單獨(dú)抽頭位置確保在每個(gè)相應(yīng)的頻率下，總有效高度(hte)和相移(φ)是適當(dāng)?shù)摹?/p>

探頭控制系統(tǒng)230可用于調(diào)整各種元件(例如，充電端子t1的位置、補(bǔ)償端子t2的位置等)，以激勵(lì)具有相移(φ)等于在漢克爾交叉距離處的波傾斜的角度(ψ)，或φ＝ψ的充電端子t1。當(dāng)滿足該條件時(shí)，由充電端子t1上的振蕩電荷q1產(chǎn)生的電場耦合到引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式，該引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式產(chǎn)生沿著有損導(dǎo)電介質(zhì)203的表面行進(jìn)。例如，如果布魯斯特角(θi,b)、相位延遲(θy)和線圈215的構(gòu)造是已知的，則可以確定和調(diào)整各種抽頭的位置，以便相對于補(bǔ)償端子t2上的q2的電荷，相位φ＝ψ，對充電端子t1施加振蕩電荷q1。可以調(diào)整抽頭位置以最大程度地將行進(jìn)表面波耦合到引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式。

探頭控制系統(tǒng)230還可以控制設(shè)置在各個(gè)線圈215和補(bǔ)償端子t2之間的補(bǔ)償端子切換機(jī)構(gòu)2027。例如，探頭控制系統(tǒng)230可以控制補(bǔ)償端子切換機(jī)構(gòu)2027，以調(diào)整哪個(gè)抽頭連接主動耦合到補(bǔ)償端子t2。引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200k的調(diào)整與上述關(guān)于引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200的其他實(shí)施例的調(diào)整相似。此外，可以獨(dú)立地控制與對應(yīng)的操作頻率相關(guān)的每個(gè)組件，而不會干擾各種與其他操作頻率相關(guān)的組件。用于調(diào)整探頭控制系統(tǒng)230的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200k可以考慮的各種因素可以包括但不限于從電流計(jì)236獲得的電流測量、從地面參數(shù)儀2036獲得的地面參數(shù)測量、對應(yīng)于可由場測量計(jì)2039測量的有源ac源212的每個(gè)操作頻率的場測量、由給定ac源212提供的電流、引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200k所呈現(xiàn)的電負(fù)載和/或其他因素。應(yīng)該注意的是，每個(gè)操作頻率的發(fā)射效率都是獨(dú)立調(diào)整的。

在一些實(shí)施方案中，充電端子t1可以包括可調(diào)整的可變電感，以改變引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200h的負(fù)載阻抗zl。在不改變充電端子t1的高度的情況下，可以調(diào)整負(fù)載阻抗zl，以改善操作頻率下的引導(dǎo)表面波的耦合。

轉(zhuǎn)到圖26，示出了根據(jù)本公開的各種實(shí)施例的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200m的另一實(shí)例的圖形顯示。引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200m可以被配置為同時(shí)/一起以多個(gè)頻率傳輸功率，并且包括充電端子t1、補(bǔ)償端子t2、包括線圈215的饋送網(wǎng)絡(luò)209和用于激勵(lì)充電端子t1的多個(gè)ac源212。

如圖26所示，引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200m可以包括沿著垂直軸z放置的上部充電端子t1(例如，在高度ht的球)和下部補(bǔ)償端子t2(例如，在高度hd的盤)，該垂直軸z基本上垂直于由有損導(dǎo)電介質(zhì)203提供的平面。在操作期間，根據(jù)在任何給定時(shí)刻施加到端子t1和t2的電壓，電荷q1和q2分別施加在端子t1和t2上。如上所述，上部充電端子t1上的電荷q1可以由q1＝c1v1確定，其中c1是充電端子t1的隔離電容，v1是施加到充電端子t1的電壓。因此，補(bǔ)償端子t2上的電荷q2可以由q2＝c2v2確定，其中c2是充電端子t2的隔離電容，v2是施加到充電端子t2的電壓。

每個(gè)ac源212用作充電端子t1的獨(dú)立激勵(lì)源。ac源212可以通過可以包括線圈215的饋送網(wǎng)絡(luò)209耦合到引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200m。ac源212可以通過導(dǎo)電(直接分接)耦合的方式跨越線圈215的下部連接，如圖26所示，如上面關(guān)于引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭所描述的電容耦合或電感耦合。

引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200m還包括位于每個(gè)ac源212和線圈215之間的隔離組件2042(例如，2042a、2042b、2042c)。ac源212同時(shí)在不同頻率向引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200m提供不同功率。因此，隔離組件2042將每個(gè)ac源212與激勵(lì)充電端子t1的其他ac源212隔離。因此，防止由每個(gè)ac源212提供的能量反饋到其他ac源212。隔離組件2042可以包括例如隔離器、帶通濾波器、窄帶耦合器、循環(huán)器、放大器和/或能夠隔離每個(gè)ac源212的反饋的任何其他適當(dāng)?shù)慕M件。

線圈215可以在第一端處耦合到地樁218，并且在第二端處耦合到充電端子t1。在一些實(shí)施例中，充電端子t1的抽頭和線圈215的第二端可以是可變的，因此可以被調(diào)整。該調(diào)整可以通過一種類型的充電端子切換機(jī)構(gòu)2024(參見圖21)發(fā)生，該充電端子切換機(jī)構(gòu)2024可以參照上述引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200所描述的方式進(jìn)行調(diào)整。

補(bǔ)償端子t2可以位于有損導(dǎo)電介質(zhì)203(例如，陸地或地球)的上方并且基本上平行，并且經(jīng)由線圈215上的抽頭耦合到饋送網(wǎng)絡(luò)20。補(bǔ)償端子切換機(jī)構(gòu)2027設(shè)置在補(bǔ)償端子t2和線圈215之間。補(bǔ)償端子切換機(jī)構(gòu)2027包括多個(gè)端子，其沿著線圈215耦合到多個(gè)抽頭，使得到補(bǔ)償端子t2的連接可以相應(yīng)地調(diào)整。補(bǔ)償端子切換機(jī)構(gòu)2027允許電流在補(bǔ)償端子切換機(jī)構(gòu)2027的一個(gè)端子和補(bǔ)償端子t2之間流動。補(bǔ)償端子切換機(jī)構(gòu)2027的剩余端子打開，從而中斷線圈215的其他抽頭和補(bǔ)償端子t2之間的電流流動。

盡管圖26所示為開關(guān)，補(bǔ)償端子切換機(jī)構(gòu)2027可以包括例如多極開關(guān)，滑動觸點(diǎn)和/或允許線圈215和補(bǔ)償端子t2之間的可變抽頭連接的任何其他類型的組件。還應(yīng)該注意的是，ac源212和線圈215之間的連接也可以是經(jīng)由如上所述的可變抽頭連接，并且以參照上述引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭所描述的方式進(jìn)行調(diào)整。

在本實(shí)施例中，調(diào)整用于由ac源212中的第一個(gè)產(chǎn)生特定的頻率(例如，f1)的補(bǔ)償端子切換機(jī)構(gòu)2027。可以控制補(bǔ)償端子切換機(jī)構(gòu)2027以調(diào)整哪個(gè)終端是主動的耦合到線圈215?？梢赃x擇耦合到引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200m的其他ac源212的操作頻率，使得其他頻率是初始頻率f1的諧波。因此，不同操作頻率之間的關(guān)系使得用于第一操作頻率的補(bǔ)償端子切換機(jī)構(gòu)2027的調(diào)整適用于用于激勵(lì)充電端子t1和補(bǔ)償端子t2的其他操作頻率。

位于線圈215和地樁218之間的電流計(jì)218可用于提供在引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200m的基部處的電流(io)的大小的指示。除了上述其他因素之外，該測量可以是在調(diào)整引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200m的操作中的一個(gè)因素。然而，應(yīng)該注意的是，由于調(diào)整是頻率依賴的，因此電流計(jì)測量應(yīng)根據(jù)與任何給定時(shí)間的調(diào)整相關(guān)的特定頻率進(jìn)行測量。

注意，在給定時(shí)間點(diǎn)上在端子上呈現(xiàn)的電荷q1和q2取決于多個(gè)ac源212的激勵(lì)。因此，充電端子t1和補(bǔ)償端子t2的尺寸應(yīng)適用于峰值充電以避免周圍空氣的電離，這可能導(dǎo)致端子周圍的放電或火花。

如前所述，可以調(diào)整用于操作頻率的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200m的總有效高度(hte)，以激勵(lì)具有在漢克爾交叉距離(rx)處傾斜的引導(dǎo)表面波的電場。例如，探頭控制系統(tǒng)230可以用于調(diào)整各種元件(例如，充電端子t1的位置、補(bǔ)償端子t2的位置等)以相對于補(bǔ)償端子的激勵(lì)，激勵(lì)相移(φ)等于在漢克爾交叉距離處的波傾斜的角度(ψ)，或φ＝ψ的充電端子t1。當(dāng)滿足該條件時(shí)，由充電端子t1上的振蕩電荷q1產(chǎn)生的電場耦合到引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式，該引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式產(chǎn)生沿著有損導(dǎo)電介質(zhì)203的表面行進(jìn)。例如，如果布魯斯特角(θi,b)、相位延遲(θy)和線圈215的構(gòu)造是已知的，則可以確定和調(diào)整各種抽頭的位置，以將相位φ＝ψ的振蕩電荷q1施加在充電端子t1上。可以調(diào)整抽頭位置以最大程度地將行進(jìn)表面波耦合到引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式。

設(shè)置在線圈215和補(bǔ)償端子t2之間的補(bǔ)償端子切換機(jī)構(gòu)2027可以由探頭控制系統(tǒng)230控制。探頭控制系統(tǒng)230可以用于調(diào)整引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200m的操作，使得引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200m可以同時(shí)以多個(gè)頻率和最佳效率發(fā)射信號。

引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200m的調(diào)整類似于如上關(guān)于引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200的其他實(shí)施例所述的調(diào)整。引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200m可以考慮用于調(diào)整探頭控制系統(tǒng)230的各種因素包括但不限于從電流計(jì)218獲得的電流測量、從地面參數(shù)儀2036獲得的地面參數(shù)測量、對應(yīng)于有源ac源212的每個(gè)操作頻率的經(jīng)由場測量儀2039測量的場測量、由給定ac源212提供的電流、引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200m所呈現(xiàn)的電負(fù)載和/或其他因素。此外，探頭控制系統(tǒng)230可以控制補(bǔ)償端子切換機(jī)構(gòu)2027，以調(diào)整哪個(gè)抽頭連接主動耦合到補(bǔ)償端子t2。

在一些實(shí)施方案中，充電端子t1可以包括可變電感，其可被調(diào)整以改變引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200h的負(fù)載阻抗zl。在不改變充電端子t1的高度的情況下，可以調(diào)整負(fù)載阻抗zl，以改善操作頻率下的引導(dǎo)表面波的耦合。

轉(zhuǎn)到圖27示，出了根據(jù)本公開的各種實(shí)施例的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200n的另一實(shí)例的圖形表示。圖27的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200n與圖26的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200m的不同之處在于：引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200n不包括下補(bǔ)償端子t2。然而，引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200m仍然可以被調(diào)整以同時(shí)發(fā)射多個(gè)頻率的波。

如前所述，充電端子t1位于物理高度(hp)處或以上，線圈215和/或連接線圈215到充電端子t1的連接的線圈215和/或垂直饋線221，可以被調(diào)整以匹配充電端子t1上的電荷q1的相位(φ)到的波傾斜(w)角度(ψ)。當(dāng)滿足該條件時(shí)，由充電端子t1上的充電振蕩q1產(chǎn)生的電場耦合到沿著有損導(dǎo)電介質(zhì)203的表面行進(jìn)的引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式。例如，如果布魯斯特角(θi,b)、與垂直饋線導(dǎo)體221相關(guān)聯(lián)的相位延遲(θy)和線圈215的配置是已知的，則可以確定和調(diào)整抽頭的位置以將相位為φ＝ψ的振蕩電荷q1施加在充電的端子t1?？梢哉{(diào)整將充電端子t1連接到線圈215的抽頭的位置，以最大程度地將行進(jìn)表面波耦合到導(dǎo)向波導(dǎo)模式。

在一些實(shí)施例中，可以根據(jù)頻率f1、f2或f3中的任何一個(gè)來調(diào)整引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200n。不同的頻率f1、f2或f3可以在特定范圍內(nèi)，使得引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200h針對每個(gè)頻率f1、f2或f3仍然可以在相同的操作調(diào)整下操作。在其他實(shí)施例中，頻率f2或f3可以是操作頻率f1的諧波，允許引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200h在相同的操作調(diào)整下仍然運(yùn)行。在一些實(shí)施例中，可以確定由不同ac源212產(chǎn)生的操作頻率f1、f2或f3的中心頻率。然后可以使用中心頻率來調(diào)整引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200n，從而允許引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200n在相同的操作調(diào)整下仍然有效地操作。

在一些實(shí)施方案中，充電端子t1可以包括可變電感，其可被調(diào)整以改變引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭200h的負(fù)載阻抗zl。在不改變充電端子t1的高度的情況下，可以調(diào)整負(fù)載阻抗zl，以改善操作頻率下的引導(dǎo)表面波的耦合。

應(yīng)該強(qiáng)調(diào)本公開的上述實(shí)施例僅是為了清楚地理解本公開的原理而提出的實(shí)現(xiàn)的可能的實(shí)例。可以對一個(gè)或多個(gè)上述實(shí)施例做出許多變化和修改而不實(shí)質(zhì)上脫離本公開的精神和原理。所有這種修改和變化在這里意在包括在本公開的范圍內(nèi)并由以下權(quán)利要求保護(hù)。另外，描述的實(shí)施例和從屬權(quán)利要求的所有可選的和優(yōu)選的特征和修改可用于在這里教導(dǎo)的本公開的所有方面。此外，從屬權(quán)利要求的單獨(dú)的特征，以及描述的實(shí)施例的所有可選的和優(yōu)選的特征和修改是彼此可組合和可互換的。