該專利合作條約申請(qǐng)要求2014年9月10日提交的題為“Excitation and Use of Guided Surface Wave Modes on Lossy Media”的共同未決美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?4/483,089的優(yōu)先權(quán)和利益，其通過(guò)其完整引用合并到此。

技術(shù)領(lǐng)域

背景技術(shù)：

達(dá)一個(gè)多世紀(jì)，無(wú)線電波所發(fā)送的信號(hào)涉及使用傳統(tǒng)天線結(jié)構(gòu)所發(fā)射的輻射場(chǎng)。與無(wú)線電科學(xué)對(duì)比，上個(gè)世紀(jì)的電功率發(fā)布系統(tǒng)涉及沿著電導(dǎo)體所引導(dǎo)的能量的傳輸。這種射頻(RF)與功率傳輸之間的區(qū)別的理解自從1900年代早期以來(lái)已經(jīng)存在。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

附圖說(shuō)明

參照以下附圖可以更好理解本公開(kāi)的很多方面。附圖中的組件并不一定按比例，而是著重于清楚地示出本公開(kāi)的原理。此外，在附圖中，相同標(biāo)號(hào)貫穿若干附圖指定對(duì)應(yīng)部分。

圖1是描述用于引導(dǎo)電磁場(chǎng)和輻射電磁場(chǎng)的作為距離的函數(shù)的場(chǎng)強(qiáng)度的圖表。

圖2是示出根據(jù)本公開(kāi)各個(gè)實(shí)施例的與對(duì)于引導(dǎo)表面波的傳輸所采用的兩個(gè)區(qū)域的傳播界面的示圖。

圖3A和圖3B是示出根據(jù)本公開(kāi)各個(gè)實(shí)施例的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭所合成的電場(chǎng)的復(fù)數(shù)插入角的示圖。

圖4是示出根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施例的關(guān)于圖2的傳輸界面所部署的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭的示圖。

圖5是根據(jù)本公開(kāi)各個(gè)實(shí)施例的一階漢克爾(Hankel)函數(shù)的接近漸近線和遠(yuǎn)離漸近線的幅值的示例的圖線。

圖6A和圖6B是示出根據(jù)本公開(kāi)各個(gè)實(shí)施例的球面上的束縛電荷以及對(duì)電容的影響的圖線。

圖7是示出根據(jù)本公開(kāi)各個(gè)實(shí)施例的布魯斯特(Brewster)角與損耗導(dǎo)電介質(zhì)相交的位置上的充電端子的提升的影響的圖形表示。

圖8A和圖8B是示出根據(jù)本公開(kāi)各個(gè)實(shí)施例的所合成的電場(chǎng)按復(fù)數(shù)布魯斯特角入射以在漢克爾超前距離處匹配引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式的圖形表示。

圖9A和圖9B是根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施例的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭的示例的圖形表示。

圖10是根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施例的圖9A的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭的示意圖。

圖11包括根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施例的圖9A的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭的充電端子T₁的相位延遲(Φ_U)的實(shí)部和虛部的示例的圖線。

圖12是根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施例的圖9A的所實(shí)現(xiàn)的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭的示例的圖像。

圖13是根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施例的比較圖12的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭的所測(cè)量的場(chǎng)強(qiáng)度與理論場(chǎng)強(qiáng)度的圖線。

圖14A和圖14B是根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施例的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭的圖像和圖形表示。

圖15是根據(jù)本公開(kāi)各個(gè)實(shí)施例的一階漢克爾函數(shù)的接近漸近線和遠(yuǎn)離漸近線的幅值的示例的圖線。

圖16是根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施例的比較圖14A和圖14B的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭的所測(cè)量的場(chǎng)強(qiáng)度與理論場(chǎng)強(qiáng)度的圖線。

圖17和圖18是根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施例的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭的示例的圖形表示。

圖19A和圖19B描述根據(jù)本公開(kāi)各個(gè)實(shí)施例的可以采用以接收通過(guò)引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭所發(fā)射的引導(dǎo)表面波的形式所發(fā)送的能量的接收機(jī)的示例。

圖20描述根據(jù)本公開(kāi)各個(gè)實(shí)施例的可以采用以接收通過(guò)引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭所發(fā)射的引導(dǎo)表面波的形式所發(fā)送的能量的附加接收機(jī)的示例。

圖21A描述根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施例的表示圖19A和圖19B中所描述的接收機(jī)的戴維南等效的示意圖。

圖21B描述根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施例的表示圖17中所描述的接收機(jī)的諾頓等效的示意圖。

圖22A和圖22B是根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施例的分別表示電導(dǎo)率測(cè)量探頭和明線線路探頭的示例的示意圖。

圖23A至圖23C是根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施例的圖4的探頭控制系統(tǒng)所采用的自適應(yīng)控制系統(tǒng)的示例的示意圖。

圖24A和圖24B是根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施例的用于作為充電端子使用的可變端子的示例的示圖。

具體實(shí)施方式

開(kāi)始，將建立一些術(shù)語(yǔ)以在以下概念的討論中提供清楚性。首先，如在此所預(yù)期的那樣，在輻射電磁場(chǎng)與引導(dǎo)電磁場(chǎng)之間作出正式區(qū)分。

如在此所預(yù)期的那樣，輻射電磁場(chǎng)包括以并非受束縛于波導(dǎo)的波的形式從源結(jié)構(gòu)發(fā)射的電磁能量。例如，輻射電磁場(chǎng)通常是離開(kāi)電結(jié)構(gòu)(例如天線)并且通過(guò)大氣或其它介質(zhì)傳播而且不受任何波導(dǎo)結(jié)構(gòu)束縛的場(chǎng)。一旦輻射電磁波離開(kāi)電結(jié)構(gòu)(例如天線)，它們就獨(dú)立于它們的源而繼續(xù)在傳播介質(zhì)(例如空氣)中傳播，直到它們耗散，而無(wú)論源是否繼續(xù)進(jìn)行操作。一旦電磁波得以輻射，除非被截獲，否則它們就不可恢復(fù)，而如果不被截獲，則輻射電磁波中固有的能量永遠(yuǎn)丟失。電結(jié)構(gòu)(例如天線)被設(shè)計(jì)為通過(guò)使得輻射電阻對(duì)結(jié)構(gòu)損耗電阻的比率最大化來(lái)輻射電磁場(chǎng)。所輻射的能量在空間中擴(kuò)展開(kāi)，并且損耗，而無(wú)論接收機(jī)是否存在。所輻射的場(chǎng)的能量密度是歸因于幾何擴(kuò)展的距離的函數(shù)。相應(yīng)地，在此所使用的術(shù)語(yǔ)“輻射”以其所有形式指代這種形式的電磁傳播。

引導(dǎo)電磁場(chǎng)是能量集中在具有不同電磁性質(zhì)的各介質(zhì)之間的邊界內(nèi)或其附近的傳播電磁波。在此意義上，引導(dǎo)電磁場(chǎng)是受波導(dǎo)束縛的電磁場(chǎng)，并且可以表征為由波導(dǎo)中流動(dòng)的電流傳送。如果不存在用于接收和/或耗散引導(dǎo)電磁波中所傳送的能量的負(fù)載，則除了在引導(dǎo)介質(zhì)的傳導(dǎo)性中耗散的能量之外，能量不損耗。以另一方式聲明，如果不存在用于引導(dǎo)電磁波的負(fù)載，則不消耗能量。因此，除非阻性負(fù)載出現(xiàn)，否則生成引導(dǎo)電磁場(chǎng)的發(fā)生器或其它源不傳遞有功功率。為此，該發(fā)生器或其它源實(shí)質(zhì)上運(yùn)行空載，直到負(fù)載出現(xiàn)。這類似于運(yùn)行發(fā)生器以生成通過(guò)不存在電負(fù)載的電力線發(fā)送的60赫茲電磁波。應(yīng)注意，引導(dǎo)電磁場(chǎng)或波等效于稱為“傳輸線模式”的東西。這與總是提供有功功率以生成輻射波的輻射電磁波有差別。與輻射電磁波不同，在能量源關(guān)閉之后，引導(dǎo)電磁能量不繼續(xù)沿著有限長(zhǎng)度波導(dǎo)傳播。相應(yīng)地，在此所使用的術(shù)語(yǔ)“引導(dǎo)”以其所有形式指代這種電磁傳播的傳輸模式(TM)。

現(xiàn)參照?qǐng)D1，示出的是log-dB圖線上作為以千米為單位的距離的函數(shù)的以伏特每米為單位的任意基準(zhǔn)之上的以分貝(dB)為單位的場(chǎng)強(qiáng)度的圖線100，以進(jìn)一步示出輻射電磁場(chǎng)與引導(dǎo)電磁場(chǎng)之間的區(qū)別。圖1的圖線100描述引導(dǎo)場(chǎng)強(qiáng)度曲線103，其示出作為距離的函數(shù)的引導(dǎo)電磁場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)度。該引導(dǎo)場(chǎng)強(qiáng)度曲線103實(shí)質(zhì)上與傳輸線模式相同。此外，圖1的圖線100描述輻射場(chǎng)強(qiáng)度曲線106，其示出作為距離的函數(shù)的輻射電磁場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)度。

感興趣的是分別用于引導(dǎo)波的曲線103和輻射傳播的曲線106的形狀。輻射場(chǎng)強(qiáng)度曲線106幾何式地(1/d，其中，d是距離)掉落，其在log-log圖例上描述為直線。另一方面，引導(dǎo)場(chǎng)強(qiáng)度曲線103具有的特征指數(shù)衰減，并且在log-log圖例上展現(xiàn)獨(dú)特拐點(diǎn)。引導(dǎo)場(chǎng)強(qiáng)度曲線103和輻射場(chǎng)強(qiáng)度曲線106在點(diǎn)113處相交，點(diǎn)113產(chǎn)生交叉距離處。在小于相交點(diǎn)113處的交叉距離的距離處，引導(dǎo)電磁場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)度在多數(shù)位置處顯著大于輻射電磁場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)度。在大于交叉距離的距離處，相反情況成立。因此，引導(dǎo)場(chǎng)強(qiáng)度曲線103和輻射場(chǎng)強(qiáng)度曲線106進(jìn)一步示出引導(dǎo)電磁場(chǎng)與輻射電磁場(chǎng)之間的基本傳輸差異。關(guān)于引導(dǎo)電磁場(chǎng)與輻射電磁場(chǎng)之間的差異的非正式討論，參照Milligan,T.,Modern Antenna Design,McGraw-Hill,1^st Edition,1985,pp.8-9，其通過(guò)其完整引用合并到此。

以上進(jìn)行的輻射電磁波與引導(dǎo)電磁波之間的區(qū)別容易地表述得正式，并且置于縝密的基礎(chǔ)上。這兩個(gè)這樣的多樣解可能來(lái)自一個(gè)且同一線性偏微分方程(波動(dòng)方程)，解析地服從對(duì)問(wèn)題所施加的邊界條件。用于波動(dòng)方程的Green函數(shù)自身包含輻射波與引導(dǎo)波的性質(zhì)之間的區(qū)別。

在真空中，波動(dòng)方程是本征函數(shù)在復(fù)數(shù)波數(shù)平面上擁有本征值的連續(xù)譜的微分算子。這種橫向電磁(TEM)場(chǎng)稱為輻射場(chǎng)，并且這些傳播場(chǎng)稱為“赫茲波”。然而，在存在傳導(dǎo)邊界的情況下，波動(dòng)方程加上邊界條件在數(shù)學(xué)上產(chǎn)生連續(xù)譜加上離散譜之和構(gòu)成的波數(shù)的譜表示。為此，參照Sommerfeld,A.,“Uber die Ausbreitung der Wellen in der Drahtlosen Telegraphie”Annalen der Physik,Vol.28,1909,pp.665-736。此外，見(jiàn)Partial Differential Equations inPhysics–Lectures on Theoretical Physics:Volume VI,Academic Press,1949,pp.236-289,295-296中的章節(jié)6所公開(kāi)的Sommerfeld,A.“Problems of Radio”；Some Early and Late 20^th Century Controversies,”IEEE Antennas andPropagation Magazine,Vol.46,No.2,April 2004,pp.64-79；以及Reich,H.J.,Ordnung,P.F,Krauss,H.L.,and Skalnik,J.G.,Microwave Theory andTechniques,Van Nostrand,1953,pp.291-293，這些參考文獻(xiàn)中的每一個(gè)通過(guò)其完整引用合并到此。

為了總結(jié)上述情況，首先，與枝切法(branch-cut)積分對(duì)應(yīng)的波數(shù)本征值譜的連續(xù)部分產(chǎn)生輻射場(chǎng)，其次，離散譜以及與從積分的輪廓所包圍的極點(diǎn)出現(xiàn)的對(duì)應(yīng)殘差之和產(chǎn)生在橫穿傳播的方向上指數(shù)衰減的非TEM表面行波。這些表面波是引導(dǎo)傳輸線模式。為了進(jìn)一步解釋，參照Friedman,B.,Principles and Techniques of Applied Mathematics,Wiley,1956,pp.pp.214,283-286,290,298-300。

在自由空間中，天線激勵(lì)作為輻射場(chǎng)的波動(dòng)方程的連續(xù)本征值，其中，與E_z和H_φ同相的向外傳播RF能量永遠(yuǎn)損耗。另一方面，波導(dǎo)探頭激勵(lì)離散本征值，其產(chǎn)生傳輸線傳播。見(jiàn)Collin,R.E.,Field Theory of Guided Waves,McGraw-Hill,1960,pp.453,474-477。雖然這些理論分析已經(jīng)支持通過(guò)損耗的同質(zhì)介質(zhì)的平坦表面或球面表面發(fā)射開(kāi)曲面引導(dǎo)波的假定可能性，但達(dá)多于一個(gè)世紀(jì)，關(guān)于通過(guò)任何實(shí)際效率來(lái)實(shí)現(xiàn)該情況，尚無(wú)工程技術(shù)中的已知結(jié)構(gòu)存在。遺憾的是，自從其在1900年代早期顯現(xiàn)以來(lái)，以上所闡述的理論分析已經(jīng)實(shí)質(zhì)上仍是理論，并且尚不存在用于實(shí)際上實(shí)現(xiàn)通過(guò)損耗的同質(zhì)介質(zhì)的平坦表面或球面表面發(fā)射開(kāi)曲面引導(dǎo)波的已知結(jié)構(gòu)。

根據(jù)本公開(kāi)各個(gè)實(shí)施例，描述各個(gè)引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭，其被配置為：激勵(lì)沿著損耗傳導(dǎo)介質(zhì)的表面耦合到引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式中的電場(chǎng)。這些引導(dǎo)電磁場(chǎng)實(shí)質(zhì)上在幅值和相位方面與損耗傳導(dǎo)介質(zhì)的表面上的引導(dǎo)表面波模式是模式匹配的。該引導(dǎo)表面波模式也可以稱為Zenneck波導(dǎo)模式。憑借在此所描述的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭所激勵(lì)的所得場(chǎng)實(shí)質(zhì)上與損耗傳導(dǎo)介質(zhì)的表面上的引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式是模式匹配的事實(shí)，引導(dǎo)表面波的形式的引導(dǎo)電磁場(chǎng)沿著損耗傳導(dǎo)介質(zhì)的表面得以發(fā)射。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，損耗傳導(dǎo)介質(zhì)包括地面介質(zhì)(例如地球)。

參照?qǐng)D2，示出傳播界面，其提供Jonathan Zenneck如在其文章Zenneck,J.,“On the Propagation of Plane Electromagnetic Waves Along a Flat Conducting Surface and their Relation to Wireless Telegraphy,”Annalen der Physik,Serial 4,Vol.23,September 20,1907,pp.846-866中闡述的那樣在1907年所推導(dǎo)的對(duì)麥克斯韋爾方程組的邊界值解的驗(yàn)證。圖2描述用于沿著指定為區(qū)域1的損耗傳導(dǎo)介質(zhì)與指定為區(qū)域2的絕緣體之間的界面徑向傳播波的柱坐標(biāo)。區(qū)域1可以包括例如任何損耗傳導(dǎo)介質(zhì)。在一個(gè)示例中，該損耗傳導(dǎo)介質(zhì)可以包括地面介質(zhì)(例如地球)或其它介質(zhì)。區(qū)域2是與區(qū)域1共享邊界界面的第二介質(zhì)，并且具有相對(duì)于區(qū)域1的不同本構(gòu)參數(shù)。區(qū)域2可以包括例如任何絕緣體(例如大氣)或其它介質(zhì)。僅對(duì)于按復(fù)數(shù)布魯斯特角的入射，用于該邊界界面的反射系數(shù)變?yōu)榱?。?jiàn)Stratton,J.A.,Electromagnetic Theory,McGraw-Hill,1941,p.516。

根據(jù)各個(gè)實(shí)施例，本公開(kāi)闡述在包括區(qū)域1的損耗傳導(dǎo)介質(zhì)的表面上生成與引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式實(shí)質(zhì)上是模式匹配的電磁場(chǎng)的各個(gè)引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭。根據(jù)各個(gè)實(shí)施例，這些電磁場(chǎng)實(shí)質(zhì)上合成按可以產(chǎn)生零反射的損耗傳導(dǎo)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，在假設(shè)e^jωt場(chǎng)變化并且ρ≠0以及z≥0(其中，z是與區(qū)域1的表面正交的垂直坐標(biāo)，ρ是柱坐標(biāo)中的徑向維度)的區(qū)域2中，通過(guò)以下電場(chǎng)分量和磁場(chǎng)分量來(lái)表達(dá)沿著界面滿足邊界條件的麥克斯韋爾方程組的Zenneck閉式精確解：

以及 (2)

在假設(shè)e^jωt場(chǎng)變化并且ρ≠0以及z≤0的區(qū)域1中，通過(guò)以下電場(chǎng)分量和磁場(chǎng)分量來(lái)表達(dá)沿著界面滿足邊界條件的麥克斯韋爾方程組的Zenneck閉式精確解：

以及 (5)

在這些表達(dá)式中，z是與區(qū)域1的表面正交的垂直坐標(biāo)，ρ是徑向坐標(biāo)，是二類n階的復(fù)數(shù)輻角漢克爾函數(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)頻率，ε_o是自由空間的介電常數(shù)，ε₁是區(qū)域1的介電常數(shù)，A是源所施加的源常數(shù)，γ是表面波徑向傳輸常數(shù)。

通過(guò)分離區(qū)域1與2之間的界面之上以及之下的波動(dòng)方程并且施加邊界條件來(lái)確定±z方向上的傳播常數(shù)。在區(qū)域2中，該練習(xí)給出：

并且在區(qū)域1中給出：

u₁＝-u₂(ε_r-jx). (8)

徑向傳播常數(shù)γ給出為：

其為復(fù)數(shù)表達(dá)式，其中，n是下式給出的復(fù)數(shù)折射率：

在所有以上方程中，

以及 (11)

其中，μ_o包括自由空間的導(dǎo)磁率，ε_r包括區(qū)域1的相對(duì)介電常數(shù)。因此，所生成的表面波與界面平行傳播，并且與之垂直而指數(shù)衰減。這稱為倏逝。

因此，方程(1)-(3)可以看作圓柱對(duì)稱的徑向傳播波導(dǎo)模式。見(jiàn)Barlow,H.M.和Brown,J.,Radio Surface Waves,Oxford University Press,1962,pp.10-12,29-33。本公開(kāi)細(xì)述激勵(lì)這種“開(kāi)邊界”波導(dǎo)模式的結(jié)構(gòu)。具體地說(shuō)，根據(jù)各個(gè)實(shí)施例，引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭具備通過(guò)電壓和/或電流得以饋電的適當(dāng)大小的充電端子，并且相對(duì)于區(qū)域2與區(qū)域1之間的邊界界面而定位，以在邊界界面處產(chǎn)生復(fù)數(shù)布魯斯特角，以激勵(lì)表面波導(dǎo)模式，而沒(méi)有反射或具有最小反射。適當(dāng)大小的補(bǔ)償端子可以相對(duì)于充電端子而定位，并且通過(guò)電壓和/或電流得以饋電，以細(xì)化邊界界面處的布魯斯特角。

繼續(xù)，區(qū)域1與區(qū)域2之間的Leontovich阻抗邊界條件聲明為：

其中，是在正垂直(+z)方向上的單位法線，是以上方程(1)所表達(dá)的區(qū)域2中的磁場(chǎng)強(qiáng)度。方程(13)暗示，方程(1)-(3)中所指定的電場(chǎng)和磁場(chǎng)可以沿著邊界界面產(chǎn)生徑向表面電流密度，該徑向表面電流密度指定為：

其中，A是常數(shù)。此外，應(yīng)注意，接近引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭(對(duì)于ρ＜＜λ)，以上方程(14)具有行為：

負(fù)號(hào)說(shuō)明，當(dāng)源電流(I_o)垂直向上流動(dòng)時(shí)，所需的“接近”大地電流徑向向內(nèi)流動(dòng)。通過(guò)H_φ上的場(chǎng)匹配“接近”，我們發(fā)現(xiàn)，在方程(1)-(6)以及(14)中：

因此，方程(14)的徑向表面電流密度可以重新聲明為：

方程(1)-(6)以及(17)所表達(dá)的場(chǎng)具有受損耗界面束縛的傳輸線模式的性質(zhì)，例如，輻射場(chǎng)與地波傳輸無(wú)關(guān)聯(lián)。見(jiàn)Barlow,H.M.和Brown,J.,Radio Surface Waves,Oxford University Press,1962,pp.1-5。

此時(shí)，對(duì)于波動(dòng)方程的這些解，提供方程組(1)-(6)以及(17)中所使用的漢克爾函數(shù)的性質(zhì)的回顧。我們可以觀測(cè)到，一類和二類以及n階的漢克爾函數(shù)定義為一類和二類的標(biāo)準(zhǔn)貝塞爾函數(shù)的復(fù)數(shù)組合：

以及 (18)

這些函數(shù)分別表示徑向向內(nèi)傳播的圓柱波和徑向向外傳輸?shù)膱A柱波該定義類似于關(guān)系式e^±jx＝cosx±jsinx。見(jiàn)例如Harrington,R.F.,Time-Harmonic Fields,McGraw-Hill,1961,pp.460-463。

該是可以從直接從J_n(x)和N_n(x)的級(jí)數(shù)定義獲得的其大輻角漸近行為識(shí)別的外出波。遠(yuǎn)離引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭：

其當(dāng)乘以e^jωt時(shí)是具有空間變化的形式e^j(ωt-kρ)的向外傳播圓柱波。一階(n＝1)解可以從方程(20a)確定為：

接近引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭(對(duì)于ρ＜＜λ)，一階和二類的漢克爾函數(shù)表現(xiàn)為：

注意，這些漸近表達(dá)式是復(fù)數(shù)參量。當(dāng)x是實(shí)數(shù)參量時(shí)，方程組(20b)和(21)在相位方面差異達(dá)其對(duì)應(yīng)于45°或等效地λ/8的額外相位超前或“相位提升”。二類的一階漢克爾函數(shù)的接近漸近線和遠(yuǎn)離漸近線具有漢克爾“超前”點(diǎn)或過(guò)度點(diǎn)，其中，它們?cè)讦眩絉_x的距離處是相等幅值的?？梢酝ㄟ^(guò)使得方程(20b)和(21)相等并且關(guān)于R_x進(jìn)行求解來(lái)求出距漢克爾超前點(diǎn)的距離。在x＝σ/ωε_o的情況下，可見(jiàn)，遠(yuǎn)離漢克爾函數(shù)漸近線和接近漢克爾函數(shù)漸近線是頻率依賴性的，其中，隨著頻率降低，漢克爾超前點(diǎn)移出。還應(yīng)注意，漢克爾函數(shù)漸近線也可以隨著損耗傳導(dǎo)介質(zhì)的電導(dǎo)率(σ)改變而變化。例如，土壤的電導(dǎo)率可以隨著氣候條件的改變而變化。

引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭可以被配置為：建立具有與以復(fù)數(shù)角度照射損耗傳導(dǎo)介質(zhì)的表面的波對(duì)應(yīng)的波傾斜的電場(chǎng)，由此通過(guò)在R_x處在漢克爾超前點(diǎn)處實(shí)質(zhì)上模式匹配于引導(dǎo)表面波模式來(lái)激勵(lì)徑向表面電流。

現(xiàn)參照?qǐng)D3A，示出與入射平面平行起偏的入射場(chǎng)(E)的射線光學(xué)解釋。電場(chǎng)矢量E待合成為與入射平面平行起偏的到來(lái)的非均勻平面波。可以從獨(dú)立的水平分量和垂直分量創(chuàng)建電場(chǎng)矢量E作為：

通過(guò)幾何方式，圖3A中的說(shuō)明暗示電場(chǎng)矢量E可以給出為：

E_ρ(ρ,z)＝E(ρ,z)cosθ_o,以及 (23a)

這說(shuō)明場(chǎng)比率是：

使用來(lái)自電場(chǎng)分量解和磁場(chǎng)分量解的電場(chǎng)分量和磁場(chǎng)分量，可以表達(dá)表面波導(dǎo)阻抗。徑向表面波導(dǎo)阻抗可以寫(xiě)為：

并且表面法向阻抗可以寫(xiě)為：

稱為“波傾斜”的一般化參數(shù)W在此注記為下式所給出的水平電場(chǎng)分量對(duì)垂直電場(chǎng)分量的比率：

其為復(fù)數(shù)并且具有幅值以及相位。

對(duì)于區(qū)域2中的TEM波，波傾斜角度等于與區(qū)域1的邊界界面處的波前的法線與對(duì)邊界界面的正切之間的角度。該情況在圖3B中更易見(jiàn)，圖3B關(guān)于徑向圓柱引導(dǎo)表面波示出TEM波的等相位表面及其法線。在與理想導(dǎo)體的邊界界面(z＝0)處，波前法線與邊界界面的正切平行，產(chǎn)生W＝0。然而，在損耗介電體的情況下，因?yàn)椴ㄇ胺ň€在z＝0處并非與邊界界面的正切平行，所以波傾斜W存在。

參照?qǐng)D4可以更好地理解該情況，圖4示出引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400a的示例，其包括沿著與損耗傳導(dǎo)介質(zhì)403所呈現(xiàn)的平面正交的垂直軸z布置的提升的充電端子T₁和降低的補(bǔ)償端子T₂。于此，充電端子T₁直接放置在補(bǔ)償端子T₂之上，但可能的是，可以使用兩個(gè)或更多個(gè)充電端子和/或補(bǔ)償端子T_N的某種另外布置。根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施例，引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400a部署在損耗傳導(dǎo)介質(zhì)403之上。損耗傳導(dǎo)介質(zhì)403構(gòu)成區(qū)域1(圖2、圖3A和圖3B)，并且第二介質(zhì)406與損耗傳導(dǎo)介質(zhì)403共享邊界界面，而且構(gòu)成區(qū)域2(圖2、圖3A和圖3B)。

引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400a包括耦合電路409，其將激勵(lì)源412耦合到充電端子T₁和補(bǔ)償端子T₂。根據(jù)各個(gè)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可以施加在各個(gè)充電端子T₁和補(bǔ)償端子T₂上。I₁是對(duì)充電端子T₁上的電荷Q₁進(jìn)行饋電的傳導(dǎo)電流，I₂是對(duì)補(bǔ)償端子T₂上的電荷Q₂進(jìn)行饋電的傳導(dǎo)電流。

電有效高度的概念可以用于提供對(duì)引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400a的構(gòu)造和操作的洞察。電有效高度(h_eff)對(duì)于具有h_p的物理高度(或長(zhǎng)度)的單極已經(jīng)定義為：

并且對(duì)于偶極或雙極定義為：

由于雙極的物理長(zhǎng)度2h_p是單極的物理高度h_p的兩倍，因此這些表達(dá)式的差異達(dá)2的因子。由于表達(dá)式取決于源的幅值和相位分布，因此有效高度(或長(zhǎng)度)通常是復(fù)數(shù)。單極天線結(jié)構(gòu)的分布式電流I(z)的積分在結(jié)構(gòu)的物理高度(h_p)上得以執(zhí)行，并且通過(guò)向上流動(dòng)通過(guò)結(jié)構(gòu)的基座(或輸入)的大地電流(I₀)得以歸一化。沿著結(jié)構(gòu)的分布式電流表達(dá)為：

I(z)＝I_Ccos(β₀z)， (29)

其中，β₀是用于自由空間的傳播因子。在圖4的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400a的情況下，I_C是沿著垂直結(jié)構(gòu)所分布的電流。

可以使用包括結(jié)構(gòu)的底部處的低損耗線圈(例如螺旋線圈)以及連接到充電端子T₁的供電導(dǎo)體的耦合電路409來(lái)理解該情況。其中，物理長(zhǎng)度l_C的線圈或螺旋延遲線路以及下式的傳播因子：

其中，V_f是結(jié)構(gòu)上的速度因子，λ₀是所提供的頻率處的波長(zhǎng)，λ_p是源自任何速度因子V_f的傳播波長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)上的相位延遲是Φ＝β_pl_C，從物理結(jié)構(gòu)的底部饋送到線圈的頂部的電流是：

I_C(β_pl_c)＝I₀e^jΦ， (31)

具有相對(duì)于大地(樁)電流I₀所測(cè)量的相位Φ。因此，圖4中的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400a的電有效高度可以近似為：

對(duì)于物理高度h_p<<λ₀的情況，在所提供的頻率處的波長(zhǎng)?？梢酝ㄟ^(guò)相似的方式提升雙極天線結(jié)構(gòu)。在角度Φ的單極的復(fù)數(shù)有效高度h_eff＝h_p(或用于雙極的復(fù)數(shù)有效長(zhǎng)度h_eff＝2h_p e^jΦ)可以受調(diào)整，以使得源場(chǎng)匹配引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式并且使得引導(dǎo)表面波得以在損耗傳導(dǎo)介質(zhì)403上發(fā)射。

根據(jù)圖4的實(shí)施例，充電端子T₁在物理高度H₁處位于損耗傳導(dǎo)介質(zhì)403上，并且補(bǔ)償端子T₂在物理高度H₂處沿著垂直軸z直接位于T₁之下，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具有隔離電容C₁，補(bǔ)償端子T₂具有隔離電容C₂。取決于端子T₁與T₂之間的距離，互電容C_M也可以存在于端子T₁與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。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，損耗傳導(dǎo)介質(zhì)包括地面介質(zhì)(例如星球地球)。為此，該地面介質(zhì)包括其上所包括的所有結(jié)構(gòu)或形成物，無(wú)論是自然的還是人造的。例如，該地面介質(zhì)可以包括天然元素(例如巖石、土壤、沙子、淡水、海水、樹(shù)、植物以及構(gòu)成我們的星球的所有其它天然元素)。此外，該地面介質(zhì)可以包括人造元素(例如混凝土、瀝青、建筑材料以及其它人造材料)。在其它實(shí)施例中，損耗傳導(dǎo)介質(zhì)403可以包括除了地球之外的一些介質(zhì)，而無(wú)論天然產(chǎn)生的還是人造的。在其它實(shí)施例中，損耗傳導(dǎo)介質(zhì)403可以包括其它介質(zhì)(例如人造表面和結(jié)構(gòu)(例如汽車、飛行器)、人造材料(例如膠合板、塑料片材或其它材料)或其它介質(zhì))。

在損耗傳導(dǎo)介質(zhì)403包括地面介質(zhì)或地球的情況下，第二介質(zhì)406可以包括大地之上的大氣。故此，大氣可以稱為包括空氣和構(gòu)成地球的大氣的其它元素的“大氣介質(zhì)”。此外，第二介質(zhì)406可能可以包括相對(duì)于損耗傳導(dǎo)介質(zhì)403的其它介質(zhì)。

返回參照?qǐng)D4，可以使用鏡像理論分析使得區(qū)域1中的損耗傳導(dǎo)介質(zhì)403的影響最小化。這種關(guān)于損耗傳導(dǎo)介質(zhì)的分析假設(shè)在引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭之下存在與圖4所示的充電端子T₁上的電荷Q₁和補(bǔ)償端子T₂上的電荷Q₂一致的的所感應(yīng)的有效鏡像電荷Q₁’和Q₂’。這些鏡像電荷Q₁’和Q₂’不僅與充電端子T₁上的主源電荷Q₁和補(bǔ)償端子T₂上的主源電荷Q₂異相180°，如它們?cè)诶硐雽?dǎo)體的情況下將成立的那樣。損耗傳導(dǎo)介質(zhì)(例如比如地面介質(zhì))呈現(xiàn)相移的鏡像。也就是說(shuō)，鏡像電荷Q₁’和Q₂’處于復(fù)數(shù)深度處。為了討論復(fù)數(shù)鏡像，參照Wait,J.R.,“Complex Image Theory—Revisited,”IEEE Antennasand Propagation Magazine,Vol.33,No.4,August 1991,pp.27-29，其通過(guò)其完整引用合并到此。

并非鏡像電荷Q₁’和Q₂’處于等于電荷Q₁和Q₂的物理高度(H_n)的深度處，(表示理想導(dǎo)體的)傳導(dǎo)鏡像大地平面415放置在z＝–d/2的復(fù)數(shù)深度處，并且鏡像電荷出現(xiàn)在–Dn＝–(d/2+d/2+Hn)≠–Hn給出的復(fù)數(shù)深度處(即，“深度”具有幅值和相位二者)，其中，n＝1、2、……，并且對(duì)于垂直偏振源，

其中，

以及 (34)

如方程(12)中所指示的那樣。在損耗傳導(dǎo)介質(zhì)中，波前法線在z＝–d/2處而非在區(qū)域1與2之間的邊界界面處與傳導(dǎo)鏡像大地平面415的正切平行。

鏡像電荷Q₁’和Q₂’的復(fù)數(shù)間距進(jìn)而暗指外部場(chǎng)將經(jīng)歷當(dāng)界面要么是無(wú)損耗介電體要么是理想導(dǎo)體時(shí)并不遭遇的額外相移。損耗介電鏡像理論技術(shù)的本質(zhì)是以通過(guò)具有位于D_n＝d+H_n的復(fù)數(shù)深度處的源鏡像的位于復(fù)數(shù)深度z＝–d/2處的理想導(dǎo)體來(lái)替換有限傳導(dǎo)地球(或損耗介電體)。此后，可以使用(z＝+H_n處的)物理電荷Q_n加上(z'＝–D_n處的)其鏡像Q_n'的疊加來(lái)計(jì)算大地之上(z≥0)的場(chǎng)。

給定前面的討論，損耗傳導(dǎo)介質(zhì)的表面處的徑向表面波導(dǎo)電流的漸近線J_ρ(ρ)可以確定為當(dāng)接近時(shí)是J₁(ρ)并且當(dāng)遠(yuǎn)離時(shí)是J₂(ρ)，其中，

接近(ρ<λ/8)：以及 (36)

遠(yuǎn)離(ρ>>λ/8)：

其中，α和β分別是與遠(yuǎn)離徑向表面電流密度的衰減和傳播相位有關(guān)的常數(shù)。如圖4所示，I₁是對(duì)提升的充電端子T₁上的電荷Q₁進(jìn)行饋電的傳導(dǎo)電流，I₂是對(duì)下補(bǔ)償端子T₂上的Q₂進(jìn)行饋電的傳導(dǎo)電流。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，充電端子T₁的形狀指定為保存實(shí)際上盡可能多的充電。最后，引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400a所發(fā)射的引導(dǎo)表面波的場(chǎng)強(qiáng)度直接與端子T₁上的電荷的數(shù)量成比例。此外，取決于各個(gè)充電端子T₁和補(bǔ)償端子T₂相對(duì)于損耗傳導(dǎo)介質(zhì)403的高度，束縛電容可以存在于各各充電端子T₁和補(bǔ)償端子T₂與損耗傳導(dǎo)介質(zhì)403之間。

可以通過(guò)Q₁＝C₁V₁確定上充電端子T₁上的電荷Q₁，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。在圖4的示例中，球面充電端子T₁可以看作電容器，并且補(bǔ)償端子T₂可以包括圓片或下電容器。然而，在其它實(shí)施例中，端子T₁和/或T₂可以包括可以保存電荷的任何導(dǎo)電物體。例如，端子T₁和/或T₂可以包括任何形狀(例如球面、圓片、圓柱、圓錐、環(huán)面、冠、一個(gè)或多個(gè)環(huán)或任何其它隨機(jī)化形狀或形狀的組合)。如果端子T₁和/或T₂是球面或圓片，則可以計(jì)算各個(gè)自電容C₁和C₂。理想大地之上的h的物理高度處的球面的電容給出為：

C_{elevated sphere}＝4πε_oa(1+M+M²+M³+2M⁴+3M⁵+…)， (38)

其中，球面的直徑是2a，并且M＝a/2h。

在充分隔離的端子的情況下，導(dǎo)電球面的自電容可以近似為C＝4πε_oa，其中，a包括以米為單位的球面的半徑，并且圓片的自電容可以近似為C＝8ε_oa，其中，a包括以米為單位的圓片的半徑。此外，注意，充電端子T₁和補(bǔ)償端子T₂無(wú)需與圖4所示的相同。每個(gè)端子可以具有分離的大小和形狀，并且包括不同的傳導(dǎo)材料。探頭控制系統(tǒng)418被配置為：控制引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400a的操作。

關(guān)于提升的充電端子T₁上的電荷Q₁，考慮與損耗傳導(dǎo)介質(zhì)403的界面處的幾何形狀。如圖3A所示，場(chǎng)比率與波傾斜之間的關(guān)系是：

以及 (39)

對(duì)于傳輸模式(TM)下所發(fā)射的引導(dǎo)表面波的特定情況，波傾斜場(chǎng)比率給出為：

其中，將方程(40)應(yīng)用于引導(dǎo)表面波給出：

在等于復(fù)數(shù)布魯斯特角(θ_i,B)的入射角的情況下，反射系數(shù)消失，如下式所示：

通過(guò)調(diào)整復(fù)數(shù)場(chǎng)比率，可以合成以減少或消除反射的復(fù)數(shù)角度入射的入射場(chǎng)。如在光學(xué)中，使得入射電場(chǎng)的反射最小化可以改進(jìn)耦合到損耗傳導(dǎo)介質(zhì)403的引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式下的能量和/或使其最大化。較大的反射可能阻止和/或防止發(fā)射引導(dǎo)表面波。將該比率建立為給出以復(fù)數(shù)布魯斯特角的入射，使得反射消失。

參照?qǐng)D5，示出關(guān)于在1850kHz的操作頻率處的σ＝0.010mhos/m和相對(duì)介電常數(shù)ε_r＝15的區(qū)域1電導(dǎo)率的方程(20b)和(21)的一階漢克爾函數(shù)的幅值的圖線的示例。曲線503是方程(20b)的遠(yuǎn)離漸近線的幅值，曲線506是方程(21)的接近漸近線的幅值，其中，漢克爾超前點(diǎn)509產(chǎn)生在R_x＝54英尺的距離處。在漢克爾超前點(diǎn)509處，雖然幅值相等，但相位偏移存在于兩個(gè)漸近線之間。根據(jù)各個(gè)實(shí)施例，可以通過(guò)在漢克爾超前點(diǎn)509處匹配復(fù)數(shù)布魯斯特角(θ_i,B)而在鮮有或沒(méi)有反射的情況下沿著損耗傳導(dǎo)介質(zhì)的表面以引導(dǎo)表面波的形式發(fā)射引導(dǎo)電磁場(chǎng)。

超越漢克爾超前點(diǎn)509，大輻角漸近線掌控漢克爾函數(shù)的“接近”表示，并且方程(3)的模式匹配電場(chǎng)的垂直分量漸近地傳遞到：

其與端子電壓處的提升的充電端子的電容的隔離組件上的自由電荷線性地成比例，q_free＝C_free×V_T。提升的充電端子T₁(圖4)的高度H₁影響充電端子T₁上的自由電荷的量。當(dāng)充電端子T₁靠近鏡像大地平面415(圖4)時(shí)，端子上的多數(shù)電荷Q₁“束縛”到其鏡像電荷。隨著充電端子T₁提升，束縛電荷變少，直到充電端子T₁到達(dá)實(shí)質(zhì)上所有隔離電荷是自由的高度。

用于充電端子T₁的增加的電容性提升的優(yōu)點(diǎn)在于，從鏡像大地平面415進(jìn)一步移除提升的充電端子T₁上的電荷，產(chǎn)生增加的自由電荷q_free的量，以將能量耦合到引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式下。

圖6A和圖6B是示出提升(h)對(duì)具有D＝32英寸的直徑的球面充電端子上的自由電荷分布的影響的圖線。圖6A示出關(guān)于理想大地平面之上的6英尺(曲線603)、10英尺(曲線606)和34英尺(曲線609)的物理高度的球面端子周圍的電荷的角向分布。由于充電端子從大地平面移動(dòng)遠(yuǎn)離，因此電荷分布變得相對(duì)于球面端子更均勻地分布。在圖6B中，曲線612是基于方程(38)的作為以英尺為單位的物理高度(h)的函數(shù)的球面端子的電容的圖線。對(duì)于具有32英寸的直徑的球面，隔離電容(C_iso)是45.2pF，其在圖6B中示出為直線615。從圖6A和圖6B可見(jiàn)，對(duì)于大約四倍直徑(4D)或更大的充電端子T₁的提升，電荷分布關(guān)于球面端子近似是均勻的，這樣可以改進(jìn)對(duì)引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式的耦合。耦合的量可以表達(dá)為在引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式下發(fā)射引導(dǎo)表面波的效率(或“發(fā)射效率”)。接近100％的發(fā)射效率是可能的。例如，可以實(shí)現(xiàn)大于99％、大于98％、大于95％、大于90％、大于85％、大于80％以及大于75％的發(fā)射效率。

然而，通過(guò)入射場(chǎng)(E)的射線光學(xué)解釋，在更大的充電端子高度處，以布魯斯特角與損耗傳導(dǎo)介質(zhì)相交的射線以距各個(gè)引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭實(shí)質(zhì)上更大的距離進(jìn)行該操作。圖7以圖形方式示出在電場(chǎng)以布魯斯特角入射的情況下增加球面的物理高度對(duì)距離的影響。隨著高度從h₁通過(guò)h₂增加到h₃，電場(chǎng)以布魯斯特角與損耗傳導(dǎo)介質(zhì)(例如地球)相交的點(diǎn)進(jìn)一步移動(dòng)遠(yuǎn)離電荷。源自這些較大距離處的幾何擴(kuò)展的較弱電場(chǎng)強(qiáng)度減少對(duì)引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式的耦合的有效性。以另一方式聲明，發(fā)射引導(dǎo)表面波的效率(或“發(fā)射效率”)減少。然而，可以提供補(bǔ)償，其減少電場(chǎng)以布魯斯特角通過(guò)損耗傳導(dǎo)介質(zhì)入射的距離，如將描述的那樣。

現(xiàn)參照?qǐng)D8A，關(guān)于在漢克爾超前距離(R_x)處具有復(fù)數(shù)布魯斯特角(θ_i,B)的充電端子T₁的入射電場(chǎng)(E)的射線光學(xué)解釋示出復(fù)數(shù)角三角法的示例。從方程(42)回顧，對(duì)于損耗傳導(dǎo)介質(zhì)，布魯斯特角是復(fù)數(shù)并且指定為：

以電方式，通過(guò)下式，幾何參數(shù)與充電端子T₁的電有效高度(h_eff)有關(guān)：

R_xtanψ_i，B＝R_x×W＝h_eff＝h_pe^jΦ， (46)

其中，Ψ_i,B＝(π/2)-θ_i,B是從損耗傳導(dǎo)介質(zhì)的表面測(cè)量的布魯斯特角。為了耦合到引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式下，漢克爾超前距離處的電場(chǎng)的波傾斜可以表達(dá)為電有效高度與漢克爾超前距離的比率：

由于物理高度(h_p)和漢克爾超前距離(R_x)都是實(shí)數(shù)參量，因此漢克爾超前距離處的期望的引導(dǎo)表面波傾斜(W_Rx)的角度等于復(fù)數(shù)有效高度(h_eff)的相位(Φ)。這暗示，通過(guò)改變線圈的供電點(diǎn)處的相位，并且因此方程(32)中的相移，復(fù)數(shù)有效高度可以受操控并且波傾斜受調(diào)整，以在漢克爾超前點(diǎn)509處合成地匹配引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式。

在圖8A中，描述漢克爾超前點(diǎn)與充電端子T₁之間的具有沿著損耗傳導(dǎo)介質(zhì)表面的長(zhǎng)度R_x的鄰邊以及在R_x處的漢克爾超前點(diǎn)與充電端子T₁的中心之間延伸的射線與損耗傳導(dǎo)介質(zhì)表面之間所測(cè)量的復(fù)數(shù)布魯斯特角ψ_i,B的直角三角形。在位于物理高度h_p處并且以具有適當(dāng)相位Φ的電荷激勵(lì)的充電端子T₁情況下，所得電場(chǎng)在漢克爾超前距離R_x處并且以布魯斯特角通過(guò)損耗傳導(dǎo)介質(zhì)邊界界面入射。在這些條件下，可以在沒(méi)有反射或?qū)嵸|(zhì)上可忽略的反射的情況下激勵(lì)引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式。

然而，方程(46)意味著，引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400a(圖4)的物理高度可以是相對(duì)小的。雖然這將激勵(lì)引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式，但提升的電荷Q₁對(duì)其鏡像Q₁’(見(jiàn)圖4)的接近性可能產(chǎn)生鮮有自由電荷的不當(dāng)?shù)拇笫`電荷。為了進(jìn)行補(bǔ)償，充電端子T₁可以上升到適當(dāng)?shù)母叱?，以增加自由電荷的量。作為一個(gè)示例經(jīng)驗(yàn)規(guī)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(或更大)的高程處。挑戰(zhàn)在于，隨著充電端子高度增加，以布魯斯特角與損耗導(dǎo)電介質(zhì)相交的射線在更大的距離處進(jìn)行該操作，如圖7所示，其中，電場(chǎng)更弱達(dá)的因子。

圖8B示出將充電端子T₁提升得大于圖8A的高度的效果。增加的高程產(chǎn)生波傾斜通過(guò)損耗導(dǎo)電介質(zhì)入射以移動(dòng)超越漢克爾超前點(diǎn)509的距離。為了改進(jìn)引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式下的耦合，并且因此提供引導(dǎo)表面波的更大的發(fā)射效率，下補(bǔ)償端子T₂可以用于調(diào)整充電端子T₁的總有效高度(h_TE)，從而漢克爾超前距離處的波傾斜處于布魯斯特角。例如，如果充電端子T₁已經(jīng)提升到電場(chǎng)在大于漢克爾超前點(diǎn)509的距離處以布魯斯特角與損耗導(dǎo)電介質(zhì)相交的高度，如直線803所示，則補(bǔ)償端子T₂可以用于通過(guò)補(bǔ)償增加的高度來(lái)調(diào)整h_TE。補(bǔ)償端子T₂的效果是，減少引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭的電有效高度(或有效地提升損耗介質(zhì)界面)，從而漢克爾超前距離處的波傾斜處于布魯斯特角，如直線806所示。

總有效高度可以寫(xiě)為與充電端子T₁關(guān)聯(lián)的上有效高度(h_UE)和與補(bǔ)償端子T₂關(guān)聯(lián)的下有效高度(h_LE)的疊加，從而

其中，Φ_U是施加到上充電端子T₁的相位延遲，Φ_L是施加到下補(bǔ)償端子T₂的相位延遲，并且β＝2π/λ_p是來(lái)自方程(30)的傳播因子。如果考慮額外導(dǎo)線長(zhǎng)度，則可以通過(guò)將充電端子導(dǎo)線長(zhǎng)度z與充電端子T₁的物理高度h_p相加并且將補(bǔ)償端子導(dǎo)線長(zhǎng)度y與補(bǔ)償端子T₂的物理高度h_d相加來(lái)考慮它們，如下式所示：

下有效高度可以用于將總有效高度(h_TE)調(diào)整為等于圖8A的復(fù)數(shù)有效高度(h_eff)。

方程(48)或(49)可以用于確定補(bǔ)償端子T₂的下圓片的物理高度和用于對(duì)端子進(jìn)行饋電的相位角，以獲得漢克爾超前距離處的期望波傾斜。例如，方程(49)可以寫(xiě)為作為補(bǔ)償端子高度(h_d)的函數(shù)的施加到充電端子T₁的相移，以給出：

為了確定補(bǔ)償端子T₂的定位，可以利用以上所討論的關(guān)系式。首先，總有效高度(h_TE)是上充電端子T₁的復(fù)數(shù)有效高度(h_UE)和下補(bǔ)償端子T₂的復(fù)數(shù)有效高度(h_LE)的疊加，如方程(49)中所表達(dá)的那樣。接下來(lái)，入射角的正切可以通過(guò)幾何方式表達(dá)為：

其為波傾斜W的定義。最后，給定期望的漢克爾超前距離R_x，可以調(diào)整h_TE，以使得入射電場(chǎng)的波傾斜匹配漢克爾超前點(diǎn)509處的復(fù)數(shù)布魯斯特角?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整h_p、Φ_U和/或h_d來(lái)實(shí)現(xiàn)該情況。

當(dāng)在引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭的示例的上下文中討論時(shí)，可以更好地理解這些概念。參照?qǐng)D9A和圖9B，示出包括充電端子T₁的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400b和400c的示例的圖形表示。AC源912充當(dāng)用于充電端子T₁的激勵(lì)源(圖4的412)，其通過(guò)包括線圈909(例如螺旋線圈)的耦合電路(圖4的409)耦合到引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400b。如圖9A所示，引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400b可以包括沿著實(shí)質(zhì)上與損耗傳導(dǎo)介質(zhì)403所呈現(xiàn)的平面正交的垂直軸z定位的上充電端子T₁(例如高度h_T處的球面)以及下補(bǔ)償端子T₂(例如高度h_d處的圓片)。第二介質(zhì)406位于損耗傳導(dǎo)介質(zhì)403之上。充電端子T₁具有自電容C_p，并且補(bǔ)償端子T₂具有自電容C_d。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分別施加在端子T₁和T₂上。

在圖9A的示例中，線圈909在第一端處耦合到大地樁915，并且在第二端處耦合到補(bǔ)償端子T₂。在一些實(shí)現(xiàn)方式中，可以使用圖9A所示的線圈909的第二端處的抽頭921來(lái)調(diào)整對(duì)補(bǔ)償端子T₂的連接。AC源912可以通過(guò)線圈909的下部分處的抽頭924在操作頻率處對(duì)線圈909進(jìn)行供能。在其它實(shí)現(xiàn)方式中，AC源912可以通過(guò)主級(jí)線圈以感應(yīng)方式耦合到線圈909。通過(guò)耦合到線圈909的抽頭918對(duì)充電端子T₁進(jìn)行供能。位于線圈909與大地樁915之間的安培表927可以用于在引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭的基座處提供電流流動(dòng)的幅值的指示。替代地，可以在耦合到大地樁915的導(dǎo)體周圍使用電流鉗，以獲得電流流動(dòng)的幅值的指示。補(bǔ)償端子T₂位于損耗傳導(dǎo)介質(zhì)403(例如大地)之上并且實(shí)質(zhì)上與之平行。

引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400的構(gòu)造和調(diào)整基于各種操作條件(例如傳輸頻率、損耗導(dǎo)電介質(zhì)的條件(例如土壤電導(dǎo)率σ和相對(duì)介電常數(shù)ε_r)以及充電端子T₁的大小)?？梢詮姆匠?10)和(11)將折射率計(jì)算為：

其中，x＝σ/ωε_o，其中，ω＝2πf，并且可以從方程(42)將從表面法線測(cè)量的復(fù)數(shù)布魯斯特角(θ_i,B)確定為：

或從如圖8A所示的表面測(cè)量為：

也可以使用方程(47)求解漢克爾超前距離處的波傾斜。

也可以通過(guò)使得方程(20b)和(21)相等并且關(guān)于R_x進(jìn)行求解來(lái)求出漢克爾超前距離。然后可以使用漢克爾超前距離和復(fù)數(shù)布魯斯特角從方程(46)將電有效高度確定為：

h_eff＝R_xtanψ_i，B＝h_pe^jΦ。 (55)

從方程(55)可見(jiàn)，復(fù)數(shù)有效高度(h_eff)包括與充電端子T₁的物理高度(h_p)關(guān)聯(lián)的幅值以及待與漢克爾超前距離處的波傾斜的角度(Ψ)關(guān)聯(lián)的相位(Φ)。通過(guò)這些可變的和所選擇的充電端子T₁配置，可以確定引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400的配置。

通過(guò)所選擇的充電端子T₁配置，可以確定球面直徑(或有效球面直徑)。例如，如果充電端子T₁并未被配置作為球面，則端子配置可以建模為具有有效球面直徑的球面電容。可以選取充電端子T₁的大小以提供用于端子上所施加的電荷Q₁的足夠大的表面。通常，期望使得充電端子T₁如實(shí)際那樣大。充電端子T₁的大小應(yīng)大得足以避免電離周圍空氣(這可能導(dǎo)致充電端子周圍的電放電或點(diǎn)火)。如先前關(guān)于圖6A和圖6B所討論的那樣，為了減少充電端子T₁上的束縛電荷的量，充電端子T₁的期望的高程應(yīng)是有效球面直徑的4-5倍(或更大)。如果充電端子T₁的高程小于使用方程(55)所確定的復(fù)數(shù)有效高度(h_eff)所指示的物理高度(h_p)，則充電端子T₁應(yīng)位于損耗導(dǎo)電介質(zhì)(例如地球)之上的h_T＝h_p的物理高度處。如果充電端子T₁位于h_p處，則在不使用補(bǔ)償端子T₂的情況下，在漢克爾超前距離(R_x)處將產(chǎn)生引導(dǎo)表面波傾斜。圖9B示出沒(méi)有補(bǔ)償端子T₂的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400c的示例。

返回參照?qǐng)D9A，當(dāng)充電端子T₁的高程大于所確定的復(fù)數(shù)有效高度(h_eff)所指示的物理高度(h_p)時(shí)，可以包括補(bǔ)償端子T₂。如關(guān)于圖8B所討論的那樣，補(bǔ)償端子T₂可以用于調(diào)整引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400的總有效高度(h_TE)，以激勵(lì)在R_x處具有引導(dǎo)表面波傾斜的電場(chǎng)。補(bǔ)償端子T₂可以在h_d＝h_T-h_p的物理高度處位于充電端子T₁之下，其中，h_T是充電端子T₁的總物理高度。在補(bǔ)償端子T₂的位置是固定的并且相位延遲Φ_L施加到下補(bǔ)償端子T₂的情況下，可以使用方程(50)確定施加到上充電端子T₁的相位延遲Φ_U。

當(dāng)安裝引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400時(shí)，可以如下調(diào)整方程(48)-(50)的相位延遲Φ_U和Φ_L。初始地，關(guān)于操作頻率(f_o)確定復(fù)數(shù)有效高度(h_eff)和漢克爾超前距離(R_x)。為了使得束縛電容和對(duì)應(yīng)束縛電荷最小化，上充電端子T₁位于充電端子T₁的球面直徑(或等效球面直徑)的至少四倍的總物理高度(h_T)處。注意，同時(shí)，上充電端子T₁也應(yīng)位于復(fù)數(shù)有效高度(h_eff)的至少幅值(h_p)的高度處。如果h_T>h_p，則下補(bǔ)償端子T₂可以位于h_d＝h_T-h_p的物理高度處，如圖9A所示。在上充電端子T₁尚未耦合到線圈909的情況下，補(bǔ)償端子T₂可以于是耦合到線圈909。AC源912以使得反射最小化并且使得對(duì)線圈909的耦合最大化的這樣的方式耦合到線圈909。為此，AC源912可以在適當(dāng)?shù)狞c(diǎn)處(例如，在使得耦合最大化的50Ω點(diǎn)處)耦合到線圈909。在一些實(shí)施例中，AC源912可以經(jīng)由阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)耦合到線圈909。例如，包括電容器(例如抽頭式或可變)和/或電容器/電感器組合(例如抽頭式或可變)的簡(jiǎn)單L網(wǎng)絡(luò)可以匹配操作頻率，從而當(dāng)耦合到線圈909時(shí)，AC源912看到50Ω負(fù)載?？梢匀缓箨P(guān)于在操作頻率處與線圈的至少一部分的并聯(lián)諧振而調(diào)整補(bǔ)償端子T₂。例如，線圈909的第二端處的抽頭921可以重新定位。雖然關(guān)于諧振而調(diào)整補(bǔ)償端子電路有助于充電端子連接的后續(xù)調(diào)整，但不必在漢克爾超前距離(R_x)處建立引導(dǎo)表面波傾斜(W_Rx)。上充電端子T₁可以于是耦合到線圈909。

在該上下文中，圖10示出圖9A的普通電布線的示意圖，其中，V₁是通過(guò)抽頭924從AC源912施加到線圈909的下部分的電壓，V₂是提供給上充電端子T₁的抽頭918處的電壓，V₃是通過(guò)抽頭921施加到下補(bǔ)償端子T₂的電壓。電阻R_p和R_d分別表示充電端子T₁和補(bǔ)償端子T₂的大地回路電阻(return resistance)。充電端子T₁和補(bǔ)償端子T₂可以被配置作為球面、圓柱、環(huán)形、環(huán)、冠或電容性結(jié)構(gòu)的任何其它組合。可以選取充電端子T₁和補(bǔ)償端子T₂的大小，以提供用于施加到端子的電荷Q₁和Q₂的足夠大的表面。通常，期望使得充電端子T₁如實(shí)際那樣大。充電端子T₁的大小應(yīng)大得足以避免電離周圍空氣(這可能導(dǎo)致充電端子周圍的電放電或點(diǎn)火)?？梢岳珀P(guān)于方程(38)如所公開(kāi)的那樣對(duì)于球面和圓片確定自電容C_p和C_d。

在圖10中可見(jiàn)，通過(guò)線圈909的電感的至少一部分、補(bǔ)償端子T₂的自電容C_d以及與補(bǔ)償端子T₂關(guān)聯(lián)的大地回路電阻R_d來(lái)形成諧振電路。可以通過(guò)調(diào)整施加到補(bǔ)償端子T₂的電壓V₃(例如，通過(guò)調(diào)整線圈909上的抽頭921位置)或通過(guò)調(diào)整補(bǔ)償端子T₂的高度和/或大小以調(diào)整C_d來(lái)建立并聯(lián)諧振?？梢躁P(guān)于并聯(lián)諧振而調(diào)整線圈抽頭921的位置，這樣將產(chǎn)生通過(guò)大地樁915并且通過(guò)安培表927的大地電流到達(dá)最大點(diǎn)。在已經(jīng)建立補(bǔ)償端子T₂的并聯(lián)諧振之后，可以將用于AC源912的抽頭924的位置調(diào)整到線圈909上的50Ω點(diǎn)。

來(lái)自線圈909的電壓V₂可以然后通過(guò)抽頭918施加到充電端子T₁?？梢哉{(diào)整抽頭918的位置，從而總有效高度(h_TE)的相位(Φ)近似等于漢克爾超前距離(R_x)處的引導(dǎo)表面波傾斜的角度(Ψ)。調(diào)整線圈抽頭918的位置，直到到達(dá)該操作點(diǎn)，這樣產(chǎn)生通過(guò)安培表927的大地電流增加到最大值。在該點(diǎn)處，引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400b(圖9A)所激勵(lì)的所得場(chǎng)實(shí)質(zhì)上與損耗傳導(dǎo)介質(zhì)403的表面上的引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式是模式匹配的，產(chǎn)生沿著損耗傳導(dǎo)介質(zhì)403的表面發(fā)射引導(dǎo)表面波(圖4、圖9A、圖9B)?？梢酝ㄟ^(guò)沿著從引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400延伸的徑向測(cè)量場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)驗(yàn)證該情況(圖4、圖9A、圖9B)。包括補(bǔ)償端子T₂的電路的諧振可以隨著充電端子T₁的附連和/或隨著通過(guò)抽頭921施加到充電端子T₁的電壓的調(diào)整而改變。雖然關(guān)于諧振而調(diào)整補(bǔ)償端子電路有助于充電端子連接的后續(xù)調(diào)整，但不必在漢克爾超前距離(R_x)處建立引導(dǎo)表面波傾斜(W_Rx)?？梢赃M(jìn)一步調(diào)整系統(tǒng)，以通過(guò)將用于AC源912的抽頭924的位置迭代地調(diào)整為處于線圈909上的50Ω點(diǎn)處并且調(diào)整抽頭918的位置以使得通過(guò)安培表927的大地電流最大化來(lái)改進(jìn)耦合。隨著抽頭918和924的位置受調(diào)整，或當(dāng)其它組件附連到線圈909時(shí)，包括補(bǔ)償端子T₂的電路的諧振可能漂移。

如果h_T≤h_p，則無(wú)需補(bǔ)償端子T₂調(diào)整引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400c的總有效高度(h_TE)，如圖9B所示。在充電端子位于h_p處的情況下，電壓V₂可以從線圈909通過(guò)抽頭918施加到充電端子T₁。于是可以確定產(chǎn)生近似等于漢克爾超前距離(R_x)處的引導(dǎo)表面波傾斜的角度(Ψ)的總有效高度(h_TE)的相位(Φ)的抽頭918的位置。調(diào)整線圈抽頭918的位置，直到到達(dá)該操作點(diǎn)，這樣產(chǎn)生通過(guò)安培表927的大地電流增加到最大值。在該點(diǎn)處，所得場(chǎng)實(shí)質(zhì)上與損耗傳導(dǎo)介質(zhì)403的表面上的引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式是模式匹配的，由此沿著損耗傳導(dǎo)介質(zhì)403的表面發(fā)射引導(dǎo)表面波?？梢酝ㄟ^(guò)沿著從引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400延伸的徑向測(cè)量場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)驗(yàn)證該情況。可以進(jìn)一步調(diào)整系統(tǒng)，以通過(guò)將用于AC源912的抽頭924的位置迭代地調(diào)整為處于線圈909上的50Ω點(diǎn)處并且調(diào)整抽頭918的位置以使得通過(guò)安培表927的大地電流最大化來(lái)改進(jìn)耦合。

在一個(gè)實(shí)驗(yàn)示例中，構(gòu)造引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400b，以在1.879MHz處驗(yàn)證所提出的結(jié)構(gòu)的操作。引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400b的位點(diǎn)處的土壤電導(dǎo)率確定為σ＝0.0053mhos/m，并且相對(duì)介電常數(shù)是ε_r＝28。使用這些值，方程(52)所給出的折射率確定為n＝6.555–j3.869?；诜匠?53)和(54)，復(fù)數(shù)布魯斯特角求解為θ_i,B＝83.517–j3.783度或Ψ_i,B＝6.483+j3.783度。

使用方程(47)，引導(dǎo)表面波傾斜計(jì)算為W_Rx＝0.113+j0.067＝0.131ej(30.551°)。也可以通過(guò)使得方程(20b)和(21)相等并且關(guān)于R_x進(jìn)行求解來(lái)求出R_x＝54英尺的漢克爾超前距離。使用方程(55)，復(fù)數(shù)有效高度(h_eff＝h_p e^jΦ)確定為h_p＝7.094英尺(相對(duì)于損耗傳導(dǎo)介質(zhì))，并且Φ＝30.551度(相對(duì)于大地電流)。注意，相位Φ等于引導(dǎo)表面波傾斜的輻角Ψ。然而，h_p＝7.094英尺的物理高度是相對(duì)小的。雖然這將激勵(lì)引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式，但提升的充電端子T₁對(duì)地球(及其鏡像)的接近性將產(chǎn)生大量的束縛電荷以及十分少的自由電荷。由于引導(dǎo)表面波場(chǎng)強(qiáng)度與充電端子上的自由電荷成比例，因此增加的高程是期望的。

為了增加自由電荷的量，充電端子T₁的物理高度設(shè)置為h_p＝17英尺，其中，補(bǔ)償端子T₂位于充電端子T₁之下。用于連接的額外導(dǎo)線長(zhǎng)度近似是y＝2.7英尺以及z＝1英尺。使用這些值，使用方程(50)來(lái)確定補(bǔ)償端子T₂的高度(h_d)。在圖11中以圖形方式示出該情況，圖11分別示出Φ_U的虛部的圖線130和實(shí)部的圖線160。補(bǔ)償端子T₂位于高度h_d處，其中，Im{Φ_U}＝0，如圖線130中以圖形方式所示。在此情況下，將虛部設(shè)置為零給出h_d＝8.25英尺的高度。在該固定高度處，線圈相位Φ_U可以從Re{Φ_U}確定為+22.84度，如圖線160中以圖形方式所示。

如先前所討論的那樣，總有效高度是與充電端子T₁關(guān)聯(lián)的上有效高度(h_UE)和與補(bǔ)償端子T₂關(guān)聯(lián)的下有效高度(h_LE)的疊加，如方程(49)中所表達(dá)的那樣。在線圈抽頭調(diào)整為22.84度的情況下，復(fù)數(shù)上有效高度給出為：

(或在35.21°處的18.006)，并且復(fù)數(shù)下有效高度給出為：

(或-141.773°處的10.950)?？傆行Ц叨?h_TE)是這兩個(gè)值的疊加，其給出：

h_TE＝h_UE+h_LE＝6.109-j3.606＝7.094e^j(30.551°)。 (58)

可見(jiàn)，線圈相位匹配所計(jì)算的引導(dǎo)表面波傾斜W_Rx的角度?？梢匀缓笳{(diào)整引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭，以使得大地電流最大化。如先前關(guān)于圖9A所討論的那樣，可以通過(guò)將用于AC源912的抽頭924的位置迭代地調(diào)整為處于線圈909上的50Ω點(diǎn)處并且調(diào)整抽頭918的位置以使得通過(guò)安培表927的大地電流最大化來(lái)改進(jìn)引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式耦合。

執(zhí)行場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量，以驗(yàn)證引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400b(圖9A)耦合到引導(dǎo)表面波或傳輸線模式下的能力。參照?qǐng)D12，示出對(duì)于場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量所使用的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭的圖像。圖12示出包括皆制造為環(huán)的上充電端子T₁和下補(bǔ)償端子T₂的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400b。絕緣結(jié)構(gòu)將充電端子T₁支撐在補(bǔ)償端子T₂之上。例如，RF絕緣纖維玻璃桅桿可以用于支撐充電端子T₁和補(bǔ)償端子T₂。應(yīng)理解，絕緣支撐結(jié)構(gòu)可以被配置為：使用例如絕緣拉索引線和滑輪組、螺旋齒輪或其它適當(dāng)?shù)臋C(jī)構(gòu)來(lái)調(diào)整充電端子T₁和補(bǔ)償端子T₂的位置。線圈用在耦合電路中，其中，線圈的一端接地到RF絕緣纖維玻璃桅桿的基座附近的8英尺大地桿。AC源通過(guò)抽頭連接耦合到線圈的右側(cè)(V₁)，并且用于充電端子T₁和補(bǔ)償端子T₂的抽頭位于線圈的中心(V₂)和左邊(V₃)。圖9A以圖形方式示出線圈909上的抽頭位置。

引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400b在1879kHz的頻率處受電力供電。在64pF的電容的情況下，上充電端子T₁上的電壓是15.6V_peak-peak(5.515V_RMS)。使用FIM-41FS儀表(Potomac Instruments公司，Silver Spring，MD)沿著從引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400b延伸的徑向在預(yù)定距離處進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)度(FS)測(cè)量。在以下表1中指示用于具有35％的電發(fā)射效率的引導(dǎo)表面波傳輸模式的測(cè)量數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)值。超越漢克爾超前距離(R_x)，大輻角漸近線掌控漢克爾函數(shù)的“接近”表示，模式匹配電的垂直分量漸近地傳遞到方程(44)，其與充電端子上的自由電荷線性地成比例。表1示出測(cè)量值和預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。當(dāng)使用精確繪圖應(yīng)用(Mathcad)繪制時(shí)，發(fā)現(xiàn)測(cè)量值擬合與38％對(duì)應(yīng)的電發(fā)射效率曲線，如圖13所示。對(duì)于充電端子T₁上的15.6V_pp，場(chǎng)強(qiáng)度曲線(Zenneck@38％)1英里處通過(guò)363μV/m(并且在1km處通過(guò)553μV/m)，并且與電容(C_p)和所施加的端子電壓線性地成比例。

表1

較低電發(fā)射效率可以歸因于上充電端子T₁的高度。甚至在充電端子T₁提升到17英尺的物理高度的情況下，束縛電荷減少引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400b的效率。甚至在發(fā)現(xiàn)所耦合的波匹配38％電發(fā)射效率曲線的該低高度(h_d/λ＝0.032)處，增加充電端子T₁的高度將改進(jìn)引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400b的發(fā)射效率。此外，在圖13中可見(jiàn)，(除了8英尺大地桿之外沒(méi)有大地系統(tǒng)的)圖9A的適度17英尺引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400b在1879kHz處在1-6英里的范圍中展現(xiàn)比具有廣闊大地系統(tǒng)的完全四分之一波塔(λ/4Norton＝131英尺高)更好的場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)10dB。增加充電端子T₁的高程并且增加補(bǔ)償端子T₂的高度以及線圈相位Φ_U可以改進(jìn)引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式耦合，并且因此改進(jìn)所得電場(chǎng)強(qiáng)度。

在另一實(shí)驗(yàn)示例中，構(gòu)造引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400，以在52MHz(對(duì)應(yīng)于ω＝2πf＝3.267×10⁸弧度/秒)驗(yàn)證所提出的結(jié)構(gòu)的操作。圖14A示出引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400的圖像。圖14B是圖14A的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400的示意圖。偶極子探頭的充電端子T₁與補(bǔ)償端子T₂之間的復(fù)數(shù)有效高度受調(diào)整，以在漢克爾超前距離處匹配R_x倍引導(dǎo)表面波傾斜W_Rx，以發(fā)射引導(dǎo)表面波?？梢酝ㄟ^(guò)改變各端子之間的物理間距、磁鏈路耦合以及其在AC源912與線圈909之間的位置、端子T₁與T₂之間的電壓的相對(duì)相位、充電端子T₁和補(bǔ)償端子T₂相對(duì)于大地或損耗傳導(dǎo)介質(zhì)的高度或其組合來(lái)實(shí)現(xiàn)該情況。在引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400的位點(diǎn)處的損耗傳導(dǎo)介質(zhì)的電導(dǎo)率確定為σ＝0.067mhos/m，并且相對(duì)介電常數(shù)是ε_r＝82.5。使用這些值，折射率確定為n＝9.170–j1.263。復(fù)數(shù)布魯斯特角求出為Ψ_i,B＝6.110+j0.8835度。

也可以通過(guò)使得方程(20b)和(21)相等并且關(guān)于R_x進(jìn)行求解來(lái)求出R_x＝2英尺的漢克爾超前距離。圖15示出52Hz處的超前距離R_x的圖形表示。曲線533是“遠(yuǎn)離”漸近線的圖線。曲線536是“接近”漸近線的圖線。該示例中的數(shù)學(xué)漸近線的兩個(gè)集合的幅值在兩英尺的漢克爾超前點(diǎn)539處是相等的。在52MHz的操作頻率處關(guān)于具有0.067mhos/m的電導(dǎo)率以及ε_r＝82.5的相對(duì)介電常數(shù)(介電率)的水計(jì)算圖線。在較低頻率處，漢克爾超前點(diǎn)539移動(dòng)得更遠(yuǎn)離。引導(dǎo)表面波傾斜計(jì)算為W_Rx＝0.108e^j(7.851°)。對(duì)于具有6英尺的總高度的偶極子配置，復(fù)數(shù)有效高度(h_eff＝2h_p e^jΦ＝R_x tanΨ_i,B)確定為2h_p＝6英寸，其中Φ＝–172度。當(dāng)將補(bǔ)償端子T₂的相位延遲調(diào)整為實(shí)際條件時(shí)，發(fā)現(xiàn)Φ＝–174度使得在實(shí)驗(yàn)誤差之內(nèi)的引導(dǎo)表面波的模式匹配最大化。

執(zhí)行場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量，以驗(yàn)證圖14A和圖14B的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400耦合到引導(dǎo)表面波或傳輸線模式下的能力。在10V峰峰值施加到3.5pF端子T₁和T₂的情況下，引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400所激勵(lì)的電場(chǎng)受測(cè)量并且繪制于圖16中。可見(jiàn)，所測(cè)量的場(chǎng)強(qiáng)度落在90％和100％的Zenneck曲線之間。用于諾頓半波雙極天線的測(cè)量值明顯更小。

接下來(lái)參照?qǐng)D17，示出包括沿著實(shí)質(zhì)上與損耗傳導(dǎo)介質(zhì)403所呈現(xiàn)的平面正交的垂直軸z定位的上充電端子T₁(例如高度h_T處的球面)和下補(bǔ)償端子T₂(例如高度h_d處的圓片)的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400d的另一示例的圖形表示。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。

如圖9A和圖9B中那樣，AC源912充當(dāng)用于充電端子T₁的激勵(lì)源(圖4的412)。AC源912通過(guò)包括線圈909的耦合電路(圖4的409)耦合到引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400d。AC源912可以通過(guò)抽頭924穿過(guò)線圈909的下部分而連接，如圖17所示，或可以通過(guò)主級(jí)線圈的方式以感應(yīng)方式耦合到線圈909。線圈909可以在第一端處耦合到大地樁915并且在第二端處耦合到充電端子T₁。在一些實(shí)現(xiàn)方式中，可以在線圈909的第二端處使用抽頭930來(lái)調(diào)整對(duì)充電端子T₁的連接。補(bǔ)償端子T₂位于損耗傳導(dǎo)介質(zhì)403(例如大地或地球)之上并且實(shí)質(zhì)上與之平行，并且通過(guò)耦合到線圈909的抽頭933得以供能。位于線圈909與大地樁915之間的安培表927可以用于在引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭的基座處提供電流流動(dòng)(I₀)的幅值的指示。替代地，可以在耦合到大地樁915的導(dǎo)體周圍使用電流鉗，以獲得電流流動(dòng)(I₀)的幅值的指示。

與圖9A的配置比較，在圖17的實(shí)施例中，對(duì)充電端子T₁的連接(抽頭930)已經(jīng)向上移動(dòng)到用于補(bǔ)償端子T₂的抽頭933的連接點(diǎn)之上。這種調(diào)整允許增加的電壓(并且因此更高的電荷Q₁)施加到上充電端子T₁。如在圖9A的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400b的情況下那樣，可以調(diào)整引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400d的總有效高度(h_TE)，以激勵(lì)在漢克爾超前距離處具有引導(dǎo)表面波傾斜的電場(chǎng)。也可以通過(guò)使得方程(20b)和(21)相等并且關(guān)于R_x進(jìn)行求解來(lái)求出漢克爾超前距離?？梢匀缫陨戏匠?52)-(55)所描述的那樣確定折射率(n)、復(fù)數(shù)布魯斯特角(θ_i,B和Ψ_i,B)、波傾斜(|W|e^jΨ)以及復(fù)數(shù)有效高度(h_eff＝h_p e^jΦ)。

通過(guò)所選擇的充電端子T₁配置，可以確定球面直徑(或有效球面直徑)。例如，如果充電端子T₁并未被配置作為球面，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取充電端子T₁的大小以提供用于端子上所施加的電荷Q₁的足夠大的表面。通常，期望使得充電端子T₁如實(shí)際那樣大。充電端子T₁的大小應(yīng)大得足以避免電離周圍空氣(這可能導(dǎo)致充電端子周圍的電放電或點(diǎn)火)。為了減少充電端子T₁上的束縛電荷的量，用于在充電端子T₁上提供自由電荷以用于發(fā)射引導(dǎo)表面波的期望高程應(yīng)是損耗導(dǎo)電介質(zhì)(例如地球)之上的有效球面直徑的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400d的總有效高度(h_TE)，以激勵(lì)在R_x處具有引導(dǎo)表面波傾斜的電場(chǎng)。補(bǔ)償端子T₂可以在h_d＝h_T-h_p處位于充電端子T₁之下，其中，h_T是充電端子T₁的總物理高度。在補(bǔ)償端子T₂的位置是固定的并且相位延遲Φ_U施加到上充電端子T₁的情況下，可以使用方程(49)的關(guān)系式來(lái)確定施加到下補(bǔ)償端子T₂的相位延遲Φ_L。

在替選實(shí)施例中，補(bǔ)償端子T₂可以位于高度h_d處，其中，Im{Φ_L}＝0。

在AC源912耦合到線圈909的情況下(例如，在50Ω點(diǎn)處，以使得耦合最大化)，可以關(guān)于在操作頻率處補(bǔ)償端子T₂與線圈的至少一部分的并聯(lián)諧振而調(diào)整抽頭933的位置。來(lái)自線圈909的電壓V₂可以施加到充電端子T₁，并且抽頭930的位置可以受調(diào)整，從而總有效高度(h_TE)的相位(Ψ)近似等于漢克爾超前距離(R_x)處的引導(dǎo)表面波傾斜(W_Rx)的角度?？梢哉{(diào)整線圈抽頭930的位置，直到到達(dá)該操作點(diǎn)，這樣產(chǎn)生通過(guò)安培表927的大地電流增加到最大值。在該點(diǎn)處，引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400d所激勵(lì)的所得場(chǎng)實(shí)質(zhì)上與損耗傳導(dǎo)介質(zhì)403的表面上的引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式是模式匹配的，產(chǎn)生沿著損耗傳導(dǎo)介質(zhì)403的表面發(fā)射引導(dǎo)表面波。可以通過(guò)沿著從引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400延伸的徑向測(cè)量場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)驗(yàn)證該情況。

在其它實(shí)現(xiàn)方式中，來(lái)自線圈909的電壓V₂可以施加到充電端子T₁，并且抽頭933的位置可以受調(diào)整，從而總有效高度(h_TE)的相位(Φ)近似等于R_x處的引導(dǎo)表面波傾斜的角度(Ψ)?？梢哉{(diào)整線圈抽頭930的位置，直到到達(dá)該操作點(diǎn)，產(chǎn)生通過(guò)安培表927的大地電流實(shí)質(zhì)上到達(dá)最大值。所得場(chǎng)實(shí)質(zhì)上與損耗傳導(dǎo)介質(zhì)403的表面上的引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式是模式匹配的，并且引導(dǎo)表面波沿著損耗傳導(dǎo)介質(zhì)403的表面得以發(fā)射?？梢酝ㄟ^(guò)沿著從引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400延伸的徑向測(cè)量場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)驗(yàn)證該情況?？梢赃M(jìn)一步調(diào)整系統(tǒng)，以通過(guò)將用于AC源912的抽頭924的位置迭代地調(diào)整為處于線圈909上的50Ω點(diǎn)處并且調(diào)整抽頭930和/或933的位置以使得通過(guò)安培表927的大地電流最大化來(lái)改進(jìn)耦合。

圖18是示出包括沿著實(shí)質(zhì)上與損耗傳導(dǎo)介質(zhì)403所呈現(xiàn)的平面正交的垂直軸z定位的上充電端子T₁(例如高度h_T處的球面)和下補(bǔ)償端子T₂(例如高度h_d處的圓片)的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400e的另一示例的圖形表示。在圖18的示例中，充電端子T₁(例如高度h_T處的球面)和補(bǔ)償端子T₂(例如高度h_d處的圓片)耦合到線圈909的相對(duì)端。例如，充電端子T₁可以經(jīng)由抽頭936連接在線圈909的第一端處，并且補(bǔ)償端子T₂可以經(jīng)由抽頭939連接在線圈909的第二端處，如圖18所示。補(bǔ)償端子T₂位于損耗傳導(dǎo)介質(zhì)403(例如大地或地球)之上并且實(shí)質(zhì)上與之平行。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912充當(dāng)用于充電端子T₁的激勵(lì)源(圖4的412)。AC源912通過(guò)包括線圈909的耦合電路(圖4的409)耦合到引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400e。在圖18的示例中，AC源912通過(guò)抽頭式連接942和943連接跨越線圈909的中間部分。在其它實(shí)施例中，AC源912可以通過(guò)主級(jí)線圈以感應(yīng)方式耦合到線圈909。AC源912的一側(cè)還耦合到大地樁915，其提供線圈909上的接地點(diǎn)。位于線圈909與大地樁915之間的安培表927可以用于在引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400e的基座處提供電流流動(dòng)的幅值的指示。替代地，可以在耦合到大地樁915的導(dǎo)體周圍使用電流鉗，以獲得電流流動(dòng)的幅值的指示。

可以調(diào)整引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400e的總有效高度(h_TE)，以激勵(lì)在漢克爾超前距離R_x處具有引導(dǎo)表面波傾斜的電場(chǎng)，如先前已經(jīng)討論的那樣。也可以通過(guò)使得方程(20b)和(21)相等并且關(guān)于R_x進(jìn)行求解來(lái)求出漢克爾超前距離。可以如以上方程(52)-(55)所描述的那樣確定折射率(n)、復(fù)數(shù)布魯斯特角(θ_i,B和ψ_i,B)以及復(fù)數(shù)有效高度(h_eff＝h_p e^jΦ)。

對(duì)于所選擇的充電端子T₁配置，可以確定球面直徑(或有效球面直徑)。例如，如果充電端子T₁并未被配置作為球面，則端子配置可以建模為具有有效球面直徑的球面電容。為了減少充電端子T₁上的束縛電荷的量，用于在充電端子T₁上提供自由電荷以用于發(fā)射引導(dǎo)表面波的期望高程應(yīng)是損耗導(dǎo)電介質(zhì)(例如地球)之上的有效球面直徑的4-5倍。補(bǔ)償端子T₂可以在h_d＝h_T-h_p處位于充電端子T₁之下，其中，h_T是充電端子T₁的總物理高度。在充電端子T₁和補(bǔ)償端子T₂的位置是固定的并且AC源912耦合到線圈909(例如，在50Ω點(diǎn)處，以使得耦合最大化)的情況下，可以關(guān)于在操作頻率處補(bǔ)償端子T₂與線圈的至少一部分的并聯(lián)諧振而調(diào)整抽頭939的位置。雖然關(guān)于諧振而調(diào)整補(bǔ)償端子電路有助于充電端子連接的后續(xù)調(diào)整，但不必在漢克爾超前距離(R_x)處建立引導(dǎo)表面波傾斜(W_Rx)?？梢酝ㄟ^(guò)在線圈909上重新定位抽頭936和/或939之一或二者來(lái)調(diào)整施加到上充電端子T₁和下補(bǔ)償端子T₂的相位延遲Φ_L和Φ_U之一或二者。此外，可以通過(guò)重新定位AC源912的抽頭942之一或二者來(lái)調(diào)整相位延遲Φ_L和Φ_U?？梢哉{(diào)整線圈抽頭936、939和/或942的位置，直到到達(dá)該操作點(diǎn)，這樣產(chǎn)生通過(guò)安培表927的大地電流增加到最大值?？梢酝ㄟ^(guò)沿著從引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400延伸的徑向測(cè)量場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)驗(yàn)證該情況。然后可以通過(guò)重新定位這些抽頭以增加大地電流(或使得其最大化)來(lái)調(diào)整相位延遲。

當(dāng)引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400所產(chǎn)生的電場(chǎng)具有漢克爾超前距離R_x處的引導(dǎo)表面波傾斜時(shí)，它們實(shí)質(zhì)上與損耗傳導(dǎo)介質(zhì)的表面上的引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式是模式匹配的，并且引導(dǎo)表面波的形式的引導(dǎo)電磁場(chǎng)沿著損耗傳導(dǎo)介質(zhì)的表面得以發(fā)射。如圖1所示，引導(dǎo)電磁場(chǎng)的引導(dǎo)場(chǎng)強(qiáng)度曲線103具有特征指數(shù)衰減，并且在log-log圖例上展現(xiàn)獨(dú)特拐點(diǎn)109?？梢岳镁哂幸粋€(gè)或多個(gè)引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭的接收電路，以促進(jìn)無(wú)線傳輸和/或功率傳遞系統(tǒng)。

接下來(lái)參照?qǐng)D19A、圖19B和圖20，示出用于在無(wú)線功率傳遞送系統(tǒng)中使用表面引導(dǎo)波的一般化接收電路的示例。圖19A和圖19B分別包括線形探頭703和調(diào)諧式諧振器706。圖20是根據(jù)本公開(kāi)各個(gè)實(shí)施例的磁線圈709。根據(jù)各個(gè)實(shí)施例，可以采用線形探頭703、調(diào)諧式諧振器706和磁線圈709中的每一個(gè)，以接收根據(jù)各個(gè)實(shí)施例在損耗傳導(dǎo)介質(zhì)403(圖4)的表面上以引導(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，損耗傳導(dǎo)介質(zhì)403包括地面介質(zhì)(或地球)。

具體參照?qǐng)D19A，線形探頭703的輸出端子713處的開(kāi)路端子電壓取決于線形探頭703的有效高度。為此，端子點(diǎn)電壓可以計(jì)算為：

其中，E_inc是以伏特每米為單位的線形探頭703上的電場(chǎng)的強(qiáng)度，dl是沿著線形探頭703的方向的積分的片元，h_e是線形探頭703的有效高度。電負(fù)載716通過(guò)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)719耦合到輸出端子713。

當(dāng)線形探頭703經(jīng)受如上所述的引導(dǎo)表面波時(shí)，電壓穿過(guò)輸出端子713而發(fā)展，其可以視情況而通過(guò)共軛阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)719施加到電負(fù)載716。為了促進(jìn)功率流動(dòng)到電負(fù)載716，電負(fù)載716應(yīng)實(shí)質(zhì)上與線形探頭703阻抗匹配，如以下將描述的那樣。

參照?qǐng)D19B，調(diào)諧式諧振器706包括在損耗傳導(dǎo)介質(zhì)403之上提升的充電端子T_R。充電端子T_R具有自電容C_R。此外，取決于充電端子T_R在損耗傳導(dǎo)介質(zhì)403之上的高度，在充電端子T_R與損耗傳導(dǎo)介質(zhì)403之間也可能存在束縛電容(未示出)。應(yīng)優(yōu)選地如可實(shí)踐的那樣多地使得束縛電容最小化，但這可能并非在引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400的每一實(shí)例中是完全必要的。

調(diào)諧式諧振器706還包括線圈L_R。線圈L_R的一端耦合到充電端子T_R，并且線圈L_R的另一端耦合到損耗傳導(dǎo)介質(zhì)403。為此，，由于充電端子C_R和線圈L_R串聯(lián)地定位，因此調(diào)諧式諧振器706(其也可以稱為調(diào)諧式諧振器L_R-C_R)包括串聯(lián)調(diào)諧式諧振器。通過(guò)調(diào)整充電端子T_R的大小和/或高度和/或通過(guò)調(diào)整線圈L_R的大小對(duì)調(diào)諧式諧振器706進(jìn)行調(diào)諧，從而實(shí)質(zhì)上消除結(jié)構(gòu)的無(wú)功阻抗。

例如，自電容C_R所呈現(xiàn)的電抗計(jì)算為1/jωC_R。注意，調(diào)諧式諧振器706的總電容可以還包括充電端子T_R與損耗傳導(dǎo)介質(zhì)403之間的電容，其中，應(yīng)理解，可以從自電容C_R和任何束縛電容二者計(jì)算調(diào)諧式諧振器706的總電容。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，充電端子T_R可以上升到某高度，從而實(shí)質(zhì)上減少或消除任何束縛電容。可以從充電端子T_R與損耗傳導(dǎo)介質(zhì)403之間的電容測(cè)量確定束縛電容的存在性。

分立式元件線圈L_R所呈現(xiàn)的感抗可以計(jì)算為jωL，其中，L是線圈L_R的集總式元件電感系數(shù)。如果線圈L_R是分布式元件，則可以通過(guò)傳統(tǒng)方法來(lái)確定其等效端子點(diǎn)感抗。為了對(duì)調(diào)諧式諧振器706進(jìn)行調(diào)諧，我們將進(jìn)行調(diào)整，從而線圈L_R所呈現(xiàn)的感抗等于調(diào)諧式諧振器706所呈現(xiàn)的容抗，從而調(diào)諧式諧振器706的所得凈電抗在操作頻率處實(shí)質(zhì)上為零。阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)723可以插入在探頭端子721與電負(fù)載726之間，以對(duì)用于對(duì)電負(fù)載726的最大功率傳送的共軛匹配條件起作用。

當(dāng)面臨調(diào)諧式諧振器706和共軛匹配網(wǎng)絡(luò)723的頻率處所生成的引導(dǎo)表面波時(shí)，如上所述，最大功率將從表面引導(dǎo)波傳遞到電負(fù)載726。也就是說(shuō)，一旦在調(diào)諧式諧振器706與電負(fù)載726之間建立共軛阻抗匹配，功率就將從結(jié)構(gòu)傳遞到電負(fù)載726。為此，電負(fù)載726可以通過(guò)磁耦合、電容耦合或?qū)щ?直接抽頭)耦合的方式耦合到調(diào)諧式諧振器706。應(yīng)理解，耦合網(wǎng)絡(luò)的元件可以是集總式組件或分布式元件。在圖19B所示的實(shí)施例中，采用磁耦合，其中，相對(duì)于充當(dāng)變壓器主級(jí)的線圈L_R，線圈L_S定位為次級(jí)。應(yīng)理解，線圈L_S可以是通過(guò)在同一磁芯結(jié)構(gòu)周圍以幾何方式纏繞它并且調(diào)整所耦合的磁通量而耦合到線圈L_R的鏈接。此外，雖然調(diào)諧式諧振器706包括串聯(lián)調(diào)諧式諧振器，但也可以使用并聯(lián)調(diào)諧式諧振器或甚至分布式元件諧振器。

參照?qǐng)D20，磁線圈709包括接收電路，其通過(guò)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)733耦合到電負(fù)載736。為了促進(jìn)從引導(dǎo)表面波接收和/或提取電功率，磁線圈709可以定位為這樣的：引導(dǎo)表面波的磁通量穿過(guò)磁線圈709，由此磁線圈709中包括電流并且在其輸出端子729處產(chǎn)生端子點(diǎn)電壓。耦合到單匝線圈的引導(dǎo)表面波的磁通量表達(dá)為：

其中，Ψ是耦合磁通量，μ_r是磁線圈709的磁芯的有效相對(duì)磁導(dǎo)率，μ_o是自由空間的磁導(dǎo)率，是入射磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量，是與匝的橫截面積正交的單位矢量，A_CS是每個(gè)環(huán)所包圍的面積。對(duì)于適用于對(duì)磁線圈709的橫截面積上是均勻的入射磁場(chǎng)的最大耦合的N匝磁線圈709，磁線圈709的輸出端子729處出現(xiàn)的開(kāi)路感應(yīng)電壓是：

其中，如上定義變量。磁線圈709可以視情況而要么作為分布式諧振器要么通過(guò)穿過(guò)其輸出端子729的外部電容器調(diào)諧到引導(dǎo)表面波頻率，并且于是通過(guò)共軛阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)733與外部電負(fù)載736阻抗匹配。

假設(shè)磁線圈709和電負(fù)載736所呈現(xiàn)的所得電路正確地受調(diào)整并且經(jīng)由阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)733得以共軛阻抗匹配，那么可以采用磁線圈709中所感應(yīng)的電流以優(yōu)化地對(duì)電負(fù)載736進(jìn)行供電。磁線圈709所呈現(xiàn)的接收電路提供優(yōu)點(diǎn)在于，其無(wú)需以物理方式連接到大地。

參照?qǐng)D19A、圖19B和圖20，線形探頭703、調(diào)諧式諧振器706和磁線圈709所呈現(xiàn)的接收電路均促進(jìn)接收從以上所描述的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400的實(shí)施例中的任一發(fā)送的電功率。為此，應(yīng)理解，接收到的能量可以用于將功率經(jīng)由共軛匹配網(wǎng)絡(luò)提供給電負(fù)載716/726/736。這與可以在接收機(jī)中接收的以輻射電磁場(chǎng)的形式發(fā)送的信號(hào)對(duì)比。這些信號(hào)具有非常低的可用功率，并且這些信號(hào)的接收機(jī)不是發(fā)射機(jī)的負(fù)載。

此外，使用上述引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400所生成的該引導(dǎo)表面波的特性是，線形探頭703、調(diào)諧式諧振器706和磁線圈709所呈現(xiàn)的接收電路將成為應(yīng)用于引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400的激勵(lì)源413(圖4)的負(fù)載，由此生成這些接收電路經(jīng)受的引導(dǎo)表面波。這反映這樣的事實(shí)：上述給定引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400所生成的引導(dǎo)表面波包括傳輸線模式。通過(guò)對(duì)比的方式，驅(qū)動(dòng)生成輻射電磁波的輻射天線的功率源并非以接收機(jī)為負(fù)載，而無(wú)論所采用的接收機(jī)的數(shù)量如何。

因此，連同一個(gè)或多個(gè)引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400，線形探頭703、調(diào)諧式諧振器706和/或磁線圈709的形式的一個(gè)或多個(gè)接收電路可以一起構(gòu)成無(wú)線發(fā)布系統(tǒng)。給定使用以上所闡述的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400的引導(dǎo)表面波的傳輸?shù)木嚯x取決于頻率，那么可能的是，可以穿過(guò)廣大區(qū)域并且甚至全局地實(shí)現(xiàn)無(wú)線功率發(fā)布。

如今廣泛地研究的傳統(tǒng)無(wú)線功率傳輸/發(fā)布系統(tǒng)包括來(lái)自輻射場(chǎng)的“能量收割”以及還有耦合到感應(yīng)式或無(wú)功近場(chǎng)的傳感器。與之對(duì)比，該無(wú)線功率系統(tǒng)并不以輻射的形式(其如果不被截獲則永遠(yuǎn)丟失)浪費(fèi)功率。目前所公開(kāi)的無(wú)線功率系統(tǒng)也不限于如傳統(tǒng)互電抗耦合式近場(chǎng)系統(tǒng)的情況下那樣的超短距離。在此所公開(kāi)的無(wú)線功率系統(tǒng)通過(guò)探頭耦合到表面引導(dǎo)傳輸線模式，這等同于通過(guò)波導(dǎo)將功率傳遞到負(fù)載或負(fù)載直接引線連接到遠(yuǎn)程功率發(fā)生器。并不考慮保持傳輸場(chǎng)強(qiáng)度所需的功率加上表面波導(dǎo)中所耗散的功率(相對(duì)于60Hz處的傳統(tǒng)高壓電力線中的傳輸損耗，其在異常低頻率處是不顯著的)，所有發(fā)生器功率僅去往期望的電負(fù)載。當(dāng)電負(fù)載需求終止時(shí)，源功率生成是相對(duì)空載的。

接下來(lái)參照?qǐng)D21A，示出表示線形探頭703和調(diào)諧式諧振器706的示意圖。圖21B示出表示磁線圈709的示意圖。線形探頭703和調(diào)諧式諧振器706可以均看作開(kāi)路端子電壓源V_S和死區(qū)(dead)網(wǎng)絡(luò)端子點(diǎn)阻抗Z_S所表示的戴維南等效。磁線圈709可以看作短路端子電流源I_S和死區(qū)網(wǎng)絡(luò)端子點(diǎn)阻抗Z_S所表示的諾頓等效。每個(gè)電負(fù)載716/726/736(圖19A、圖19B和圖20)可以由負(fù)載阻抗Z_L表示。源阻抗Z_S包括實(shí)數(shù)分量和虛數(shù)分量，并且取得Z_S＝R_S+jX_S的形式。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，電負(fù)載716/726/736分別是與每個(gè)接收電路匹配的阻抗。具體地說(shuō)，每個(gè)電負(fù)載716/726/736通過(guò)各個(gè)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)719/723/733呈現(xiàn)表達(dá)為Z_L'＝R_L'+j X_L(其將等于Z_L'＝Z_s*＝R_S-j X_S)的Z_L'所指定的探頭網(wǎng)絡(luò)上的負(fù)載，其中，所呈現(xiàn)的負(fù)載阻抗Z_L'是實(shí)際源阻抗Z_S的復(fù)數(shù)共軛。共軛匹配定理(其聲明，如果在級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中，共軛匹配產(chǎn)生在任何端子配對(duì)處，則其將產(chǎn)生在所有端子配對(duì)處)于是斷言實(shí)際電負(fù)載716/726/736也將看見(jiàn)對(duì)其阻抗的共軛匹配Z_L’。見(jiàn)Everitt,W.L.and G.E.Anner,Communication Engineering,McGraw-Hill,3^rd edition,1956,p.407。這樣確保各個(gè)電負(fù)載716/726/736與各個(gè)接收電路是阻抗匹配的，并且對(duì)各個(gè)電負(fù)載716/726/736的最大功率傳送得以建立。

引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400的操作可以受控，以關(guān)于與引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400關(guān)聯(lián)的操作條件的變化進(jìn)行調(diào)整。例如，探頭控制系統(tǒng)418(圖4)可以用于控制耦合電路409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400的操作。操作條件可以包括但不限于損耗傳導(dǎo)介質(zhì)403的特性(例如電導(dǎo)率σ和相對(duì)介電常數(shù)ε_r)的變化、場(chǎng)強(qiáng)度的變化和/或引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400的加載的變化。從方程(52)-(55)可見(jiàn)，折射率(n)、復(fù)數(shù)布魯斯特角(θ_i,B和ψ_i,B)、波傾斜(|W|e^jΨ)以及復(fù)數(shù)有效高度(h_eff＝h_p e^jΦ)可以受源自例如氣候條件的土壤電導(dǎo)率和介電常數(shù)的改變影響。

例如比如電導(dǎo)率測(cè)量探頭、介電常數(shù)傳感器、大地參數(shù)儀表、場(chǎng)儀表、電流監(jiān)控器和/或負(fù)載接收機(jī)的裝備可以用于監(jiān)控操作條件的改變，并且將關(guān)于當(dāng)前操作條件的信息提供給探頭控制系統(tǒng)418。探頭控制系統(tǒng)418可以于是對(duì)引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400進(jìn)行一個(gè)或多個(gè)調(diào)整，以保持所指定的關(guān)于引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400的操作條件。例如，隨著濕度和溫度變化，土壤的電導(dǎo)率也將變化。電導(dǎo)率測(cè)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400周圍的多個(gè)位置處。通常，將期望關(guān)于操作頻率在漢克爾超前距離R_x處或其左右監(jiān)控電導(dǎo)率和/或介電常數(shù)。電導(dǎo)率測(cè)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400周圍的多個(gè)位置處(例如，在每個(gè)象限中)。

圖22A示出可以安裝以用于監(jiān)控土壤電導(dǎo)率的改變的電導(dǎo)率測(cè)量探頭的示例。如圖22A所示，在土壤中沿著直線插入一系列測(cè)量探頭。例如，探頭可以是具有12英寸或更大的穿透深度并且間隔開(kāi)達(dá)d＝18英寸的9/16英寸直徑桿。DS1是100瓦特?zé)襞?，R1是5瓦特14.6歐姆電阻。通過(guò)將AC電壓施加到電路并且測(cè)量穿過(guò)電阻的V1和穿過(guò)中心探頭的V2，可以通過(guò)σ＝21(V1/V2)的加權(quán)比率確定電導(dǎo)率。測(cè)量可以受濾波，以獲得僅與AC電壓供電頻率有關(guān)的測(cè)量。也可以利用使用其它電壓、頻率、探頭大小、深度和/或間距的不同配置。

明線線路探頭也可以用于測(cè)量土壤的電導(dǎo)率和介電常數(shù)。如圖22B所示，使用例如阻抗分析器測(cè)量插入到土壤(損耗介質(zhì))中的兩個(gè)桿的頂部之間的阻抗。如果利用阻抗分析器，則可以在頻率范圍上進(jìn)行測(cè)量(R+jX)，并且使用下式從頻率依賴性測(cè)量確定電導(dǎo)率和介電常數(shù)：

和

其中，C₀是空氣中的探頭的以pF為單位的電容。

電導(dǎo)率測(cè)量探頭和/或介電常數(shù)傳感器可以被配置為：在周期性的基礎(chǔ)上估計(jì)電導(dǎo)率和/或介電常數(shù)，并且將信息傳遞到探頭控制系統(tǒng)418(圖4)。該信息可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)(例如但不限于LAN、WLAN、蜂窩網(wǎng)絡(luò)或其它適當(dāng)?shù)挠芯€或無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò))傳遞到探頭控制系統(tǒng)418。基于所監(jiān)控的電導(dǎo)率和/或介電常數(shù)，探頭控制系統(tǒng)418可以估計(jì)折射率(n)、復(fù)數(shù)布魯斯特角(θ_i,B和ψ_i,B)、波傾斜(|W|e^jΨ)、復(fù)數(shù)有效高度(h_eff＝h_p e^jΦ)的變化，并且調(diào)整引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400，以保持漢克爾超前距離處的波傾斜，從而照射保持按復(fù)數(shù)布魯斯特角?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整例如h_p、Φ_U、Φ_L和/或h_d來(lái)實(shí)現(xiàn)該情況。例如，探頭控制系統(tǒng)418可以調(diào)整補(bǔ)償端子T₂的高度(h_d)或分別施加到充電端子T₁和/或補(bǔ)償端子T₂的相位延遲(Φ_U、Φ_L)，以將引導(dǎo)表面波的電發(fā)射效率保持在其最大值處或其附近?？梢酝ㄟ^(guò)變化線圈909上的抽頭位置和/或通過(guò)沿著線圈909包括多個(gè)預(yù)定抽頭并且在不同的預(yù)定抽頭位置之間進(jìn)行切換以使得發(fā)射效率最大化來(lái)調(diào)整施加到充電端子T₁和/或補(bǔ)償端子T₂的相位。

場(chǎng)或場(chǎng)強(qiáng)度(FS)儀表(例如FIM-41FS儀表，Potomac Instruments公司，Silver Spring，MD)也可以分布在引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400周圍，以測(cè)量與引導(dǎo)表面波關(guān)聯(lián)的場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)度。場(chǎng)或FS儀表可以被配置為：檢測(cè)場(chǎng)強(qiáng)度和/或場(chǎng)強(qiáng)度(例如電場(chǎng)強(qiáng)度)的改變，并且將該信息傳遞到探頭控制系統(tǒng)418。該信息可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)(例如但不限于LAN、WLAN、蜂窩網(wǎng)絡(luò)或其它適當(dāng)?shù)耐ㄐ啪W(wǎng)絡(luò))傳遞到探頭控制系統(tǒng)418。隨著負(fù)載和/或環(huán)境條件在操作期間改變或變化，可以調(diào)整引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400，以在FS儀表位置處保持所指定的場(chǎng)強(qiáng)度，以確保對(duì)接收機(jī)以及它們所供電的負(fù)載的適當(dāng)功率傳輸。

例如，可以調(diào)整分別施加到充電端子T₁和/或補(bǔ)償端子T₂的相位延遲(Φ_U、Φ_L)，以使得引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400的電發(fā)射效率改進(jìn)和/或最大化。通過(guò)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400，以確保漢克爾超前距離處的波傾斜保持按復(fù)數(shù)布魯斯特角?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整線圈909上抽頭位置以改變提供給充電端子T₁和/或補(bǔ)償端子T₂的相位延遲來(lái)實(shí)現(xiàn)該情況。提供給充電端子T₁的電壓等級(jí)也可以增加或降低，以調(diào)整電場(chǎng)強(qiáng)度?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整激勵(lì)源412(圖4)的輸出電壓或通過(guò)調(diào)整或重新配置耦合電路409(圖4)來(lái)實(shí)現(xiàn)該情況。例如，可以調(diào)整用于AC源912(圖4)的抽頭924(圖4)的位置，以增加充電端子T₁所看見(jiàn)的電壓。將場(chǎng)強(qiáng)度等級(jí)保持在預(yù)定范圍內(nèi)可以改進(jìn)接收機(jī)進(jìn)行的耦合，減少大地電流損耗，并且避免來(lái)自其它引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400的對(duì)傳輸?shù)母蓴_。

參照?qǐng)D23A，示出被配置為基于所監(jiān)控的條件而調(diào)整引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400的操作的包括圖4的探頭控制系統(tǒng)418的自適應(yīng)控制系統(tǒng)430的示例。可以通過(guò)硬件、固件、硬件所執(zhí)行的軟件或其組合來(lái)實(shí)現(xiàn)探頭控制系統(tǒng)418。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，例如，探頭控制系統(tǒng)418可以包括處理電路，其包括處理器和存儲(chǔ)器，其二者可以耦合到本地接口(例如比如具有伴隨控制/地址總線的數(shù)據(jù)總線)。探頭控制應(yīng)用可以由處理器執(zhí)行，以基于所監(jiān)控的條件而調(diào)整引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400的操作。探頭控制系統(tǒng)418可以還包括一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口，以用于與各種監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行通信。通信可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)(例如但不限于LAN、WLAN、蜂窩網(wǎng)絡(luò)或其它適當(dāng)?shù)耐ㄐ啪W(wǎng)絡(luò))。探頭控制系統(tǒng)418可以包括例如計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(例如服務(wù)器、臺(tái)式計(jì)算機(jī)、膝上型設(shè)備或具有類似能力的其它系統(tǒng))。

自適應(yīng)控制系統(tǒng)430可以包括一個(gè)或多個(gè)大地參數(shù)儀表433(例如但不限于圖22A的電導(dǎo)率測(cè)量探頭和/或圖22B的明線探頭)。大地參數(shù)儀表433可以在與探頭操作頻率關(guān)聯(lián)的漢克爾超前距離(R_x)左右處分布在引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400左右。例如，圖22B的明線探頭可以位于引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400周圍的每個(gè)象限中，以監(jiān)控?fù)p耗傳導(dǎo)介質(zhì)的電導(dǎo)率和介電常數(shù)，如先前所描述的那樣。大地參數(shù)儀表433可以被配置為：在周期性的基礎(chǔ)上確定損耗傳導(dǎo)介質(zhì)的電導(dǎo)率和介電常數(shù)，并且將該信息傳遞到探頭控制系統(tǒng)418，以用于引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400的潛在調(diào)整。在一些情況下，僅當(dāng)檢測(cè)到所監(jiān)控的條件的改變時(shí)，大地參數(shù)儀表433可以將該信息傳遞到探頭控制系統(tǒng)418。

自適應(yīng)控制系統(tǒng)430可以還包括一個(gè)或多個(gè)場(chǎng)儀表436(例如但不限于電場(chǎng)強(qiáng)度(FS)儀表)。場(chǎng)儀表436可以超越漢克爾超前距離(R_x)分布在引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400左右，其中，引導(dǎo)場(chǎng)強(qiáng)度曲線103(圖1)僭越輻射場(chǎng)強(qiáng)度曲線106(圖1)。例如，多個(gè)場(chǎng)儀表436可以沿著從引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400向外擴(kuò)展的一個(gè)或多個(gè)徑向而定位，以監(jiān)控電場(chǎng)強(qiáng)度，如先前所描述的那樣。場(chǎng)儀表436可以被配置為：在周期性的基礎(chǔ)上確定場(chǎng)強(qiáng)度，并且將該信息傳遞到探頭控制系統(tǒng)418，以用于引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400的潛在調(diào)整。在一些情況下，僅當(dāng)檢測(cè)到所監(jiān)控的條件的改變時(shí)，場(chǎng)儀表436可以將該信息傳遞到探頭控制系統(tǒng)418。

其它變量也可以受監(jiān)控，并且用于調(diào)整引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400的操作。例如，流動(dòng)通過(guò)大地樁915(圖9A-圖9B、圖17和圖18)的大地電流可以用于監(jiān)控引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400的操作。例如，大地電流可以提供損耗傳導(dǎo)介質(zhì)403的表面上的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400的加載和/或電場(chǎng)對(duì)引導(dǎo)表面波模式的耦合的改變的指示?？梢酝ㄟ^(guò)監(jiān)控AC源912(或圖4的激勵(lì)源412)確定有功功率傳遞。在一些實(shí)現(xiàn)方式中，可以調(diào)整引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400，以至少部分地基于電流指示而使得對(duì)引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式的耦合最大化。通過(guò)調(diào)整提供給充電端子T₁和/或補(bǔ)償端子T₂的相位延遲，可以保持漢克爾超前距離處的波傾斜，以用于按復(fù)數(shù)布魯斯特角的照射，以用于損耗傳導(dǎo)介質(zhì)403(例如地球)中的引導(dǎo)表面波傳輸?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整線圈909上的抽頭位置來(lái)實(shí)現(xiàn)該操作。然而，大地電流也可能受接收機(jī)加載影響。如果大地電流大于期待的電流等級(jí)，則這可以指示不考慮引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400的加載正發(fā)生。

激勵(lì)源412(或AC源912)也可以受監(jiān)控，以確保過(guò)載不產(chǎn)生。隨著引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400上的有功負(fù)載增加，激勵(lì)源412的輸出電壓或從線圈提供給充電端子T₁的電壓可以增加，以增加場(chǎng)強(qiáng)度等級(jí)，由此避免附加負(fù)載電流。在一些情況下，接收機(jī)自身可以用作監(jiān)控引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式的條件的傳感器。例如，接收機(jī)可以監(jiān)控接收機(jī)處的場(chǎng)強(qiáng)度和/或負(fù)載需求。接收機(jī)可以被配置為：將關(guān)于當(dāng)前操作條件的信息傳遞到探頭控制系統(tǒng)418。該信息可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)(例如但不限于LAN、WLAN、蜂窩網(wǎng)絡(luò)或其它適當(dāng)?shù)耐ㄐ啪W(wǎng)絡(luò))傳遞到探頭控制系統(tǒng)418?；谠撔畔ⅲ筋^控制系統(tǒng)418可以于是關(guān)于后續(xù)操作而調(diào)整引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400。例如，可以調(diào)整分別施加到充電端子T₁和/或補(bǔ)償端子T₂的相位延遲(Φ_U、Φ_L)，以使得引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400的電發(fā)射效率改進(jìn)和/或最大化，以提供接收機(jī)的負(fù)載需求。在一些情況下，探頭控制系統(tǒng)418可以調(diào)整引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400，以減少激勵(lì)源412和/或引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400上的加載。例如，提供給充電端子T₁的電壓可以減少以降低場(chǎng)強(qiáng)度，并且防止對(duì)最遠(yuǎn)距的負(fù)載設(shè)備的部分的耦合。

探頭控制系統(tǒng)418可以使用例如一個(gè)或多個(gè)抽頭控制器439來(lái)調(diào)整引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400。在圖23A中，從線圈909到上充電端子T₁的連接受控于抽頭控制器439。響應(yīng)于所監(jiān)控的條件的改變(例如電導(dǎo)率、介電常數(shù)和/或電場(chǎng)強(qiáng)度的改變)，探頭控制系統(tǒng)可以將控制信號(hào)傳遞到抽頭控制器439，以發(fā)起抽頭位置的改變。抽頭控制器439可以被配置為：沿著線圈909連續(xù)地或基于預(yù)定抽頭連接而增量式地變化抽頭位置?？刂菩盘?hào)可以包括所指定的抽頭位置，或指示所定義的數(shù)量的抽頭連接進(jìn)行的改變。通過(guò)調(diào)整抽頭位置，可以調(diào)整充電端子T₁的相位延遲，以改進(jìn)引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式的發(fā)射效率。

雖然圖23A示出耦合在線圈909與充電端子T₁之間的抽頭控制器439，但在其它實(shí)施例中，從線圈909到下補(bǔ)償端子T₂的連接442也可以包括抽頭控制器439。圖23B示出具有用于調(diào)整補(bǔ)償端子T₂的相位延遲的抽頭控制器439的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400的另一實(shí)施例。圖23C示出引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400的實(shí)施例，其中，可以使用抽頭控制器439來(lái)控制端子T₁和T₂二者的相位延遲。探頭控制系統(tǒng)418可以獨(dú)立地或同時(shí)地控制抽頭控制器439。在這兩個(gè)實(shí)施例中，包括阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)445，以用于將AC源912耦合到線圈909。在一些實(shí)現(xiàn)方式中，AC源912可以通過(guò)抽頭控制器439耦合到線圈909，抽頭控制器439可以受控于探頭控制系統(tǒng)418，以保持關(guān)于來(lái)自AC源的最大功率傳送的匹配條件。

返回參照?qǐng)D23A，探頭控制系統(tǒng)418也可以使用例如充電端子定位系統(tǒng)448和/或補(bǔ)償端子定位系統(tǒng)451來(lái)調(diào)整引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400。通過(guò)調(diào)整充電端子T₁和/或補(bǔ)償端子T₂的高度并且因此二者之間的距離，可以調(diào)整對(duì)引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式的耦合。端子定位系統(tǒng)448和451可以被配置為：通過(guò)沿著與損耗傳導(dǎo)介質(zhì)403正交的z軸線性地升高或降低端子來(lái)改變端子T₁和T₂的高度。例如，線性電機(jī)可以用于使用耦合到端子的絕緣桿來(lái)向上或向下平移充電端子T₁和補(bǔ)償端子T₂。其它實(shí)施例可以包括絕緣傳動(dòng)裝置和/或拉索和滑輪組、螺旋齒輪或可以控制充電端子T₁和補(bǔ)償端子T₂的定位的其它適當(dāng)?shù)臋C(jī)構(gòu)。端子定位系統(tǒng)448和451的絕緣防止充電端子T₁和補(bǔ)償端子T₂上出現(xiàn)的電荷的放電。例如，絕緣結(jié)構(gòu)可以將充電端子T₁支撐在補(bǔ)償端子T₂之上。例如，RF絕緣纖維玻璃桅桿可以用于支撐充電端子T₁和補(bǔ)償端子T₂?？梢允褂贸潆姸俗佣ㄎ幌到y(tǒng)448和/或補(bǔ)償端子定位系統(tǒng)451單獨(dú)地定位充電端子T₁和補(bǔ)償端子T₂，以使得引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400的電發(fā)射效率改進(jìn)或最大化。

如已經(jīng)討論的那樣，自適應(yīng)控制系統(tǒng)430的探頭控制系統(tǒng)418可以通過(guò)與一個(gè)或多個(gè)位于遠(yuǎn)程的監(jiān)控設(shè)備(例如但不限于大地參數(shù)儀表433和/或場(chǎng)儀表436)進(jìn)行通信來(lái)監(jiān)控引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400的操作條件。探頭控制系統(tǒng)418也可以通過(guò)從安培表927(圖23B和圖23C)和/或AC源912(或激勵(lì)源412)存取信息(例如大地電流)來(lái)監(jiān)控其它條件?；谒O(jiān)控的信息，探頭控制系統(tǒng)418可以確定是否需要調(diào)整引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400以使得發(fā)射效率改進(jìn)和/或最大化。響應(yīng)于所監(jiān)控的條件中的一個(gè)或多個(gè)的改變，探頭控制系統(tǒng)418可以發(fā)起分別施加到充電端子T₁和/或補(bǔ)償端子T₂的相位延遲(Φ_U、Φ_L)和/或分別充電端子T₁和/或補(bǔ)償端子T₂的物理高度(h_p、h_d)中的一個(gè)或多個(gè)的調(diào)整。在一些實(shí)現(xiàn)方式中，探頭控制系統(tǒng)418可以估計(jì)所監(jiān)控的條件，以標(biāo)識(shí)改變的源。如果所監(jiān)控的條件因接收機(jī)負(fù)載的改變而產(chǎn)生，則可以避免調(diào)整引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400。如果所監(jiān)控的條件影響引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400的發(fā)射效率，則探頭控制系統(tǒng)418可以發(fā)起引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400的調(diào)整，以使得發(fā)射效率改進(jìn)和/或最大化。

在一些實(shí)施例中，也可以調(diào)整充電端子T₁的大小，以控制對(duì)引導(dǎo)表面波導(dǎo)模式的耦合。例如，可以通過(guò)改變端子的大小來(lái)變化充電端子T₁的自電容。也可以通過(guò)增加充電端子T₁的大小(這樣可以減少來(lái)自充電端子T₁的放電的機(jī)會(huì))來(lái)改進(jìn)電荷分布。探頭控制系統(tǒng)418可以通過(guò)充電端子定位系統(tǒng)448或通過(guò)分離的控制系統(tǒng)提供充電端子T₁大小的控制。

圖24A和圖24B示出可以用作引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭400的充電端子T₁的可變端子203的示例。例如，可變端子203可以包括嵌套在外部圓柱區(qū)段209的內(nèi)部的內(nèi)部圓柱區(qū)段206。內(nèi)部圓柱區(qū)段206和外部圓柱區(qū)段209可以分別包括穿過(guò)底部和頂部的板。在圖24A中，示出具有可以與第一有效球面直徑關(guān)聯(lián)的第一大小的收縮條件下的圓柱形可變端子203。為了改變端子的大小并且因此有效球面直徑，可變端子203的一個(gè)或兩個(gè)區(qū)段可以擴(kuò)展，以增加表面面積，如圖24B所示?？梢允褂秒姼綦x以防止端子上的電荷的放電的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(例如電機(jī)或液壓缸)實(shí)現(xiàn)該情況。

除了前面內(nèi)容之外，本公開(kāi)的各個(gè)實(shí)施例包括但不限于以下條款中所闡述的實(shí)施例。

條款1.一種引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭，包括：充電端子，在損耗傳導(dǎo)介質(zhì)上提升；以及耦合電路，將激勵(lì)源耦合到所述充電端子，所述耦合電路被配置為：將建立具有在距所述引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭的漢克爾超前距離(R_x)處以復(fù)數(shù)布魯斯特角(ψ_i,B)的正切與所述損耗傳導(dǎo)介質(zhì)相交的波傾斜(W)的電場(chǎng)的電壓提供給所述充電端子。

條款2.如條款1所述的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭，其中，所述耦合電路包括所述激勵(lì)源與所述充電端子之間所耦合的線圈。

條款3.如條款2所述的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭，其中，所述線圈是螺旋線圈。

條款4.如條款2和3中的任一項(xiàng)所述的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭，其中，所述激勵(lì)源經(jīng)由抽頭連接耦合到所述線圈。

條款5.如條款2-4中的任一項(xiàng)所述的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭，其中，所述抽頭連接處于所述線圈上的阻抗匹配點(diǎn)處。

條款6.如條款2-5中的任一項(xiàng)所述的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭，其中，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)耦合在所述激勵(lì)源與所述線圈上的抽頭連接之間。

條款7.如條款2-6中的任一項(xiàng)所述的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭，其中，所述激勵(lì)源磁耦合到所述線圈。

條款8.如條款2-7中的任一項(xiàng)所述的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭，其中，所述充電端子經(jīng)由抽頭連接耦合到所述線圈。

條款9.如條款1-8中的任一項(xiàng)所述的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭，其中，所述充電端子位于與所述引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭的有效高度的幅值對(duì)應(yīng)的物理高度(h_p)處，其中，所述有效高度由h_eff＝R_x tanΨ_i,B＝h_p e^jΦ給出，其中ψ_i,B＝(π/2)-θ_i,B，并且Φ是所述有效高度的相位。

條款10.如條款9所述的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭，其中，所述相位Φ近似等于與所述復(fù)數(shù)布魯斯特角對(duì)應(yīng)的照射的波傾斜的角度Ψ。

條款11.如條款1-10中的任一項(xiàng)所述的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭，其中，所述充電端子具有有效球面直徑，并且所述充電端子位于所述有效球面直徑的至少四倍的高度處。

條款12.如條款11所述的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭，其中，所述充電端子是球面端子，具有等于所述球面端子的直徑的所述有效球面直徑。

條款13.如條款11和12中的任一項(xiàng)所述的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭，其中，所述充電端子的高度大于與所述引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭的有效高度的幅值對(duì)應(yīng)的物理高度(h_p)，其中，所述有效高度由h_eff＝R_x tanΨ_i,B＝h_p e^jΦ給出，其中，ψ_i,B＝(π/2)-θ_i,B。

條款14.如條款11-13中的任一項(xiàng)所述的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭，還包括補(bǔ)償端子，位于所述充電端子之下，所述補(bǔ)償端子耦合到所述耦合電路。

條款15.如條款11-14中的任一項(xiàng)所述的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭，其中，所述補(bǔ)償端子位于所述充電端子之下的、等于所述物理高度(h_p)的距離處。

條款16.如條款11-15中的任一項(xiàng)所述的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭，其中，Φ是所述補(bǔ)償端子與所述充電端子之間的復(fù)數(shù)相位差。

條款17.如條款1-16中的任一項(xiàng)所述的引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭，其中，所述損耗傳導(dǎo)介質(zhì)是地面介質(zhì)。

條款18.一種系統(tǒng)，包括：引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭，包括：充電端子，在損耗傳導(dǎo)介質(zhì)上提升；以及耦合電路，被配置為：將建立具有在距所述引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭的漢克爾超前距離(R_x)處以復(fù)數(shù)布魯斯特角(ψ_i,B)的正切與所述損耗傳導(dǎo)介質(zhì)相交的波傾斜(W)的電場(chǎng)的電壓提供給所述充電端子；以及激勵(lì)源，經(jīng)由所述耦合電路耦合到所述充電端子。

條款19.如條款18所述的系統(tǒng)，還包括探頭控制系統(tǒng)，被配置為：至少部分地基于所述損耗傳導(dǎo)介質(zhì)的特性而調(diào)整所述引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭。

條款20.如條款18和19中的任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，所述損耗傳導(dǎo)介質(zhì)是地面介質(zhì)。

條款21.如條款18-20中的任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，所述耦合電路包括耦合在所述激勵(lì)源與所述充電端子之間的線圈，所述充電端子經(jīng)由可變抽頭耦合到所述線圈。

條款22.如條款21所述的系統(tǒng)，其中，所述線圈是螺旋線圈。

條款23.如條款21和22中的任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，所述探頭控制系統(tǒng)響應(yīng)于所述損耗傳導(dǎo)介質(zhì)的特性的改變而調(diào)整所述可變抽頭的位置。

條款24.如條款21-23中的任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，所述可變抽頭的位置的調(diào)整對(duì)所述電場(chǎng)的所述波傾斜進(jìn)行調(diào)整以與在所述漢克爾超前距離(R_x)處以復(fù)數(shù)布魯斯特角(ψ_i,B)與所述損耗傳導(dǎo)介質(zhì)相交的波照射對(duì)應(yīng)。

條款25.如條款21-24中的任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，所述引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭還包括補(bǔ)償端子，位于所述充電端子之下，所述補(bǔ)償端子耦合到所述耦合電路。

條款26.如條款21-25中的任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，所述補(bǔ)償端子位于所述充電端子之下的、等于與所述引導(dǎo)表面波導(dǎo)探頭的有效高度的幅值對(duì)應(yīng)的物理高度(h_p)的距離處，其中，所述有效高度由h_eff＝R_x tanΨ_i,B＝h_p e^jΦ給出，其中，ψ_i,B＝(π/2)-θ_i,B，并且其中，Φ是所述補(bǔ)償端子與所述充電端子之間的復(fù)數(shù)相位差。

條款27.如條款21-26中的任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，所述探頭控制系統(tǒng)響應(yīng)于所述損耗傳導(dǎo)介質(zhì)的特性的改變而調(diào)整所述補(bǔ)償端子的位置。

條款28.一種方法，包括：

將充電端子定位在損耗傳導(dǎo)介質(zhì)上的所定義的高度處；

將補(bǔ)償端子定位在所述充電端子之下，所述補(bǔ)償端子分離達(dá)所定義的距離；以及

通過(guò)具有復(fù)數(shù)相位差的激勵(lì)電壓來(lái)激勵(lì)所述充電端子和所述補(bǔ)償端子，其中，所述激勵(lì)電壓建立具有與在距所述充電端子和所述補(bǔ)償端子的漢克爾超前距離(R_x)處以復(fù)數(shù)布魯斯特角(ψ_i,B)照射所述損耗傳導(dǎo)介質(zhì)的波對(duì)應(yīng)的波傾斜(W)的電場(chǎng)。

條款29.如條款28所述的方法，其中，所述充電端子具有有效球面直徑，并且所述充電端子位于所述有效球面直徑的至少四倍的所定義的高度處。

條款30.如條款28和29中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，所定義的距離等于與所述充電端子的有效高度的幅值對(duì)應(yīng)的物理高度(h_p)，其中，所述有效高度由h_eff＝R_x tanΨ_i,B＝h_p e^jΦ給出，其中，ψ_i,B＝(π/2)-θ_i,B，并且其中，Φ是所述補(bǔ)償端子與所述充電端子之間的復(fù)數(shù)相位差。

條款31.如條款28-30中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述充電端子和所述補(bǔ)償端子經(jīng)由線圈耦合到激勵(lì)源，所述充電端子通過(guò)可變抽頭耦合到所述線圈。

條款32.如條款31所述的方法，還包括：調(diào)整所述可變抽頭的位置，以建立具有在所述漢克爾超前距離(R_x)處以復(fù)數(shù)布魯斯特角(ψ_i,B)與所述損耗傳導(dǎo)介質(zhì)相交的波傾斜的電場(chǎng)。

應(yīng)強(qiáng)調(diào)，本公開(kāi)上述實(shí)施例僅是為了清楚理解本公開(kāi)的原理而闡述的實(shí)現(xiàn)方式的可能示例。在實(shí)質(zhì)上不脫離本公開(kāi)的精神和原理的情況下，可以對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行很多變形和修改。所有這些修改和變形目的是在此包括于本公開(kāi)的范圍內(nèi)并且受所附權(quán)利要求保護(hù)。此外，于在此所教導(dǎo)的本公開(kāi)的所有方面中可使用所描述的實(shí)施例和從屬權(quán)利要求的所有可選和優(yōu)選特征和修改。此外，在適當(dāng)?shù)那闆r下，從屬權(quán)利要求的單獨(dú)特征以及所描述的實(shí)施例的所有可選和優(yōu)選特征以及修改可彼此組合并且互換。為此，以上所描述的各個(gè)實(shí)施例公開(kāi)可以取決于期望的實(shí)現(xiàn)方式而通過(guò)各種方式可選地組合的要素。