损耗介质上的引导表面波模式的激励和使用

摘要

所公开的是用于发送通过激励引导表面波导探头沿着损耗介质(例如比如地面介质)以引导表面波导模式的形式传送的能量的各个实施例。

说明书

相关申请的交叉引用

该专利合作条约申请要求2014年9月10日提交的题为“Excitation and Use ofGuided Surface Wave Modes on Lossy Media”的共同未决美国专利申请号14/483,089的优先权和利益，其通过其完整引用合并到此。

技术领域

背景技术

达一个多世纪，无线电波所发送的信号涉及使用传统天线结构所发射的辐射场。与无线电科学对比，上个世纪的电功率发布系统涉及沿着电导体所引导的能量的传输。这种射频(RF)与功率传输之间的区别的理解自从1900年代早期以来已经存在。

发明内容

附图说明

参照以下附图可以更好理解本公开的很多方面。附图中的组件并不一定按比例，而是着重于清楚地示出本公开的原理。此外，在附图中，相同标号贯穿若干附图指定对应部分。

图1是描述用于引导电磁场和辐射电磁场的作为距离的函数的场强度的图表。

图2是示出根据本公开各个实施例的与对于引导表面波的传输所采用的两个区域的传播界面的示图。

图3A和图3B是示出根据本公开各个实施例的引导表面波导探头所合成的电场的复数插入角的示图。

图4是示出根据本公开实施例的关于图2的传输界面所部署的引导表面波导探头的示图。

图5是根据本公开各个实施例的一阶汉克尔(Hankel)函数的接近渐近线和远离渐近线的幅值的示例的图线。

图6A和图6B是示出根据本公开各个实施例的球面上的束缚电荷以及对电容的影响的图线。

图7是示出根据本公开各个实施例的布鲁斯特(Brewster)角与损耗导电介质相交的位置上的充电端子的提升的影响的图形表示。

图8A和图8B是示出根据本公开各个实施例的所合成的电场按复数布鲁斯特角入射以在汉克尔超前距离处匹配引导表面波导模式的图形表示。

图9A和图9B是根据本公开实施例的引导表面波导探头的示例的图形表示。

图10是根据本公开实施例的图9A的引导表面波导探头的示意图。

图11包括根据本公开实施例的图9A的引导表面波导探头的充电端子T₁的相位延迟(Φ_U)的实部和虚部的示例的图线。

图12是根据本公开实施例的图9A的所实现的引导表面波导探头的示例的图像。

图13是根据本公开实施例的比较图12的引导表面波导探头的所测量的场强度与理论场强度的图线。

图14A和图14B是根据本公开实施例的引导表面波导探头的图像和图形表示。

图15是根据本公开各个实施例的一阶汉克尔函数的接近渐近线和远离渐近线的幅值的示例的图线。

图16是根据本公开实施例的比较图14A和图14B的引导表面波导探头的所测量的场强度与理论场强度的图线。

图17和图18是根据本公开实施例的引导表面波导探头的示例的图形表示。

图19A和图19B描述根据本公开各个实施例的可以采用以接收通过引导表面波导探头所发射的引导表面波的形式所发送的能量的接收机的示例。

图20描述根据本公开各个实施例的可以采用以接收通过引导表面波导探头所发射的引导表面波的形式所发送的能量的附加接收机的示例。

图21A描述根据本公开实施例的表示图19A和图19B中所描述的接收机的戴维南等效的示意图。

图21B描述根据本公开实施例的表示图17中所描述的接收机的诺顿等效的示意图。

图22A和图22B是根据本公开实施例的分别表示电导率测量探头和明线线路探头的示例的示意图。

图23A至图23C是根据本公开实施例的图4的探头控制系统所采用的自适应控制系统的示例的示意图。

图24A和图24B是根据本公开实施例的用于作为充电端子使用的可变端子的示例的示图。

具体实施方式

开始，将建立一些术语以在以下概念的讨论中提供清楚性。首先，如在此所预期的那样，在辐射电磁场与引导电磁场之间作出正式区分。

如在此所预期的那样，辐射电磁场包括以并非受束缚于波导的波的形式从源结构发射的电磁能量。例如，辐射电磁场通常是离开电结构(例如天线)并且通过大气或其它介质传播而且不受任何波导结构束缚的场。一旦辐射电磁波离开电结构(例如天线)，它们就独立于它们的源而继续在传播介质(例如空气)中传播，直到它们耗散，而无论源是否继续进行操作。一旦电磁波得以辐射，除非被截获，否则它们就不可恢复，而如果不被截获，则辐射电磁波中固有的能量永远丢失。电结构(例如天线)被设计为通过使得辐射电阻对结构损耗电阻的比率最大化来辐射电磁场。所辐射的能量在空间中扩展开，并且损耗，而无论接收机是否存在。所辐射的场的能量密度是归因于几何扩展的距离的函数。相应地，在此所使用的术语“辐射”以其所有形式指代这种形式的电磁传播。

引导电磁场是能量集中在具有不同电磁性质的各介质之间的边界内或其附近的传播电磁波。在此意义上，引导电磁场是受波导束缚的电磁场，并且可以表征为由波导中流动的电流传送。如果不存在用于接收和/或耗散引导电磁波中所传送的能量的负载，则除了在引导介质的传导性中耗散的能量之外，能量不损耗。以另一方式声明，如果不存在用于引导电磁波的负载，则不消耗能量。因此，除非阻性负载出现，否则生成引导电磁场的发生器或其它源不传递有功功率。为此，该发生器或其它源实质上运行空载，直到负载出现。这类似于运行发生器以生成通过不存在电负载的电力线发送的60赫兹电磁波。应注意，引导电磁场或波等效于称为“传输线模式”的东西。这与总是提供有功功率以生成辐射波的辐射电磁波有差别。与辐射电磁波不同，在能量源关闭之后，引导电磁能量不继续沿着有限长度波导传播。相应地，在此所使用的术语“引导”以其所有形式指代这种电磁传播的传输模式(TM)。

现参照图1，示出的是log-dB图线上作为以千米为单位的距离的函数的以伏特每米为单位的任意基准之上的以分贝(dB)为单位的场强度的图线100，以进一步示出辐射电磁场与引导电磁场之间的区别。图1的图线100描述引导场强度曲线103，其示出作为距离的函数的引导电磁场的场强度。该引导场强度曲线103实质上与传输线模式相同。此外，图1的图线100描述辐射场强度曲线106，其示出作为距离的函数的辐射电磁场的场强度。

感兴趣的是分别用于引导波的曲线103和辐射传播的曲线106的形状。辐射场强度曲线106几何式地(1/d，其中，d是距离)掉落，其在log-log图例上描述为直线。另一方面，引导场强度曲线103具有的特征指数衰减，并且在log-log图例上展现独特拐点。引导场强度曲线103和辐射场强度曲线106在点113处相交，点113产生交叉距离处。在小于相交点113处的交叉距离的距离处，引导电磁场的场强度在多数位置处显著大于辐射电磁场的场强度。在大于交叉距离的距离处，相反情况成立。因此，引导场强度曲线103和辐射场强度曲线106进一步示出引导电磁场与辐射电磁场之间的基本传输差异。关于引导电磁场与辐射电磁场之间的差异的非正式讨论，参照Milligan,T.,Modern>,McGraw-Hill,1^st>

以上进行的辐射电磁波与引导电磁波之间的区别容易地表述得正式，并且置于缜密的基础上。这两个这样的多样解可能来自一个且同一线性偏微分方程(波动方程)，解析地服从对问题所施加的边界条件。用于波动方程的Green函数自身包含辐射波与引导波的性质之间的区别。

在真空中，波动方程是本征函数在复数波数平面上拥有本征值的连续谱的微分算子。这种横向电磁(TEM)场称为辐射场，并且这些传播场称为“赫兹波”。然而，在存在传导边界的情况下，波动方程加上边界条件在数学上产生连续谱加上离散谱之和构成的波数的谱表示。为此，参照Sommerfeld,A.,“Uber die Ausbreitung der Wellen in derDrahtlosen Telegraphie”Annalen der Physik,Vol.28,1909,pp.665-736。此外，见Partial>Physics–Lectures>Volume>,Academic Press,1949,pp.236-289,295-296中的章节6所公开的Sommerfeld,A.“Problems of Radio”；Some Early and Late 20^th>IEEE>Antennas>Propagation>,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>Techniques,Van>

为了总结上述情况，首先，与枝切法(branch-cut)积分对应的波数本征值谱的连续部分产生辐射场，其次，离散谱以及与从积分的轮廓所包围的极点出现的对应残差之和产生在横穿传播的方向上指数衰减的非TEM表面行波。这些表面波是引导传输线模式。为了进一步解释，参照Friedman,B.,Principles>,Wiley,1956,pp.pp.214,283-286,290,298-300。

在自由空间中，天线激励作为辐射场的波动方程的连续本征值，其中，与E_z和H_φ同相的向外传播RF能量永远损耗。另一方面，波导探头激励离散本征值，其产生传输线传播。见Collin,R.E.,Field>,McGraw-Hill,1960,pp.453,474-477。虽然这些理论分析已经支持通过损耗的同质介质的平坦表面或球面表面发射开曲面引导波的假定可能性，但达多于一个世纪，关于通过任何实际效率来实现该情况，尚无工程技术中的已知结构存在。遗憾的是，自从其在1900年代早期显现以来，以上所阐述的理论分析已经实质上仍是理论，并且尚不存在用于实际上实现通过损耗的同质介质的平坦表面或球面表面发射开曲面引导波的已知结构。

根据本公开各个实施例，描述各个引导表面波导探头，其被配置为：激励沿着损耗传导介质的表面耦合到引导表面波导模式中的电场。这些引导电磁场实质上在幅值和相位方面与损耗传导介质的表面上的引导表面波模式是模式匹配的。该引导表面波模式也可以称为Zenneck波导模式。凭借在此所描述的引导表面波导探头所激励的所得场实质上与损耗传导介质的表面上的引导表面波导模式是模式匹配的事实，引导表面波的形式的引导电磁场沿着损耗传导介质的表面得以发射。根据一个实施例，损耗传导介质包括地面介质(例如地球)。

参照图2，示出传播界面，其提供Jonathan Zenneck如在其文章Zenneck,J.,“Onthe Propagation of Plane Electromagnetic Waves Along a Flat ConductingSurface and their Relation to Wireless Telegraphy,”Annalen der Physik,Serial4,Vol.23,September 20,1907,pp.846-866中阐述的那样在1907年所推导的对麦克斯韦尔方程组的边界值解的验证。图2描述用于沿着指定为区域1的损耗传导介质与指定为区域2的绝缘体之间的界面径向传播波的柱坐标。区域1可以包括例如任何损耗传导介质。在一个示例中，该损耗传导介质可以包括地面介质(例如地球)或其它介质。区域2是与区域1共享边界界面的第二介质，并且具有相对于区域1的不同本构参数。区域2可以包括例如任何绝缘体(例如大气)或其它介质。仅对于按复数布鲁斯特角的入射，用于该边界界面的反射系数变为零。见Stratton,J.A.,Electromagnetic>,McGraw-Hill,1941,p.516。

根据各个实施例，本公开阐述在包括区域1的损耗传导介质的表面上生成与引导表面波导模式实质上是模式匹配的电磁场的各个引导表面波导探头。根据各个实施例，这些电磁场实质上合成按可以产生零反射的损耗传导介质的复数布鲁斯特角入射的波前。

为了进一步解释，在假设e^jωt场变化并且ρ≠0以及z≥0(其中，z是与区域1的表面正交的垂直坐标，ρ是柱坐标中的径向维度)的区域2中，通过以下电场分量和磁场分量来表达沿着界面满足边界条件的麦克斯韦尔方程组的Zenneck闭式精确解：

以及(2)

在假设e^jωt场变化并且ρ≠0以及z≤0的区域1中，通过以下电场分量和磁场分量来表达沿着界面满足边界条件的麦克斯韦尔方程组的Zenneck闭式精确解：

以及(5)

在这些表达式中，z是与区域1的表面正交的垂直坐标，ρ是径向坐标，是二类n阶的复数辐角汉克尔函数，u₁是区域1中的正垂直(z)方向上的传播常数，u₂是区域2中的垂直(z)方向上的传播常数，σ₁是区域1的电导率，ω等于2πf，其中，f是激励频率，ε_o是自由空间的介电常数，ε₁是区域1的介电常数，A是源所施加的源常数，γ是表面波径向传输常数。

通过分离区域1与2之间的界面之上以及之下的波动方程并且施加边界条件来确定±z方向上的传播常数。在区域2中，该练习给出：

并且在区域1中给出：

u₁＝-u₂(ε_r-jx).(8)

径向传播常数γ给出为：

其为复数表达式，其中，n是下式给出的复数折射率：

在所有以上方程中，

以及(11)

其中，μ_o包括自由空间的导磁率，ε_r包括区域1的相对介电常数。因此，所生成的表面波与界面平行传播，并且与之垂直而指数衰减。这称为倏逝。

因此，方程(1)-(3)可以看作圆柱对称的径向传播波导模式。见Barlow,H.M.和Brown,J.,Radio>,Oxford University Press,1962,pp.10-12,29-33。本公开细述激励这种“开边界”波导模式的结构。具体地说，根据各个实施例，引导表面波导探头具备通过电压和/或电流得以馈电的适当大小的充电端子，并且相对于区域2与区域1之间的边界界面而定位，以在边界界面处产生复数布鲁斯特角，以激励表面波导模式，而没有反射或具有最小反射。适当大小的补偿端子可以相对于充电端子而定位，并且通过电压和/或电流得以馈电，以细化边界界面处的布鲁斯特角。

继续，区域1与区域2之间的Leontovich阻抗边界条件声明为：

其中，是在正垂直(+z)方向上的单位法线，是以上方程(1)所表达的区域2中的磁场强度。方程(13)暗示，方程(1)-(3)中所指定的电场和磁场可以沿着边界界面产生径向表面电流密度，该径向表面电流密度指定为：

其中，A是常数。此外，应注意，接近引导表面波导探头(对于ρ＜＜λ)，以上方程(14)具有行为：

负号说明，当源电流(I_o)垂直向上流动时，所需的“接近”大地电流径向向内流动。通过H_φ上的场匹配“接近”，我们发现，在方程(1)-(6)以及(14)中：

因此，方程(14)的径向表面电流密度可以重新声明为：

方程(1)-(6)以及(17)所表达的场具有受损耗界面束缚的传输线模式的性质，例如，辐射场与地波传输无关联。见Barlow,H.M.和Brown,J.,Radio>,OxfordUniversity Press,1962,pp.1-5。

此时，对于波动方程的这些解，提供方程组(1)-(6)以及(17)中所使用的汉克尔函数的性质的回顾。我们可以观测到，一类和二类以及n阶的汉克尔函数定义为一类和二类的标准贝塞尔函数的复数组合：

以及>

这些函数分别表示径向向内传播的圆柱波和径向向外传输的圆柱波该定义类似于关系式e^±jx＝cosx±jsinx。见例如Harrington,R.F.,Time-Harmonic>Fields,McGraw-Hill,1961,pp.460-463。

该是可以从直接从J_n(x)和N_n(x)的级数定义获得的其大辐角渐近行为识别的外出波。远离引导表面波导探头：

其当乘以e^jωt时是具有空间变化的形式e^j(ωt-kρ)的向外传播圆柱波。一阶(n＝1)解可以从方程(20a)确定为：

接近引导表面波导探头(对于ρ＜＜λ)，一阶和二类的汉克尔函数表现为：

注意，这些渐近表达式是复数参量。当x是实数参量时，方程组(20b)和(21)在相位方面差异达其对应于45°或等效地λ/8的额外相位超前或“相位提升”。二类的一阶汉克尔函数的接近渐近线和远离渐近线具有汉克尔“超前”点或过度点，其中，它们在ρ＝R_x的距离处是相等幅值的。可以通过使得方程(20b)和(21)相等并且关于R_x进行求解来求出距汉克尔超前点的距离。在x＝σ/ωε_o的情况下，可见，远离汉克尔函数渐近线和接近汉克尔函数渐近线是频率依赖性的，其中，随着频率降低，汉克尔超前点移出。还应注意，汉克尔函数渐近线也可以随着损耗传导介质的电导率(σ)改变而变化。例如，土壤的电导率可以随着气候条件的改变而变化。

引导表面波导探头可以被配置为：建立具有与以复数角度照射损耗传导介质的表面的波对应的波倾斜的电场，由此通过在R_x处在汉克尔超前点处实质上模式匹配于引导表面波模式来激励径向表面电流。

现参照图3A，示出与入射平面平行起偏的入射场(E)的射线光学解释。电场矢量E待合成为与入射平面平行起偏的到来的非均匀平面波。可以从独立的水平分量和垂直分量创建电场矢量E作为：

通过几何方式，图3A中的说明暗示电场矢量E可以给出为：

E_ρ(ρ,z)＝E(ρ,z)cosθ_o,以及(23a)

这说明场比率是：

使用来自电场分量解和磁场分量解的电场分量和磁场分量，可以表达表面波导阻抗。径向表面波导阻抗可以写为：

并且表面法向阻抗可以写为：

称为“波倾斜”的一般化参数W在此注记为下式所给出的水平电场分量对垂直电场分量的比率：

其为复数并且具有幅值以及相位。

对于区域2中的TEM波，波倾斜角度等于与区域1的边界界面处的波前的法线与对边界界面的正切之间的角度。该情况在图3B中更易见，图3B关于径向圆柱引导表面波示出TEM波的等相位表面及其法线。在与理想导体的边界界面(z＝0)处，波前法线与边界界面的正切平行，产生W＝0。然而，在损耗介电体的情况下，因为波前法线在z＝0处并非与边界界面的正切平行，所以波倾斜W存在。

参照图4可以更好地理解该情况，图4示出引导表面波导探头400a的示例，其包括沿着与损耗传导介质403所呈现的平面正交的垂直轴z布置的提升的充电端子T₁和降低的补偿端子T₂。于此，充电端子T₁直接放置在补偿端子T₂之上，但可能的是，可以使用两个或更多个充电端子和/或补偿端子T_N的某种另外布置。根据本公开实施例，引导表面波导探头400a部署在损耗传导介质403之上。损耗传导介质403构成区域1(图2、图3A和图3B)，并且第二介质406与损耗传导介质403共享边界界面，而且构成区域2(图2、图3A和图3B)。

引导表面波导探头400a包括耦合电路409，其将激励源412耦合到充电端子T₁和补偿端子T₂。根据各个实施例，取决于在任何给定时刻施加到端子T₁和T₂的电压，电荷Q₁和Q₂可以施加在各个充电端子T₁和补偿端子T₂上。I₁是对充电端子T₁上的电荷Q₁进行馈电的传导电流，I₂是对补偿端子T₂上的电荷Q₂进行馈电的传导电流。

电有效高度的概念可以用于提供对引导表面波导探头400a的构造和操作的洞察。电有效高度(h_eff)对于具有h_p的物理高度(或长度)的单极已经定义为：

并且对于偶极或双极定义为：

由于双极的物理长度2h_p是单极的物理高度h_p的两倍，因此这些表达式的差异达2的因子。由于表达式取决于源的幅值和相位分布，因此有效高度(或长度)通常是复数。单极天线结构的分布式电流I(z)的积分在结构的物理高度(h_p)上得以执行，并且通过向上流动通过结构的基座(或输入)的大地电流(I₀)得以归一化。沿着结构的分布式电流表达为：

I(z)＝I_Ccos(β₀z)，>

其中，β₀是用于自由空间的传播因子。在图4的引导表面波导探头400a的情况下，I_C是沿着垂直结构所分布的电流。

可以使用包括结构的底部处的低损耗线圈(例如螺旋线圈)以及连接到充电端子T₁的供电导体的耦合电路409来理解该情况。其中，物理长度l_C的线圈或螺旋延迟线路以及下式的传播因子：

其中，V_f是结构上的速度因子，λ₀是所提供的频率处的波长，λ_p是源自任何速度因子V_f的传播波长，结构上的相位延迟是Φ＝β_pl_C，从物理结构的底部馈送到线圈的顶部的电流是：

I_C(β_pl_c)＝I₀e^jΦ，>

具有相对于大地(桩)电流I₀所测量的相位Φ。因此，图4中的引导表面波导探头400a的电有效高度可以近似为：

对于物理高度h_p<<λ₀的情况，在所提供的频率处的波长。可以通过相似的方式提升双极天线结构。在角度Φ的单极的复数有效高度h_eff＝h_p(或用于双极的复数有效长度h_eff＝2h_p>jΦ)可以受调整，以使得源场匹配引导表面波导模式并且使得引导表面波得以在损耗传导介质403上发射。

根据图4的实施例，充电端子T₁在物理高度H₁处位于损耗传导介质403上，并且补偿端子T₂在物理高度H₂处沿着垂直轴z直接位于T₁之下，其中H₂小于H₁。传输结构的高度h可以计算为h＝H₁-H₂。充电端子T₁具有隔离电容C₁，补偿端子T₂具有隔离电容C₂。取决于端子T₁与T₂之间的距离，互电容C_M也可以存在于端子T₁与T₂之间。在操作期间，取决于在任何给定时刻施加到充电端子T₁和补偿端子T₂的电压，电荷Q₁和Q₂分别施加在充电端子T₁和补偿端子T₂上。

根据一个实施例，损耗传导介质包括地面介质(例如星球地球)。为此，该地面介质包括其上所包括的所有结构或形成物，无论是自然的还是人造的。例如，该地面介质可以包括天然元素(例如岩石、土壤、沙子、淡水、海水、树、植物以及构成我们的星球的所有其它天然元素)。此外，该地面介质可以包括人造元素(例如混凝土、沥青、建筑材料以及其它人造材料)。在其它实施例中，损耗传导介质403可以包括除了地球之外的一些介质，而无论天然产生的还是人造的。在其它实施例中，损耗传导介质403可以包括其它介质(例如人造表面和结构(例如汽车、飞行器)、人造材料(例如胶合板、塑料片材或其它材料)或其它介质)。

在损耗传导介质403包括地面介质或地球的情况下，第二介质406可以包括大地之上的大气。故此，大气可以称为包括空气和构成地球的大气的其它元素的“大气介质”。此外，第二介质406可能可以包括相对于损耗传导介质403的其它介质。

返回参照图4，可以使用镜像理论分析使得区域1中的损耗传导介质403的影响最小化。这种关于损耗传导介质的分析假设在引导表面波导探头之下存在与图4所示的充电端子T₁上的电荷Q₁和补偿端子T₂上的电荷Q₂一致的的所感应的有效镜像电荷Q₁’和Q₂’。这些镜像电荷Q₁’和Q₂’不仅与充电端子T₁上的主源电荷Q₁和补偿端子T₂上的主源电荷Q₂异相180°，如它们在理想导体的情况下将成立的那样。损耗传导介质(例如比如地面介质)呈现相移的镜像。也就是说，镜像电荷Q₁’和Q₂’处于复数深度处。为了讨论复数镜像，参照Wait,J.R.,“Complex>IEEE Antennasand Propagation>Magazine,Vol.33,No.4,August>

并非镜像电荷Q₁’和Q₂’处于等于电荷Q₁和Q₂的物理高度(H_n)的深度处，(表示理想导体的)传导镜像大地平面415放置在z＝–d/2的复数深度处，并且镜像电荷出现在–Dn＝–(d/2+d/2+Hn)≠–Hn给出的复数深度处(即，“深度”具有幅值和相位二者)，其中，n＝1、2、……，并且对于垂直偏振源，

其中，

以及(34)

如方程(12)中所指示的那样。在损耗传导介质中，波前法线在z＝–d/2处而非在区域1与2之间的边界界面处与传导镜像大地平面415的正切平行。

镜像电荷Q₁’和Q₂’的复数间距进而暗指外部场将经历当界面要么是无损耗介电体要么是理想导体时并不遭遇的额外相移。损耗介电镜像理论技术的本质是以通过具有位于D_n＝d+H_n的复数深度处的源镜像的位于复数深度z＝–d/2处的理想导体来替换有限传导地球(或损耗介电体)。此后，可以使用(z＝+H_n处的)物理电荷Q_n加上(z'＝–D_n处的)其镜像Q_n'的叠加来计算大地之上(z≥0)的场。

给定前面的讨论，损耗传导介质的表面处的径向表面波导电流的渐近线J_ρ(ρ)可以确定为当接近时是J₁(ρ)并且当远离时是J₂(ρ)，其中，

接近(ρ<λ/8)：以及 (36)

远离(ρ>>λ/8)：

其中，α和β分别是与远离径向表面电流密度的衰减和传播相位有关的常数。如图4所示，I₁是对提升的充电端子T₁上的电荷Q₁进行馈电的传导电流，I₂是对下补偿端子T₂上的Q₂进行馈电的传导电流。

根据一个实施例，充电端子T₁的形状指定为保存实际上尽可能多的充电。最后，引导表面波导探头400a所发射的引导表面波的场强度直接与端子T₁上的电荷的数量成比例。此外，取决于各个充电端子T₁和补偿端子T₂相对于损耗传导介质403的高度，束缚电容可以存在于各各充电端子T₁和补偿端子T₂与损耗传导介质403之间。

可以通过Q₁＝C₁V₁确定上充电端子T₁上的电荷Q₁，其中，C₁是充电端子T₁的隔离电容，V₁是施加到充电端子T₁的电压。在图4的示例中，球面充电端子T₁可以看作电容器，并且补偿端子T₂可以包括圆片或下电容器。然而，在其它实施例中，端子T₁和/或T₂可以包括可以保存电荷的任何导电物体。例如，端子T₁和/或T₂可以包括任何形状(例如球面、圆片、圆柱、圆锥、环面、冠、一个或多个环或任何其它随机化形状或形状的组合)。如果端子T₁和/或T₂是球面或圆片，则可以计算各个自电容C₁和C₂。理想大地之上的h的物理高度处的球面的电容给出为：

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

其中，球面的直径是2a，并且M＝a/2h。

在充分隔离的端子的情况下，导电球面的自电容可以近似为C＝4πε_oa，其中，a包括以米为单位的球面的半径，并且圆片的自电容可以近似为C＝8ε_oa，其中，a包括以米为单位的圆片的半径。此外，注意，充电端子T₁和补偿端子T₂无需与图4所示的相同。每个端子可以具有分离的大小和形状，并且包括不同的传导材料。探头控制系统418被配置为：控制引导表面波导探头400a的操作。

关于提升的充电端子T₁上的电荷Q₁，考虑与损耗传导介质403的界面处的几何形状。如图3A所示，场比率与波倾斜之间的关系是：

以及(39)

对于传输模式(TM)下所发射的引导表面波的特定情况，波倾斜场比率给出为：

其中，将方程(40)应用于引导表面波给出：

在等于复数布鲁斯特角(θ_i,B)的入射角的情况下，反射系数消失，如下式所示：

通过调整复数场比率，可以合成以减少或消除反射的复数角度入射的入射场。如在光学中，使得入射电场的反射最小化可以改进耦合到损耗传导介质403的引导表面波导模式下的能量和/或使其最大化。较大的反射可能阻止和/或防止发射引导表面波。将该比率建立为给出以复数布鲁斯特角的入射，使得反射消失。

参照图5，示出关于在1850kHz的操作频率处的σ＝0.010mhos/m和相对介电常数ε_r＝15的区域1电导率的方程(20b)和(21)的一阶汉克尔函数的幅值的图线的示例。曲线503是方程(20b)的远离渐近线的幅值，曲线506是方程(21)的接近渐近线的幅值，其中，汉克尔超前点509产生在R_x＝54英尺的距离处。在汉克尔超前点509处，虽然幅值相等，但相位偏移存在于两个渐近线之间。根据各个实施例，可以通过在汉克尔超前点509处匹配复数布鲁斯特角(θ_i,B)而在鲜有或没有反射的情况下沿着损耗传导介质的表面以引导表面波的形式发射引导电磁场。

超越汉克尔超前点509，大辐角渐近线掌控汉克尔函数的“接近”表示，并且方程(3)的模式匹配电场的垂直分量渐近地传递到：

其与端子电压处的提升的充电端子的电容的隔离组件上的自由电荷线性地成比例，q_free＝C_free×V_T。提升的充电端子T₁(图4)的高度H₁影响充电端子T₁上的自由电荷的量。当充电端子T₁靠近镜像大地平面415(图4)时，端子上的多数电荷Q₁“束缚”到其镜像电荷。随着充电端子T₁提升，束缚电荷变少，直到充电端子T₁到达实质上所有隔离电荷是自由的高度。

用于充电端子T₁的增加的电容性提升的优点在于，从镜像大地平面415进一步移除提升的充电端子T₁上的电荷，产生增加的自由电荷q_free的量，以将能量耦合到引导表面波导模式下。

图6A和图6B是示出提升(h)对具有D＝32英寸的直径的球面充电端子上的自由电荷分布的影响的图线。图6A示出关于理想大地平面之上的6英尺(曲线603)、10英尺(曲线606)和34英尺(曲线609)的物理高度的球面端子周围的电荷的角向分布。由于充电端子从大地平面移动远离，因此电荷分布变得相对于球面端子更均匀地分布。在图6B中，曲线612是基于方程(38)的作为以英尺为单位的物理高度(h)的函数的球面端子的电容的图线。对于具有32英寸的直径的球面，隔离电容(C_iso)是45.2pF，其在图6B中示出为直线615。从图6A和图6B可见，对于大约四倍直径(4D)或更大的充电端子T₁的提升，电荷分布关于球面端子近似是均匀的，这样可以改进对引导表面波导模式的耦合。耦合的量可以表达为在引导表面波导模式下发射引导表面波的效率(或“发射效率”)。接近100％的发射效率是可能的。例如，可以实现大于99％、大于98％、大于95％、大于90％、大于85％、大于80％以及大于75％的发射效率。

然而，通过入射场(E)的射线光学解释，在更大的充电端子高度处，以布鲁斯特角与损耗传导介质相交的射线以距各个引导表面波导探头实质上更大的距离进行该操作。图7以图形方式示出在电场以布鲁斯特角入射的情况下增加球面的物理高度对距离的影响。随着高度从h₁通过h₂增加到h₃，电场以布鲁斯特角与损耗传导介质(例如地球)相交的点进一步移动远离电荷。源自这些较大距离处的几何扩展的较弱电场强度减少对引导表面波导模式的耦合的有效性。以另一方式声明，发射引导表面波的效率(或“发射效率”)减少。然而，可以提供补偿，其减少电场以布鲁斯特角通过损耗传导介质入射的距离，如将描述的那样。

现参照图8A，关于在汉克尔超前距离(R_x)处具有复数布鲁斯特角(θ_i,B)的充电端子T₁的入射电场(E)的射线光学解释示出复数角三角法的示例。从方程(42)回顾，对于损耗传导介质，布鲁斯特角是复数并且指定为：

以电方式，通过下式，几何参数与充电端子T₁的电有效高度(h_eff)有关：

R_xtanψ_i，B＝R_x×W＝h_eff＝h_pe^jΦ，(46)

其中，Ψ_i,B＝(π/2)-θ_i,B是从损耗传导介质的表面测量的布鲁斯特角。为了耦合到引导表面波导模式下，汉克尔超前距离处的电场的波倾斜可以表达为电有效高度与汉克尔超前距离的比率：

由于物理高度(h_p)和汉克尔超前距离(R_x)都是实数参量，因此汉克尔超前距离处的期望的引导表面波倾斜(W_Rx)的角度等于复数有效高度(h_eff)的相位(Φ)。这暗示，通过改变线圈的供电点处的相位，并且因此方程(32)中的相移，复数有效高度可以受操控并且波倾斜受调整，以在汉克尔超前点509处合成地匹配引导表面波导模式。

在图8A中，描述汉克尔超前点与充电端子T₁之间的具有沿着损耗传导介质表面的长度R_x的邻边以及在R_x处的汉克尔超前点与充电端子T₁的中心之间延伸的射线与损耗传导介质表面之间所测量的复数布鲁斯特角ψ_i,B的直角三角形。在位于物理高度h_p处并且以具有适当相位Φ的电荷激励的充电端子T₁情况下，所得电场在汉克尔超前距离R_x处并且以布鲁斯特角通过损耗传导介质边界界面入射。在这些条件下，可以在没有反射或实质上可忽略的反射的情况下激励引导表面波导模式。

然而，方程(46)意味着，引导表面波导探头400a(图4)的物理高度可以是相对小的。虽然这将激励引导表面波导模式，但提升的电荷Q₁对其镜像Q₁’(见图4)的接近性可能产生鲜有自由电荷的不当的大束缚电荷。为了进行补偿，充电端子T₁可以上升到适当的高程，以增加自由电荷的量。作为一个示例经验规则，充电端子T₁可以位于充电端子T₁的有效直径的大约4-5倍(或更大)的高程处。挑战在于，随着充电端子高度增加，以布鲁斯特角与损耗导电介质相交的射线在更大的距离处进行该操作，如图7所示，其中，电场更弱达的因子。

图8B示出将充电端子T₁提升得大于图8A的高度的效果。增加的高程产生波倾斜通过损耗导电介质入射以移动超越汉克尔超前点509的距离。为了改进引导表面波导模式下的耦合，并且因此提供引导表面波的更大的发射效率，下补偿端子T₂可以用于调整充电端子T₁的总有效高度(h_TE)，从而汉克尔超前距离处的波倾斜处于布鲁斯特角。例如，如果充电端子T₁已经提升到电场在大于汉克尔超前点509的距离处以布鲁斯特角与损耗导电介质相交的高度，如直线803所示，则补偿端子T₂可以用于通过补偿增加的高度来调整h_TE。补偿端子T₂的效果是，减少引导表面波导探头的电有效高度(或有效地提升损耗介质界面)，从而汉克尔超前距离处的波倾斜处于布鲁斯特角，如直线806所示。

总有效高度可以写为与充电端子T₁关联的上有效高度(h_UE)和与补偿端子T₂关联的下有效高度(h_LE)的叠加，从而

其中，Φ_U是施加到上充电端子T₁的相位延迟，Φ_L是施加到下补偿端子T₂的相位延迟，并且β＝2π/λ_p是来自方程(30)的传播因子。如果考虑额外导线长度，则可以通过将充电端子导线长度z与充电端子T₁的物理高度h_p相加并且将补偿端子导线长度y与补偿端子T₂的物理高度h_d相加来考虑它们，如下式所示：

下有效高度可以用于将总有效高度(h_TE)调整为等于图8A的复数有效高度(h_eff)。

方程(48)或(49)可以用于确定补偿端子T₂的下圆片的物理高度和用于对端子进行馈电的相位角，以获得汉克尔超前距离处的期望波倾斜。例如，方程(49)可以写为作为补偿端子高度(h_d)的函数的施加到充电端子T₁的相移，以给出：

为了确定补偿端子T₂的定位，可以利用以上所讨论的关系式。首先，总有效高度(h_TE)是上充电端子T₁的复数有效高度(h_UE)和下补偿端子T₂的复数有效高度(h_LE)的叠加，如方程(49)中所表达的那样。接下来，入射角的正切可以通过几何方式表达为：

其为波倾斜W的定义。最后，给定期望的汉克尔超前距离R_x，可以调整h_TE，以使得入射电场的波倾斜匹配汉克尔超前点509处的复数布鲁斯特角。可以通过调整h_p、Φ_U和/或h_d来实现该情况。

当在引导表面波导探头的示例的上下文中讨论时，可以更好地理解这些概念。参照图9A和图9B，示出包括充电端子T₁的引导表面波导探头400b和400c的示例的图形表示。AC源912充当用于充电端子T₁的激励源(图4的412)，其通过包括线圈909(例如螺旋线圈)的耦合电路(图4的409)耦合到引导表面波导探头400b。如图9A所示，引导表面波导探头400b可以包括沿着实质上与损耗传导介质403所呈现的平面正交的垂直轴z定位的上充电端子T₁(例如高度h_T处的球面)以及下补偿端子T₂(例如高度h_d处的圆片)。第二介质406位于损耗传导介质403之上。充电端子T₁具有自电容C_p，并且补偿端子T₂具有自电容C_d。在操作期间，取决于在任何给定时刻施加到端子T₁和T₂的电压，电荷Q₁和Q₂分别施加在端子T₁和T₂上。

在图9A的示例中，线圈909在第一端处耦合到大地桩915，并且在第二端处耦合到补偿端子T₂。在一些实现方式中，可以使用图9A所示的线圈909的第二端处的抽头921来调整对补偿端子T₂的连接。AC源912可以通过线圈909的下部分处的抽头924在操作频率处对线圈909进行供能。在其它实现方式中，AC源912可以通过主级线圈以感应方式耦合到线圈909。通过耦合到线圈909的抽头918对充电端子T₁进行供能。位于线圈909与大地桩915之间的安培表927可以用于在引导表面波导探头的基座处提供电流流动的幅值的指示。替代地，可以在耦合到大地桩915的导体周围使用电流钳，以获得电流流动的幅值的指示。补偿端子T₂位于损耗传导介质403(例如大地)之上并且实质上与之平行。

引导表面波导探头400的构造和调整基于各种操作条件(例如传输频率、损耗导电介质的条件(例如土壤电导率σ和相对介电常数ε_r)以及充电端子T₁的大小)。可以从方程(10)和(11)将折射率计算为：

其中，x＝σ/ωε_o，其中，ω＝2πf，并且可以从方程(42)将从表面法线测量的复数布鲁斯特角(θ_i,B)确定为：

或从如图8A所示的表面测量为：

也可以使用方程(47)求解汉克尔超前距离处的波倾斜。

也可以通过使得方程(20b)和(21)相等并且关于R_x进行求解来求出汉克尔超前距离。然后可以使用汉克尔超前距离和复数布鲁斯特角从方程(46)将电有效高度确定为：

h_eff＝R_xtanψ_i，B＝h_pe^jΦ。>

从方程(55)可见，复数有效高度(h_eff)包括与充电端子T₁的物理高度(h_p)关联的幅值以及待与汉克尔超前距离处的波倾斜的角度(Ψ)关联的相位(Φ)。通过这些可变的和所选择的充电端子T₁配置，可以确定引导表面波导探头400的配置。

通过所选择的充电端子T₁配置，可以确定球面直径(或有效球面直径)。例如，如果充电端子T₁并未被配置作为球面，则端子配置可以建模为具有有效球面直径的球面电容。可以选取充电端子T₁的大小以提供用于端子上所施加的电荷Q₁的足够大的表面。通常，期望使得充电端子T₁如实际那样大。充电端子T₁的大小应大得足以避免电离周围空气(这可能导致充电端子周围的电放电或点火)。如先前关于图6A和图6B所讨论的那样，为了减少充电端子T₁上的束缚电荷的量，充电端子T₁的期望的高程应是有效球面直径的4-5倍(或更大)。如果充电端子T₁的高程小于使用方程(55)所确定的复数有效高度(h_eff)所指示的物理高度(h_p)，则充电端子T₁应位于损耗导电介质(例如地球)之上的h_T＝h_p的物理高度处。如果充电端子T₁位于h_p处，则在不使用补偿端子T₂的情况下，在汉克尔超前距离(R_x)处将产生引导表面波倾斜。图9B示出没有补偿端子T₂的引导表面波导探头400c的示例。

返回参照图9A，当充电端子T₁的高程大于所确定的复数有效高度(h_eff)所指示的物理高度(h_p)时，可以包括补偿端子T₂。如关于图8B所讨论的那样，补偿端子T₂可以用于调整引导表面波导探头400的总有效高度(h_TE)，以激励在R_x处具有引导表面波倾斜的电场。补偿端子T₂可以在h_d＝h_T-h_p的物理高度处位于充电端子T₁之下，其中，h_T是充电端子T₁的总物理高度。在补偿端子T₂的位置是固定的并且相位延迟Φ_L施加到下补偿端子T₂的情况下，可以使用方程(50)确定施加到上充电端子T₁的相位延迟Φ_U。

当安装引导表面波导探头400时，可以如下调整方程(48)-(50)的相位延迟Φ_U和Φ_L。初始地，关于操作频率(f_o)确定复数有效高度(h_eff)和汉克尔超前距离(R_x)。为了使得束缚电容和对应束缚电荷最小化，上充电端子T₁位于充电端子T₁的球面直径(或等效球面直径)的至少四倍的总物理高度(h_T)处。注意，同时，上充电端子T₁也应位于复数有效高度(h_eff)的至少幅值(h_p)的高度处。如果h_T>h_p，则下补偿端子T₂可以位于h_d＝h_T-h_p的物理高度处，如图9A所示。在上充电端子T₁尚未耦合到线圈909的情况下，补偿端子T₂可以于是耦合到线圈909。AC源912以使得反射最小化并且使得对线圈909的耦合最大化的这样的方式耦合到线圈909。为此，AC源912可以在适当的点处(例如，在使得耦合最大化的50Ω点处)耦合到线圈909。在一些实施例中，AC源912可以经由阻抗匹配网络耦合到线圈909。例如，包括电容器(例如抽头式或可变)和/或电容器/电感器组合(例如抽头式或可变)的简单L网络可以匹配操作频率，从而当耦合到线圈909时，AC源912看到50Ω负载。可以然后关于在操作频率处与线圈的至少一部分的并联谐振而调整补偿端子T₂。例如，线圈909的第二端处的抽头921可以重新定位。虽然关于谐振而调整补偿端子电路有助于充电端子连接的后续调整，但不必在汉克尔超前距离(R_x)处建立引导表面波倾斜(W_Rx)。上充电端子T₁可以于是耦合到线圈909。

在该上下文中，图10示出图9A的普通电布线的示意图，其中，V₁是通过抽头924从AC源912施加到线圈909的下部分的电压，V₂是提供给上充电端子T₁的抽头918处的电压，V₃是通过抽头921施加到下补偿端子T₂的电压。电阻R_p和R_d分别表示充电端子T₁和补偿端子T₂的大地回路电阻(return>1和补偿端子T₂可以被配置作为球面、圆柱、环形、环、冠或电容性结构的任何其它组合。可以选取充电端子T₁和补偿端子T₂的大小，以提供用于施加到端子的电荷Q₁和Q₂的足够大的表面。通常，期望使得充电端子T₁如实际那样大。充电端子T₁的大小应大得足以避免电离周围空气(这可能导致充电端子周围的电放电或点火)。可以例如关于方程(38)如所公开的那样对于球面和圆片确定自电容C_p和C_d。

在图10中可见，通过线圈909的电感的至少一部分、补偿端子T₂的自电容C_d以及与补偿端子T₂关联的大地回路电阻R_d来形成谐振电路。可以通过调整施加到补偿端子T₂的电压V₃(例如，通过调整线圈909上的抽头921位置)或通过调整补偿端子T₂的高度和/或大小以调整C_d来建立并联谐振。可以关于并联谐振而调整线圈抽头921的位置，这样将产生通过大地桩915并且通过安培表927的大地电流到达最大点。在已经建立补偿端子T₂的并联谐振之后，可以将用于AC源912的抽头924的位置调整到线圈909上的50Ω点。

来自线圈909的电压V₂可以然后通过抽头918施加到充电端子T₁。可以调整抽头918的位置，从而总有效高度(h_TE)的相位(Φ)近似等于汉克尔超前距离(R_x)处的引导表面波倾斜的角度(Ψ)。调整线圈抽头918的位置，直到到达该操作点，这样产生通过安培表927的大地电流增加到最大值。在该点处，引导表面波导探头400b(图9A)所激励的所得场实质上与损耗传导介质403的表面上的引导表面波导模式是模式匹配的，产生沿着损耗传导介质403的表面发射引导表面波(图4、图9A、图9B)。可以通过沿着从引导表面波导探头400延伸的径向测量场强度来验证该情况(图4、图9A、图9B)。包括补偿端子T₂的电路的谐振可以随着充电端子T₁的附连和/或随着通过抽头921施加到充电端子T₁的电压的调整而改变。虽然关于谐振而调整补偿端子电路有助于充电端子连接的后续调整，但不必在汉克尔超前距离(R_x)处建立引导表面波倾斜(W_Rx)。可以进一步调整系统，以通过将用于AC源912的抽头924的位置迭代地调整为处于线圈909上的50Ω点处并且调整抽头918的位置以使得通过安培表927的大地电流最大化来改进耦合。随着抽头918和924的位置受调整，或当其它组件附连到线圈909时，包括补偿端子T₂的电路的谐振可能漂移。

如果h_T≤h_p，则无需补偿端子T₂调整引导表面波导探头400c的总有效高度(h_TE)，如图9B所示。在充电端子位于h_p处的情况下，电压V₂可以从线圈909通过抽头918施加到充电端子T₁。于是可以确定产生近似等于汉克尔超前距离(R_x)处的引导表面波倾斜的角度(Ψ)的总有效高度(h_TE)的相位(Φ)的抽头918的位置。调整线圈抽头918的位置，直到到达该操作点，这样产生通过安培表927的大地电流增加到最大值。在该点处，所得场实质上与损耗传导介质403的表面上的引导表面波导模式是模式匹配的，由此沿着损耗传导介质403的表面发射引导表面波。可以通过沿着从引导表面波导探头400延伸的径向测量场强度来验证该情况。可以进一步调整系统，以通过将用于AC源912的抽头924的位置迭代地调整为处于线圈909上的50Ω点处并且调整抽头918的位置以使得通过安培表927的大地电流最大化来改进耦合。

在一个实验示例中，构造引导表面波导探头400b，以在1.879MHz处验证所提出的结构的操作。引导表面波导探头400b的位点处的土壤电导率确定为σ＝0.0053mhos/m，并且相对介电常数是ε_r＝28。使用这些值，方程(52)所给出的折射率确定为n＝6.555–j3.869。基于方程(53)和(54)，复数布鲁斯特角求解为θ_i,B＝83.517–j3.783度或Ψ_i,B＝6.483+j3.783度。

使用方程(47)，引导表面波倾斜计算为W_Rx＝0.113+j0.067＝0.131ej(30.551°)。也可以通过使得方程(20b)和(21)相等并且关于R_x进行求解来求出R_x＝54英尺的汉克尔超前距离。使用方程(55)，复数有效高度(h_eff＝h_p>jΦ)确定为h_p＝7.094英尺(相对于损耗传导介质)，并且Φ＝30.551度(相对于大地电流)。注意，相位Φ等于引导表面波倾斜的辐角Ψ。然而，h_p＝7.094英尺的物理高度是相对小的。虽然这将激励引导表面波导模式，但提升的充电端子T₁对地球(及其镜像)的接近性将产生大量的束缚电荷以及十分少的自由电荷。由于引导表面波场强度与充电端子上的自由电荷成比例，因此增加的高程是期望的。

为了增加自由电荷的量，充电端子T₁的物理高度设置为h_p＝17英尺，其中，补偿端子T₂位于充电端子T₁之下。用于连接的额外导线长度近似是y＝2.7英尺以及z＝1英尺。使用这些值，使用方程(50)来确定补偿端子T₂的高度(h_d)。在图11中以图形方式示出该情况，图11分别示出Φ_U的虚部的图线130和实部的图线160。补偿端子T₂位于高度h_d处，其中，Im{Φ_U}＝0，如图线130中以图形方式所示。在此情况下，将虚部设置为零给出h_d＝8.25英尺的高度。在该固定高度处，线圈相位Φ_U可以从Re{Φ_U}确定为+22.84度，如图线160中以图形方式所示。

如先前所讨论的那样，总有效高度是与充电端子T₁关联的上有效高度(h_UE)和与补偿端子T₂关联的下有效高度(h_LE)的叠加，如方程(49)中所表达的那样。在线圈抽头调整为22.84度的情况下，复数上有效高度给出为：

(或在35.21°处的18.006)，并且复数下有效高度给出为：

(或-141.773°处的10.950)。总有效高度(h_TE)是这两个值的叠加，其给出：

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

可见，线圈相位匹配所计算的引导表面波倾斜W_Rx的角度。可以然后调整引导表面波导探头，以使得大地电流最大化。如先前关于图9A所讨论的那样，可以通过将用于AC源912的抽头924的位置迭代地调整为处于线圈909上的50Ω点处并且调整抽头918的位置以使得通过安培表927的大地电流最大化来改进引导表面波导模式耦合。

执行场强度测量，以验证引导表面波导探头400b(图9A)耦合到引导表面波或传输线模式下的能力。参照图12，示出对于场强度测量所使用的引导表面波导探头的图像。图12示出包括皆制造为环的上充电端子T₁和下补偿端子T₂的引导表面波导探头400b。绝缘结构将充电端子T₁支撑在补偿端子T₂之上。例如，RF绝缘纤维玻璃桅杆可以用于支撑充电端子T₁和补偿端子T₂。应理解，绝缘支撑结构可以被配置为：使用例如绝缘拉索引线和滑轮组、螺旋齿轮或其它适当的机构来调整充电端子T₁和补偿端子T₂的位置。线圈用在耦合电路中，其中，线圈的一端接地到RF绝缘纤维玻璃桅杆的基座附近的8英尺大地杆。AC源通过抽头连接耦合到线圈的右侧(V₁)，并且用于充电端子T₁和补偿端子T₂的抽头位于线圈的中心(V₂)和左边(V₃)。图9A以图形方式示出线圈909上的抽头位置。

引导表面波导探头400b在1879kHz的频率处受电力供电。在64pF的电容的情况下，上充电端子T₁上的电压是15.6V_peak-peak(5.515V_RMS)。使用FIM-41FS仪表(PotomacInstruments公司，Silver>x)，大辐角渐近线掌控汉克尔函数的“接近”表示，模式匹配电的垂直分量渐近地传递到方程(44)，其与充电端子上的自由电荷线性地成比例。表1示出测量值和预测数据。当使用精确绘图应用(Mathcad)绘制时，发现测量值拟合与38％对应的电发射效率曲线，如图13所示。对于充电端子T₁上的15.6V_pp，场强度曲线(Zenneck@38％)1英里处通过363μV/m(并且在1km处通过553μV/m)，并且与电容(C_p)和所施加的端子电压线性地成比例。

表1

较低电发射效率可以归因于上充电端子T₁的高度。甚至在充电端子T₁提升到17英尺的物理高度的情况下，束缚电荷减少引导表面波导探头400b的效率。甚至在发现所耦合的波匹配38％电发射效率曲线的该低高度(h_d/λ＝0.032)处，增加充电端子T₁的高度将改进引导表面波导探头400b的发射效率。此外，在图13中可见，(除了8英尺大地杆之外没有大地系统的)图9A的适度17英尺引导表面波导探头400b在1879kHz处在1-6英里的范围中展现比具有广阔大地系统的完全四分之一波塔(λ/4Norton＝131英尺高)更好的场强度达10dB。增加充电端子T₁的高程并且增加补偿端子T₂的高度以及线圈相位Φ_U可以改进引导表面波导模式耦合，并且因此改进所得电场强度。

在另一实验示例中，构造引导表面波导探头400，以在52MHz(对应于ω＝2πf＝3.267×10⁸弧度/秒)验证所提出的结构的操作。图14A示出引导表面波导探头400的图像。图14B是图14A的引导表面波导探头400的示意图。偶极子探头的充电端子T₁与补偿端子T₂之间的复数有效高度受调整，以在汉克尔超前距离处匹配R_x倍引导表面波倾斜W_Rx，以发射引导表面波。可以通过改变各端子之间的物理间距、磁链路耦合以及其在AC源912与线圈909之间的位置、端子T₁与T₂之间的电压的相对相位、充电端子T₁和补偿端子T₂相对于大地或损耗传导介质的高度或其组合来实现该情况。在引导表面波导探头400的位点处的损耗传导介质的电导率确定为σ＝0.067mhos/m，并且相对介电常数是ε_r＝82.5。使用这些值，折射率确定为n＝9.170–j1.263。复数布鲁斯特角求出为Ψ_i,B＝6.110+j0.8835度。

也可以通过使得方程(20b)和(21)相等并且关于R_x进行求解来求出R_x＝2英尺的汉克尔超前距离。图15示出52Hz处的超前距离R_x的图形表示。曲线533是“远离”渐近线的图线。曲线536是“接近”渐近线的图线。该示例中的数学渐近线的两个集合的幅值在两英尺的汉克尔超前点539处是相等的。在52MHz的操作频率处关于具有0.067mhos/m的电导率以及ε_r＝82.5的相对介电常数(介电率)的水计算图线。在较低频率处，汉克尔超前点539移动得更远离。引导表面波倾斜计算为W_Rx＝0.108e^j(7.851°)。对于具有6英尺的总高度的偶极子配置，复数有效高度(h_eff＝2h_p>jΦ＝R_x>i,B)确定为2h_p＝6英寸，其中Φ＝–172度。当将补偿端子T₂的相位延迟调整为实际条件时，发现Φ＝–174度使得在实验误差之内的引导表面波的模式匹配最大化。

执行场强度测量，以验证图14A和图14B的引导表面波导探头400耦合到引导表面波或传输线模式下的能力。在10V峰峰值施加到3.5pF端子T₁和T₂的情况下，引导表面波导探头400所激励的电场受测量并且绘制于图16中。可见，所测量的场强度落在90％和100％的Zenneck曲线之间。用于诺顿半波双极天线的测量值明显更小。

接下来参照图17，示出包括沿着实质上与损耗传导介质403所呈现的平面正交的垂直轴z定位的上充电端子T₁(例如高度h_T处的球面)和下补偿端子T₂(例如高度h_d处的圆片)的引导表面波导探头400d的另一示例的图形表示。在操作期间，取决于在任何给定时刻施加到端子T₁和T₂的电压，电荷Q₁和Q₂分别施加在充电端子T₁和补偿端子T₂上。

如图9A和图9B中那样，AC源912充当用于充电端子T₁的激励源(图4的412)。AC源912通过包括线圈909的耦合电路(图4的409)耦合到引导表面波导探头400d。AC源912可以通过抽头924穿过线圈909的下部分而连接，如图17所示，或可以通过主级线圈的方式以感应方式耦合到线圈909。线圈909可以在第一端处耦合到大地桩915并且在第二端处耦合到充电端子T₁。在一些实现方式中，可以在线圈909的第二端处使用抽头930来调整对充电端子T₁的连接。补偿端子T₂位于损耗传导介质403(例如大地或地球)之上并且实质上与之平行，并且通过耦合到线圈909的抽头933得以供能。位于线圈909与大地桩915之间的安培表927可以用于在引导表面波导探头的基座处提供电流流动(I₀)的幅值的指示。替代地，可以在耦合到大地桩915的导体周围使用电流钳，以获得电流流动(I₀)的幅值的指示。

与图9A的配置比较，在图17的实施例中，对充电端子T₁的连接(抽头930)已经向上移动到用于补偿端子T₂的抽头933的连接点之上。这种调整允许增加的电压(并且因此更高的电荷Q₁)施加到上充电端子T₁。如在图9A的引导表面波导探头400b的情况下那样，可以调整引导表面波导探头400d的总有效高度(h_TE)，以激励在汉克尔超前距离处具有引导表面波倾斜的电场。也可以通过使得方程(20b)和(21)相等并且关于R_x进行求解来求出汉克尔超前距离。可以如以上方程(52)-(55)所描述的那样确定折射率(n)、复数布鲁斯特角(θ_i,B和Ψ_i,B)、波倾斜(|W|e^jΨ)以及复数有效高度(h_eff＝h_p>jΦ)。

通过所选择的充电端子T₁配置，可以确定球面直径(或有效球面直径)。例如，如果充电端子T₁并未被配置作为球面，则端子配置可以建模为具有有效球面直径的球面电容。可以选取充电端子T₁的大小以提供用于端子上所施加的电荷Q₁的足够大的表面。通常，期望使得充电端子T₁如实际那样大。充电端子T₁的大小应大得足以避免电离周围空气(这可能导致充电端子周围的电放电或点火)。为了减少充电端子T₁上的束缚电荷的量，用于在充电端子T₁上提供自由电荷以用于发射引导表面波的期望高程应是损耗导电介质(例如地球)之上的有效球面直径的4-5倍。补偿端子T₂可以用于调整引导表面波导探头400d的总有效高度(h_TE)，以激励在R_x处具有引导表面波倾斜的电场。补偿端子T₂可以在h_d＝h_T-h_p处位于充电端子T₁之下，其中，h_T是充电端子T₁的总物理高度。在补偿端子T₂的位置是固定的并且相位延迟Φ_U施加到上充电端子T₁的情况下，可以使用方程(49)的关系式来确定施加到下补偿端子T₂的相位延迟Φ_L。

在替选实施例中，补偿端子T₂可以位于高度h_d处，其中，Im{Φ_L}＝0。

在AC源912耦合到线圈909的情况下(例如，在50Ω点处，以使得耦合最大化)，可以关于在操作频率处补偿端子T₂与线圈的至少一部分的并联谐振而调整抽头933的位置。来自线圈909的电压V₂可以施加到充电端子T₁，并且抽头930的位置可以受调整，从而总有效高度(h_TE)的相位(Ψ)近似等于汉克尔超前距离(R_x)处的引导表面波倾斜(W_Rx)的角度。可以调整线圈抽头930的位置，直到到达该操作点，这样产生通过安培表927的大地电流增加到最大值。在该点处，引导表面波导探头400d所激励的所得场实质上与损耗传导介质403的表面上的引导表面波导模式是模式匹配的，产生沿着损耗传导介质403的表面发射引导表面波。可以通过沿着从引导表面波导探头400延伸的径向测量场强度来验证该情况。

在其它实现方式中，来自线圈909的电压V₂可以施加到充电端子T₁，并且抽头933的位置可以受调整，从而总有效高度(h_TE)的相位(Φ)近似等于R_x处的引导表面波倾斜的角度(Ψ)。可以调整线圈抽头930的位置，直到到达该操作点，产生通过安培表927的大地电流实质上到达最大值。所得场实质上与损耗传导介质403的表面上的引导表面波导模式是模式匹配的，并且引导表面波沿着损耗传导介质403的表面得以发射。可以通过沿着从引导表面波导探头400延伸的径向测量场强度来验证该情况。可以进一步调整系统，以通过将用于AC源912的抽头924的位置迭代地调整为处于线圈909上的50Ω点处并且调整抽头930和/或933的位置以使得通过安培表927的大地电流最大化来改进耦合。

图18是示出包括沿着实质上与损耗传导介质403所呈现的平面正交的垂直轴z定位的上充电端子T₁(例如高度h_T处的球面)和下补偿端子T₂(例如高度h_d处的圆片)的引导表面波导探头400e的另一示例的图形表示。在图18的示例中，充电端子T₁(例如高度h_T处的球面)和补偿端子T₂(例如高度h_d处的圆片)耦合到线圈909的相对端。例如，充电端子T₁可以经由抽头936连接在线圈909的第一端处，并且补偿端子T₂可以经由抽头939连接在线圈909的第二端处，如图18所示。补偿端子T₂位于损耗传导介质403(例如大地或地球)之上并且实质上与之平行。在操作期间，取决于在任何给定时刻施加到端子T₁和T₂的电压，电荷Q₁和Q₂分别施加在充电端子T₁和补偿端子T₂上。

AC源912充当用于充电端子T₁的激励源(图4的412)。AC源912通过包括线圈909的耦合电路(图4的409)耦合到引导表面波导探头400e。在图18的示例中，AC源912通过抽头式连接942和943连接跨越线圈909的中间部分。在其它实施例中，AC源912可以通过主级线圈以感应方式耦合到线圈909。AC源912的一侧还耦合到大地桩915，其提供线圈909上的接地点。位于线圈909与大地桩915之间的安培表927可以用于在引导表面波导探头400e的基座处提供电流流动的幅值的指示。替代地，可以在耦合到大地桩915的导体周围使用电流钳，以获得电流流动的幅值的指示。

可以调整引导表面波导探头400e的总有效高度(h_TE)，以激励在汉克尔超前距离R_x处具有引导表面波倾斜的电场，如先前已经讨论的那样。也可以通过使得方程(20b)和(21)相等并且关于R_x进行求解来求出汉克尔超前距离。可以如以上方程(52)-(55)所描述的那样确定折射率(n)、复数布鲁斯特角(θ_i,B和ψ_i,B)以及复数有效高度(h_eff＝h_p>jΦ)。

对于所选择的充电端子T₁配置，可以确定球面直径(或有效球面直径)。例如，如果充电端子T₁并未被配置作为球面，则端子配置可以建模为具有有效球面直径的球面电容。为了减少充电端子T₁上的束缚电荷的量，用于在充电端子T₁上提供自由电荷以用于发射引导表面波的期望高程应是损耗导电介质(例如地球)之上的有效球面直径的4-5倍。补偿端子T₂可以在h_d＝h_T-h_p处位于充电端子T₁之下，其中，h_T是充电端子T₁的总物理高度。在充电端子T₁和补偿端子T₂的位置是固定的并且AC源912耦合到线圈909(例如，在50Ω点处，以使得耦合最大化)的情况下，可以关于在操作频率处补偿端子T₂与线圈的至少一部分的并联谐振而调整抽头939的位置。虽然关于谐振而调整补偿端子电路有助于充电端子连接的后续调整，但不必在汉克尔超前距离(R_x)处建立引导表面波倾斜(W_Rx)。可以通过在线圈909上重新定位抽头936和/或939之一或二者来调整施加到上充电端子T₁和下补偿端子T₂的相位延迟Φ_L和Φ_U之一或二者。此外，可以通过重新定位AC源912的抽头942之一或二者来调整相位延迟Φ_L和Φ_U。可以调整线圈抽头936、939和/或942的位置，直到到达该操作点，这样产生通过安培表927的大地电流增加到最大值。可以通过沿着从引导表面波导探头400延伸的径向测量场强度来验证该情况。然后可以通过重新定位这些抽头以增加大地电流(或使得其最大化)来调整相位延迟。

当引导表面波导探头400所产生的电场具有汉克尔超前距离R_x处的引导表面波倾斜时，它们实质上与损耗传导介质的表面上的引导表面波导模式是模式匹配的，并且引导表面波的形式的引导电磁场沿着损耗传导介质的表面得以发射。如图1所示，引导电磁场的引导场强度曲线103具有特征指数衰减，并且在log-log图例上展现独特拐点109。可以利用具有一个或多个引导表面波导探头的接收电路，以促进无线传输和/或功率传递系统。

接下来参照图19A、图19B和图20，示出用于在无线功率传递送系统中使用表面引导波的一般化接收电路的示例。图19A和图19B分别包括线形探头703和调谐式谐振器706。图20是根据本公开各个实施例的磁线圈709。根据各个实施例，可以采用线形探头703、调谐式谐振器706和磁线圈709中的每一个，以接收根据各个实施例在损耗传导介质403(图4)的表面上以引导表面波的形式发送的功率。如上所述，在一个实施例中，损耗传导介质403包括地面介质(或地球)。

具体参照图19A，线形探头703的输出端子713处的开路端子电压取决于线形探头703的有效高度。为此，端子点电压可以计算为：

其中，E_inc是以伏特每米为单位的线形探头703上的电场的强度，dl是沿着线形探头703的方向的积分的片元，h_e是线形探头703的有效高度。电负载716通过阻抗匹配网络719耦合到输出端子713。

当线形探头703经受如上所述的引导表面波时，电压穿过输出端子713而发展，其可以视情况而通过共轭阻抗匹配网络719施加到电负载716。为了促进功率流动到电负载716，电负载716应实质上与线形探头703阻抗匹配，如以下将描述的那样。

参照图19B，调谐式谐振器706包括在损耗传导介质403之上提升的充电端子T_R。充电端子T_R具有自电容C_R。此外，取决于充电端子T_R在损耗传导介质403之上的高度，在充电端子T_R与损耗传导介质403之间也可能存在束缚电容(未示出)。应优选地如可实践的那样多地使得束缚电容最小化，但这可能并非在引导表面波导探头400的每一实例中是完全必要的。

调谐式谐振器706还包括线圈L_R。线圈L_R的一端耦合到充电端子T_R，并且线圈L_R的另一端耦合到损耗传导介质403。为此，，由于充电端子C_R和线圈L_R串联地定位，因此调谐式谐振器706(其也可以称为调谐式谐振器L_R-C_R)包括串联调谐式谐振器。通过调整充电端子T_R的大小和/或高度和/或通过调整线圈L_R的大小对调谐式谐振器706进行调谐，从而实质上消除结构的无功阻抗。

例如，自电容C_R所呈现的电抗计算为1/jωC_R。注意，调谐式谐振器706的总电容可以还包括充电端子T_R与损耗传导介质403之间的电容，其中，应理解，可以从自电容C_R和任何束缚电容二者计算调谐式谐振器706的总电容。根据一个实施例，充电端子T_R可以上升到某高度，从而实质上减少或消除任何束缚电容。可以从充电端子T_R与损耗传导介质403之间的电容测量确定束缚电容的存在性。

分立式元件线圈L_R所呈现的感抗可以计算为jωL，其中，L是线圈L_R的集总式元件电感系数。如果线圈L_R是分布式元件，则可以通过传统方法来确定其等效端子点感抗。为了对调谐式谐振器706进行调谐，我们将进行调整，从而线圈L_R所呈现的感抗等于调谐式谐振器706所呈现的容抗，从而调谐式谐振器706的所得净电抗在操作频率处实质上为零。阻抗匹配网络723可以插入在探头端子721与电负载726之间，以对用于对电负载726的最大功率传送的共轭匹配条件起作用。

当面临调谐式谐振器706和共轭匹配网络723的频率处所生成的引导表面波时，如上所述，最大功率将从表面引导波传递到电负载726。也就是说，一旦在调谐式谐振器706与电负载726之间建立共轭阻抗匹配，功率就将从结构传递到电负载726。为此，电负载726可以通过磁耦合、电容耦合或导电(直接抽头)耦合的方式耦合到调谐式谐振器706。应理解，耦合网络的元件可以是集总式组件或分布式元件。在图19B所示的实施例中，采用磁耦合，其中，相对于充当变压器主级的线圈L_R，线圈L_S定位为次级。应理解，线圈L_S可以是通过在同一磁芯结构周围以几何方式缠绕它并且调整所耦合的磁通量而耦合到线圈L_R的链接。此外，虽然调谐式谐振器706包括串联调谐式谐振器，但也可以使用并联调谐式谐振器或甚至分布式元件谐振器。

参照图20，磁线圈709包括接收电路，其通过阻抗匹配网络733耦合到电负载736。为了促进从引导表面波接收和/或提取电功率，磁线圈709可以定位为这样的：引导表面波的磁通量穿过磁线圈709，由此磁线圈709中包括电流并且在其输出端子729处产生端子点电压。耦合到单匝线圈的引导表面波的磁通量表达为：

其中，Ψ是耦合磁通量，μ_r是磁线圈709的磁芯的有效相对磁导率，μ_o是自由空间的磁导率，是入射磁场强度矢量，是与匝的横截面积正交的单位矢量，A_CS是每个环所包围的面积。对于适用于对磁线圈709的横截面积上是均匀的入射磁场的最大耦合的N匝磁线圈709，磁线圈709的输出端子729处出现的开路感应电压是：

其中，如上定义变量。磁线圈709可以视情况而要么作为分布式谐振器要么通过穿过其输出端子729的外部电容器调谐到引导表面波频率，并且于是通过共轭阻抗匹配网络733与外部电负载736阻抗匹配。

假设磁线圈709和电负载736所呈现的所得电路正确地受调整并且经由阻抗匹配网络733得以共轭阻抗匹配，那么可以采用磁线圈709中所感应的电流以优化地对电负载736进行供电。磁线圈709所呈现的接收电路提供优点在于，其无需以物理方式连接到大地。

参照图19A、图19B和图20，线形探头703、调谐式谐振器706和磁线圈709所呈现的接收电路均促进接收从以上所描述的引导表面波导探头400的实施例中的任一发送的电功率。为此，应理解，接收到的能量可以用于将功率经由共轭匹配网络提供给电负载716/726/736。这与可以在接收机中接收的以辐射电磁场的形式发送的信号对比。这些信号具有非常低的可用功率，并且这些信号的接收机不是发射机的负载。

此外，使用上述引导表面波导探头400所生成的该引导表面波的特性是，线形探头703、调谐式谐振器706和磁线圈709所呈现的接收电路将成为应用于引导表面波导探头400的激励源413(图4)的负载，由此生成这些接收电路经受的引导表面波。这反映这样的事实：上述给定引导表面波导探头400所生成的引导表面波包括传输线模式。通过对比的方式，驱动生成辐射电磁波的辐射天线的功率源并非以接收机为负载，而无论所采用的接收机的数量如何。

因此，连同一个或多个引导表面波导探头400，线形探头703、调谐式谐振器706和/或磁线圈709的形式的一个或多个接收电路可以一起构成无线发布系统。给定使用以上所阐述的引导表面波导探头400的引导表面波的传输的距离取决于频率，那么可能的是，可以穿过广大区域并且甚至全局地实现无线功率发布。

如今广泛地研究的传统无线功率传输/发布系统包括来自辐射场的“能量收割”以及还有耦合到感应式或无功近场的传感器。与之对比，该无线功率系统并不以辐射的形式(其如果不被截获则永远丢失)浪费功率。目前所公开的无线功率系统也不限于如传统互电抗耦合式近场系统的情况下那样的超短距离。在此所公开的无线功率系统通过探头耦合到表面引导传输线模式，这等同于通过波导将功率传递到负载或负载直接引线连接到远程功率发生器。并不考虑保持传输场强度所需的功率加上表面波导中所耗散的功率(相对于60Hz处的传统高压电力线中的传输损耗，其在异常低频率处是不显著的)，所有发生器功率仅去往期望的电负载。当电负载需求终止时，源功率生成是相对空载的。

接下来参照图21A，示出表示线形探头703和调谐式谐振器706的示意图。图21B示出表示磁线圈709的示意图。线形探头703和调谐式谐振器706可以均看作开路端子电压源V_S和死区(dead)网络端子点阻抗Z_S所表示的戴维南等效。磁线圈709可以看作短路端子电流源I_S和死区网络端子点阻抗Z_S所表示的诺顿等效。每个电负载716/726/736(图19A、图19B和图20)可以由负载阻抗Z_L表示。源阻抗Z_S包括实数分量和虚数分量，并且取得Z_S＝R_S+jX_S的形式。

根据一个实施例，电负载716/726/736分别是与每个接收电路匹配的阻抗。具体地说，每个电负载716/726/736通过各个阻抗匹配网络719/723/733呈现表达为Z_L'＝R_L'+j>L(其将等于Z_L'＝Z_s*＝R_S-j>S)的Z_L'所指定的探头网络上的负载，其中，所呈现的负载阻抗Z_L'是实际源阻抗Z_S的复数共轭。共轭匹配定理(其声明，如果在级联网络中，共轭匹配产生在任何端子配对处，则其将产生在所有端子配对处)于是断言实际电负载716/726/736也将看见对其阻抗的共轭匹配Z_L’。见Everitt,W.L.and>Communication>Engineering,McGraw-Hill,3^rd>

引导表面波导探头400的操作可以受控，以关于与引导表面波导探头400关联的操作条件的变化进行调整。例如，探头控制系统418(图4)可以用于控制耦合电路409和/或充电端子T₁和/或补偿端子T₂的定位，以控制引导表面波导探头400的操作。操作条件可以包括但不限于损耗传导介质403的特性(例如电导率σ和相对介电常数ε_r)的变化、场强度的变化和/或引导表面波导探头400的加载的变化。从方程(52)-(55)可见，折射率(n)、复数布鲁斯特角(θ_i,B和ψ_i,B)、波倾斜(|W|e^jΨ)以及复数有效高度(h_eff＝h_p>jΦ)可以受源自例如气候条件的土壤电导率和介电常数的改变影响。

例如比如电导率测量探头、介电常数传感器、大地参数仪表、场仪表、电流监控器和/或负载接收机的装备可以用于监控操作条件的改变，并且将关于当前操作条件的信息提供给探头控制系统418。探头控制系统418可以于是对引导表面波导探头400进行一个或多个调整，以保持所指定的关于引导表面波导探头400的操作条件。例如，随着湿度和温度变化，土壤的电导率也将变化。电导率测量探头和/或介电常数传感器可以位于引导表面波导探头400周围的多个位置处。通常，将期望关于操作频率在汉克尔超前距离R_x处或其左右监控电导率和/或介电常数。电导率测量探头和/或介电常数传感器可以位于引导表面波导探头400周围的多个位置处(例如，在每个象限中)。

图22A示出可以安装以用于监控土壤电导率的改变的电导率测量探头的示例。如图22A所示，在土壤中沿着直线插入一系列测量探头。例如，探头可以是具有12英寸或更大的穿透深度并且间隔开达d＝18英寸的9/16英寸直径杆。DS1是100瓦特灯泡，R1是5瓦特14.6欧姆电阻。通过将AC电压施加到电路并且测量穿过电阻的V1和穿过中心探头的V2，可以通过σ＝21(V1/V2)的加权比率确定电导率。测量可以受滤波，以获得仅与AC电压供电频率有关的测量。也可以利用使用其它电压、频率、探头大小、深度和/或间距的不同配置。

明线线路探头也可以用于测量土壤的电导率和介电常数。如图22B所示，使用例如阻抗分析器测量插入到土壤(损耗介质)中的两个杆的顶部之间的阻抗。如果利用阻抗分析器，则可以在频率范围上进行测量(R+jX)，并且使用下式从频率依赖性测量确定电导率和介电常数：

和

其中，C₀是空气中的探头的以pF为单位的电容。

电导率测量探头和/或介电常数传感器可以被配置为：在周期性的基础上估计电导率和/或介电常数，并且将信息传递到探头控制系统418(图4)。该信息可以通过网络(例如但不限于LAN、WLAN、蜂窝网络或其它适当的有线或无线通信网络)传递到探头控制系统418。基于所监控的电导率和/或介电常数，探头控制系统418可以估计折射率(n)、复数布鲁斯特角(θ_i,B和ψ_i,B)、波倾斜(|W|e^jΨ)、复数有效高度(h_eff＝h_p>jΦ)的变化，并且调整引导表面波导探头400，以保持汉克尔超前距离处的波倾斜，从而照射保持按复数布鲁斯特角。可以通过调整例如h_p、Φ_U、Φ_L和/或h_d来实现该情况。例如，探头控制系统418可以调整补偿端子T₂的高度(h_d)或分别施加到充电端子T₁和/或补偿端子T₂的相位延迟(Φ_U、Φ_L)，以将引导表面波的电发射效率保持在其最大值处或其附近。可以通过变化线圈909上的抽头位置和/或通过沿着线圈909包括多个预定抽头并且在不同的预定抽头位置之间进行切换以使得发射效率最大化来调整施加到充电端子T₁和/或补偿端子T₂的相位。

场或场强度(FS)仪表(例如FIM-41FS仪表，Potomac Instruments公司，SilverSpring，MD)也可以分布在引导表面波导探头400周围，以测量与引导表面波关联的场的场强度。场或FS仪表可以被配置为：检测场强度和/或场强度(例如电场强度)的改变，并且将该信息传递到探头控制系统418。该信息可以通过网络(例如但不限于LAN、WLAN、蜂窝网络或其它适当的通信网络)传递到探头控制系统418。随着负载和/或环境条件在操作期间改变或变化，可以调整引导表面波导探头400，以在FS仪表位置处保持所指定的场强度，以确保对接收机以及它们所供电的负载的适当功率传输。

例如，可以调整分别施加到充电端子T₁和/或补偿端子T₂的相位延迟(Φ_U、Φ_L)，以使得引导表面波导探头400的电发射效率改进和/或最大化。通过调整一个或两个相位延迟，可以调整引导表面波导探头400，以确保汉克尔超前距离处的波倾斜保持按复数布鲁斯特角。可以通过调整线圈909上抽头位置以改变提供给充电端子T₁和/或补偿端子T₂的相位延迟来实现该情况。提供给充电端子T₁的电压等级也可以增加或降低，以调整电场强度。可以通过调整激励源412(图4)的输出电压或通过调整或重新配置耦合电路409(图4)来实现该情况。例如，可以调整用于AC源912(图4)的抽头924(图4)的位置，以增加充电端子T₁所看见的电压。将场强度等级保持在预定范围内可以改进接收机进行的耦合，减少大地电流损耗，并且避免来自其它引导表面波导探头400的对传输的干扰。

参照图23A，示出被配置为基于所监控的条件而调整引导表面波导探头400的操作的包括图4的探头控制系统418的自适应控制系统430的示例。可以通过硬件、固件、硬件所执行的软件或其组合来实现探头控制系统418。本领域技术人员应理解，例如，探头控制系统418可以包括处理电路，其包括处理器和存储器，其二者可以耦合到本地接口(例如比如具有伴随控制/地址总线的数据总线)。探头控制应用可以由处理器执行，以基于所监控的条件而调整引导表面波导探头400的操作。探头控制系统418可以还包括一个或多个网络接口，以用于与各种监控设备进行通信。通信可以通过网络(例如但不限于LAN、WLAN、蜂窝网络或其它适当的通信网络)。探头控制系统418可以包括例如计算机系统(例如服务器、台式计算机、膝上型设备或具有类似能力的其它系统)。

自适应控制系统430可以包括一个或多个大地参数仪表433(例如但不限于图22A的电导率测量探头和/或图22B的明线探头)。大地参数仪表433可以在与探头操作频率关联的汉克尔超前距离(R_x)左右处分布在引导表面波导探头400左右。例如，图22B的明线探头可以位于引导表面波导探头400周围的每个象限中，以监控损耗传导介质的电导率和介电常数，如先前所描述的那样。大地参数仪表433可以被配置为：在周期性的基础上确定损耗传导介质的电导率和介电常数，并且将该信息传递到探头控制系统418，以用于引导表面波导探头400的潜在调整。在一些情况下，仅当检测到所监控的条件的改变时，大地参数仪表433可以将该信息传递到探头控制系统418。

自适应控制系统430可以还包括一个或多个场仪表436(例如但不限于电场强度(FS)仪表)。场仪表436可以超越汉克尔超前距离(R_x)分布在引导表面波导探头400左右，其中，引导场强度曲线103(图1)僭越辐射场强度曲线106(图1)。例如，多个场仪表436可以沿着从引导表面波导探头400向外扩展的一个或多个径向而定位，以监控电场强度，如先前所描述的那样。场仪表436可以被配置为：在周期性的基础上确定场强度，并且将该信息传递到探头控制系统418，以用于引导表面波导探头400的潜在调整。在一些情况下，仅当检测到所监控的条件的改变时，场仪表436可以将该信息传递到探头控制系统418。

其它变量也可以受监控，并且用于调整引导表面波导探头400的操作。例如，流动通过大地桩915(图9A-图9B、图17和图18)的大地电流可以用于监控引导表面波导探头400的操作。例如，大地电流可以提供损耗传导介质403的表面上的引导表面波导探头400的加载和/或电场对引导表面波模式的耦合的改变的指示。可以通过监控AC源912(或图4的激励源412)确定有功功率传递。在一些实现方式中，可以调整引导表面波导探头400，以至少部分地基于电流指示而使得对引导表面波导模式的耦合最大化。通过调整提供给充电端子T₁和/或补偿端子T₂的相位延迟，可以保持汉克尔超前距离处的波倾斜，以用于按复数布鲁斯特角的照射，以用于损耗传导介质403(例如地球)中的引导表面波传输。可以通过调整线圈909上的抽头位置来实现该操作。然而，大地电流也可能受接收机加载影响。如果大地电流大于期待的电流等级，则这可以指示不考虑引导表面波导探头400的加载正发生。

激励源412(或AC源912)也可以受监控，以确保过载不产生。随着引导表面波导探头400上的有功负载增加，激励源412的输出电压或从线圈提供给充电端子T₁的电压可以增加，以增加场强度等级，由此避免附加负载电流。在一些情况下，接收机自身可以用作监控引导表面波导模式的条件的传感器。例如，接收机可以监控接收机处的场强度和/或负载需求。接收机可以被配置为：将关于当前操作条件的信息传递到探头控制系统418。该信息可以通过网络(例如但不限于LAN、WLAN、蜂窝网络或其它适当的通信网络)传递到探头控制系统418。基于该信息，探头控制系统418可以于是关于后续操作而调整引导表面波导探头400。例如，可以调整分别施加到充电端子T₁和/或补偿端子T₂的相位延迟(Φ_U、Φ_L)，以使得引导表面波导探头400的电发射效率改进和/或最大化，以提供接收机的负载需求。在一些情况下，探头控制系统418可以调整引导表面波导探头400，以减少激励源412和/或引导表面波导探头400上的加载。例如，提供给充电端子T₁的电压可以减少以降低场强度，并且防止对最远距的负载设备的部分的耦合。

探头控制系统418可以使用例如一个或多个抽头控制器439来调整引导表面波导探头400。在图23A中，从线圈909到上充电端子T₁的连接受控于抽头控制器439。响应于所监控的条件的改变(例如电导率、介电常数和/或电场强度的改变)，探头控制系统可以将控制信号传递到抽头控制器439，以发起抽头位置的改变。抽头控制器439可以被配置为：沿着线圈909连续地或基于预定抽头连接而增量式地变化抽头位置。控制信号可以包括所指定的抽头位置，或指示所定义的数量的抽头连接进行的改变。通过调整抽头位置，可以调整充电端子T₁的相位延迟，以改进引导表面波导模式的发射效率。

虽然图23A示出耦合在线圈909与充电端子T₁之间的抽头控制器439，但在其它实施例中，从线圈909到下补偿端子T₂的连接442也可以包括抽头控制器439。图23B示出具有用于调整补偿端子T₂的相位延迟的抽头控制器439的引导表面波导探头400的另一实施例。图23C示出引导表面波导探头400的实施例，其中，可以使用抽头控制器439来控制端子T₁和T₂二者的相位延迟。探头控制系统418可以独立地或同时地控制抽头控制器439。在这两个实施例中，包括阻抗匹配网络445，以用于将AC源912耦合到线圈909。在一些实现方式中，AC源912可以通过抽头控制器439耦合到线圈909，抽头控制器439可以受控于探头控制系统418，以保持关于来自AC源的最大功率传送的匹配条件。

返回参照图23A，探头控制系统418也可以使用例如充电端子定位系统448和/或补偿端子定位系统451来调整引导表面波导探头400。通过调整充电端子T₁和/或补偿端子T₂的高度并且因此二者之间的距离，可以调整对引导表面波导模式的耦合。端子定位系统448和451可以被配置为：通过沿着与损耗传导介质403正交的z轴线性地升高或降低端子来改变端子T₁和T₂的高度。例如，线性电机可以用于使用耦合到端子的绝缘杆来向上或向下平移充电端子T₁和补偿端子T₂。其它实施例可以包括绝缘传动装置和/或拉索和滑轮组、螺旋齿轮或可以控制充电端子T₁和补偿端子T₂的定位的其它适当的机构。端子定位系统448和451的绝缘防止充电端子T₁和补偿端子T₂上出现的电荷的放电。例如，绝缘结构可以将充电端子T₁支撑在补偿端子T₂之上。例如，RF绝缘纤维玻璃桅杆可以用于支撑充电端子T₁和补偿端子T₂。可以使用充电端子定位系统448和/或补偿端子定位系统451单独地定位充电端子T₁和补偿端子T₂，以使得引导表面波导探头400的电发射效率改进或最大化。

如已经讨论的那样，自适应控制系统430的探头控制系统418可以通过与一个或多个位于远程的监控设备(例如但不限于大地参数仪表433和/或场仪表436)进行通信来监控引导表面波导探头400的操作条件。探头控制系统418也可以通过从安培表927(图23B和图23C)和/或AC源912(或激励源412)存取信息(例如大地电流)来监控其它条件。基于所监控的信息，探头控制系统418可以确定是否需要调整引导表面波导探头400以使得发射效率改进和/或最大化。响应于所监控的条件中的一个或多个的改变，探头控制系统418可以发起分别施加到充电端子T₁和/或补偿端子T₂的相位延迟(Φ_U、Φ_L)和/或分别充电端子T₁和/或补偿端子T₂的物理高度(h_p、h_d)中的一个或多个的调整。在一些实现方式中，探头控制系统418可以估计所监控的条件，以标识改变的源。如果所监控的条件因接收机负载的改变而产生，则可以避免调整引导表面波导探头400。如果所监控的条件影响引导表面波导探头400的发射效率，则探头控制系统418可以发起引导表面波导探头400的调整，以使得发射效率改进和/或最大化。

在一些实施例中，也可以调整充电端子T₁的大小，以控制对引导表面波导模式的耦合。例如，可以通过改变端子的大小来变化充电端子T₁的自电容。也可以通过增加充电端子T₁的大小(这样可以减少来自充电端子T₁的放电的机会)来改进电荷分布。探头控制系统418可以通过充电端子定位系统448或通过分离的控制系统提供充电端子T₁大小的控制。

图24A和图24B示出可以用作引导表面波导探头400的充电端子T₁的可变端子203的示例。例如，可变端子203可以包括嵌套在外部圆柱区段209的内部的内部圆柱区段206。内部圆柱区段206和外部圆柱区段209可以分别包括穿过底部和顶部的板。在图24A中，示出具有可以与第一有效球面直径关联的第一大小的收缩条件下的圆柱形可变端子203。为了改变端子的大小并且因此有效球面直径，可变端子203的一个或两个区段可以扩展，以增加表面面积，如图24B所示。可以使用电隔离以防止端子上的电荷的放电的驱动机构(例如电机或液压缸)实现该情况。

除了前面内容之外，本公开的各个实施例包括但不限于以下条款中所阐述的实施例。

条款1.一种引导表面波导探头，包括：充电端子，在损耗传导介质上提升；以及耦合电路，将激励源耦合到所述充电端子，所述耦合电路被配置为：将建立具有在距所述引导表面波导探头的汉克尔超前距离(R_x)处以复数布鲁斯特角(ψ_i,B)的正切与所述损耗传导介质相交的波倾斜(W)的电场的电压提供给所述充电端子。

条款2.如条款1所述的引导表面波导探头，其中，所述耦合电路包括所述激励源与所述充电端子之间所耦合的线圈。

条款3.如条款2所述的引导表面波导探头，其中，所述线圈是螺旋线圈。

条款4.如条款2和3中的任一项所述的引导表面波导探头，其中，所述激励源经由抽头连接耦合到所述线圈。

条款5.如条款2-4中的任一项所述的引导表面波导探头，其中，所述抽头连接处于所述线圈上的阻抗匹配点处。

条款6.如条款2-5中的任一项所述的引导表面波导探头，其中，阻抗匹配网络耦合在所述激励源与所述线圈上的抽头连接之间。

条款7.如条款2-6中的任一项所述的引导表面波导探头，其中，所述激励源磁耦合到所述线圈。

条款8.如条款2-7中的任一项所述的引导表面波导探头，其中，所述充电端子经由抽头连接耦合到所述线圈。

条款9.如条款1-8中的任一项所述的引导表面波导探头，其中，所述充电端子位于与所述引导表面波导探头的有效高度的幅值对应的物理高度(h_p)处，其中，所述有效高度由h_eff＝R_x>i,B＝h_p>jΦ给出，其中ψ_i,B＝(π/2)-θ_i,B，并且Φ是所述有效高度的相位。

条款10.如条款9所述的引导表面波导探头，其中，所述相位Φ近似等于与所述复数布鲁斯特角对应的照射的波倾斜的角度Ψ。

条款11.如条款1-10中的任一项所述的引导表面波导探头，其中，所述充电端子具有有效球面直径，并且所述充电端子位于所述有效球面直径的至少四倍的高度处。

条款12.如条款11所述的引导表面波导探头，其中，所述充电端子是球面端子，具有等于所述球面端子的直径的所述有效球面直径。

条款13.如条款11和12中的任一项所述的引导表面波导探头，其中，所述充电端子的高度大于与所述引导表面波导探头的有效高度的幅值对应的物理高度(h_p)，其中，所述有效高度由h_eff＝R_x>i,B＝h_p>jΦ给出，其中，ψ_i,B＝(π/2)-θ_i,B。

条款14.如条款11-13中的任一项所述的引导表面波导探头，还包括补偿端子，位于所述充电端子之下，所述补偿端子耦合到所述耦合电路。

条款15.如条款11-14中的任一项所述的引导表面波导探头，其中，所述补偿端子位于所述充电端子之下的、等于所述物理高度(h_p)的距离处。

条款16.如条款11-15中的任一项所述的引导表面波导探头，其中，Φ是所述补偿端子与所述充电端子之间的复数相位差。

条款17.如条款1-16中的任一项所述的引导表面波导探头，其中，所述损耗传导介质是地面介质。

条款18.一种系统，包括：引导表面波导探头，包括：充电端子，在损耗传导介质上提升；以及耦合电路，被配置为：将建立具有在距所述引导表面波导探头的汉克尔超前距离(R_x)处以复数布鲁斯特角(ψ_i,B)的正切与所述损耗传导介质相交的波倾斜(W)的电场的电压提供给所述充电端子；以及激励源，经由所述耦合电路耦合到所述充电端子。

条款19.如条款18所述的系统，还包括探头控制系统，被配置为：至少部分地基于所述损耗传导介质的特性而调整所述引导表面波导探头。

条款20.如条款18和19中的任一项所述的系统，其中，所述损耗传导介质是地面介质。

条款21.如条款18-20中的任一项所述的系统，其中，所述耦合电路包括耦合在所述激励源与所述充电端子之间的线圈，所述充电端子经由可变抽头耦合到所述线圈。

条款22.如条款21所述的系统，其中，所述线圈是螺旋线圈。

条款23.如条款21和22中的任一项所述的系统，其中，所述探头控制系统响应于所述损耗传导介质的特性的改变而调整所述可变抽头的位置。

条款24.如条款21-23中的任一项所述的系统，其中，所述可变抽头的位置的调整对所述电场的所述波倾斜进行调整以与在所述汉克尔超前距离(R_x)处以复数布鲁斯特角(ψ_i,B)与所述损耗传导介质相交的波照射对应。

条款25.如条款21-24中的任一项所述的系统，其中，所述引导表面波导探头还包括补偿端子，位于所述充电端子之下，所述补偿端子耦合到所述耦合电路。

条款26.如条款21-25中的任一项所述的系统，其中，所述补偿端子位于所述充电端子之下的、等于与所述引导表面波导探头的有效高度的幅值对应的物理高度(h_p)的距离处，其中，所述有效高度由h_eff＝R_x>i,B＝h_p>jΦ给出，其中，ψ_i,B＝(π/2)-θ_i,B，并且其中，Φ是所述补偿端子与所述充电端子之间的复数相位差。

条款27.如条款21-26中的任一项所述的系统，其中，所述探头控制系统响应于所述损耗传导介质的特性的改变而调整所述补偿端子的位置。

条款28.一种方法，包括：

将充电端子定位在损耗传导介质上的所定义的高度处；

将补偿端子定位在所述充电端子之下，所述补偿端子分离达所定义的距离；以及

通过具有复数相位差的激励电压来激励所述充电端子和所述补偿端子，其中，所述激励电压建立具有与在距所述充电端子和所述补偿端子的汉克尔超前距离(R_x)处以复数布鲁斯特角(ψ_i,B)照射所述损耗传导介质的波对应的波倾斜(W)的电场。

条款29.如条款28所述的方法，其中，所述充电端子具有有效球面直径，并且所述充电端子位于所述有效球面直径的至少四倍的所定义的高度处。

条款30.如条款28和29中的任一项所述的方法，其中，所定义的距离等于与所述充电端子的有效高度的幅值对应的物理高度(h_p)，其中，所述有效高度由h_eff＝R_x>i,B＝h_p>jΦ给出，其中，ψ_i,B＝(π/2)-θ_i,B，并且其中，Φ是所述补偿端子与所述充电端子之间的复数相位差。

条款31.如条款28-30中的任一项所述的方法，其中，所述充电端子和所述补偿端子经由线圈耦合到激励源，所述充电端子通过可变抽头耦合到所述线圈。

条款32.如条款31所述的方法，还包括：调整所述可变抽头的位置，以建立具有在所述汉克尔超前距离(R_x)处以复数布鲁斯特角(ψ_i,B)与所述损耗传导介质相交的波倾斜的电场。

应强调，本公开上述实施例仅是为了清楚理解本公开的原理而阐述的实现方式的可能示例。在实质上不脱离本公开的精神和原理的情况下，可以对上述实施例进行很多变形和修改。所有这些修改和变形目的是在此包括于本公开的范围内并且受所附权利要求保护。此外，于在此所教导的本公开的所有方面中可使用所描述的实施例和从属权利要求的所有可选和优选特征和修改。此外，在适当的情况下，从属权利要求的单独特征以及所描述的实施例的所有可选和优选特征以及修改可彼此组合并且互换。为此，以上所描述的各个实施例公开可以取决于期望的实现方式而通过各种方式可选地组合的要素。

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