CN107148700A

CN107148700A - 多相波导探针的适配

Info

Publication number: CN107148700A
Application number: CN201580061005.8A
Authority: CN
Inventors: J.F.科勒姆; K.L.科勒姆
Original assignee: CPG Technologies LLC
Current assignee: CPG Technologies LLC
Priority date: 2014-09-11
Filing date: 2015-09-10
Publication date: 2017-09-08
Also published as: IL250795A0; MX365767B; US10153638B2; BR112017004916A2; US20160079754A1; MX2017003042A; US10355480B2; MA40488A; SG11201701370VA; CA2957598A1; US20190058327A1; US10027116B2; AU2015314927B2; AU2015314927A1; EA201790578A1; HK1243231A1; KR20170049529A; JP2017532938A; EP3192125A1; US20180309289A1

Abstract

公开了通过激发多相波导探针来沿着有损传导介质(例如地面介质的表面)以引导表面波导模式的形式传输能量的各种实施例。探针控制系统可用于至少部分地基于有损传导介质的特性来调节多相波导探针。

Description

多相波导探针的适配

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年9月11日提交的、名称为“多相波导探针的适配”的共同未决的美国临时申请No.62/049,124，以及2015年9月9日提交的、名称为“多相波导探针的适配”的共同未决的美国非临时申请No.14/848,653的优先权和权益，两个申请的全部内容以引用的方式并入本文。

本申请涉及2013年3月7日提交的、名称为“在有源介质上引导表面波模式的激发和使用”的共同未决的美国非临时申请且其被指定申请号13/789,538，并且于2014年9月11日以公开号US2014/0252886A1公开，该申请的全部内容以引用的方式并入本文。本申请还涉及2013年3月7日提交的、名称为“在有源介质上引导表面波模式的激发和使用”的共同未决的美国非临时申请且其被指定申请号13/789,525，并且于2014年9月11日以公开号US2014/0252865A1公开，该申请的全部内容以引用的方式并入本文。本申请进一步涉及2014年9月10日提交的、名称为“在有源介质上引导表面波模式的激发和使用”的共同未决的美国非临时申请且其被指定申请号14/483,089，该申请的全部内容以引用的方式并入本文。本申请进一步涉及2015年6月2日提交的、名称为“在有源介质上引导表面波模式的激发和使用”的共同未决的美国非临时申请且其被指定申请号14/728,507，该申请的全部内容以引用的方式并入本文。本申请进一步涉及2015年6月2日提交的、名称为“在有源介质上引导表面波模式的激发和使用”的共同未决的美国非临时申请且其被指定申请号14/728,492，该申请的全部内容以引用的方式并入本文。

背景技术

一个多世纪以来，由无线电波传输(transmit)的信号涉及使用常规天线结构发射的辐射场。与无线电科学相反，上个世纪的配电系统涉及沿着电导体引导的能量的传输。这种对射频(RF)和电力传输之间的区别的理解自1900年代早期就已经存在。

发明内容

本公开的实施例涉及多相波导探针的适配。

在多个实施例中的一个，一种方法包括用激发电压激发多相波导探针的第一充电端子和第二充电端子，以合成与有损传导介质的引导表面波导模式实质上匹配的多个场，以沿有损传导介质的表面通过径向表面电流传输能量，检测与多相波导探针相关联的操作条件的变化，并且响应于检测到的变化，调节多相探针以改善引导表面波导模式的匹配。第一充电端子位于有损传导介质上的限定高度处，并且第二充电端子位于第一充电端子下方限定距离。检测与多相波导探针相关联的操作条件的变化可以包括检测与径向表面电流相关联的电场强度的变化。检测与多相波导探针相关联的操作条件的变化包括检测与径向表面电流相关联的电场强度的变化。

在这些实施例的一个或多个方面中，电场强度的变化由位于超过多相波导探针的限定的径向距离之外的场检测仪来检测。该限定的径向距离与多相波导探针的接近径向表面电流和远离径向表面电流之间的过渡相关联。检测与多相波导探针相关联的操作条件的变化包括检测有损传导介质的传导率的变化。传导率的变化由位于距离多相波导探针的限定的径向距离处的地面参数检测仪来检测。该限定的径向距离与多相波导探针的接近径向表面电流和远离径向表面电流之间的过渡相关联。有损传导介质可以是陆地介质。合成场可以与地面介质表面上的泽尼克表面波模式实质上模式匹配。

在这些实施例的一个或多个方面中，调节多相探针可包括调节有损传导介质上方的第一充电端子的高度和/或第二充电端子的高度。第一和第二充电端子之间的限定的距离可保持相同。第一充电端子和第二充电端子可经由线圈耦合到激发源。第一充电端子可经由可变抽头耦合到线圈，并且调节多相探针可包括调节线圈上的可变抽头的位置，和/或第二充电端子可经由可变抽头耦合到线圈，并且调节多相探针可包括调节线圈上的可变抽头的位置。调节多相探针可包括调节第一充电端子的尺寸或第二充电端子的尺寸。

在这些实施例的一个或多个方面中，引导表面波导模式的径向表面电流密度可实质上表示为

其中γ是由给出的表面波径向传播常数，并且u₂是由给出的垂直传播常数，其中σ是地面介质的传导率，ω等于2πf，其中f是多相波导探针的激发频率，ε_o是自由空间的介电常数，ε_r是陆地介质的相对介电常数，并且自由空间波数k_o等于其中λ_o是多相波导探针的自由空间波长，j等于ρ是径向坐标，z是垂直于地面介质的垂直坐标，是方位坐标，I_o是多相探针净电流，并且H₁ ⁽²⁾(-jγρ)是第二类和第一阶的复自变量为-jγρ的汉克尔函数，对于时间变化量e^+jωt，其中t是时间。

在另一实施例中，一种系统，包括多相波导探针，其被配置为在有损传导介质的表面上产生与泽尼克表面波模式实质上模式匹配的多个合成场，和探针控制系统，其被配置为至少部分地基于有损传导介质的特性来调节多相波导探针。探针控制系统可被配置为响应于检测到的有损传导介质的特性的变化来调节多相波导探针，以改善泽尼克表面波模式的模式匹配。

在这些实施例的一个或多个方面中，多相波导探针可包括耦合到多个充电端子的探针耦合电路，该探针耦合电路可被配置为在多个充电端子上施加多个电压幅度和多个相位。探针控制系统被配置为调节多个充电端子上的多个电压幅度和多个相位，以改善泽尼克表面波模式的模式匹配。多个充电端子可经由至少一个可变抽头耦合到探针耦合电路的线圈。调节多个充电端子上的多个电压幅度和多个相位可包括调整至少一个可变抽头的位置。探针控制系统可被配置为经由抽头控制器来调节至少一个可变抽头的位置。探针控制系统可被配置为调节在有损传导介质之上的多个充电端子中的至少一个充电端子的高度，以改善泽尼克表面波模式的模式匹配。探针控制系统可被配置为经由充电端子定位系统重新定位该至少一个充电端子。

在这些实施例的一个或多个方面中，泽尼克表面波模式的径向表面电流密度可实质上表示为

本公开的其他系统、方法、特征和优点将基于下面的附图和详细描述而对本领域技术人员的成为或变得显而易见。可预期的所有这样的附加系统、方法、特征和优点都包括在本说明书中，在本公开的范围之内，并且由所附权利要求保护。

并且，所描述的实施例的所有可选的和优选的特征和变型，在本文所教导的发明的所有方面是可用的。此外，所描述的实施例中的从属权利要求中的区别特征以及所有可选的和优选的特征及变型可以相互组合及互换。

附图说明

参考以下附图可以更好地理解本公开的许多方面。附图中的部件不一定是按比例的，重点在于清楚地示出该公开的原理。此外，在附图中，相同的附图标记指示多个视图中的相应部分。

图1是描绘作为引导电磁场和辐射电磁场的距离的函数的场强的曲线图。

图2是示出根据本公开的各种实施例的具有用于传输引导表面波的两个区域的传播界面的图。

图3是示出根据本公开的实施例的相对于图2的传播界面设置的多相波导探针的图。

图4是示出根据本公开的实施例的提供在接地电流中的相移的一个示例图，其有助于在图3的传播界面中在有损传导介质上发射引导表面波模式。

图5是示出根据本公开的各种实施例的由多相波导探针合成的电场的插入的复合角的图。

图6是根据本公开的实施例的多相波导探针的示意图。

图7A至7J是根据本公开的各种实施例的图6的多相波导探针的具体示例的示意图。

图8A至8C是示出根据本公开的各种实施例的由多相波导探针的各种实施例产生的选择传输频率处的引导表面波的场强的曲线图。

图9示出根据本公开的实施例的作为由多相波导探针产生的距离的函数的、在59兆赫处的引导表面波的场强的实验测量的曲线图的一个示例。

图10示出根据本公开的实施例的作为图9的引导表面波的距离的函数的相位的实验测量的曲线图。

图11示出根据本公开的实施例的场强的实验测量的曲线的另一示例，场强的实验测量作为由在1.85兆赫处的多相波导探针产生的引导表面波的距离的函数。

图12A和12B描绘根据本公开的各种实施例的可以用于接收由多相波导探针发射的以引导表面波的形式传输的能量的接收器的示例。

图13描绘根据本公开的各种实施例的可以用于接收由多相波导探针发射的以引导表面波的形式传输的能量的附加接收器的示例。

图14A描绘根据本公开的实施例的表示图12A-B所描绘的接收器的戴维宁(Thevenin)等效物的示意图。

图14B描绘根据本公开的实施例的表示图13中描绘的接收器的诺顿(Norton)等效物的示意图。

图15A描绘根据本公开的实施例的传导率测量探针的示意图。

图15B描绘根据本公开的各种实施例的阻抗分析器。

图16A至图16C描绘根据本公开的各种实施例的各种自适应控制系统。

图17A、17B和18描绘根据本公开的实施例的可变充电端子的示例。

具体实施方式

参见图1，开始时，应建立一些术语，以便清晰地讨论以下的概念。首先，如本文所设想的，示出辐射电磁场和引导电磁场之间的形式上的区别。

如本文所设想的，辐射电磁场包括以不绑定到波导的波的形式从源结构发射的电磁能。例如，辐射电磁场通常是离开诸如天线的电结构并且通过大气或其他介质传播并且不绑定到任何波导结构的场。一旦辐射电磁波离开诸如天线的电结构，他们继续在传播介质(诸如空气)中独立于其源传播，直到他们耗散，而不管源是否继续操作。一旦电磁波被辐射，他们是不可恢复的，除非被截取，并且如果没有被截取，则辐射电磁波中固有的能量永远丢失。诸如天线的电结构被设计成通过最大化辐射电阻与结构损耗电阻的比率来辐射电磁场。辐射能量在空间中扩散并且无论是否存在接收器都会丢失。由于几何扩展，辐射场的能量密度是距离的函数。因此，本文使用的所有形式的术语“辐射(radiate)”是指电磁传播的这种形式。

引导电磁场是传播的电磁波，其能量集中于具有不同的电磁特性的介质之间的边界内或附近。在这个意义上，引导电磁场是绑定到波导的电磁场，并且被描述为被波导中流动的电流传送。如果没有负载接收和/或耗散在引导电磁波中传送的能量，则除了在引导介质的传导率中耗散的能量之外，没有能量的损失。换句话说，如果没有用于引导电磁波的负载，则不消耗能量。因此，除非存在电阻式负载，否则产生引导电磁场的发生器或其他源不传送有效功率。为此，这种发电机或其他源基本上空转直到出现负载。这类似于运行发电机以产生通过没有电负载的电力线传输的60赫兹电磁波。应当注意，引导电磁场或波等效于所谓的“传输线模式(transmission line mode)”。这与辐射电磁波形成对比，在辐射电磁波中，始终提供有效功率以便产生辐射波。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的波导传播。因此，这里使用的所有形式的术语“引导(guide)”是指电磁传播的这种传输模式。

为了进一步示出辐射电磁场与引导电磁场的区别，参考图1，其描绘了作为在log-dB布局上以千米为单位的距离的函数的以伏特每米为单位的任意参考之上的以分贝(dB)为单位的场强的曲线图100。图1的曲线图100描绘了引导场强度曲线103，其示出了作为距离的函数的引导电磁场的场强。该引导场强度曲线103基本上与传输线模式相同。此外，图1描绘了辐射场强度曲线106，其示出了作为距离的函数的辐射电磁场的场强度。

感兴趣的是用于辐射和用于引导波传播的曲线103/106的形状。辐射场强度曲线106在几何上(1/d，其中d是距离)下降，并且是重对数图尺上的直线。另一方面，引导场强度曲线103具有特征指数衰减并且表现出特殊的拐点109。由此，如图所示，引导电磁场的场强以的速率下降，而辐射电磁场的场强以1/d的速率下降，其中d是距离。由于引导场强度曲线103指数地下降的事实，引导场强度曲线103的特性在于如上所述的拐点109。引导场强度曲线103以及辐射场强度曲线106在以交叉距离出现的交叉点113处相交。在小于交叉距离的距离处，引导电磁场的场强在大多数位置处比辐射电磁场的场强明显更大。在大于交叉距离的距离处，情况正好相反。因此，引导和辐射场强度曲线103和106还示出了引导和辐射电磁场之间的基本传播差异。对于引导和辐射电磁场之间的差异的非正式讨论，参考Milligan,T.，Modern Antenna Design(现代天线设计)，麦格劳-希尔，第1版，1985，第8-9页，其全部内容以引用的方式并入本文。

上文做出的辐射和引导电磁波之间的区别，形式上容易地表示并以严密的基础区分。这两种不同的解决方案可以从一个并且是同一个线性偏微分方程中出现，从施加在问题上的边界条件解析产生波动方程。波动方程的格林(Green)函数本身包含辐射波和引导波的性质之间的区别。

在空白空间中，波动方程是微分算子，其本征函数具有复数波数平面上的特征值的连续谱。这种横向电磁(TEM)场称为辐射场，并且那些传播场称为“赫兹波”(Hertzianwaves)。然而，在存在传导边界的情况下，波动方程附加边界条件在数学上导致由连续光谱加上离散光谱的和组成的波数的光谱表示。为此，参考Sommerfeld,A.，“Uber dieAusbreitung der Wellen in der Drahtlosen Telegraphie”(关于波在无线电报的传播)，物理年鉴，第28卷，1909，第665-736页。还参见Sommerfeld,A.，“Problems of Radio”(无线电的问题)，作为Partial Differential Equations in Physics–Lectures on Theoretical Physics:Volume VI(物理中的部分微分方程-理论物理讲座：第VI卷)的第6章，学术出版社，1949，第236-289，295-296页中公开；Collin,R.E.，“Hertzian DipoleRadiating Over a Lossy Earth or Sea:Some Early and Late 20^th CenturyControversies”(在有损地球或海洋上的赫兹偶极辐射：一些二十世纪早期和晚期的争论)，IEEE Antennas and Propagation Magazine(IEEE天线和传播杂志)，第46卷，No.2，2004年4月，第64-79页；和Reich,H.J.，Ordnung,P.F，Krauss,H.L.和Skalnik,J.G.，Microwave Theory and Techniques(微波理论与技术)，范.诺斯特兰德，1953，第291-293页，这些参考文献中的每一个的全部内容以引用的方式并入本文。

综上所述，首先，对应于分支截止积分，波数特征值谱的连续部分产生辐射场，其次，离散光谱以及从积分轮廓封闭的极点所产生的对应剩余总和，导致非TEM行进表面波在横向于传播的方向上呈指数衰减。表面波是引导传输路线模式。为了进一步的解释，参考Friedman,B.，Principles and Techniques of Applied Mathematics(应用数学理论与技巧)，威利，1956，第214，283-286，290，298-300页。

在自由空间中，天线激发波动方程的连续本征值，其是辐射场，其中具有E_z和同相的向外传播的RF能量永远消失。另一方面，波导探针激发离散的特征值，这导致传输线传播。参见Collin,R.E.，Field Theory of Guided Waves(引导波的场理论)，麦格劳-希尔，1960，第453，474-477页。尽管这样的理论分析已经提出了在有损耗的均匀介质的平面或球形表面上发射开放表面引导波的假设可能性，但是在一个多世纪以来，在工程领域中没有已知的结构用于以任何实际效率实现这一点。不幸的是，由于它出现在1900年代早期，上述的理论分析基本上仍然是一个理论，并且没有已知的结构用于实际上实现在有损耗的均匀介质的平面或球形表面上发射开放表面引导波。

根据本公开的各种实施例，描述了各种多相波导探针，其被配置为激发具有沿着有损传导介质的表面合成表面波导模式形式的合成场的径向表面电流。这种引导电磁场在幅度和相位上与有损传导介质的表面上的引导表面波模式基本上模式匹配。这种引导表面波模式也可以称为泽尼克(Zenneck)表面波模式。由于由本文所描述的多相波导探针激发的合成场与有损传导介质的表面上的泽尼克表面波模式基本上模式匹配的事实，所以泽尼克表面波形式的引导电磁场是沿着有损传导介质的表面发射。根据一个实施例，有损传导介质包括诸如地球的陆地介质。

参考图2，示出了传播界面，其提供对由Jonathan Zenneck于1907年推导出的麦克斯韦(Maxwell)方程的边界值的解的检查，如在他的论文Zenneck,J.，“On thePropagation of Plane Electromagnetic Waves Along a Flat Conducting Surfaceand their Relation to Wireless Telegraphy”(对平面电磁波沿平坦的传导表面和无线电报的关系传播)，Annalen der Physik(《物理学年鉴》)，系列4，第23卷，1907年9月20日，第846-866页中公开的。图2描绘了沿着指定为区域1的有损传导介质和指定为区域2的绝缘体之间的界面的径向传播波的圆柱坐标。区域1可以包括例如任何有损传导介质。在一个示例中，这样的有损传导介质可以包括陆地介质，例如地球或其他介质。区域2是与区域1共享边界界面并且相对于区域1具有不同本构参数的第二介质。区域2可以包括例如任何绝缘体，诸如大气或其他介质。这种边界界面的反射系数仅对于在复数布鲁斯特(Brewster)角处的入射而变为零。参见Stratton,J.A.，Electromagnetic Theory(《电磁理论》)，麦格劳-希尔，1941，第516页。

根据各种实施例，本公开阐述了各种多相波导探针，其生成与包括区域1的有损传导介质的表面上的泽尼克表面波模式基本上模式匹配的电磁场。根据各种实施例，这样的电磁场基本上合成在有损传导介质的复数布鲁斯特角处正面入射的波，其导致零反射。

为了进一步解释，在区域2中，其中e^jωt场变量被假定，并且其中ρ≠0以及z≥0(z是垂直于区域1的表面的垂直坐标，ρ是圆柱坐标中的径向尺寸)，麦克斯韦方程的泽尼克闭式精确解满足沿着界面的边界条件，其由以下电场和磁场分量表示：

以及(2)

在区域1中，其中e^jωt场变量被假定，并且其中ρ≠0和z≤0，麦克斯韦方程的泽尼克闭式精确解满足沿着界面的边界条件，其由以下电场和磁场分量表示：

以及(5)

在这些表达式中，是第二类和n阶的复自变量汉克尔(Hankel)函数，u₁是区域1中正垂直方向上的传播常数，u₂是区域2中的垂直方向上的传播常数，σ₁是区域1的传导率，ω等于2πf，其中f是激发频率，ε_o是自由空间的介电常数，ε₁是区域1的介电常数，A是由源施加的源常数，z是垂直于区域1的表面的垂直坐标，γ是表面波径向传播常数，ρ是径向坐标。

通过分离区域1和2之间的界面之上和之下的波动方程，并施加边界条件，确定±z方向上的传播常数。该操作在区域2给出，

以及在区域1给出，

u₁＝-u₂(ε_r-jx)。 (8)

径向传播常数γ由下式给出

其是一个复数的表达式。在所有上述等式中，

以及 (10)

其中μ_o包括自由空间的磁导率，ε_r包括区域1的相对介电常数。因此，所产生的表面波平行于界面传播并垂直于其指数衰减。这被称为消散性。

因此，等式(1)-(3)可以被认为是圆柱对称的径向传播波导模式。参见Barlow,H.M.，和Brown,J.，Radio Surface Waves(《无线电表面波》)，牛津大学出版社，1962，第10-12，29-33页。本公开详述了激发该“开放边界”(open boundary)波导模式的结构。具体地，根据各种实施例，多相波导探针设置有适当尺寸的充电端子，其相对于彼此定位并且被供给电压和/或电流，以便激发表面波导模式的场的相对相位，其将沿着区域2和区域1之间的边界界面发射。

为了进一步继续，区域1和区域2之间的里奥托维奇(Leontovich)阻抗边界条件被表示为

其中是在正垂直(+z)方向上的单位法线，并且是由上述等式(1)表示的区域2中的磁场强度。等式(12)意味着等式(1)-(3)中描述的场可以通过沿着边界界面驱动径向表面电流密度来获得，这种径向表面电流密度被描述为

其中A是待确定的常数。此外，应当注意，接近多相波导探针(对于ρ<<λ)，上述等式(13)具有性能

人们可能会注意到负号。这意味着当源电流垂直向上流动时，所需的“接近(close-in)”接地电流径向向内流动。通过“接近”的场匹配，我们发现

在等式(1)-(6)和(13)中，因此，等式(13)可以重述为

然后参照图3，示出了多相波导探针200的示例，其包括沿着垂直轴z布置的充电端子T₁和充电端子T₂。根据本公开的实施例，多相波导探针200设置在有损传导介质203上方。根据一个实施例，有损传导介质203构成区域1(图2)。此外，第二介质206与有损传导介质203共享边界界面并构成区域2(图2)。多相波导探针200包括探针耦合电路209，其将激发源213耦合到充电端子T₁和T₂，如参考后面的图所更详细讨论的。

充电端子T₁和T₂位于有损传导介质203上方。充电端子T₁可以被认为是电容器，并且充电端子T₂可以包括如本文所述的平衡或较低电容器。根据一个实施例，充电端子T₁位于高度H₁处，并且充电端子T₂位于T₁的正下方沿垂直轴z的高度H₂处，其中H₂小于H₁。由多相波导探针200呈现的传输结构的高度h为h＝H₁-H₂。给定上述讨论，可以确定有损传导介质J_ρ(ρ)的表面上的径向泽尼克表面电流的渐近线为J₁(ρ)接近和J₂(ρ)远离，其中

接近(ρ<λ/8)：以及(17)

远离(ρ>＞λ/8)：

其中I₁是馈送第一充电端子T₁上的电荷Q₁的传导电流，I₂是馈送第二充电端子T₂上的电荷Q₂的传导电流。上部充电端子T₁上的电荷Q₁由Q₁＝C₁V₁确定，其中C₁是充电端子T₁的隔离电容。注意，存在由给出上文阐述的J₁的第三分量，其来自里奥托维奇边界条件，并且是有损传导介质203中的径向电流贡献，由第一充电端子Q1上的升高的振荡电荷的准静态场抽运。的量是有损传导介质的径向阻抗，其中γ_e＝(jωμ₁σ₁-ω²μ₁ε₁)^1/2。

如由等式(17)和(18)阐述的代表径向电流接近和远离的渐近线是复量。根据各种实施例，物理表面电流J(r)被合成以在幅度和相位上尽可能地匹配当前渐近线。也就是说，接近，|J(r)|与|J₁|相切，并且远离，|J(r)|与|J₂|相切。此外，根据各种实施例，J(r)的相位应从J₁接近的相位转变到J₂远离的相位。

根据一个实施例，如果适当地调节本文所述的多相波导探针的各种实施例中的任何一个，则该配置将至少给出与泽尼克模式匹配的近似幅度和相位并发射泽尼克表面波。应当注意，相位远离Ф₂成比例于与对应于e^-jβρ的传播相位加上其为的对于的相位的固定“相位提升(phase boost)”，

其中γ在上述等式(9)中表示，并且取决于有损传导介质上的传输位置处的ε_r和σ的值以及操作频率f，具有两个复根的大约为45°或225°。换句话说，为了在传输位置处匹配泽尼克表面波模式以发射泽尼克表面波，表面电流|J₂|远离的相位应该与表面电流|J₁|接近的相位不同，通过对应于的传播相位加上大约45度或225度的常数。这是因为有两个根，一个接近π/4，一个接近5π/4。正确调节的合成径向表面电流为

根据麦克斯韦方程，这种J(ρ)表面电流自动产生的场符合

以及(22)

因此，对于要匹配的泽尼克表面波模式，表面电流|J₂|远离与表面电流|J₁|接近之间的相位的区别是由于上述等式(20)-(23)中的汉克尔函数的固有特性。重要的是认识到由等式(1)-(6)和(20)表示的场具有绑定到有损界面的传输线模式的性质，而不是诸如与地波传播相关联的辐射场。参见Barlow,H.M.和Brown,J.，Radio Surface Waves(《无线电表面波》)，牛津大学出版社，1962，第1-5页。这些场自动满足复数布鲁斯特角对零反射的要求，这意味着辐射是可忽略的，而表面引导波传播显著增强，如在下面提供的实验结果中验证和支持的。

在这一点上，提供了对等式(20)-(23)中使用的汉克尔函数的性质的回顾，重点在于波动方程的这些解的特殊性质。可以观察到，第一和第二类和n阶的汉克尔函数被定义为第一和第二类型的标准贝塞尔(Bessel)函数的复合组合

以及(24)

这些函数分别表示径向向内(上标(1))和向外(下标(1))传播的圆柱波，该定义类似于关系e^±jx＝cos x±j sin x。例如，参见Harrington,R.F.，Time-Harmonic Fields(《时间谐波场》)，麦格劳-希尔，1961，第460-463页。

H_n ⁽²⁾(k_ρρ)是输出波，其容易地从直接从J_n(x)和N_n(x)的系列定义获得的大自变量渐近行为中识别，

当乘以e^jωt时，其是具有1/√ρ空间变化的形式为e^j(ωt-kρ)的向外传播的圆柱波。指数分量的相位是ψ＝(ωt–kρ)。也很明显的是

并且，汉克尔函数的另一个有用的性质表示为

其由Jahnke,E.和F.Emde，Tables of Functions(《多功能表》)，多佛，1945，第145页描述。

此外，向外传播的汉克尔函数的小自变量和大自变量渐进线如下：

注意，这些渐进表达式是复量。此外，与普通的正弦函数不同，复数汉克尔函数的行为在距离远点不同的近处和远处不同。当x是实数时，等式(29)-(30)的相位相差其对应于45°的额外相位提前或“相位提升(phase boost)”，或等效于λ/8。

参考图4，为了进一步示出所示的J₁(图3)和J₂(图3)之间的相变，示出了相对于多相波导探针200(图3)的位置的表面电流J₁接近和J₂远离的相位的示例。如图4所示，存在三个不同的观察点P₀，P₁和P₂。过渡区域位于观察点P₁和观察点P₂之间。观察点P₀位于多相波导探针200的位置。观察点P₁位于从观察点P₀相距距离R₁处的“接近(close-in)”，其将观察点P₁置于过渡区域216和观察点P₀之间。如图所示，观察点P₂位于从观察点P₀超过过渡区域216的距离R₂处的“远离(far-out)”。

在观察点P₀处，径向电流J的幅度和相位被表示为在观察点P₁处，径向电流J的幅度和相位被表示为其中βR₁的相移归因于观察点P₀和P₁之间的距离R1。在观察点P₂处，径向电流J的幅度和相位表示为其中的相移归因于观察点P₀和P₂之间的距离R₂以及在过渡区域216中发生的附加相移。附加相移作为如上所述的汉克尔函数的特性出现。

前述反映了多相波导探针200产生表面电流J₁接近，并且然后转换到J₂电流远离的事实。在过渡区域216中，泽尼克表面波导模式的相位转变大约45度或由于泽尼克表面波导模式的相位在过渡区域216中看起来为前进45度，所以该转变或相移可以被认为是“相位提升”。过渡区域216看起来发生在小于操作频率的波长的1/10处。

参考回图3，根据一个实施例，可以创建多相波导探针，其将发射适当的径向表面电流分布。根据一个实施例，在径向方向上创建泽尼克波导模式。如果可以创建由等式(20)给出的J(r)，则它将自动发射泽尼克表面波。

此外，提供关于图3所示的一个示例多相波导探针的充电端子T₁和T₂上的电荷Q₁和Q₂的电荷图像Q₁'和Q₂'的进一步讨论。如本文所描述的，对于有损传导介质的分析假设在多相波导探针下方存在与电荷存储器T₁和T₂的电荷Q₁和Q₂一致的感应有效图像电荷Q₁'和Q₂'。这样的图像电荷Q₁'和Q₂'在分析中也必须被考虑。这些图像电荷Q₁'和Q₂'不仅如他们在理想导体的情况下那样，与电荷存储器T₁和T₂上的主源电荷Q₁和Q₂相差180°。例如有损传导介质(诸如，陆地介质)呈现相移图像。也就是说，图像电荷Q₁'和Q₂'处于复数深度。对于复数图像的讨论，参考Wait,J.R.，“Complex Image Theory-Revisited”(复数图像理论回顾)，IEEE Antennas and Propagation Magazine(《IEEE天线与传播杂志》)，第33卷，第4，1991年8月，第27-29页，其全部内容以引用的方式并入本文。

代替处于等于电荷Q₁和Q₂的高度(即，zn'＝-hn)的深度的图像电荷Q₁'和Q₂'，传导反射镜215位于深度z＝-d/2处，并且图像本身出现在“复数距离(complex distance)”(即，“距离”()具有幅度和相位)，其由z_n'＝-D_n＝-(d+h_n)≠-h_n给出，其中n＝1，2。对于垂直极化源，

其中

以及(32)

图像电荷Q₁'和Q₂'的复数间距则意味着当界面是无损电介质或完全导体时，外部场将经历未遇到过的额外相移。有损电介质图像理论技术的本质是通过位于复数深度z＝-d/2的完全导体来代替有限传导地球(或有损电介质)。接下来，源图像然后位于复深度D_n＝d/2+d/2+h_n＝d+h_n，其中n＝1，2。之后，可以使用物理电荷(在z＝+h)加上其图像(在z'＝-D)的叠加计算关于地面(z≥0)的场。在复数深度处的电荷图像Q₁'和Q₂'实际上有助于获得上述等式(20)和(21)中指定的期望电流相位。

从上述等式(2)和(3)，注意到区域2中E_2z到E_2ρ的比率由以下给出

此外，应当注意，渐近地，

因此，直接从等式(2)和(3)得出：

其中ψ_i,B是复数布鲁斯特角。通过调节源分布并在有损传导介质203的表面合成复数布鲁斯特角照明，泽尼克表面波可以被激发。

参考图5，所示的是入射场E偏振平行于入射平面。电场矢量E将被合成为偏振平行于入射平面的入射非均匀平面波。电场矢量E可以从独立的水平和垂直分量创建为：

几何学上，图5的图示表明：

E_ρ(ρ,z)＝E(ρ,z)cosψ_o，以及 (38a)

这意味着该场的比率是

然而从等式(36)调回，

因此，对于泽尼克表面波，我们期望ψ_o＝θ_i,B，这导致

该些等式意味着，如果控制复数场的比率的大小以及在平行于入射平面的平面中的入射垂直和水平分量E_z和E_p之间的相对相位，则合成的E场矢量将被有效地作出，以在复数布鲁斯特角处入射。这种情况将在区域1和区域2之间的界面上合成地激发泽尼克表面波。

参考图6，所示的是根据本公开的实施例的设置在有损传导介质203上方的多相波导探针200的另一视图。根据一个实施例，有损传导介质203构成区域1(图2)。此外，第二介质206与有损传导介质203共享边界界面并且构成区域2(图2)。

根据一个实施例，有损传导介质203包括陆地介质，例如地球。为此，这种陆地介质包括其上包括的所有结构或形式，无论是天然的还是人造的。例如，这种陆地介质可以包括自然元素，诸如岩石、土壤、沙子、淡水、海水、树木、植被以及构成我们的星球的所有其他自然元素。另外，这种陆地介质可以包括人造元件，诸如混凝土、沥青、建筑材料和其他人造材料。在其他实施例中，有损传导介质203可以包括除了地球之外的一些介质，无论是天然存在的还是人造的。在其他实施例中，有损传导介质203可以包括其他介质，诸如人造表面和诸如汽车、飞机、人造材料(诸如胶合板、塑料片材或其他材料)或其他媒介的结构。

在有损传导介质203包括陆地介质或地球的情况下，第二介质206可以包括地面上方的大气。因此，大气可以被称为包括空气和构成地球大气的其他元素的“大气介质(atmospheric medium)”。另外，第二介质206可以包括相关于有损传导介质203的其他介质。

多相波导探针200包括一对充电端子T₁和T₂。尽管示出的是两个充电端子T₁和T₂，但是应当理解，可以存在两个以上的充电端子T₁和T₂。根据一个实施例，充电端子T₁和T₂沿垂直于由有损传导介质203呈现的平面的垂直轴z定位在有损传导介质203上方。在这方面，充电端子T₁直接位于充电端子T₂上方，尽管可以使用两个或更多个充电端子T_N的一些其他布置。根据各种实施例，电荷Q₁和Q₂可以施加在各个充电端子T₁和T₂上。

充电端子T₁和/或T₂可以包括可以保持电荷的任何导电块。充电端子T₁具有自电容C₁，并且充电端子T₂具有自电容C₂。充电端子T₁和/或T₂可以包括任何形状，诸如球形、盘形、圆柱形、锥形、环形、随机形状或任何其他形状。还要注意，充电端子T₁和T₂不需要是相同的，而是每个可以具有单独的尺寸和形状，并且由不同的传导材料构成。根据一个实施例，充电端子T₁的形状被指定为保持尽可能多的电荷。最终，由多相波导探针200发射的泽尼克表面波的场强与端子T₁上的电荷量直接成正比。

如果充电端子T₁和/或T₂是球形或盘形，则可以计算各自的自电容C₁和C₂。例如，隔离的导电球的自电容是C＝4πε_or，其中r包括以米为单位的球的半径。隔离的盘的自电容是C＝8ε_or，其中r包括以米为单位的盘的半径。

因此，在给定电荷存储器T₁的自电容C₁和施加到充电端子T₁的电压V的情况下，存储在充电端子T₁上的电荷Q₁可以计算为Q₁＝C₁V。

进一步参考图6，根据一个实施例，多相波导探针200包括耦合到充电端子T₁和T₂的探针耦合电路209。探针耦合电路209促进将激发源213耦合到充电端子T₁和T₂，并且便于针对给定操作频率在充电端子T₁和T₂上产生相应的电压幅度和相位。如果采用两个以上的充电端子T_N，则探针耦合电路209将被配置为便于在各个充电端子T_N上相对于彼此产生各种电压幅度和相位。在多相波导探针200的实施例中，探针耦合电路209包括将要描述的各种电路配置。此外，提供探针控制系统218以控制将要被描述的多相波导探针200的各种参数。

在一个实施例中，探针耦合电路209被指定为使得多相波导探针200电半波谐振。这在任何给定时间在端子T₁或T₂中的第一端子上施加电压+V，在端子T₁或T₂中的第一端子上施加-V。在这种情况下，如可以理解的，各个充电端子T₁和T₂上的电压是180度反相的。在各个充电端子T₁和T₂上的电压是180度反相的情况下，充电端子T₁和T₂上经历最大的电压幅度差。或者，探针耦合电路209可以被配置为使得充电端子T₁和T₂之间的相位差不为180度。为此，可以调节探针耦合电路209以在多相波导探针200的调节期间改变电压幅度和相位。

由于在充电端子T₂的正上方放置充电端子T₁，在充电端子T₁和T₂之间产生互电容C_M。同样，充电端子T₁具有如上所述的自电容C₁，并且充电端子T₂具有如上所述的自电容C₂。根据充电端子T₁和T₂的各自的高度，在充电端子T₁和有损传导介质203之间还可以存在束缚电容，并且在充电端子T₂和有损传导介质203之间可以存在束缚电容。互电容C_M取决于充电端子T₁和T₂之间的距离。

最终，由多相波导探针200产生的场强将与施加在上端子T₁上的电荷Q₁的大小成正比。由于Q₁＝C₁V，电荷Q₁又与与充电端子T₁相关联的自电容C₁成比例，其中V是施加在充电端子T₁上的电压。

根据一个实施例，激发源213耦合到探针耦合电路209，以便向多相波导探针200施加信号。激发源213可以是任何合适的电源，诸如电压或者能够产生该电压的电流或者施加到多相波导探针200的操作频率处的电流。为此，激发源213可包括例如，发生器、函数发生器、发射器或其他电源。

在一个实施例中，激发源213可以通过磁耦合、电容耦合或导电(直接抽头)耦合的方式耦合到多相波导探针200，如将要被描述的。在一些实施例中，探针耦合电路209可被耦合到有损传导介质203。同样，在各种实施例中，激发源213可以被耦合到有损传导介质203，如将要被描述的。

另外，应当注意，根据一个实施例，本文所述的多相波导探针200具有其辐射电阻R_r非常小或甚至可忽略的性质。应当记住，辐射电阻R_r是等效电阻，其将耗散最终从天线辐射的等量的功率。根据各种实施例，多相波导探针200发射泽尼克表面波，该表面波是引导电磁波。根据各种实施例，本文所述的多相波导探针具有小的辐射电阻R_r，因为这种多相波导探针的高度通常小于它们的操作波长。换句话说，根据一个实施例，本文所述的多相波导探针是“电小(electrically small)”的。如本文所考虑的，短语“电小”被定义为诸如本文所述的多相波导探针的各种实施例的结构，其可以是物理上由半径等于λ/2π的球体限定，其中λ是自由空间波长。参见Fujimoto,K.，A.Henderson，K.Hirasawa和J.R.James，SmallAntennas(《小型天线》)，威利，1987，第4页。

进一步讨论，短单极天线的辐射电阻R_r表示为

其中短单极天线具有具有均匀电流分布的高度h，并且其中λ是在操作频率处的波长。参见Stutzman,W.L.et al.，“Antenna Theory and Design”(天线原理和设计)，威利父子，1981，第93页。

假定辐射电阻R_r的值被确定为的函数，则结果是，如果结构的高度h小于操作频率处的操作信号的波长，则辐射电阻R_r也将是小的。作为一个示例，如果传输结构的高度h是操作频率处操作信号的波长的10％，则的结果值将是(.1)²＝.01。因此，辐射电阻R_r相应地是小的。

因此，根据各种实施例，如果传输结构的有效高度h小于或等于其中λ是操作频率处的波长，则辐射电阻R_r将相对地小。对于下面描述的多相波导探针200的各种实施例，传输结构的高度h可以计算为h＝H₁-H₂，其中H₁是充电端子T₁的高度，H₂是充电端子T₂的高度。应当理解，本文所描述的多相波导探针200的每个实施例的传输结构的高度h可以以类似的方式被确定。

虽然被提供为一个基准，但是应当理解，传输结构的高度h与操作频率处的操作信号的波长的比率可以是任何值。然而，应当理解，在给定的操作频率下，随着给定的传输结构的高度增加，辐射电阻R_r将对相应地增加。

根据操作频率下的操作信号的高度h和波长的实际值，可能的是，辐射电阻R_r可以具有这样的值，使得一些量的辐射可以与泽尼克表面波的发射一起发生。为此，多相波导探针200可以被构造为相对于操作频率处的波长具有短的高度h，以便确保以辐射的形式损失少的或基本上为零的能量。

此外，电荷存储器T₁和T₂沿着垂直轴z的安置提供了由多相波导探针200发射的泽尼克表面波的对称性，如上面阐述的等式(20)-(23)中的汉克尔函数所描述的。虽然多相波导探针200被示为具有沿垂直于构成有损传导介质203的表面的平面的垂直轴z的两个电荷存储器T₁和T₂，但是应当理解，可以采用其他配置，其也将提供所期望的对称性。例如，附加电荷存储器T_N可以沿着垂直轴z放置，或者可以采用一些其他布置。在一些实施例中，传输的对称性可能是不被期望的。在这种情况下，电荷存储器T_N可以布置成除了沿着垂直轴z之外的配置，以提供替代的传输分布模式。

在适当地调节以在预定操作频率下操作时，多相波导探针200沿着有损传导介质203的表面产生泽尼克表面波。为此，可以采用激发源213来以在预定频率产生电能，其被施加到多相波导探针200以激发该结构。来自激发源213的能量通过多相波导探针200以泽尼克表面波的形式传输到一个或多个接收器，该一个或多个接收器其也耦合到有损传导介质203或位于多相波导探针200的有效传输范围内。因此能量以泽尼克表面波的形式传送，泽尼克表面波是表面波导模式或导引电磁场。在使用高压线的现代电网的背景下，泽尼克表面波包括传输线模式。

因此，由多相波导探针200产生的泽尼克表面波不是辐射波，而是在上述这些术语的意义上的引导波。泽尼克表面波是由于多相波导探针200产生的电磁场与有损传导介质203的表面上的泽尼克表面波模式基本上模式匹配的事实而被发射的。当由多相波导探针200产生的电磁场是像这样基本上模式匹配时，电磁场基本上合成在有损传导介质203的复数布鲁斯特角处入射的波前，导致少的反射或没有反射。注意，如果多相波导探针200不是基本上模式匹配于泽尼克表面波模式，则由于不会获得有损传导介质203的复数布鲁斯特角，泽尼克表面波将不会被发射。

在有损传导介质203包括诸如地球的陆地介质的情况下，泽尼克表面波模式将取决于多相波导探针200所位于的位置的介电常数ε_r和传导率σ，如上面等式(1)-(11)所表明的。因此，上述等式(20)-(23)中的汉克尔函数的相位取决于发射场处的这些本构参数和操作频率。

基于一个实施例，为了激发与泽尼克表面波模式相关的场，多相波导探针200基本上合成泽尼克表面波模式的有损传导介质上的径向表面电流密度，其由上面阐述的等式(20)表示。当这种情况发生时，电磁场随后基本上或大致模式匹配于有损传导介质203的表面上的泽尼克表面波模式。为此，匹配应该尽可能接近。根据一个实施例，电磁场基本匹配的泽尼克表面波模式在上面阐述的等式(21)-(23)中表示。

为了合成泽尼克表面波模式的有损传导介质中的径向表面电流密度，应该调节多相波导探针200的电特性，以在给定操作频率和给定传输位置电气性质的充电端子T₁和T₂上施加适当的电压幅度和相位。如果采用两个以上的充电端子T_N，则需要在各自的充电端子T_N上施加适当的电压幅度和相位，其中N甚至可以是有效地包括连续的充电端子的非常大的数字。

为了针对给定位置处的多相波导探针200的给定设计获得适当的电压幅度和相位，可以使用迭代方法。具体地，考虑到终端T₁和T₂的馈送电流，充电端子T₁和T₂上的电荷以及他们在有损传导介质203中的图像，可以对多相波导探针200的给定激发和配置执行分析以确定产生的径向表面电流密度。该过程可以迭代地执行，直到基于期望的参数确定给定多相波导探针200的最佳配置和激发。为了帮助确定给定的多相波导探针200是否在最佳水平下操作，基于位于多相波导探针200位置处的区域1的传导性的值(σ₁)以及区域1的介电常数(ε₁)，使用上述等式(1)-(11)可以产生引导场强度曲线103(图1)。这种引导场强度曲线103将为操作提供基准，使得所测量的场强度可以与由引导场强度曲线103表明的幅度进行比较，以确定最佳传输是否已经实现。

为了获得优化的多相波导探针200，可以调节与多相波导探针200相关联的各种参数。换句话说，可以改变与多相波导探针200相关联的各种参数，以将多相波导探针200调节到期望的操作配置。

可以改变一个参数以调节多相波导探针200，该参数是充电端子T₁和/或T₂中的一个或两个相对于有损传导介质203的表面的高度。此外，也可以调节充电端子T1和T2之间距离或间隔。在这样做时，可以最小化或以其他方式改变互电容C_M或充电端子T₁和T₂与有损传导介质203之间的任何结合电容，如可以理解的。

或者，可调节的另一参数是各个充电端子T₁和/或T₂的尺寸。通过改变充电端子T₁和/或T₂的尺寸，将改变相应的自电容C₁和/或C₂以及互电容C_M，如可以理解的。并且，存在于充电端子T₁和T₂与有损传导介质203之间的任何结合电容将被改变。这样做时，充电端子T₁和T₂上的电压幅度和相位被改变。

此外，另一个可以被调节的参数是与多相波导探针200相关联的探针耦合电路209。这可以通过调节组成探针耦合电路209的感抗和/或容抗的大小来实现。例如，在这种感抗包括线圈的情况下，可以调节这种线圈的匝数。最终，可以对探针耦合电路209进行调节以改变探针耦合电路209的电长度，从而影响充电端子T₁和T₂上的电压幅度和相位。

也可以调节施加到多相波导探针200的激发源213的频率以优化泽尼克表面波的传输。然而，如果希望以给定频率传输，则需要调节其他参数以优化发射。

注意，通过进行各种调节执行的传输的迭代可以通过使用计算机模型或通过调节物理结构来实现，如可以理解的。在一种方法中，调谐到传输频率的场测量仪可以放置在离多相波导探针200适当的距离处，并且可以如上所述进行调节，直到检测到所产生的泽尼克表面波的最大或任何其他期望的场强。为此，可以将场强与在所需的操作频率和端子T₁和T₂上的电压下产生的引导场强度曲线103(图1)进行比较。根据一种方法，用于放置这种场测量仪的适当距离可以被指定为大于上述“远离”区域中的表面电流J₂控制的过渡区域216(图4)。

通过进行上述调节，可以产生相应的“接近”表面电流J₁和“远离”表面电流J₂，其近似于上面阐述的等式(17)和(18)中指定的泽尼克表面波模式的相同电流J(r)。这样做时，所产生的电磁场将基本上或大致模式匹配于有损传导介质203的表面上的泽尼克表面波模式。

接下来参考图7A至7J，所示的是根据本公开的各种实施例的多相波导探针200的附加示例，本文指示为多相波导探针200a-j。根据各种实施例，每个多相波导探针200a-j包括不同的探针耦合电路209，这里指示为探针耦合电路209a-j。尽管描述了探针耦合电路209a-j的若干示例，但是应当理解，这些实施例仅仅是示例，并且可以存在本文未阐述的许多其他探针耦合电路209，其可以用于根据本文阐述的原理在充电端子T₁和T₂上提供期望的电压幅度和相位，以便于发射泽尼克表面波。

此外，每个探针耦合电路209a-j可以采用但不限于包括线圈的感应阻抗。即使使用线圈，应当理解，集中和分布的其他电路元件也可以用作电抗。此外，除了本文所示的那些之外，探针耦合电路209a-j中可以包括其他电路元件。另外，应注意，本文仅描述具有它们各自的探针耦合电路209a-j的各种多相波导探针200a-j以提供示例。为此，可以有许多其他多相波导探针200，其采用各种探针耦合电路209和可用于根据本文阐述的各种原理发射泽尼克表面波的其他电路。

现在参考图7A，所示的是根据一个实施例的多相波导探针200(图6)的第一示例，此处指示为多相波导探针200a。多相波导探针200a包括沿着垂直轴z放置的充电端子T₁和T₂，该垂直轴z基本上垂直于由有损传导介质203呈现的平面。第二介质206在有损传导介质203之上。充电端子T₁具有自电容C₁，充电端子T₂具有自电容C₂。在操作期间，根据在任何给定时刻施加到充电端子T₁和T₂的电压，电荷Q₁和Q₂分别施加到充电端子T₁和T₂。根据其间的距离，在充电端子T₁和T₂之间可以存在互电容C_M。此外，根据各个充电端子T₁和T₂相对于有损传导介质203的高度，在各个充电端子T₁和T₂与有损传导介质203之间可以存在结合电容。

多相波导探针200a包括探针耦合电路209a，该探针耦合电路209a包括感应阻抗，该感应阻抗包括具有耦合到各个充电端子T₁和T₂的一对引线的线圈L_1a。在一个实施例中，线圈L_1a被指定为具有在多相波导探针200a的操作频率处的波长的一半(1/2)的电长度。

虽然线圈L_1a的电气长度被指定为操作频率处的波长的大约二分之一(1/2)，但是应当理解，线圈L_1a可以以其他值的电长度来指定。根据一个实施例，线圈L_1a在操作频率处的电长度大约为波长的一半的事实提供了有利条件，即在充电端子T₁和T₂上产生最大电压差。然而，当调节多相波导探针200a以获得泽尼克表面波模式的最佳激发时，线圈L_1a的长度或直径可以增加或减小。或者，感应阻抗被指定为具有明显小于或大于多相波导探针200a的操作频率处的波长的1/2的电长度的情况。

根据一个实施例，激发源213通过磁耦合方式耦合到探针耦合电路209。具体地，激发源213耦合到感应耦合到线圈L_1a的线圈L_P。如可以理解的，这可以通过链接耦合、抽头线圈、可变电抗或其他耦合方法来实现。为此，线圈L_P作为初级线圈，并且线圈L_1a可以被理解为次级线圈。

为了调节多相波导探针200a以传输所需的泽尼克表面波，各个充电端子T₁和T₂的高度可以相对于有损传导介质203及相对于彼此而改变。而且，可以改变充电端子T₁和T₂的尺寸。此外，线圈L_1a的尺寸可以通过添加或消除匝数或通过改变线圈L_1a的一些其他的部分来改变。

基于多相波导探针200a的实验，这似乎是多相波导探针200a-j最容易去调节和操作以实现期望的效率的。

现在参考图7B，所示的是根据一个实施例的多相波导探针200(图6)的示例，此处指示为多相波导探针200b。多相波导探针200b包括沿着垂直轴z放置的充电端子T₁和T₂，该垂直轴z基本上垂直于由有损传导介质203呈现的平面。第二介质206在有损传导介质203之上。如上所述，充电端子T₁和T₂沿着垂直轴z放置以在所得到的泽尼克表面波中提供圆柱形对称性。充电端子T₁具有自电容C₁，并且充电端子T₂具有自电容C₂。在操作期间，根据在任何给定时刻施加到充电端子T₁和T₂的电压，电荷Q₁和Q₂分别施加到充电端子T₁和T₂。根据其间的距离，在充电端子T₁和T₂之间可以存在互电容C_M。此外，根据各个充电端子T₁和T₂相对于有损传导介质203的高度，各个充电端子T₁和T₂与有损传导介质203之间可以存在结合电容。

多相波导探针200b还包括探针耦合电路209b，该探针耦合电路209b包括第一线圈L_1b和第二线圈L_2b。如图所示，第一线圈L_1b耦合到每个充电端子T₁和T₂。第二线圈L_2b耦合到充电端子T₂和有损传导介质203。

激发源213以类似于对于上面阐述的多相波导探针200a(图7A)所提及的方式磁耦合到探针耦合电路209b。为此，激发源213耦合到作为初级线圈的线圈L_P及作为次级线圈的线圈L_1b。或者，线圈L_2b也可以作为次级线圈。

为了调节多相波导探针200b以传输所需的泽尼克表面波，各个充电端子T1和T2的高度可以相对于有损传导介质203及相对于彼此而改变。而且，可以改变充电端子T₁和T₂的尺寸。除此之外，每个线圈L_1b和L_2b的尺寸可以通过添加或消除匝数或通过改变各个线圈L_1a或L_2b的一些其他的尺寸来改变。

现在参考图7C，所示的是根据一个实施例的多相波导探针200(图6)的另一个示例，此处指示为多相波导探针200c。多相波导探针200c包括沿着垂直轴z放置的充电端子T₁和T₂，该垂直轴z基本上垂直于由有损传导介质203呈现的平面。第二介质206在有损传导介质203之上。充电端子T₁具有自电容C₁，充电端子T₂具有自电容C₂。在操作期间，根据在任何给定时刻施加到充电端子T₁和T₂的电压，电荷Q₁和Q₂分别施加到充电端子T₁和T₂。根据其间的距离，在充电端子T₁和T₂之间可以存在互电容C_M。并且，根据各个充电端子T₁和T₂相对于有损传导介质203的高度，各个充电端子T₁和T₂与有损传导介质203之间可以存在结合电容。

多相波导探针200c还包括探针耦合电路209c，该探针耦合电路209c包括线圈L_1c。如图所示，线圈L_1c的一端与充电端子T₁耦合。线圈L_1c的第二端与有损传导介质203耦合。耦合到充电端子T₂的抽头沿线圈L_1c放置。

激发源213以类似于关于上面阐述的多相波导探针200a(图7A)所提及的方式磁耦合到探针耦合电路209c。为此，激发源213耦合到作为初级线圈的线圈L_P及作为次级线圈的线圈L_1c。线圈L_P可以沿着线圈L_1c放置在任何位置。

为了调节多相波导探针200c以激发和传输所需的泽尼克表面波，各个充电端子T₁和T₂的高度可以相对于有损传导介质203及相对于彼此而改变。而且，可以改变充电端子T₁和T₂的尺寸。除此之外，线圈L_1c的尺寸可以通过添加或消除线圈匝数或者通过改变线圈L_1c的一些其他尺寸来改变。此外，可以通过移动抽头的位置来调节由抽头上方和下方的线圈L_1c的部分所呈现的电感。

现在参考7D，所示的是根据一个实施例的多相波导探针200(图6)的又一示例，此处指示为多相波导探针200d。多相波导探针200d包括沿着垂直轴z放置的充电端子T₁和T₂，该垂直轴z基本上垂直于由有损传导介质203呈现的平面。第二介质206在有损传导介质203之上。充电端子T₁具有自电容C₁，充电端子T₂具有自电容C₂。在操作期间，根据在任何给定时刻施加到充电端子T₁和T₂的电压，电荷Q1和Q2分别施加到充电端子T₁和T₂。根据其间的距离，在充电端子T₁和T₂之间可以存在互电容C_M。此外，根据各个的充电端子T₁和T₂相对于有损传导介质203的高度，各个充电端子T₁和T₂与有损传导介质203之间可以存在结合电容。

多相波导探针200d还包括探针耦合电路209d，该探针耦合电路209d包括第一线圈L_1d和第二线圈L_2d。第一线圈L_1d的第一端与充电端子T₁耦合。并且第一线圈L_1d的第二端与有损传导介质203耦合。第二线圈L_2d的第一端与充电端子T₂耦合，并且第二线圈L_2d的第二端与有损传导介质203耦合。

激发源213以类似于关于上面阐述的多相波导探针200a(图7A)所提及的方式磁耦合到探针耦合电路209d。为此，激发源213耦合到作为初级线圈的线圈L_P及作为次级线圈的线圈L_2d。或者，线圈L_1b也可以作为次级线圈。

为了调节多相波导探针200c以激发和传输所需的泽尼克表面波，各个充电端子T₁和T₂的高度可以相对于有损传导介质203及相对于彼此而改变。而且，可以改变充电端子T₁和T₂的尺寸。除此之外，每个线圈L_1d和L_2d的尺寸可以通过添加或消除线圈匝数或者通过改变各个线圈L_1d或L_2d的其他尺寸来改变。

现在参考图7E，所示的是根据一个实施例的多相波导探针200(图6)的又一示例，此处指示为多相波导探针200e。多相波导探针200e包括沿着垂直轴z定位的充电端子T₁和T₂，该垂直轴线基本上垂直于由有损传导介质203呈现的平面。第二介质206在有损传导介质203之上。如上所述，充电端子T₁和T₂沿着垂直轴z放置以在所得到的泽尼克表面波中提供圆柱形对称性。充电端子T₁具有自电容C₁，充电端子T₂具有自电容C₂。在操作期间，根据在任何给定时刻施加到充电端子T₁和T₂的电压，电荷Q₁和Q₂分别施加到充电端子T₁和T₂。根据其间的距离，在充电端子T₁和T₂之间可以存在互电容C_M。并且，根据各个充电端子T₁和T₂相对于有损传导介质203的高度，各个充电端子T₁和T₂与有损传导介质203之间可以存在结合电容。

多相波导探针200e还包括探针耦合电路209e，该探针耦合电路209e包括第一线圈L_1e和电阻器R₂。第一线圈L_1e的第一引线耦合到充电端子T₁，并且第一线圈L_1e的第二引线耦合到有损传导介质203。电阻器R₂的第一引线耦合到充电端子T₂，并且电阻器R₂的第二引线耦合到有损传导介质203。

激发源213以类似于关于上面阐述的多相波导探针200a(图7A)所提及的方式磁耦合到探针耦合电路209e。为此，激发源213耦合到作为初级线圈的线圈L_P及作为次级线圈的线圈L_1e。

为了调节多相波导探针200e以传输所需的泽尼克表面波，各个充电端子T₁和T₂的高度可以相对于有损传导介质203及相对于彼此而改变。而且，可以改变充电端子T₁和T₂的尺寸。除此之外，线圈L_1e的尺寸可以通过添加或消除线圈匝数或通过改变各个线圈L_1e的一些其他尺寸来改变。此外，也可以调节电阻R₂的大小。

现在参考图7F，所示的是根据一个实施例的多相波导探针200(图6)的另一示例，此处指示为多相波导探针200f。多相波导探针200f包括充电端子T₁用作第二充电端子的地屏(ground screen)G。该充电端子T₁用作第二充电端子的地屏G沿着垂直轴z放置，该垂直轴z基本上垂直于由有损传导介质203呈现的平面。第二介质206在有损传导介质203之上。注意，为了计算传输结构的高度h，地屏G的高度H₂被从充电端子T₁的高度H₁减去。

充电端子T₁具有自电容C₁，并且地屏G具有自电容C₂。在操作期间，根据在任何给定时刻施加到充电端子T₁和地屏G的电压，电荷Q₁和Q₂分别施加在充电端子T₁和地屏G上。根据其间的距离，在充电端子T₁和地屏G之间可以存在互电容C_M。并且，根据充电端子T₁和地屏G相对于有损传导介质203的高度，在充电端子T₁和/或地屏G和有损传导介质203之间可以存在结合电容。通常，由于接近有损传导介质203，接地屏G和有损传导介质203之间将存在结合电容。

多相波导探针200f包括由感应阻抗构成的探针耦合电路209f，该感应阻抗包括具有耦合到充电端子T₁和地屏G的一对引线的线圈L_1f。在一个实施例中，线圈L_1f被指定为具有在多相波导探针200f的操作频率处的波长的一半(1/2)的电长度。

虽然线圈L_1f的电气长度被指定为操作频率处的波长的大约一半(1/2)，但是应当理解，线圈L_1f可以以其他值的电长度来指定。根据一个实施例，线圈L_1f在操作频率处的电长度大约为波长的一半的事实提供了在充电端子T₁和地屏G上产生最大电压差的优点。然而，当调节多相波导探针200f以获得泽尼克表面波的最佳传输时，线圈L_1f的长度或直径可以增加或减小。或者，可能的情况是，感应阻抗被规定为具有明显小于或大于多相波导探针200f的操作频率处的波长的1/2的电长度。

根据一个实施例，激发源213通过磁耦合耦合到探针耦合电路209f。具体地，激励源213耦合到线圈L_P，线圈L_P感应耦合到线圈L_1f。可以理解的是，这可以通过链接耦合、相量/耦合网络或者其他方法来完成。为此，可以理解的是，线圈L_P用作初级线圈，并且线圈L_1f充当可以理解的次级线圈。

为了调节多相波导探针200a以激发和传输所需的泽尼克表面波，各个充电端子T₁和T₂的高度可以相对于有损传导介质203相对于彼此而改变。而且，可以改变充电端子T₁和T₂的尺寸。除此之外，线圈L_1f的尺寸可以通过添加或消除线圈匝数或者通过改变线圈L_1f的一些其他尺寸来改变。

现在参考7G，所示的是根据一个实施例的多相波导探针200(图6)的另一示例，这里指示为多相波导探针200g。多相波导探针200g包括沿着垂直轴z放置的充电端子T₁和T₂，该垂直轴z基本上垂直于由有损传导介质203呈现的平面。第二介质206在有损传导介质203之上。如上所述，充电端子T₁和T₂沿着垂直轴z放置以在所得到的泽尼克表面波中提供圆柱形对称性。充电端子T1具有自电容C₁，充电端子T₂具有自电容C₂。在操作期间，根据在任何给定时刻施加到充电端子T₁和T₂的电压，电荷Q₁和Q₂分别施加到充电端子T₁和T₂。根据其间的距离，在充电端子T₁和T₂之间可以存在互电容C_M。此外，根据各个充电端子T₁和T₂相对于有损传导介质203的高度，各个充电端子T₁和T₂与有损传导介质203之间可能存在结合电容。

多相波导探针200g还包括探针耦合电路209g，探针耦合电路209g包括第一线圈L_1g，第二线圈L_2g和可变电容器C_V。如图所示，第一线圈L_1g耦合到每个充电端子T₁和T₂。第二线圈L_2g具有耦合到可变电容器C_V的第一引线和耦合到有损引导介质203的第二引线。可变电容器C_V又耦合到充电端子T₂和第一线圈L_1g。

激发源213以类似于关于上面阐述的多相波导探针200a(图7A)所提到的方式磁耦合到探针耦合电路209g。为此，激发源213耦合到作为初级线圈的线圈L_P及可以作为次级线圈的线圈L_1g或线圈L_2g。

为了调节多相波导探针200g以发射和传输所需的泽尼克表面波，各个充电端子T₁和T₂的高度可以相对于有损传导介质203及相对于彼此而改变。而且，可以改变充电端子T₁和T₂的尺寸。除此之外，每个线圈L_1g和L_2g的尺寸可以通过添加或消除线圈匝数或通过改变各个线圈L_1g和L_2g的一些其他尺寸来改变。此外，可以调节可变电容C_V。

现在参考7H，所示的是根据一个实施例的多相波导探针200(图6)的又一示例，此处指示为多相波导探针200h。多相波导探针200h包括沿着垂直轴线放置的充电端子T₁和T₂，该垂直轴线基本上垂直于由有损传导介质203呈现的平面。第二介质206在有损传导介质203之上。充电端子T₁具有自电容C₁，充电端子T₂具有自电容C₂。在操作期间，根据在任何给定时刻施加到充电端子T₁和T₂的电压，电荷Q₁和Q₂分别施加到充电端子T₁和T₂。根据其间的距离，在充电端子T₁和T₂之间可以存在互电容C_M。此外，根据各个充电端子T₁和T₂相对于有损耗导电介质203的高度，各个充电端子T₁和T₂与有损传导介质203之间可能存在结合电容。

多相波导探针200h还包括探针耦合电路209h，探针耦合电路209h包括第一线圈L_1h和第二线圈L_2h。第一线圈L_1h的第一引线耦合到充电端子T₁，并且第一线圈L_1h的第二引线耦合到第二充电端子T₂。第二线圈L2h的第一引线耦合到端子T_T，并且第二线圈L_2h的第二引线耦合到有损传导介质203.端子T_T相对于充电端子T₂放置，使得耦合电容C_C存在于充电端子T₂和端子T_T之间。

激发源213以类似于关于上面阐述的多相波导探针200a(图7A)所提到的方式磁耦合到探针耦合电路209h。为此，激发源213耦合到作为初级线圈的线圈L_P及作为次级线圈的线圈L_2h。或者，线圈L_1h也可以作为次级线圈。

为了调节多相波导探针200h以发射和传输所需的泽尼克表面波，各个充电端子T₁和T₂的高度可以相对于有损传导介质203及相对于彼此而改变。而且，可以改变充电端子T₁和T₂的尺寸。除此之外，每个线圈L_1h和L_2h的尺寸可以通过添加或消除线圈匝数或通过改变各个线圈L_1h或L_2h的一些其他尺寸来改变。此外，如可以理解的那样，可以改变充电端子T₂和端子T_T之间的间隔，从而修改耦合电容C_C。

现在参考7I，所示的是根据一个实施例的多相波导探针200(图6)的又一示例，此处指示为多相波导探针200i。多相波导探针200i非常类似于多相波导探针200h(图7H)，除了激发源213是串联耦合到探针耦合电路209i，如将要描述的那样。

为此，多相波导探针200i包括沿着垂直轴z放置的充电端子T₁和T₂，该垂直轴z基本上垂直于由有损传导介质203呈现的平面。第二介质206在有损传导介质203之上。充电端子T₁具有自电容C₁，充电端子T₂具有自电容C₂。在操作期间，根据在任何给定时刻施加到充电端子T₁和T₂的电压，电荷Q₁和Q₂分别施加到充电端子T₁和T₂。根据其间的距离，可以在充电端子T₁和T₂之间存在互电容C_M。此外，根据各个充电端子T₁和T₂相对于有损传导介质203的高度，各个充电端子T₁和T₂与有损传导介质203之间可以存在结合电容。

多相波导探针200i还包括探针耦合电路209i，探针耦合电路209i包括第一线圈L_1i和第二线圈L_2i。第一线圈L_1i的第一引线耦合到充电端子T₁，并且第一线圈L_1i的第二引线耦合到第二充电端子T₂。第二线圈L_2i的第一引线耦合到端子T_T，并且第二线圈L_2i的第二引线耦合到激发源213的输出。而且，激发源213的接地引线耦合到有损传导介质203。端子T_T相对于充电端子T₂放置，使得在充电端子T₂和端子T_T之间存在耦合电容C_C。

多相波导探针200i提供了一个示例，其中激发源213如上面所提及的方式串联耦合到探针耦合电路209i。具体地，激发源213耦合在线圈L_2i和有损传导介质203之间。

为了调节多相波导探针200i以发射和传输所需的泽尼克表面波，各个充电端子T₁和T₂的高度可以相对于有损传导介质203及相对于彼此而改变。而且，可以改变充电端子T₁和T₂的尺寸。除此之外，每个线圈L_1i和L_2i的尺寸可以通过添加或消除线圈匝数或者通过改变各个线圈L_1i或L_2i的其他尺寸来改变。如可以理解的那样，还可以改变充电端子T₂和端子T_T之间的间隔，从而修改耦合电容C_C。

现在参考7J，所示的是根据一个实施例的多相波导探针200(图6)的示例，这里表示为多相波导探针200j。多相波导探针200j包括沿垂直轴z放置的充电端子T₁和T₂，该垂直轴z基本上垂直于由有损传导介质203呈现的平面。第二介质206在有损传导介质203之上。在该实施例中，充电端子T₁包括球体并且充电端子T₂包括盘。在这方面，多相波导探针200j提供充电端子T_N可以包括任何形状的图示。

充电端子T₁具有自电容C₁，并且充电端子T₂具有自电容C₂。在操作期间，根据在任何给定时刻施加到充电端子T₁和T₂的电压，电荷Q₁和Q₂分别施加到充电端子T₁和T₂。根据其间的距离，可以在充电端子T₁和T₂之间存在互电容C_M。此外，根据各个充电端子T₁和T₂相对于有损传导介质203的高度，各个充电端子T₁和T₂与有损传导介质203之间可能存在结合电容。

多相波导探针200j包括探针耦合电路209j，探针耦合电路209j包括感应阻抗，感应阻抗包括具有耦合到各个充电端子T₁和T₂的一对引线的线圈L_1j。在一个实施例中，线圈L_1j被指定为在多相波导探针200j的操作频率处的波长的一半(1/2)的电长度。虽然线圈L_1j的电长度被指定为操作频率下的波长的大约一半(1/2)，但是应当理解，线圈L_1j可以以其他值的电长度来指定，如参考前面所述的多相波导探针200a(图7A)所述的。此外，探针耦合电路209j包括耦合至有损传导介质203的线圈L_1j上的抽头223。

激发源213以类似于关于上面阐述的多相波导探针200a(图7A)所提及的方式磁耦合到探针耦合电路209d。为此，激发源213耦合到作为初级线圈的线圈L_P及作为次级线圈的线圈L_1j。或者，线圈L_1b可以位于抽头223之上或之下。

为了调节多相波导探针200j以发射和传输所需的泽尼克表面波，各个充电端子T₁和T₂的高度可以相对于有损传导介质203及相对于彼此而改变。而且，可以改变充电端子T₁和T₂的尺寸。除此之外，线圈L_1j的尺寸可以通过添加或消除线圈匝数或者通过改变线圈L_1j的其他尺寸来改变。更进一步的，抽头223在线圈L_1j上的位置可以被改变。

参考图7A-J中的多相波导探针200a-j的各种实施例，每一个多相波导探针200a-j可以被激发以传输以导波或波导模式的形式沿着有损传导介质203的表面传送的能量。为了便于这种传输，当各个多相波导探针200a-j被激发时，每个多相波导探针200a-j的元件可以调节，以在各个充电端子T1和T2上施加所需的电压幅度和相位。如上所述，这种激发可以通过将激励源213的能量施加到各个多相波导探针200a-j而发生。

可以调节施加在充电端子T₁和T₂上的电压幅度和相位，以便基本上合成场，该场基本上模式匹配于处于给定有损传导介质203的局部介电常数ε_r、传导率σ和潜在的其他参数的传输现场的有损传导介质203的引导或泽尼克表面波导模式。表面引导波的波导模式在上面阐述的等式(21)、(22)和(23)中表示。该表面波导模式具有在等式(20)中以安培每米表示的径向表面电流密度。

应当理解，可能难以合成与上面阐述的等式(21)、(22)和(23)中表示的表面波导模式精确匹配的场。然而，如果这样的场至少近似于表面波导模式，则可以发射引导表面波。根据各种实施例，这些场被合成以使表面波导模式在可接受的工程公差内匹配，以便发射引导表面波。

类似地，可能难以合成与泽尼克表面波导模式的径向表面电流密度精确匹配的径向表面电流密度，其中合成的径向表面电流密度来自上述合成的场。根据各种实施例，可以调节多相波导探针200以将引导表面波导模式的径向表面电流密度在可接受的工程公差内匹配，以便发射泽尼克表面波模式。通过在复数距离处产生特定的电荷分布加上它们的图像，上面阐述的各种多相波导探针200a-j激发表面电流，其场被设计为大致匹配传播的泽尼克表面波模式并且泽尼克表面波被发射。由于上述各种多相波导探针200a-j固有的这种复杂的图像技术，能够实现与引导界面想要在传输位置支持的表面波导模式基本上模式匹配。引导界面是如上所述的区域1(图2)和区域2(图2)之间的界面。根据一个实施例，引导界面是如上所述的由地球呈现的有损传导介质203和大气介质之间的界面。

当施加在充电端子T₁和T₂上的电压幅度和相位被调节为使得它们加上其在复数深度处的有效图像时激发复数表面电流，其场合成基本上匹配于传输现场的有损传导介质203的泽尼克表面波导模式的场，凭借里奥托维奇边界条件，这样的场将自动地基本上合成在有损传导介质203的复数布鲁斯特角处的波前入射，导致零反射。这是波匹配的边界条件。

接下来参考图8A、8B和8C，所示的是为了比较泽尼克表面波和常规辐射场，以曲线图300a、300b和300c的示例来描绘作为以千米为单位距离的函数的以伏特每米为单位的场强。此外，各种曲线图300a、300b和300c示出了泽尼克表面波的传输距离如何随传输频率而变化。

每个曲线图300a、300b和300c描述了相应的引导场强度曲线303a、303b和303c以及相应的辐射场强度曲线306a、306b和306c。假设各种参数产生引导场强度曲线303a、303b和303c。具体地，分别以10MHz、1MHz和0.1MHz的频率施加到上端子T₁(图3)的恒定电荷Q₁(图3)计算曲线图300a、300b和300c。假设从联邦通信委员会(FCC)制定的俄亥俄州中部R-3地图中提取的本构参数ε_r＝15和σ＝0.008mhos/m，以用于计算。下表提供了用于产生每个引导场强度曲线303a、303b和303c的假设的多相波导探针操作参数。

为了具有物理上可实现的操作，对于f＝0.1MHz和1.0MHz，终端T₁的高度被指定为H_T1＝8米，但是在10MHz下被缩短为0.8米，以便保持电流分布均匀。而且，在f＝0.1MHz和1.0MHz的情况下，将端子T₁的自电容C₁设定为100pF。该电容在10MHz使用时不合理地大，因此在这种情况下，自电容C₁被减小。然而，对于所有三个引导场强度曲线303a、303b和303c，作为场强控制参数的所得端子电荷Q_T1保持相同的值。

从曲线图中可以看出，频率越低，传播衰减越小，并且场越过的距离更大。然而，与能量守恒一致，能量密度随距离而减小。另一种说法是频率越高，能量扩散的区域越小，能量密度越大。因此，泽尼克表面波的“拐点(knee)”随着频率的增加而缩小。或者，使用多相波导探针200(图6)，距离传输现场非常大的距离处的泽尼克表面波的频率越低，传播衰减越小，场强越大。

每个情况的泽尼克表面波分别地被识别为引导场强度曲线303a、303b和303c。对于具有假设的地面损耗为10欧姆的与各个多相波导探针200相同高度的短垂直单极天线的诺顿(Norton)地面波场强度，以伏特每米为单位，由辐射场强度曲线306a、306b和306c表示。据称，这是在这些频率下操作的单极天线结构的合理的现实假设。临界点是，被适当模式匹配的多相波导探针发射引导表面波，其显着地优于位于超过各个泽尼克表面波的引导场强度曲线303a-c中的“拐点”的距离处的任何单极的辐射场。

鉴于上述，根据一个实施例，被引导表面波的传播距离作为传输频率的函数而变化。具体地，传输频率越低，被引导的表面波的指数衰减越小，并且因此引导表面波将传播得越远。如上所述，引导表面波的场强以的速率下降，而辐射电磁场的场强与1/d成比例地，几何地下降，其中d为距离以千米为单位。因此，如上所述，每个引导场强度曲线303a、303b和303c都具有拐点。由于本文所述的多相波导探针的传输频率降低，所以相应的引导场强度曲线303a，303b和303c的拐点将在图中向右推。

图8A示出了以10兆赫的频率产生的引导场强度曲线303a和辐射场强度曲线306a。如图所示，引导表面波下降到10千米以下。在图8B中，以1兆赫的频率产生引导场强度曲线303b和辐射场强度曲线306b。引导场强度曲线303b在大约100千米处下降。最后，在图8C中，引导场强度曲线303c和辐射场强度曲线306c以100千赫(其为1兆赫兹)的频率产生。引导场强度曲线303c在4000-7000千米之间下降。

注意，如果频率足够低，则可能在整个地球周围传输引导表面波。据信，这样的频率可以处在或低于大约20-25千赫兹。应当注意，在这样的低频下，有损传导介质203(图6)不再是平面并且变成球体。因此，当有损传导介质203包括陆地介质时，引导场强度曲线的计算将被改变，以考虑处于低频处的球形，其传播距离接近陆地介质尺寸。

给出上述内容，接下来提供了一些一般的指导，根据各种实施例，使用地球的陆地介质作为有损传导介质203，构造多相波导探针200(图6)。作为实际的方法，可以指定操作的频率，并且从要构造的各个多相波导探针200识别处于感兴趣的距离处的引导表面波的所需的场强。

给定这些参数，接下来可以确定要施加在上部充电端子T₁(图6)上的电荷Q₁(图6)，以产生在指定距离处的所需的场强。为了确定需要的电荷Q₁，需要在传输现场获得地球的介电常数ε_r和传导率σ。这些值可以通过测量或参考例如由联邦通信委员会或国际无线电委员会(CCIR)发布的传导率图表获得。当介电常数ε_r、传导率σ和指定距离处的所需的场强是已知的时，可以从上述等式(21)-(23)中阐述的泽尼克的精确表达式直接计算场强来确定需要的电荷Q₁。

一旦确定了需要的电荷Q₁，下一个将需要识别充电端子T₁的什么电容C₁在什么电压V下将在充电端子T₁上产生需要的电荷Q₁。任何充电端子T上的电荷Q计算为Q＝CV。在一种方法中，可以选择被认为是可以安置在充电端子T₁上的可接受的电压V，然后构造充电端子T₁以具有所要求的自电容C₁以实现所需的电荷Q₁。或者，在另一种方法中，可以凭借充电端子T₁的具体结构来确定什么是可实现的自电容C₁，然后将所得的充电端子T₁升高到所要求的电压V以实现需要的电荷Q₁。

此外，当确定充电端子T₁的需要的自电容C₁和施加在充电端子T₁上的电压V时，需要考虑所存在的操作带宽的问题。具体地，本文所述的多相波导探针200的带宽相对较大。如上所述，这导致指定自电容C₁或电压V的显著的灵活性。然而，应当理解，随着自电容C₁的减小以及电压V的增加，所得到的多相波导探针200的带宽将减小。

实际上，应该注意，较小的自电容C₁可以使给定的多相波导探针200对传输现场处或附近的地球的介电常数ε_r或传导率σ的小变化更加敏感。介电常数ε_r或传导率σ的这种变化可能是由于季节之间的过渡引起的气候变化，或由于当地天气条件的变化(如雨水，干旱)和/或当地天气的其他变化而引起的。因此，根据一个实施例，充电端子T₁可以被指定为具有相对较大的可行的自电容C₁。

一旦充电端子T₁的自电容C₁和施加在其上的电压被确定了，接下来确定第二充电端子T₂的自电容C₂和物理位置。实际上，已经发现最容易的是将充电端子T₂的自电容C₂指定为与充电端子T₁的自电容C₁相同。这可以通过使充电端子T₂的尺寸和形状与充电端子T₁的尺寸和形状相同来实现。这将确保保持对称性，并且将避免两个充电端子T₁和T₂之间的异常相移的可能性，这可能对如上所述的复数布鲁斯特角度的匹配产生负面影响。对于两个充电端子T₁和T₂，自电容C₁和C₂相同的事实将导致充电端子T₁和T₂上的相同的电压幅度。然而，应理解，自电容C₁和C₂可以不同，并且充电端子T₁和T₂的形状和尺寸可以不同。

为了促进对称性，如上所述，充电端子T₂可以沿垂直轴z(图6)直接放置在充电端子T₁的下方。或者，可以将充电端子T₂放置在其他一些位置，并产生一定的影响。

应指定充电端子T₁和T₂之间的距离，以便提供由多相波导探针200产生的场与传输现场的引导表面波导模式之间的最佳匹配。作为建议的起点，可以设定该距离，使得充电端子T₁和T₂之间的互电容C_M(图6)与充电端子T₁上的隔离电容C₁相同或更小。最终，应该指定充电端子T₁和T₂之间的距离，以使互电容C_M尽可能小。可以通过测量来确定互电容C_M，并且可以相应地放置充电端子T₁和T₂。

接下来，确定多相波导探针200的适当高度h＝H₁-H₂(图7A-J)。在这里所谓的“图像复数深度(image complex-depth)”现象就出现了。这将需要从具有电荷Q₁和Q₂的电荷存储器T₁和T₂以及随着高度h变化的电荷Q₁和Q₂的地下图像考虑地球表面上的叠加场。由于要考虑大量的变量以确定给定的多相波导探针200与传输现场处的地球的引导表面波导模式模式匹配，实际的起点是高度h，在该处每个电荷存储器T₁和T₂的结合电容相对于地面是可忽略的，使得与充电端子T₁和T₂相关联的电容分别基本上是它们的隔离自电容C₁和C₂。

在确定与多相波导探针200相关联的高度h时要考虑的另一个考虑因素是是否避免辐射。具体地说，随着多相波导探针200的高度h接近处于操作频率处的波长的明显部分，辐射电阻R_r将以高度h二次方增长，并且辐射将在如上所述的引导表面波产生之后开始占主导地位。上面阐述的一个基准确保了泽尼克表面波将在任何辐射方面占主导地位，以确保高度h小于操作频率波长的10％，尽管其他基准可能被指定。在某些情况下，除了发射引导表面波之外，还可能需要允许某种程度的辐射的发生，其中可以相应地指定高度h。

接下来，指定探针耦合电路209(图6)以提供充电端子T₁和T₂之间的电压相位。电压相位似乎对在传输现场产生模式匹配于引导表面波导模式的场产生显着影响。假设充电端子T₁和T₂的安置是沿着垂直z轴，以促进对称，探针耦合电路209可以被指定以在充电端子T₁和T₂上提供180度的电压相位差。也就是说，探针耦合电路209被指定为使得充电端子T₁上的电压V相对于充电端子T₂上的电压是180度异相的。

如上所述，一个示例性的方法是如上所述参考多相波导探针200a，将线圈L_1a(图7A)安置在充电端子T₁和T₂之间，并调节线圈L_1a，直到得到的系统为电半波谐振。这将在充电端子T₁上施加电压V并在充电端子T₂上施加电压-V，使得最大电压被施加在相位180度异相的充电端子T₁和T₂上。

激发源213(图6)然后可以耦合到探针耦合电路209，并且调节输出电压以实现所需的电压V以提供如上所述的所需电荷Q₁。激发源213可以经由磁耦合、电容耦合或传导耦合(直接)耦合到探针耦合电路209。注意，激发源213的输出可以使用变压器或通过某些其他方法(如果需要)被加强。线圈L_1a的位置可以是在诸如由激励源213在地面上的任何位置。或者，根据最佳RF实践，线圈L_1a可以直接放置在充电储存器T₁和T₂之间。当将激发源213耦合到探针耦合电路209时，可以应用阻抗匹配原理。

注意，相位差不一定必须为180度。为此，可以选择升高和降低充电端子T₁和/或T₂中的一个或两个，调节充电端子T₁和/或T₂上的电压V，或者调节探针耦合电路209以调节电压幅度和相位以产生最接近匹配引导表面波导模式的场，以便产生引导表面波。

实验结果

以上公开是由实验测量和文献支持。参考图9，所示的是呈现2012年10月14日在新罕布什尔州普利茅斯测量的实验多相波导探针的一个实施例传输的电磁场的测量场强的曲线图。传输频率为59MHz，施加在实验多相波导探针的充电端子T₁上的电压为60mV。实验多相波导探针的自电容C₁为8.5pF。试验现场的地面的传导率σ为0.0002mhos/m，试验现场的地面的介电常数ε_r为5。这些值在使用频率下于原位测量。

该曲线图包括以80％效率标记为“泽尼克(Zenneck)”曲线的引导场强度曲线400和以100％辐射效率标记为“诺顿(Norton)”曲线的辐射场强度曲线403，其为最佳可能。为此，辐射场强度曲线403表示将以59MHz的频率操作的1/4波长单极天线产生的辐射电磁场。曲线图上的圆圈406表示由实验多相波导探针产生的测量场强。使用NIST可追踪的Potomac仪器(FIM-71商用VHF场强测量仪)进行场强测量。可以看出，测量的场强落在理论引导场强度曲线400上。这些测量的场强与引导表面波或泽尼克表面波的传播一致。

接下来参考图10，所示的是表示来自实验多相波导探针的传输电磁波的测量相位的曲线图。如图所示，曲线J(r)表明入射到具有电流J₁和J₂之间的跃迁的电流J₁和J₂的场的相位。曲线503表明描绘电流J₁的相位的渐近线，曲线506表明描绘电流J₂的相位的渐近线。在各个电流J₁和J₂的相位之间通常存在约45度的差。如图9中的圆圈509表明操作在59MHz的实验多相波导探针产生的电流J(r)的相位的测量。如图所示，圆圈509沿着曲线J(r)落下，表明电流J(r)的相位从曲线503到曲线506的转变。这表明电流J(r)的相由实验多相波导探针产生，从由接近电流J₁产生的相转变为由远离电流J₂产生的相。因此，这些相位得测量与存在的引导表面波或泽尼克表面波的相位一致。

参考图11，所示的是第二组测量数据的曲线图，其描绘了2003年11月1日在亚什兰，新罕布什尔州和温尼佩绍基湖附近的北部地区测量的实验多相波导探针的第二实施例传输的电磁场的场强。传输频率为1850kHz，施加在实验多相波导探针的充电端子T₁上的电压为1250V。实验多相波导探针的物理高度为H₁＝2米。该实验中的实验多相波导探针的自电容C₁，其为一个半径为1米的平面导电盘，其被测量为70pF。如图7J所示布置多相波导探针，间距h＝1米，并且地面(有损传导介质203)上的充电端子T2的高度为H₂＝1米。实验附近地面的平均传导率σ为0.006mhos/m，地面的相对介电常数ε_r为15级。这些值在使用频率下确定。

曲线图包括由实验多相波导探针发射的引导场强度曲线600，以85％的效率标记为“泽尼克”曲线，以及辐射场强度曲线603，其被标记为在由每根长度为200英尺的20根等距间隔径向导线组成地屏上的相同高度(H₂＝2米)的共振的单极所辐射的“诺顿”曲线。为此，辐射场强度曲线603表示从在有损地球上以1850kHz的频率操作的常规短臂单极天线辐射的常规诺顿地面波场。曲线图上的圆圈606表示由实验多相波导探针产生的测量场强。

可以看出，测量的场强沿理论泽尼克引导场强度曲线600紧密地下降。特别提及，可以在r＝7英里点处测得的场强。这个场强数据点是在湖边相邻处测量的，这可以解释数据略高于理论泽尼克引导场强度曲线600以外，即该位置的本构参数，ε_r和/或σ可能已经偏离了路径平均本构参数。

使用NIST可追踪的Potomac仪器FIM-71商用VHF场强测量仪进行场强测量。测得的场强数据与引导表面波或泽尼克表面波的存在一致。从实验数据显见的是，在距离小于15英里的距离处观测到的测量场强不可能是由于常规的诺顿地面波传播的，并且只能是由于如上所述公开的操作多相探针发射的引导表面波传播。在给定的1.85MHz实验条件下，在20英里处，似乎诺顿地面波分量最终超过了泽尼克表面波分量。

图9所示的在59MHz下测量的泽尼克表面波数据与图11中在1.85MHz处测量的数据的比较，示出了在较低频率下使用根据各种实施例的多相波导探针的显著优点。

这些实验数据证实，包括多个适当调节相位和校正的充电端子的当前多相波导探针，如本文所教导的，通过独特的相位升高引起相位超前的表面电流，并且，如本文公开的，其场合成在有损边界的复数布鲁斯特角处的表面照明。结果是圆柱形泽尼克样波传播的有效发射，由边界表面以消逝的单导体径向传输线模式引导，其以衰减，其不作为由于几何扩散以1/d减少的辐射场。

接下来参考图12A、12B和13，所示的是在无线电力输送系统中使用表面引导波的广义接收电路的示例。图12A和12B包括线性探针703和调谐谐振器706。图13是根据本公开的各种实施例的磁性线圈709。根据各种实施例，可以使用线性探针703，调谐谐振器706和磁性线圈709中的每一个来接收在有损传导介质203(图6)的表面上以引导表面波的形式传输的电力。如上所述，在一个实施例中，有损传导介质203包括陆地介质。

具体参考图12A所示，线性探针703的输出端子713处的开路端子电压取决于线性探针703的有效高度。为此，端点电压可以计算为

其中E_inc是线性探针703上的矢量中的电场强度，单位为伏特/米，dl是沿着线性探针703的方向的集成元件，并且h_e是线性探针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。

当如上所述当线性探针703接受引导表面波时，跨越输出端子713产生电压，该电压可以视情况而定地通过共轭阻抗匹配网络719施加到电负载716。为了促进电力向电负载716的流动，电负载716应该与线性探针703基本上阻抗匹配，如下面将描述的。

参考图12B，调谐谐振器706包括在高于有损传导介质203上方的充电端子T_R。充电端子T_R具有自电容C_R。此外，取决于有损传导介质203之上的充电端子T_R的高度，还可以在充电端子T_R和有损传导介质203之间存在结合电容(未示出)。结合电容应优选为尽可能的最小化，尽管在多相波导探针200的每个实例中这可能不是完全必要的。

调谐谐振器706还包括线圈L_R。线圈L_R的一端耦合到充电端子T_R，线圈L_R的另一端耦合到有损传导介质203。为此，调谐谐振器706(其也可以称为调谐谐振器L_R-C_R)包括串联调谐谐振器如处于串联的充电端子C_R和线圈L_R。调谐谐振器706通过调节充电端子T_R的尺寸和/或高度，和/或调节线圈L_R的尺寸，使得结构的无功阻抗基本上被消除。

例如，由自电容C_R呈现的电抗计算为注意，调谐谐振器706的总电容还可以包括充电端子T_R和有损传导介质203之间的电容，其中调谐谐振器706的总电容可以从自电容C_R和任何结合电容两者计算，如可以赞赏。根据一个实施例，充电端子T_R可以升高到高度，以便基本上减少或消除任何结合电容。可以通过充电端子T_R和有损传导介质203之间的电容测量来确定结合电容的存在。

由离散元件线圈L_R呈现的感抗可以被计算为jωL，其中L是线圈L_R的集总元件电感。如果线圈L_R是分布式元件，其等效端点感抗可以通过常规方法来确定。为了调谐调谐谐振器706，可以进行调节，使得由线圈L_R呈现的感抗等于由调谐谐振器706呈现的电容电抗，使得调谐谐振器706的所得净电抗在操作频率下基本上为零。阻抗匹配网络723可以插入在探针端子721和电负载726之间，以便实现用于最大功率传递到电负载726的共轭匹配条件。

如上所述，当在调谐谐振器706和共轭匹配网络723的频率处产生的引导表面波存在时，最大功率将从表面引导波传递到电负载726。也就是说，一旦在调谐谐振器706和电负载726之间建立共轭阻抗匹配，则功率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谐振器706。耦合网络的元件可以是集总元件或分布式元件，如可以理解的。在图12B所示的实施例中，采用磁耦合，其中线圈LS相对于用作变压器初级线圈的线圈L_R放置作为次级。线圈L_S可以通过围绕相同的芯结构几何地缠绕线圈L_R而链接耦合，并且调节耦合的磁通量，如可以理解的。此外，虽然调谐谐振器706包括串联调谐谐振器，但是也可以使用并联调谐谐振器或者甚至是分布元件谐振器。

参考图13，磁性线圈709包括通过阻抗耦合网络733耦合到电负载736的接收电路。为了便于从引导表面波接收和/或提取电力，磁性线圈709可以被放置，使得被引导的表面波的磁通量通过磁性线圈709，从而在磁性线圈709中感应出电流，并在其输出端子729处产生端点电压。被引导的表面波的磁通量耦合到单圈线圈表示为

其中Ψ是耦合磁通量，μ_r是磁性线圈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，是垂直于匝的横截面的单位矢量，A_CS是每个回路包围的面积。对于以与磁性线圈709的截面积均一的入射磁场最大耦合为目标的N匝磁性线圈709，出现在磁性线圈709的输出端子729处的开路感应电压为

其中变量在上面定义。磁性线圈709可以作为分布式谐振器或者在其输出端子729上的外部电容器被调谐到引导波频率，这视情况而定，然后通过共轭阻抗匹配网络733阻抗匹配到外部电负载736。

假设由磁性线圈709和电负载736呈现的得到的电路通过阻抗匹配网络733适当地调节并且共轭阻抗匹配，则可以采用在磁性线圈709中感应的电流来为电负载736优化电力。由磁性线圈709呈现的接收电路提供的优点在于其不必物理地连接到地面。

参考图12A、12B和13，接收电路由线性探针703、调谐谐振器706和磁性线圈709呈现，其每个便于从上述多相波导探针200的任意一个实施例传输的电力。为此，所接收的能量可以用于通过共轭匹配网络向电负载716/726/736供电，如可以理解的那样。这与在接收器中可能以辐射电磁场的形式传输的信号形成对比。这种信号具有非常低的可用功率，并且这种信号的接收器不加载发射器。

使用上述多相波导探针200产生的当前引导表面波的特征还在于，由线性探针703、调谐谐振器706和磁性线圈709所呈现的接收电路将加载激发源213(图3)，其被应用于多相波导探针200，从而产生这样的接收电路所经受的引导表面波。这反映了由上述给定的多相波导探针200产生的引导表面波包括传输线模式的事实。作为对比，驱动产生辐射电磁波的辐射天线的电源没有被接收器加载，而不管使用的接收器的数量如何。

因此，给定的多相波导探针200和线性探针703、调谐谐振器706和/或磁性线圈709形式的接收电路可以在一起组成无线分布式系统。考虑到如上阐述的使用多相波导探针200的引导表面波的传输距离取决于频率，则可以在宽范围甚至全球范围内实现无线功率分布。

目前广泛研究的传统无线电力传输/分布式系统包括从辐射场的“能量收集(energy harvesting)”，以及耦合到感应或反应性近场的传感器。相比之下，当前的无线电力系统不会以辐射的形式浪费电力，如果不是被拦截，其将永远丢失。当前公开的无线电力系统也不像传统的互电耦合近场系统那样限制在极短的范围内。本文公开的无线电力系统探针耦合到新的表面引导传输线模式，其等效于通过直接连接到远程发电机的波导或负载向负载输送电力。不计算维持传输场强加上在表面波导中耗散所需的电力，其在极低频率下相对于在60Hz的常规高压电力线中的传输损耗是不显着的，所有发电机功率仅仅达到期望的电负载。当电负载需求终止时，源发电相对空闲。

接下来参考图14A，所示的是表示线性探针703和调谐谐振器706的示意图。图14B示出表示磁性线圈709的示意图。线性探针703和调谐谐振器706可以各自被认为是由开放式电路端子电压源V_S和去源网络端点阻抗Z_S表示的戴维宁(Thevenin)等效电路。磁性线圈709可以被看作由短电路端子电流源I_S和去源网络端点阻抗Z_S表示的诺顿等效电路。每个电负载716/726/736(图12A-B和图13)可以由负载阻抗Z_L表示。源阻抗Z_S包括实部和虚部，并采用Z_S＝R_S+jX_S的形式。

根据一个实施例，电负载716/726/736分别与每个接收电路阻抗相应匹配。具体来说，每个电负载716/726/736通过相应的阻抗匹配网络719/723/733提供一个指定为Z_L'的探针网络上的负载，表示为Z_L'＝R_L'+j X_L'，这将等于Z_L'＝Z_s*＝R_S-j X_S，其中所呈现的负载阻抗Z_L'是实际源阻抗ZS的复共轭。共轭匹配定理，其指出，如果在级联网络中，在任何终端对处发生共轭匹配，那么它将在所有终端对处发生，然后断言实际电负载716/726/736还将看到共轭匹配到其阻抗Z_L'。参见Everitt,W.L.和G.E.Tanner，Communication Engineering(《通信工程》)，麦格劳-希尔，第3版，1956，第407页。这确保相应的电负载716/726/736与相应的接收电路阻抗匹配，并且最大功率传输建立到相应的电负载716/726/736。

可以控制多相波导探针200的操作以调节与引导表面波导探针200相关联的操作条件的变化。例如，探针控制系统218(图6)可以用于控制探针耦合电路209和/或充电端子T1和/或T2的放置以控制多相波导探针200的操作。操作条件可以包括，但不限于，有损传导介质203的特性的变化(例如，传导率σ和相对介电常数ε_r)、场强的变化和/或引导表面波导探针200的负载的变化。从等式(7)-(11)、(13)和(34)可以看出，径向表面电流密度和复数布鲁斯特角(ψ_i,B)可能受到(例如天气条件)导致的土壤传导率和介电常数的变化的影响。

可以使用诸如传导率测量探针、介电常数传感器、地面参数仪、场测量仪、电流监视器和/或负载接收器的设备来监视操作条件的变化，并将关于当前操作条件的信息提供给探针控制系统218。然后探针控制系统218可以对多相波导探针200进行一个或多个调节以维持多相波导探针200的指定操作条件。例如，随着水分和温度的变化，土壤的传导率也会有所不同。传导率测量探针和/或介电常数传感器可以位于多相波导探针200周围的多个位置处。通常，期望在操作频率下在接近和远离的径向表面电流之间的过渡处或附近监测传导率和/或介电常数。传导率测量探针和/或介电常数传感器可以位于多相波导探针200周围的多个位置(例如，在每个象限中)。

图15A示出可以安装用于监测土壤传导率变化的传导率测量探针的示例。如图15A所示，沿着土壤中的直线插入一系列测量探针。例如，探针可以是9/16英寸直径的杆，其穿透深度为12英寸或更大，并且间隔开d＝18英寸。DS1是100瓦灯泡，并且R1是5瓦，14.6欧姆电阻。通过对电路施加AC电压并跨越电阻测量V1以及跨越中心探针测量V2，可以通过σ＝21(V1/V2)的加权比确定传导率。可以对这些测量进行滤波，以获得仅与AC电压供电频率相关的测量。也可以使用其他电压、频率、探针尺寸、深度和/或间隔的不同配置。

明线线路探针也可用于测量土壤的传导率和介电常数。如图15B所示，使用例如阻抗分析器799，在插入土壤(有损介质)的两个杆的顶部之间测量阻抗。如果使用阻抗分析器799，则可以在频率范围内进行测量(R+jX)并且从频率相关测量确定的传导率和介电常数使用

和

其中C₀是探针在空气中的pF电容。

传导率测量探针和/或介电常数传感器可以被配置为周期性地评估传导率和/或介电常数，并将该信息传送到探针控制系统218。该信息可以通过网络或网络的组合(例如但不限于LAN、WLAN、蜂窝网络或其他适当的有线或无线通信网络或网络的组合)传送到探针控制系统218。基于所监测的传导率和/或介电常数，探针控制系统218可评估复数布鲁斯特角(ψ_i,B)和/或径向表面电流(或电流密度)的变化，并调节多相波导探针以维持和/或优化操作频率下的操作。换句话说，可以改变与多相波导探针200相关联的各种参数，以将多相波导探针200调节到期望的操作配置。

这可以通过调节例如充电端子T₁和/或T₂中的一个或两个相对于有损传导介质203的表面的高度(H₁，H₂)以及充电端子T₁和T₂之间的距离或间隔。例如，探针控制系统218可以调节充电端子T₂的高度(H₂)，以将泽尼克表面波的电场强度维持在或接近其最大值。或者，可以调节的另一个参数是各个充电端子T₁和/或T₂的大小，其影响相关的自电容。另外，可以调节的另一个参数是与多相波导探针200相关联的探针耦合电路209。这可以通过调节构成探针耦合电路209的感抗和/或容抗的大小来实现。例如耦合到充电端子T₁和/或端子T₂的线圈的电感可以通过改变线圈上的抽头位置和/或通过沿线圈包括多个预定的抽头并在不同的预定抽头位置之间切换来调节。

场测量仪或场强(FS)测量仪(例如，FIM-41FS测量仪，波托马克仪器公司，银泉，马里兰州)还可以围绕多相波导探针200分布以测量与引导表面波相关的场的场强。场测量仪或FS测量仪可被配置为检测场强度和/或场强度变化(例如，电场强度)，并将该信息传送到探针控制系统218。该信息可通过网络或网络的组合(例如但不限于LAN、WLAN、蜂窝网络或其他适当的传送网络或网络的组合)传送到探针控制系统218。随着负载和/或环境条件在操作期间变化或改变，可以调节多相波导探针200以维持FS仪表位置处的指定场强，以确保向接收器及其所提供负载的适当的电力传输。

例如，可以调节耦合到充电端子T₁和/或T₂的线圈的电感以改善和/或最大化由多相波导探针200发射的电场强度。通过调节一个或两个线圈电感，可以调节多相波导探针200以确保场强保持在适于泽尼克表面波的水平。这可以通过调节线圈上的抽头位置来改变耦合到充电端子T₁和/或T₂的电感来实现。以这种方式，可以增加或减少充电端子T₁和T₂上的电压幅度和相位以调节电场强度。维持预定范围内的场强水平可以改善接收器的耦合，降低接地电流损耗，并避免干扰来自其他多相波导探针200的传输。

参考图16A，所示的是包括图6中的探针控制系统218的自适应控制系统230的示例，其被配置为基于监视的条件来调节多相波导探针200的操作。探针控制系统218可以用硬件、固件、由硬件执行的软件或其组合来实现。例如，探针控制系统218可以包括处理电路，其包括处理器和存储器，他们都可以耦合到本地接口，例如具有伴随控制/地址总线的数据总线，如被本领域普通技术人员所赞许的。探针控制应用可以由处理器执行，以基于监视的条件来调节多相波导探针200的操作。探针控制系统218还可以包括用于与各种监视设备进行通信的一个或多个网络接口。传送可以通过网络或网络的组合，例如但不限于LAN、WLAN、蜂窝网络或其他适当的传送网络或网络的组合。探针控制系统218可以包括例如诸如服务器的计算机系统、台式计算机、膝上型计算机或具有相似能力的其他系统。

自适应控制系统230可以包括一个或多个地面参数仪(多个)233，例如但不限于图15A的传导率测量探针和/或图15B的明线探针或阻抗分析器799。地面参数仪233可以围绕多相波导探针200在与操作频率处的径向表面电流相关联的过渡距离处分布。例如，图15B的明线探针或阻抗分析器799可以位于多相波导探针200周围的每个象限中，以如前所述的监测有损传导介质的传导率和介电常数。地面参数仪(多个)233可以被配置为周期性地确定有损传导介质的传导率和介电常数，并将该信息传送到探针控制系统218，用于多相波导探针200的潜在调节。在一些情况下，只有当检测到监视条件的变化时，地面参数仪(多个)233才能将信息传送到探针控制系统218。

自适应控制系统230还可以包括一个或多个场测量仪(多个)236，例如但不限于电场强度(FS)测量仪。场测量仪(多个)236可围绕多相波导探针200分布，超越引导场强度曲线103(图1)支配辐射场强度曲线106(图1)的径向表面电流转变。例如，多个场测量仪236可以沿着从多相波导探针200向外延伸的一个或多个径向定位，以如前所述的监测电场强度。场测量仪236可以被配置为周期性地确定场强，并将该信息传送到探针控制系统218，以用于多相波导探针200的潜在调节。在一些情况下，场测量仪(多个)236只有当检测到监视条件的变化时，才能将信息传送到探针控制系统218。

还可以监视其他变量并用于调节多相波导探针200的操作。例如，可以通过监测激发源213来确定实际功率传递。在一些实现中，多相波导探针200可以被调节以至少部分地基于当前指示来最大化耦合到引导表面波导模式中。通过调节耦合到充电端子T₁和/或T₂的电感，可以将电场强度保持在有损传导介质203(例如，地球)中的引导表面波传输的期望水平或范围。这可以通过调节线圈上的抽头位置来实现。

也可以监测激发源213以确保不发生过载。随着多相波导探针200上的实际负载的增加，可以增加激发源213的输出电压或从线圈提供给充电端子T₁的电压，以增加场强水平，从而避免额外的负载电流。在一些情况下，接收器本身可以用作监测引导表面波导模式的状态的传感器。例如，接收器可以监视接收器的场强和/或负载需求。接收器可以被配置为将关于当前操作条件的信息传送到探针控制系统218。该信息可以通过网络或网络的组合(例如但不限于LAN、WLAN、蜂窝网络或其他适当的传送网络或网络的组合)传送到探针控制系统218。

基于以上信息，探针控制系统218随后可以调节多相波导探针200以便继续操作。例如，可以调节耦合到充电端子T₁和/或充电端子T₂的电感，以改善和/或最大化多相波导探针200的耦合，以满足接收器的负载需求。在一些情况下，探针控制系统218可以调节多相波导探针200以减少激发源213和/或多相波导探针200上的负载。例如，提供给充电端子T₁的电压可以降低到较低的场强并避免耦合到最远的负载设备的一部分。

多相波导探针200可以由探针控制系统218使用例如一个或多个抽头控制器239进行调节。如图16A，从线圈到上部充电端子T₁的连接由抽头控制器239控制。响应于监测条件的变化(例如，传导率、介电常数和/或电场强度的变化)，探针控制系统可以将控制信号传送到抽头控制器239，以启动抽头位置的改变。抽头控制器239可以被配置为沿着线圈连续地改变抽头位置，或者基于预定义的抽头连接递增地改变抽头位置。控制信号可以包括指定的抽头位置，或者指定一定数量的抽头连接的变化。通过调节抽头位置，可以调节充电端子T₁上的电压幅度和相位，以改善引导表面波导模式的耦合。

而图16A示出耦合在线圈和充电端子T₁之间的抽头控制器239，在其他实施例中，从线圈到下部充电端子T₂的连接242还可以包括抽头控制器239。图16B示出具有用于调节充电端子T₂的相位延迟的抽头控制器239的多相波导探针200的另一个实施例。图16C示出多相波导探针200的实施例，其中可以使用抽头控制器239来控制端子T₁和T₂的相位延迟。抽头控制器239可以由探针控制系统218独立地或并发地控制。在一些实现中，激发源213可以通过抽头控制器239耦合到线圈，抽头控制器239可以由探针控制系统218控制以保持用于从激发源的最大功率传递的匹配条件。

返回参考图16A，多相波导探针200也可以通过探针控制系统218使用例如上部充电端子定位系统248和/或下部充电端子定位系统251进行调节。通过调节充电端子T₁和/或充电端子T₂的高度，以及两者之间的距离，可以将能量的耦合调节到引导表面模式中，以最大化发射引导表面波的发射效率。端子定位系统248和251可以被配置为通过沿着垂直于有损传导介质203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，线性电动机可以用于使用耦合到端子的绝缘杆，向上或向下移动充电端子T₁和T₂。

其他实施例可以包括可以控制充电端子T₁和T₂的位置的绝缘传动装置和/或牵索和滑轮、螺旋齿轮或其他适当的机构。绝缘的端子定位系统248和251防止了充电端子T₁和T₂上存在的电荷的放电。例如，绝缘结构可以支撑充电端子T₂上方的充电端子T₁。例如，可以使用RF绝缘玻璃钢桅杆来支撑充电端子T₁和T₂。充电端子T₁和T₂可以使用充电端子定位系统248和/或充电端子定位系统251来单独定位，以改善和/或最大化多相波导探针200的电场。

如已经讨论的，自适应控制系统230的探针控制系统218可以通过与一个或多个远程定位的监测设备(例如但不限于，地面参数测量仪233和/或场测量仪236)通信来监测多相波导探针200的操作条件。探针控制系统218还可以通过访问来自例如激发源213的信息来监测其他条件。根据所监视的信息，探针控制系统218可以确定是否需要调节多相波导探针200来改善和/或最大化传输的电场强度。

响应于一个或多个监测条件的变化，探针控制系统218可以启动分别对与充电端子T₁和/或充电端子T₂耦合的一个或多个电感的调节，和/或对充电端子T₁和/或充电端子T₂的物理高度(H₁，H₂)的调节。在一些实施方案中，探针控制系统218可以评估所监视的状况以识别变化的来源。如果所监视的状况是由接收器负载变化引起的，则可以避免多相波导探针200的调节，其中可以驱动电源213以便在充电端子T₁和/或T₂维持期望的电压。如果监测条件(多个)影响多相波导探针200的场强，则探针控制系统218可以启动对多相波导探针200的调节，以改善和/或最大化与径向表面电流相关的场强。

在一些实施例中，也可以调节充电端子T₁的尺寸以控制能量耦合到引导表面波导模式。例如，可以通过改变终端的尺寸来改变充电端子T₁的自电容。还可以通过增加充电端子T₁的尺寸来改善电荷分布，这可以减少从充电端子T₁放电的可能性。注意，充电端子T₂的尺寸也可以以与充电端子T₁类似的方式变化，如上所述。对充电端子T₁/T₂的尺寸的控制可以由探针控制系统218通过充电端子定位系统248或通过单独的控制系统来提供。

图17A和17B示出可以用作多相波导探针200的充电端子T₁和/或T₂的可变端子803的示例。例如，可变端子803可以包括嵌套在外部圆筒形部分809中的内部圆筒形部分806。内部圆筒形部分806和外部圆筒形部分809可以分别包括穿过底部和顶部的板。在图17A中，圆柱形可变端子803被示出为具有第一尺寸的收缩状态，其可以与第一有效球形直径相关联。为了改变可变端子803的尺寸，从而改变有效的球形直径，可以扩展可变端子803的一个或两个部分以增加表面积，如图17B所示的。这可以使用诸如电动机或液压缸的驱动机构来实现，所述驱动机构被电隔离以防止终端上的电荷放电。

接下来参考图18，所示的是表示在端子812的外表面818内包括可变电感815的可变端子812的示意图。通过将可变电感器放置在端子812内，图7A-7J的多相波导探针200的负载阻抗Z_L(或图12B的调谐谐振器706的负载阻抗Z_R)可以通过调节电感815来调节，而不影响充电端子T₁的表面电荷。在一些实施例中，图17A和17B的可变端子803可以包括在圆柱形部分806和809内的可变电感815。这种组合可以为多相波导探针200的负载阻抗Z_L提供更宽范围的控制。

应当强调，本公开的上述实施例仅仅是为了清楚地理解本公开的原理而提出的实现的可能示例。在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许多变化和修改。所有这些修改和变化旨在被包括在本公开的范围内并由所附权利要求保护。此外，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可用于本文教导的所公开的所有方面。此外，从属权利要求的各个特征以及所描述的实施例的所有可选和优选特征和修改可以彼此组合和互换。

Claims

1.一种方法，包括：

用激发电压激发多相波导探针的第一充电端子和第二充电端子，以合成与有损传导介质的引导表面波导模式实质上匹配的多个场，以沿有损传导介质的表面通过径向表面电流传输能量，第一充电端子位于有损传导介质上的限定高度处，并且第二充电端子位于第一充电端子下方限定距离；

检测与多相波导探针相关联的操作条件的变化；和

响应于检测到的变化，调节多相探针以改善引导表面波导模式的匹配。

2.如权利要求1所述的方法，其中，检测与多相波导探针相关联的操作条件的变化包括检测与径向表面电流相关联的电场强度的变化。

3.如权利要求1和2中任一项所述的方法，其中，电场强度的变化由位于超过多相波导探针的限定的径向距离之外的场检测仪来检测，该限定的径向距离与多相波导探针的接近径向表面电流和远离径向表面电流之间的过渡相关联。

4.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，检测与多相波导探针相关联的操作条件的变化包括检测有损传导介质的传导率的变化。

5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，传导率的变化由位于距离多相波导探针的限定的径向距离处的地面参数检测仪来检测，该限定的径向距离与多相波导探针的接近径向表面电流和远离径向表面电流之间的过渡相关联。

6.如权利要求1-5中任一项所述的方法，其中，有损传导介质是陆地介质。

7.如权利要求6所述的方法，其中，合成场与地面介质表面上的泽尼克表面波模式实质上模式匹配。

8.如权利要求1-7中任一项所述的方法，其中，调节多相探针包括调节有损传导介质上方的第一充电端子的高度或第二充电端子的高度。

9.如权利要求8所述的方法，其中，调节多相探针包括调节有损传导介质上方的第一充电端子的高度和第二充电端子的高度。

10.如权利要求9所述的方法，其中，第一充电端子和第二充电端子之间的限定的距离保持相同。

11.如权利要求1-10中任一项所述的方法，其中，第一充电端子和第二充电端子经由线圈耦合到激发源。

12.如权利要求1-11中任一项所述的方法，其中，第一充电端子经由可变抽头耦合到线圈，并且调节多相探针包括调节线圈上的可变抽头的位置。

13.如权利要求1-12中任一项所述的方法，其中，第二充电端子经由第二可变抽头耦合到线圈，并且调节多相探针还包括调节线圈上的第二可变抽头的位置。

14.如权利要求1-11中任一项所述的方法，其中，第二充电端子经由可变抽头耦合到线圈，并且调节多相探针包括调节线圈上的可变抽头的位置。

15.如权利要求1-14中任一项所述的方法，其中，调节多相探针包括调节第一充电端子的尺寸或第二充电端子的尺寸。

16.如权利要求1-15中任一项所述的方法，其中，引导表面波导模式的径向表面电流密度实质上表示为

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17.一种系统，包括：

多相波导探针，其被配置为在有损传导介质的表面上产生与泽尼克表面波模式实质上模式匹配的多个合成场；和

探针控制系统，其被配置为至少部分地基于有损传导介质的特性来调节多相波导探针。

18.如权利要求17所述的系统，其中，泽尼克表面波模式的径向表面电流密度实质上表示为

19.如权利要求17和18中任一项所述的系统，其中，探针控制系统被配置为响应于检测到的有损传导介质的特性的变化来调节多相波导探针，以改善泽尼克表面波模式的模式匹配。

20.如权利要求17-19中任一项所述的系统，其中，多相波导探针包括耦合到多个充电端子的探针耦合电路，该探针耦合电路被配置为在多个充电端子上施加多个电压幅度和多个相位。

21.如权利要求20所述的系统，其中，探针控制系统配置为调节多个充电端子上的多个电压幅度和多个相位，以改善泽尼克表面波模式的模式匹配。

22.如权利要求17-21中任一项所述的系统，其中，多个充电端子经由至少一个可变抽头耦合到探针耦合电路的线圈。

23.如权利要求22所述的系统，其中，调节多个充电端子上的多个电压幅度和多个相位包括调整至少一个可变抽头的位置。

24.如权利要求22和23中任一项所述的系统，其中探针控制系统配置为经由抽头控制器来调节至少一个可变抽头的位置。

25.如权利要求17-24中任一项所述的系统，其中，探针控制系统配置为调节在有损传导介质之上的多个充电端子中的至少一个充电端子的高度，以改善泽尼克表面波模式的模式匹配。

26.如权利要求17-25中任一项所述的系统，其中，探针控制系统配置为经由充电端子定位系统重新定位该至少一个充电端子。