CN108352857A - 混合引导表面波通信 - Google Patents

Abstract

公开了混合通信，其中来自引导表面波探测节点的第一消息被嵌入到引导表面波中，并且来自引导表面波接收节点的第二消息使用不同的消息传递机制。

Description

混合引导表面波通信

相关申请的交叉引用

本申请要求题目为“Hybrid Guided Surface Wave Communication”的共同未决(co-pending)的美国非临时专利申请的优先权和权益，其于2015年9月9日提交并且被授予申请号14/848,462，并且其全部内容通过引用并入本文。

本申请涉及题目为“Excitation and Use of Guided Surface Wave Modes onLossy Media”的共同未决(co-pending)的美国非临时专利申请，其于2013年3月7日提交并且被授予申请号13/789,538，并且其于2014年9月11日以公开号US2014/0252886A1进行公开，并且其全部内容通过引用并入本文。本申请还涉及题目为“Excitation and Use ofGuided Surface Wave Modes on Lossy Media”的共同未决(co-pending)的美国非临时专利申请，其于2013年3月7日提交并且被授予申请号13/789,525，并且其于2014年9月11日公开号US2014/0252865A1进行公开，并且其全部内容通过引用并入本文。本申请还涉及题目为“Excitation and Use of Guided Surface Wave Modes on Lossy Media”的共同未决(co-pending)的美国非临时专利申请，其于2014年9月10日提交并且被授予申请号14/483,089，并且其全部内容通过引用并入本文。本申请还涉及题目为“Excitation and Use ofGuided Surface Waves”的共同未决(co-pending)的美国非临时专利申请，其于2015年6月2日提交并且被授予申请14/728,507，并且其全部内容通过引用并入本文。本申请还涉及题目为“Excitation and Use of Guided Surface Waves”的共同未决(co-pending)的美国非临时专利申请，其于2015年6月2日提交并且被授予申请号14/728,492，并且其全部内容通过引用并入本文。

背景技术

一个多世纪以来，通过无线电波发送的信号涉及使用传统的天线结构发射的辐射场。与无线电科学相反，上个世纪的电功率分布系统涉及沿导电体引导的能量的传输。自20世纪初以来，这种对射频(radio frequency，RF)和功率传输之间区别的理解就已存在。

发明内容

本发明的实施例涉及用于使用引导表面波的通用混合通信的系统和方法。

在一个实施例中，其中，混合引导表面波导探测节点包括引导表面波导探头，引导表面波导探头包括在陆地介质上升高的电荷端子，该电荷端子被配置为生成至少一个合成场，该合成场合成具有以陆地介质的复布鲁斯特入射角(θ_i,B)入射的波前的引导表面波。混合引导表面波导探测节点进一步包括耦合到引导表面波导探头的调制器，该调制器用于根据第一消息来调制引导表面波，以便在引导表面波中嵌入第一消息。进一步，混合引导表面波导探测节点包括配置为从接收第一消息的引导表面波接收节点接收第二消息的通信接收机，该第二消息经由不同的消息传递机制从第一消息传送。

在另一实施例中，其中，混合引导表面波接收节点包括配置为从沿着陆地介质传播的引导表面波获得电能的引导表面波接收结构。第一消息由生成引导表面波的引导表面波导探测节点嵌入到引导表面波中。混合引导表面波接收节点进一步包括耦合到引导表面波接收结构的电负载，电负载作为耦合到引导表面波导探头的激励源处的负载。另外，混合引导表面波接收节点包括耦合到配置为从引导表面波中提取第一消息的引导表面波接收结构的解调器，以及配置为经由不同的消息传递机制从第一消息向引导表面波导探测节点发送第二消息的通信发射机。

在另一实施例中，其中，用于使用引导表面波的混合双向通信的方法包括使用引导表面波接收节点处的引导表面接收结构接收电能。从探测节点处的引导表面波导探头发射引导表面波形式的电能，并且根据通过引导表面波导探头嵌入在引导表面波中的消息调制电能。该方法进一步包括将电能供应到耦合到引导表面波接收结构的电负载，从调制的电能中提取嵌入的消息，以及使用来自嵌入的消息的不同消息传递机制将第二消息从接收节点传输到探测节点。

在另一实施例中，其中，用于使用引导表面波的混合双向通信的方法，包括从探测节点处的引导表面波导探头发射包括嵌入的消息的引导表面波。使用与探测节点间隔开的接收节点处的引导表面接收结构接收该引导表面波。在接收节点处从引导表面波获得电能，并将电能供应给接收节点处的电负载，并且该电能根据嵌入的消息进行调制。该方法进一步包括作为耦合到探测节点处的引导表面波导探头的激励源处的电负载，在接收节点处获得电能。另外，该方法进包括在探测节点处使用来自嵌入的消息的不同消息传递机制接收从接收节点传输的第二消息。

本公开的其他系统、方法、特征和优点对于本领域技术人员在研究以下附图和详细描述后将会或者变得显而易见。旨在将所有这些附加的系统、方法、特征和优点包括在本说明书内、在本公开的范围内，并且由所附权利要求保护。

另外，所描述的实施例的所有可选的和优选的特征以及修改可用于在此教导的整个公开内容的所有方面。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的和优选的特征以及修改可以彼此组合并且可互换。

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。附图中的组件不一定是按比例的，而是将重点放在清楚地图示本公开的原理上。而且，在附图中，相似的附图标记指定遍及多个视图的对应的部分。

图1是描绘作为用于引导电磁场和辐射电磁场的距离的函数的场强的图表。

图2是图示根据本公开的各种实施例的具有用于引导表面波的发送的两个区域的传播界面的图。

图3是图示根据本公开的各种实施例的针对图2的传播界面布置的引导表面波导探头的图。

图4是根据本公开的各种实施例的一阶汉克尔(Hankel)函数的逼近和远离渐近线的幅度的示例的绘图。

图5A和5B是图示根据本公开的各种实施例的由引导表面波导探头合成的电场的复数入射角(complex angle of incidence)的图。

图6是图示根据本公开的各种实施例的位于图5A的电场与有损传导介质以布鲁斯特(Brewster)角相交的位置处的电荷端子的升高的效果的图形表示。

图7是根据本公开的各种实施例的引导表面波导探头的示例的图形表示。

图8A至8C是图示根据本公开的各种实施例的图3和图7的引导表面波导探头的等效镜像平面模型的示例的图形表示。

图9A和9B是图示根据本公开的各种实施例的图8B和图8C的等效镜像平面模型的单线传输线和经典传输线模型的示例的图形表示。

图10是图示根据本公开的各种实施例的调整图3和图7的引导表面波导探头以沿着有损传导介质的表面发射引导表面波的示例的流程图。

图11是图示根据本公开的各种实施例的在图3和图7的引导表面波导探头的波倾斜角与相位延迟之间的关系的示例的图。

图12是图示根据本公开的各种实施例的引导表面波导探头的示例的图。

图13是图示根据本公开的各种实施例的以复数布鲁斯特角入射合成电场以匹配在汉克尔交叉距离处的引导表面波导模式的图形表示。

图14是根据本公开的各种实施例的图12的引导表面波导探头的示例的图形表示。

图15A包括根据本公开的各种实施例的引导表面波导探头的电荷端子T₁的相位延迟(Φ_U)的虚部和实部的示例的绘图。

图15B是根据本公开的各种实施例的图14的引导表面波导探头的示意图。

图16是图示根据本公开的各种实施例的引导表面波导探头的示例的图。

图17是根据本公开的各种实施例的图16的引导表面波导探头的示例的图形表示。

图18A至18C描绘了根据本公开的各种实施例的可用于接收以由引导表面波导探头发射的引导表面波形式传输的能量的接收结构的示例。

图18D是图示根据本公开的各种实施例的调整接收结构的示例的流程图。

图19描绘根据本公开的各种实施例的可用于接收以由引导表面波导探头发起的引导表面波形式传输的能量的附加接收结构的示例。

图20A-E是根据本公开的实施例的参考本公开可用的各种示意性符号的示例。

图21是根据本公开的实施例的使用引导表面波的混合通信系统的框图表示。

图22A是根据本公开的实施例的利用引导表面波和电话网络的混合通信系统的框图表示。

图22B是根据本公开的实施例的利用引导表面波和计算机网络的混合通信系统的框图表示。

图22C是根据本公开的实施例的利用引导表面波和射频广播的混合通信系统的框图表示。

图22D是根据本公开的实施例的利用引导表面波和射频点对点通信的混合通信系统的框图表示。

图22E是根据本公开的实施例的利用引导表面波和光学点对点通信的混合通信系统的框图表示。

图22F是根据本公开的实施例的利用引导表面波和负载调制的混合通信系统的框图表示。

图23A是根据本公开的实施例的可用于图21和图22A-22F的通信系统中的混合引导表面波导探测节点的框图表示。

图23B是根据本公开的实施例的可用于图21和图22A-22F的通信系统中的混合引导表面波接收节点的框图表示。

图24是根据本公开的实施例的具有引导表面波导探测节点和多个引导表面波接收节点的示例性双向通信网络的示意性框图表示。

图25是根据本公开的实施例的用于使用引导表面波的混合双向通信的方法的流程图。

具体实施方式

首先，应该建立一些术语来提供对所遵循的概念的讨论中的清晰。首先，如本文所设想的，在辐射电磁场和引导电磁场之间划清形式区别。

如本文所设想的，辐射电磁场包括以不受波导限制的波的形式从源结构发出的电磁能。例如，辐射电磁场通常是离开诸如天线的电气结构并通过大气或其他介质传播并且不受任何波导结构限制的场。一旦辐射电磁波离开诸如天线的电气结构，它们就继续在独立于它们的源的传播介质(例如空气)中传播，直到它们耗散为止，而不管源是否继续操作。一旦辐射电磁波，除非被截获，否则它们是不可恢复的，并且如果不被截获，则辐射的电磁波中固有的能量永远损失。诸如天线的电气结构被设计为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。无论接收器是否存在，辐射的能量都会在空间中传播并损失。辐射场的能量密度由于是几何发散所以是距离的函数。因此，本文使用的以其所有形式的术语“辐射”是指电磁传播的这种形式。

引导电磁场是其能量集中在具有不同电磁特性的介质之间的边界内或附近的传播电磁波。在这个意义上，引导电磁场是受限于波导的电磁场，并且可以被表征为由在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性中被耗散之外，不会有能量损失。换句话说，如果没有用于引导电磁波的负载，则不会消耗能量。因此，除非存在电阻性负载，否则生成引导电磁场的发生器或其他源不会传递真实功率。为此，这样的发生器或其他源基本上空闲地运行直到出现负载。这类似于运行发生器以产生在没有电负载的电力线上传输的60赫兹电磁波。应该注意的是，引导电磁场或波与所谓的“传输线模式”是等同的。这与其中为了生成辐射波而始终提供真实功率的辐射电磁波形成对比。与辐射电磁波不同，在能量源关闭之后，引导电磁能量不会继续沿有限长度的波导传播。因此，本文使用的以其所有形式的术语“引导”是指电磁传播的这种传输模式。

现在参考图1，所示出的是在以伏特/米为单位的任意基准以上的以分贝(dB)为单位的场强的曲线图100，其作为log-dB曲线图上的以千米为单位的距离的函数，以进一步图示辐射电磁场和引导电磁场之间的区别。图1的图形100描绘了引导场强曲线103，其示出了作为距离的函数的引导电磁场的场强度。该引导场强曲线103与传输线模式基本相同。而且，图1的图形100描绘辐射场强曲线106，其示出作为距离的函数的辐射电磁场的场强。

感兴趣的是分别用于引导波和用于辐射传播的曲线103和曲线106的形状。辐射场强曲线106几何地下降(1/d，其中d是距离)，其在对数-对数坐标上被描绘为直线。另一方面，引导场强曲线103具有特性指数衰减并且在对数-对数坐标上表现出区别的拐点109。引导场强曲线103和辐射场强曲线106在点112处相交，其发生在穿越距离(crossing distance)处。在小于交叉点112处的穿越距离的距离处，引导电磁场的场强在大多数位置处明显大于辐射电磁场的场强。在大于穿越距离的距离处，情况正好相反。因此，引导场强曲线103和辐射场强曲线106进一步图示了引导电磁场和辐射电磁场之间的基本传播差异。对于引导电磁场和辐射电磁场之间的差异的非正式讨论，可参考Milligan,T.,Modern Antenna Design,McGraw-Hill，1985年第1版，第8-9页，其通过引用整体并入本文中。

以上所做的辐射电磁波和引导电磁波之间的区别容易正式地表达，并置于严格的基础上。这两种不同的解决方案可以从同一个线性偏微分等式显露出来，即波动方程，从施加于问题的边界条件解析出来。用于波动方程的格林(Green)函数本身包含了辐射波和引导波的本质之间的区别。

在真空中，波动方程是微分算子，其特征函数拥有在复数波数平面上的特征值的连续谱。这个横向电磁(transverse electro-magnetic，TEM)场被称为辐射场，并且那些传播场被称为“赫兹(Hertzian)波”。然而，在存在传导边界的情况下，波动方程数学地加上边界条件导致波数的频表示，其由连续频谱加上离散谱的总和组成。为此，可参考Sommerfeld,A.,“Uber die Ausbreitung der Wellen in der DrahtlosenTelegraphie,”Annalen der Physik,Vol.28,1909,第665-736页。另见Sommerfeld,A.,“Problems of Radio,”；Collin，R.E.，其被公开于Partial Differential Equations in Physics–Lectures on Theoretical Physics:Volume VI的第六章,Academic Press,1949年,第236-289和295-296页；Collin,R.E.,“Hertzian Dipole Radiating Over a LossyEarth orSea:Some Early and Late 20^th Century Controversies,”IEEE Antennas and Propagation Magazine,Vol.46,No.2,2004年4月,第64-79页；以及Reich,H.J.,Ordnung,P.F,Krauss,H.L.,and Skalnik,J.G.,Microwave Theory and Techniques,Van Nostrand,1953年,第291-293页,这些参考文献中的每一个都通过引用整体并入本文。

术语“地波”和“表面波”标识两个截然不同的物理传播现象。表面波从产生平面波频谱中的离散分量的不同的极点分析地出现。参见例如Cullen,A.L.的“The Excitationof Plane Surface Waves”,(Proceedings of the IEE(British),Vol.101,Part IV,1954年8月,第225-235页)。在这种情况下，表面波被认为是引导表面波。表面波(在Zenneck-Sommerfeld引导波意义上)物理地和数学地与地波(在Weyl-Norton-FCC意义上)不同，地波现在对无线电广播非常熟悉。这两种传播机制起因于在复平面上不同类型的特征值谱(连续或离散)的激励。如图1的曲线103所示，引导表面波的场强随距离呈指数函数衰减(非常类似于有损波导中的传播)并且类似于与地波的经典赫兹辐射相反的径向传输线中的传播，其球形地传播、具有特征值的连续、如图1的曲线106所示的几何地下降、并且来自分支切割积分。正如由C.R.Burrows在“The Surface Wave in Radio Propagation over PlaneEarth”(Proceedings of the IRE,Vol.25,No.2,1937年2月,第219-229页)和“TheSurfaceWave in Radio Transmission”(Bell Laboratories Record,Vol.15,1937年6月,第321-324页)中实验地证明的，垂直天线辐射地波，但不发射引导波。

总而言之，首先，对应于分支切割积分的波数特征值谱的连续部分产生辐射场，并且其次，离散谱以及由被积分的轮廓包围的极点引起的相应的残差和导致非TEM行进表面波，其在横向于传播的方向上呈指数衰减。这种表面波是引导传输线模式。为了进一步解释，可以参考Friedman,B.,Principles and Techniques of Applied Mathematics,Wiley,1956年,第214、283-286、290、298-300页。

在自由空间中，天线激励了波动方程的连续特征值，其是辐射场，其中具有E_z和H_φ同相的向外传播RF能量永远损失。另一方面，波导探头激励离散特征值，这导致传输线传播。参见Collin,R.E.,Field Theory of Guided Waves,McGraw-Hill,1960年,第453、474-477页。尽管这样的理论分析已经维持了在有损均匀(homogeneous)介质的平面或球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，工程技术中还没有已知的结构已经存在，用于以任何实际效率来实现这一点。不幸的是，由于它出现在20世纪初期，所以以上提出的理论分析已经基本上只剩下理论，并且还没有已知的结构用于实际上实现在有损均匀介质的平面或球面上发射开放表面引导波。

根据本公开的各种实施例，描述了各种引导表面波导探头，其被配置为激励沿着有损传导介质的表面耦合到引导表面波导模式的电场。这种引导电磁场在幅度和相位上与有损传导介质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被称为Zenneck波导模式。由于本文描述的引导表面波导探头激励的合成场与有损传导介质表面上的引导表面波导模式基本上模式匹配的事实，沿着有损传导介质的表面发射以引导表面波形式的引导电磁场。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，所示的是传播界面，其提供对由Jonathan Zenneck在1907年推导的麦克斯韦方程的边界值解的检查，如在他的论文Zenneck,J.,“On the Propagation of PlaneElectromagnetic Waves Along a Flat Conducting Surface and their Relation toWireless Telegraphy,”Annalen der Physik,Serial 4,Vol.23,1907年9月20日,第846-866页中所提出的。图2示出了用于沿着被指定为区域1的有损传导介质和被指定为区域2的绝缘体之间的界面径向地传播波的圆柱坐标。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诸如地球或其他介质的陆地介质。区域2是与区域1共享边界界面并且相对于区域1具有不同构成参数的第二介质。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角处的入射达到零。参见Stratton,J.A.,Electromagnetic Theory,McGraw-Hill,1941年,第516页。

根据各种实施例，本公开提出了各种引导表面波导探头，其产生与包括区域1的有损传导介质的表面上的引导表面波导模式基本上模式匹配的电磁场。根据各种实施例，这种电磁场基本上合成了以能够导致零反射的有损传导介质的复数布鲁斯特角入射的波前。

为了进一步解释，在区域2中，假定e^jωt场变化，并且其中ρ≠0且z≥0(其中z是垂直于区域1的表面的垂直坐标，并且ρ是圆柱坐标中的径向维度)，满足沿着界面的边界条件的麦克斯韦方程组的Zenneck的闭形精确解由以下电场和磁场分量表示：

在区域1中，假定e^jωt场变化，并且其中ρ≠0和z≤0，满足沿着界面的边界条件的麦克斯韦方程组的Zenneck的闭形精确解由以下电场和磁场分量表示：

在这些表达式中，z是垂直于区域1的表面的垂直坐标，ρ是径向坐标，是第二类的n阶复变汉克尔函数，u₁是区域1中正垂直(z)方向上的传播常数，u₂是区域2中垂直(z)方向上的传播常数，σ₁是区域1的传导率，ω等于2πf，其中f是激励的频率，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，以及γ是表面波径向传播常数。

±z方向上的传播常数通过在区域1和区域2之间的界面以上和以下分离波动方程来确定，并施加边界条件。在区域2中，该运用(exercise)给出，

并且在区域1中，给出：

u₁＝-u₂(ε_r-jx) (8)

径向传播常数γ由下式给出：

这是一个复数表达式，其中n是复折射率，由下式给出：

在所有的上述等式中，

其中ε_r包括区域1的相对介电常数，σ₁是区域1的传导率，ε_o是自由空间的介电常数，以及μ_o包括自由空间的磁导率。因此，所产生的表面波平行于界面传播，并垂直于界面指数地衰减。这已知为消散(evanescence)。

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，牛津大学出版社,1962年,第10-12、29-33页。本公开详述激励这种“开放边界”波导模式的结构。具体地，根据各种实施例，引导表面波导探头被提供给适当尺寸的电荷端子，该电荷端子被馈送电压和/或电流并且相对于区域2和区域1之间的边界界面被放置。参考图3，这可以被更好地理解，图3示出了引导表面波导探头200a的示例，该引导表面波导探头200a包括沿垂直轴线z升高到有损传导介质203(例如地球)上方的电荷端子T₁，垂直轴线z正交于由有损传导介质203呈现的平面。有损传导介质203构成区域1，并且第二介质206构成区域2并与有损传导介质203共享边界界面。

根据一个实施例，有损传导介质203可以包括诸如行星地球的陆地介质。为此，这样的陆地介质包括其上包括的所有结构或构造，无论是自然的还是人造的。例如，这样的陆地介质可以包括诸如岩石、土壤、沙子、淡水、海水、树木、植物之类的自然元素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素，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可以包括除地球之外的一些介质，不管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、塑料片或其他材料)或其它介质的结构。

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可以包括地面以上的大气。因此，大气可以被称为“大气介质”，它包含空气和构成地球的大气的其他元素。另外，第二介质206可能包括相对于有损传导介质203的其他介质。

引导表面波导探头200a包括馈送网络209，馈送网络209经由例如垂直馈送线导体将激励源212耦合到电荷端子T₁。根据各种实施例，电荷Q₁被施加在电荷端子T₁上以基于在任何给定时刻施加到端子T₁的电压来合成电场。根据电场(E)的入射角(θ_i)，可以使电场基本上模式匹配到包括区域1的有损传导介质203的表面上的引导表面波导模式。

通过考虑等式(1)-(6)的Zenneck闭型解，区域1和区域2之间的Leontovich阻抗边界条件可以表示为：

其中是正垂直(+Z)方向上的单位法线，以及是上述等式(1)表示的区域2中的磁场强度。等式(13)意味着等式(1)-(3)中指定的电场和磁场可以导致沿着边界界面的径向表面电流密度，其中径向表面电流密度可以通过下式指定：

其中A是常数。此外，应该注意的是，趋近(close-in)到引导表面波导探头200(对于ρ＜＜λ)，上面的等式(14)具有性态(behavior)：

负号表示当源电流(I_o)如图3所示垂直向上流动时，“趋近”地电流径向向内流动。通过用于H_φ“趋近”的场匹配，可以确定：

其中，在等式(1)-(6)和(14)中，q₁＝C₁V₁。因此，等式(14)的径向表面电流密度可以重新表示为：

由等式(1)-(6)和(17)表示的场具有受限于有损界面(而不是与地波传播相关的辐射场)的传输线模式的性质。参见Barlow,H.M.和Brown,J.,Radio Surface Waves,牛津大学出版社,1962年,第1-5页。

在这一点上，针对这些波动方程的解，提供等式(1)-(6)和(17)中使用的汉克尔函数的性质的回顾(review)。人们可以观察到，第一类和第二类的n阶汉克尔函数被定义为第一类和第二类的标准贝塞尔(Bessel)函数的复数组合：

这些函数分别表示径向向内传播的圆柱形波和径向向外传播的圆柱形波该定义类似于关系e^±jx＝cos x±jsin x。参见，例如，Harrington,R.F.,Time- Harmonic Fields,McGraw-Hill,1961年,第460-463页。

是一个输出波，其可以从它的大幅角(argument)渐近性态中识别出来，该大幅角渐近性态从J_n(x)和N_n(x)的系列定义中直接获得，从引导表面波导探头的远离(far-out)：

当乘以e^jωt时，其是具有空间变化的形式e^j(ωt-kρ)的向外传播的圆柱形波。可以从等式(20a)确定一阶(n＝1)的解：

趋近到引导表面波导探头(对于ρ＜＜λ)，一阶和二阶汉克尔函数表现为：

请注意，这些渐近表达式是复数量(complex quantities)。当x是实数时，等式(20b)和(21)在相位上相差，其对应于45°的额外相位提前或“相位提升”或等同于λ/8。第二类的一阶汉克尔函数的趋近或远离渐近线具有汉克尔“交叉”或转折点，在这里，它们在ρ＝R_x的距离处的幅度相等。

因此，在汉克尔交叉点之外，“远离”表示相对于汉克尔函数的“趋近”表示占优势。到汉克尔交叉点(或汉克尔交叉点距离)的距离可以通过使对于-jγρ的等式(20b)和(21)相等进行求解，并求解R_x。在x＝σ/ωε_o的情况下，可以看出，远离和趋近汉克尔函数渐近线是频率相关的，随着频率降低，汉克尔交叉点移出。还应该注意的是，汉克尔函数渐近线也可以随着有损传导介质的传导率(σ)变化而变化。例如，土壤的传导率可以随着天气条件的变化而变化。

参考图4，所示的是1850kHz的操作频率下、对于σ＝0.010mhos/m的传导率和相对介电常数ε_r＝15的区域1，等式(20b)和(21)的一阶汉克尔函数的幅度的曲线图。曲线115是等式(20b)的远离(far-out)渐近线的幅度，并且曲线118是等式(21)的趋近(close-in)渐近线的幅度，其中汉克尔交叉点121出现在R_x＝54英尺的距离处。虽然幅度相等，但在汉克尔交叉点121处的两条渐近线之间存在相位偏移。也可以看出，汉克尔交叉距离远小于操作频率的波长。

考虑到区域2中Zenneck闭形解的等式(2)和(3)给出的电场分量，可以看出，E_z和E_ρ的比率渐近地传递到

其中，n是等式(10)的复折射率，并且θ_i是电场的入射角。另外，等式(3)的模式匹配电场的垂直分量渐近地传递到

其与端电压处升高的电荷端子的电容的隔离分量上的自由电荷线性地成比例，q_free＝C_free×V_T。

例如，图3中升高的电荷端子T₁的高度H₁影响电荷端子T₁上的自由电荷的量。当电荷端子T₁接近区域1的地平面时，该端子上的大部分电荷Q1被“束缚”。随着电荷端子T₁升高，被束缚的电荷减少，直到电荷端子T₁达到基本上所有的隔离的电荷都是自由的的高度。

电荷端子T₁的增加的电容升高的优点在于升高的电荷端子T₁上的电荷被进一步从接地平面移除，导致自由电荷q_free的量增加以将能量耦合到引导表面波导模式。随着电荷端子T_1被从接地平面移开，电荷分布变得更均匀地分布在端子表面周围。自由电荷的量与电荷端子T₁的自电容有关。

例如，球形端子的电容可以表示为地平面之上的物理高度的函数。在高于理想地面的物理高度h处的球体的电容由下式给出：

C_{clevated sphere}＝4πε_oa(1+M+M²+M³+2M⁴+3M⁵+…) (24)

其中球体的直径为2a，并且其中M=a/2h，h为球形端子的高度。如可以看出的，端子高度h的增加减小了电荷端子的电容C。可以示出，对于高度约为直径四倍(4D＝8a)或更高的电荷端子T₁的高度，电荷分布在球形端子附近是近似均匀的，这可以改善到引导表面波导模式的耦合。

在充分隔离的端子的情况下，导电球形的自电容可以近似为C＝4πε_oa，其中a是以米为单位的球的半径，并且盘(disk)的自电容可以近似为C＝8ε_oa，其中a是以米为单位的盘的半径。电荷端子T₁可以包括任何形状，例如球体、盘、圆柱体、圆锥体、环面、罩、一个或多个环、或者任何其它随机形状或形状的组合。可以确定等效的球形直径并将其用于放置电荷端子T₁。

参考图3的示例可以进一步理解这一点，其中电荷端子T₁在有损传导介质203上方的物理高度h_p＝H₁处被升高。为了减少“束缚”电荷的影响，电荷端子T₁可以位于至少是电荷端子T₁的球体直径(或等效球体直径)的四倍的物理高度处，以减小束缚的电荷效应。

接下来参考图5A，所示的是由图3的电荷端子T₁上的升高的电荷Q1产生的电场的射线光学解释。如在光学中一样，最小化入射电场的反射可以改善和/或最大化被耦合到有损传导介质203的引导表面波导模式中的能量。对于平行于入射平面(不是边界界面)极化的电场(E_||)，可以使用菲涅尔(Fresnel)反射系数确定入射电场的反射量，其可以表示为

其中，θ_i是相对于表面法线测量的常规入射角。

在图5A的示例中，射线光学解释示出了平行于具有相对于表面法线测量的入射角θ_i的入射平面极化的入射场。当时，入射电场将不会反射，并且因此，入射电场将沿着有损传导介质203的表面完全耦合到引导表面波导模式中。可以看出，等式(25)的分子在入射角为下式时变为零

其中，x＝σ/ωε_o。这种复数入射角(θ_i,B)被称为布鲁斯特角。返回参考等式(22)，可以看出，在等式(22)和(26)两者中都存在相同的复数布鲁斯特角(θ_i,B)关系。

如图5A所示，电场矢量E可以被描绘为平行于入射平面极化的输入(incoming)非均匀平面波。可以从独立的水平和垂直分量将电池矢量E创建为

几何地，图5A中的图示表明电场矢量E可以由下式给出

这意味着场比率是

称为“波倾斜”的广义参数W在本文中被称为水平电场分量与垂直电场分量的比率，由下式给出：

其是复数并且具有幅度和相位。对于区域2中的电磁波，波倾角(Ψ)等于与区域1的边界界面处的波前法线和边界界面的切线之间的角度。这在图5B中可以更容易看到，图5B图示了电磁波的等相位表面以及它们对于径向圆柱引导表面波的法线。在具有理想导体的边界界面(z＝0)处，波前法线平行于边界界面的切线，导致W＝0。然而，在有损介质的情况下，因为波前法线与z＝0处的边界界面的切线不平行，所以存在波倾斜W。

将等式(30b)应用于引导表面波给出：

当入射角等于复数布鲁斯特角(θ_i,B)时，等式(25)的菲涅耳(Fresnel)反射系数消失，如下式所示：

通过调整等式(22)的复数场比率，可以合成入射场，使其以减小或消除反射的复数角度入射。将该比率建立为导致合成电场以复数布鲁斯特角入射，使得反射消失。

电有效高度的概念可以提供对于以下进一步的见解：利用引导表面波导探头200合成具有复数入射角的电场。对于具有物理高度(或长度)h_p的单极子，电有效高度h_eff已经被定义为：

由于表达式取决于沿着该结构的源分布的幅度和相位，所以有效高度(或长度)通常是复数。该结构的分布电流I(z)的积分在该结构的物理高度(h_p)上进行，并且被归一化为通过该结构的基部(或输入)向上流动的地电流(I₀)。沿着该结构的分布电流可以表示为：

I(z)＝I_Ccos(β₀z) (34)

其中，β₀是在该结构上传播的电流的传播因子。在图3的示例中，I_C是沿着引导表面波导探头200a的垂直结构分布的电流。

例如，考虑馈送网络209，其包括位于该结构基部的低损耗线圈(例如，螺旋线圈)和连接在该线圈与电荷端子T₁之间的垂直馈送线导体。由于线圈(或螺旋延迟线)引起的相位延迟为：θ_c＝β_pl_C，其中，物理长度为l_C，传播因子为：

其中，V_f是该结构上的速度因子，λ₀是供应频率下的波长，并且λ_p是由速度因子V_f产生的传播波长。相对于地(桩)电流I₀测量相位延迟。

另外，沿着垂直馈送线导体的长度l_w的空间相位延迟可以由下式给出：θ_y＝β_wl_w，其中β_w是用于垂直馈送线导体的传播相位常数。在一些实施方式中，空间相位延迟可以近似为θ_y＝β_wh_p,，因为引导表面波导探头200a的物理高度h_p与垂直馈送线导体长度l_w之间的差异远小于供应频率(λ₀)处的波长。结果，通过线圈和垂直馈送线导体的总相位延迟为Φ＝θ_c+θ_y，并且从物理结构的底部馈送到线圈顶部的电流是：

I_C(θ_c+θ_y)＝I₀e^jΦ (36)

其中，相对于地(桩)电流I₀测量的总相位延迟Φ。因此，对于物理高度h_p＜＜λ₀的情况，引导表面波导探头200的电有效高度可以近似为：

可以调整在角度(或相移)Φ处的单极子的复数有效高度h_eff＝h_p，以使得源场匹配引导表面波导模式并且使得在有损传导介质203上发射引导表面波。

在图5A的示例中，使用射线光学来图示在汉克尔交叉距离(R_x)121处具有复数布鲁斯特入射角r入射角(θ_i,B)的入射电场(E)的复数角三角学。回想等式(26)，对于有损传导介质，布鲁斯特角是复数的，并由下式指定：

在电学上，几何参数通过下式由电荷端子T₁的电有效高度(h_eff)相关：

R_xtanψ_i,B＝R_x×W＝h_eff＝h_pe^jΦ (39)

其中ψ_i,B＝(π/2)-θ_i,B是从有损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中，在汉克尔交叉距离处的电场的波倾斜可以表示为电有效高度与汉克尔交叉距离的比率：

由于物理高度(h_p)和汉克尔交叉距离(R_x)都是实数量，所以在汉克尔交叉距离(R_x)处的所需的引导表面波倾斜角(Ψ)等于复数有效高度(h_eff)的相位(Φ)。这意味着通过改变线圈供电点处的相位并且因此改变等式(37)中的相移，复数有效高度的相位Φ可以被操纵，以匹配在汉克尔交叉点121处引导表面波导模式的波倾斜角Ψ：Φ＝Ψ。

在图5A中，描绘了具有沿着有损传导介质表面的长度R_x的相邻边以及在R_x处的汉克尔交叉点121与电荷端子T₁的中心之间延伸的射线124和在汉克尔交叉点121与电荷端子T₁之间的有损传导介质表面127之间测量的复数布鲁斯特角ψ_i,B的直角三角形。在电荷端子T₁位于物理高度h_p处并且被具有适当相位延迟Φ的电荷激励的情况下，所得到的电场在汉克尔交叉距离R_x处并以布鲁斯特角角对有损传导介质边界界面入射。在这些条件下，可以在没有反射或基本上可以忽略的反射的情况下激励引导表面波导模式。

如果在不改变有效高度(h_eff)的相移Φ的情况下降低电荷端子T₁的物理高度，则所产生的电场在距引导表面波导探头200减少的距离处以布鲁斯特角与有损传导介质203相交。图6图形地图示出降低电荷端子T₁的物理高度对电场以布鲁斯特角角入射的距离的影响。随着高度从h3减小到h2再减小到h1，电场以布鲁斯特角角与有损传导介质(例如，地球)相交的点更靠近电荷端子的位置移动。然而，如等式(39)所示，电荷端子T₁的高度H1(图3)应该等于或高于物理高度(h_p)，以激励汉克尔函数的远离分量。利用位于有效高度(R_x)或在有效高度(R_x)以上的电荷端子T₁，如图5A所示，可以在汉克尔交叉距离(R_x)121或超过汉克尔交叉距离(R_x)121处以布鲁斯特入射角(ψ_i,B＝(π/2)-θ_i,B)照射有损传导介质203。为了减小或最小化电荷端子T1上的束缚电荷，如上所述，该高度应该是电荷端子T₁的球形直径(或等效球形直径)的至少四倍。

引导表面波导探头200可以被配置为建立具有波倾斜的电场，该波倾斜对应于以复数布鲁斯特角照射有损传导介质203的表面的波，从而通过与在(或超过)R_x处的汉克尔交叉点121处的引导表面波模式基本上模式匹配来激励径向表面电流。

参照图7，所示的是包括电荷端子T₁的引导表面波导探头200b的示例的图形表示。AC源212充当电荷端子T1的激励源，其通过包括诸如例如螺旋线圈的线圈215的馈送网络209(图3)耦合到引导表面波导探头200b。在其他实施方式中，AC源212可以通过主线圈感应耦合到线圈215。在一些实施例中，可以包括阻抗匹配网络以改善和/或最大化AC源212到线圈215的耦合。

如图7所示，引导表面波导探头200b可以包括沿垂直轴z放置的上部电荷端子T₁(例如，在高度h_p处的球体)，该垂直轴z与由有损传导介质203呈现的平面基本正交。第二介质206位于有损传导介质203上方。电荷端子T₁具有自电容C_T。在操作期间，取决于在任何给定时刻施加到端子T₁的电压，电荷Q₁被施加在端子T₁上。

在图7的示例中，线圈215在第一端耦合到地桩218并且经由垂直馈送线导体221耦合到电荷端子T₁。在一些实施方式中，可以使用如图7所示的线圈215的抽头(tap)224调整到电荷端子T₁的线圈连接。线圈215可以由AC电源212通过线圈215下部的抽头227以操作频率致能。在其它实施方式中，AC电源212可以通过主线圈感应耦合到线圈215。

引导表面波导探头200的构造和调整基于各种操作条件，诸如传输频率、有损传导介质的条件(例如，土壤传导率σ和相对介电常数ε_r)以及电荷端子T₁的尺寸。折射率可以由等式(10)和(11)计算为：

其中，x＝σ/ωε_o且ω＝2πf。可以通过有损传导介质203的测试测量来确定传导率σ和相对介电常数ε_r。从表面法线测量的复数布鲁斯特角(θ_i,B)也可以从等式(26)确定为

或者，从如图5A所示的表面测量为:

在汉克尔交叉距离(W_Rx)处的波倾斜也可以使用公式(40)求出。

也可以通过使得对于-jγρ的等式(20b)和(21)相等解并如图4所示求解R_x来求出汉克尔交叉距离。然后可以使用汉克尔交叉距离和复数布鲁斯特角根据等式(39)确定电有效高度为：

h_eff＝h_pe^jΦ＝R_xtanψ_i,B (44)

如从等式(44)可以看到的，复数有效高度(h_eff)包括与电荷端子T₁的物理高度(h_p)相关联的幅度和与要在汉克尔交叉距离(R_x)处的波倾斜角(Ψ)相关联的相位延迟(Φ)。利用这些变量和所选择的电荷端子T₁配置，可能确定引导表面波导探头200的配置。

利用位于物理高度(h_p)处或高于物理高度(h_p)的电荷端子T₁，馈送网络209(图3)和/或将馈送网络连接至电荷终端T1的垂直馈送线可以被调整，以将电荷端子T₁上的电荷Q₁的相位(Φ)与波倾斜(W)角(Ψ)相匹配。可以选择电荷端子T₁的大小，以为施加在端子上的电荷Q₁提供足够大的表面。通常，希望使电荷端子T₁尽可能大。电荷端子T₁的大小应该足够大以避免周围空气的电离，这可能导致电荷端子周围的放电或火花。

螺旋缠绕线圈的相位延迟θ_c可根据麦克斯韦方程确定，正如Corum,K.L.和J.F.Corum,“RF Coils,Helical Resonators and Voltage Magnification by CoherentSpatial Modes”，Microwave Review，Vol.7，No.2，2001年9月，第36-45页中所讨论的那样，其全部内容通过引用并入本文。对于具有H/D＞1的螺旋线圈，沿着线圈的纵轴的波的传播速度(v)与光速(c)的比率，或“速度因子”，由下式给出：

其中，H是螺线管螺旋线的轴向长度，D是线圈直径，N是线圈的匝数，s＝H/N是线圈的匝间距(或螺旋线螺距)，并且λ_o是自由空间波长。基于这种关系，螺旋线圈的电长度或相位延迟由下式给出：

如果螺旋线螺旋卷绕或螺旋线短而且粗，则原理相同，但通过实验测量更容易获得V_f和θ_c。对于螺旋传输线的特性(波)阻抗的表达式也被推导为：

该结构的空间相位延迟θ_y可以使用垂直馈送线导体221(图7)的行进波相位延迟来确定。理想地面上方的圆柱形垂直导体的电容可以表示为：

其中，h_w是导体的垂直长度(或高度)，并且a是半径(以mks为单位)。与螺旋线圈一样，垂直馈送线导体的行进波相位延迟可由下式给出：

其中，β_w是垂直馈送线导体的传播相位常数，h_w是垂直馈送线导体的垂直长度(或高度)，V_w是线上的速度因子，λ₀是供应频率下的波长，并且λ_w是由速度因子V_w产生的传播波长。对于均匀的圆柱形导体，速度因子是V_w≈0.94的常数，或者在约0.93至约0.98的范围内。如果天线杆(mast)被认为是均匀的传输线，则其平均特性阻抗可以近似为：

其中，对于均匀的圆柱形导体，V_w≈0.94，并且a是导体的半径。已经在业余无线电文献中被使用的用于单线馈送线的特性阻抗的替代表达式可以由下式给出：

等式(51)意味着单线馈送线的Z_w随频率而变化。相位延迟可以基于电容和特性阻抗来确定。

如图3所示，在电荷端子T₁位于有损传导介质203以上的情况下，可以调整馈送网络209，以利用使复合有效高度(h_eff)的相移(Φ)等于汉克尔交叉距离处的波倾斜角(Ψ)，或Φ＝Ψ，来激励电荷端子T₁。当满足该条件时，由在电荷端子T₁上振荡的电荷Q1产生的电场耦合到沿着有损传导介质203的表面行进的引导表面波导模式中。例如，如果布鲁斯特角(θ_i,B)、与垂直馈送线导体221(图7)相关联的相位延迟(θ_y)和线圈215(图7)的配置是已知的，则抽头224(图7)的位置可以被确定并且被调整，以在具有相位Φ＝Ψ的电荷端子T₁上施加振荡电荷Q₁。可以调整抽头224的位置，以将行进的表面波最大化耦合到引导表面波导模式。超过抽头224的位置的过量的线圈长度可被去除以减小电容效应。垂直线高度和/或螺旋线圈的几何参数也可以改变。

在有损传导介质203的表面上到引导表面波导模式的耦合可以通过调谐引导表面波导探头200用于相对于与电荷端子T₁上的电荷Q₁相关联的复数镜像平面进行驻波共振来改善和/或优化。通过这样做，可以针对电荷端子T₁上的增加的和/或最大的电压(并且因此电荷Q1)来调整引导表面波导探头200的性能。重新参考图3，可以使用镜像理论分析来检查区域1中的有损传导介质203的影响。

物理地，放置在理想导电平面以上的升高的电荷Q₁吸引理想导电平面上的自由电荷，其然后在升高的电荷Q₁下方的区域中“堆积”。在理想导电平面上产生的“束缚”电的分布类似于钟形曲线。升高的电荷Q₁的电势，加上在其下面的感应的“堆积”电荷的电势的叠加，迫使理想的导电平面的零等势面。可以使用镜像电荷的经典概念来获得描述理想导电平面上方的区域中的场的边界值问题解决方案，其中来自升高的电荷的场与来自理想导电平面以下的相应“镜像”电荷的场叠加。

也可以通过假设在引导表面波导探头200以下存在有效镜像电荷Q1'来针对于有损传导介质203使用这种分析。如图3所示，有效镜像电荷Q1'关于导电镜像接地平面130与电荷端子T₁上的电荷Q₁一致。然而，镜像电荷Q1'不仅处于某个真实深度并且与电荷端子T₁上的主电源电荷Q₁180°异相位，如它们将处于理想的导体的情况。而是，有损传导介质203(例如，陆地介质)呈现相移镜像。也就是说，镜像电荷Q1'处于有损传导介质203的表面(或物理边界)下方的复数深度处。对于复数镜像深度的讨论，可以参考Wait,J.R.,“ComplexImage Theory—Revisited,”IEEE Antennas and Propagation Magazine,Vol.33,No.4,1991年8月,第27-29页，其全部内容通过引用并入本文。

代替在等于电荷Q₁的物理高度(H₁)的深度处的镜像电荷Q₁'，导电镜像地平面130(表示理想导体)位于复数深度z＝-d/2并且镜像电荷Q1'出现在由-D₁＝-(d/2+d/2+H₁)≠H₁给出的复数深度(即，“深度”具有幅度和相位)。对于地球上的垂直极化源，

其中，如等式(12)所示，

反过来，镜像电荷的复数间距意味着外场将会遇到当界面是电介质或理想导体时不会遇到的额外相移。在有损传导介质中，波前法线z＝-d/2处而不是在区域1和2之间的边界界面处平行于导电镜像接地平面130的切线。

考虑图8A所图示的情况，其中，有损传导介质203是具有物理边界136的有限传导地球133。有限传导地球133可以由如图8B所示的理想传导镜像地平面139代替，其位于在物理边界136下方的复数深度z₁。当向下看物理边界136处的界面时，该等效表示展现相同的阻抗。图8B的等效表示可以被建模为等效传输线，如图8C所示。等效结构的横截面表示为(z方向)端负载传输线，其中理想传导镜像平面的阻抗为短路(z_s＝0)。深度z₁可以通过将俯视地球的TEM波阻抗等同于观察图8C的传输线看到的镜像地平面阻抗z_in来确定。

在图8A的情况下，上部区域(空气)142中的传播常数和波固有阻抗是：

在有损地球133中，传播常数和波固有阻抗是：

对于正交入射，图8B的等效表示等同于TEM传输线，其特性阻抗是空气的特性阻抗(z₀)，其传播常数为γ_o，其长度为z₁。这样，在图8C的短路传输线的界面处看到的镜像地平面阻抗z_in由下式给出：

Z_in＝Z_otanh(γ_oz₁) (59)

令与图8C的等效模型相关联的镜像地平面阻抗z_in与图8A的正交入射波阻抗相等并求解z₁，给出到短路(理想导电镜像地平面139)的距离为：

其中，只有反向双曲正切的级数展开的第一项被考虑用于该近似。注意，在空气区域142中，传播常数是γ_o＝jβ_o，所以Z_in＝jZ_otanβ_oz₁(其对于实数z₁是完全虚数量)，但是如果σ≠0，则z_e是复合值。因此，只有当z₁是复数距离时，Z_in＝Z_e。

由于图8B的等效表示包括理想传导镜像地平面139，所以位于地球表面(物理边界136)处的电荷或电流的镜像深度等于镜像地平面139的另一侧上的距离z₁，或在地球表面(位于z＝0)之下的d＝2×z₁。因此，到理想传导镜像地平面139的距离可以近似为：

另外，“镜像电荷”将与真实电荷“相等且相反”，因此在深度z₁＝-d/2处的理想传导镜像地平面层139的电势将为零。

如图3所示，如果电荷Q₁在地球表面的上方被升高了距离H₁，则镜像电荷Q₁'驻留在该表面下方的复数距离D₁＝d+H₁处，或者在镜像地平面下方的复数距离d/2+H₁处。图7的引导表面波导探头200b可以建模为等效单线传输线镜像平面模型，其可以基于图8B的理想传导镜像地平面139。图9A示出等效单线传输线镜像平面模型的示例，以及图9B图示包括图8C的短路传输线的等效传统传输线模型的示例。

在图9A和9B的等效镜像平面模型中，Φ＝θ_y+θ_c是参考地球133(或有损传导介质203)的引导表面波导探头200的行进波相位延迟，θ_c＝β_pH是以度表示的物理长度H的线圈215(图7)的电长度，θ_y＝β_wh_w是以度表示的物理长度h_w的垂直馈送线导体221(图7)的电长度，并且θ_d＝β_od/2是镜像地平面139和地球133(或有损传导介质203)的物理边界136之间的相移。在图9A和9B的示例中，Z_w是升高的垂直馈送线导体221的特性阻抗，单位为欧姆，Z_c是线圈215的特性阻抗，单位为欧姆，并且Z_O是自由空间的特性阻抗。

在引导表面波导探头200的基部处，“向上看”到该结构中所看到阻抗是Z_↑＝Z_base。负载阻抗为：

其中C_T是电荷端子T₁的自电容，“向上看”到垂直馈送线导体221(图7)中所观察到的阻抗由下式给出：

“向上看”到线圈215(图7)所观察到的阻抗由下式给出：

在引导表面波导探头200的基部处，“向下看”到有损传导介质203中所观察到的阻抗是Z_↓＝Z_in,，其由下式给出：

其中，Z_s＝0。

忽略损失，当在物理边界136处Z_↓+Z_↑＝0时，等效镜像平面模型可以被调谐到共振。或者，在低损失情况下，在物理边界136处X_↓+X_↑＝0，其中X是相应的电抗分量。因此，“向上看”到引导表面波导探头200的在物理边界136处的阻抗是“向下看”到有损导电介质203的在物理边界136处的阻抗的共轭。通过调整电荷端子T₁的负载阻抗Z_L同时保持行进波相位延迟Φ等于介质的波倾斜角Ψ，使得Φ＝Ψ，其改善和/或最大化探头的电场沿着有损传导介质203(例如地球)的表面到引导表面波导模式的耦合，图9A和9B的等效镜像平面模型可以相对于镜像地平面139被调谐到共振。以这种方式，等效复数镜像平面模型的阻抗是纯电阻，其在探头结构上保持叠加的驻波，以使端子T₁上的电压和升高的电荷最大化，并且通过等式(1)-(3)和(16)使传播表面波最大化。

从汉克尔解来看，由引导波面探头200激励的引导表面波是向外传播的行进波。在引导表面波导探头200(图3和7)的电荷端子T₁和地桩218之间沿着馈送网络209的源分布实际上由该结构上的行进波和驻波的叠加组成。在电荷端子T₁位于物理高度h_p处或位于物理高度h_p的上方的情况下，通过馈送网络209移动的行进波的相位延迟和与有损传导介质203相关联的波倾斜角匹配。该模式匹配允许沿着有损传导介质203发射行进波。一旦针对行进波建立了相位延迟，就调整电荷端子T₁的负载阻抗Z_L以使探头结构相对于镜像地平面(图3的130或图8的139)进入驻波共振，其处于复数深度-d/2。在那种情况下，从镜像地平面看到的阻抗具有零电抗并且电荷端子T₁上的电荷被最大化。

行进波现象与驻波现象的区别在于：(1)长度为d的传输线(有时称为“延迟线”)段上的行进波的相位延迟(θ＝βd)是由于传播时间延迟；而(2)驻波的位置依赖相位(由正向和反向传播波组成)取决于线长度传播时间延迟和不同特性阻抗的线段之间界面处的阻抗变换这两者。除了由于正弦稳态下操作的传输线段的物理长度而产生的相位延迟之外，存在由于比率Z_oa/Z_ob导致的阻抗不连续处的额外反射系数相位，其中Z_oa和Z_ob是传输线的两段的特性阻抗，诸如特性阻抗Z_oa＝Z_c的螺旋线圈部分(图9B)和特性阻抗Z_ob＝Z_w的垂直馈送线的直线段(图9B)。

作为这种现象的结果，可以使用具有差异很大的特性阻抗的两个相对较短的传输线段来提供非常大的相移。例如，可以制造由传输线的两段构成的探头结构，其中一个是低阻抗和一个高阻抗，总共物理长度例如为0.05λ，以便提供相当于0.25λ共振的90°的相移。这是由于特性阻抗的大幅跳跃。以这种方式，物理上短的探头结构可以电气地长于组合的两个物理长度。这在图9A和9B中图示，其中阻抗比率中的不连续性提供相位的大幅跳跃。阻抗不连续性在各段连接在一起的情况下提供了实质性的相移。

参照图10，所示的是流程图150，其图示了调整引导表面波导探头200(图3和图7)以与有损导电介质的表面上的引导表面波导模式基本模式匹配的示例，其沿着有损传导介质203(图3)的表面发射引导表面行进波。从153开始，引导表面波导探头200的电荷端子T₁被放置在有损传导介质203上方限定的高度处。利用有损传导介质203的特性和引导表面波导探头200的操作频率，也可以通过使对于-jγρ的等式(20b)和(21)的幅度相等并且如图4所示求解R_x来求出汉克尔交叉距离。可以使用等式(41)来确定复折射率(n)，然后可以根据等式(42)确定复数布鲁斯特角(θ_i,B)。然后可以根据等式(44)确定电荷端子T₁的物理高度(h_p)。电荷端子T₁应该位于或高于物理高度(h_p)以激励汉克尔函数的远离分量。当发射表面波时，最初会考虑这种高度关系。为了减小或最小化电荷端子T₁上的束缚电荷，该高度应该是电荷端子T₁的球形直径(或等效球直径)的至少四倍。

在156处，电荷端子T₁上的升高的电荷Q₁的电相位延迟Φ与复数波倾斜角Ψ匹配。可以调整螺旋线圈的相位延迟(θ_c)和/或垂直馈送线导体的相位延迟(θ_y)，以使Φ等于波倾斜(W)角(Ψ)。基于等式(31)，波倾斜角(Ψ)可以根据下式确定：

然后电相位Φ可以与波倾斜角匹配。当发射表面波时，下一步考虑这种角度(或相位)关系。例如，可以通过改变线圈215(图7)的几何参数和/或垂直馈送线导体221(图7)的长度(或高度)来调整电相位延迟Φ＝θ_c+θ_y。通过匹配Φ＝Ψ，可以在边界界面处以复数布鲁斯特角在汉克尔交叉距离(R_x)或超出汉克尔交叉距离(R_x)处建立电场，以激励表面波导模式并且沿着有损传导介质203发射行进波。

接下来在159处，调谐电荷端子T₁的负载阻抗以共振引导表面波导探头200的等效镜像平面模型。图9A和9B的传导镜像地平面139(或图3的130)的深度(d/2)可以使用等式(52)、(53)和(54)以及可以测量的有损传导介质(例如，地球)203的值来确定。使用该深度，可以使用θ_d＝β_od/2来确定镜像地平面139与有损传导介质203的物理边界136之间的相移(θ_d)。然后可以使用等式(65)确定“向下看”到有损传导介质203所观察到的阻抗(Z_in)。这种共振关系可以被认为是最大化发射的表面波。

基于线圈215的调整参数和垂直馈送线导体221的长度，线圈215和垂直馈送线导体221的速度因子、相位延迟和阻抗可以使用等式(45)至(51)来确定。另外，可以使用例如等式(24)来确定电荷端子T₁的自电容(C_T)。可以使用等式(35)来确定线圈215的传播因子(β_p)，并且可以使用等式(49)来确定垂直馈送线导体221的传播相位常数(β_w)。使用自电容和线圈215和垂直馈送线导体221的所确定的值，可以使用等式(62)、(63)和(64)来确定如“向上看”线圈215所观察到的引导表面波导探头200的阻抗(Z_base)。

可以通过调整负载阻抗Z_L使得引导表面波导探头200的等效镜像平面模型被调谐为共振，使得Z_base的电抗分量X_base抵消Z_in的电抗分量X_in或X_base+X_in＝0。因此，“向上看”到引导表面波导探头200的在物理边界136处的阻抗是“向下看”到有损传导介质203的在物理边界处的阻抗的共轭。可以通过改变电荷端子T₁的电容(C_T)而不改变电荷端子T₁的电相位延迟Φ＝θ_c+θ_y来调整负载阻抗Z_L。可以采取迭代方法来调谐负载阻抗Z_L用于相对于传导镜像地平面139(或130)等效镜像平面模型的共振。以这种方式，可以改善和/或最大化电场到沿着有损传导介质203(例如地球)的表面到引导表面波导模式的耦合。

通过用数值示例说明情况可以更好地理解这一点。考虑引导表面波导探头200，其包括顶部具有电荷端子T₁、物理高度h_p的顶部负载的垂直桩，其中通过在1.85MHz的操作频率(f_o)下的螺旋线圈和垂直馈线路激励电荷端子T₁。对于16英尺的高度(H₁)和具有ε_r＝15的相对介电常数和σ₁＝0.010mhos/m的传导率的有损传导介质203(例如，地球)，可以计算针对f_o＝1.850MHz的多个表面波传播参数。在这些条件下，汉克尔交叉距离可以被求出为R_x＝54.5英尺且物理高度h_p＝5.5英尺，其远低于电荷端子T₁的实际高度。尽管可以使用H₁＝5.5英尺的电荷端子高度，但较高的探头结构减小了束缚电容，允许电荷端子T₁上的更大百分比的自由电荷，提供了更大的场强度和行进波的激励。

波长可以确定为：

其中，c是光速。复数折射率是：

根据等式(41)，其中x＝σ₁/ωε_o，且ω＝2πf_o，根据等式(42)，复数布鲁斯特角为：

使用等式(66)，波倾斜值可以被确定为：

因此，可以调整螺旋线圈以匹配Φ＝Ψ＝40.614°。

垂直馈送线导体(近似为直径为0.27英寸的均匀圆柱形导体)的速度因子可以给出为V_w≈0.93。由于h_p＜＜λ_o，所以垂直馈送线导体的传播相位常数可近似为：

根据公式(49)，垂直馈送线导体的相位延迟为：

θ_y＝β_wh_w≈β_wh_p＝11.640° (72)

通过调整螺旋线圈的相位延迟使得θ_c＝28.974°＝40.614°-11.640°，Φ将等于Ψ以匹配引导表面波导模式。为了说明Φ和Ψ之间的关系，图11示出了频率范围上方的两者的图。由于Φ和Ψ都与频率有关，所以，可以看出它们各自的曲线在大约1.85MHz处相互交叉。

对于具有0.0881英寸的导体直径、30英寸的线圈直径(D)和4英寸的匝间距(s)的螺旋线圈，可以使用等式(45)确定线圈的速度因子为：

并且根据等式(35)，传播因子是：

在θ_c＝28.974°的情况下，可以使用等式(46)确定螺线管螺旋的轴向长度(H)，使得：

这个高度确定了螺旋线圈上连接垂直馈送线导体的位置，导致具有8.818匝(N＝H/S)的线圈。

在线圈和垂直馈送线导体的行进波相位延迟被调整为与波倾斜角度匹配(Φ＝θ_c+θ_y＝Ψ)的情况下，可以调整电荷端子T₁的负载阻抗(Z_L)以用于引导表面波探头200的等效镜像平面模型的驻波共振。根据所测量的地球的介电常数、传导率和磁导率，可以使用等式(57)确定径向传播常数：

并且传导镜像接地平面的复数深度可以根据等式(52)近似为：

其中，传导镜像地平面和地球的物理边界之间的对应的相移由下式给出：

θ_d＝β_o(d/2)＝4.015-j4.73° (78)

使用等式(65)，“向下看”到有损传导介质203(即，地球)所观察到的阻抗可以被确定为：

通过将“向下看”到有损传导介质203所观察到的电抗分量(X_in)与“向上看”到引导表面波探头200所观察到的电抗分量(X_base)进行匹配，可以最大化到引导表面波导模式的耦合。这可以通过调整电荷端子T₁的电容而不改变线圈和垂直馈送线导体的行进波相位延迟来实现。例如，通过将电荷端子电容(C_T)调整到61.8126pF，根据等式(62)，负载阻抗为：

并且，边界处的电抗分量相匹配。

使用公式(51)，垂直馈送线导体(具有0.27英寸的直径(2a))的阻抗由下式给出：

并且“向上看”到垂直馈送线导体所观察的的阻抗由等式(63)给出为：

使用公式(47)，螺旋线圈的特性阻抗由下式给出为：

并且在基部处“向上看”到线圈所观察到的的阻抗由等式(64)给出为：

当与等式(79)的解相比时，可以看出，电抗分量是相反的并且近似相等，并且因此，是彼此的共轭。因此，从理想传导镜像地平面“向上看”到图9A和图9B中的等效镜像平面模型所观察到的阻抗(Z_ip)仅为电阻性的或Z_ip＝R+j0。

当通过将馈送网络的行进波相位延迟与波倾斜的角度相匹配来建立由引导表面波导探头200(图3)产生的电场并且探头结构相对于理想传导镜像接地平面在复数深度z＝-d/2共振时，这些场与有损传导介质表面上的引导表面波导基本上模式匹配，沿着有损传导介质的表面发射引导表面行进波。如图1所示，引导电磁场的引导场强曲线103具有特性指数衰减并且在对数-对数坐标上表现出区别的拐点109。

总之，无论在分析上还是在实验上，在引导表面波导探头200的结构上的行进波分量在其上端都具有与表面行进波的波倾斜角(Ψ)相匹配的相位延迟(Φ)(Φ＝Ψ)。在这种情况下，表面波导可被认为是“模式匹配”。此外，引导表面波导探头200的结构上的共振驻波分量在电荷端子T₁处具有V_MAX，并且在镜像平面139(图8B)下具有V_MIN，其中在复数深度z＝-d/2处，而不是在有损传导介质203(图8B)的物理边界136处的连接处，Z_ip＝R_ip+j0。最后，电荷端子T₁具有图3的足够高度H₁，使得以复数布鲁斯特角入射到有损传导介质203上的电磁波在距离(≥R_x)处出射(out)，其中项占主导。接收电路可以与一个或多个引导表面波导探头一起使用以促进无线传输和/或功率传递系统。

重新参考图3，可以控制引导表面波导探头200的操作，以调整与引导表面波导探头200相关联的操作条件的变化。例如，自适应探头控制系统230可以用于控制馈送网络209和/或电荷端子T₁以控制引导表面波导探头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(例如，传导率σ和相对介电常数ε_r)的变化、引导表面波导探头200的场强变化和/或负载变化。从等式(31)、(41)和(42)可以看出，折射率(n)、复数布鲁斯特角(θ_i,B)和波倾斜(|W|e^jΨ)可以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。

诸如例如传导率测量探头、介电常数传感器、地面参数仪表、场仪表、电流监测器和/或负载接收器的设备可以用于监测操作条件的变化并且将关于当前操作条件的信息提供给自适应探头控制系统230。然后，探头控制系统230可以对引导表面波导探头200进行一个或多个调整，以维持对于引导表面波导探头200的指定操作条件。例如，当湿度和温度变化时，土壤的传导率也会变化。传导率测量探头和/或介电常数传感器可以被置于传导表面波导探头200周围的多个位置处。通常，希望监测汉克尔交叉距离R_x处或汉克尔交叉距离R_x周围的对于操作频率的传导率和/或介电常数。传导率测量探头和/或介电常数传感器可以被置于引导表面波导探头200周围的多个位置处(例如，在每个象限中)。

传导率测量探头和/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，并将信息通信给探头控制系统230。信息可以通过网络被通信到探头控制系统230，该网络诸如但不限于LAN、WLAN、蜂窝网络或其他适当的有线或无线通信网络。基于监测的传导率和/或介电常数，探头控制系统230可以评估折射率(n)、复数布鲁斯特角角(θ_i,B)和/或波倾斜(|W|e^jΨ)的变化并且调整引导表面波导探头200以保持馈送网络209的相位延迟(Φ)等于波倾斜角(Ψ)和/或维持引导表面波导探头200的等效镜像平面模型的共振。这可以通过调整例如θ_y、θ_c和/或C_T来实现。例如，探头控制系统230可以调整电荷端子T₁的电荷端子T₁的自电容和/或施加到电荷端子T₁的相位延迟(θ_y,θ_c)，以将引导表面波的电发射效率保持在或接近其最大值。例如，可以通过改变端子的大小来改变电荷端子T₁的自电容。也可以通过增加电荷端子T₁的大小来改善电荷分布，这可以降低从电荷端子T₁放电的机会。在其他实施例中，电荷端子T₁可以包括可以被调整以改变负载阻抗Z_L的可变电感。可以通过改变线圈215(图7)上的抽头位置和/或通过包括沿着线圈215的多个预定义的抽头并且在不同的预定义抽头位置之间切换来调整施加到电荷端子T₁的相位，从而最大化发射效率。

场或场强(FS)仪表也可以分布在引导表面波导探头200周围以测量与引导表面波相关联的场的场强。场或FS仪表可以被配置为检测场强和/或场强(例如，电场强度)的变化并且将该信息通信给探头控制系统230。该信息可以通过网络被通信到探头控制系统230，该网络诸如但不限于LAN、WLAN、蜂窝网络或其他适当的通信网络的网络来实现。当负载和/或环境条件在操作期间改变或改变时，可以调整引导表面波导探头200以维持FS仪表位置处的指定场强以确保向接收器及其供应的负载的适当的电力传输。

例如，可以调整施加到电荷端子T₁的相位延迟Φ＝θ_y+θ_c以匹配波倾斜角(Ψ)。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200以确保波倾斜对应于复数布鲁斯特角。这可以通过调整线圈215(图7)上的抽头位置来改变供应给电荷端子T₁的相位延迟。供应给电荷端子T₁的电压电平也可以增大或减小以调整电场强度。这可以通过调整激励源212的输出电压或者通过调整或重新配置馈送网络209来实现。例如，可以调整用于AC电源212的抽头227(图7)的位置以增加通过电荷端子T₁观察到的电压。在预定范围内保持场强度水平可以改善接收器的耦合、减小地电流损失、并且避免干扰来自其他导引导表面波导探头200的传输。

探头控制系统230可以用硬件、固件、由硬件执行的软件或其组合来实现。例如，探头控制系统230可以包括处理电路，该处理电路包括处理器和存储器，两者都可以耦合到本地接口，诸如例如具有伴随的控制/地址总线的数据总线，如本领域普通技术人员可以理解的。探头控制应用可以由处理器执行以基于监测到的条件来调整引导表面波导探头200的操作。探头控制系统230还可以包括用于与各种监测设备通信的一个或多个网络接口。通信可以通过网络，网络诸如但不限于LAN、WLAN、蜂窝网络或其他适当的通信网络。探头控制系统230可以包括例如，诸如服务器、台式计算机、膝上型计算机或具有相同能力的其他系统的计算机系统。

返回参考图5A的示例，示出了复数角三角学用于在汉克尔交叉距离(R_x)处具有复数布鲁斯特角(θ_i,B)的电荷端子T₁的入射电场(E)的射线光学解释。回想一下，对于有损传导介质，布鲁斯特角是复数的，并由等式(38)来指定。在电学上，几何参数通过等式(39)由电荷端子T₁的电有效高度(h_eff)相关。由于物理高度(h_p)和汉克尔交叉距离(R_x)都是实数量，因此，汉克尔交叉距离处所需的引导表面波倾斜角度(W_Rx)等于复数有效高度(h_eff)的相位(Φ)。在电荷端子T₁放置于物理高度h_p并且被具有适当相位Φ的电荷激励的情况下，所得到的电场在汉克尔交叉距离R_x处并以布鲁斯特角入射有损传导介质边界界面。在这些条件下，可以在没有反射或基本上可以忽略的反射的情况下激励引导表面波导模式。

然而，等式(39)意味着引导表面波导探头200的物理高度可以相对较小。虽然这会激励引导表面波导模式，但这会导致过大的束缚电荷而几乎没有自由电荷。为了补偿，电荷端子T₁可以升高到适当的高度以增加自由电荷的量。作为一个示例经验法则，电荷端子T₁可以被放置在电荷端子T₁的有效直径的大约4-5倍(或更多)的高度处。图6图示了将电荷端子T₁升高到图5A所示的物理高度(h_p)的上方的效果。增加的高度导致波倾斜与有损传导介质入射的距离超过汉克尔交叉点121(图5A)。为了改善引导表面波导模式下的耦合并因此提供更大的引导表面波的发射效率，可以使用较低的补偿端子T₂来调整电荷端子T₁的总有效高度(h_TE)，使得在汉克尔交叉距离处的波倾斜处于布鲁斯特角。

参考图12，所示的是引导表面波导探头200c的示例，其包括升高的电荷端子T₁和沿着垂直轴z布置的较低的补偿端子T₂，垂直轴z正交于由有损传导介质203呈现的平面。在这方面，虽然可以使用两个或更多个电荷和/或补偿端子T_N的一些其他布置，但是电荷端子T₁直接设置在补偿端子T₂的上方。根据本公开的实施例，引导表面波导探头200c布置置在有损传导介质203的上方。构成区域1的有损传导介质203与构成区域2的第二介质206共享边界界面。

引导表面波导探头200c包括将激励源212耦合到电荷端子T₁和补偿端子T₂的馈送网络209。根据各种实施例，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可以被施加在相应的电荷和补偿端子T₁和T₂上。I₁是经由端子引线向电荷端子T₁馈送电荷Q₁的传导电流，并且I₂是经由端子引线向补偿端子T₂上馈送电荷Q₂的传导电流。

根据图12的实施例，电荷端子T₁以物理高度H₁被放置在有损传导介质203的上方，并且补偿端子T₂位于物理高度H₂处沿着垂直轴z直接被放置在T₁的下方，其中H₂小于H₁。传输结构的高度h可以计算为h＝H₁-H₂。电荷端子T₁具有隔离(或自身)电容C₁，并且该补偿端子T₂具有隔离(或自身)电容C₂。取决于T₁和T₂之间的距离，互电容C_M也可以存在于端子T₁和T₂之间。在操作期间，取决于在任何给定时刻施加到电荷端子T₁和补偿端子T₂的电压，电荷Q₁和Q₂被分别施加在电荷端子T₁和补偿端子T₂上。

接下来参考图13，所示的是由在图12的电荷端子T₁和补偿端子T₂上的升高的电荷Q₁产生的效应的射线光学解释。随着电荷端子T₁升高到射线与有损传导介质在大于汉克尔交叉点121的距离处以布鲁斯特角相交的高度，如线163所示，补偿终端T₂可以用于通过补偿增加的高度来调整h_TE。补偿端子T₂的效果是减小引导表面波导探头的电有效高度(或有效地升高有损介质界面)，使得在汉克尔交叉距离处的波倾斜处于布鲁斯特角处，如线166所示。

总有效高度可以被写为与电荷端子T₁相关联的上部有效高度(h_UE)和与补偿端子T₂相关联的下部有效高度(h_LE)的叠加，使得：

其中，Φ_U是施加到上部电荷端子T₁的相位延迟，Φ_L是施加到下部补偿端子T₂的相位延迟，β＝2π/λ_p是来自公式(35)的传播因子，h_p是电荷端子T₁的物理高度以及h_d是补偿端子T₂的物理高度。如果考虑额外的引线长度，则可以通过将电荷端子引线长度z与电荷端子T₁的物理高度h_p相加并将补偿端子引线长度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：

可以使用下部有效高度来将总有效高度(h_TE)调整为等于图5A的复数有效高度(h_eff)相等。

可使用等式(85)或(86)来确定补偿端子T₂的下部盘的物理高度和馈送端子的相位角，以获得汉克尔交叉距离处的期望波倾斜。例如，等式(86)可以被重写为施加到电荷端子T₁的相移，作为补偿端子高度(h_d)的函数给出：

为了确定补偿端子T₂的位置，可以利用上面讨论的关系。首先，如等式(86)所示，总有效高度(h_TE)是上部电荷端子T₁的复数有效高度(h_UE)与下部补偿端子T₂的复数有效高度(h_LE)的叠加。其次，入射角的正切可以被几何地表示为：

这等于波倾角W的定义。最后，考虑到期望的汉克尔交叉距离R_x，可以调整h_TE以使入射光线的波倾斜与汉克尔交叉点121处的复数布鲁斯特角相匹配。这可以通过调整h_p、Φ_U和/或h_d来实现。

当在引导表面波导探头的示例的背景下讨论时，可以更好地理解这些概念。参照图14，所示的是包括上部电荷端子T₁(例如，高度h_T处的球体)和下部补偿端子T₂(例如，高度h_d处的盘)的引导表面波导探头200d的示例的图形表示，上部电荷端子T₁和下部补偿端子T₂沿垂直线z被放置，该垂直线z基本上正交于由有损传导介质203呈现的平面。在操作期间，取决于在任何给定的时刻施加到终端T₁和T₂的电压，电荷Q₁和Q₂分别地被施加在电荷端子T₁和补偿端子T₂上。

AC电源212充当电荷端子T₁的激励源，其通过包括线圈215(诸如，例如螺旋线圈)的馈送网络209耦合到引导表面波导探头200d。如图14所示，AC源212可以通过抽头227跨接线圈215的下部，或者可以通过主线圈与线圈215电感耦合。线圈215可以耦合到第一端处的地桩218和第二端处的电荷端子T₁。在一些实施方式中，可以使用线圈215的第二端处的抽头224来调整到电荷端子T₁的连接。补偿端子T₂被放置于有损传导介质203(例如地面或地球)之上并基本上平行于该有损传导介质203，并且通过耦合到线圈215的抽头233被致能。位于线圈215和地桩218之间的电流表236可以用于提供引导表面波导探头的基部处的电流流量(I₀)的幅度的指示。可替换地，可以在耦合到地桩218的导体周围使用电流钳，以获得电流流量(I₀)的幅度的指示。

在图14的示例中，线圈215经由垂直馈送线导体221耦合到第一端处的地桩218和第二端处的电荷端子T₁。在一些实施方式中，到电荷端子T₁的连接可以使用如图14所示的线圈215第二端的抽头224进行调整。线圈215可以由AC电源212通过线圈215下部的抽头227以操作频率被致能。在其他实施方式中，AC源212可以通过主线圈感应耦合到线圈215。补偿端子T₂通过耦合到线圈215的抽头233被致能。位于线圈215和地桩218之间的电流表236可以用于提供引导表面波导探头200d的基部处的电流的幅度的指示。可替换地，可以在耦合到地桩218的导体周围使用电流钳，以获得电流的幅度的指示。补偿端子T₂放置于有损传导介质203(例如地面)的上方并基本上平行于该有损传导介质203。

在图14的示例中，到位于线圈215上的电荷端子T₁的连接位于用于补偿端子T₂的抽头233的连接点的上方。这样的调整允许增加的电压(并且因此更高的电荷Q₁)被施加到上部电荷端子T₁。在其他实施例中，电荷端子T₁和补偿端子T₂的连接点可以颠倒。可以调整引导表面波导探头200d的总有效高度(h_TE)以激励在汉克尔交叉距离R_x处具有引导表面波倾斜的电场。也可以通过使得用于-jγρ的等式(20b)和(21)的幅度相等并且如图4所示求解R_x来求出汉克尔交叉距离。折射率(n)、复数布鲁斯特角(θ_i,B和ψ_i,B)、波倾斜(|W|e^jΨ)和复数有效高度(h_eff＝h_pe^jΦ)可以如关于上述等式(41)-(44)中所描述的来确定。

利用所选择的电荷端子T₁的配置，可以确定球形直径(或有效球形直径)。例如，如果电荷端子T₁没有被配置为球形，则端子配置可以被建模为具有有效球形直径的球形电容。可以选择电荷端子T₁的大小以为施加在端子上的电荷Q₁提供足够大的表面。通常，希望使电荷端子T₁尽可能大。电荷端子T₁的大小应该足够大以避免周围空气的电离，这可能导致电荷端子周围的放电或火花。为了减少电荷端子T₁上的束缚电荷的量，在电荷终端T₁上提供用于发射引导表面波的自由电荷的期望高度应该是有损传导电介质(例如，地球)上方的有效球形直径的至少4-5倍。补偿端子T₂可以用于调整引导表面波导探头200d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可以放置在电荷端子T₁的下方h_d＝h_T-h_p处，其中，h_T是电荷端子T₁的总物理高度。由于补偿端子T₂的位置固定并且相位延迟Φ_U被施加到上部电荷端子T₁，所以可以使用等式(86)的关系来确定施加到下部补偿端子T₂的相位延迟Φ_L，使得：

在替代的实施例中，补偿端子T₂可以放置在高度h_d处，其中Im{Φ_L}＝0。这在图15A中图形地图示出，其分别示出了Φ_U的虚部和实部的曲线172和175。补偿端子T₂被放置于高度h_d处，其中Im{Φ_U}＝0，如曲线图172中所图形地图示出的。在该固定高度处，线圈相位Φ_U可以从Re{Φ_U}确定，如曲线图175中所图形地图示出的。

在AC源212耦合到线圈215(例如，在50Ω点以最大化耦合)的情况下，可以调整抽头233的位置以使补偿端子T₂与线圈的至少一部分在操作频率下并联共振。图15B示出了图14的一般电连接的示意图，其中，V₁是从AC电源212通过抽头227施加到线圈215的下部的电压，V₂是抽224处的供应给上部电荷端子T₁的电压，以及V₃是通过抽头233施加到下部补偿端子T₂的电压。电阻R_p和R_d分别表示电荷端子T₁和补偿端子T₂的接地返回电阻。电荷端子T₁和补偿端子T₂可以被配置为球形、圆柱体、环形体、环、罩或电容性结构的任何其他组合。可以选择电荷端子T₁和补偿端子T₂的大小，以为施加在端子上的电荷Q₁和Q₂提供足够大的表面。通常，希望使电荷端子T₁尽可能大。电荷端子T₁的大小应该足够大以避免周围空气的电离，这可能导致电荷端子周围的放电或火花。例如，可以使用等式(24)来确定电荷端子T₁和补偿端子T₂的自电容C_p和C_d。

如图15B所示，共振电路由线圈215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相关联的接地返回电阻R_d形成。通过调整施加到补偿端子T₂的电压V₃(例如，通过调整线圈215上的抽头233位置)或通过调整补偿端子T₂的高度和/或大小来调整C_d，可以建立并联共振。线圈抽头233的位置可以被调整用于并联共振，这将导致通过接地桩218并通过电流表236的地电流以达到最大点。在补偿端子T₂的并联共振已经建立之后，用于AC源212的抽头227的位置可以被调整到线圈215上的50Ω点。

来自线圈215的电压V₂可以被施加到电荷端子T₁，并且可以调整抽头224的位置，使得总有效高度(h_TE)的相位(Φ)近似等于在汉克尔交叉距离(W_Rx)处的引导表面波倾斜(W_Rx)角。线圈抽头224的位置可以被调整，直到达到该操作点为止，这导致通过电流表236的地电流增加到最大值。此时，由引导表面波导探头200d激励得到的(resulant)场与有损传导介质203的表面上的引导表面波导模式基本上模式匹配，导致沿着有损传导介质203的表面发射引导表面波。这可以通过沿着从引导表面波导探头200径向延伸测量的场强来验证。

包括补偿端子T₂的电路的共振可以随着电荷端子T₁的附接和/或随着通过抽头224施加到电荷端子T₁的电压的调整而改变。当调整用于共振的补偿端子电路辅助电荷端子连接的后续调整时，不需要在汉克尔交叉距离(R_x)处建立引导表面波倾斜(W_Rx)。通过迭代地将用于AC电源212的抽头227的位置调整到线圈215上的50Ω点并且调整抽头233的位置以最大化通过电流表236的地电流，可以进一步调整系统以改善耦合。包括补偿端子T₂的电路的共振可以随着抽头227和233的位置被调整或者当其他部件被附接到线圈215时而偏移。

在其他实施方式中，来自线圈215的电压V₂可以被施加到电荷端子T₁，并且可以调整抽头233的位置，使得总有效高度(h_TE)的相位(Φ)近似等于在R_x处的引导表面波倾斜角(Ψ)。可以调整线圈分接头224的位置，直到达到操作点，导致通过电流表236的接地电流基本上达到最大值。合成场与有损的传导介质203的表面上的引导表面波导模式基本上模式匹配，并且引导表面波沿有损的传导介质203的表面发射。这可以通过测量沿着从引导表面波导探头200径向延伸的场强来验证。通过迭代地将AC电源212的分接头227的位置调整到线圈215上的50Ω点并且调整分接头233和或224的位置以最大化通过电流表236的地电流，可以进一步调整系统以改善耦合。

重新参考图12，可以控制引导表面波导探头200的操作，以调整与引导表面波导探头200相关联的操作条件的变化。例如，探头控制系统230可以用于控制馈送网络209和/或电荷端子T₁和/或补偿端子T₂的位置以控制引导表面波导探头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(例如，传导率σ和相对介电常数ε_r)的变化、场强的变化和/或引导表面波导探头200的负载的变化。从等式(41)-(44)可以看出，折射率(n)、复数布鲁斯特角(θ_i,B和ψ_i,B)、波倾斜(|W|e^jΨ)和复数有效高度(h_eff＝h_pe^jΦ)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。

诸如例如传导率测量探头、介电常数传感器、地面参数仪表、场仪表、电流监测器和/或负载接收器的设备可以用于监测操作条件的变化并向探头控制系统提供关于当前操作条件的信息。探头控制系统230然后可以对引导表面波导探头200进行一个或多个调整，以维持对于引导表面波导探头200的指定操作条件。例如，当湿度和温度的变化时，土壤的传导率也将变化。传导率测量探头和/或介电常数传感器可以被置于引导表面波导探头200周围的多个位置处。通常，希望监测汉克尔交叉距离R_x处或汉克尔交叉距离R_x周围的对于操作频率的传导率和/或介电常数。传导率测量探头和/或介电常数传感器可以被置于引导表面波导探头200周围的多个位置(例如，在每个象限中)。

接着参照图16，所示的是引导表面波导探头200e的示例，该引导表面波导探头200e包括沿垂直轴z布置的电荷端子T₁和电荷端子T₂。引导表面波导探头200e布置在构成区域1的有损传导介质203的上方。另外，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。电荷端子T₁和T₂被放置在有损传导介质203的上方。电荷端子T₁被放置在高度H₁处，并且电荷端子T₂在高度H₂处沿着垂直轴线z被直接放置在T₁的正下方，其中H₂小于H₁。由引导表面波导探头200e呈现的传输结构的高度h是h＝H₁–H₂。引导表面波导探头200e包括将激励源212耦合到电荷端子T₁和T₂的探头馈送网络209。

电荷端子T₁和/或T₂包括可以容纳(hold)电荷的传导块，其可以被调整大小以在实际可能的情况下容纳尽可能多的电荷。电荷端子T₁具有自电容C₁，并且电荷端子T₂具有自电容C₂，其可以使用例如等式(24)确定。通过将电荷端子T₁直接放置在电荷端子T₂上方，在电荷端子T₁和T₂之间形成互电容C_M。请注意，电荷端子T₁和T₂不需要相同，但是每个电荷端子可以具有单独的大小和形状，并且可以包括不同的传导材料。最终，由引导表面波导探头200e发射的引导表面波的场强与终端T₁上的电荷量成正比。由于Q₁＝C₁V，所以电荷Q₁又与与电荷端子T₁相关联的自电容C₁成比例，其中V是施加在电荷端子T₁上的电压。

当适当地调整以在预定的操作频率下操作时，引导表面波导探头200e沿着有损传导介质203的表面产生引导表面波。激励源212可以产生预定频率的电能，该电能被施加到引导表面波导探头200e以激励该结构。当由引导表面波导探头200e产生的电磁场与有损传导介质203基本上模式匹配时，电磁场基本上合成以复数布鲁斯特角入射的波前，其导致很少或没有反射。因此，表面波导探头200e不产生辐射波，而是沿着有损传导介质203的表面发射引导表面行进波。来自激励源212的能量可以作为泽内克(Zenneck)表面电流传输到位于引导表面波导探头200e的有效传输范围内的一个或多个接收器。

可以确定有损传导介质203的表面上的径向泽内克表面电流J_ρ(ρ)的渐近线为J₁(ρ)趋近和J₂(ρ)远离，其中：

趋近(ρ<λ/8):

远离(ρ>>λ/8):其中I₁是馈送给第一电荷端子T₁上的电荷Q₁的传导电流，并且I₂是馈送给第二电荷端子T₂上的电荷Q₂的传导电流。上部电荷端子T₁上的电荷Q₁由Q₁＝C₁V₁确定，其中C₁是电荷端子T₁的隔离电容。注意到，存在由给出的上述的J₁的第三分量，其根据Leontovich边界条件得出，并且是由第一电荷端子Q₁上的升高的振荡电荷的准静态电场泵送(pump)的有损传导介质203中的径向电流贡献。量Z_ρ＝jωμ_o/γ_e是有损传导介质的径向阻抗，其中，γ_e＝(jωμ₁σ₁-ω²μ₁ε₁)^1/2。

由等式(90)和(91)提出的表示径向电流趋近和远离的渐近线是复数量。根据各种实施例，合成物理表面电流J(ρ)以尽可能接近地在幅度和相位上匹配当前渐近线。也就是说，趋近|J(ρ)|与|J₁|相切，远离|J(ρ)|与|J₂|相切。而且，根据各种实施例，J(ρ)的相位应该从J₁趋近的相位过渡到J₂远离的相位。

为了匹配传输位置处的引导表面波模式以发射引导表面波，通过对应于的传播相位加上大约45度或225度的常数，表面电流|J₂|远离的相位应当与表面电流|J₁|趋近的相位不同。这是因为有两个根，一个接近π/4，而另一个接近5π/4。适当调整的合成径向表面电流是：

请注意，这与公式(17)一致。根据麦克斯韦方程，这种J(ρ)表面电流自动创建符合以下等式的场：

因此，用于要匹配的引导表面波模式的表面电流|J₂|远离和表面电流|J₁|趋近之间的相位的差异是归因于等式(93)-(95)中汉克尔函数的特性，其与等式(1)-(3)是一致的。认识到由等式(1)-(6)和(17)以及等式(92)-(95)表示的场(而不是与地波传播相关联的辐射场)具有受限于有损界面的传输线模式的本质是重要的。

为了获得用于给定位置处的引导表面波导探头200e的给定设计的适当电压幅度和相位，可以使用迭代方法。具体地，考虑端子T₁和T₂的馈送电流、电荷端子T₁和T₂上的电荷以及它们在有损传导介质203以中的镜像来执行对引导表面波导探头200e的给定的激励和配置的分析，以确定所产生的径向表面电流密度。可以迭代地执行该过程，直到基于期望的参数确定对于给定的引导表面波导探头200e的最佳配置和激励。为了辅助确定给定的引导表面波导探头200e是否以最佳水平操作，可以基于在引导表面波导探头200e的位置处的区域1的传导率(σ₁)和区域1的介电常数(ε₁)的值，用等式(1)-(12)来生成引导场强曲线103(图1)。这样的引导场强度曲线103可以提供操作的基准，使得可以将测量的场强与由引导场强曲线103指示的大小进行比较，以确定是否已经实现最佳传输。

为了达到最佳状态，可以调整与引导表面波导探头200e相关联的各种参数。可以改变以调整引导表面波导探头200e的一个参数是电荷端子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。另外，电荷端子T₁和T₂之间的距离或间隔也可以被调整。这样做时，可以最小化或另外改变互电容C_M或电荷端子T₁和T₂与有损传导介质203之间的任何束缚电容。各个电荷端子T₁和/或T₂的大小也可以被调整。通过改变电荷端子T₁和/或T₂的大小，如可以理解的，将改变各个自电容C₁和/或C₂以及互电容C_M。

另外，可以调整的另一个参数是与引导表面波导探头200e相关联的馈送网络209。其可以通过调整构成馈送网络209的电感和/或电容电抗的大小来实现。例如，在这种感应电抗包括线圈的情况下，可以调整这种线圈上的匝数。最终，可以对馈送网络209进行调整以改变馈送网络209的电长度(electrical length)，从而影响电荷端子T₁和T₂上的电压幅度和相位。

注意，通过进行各种调整而执行的传输迭代可以通过使用计算机模型或通过调整可理解的物理结构来实现。通过进行上述调整，可以产生近似于上述的等式(90)和(91)中指定的引导表面波模式的相同电流J(ρ)的对应的“趋近”表面电流J₁和“远离”表面电流J₂。这样做时，所得到的电磁场将基本上或近似地模式匹配于有损传导介质203的表面上的引导表面波模式。

尽管未在图16的示例中示出，但可以控制引导表面波导探头200e的操作以针对与引导表面波导探头200相关联的操作条件的变化进行调整。例如，图12中示出的探头控制系统230可以用于控制馈送网络209和/或电荷端子T₁和/或T₂的位置和/或大小，以控制引导表面波导探头200e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(例如，传导率σ和相对介电常数ε_r)的变化、场强的变化和/或引导表面波导探头200e的负载的变化。

现在参考图17，所示的是图16中的引导表面波导探头200e的示例，在此表示为引导表面波导探头200f。引导表面波导探头200f包括沿着垂直轴z放置的电荷端子T₁和T₂，该垂直轴z基本正交于由有损传导介质203(例如地球)呈现的平面。第二介质206位于有损传导介质203的上方。电荷端子T₁具有自电容C₁，并且电荷端子T₂具有自电容C₂。在操作期间，取决于在任何给定时刻施加到电荷端子T₁和T₂的电压，电荷Q₁和Q₂分别被施加在电荷端子T₁和T₂上。取决于T₁和T₂之间的距离，电荷端子T₁和T₂之间可存在互电容C_M。另外，取决于各个电荷端子T₁和T₂相对于有损传导介质203的高度，各个电荷端子T₁和T₂与有损传导介质203之间可以存在束缚电容。

引导表面波导探头200f包括馈送网络209，馈送网络209包括电感阻抗，电感阻抗包括线圈L_1a，线圈L_1a具有分别耦合到电荷端子T₁和T₂中的一对引线。在一个实施例中，线圈L_1a被指定为具有引导表面波导探头200f的操作频率下的波长的一半(1/2)的电长度。

尽管线圈L_1a的电长度被指定为接近操作频率下的波长的一半(1/2)，但是可以理解的是，线圈L_1a可以被指定为具有其他值的电长度。根据一个实施例，线圈L_1a具有操作频率下的波长的接近一半的电长度的事实提供了在电荷端子T₁和T₂上产生最大电压差的优点。尽管如此，当调整引导表面波导探头200f以获得引导表面波模式的最佳激励时，线圈L_1a的长度或直径可以增大或减小。线圈长度的调整可以通过位于线圈一端或两端的抽头提供。在其他实施例中，可以是这样的情况，即电感阻抗被指定为具有明显小于或大于引导表面波导探头200f的操作频率下的波长的1/2的电长度。

激励源212可以通过磁耦合耦合到馈送网络209。具体地，激励源212耦合到感应耦合到线圈L_1a的线圈L_P。这可以通过链路耦合、抽头线圈、可变电抗或如可以理解的其他耦合方法来完成。为此，如可以理解的那样，线圈L_P用作主线圈，并且线圈L_1a用作辅线圈。

为了调整引导表面波导探头200f以传输期望的引导表面波，可以相对于有损传导介质203并相对于彼此改变各个电荷端子T₁和T₂的高度。而且，电荷端子T₁和T₂的大小可以改变。另外，线圈L_1a的大小可以通过增加或消除匝数或通过改变线圈L_1a的一些其他维度(dimension)参数来改变。线圈L_1a还可以包括用于调整电长度的一个或多个抽头，如图17所示。连接到电荷端子T₁或T₂的抽头的位置也可以被调整。

接下来参考图18A、18B、18C和19，所示出的是用于在无线功率传输系统中使用表面引导波的普遍的接收电路的示例。图18A和18B-18C分别包括线性探头303和调谐共振器306。图19是根据本公开的各种实施例的磁线圈309。根据各种实施例，线性探头303、调谐共振器306和磁线圈309中的每一个都可以用于接收根据各种实施例的以在有损传导介质203的表面上的引导表面波的形式传输的功率。如上所述，在一个实施例中，有损传导介质203包括陆地介质(或地球)。

具体参考图18A，线性探头303的输出端子312处的开路端子电压取决于线性探头303的有效高度。为此，端点电压可以被计算为：

其中，E_inc是以伏特/米表示的在线性探头303上感应的入射电场的强度，dl是沿着线性探偷303的方向的积分元素，并且h_e是线性探头303的有效高度。电负载315通过阻抗匹配网络318耦合到输出端子312。

当线性探头303经受如上所述的引导表面波时，跨输出端子312产生电压，该电压可以视情况通过共轭阻抗匹配网络318施加到电负载315。为了促进到电负载315的功率流动，电负载315应如下所述的与线性探头303基本上阻抗匹配。

参考图18B，具有等于引导表面波的波倾斜的相移的地电流激励线圈306a包括在有损传导介质203的上方升高(或悬置)的电荷端子T_R。电荷端子T_R具有自电容C_R。另外，取决于有损传导介质203上方的电荷端子T_R的高度，在电荷端子T_R和有损传导介质203之间也可以存在束缚电容(未示出)。束缚电容应该优选地被尽可能地最小化，尽管这在每一种情况下都不是完全必要的。

调谐共振器306a还包括包含具有相移Φ的线圈L_R的接收器网络。线圈L_R的一端耦合到电荷端子T_R，线圈L_R的另一端耦合到有损传导介质203。接收器网络可以包括将线圈L_R耦合到电荷端子T_R的垂直供应线导体。为此，当电荷端子C_R和线圈L_R串联放置时，线圈L_R(其也可以被称为调谐共振器L_R-C_R)包括串联调整的共振器。线圈L_R的相位延迟可以通过改变电荷端子T_R的大小和/或高度，和/或调整线圈L_R的大小来调整，使得该结构的相位Φ基本上等于波倾斜角Ψ。垂直供应线的相位延迟也可以通过例如改变导体的长度来调整。

例如，由自电容C_R呈现的电抗计算为1/jωC_R。注意，结构306a的总电容还可以包括电荷端子T_R和有损传导介质203之间的电容，其中结构306a的总电容可以根据自电容C_R和任何束缚电容来计算，如可以理解的。根据一个实施例，电荷端子T_R可以被升高到一定的高度，以基本上减少或消除任何束缚电容。如先前所讨论的，可以根据电荷端子T_R和有损传导介质203之间的电容测量来确定束缚电容的存在。

由分立元件线圈L_R呈现的感抗可以计算为jωL，其中L是线圈L_R的集总元件(lumped-element)电感。如果线圈L_R是分布式元件，则其等效端点感抗可以通过常规方法确定。为了调谐结构306a，可以进行调整，使得相位延迟等于波倾斜，以便模式匹配到操作频率下的表面波导。在这种条件下，接收结构可以被认为是与表面波导“模式匹配”。围绕结构和/或阻抗匹配网络324的变压器链路可以被插入到探头和电负载327之间以便将功率耦合给负载。在探头端子321和电负载327之间插入阻抗匹配网络324可以实现用于将最大化的电力递送到电负载327的共轭匹配条件。

当存在操作频率下的表面电流时，功率将从表面引导波传递送到电负载327。为此，电负载327可以通过磁耦合、电容耦合或传导(直接抽头)耦合的方式耦合到结构306a。耦合网络的元件可以是集总组件或分布式元件，如可以理解的。

在图18B所示的实施例中，采用磁耦合，其中线圈L_S相对于用作变压器初级线圈的线圈L_R被定位为次级线圈。可以通过将线圈L_S几何地缠绕在相同的磁芯结构上并且调整耦合的磁通量而将线圈L_S链接耦合到线圈L_R。如可以理解的。另外，尽管接收结构306a包括串联调谐的共振器，但也可以使用并联调谐的共振器或者甚至是适当的相位延迟的分布式元件共振器。

尽管沉浸在电磁场中的接收结构可以耦合来自场的能量，但可以认识到，极化匹配结构通过使耦合最大化而运行得最好，并且应该观察用于探头耦合到波导模式的常规规则。例如，TE₂₀(横向电模式)波导探头对于从TE₂₀模式中激励的常规波导中提取能量可能是最佳的。类似地，在这些情况下，模式匹配和相位匹配的接收结构可以针对来自表面引导波的耦合功率进行优化。由有损传导介质203的表面上的引导表面波导探头200激发的引导表面波可以被认为是开放波导的波导模式。排除波导损失，可以完全恢复源能量。有用的接收结构可以是电场耦合，磁场耦合或表面电流激励。

基于接收结构附近的有损传导介质203的局部特性，可以调整接收结构以增加或最大化与引导表面波的耦合。为了实现这一点，可以调整接收结构的相位延迟(Φ)以匹配接收结构处的表面行进波的波倾斜角(Ψ)。如果适当地配置，则接收结构然后可以被调谐用于相对于在复数深度z＝-d/2处的理想传导镜像地平面的共振。

例如，考虑包括图18B的调谐共振器306a的接收结构，其包括线圈L_R和连接在线圈L_R与电荷端子T_R之间的垂直供应线。在电荷端子T_R放置于有损传导介质203上方的限定(defined)高度的情况下，线圈L_R和垂直供应线的总相移Φ可以与在调谐共振器306a的位置处的波倾斜角(Ψ)匹配。从等式(22)可以看出，波倾斜渐近地传递到

其中，ε_r包括相对介电常数，并且σ₁是在接收结构位置处的有损传导介质203的传导率，ε_o是自由空间的介电常数，并且ω＝2πf，其中，f是激励频率。因此，可以根据等式(97)确定波倾斜角(Ψ)。

调谐共振器306a的总相移(Φ＝θ_c+θ_y)包括通过线圈L_R的相位延迟(θ_c)和垂直供应线的相位延迟(θ_y)。沿着垂直供应线的导体长度l_w的空间相位延迟可以由θ_y＝β_wl_w给出，其中β_w是垂直供应线导体的传播相位常数。由于线圈(或螺旋延迟线)引起的相位延迟为：θ_c＝β_pl_C，其中，物理长度为l_C和传播因子为

其中，V_f是结构上的速度因子，λ₀是供应频率下的波长，以及λ_p是根据速度因子V_f产生的传播波长。可以调整相位延迟(θ_c+θ_y)中的一个或两个，以使相移Φ与波倾斜角(Ψ)匹配。例如，可以在图18B的线圈L_R上调整抽头位置以调整线圈相位延迟(θ_c)以使总相移与波倾斜角匹配(Φ＝Ψ)。例如，如图18B所示，线圈的一部分可以被抽头连接旁路。垂直供应线导体也可以经由抽头连接到线圈L_R，可以调整线圈上的抽头的位置以使总相移与波倾斜角相匹配。

一旦调整了共振器306a的相位延迟(Φ)，电荷端子T_R的阻抗然后就可以被调整，以调谐相对于在复数深度z＝-d/2处的理想传导镜像地平面的共振。这可以通过调整电荷端子T₁的电容而不改变线圈L_R和垂直供应线的行进波相位延迟来实现。这些调整与关于图9A和9B所描述的相似。

“向下看”到有损传导介质203到复数镜像平面所观察到的阻抗由下式给出：

Z_in＝R_in+jX_in＝Z_otanh(jβ_o(d/2)) (99)

其中，对于地球上的垂直极化源，复数镜像平面的深度可由下式给出：

其中，μ₁是有损传导介质203的磁导率并且ε₁＝ε_rε_o。

在调谐共振器306a的基部处，如图9A所示，“向上看”到接收结构中所观察到的的阻抗是Z_↑＝Z_base。终端阻抗为：

其中，C_R是电荷端子T_R的自电容，“向上看”到调谐共振器306a的垂直供应线导体中所观察到的阻抗由下式给出：

并且“向上看”到调谐共振器306a的线圈L_R中所看到的阻抗由下式给出：

通过将“向下看”到有损传导介质203中所观察到的电抗元件(X_in)与“向上看”到调谐共振器306a中所观察到的电抗元件(X_base)进行匹配，可以使到引导表面波导模式的耦合最大化。

接下来参考图18C，所示的是在接收结构的顶部不包括电荷端子T_R的调谐共振器306b的示例。在该实施例中，调谐共振器306b不包括耦合在线圈L_R与电荷端子T_R之间的垂直供应线。因此，调谐共振器306b的总相移(Φ)仅包括通过线圈L_R的相位延迟(θ_c)。如图18B的调谐共振器306a，线圈相位延迟θ_c可以被调整以匹配根据等式(97)确定的波倾斜角(Ψ)，其导致Φ＝Ψ。尽管在接收结构耦合到表面波导模式的情况下功率提取是可能的，但是难以调整接收结构以在没有由电荷端子T_R提供的可变电抗负载的情况下最大化与引导表面波的耦合。

参考图18D，所示的是流程图180，其图示了调整接收结构以与有损传导介质203的表面上的引导表面波导模式基本模式匹配的示例。从181开始，如果接收结构包括电荷端子T_R(例如，图18B的调谐共振器306a的电荷端子T_R)，则在184，电荷端子T_R被放置在有损传导介质203上方的限定的高度处。由于表面引导波已经由引导表面波导探头200建立，所以电荷端子T_R的物理高度(h_p)可以低于有效高度的物理高度。可以选择物理高度以减小或最小化电荷端子T_R上的束缚电荷(例如，电荷端子的球形直径的四倍)。如果接收结构不包括电荷端子T_R(例如，图18C的调谐共振器306b的电荷端子T_R)，那么流程进行到187。

在187处，接收结构的电相位延迟Φ与由有损传导介质203的局部特性定义的复数波倾斜角Ψ匹配。螺旋线圈的相位延迟(θ_c)和/或垂直供应线的相位延迟(θ_y)可被调整以使Φ等于波倾斜(W)角(Ψ)。波倾斜角(Ψ)可以由公式(86)确定。电相位Φ然后可以与波倾斜角匹配。例如，可以通过改变线圈L_R的几何参数和/或垂直供应线导体的长度(或高度)来调整电相位延迟Φ＝θ_c+θ_y。

接下来在190，电荷端子T_R的负载阻抗可以被调谐，以共振被调谐的共振器306a的等效镜像平面模型。接收结构下方的传导镜像地平面139(图9A)的深度(d/2)可以使用等式(100)以及可以在本地测量的接收结构处的有损传导介质203(例如地球)的值来确定。使用该复数深度，可以使用θ_d＝β_od/2来确定镜像地平面139与有损传导介质203的物理边界136(图9A)之间的相移(θ_d)。然后可以使用等式(99)确定“向下看”到有损传导介质203中所观察到的阻抗(Z_in)。这种共振关系可以被认为是最大化与引导表面波的耦合。

基于调整后的线圈L_R的参数和垂直供应线导体的长度，可以确定线圈L_R和垂直供应线路的速度因子、相位延迟和阻抗。另外，可以使用例如等式(24)来确定电荷端子T_R的自电容(C_R)。可以使用等式(98)确定线圈L_R的传播因子(β_p)，并且可以使用等式(49)确定垂直供应线的传播相位常数(β_w)。使用自电容和线圈L_R和垂直供应线的确定的值，可以使用等式(101)、(102)和(103)来确定“向上看”到线圈L_R中所观察到的调谐的共振器306a的阻抗(Z_base)。

图9A的等效镜像平面模型也适用于图18B的调谐的共振器306a。通过调整电荷端子T_R的负载阻抗Z_R，使得Z_base的电抗分量X_base抵消Z_in的电抗分量X_in，或者X_base+X_in＝0，可以将调谐的共振器306a调谐到相对于复数镜像平面的共振。因此，“向上看”到调谐共振器306a的线圈的在物理边界136(图9A)处的阻抗是“向下看”到有损传导介质203的在物理边界136处的阻抗的共轭。可以通过改变电荷端子T_R的电容(C_R)而不改变由电荷端子T_R看到的电相位延迟Φ＝θ_c+θ_y来调整负载阻抗Z_R。可以采取迭代方法来调谐负载阻抗Z_R以用于等效镜像平面模型相对于传导镜像地平面139的共振。以这种方式，电场沿着有损传导介质203(例如地球)的表面到引导表面波导模式的耦合可以被改进和/或最大化。

参考图19，电磁线圈309包括通过阻抗匹配网络333耦合到电负载336的接收电路。为了便于从引导表面波接收和/或提取功率，电磁线圈309可被放置成使得引导表面波的磁通量穿过磁线圈309，由此在磁线圈309中感应出电流并在其输出端子330处产生端点电压。耦合到单匝线圈的引导表面波的磁通量被表示为：

其中，是耦合磁通量，μ_r是磁线圈309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，是正交于匝的横截面的单位矢量，以及A_CS是每个回路所包围的面积。对于定向用于最大程度地耦合到在电磁线圈309的横截面上是均匀的入射磁场的N匝磁线圈309，出现在磁线圈309的输出端子330处的开路感应电压是：

其中变量在上面定义。电磁线圈309可以被调谐到引导表面波频率，或者被调谐作为分布式共振器或者与跨过其输出端子330的外部电容器一起被调谐，视情况而定可以，并且然后通过共轭阻抗匹配网络333与外部电负载336阻抗匹配。

假设由磁线圈309和电负载336呈现的结果电路经由阻抗匹配网络333被适当地调整并且共轭阻抗匹配，则然后可以采用在磁线圈309中感应的电流来最优地为电负载336供电。由磁线圈309呈现的接收电路提供了一个优点，因为它不必物理地连接到地面。

参考图18A、18B、18C和19，每个由线性探头303、模式匹配结构306和磁线圈309呈现的接收电路都有助于接收从上述引导表面波导探头200的任何一个实施例传输的功率。为此，如可以理解的，所接收的能量可以用于经由共轭匹配网络向电负载315/327/336供电。这与在接收器中可能接收到的以辐射电磁场形式发送的信号形成对比。这样的信号具有非常低的可用功率，并且这种信号的接收器不会加载发射器。

使用上述引导表面波导探头200产生的该引导表面波的特性还在于，由线性探头303、模式匹配结构306和磁线圈309呈现的接收电路将加载激励源212(例如，图3、12和16)，该激励源被施加到引导表面波导探头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引导表面波导探头200产生的引导表面波包括传顺线模式的事实。相反，驱动产生辐射电磁波的辐射天线的电源不由接收器加载，无论所使用的接收器的数量是多少。

因此，一个或多个引导表面波导探头200和以线性探头303、调谐模式匹配结构306和/或磁线圈309的形式的一个或多个接收电路一起可以组成无线分布系统。假定使用如上所述的引导表面波导探头200的传输引导表面波的距离取决于频率，则可以在跨广阔的区域甚至全局范围内实现无线功率分布。

如今广泛研究的传统的无线功率传输/分布系统包括来自辐射场的“能量收获”以及还包括耦合到感应近场或电抗近场的传感器。相反，目前的无线功率系统不会以辐射的形式浪费功率，如果不被截取的话，功率将永远损失。目前公开的无线功率系统也不像传统的互感耦合近场系统那样被限于极短的距离。本文公开的无线功率系统探头耦合到新颖的表面引导传输线模式，这相当于通过波导向负载递送功率或直接有线的(连接)到远处的功率发生器的负载。不计算维持传输场强所需的功率加上表面波导中耗散的功率，其在极低频率下，相对于传统高压电力线在60赫兹时的传输损失而言微不足道，所有的发生器功率都只能达到所需的电负载。当电负载需求终止时，源功率发生相对空闲。

接下来参考图20A-E，示出了参考下面的讨论使用的各种示意性符号的示例。具体参考图20A，示出了表示引导表面波导探头200a、200b、200c、200e、200d或200f中的任何一个的符号；或其任何变形。在下面的附图和讨论中，该符号的描述将被称为引导表面波导探头P。在下面的讨论中，为了简单起见，对引导表面波导探头P的任何参考是对引导表面波导探头200a、200b、200c、200e、200d或200f；或其变形的任何一个的参考。

类似地，参考图20B，示出了表示可以包括线性探头303(图18A)、调谐谐振器306(图18B-18C)或者电磁线圈309(图19)中的任何一个的引导表面波接收结构的符号。在下面的附图和讨论中，该符号的描述将被称为引导表面波接收结构R。在下面的讨论中，为了简单起见，对引导表面波接收结构R的任何参考是对任何线性探头303、调谐谐振器306或磁线圈309；或其变形的任何一个的参考。

进一步，参考图20C，示出了具体表示线性探头303的符号(图18A)。在下面的附图和讨论中，该符号的描述将被称为引导表面波接收结构R_P。在下面的讨论中，为了简单起见，对引导表面波接收结构R_P的任何参考是对线性探头303；或其变形的参考。

进一步，参考图20D，示出了具体表示调谐谐振器306的符号(图18B-18C)。在下面的附图和讨论中，该符号的描述将被称为引导表面波接收结构R_R。在下面的讨论中，为了简单起见，对引导表面波接收结构R_R的任何参考是对调谐共振器306或其变形的参考。

进一步，参考图20E，示出了具体表示电磁线圈309的符号(图19)。在下面的附图和讨论中，该符号的描述将被称为引导表面波接收结构R_M。在下面的讨论中，为了简单起见，对引导表面波接收结构R_M的任何参考是对电磁线圈309或其变形的参考。

存在许多将信息传送给大量接收方的通信安排。在一些这样的安排中，它以对等(即1：1)的安排从第一方发送到第二方，然后从第二方发送到第三方等等。在其他安排中，它从第一方依次发送给一系列第二方；第一方与任何特定第二方之间的通信仍然是1：1的安排。在又其他的安排中，信息从第一方同时发送给多个第二方(即1：N)。1：N安排的优点在于信息在更短的时间内传送给许多或甚至所有参与方。节省的时间随着N值的增加而增加。

一些1：N通信安排可以是单向的，仅从发送方到接收方，其中没有信息从接收方发送到发送方。这种单向安排的示例包括无线电或电视广播。其他通信安排可以是双向的，其中信息的接收方返回与信息的发送方进行通信。这种1：N双向安排的示例包括基于无线电的调度服务，诸如出租车服务，其中中央局同时向多个接收机广播。消息可以针对所有接收方(例如“请以您当前拥有的乘客人数作出响应”)或针对一部分接收方(例如“乔，在鲍尔斯街和中央大街拐角处接载乘客”)。接收方可以经由诸如手机的不同的机制回复调度服务。另一个示例是琥珀色警报或银色警报报警系统。位于特定区域高速公路沿线的信息显示器要求驾驶员监视特定车辆，并在发现该车辆时通过手机拨打监控服务。

应急通信系统是双向通信安排的另一个示例。例如，在发生自然灾害的情况下，可能会利用这些情况，因为可能迫切需要将操作中心的信息快速传播给偏远地区的大量接收者。在很多情况下，接收方是个人，诸如急救员或当地政府官员。这些接收者通常需要与运营中心通信，以报告当地最新情况、纠正或更新信息、提供状态、请求特定援助等。一些紧急情况，诸如飓风、洪水、地震、海啸等可能会损坏或破坏诸如电网等公用设施。如果通信系统依靠电网或其他公用设施，这又会阻碍或阻止运营中心与受影响区域的接收方之间的通信。

在一些位置，可能没有电网接入，或根本没有电力来源。例如，这可能是在容易受到海啸的偏远岛屿或受到地震或野火的山区的情况。缺乏适当的报警系统会使居民处于危险之中，并且缺乏通信和其他重要设备可能会阻碍随后的应对措施。在这些位置，将通信设备安装在自动报警站中可能是有益的。这样的站可能包括通信设备，以接收来自海啸或林业运营中心即将发生危机的报警；报警器，诸如警报器或喇叭，可响应收到报警而响起；传感器，用于测量诸如站内水位升高或空气质量等情况以指示该位置将会被影响或已经被影响的程度；以及通信设备，其将传感器数据报告给运营中心，以便近实时地通知他们当地的情况。但缺乏可靠电力可能会使这样的系统不切实际或不可能。

现在考虑使用引导表面波的通用混合通信系统，并且参考图21，混合通信系统400包括混合引导表面波导探测节点410和混合引导表面波接收节点420。如本文和所附权利要求中所使用的术语“混合”是指针对在节点处从消息传递机制接收的消息使用不同的消息传递机制，该消息传递机制用于从节点发送的消息。如本文和所附权利要求书中所使用的术语“节点”是指布置在特定地区或位置的一组设备，其可以是固定的(例如，安装在建筑物中)，或可移动的(例如，安装在汽车中，或作为便携式或手持式设备运输)。如本文和所附权利要求中所使用的术语“消息”是指模拟或数字数据，其可以表示用于自动化设备的文本、图像、音频、视频、控制数据、来自自动化设备的传感器数据中的一个或多个，或者其他类型的信息。

如之前参考图20A所描述的，混合引导表面波导探测节点410包括导波面波导探头P 412。第一消息嵌入在由引导表面波导探头P 412生成并且从引导表面波导探头P 412沿方向403通过陆地介质404向外发射的引导表面波402中。

混合引导表面波导探测节点410进一步包括通信接收机414。通信接收机414被配置为接收从接收第一消息的引导表面波接收节点420发送的第二消息。第二条消息经由第一条消息中的不同消息传递机制传送。如本文和所附权利要求中所使用的术语“消息传递机制”是指操作用于发送或接收消息的电子组件的特定方式。不同的消息机制可以是其中第二消息未被嵌入在引导表面波中的机制。第二消息通过通信介质406经由路径407从通信发射机424传输到通信接收机414。

如之前参考图20B所描述的，混合引导表面波接收节点420包括引导表面波接收结构R 422。引导表面波接收结构R 422被配置为从沿着陆地介质404传播的引导表面波402获得电能。当电负载耦合到引导表面波接收结构R 422时，电负载作为在节点410中的引导表面波导探头P 412的激励源处的负载。引导表面波接收节点420从引导表面波402提取第一消息。来自节点420的第二消息的传输可以响应在节点420处的第一消息的接收。另外，第二消息的内容可以响应于第一消息的内容。在一些示例中，引导表面波接收节点420处的用户分析提取的第一消息并确定第二消息的内容。在其他示例中，节点420是自动的，并且节点420内的逻辑确定第二消息的内容，其可以包括从节点420处的其他自动化设备自动获得的信息。

在一些示例中，来自引导表面波导探测节点410的第一消息的发送和/或内容可以响应于节点410处的第二消息的接收。

在一些示例中，通信接收机414和通信发射机424每个都可以是收发机的一部分，其中可以通过通信介质406从接收节点420A向探测节点410A以相反方向传送附加消息。

通信接收机414和通信发射机424的类型和/或特性可以确定通信介质406或者可以由通信介质406确定。现在考虑一个混合通信系统400A的示例，并且参考图22A，系统400A分别利用电话和/或电话调制解调器414A、424A作为引导表面波导探测节点410A和引导表面波接收节点420A处的通信接收机和通信发射机。电话可以用于语音通信，以及用于数据通信的调制解调器。系统400A使用电话网络406A作为通信介质。网络406A可以是公共或私人的；直接连接或交换连接；和有线和/或无线。有线连接可以使用导电线和/或光导纤维。在一些示例中，电话和/或电话调制解调器414A、424A是收发机，并且可以通过电话网络406A从接收节点420A向探测节点410A以相反方向传送附加消息。

现在考虑混合通信系统400B的另一的示例，并且参考图22B，系统410B利用因特网端口414B、424B作为引导表面波导探测节点410B处的通信接收机和引导表面波接收节点420B处的通信发射机。系统410B使用计算机网络406B作为通信介质。在一个示例中，网络406B是因特网。网络406B可以是或可以包括一些专用段，诸如防火墙后面的局域网、VPN和/或其他专用段。该消息可以包括至少一个数据分组。该消息可以通过计算机网络406B以各种方式通信，诸如例如经由电子邮件、聊天、流式传输、HTTP和其他方式。在一些示例中，因特网端口414B、424B是收发机，并且可以通过计算机网络406B从接收节点420A向探测节点410A以相反方向传送附加消息。

现在考虑混合通信系统400C、400D的其他示例，并且参考图22C-22D，系统400C、400D每个利用各自的射频(RF)接收机414C、414D作为引导表面波接收节点420C、420D处的通信接收机和各自的RF发射机424C、424D作为引导表面波导探测节点410C、410D处的通信发射机。系统400C、400D在陆地介质404上方传输消息作为来自辐射电磁场的辐射电能。该消息可以包括一个或多个不同的传输。在一个示例中，携带消息的RF通信信号的频率通常在3kHz和300GHz之间。该频率范围包括无线电(3kHz至300MHz)、微波(300MHz至300GHz)、蜂窝(800MHz至1900MHz)和卫星(1.4GHzL频带，2.3GHz S频带)传输以及其他RF类型。

在一些情况下，并且参考图22C，RF传输可以被广播。这种传输可以由处于来自发射机的RF信号传播范围内的任何适当调谐和配置的接收机以足够的信号强度来接收。在一些情况下，相对较低的RF频率被用于广播传输。通信介质406C可以是大气和/或电离层。RF发射机424C电耦合到辐射RF能量428C的发射机天线426C，并且RF接收机414C电耦合到接收机天线416C，接收机天线416C在天线416C处接收辐射RF能量428C的部分430D。天线426C、426D可以被构造为分别以传输频率最优地发射和接收RF信号，并且可以具有方向性或者是全向的。

在其他情况下，并且参考图22D，一些RF传输是点对点通信427D。RF发射机424D电耦合到定向辐射RF能量427D的定向发射机天线426D，并且RF接收机414D电耦合到在RF能量427D的方向上对齐的定向接收机天线416D以捕获RF能量427D。具有固有视线传输特性的相对较高的RF频率可用于一些点对点通信427D。

在一个示例中，通信介质406D可以是大气。在另一个示例中，通信介质406D可以包括作为中介的太空中的卫星430D。在这个示例中，发射机天线426D和接收机天线416D朝向卫星430D，卫星430D通常具有相对于地球的对地静止位置。RF发射机424D使用天线426D将RF信号432D传输到接收信号432D的卫星430D。卫星430D又向接收机414D的天线416D发送RF信号434D。卫星430D可以反射、重复、提升和/或以其他方式处理RF信号432D以生成RF信号434D。

现在考虑混合通信系统400E的另一个示例，并且参考图22E，系统400E利用光发射机424E作为引导表面波接收节点420E处的通信发射机，以及光接收机414E作为引导表面波导探测节点410E处的通信接收机。系统400E将该消息作为光波传输。光波可以是或包括红外线、可见光或紫外线。光发射机424E的光源426E可以生成相干或非相干光。光发射机424E的光源426E可以是激光器、LED(包括高强度LED)或其他类型的光源。光接收机414E的光传感器416E可以是光电二极管、感光器或另一种类型的光传感器。

在一些示例中，光传输是点对点通信427E。通信传输可以是使用光纤作为通信介质406E的有线传输。通信传输也可以是使用大气和/或空间406E作为通信介质的无线传输。相干光的使用在长距离无线传输中可能是有利的，并且可以变得非常窄，使得在大气或空间406E中的传输的截取困难。在空间的情况下，通信介质406E可以包括作为中介的卫星430E。光源426E和光传感器416E朝向卫星430E的方向，卫星430E通常具有相对于地球的对地静止位置。光发射机424E将光信号432E传输到接收信号432E的卫星430E。卫星430E又向接收机414E的光传感器416E发送光信号434E。卫星430E可以反射、重复、提升和/或以其他方式处理光学信号432E以生成光学信号434E。

现在考虑混合通信系统400F的另一示例，并且参考图22F，在引导表面波接收节点420F处，系统400F具有通信发射机424F，其包括引导表面波负载调制器440。引导表面波导探测节点410F具有通信接收机414F，其包括引导表面波负载传感器442。通信介质是陆地介质404。

引导表面波负载调制器440调制耦合到引导表面波接收结构R 422的电负载，该引导表面波接收结构R 422从沿着陆地介质404传播的引导表面波402获得电能。在一个示例中，电负载在两个二进制负载水平之间的特定数字模式中被调制。该数字模式至少部分地对应于将由引导表面波接收节点420F传输到引导表面波导探测节点410F的消息。

探测节点410处的引导表面波导探头P 412经历施加于接收结构R 422的调制电负载作为耦合至引导表面波导探头P 412的激励源处的相应调制负载。负载传感器442感测或测量引导表面波导探头P 412处的电负载。在一个示例中，负载传感器442测量探头P 412的接地连接448处的电流，其中电流以对应于在引导表面波接收节点420F处的电负载的调制的方式被调制。在另一个示例中，负载传感器442测量场强或另一个特性。负载传感器442的输出由滤波器444处理，并且滤波器444的输出由消息解码器446处理，消息解码器446在探测节点410F处提取和/或重建从接收节点420F发送的消息。

尽管已经参考图22A-22F讨论了混合通信系统410的若干具体示例410A-410F，本公开不限于这些具体示例。相同和/或不同类型的多个通信发射机424可以布置在接收节点420中，和/或相同和/或不同类型的多个通信接收机414可以布置在探测节点410中。可以使用相同和/或不同类型的不同发射机424和接收机414传送不同消息或各个消息的不同部分，和/或可以在不同时间使用或并行使用。一些通信介质406可以包括多于一种类型的通信介质406A-406F，并且不同类型的信号可以用于在从发射机424到接收机414的消息传送的不同段中携带消息。

现在更详细地考虑混合引导表面波导探测节点，并且参考图23A，混合引导表面波导探测节点500可以是探测节点410、410A-F(图21、22A-22F)中的任何一个。探测节点500可以使用至少一个通信接收机520接收从与探测节点500间隔开的引导表面波接收节点发送的消息522，并且以适当的格式(例如，文本、音频、图像、视频、数字数据等)输出接收到的消息524。接收到的消息524可以经由适当的用户接口设备(未示出)呈现给用户，或者可以在探测节点500处被传送给其他自动化设备。通信接收机520可以是通信接收机414、414A-F(图21、22A-22F)中的任何一个。在一些示例中，通信接收机520包括冲突解析器526。冲突解析器526可以检测来自两个或更多个不同通信发射机的消息以冲突方式被同时接收的情况。在一些示例中，冲突解析器526可以区分这些消息，或者选择它们中的一个用于接收。在其他示例中，冲突解析器526可以向一个或多个通信发射机通知不可解决的传输冲突。冲突解析器526的实现和操作可以取决于通信接收机520的特定类型。可以由冲突解析器526执行各种已知的冲突解决技术。

引导表面波探测节点500可以使用两个或更多个通信接收机520来提供冗余度和/或增加通信安全性。这些接收机520可以是相同类型和/或不同类型。在其他示例中，可以使用多个接收机520来接收单个消息522，其中每个接收单个消息522的不同部分。

除了接收消息之外，混合引导表面波导探测节点500可以将消息嵌入从引导表面波导探头P 510发射的引导表面波中。如前所述，激励源502通过馈送网络508耦合到引导表面波导探头P 510。激励源502以操作频率生成电能，该操作频率也可以被认为是载波503的载波频率。激励源502的输出电耦合到插入到激励源502和馈送网络508之间的调制器504。调制器504接收消息的消息内容505，该消息将从引导表面波导探测节点500发送。消息内容505是调制器504可用的形式，并且可能已经由用户经由适当的用户接口设备(未示出)生成，或者从接收节点550处的自动化设备传送到调制器504。调制器400根据消息内容505调制载波503以生成其中嵌入了消息的调制载波506。在各种示例中，载波503的振幅、频率、相位和/或其他方面可以被调制。调制的载波506被提供给馈送网络508，馈送网络508又调制引导表面波导探头P 510的电荷端子处的电压。引导表面波导探头P 510然后发射其中嵌入了消息的引导表面波。这可以被认为是调制的引导表面波。

现在考虑混合引导表面波接收节点，并且参考图23B，混合引导表面波接收节点550可以是接收节点420、420A-F(图21、22A-22F)中的任何一个。接收节点550可以使用至少一个通信发射机552将消息554传输到与接收节点550间隔开的引导表面波导探测节点。通信发射机552被供应有要发送的消息551的内容，作为与发射机552兼容的模拟或数字数据。该消息可以表示各种类型的信息(例如，文本、音频、图像、视频、数字数据等)。在一些示例中，消息内容551由用户在生成消息内容551的接收节点550中的适当用户接口设备(未示出)供应。在其他示例中，消息内容551从接收节点550处的自动化设备(未示出)传送。发射机552传输对应于或包括消息内容551的消息554。通信发射机552可以是通信发射机424、424A-F(图21、22A-22F)中的任何一个。在一些示例中，通信发射机552包括冲突避免器556。冲突避免器556协调通信发射机552与不同接收节点中相同类型的一个或多个其他通信发射机的传输，以最小化或消除两个或更多个同时发射的这样的发射机。可以由冲突避免器556执行各种已知的冲突避免技术。这些技术包括例如基于调度的方案(诸如例如TDMA)和基于争用的方案(诸如例如CSMA)等许多其他类型。冲突避免器556的实现和操作可以取决于通信发射机552的特定类型。

引导表面波接收节点550可以使用两个或更多个通信发射机552来提供冗余和/或增加通信安全性。这些发射机552可以是相同类型和/或不同类型。在一些示例中，每个通信发射机552具有对应的优先级。优先级可以确定多个通信发射机552的使用顺序。在一些示例中，首先使用最高优先级正常工作的发射机552。如果该发射机552和/或其相应的通信介质406、406A-F(图21和22A-22F)不能正常工作，则使用下一个最高优先级正常工作的发射机552等等。在其他示例中，可以使用多个发射机552来传输单个消息554；每个可以传输单个消息554的不同部分以增加消息的安全性。

在一些示例中，引导表面波接收节点550可以包括至少一个通信接收机560。在接收节点550中包括通信接收机560允许不同的接收机节点550之间的双向通信。通信接收机560可以接收输入来自另一个接收节点550的消息562，并且以适当的格式(例如，文本、音频、图像、视频等)输出接收到的消息564。接收到的消息564可以经由适当的用户接口设备(未示出)呈现给用户，或者可以在接收节点550处被传送给自动化设备。

引导表面波接收结构R 570的输出572被电耦合到消息提取器574。消息提取器574提取、解码、恢复或以其他方式重建嵌入在由引导表面波导探测节点P发射并由接收结构R570接收的引导表面波402中的消息。在一个示例中，解调器576提取消息并以特定格式(例如，文本、音频、图像、视频、数字数据等)提供在接收节点550处可用的接收到的消息578。接收到的消息578然后可以经由接收节点550处的适当的用户接口设备(未示出)呈现给用户，或者可以在接收节点550处被传送给自动化设备。

在一些示例中，引导表面波接收节点550包括功率转换器580。功率转换器580将由引导表面波接收结构R 570获得的电能转换成AC或DC功率582，该功率可用于对连接到功率转换器580的电负载供电。诸如消息提取器574、通信发射机552、通信接收机560和其它部件的引导表面波接收节点550的各种组件是电负载。例如，其他组件可以包括发电机、报警器、喇叭、传感器、计算机系统和/或其他组件。这些附加的负载可能会消耗大量的电能。

在一些配置中，功率转换器580将引导表面波接收节点550的一些或全部电负载与操作功率582一起供应。例如，当接收节点550没有连接到电网；如果电网损坏并且无法向接收节点550供电；或者如果接收节点的电池电量耗尽，那么为来自功率转换器580的电负载供电是有利的。由于电负载作为耦合到引导表面波导探测节点500(图23A)的引导表面波导探头P 510的激励源502处的负载，因此可以由激励源生成的最大功率量502可以限制所有接收节点550从探测节点500接收引导表面波402所消耗的功率的总量。这又可以限制网络中的接收节点550的数量，和/或限制在特定节点处使用电负载的总功率。

在其他配置中，功率转换器580不向引导表面波接收节点550的任何电负载供应操作功率582。或者，接收节点550可以不包括功率转换器580。在这些配置中，包括消息提取器574、(一个或多个)通信发射机552和(一个或多个)通信接收机560的接收节点550的电负载由替代的源供应功率。在一个示例中，替代源是外部电源590，诸如交流电源，其将功率592供应至接收节点550中的至少一些电负载。在另一示例中，内部电源596，诸如，接收节点550中的电池，将功率598供应至至少一些电负载。在没有电负载操作功率由功率转换器580供应的情况下，或者在功率转换器580不存在的情况下，引导表面波接收结构R570上的电负载可以在皮瓦的数量级上。结果，由于接收节点550而耦合到引导表面波导探测节点500(图23A)的引导表面波导探头P 510的激励源502所经历的电负载相应地较小。这样，非常适度容量的探测节点500可以与极其大量的接收节点550进行通信，使得这些接收节点550从引导表面波接收结构R 570消耗这样少量的功率。

现在考虑双向通信网络的示例，并且参考图24的陆地介质的表面的示意性俯视图，网络600包括引导表面波导探测节点610和多个引导表面波接收节点620A-620H(统称为620)。探测节点610和接收节点620A-620H设置在陆地介质604的表面上的各个位置处。探测节点610的引导表面波导探头P从探头P向外发射包括嵌入的消息的引导表面波612。每个接收节点620可以接收引导表面波612并提取嵌入的消息。在这种1：N方式中，每个接收节点620可以及时接收到其他接收节点620的消息。

每个接收节点620A-620H包括通信发射机，诸如通信发射机552(图23B)，并且可以将相应的消息622A-622H传输到引导表面波导探测节点610。以这种方式，可以在探测节点610和每个接收节点620之间建立双向通信。

接收节点620F-620H还包括通信接收机560(图23B)。每个接收节点620F-620H可以将消息626F-626H传输到每个其他接收节点620F-620H。在各种示例中，消息626可以被同时传输到单个接收节点620F-620H或多个接收节点620F-620H。这样，除了它们与探测节点610的双向通信之外，接收节点620F-620H可以在彼此之间或彼此之内建立双向通信。接收节点之间的通信可以被视为对等通信。

现在考虑使用引导表面波的通信方法，并且参考图25，方法700在引导表面波导探测节点和引导表面波接收节点之间建立混合双向通信。在702处，包括嵌入的消息的引导表面波从探测节点处的引导表面波导探头P发射。在704处，在接收节点处使用引导表面接收结构R接收引导表面波形式的电能。电能根据嵌入的消息进行调制。在706处，将电能供应到在接收节点处耦合到接收结构R的电负载。电负载作为耦合到探测节点处的引导表面波导探头P的激励源处的负载。在708处，从在接收节点处接收到的电能中提取消息。在710处，第二消息由接收节点使用不同的消息传递机制来传输。在720处，使用不同的消息传递机制在探测节点处接收第二消息。

在一些示例中，在712处，第二消息由接收节点使用多个通信发射机来传输。在这些示例中的一些示例中，在714处，优先级确定多个通信发射机的使用顺序。在这些示例中的一些中，在716处，第二消息的不同部分用不同的通信发射机来传输。

除上述以外，本公开的各种实施例包括但不限于以下项中阐述的实施例。

项1.一种混合引导表面波导探测节点，包括：

引导表面波导探头，其包括在陆地介质上升高的电荷端子，该电荷端子被配置为生成至少一个合成场，该合成场合成具有以陆地介质的复布鲁斯特入射角(θ_i,B)入射的波前的引导表面波；调制器，其耦合到引导表面波导探头，用于根据第一消息来调制引导表面波，以便在引导表面波中嵌入第一消息；以及通信接收机，配置为从接收第一消息的引导表面波接收节点接收第二消息，该第二消息经由不同的消息传递机制从第一消息传送。

项2.根据项1所述的引导表面波导探测节点，其中第二消息至少部分地作为辐射电磁场传输。

项3.根据项1所述的引导表面波导探测节点，其中第二消息至少部分地通过导电线或光导纤维传输。

项4.根据项1-3中任一项所述的引导表面波导探测节点，其中接收节点处的电负载作为耦合到引导表面波导探头的激励源处的负载，并且其中传输第二消息作为电负载变化的模式。

项5.根据项4所述的引导表面波导探测节点，其中通信接收机包括：负载传感器，用于感测激励源处的电负载变化；以及解码器，其耦合到负载传感器以根据电负载变化重建第二消息。

项6.根据项1-5中任一项所述的引导表面波导探测节点，其中通信接收机包括冲突解析器。

项7.一种混合引导表面波接收节点，包括：引导表面波接收结构，配置为从沿着陆地介质传播的引导表面波获得电能，第一消息由生成引导表面波的引导表面波导探测节点嵌入到引导表面波中；电负载，其耦合到引导表面波接收结构，电负载作为耦合到引导表面波导探头的激励源处的负载；解调器，其耦合到配置为从引导表面波中提取第一消息的引导表面波接收结构；以及通信发射机，配置为经由不同的消息传递机制从第一消息向引导表面波导探测节点发送第二消息。

项8.根据项7所述的引导表面波接收节点，其中通信发射机包括：射频(RF)发射机，其中第二消息在陆地介质上方作为广播射频(RF)信号或点对点射频信号传输。

项9.根据项7所述的引导表面波接收节点，其中通信发射机包括：光发射机，其中第二消息作为光信号通过光纤或无线地在陆地介质上方传输。

项10.根据项7所述的引导表面波接收节点，其中通信发射机包括：网络数据端口，其中第二消息作为网络数据分组通过网络传输。

项11.根据项7所述的引导表面波接收节点，其中通信发射机包括：电话，其中第二消息通过电话网络传输。

项12.根据项7-11中任一项所述的引导表面波接收节点，其中通信发射机包括：负载调制器，配置为改变电负载，第二消息包括电负载变化的模式。

项13.根据项7-11中任一项所述的引导表面波接收节点，其中第二消息响应于第一消息。

项14.根据项7-13中任一项所述的引导表面波接收节点，其中通信发射机包括冲突避免器。

项15.根据项10、12、13或14中任一项所述的引导表面波接收节点，其中电负载包括解调器和通信发射机。

项16.根据项7-14中任一项所述的引导表面波接收节点，其中电负载不包括解调器和通信发射机，并且其中分离的电源向解调器和通信发射机提供电功率。

项17.一种用于使用引导表面波的混合双向通信的方法，包括：使用引导表面波接收节点处的引导表面接收结构接收从探测节点处的引导表面波导探头发射的引导表面波形式的电能，根据通过引导表面波导探头嵌入在引导表面波中的消息调制电能；将电能供应到耦合到引导表面波接收结构的电负载；从调制的电能中提取嵌入的消息；以及使用来自嵌入的消息的不同消息传递机制将第二消息从接收节点传输到探测节点。

项18.根据项17所述的方法，包括：在多个接收节点处接收引导表面波。

项19.根据项17或18中任一项所述的方法，包括：从接收节点向另一个接收节点传输消息。

项20.根据项17-19中任一项所述的方法，其中不同的消息传递机制包括：在接收节点处的至少一个通信发射机。

项21.根据项20所述的方法，其中至少一个通信发射机包括多个发射机，每个发射机具有确定使用顺序的优先级。

项22.根据项20所述的方法，其中至少一个通信发射机包括多个发射机，该发射机中的至少两个发射机的每个传输第二消息的不同部分。

项23.一种用于使用引导表面波的混合双向通信的方法，包括：从探测节点处的引导表面波导探头发射包括嵌入的消息的引导表面波，使用与探测节点间隔开的接收节点处的引导表面接收结构接收该引导表面波，其中在接收节点处从引导表面波获得电能，并将电能供应给接收节点处的电负载，该电能根据嵌入的消息进行调制；作为耦合到探测节点处的引导表面波导探头的激励源处的电负载，在接收节点处获得电能；以及在探测节点处使用来自嵌入的消息的不同消息传递机制接收从接收节点传输的第二消息。

项24.根据项23所述的方法，其中第二消息未被嵌入在引导表面波中。

项25.根据项23或24中任一项所述的方法，其中不同的消息传递机制包括：在探测节点处的至少一个通信接收机。

项26.根据项25所述的方法，其中至少一个通信接收机包括多个接收机，该接收机中的至少两个接收机的每个接收第二消息的不同部分。

应该强调的是，本公开的上述实施例仅仅是为了清楚理解本公开的原理而阐述的实施方式的可能示例。在不实质地偏离本公开的精神和原理的情况下，可以对上述实施例做出许多变化和修改。所有这些修改和变化都旨在被包括在本公开的范围内并且由以下权利要求保护。另外，所描述的实施例和从属权利要求的所有可选的和优选的特征和修改可用于本文教导的公开的所有方面。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的和优选的特征以及修改可以彼此组合并且可以彼此互换。

Claims (15)

1.一种混合引导表面波导探测节点，包括：

引导表面波导探头，其包括在陆地介质上升高的电荷端子，所述电荷端子被配置为生成至少一个合成场，所述合成场合成具有以陆地介质的复布鲁斯特入射角(θ_i,B)入射的波前的引导表面波；

调制器，其耦合到所述引导表面波导探头，用于根据第一消息来调制所述引导表面波以便在所述引导表面波中嵌入第一消息；以及

通信接收机，配置为从接收所述第一消息的引导表面波接收节点接收第二消息，所述第二消息经由不同的消息传递机制从所述第一消息传送。

2.根据权利要求1所述的引导表面波导探测节点，其中所述第二消息至少部分地作为辐射电磁场传输。

3.根据权利要求1所述的引导表面波导探测节点，其中所述第二消息至少部分地通过导电线或光导纤维传输。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的引导表面波导探测节点，其中所述接收节点处的电负载作为耦合到所述引导表面波导探头的激励源处的负载，并且其中传输所述第二消息作为电负载变化的模式。

5.根据权利要求4所述的引导表面波导探测节点，其中所述通信接收机包括：

负载传感器，用于感测所述激励源处的电负载变化；以及

解码器，其耦合到所述负载传感器以从所述电负载变化重建所述第二消息。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的引导表面波导探测节点，其中所述通信接收机包括冲突解析器。

7.一种混合引导表面波接收节点，包括：

引导表面波接收结构，配置为从沿着陆地介质传播的引导表面波获得电能，第一消息由生成引导表面波的引导表面波导探测节点嵌入到引导表面波中；

电负载，其耦合到所述引导表面波接收结构，所述电负载作为耦合到引导表面波导探头的激励源处的负载；

解调器，其耦合到配置为从所述引导表面波中提取所述第一消息的所述引导表面波接收结构；以及

通信发射机，配置为经由不同的消息传递机制从所述第一消息向所述引导表面波导探测节点发送第二消息。

8.根据权利要求7所述的引导表面接收节点，其中所述通信发射机包括：

射频(RF)发射机，其中所述第二消息在陆地介质上方作为广播射频(RF)信号或点对点射频信号传输。

9.根据权利要求7所述的引导表面接收节点，其中所述通信发射机包括：

光发射机，其中所述第二消息作为光信号通过光纤或无线地在陆地介质上方传输。

10.根据权利要求7所述的引导表面接收节点，其中所述通信发射机包括：

网络数据端口，其中所述第二消息作为网络数据分组通过网络传输。

11.根据权利要求7所述的引导表面接收节点，其中所述通信发射机包括：

电话，其中所述第二消息通过电话网络传输。

12.根据权利要求7-11中任一项所述的引导表面接收节点，其中所述通信发射机包括：

负载调制器，配置为改变所述电负载，所述第二消息包括电负载变化的模式。

13.根据权利要求7-12中任一项所述的引导表面接收节点，其中所述通信发射机包括冲突避免器。

14.根据权利要求10、12或14中任一项的引导表面接收节点，其中所述电负载包括解调器和通信发射机。

15.根据权利要求7-13中任一项所述的引导表面接收节点，其中所述电负载不包括解调器和通信发射机，并且其中分离的电源向解调器和通信发射机提供电功率。