JP2018516370A - 誘導表面波の励起および使用 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2015年6月2日に出願された米国特許出願14/728,492、題名「誘導表面波の励起及び利用(Excitation and Use of Guided Surface Waves)」と、2015年6月2日に出願された同時係属中の米国特許出願14/728,507、題名「誘導表面波の励起及び利用(Excitation and Use of Guided Surface Waves)」の優先権を請求するものであり、両方の特許出願は、その全体を参照することで本明細書に組み込まれる。
の特徴的な指数関数的減衰を有し、対数−対数スケール上に特徴のある屈曲部109を示している。誘導場の強度曲線103と放射場の強度曲線106とは、点113で交差しており、この交差は、交差距離で生じる。交点113における交差距離より短い距離においては、誘導電磁場の場の強度がほとんどの位置において、放射電磁場の場の強度よりも著しく大きい。交差距離よりも長い距離においては、これとは反対になる。したがって、誘導場の強度曲線103と放射場の強度曲線106とはさらに、誘導電磁場と放射電磁場との間の根本的な伝播の差異を示している。誘導電磁場と放射電磁場との間の差異の簡単な説明については、Milligan,T.,Modern Antenna Design,McGraw−Hill,1st Edition,1985,pp.8−9を参照し、この文献は、参照することにより、その全体が本明細書に組み込まれる。
は、第2種および次数nの複素引数のハンケル関数であり、u1は、領域1における正の垂直(z)方向の伝搬定数であり、u2は、領域2における垂直(z)方向の伝搬定数であり、σ1は領域1の導電性であり、ωは2πfに等しく、ここで、fは励起周波数であり、ε0は自由空間の誘電率であり、ε1は領域1の誘電率であり、Aは、供給源によって課される供給源定数であり、γは表面波の径方向伝搬定数である。
が与えられ、領域1において以下が与えられる。
径方向の伝搬定数γは、
によって与えられる。この式は、nが、以下の式で与えられる複素屈折率である、複素表現である。
上述の方程式すべてにおいて、
ここでεrは領域1の比誘電率を含み、σ1は領域1の導電率であり、εoは自由空間の誘電率であり、そしてμoは自由空間の透磁率を含む。したがって、発生した表面波は、界面に平行に伝搬し、界面に垂直に、指数関数的に減衰する。このことは、消散として知られている。
ここで、
は、正の垂直(+z)方向における単位法線であり、
は、上記の式(1)によって表された領域2の磁界強度である。
式(13)は、式(1)〜(3)に特定された電場および磁場が、境界面に沿っての径方向表面電流密度になる場合があることを示している。そのような径方向表面電流密度は、以下の式によって特定される。
ここで、Aは定数である。さらに、誘導表面導波プローブ300(ρ<<λに関する)に近づくと、上の式(14)が以下のような振る舞いを示すことに留意されたい。
マイナス記号は、電源電流(I0)が、垂直方向に上方に流れる場合、「近傍(close−in)」接地電流が径方向内側に流れることを意味している。「近傍」のHφに場を整合させることにより、式(1)〜(6)および(14)から以下が決定される。
ここで、式(1)〜(6)および(14)の式においてq1=C1V1である。したがって、式(14)の径方向表面電流密度は、以下のように言い換えることができる。
式(1)〜(6)および(17)によって表される場は、地上波の伝搬に関連付けられる放射場ではなく、損失性の界面に拘束される伝送線モードの性質を有している。Barlow,H.M.,and Brown,J.,Radio Surface Waves,Oxford University Press,1962,pp.1−5を参照されたい。
これら関数は、径方向内側に伝搬する円筒状の波(
)と、径方向外側に伝搬する円筒状の波(
)とをそれぞれ示している。この規定は、e±jx=cos x±j sin xの関係に相似している。たとえば、Harrington,R.F.,Time−Harmonic Fields,McGraw−Hill,1961,pp.460−463を参照されたい。
となり、この式は、ejωtで乗算すると、空間的変位を
としたej(ωt-kρ)の形式の、外側に伝搬する円筒状の波である。1次(n=1)の解は、式(20a)から導かれ、以下の式を得る。
誘導表面導波プローブ(ρ<<λに関する)に近づくと、第2種の1次ハンケル関数が以下のように振舞う。
これら漸近的表現は複素量であることに留意されたい。xが実数量である場合、式(20b)および(21)は
だけ位相が異なり、これは45°または等価的にλ/8の余分な位相の進みまたは「位相増大(phase boost)」に相当する。第2種の1次ハンケル関数の近づくまたは離れる漸近線は、距離ρ=Rxにおいて大きさが等しくなるハンケル「交差(crossover)」または遷移点を有する。
ここでnは式(10)の複素屈折率であり、θiは電場の入射角である。加えて、式(3)のモード整合した電場の垂直成分は漸近的に以下のようになる。
これは、端子電圧qfree=Cfree×VTにおいて、上げられた帯電端子の静電容量の絶縁コンポーネント上の自由電荷に線形に比例する。
ここで球体の直径は2aであり、球体端子の高さであるhでM=a/2hである。分かるように、端子の高さhの増加は帯電端子の静電容量Cを減少させる。直径(4D=8a)またはそれ以上の約4倍以上の高さにおける帯電端子T1の高さに対して、電荷分布は球体端子の周りでほぼ均一であり、これは誘導表面導波モードへの結合を改善することができる。
に対して、入射電場の反射量はフレネル反射係数を用いて決定することができ、以下のように表現される。
ここでθiは面法線に対して測定された従来の入射角である。
)に対して平行に偏光された入射場を示す。
の際、入射電場の反射はなく、したがって入射電場は損失性導電媒体303の表面に沿った誘導表面導波モードに完全に結合されるであろう。式(25)の分子は、入射角が以下の場合にゼロになることがわかる。
ここでx=σ/ωεOである。この複素入射角(θi,B)はブルースター角と呼ばれる。式(22)に戻り、式(22)と(26)との両方に、同一の複素ブルースター角(θi,B)の関係が存在することが分かる。
幾何学的に、図5Aの説明は、電界ベクトルEが以下によって与えられることを示唆する。
場の比は以下を意味する。
これは複素数であり、大きさと位相との両方を有する。領域2の電磁波に対して、ウェーブチルト角(Ψ)は領域1の境界面における波面の法線と境界面の接線との間の角度と等しい。これは、電磁波の等位相面と、放射状の円筒状の誘導表面波に対するそれらの法線を示す図5Bにおいてより容易に理解されてもよい。完全導体との境界面(z=0)において、波面の法線は境界面の正接に対して平行であり、W=0になる。しかしながら、損失性誘電体の場合、波面の法線はZ=0において境界面の正接に対して平行ではないため、ウェーブチルトWが存在する。
複素ブルースター角(θi,B)と等しい入射角で、式(25)のフレネル反射係数は、以下に示すように消える。
式(22)の複素数の場の比を調整することで、反射が低減または排除される複素角で入射場が入射されるよう合成されうる。この比を
に確立することで、複素ブルースター角で合成された電場が入射し、反射が消える。
この表現は構造に沿った波源分布の大きさと位相に依存するため、実効高(または長さ)は一般的には複素数である。構造の分布電流I(z)の積分は、構造の物理的高さ(hp)にわたって行われ、構造のベース(または入力)を通って上方に流れるグラウンド電流(I0)で正規化される。構造に沿った分布電流は以下によって表されうる。
ここでβ0は構造上の電流の伝搬に対する伝搬係数である。図3の例では、ICは誘導表面導波プローブ300aの垂直構造に沿って分布する電流である。
である。ここで、Vfは構造の速度係数であり、λ0は給電される周波数における波長であり、λpは速度係数Vfによってもたらされる伝搬波長である。位相遅延はグラウンド(杭)の電流I0と相対的に測定される。
であり、全位相遅延Φはグラウンド(杭)の電流I0に対して相対的に測定される。それゆえ、誘導表面導波プローブ300の電気的な実効高は物理的高さがhp<<λ0である場合に対して以下によって近似されうる。
角度(または位相シフト)Φおけるモノポールの複素数の実効高heff=hpは、誘導表面導波モードに整合するソースフィールドを生じるよう、および損失性導電媒体303上に誘導表面波を発射させるように調整されてもよい。
電気的に、幾何学的パラメータは、以下により、帯電端子T1の電気的な実効高(heff)によって関連付けられる。
ここで、ψi,B=(π/2)−θi,Bは、損失性導電媒体の表面から測定されたブルースター角である。誘導表面導波モードに結合するために、ハンケル交差距離における電場のウェーブチルトは、電気的な実効高とハンケル交差距離との比として表され得る。
物理的高さ(hp)とハンケル交差距離(Rx)との両方が実数量であるため、ハンケル交差距離(Rx)における所望の誘導表面ウェーブチルトの角度(Ψ)は、複素実効高(heff)の位相(Φ)に等しい。このことは、コイルの供給点における位相、そしてひいては、式(37)の位相シフトを変化させることにより、複素実効高の位相Φが、誘導表面導波モードのウェーブチルト角Ψに、ハンケル交差点315:Φ=Ψにおいて整合するように操作されうることを暗示している。
ここで、ω=2πfでx=σ/(ωε0)である。ここで導電率σおよび比誘電率εrは損失性導電媒体303の試験測定を通じて決定されうる。面法線から測定される複素ブルースター角(θi,B)もまた式(26)から以下のように決定されうる。
または、図5Aに示されるように表面から以下のように測定されうる。
ハンケル交差距離(WRx)におけるウェーブチルトも、式(40)を使用して見出され得る。
式(44)から見て取ることができるように、複素有効高さ(heff)は、帯電端子T1の物理的高さ(hp)に関連付けられた大きさと、ハンケル交差距離(Rx)におけるウェーブチルトの角度(Ψ)に関連付けられることになる位相遅延(Φ)とを含んでいる。これら変数および選択された帯電端子T1の構成により、誘導表面導波プローブ300の構成を判定することが可能である。
ここで、Hはソレノイド螺旋の軸の長さであり、Dはコイルの直径であり、Nはコイルの巻き数であり、s=H/Nはコイルの巻線間隔(または螺旋のピッチ)、そしてλ0は自由空間の波長である。この関係に基づき、ヘリカルコイルの電気長または位相遅延は以下によって与えられる。
螺旋がスパイラル状に巻かれているか、または短く太い場合には原理は同じであるが、Vfおよびθcは試験的測定によって容易に取得できる。ヘリカル伝送線の特性(波動)インピーダンスの表現は以下のようにも導出される。
ここでhwは導体の垂直な長さ(または高さ)であり、aは半径(mks単位)である。ヘリカルコイルと同様に、垂直給電線導体の進行波位相遅延は以下によって与えられる。
ここでβwは垂直給電線導体に対する伝搬位相定数、hwは垂直給電線導体の垂直な長さ(または高さ)、Vwは電線の速度係数、λ0は供給周波数における周波数の波長、そしてλwは速度係数Vwに起因する伝搬波長である。均一な円筒状の導体に対して、速度係数は
の定数、またはおよそ0.93からおよそ0.98の範囲である。マストが均一な伝送線であると考えられる場合、平均の特性インピーダンスは以下によって近似されうる。
ここで均一な円筒状の導体に対して
であり、aは導体の半径である。単線給電線の特性インピーダンスのためにアマチュアラジオの文献に用いられてきた代替的な式は以下によって与えられる。
式(51)は、単線の給電線に対するZ0は周波数によって変わることを意味する。位相遅延は、静電容量と特性インピーダンスとに基づき決定されうる。
である。影像電荷の複素数の間隔は、順次、界面が誘電体または完全導体のいずれかである場合に外部の場が遭遇しない余分な位相シフトを経ることを意味する。損失性導電媒体では、波面の法線は、z=−d/2において導電性影像グラウンド平面318の正接に並行であり、領域1と2との間の境界面においてではない。
損失性の地球803では、伝搬定数および波固有のインピーダンスは以下である。
通常の入射に対して、図8Bの等価表示は、伝搬定数がγ0、その長さがz1である空気(z0)の特性インピーダンスを有するTEM伝送線路と等しい。そのように、図8Cの短絡伝送線路に対する界面において見られる影像グラウンド平面のインピーダンスZinは以下で与えられる。
図8Cの等価モデルに関連付けられた影像グラウンド平面のインピーダンスZinを図8Aの通常の入射波のインピーダンスと等しくすること、およびz1について解くことで、短絡回路(完全導体の影像グラウンド平面809)への距離が以下のように与えられる。
ここで、逆双曲線の正接に対する級数展開の第一項のみがこの近似で考慮される。なお、空気領域812では、伝搬定数はγ0=jβ0であり、それゆえZin=jZ0tanβ0z1(実際のz1の純虚数の量である)、しかしながらσ≠0の場合にZeは複素値である。それゆえ、Z1が複素数の距離である場合においてのみZin=Zeである。
したがって、「影像電荷」は実際の電荷に対して「同一および反対」であり、深さz1=−d/2における完全導体の影像グラウンド平面809の電位はゼロであろう。
ここでCTが帯電端子T1の自己容量であり、垂直給電線導体718(図7)を「見上げて」見えるインピーダンスは以下で与えられる。
コイル709を「見上げて」見えるインピーダンスは以下で与えられる。
誘導表面導波プローブ300の底部において、損失性導電媒体303を「見下ろして」見えるインピーダンスはZ↓=Zinであり、以下によって与えられる。
ここでZs=0である。
続いて、電気的な位相Φはウェーブチルト角に整合されうる。この角度(または位相)の関係は、表面波を発射する場合に次に考慮される。例えば、電気的な位相遅延Φ=θc+θyはコイル709(図7)の幾何学的パラメータおよび/または垂直給電線導体718(図7)の長さ(もしくは高さ)を変化させることで調整されうる。Φ=Ψに整合させることで、表面導波モードを励起し損失性導電媒体303に沿って進行波を発射するように、境界面において複素ブルースター角のハンケル交差距離(Rx)またはそれより遠くに電場が確立されうる。
ここでcは光の速さである。複素屈折率は式(41)から
であり、ここでω=2πfoでx=σ1/ωε0であり、複素ブルースター角は式(42)から以下のように表される。
式(66)を用いて、ウェーブチルトの値は以下のように決定することができる。
したがって、ヘリカルコイルはΦ=Ψ=40.614°に整合するよう調整されうる。
として与えられる。hp<<λ0のため、垂直給電線導体に対する伝搬位相定数は以下のように近似されうる。
式(49)から、垂直給電線導体の位相遅延は
である。θc=28.974°=40.614°−11.640°になるようヘリカルコイルの位相遅延を調整することで、誘導表面導波モードに整合するようΦはΨと等しくなる。ΦとΨとの間の関係を説明するため、図11はある周波数範囲にわたる両方のプロットを示す。ΦとΨとの両方が周波数に依存するため、これらの個別の曲線がおよそ1.85MHzで互いに交差することが分かる。
そして式(35)から伝搬係数は以下のように決定することができる。
θc=28.974°を用いて、ソレノイドコイルの軸の長さ(H)は式(46)を用いて以下のように決定することができる。
この高さは、垂直給電線導体が接続されるコイルの位置を決定し、結果として8.818回の巻き数(N=H/s)を有するコイルが得られる。
そして導電性影像グラウンド平面の複素数の深さは、式(52)から以下のように近似されうる。
ここで導電性影像グラウンド平面と地球の物理的境界との間に対応する位相シフトは以下のように与えられる。
式(65)を用いて、損失性導電媒体303(例えば地球)を「見下ろして」見えるインピーダンスは以下のように決定されうる。
そして境界におけるリアクタンス成分は整合される。
そして垂直給電線導体を「見上げて」見えるインピーダンスは式(63)から以下のように与えられる。
式(47)を用いて、ヘリカルコイルの特性インピーダンスは以下のように与えられる。
そして底部においてコイルを「見上げて」見えるインピーダンスは式(64)から以下のように与えられる。
式(79)の解と比較した場合、リアクタンス成分は反対でほぼ等しいので、互いに共役であることが分かる。したがって、完全導体の影像グラウンド平面から図9Aおよび9Bの等価影像平面モデルを「見上げて」見えるインピーダンス(Zip)は純抵抗又はZip=R+j0である。
だけ(スミスチャート1200上の角度2θyを時計回りに通り)垂直給電線の区間に沿って移動する。点1206におけるインピーダンスは、Zwを用いて垂直給電線導体を「見上げて」見える実際のインピーダンス(Z2)へ変換される。
図13を参照し100%および85%の電荷に対して理論的なZenneck表面波、並びに16フィートのトップロード型垂直マスト(2.5%の放射効率のモノポール)に対して予想される従来のノートン放射地上波の電界強度に関して、測定された電界強度をmV/m(丸のマーカ)と距離(マイル)で示す。量hは55Ωの接地杭を有する、ノートン地上波の放射のための垂直な導電性マストの高さに対応する。予想されたZenneck場は式(3)から計算され、標準的なノートン地上波は従来の手法で計算した。統計的解析により、測定された電界と理論的な電界との間の最小化されたRMS偏差が97.4%の電気効率で得られた。
の特徴的な指数関数的減衰を有し、対数−対数スケール上に際立った屈曲部109を示している。
の項が支配的な距離(≧Rx)で外に出る。受信回路は、1つ以上の誘導表面導波プローブを無線伝送および/または電力供給システムを容易にするために活用することができる。
ここで、Eincは、ボルト毎メートルでの、線状プローブ1403上の電界強度であり、dlは、線状プローブ1403の方向に沿う積分の要素であり、heは、線状プローブ1403の実効高である。電気的負荷1416は、インピーダンス整合ネットワーク1419を通して出力端子1413に結合される。
ここで、εrは比誘電率を含み、σ1は受信構造の位置における損失性導電媒体303の導電率であり、ε0は自由空間の誘電率であり、ω=2πf(fは励起周波数)である。したがって、ウェーブチルト角(Ψ)は式(86)から決定されうる。
である。ここで、Vfは構造の速度係数であり、λ0は供給周波数における波長、そしてλpは速度係数Vfに起因する伝搬波長である。位相遅延(θc+θy)の少なくとも片方は、ウェーブチルト角(Ψ)に位相シフトΦを整合するよう調整されうる。例えば、全位相シフトをウェーブチルト角に整合(Φ=Ψ)するようコイルの位相遅延(θc)を調整するために、タップ位置が図14BのコイルLR上で調整されてもよい。例えば、図14Bに示すようなタップ接続によって、コイルの一部がバイパスされうる。垂直供給線導体は、コイル上の位置が全位相シフトをウェーブチルト角と整合するよう調整されうるタップを介して、コイルLRへ接続されてもよい。
ここで
である。地球上の垂直偏波の供給源に対して、複素影像平面の深さは以下によって与えられうる。
ここでμ1は損失性導電媒体303の透磁率であり、ε1=εrε0である。
であり、ここでCRが帯電端子TRの自己容量であり、同調共振器1406aの垂直供給線導体を「見上げて」見えるインピーダンスは以下で与えられる。
そして同調共振器1406aのコイルLRを「見上げて」見えるインピーダンスは以下で与えられる。
損失性導電媒体303を「見下ろして」見えるリアクタンス成分(Xin)を、同調共振器1406aを「見上げて」見えるリアクタンス成分(Xbase)と整合させることで、誘導表面導波モードへの結合を最大化することができる。
ここで、Fは結合された磁束であり、μrは、磁気コイル1409のコアの有効比透磁率であり、μ0は自由空間の透磁率であり、
は入射磁界の強度ベクトルであり、
は巻きの断面エリアに対して垂直な単位ベクトルであり、ACSは、各ループによって囲まれたエリアである。磁気コイル1409の断面エリアにわたって均一な入射磁界との最大の結合のために方向付けられたN巻の磁気コイル1409に関して、磁気コイル1409の出力端子1429において表れる開回路の誘起電圧は、以下のようになる。
ここで、変数は上述のように規定される。磁気コイル1409は、可能性のあるケースとして、分配された共振器として、または、その出力端子1429を横切る外部のキャパシタを用いて、誘導表面波の周波数に整調されてもよく、次いで、共役インピーダンス整合ネットワーク1433を通して外部の電気的負荷1436とインピーダンスが整合する。
ここで、C0は、空気中のプローブの、pF単位の静電容量である。
Claims (62)
- 方法であって、
損失性導電媒体の上方の所定の高さに帯電端子を配置することと、
前記損失性導電媒体に関連付けられた複素ブルースター入射角(θi,B)に対応するウェーブチルト角(Ψ)と整合するよう前記帯電端子に接続される給電ネットワークの位相遅延(Φ)を調整することと、
前記損失性導電媒体に関連付けられた影像グラウンド平面のインピーダンス(Zin)に基づき、前記帯電端子の負荷インピーダンス(ZL)を調整することと、
前記損失性導電媒体の表面に沿った誘導表面導波モードに結合する電場を確立する励起電圧で、前記給電ネットワークを介して前記帯電端子を励起することと、
を含むことを特徴とする方法。 - 前記給電ネットワークは、前記帯電端子に結合された給電線導体と、前記損失性導電媒体と前記給電線導体との間に結合されたコイルとを有し、前記給電ネットワークの前記位相遅延(Φ)は前記給電線導体に関連付けられた位相遅延(θy)と前記コイルに関連付けられた位相遅延(θc)とを含むことを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 前記位相遅延(Φ)を調整することが、前記コイルに関連付けられた前記位相遅延(θc)を調整することを含むことを特徴とする請求項2に記載の方法。
- 前記給電線導体の接続部が、前記コイルに関連付けられた前記位相遅延(θc)を調整するために前記コイル上で再配置されることを特徴とする請求項2または3に記載の方法。
- 前記給電線導体の前記接続部が、可変タップを介して前記コイル上で再配置されることを特徴とする請求項4に記載の方法。
- 前記損失性導電媒体に関連付けられた前記複素ブルースター入射角(θi,B)が、前記励起電圧の動作周波数および前記損失性導電媒体の特性に基づくことを特徴とする請求項1乃至5の何れか1項に記載の方法。
- 前記損失性導電媒体の前記特性が、導電率および誘電率を含むことを特徴とする請求項6に記載の方法。
- 前記影像グラウンド平面のインピーダンス(Zin)が前記損失性導電媒体の物理的境界と導電性影像グラウンド平面との間の位相遅延(θd)に少なくとも部分的に基づくことを特徴とする請求項1乃至7の何れか1項に記載の方法。
- 前記損失性導電媒体の前記物理的境界と前記導電性影像グラウンド平面とが複素数の深さによって分離されることを特徴とする請求項8に記載の方法。
- 前記帯電端子の前記負荷インピーダンス(ZL)が、前記影像グラウンド平面のインピーダンス(Zin)のリアクタンス成分に基づいて調整されることを特徴とする請求項1乃至9の何れか1項に記載の方法。
- 前記帯電端子の前記負荷インピーダンス(ZL)が、前記給電ネットワークおよび前記帯電端子に関連付けられた構造のインピーダンス(Zbase)を前記影像グラウンド平面のインピーダンス(Zin)の前記リアクタンス成分と整合するよう調整されることを特徴とする請求項10に記載の方法。
- 前記給電ネットワークの前記位相遅延(Φ)は、前記帯電端子の前記負荷インピーダンス(ZL)が調整される間は固定されることを特徴とする請求項1乃至11の何れか1項に記載の方法。
- 前記帯電端子は有効球体直径を有し、前記帯電端子の前記所定の高さが、前記拘束された静電容量を減少させるように、前記有効球体直径の少なくとも4倍であることを特徴とする、請求項1乃至12の何れか1項に記載の方法。
- 前記帯電端子がコイルを介して励起源に結合されることを特徴とする請求項1乃至13の何れか1項に記載の方法。
- 前記損失性導電媒体の特性の変化を感知することと、
前記損失性導電媒体の前記特性の前記変化に応じて、前記帯電端子に接続される前記給電ネットワークの前記位相遅延(Φ)を、修正されたウェーブチルト角に整合するよう調整することであって、前記修正されたウェーブチルト角は前記変化した特性を有する前記損失性導電媒体に関連付けられた複素ブルースター入射角に対応する、調整することと、
を含むことを特徴とする請求項1乃至14の何れか1項に記載の方法。 - 前記帯電端子の前記負荷インピーダンス(ZL)を、前記変化した特性を有する前記損失性導電媒体に基づく新たな影像グラウンド平面のインピーダンスに基づいて調整することを含むことを特徴とする請求項15に記載の方法。
- 前記損失性導電媒体はテレストリアル媒体であることを特徴とする請求項1乃至16の何れか1項に記載の方法。
- 誘導表面導波プローブであって、
損失性導電媒体の上方にある帯電端子と、
励起源を前記帯電端子に結合するよう構成された給電ネットワークであって、前記給電ネットワークが前記帯電端子に電圧を位相遅延(Φ)を伴って供給するよう構成され、前記位相遅延(Φ)が前記損失性導電媒体に関連付けられた複素ブルースター入射角(θi,B)に関連付けられたウェーブチルト角(Ψ)に整合し、前記帯電端子が負荷インピーダンス(ZL)を有し、前記負荷インピーダンスが前記損失性導電媒体に関連付けられた影像グラウンド平面のインピーダンス(Zin)に基づいて決定される、給電ネットワークと、
を含むことを特徴とする誘導表面導波プローブ。 - 前記給電ネットワークは、前記帯電端子に結合された給電線導体と、前記損失性導電媒体と前記給電線導体との間に結合されたコイルとを有し、前記給電ネットワークの前記位相遅延(Φ)は、前記給電線導体に関連付けられた位相遅延(θy)と、前記コイルに関連付けられた位相遅延(θc)とを含むことを特徴とする、請求項18に記載の誘導表面導波プローブ。
- 前記コイルはヘリカルコイルであることを特徴とする請求項19に記載の誘導表面導波プローブ。
- 前記励起源はタップ接続部を介して前記コイルに結合されることを特徴とする請求項19または20に記載の誘導表面導波プローブ。
- インピーダンス整合ネットワークが、前記励起源と前記コイル上の前記タップ接続部との間に結合されることを特徴とする請求項19乃至21の何れか1項に記載の誘導表面導波プローブ。
- 前記励起源は前記コイルに磁気結合されることを特徴とする請求項19または20に記載の誘導表面導波プローブ。
- 前記帯電端子はタップ接続部を介して前記コイルに結合されることを特徴とする請求項19乃至23の何れか1項に記載の誘導表面導波プローブ。
- 前記給電ネットワークは、前記ウェーブチルト角(Ψ)との整合を行うよう前記位相遅延(Φ)を変更するよう構成されることを特徴とする請求項18乃至24の何れか1項に記載の誘導表面導波プローブ。
- 前記損失性導電媒体の特性に少なくとも部分的に基づき、前記給電ネットワークを調整するよう構成されるプローブ制御システムを含むことを特徴とする請求項18乃至25の何れか1項に記載の誘導表面導波プローブ。
- 前記給電ネットワークが、前記励起源と前記帯電端子との間に結合されるコイルを含み、前記帯電端子は可変タップを介して前記コイルへ結合されることを特徴とする請求項26に記載の誘導表面導波プローブ。
- 前記プローブ制御システムが、前記損失性導電媒体の前記特性の変化に応じて前記可変タップの位置を調整することを特徴とする請求項27に記載の誘導表面導波プローブ。
- 方法であって、
損失性導電媒体の上方の所定の高さに誘導表面導波プローブの帯電端子を配置することと、
前記誘導表面導波プローブの進行波位相遅延(Φ)を、前記損失性導電媒体の表面波のウェーブチルト角(Ψ)と整合するよう調整することと、
重畳される定在波であって、前記誘導表面導波プローブの底部から複素数の深さに位置する複素影像平面に基づく前記重畳される定在波を、前記誘導表面導波プローブの伝送線の区間による位相遅延と、前記伝送線の区間の特性インピーダンスの不連続性に起因する位相跳躍とを利用することで、前記誘導表面導波プローブ上に同時に励起することと、
前記伝送線の区間を介して励起電圧で前記帯電端子を励起し、ここで励起電荷分布が前記損失性導電媒体の表面に沿った誘導表面波の導波モードに結合する電場を確立することと、
を含むことを特徴とする方法。 - 方法であって、
受信構造を損失性導電媒体に結合させることと、
前記損失性導電媒体上に確立される誘導表面波とモード整合させることであって、前記受信構造の進行波位相遅延(Φ)が、前記誘導表面波に関連付けられたウェーブチルト角(Ψ)と整合し、前記ウェーブチルト角(Ψ)が前記受信構造の周辺の前記損失性導電媒体の特性に少なくとも部分的に基づく、モード整合を行うことと、
を含むことを特徴とする方法。 - 前記受信構造の帯電端子を、前記損失性導電媒体の表面の上方の所定の高さで留めることを含むことを特徴とする請求項30に記載の方法。
- 前記受信構造が、前記帯電端子と前記損失性導電媒体との間に結合される受信機ネットワークを含むことを特徴とする請求項31に記載の方法。
- 前記受信機ネットワークが、前記損失性導電媒体に結合されるコイルと、前記コイルおよび前記帯電端子の間に結合される供給線導体とを含み、ここで前記進行波位相遅延(Φ)は前記コイルの位相遅延(θc)と前記供給線導体の位相遅延(θy)とに基づくことを特徴とする請求項32に記載の方法。
- 前記進行波位相遅延(Φ)を調整することが、前記コイルの前記位相遅延(θc)を変更するために前記コイル上のタップの位置を調整することを含むことを特徴とする請求項33に記載の方法。
- 前記供給線導体が、前記タップを介して前記コイルに結合されることを特徴とする請求項34に記載の方法。
- 前記帯電端子が有効球体直径を有し、前記帯電端子の前記所定の高さが、拘束された静電容量を減少させるように、前記有効球体直径の少なくとも4倍であることを特徴とする、請求項31乃至35の何れか1項に記載の方法。
- 前記損失性導電媒体の前記表面から複素数の深さのところにある影像平面に対して、前記受信構造を共振させることを含むことを特徴とする請求項31乃至36の何れか1項に記載の方法。
- 前記受信構造を共振させることが、前記損失性導電媒体に関連付けられた影像グラウンド平面のインピーダンス(Zin)に基づいて、前記帯電端子の負荷インピーダンス(ZL)を調整することを含むことを特徴とする請求項37に記載の方法。
- 前記受信構造を共振させることが、前記受信構造の伝送線の区間による位相遅延と、前記伝送線の区間の特性インピーダンスの不連続性に起因する位相跳躍とを利用することで、前記受信構造上の定在波であって、前記受信構造上の進行波と重畳される前記定在波を確立することを特徴とする請求項37または38に記載の方法。
- コイルを介して前記受信構造から電力を抽出することを含む請求項30乃至39の何れか1項に記載の方法。
- 損失性導電媒体上に確立された誘導表面波とモード整合するための受信構造であって、
前記損失性導電媒体の上方にある帯電端子と、
前記帯電端子と前記損失性導電媒体との間に結合される受信機ネットワークであって、前記受信機ネットワークは位相遅延(Φ)を有し、前記位相遅延(Φ)は前記誘導表面波に関連されたウェーブチルト角(Ψ)との整合を行い、前記ウェーブチルト角は前記受信構造の周辺の前記損失性導電媒体の特性に少なくとも部分的に基づく、前記受信機ネットワークと、
を含むことを特徴とする受信構造。 - 前記帯電端子が可変負荷インピーダンス(ZL)を有することを特徴とする請求項41に記載の受信構造。
- 前記可変負荷インピーダンス(ZL)が、前記受信構造の前記周辺の前記損失性導電媒体に関連付けられた影像グラウンド平面のインピーダンス(Zin)に基づき決定されることを特徴とする請求項42に記載の受信構造。
- 前記負荷インピーダンス(ZL)が、前記損失性導電媒体の表面から複素数の深さのところにある影像平面に対して、前記受信構造を共振させるように調整されることを特徴とする請求項42または43に記載の受信構造。
- 前記受信構造を共振させることが、前記受信機ネットワークの伝送線の区間による位相遅延と、前記伝送線の区間の特性インピーダンスの不連続性に起因する位相跳躍とを利用することで、前記受信構造上の定在波を確立することを特徴とする請求項41乃至44の何れか1項に記載の受信構造。
- 前記受信機ネットワークが、前記損失性導電媒体に結合されるコイルと、前記コイルおよび前記帯電端子の間に結合される供給線導体とを含み、ここで前記受信機ネットワークの位相遅延(Φ)は前記コイルの位相遅延(θc)と前記供給線導体の位相遅延(θy)とに基づくことを特徴とする請求項41乃至45の何れか1項に記載の受信構造。
- 前記コイルの前記位相遅延(θc)を調整するよう構成される可変タップをさらに含むことを特徴とする請求項46に記載の受信構造。
- 前記コイルに結合されるインピーダンス整合ネットワークを含むことを特徴とする請求項46または47に記載の受信構造。
- 前記インピーダンス整合ネットワークが前記コイルに誘導結合されることを特徴とする請求項48に記載の受信構造。
- 方法であって、
テレストリアル媒体に対して受信構造を位置づけることと、
前記テレストリアル媒体上に確立された誘導表面波とのモード整合を行うことであって、前記受信構造の進行波位相遅延(Φ)は、前記誘導表面波に関連付けられたウェーブチルト角(Ψ)に整合され、前記ウェーブチルト角(Ψ)は前記受信構造の周辺の前記テレストリアル媒体の特性に少なくとも部分的に基づく、モード整合を行うことと、
前記受信構造を介して、前記誘導表面波によって前記テレストリアル媒体上を搬送されるエネルギを受信することと、
を含むことを特徴とする方法。 - 前記受信構造が、前記誘導表面波を生成する誘導表面導波プローブに結合される励起源に負荷を与えることを特徴とする請求項50に記載の方法。
- 前記エネルギが電力をさらに含み、前記方法が前記受信構造に結合される電気的負荷に前記電力を加えることをさらに含み、ここで前記電力は前記電気的負荷に対する電源として用いられることを特徴とする請求項50または51に記載の方法。
- 前記受信構造に対して電気的負荷をインピーダンス整合することをさらに含むことを特徴とする請求項50乃至52の何れか1項に記載の方法。
- 前記受信構造から前記電気的負荷への最大限の電力伝送を確立することを含むことを特徴とする請求項53に記載の方法。
- 前記受信構造が、前記テレストリアル媒体へ結合される磁気コイル、線状プローブ、または同調共振器をさらに含むことを特徴とする請求項50乃至54の何れか1項に記載の方法。
- 電力伝送システムであって、
テレストリアル媒体の表面に沿った誘導表面波の形態で電気的エネルギを送信する誘導表面導波プローブであって、前記誘導表面導波プローブは給電ネットワークを含み、前記給電ネットワークは位相遅延(Φ)を伴って電圧を帯電端子に供給するよう構成され、前記位相遅延(Φ)は前記テレストリアル媒体に関連付けられた複素ブルースター入射角(θi,B)に関連付けられたウェーブチルト角(Ψ)に整合し、前記帯電端子は前記テレストリアル媒体に関連付けられた影像グラウンド平面のインピーダンス(Zin)に基づき決定される負荷インピーダンス(ZL)を有する、前記誘導表面導波プローブと、
前記電気的エネルギを受信する受信構造と、
を含むことを特徴とする電力伝送システム。 - 前記受信構造が前記誘導表面導波プローブに負荷をかけることを特徴とする請求項56に記載の電力伝送システム。
- 電気的負荷が前記受信構造に結合され、前記電気的エネルギが前記電気的負荷に対する電源として用いられることを特徴とする請求項56または57に記載の電力伝送システム。
- 前記電気的負荷が前記受信回路に対してインピーダンス整合されることを特徴とする請求項58に記載の電力伝送システム。
- 前記受信構造から前記電気的負荷への最大限の電力伝送が確立されることを特徴とする請求項58または59に記載の電力伝送システム。
- 前記受信構造が、磁気コイル、線状プローブ、または同調共振器をさらに含むことを特徴とする請求項56乃至60の何れか1項に記載の電力伝送システム。
- 前記同調共振器が、直列同調共振器、並列同調共振器、または分散同調共振器を含むことを特徴とする請求項61に記載の装置。
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