KR102137005B1 - 손실 매체 상의 유도 표면파 모드의 여기 및 사용 - Google Patents

Abstract

다상 도파관 프로브를 여기함으로써 손실 전도 매체의 표면을 따라 유도 표면 도파관 모드의 형태로 운반되는 에너지를 송신 및/또는 수신하기 위한 다양한 실시예들이 개시된다.

Description

손실 매체 상의 유도 표면파 모드의 여기 및 사용{EXCITATION AND USE OF GUIDED SURFACE WAVE MODES ON LOSSY MEDIA}

관련 출원의 상호 참조

본 특허 협력 조약 출원은 2013년 3월 7일자로 출원된 "EXCITATION AND USE OF GUIDED SURFACE WAVE MODES ON LOSSY MEDIA"라는 명칭의 미국 특허 출원 제13/789,525호 및 2013년 3월 7일자로 출원된 "EXCITATION AND USE OF GUIDED SURFACE WAVE MODES ON LOSSY MEDIA"라는 명칭의 미국 특허 출원 제13/789,538호 양자에 대해 우선권 및 이익을 주장하며, 이들 양자 전체는 본 명세서에 참고로 포함된다.

1 세기 이상 동안, 무선파들에 의해 전송된 신호들은 전통적인 안테나 구조들을 이용하여 런칭된 방사 장들을 수반하였다. 무선 과학과 달리, 지난 세기의 전력 분배 시스템들은 전도체들을 따라 유도된 에너지의 전달을 수반하였다. 무선 주파수(RF)와 전력 전달 간의 차이에 대한 이러한 이해는 1900년대 초 이후에 나타났다. 종래기술은 아래와 같다.
WAIT J R ET AL: "Excitation of the HF surface wave by vertical and horizontal antennas," RADIO SCIENCE USA, vol. 14, no. 5, September 1979;
COLLIN R E: "Hertzian dipole radiating over a lossy earth or sea: some early and late 20th-century controversies," IEEE ANTENNAS AND PROPAGATION MAGAZINE IEEE USA, vol 46, no. 2, April 2004;
미국 특허공개공보 제3 123 767호 (1964.03.03); 및
WAIT J R: "Excitation of the surface waves on conducting, stratified, dielectric-clad and corrugated surfaces," RESEARCH OF THE NATIONAL BUREAU OF STANDARDS, vol. 59, no. 6, December 1957.

본 개시 내용의 많은 양태는 아래의 도면들을 참조하여 더 잘 이해될 수 있다. 도면들 내의 컴포넌트들은 반드시 축척으로 도시된 것은 아니며, 대신에 본 개시 내용의 원리들을 예시할 때는 강조가 주어진다. 더욱이, 도면들에서, 여러 도면 전반에서 동일한 참조 번호들은 대응하는 요소들을 지시한다.
도 1은 유도 전자기장 및 방사 전자기장에 대한 거리의 함수로서 장 강도를 나타내는 차트이다.
도 2는 본 개시 내용의 다양한 실시예들에 따른, 유도 표면파의 전송에 사용되는 2개의 영역을 갖는 전파 인터페이스를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 개시 내용의 일 실시예에 따른, 도 2의 전파 인터페이스에 대해 배치된 다상 도파관 프로브를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 개시 내용의 일 실시예에 따른, 도 3의 전파 인터페이스 내의 손실 전도 매체 상의 유도 표면-도파관 모드의 런칭을 촉진하는 그라운드 전류의 위상 시프트의 하나의 예시를 제공하는 도면이다.
도 5는 본 개시 내용의 다양한 실시예들에 따른, 다상 도파관 프로브들에 의해 합성된 전기장의 복소 삽입각을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 개시 내용의 일 실시예에 따른 다상 도파관 프로브의 개략도이다.
도 7a-j는 본 개시 내용의 다양한 실시예들에 따른, 도 6의 다상 도파관 프로브의 특정 예들의 개략도들이다.
도 8a-c는 본 개시 내용의 다양한 실시예들에 따른, 다상 도파관 프로브들의 다양한 실시예들에 의해 생성된 선택 송신 주파수들에서의 유도 표면파들의 장 강도들을 나타내는 그래프들이다.
도 9는 본 개시 내용의 일 실시예에 따른, 다상 도파관 프로브에 의해 생성된 거리의 함수로서의 59 메가헤르츠에서의 유도 표면파의 장 강도의 실험 측정들의 그래프의 일례를 나타낸다.
도 10은 본 개시 내용의 일 실시예에 따른, 도 9의 유도 표면파의 거리의 함수로서의 위상의 실험 측정들의 그래프를 나타낸다.
도 11은 본 개시 내용의 일 실시예에 따른, 1.85 메가헤르츠에서 다상 도파관 프로브에 의해 생성된 유도 표면파의 거리의 함수로서의 장 강도의 실험 측정들의 그래프의 다른 예를 나타낸다.
도 12a-b는 본 개시 내용의 다양한 실시예들에 따른, 다상 도파관 프로브에 의해 런칭된 유도 표면파의 형태로 전송된 에너지를 수신하는 데 사용될 수 있는 수신기들의 예들을 나타낸다.
도 13은 본 개시 내용의 다양한 실시예들에 따른, 다상 도파관 프로브에 의해 런칭된 유도 표면파의 형태로 전송된 에너지를 수신하는 데 사용될 수 있는 추가 수신기의 일례를 나타낸다.
도 14a는 본 개시 내용의 일 실시예에 따른, 도 12a-b에 도시된 수신기들의 테브난-등가(Thevenin-equivalent)를 나타내는 개략도를 도시한다.
도 14b는 본 개시 내용의 일 실시예에 따른, 도 13에 도시된 수신기의 노턴(Norton) 등가를 나타내는 개략도를 도시한다.

먼저, 도 1을 참조하여, 아래의 개념들의 설명에서의 명확성을 제공하기 위해 소정의 용어법이 설정될 것이다. 먼저, 본 명세서에서 고려되는 바와 같이, 방사 전자기장과 유도 전자기장 사이에는 공식적인 차이가 존재한다.

본 명세서에서 고려되는 바와 같이, 방사 전자기장은 도파관으로 향하지 않는 파들의 형태로 소스 구조로부터 방출되는 전자기 에너지를 포함한다. 예를 들어, 방사 전자기장은 일반적으로 안테나와 같은 전기 구조로부터 출발하여 대기 또는 다른 매체를 통해 전파하고, 어떠한 도파관 구조로도 향하지 않는 장이다. 방사 전자기파들이 안테나와 같은 전기 구조로부터 출발하면, 그들은 그들의 소스가 계속 동작하는지에 관계없이 그들이 사라질 때까지 그들의 소스에 관계없이 (공기와 같은) 전파 매체 내에서 계속 전파한다. 전자기파들이 방사되면, 그들은 인터셉트되지 않은 한은 복원될 수 없으며, 인터셉트되지 않은 경우, 방사 전자기파들에 내재하는 에너지는 영원히 손실된다. 안테나와 같은 전기 구조들은 구조 손실 저항에 대한 방사 저항의 비율을 최대화함으로써 전자기장들을 방사하도록 설계된다. 방사 에너지는 공간 내로 확산되며, 수신기의 존재에 관계없이 손실된다. 방사 장들의 에너지 밀도는 기하학적 확산으로 인해 거리의 함수이다. 따라서, 본 명세서에서 용어 "방사"는 본 명세서에서 사용되는 바와 같은 모든 그의 형태들에서 이러한 형태의 전자기 전파를 지칭하는 데 사용된다.

유도 전자기장은 상이한 전자기 특성들을 갖는 매체들 사이의 경계들 내에 또는 근처에 에너지가 집중되는 전파 전자기파이다. 이러한 의미에서, 유도 전자기장은 도파관으로 향하는 전자기장이며, 도파관 내에 흐르는 전류에 의해 운반되는 것으로서 특성화될 수 있다. 유도 전자기파에서 운반되는 에너지를 수신 및/또는 방산할 부하가 존재하지 않는 경우, 유도 매체의 전도에 의해 방산되는 것 외에는 어떠한 에너지도 손실되지 않는다. 즉, 유도 전자기파에 대한 부하가 존재하지 않는 경우, 어떠한 에너지도 소비되지 않는다. 따라서, 유도 전자기장을 생성하는 발전기 또는 다른 소스는 저항성 부하가 존재하지 않는 경우에는 실제 전력을 전달하지 않는다. 이 때문에, 그러한 발전기 또는 다른 소스는 부하가 제공될 때까지 본질적으로 유휴 상태가 된다. 이것은 전기 부하가 존재하지 않는 전력선들을 통해 전송되는 60 헤르츠 전자기파를 생성하도록 발전기를 구동하는 것과 유사하다. 유도 전자기장 또는 전자기파는 "송신선 모드"라고 하는 것과 등가라는 점에 유의해야 한다. 이것은 방사파들을 생성하기 위해 항상 실제 전력이 공급되는 방사 전자기파들과 대조적이다. 방사 전자기파들과 달리, 유도 전자기 에너지는 에너지 소스가 턴오프된 후에 유한 길이 도파관을 따라 계속 전파하지 않는다. 따라서, 용어 "유도"는 본 명세서에서 사용되는 바와 같은 모든 그의 형태들에서 전자기 전파의 이러한 송신 모드를 지칭한다.

방사 및 유도 전자기장들 간의 차이를 더 설명하기 위해, 로그-dB 플롯 상의 킬로미터 단위의 거리의 함수로서의 미터당 볼트 단위의 임의 기준치 이상의 데시벨(dB) 단위의 장 강도의 그래프(100)를 나타내는 도 1을 참조한다. 도 1의 그래프(100)는 유도 전자기장의 장 강도를 거리의 함수로서 나타내는 유도 장 강도 곡선(103)을 도시한다. 이러한 유도 장 강도 곡선(103)은 본질적으로 송신선 모드와 동일하다. 또한, 도 1의 그래프(100)는 방사 전자기장의 장 강도를 거리의 함수로서 나타내는 방사 장 강도 곡선(106)을 도시한다.

방사 및 유도 파 전파에 대한 곡선들(103/106)의 형상들이 중요하다. 방사 장 강도 곡선(106)은 기하학적으로(1/d, 여기서 d는 거리) 떨어지며, 로그-로그 스케일에서 직선이다. 반면, 유도 장 강도 곡선(103)은

의 특성 지수 감쇠를 가지며, 특이한 무릎(109)을 갖는다. 따라서, 도시된 바와 같이, 유도 전자기장의 장 강도는

의 레이트로 떨어지는 반면, 방사 전자기장의 장 강도는

의 레이트로 떨어지며, 여기서 d는 거리이다. 유도 장 강도 곡선(103)이 지수적으로 떨어진다는 사실로 인해, 유도 장 강도 곡선(103)은 전술한 바와 같은 무릎(109)을 특징으로 한다. 유도 장 강도 곡선(103) 및 방사 장 강도 곡선(106)은 교차 거리에서 발생하는 교차점(113)에서 교차한다. 교차 거리보다 작은 거리들에서, 유도 전자기장의 장 강도는 대부분의 위치들에서 방사 전자기장의 장 강도보다 훨씬 더 높다. 교차 거리보다 큰 거리들에서는 그 반대이다. 따라서, 유도 및 방사 장 강도 곡선들(103, 106)은 유도 및 방사 전자기장들 사이의 기본적인 전파 차이를 더 설명한다. 유도 및 방사 전자기장들 사이의 차이에 대한 비공식적인 설명에 대해, Milligan, T., Modern Antenna Design, McGraw-Hill, 1^st Edition, 1985, pp.8-9를 참조하며, 이 논문 전체는 본 명세서에 참고로 포함된다.

전술한 방사 및 유도 전자기파들 간의 차이는 형식적으로 쉽게 표현되며, 엄밀하게 평가된다. 2개의 그러한 다른 해가 하나의 동일한 선형 편미분 방정식, 즉 파동 방정식으로부터 나올 수 있다는 것은 문제에 대해 부과되는 경계 조건들로부터 분석적으로 추정된다. 파동 방정식에 대한 그린(Green) 함수 자체는 방사 및 유도 파들의 특성 간의 차이를 포함한다.

빈 공간에서, 파동 방정식은 고유 함수들이 복소 파수 평면 상의 고유 값들의 연속 스펙트럼을 소유하는 미분 연산자이다. 이러한 횡전자기(TEM) 장은 방사 장이라고 하며, 그러한 전파 장들은 "헤르츠 파들"이라고 한다. 그러나, 전도 경계의 존재시에, 파동 방정식 및 경계 조건들은 연속 스펙트럼 및 개별 스펙트럼들의 합으로 구성되는 파수들의 스펙트럼 표현을 수학적으로 유도한다. 이 때문에, Sommerfeld, A., "Uber die Ausbreitung der Wellen in der Drahtlosen Telegraphie," Annalen der Physik, Vol. 28, 1909, pp. 665-736을 참조한다. 또한, Partial Differential Equations in Physics - Lectures on Theoretical Physics: Volume VI, Academic Press, 1949, pp. 236-289, 295-296에 제6장으로서 발표된 Sommerfeld, A., "Problems of Radio,"; Collin, R. E., "Hertzian Dipole Radiating Over a Lossy Earth or Sea: Some Early and Late 20^th Century Controversies," IEEE Antennas and Propagation Magazine, Vol. 46, No. 2, April 2004, pp. 64-79; 및 Reich, H. J., Ordnung, P.F, Krauss, H.L., and Skalnik, J.G., Microwave Theory and Techniques, Van Nostrand, 1953, pp. 291-293을 참조하며, 이러한 참고 문헌들 각각은 그 전체가 본 명세서에 참고로 포함된다.

위의 내용을 요약하면, 첫째, 분기-절단(branch-cut) 적분들에 대응하는 파수 고유값 스펙트럼의 연속 부분은 방사 장을 생성하며, 둘째, 적분의 경로에 의해 둘러싸인 극들로부터 개별 스펙트럼들 및 대응하는 나머지 합은 논-TEM 이동 표면파들이 전파를 가로지르는 방향으로 지수적으로 감쇠되게 한다. 그러한 표면 파들은 유도 송신선 모드들이다. 추가 설명을 위해, Friedman, B., Principles and Techniques of Applied Mathematics, Wiley, 1956, pp. pp. 214, 283-286, 290, 298-300을 참조한다.

자유 공간에서, 안테나들은 방사 장인 파동 방정식의 연속 고유값들을 여기하며, 여기서 동상인

및

를 갖는 밖으로 전파하는 RF 에너지는 영원히 손실된다. 한편, 도파관 프로브들은 개별 고유값들을 여기하며, 이는 송신선 전파를 유발한다. Collin, R. E., Field Theory of Guided Waves, McGraw-Hill, 1960, pp. 453, 474-477을 참조한다. 그러한 이론적 분석들은 손실 균질 매체의 평면 또는 구면 위에 개방 표면 유도파들을 런칭할 가설적 가능성을 보였지만, 일 세기 이상 동안, 임의의 실용적인 효율로 이것을 달성하기 위한 어떠한 알려진 구조도 엔지니어링 분야에 존재하지 않았다. 불행하게도, 전술한 이론적 분석은 1900년대 초에 출현한 이후로, 본질적으로 이론으로 남았으며, 손실 균질 매체의 평면 또는 구면 위의 개방 표면 유도파들의 런칭을 실용적으로 달성하기 위한 어떠한 알려진 구조도 존재하지 않았다.

본 개시 내용의 다양한 실시예들에 따르면, 손실 전도 매체의 표면을 따라 표면 도파관 모드들의 형태를 합성하는 결과적인 장들을 갖는 방사상 표면 전류들을 여기하도록 구성되는 다양한 다상 도파관 프로브들이 설명된다. 그러한 유도 전자기장들은 크기 및 위상에 있어서 손실 전도 매체의 표면 상의 유도 표면파 모드에 실질적으로 모드 매칭된다. 그러한 유도 표면파 모드는 제넥(Zenneck) 표면파 모드로도 지칭될 수 있다. 본 명세서에서 설명되는 다상 도파관 프로브들에 의해 여기되는 결과적인 장들이 손실 전도 매체의 표면 상의 제넥 표면파 모드에 실질적으로 모드 매칭된다는 사실로 인해, 제넥 표면파 형태의 유도 전자기장은 손실 전도 매체의 표면을 따라 런칭된다. 일 실시예에 따르면, 손실 전도 매체는 지구와 같은 지상 매체를 포함한다.

도 2를 참조하면, 조나단 제넥의 논문 Zenneck, J., "On the Propagation of Plane Electromagnetic Waves Along a Flat Conducting Surface and their Relation to Wireless Telegraphy," Annalen der Physik, Serial 4, Vol. 23, September 20, 1907, pp. 846-866에 설명된 바와 같이 조나단 제넥에 의해 1907년에 도출된 맥스웰 방정식들에 대한 경계값 해의 검사를 제공하는 전파 인터페이스가 도시된다. 도 2는 영역 1로서 지정되는 손실 전도 매체와 영역 2로서 지정되는 절연체 사이의 인터페이스를 따라 방사상으로 전파하는 파들에 대한 원통 좌표들을 나타낸다. 영역 1은 예를 들어 임의의 손실 전도 매체를 포함할 수 있다. 일례에서, 그러한 손실 전도 매체는 지상 매체, 예로서 지구 또는 다른 매체를 포함할 수 있다. 영역 2는 영역 1과 경계 인터페이스를 공유하고 영역 1과 다른 구성 파라미터들을 갖는 제2 매체이다. 영역 2는 예를 들어 임의의 절연체, 예로서 대기 또는 다른 매체를 포함할 수 있다. 그러한 경계 인터페이스에 대한 반사 계수는 복소 브루스터(Brewster) 각도에서의 입사에 대해서만 0이 된다. Stratton, J.A., Electromagnetic Theory, McGraw-Hill, 1941, p. 516을 참조한다.

다양한 실시예들에 따르면, 본 개시 내용은 영역 1을 포함하는 손실 전도 매체의 표면 상의 제넥 표면파 모드에 실질적으로 모드 매칭되는 전자기장들을 생성하는 다양한 다상 도파관 프로브들을 설명한다. 다양한 실시예들에 따르면, 그러한 전자기장들은 0의 반사를 유발하는 손실 전도 매체의 복소 브루스터 각도로 입사되는 파면을 실질적으로 합성한다.

더 설명하면,

장 변화가 가정되고,

이고,

(z는 영역 1의 표면에 수직인 수직 좌표이고, ρ는 원통 좌표들에서의 방사상 차원임)인 영역 2에서, 인터페이스를 따르는 경계 조건들을 맥스웰 방정식들의 제넥의 폐쇄 형태의 정확한 해는 아래의 전기장 및 자기장 성분들에 의해 표현된다.

장 변화가 가정되고,

이고,

인 영역 1에서, 인터페이스를 따르는 경계 조건들을 맥스웰 방정식들의 제넥의 폐쇄 형태의 정확한 해는 아래의 전기장 및 자기장 성분들에 의해 표현된다.

이러한 표현들에서,

는 제2 유형 및 차수

의 복소 인수 핸켈(Hankel) 함수이고,

은 영역 1에서의 양의 수직 방향에서의 전파 상수이고,

는 영역 2에서의 수직 방향에서의 전파 상수이고,

은 영역 1의 전도율이고,

는 2πf와 동일하고, f는 여기 주파수이고,

는 자유 공간의 유전율이고,

은 영역 1의 유전율이고, A는 소스에 의해 부과되는 소스 상수이고, z는 영역 1의 표면에 수직인 수직 좌표이고,

는 표면파 방사상 전파 상수이고, ρ는 방사상 좌표이다.

±z 방향들에서의 전파 상수들은 영역 1과 영역 2 사이의 인터페이스 위 및 아래의 파동 방정식을 분리하고 경계 조건들을 부과함으로써 결정된다.

이러한 과제는 영역 2에서

를 제공하고, 영역 1에서

를 제공한다.

방사상 전파 상수

는 복소 식인

에 의해 주어진다. 위의 식들 모두에서,

이고, 여기서

는 자유 공간의 투자율을 포함하고,

은 영역 1의 상대 유전율을 의미한다. 따라서, 생성되는 표면파는 인터페이스에 평행하게 전파하며, 그에 수직으로 지수적으로 감쇠한다. 이것은 소실로서 알려져 있다.

따라서, 식 1-3은 원통 대칭, 방사상 전파 도파관 모드인 것으로 간주될 수 있다. Barlow, H. M., and Brown, J., Radio Surface Waves, Oxford University Press, 1962, pp. 10-12, 29-33을 참고한다. 본 개시 내용은 이러한 "개방 경계" 도파관 모드를 여기하는 구조들을 상술한다. 구체적으로, 다양한 실시예들에 따르면, 서로에 대해 배치되고, 영역 2와 영역 1 사이의 경계 인터페이스를 따라 런칭되는 표면 도파관 모드의 장들의 상대 위상을 여기하기 위해 전압들 및/또는 전류들을 공급받는 적절한 크기의 전하 단자들을 갖는 다상 도파관 프로브가 제공된다.

더 계속하면, 영역 1과 영역 2 간의 레온토비크(Leontovich) 임피던스 경계 조건이 아래와 같이 정해진다.

여기서,

은 양의 수직(+z) 방향에서의 단위 법선이고,

는 위의 식 1에 의해 표현되는 영역 2에서의 자기장 강도이다. 식 12는 식 1-3에서 지정된 장들이 경계 인터페이스를 따라 방사상 표면 전류 밀도를 구동함으로써 획득될 수 있다는 것을 의미하며, 그러한 방사상 표면 전류 밀도는 아래 식에 의해 지정된다.

여기서, A는 아직 결정되지 않은 상수이다. 또한, 다상 도파관 프로브 근처에서(ρ<<λ에 대해), 위의 식 13은 아래와 같은 거동을 갖는다.

음의 부호에 주목하기를 원할 수 있다. 이것은 소스 전류가 수직 상향으로 흐를 때, 필요한 "근접" 그라운드 전류가 방사상으로 안쪽으로 흐른다는 것을 의미한다. "가까운"

에 대한 장 매칭에 의해, 식 1-6 및 13에서 다음을 발견한다.

따라서, 식 13은 다음과 같이 다시 표현될 수 있다.

이어서, 도 3을 참조하면, 수직축(z)을 따라 배열된 전하 단자(T₁) 및 전하 단자(T₂)를 포함하는 다상 도파관 프로브(200)의 일례가 도시된다. 다상 도파관 프로브(200)는 본 개시 내용의 일 실시예에 따라 손실 전도 매체(203) 위에 배치된다. 손실 전도 매체(203)는 일 실시예에 따라 영역 1(도 2)을 구성한다. 게다가, 제2 매체(206)가 손실 전도 매체(203)와 경계 인터페이스를 공유하며, 영역 2(도 2)를 구성한다. 다상 도파관 프로브(200)는 후속 도면들을 참조하여 더 상세히 설명되는 바와 같이 여기 소스(213)를 전하 단자들(T₁, T₂)에 결합하는 프로브 결합 회로(209)를 포함한다.

전하 단자들(T₁, T₂)은 손실 전도 매체(203) 위에 배치된다. 전하 단자(T₁)는 커패시터로 간주될 수 있고, 전하 단자(T₂)는 본 명세서에서 설명되는 바와 같이 대응하는 또는 하위 커패시터를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 전하 단자(T₁)는 높이(H₁)에 배치되고, 전하 단자(T₂)는 높이(H₂)에서 수직축을 따라 T₁ 바로 아래 배치되며, H₂는 H₁보다 작다. 다상 도파관 프로브(200)에 의해 제공되는 송신 구조의 높이(h)는 h = H₁ - H₂이다. 위의 설명이 주어지면, 손실 전도 매체의 표면 상의 방사상 제넥 표면 전류(

)의 점근선들을 가까운(close-in)

및 먼(far-out)

인 것으로 결정할 수 있으며,

여기서,

은 제1 전하 단자(T₁) 상에 전하(

)를 공급하는 전도 전류이고,

는 제2 전하 단자(T₂) 상에 전하(

)를 공급하는 전도 전류이다. 상부 전하 단자(T₁) 상의 전하(

)는

에 의해 결정되며, 여기서

은 전하 단자(T₁)의 격리된 용량이다. 전술한

에 대한 제3 성분이

로 주어지며, 이는 레온토비크 경계 조건으로부터 추정되고, 제1 전하 단자 상의 상승된 발진 전하(

)의 의사 정적 장에 의해 펌핑되는 손실 전도 매체(203) 내의 방사상 전류 기여라는 점에 유의한다. 양

은 손실 전도 매체의 방사상 임피던스이며, 여기서

이다.

식 17 및 18에 의해 설명되는 바와 같은 가까운 그리고 먼 방사상 전류를 나타내는 점근선들은 복소 양들이다. 다양한 실시예들에 따르면, 물리 표면 전류(

)는 크기 및 위상에 있어서 전류 점근선들에 가능한 한 밀접하게 매칭되도록 합성된다. 즉, 가까운

은

에 접해야 하며, 먼

은

에 접해야 한다. 또한, 다양한 실시예들에 따르면,

의 위상은 가까운

의 위상으로부터 먼

의 위상으로 전이해야 한다.

일 실시예에 따르면, 본 명세서에서 설명되는 다상 도파관 프로브의 다양한 실시예들 중 임의의 실시예가 적절히 조정되는 경우, 이러한 구성은 제넥에 대한 적어도 근사한 크기 및 위상 매치를 제공하고, 제넥 표면파들을 런칭할 것이다. 먼 위상(

)은

인

의 위상으로 인해

에 대응하는 전파 위상 + 고정 "위상 부스트"에 비례한다는 점에 유의해야 한다.

여기서,

는 위의 식 9에서 표현되며, 손실 전도 매체 상의 송신 위치에서의

및

에 대한 값들 및 2개의 복소 루트를 갖는 동작 주파수(f)(

)에 따라, 통상적으로 약 45도 또는 225도 정도이다. 즉, 제넥 표면파를 런칭하도록 송신 위치에서 제넥 표면파 모드에 매칭시키기 위해, 먼 표면 전류(

)의 위상은

에 대응하는 전파 위상 + 약 45도 또는 225도의 상수만큼 가까운 표면 전류(

)의 위상과 달라야 한다. 이것은

에 대한 2개의 루트, 즉 하나의 가까운

및 하나의 가까운

가 존재하기 때문이다. 적절히 조정된 합성 방사상 표면 전류는 다음과 같다.

맥스웰 방정식들에 의해, 그러한

표면 전류는 아래 식에 따르는 장들을 자동으로 생성한다.

따라서, 매칭될 제넥 표면파 모드에 대한 먼 표면 전류(

)와 가까운 표면 전류(

) 간의 위상차는 전술한 식 20-23의 핸켈 함수들의 고유 특성들에 기인한다. 식 1-6 및 20에 의해 표현되는 장들은 그라운드 파 전파와 관련된 바와 같은 방사 장들이 아니라, 손실 인터페이스와 관련된 송신선 모드의 특성을 갖는다는 것을 인식하는 것이 중요하다. Barlow, H. M. and Brown, J., Radio Surface Waves, Oxford University Press, 1962, pp. 1-5를 참고한다. 이러한 장들은 0의 반사에 대한 복소 브루스터 각도 요구를 자동으로 충족시키며, 이는 아래에 제공되는 실험 결과들에서 확인되고 지지되는 바와 같이 방사가 무시되는 반면에 표면 유도파 전파가 극적으로 향상된다는 것을 의미한다.

이 시점에서, 식 20-23에서 사용된 핸켈 함수들의 특성의 검토가 파동 방정식의 이러한 해들의 특수성에 대한 강조와 함께 제공된다. 제1 및 제2 유형 및 차수 n의 핸켈 함수들은 제1 및 제2 유형의 표준 베셀(Bessel) 함수들의 복소 조합들로서 정의된다.

이러한 함수들은 방사상 안쪽으로(위첨자 (1)) 그리고 바깥쪽으로(위첨자 (2)) 전파하는 원통파들을 나타낸다. 이러한 정의는

와 유사하다. 예를 들어, Harrington, R.F., Time-Harmonic Fields, McGraw-Hill, 1961, pp. 460-463을 참고한다.

가 나가는 파라는 것은

및

의 시리즈 정의들로부터 직접 획득되는 그의 큰 인수 점근선 거동으로부터 쉽게 인식된다.

이 식은

과 곱해질 때

공간 변화를 갖는

형태의 밖으로 전파하는 원통파이다. 지수 성분의 위상은

이다. 아래 식도 명백하며,

핸켈 함수들의 더 유용한 특성은 아래와 같이 표현되며,

이 식은 Jahnke, E., and F. Emde, Tables of Functions, Dover, 1945, p. 145에 의해 설명된다.

게다가, 밖으로 전파하는 핸켈 함수의 작은 인수 및 큰 인수 점근선들은 아래와 같다.

이러한 점근선 표현들은 복소 양들이라는 점에 유의한다. 또한, 통상의 사인 함수들과 달리, 복소 핸켈 함수들의 거동은 원점에서 가까울 때와 멀 때가 다르다. x가 실제 양일 때, 식 29 및 30은 45도의 추가 위상 진행 또는 "위상 부스트" 또는 등가로서 λ/8에 대응하는

만큼 위상이 다르다.

도 4를 참조하면,

(도 3)과

(도 3) 간의 위상 전이를 더 설명하기 위해, 다상 도파관 프로브(200)(도 3)의 위치에 대한 가까운 표면 전류(

) 및 먼 표면 전류(

)의 위상들의 예가 도시된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 3개의 상이한 관측점(

,

,

)이 존재한다. 전이 영역은 관측점(

)과 관측점(

) 사이에 위치한다. 관측점(

)은 다상 도파관 프로브(200)의 위치에 위치한다. 관측점(

)은 전이 영역(216)과 관측점(

) 사이에 관측점(

)을 배치하는 관측점(

)으로부터의 거리(

)에 "가깝게" 위치한다. 관측점(

)은 도시된 바와 같이 전이 영역 216을 넘는 관측점(

)으로부터의 거리(

)에 "멀리" 위치한다.

관측점(

)에서, 방사상 전류(J)의 크기 및 위상은

으로 표현된다. 관측점(

)에서, 방사상 전류(J)의 크기 및 위상은

로 표현되며, 여기서

의 위상 시프트는 관측점들(

,

) 사이의 거리(

)에 기인할 수 있다. 관측점(

)에서, 방사상 전류(J)의 크기 및 위상은

로 표현되며, 여기서

의 위상 시프트는 관측점들(

,

) 사이의 거리(

) 및 전이 영역(216)에서 발생하는 추가 위상 시프트에 기인할 수 있다. 추가 위상 시프트(

)는 전술한 바와 같은 핸켈 함수의 특성으로서 발생한다.

위의 내용은 다상 도파관 프로브(200)가 가까운 표면 전류(

)를 생성한 후에 먼

전류로 전이한다는 사실을 반영한다. 전이 영역(216)에서, 제넥 표면 도파관 모드의 위상은 약 45도 또는

만큼 전이한다. 이러한 전이 또는 위상 시프트는 "위상 부스트"로서 간주될 수 있는데, 그 이유는 제넥 표면 도파관 모드의 위상이 전이 영역(216)에서 45도만큼 진행하는 것으로 나타나기 때문이다. 전이 영역(216)은 동작 주파수의 파장의 1/10 미만의 어느 곳에선가 발생하는 것으로 나타난다.

도 3을 다시 참조하면, 일 실시예에 따르면, 적절한 방사상 표면 전류 분포를 런칭하는 다상 도파관 프로브가 생성될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 제넥 도파관 모드가 방사상 방향으로 생성된다. 식 20에 의해 주어지는 J(r)이 생성될 수 있는 경우, 이것은 제넥 표면파들을 자동 런칭할 것이다.

게다가, 도 3에 도시된 하나의 예시적인 다상 도파관 프로브의 전하 단자들(T₁, T₂) 상의 전하들(Q₁, Q₂)의 전하 이미지들(Q₁', Q₂')에 관한 추가 설명이 제공된다. 손실 전도 매체에 관한 분석은 본 명세서에서 설명되는 바와 같은 전하 저장소들(T₁, T₂) 상의 전하들(Q₁, Q₂)과 일치하는 다상 도파관 프로브들 아래의 유도 유효 이미지 전하들(Q₁', Q₂')의 존재를 가정한다. 이러한 이미지 전하들(Q₁', Q₂')도 분석에서 고려되어야 한다. 이러한 이미지 전하들(Q₁', Q₂')은 완전한 도체의 경우에서와 같이 전하 저장소들(T₁, T₂) 상의 주요 소스 전하들(Q₁, Q₂)에 대해 단지 180도 위상이 다른 것이 아니다. 예를 들어 지상 매체와 같은 손실 전도 매체는 위상 시프트된 이미지들을 제공한다. 즉, 이미지 전하들(Q₁', Q₂')은 복소 깊이들에 있다. 복소 이미지들의 설명에 대해, Wait, J. R., "Complex Image Theory―Revisited," IEEE Antennas and Propagation Magazine, Vol. 33, No. 4, August 1991, pp. 27-29를 참고하며, 그 전체는 본 명세서에 참고로 포함된다.

이미지 전하들(Q₁', Q₂')이 전하들(Q₁, Q₂)의 높이와 동일한 깊이(즉,

)에 있는 대신에, 전도 미러(215)가 깊이 z = -d/2에 배치되고, 이미지 자체는

에 의해 주어지는 "복소 거리"(즉, "거리"는 크기 및 위상 양자를 가짐)에 나타나며, 여기서 n = 1, 2이고, 수직 분극 소스들에 대해,

이고,

이고,

이다.

또한, 이미지 전하들(Q₁', Q₂')의 복소 간격은 외부 장들이 인터페이스가 무손실 유전체 또는 완전한 도체일 때 겪지 않는 추가 위상 시프트를 겪을 것이라는 것을 암시한다. 손실 유전체 이미지-이론 기술의 본질은 유한 전도 지구(또는 손실 유전체)를 복소 깊이 z = -d/2에 위치하는 완전한 도체로 대체하는 것이다. 이어서, 소스 이미지가 복소 깊이

에 배치되며, 여기서 n = 1, 2이다. 이어서, (z = +h에서의) 물리 전하와 (z' = -D에서의) 그의 이미지의 중첩을 이용하여 그라운드(z≥0) 위의 장들을 계산할 수 있다. 복소 깊이들에서의 전하 이미지들(Q₁', Q₂')은 위의 식 20 및 21에서 지정된 원하는 전류 위상들의 획득을 실제로 돕는다.

위의 식 2 및 3으로부터, 영역 2에서의

에 대한

의 비율은 아래 식에 의해 주어진다는 점에 유의한다.

또한, 점근적으로,

라는 점에 유의해야 한다.

결과적으로, 식 2 및 3으로부터,

인 것으로 추정된다.

여기서

는 복소 브루스터 각도이다. 소스 분포들을 조정하고, 손실 전도 매체(203)의 표면에서 복소 브루스터 각도 조명을 합성함으로써, 제넥 표면파들이 여기될 수 있다.

도 5를 참조하면, 입사 평면에 평행하게 분극된 입사 장(E)이 도시된다. 전기장 벡터(E)는 입사 평면에 평행하게 분극된 들어오는 불균일 평면파로서 합성되어야 한다. 전기장 벡터(E)는 아래와 같이 독립적인 수평 및 수직 성분들로부터 생성될 수 있다.

기하학적으로, 도 5의 도면은 다음을 암시한다.

<수학식 38a>

<수학식 38b>

이는 장 비율이 다음과 같다는 것을 의미한다.

그러나, 식 36으로부터 다음을 상기하며,

따라서, 제넥 표면파에 대해,

인 것을 필요로 하며, 이는 다음을 유발한다.

이러한 식들은, 복소 장 비율의 크기 및 입사 평면에 평행한 평면 내의 입사 수직 및 수평 성분들(

,

) 간의 상대 위상을 제어하는 경우에, 합성된 E 장 벡터가 복소 브루스터 각도로 유효하게 입사될 것이라는 것을 의미한다. 그러한 상황은 영역 1과 영역 2 사이의 인터페이스 위에 제넥 표면파를 합성적으로 여기할 것이다.

도 6을 참조하면, 본 개시 내용의 일 실시예에 따른, 손실 전도 매체(203) 위에 배치된 다상 도파관 프로브(200)의 다른 도면이 도시된다. 손실 전도 매체(203)는 일 실시예에 따라 영역 1(도 2)을 구성한다. 게다가, 제2 매체(206)가 손실 전도 매체(203)와 경계 인터페이스를 공유하며, 영역 2(도 2)를 구성한다.

일 실시예에 따르면, 손실 전도 매체(203)는 행성 지구와 같은 지상 매체를 포함한다. 이 때문에, 그러한 지상 매체는 자연적인지 또는 인위적인지에 관계없이 그 위에 포함된 모든 구조들 또는 형성물들을 포함한다. 예를 들어, 그러한 지상 매체는 바위, 흙, 모래, 민물, 바닷물, 나무, 식물, 및 우리의 행성을 구성하는 모든 다른 자연 요소들과 같은 자연 요소들을 포함할 수 있다. 게다가, 그러한 지상 매체는 콘크리트, 아스팔트, 빌딩 재료들 및 다른 인조 재료들과 같은 인조 요소들을 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 손실 전도 매체(203)는 자연 발생적인지 또는 인위적인지에 관계없이 지구와 다른 소정의 매체를 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 손실 전도 매체(203)는 다른 매체들, 예로서 인조 표면들 및 구조들, 예로서 자동차, 비행기, 인조 재료(합판, 플라스틱 시팅 또는 다른 재료 등) 또는 다른 매체들을 포함할 수 있다.

손실 전도 매체(203)가 지상 매체 또는 지구를 포함하는 경우, 제2 매체(206)는 그라운드 위의 대기를 포함할 수 있다. 따라서, 대기는 지구의 대기를 구성하는 공기 및 다른 요소들을 포함하는 "대기 매체"로서 지칭될 수 있다. 게다가, 제2 매체(206)는 손실 전도 매체(203)에 상대적인 다른 매체들을 포함할 수 있는 것이 가능하다.

다상 도파관 프로브(200)는 한 쌍의 전하 단자(T₁, T₂)를 포함한다. 2개의 전하 단자(T₁,T₂)가 도시되지만, 2개의 전하 단자(T₁, T₂)보다 많은 전하 단자가 존재할 수 있다는 것을 이해한다. 일 실시예에 따르면, 전하 단자들(T₁, T₂)은 손실 전도 매체(203)에 의해 제공되는 평면에 수직인 수직축(z)을 따라 손실 전도 매체(203) 위에 배치된다. 이와 관련하여, 전하 단자(T₁)는 전하 단자(T₂) 위에 바로 배치되지만, 2개 이상의 전하 단자(T_N)의 소정의 다른 배열이 사용될 수 있는 것이 가능하다. 다양한 실시예들에 따르면, 각각의 전하 단자(T₁, T₂) 상에 전하들(Q₁, Q₂)이 부과될 수 있다.

전하 단자들(T₁ 및/또는 T₂)은 전하를 유지할 수 있는 임의의 전도 질량을 포함할 수 있다. 전하 단자(T₁)는 자기 용량(C₁)을 가지며, 전하 단자(T₂)는 자기 용량(C₂)을 갖는다. 전하 단자들(T₁ 및/또는 T₂)은 임의의 형상, 예컨대 구, 원반, 원통, 원뿔, 원환, 무작위화된 형성 또는 임의의 다른 형상을 포함할 수 있다. 전하 단자들(T₁, T₂)은 동일할 필요가 없으며, 각자 개별 크기 및 형상을 가질 수 있고, 상이한 전도 재료들을 포함할 수 있다는 점에도 유의한다. 일 실시예에 따르면, 전하 단자(T₁)의 형상은 실질적으로 가능한 한 많은 전하를 유지하도록 지정된다. 궁극적으로, 다상 도파관 프로브(200)에 의해 런칭되는 제넥 표면파의 장 강도는 단자(T₁) 상의 전하의 양에 정비례한다.

전하 단자들(T₁ 및/또는 T₂)이 구 또는 원반인 경우, 각각의 자기 용량(C₁, C₂)이 계산될 수 있다. 예컨대, 격리된 도체 구의 자기 용량은

이며, 여기서 r은 미터 단위의 구의 반경을 의미한다. 격리된 원반의 자기 용량은

이며, 여기서 r은 미터 단위의 원반의 반경을 의미한다.

따라서, 전하 단자(T₁) 상에 저장된 전하(Q₁)는 전하 저장소(T₁)의 자기 용량(C₁) 및 전하 단자(T₁)에 인가되는 전압(V)이 주어질 경우에

로서 계산될 수 있다.

도 6을 더 참조하면, 일 실시예에 따르면, 다상 도파관 프로브(200)는 전하 단자들(T₁, T₂)에 결합되는 프로브 결합 회로(209)를 포함한다. 프로브 결합 회로(209)는 전하 단자들(T₁, T₂)에 대한 여기 소스(213)의 결합을 촉진하며, 주어진 동작 주파수에 대한 전하 단자들(T₁, T₂) 상의 각각의 전압 크기 및 위상의 생성을 촉진한다. 2개보다 많은 전하 단자(T_N)가 사용되는 경우, 프로브 결합 회로(209)는 서로에 대한 각각의 전하 단자(T_N) 상의 다양한 전압 크기들 및 위상들의 생성을 촉진하도록 구성될 것이다. 다상 도파관 프로브(200)의 실시예에서, 프로브 결합 회로(209)는 설명되는 바와 같은 다양한 회로 구성들을 포함한다.

일 실시예에서, 프로브 결합 회로(209)는 다상 도파관 프로브(200)로 하여금 전기적으로 반파 공진하게 하도록 지정된다. 이것은 임의의 주어진 시간에 단자들 중 제1 단자(T₁ 또는 T₂) 상에 전압 +V를 그리고 전하 단자들 중 제2 단자(T₁ 또는 T₂) 상에 -V를 부과한다. 그러한 경우에, 각각의 전하 단자(T₁, T₂) 상의 전압들은 인식할 수 있듯이 위상이 180도 다르다. 각각의 전하 단자(T₁, T₂) 상의 전압들이 180도만큼 위상이 다른 경우, 전하 단자들(T₁, T₂) 상에서 가장 큰 전압 크기 차이를 겪는다. 대안으로서, 프로브 결합 회로(209)는 전하 단자들(T₁, T₂) 사이의 위상차가 180도와 다르게 하도록 구성될 수 있다. 이 때문에, 프로브 결합 회로(209)는 다상 도파관 프로브(200)의 조정 동안 전압 크기들 및 위상들을 변경하도록 조정될 수 있다.

전하 단자(T₂) 바로 위의 전하 단자(T₁)의 배치로 인해, 전하 단자들(T₁, T₂) 사이에 상호 용량(C_M)이 생성된다. 또한, 전술한 바와 같이, 전하 단자(T₁)는 자기 용량(C₁)을 가지며, 전하 단자(T₂)는 자기 용량(C₂)을 갖는다. 전하 단자들(T₁, T₂)의 각각의 높이에 따라, 전하 단자(T₁)와 손실 전도 매체(203) 사이의 결합 용량 및 전하 단자(T₂)와 손실 전도 매체(203) 사이의 결합 용량도 존재할 수 있다. 상호 용량(C_M)은 전하 단자들(T₁, T₂) 간의 거리에 의존한다.

궁극적으로, 다상 도파관 프로브(200)에 의해 생성되는 장 강도는 상부 단자(T₁) 상에 부과되는 전하(Q₁)의 크기에 정비례할 것이다. 전하(Q₁)는 또한

이므로 전하 단자(T₁)와 관련된 자기 용량(C₁)에 비례하며, 여기서 V는 전하 단자(T₁) 상에 부과되는 전압이다.

일 실시예에 따르면, 여기 소스(213)가 프로브 결합 회로(209)에 결합되어, 다상 도파관 프로브(200)에 신호를 인가한다. 여기 소스(213)는 다상 도파관 프로브(200)에 인가되는 동작 주파수에서의 전압 또는 전류를 생성할 수 있는 전압 또는 전류 소스와 같은 임의의 적절한 전기 소스일 수 있다. 이 때문에, 여기 소스(213)는 예를 들어 발전기, 기능 발전기, 송신기 또는 다른 전기 소스를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 여기 소스(213)는 설명되는 바와 같이 자기 결합, 용량 결합 또는 전도 결합(직접 탭)을 통해 다상 도파관 프로브(200)에 결합될 수 있다. 일부 실시예들에서, 프로브 결합 회로(209)는 손실 전도 매체(203)에 결합될 수 있다. 또한, 다양한 실시예들에서, 여기 소스(213)는 설명되는 바와 같이 손실 전도 매체(203)에 결합될 수 있다.

게다가, 일 실시예에 따르면, 본 명세서에서 설명되는 다상 도파관 프로브(200)는 그의 방사 저항(

)이 매우 작거나 심지어는 무시 가능하다는 특성을 갖는다는 점에 유의해야 한다. 방사 저항(

)은 안테나로부터 궁극적으로 방사되는 것과 동일한 전력량을 방산하는 등가 저항이라는 것을 상기해야 한다. 다양한 실시예들에 따르면, 다상 도파관 프로브(200)는 유도 전자기파인 제넥 표면파를 런칭한다. 다양한 실시예들에 따르면, 본 명세서에서 설명되는 다상 도파관 프로브들은 방사 저항(

)을 거의 갖지 않는데, 그 이유는 그러한 다상 도파관 프로브들의 높이가 통상적으로 그들의 동작 파장들에 비해 작기 때문이다. 즉, 일 실시예에 따르면, 본 명세서에서 설명되는 다상 도파관 프로브들은 "전기적으로 작다". 본 명세서에서 고려되는 바와 같이, "전기적으로 작다"는 표현은 λ/2π와 동일한 반경을 갖는 구에 의해 구 형태로 둘러싸일 수 있는 본 명세서에서 설명되는 다상 도파관 프로브들의 다양한 실시예들과 같은 구조로서 정의되며, 여기서 λ는 자유 공간 파장이다. Fujimoto, K., A. Henderson, K. Hirasawa, and J.R. James, Small Antennas, Wiley, 1987, p. 4를 참고한다.

더 설명하면, 짧은 단극 안테나에 대한 방사 저항(

)은 아래 식에 의해 표현될 수 있다.

여기서, 짧은 단극 안테나는 균일한 전류 분포를 갖는 높이(h)를 가지면,

는 동작 주파수에서의 파장이다. Stutzman, W.L. et al., "Antenna Theory and Design," Wiley & Sons, 1981, p. 93을 참조한다.

방사 저항(

)의 값이

의 함수로서 결정되는 경우, 구조의 높이(h)가 동작 주파수에서의 동작 신호의 파장에 비해 작은 경우, 방사 저항(

)도 작을 것으로 추정된다. 일례로서, 송신 구조의 높이(h)가 동작 주파수에서의 동작 신호의 파장의 10%인 경우,

의 결과적인 값은 (.1)² = .01일 것이다. 따라서, 방사 저항(

)도 작을 것으로 추정될 것이다.

따라서, 다양한 실시예들에 따르면, 송신 구조의 유효 높이(h)가

이하인 경우(

는 동작 주파수에서의 파장), 방사 저항(

)은 비교적 작을 것이다. 후술하는 다상 도파관 프로브들(200)의 다양한 실시예들에 대해, 송신 구조의 높이(h)는

로서 계산될 수 있으며, 여기서

은 전하 단자(T₁)의 높이이고,

는 전하 단자(T₂)의 높이이다. 본 명세서에서 설명되는 다상 도파관 프로브들(200)의 각각의 실시예에 대한 송신 구조의 높이(h)는 유사한 방식으로 결정될 수 있다는 것을 알아야 한다.

가 하나의 벤치마크로서 제공되지만, 동작 주파수에서의 동작 신호의 파장에 대한 송신 구조의 높이(h)의 비율은 임의 값일 수 있다는 것을 이해한다. 그러나, 주어진 동작 주파수에서, 주어진 송신 구조의 높이가 증가할 때, 그에 따라 방사 저항(

)도 증가할 것이라는 것을 이해한다.

높이 및 동작 주파수에서의 동작 신호의 파장에 대한 실제 값들에 따라, 방사 저항(

)은 제넥 표면파의 런칭과 더불어 소정량의 방사가 발생할 수 있게 하는 값을 가질 수 있는 것이 가능하다. 이 때문에, 다상 도파관 프로브(200)는 방사의 형태로 에너지가 거의 또는 전혀 손실되지 않는 것을 보증하기 위해 동작 주파수에서의 파장에 비해 짧은 높이(h)를 갖도록 구성될 수 있다.

게다가, 수직축(z)을 따른 전하 저장소들(T₁, T₂)의 배치는 전술한 식 20-23의 핸켈 함수들에 의해 설명되는 바와 같이 다상 도파관 프로브(200)에 의해 런칭되는 제넥 표면파에서 대칭을 제공한다. 다상 도파관 프로브(200)는 손실 전도 매체(203)의 표면을 구성하는 평면에 수직인 수직축(z)을 따라 2개의 전하 저장소(T₁, T₂)를 갖는 것으로 도시되지만, 원하는 대칭을 또한 제공하는 다른 구성들이 이용될 수 있다는 것을 이해한다. 예를 들어, 추가적인 전하 저장소들(T_N)이 수직축(z)을 따라 배치될 수 있거나, 소정의 다른 배열이 이용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 송신의 대칭은 필요하지 않을 수 있다. 그러한 경우에, 전하 저장소들(T_N)은 대안적인 송신 분포 패턴을 제공하기 위해 수직축(z)을 따르는 것과 다른 구성으로 배열될 수 있다.

사전 정의된 동작 주파수에서 동작하도록 적절히 조정될 때, 다상 도파관 프로브(200)는 손실 전도 매체(203)의 표면을 따라 제넥 표면파를 생성한다. 이 때문에, 구조를 여기하기 위해 다상 도파관 프로브(200)에 인가되는 사전 정의된 주파수의 전기 에너지를 생성하기 위해 여기 소스(213)가 사용될 수 있다. 여기 소스(213)로부터의 에너지는 손실 전도 매체(203)에 또한 결합되거나 다상 도파관 프로브(200)의 유효 송신 범위 내에 위치하는 하나 이상의 수신기로 다상 도파관 프로브(200)에 의해 제넥 표면파의 형태로 전송된다. 따라서, 에너지는 표면 도파관 모드 또는 유도 전자기장인 제넥 표면파의 형태로 운반된다. 고전압선들을 이용하는 현대의 전력 그리드들과 관련하여, 제넥 표면파는 송신선 모드를 포함한다.

따라서, 다상 도파관 프로브(200)에 의해 생성되는 제넥 표면파는 위에서 설명된 용어들의 의미에 따라 방사파가 아니라 유도파이다. 제넥 표면파는 다상 도파관 프로브(200)가 손실 전도 매체(203)의 표면 상의 제넥 표면파 모드에 실질적으로 모드 매칭되는 전자기장들을 생성한다는 사실로 인해 런칭된다. 다상 도파관 프로브(200)에 의해 생성되는 전자기장들이 그와 같이 실질적으로 모드 매칭될 때, 전자기장들은 거의 또는 전혀 반사를 유발하지 않는 손실 전도 매체(203)의 복소 브루스터 각도로 입사하는 파면을 실질적으로 합성한다. 다상 도파관 프로브(200)가 제넥 표면파 모드에 실질적으로 모드 매칭되지 않는 경우, 손실 전도 매체(203)의 복소 브루스터 각도가 달성되지 않았을 것이므로, 제넥 표면파가 런칭되지 않을 것이라는 점에 유의한다.

손실 전도 매체(203)가 지구와 같은 지상 매체를 포함하는 경우, 제넥 표면파 모드는 위의 식 1-11에서 지시되는 바와 같이 다상 도파관 프로브(200)가 위치하는 장소의 유전율(

) 및 전도율(

)에 의존할 것이다. 따라서, 위의 식 20-23의 핸켈 함수들의 위상은 런칭 장소에서의 이러한 구성 파라미터들에 그리고 동작 주파수에 의존한다.

제넥 표면파 모드와 관련된 장들을 여기하기 위해, 일 실시예에 따르면, 다상 도파관 프로브(200)는 전술한 식 20에 의해 표현되는 바와 같이 제넥 표면파의 손실 전도 매체 상의 방사상 표면 전류 밀도를 실질적으로 합성한다. 이것이 발생할 때, 전자기장들은 손실 전도 매체(203)의 표면 상의 제넥 표면파 모드에 실질적으로 또는 대략 모드 매칭된다. 이 때문에, 매치는 실행 가능한 한 밀접해야 한다. 일 실시예에 따르면, 전자기장들이 실질적으로 매칭되는 이러한 제넥 표면파 모드는 전술한 식 21-23에서 표현된다.

제넥 표면파 모드의 손실 전도 매체 내의 방사상 표면 전류 밀도를 합성하기 위해, 다상 도파관 프로브(200)의 전기적 특성들은 주어진 동작 주파수에 대해 그리고 송신 위치의 전기적 특성들이 주어지는 경우에 전하 단자들(T₁, T₂) 상에 적절한 전압 크기들 및 위상들을 부과하도록 조정되어야 한다. 2개보다 많은 전하 단자(T_N)가 사용되는 경우, 적절한 전압 크기들 및 위상들은 각각의 전하 단자(T_N)에 대해 부과되는 것이 필요하며, 여기서 N은 사실상 전하 단자들의 연속체를 포함하는 매우 큰 수일 수도 있다.

주어진 위치에서 다상 도파관 프로브(200)의 주어진 설계에 대해 적절한 전압 크기들 및 위상들을 획득하기 위해, 반복 접근법이 이용될 수 있다. 구체적으로, 생성되는 방사상 표면 전류 밀도를 결정하기 위해 단자들(T₁, T₂)에 대한 공급 전류들, 전하 단자들(T₁, T₂) 상의 전하들 및 손실 전도 매체(203) 내의 그들의 이미지들을 고려하여 다상 도파관 프로브(200)의 주어진 여기 및 구성에 대한 분석이 수행될 수 있다. 이러한 프로세스는 주어진 다상 도파관 프로브(200)에 대한 최적 구성 및 여기가 원하는 파라미터들에 기초하여 결정될 때까지 반복적으로 수행될 수 있다. 주어진 다상 도파관 프로브(200)가 최적 레벨에서 동작하고 있는지를 결정하는 것을 돕기 위해, 다상 도파관 프로브(200)의 위치에서의 영역 1의 전도율

및 영역 1의 유전율

에 대한 값들에 기초하여 위의 식 1-11을 이용하여 유도 장 강도 곡선(103)(도 1)이 생성될 수 있다. 그러한 유도 장 강도 곡선(103)은 최적 송신이 달성되었는지를 결정하기 위해 측정된 장 강도들이 유도 장 강도 곡선(103)에 의해 지시되는 크기들과 비교될 수 있게 하는 동작에 대한 벤치마크를 제공할 것이다.

최적화된 다상 도파관 프로브(200)에 도달하기 위해, 다상 도파관 프로브(200)와 관련된 다양한 파라미터들이 조정될 수 있다. 즉, 다상 도파관 프로브(200)와 관련된 다양한 파라미터들은 다상 도파관 프로브(200)를 원하는 동작 구성으로 조정하도록 변경될 수 있다.

다상 도파관 프로브(200)를 조정하기 위해 변경될 수 있는 하나의 파라미터는 손실 전도 매체(203)의 표면에 대한 전하 단자들(T₁ 및/또는 T₂) 중 하나 또는 양자의 높이이다. 게다가, 전하 단자들(T₁, T₂) 간의 거리 또는 간격도 조정될 수 있다. 그에 따라, 인식될 수 있는 바와 같이 전하 단자들(T₁, T₂)과 손실 전도 매체(203) 간의 상호 용량(C_M) 또는 임의의 결합 용량들을 최소화하거나 다른 방식으로 변경할 수 있다.

대안으로서, 조정될 수 있는 다른 파라미터는 각각의 전하 단자(T₁ 및/또는 T₂)의 크기이다. 인식될 수 있는 바와 같이, 전하 단자들(T₁ 및/또는 T₂)의 크기를 변경함으로써, 각각의 자기 용량(C₁ 및/또는 C₂) 및 상호 용량(C_M)이 변경될 것이다. 또한, 전하 단자들(T₁, T₂)과 손실 전도 매체(203) 간에 존재하는 임의의 결합 용량들이 변경될 것이다. 따라서, 전하 단자들(T₁, T₂)에 대한 전압 크기들 및 위상들이 변경된다.

또한, 조정될 수 있는 다른 파라미터는 다상 도파관 프로브(200)와 관련된 프로브 결합 회로(209)이다. 이것은 프로브 결합 회로(209)를 구성하는 유도 및/또는 용량 리액턴스들의 크기를 조정함으로써 달성될 수 있다. 예를 들어, 그러한 유도 리액턴스들이 코일들을 포함하는 경우, 그러한 코일들 상의 권선들의 수가 조정될 수 있다. 궁극적으로, 프로브 결합 회로(209)에 대한 조정은 프로브 결합 회로(209)의 전기적 길이를 변경하여, 전하 단자들(T₁, T₂)에 대한 전압 크기들 및 위상들에 영향을 주도록 행해질 수 있다.

다상 도파관 프로브(200)에 인가되는 여기 소스(213)의 주파수를 조정하여, 제넥 표면파의 송신을 최적화할 수도 있다. 그러나, 주어진 주파수에서 송신하기를 원하는 경우, 송신을 최적화하기 위해 다른 파라미터들을 조정하는 것이 필요할 것이다.

다양한 조정을 행함으로써 수행되는 송신의 반복은 인식될 수 있는 바와 같이 컴퓨터 모델들을 이용하여 또는 물리 구조들을 조정하여 구현될 수 있다는 점에 유의한다. 하나의 접근법에서, 송신 주파수로 튜닝되는 장 계측기가 다상 도파관 프로브(200)로부터 적절한 거리에 배치될 수 있으며, 전술한 바와 같이 결과적인 제넥 표면파의 최대 또는 임의의 다른 원하는 장 강도가 검출될 때까지 조정들이 행해질 수 있다. 이 때문에, 장 강도는 단자들(T₁, T₂)에 대한 원하는 동작 주파수 및 전압들에서 생성된 유도 장 강도 곡선(103)(도 1)과 비교될 수 있다. 하나의 접근법에 따르면, 그러한 장 계측기의 배치에 대한 적절한 거리는 표면 전류(J₂)가 우세한 전술한 "먼" 영역 내의 전이 영역(216)(도 4)보다 크도록 지정될 수 있다.

위의 조정들을 행함으로써, 전술한 식 17 및 18에서 지정되는 제넥 표면파 모드의 동일 전류들(

)을 근사화하는 대응하는 "가까운" 표면 전류(J₁) 및 "먼" 표면 전류(J₂)를 생성할 수 있다. 따라서, 결과적인 전자기장들은 손실 전도 매체(203)의 표면 상의 제넥 표면파 모드에 실질적으로 또는 대략 모드 매칭될 것이다.

이어서, 도 7a 내지 7j를 참조하면, 본 개시 내용의 다양한 실시예들에 따른, 여기서 다상 도파관 프로브들(200a-j)로 표시되는 다상 도파관 프로브들(200)의 추가 예들이 도시된다. 다상 도파관 프로브들(200a-j) 각각은 다양한 실시예들에 따라 여기서 프로브 결합 회로들(209a-j)로서 표시되는 상이한 프로브 결합 회로(209)를 포함한다. 프로브 결합 회로들(209a-j)의 여러 예가 설명되지만, 이러한 실시예들은 예시적일 뿐이며, 제넥 표면파들의 런칭을 촉진하기 위해 본 명세서에서 설명되는 원리들에 따라 전하 단자들(T₁, T₂)에 대한 원하는 전압 크기들 및 위상들을 제공하는 데 사용될 수 있는 본 명세서에서 설명되지 않는 많은 다른 프로브 결합 회로(209)가 존재할 수 있다는 것을 이해한다.

게다가, 프로브 결합 회로들(209a-j) 각각은 코일들을 포함하는 유도 임피던스들을 이용할 수 있지만 이에 한정되지 않는다. 코일들이 사용되지만, 집중될 뿐만 아니라 분산되기도 하는 다른 회로 요소들이 리액턴스들로서 사용될 수 있다는 것을 이해한다. 또한, 본 명세서에서 설명되는 것들 외에 다른 회로 요소들이 프로브 결합 회로들(209a-j) 내에 포함될 수 있다. 게다가, 자신들 각각의 프로브 결합 회로(209a-j)를 갖는 다양한 다상 도파관 프로브들(200a-j)은 본 명세서에서 예들을 제공하기 위해 설명될 뿐이라는 점에 유의한다. 이 때문에, 본 명세서에서 설명되는 다양한 원리들에 따라 제넥 표면파들을 런칭하는 데 사용될 수 있는 다양한 프로브 결합 회로(209) 및 다른 회로를 이용하는 많은 다른 다상 도파관 프로브(200)가 존재할 수 있다.

이제, 도 7a를 참조하면, 일 실시예에 따른, 본 명세서에서 다상 도파관 프로브(200a)로서 표시되는 다상 도파관 프로브(200)(도 6)의 제1 예가 도시된다. 다상 도파관 프로브(200a)는 손실 전도 매체(203)에 의해 제공되는 평면에 실질적으로 수직인 수직축(z)을 따라 배치되는 전하 단자들(T₁, T₂)을 포함한다. 제2 매체(206)는 손실 전도 매체(203) 위에 위치한다. 전하 단자(T₁)는 자기 용량(C₁)을 가지며, 전하 단자(T₂)는 자기 용량(C₂)을 갖는다. 동작 동안, 임의의 주어진 순간에 전하 단자들(T₁, T₂)에 인가되는 전압들에 따라 전하 단자들(T₁, T₂) 각각 상에 전하들(Q₁, Q₂)이 부과된다. 전하 단자들(T₁, T₂) 사이에는 그들 간의 거리에 따라 상호 용량(C_M)이 존재할 수 있다. 게다가, 각각의 전하 단자(T₁, T₂)와 손실 전도 매체(203) 사이에는 손실 전도 매체(203)에 대한 각각의 전하 단자(T₁, T₂)의 높이들에 따라 결합 용량들이 존재할 수 있다.

다상 도파관 프로브(200a)는 전하 단자(T₁, T₂) 각각에 결합되는 한 쌍의 리드를 갖는 코일(L_1a)을 포함하는 유도 임피던스를 포함하는 프로브 결합 회로(209a)를 포함한다. 일 실시예에서, 코일(L_1a)은 다상 도파관 프로브(200a)의 동작 주파수에서의 파장의 절반(1/2)인 전기적 길이를 갖도록 지정된다.

코일(L_1a)의 전기적 길이가 동작 주파수에서의 파장의 약 절반(1/2)으로서 지정되지만, 코일(L_1a)은 다른 값들의 전기적 길이를 갖도록 지정될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 코일(L_1a)이 동작 주파수에서의 파장의 약 절반의 전기적 길이를 갖는다는 사실은 전하 단자들(T₁, T₂) 상에서 최대 전압차가 생성된다는 점에서 장점을 제공한다. 그러나, 코일(L_1a)의 길이 또는 직경은 제넥 표면파 모드의 최적의 여기를 획득하기 위해 다상 도파관 프로브(200a)를 조정할 때 증가 또는 감소할 수 있다. 대안으로서, 유도 임피던스는 다상 도파관 프로브(200a)의 동작 주파수에서의 파장의 1/2보다 훨씬 작거나 큰 전기적 길이를 갖도록 지정될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 여기 소스(213)는 자기 결합을 통해 프로브 결합 회로(209)에 결합된다. 구체적으로, 여기 소스(213)는 코일(L_1a)에 유도적으로 결합되는 코일(L_P)에 결합된다. 이것은 인식될 수 있는 바와 같이 링크 결합, 탭핑된 코일, 가변 리액턴스 또는 다른 결합 접근법에 의해 행해질 수 있다. 이 때문에, 인식될 수 있는 바와 같이, 코일(L_P)은 1차 코일로서 작용하고, 코일(L_1a)은 2차 코일로서 작용한다.

원하는 제넥 표면파의 송신을 위해 다상 도파관 프로브(200a)를 조정하기 위해, 각각의 전하 단자(T₁, T₂)의 높이들이 손실 전도 매체(203)에 대해 그리고 서로에 대해 변경될 수 있다. 또한, 전하 단자들(T₁, T₂)의 크기들이 변경될 수 있다. 게다가, 코일(L_1a)의 크기는 권선들을 추가 또는 제거함으로써 또는 코일(L_1a)의 소정의 다른 치수를 변경함으로써 변경될 수 있다.

다상 도파관 프로브(200a)에 대한 실험에 기초할 때, 원하는 주파수를 달성하도록 다상 도파관 프로브들(200a-j)을 조정하고 동작시키는 것이 가장 쉬운 것으로 보인다.

이제, 도 7b를 참조하면, 일 실시예에 따른, 본 명세서에서 다상 도파관 프로브(200b)로서 표시되는 다상 도파관 프로브(200)(도 6)의 일례가 도시된다. 다상 도파관 프로브(200b)는 손실 전도 매체(203)에 의해 제공되는 평면에 실질적으로 수직인 수직축(z)을 따라 배치되는 전하 단자들(T₁, T₂)을 포함한다. 제2 매체(206)는 손실 전도 매체(203) 위에 위치한다. 전하 단자들(T₁, T₂)은 전술한 바와 같이 결과적인 제넥 표면파에서의 원통 대칭을 제공하기 위해 수직축(z)을 따라 배치된다. 전하 단자(T₁)는 자기 용량(C₁)을 갖고, 전하 단자(T₂)는 자기 용량(C₂)를 갖는다. 동작 동안, 임의의 주어진 순간에 전하 단자들(T₁, T₂)에 인가되는 전압들에 따라 전하 단자들(T₁, T₂) 각각 상에 전하들(Q₁, Q₂)이 부과된다. 전하 단자들(T₁, T₂) 사이에는 그들 간의 거리에 따라 상호 용량(C_M)이 존재할 수 있다. 게다가, 각각의 전하 단자(T₁, T₂)와 손실 전도 매체(203) 사이에는 손실 전도 매체(203)에 대한 각각의 전하 단자(T₁, T₂)의 높이들에 따라 결합 용량들이 존재할 수 있다.

다상 도파관 프로브(200b)는 제1 코일(L_1b) 및 제2 코일(L_2b)을 포함하는 프로브 결합 회로(209b)도 포함한다. 제1 코일(L_1b)은 도시된 바와 같이 전하 단자들(T₁, T₂) 각각에 결합된다. 제2 코일(L_2b)은 전하 단자(T₂)에 그리고 손실 전도 매체(203)에 결합된다.

여기 소스(213)는 전술한 다상 도파관 프로브(200a)(도 7a)와 관련하여 설명된 것과 유사한 방식으로 프로브 결합 회로(209b)에 자기적으로 결합된다. 이 때문에, 여기 소스(213)는 1차 코일로서 작용하는 코일(L_P)에 결합되며, 코일(L_1b)은 2차 코일로서 작용한다. 대안으로서, 코일(L_2b)이 이차 코일로서 작용할 수도 있다.

원하는 제넥 표면파의 송신을 위해 다상 도파관 프로브(200b)를 조정하기 위해, 각각의 전하 단자(T₁, T₂)의 높이들이 손실 전도 매체(203)에 대해 그리고 서로에 대해 변경될 수 있다. 또한, 전하 단자들(T₁, T₂)의 크기들이 변경될 수 있다. 게다가, 코일들(L_1b, L_2b) 각각의 크기가 권선들을 추가 또는 제거함으로써 또는 각각의 코일(L_1b, L_2b)의 소정의 다른 치수를 변경함으로써 변경될 수 있다.

이제, 도 7c를 참조하면, 일 실시예에 따른, 본 명세서에서 다상 도파관 프로브(200c)로서 표시되는 다상 도파관 프로브(200)(도 6)의 다른 예가 도시된다. 다상 도파관 프로브(200c)는 손실 전도 매체(203)에 의해 제공되는 평면에 실질적으로 수직인 수직축(z)을 따라 배치되는 전하 단자들(T₁, T₂)을 포함한다. 제2 매체(206)는 손실 전도 매체(203) 위에 위치한다. 전하 단자(T₁)는 자기 용량(C₁)을 가지며, 전하 단자(T₂)는 자기 용량(C₂)을 갖는다. 동작 동안, 임의의 주어진 순간에 전하 단자들(T₁, T₂)에 인가되는 전압들에 따라 전하 단자들(T₁, T₂) 각각 상에 전하들(Q₁, Q₂)이 부과된다. 전하 단자들(T₁, T₂) 사이에는 그들 간의 거리에 따라 상호 용량(C_M)이 존재할 수 있다. 게다가, 각각의 전하 단자(T₁, T₂)와 손실 전도 매체(203) 사이에는 손실 전도 매체(203)에 대한 각각의 전하 단자(T₁, T₂)의 높이들에 따라 결합 용량들이 존재할 수 있다.

다상 도파관 프로브(200c)는 코일(L_1c)을 포함하는 프로브 결합 회로(209c)도 포함한다. 코일(L_1c)의 한 단부는 도시된 바와 같이 전하 단자(T₁)에 결합된다. 코일(L_1c)의 제2 단부는 손실 전도 매체(203)에 결합된다. 전하 단자(T₂)에 결합되는 탭이 코일(L_1c)을 따라 배치된다.

여기 소스(213)는 전술한 다상 도파관 프로브(200a)(도 7a)와 관련하여 설명된 것과 유사한 방식으로 프로브 결합 회로(209c)에 자기적으로 결합된다. 이 때문에, 여기 소스(213)는 1차 코일로서 작용하는 코일(L_P)에 결합되며, 코일(L_1c)은 2차 코일로서 작용한다. 코일(L_P)은 코일(L_1c)을 따라 임의의 위치에 배치될 수 있다.

원하는 제넥 표면파의 여기 및 송신을 위해 다상 도파관 프로브(200c)를 조정하기 위해, 각각의 전하 단자(T₁, T₂)의 높이가 손실 전도 매체(203)에 대해 그리고 서로에 대해 변경될 수 있다. 또한, 전하 단자(T₁, T₂)의 크기들이 변경될 수 있다. 게다가, 코일(L_1c)의 크기가 권선들을 추가 또는 제거함으로써 또는 코일(L_1c)의 소정의 다른 치수를 변경함으로써 변경될 수 있다. 게다가, 탭 위 및 아래의 코일(L_1c)의 부분들에 의해 제공되는 인덕턴스가 탭의 위치를 이동시킴으로써 조정될 수 있다.

이제, 도 7d를 참조하면, 일 실시예에 따른, 본 명세서에서 다상 도파관 프로브(200d)로서 표시되는 다상 도파관 프로브(200)(도 6)의 또 다른 예가 도시된다. 다상 도파관 프로브(200d)는 손실 전도 매체(203)에 의해 제공되는 평면에 실질적으로 수직인 수직축(z)을 따라 배치되는 전하 단자들(T₁, T₂)을 포함한다. 제2 매체(206)는 손실 전도 매체(203) 위에 위치한다. 전하 단자(T₁)는 자기 용량(C₁)을 가지며, 전하 단자(T₂)는 자기 용량(C₂)을 갖는다. 동작 동안, 임의의 주어진 순간에 전하 단자들(T₁, T₂)에 인가되는 전압들에 따라 전하 단자들(T₁, T₂) 각각 상에 전하들(Q₁, Q₂)이 부과된다. 전하 단자들(T₁, T₂) 사이에는 그들 간의 거리에 따라 상호 용량(C_M)이 존재할 수 있다. 게다가, 각각의 전하 단자(T₁, T₂)와 손실 전도 매체(203) 사이에는 손실 전도 매체(203)에 대한 각각의 전하 단자(T₁, T₂)의 높이들에 따라 결합 용량들이 존재할 수 있다.

다상 도파관 프로브(200d)는 제1 코일(L_1d) 및 제2 코일(L_2d)을 포함하는 프로브 결합 회로(209d)도 포함한다. 제1 코일(L_1d)의 제1 리드는 전하 단자(T₁)에 결합되고, 제1 코일(L_1d)의 제2 리드는 손실 전도 매체(203)에 결합된다. 제2 코일(L_2d)의 제1 리드는 전하 단자(T₂)에 결합되고, 제2 코일(L_2d)의 제2 리드는 손실 전도 매체(203)에 결합된다.

여기 소스(213)는 전술한 다상 도파관 프로브(200a)(도 7a)와 관련하여 설명된 것과 유사한 방식으로 프로브 결합 회로(209d)에 자기적으로 결합된다. 이 때문에, 여기 소스(213)는 1차 코일로서 작용하는 코일(L_P)에 결합되며, 코일(L_2d)은 2차 코일로서 작용한다. 대안으로서, 코일(L_1d)이 2차 코일로서 작용할 수도 있다.

원하는 제넥 표면파의 여기 및 송신을 위해 다상 도파관 프로브(200d)를 조정하기 위해, 각각의 전하 단자(T₁, T₂)의 높이가 손실 전도 매체(203)에 대해 그리고 서로에 대해 변경될 수 있다. 또한, 전하 단자(T₁, T₂)의 크기들이 변경될 수 있다. 게다가, 코일들(L_1d, L_2d) 각각의 크기가 권선들을 추가 또는 제거함으로써 또는 각각의 코일(L_1d, L_2d)의 소정의 다른 치수를 변경함으로써 변경될 수 있다.

이제, 도 7e를 참조하면, 일 실시예에 따른, 본 명세서에서 다상 도파관 프로브(200e)로서 표시되는 다상 도파관 프로브(200)(도 6)의 또 다른 예가 도시된다. 다상 도파관 프로브(200e)는 손실 전도 매체(203)에 의해 제공되는 평면에 실질적으로 수직인 수직축(z)을 따라 배치되는 전하 단자들(T₁, T₂)을 포함한다. 제2 매체(206)는 손실 전도 매체(203) 위에 위치한다. 전하 단자들(T₁, T₂)은 전술한 바와 같이 결과적인 제넥 표면파에서의 원통 대칭을 제공하기 위해 수직축(z)을 따라 배치된다. 전하 단자(T₁)는 자기 용량(C₁)을 가지며, 전하 단자(T₂)는 자기 용량(C₂)을 갖는다. 동작 동안, 임의의 주어진 순간에 전하 단자들(T₁, T₂)에 인가되는 전압들에 따라 전하 단자들(T₁, T₂) 각각 상에 전하들(Q₁, Q₂)이 부과된다. 전하 단자들(T₁, T₂) 사이에는 그들 간의 거리에 따라 상호 용량(C_M)이 존재할 수 있다. 게다가, 각각의 전하 단자(T₁, T₂)와 손실 전도 매체(203) 사이에는 손실 전도 매체(203)에 대한 각각의 전하 단자(T₁, T₂)의 높이들에 따라 결합 용량들이 존재할 수 있다.

다상 도파관 프로브(200e)는 제1 코일(L_1e) 및 저항기(R₂)를 포함하는 프로브 결합 회로(209e)도 포함한다. 제1 코일(L_1e)의 제1 리드는 전하 단자(T₁)에 결합되고, 제1 코일(L_1e)의 제2 리드는 손실 전도 매체(203)에 결합된다. 저항기(R₂)의 제1 리드는 전하 단자(T₂)에 결합되고, 저항기(R₂)의 제2 리드는 손실 전도 매체(203)에 결합된다.

여기 소스(213)는 전술한 다상 도파관 프로브(200a)(도 7a)와 관련하여 설명된 것과 유사한 방식으로 프로브 결합 회로(209e)에 자기적으로 결합된다. 이 때문에, 여기 소스(213)는 1차 코일로서 작용하는 코일(L_P)에 결합되며, 코일(L_1e)은 2차 코일로서 작용한다.

원하는 제넥 표면파의 송신을 위해 다상 도파관 프로브(200e)를 조정하기 위해, 각각의 전하 단자(T₁, T₂)의 높이가 손실 전도 매체(203)에 대해 그리고 서로에 대해 변경될 수 있다. 또한, 전하 단자(T₁, T₂)의 크기들이 변경될 수 있다. 게다가, 코일(L_1e)의 크기가 권선들을 추가 또는 제거함으로써 또는 각각의 코일(L_1e)의 소정의 다른 치수를 변경함으로써 변경될 수 있다. 게다가, 저항(R₂)의 크기도 조정될 수 있다.

이제, 도 7f를 참조하면, 일 실시예에 따른, 본 명세서에서 다상 도파관 프로브(200f)로서 표시되는 다상 도파관 프로브(200)(도 6)의 추가 예가 도시된다. 다상 도파관 프로브(200f)는 전하 단자(T₁) 및 제2 전하 단자로서 작용하는 그라운드 스크린(G)을 포함한다. 전하 단자(T₁) 및 그라운드 스크린(G)은 손실 전도 매체(203)에 의해 제공되는 평면에 실질적으로 수직인 수직축(z)을 따라 배치된다. 제2 매체(206)는 손실 전도 매체(203) 위에 위치한다. 송신 구조의 높이(h)를 계산하기 위해, 그라운드 스크린(G)의 높이(H₂)를 전하 단자(T₁)의 높이(H₁)로부터 뺀다.

전하 단자(T₁)는 자기 용량(C₁)을 가지며, 그라운드 스크린(G)은 자기 용량(C₂)을 갖는다. 동작 동안, 임의의 주어진 순간에 전하 단자(T₁) 및 그라운드 스크린(G)에 인가되는 전압들에 따라 전하 단자(T₁) 및 그라운드 스크린(G) 각각 상에 전하들(Q₁, Q₂)이 부과된다. 전하 단자(T₁)와 그라운드 스크린(G) 사이에는 그들 간의 거리에 따라 상호 용량(C_M)이 존재할 수 있다. 게다가, 전하 단자(T₁) 및/또는 그라운드 스크린(G)과 손실 전도 매체(203) 사이에는 손실 전도 매체(203)에 대한 전하 단자(T₁) 및 그라운드 스크린(G)의 높이들에 따라 결합 용량들이 존재할 수 있다. 일반적으로, 그라운드 스크린(G)과 손실 전도 매체(203) 간에는 손실 전도 매체(203)에 대한 그의 근접으로 인해 결합 용량이 존재할 것이다.

다상 도파관 프로브(200f)는 전하 단자(T₁) 및 그라운드 스크린(G)에 결합되는 한 쌍의 리드를 갖는 코일(L_1f)을 포함하는 유도 임피던스로 구성되는 프로브 결합 회로(209f)를 포함한다. 일 실시예에서, 코일(L_1f)은 다상 도파관 프로브(200f)의 동작 주파수에서의 파장의 절반(1/2)인 전기적 길이를 갖도록 지정된다.

코일(L_1f)의 전기적 길이는 동작 주파수에서의 파장의 약 절반(1/2)으로서 지정되지만, 코일(L_1f)은 다른 값들의 전기적 길이를 갖도록 지정될 수 있다는 것을 이해한다. 일 실시예에 따르면, 코일(L_1f)이 동작 주파수에서의 파장의 약 절반의 전기적 길이를 갖는다는 사실은 전하 단자(T₁) 및 그라운드 스크린(G) 상에 최대 전압차가 생성된다는 점에서 장점을 제공한다. 그러나, 코일(L_1f)의 길이 또는 직경은 제넥 표면파의 최적의 송신을 획득하기 위해 다상 도파관 프로브(200f)를 조정할 때 증가 또는 감소할 수 있다. 대안으로서, 유도 임피던스는 다상 도파관 프로브(200f)의 동작 주파수에서의 파장의 1/2보다 훨씬 작거나 큰 전기적 길이를 갖도록 지정될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 여기 소스(213)는 자기 결합을 통해 프로브 결합 회로(209f)에 결합된다. 구체적으로, 여기 소스(213)는 코일(L_1f)에 유도적으로 결합되는 코일(L_P)에 결합된다. 이것은 인식될 수 있는 바와 같이 링크 결합, 위상기/결합 네트워크 또는 다른 접근법에 의해 행해질 수 있다. 이 때문에, 인식될 수 있는 바와 같이, 코일(L_P)은 1차 코일로서 작용하고, 코일(L_1f)은 2차 코일로서 작용한다.

원하는 제넥 표면파의 런칭 및 송신을 위해 다상 도파관 프로브(200a)를 조정하기 위해, 각각의 전하 단자(T₁, T₂)의 높이가 손실 전도 매체(203)에 대해 그리고 서로에 대해 변경될 수 있다. 또한, 전하 단자(T₁, T₂)의 크기들이 변경될 수 있다. 게다가, 코일(L_1f)의 크기가 권선들을 추가 또는 제거함으로써 또는 코일(L_1f)의 소정의 다른 치수를 변경함으로써 변경될 수 있다.

이제, 도 7g를 참조하면, 일 실시예에 따른, 본 명세서에서 다상 도파관 프로브(200g)로서 표시되는 다상 도파관 프로브(200)(도 6)의 다른 예가 도시된다. 다상 도파관 프로브(200g)는 손실 전도 매체(203)에 의해 제공되는 평면에 실질적으로 수직인 수직축(z)을 따라 배치되는 전하 단자들(T₁, T₂)을 포함한다. 제2 매체(206)는 손실 전도 매체(203) 위에 위치한다. 전하 단자들(T₁, T₂)은 전술한 바와 같이 결과적인 제넥 표면파에서의 원통 대칭을 제공하기 위하여 수직축(z)을 따라 배치된다. 전하 단자(T₁)는 자기 용량(C₁)을 가지며, 전하 단자(T₂)는 자기 용량(C₂)을 갖는다. 동작 동안, 임의의 주어진 순간에 전하 단자들(T₁, T₂)에 인가되는 전압들에 따라 전하 단자들(T₁, T₂) 각각 상에 전하들(Q₁, Q₂)이 부과된다. 전하 단자들(T₁, T₂) 사이에는 그들 간의 거리에 따라 상호 용량(C_M)이 존재할 수 있다. 게다가, 각각의 전하 단자(T₁, T₂)와 손실 전도 매체(203) 사이에는 손실 전도 매체(203)에 대한 각각의 전하 단자(T₁, T₂)의 높이들에 따라 결합 용량들이 존재할 수 있다.

다상 도파관 프로브(200g)는 제1 코일(L_1g), 제2 코일(L_2g) 및 가변 커패시터(C_V)를 포함하는 프로브 결합 회로(209g)도 포함한다. 제1 코일(L_1g)은 도시된 바와 같이 전하 단자들(T₁, T₂) 각각에 결합된다. 제2 코일(L_2g)은 가변 커패시터(C_V)에 결합되는 제1 리드 및 손실 전도 매체(203)에 결합되는 제2 리드를 갖는다. 가변 커패시터(C_V)는 또한 전하 단자(T₂) 및 제1 코일(L_1g)에 결합된다.

여기 소스(213)는 전술한 다상 도파관 프로브(200a)(도 7a)와 관련하여 설명된 것과 유사한 방식으로 프로브 결합 회로(209g)에 자기적으로 결합된다. 이 때문에, 여기 소스(213)는 1차 코일로서 작용하는 코일(L_P)에 결합되며, 코일(L_1g) 또는 코일(L_2g)은 2차 코일로서 작용할 수 있다.

원하는 제넥 표면파의 런칭 및 송신을 위해 다상 도파관 프로브(200g)를 조정하기 위해, 각각의 전하 단자(T₁, T₂)의 높이가 손실 전도 매체(203)에 대해 그리고 서로에 대해 변경될 수 있다. 또한, 전하 단자(T₁, T₂)의 크기들이 변경될 수 있다. 게다가, 코일들(L_1g, L_2g) 각각의 크기가 권선들을 추가 또는 제거함으로써 또는 각각의 코일(L_1g, L_2g)의 소정의 다른 치수를 변경함으로써 변경될 수 있다. 게다가, 가변 용량(C_V)이 조정될 수 있다.

이제, 도 7h를 참조하면, 일 실시예에 따른, 본 명세서에서 다상 도파관 프로브(200h)로서 표시되는 다상 도파관 프로브(200)(도 6)의 또 다른 예가 도시된다. 다상 도파관 프로브(200h)는 손실 전도 매체(203)에 의해 제공되는 평면에 실질적으로 수직인 수직축(z)을 따라 배치되는 전하 단자들(T₁, T₂)을 포함한다. 제2 매체(206)는 손실 전도 매체(203) 위에 위치한다. 전하 단자(T₁)는 자기 용량(C₁)을 가지며, 전하 단자(T₂)는 자기 용량(C₂)을 갖는다. 동작 동안, 임의의 주어진 순간에 전하 단자들(T₁, T₂)에 인가되는 전압들에 따라 전하 단자들(T₁, T₂) 각각 상에 전하들(Q₁, Q₂)이 부과된다. 전하 단자들(T₁, T₂) 사이에는 그들 간의 거리에 따라 상호 용량(C_M)이 존재할 수 있다. 게다가, 각각의 전하 단자(T₁, T₂)와 손실 전도 매체(203) 사이에는 손실 전도 매체(203)에 대한 각각의 전하 단자(T₁, T₂)의 높이들에 따라 결합 용량들이 존재할 수 있다.

다상 도파관 프로브(200h)는 제1 코일(L_1h) 및 제2 코일(L_2h)을 포함하는 프로브 결합 회로(209h)도 포함한다. 제1 코일(L_1h)의 제1 리드는 전하 단자(T₁)에 결합되고, 제1 코일(L_1h)의 제2 리드는 제2 전하 단자(T₂)에 결합된다. 제2 코일(L_2h)의 제1 리드는 단자(T_T)에 결합되고, 제2 코일(L_2h)의 제2 리드는 손실 전도 매체(203)에 결합된다. 단자(T_T)는 전하 단자(T₂)와 단자(T_T) 사이에 결합 용량(C_C)이 존재하도록 전하 단자(T₂)에 대해 배치된다.

여기 소스(213)는 전술한 다상 도파관 프로브(200a)(도 7a)와 관련하여 설명된 것과 유사한 방식으로 프로브 결합 회로(209h)에 자기적으로 결합된다. 이 때문에, 여기 소스(213)는 1차 코일로서 작용하는 코일(L_P)에 결합되며, 코일(L_2h)은 2차 코일로서 작용한다. 대안으로서, 코일(L_1h)이 2차 코일로서 작용할 수도 있다.

원하는 제넥 표면파의 런칭 및 송신을 위해 다상 도파관 프로브(200h)를 조정하기 위해, 각각의 전하 단자(T₁, T₂)의 높이가 손실 전도 매체(203)에 대해 그리고 서로에 대해 변경될 수 있다. 또한, 전하 단자(T₁, T₂)의 크기들이 변경될 수 있다. 게다가, 코일들(L_1h, L_2h) 각각의 크기가 권선들을 추가 또는 제거함으로써 또는 각각의 코일(L_1h, L_2h)의 소정의 다른 치수를 변경함으로써 변경될 수 있다. 또한, 전하 단자(T₂)와 단자(T_T) 사이의 간격이 변경될 수 있으며, 따라서 인식될 수 있는 바와 같이 결합 용량(C_C)이 변경될 수 있다.

이제, 도 7i를 참조하면, 일 실시예에 따른, 본 명세서에서 다상 도파관 프로브(200i)로서 표시되는 다상 도파관 프로브(200)(도 6)의 또 다른 예가 도시된다. 다상 도파관 프로브(200i)는 여기 소스(213)가 설명되는 바와 같이 프로브 결합 회로(209i)에 직렬 결합된다는 사실 외에는 다상 도파관 프로브(200h)(도 7h)와 매우 유사하다.

이 때문에, 다상 도파관 프로브(200i)는 손실 전도 매체(203)에 의해 제공되는 평면에 실질적으로 수직인 수직축(z)을 따라 배치되는 전하 단자들(T₁, T₂)을 포함한다. 제2 매체(206)는 손실 전도 매체(203) 위에 위치한다. 전하 단자(T₁)는 자기 용량(C₁)을 가지며, 전하 단자(T₂)는 자기 용량(C₂)을 갖는다. 동작 동안, 임의의 주어진 순간에 전하 단자들(T₁, T₂)에 인가되는 전압들에 따라 전하 단자들(T₁, T₂) 각각 상에 전하들(Q₁, Q₂)이 부과된다. 전하 단자들(T₁, T₂) 사이에는 그들 간의 거리에 따라 상호 용량(C_M)이 존재할 수 있다. 게다가, 각각의 전하 단자(T₁, T₂)와 손실 전도 매체(203) 사이에는 손실 전도 매체(203)에 대한 각각의 전하 단자(T₁, T₂)의 높이들에 따라 결합 용량들이 존재할 수 있다.

다상 도파관 프로브(200i)는 제1 코일(L_1i) 및 제2 코일(L_2i)을 포함하는 프로브 결합 회로(209i)도 포함한다. 제1 코일(L_1i)의 제1 리드는 전하 단자(T₁)에 결합되고, 제1 코일(L_1i)의 제2 리드는 제2 전하 단자(T₂)에 결합된다. 제2 코일(L_2i)의 제1 리드는 단자(T_T)에 결합되고, 제2 코일(L_2i)의 제2 리드는 여기 소스(213)의 출력에 결합된다. 또한, 여기 소스(213)의 그라운드 리드가 손실 전도 매체(203)에 결합된다. 단자(T_T)는 전하 단자(T₂)와 단자(T_T) 사이에 결합 용량(C_C)이 존재하도록 전하 단자(T₂)에 대해 배치된다.

다상 도파관 프로브(200i)는 전술한 바와 같이 여기 소스(213)가 프로브 결합 회로(209i)에 직렬 결합되는 일례를 제공한다. 구체적으로, 여기 소스(213)는 코일(L_2i)과 손실 전도 매체(203) 사이에 결합된다.

원하는 제넥 표면파의 런칭 및 송신을 위해 다상 도파관 프로브(200i)를 조정하기 위해, 각각의 전하 단자(T₁, T₂)의 높이가 손실 전도 매체(203)에 대해 그리고 서로에 대해 변경될 수 있다. 또한, 전하 단자(T₁, T₂)의 크기들이 변경될 수 있다. 게다가, 코일들(L_1i, L_2i) 각각의 크기가 권선들을 추가 또는 제거함으로써 또는 각각의 코일(L_1i, L_2i)의 소정의 다른 치수를 변경함으로써 변경될 수 있다. 또한, 전하 단자(T₂)와 단자(T_T) 사이의 간격이 변경될 수 있으며, 따라서 인식될 수 있는 바와 같이 결합 용량(C_C)이 변경될 수 있다.

이제, 도 7j를 참조하면, 일 실시예에 따른, 본 명세서에서 다상 도파관 프로브(200j)로서 표시되는 다상 도파관 프로브(200)(도 6)의 일례가 도시된다. 다상 도파관 프로브(200j)는 손실 전도 매체(203)에 의해 제공되는 평면에 실질적으로 수직인 수직축(z)을 따라 배치되는 전하 단자들(T₁, T₂)을 포함한다. 제2 매체(206)는 손실 전도 매체(203) 위에 위치한다. 이 실시예에서, 전하 단자(T₁)는 구를 포함하고, 전하 단자(T₂)는 원반을 포함한다. 이와 관련하여, 다상 도파관 프로브(200j)는 전하 단자들(T_N)이 임의의 형상을 포함할 수 있다는 일례를 제공한다.

전하 단자(T₁)는 자기 용량(C₁)을 가지며, 전하 단자(T₂)는 자기 용량(C₂)을 갖는다. 동작 동안, 임의의 주어진 순간에 전하 단자들(T₁, T₂)에 인가되는 전압들에 따라 전하 단자들(T₁, T₂) 각각 상에 전하들(Q₁, Q₂)이 부과된다. 전하 단자들(T₁, T₂) 사이에는 그들 간의 거리에 따라 상호 용량(C_M)이 존재할 수 있다. 게다가, 각각의 전하 단자(T₁, T₂)와 손실 전도 매체(203) 사이에는 손실 전도 매체(203)에 대한 각각의 전하 단자(T₁, T₂)의 높이들에 따라 결합 용량들이 존재할 수 있다.

다상 도파관 프로브(200j)는 전하 단자들(T₁, T₂) 각각에 결합되는 한 쌍의 리드를 갖는 코일(L_1j)을 포함하는 유도 임피던스를 포함하는 프로브 결합 회로(209j)를 포함한다. 일 실시예에서, 코일(L_1j)은 다상 도파관 프로브(200j)의 동작 주파수에서의 파장의 절반(1/2)인 전기적 길이를 갖도록 지정된다. 코일(L_1j)의 전기적 길이가 동작 주파수에서의 파장의 약 절반(1/2)으로서 지정되지만, 코일(L_1j)은 전술한 다상 도파관 프로브(200a)(도 7a)와 관련하여 설명된 바와 같이 다른 값들의 전기적 길이를 갖도록 지정될 수 있다는 것을 이해한다. 게다가, 프로브 결합 회로(209j)는 손실 전도 매체(203)에 결합되는 코일(L_1j) 상의 탭(223)을 포함한다.

여기 소스(213)는 전술한 다상 도파관 프로브(200a)(도 7a)와 관련하여 설명된 것과 유사한 방식으로 프로브 결합 회로(209j)에 자기적으로 결합된다. 이 때문에, 여기 소스(213)는 1차 코일로서 작용하는 코일(L_P)에 결합되며, 코일(L_1j)은 2차 코일로서 작용한다. 코일(L_P)은 코일(L_1j)을 따라 임의의 위치에 배치될 수 있다. 또한, 코일(L_P)은 탭(223)의 위 또는 아래 배치될 수 있다.

원하는 제넥 표면파의 런칭 및 송신을 위해 다상 도파관 프로브(200j)를 조정하기 위해, 각각의 전하 단자(T₁, T₂)의 높이가 손실 전도 매체(203)에 대해 그리고 서로에 대해 변경될 수 있다. 또한, 전하 단자들(T₁, T₂)의 크기들이 변경될 수 있다. 게다가, 코일(L_1j)의 크기가 권선들을 추가 또는 제거함으로써 또는 코일(L_1j)의 소정의 다른 치수를 변경함으로써 변경될 수 있다. 또한, 코일(L_1j) 상의 탭(223)의 위치가 조정될 수 있다.

도 7a-j의 다상 도파관 프로브들(200a-j)의 다양한 실시예들을 참조하면, 다상 도파관 프로브들(200a-j) 각각은 손실 전도 매체(203)의 표면을 따라 유도 파 또는 도파관 모드의 형태로 운반되는 에너지를 전송하도록 여기될 수 있다. 그러한 전송을 촉진하기 위해, 다상 도파관 프로브들(200a-j) 각각의 요소들은 각각의 다상 도파관 프로브(200a-j)가 여기될 때 각각의 전하 단자(T₁, T₂)에 대해 원하는 전압 크기들 및 위상들을 부과하도록 조정될 수 있다. 그러한 여기는 전술한 바와 같이 각각의 다상 도파관 프로브(200a-j)에 여기 소스(213)로부터의 에너지를 인가함으로써 발생할 수 있다.

전하 단자들(T₁, T₂)에 대해 부과되는 전압 크기들 및 위상들은 손실 전도 매체(203)의 국지적 유전율(

), 전도율(

) 및 잠재적으로 다른 파라미터들이 주어질 경우에 송신 위치에서 손실 전도 매체(203)의 유도 또는 제넥 표면 도파관 모드에 실질적으로 모드 매칭되는 장들을 실질적으로 합성하도록 조정될 수 있다. 표면 유도파의 도파관 모드는 전술한 식 21, 22 및 23에서 표현된다. 이러한 표면 도파관 모드는 식 20에서 미터당 암페어 단위로 표현되는 방사상 표면 전류 밀도를 갖는다.

전술한 식 21, 22 및 23에 표현된 표면 도파관 모드에 정확하게 매칭되는 장들을 합성하는 것은 어려울 수 있다는 것을 이해한다. 그러나, 그러한 장들이 표면 도파관 모드에 적어도 유사한 경우에 유도 표면파가 런칭될 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 장들은 유도 표면파를 런칭하기 위해 허용 가능한 엔지니어링 공차 내에서 표면 도파관 모드에 매칭되도록 합성된다.

또한, 제넥 표면 도파관 모드의 방사상 표면 전류 밀도와 정확하게 매칭되는 방사상 표면 전류 밀도를 합성하는 것은 어려울 수 있으며, 합성된 방사상 표면 전류 밀도는 전술한 합성된 장들로부터 생성된다. 다양한 실시예들에 따르면, 다상 도파관 프로브들(200)은 제넥 표면파 모드를 런칭하기 위해 허용 가능한 엔지니어링 공차 내에서 유도 표면 도파관 모드의 방사상 표면 전류 밀도와 매칭되도록 조정될 수 있다. 복소 거리들에서 특정 전하 분포들 및 그들의 이미지들을 생성함으로써, 전술한 다양한 다상 도파관 프로브들(200a-j)은 표면 전류들을 여기하며 - 이들의 장들은 전파 제넥 표면파 모드와 대략 매칭되도록 설계됨 -, 제넥 표면파가 런칭된다. 전술한 다양한 다상 도파관 프로브들(200a-j)에 고유한 이러한 복소 이미지 기술에 의해, 유도 인터페이스가 송신 위치에서 지원하기를 원하는 표면 도파관 모드들에 실질적으로 모드 매칭시킬 수 있다. 유도 인터페이스는 전술한 바와 같이 영역 1(도 2)과 영역 2(도 2) 사이의 인터페이스이다. 일 실시예에 따르면, 유도 인터페이스는 전술한 바와 같이 지구에 의해 제공되는 손실 전도 매체(203)와 대기 매체 간의 인터페이스이다.

전하 단자들(T₁, T₂) 상에 부과되는 전압 크기들 및 위상들이 복소 깊이들에서의 그들 및 그들의 유효 이미지들이 레온토비크 경계 조건에 의해 송신 위치에서 손실 전도 매체(203)의 제넥 표면 도파관 모드와 실질적으로 매칭되는 장들을 합성하는 장들을 갖는 복소 표면 전류들을 여기하도록 조정될 때, 그러한 장들은 손실 전도 매체(203)의 복소 브루스터 각도로 입사하는 파면을 자동으로 실질적으로 합성하여 0의 반사를 유발할 것이다. 이것은 경계에서의 파동 매칭의 조건이다.

이어서, 도 8a, 8b 및 8c를 참조하면, 제넥 표면파와 전통적 방사 장들 간의 비교의 목적으로 미터당 볼트 단위의 장 강도를 킬로미터 단위의 거리의 함수로서 도시하는 그래프들(300a, 300b, 300c)의 예들이 도시된다. 게다가, 다양한 그래프들(300a, 300b, 300c)은 제넥 표면파의 송신 거리가 송신 주파수에 따라 어떻게 변하는지를 보여준다.

각각의 그래프(300a, 300b, 300c)는 대응하는 유도 장 강도 곡선(303a, 303b, 303c) 및 대응하는 방사 장 강도 곡선들(306a, 306b, 306c)을 도시한다. 유도 장 강도 곡선들(303a, 303b, 303c)은 다양한 파라미터들을 가정하여 생성되었다. 구체적으로, 그래프들(300a, 300b, 300c)은 각각 10 MHz, 1 MHz 및 0.1 MHz의 주파수들에서 상부 단자(T₁)(도 3)에 인가되는 일정 전하(Q₁)(도 3)를 이용하여 계산되었다. 연방 통신 협회(FCC)에 의해 발표된 센트럴 오하이오에 대한 R-3 맵으로부터 취해진

및

의 구성 파라미터들이 계산의 목적을 위해 가정되었다. 아래의 표는 유도 장 강도 곡선(303a, 303b, 303c) 각각의 생성을 위해 가정된 다상 도파관 프로브 동작 파라미터들을 제공한다.

물리적으로 실현 가능한 동작을 갖기 위해, 단자(T₁)의 높이는 f = 0.1 MHz 및 1.0 MHz에 대해서는

로 지정되었지만, 10 MHz에서는 전류 분포를 균일하게 유지하기 위해 0.8 미터로 단축되었다. 또한, 단자(T₁)의 자기 용량(C₁)은 f = 0.1 MHz 및 1.0 MHz에서의 동작에 대해 100 pF로 설정되었다. 이 용량은 10 MHz에서의 사용에 대해서는 불합리하게 크며, 따라서 자기 용량(C₁)은 그 경우에 대해 감소되었다. 그러나, 장 강도에 대한 제어 파라미터인 결과적인 단자 전하(

)는 모든 3개의 유도 장 강도 곡선(303a, 303b, 303c)에 대해 동일한 값으로 유지되었다.

그래프들로부터, 주파수가 낮을수록, 전파 감쇠가 더 적고, 장들이 더 먼 거리에 이른다는 것을 알 수 있다. 그러나, 에너지 보존에 따라, 에너지 밀도는 거리에 따라 감소한다. 달리 말하면, 주파수가 높을수록, 에너지가 확산되는 영역은 작아지며, 따라서 에너지 밀도가 더 커진다. 따라서, 주파수가 증가함에 따라 제넥 표면파의 "무릎"의 범위가 축소된다. 대안으로서, 주파수가 낮을수록, 전파 감쇠가 더 적고, 다상 도파관 프로브(200)(도 6)를 이용하는 송신의 위치로부터 매우 먼 거리들에서의 제넥 표면파의 장 강도는 더 크다.

각각의 경우에 대한 제넥 표면파는 각각 유도 장 강도 곡선들(303a, 303b, 303c)로서 식별된다. 가정된 10 옴의 그라운드 손실과 함께 각각의 다상 도파관 프로브(200)와 동일한 높이를 갖는 짧은 수직 단극 안테나에 대한 미터당 볼트 단위의 노턴 그라운드파 장 강도는 각각 방사 장 강도 곡선들(306a, 306b, 306c)에 의해 표현된다. 이것은 이러한 주파수들에서 동작하는 단극 안테나 구조들에 대한 상당히 현실적인 가정임을 단언한다. 중요한 점은 적절히 모드 매칭된 다상 도파관 프로브가 각각의 제넥 표면파의 유도 장 강도 곡선들(303a-303c) 내의 "무릎"을 바로 지난 거리들에서 임의의 단극의 방사 장을 극적으로 능가하는 유도 표면파를 런칭한다는 점이다.

위의 내용이 주어지면, 일 실시예에 따르면, 유도 표면파의 전파 거리는 송신 주파수의 함수로서 변한다. 구체적으로, 송신 주파수가 낮을수록, 유도 표면파의 지수적 감쇠가 더 적고, 따라서 유도 표면파가 더 멀리 전파될 것이다. 전술한 바와 같이, 유도 표면파의 장 강도는

의 레이트로 떨어지는 반면, 방사 전자기장의 장 강도는 기하학적으로, 1/d에 비례하여 떨어지며, 여기서 d는 킬로미터 단위의 거리이다. 따라서, 유도 장 강도 곡선들(303a, 303b, 303c) 각각은 전술한 바와 같이 무릎을 특징으로 한다. 본 명세서에서 설명되는 다상 도파관 프로브의 송신 주파수가 감소함에 따라, 대응하는 유도 장 강도 곡선들(303a, 303b, 303c)의 무릎은 그래프에서 우측으로 밀릴 것이다.

도 8a는 10 MHz의 주파수에서 생성된 유도 장 강도 곡선(303a) 및 방사 장 강도 곡선(306a)을 나타낸다. 도시된 바와 같이, 유도 표면파는 10 킬로미터 아래에서 떨어진다. 도 8b에서, 유도 장 강도 곡선(303b) 및 방사 장 강도 곡선(306b)은 1 MHz의 주파수에서 생성된다. 유도 장 강도 곡선(303b)은 약 100 킬로미터에서 떨어진다. 마지막으로, 도 8c에서, 유도 장 강도 곡선(303c) 및 방사 장 강도 곡선(306c)은 100 kHz(즉, 1 Mhz)의 주파수에서 생성된다. 유도 장 강도 곡선(303c)은 4000-7000 킬로미터 사이에서 떨어진다.

주파수가 충분히 낮은 경우, 유도 표면파를 지구 전체를 빙 둘러 전송하는 것이 가능할 수 있다. 그러한 주파수들은 약 20-25 kHz 이하일 수 있다고 생각된다. 그러한 낮은 주파수들에서, 손실 전도 매체(203)(도 6)는 평면이기를 중단하고 구가 된다. 따라서, 손실 전도 매체(203)가 지상 매체를 포함할 때, 유도 장 강도 곡선들의 계산은 전파 거리들이 지상 매체의 크기에 접근하는 낮은 주파수들에서 구 형상을 고려하도록 변경될 것이다.

이어서, 위의 내용이 주어지면, 다양한 실시예들에 따른 손실 전도 매체(203)로서 지구의 지상 매체를 이용하여 다상 도파관 프로브(200)(도 6)를 구성함에 있어서 소정의 일반적인 유도가 제공된다. 실질적인 접근법으로서, 동작 주파수를 지정하며, 구성될 각각의 다상 도파관 프로브(200)로부터 관심 있는 거리에서 유도 표면파의 원하는 장 강도를 식별할 수 있다.

이어서, 이러한 파라미터들이 주어지면, 지정된 거리에서 원하는 장 강도를 생성하기 위해 상부 전하 단자(T₁)(도 6) 상에 부과되는 전하(Q₁)(도 6)를 결정할 수 있다. 필요한 전하(Q₁)를 결정하기 위해, 송신 위치에서 지구의 유전율(

) 및 전도율(

)을 획득하는 것이 필요할 것이다. 이러한 값들은 측정에 의해 또는 예를 들어 연방 통신 협회 또는 CCIR(Committee Consultif International Radio)에 의해 발행된 전도율 차트들을 참조하여 획득될 수 있다. 지정된 거리에서의 유전율(

), 전도율(

) 및 원하는 장 강도가 알려질 때, 위의 식 21-23에서 설명된 제넥의 정확한 표현들로부터의 장 강도의 직접 계산에 의해 필요한 전하(Q₁)가 결정될 수 있다.

이어서, 필요한 전하(Q₁)가 결정되면, 어떤 전압(V)에서 전하 단자(T₁)의 어떤 자기 용량(C₁)이 전하 단자(T₁) 상의 필요한 전하(Q₁)를 생성하는지를 식별하는 것이 필요할 것이다. 임의의 전하 단자(T) 상의 전하(Q)는 Q=CV로서 계산된다. 일 접근법에서, 전하 단자(T₁) 상에 배치될 수 있는 허용 가능 전압(V)인 것으로 간주되는 것을 선택한 후에, 필요한 전하(Q₁)를 달성하는 데 필요한 자기 용량(C₁)을 갖도록 전하 단자(T₁)를 구성할 수 있다. 대안으로서, 다른 접근법에서, 전하 단자(T₁)의 특정 구성에 의해 무엇이 달성 가능 자기 용량(C₁)인지를 결정한 후에, 결과적인 전하 단자(T₁)를 필요한 전압(V)으로 상승시켜 필요한 전하(Q₁)를 달성할 수 있다.

게다가, 전하 단자(T₁)의 필요한 자기 용량(C₁) 및 전하 단자(T₁) 상에 부과될 전압(V)을 결정할 때 고려되어야 하는 동작 대역폭의 문제가 존재한다. 구체적으로, 본 명세서에서 설명되는 다상 도파관 프로브들(200)의 대역폭은 비교적 크다. 이것은 전술한 바와 같은 자기 용량(C₁) 또는 전압(V)을 지정함에 있어서 상당한 정도의 유연성을 제공한다. 그러나, 자기 용량(C₁)이 감소하고, 전압(V)이 증가함에 따라, 결과적인 다상 도파관 프로브(200)의 대역폭은 감소할 것이다.

실험적으로, 더 작은 자기 용량(C₁)은 주어진 다상 도파관 프로브(200)로 하여금 송신 위치에서 또는 그 근처에서 지구의 유전율(

) 또는 전도율(

)의 작은 변화에 더 민감하게 할 수 있다. 그러한 유전율(

) 또는 전도율(

)의 변화는 계절 변화에 따른 기후의 변화로 인해 또는 비, 가뭄 및/또는 다른 국지적 날씨 변화의 시작과 같은 국지적 날씨 조건들의 변화로 인해 발생할 수 있다. 결과적으로, 일 실시예에 따르면, 전하 단자(T₁)는 실행 가능할 때 비교적 큰 자기 용량(C₁)을 갖도록 지정될 수 있다.

이어서, 전하 단자(T₁)의 자기 용량(C₁) 및 그에 부과될 전압이 결정되면, 제2 전하 단자(T₂)의 자기 용량(C₂) 및 물리 위치가 결정되어야 한다. 현실적으로, 전하 단자(T₂)의 자기 용량(C₂)을 전하 단자(T₁)의 자기 용량(C₁)과 동일하게 지정하는 것이 가장 쉬운 것으로 밝혀졌다. 이것은 전하 단자(T₂)의 크기 및 형상을 전하 단자(T₁)의 크기 및 형상과 동일하게 함으로써 달성될 수 있다. 이것은 대칭이 유지되는 것을 보증할 것이며, 전술한 바와 같은 복소 브루스터 각도와 매치를 달성하는 데 악영향을 줄 수 있는 2개의 전하 단자(T₁, T₂) 간의 특이 위상 시프트의 가능성을 방지할 것이다. 자기 용량들(C₁, C₂)이 양 전하 단자(T₁, T₂)에 대해 동일하다는 사실은 전하 단자들(T₁, T₂) 상의 동일한 전압 크기들을 유발할 것이다. 그러나, 자기 용량들(C₁, C₂)은 다를 수 있으며, 전하 단자들(T₁, T₂)의 형상 및 크기가 다를 수 있다는 것을 이해한다.

대칭을 촉진하기 위해, 전하 단자(T₂)는 전술한 바와 같이 수직축(z)(도 6)을 따라 전하 단자(T₁) 바로 아래 배치될 수 있다. 대안으로서, 소정의 결과적인 효과를 갖도록 전하 단자(T₂)를 소정의 다른 위치에 배치하는 것이 가능할 수 있다.

전하 단자들(T₁,T₂) 간의 거리는 송신 위치에서 다상 도파관 프로브(200) 및 유도 표면 도파관 모드에 의해 생성되는 장들 사이에 최상의 매치를 제공하도록 지정되어야 한다. 제안되는 시작점으로서, 이 거리는 전하 단자들(T₁, T₂) 간의 상호 용량(C_M)(도 6)이 전하 단자(T₁) 상의 격리된 용량(C₁) 이하가 되도록 설정될 수 있다. 궁극적으로, 전하 단자들(T₁, T₂) 간의 거리는 상호 용량(C_M)이 가능한 한 작아지도록 지정되어야 한다. 상호 용량(C_M)은 측정에 의해 결정될 수 있으며, 전하 단자들(T₁, T₂)은 그에 따라 배치될 수 있다.

이어서, 다상 도파관 프로브(200)의 적절한 높이

(도 7a-j)가 결정된다. 여기서, 소위 "이미지 복소 깊이" 현상이 발생한다. 이것은 전하들(Q₁, Q₂)을 갖는 전하 저장소들(T₁, T₂)로부터 그리고 높이(h)가 변할 때의 전하들(Q₁, Q₂)의 하위 표면 이미지들로부터 지구의 표면 상의 중첩 장들의 고려를 필요로 할 것이다. 주어진 다상 도파관 프로브(200)가 송신 위치에서 지구의 유도 표면 도파관 모드와 모드 매칭되는 것을 보증하기 위해 고려해야 할 상당한 수의 변수로 인해, 실질적인 시작점은 전하 단자들(T₁, T₂)과 관련된 용량이 각각 본질적으로 그들의 격리된 자기 용량(C₁, C₂)이 되도록 그라운드에 대한 전하 저장소들(T₁, T₂) 각각의 결합 용량이 무시될 수 있는 높이(h)이다.

다상 도파관 프로브(200)와 관련된 높이(h)를 결정할 때 고려해야 할 다른 사항은 방사가 방지되어야 하는지의 여부이다. 구체적으로, 다상 도파관 프로브(200)의 높이(h)가 동작 주파수에서의 파장의 상당한 부분에 접근함에 따라, 방사 저항(R_r)은 높이(h)에 대해 2차적으로 증가할 것이며, 방사는 전술한 바와 같이 유도 표면파의 생성을 지배하기 시작할 것이다. 제넥 표면파가 임의의 방사를 지배하는 것을 보증하는 전술한 하나의 벤치마크는 높이(h)가 동작 주파수에서의 파장의 10% 미만인 것을 보증하는 것이지만, 다른 벤치마크들이 지정될 수 있다. 일부 예들에서, 유도 표면파를 런칭하는 것에 더하여 어느 정도의 방사가 발생하는 것을 허가하고, 그에 따라 높이(h)가 지정될 수 있는 것이 바람직할 수 있다.

이어서, 프로브 결합 회로(209)(도 6)는 전하 단자들(T₁, T₂) 사이의 전압 위상을 제공하도록 지정된다. 전압 위상은 송신 위치에서 유도 표면 도파관 모드에 모드 매칭되는 장들을 생성하는 것에 대해 상당한 영향을 갖는 것으로 나타낸다. 전하 단자들(T₁, T₂)의 배치가 대칭을 촉진하도록 수직축(z)을 따르는 것으로 가정하면, 프로브 결합 회로(209)는 전하 단자들(T₁, T₂) 상에서 180도의 전압 위상차를 제공하도록 지정된다. 즉, 프로브 결합 회로(209)는 전하 단자(T₁) 상의 전압(V)이 전하 단자(T₂) 상의 전압에 대해 위상이 180도 다르게 하도록 지정된다.

전술한 바와 같이, 하나의 예시적인 접근법은 다상 도파관 프로브(200a)와 관련하여 전술한 바와 같이 전하 단자들(T₁, T₂) 사이에 코일(L_1a)(도 7a)을 배치하고, 결과적인 시스템이 전기적으로 반파 공진할 때까지 코일(L_1a)을 조정하는 것이다. 이것은 전하 단자들(T₁, T₂) 상에 180도의 위상 차이로 최대 전압들이 배치되도록 전하 단자(T₁) 상에 전압(V)을 그리고 전하 단자(T₂) 상에 전압(-V)을 배치할 것이다.

이어서, 여기 소스(213)(도 6)는 프로브 결합 회로(209)에 결합될 수 있으며, 출력 전압은 전술한 바와 같이 필요한 전하(Q₁)를 제공하는 데 필요한 전압(V)을 달성하도록 조정될 수 있다. 여기 소스(213)는 자기 결합, 용량 결합 또는 (직접적인) 전도 결합을 통해 프로브 결합 회로(209)에 결합될 수 있다. 여기 소스(213)의 출력은 필요한 경우에 변압기를 이용하여 또는 소정의 다른 접근법을 통해 상승될 수 있다는 점에 유의한다. 코일(L_1a)의 위치는 여기 소스(213)에 의한 그라운드 아래와 같은 임의의 위치일 수 있다. 대안으로서, 최상의 RF 관행에 따라, 코일(L_1a)은 전하 저장소들(T₁, T₂) 사이에 직접 배치될 수 있다. 임피던스 매칭의 원리들은 여기 소스(213)를 프로브 결합 회로(209)에 결합할 때 적용될 수 있다.

위상차는 반드시 180도일 필요는 없다는 점에 유의한다. 이 때문에, 전하 단자들(T₁ 및/또는 T₂) 중 하나 또는 양자를 올리거나 내려서 전하 단자들(T₁ 및/또는 T₂) 상의 전압들(V)을 조정하거나 프로브 결합 회로(209)를 조정하여 전압 크기들 및 위상들을 조정함으로써, 유도 표면 도파관 모드에 가장 밀접하게 매칭되는 장들을 생성하여 유도 표면파를 생성하는 옵션을 갖는다.

실험 결과들

위의 개시 내용들은 실험 결과들 및 자료에 의해 지지된다. 도 9를 참조하면, 뉴햄프셔 플리머스에서 2012년 10월 14일자로 측정된 실험 다상 도파관 프로브의 일 실시예에 의해 송신된 전자기장의 측정된 장 강도를 나타내는 그래프가 도시된다. 송신 주파수는 59 MHz이었으며, 실험 다상 도파관 프로브의 전하 단자(T₁) 상에 60 mV의 전압이 부과되었다. 실험 다상 도파관 프로브의 자기 용량(C₁)은 8.5 pF이었다. 테스트 위치에서의 그라운드의 전도율(

)은 0.0002 mhos/m이고, 테스트 위치에서의 그라운드의 유전율(

)은 5였다. 이러한 값들은 사용중인 주파수에서 인시투(in situ) 측정되었다.

그래프는 80% 효율에서의 "제넥" 곡선으로 표시된 유도 장 강도 곡선(400) 및 최고로 가능한 100% 방사 효율에서의 "노턴" 곡선으로 표시된 방사 장 강도 곡선(403)을 포함한다. 이 때문에, 방사 장 강도 곡선(403)은 59 MHz의 주파수에서 동작하는 1/4 파장 단극 안테나에 의해 생성되는 방사 전자기장들을 나타낸다. 그래프 상의 원들(406)은 실험 다상 도파관 프로브에 의해 생성된, 측정된 강 강도들을 나타낸다. 장 강도 측정들은 NIST-traceable Potomac Instruments FIM-71 상용 VHF 장 강도 계측기를 이용하여 수행되었다. 알 수 있듯이, 측정된 장 강도들은 이론적인 유도 장 강도 곡선(400)을 따라 떨어진다. 이러한 측정된 장 강도들은 유도 또는 제넥 표면파의 전파와 일치한다.

이제, 도 10을 참조하면, 실험 다상 도파관 프로브로부터 송신된 전자기파의 측정된 위상을 나타내는 그래프가 도시된다. 곡선 J(r)은 도시된 바와 같은 전류들(J₁, J₂) 간의 전이와 더불어 전류들(J₁, J₂)에 따른 장들의 위상을 나타낸다. 곡선(503)은 전류(J₁)의 위상을 나타내는 점근선을 지시하고, 곡선(506)은 전류(J₂)의 위상을 나타내는 점근선을 지시한다. 각각의 전류(J₁, J₂)의 위상들 간에는 일반적으로 약 45도의 차이가 존재한다. 원들(509)은 도 9에서와 같이 59 MHz에서 동작하는 실험 다상 도파관 프로브에 의해 생성된 전류 J(r)의 위상의 측정들을 지시한다. 도시된 바와 같이, 원들(509)은 곡선 J(r)을 따라 떨어지며, 이는 곡선(503)으로부터 곡선(506)으로의 전류 J(r)의 위상의 전이가 존재한다는 것을 지시한다. 이것은 실험 다상 도파관 프로브에 의해 생성된 전류 J(r)의 위상이 가까운 전류(J₁)에 의해 생성된 위상으로부터 먼 전류(J₂)로 전이한다는 것을 지시한다. 따라서, 이러한 위상 측정들은 유도 또는 제넥 표면파의 존재 시의 위상과 일치한다.

도 11을 참조하면, 뉴햄프셔 애시랜드 근처에서 위니페소키 호수 북쪽 영역에 걸쳐 2003년 11월 1일자로 측정된, 실험 다상 도파관 프로브의 제2 실시예에 의해 전송된 전자기장의 장 강도를 나타내는 측정된 데이터의 제2 세트의 그래프가 도시된다. 송신 주파수는 1850 kHz였으며, 실험 다상 도파관 프로브의 전하 단자(T₁) 상에 1250 V의 전압이 부과되었다. 실험 다상 도파관 프로브는 H₁ = 2 미터의 물리적 높이를 갖는다. 1 미터 반경의 편평한 도전성 원반인 이 실험에서의 실험 다상 도파관 프로브의 자기 용량(C₁)은 70 pF인 것으로 측정되었다. 다상 도파관 프로브는 도 7j에 도시된 바와 같이 배열되었으며, 간격 h = 1 미터이고, 그라운드(손실 전도 매체(203)) 위의 전하 단자(T₂)의 높이는 H₂ = 1 미터였다. 실험 근처의 그라운드의 평균 전도율(σ)은 0.006 mhos/m이었고, 그라운드의 상대 유전율(

)은 15 정도였다. 이들은 사용중인 주파수에서 결정되었다.

그래프는 실험 다상 도파관 프로브에 의해 런칭되고 85% 효율에서의 "제넥" 곡선으로 표시되는 유도 장 강도 곡선(600), 및 동일하게 이격되고 각각 200 피트의 길이를 갖는 20개의 방사상 와이어로 구성된 그라운드 스크린 위에서 동일 높이 H₂ = 2 미터의 공진 단극으로부터 방사되는 바와 같은 "노턴" 곡선으로 표시되는 방사 장 강도 곡선(603)를 포함한다. 이 때문에, 방사 장 강도 곡선(603)은 손실 지구 위에서 1850 kHz의 주파수로 동작하는 전통적인 스터브 단극 안테나로부터 방사되는 전통적인 노턴 그라운드파 장을 나타낸다. 그래프 상의 원들(606)은 실험 다상 도파관 프로브에 의해 생성된, 측정된 장 강도들을 나타낸다.

알 수 있듯이, 측정된 장 강도들은 이론적인 제넥 유도 장 강도 곡선(600)을 근접하게 따라서 떨어진다. r = 7 마일 지점에서 측정된 장 강도에 대한 특별한 언급이 이루어질 수 있다. 이 장 강도 데이터는 호숫가 근처에서 측정되었으며, 이것은 데이터가 이론적인 제넥 유도 장 강도 곡선(600) 위로 약간 벗어난 것을 설명할 수 있는데, 즉 그 위치에서의 구성 파라미터들(

및/또는 σ)은 경로-평균 구성 파라미터들로부터 상당히 벗어났을 가능성이 있다.

장 강도 측정들은 NIST-traceable Potomac Instruments FIM-41 MF/HF 장 강도 계측기를 이용하여 수행되었다. 측정된 장 강도 데이터는 유도 또는 제넥 표면파의 존재 시와 일치한다. 실험 데이터로부터, 15 마일 미만의 거리들에서 관찰된 측정 장 강도들은 아마도 전통적인 노턴 그라운드파 전파에 기인하지 않을 수 있고, 전술한 바와 같이 동작하는 다상 프로브에 의해 런칭된 유도 표면파 전파에만 기인일 수 있다는 것이 명백하다. 주어진 1.85 MHz 실험 조건들 하에서, 20 마일 밖에서 노턴 그라운드파 성분은 최종적으로 제넥 표면파 성분을 능가한 것으로 나타난다.

59 MHz에서의 도 9에 도시된 측정된 제넥 표면파 데이터와 1.85 MHz에서의 도 11의 측정된 데이터의 비교는 다양한 실시예들에 따른 다상 도파관 프로브를 더 낮은 주파수들에서 사용하는 것의 큰 장점을 보여준다.

이러한 실험 데이터는 본 명세서에서 교시되는 바와 같이 복수의 적절히 위상화 및 조정된 전하 단자를 포함하는 본 다상 도파관 프로브들이

의 고유 위상 부스트를 갖는 위상 전진 표면 전류를 유도하며, 그의 장들은 본 명세서에서 개시되는 바와 같이 손실 경계에 대한 복소 브루스터 각도에서 표면 조명을 합성한다는 것을 보여준다. 그 결과는 기하학적 확산으로 인해 1/d로서 감소하는 방사 장이 아니라

로서 감쇠하는 소실하는 단일 도체 방사상 송신선 모드로서 경계 표면에 의해 유도되는 원통 제넥-형태 파 전파의 효율적인 런칭이다.

이어서, 도 12a, 12b 및 13을 참조하면, 무선 전력 전달 시스템들에서 표면 유도파들을 이용하기 위한 일반화된 수신 회로들의 예들이 도시된다. 도 12a 및 12b는 선형 프로브(703) 및 튜닝형 공진기(706)를 포함한다. 도 13은 본 개시 내용의 다양한 실시예들에 따른 자기 코일(709)을 나타낸다. 다양한 실시예들에 따르면, 선형 프로브(703), 튜닝형 공진기(706) 및 자기 코일(709) 각각은 다양한 실시예들에 따라 손실 전도 매체(203)(도 6)의 표면 상에서 유도 표면파의 형태로 전송되는 전력을 수신하는 데 사용될 수 있다. 전술한 바와 같이, 일 실시예에서, 손실 전도 매체(203)는 지상 매체를 포함한다.

도 12a를 참조하면, 선형 프로브(703)의 출력 단자들(713)에서의 개방 회로 단자 전압은 선형 프로브(703)의 유효 높이에 의존한다. 이 때문에, 단자점 전압은 아래와 같이 계산될 수 있다.

여기서,

는 미터당 볼트 단위의 선형 프로브(703) 상의 벡터 내의 전기장의 강도이고,

은 선형 프로브(703)의 방향을 따른 적분의 요소이고,

는 선형 프로브(703)의 유효 높이이다. 전기 부하(716)가 임피던스 매칭 네트워크(719)를 통해 출력 단자들(713)에 결합된다.

선형 프로브(703)에 전술한 바와 같은 유도 표면파가 인가될 때, 출력 단자들(713) 양단에는 전압이 발생하며, 이 전압은 경우에 따라서는 켤레 임피던트 매칭 네트워크(719)를 통해 전기 부하(716)에 인가될 수 있다. 전기 부하(716)로의 전력의 흐름을 촉진하기 위해, 전기 부하(716)는 후술하는 바와 같이 선형 프로브(703)에 실질적으로 임피던스 매칭되어야 한다.

도 12b를 참조하면, 튜닝형 공진기(706)는 손실 전도 매체(203) 위로 상승된 전하 단자(T_R)를 포함한다. 전하 단자(T_R)는 자기 용량(C_R)을 갖는다. 게다가, 손실 전도 매체(203) 위의 전하 단자(T_R)의 높이에 따라 전하 단자(T_R)와 손실 전도 매체(203) 사이에 결합 용량(미도시)이 또한 존재할 수 있다. 결합 용량은 바람직하게는 가능한 한 최소화되어야 하지만, 이것은 다상 도파관 프로브(200)의 모든 사례에서 전적으로 필요하지는 않을 수 있다.

튜닝형 공진기(706)는 코일(L_R)도 포함한다. 코일(L_R)의 한 단부는 전하 단자(T_R)에 결합되며, 코일(L_R)의 다른 단부는 손실 전도 매체(203)에 결합된다. 이 때문에, 튜닝형 공진기(706)(튜닝형 공진기(L_R-C_R)로도 지칭될 수 있음)는 직렬 튜닝형 공진기를 전하 단자(C_R)로서 포함하며, 코일(L_R)은 직렬로 배치된다. 튜닝형 공진기(706)는 전하 단자(T_R)의 크기 및/또는 높이를 조정하고/하거나 코일(L_R)의 크기를 조정하여 구조의 반응 임피던스를 실질적으로 제거함으로써 튜닝된다.

예를 들어, 자기 용량(C_R)에 의해 제공되는 리액턴스는

로서 계산된다. 튜닝형 공진기(706)의 전체 용량은 전하 단자(T_R)와 손실 전도 매체(203) 간의 용량도 포함할 수 있으며, 튜닝형 공진기(706)의 전체 용량은 인식될 수 있는 바와 같이 자기 용량(C_R) 및 임의의 결합 용량 양자로부터 계산될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 전하 단자(T_R)는 임의의 결합 용량을 실질적으로 줄이거나 제거하기 위한 높이로 상승될 수 있다. 결합 용량의 존재는 전하 단자(T_R)와 손실 전도 매체(203) 간의 용량 측정들로부터 결정될 수 있다.

개별 요소 코일(L_R)에 의해 제공되는 유도 리액턴스는

로서 계산될 수 있으며, 여기서 L은 코일(L_R)의 집중 요소 인덕턴스(lumped-element inductance)이다. 코일(L_R)이 분산 요소인 경우, 그의 등가 단자점 유도 리액턴스는 전통적인 접근법들에 의해 결정될 수 있다. 튜닝형 공진기(706)를 튜닝하기 위해, 코일(L_R)에 의해 제공되는 유도 리액턴스가 튜닝형 공진기(706)에 의해 제공되는 용량 리액턴스와 동일하게 하여, 튜닝형 공진기(706)의 결과적인 순수 리액턴스가 동작 주파수에서 실질적으로 0이 되게 하도록 조정들이 행해질 것이다. 임피던스 매칭 네트워크(723)가 프로브 단자들(721)과 전기 부하(726) 사이에 삽입되어, 전기 부하(726)로의 최대 전력 전달을 위한 켤레 매치 조건을 달성할 수 있다.

전술한 바와 같이, 튜닝형 공진기(706) 및 켤레 매칭 네트워크(723)의 주파수에서 생성된 유도 표면파의 존재 시에, 최대 전력이 표면 유도파로부터 전기 부하(726)로 전달될 것이다. 즉, 튜닝형 공진기(706)와 전기 부하(726) 사이에 켤레 임피던스 매칭이 설정되면, 구조로부터 전기 부하(726)로 전력이 전달될 것이다. 이 때문에, 전기 부하(726)는 자기 결합, 용량 결합 또는 전도(직접 탭) 결합을 통해 튜닝형 공진기(706)에 결합될 수 있다. 결합 네트워크의 요소들은 인식될 수 있는 바와 같이 집중 컴포넌트들 또는 분산 요소들일 수 있다. 도 12b에 도시된 실시예에서는, 자기 결합이 이용되며, 여기서 코일(L_S)은 변압기 1차 코일로서 작용하는 코일(L_R)에 대해 2차 코일로서 배치된다. 코일(L_S)은 인식할 수 있듯이 그를 동일 코어 구조 주위에 기하학적으로 감고서, 결합된 자속을 조정함으로써 코일(L_R)에 링크 결합될 수 있다. 게다가, 튜닝형 공진기(706)는 직렬 튜닝형 공진기를 포함하지만, 병렬 튜닝형 공진기 또는 심지어는 분산-요소 공진기도 사용될 수 있다.

도 13을 참조하면, 자기 코일(709)은 임피던스 매칭 네트워크(733)를 통해 전기 부하(736)에 결합되는 수신 회로를 포함한다. 유도 표면파로부터의 전력의 수신 및/또는 추출을 촉진하기 위해, 자기 코일(709)은 유도 표면파의 자속(

)이 자기 코일(709)을 통과하여 자기 코일(709) 내에 전류를 유도하고 그의 출력 단자들(729)에서 단자점 전압을 생성하도록 배치될 수 있다. 단일 권선 코일에 결합된 유도 표면파의 자속은 다음과 같이 표현된다.

여기서,

는 결합 자속이고,

은 자기 코일(709)의 코어의 유효 상대 투자율이고,

은 자유 공간의 투자율이고,

는 입사 자기장 강도 벡터이고,

은 권선들의 교차 영역에 수직인 단위 벡터이고,

는 각각의 루프에 의해 둘러싸인 면적이다. 자기 코일(709)의 교차 영역에 걸쳐 균일한 입사 자기장에 대한 최대 결합을 위해 배향된 N-권선 자기 코일(709)의 경우, 자기 코일(709)의 출력 단자들(729)에서 나타나는 개방 회로 유도 전압은 다음과 같다.

여기서, 변수들은 위에서 정의된다. 자기 코일(709)은 경우에 따라서는 분산 공진기로서 또는 그의 출력 단자들(729)에 걸친 외부 커패시터를 이용하여 유도파 주파수로 튜닝된 후에, 켤레 임피던스 매칭 네트워크(733)를 통해 외부 전기 부하(736)에 임피던스 매칭될 수 있다.

자기 코일(709) 및 전기 부하(736)에 의해 제공되는 결과적인 회로가 임피던스 매칭 네트워크(733)를 통해 적절히 조정되고, 켤레 임피던스 매칭되는 경우, 자기 코일(709)에서 유도되는 전류를 이용하여 전기 부하(736)에 최적으로 급전할 수 있다. 자기 코일(709)에 의해 제공되는 수신 회로는 그라운드에 물리적으로 접속될 필요가 없다는 점에서 장점을 제공한다.

도 12a, 12b 및 13을 참조하면, 선형 프로브(703), 튜닝형 공진기(706) 및 자기 코일(709)에 의해 제공되는 수신 회로들 각각은 전술한 다상 도파관 프로브들(200)의 실시예들 중 어느 하나로부터 전송되는 전력의 수신을 용이하게 한다. 이 때문에, 수신 에너지는 알 수 있듯이 켤레 매칭 네트워크를 통해 전기 부하(716/726/736)에 전력을 공급하는 데 사용될 수 있다. 이것은 방사 전자기장의 형태로 전송된, 수신기에서 수신될 수 있는 신호들과 대조적이다. 그러한 신호들은 매우 낮은 이용 가능 전력을 가지며, 그러한 신호들의 수신기들은 송신기들에 부하를 주지 않는다.

선형 프로브(703), 튜닝형 공진기(706) 및 자기 코일(709)에 의해 제공되는 수신 회로들이 다상 도파관 프로브(200)에 인가되는 여기 소스(213)(도 3)에 부하를 주어서, 그러한 수신 회로들에 가해지는 유도 표면파를 생성하는 것은 또한 전술한 다상 도파관 프로브들(200)을 이용하여 생성되는 본 유도 표면파들의 특징이다. 이것은 전술한 주어진 다상 도파관 프로브(200)에 의해 생성되는 유도 표면파가 송신선 모드를 포함한다는 사실을 반영한다. 이와 달리, 방사 전자기파를 생성하는 방사 안테나를 구동하는 전력 소스는 사용되는 수신기들의 수에 관계없이 수신기들에 의해 부하를 받지 않는다.

따라서, 주어진 다상 도파관 프로브(200), 및 선형 프로브(703), 튜닝형 공진기(706) 및/또는 자기 코일(709) 형태의 수신 회로들은 함께 무선 분배 시스템을 구성할 수 있다. 전술한 바와 같은 다상 도파관 프로브(200)를 이용하는 유도 표면파의 송신의 거리가 주파수에 의존하는 경우, 무선 전력 분배는 넓은 영역들에 걸쳐, 심지어는 전세계에 걸쳐 달성될 수 있는 것이 가능하다.

오늘날 광범위하게 연구되는 전통적인 무선 전력 송신/분배 시스템들은 방사 장들로부터의 "에너지 수확" 및 또한 유도 또는 반응 근거리장들에 대한 센서 결합을 포함한다. 이와 달리, 본 무선 전력 시스템은 인터셉트되지 않는 한은 영원히 손실되는 방사 형태의 전력을 낭비하지 않는다. 현재 개시되는 무선 전력 시스템은 전통적인 상호 리액턴스 결합 근거리장 시스템들에서와 같은 극히 짧은 범위들로 한정되지도 않는다. 본 명세서에서 개시되는 무선 전력 시스템은 파 유도에 의해 부하에 또는 먼 발전기에 직접 와이어링된 부하에 전력을 전달하는 것과 등가인 새로운 표면 유도 송신선 모드에 프로브 결합된다. 송신 장 강도를 유지하는 데 필요한 전력 및 60 Hz에서의 전통적인 고압 전력선들에서의 송신 손실들에 비해 매우 낮은 주파수들에서 사소한, 표면 도파관에서 방산되는 전력을 제외하고는, 모든 발전기 전력이 원하는 전기 부하로만 간다. 전기 부하 요구가 종료될 때, 소스 전력 생성은 비교적 적다.

이어서, 도 14a를 참조하면, 선형 프로브(703) 및 튜닝형 공진기(706)를 나타내는 개략도가 도시된다. 도 14b는 자기 코일(709)을 나타내는 개략도를 도시한다. 선형 프로브(703) 및 튜닝형 공진기(706) 각각은 개방 회로 단자 전압 소스(

) 및 데드(dead) 네트워크 단자점 임피던스(

)에 의해 표현되는 테브난 등가로서 간주될 수 있다. 자기 코일(709)은 단락 회로 단자 전류 소스(

) 및 데드 네트워크 단자점 임피던스(

) 노턴 등가로서 간주될 수 있다. 각각의 전기 부하(716/726/736)(도 12a-b 및 도 13)는 부하 임피던스(

)에 의해 표현될 수 있다. 소스 임피던스(

)는 실수 및 허수 성분들 양자를 포함하며,

의 형태를 취한다.

일 실시예에 따르면, 전기 부하(716/726/736) 각각은 각각의 수신 회로에 임피던스 매칭된다. 구체적으로, 각각의 전기 부하(716/726/736)는 Z_L' = Z_s * = R_S - jX_S와 동일할, Z_L' = R_L' + j X_L'로서 표현되는 Z_L'로서 지정되는 프로브 네트워크 상의 부하를 각각의 임피던스 매칭 네트워크(719/723/733)를 통해 제공하며, 제공되는 부하 임피던스(Z_L')는 실제 소스 임피던스(Z_S)의 복소 켤레이다. 게다가, 캐스케이딩 네트워크에서 켤레 매치가 임의의 단자 쌍에서 발생하는 경우에 그것은 모든 단자 쌍들에서 발생할 것이라는 것을 언급하는 켤레 매치 법칙은 실제 전기 부하(716/726/736)가 또한 그의 임피던스(Z_L')에 대한 켤레 매치를 만날 것으로 단언한다. Everitt, W.L. and G.E. Tanner, Communication Engineering, McGraw-Hill, 3^rd edition, 1956, p. 407을 참조한다. 이것은 각각의 전기 부하(716/726/736)가 각각의 수신 회로에 임피던스 매칭되고, 각각의 전기 부하(716/726/736)에 대해 최대 전력 전달이 설정되는 것을 보증한다.

위의 내용에 더하여, 본 개시 내용의 다양한 실시예들은 아래의 조항들에서 설명되는 실시예들을 포함하지만 이에 한정되지 않는다.

조항 1. 다상 도파관 프로브를 여기함으로써 지상 매체의 표면을 따라 유도 표면 도파관 모드의 형태로 운반되는 에너지를 전송하는 단계를 포함하는 방법.

조항 2. 조항 1에 있어서, 상기 다상 도파관 프로브를 여기함으로써 상기 지상 매체의 상기 표면을 따라 상기 유도 표면 도파관 모드의 형태로 운반되는 에너지를 전송하는 상기 단계는 상기 지상 매체의 상기 유도 표면 도파관 모드와 실질적으로 매칭되는 복수의 장을 합성하는 단계를 더 포함하는 방법.

조항 3. 조항 1 또는 2에 있어서, 상기 유도 표면 도파관 모드의 방사상 표면 전류 밀도는 실질적으로

에 의해 표현되고, 여기서

는

에 의해 주어지는 표면파 방사상 전파 상수이고,

는

에 의해 주어지는 수직 전파 상수이고,

이고,

는 상기 지상 매체의 전도율이고,

는 2πf와 동일하고, f는 상기 다상 도파관 프로브의 여기 주파수이고,

는 자유 공간의 유전율이고,

는 상기 지상 매체의 상대 유전율이고, 자유 공간 파수

은

와 동일하고,

는 상기 다상 도파관 프로브의 자유 공간 파장이고, j는

과 동일하고,

는 방사상 좌표이고, z는 상기 지상 매체에 수직인 수직 좌표이고,

는 방위 좌표이고,

는 순수 다상 프로브 전류이고,

는

시간 변화에 대한 복소 인수

를 갖는 제2 유형 및 1차의 핸켈 함수이고, t는 시간인 방법.

조항 4. 조항 1 내지 3 중 어느 한 조항에 있어서, 상기 유도 표면 도파관 모드는 실질적으로

및

에 의해 표현되고, 여기서

는 방위 자기장 강도이고,

는 방사상 전기장 강도이고,

는 수직 전기장 강도이고,

는

에 의해 주어지는 표면파 방사상 전파 상수이고,

는

에 의해 주어지는 수직 전파 상수이고,

이고,

는 상기 지상 매체의 전도율이고,

는 2πf와 동일하고, f는 상기 다상 도파관 프로브의 여기 주파수이고,

는 자유 공간의 유전율이고,

는 상기 지상 매체의 상대 유전율이고, 자유 공간 파수

은

와 동일하고,

는 상기 다상 도파관 프로브의 자유 공간 파장이고, j는

과 동일하고,

는 방사상 좌표이고, z는 상기 지상 매체에 수직인 수직 좌표이고,

는 방위 좌표이고,

는 순수 다상 프로브 전류이고,

는

시간 변화에 대한 복소 인수

를 갖는 제2 유형 및 1차의 핸켈 함수이고,

는

시간 변화에 대한 복소 인수

를 갖는 제2 유형 및 0차의 핸켈 함수이고, t는 시간인 방법.

조항 5. 조항 2-4 중 어느 한 조항에 있어서, 상기 장들은 상기 지상 매체의 복소 브루스터 각도에서 입사하는 파면을 실질적으로 합성하여 무시 가능한 반사를 유발하는 방법.

조항 6. 조항 1-5 중 어느 한 조항에 있어서, 상기 다상 도파관 프로브는 복수의 전하 단자를 포함하고, 상기 방법은 상기 전하 단자들 중 적어도 하나의 전하 단자의 높이를 조정함으로써 상기 다상 도파관 프로브를 조정하는 단계를 더 포함하는 방법.

조항 7. 조항 1-5 중 어느 한 조항에 있어서, 상기 다상 도파관 프로브는 복수의 전하 단자를 포함하고, 상기 방법은 상기 전하 단자들 간의 거리를 조정함으로써 상기 다상 도파관 프로브를 튜닝하는 단계를 더 포함하는 방법.

조항 8. 조항 1-5 중 어느 한 조항에 있어서, 상기 다상 도파관 프로브는 복수의 전하 단자를 포함하고, 상기 방법은 상기 전하 단자들 중 적어도 하나의 전하 단자의 크기를 조정함으로써 상기 다상 도파관 프로브를 튜닝하는 단계를 더 포함하는 방법.

조항 9. 조항 1-5 중 어느 한 조항에 있어서, 상기 다상 도파관 프로브는 복수의 전하 단자를 포함하고, 상기 방법은 상기 전하 단자들에 결합된 프로브 결합 회로를 조정함으로써 상기 다상 도파관 프로브를 튜닝하는 단계를 더 포함하는 방법.

조항 10. 손실 전도 매체의 표면 상의 제넥 표면파 모드에 실질적으로 모드 매칭되는 복수의 결과적인 장을 생성하도록 구성되는 다상 도파관 프로브를 포함하는 장치.

조항 11. 조항 10에 있어서, 상기 손실 전도 매체는 지상 매체를 더 포함하는 장치.

조항 12. 조항 10 또는 11에 있어서, 상기 다상 도파관 프로브의 방사 저항은 실질적으로 0인 장치.

조항 13. 조항 10-12 중 어느 한 조항에 있어서, 상기 다상 도파관 프로브의 높이는 상기 다상 도파관 프로브의 동작 주파수에서

보다 작고, 여기서

는 상기 동작 주파수에서의 파장인 장치.

조항 14. 조항 10-13 중 어느 한 조항에 있어서, 상기 결과적인 장들은 상기 손실 전도 매체의 복소 브루스터 각도에서 입사하는 파면을 실질적으로 합성하여 실질적으로 0의 반사를 유발하는 장치.

조항 15. 조항 10-14 중 어느 한 조항에 있어서, 여기 소스가 상기 다상 도파관 프로브에 전기적으로 결합되는 장치.

조항 16. 조항 10-15 중 어느 한 조항에 있어서, 상기 제넥 표면파 모드의 방사상 표면 전류 밀도는 실질적으로

에 의해 표현되고, 여기서

는

에 의해 주어지는 표면파 방사상 전파 상수이고,

는

에 의해 주어지는 수직 전파 상수이고,

이고,

는 상기 손실 전도 매체의 전도율이고,

는 2πf와 동일하고, f는 상기 다상 도파관 프로브의 여기 주파수이고,

는 자유 공간의 유전율이고,

는 상기 손실 전도 매체의 상대 유전율이고, 자유 공간 파수

은

와 동일하고,

는 상기 다상 도파관 프로브의 자유 공간 파장이고, j는

과 동일하고,

는 방사상 좌표이고, z는 상기 손실 전도 매체에 수직인 수직 좌표이고,

는 방위 좌표이고,

는 순수 다상 프로브 전류이고,

는

시간 변화에 대한 복소 인수

를 갖는 제2 유형 및 1차의 핸켈 함수이고, t는 시간인 장치.

조항 17. 조항 10-16 중 어느 한 조항에 있어서, 상기 제넥 표면파 모드는 실질적으로

및

에 의해 표현되고, 여기서

는 방위 자기장 강도이고,

는 방사상 전기장 강도이고,

는 수직 전기장 강도이고,

는

에 의해 주어지는 표면파 방사상 전파 상수이고,

는

에 의해 주어지는 수직 전파 상수이고,

이고,

는 상기 손실 전도 매체의 전도율이고,

는 2πf와 동일하고, f는 상기 다상 도파관 프로브의 여기 주파수이고,

는 자유 공간의 유전율이고,

는 상기 손실 전도 매체의 상대 유전율이고, 자유 공간 파수

은

와 동일하고,

는 상기 다상 도파관 프로브의 자유 공간 파장이고, j는

과 동일하고,

는 방사상 좌표이고, z는 상기 손실 전도 매체에 수직인 수직 좌표이고,

는 방위 좌표이고,

는 순수 다상 프로브 전류이고,

는

시간 변화에 대한 복소 인수

를 갖는 제2 유형 및 1차의 핸켈 함수이고,

는

시간 변화에 대한 복소 인수

를 갖는 제2 유형 및 0차의 핸켈 함수이고, t는 시간인 장치.

조항 18. 조항 10-17 중 어느 한 조항에 있어서, 상기 다상 도파관 프로브는 복수의 전하 단자를 더 포함하고, 상기 다상 도파관 프로브는 복수의 전압 크기 및 복수의 위상을 상기 전하 단자들 상에 부과하도록 더 구성되는 장치.

조항 19. 조항 10-18 중 어느 한 조항에 있어서, 상기 다상 도파관 프로브는 상기 전하 단자들에 결합된 프로브 결합 회로를 더 포함하고, 상기 프로브 결합 회로는 상기 전압 크기들 및 상기 위상들을 상기 전하 단자들 상에 부과하도록 구성되는 장치.

조항 20. 조항 10-19 중 어느 한 조항에 있어서, 상기 전압 크기들뿐만 아니라 상기 위상들도 상기 전하 단자들의 서로에 대한 지리 위치의 함수로서 변하는 장치.

조항 21. 조항 10-20 중 어느 한 조항에 있어서, 상기 전압 크기들뿐만 아니라 상기 위상들도 상기 손실 전도 매체에 대한 상기 전하 단자들 각각의 지리 위치의 함수로서 변하는 장치.

조항 22. 조항 10-21 중 어느 한 조항에 있어서, 상기 전압 크기들뿐만 아니라 상기 위상들도 상기 전하 단자들의 물리적 크기의 함수로서 변하는 장치.

조항 23. 조항 10-22 중 어느 한 조항에 있어서, 상기 전압 크기들뿐만 아니라 상기 위상들도 전기 회로의 함수로서 변하는 장치.

조항 24. 조항 10-23 중 어느 한 조항에 있어서, 상기 전하 단자들은 축을 따라 배치되는 장치.

조항 25. 조항 10-24 중 어느 한 조항에 있어서, 여기 소스가 상기 다상 도파관 프로브에 직렬 결합되는 장치.

조항 26. 조항 10-17 중 어느 한 조항에 있어서, 상기 다상 도파관 프로브는 제1 전하 단자 및 제2 전하 단자 양자에 결합된 코일을 더 포함하는 장치.

조항 27. 조항 10-17 중 어느 한 조항에 있어서, 상기 다상 도파관 프로브는 제1 코일 및 제2 코일을 더 포함하고, 상기 제1 코일은 제1 전하 단자 및 제2 전하 단자 양자에 결합되고, 상기 제2 코일은 상기 제2 전하 단자 및 상기 손실 전도 매체에 결합되는 장치.

조항 28. 조항 10-17 중 어느 한 조항에 있어서, 상기 다상 도파관 프로브는 제1 전하 단자에 결합된 제1 단부 및 상기 손실 전도 매체에 결합된 제2 단부를 갖는 코일을 더 포함하고, 탭이 상기 제2 전하 단자에 결합되고, 상기 코일을 따라 배치되는 장치.

조항 29. 조항 10-17 중 어느 한 조항에 있어서, 상기 다상 도파관 프로브는 제1 코일 및 제2 코일을 더 포함하고, 상기 제1 코일은 제1 전하 단자 및 상기 손실 전도 매체 양자에 결합되고, 상기 제2 코일은 제2 전하 단자 및 상기 손실 전도 매체 양자에 결합되는 장치.

조항 30. 조항 10-17 중 어느 한 조항에 있어서, 상기 다상 도파관 프로브는 제1 전하 단자 및 상기 손실 전도 매체에 결합된 코일, 및 제2 전하 단자 및 상기 단체에 결합된 저항기를 더 포함하는 장치.

조항 31. 조항 10-17 중 어느 한 조항에 있어서, 상기 다상 도파관 프로브는 제1 전하 단자 및 그라운드 스크린 양자에 결합된 코일을 더 포함하는 장치.

조항 32. 조항 10-17 중 어느 한 조항에 있어서, 상기 다상 도파관 프로브는 제1 전하 단자 및 제2 전하 단자 양자에 결합된 제1 코일; 및 상기 손실 전도 매체 및 용량에 결합된 제2 코일을 더 포함하고; 상기 용량은 상기 제2 전하 단자에 더 결합되는 장치.

조항 33. 조항 32에 있어서, 상기 용량은 가변 용량인 장치.

조항 34. 조항 10-17 중 어느 한 조항에 있어서, 상기 다상 도파관 프로브는 제1 전하 단자 및 제2 전하 단자 양자에 결합된 제1 코일; 및 단자 및 상기 손실 전도 매체에 결합된 제2 코일을 더 포함하고, 상기 단자는 상기 제2 전자 단자에 대해 배치되어 상기 단자와 상기 제2 전하 단자 사이에 결합 용량을 유발하는 장치.

조항 35. 조항 10-17 중 어느 한 조항에 있어서, 상기 다상 도파관 프로브는 제1 전하 단자 및 제2 전하 단자 양자에 결합된 제1 코일; 및 단자에 결합된 제2 코일을 더 포함하고, 상기 단자는 상기 제2 전하 단자에 대해 배치되어 상기 단자와 상기 제2 전하 단자 사이에 결합 용량을 유발하고, 상기 여기 소스는 상기 제2 코일 및 상기 손실 전도 매체에 결합되는 장치.

조항 36. 조항 10-17 중 어느 한 조항에 있어서, 상기 다상 도파관 프로브는 복수의 전하 단자를 더 포함하고, 상기 단자들 각각은 구 또는 원반을 포함하는 장치.

조항 37. 조항 10-17 중 어느 한 조항에 있어서, 상기 다상 도파관 프로브는 제1 전하 단자에 결합된 제1 단부 및 제2 전하 단자에 결합된 제2 단부를 갖는 코일; 및 상기 손실 전도 매체에 결합되고 상기 코일을 따라 배치된 탭을 더 포함하는 장치.

조항 38. 조항 26-34, 36 및 37 중 어느 하나에 있어서, 1차 코일에 결합된 여기 소스를 더 포함하고, 상기 1차 코일은 상기 다상 도파관 프로브에 기계적으로 결합되는 장치.

조항 39. 복수의 결과적인 장을 생성하도록 구성되는 다상 도파관 프로브를 포함하고, 상기 결과적인 장들은 지상 매체의 표면 상의 제넥 표면파 모드에 실질적으로 모드 매칭되는 장치.

조항 40. 조항 39에 있어서, 상기 결과적인 장들은 상기 지상 매체의 복소 브루스터 각도에서 입사하는 파를 실질적으로 합성하여 실질적으로 0의 반사를 유발하는 장치.

조항 41. 조항 39 또는 40에 있어서, 상기 제넥 표면파 모드의 방사상 표면 전류 밀도는 실질적으로

에 의해 표현되고, 여기서

는

에 의해 주어지는 표면파 방사상 전파 상수이고,

는

에 의해 주어지는 수직 전파 상수이고,

이고,

는 상기 지상 매체의 전도율이고,

는 2πf와 동일하고, f는 상기 다상 도파관 프로브의 여기 주파수이고,

는 자유 공간의 유전율이고,

는 상기 지상 매체의 상대 유전율이고, 자유 공간 파수

은

와 동일하고,

는 상기 다상 도파관 프로브의 자유 공간 파장이고, j는

과 동일하고,

는 방사상 좌표이고, z는 상기 지상 매체에 수직인 수직 좌표이고,

는 방위 좌표이고,

는 순수 다상 프로브 전류이고,

는

시간 변화에 대한 복소 인수

를 갖는 제2 유형 및 1차의 핸켈 함수이고, t는 시간인 장치.

조항 42. 조항 39 내지 41 중 어느 한 조항에 있어서, 상기 제넥 표면파 모드는 실질적으로

및

에 의해 표현되고, 여기서

는 방위 자기장 강도이고,

는 방사상 전기장 강도이고,

는 수직 전기장 강도이고,

는

에 의해 주어지는 표면파 방사상 전파 상수이고,

는

에 의해 주어지는 수직 전파 상수이고,

이고,

는 상기 지상 매체의 전도율이고,

는 2πf와 동일하고, f는 상기 다상 도파관 프로브의 여기 주파수이고,

는 자유 공간의 유전율이고,

는 상기 지상 매체의 상대 유전율이고, 자유 공간 파수

은

와 동일하고,

는 상기 다상 도파관 프로브의 자유 공간 파장이고, j는

과 동일하고,

는 방사상 좌표이고, z는 상기 지상 매체에 수직인 수직 좌표이고,

는 방위 좌표이고,

는 순수 다상 프로브 전류이고,

는

시간 변화에 대한 복소 인수

를 갖는 제2 유형 및 1차의 핸켈 함수이고,

는

시간 변화에 대한 복소 인수

를 갖는 제2 유형 및 0차의 핸켈 함수이고, t는 시간인 장치.

조항 43. 조항 39-42 중 어느 하나에 있어서, 상기 다상 도파관 프로브는 한 쌍의 전하 단자를 더 포함하고, 상기 다상 도파관 프로브는 복수의 전압 크기 및 복수의 위상을 상기 전하 단자들 상에 부과하도록 더 구성되는 장치.

조항 44. 조항 43에 있어서, 상기 다상 도파관 프로브는 상기 전하 단자들에 결합된 분배 회로를 더 포함하는 장치.

조항 45. 조항 44에 있어서, 전기 소스가 상기 분해 회로에 결합되는 장치.

조항 46. 조항 44 또는 45에 있어서, 상기 분배 회로는 코일을 더 포함하는 장치.

조항 47. 조항 43에 있어서, 상기 다상 도파관 프로브는 상기 전하 단자들 사이에 결합된 코일을 더 포함하는 장치.

조항 48. 조항 43에 있어서, 상기 전압 크기들뿐만 아니라 상기 위상들도 상기 전하 단자들의 서로에 대한 지리 위치의 함수로서 변하는 장치.

조항 49. 조항 43에 있어서, 상기 전압 크기들뿐만 아니라 상기 위상들도 상기 지상 매체에 대한 상기 전하 단자들 각각의 지리 위치의 함수로서 변하는 장치.

조항 50. 조항 43에 있어서, 상기 전압 크기들뿐만 아니라 상기 위상들도 상기 전하 단자들의 물리적 크기의 함수로서 변하는 장치.

조항 51. 조항 43에 있어서, 상기 전압 크기들뿐만 아니라 상기 위상들도 전기 회로의 함수로서 변하는 장치.

조항 52. 조항 39-44 및 46-51 중 어느 하나에 있어서, 여기 소스가 상기 다상 도파관 프로브에 전기적으로 결합되는 장치.

조항 53. 지상 매체에 대해 수신 회로를 배치하는 단계; 및 상기 수신 회로를 통해, 상기 지상 매체의 표면 상의 제넥 표면파의 형태로 운반되는 에너지를 수신하는 단계를 포함하는 방법.

조항 54. 조항 53에 있어서, 상기 수신 회로에 결합된 전기 부하가 상기 제넥 표면파를 생성하는 다상 도파관 프로브에 결합된 여기 소스에 부하를 가하는 방법.

조항 55. 조항 53 또는 54에 있어서, 상기 에너지는 전력을 더 포함하고, 상기 방법은 상기 수신 회로에 결합된 전기 부하에 상기 전력을 인가하는 단계를 더 포함하고, 상기 전력은 상기 전기 부하에 대한 전력 소스로서 사용되는 방법.

조항 56. 조항 53-55 중 어느 하나에 있어서, 전기 부하를 상기 수신 회로에 임피던스 매칭시키는 단계를 더 포함하는 방법.

조항 57. 조항 53-56 중 어느 하나에 있어서, 상기 수신 회로로부터 상기 전기 부하로의 최대 전력 전달을 설정하는 단계를 더 포함하는 방법.

조항 58. 조항 53-57 중 어느 하나에 있어서, 상기 수신 회로는 자기 코일을 더 포함하는 방법.

조항 59. 조항 53-57 중 어느 하나에 있어서, 상기 수신 회로는 선형 프로브를 더 포함하는 방법.

조항 60. 조항 53-57 중 어느 하나에 있어서, 상기 수신 회로는 상기 지상 매체에 결합된 튜닝형 공진기를 더 포함하는 방법.

조항 61. 손실 전도 매체의 표면을 따라 제넥 표면파의 형태로 운반되는 에너지를 수신하는 수신 회로를 포함하는 장치.

조항 62. 조항 61에 있어서, 상기 손실 전도 매체는 지상 매체를 더 포함하는 장치.

조항 63. 조항 61 또는 62에 있어서, 상기 수신 회로에 결합된 전기 부하가 상기 제넥 표면파를 생성하는 다상 도파관 프로브에 결합된 여기 소스에 부하를 가하는 장치.

조항 64. 조항 61 또는 62에 있어서, 상기 에너지는 전력을 더 포함하고, 상기 수신 회로는 전기 부하에 결합되고, 상기 전력은 상기 전기 부하에 인가되고, 상기 전력은 상기 전기 부하에 대한 전력 소스로서 사용되는 장치.

조항 65. 조항 63 또는 64에 있어서, 상기 전기 부하는 상기 수신 회로에 임피던스 매칭되는 장치.

조항 66. 조항 61-65 중 어느 하나에 있어서, 상기 수신 회로는 자기 코일을 더 포함하는 장치.

조항 67. 조항 61-65 중 어느 하나에 있어서, 상기 수신 회로는 선형 프로브를 더 포함하는 장치.

조항 68. 조항 61-65 중 어느 하나에 있어서, 상기 수신 회로는 튜닝형 공진기를 더 포함하는 장치.

조항 69. 조항 68에 있어서, 상기 튜닝형 공진기는 직렬 튜닝형 공진기를 포함하는 장치.

조항 70. 조항 68에 있어서, 상기 튜닝형 공진기는 병렬 튜닝형 공진기를 포함하는 장치.

조항 71. 조항 68에 있어서, 상기 튜닝형 공진기는 분산 튜닝형 공진기를 포함하는 장치.

조항 72. 지상 매체의 표면을 따라 유도 표면파의 형태로 전기 에너지를 전송하는 다상 도파관 프로브; 및 상기 전기 에너지를 수신하는 수신 회로를 포함하는 전력 송신 시스템.

조항 73. 조항 72에 있어서, 상기 수신 회로에 결합된 전기 부하가 상기 다상 도파관 프로브에 부하를 가하는 전력 송신 시스템.

조항 74. 조항 72에 있어서, 전기 부하가 상기 수신 회로에 결합되고, 상기 전기 에너지는 상기 전기 부하에 대한 전력 소스로서 사용되는 전력 송신 시스템.

조항 75. 조항 73 또는 74에 있어서, 상기 전기 부하는 상기 수신 회로에 임피던스 매칭되는 전력 송신 시스템.

조항 76. 조항 73 또는 74에 있어서, 상기 수신 회로로부터 상기 전기 부하로의 최대 전력 전달이 설정되는 전력 송신 시스템.

조항 77. 조항 72-76 중 어느 하나에 있어서, 상기 수신 회로는 자기 코일을 더 포함하는 전력 송신 시스템.

조항 78. 조항 72-76 중 어느 하나에 있어서, 상기 수신 회로는 선형 프로브를 더 포함하는 전력 송신 시스템.

조항 79. 조항 72-76 중 어느 하나에 있어서, 상기 수신 회로는 튜닝형 공진기를 더 포함하는 전력 송신 시스템.

조항 80. 조항 72-79 중 어느 하나에 있어서, 상기 다상 도파관 프로브는 상기 지상 매체 상의 유도 표면파 모드에 실질적으로 임피던스 매칭되는 복수의 결과적인 장을 생성하도록 구성되는 전력 송신 시스템.

조항 81. 조항 72-80 중 어느 하나에 있어서, 상기 다상 도파관 프로브의 방사 저항은 실질적으로 0인 전력 송신 시스템.

조항 82. 조항 72-81에 있어서, 상기 다상 도파관 프로브의 높이는 상기 다상 도파관 프로브의 동작 주파수에서

보다 작고, 여기서

는 상기 동작 주파수에서의 파장인 전력 송신 시스템.

조항 83. 조항 80에 있어서, 상기 결과적인 장들은 손실 매체의 복소 브루스터 각도에서 입사하는 파면을 실질적으로 합성하여 실질적으로 0의 반사를 유발하는 전력 송신 시스템.

조항 84. 조항 72-83 중 어느 한 조항에 있어서, 여기 소스가 상기 다상 도파관 프로브에 전기적으로 결합되는 전력 송신 시스템.

조항 85. 조항 80에 있어서, 상기 유도 표면파 모드의 방사상 표면 전류 밀도는 실질적으로

에 의해 표현되고, 여기서

는

에 의해 주어지는 표면파 방사상 전파 상수이고,

는

에 의해 주어지는 수직 전파 상수이고,

이고,

는 상기 손실 매체의 전도율이고,

는 2πf와 동일하고, f는 상기 다상 도파관 프로브의 여기 주파수이고,

는 자유 공간의 유전율이고,

는 상기 손실 매체의 상대 유전율이고, 자유 공간 파수

은

와 동일하고,

는 상기 다상 도파관 프로브의 자유 공간 파장이고, j는

과 동일하고,

는 방사상 좌표이고, z는 상기 손실 매체에 수직인 수직 좌표이고,

는 방위 좌표이고,

는 순수 다상 프로브 전류이고,

는

시간 변화에 대한 복소 인수

를 갖는 제2 유형 및 1차의 핸켈 함수이고, t는 시간인 전력 송신 시스템.

조항 86. 조항 80에 있어서, 상기 유도 표면파 모드는 실질적으로

및

에 의해 표현되고, 여기서

는 방위 자기장 강도이고,

는 방사상 전기장 강도이고,

는 수직 전기장 강도이고,

는

에 의해 주어지는 표면파 방사상 전파 상수이고,

는

에 의해 주어지는 수직 전파 상수이고,

이고,

는 상기 손실 매체의 전도율이고,

는 2πf와 동일하고, f는 상기 다상 도파관 프로브의 여기 주파수이고,

는 자유 공간의 유전율이고,

는 상기 손실 매체의 상대 유전율이고, 자유 공간 파수

은

와 동일하고,

는 상기 다상 도파관 프로브의 자유 공간 파장이고, j는

과 동일하고,

는 방사상 좌표이고, z는 상기 손실 매체에 수직인 수직 좌표이고,

는 방위 좌표이고,

는 순수 다상 프로브 전류이고,

는

시간 변화에 대한 복소 인수

를 갖는 제2 유형 및 1차의 핸켈 함수이고,

는

시간 변화에 대한 복소 인수

를 갖는 제2 유형 및 0차의 핸켈 함수이고, t는 시간인 전력 송신 시스템.

본 개시 내용의 전술한 실시예들은 본 개시 내용의 원리들의 명확한 이해를 위해 설명되는 구현들의 가능한 예들일 뿐이라는 것이 강조되어야 한다. 본 개시 내용의 사상 및 원리들로부터 실질적으로 벗어나지 않고서 전술한 실시예들에 대해 많은 변경 및 수정이 행해질 수 있다. 모든 그러한 수정들 및 변경들은 본 개시 내용의 범위 내에 포함되고, 아래의 청구항들에 의해 보호되는 것을 의도한다. 게다가, 설명된 실시예들 및 종속 청구항들의 모든 옵션인 그리고 바람직한 특징들 및 수정들은 본 명세서에서 교시되는 개시 내용의 모든 양태들에서 유용하다. 더구나, 종속 청구항들의 개별 특징들은 물론, 설명된 실시예들의 옵션인 그리고 바람직한 특징들 및 수정들도 적용 가능한 경우에 서로 결합될 수 있고 교환될 수 있다. 이 때문에, 전술한 다양한 실시예들은 원하는 구현에 따라 다양한 방식으로 옵션으로서 결합될 수 있는 요소들을 개시한다.

Claims (32)

1. 유도 표면파의 형태로 에너지를 전송하는 방법으로서,
   손실 전도 매체 위에 다상 도파관 프로브의 복수의 전하 단자를 배열하는 단계 - 상기 복수의 전하 단자 중 제1 전하 단자는 상기 손실 전도 매체 위의 제1 높이에 배치되고, 상기 복수의 전하 단자 중 제2 전하 단자는 상기 제1 높이보다 낮은 상기 손실 전도 매체 위의 제2 높이에 배치되고, 상기 복수의 전하 단자는 여기 소스에 결합됨 -;
   상기 손실 전도 매체의 표면파 모드에 실질적으로 모드 매칭되는 전자기장들을 생성하기 위해 상기 여기 소스를 통해 상기 복수의 전하 단자를 여기하는 단계; 및
   상기 손실 전도 매체의 상기 표면파 모드에 실질적으로 모드 매칭되는 상기 전자기장들을 생성하기 위해 상기 다상 도파관 프로브를 여기함으로써 상기 손실 전도 매체의 표면을 따라 유도 표면파의 형태로 에너지를 전송하는 단계
   를 포함하는, 유도 표면파의 형태로 에너지를 전송하는 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 여기하는 단계는:
   상기 복수의 전하 단자 중 상기 제1 전하 단자 상에서 제1 복소 표면 전류를 여기하기 위해 상기 여기 소스를 통해 상기 복수의 전하 단자 중 상기 제1 전하 단자 상의 제1 전압 크기 및 위상을 조정하는 단계; 및
   상기 복수의 전하 단자 중 상기 제2 전하 단자 상에서 제2 복소 표면 전류를 여기하기 위해 상기 여기 소스를 통해 상기 복수의 전하 단자 중 상기 제2 전하 단자 상의 제2 전압 크기 및 위상을 조정하는 단계
   를 포함하고,
   상기 복수의 전하 단자의 상기 배열, 상기 제1 복소 표면 전류 및 상기 제2 복소 표면 전류는 복수의 전자기장이 상기 손실 전도 매체의 복소 브루스터 각도에서 입사하는 파면을 합성하게 하는, 유도 표면파의 형태로 에너지를 전송하는 방법.
3. 유도 표면파의 형태로 에너지를 전송하는 장치로서,
   손실 전도 매체에 대해 배치된 복수의 전하 단자로 형성된 다상 도파관 프로브 - 상기 복수의 전하 단자 중 제1 전하 단자는 상기 손실 전도 매체 위의 제1 높이에 배치되고, 상기 복수의 전하 단자 중 제2 전하 단자는 상기 제1 높이보다 낮은 상기 손실 전도 매체 위의 제2 높이에 배치됨 -; 및
   상기 복수의 전하 단자에 결합된 여기 소스
   를 포함하고, 상기 여기 소스는 상기 손실 전도 매체의 표면 상의 제넥 표면파 모드에 실질적으로 모드 매칭되는 복수의 전자기장을 생성하기 위해 상기 복수의 전하 단자를 여기하도록 동작가능한, 유도 표면파의 형태로 에너지를 전송하는 장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 손실 전도 매체는 지상 매체이거나 이를 포함하는, 유도 표면파의 형태로 에너지를 전송하는 장치.
5. 제3항에 있어서,
   상기 여기 소스, 및 수직축을 따른 상기 복수의 전하 단자의 위치들은 상기 다상 도파관 프로브의 방사 저항이 실질적으로 0이 되게 하도록 구성되는, 유도 표면파의 형태로 에너지를 전송하는 장치.
6. 제3항에 있어서,
   상기 손실 전도 매체의 상기 표면 위의 상기 다상 도파관 프로브의 높이는 상기 다상 도파관 프로브의 동작 주파수에서

   

   보다 작고, 여기서

   

   는 상기 동작 주파수에서의 파장인, 유도 표면파의 형태로 에너지를 전송하는 장치.
7. 제3항에 있어서,
   상기 여기 소스는:
   상기 복수의 전하 단자 중 상기 제1 전하 단자 상에서 제1 복소 표면 전류를 여기하기 위해 상기 복수의 전하 단자 중 상기 제1 전하 단자 상에서 제1 전압 크기 및 위상을 생성하고;
   상기 복수의 전하 단자 중 상기 제2 전하 단자 상에서 제2 복소 표면 전류를 여기하기 위해 상기 복수의 전하 단자 중 상기 제2 전하 단자 상에서 제2 전압 크기 및 위상을 생성하도록 동작 가능하며,
   상기 복수의 전하 단자의 배열, 상기 제1 복소 표면 전류 및 상기 제2 복소 표면 전류는 복수의 전자기장이 상기 손실 전도 매체의 복소 브루스터 각도에서 입사하는 파면을 합성하게 하는, 유도 표면파의 형태로 에너지를 전송하는 장치.
8. 제3항에 있어서,
   상기 제넥 표면파 모드의 방사상 표면 전류 밀도는 실질적으로
   

   

   
   에 의해 표현되고, 여기서

   

   는

   

   에 의해 주어지는 표면파 방사상 전파 상수이고,

   

   는

   

   에 의해 주어지는 수직 전파 상수이고,

   

   이고,

   

   는 상기 손실 전도 매체의 전도율이고,

   

   는 2πf와 동일하고, f는 상기 다상 도파관 프로브의 여기 주파수이고,

   

   는 자유 공간의 유전율이고,

   

   는 상기 손실 전도 매체의 상대 유전율이고, 자유 공간 파수

   

   은

   

   와 동일하고,

   

   는 상기 다상 도파관 프로브의 자유 공간 파장이고, j는

   

   과 동일하고,

   

   는 방사상 좌표이고,

   

   는 순수 다상 프로브 전류이고,

   

   는

   

   시간 변화에 대한 복소 인수

   

   를 갖는 제2 유형 및 1차의 핸켈 함수이고, t는 시간인, 유도 표면파의 형태로 에너지를 전송하는 장치.
9. 제3항에 있어서,
   상기 제넥 표면파 모드는 실질적으로
   

   

   및
   

   

   
   에 의해 표현되고, 여기서

   

   는 방위 자기장 강도이고,

   

   는 방사상 전기장 강도이고,

   

   는 수직 전기장 강도이고,

   

   는

   

   에 의해 주어지는 표면파 방사상 전파 상수이고,

   

   는

   

   에 의해 주어지는 수직 전파 상수이고,

   

   이고,

   

   는 상기 손실 전도 매체의 전도율이고,

   

   는 2πf와 동일하고, f는 상기 다상 도파관 프로브의 여기 주파수이고,

   

   는 자유 공간의 유전율이고,

   

   는 상기 손실 전도 매체의 상대 유전율이고, 자유 공간 파수

   

   은

   

   와 동일하고,

   

   는 상기 다상 도파관 프로브의 자유 공간 파장이고, j는

   

   과 동일하고,

   

   는 방사상 좌표이고,

   

   는 순수 다상 프로브 전류이고,

   

   는

   

   시간 변화에 대한 복소 인수

   

   를 갖는 제2 유형 및 1차의 핸켈 함수이고,

   

   는

   

   시간 변화에 대한 복소 인수

   

   를 갖는 제2 유형 및 0차의 핸켈 함수이고, t는 시간인, 유도 표면파의 형태로 에너지를 전송하는 장치.
10. 제3항에 있어서,
    상기 여기 소스는 복수의 전압 크기 및 복수의 위상을 상기 복수의 전하 단자 상에 인가하도록 구성되는, 유도 표면파의 형태로 에너지를 전송하는 장치.
11. 제10항에 있어서,
    상기 다상 도파관 프로브는 상기 복수의 전하 단자 사이에 결합된 코일을 더 포함하는, 유도 표면파의 형태로 에너지를 전송하는 장치.
12. 유도 표면파의 형태로 에너지를 수신하는 방법으로서,
    손실 전도 매체의 표면을 따라 다상 도파관 프로브로부터 런칭된 제넥 표면파에 결합하기 위해 상기 손실 전도 매체에 대해 수신 회로를 수신 회로를 배치하는 단계 - 상기 수신 회로는 적어도 하나의 선형 프로브, 공진기와 직렬 튜닝된 전하 단자, 또는 상기 제넥 표면파에 결합하기 위한 자기 코일을 포함함 -; 및
    상기 수신 회로를 통해, 상기 손실 전도 매체의 상기 표면을 따라 상기 다상 도파관 프로브로부터 런칭된 상기 제넥 표면파의 형태로 운반되는 에너지를 수신하는 단계
    를 포함하는, 유도 표면파의 형태로 에너지를 수신하는 방법.
13. 제12항에 있어서,
    상기 수신 회로에 결합된 전기 부하가 상기 제넥 표면파를 생성하는 상기 다상 도파관 프로브에 결합된 여기 소스에 부하를 가하는, 유도 표면파의 형태로 에너지를 수신하는 방법.
14. 제12항에 있어서,
    상기 에너지는 전력을 더 포함하고, 상기 방법은 상기 수신 회로에 결합된 전기 부하에 상기 전력을 인가하는 단계를 더 포함하고, 상기 전력은 상기 전기 부하에 대한 전력 소스로서 사용되는, 유도 표면파의 형태로 에너지를 수신하는 방법.
15. 제12항에 있어서,
    전기 부하를 상기 수신 회로에 임피던스 매칭시키는 단계를 더 포함하는 유도 표면파의 형태로 에너지를 수신하는 방법.
16. 제13항에 있어서,
    상기 수신 회로로부터 상기 전기 부하로의 최대 전력 전달을 설정하는 단계를 더 포함하는 유도 표면파의 형태로 에너지를 수신하는 방법.
17. 유도 표면파의 형태로 에너지를 수신하는 장치로서,
    손실 전도 매체의 표면을 따라 다상 도파관 프로브로부터 런칭된 제넥 표면파의 형태로 운반되는 에너지에 결합하여 에너지를 수신하는 수신 회로를 포함하고, 상기 수신 회로는 적어도 하나의 선형 프로브, 공진기와 직렬 튜닝된 전하 단자, 또는 상기 제넥 표면파로부터의 에너지에 결합하여 에너지를 수신하도록 배치된 자기 코일을 포함하는, 유도 표면파의 형태로 에너지를 수신하는 장치.
18. 제17항에 있어서,
    상기 손실 전도 매체는 지상 매체를 더 포함하는, 유도 표면파의 형태로 에너지를 수신하는 장치.
19. 제17항에 있어서,
    상기 수신 회로에 결합된 전기 부하가 상기 제넥 표면파를 생성하는 상기 다상 도파관 프로브에 결합된 여기 소스에 부하를 가하는, 유도 표면파의 형태로 에너지를 수신하는 장치.
20. 제17항에 있어서,
    상기 수신 회로는 상기 수신 회로와 전기 부하 사이에 전기적으로 결합된 임피던스 매칭 네트워크를 더 포함하는 유도 표면파의 형태로 에너지를 수신하는 장치.
21. 손실 전도 매체에 대해 배치된 복수의 전하 단자로 형성된 다상 도파관 프로브 - 상기 복수의 전하 단자 중 제1 전하 단자는 상기 손실 전도 매체 위의 제1 높이에 배치되고, 상기 복수의 전하 단자 중 제2 전하 단자는 상기 제1 높이보다 낮은 상기 손실 전도 매체 위의 제2 높이에 배치됨 -;
    상기 복수의 전하 단자에 결합된 여기 소스 - 상기 여기 소스는 상기 손실 전도 매체의 표면 상의 표면파 모드에 실질적으로 모드 매칭되는 복수의 전자기장을 생성하기 위해 상기 복수의 전하 단자를 여기하도록 동작가능함 -; 및
    상기 손실 전도 매체의 상기 표면을 따라 유도 표면파를 통해 상기 다상 도파관 프로브로부터 전기 에너지를 수신하도록 동작 가능한 수신 회로
    를 포함하는 전력 송신 시스템.
22. 제21항에 있어서,
    상기 수신 회로에 결합된 전기 부하가 상기 다상 도파관 프로브에 결합된 상기 여기 소스에 부하를 가하는 전력 송신 시스템.
23. 제21항에 있어서,
    전기 부하가 상기 수신 회로에 결합되고, 상기 전기 에너지는 상기 전기 부하에 대한 전력 소스로서 사용되는 전력 송신 시스템.
24. 제22항 또는 제23항에 있어서,
    상기 수신 회로로부터 상기 전기 부하로의 최대 전력 전달이 설정되는 전력 송신 시스템.
25. 제21항에 있어서,
    상기 손실 전도 매체는 지상 매체이거나 이를 포함하고, 상기 유도 표면파는 제넥 표면파이거나 이를 포함하는 전력 송신 시스템.
26. 제21항에 있어서,
    상기 여기 소스, 및 수직축을 따른 상기 복수의 전하 단자의 위치들은 상기 다상 도파관 프로브의 방사 저항이 비교적 작게 하도록 구성되는 전력 송신 시스템.
27. 제21항에 있어서,
    상기 손실 전도 매체의 상기 표면 위의 상기 다상 도파관 프로브의 높이는 상기 다상 도파관 프로브의 동작 주파수에서

    

    보다 작고, 여기서

    

    는 상기 동작 주파수에서의 파장인 전력 송신 시스템.
28. 제21항에 있어서,
    상기 여기 소스는:
    상기 복수의 전하 단자 중 상기 제1 전하 단자 상에서 제1 복소 표면 전류를 여기하기 위해 상기 복수의 전하 단자 중 상기 제1 전하 단자 상에서 제1 전압 크기 및 위상을 생성하고;
    상기 복수의 전하 단자 중 상기 제2 전하 단자 상에서 제2 복소 표면 전류를 여기하기 위해 상기 복수의 전하 단자 중 상기 제2 전하 단자 상에서 제2 전압 크기 및 위상을 생성하도록 동작 가능하며,
    상기 복수의 전하 단자의 배열, 상기 제1 복소 표면 전류 및 상기 제2 복소 표면 전류는 복수의 전자기장이 상기 손실 전도 매체의 복소 브루스터 각도에서 입사하는 파면을 합성하게 하는 전력 송신 시스템.
29. 제21항에 있어서,
    상기 표면파 모드의 방사상 표면 전류 밀도는
    

    

    
    에 의해 표현되고, 여기서

    

    는

    

    에 의해 주어지는 표면파 방사상 전파 상수이고,

    

    는

    

    에 의해 주어지는 수직 전파 상수이고,

    

    이고,

    

    는 상기 손실 전도 매체의 전도율이고,

    

    는 2πf와 동일하고, f는 상기 다상 도파관 프로브의 여기 주파수이고,

    

    는 자유 공간의 유전율이고,

    

    는 상기 손실 전도 매체의 상대 유전율이고, 자유 공간 파수

    

    은

    

    와 동일하고,

    

    는 상기 다상 도파관 프로브의 자유 공간 파장이고, j는

    

    과 동일하고,

    

    는 방사상 좌표이고,

    

    는 순수 다상 프로브 전류이고,

    

    는

    

    시간 변화에 대한 복소 인수

    

    를 갖는 제2 유형 및 1차의 핸켈 함수이고, t는 시간인 전력 송신 시스템.
30. 제21항에 있어서,
    제넥 표면파 모드는
    

    

    및
    

    

    
    에 의해 표현되고, 여기서

    

    는 방위 자기장 강도이고,

    

    는 방사상 전기장 강도이고,

    

    는 수직 전기장 강도이고,

    

    는

    

    에 의해 주어지는 표면파 방사상 전파 상수이고,

    

    는

    

    에 의해 주어지는 수직 전파 상수이고,

    

    이고,

    

    는 상기 손실 전도 매체의 전도율이고,

    

    는 2πf와 동일하고, f는 상기 다상 도파관 프로브의 여기 주파수이고,

    

    는 자유 공간의 유전율이고,

    

    는 상기 손실 전도 매체의 상대 유전율이고, 자유 공간 파수

    

    은

    

    와 동일하고,

    

    는 상기 다상 도파관 프로브의 자유 공간 파장이고, j는

    

    과 동일하고,

    

    는 방사상 좌표이고,

    

    는 순수 다상 프로브 전류이고,

    

    는

    

    시간 변화에 대한 복소 인수

    

    를 갖는 제2 유형 및 1차의 핸켈 함수이고,

    

    는

    

    시간 변화에 대한 복소 인수

    

    를 갖는 제2 유형 및 0차의 핸켈 함수이고, t는 시간인 전력 송신 시스템.
31. 제21항에 있어서,
    상기 여기 소스는 복수의 전압 크기 및 복수의 위상을 상기 복수의 전하 단자 상에 인가하도록 구성되는 전력 송신 시스템.
32. 제21항에 있어서,
    상기 다상 도파관 프로브는 상기 복수의 전하 단자 사이에 결합된 코일을 더 포함하는 전력 송신 시스템.

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