KR20170048399A - 손실성 매체 상의 가이드된 표면파 모드들의 여기와 이용 - Google Patents

손실성 매체 상의 가이드된 표면파 모드들의 여기와 이용 Download PDF

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KR20170048399A
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charging terminal
coil
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제임스 에프. 코럼
케네스 엘. 코럼
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씨피지 테크놀로지스, 엘엘씨.
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Abstract

가이드된 표면 도파관 프로브를 여기시킴으로써, 예를 들어 지상 매체 등의, 손실성 매체의 표면을 따라 가이드된 표면-도파관 모드의 형태로 전달되는 에너지를 전송하기 위한 다양한 실시예가 개시된다.

Description

손실성 매체 상의 가이드된 표면파 모드들의 여기와 이용{EXCITATION AND USE OF GUIDED SURFACE WAVE MODES ON LOSSY MEDIA}
관련 출원의 상호참조
본 특허 협력 조약 출원은, 참조로 그 전체내용이 본 명세서에 포함되는, 2014년 9월 10일 출원된 발명의 명칭이 "Excitation and Use of Guided Surface Wave Modes on Lossy Media"인 동시계류중인 미국 특허 출원 제14/483,089호에 대한 우선권과 그것의 이익을 주장한다.
1세기 초과 동안, 전파에 의해 전송되는 신호는 종래의 안테나 구조물을 이용하여 론칭된 방사장들을 수반했다. 전파 과학과는 대조적으로, 지난 세기의 전력 분배 시스템들은 전기 도전체들을 따라 가이드되는 에너지의 전송을 수반했다. 무선 주파수(RF)와 전력 전송 사이의 구분에 대한 이러한 이해는 1900년대 초반 이래로 존재해 왔다.
본 개시내용의 많은 양태들은 첨부된 도면을 참조하면 더 양호하게 이해될 수 있다. 도면 내의 컴포넌트들은 반드시 축척비율대로 그려진 것은 아니고, 본 개시내용의 원리를 명확히 예시할 때 강조가 이루어진 것도 있다. 또한, 도면에서, 유사한 참조 번호는 여러 도면에 걸쳐 대응하는 부분을 나타낸다.
도 1은 가이드된 전자기장 및 방사된 전자기장에 대한 거리의 함수로서 장 강도를 도시하는 차트이다.
도 2는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 가이드된 표면파의 전송을 위해 채택된 2개의 영역을 갖는 전파 계면(propagation interface)을 나타내는 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 가이드된 표면 도파관 프로브들에 의해 합성된 전기장의 복소 삽입 각도를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 개시내용의 한 실시예에 따른 도 2의 전파 계면에 관해 배치된 가이드된 표면 도파관 프로브를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 1차 Hankel 함수의 근접지(close-in) 및 원격지(far-out) 점근선의 크기의 한 예의 플롯이다.
도 6a 및 도 6b는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 구면체 상의 구속 전하(bound charge) 및 커패시턴스에 미치는 영향을 나타내는 플롯이다.
도 7은 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 브루스터 각도(Brewster angle)가 손실성 전도성 매체와 교차하는 위치에 미치는 충전 단자의 상승 효과를 나타내는 그래픽 표현이다.
도 8a 및 도 8b는, 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 Hankel 교차 거리에서 가이드된 표면 도파관 모드와 정합하는 복소 Brewster 각도에서의 합성된 전기장의 입사를 나타내는 그래픽 표현이다.
도 9a 및 도 9b는 본 개시내용의 한 실시예에 따른 가이드된 표면 도파관 프로브의 예의 그래픽 표현이다.
도 10은 본 개시내용의 한 실시예에 따른 도 9a의 가이드된 표면 도파관 프로브의 개략도이다.
도 11은 본 개시내용의 한 실시예에 따른 도 9a의 가이드된 표면 도파관 프로브의 충전 단자(T1)의 위상 지연(ΦU)의 허수부와 실수부의 예의 플롯을 포함한다.
도 12는 본 개시내용의 한 실시예에 따른 도 9a의 구현된 가이드된 표면 도파관 프로브의 예의 이미지이다.
도 13은 본 개시내용의 한 실시예에 따른 도 12의 가이드된 표면 도파관 프로브의 측정된 및 이론적인 장 강도를 비교하는 플롯이다.
도 14a 및 도 14b는 본 개시내용의 한 실시예에 따른 가이드된 표면 도파관 프로브의 이미지 및 그래픽 표현이다.
도 15는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 1차 Hankel 함수의 근접지 및 원격지 점근선의 크기의 한 예의 플롯이다.
도 16은 본 개시내용의 한 실시예에 따른 도 14a 및 도 14b의 가이드된 표면 도파관 프로브의 측정된 및 이론적인 장 강도를 비교하는 플롯이다.
도 17 및 도 18은 본 개시내용의 실시예에 따른 가이드된 표면 도파관 프로브의 예들의 그래픽 표현이다.
도 19a 및 도 19b는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 가이드된 표면 도파관 프로브에 의해 론칭된 가이드된 표면파의 형태로 전송된 에너지를 수신하기 위해 채택될 수 있는 수신기들의 예를 도시한다.
도 20은 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 가이드된 표면 도파관 프로브에 의해 론칭된 가이드된 표면파의 형태로 전송된 에너지를 수신하기 위해 채택될 수 있는 추가적인 수신기의 예를 도시한다.
도 21a는 본 개시내용의 한 실시예에 따른 도 19a 및 도 19b에 도시된 수신기들의 테브낭 등가회로(Thevenin-equivalent)를 나타내는 개략도를 도시한다.
도 21b는 본 개시내용의 한 실시예에 따른 도 17에 도시된 수신기의 노턴 등가회로(Norton-equivalent)를 나타내는 개략도를 도시한다.
도 22a 및 도 22b는 본 개시내용의 한 실시예에 따른 각각 전도도 측정 프로브 및 개방형 와이어 라인 프로브의 예를 나타낸 개략도이다.
도 23a 내지 도 23c는 본 개시내용의 실시예에 따른 도 4의 프로브 제어 시스템에 의해 채택된 적응형 제어 시스템의 예의 개략도이다.
도 24a 및 도 24b는 본 개시내용의 한 실시예에 따른 충전 단자로서 이용하기 위한 가변 단자의 예의 도면이다.
우선, 후속하는 개념들에 대한 논의에서 명료성을 제공하기 위해 몇 가지 용어가 확립되어야 한다. 우선, 본 명세서에서 고려되는 바와 같이, 방사된 전자기장과 가이드된 전자기장 사이에서 공식적인 구별이 이루어진다.
본 명세서에서 고려되는 바와 같이, 방사된 전자기장은, 도파관에 결합되지 않은 파동의 형태로 소스 구조물로부터 방출되는 전자기 에너지를 포함한다. 예를 들어, 방사된 전자기장은, 일반적으로, 안테나 등의 전기 구조물을 떠나 대기 또는 다른 매체를 통해 전파되고 임의의 도파관 구조물에 구속되지 않는 장이다. 일단 방사된 전자기파가 안테나 등의 전기 구조물을 떠나면, 소스가 계속 동작하는지에 관계없이 그들이 소산될 때까지 소스와는 독립적으로 (공기 등의) 전파 매체에서 계속 전파한다. 일단 전자기파가 방사되고 나면, 인터셉트되지 않는 한 회복될 수 없으며, 인터셉트되지 않으면, 방사된 전자기파 고유의 에너지는 영원히 손실된다. 안테나 등의 전기 구조물은 구조물 손실 저항에 대한 방사 저항의 비율을 최대화함으로써 전자기장을 방사하도록 설계된다. 방사된 에너지는 공간으로 퍼져 나가고 수신기가 있는지에 관계없이 소실된다. 방사된 장들의 에너지 밀도는 기하학적 확산으로 인한 거리의 함수이다. 따라서, 본 명세서에서 사용된 모든 형태의 "방사"라는 용어는 이러한 형태의 전자기 전파를 지칭한다.
가이드된 전자기장은, 상이한 전자기 특성들을 갖는 매체들 사이의 경계 내에 또는 그 근처에 에너지가 집중되어 있는 전파하는 전자기파이다. 이러한 의미에서, 가이드된 전자기장은 도파관에 결합되어 있으며 도파관에 흐르는 전류에 의해 전달되는 것을 특징으로 할 수 있다. 가이드된 전자기파로 전달되는 에너지를 수신 및/또는 소산할 부하가 없다면, 가이드 매체의 전도도에서 소산되는 에너지를 제외하고는 어떠한 에너지도 소실되지 않는다. 달리 말하면, 가이드된 전자기파에 대한 부하가 없다면, 에너지는 소비되지 않는다. 따라서, 가이드된 전자기장을 발생시키는 발전기 또는 다른 소스는 저항성 부하가 존재하지 않는 한 실제 전력을 전달하지 않는다. 이를 위해, 이러한 발전기 또는 다른 소스는 본질적으로 부하가 제공될 때까지 유휴 상태이다. 이것은 전기적 부하가없는 전력선을 통해 전송되는 60 헤르츠(Hertz) 전자기파를 생성하기 위해 발전기를 가동하는 것과 유사하다. 가이드된 전자기장 또는 전자기파는 "전송 선로 모드(transmission line mode)"라 불리는 것과 동등하다. 이것은 방사된 파를 생성하기 위해 항상 실제 전력이 공급되는 방사된 전자기파와는 대조적이다. 방사된 전자기파와는 달리, 가이드된 전자기 에너지는 에너지 소스가 오프된 후에 유한 길이 도파관을 따라 계속 전파하지 않는다. 따라서, 본 명세서에서 사용되는 모든 형태의 "가이드"라는 용어는 전자기 전파의 전송 모드(TM)를 지칭한다.
이제 도 1을 참조하면, 방사된 전자기장과 가이드된 전자기장 사이의 구분을 추가로 예시하기 위해 킬로미터 단위의 거리(distance in kilometers)의 함수로서 미터당 볼트 단위로 임의의 기준을 초과하는 데시벨(dB) 단위의 장 강도의 그래프(100)가 로그-dB 플롯 상에서 도시되어 있다. 도 1의 그래프(100)는, 가이드된 전자기장의 장 강도를 거리의 함수로서 나타내는 가이드된 장 강도 곡선(103)을 도시한다. 이 가이드된 장 강도 곡선(103)은 본질적으로 전송 선로 모드와 동일하다. 또한, 도 1의 그래프(100)는 방사된 전자기장의 장 강도를 거리의 함수로서 나타내는 방사된 장 강도 곡선(106)을 도시한다.
각각, 가이드된 파동 및 방사 전파에 대한 곡선(103 및 106)의 형상이 관심대상이다. 방사된 장 강도 곡선(106)은 기하학적으로 떨어지며(1/d, 여기서 d는 거리이다), 로그-로그 스케일에서 직선으로 도시된다. 반면, 가이드된 장 강도 곡선(103)은 특징적인 지수 감쇠
Figure pct00001
를 갖고 로그-로그 스케일에서 특유의 무릎(109)을 나타낸다. 가이드된 장 강도 곡선(103) 및 방사된 장 강도 곡선(106)은 지점(113)에서 교차하며, 이것은 교차 거리에서 발생한다. 교점(113)에서의 교차 거리보다 작은 거리에서, 가이드된 전자기장의 장 강도는 방사된 전자기장의 장 강도보다 대부분의 위치에서 현저하게 더 크다. 교차 거리보다 큰 거리에서는, 그 반대가 참이다. 따라서, 가이드된 및 방사된 장 강도 곡선(103 및 106)은 또한, 가이드된 전자기장과 방사된 전자기장 사이의 기본적인 전파 차이를 나타낸다. 가이드된 전자기장과 방사된 전자기장의 차이에 대한 비공식적 논의에 대해, 참조로 그 전체내용이 본 명세서에 포함되는, Milligan, T., Modern Antenna Design, McGraw-Hill, 1st Edition, 1985, pp. 8-9를 참조한다.
상기에서 이루어진 방사된 및 가이드된 전자기파의 구별은 용이하게 공식적으로 표현되고 엄격한 기준에 따라 이루어진다. 이러한 2개의 다양한 해가 하나의 동일한 선형 편미분 방정식으로부터 나오고, 파동 방정식은 분석적으로 문제에 부과된 경계 조건을 따른다. 파동 방정식 자체에 대한 그린 함수(Green function) 그 자체는, 방사 파동의 성질과 가이드된 파동의 성질 사이의 구별을 포함한다.
빈 공간에서, 파동 방정식은 그 고유함수(eigenfunction)가 복소 파수 평면(complex wave-number plane) 상의 고유값(eigenvalue)들의 연속 스펙트럼을 갖는 미분 연산자이다. 이 횡파 전자기(TEM)장은 방사장이라고 불리며, 이들 전파하는 장들은 "헤르쯔파(Hertzian wave)"라고 불린다. 그러나, 전도 경계의 존재시에, 파동 방정식과 경계 조건은 수학적으로, 연속 스펙트럼과 이산 스펙트럼의 합으로 구성된 파수의 스펙트럼 표현으로 이어진다. 이 목적을 위해, Sommerfeld, A., "Uber die Ausbreitung der Wellen der Drahtlosen Telegraphie", Annalen der Physik, Vol. 28, 1909, pp. 665-736을 참조한다. 또한, 참조로 그 전체내용이 본 명세서에 포함되는, Sommerfeld, A., "Problems of Radio," published as Chapter 6 in Partial Differential Equations in Physics ― Lectures on Theoretical Physics: Volume VI, Academic Press, 1949, pp. 236-289, 295-296; Collin, R. E., "Hertzian Dipole Radiating Over a Lossy Earth or Sea: Some Early and Late 20th 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. 291-293를 참조한다.
상기를 요약하면, 먼저, 분지-컷 적분(branch-cut integrals)에 대응하는 파수 고유값 스펙트럼의 연속 부분은 방사장을 생성하고, 둘째, 이산 스펙트럼과, 적분의 경계에 의해 둘러싸인 극들로부터 발생하는 대응하는 나머지 합계는, 전파를 가로지르는 방향으로 지수적으로 감쇠되는 비-TEM 주행 표면파를 초래한다. 이러한 표면파는 가이드된 전송 선로 모드이다. 추가 설명을 위해, Friedman, B., Principles and Techniques of Applied Mathematics, Wiley, 1956, pp. pp. 214, 283-286, 290, 298-300을 참조한다.
자유 공간에서, 안테나는 방사장인 파동 방정식의 연속체 고유값(continuum eigenvalue)들을 여기하고, 여기서 동상(in-phase)의 Ｅz 및 및 Ｈφ를 갖는 외향 전파하는 RF 에너지는 영원히 손실된다. 반면, 도파관 프로브는 이산적 고유값들을 여기시켜, 전송 선로 전파를 초래한다. Collin, R. E., Field Theory of Guided Waves, McGraw-Hill, 1960, pp. 453, 474-477를 참조한다. 이러한 이론적 분석들은, 손실이 있고 균질인 매체의 평면 또는 구형 표면 위에서 열린 표면 가이드된 파동을 론칭하는 가설적 가능성을 내놓았지만, 1세기 초과 동안 실제 기술로 이를 달성하기 위한 구조물은 공학분야에서 존재하지 않았다. 불행하게도, 1900년대 초반에 등장한 이래로, 위에서 언급된 이론적 분석은 본질적으로 이론으로 남았으며, 손실이 있고 균질인 매체의 평면 또는 구형 표면 위에서 열린 표면 가이드된 파동의 론칭을 실제로 달성하기 위한 구조물은 아직 알려지지 않았다.
본 개시내용의 다양한 실시예에 따르면, 손실성 전도성 매체의 표면을 따라 가이드된 표면 도파관 모드로 결합하는 전기장을 여기시키도록 구성된 다양한 가이드된 표면 도파관 프로브가 설명된다. 이러한 가이드된 전자기장은, 크기 및 위상에 있어서 손실성 전도성 매체의 표면 상의 가이드된 표면파 모드와 실질적으로 모드-정합된다. 이러한 가이드된 표면파 모드는 또한 Zenneck 도파관 모드로 불릴 수 있다. 본원에서 설명되는 가이드된 표면 도파관 프로브에 의해 여기된 결과적인 장은 손실성 전도성 매체의 표면 상의 가이드된 표면 도파관 모드와 실질적으로 모드-정합된다는 사실에 의해, 가이드된 표면파 형태의 가이드된 전자기장은 손실성 전도성 매체의 표면을 따라 론칭된다. 한 실시예에 따르면, 손실성 전도성 매체는 지구 등의 지상 매체를 포함한다.
도 2를 참조하면, 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. 846-866.에 개시된 바와 같이 Jonathan Zenneck에 의해 1907년에 도출된 가이드된 맥스웰의 방정식에 대한 경계 값 해(boundary value solution)의 검사를 제공하는 전파 계면(propagation interface)이 도시되어 있다. 도 2는, 영역 1로 명시된 손실성 전도성 매체와 영역 2로 명시된 절연체 사이의 계면을 따라 반경 방향으로 전파하는 파동에 대한 원통형 좌표를 도시한다. 영역 1은 예를 들어 임의의 손실성 전도성 매체를 포함할 수 있다. 한 예에서, 이러한 손실성 전도성 매체는 지구 또는 다른 매체 등의 지상 매체를 포함할 수 있다. 영역 2는, 영역 1과 경계 계면을 공유하고 영역 1에 관해 상이한 구성 파라미터를 갖는 제2 매체이다. 영역 2는 예를 들어 대기 또는 다른 매체 등의 임의의 절연체를 포함할 수 있다. 이러한 경계 계면에 대한 반사 계수는, 복소 Brewster 각도(Brewster angle)에서의 입사에 대해서만 0이 된다. Stratton, J.A., Electromagnetic Theory, McGraw-Hill, 1941, p. 516를 참조한다.
다양한 실시예에 따르면, 본 개시내용은, 영역 1을 포함하는 손실성 전도성 매체의 표면 상의 가이드된 표면 도파관 모드와 실질적으로 모드-정합되는 전자기장을 생성하는 다양한 가이드된 표면 도파관 프로브를 개시한다. 다양한 실시예에 따르면, 이러한 전자기장은, 제로 반사를 야기할 수 있는 손실성 전도성 매체의 복소 Brewster 각도에서의 파면 입사(wave front incident)를 실질적으로 합성한다.
더 설명하기 위해, ejωt 장 변화가 가정되고 ρ≠0 및 z ≥ 0(z는 영역 1의 표면에 법선인 수직 좌표이고, ρ는 주면 좌표에서 반경 차원임)인 영역 2에서, 계면을 따라 경계 조건을 만족하는 Maxwell 방정식에 대한 Zenneck의 폐형 엄밀해(closed-form exact solution)는 다음과 같은 전기장 및 자기장 성분으로 표현된다:
Figure pct00002
(1)
Figure pct00003
및 (2)
Figure pct00004
(3)
ejωt 장 변화가 가정되고 ρ≠ 0 및 z ≤ 0인 영역 1에서, 계면을 따른 경계 조건을 만족하는 Maxwell 방정식의 Zenneck의 폐형 엄밀해(closed-form exact solution)는 다음과 같은 전자장 성분 및 자기장 성분에 의해 표현된다:
Figure pct00005
(4)
Figure pct00006
및 (5)
Figure pct00007
(6)
이들 표현식에서, z는 영역 1의 표면에 법선인 수직 좌표이고 ρ는 주면 좌표이며, Hn (2)(-jγρ)는 제2종 및 차수 n의 복소 인수 Hankel 함수이고, u1은 영역 1에서 양의 수직(z) 방향에서의 전파 상수이며, u2는 영역 2의 수직(z) 방향에서의 전파 상수이고, σ1은 영역 1의 전도도이고, ω는 2πf와 같고, 여기서, f는 여기 주파수이며, ε0은 자유 공간의 유전율이고, ε1은 영역의 유전율이며, Ａ는 소스에 의해 부과된 소스 상수이고, γ는 표면파 반경 전파 상수이다.
±z 방향들에서의 전파 상수는 영역 1과 영역 2 사이의 계면 위와 아래의 파동 방정식을 분리하고 경계 조건을 부과함으로써 결정된다. 이렇게 하면, 영역 2에서 다음을 준다.
Figure pct00008
(7)
영역 1에서는, 다음을 준다.
Figure pct00009
(8)
반경 전파 상수 γ는 다음과 같이 주어진다
Figure pct00010
(9)
이것은 복소 표현이고, 여기서, n은 다음과 같이 주어지는 복소 굴절률이다
Figure pct00011
(10)
상기 방정식들 모두에서,
Figure pct00012
(11)
Figure pct00013
(12)
여기서, μ0은 자유 공간의 투자율을 포함하고, εr은 영역 1의 비유전율(relative permittivity)을 포함한다. 따라서, 생성된 표면파는 계면에 평행하게 전파되고 계면에 수직으로 지수적으로 감쇠한다. 이것은 소실(evanescence)이라고 알려져 있다.
따라서, 수학식 (1) 내지 수학식 (3)은 주면-대칭, 반경반향-전파 도파관 모드로 간주될 수 있다. Barlow, H. M., and Brown, J., Radio Surface Waves, Oxford University Press, 1962, pp. 10-12, 29-33을 참조한다. 본 개시내용은, 이 "개방 경계" 도파관 모드를 여기시키는 구조물을 상세히 설명한다. 구체적으로는, 다양한 실시예에 따르면, 가이드된 표면 도파관 프로브는 전압 및/또는 전류가 공급되는 적절한 크기의 충전 단자가 제공되고, 영역 2와 영역 1 사이의 경계 계면에 관해 위치되어 복소 Brewster 각도를 생성해 반사가 없거나 반사가 최소화되어 표면 도파관 모드를 여기시킨다. 적절한 크기의 보상 단자가 충전 단자에 관해 위치될 수 있고, 전압 및/또는 전류가 공급되어, 경계 계면에서 Brewster 각도를 개선할 수 있다.
계속해서, 영역 1과 영역 2 사이의 Leontovich 임피던스 경계 조건은 다음과 같다
Figure pct00014
(13)
여기서,
Figure pct00015
는 양의 수직(+z) 방향에서 단위 법선이고,
Figure pct00016
는 상기 수학식 (1)로 표현되는 영역 2에서의 자기장 강도이다. 수학식 (13)은 수학식 (1) 내지 (3)에 명시된 전기장 및 자기장이 경계 계면을 따라 반경방향 표면 전류 밀도를 초래할 수 있음을 의미하며, 이러한 반경방향 표면 전류 밀도는 다음과 같이 명시된다
Figure pct00017
(14)
여기서 A는 상수이다. 또한, 가이드된 표면 도파관 프로브에 근접하면(ρ << λ), 상기 수학식 (14)는 다음과 같은 거동을 갖는다
Figure pct00018
(15)
음의 부호는 소스 전류(I0)가 수직으로 위로 흐를 때, 요구되는 "근접지(close-in)" 접지 전류가 반경방향으로 안쪽으로 흐른다는 것을 의미한다. HΦ "근접지"에 관한 장 정합을 통해, 우리는 수학식 (1) 내지 (6)과 (14)에서 다음을 구할 수 있다
Figure pct00019
(16)
따라서, 수학식 (14)의 반경방향 표면 전류 밀도는 다음과 같이 다시 나타낼 수 있다
Figure pct00020
(17)
수학식 (1) 내지 (6) 및 (17)에 의해 표현된 장들은, 손실성 계면에 결합된 전송 선로 모드의 성질을 가지며, 지표파 전파(groundwave propagation)와 연관된 방사장들은 아니다. Barlow, H. M. and Brown, J., Radio Surface Waves, Oxford University Press, 1962, pp. 1-5를 참조한다.
이 시점에서, 이들 파동 방정식의 해를 위해 수학식 (1) 내지 (6) 및 (17)에서 이용된 Hankel 함수의 성질에 대한 검토가 제공한다. 제1종 및 제2종과 차수 n의 Hankel 함수는 제1종 및 제2종의 표준 Bessel 함수의 복소 조합으로 정의된다는 것을 볼 수 있다.
Figure pct00021
및 (18)
Figure pct00022
(19)
이들 함수들은 각각 반경방향으로 안쪽으로(Hn (1))및 바깥쪽으로(Hn (2))전파하는 주면형 파동들을 나타낸다. 정의는 관계 e±jx = cos x ± jsin x와 유사하다. 예를 들어, Harrington, R.F., Time-Harmonic Fields, McGraw-Hill, 1961, pp. 460-463를 참조한다.
Figure pct00023
가 송출되는 파동이라는 것은, Jn(x)와 Nn(x)의 급수 정의로부터 직접 획득되는 그 큰 인수 점근적 거동(large argument asymptotic behavior)으로부터 알 수 있다. 가이드된 표면 도파관 프로브로부터 멀리서는:
Figure pct00024
(20a)
이것은, ejωt에 의해 곱해질 때,
Figure pct00025
공간적 변화를 갖는
Figure pct00026
형태의 바깥쪽으로 전파하는 주면형 파동이다. 1차(n=1) 해는 수학식 (20a)로부터 다음과 같이 결정될 수 있다
Figure pct00027
(20b)
가이드된 표면 도파관 프로브에 근접하면(ρ << λ), 1차 및 제2종 Hankel 함수는 다음과 같이 거동한다:
Figure pct00028
(21)
이러한 점근적 표현은 복소량이라는 점에 유의한다. x가 실수량일 때, 수학식 (20b)와 (21)은, 위상에 있어서
Figure pct00029
만큼 상이하고, 이것은 추가 위상 전진 또는 "위상 부스트" 45° 또는, 동등하게는, λ/8에 대응한다. 제2종의 1차 Hankel 함수의 근접지 및 원격지 점근선은, ρ=Rx의 거리에서 동등한 크기가 되는 Hankel "교차(crossover)" 또는 천이점을 갖는다. Hankel 교차점까지의 거리는, 수학식 (20b)와 (21)을 같다고 두고 이것을 Rx에 대해 풀면 찾을 수 있다. x=σ/ωε0에 의해, 원격지 및 근접지 Hankel 함수 점근선은 주파수 의존적이고, 주파수가 낮아짐에 따라 Hankel 교차점이 밖으로 이동하는 것을 알 수 있다. 또한, Hankel 함수 점근선은 손실성 전도성 매체의 전도도(σ)가 변함에 따라 역시 달라질 수 있다는 점에도 유의한다. 예를 들어, 토양의 전도도는 기상 조건의 변화에 따라 달라질 수 있다.
가이드된 표면 도파관 프로브는, 복소 각도에서 손실성 전도성 매체의 표면을 조사하는 파동에 대응하는 파동 기울기를 갖는 전기장을 확립하도록 구성될 수 있으며, 이에 따라 Rx에 있는 Hankel 교차점에서의 가이드된 표면파 모드에 대해 실질적으로 모드-정합시킴으로써 반경방향 표면 전류를 여기시킬 수 있다.
이제 도 3a를 참조하면, 입사면에 평행하게 편광된 입사 장(Ｅ)의 광선 광학 해석이 도시되어 있다. 전기장 벡터 Ｅ는, 입사면에 평행하게 편향된, 인입 불균일 평면파로 합성되어야 한다. 전기장 벡터 Ｅ는 다음과 같이 독립적인 수평 및 수직 성분으로부터 생성될 수 있다:
Figure pct00030
(22)
기하학적으로, 도 3a의 예시는 전기장 벡터 Ｅ가 다음과 같이 주어질 수 있다는 것을 암시한다 :
Figure pct00031
및 (23a)
Figure pct00032
(23b)
이것은, 장 비율이 하기와 같다는 것을 의미한다
Figure pct00033
(24)
전기장 및 자기장 성분 해들로부터의 전기장 성분 및 자기장 성분을 이용하여, 표면 도파관 임피던스를 나타낼 수 있다. 반경방향 표면 도파관 임피던스는 다음과 같이 쓸 수 있고
Figure pct00034
(25)
표면-법선 임피던스는 다음과 같이 쓸 수 있다
Figure pct00035
(26)
"파동 기울기(wave tilt)"라고 불리는 일반화된 파라미터 Ｗ는, 여기서는, 복소값으로서 크기와 위상 양쪽 모두를 갖는 하기와 같이 주어지는 수직 전기장 성분에 대한 수평 전기장 성분의 비율로서 언급된다.
Figure pct00036
(27)
영역 2에서의 TEM 파동의 경우, 파동 기울기 각도는, 영역 1과의 경계 계면에서의 파면의 법선과, 경계 계면에 대한 접선 사이의 각도와 동일하다. 이것은, TEM 파동의 등위상(equi-phase) 표면 및 반경방향 주면형 가이드 표면파에 대한 그들의 법선을 도시하는 도 3b에서 더욱 용이하게 알 수 있다. 완전 도전체와의 경계 계면(z=0)에서, 파면 법선은 경계 계면의 접선과 평행하여, 결과적으로 Ｗ = 0이 된다. 그러나, 손실성 유전체의 경우, 파면 법선이 z = 0에서 경계 계면의 접선과 평행하지 않기 때문에 파면 기울기 Ｗ가 존재한다.
이것은, 도 4를 참조하면 더 잘 이해될 수 있는데, 도 4는, 손실성 전도성 매체(403)에 의해 제공되는 평면에 대해 직교하는 수직 축 z를 따라 배열된 상위 충전 단자(T1)및 하위 보상 단자(T2)를 포함하는 가이드된 표면 도파관 프로브(400a)의 예를 도시하고 있다. 이와 관련하여, 충전 단자(T1)는 보상 단자(T2)바로 위에 배치되지만, 2개 이상의 충전 및/또는 보상 단자들 TN의 어떤 다른 배열이 이용될 수도 있다. 가이드된 표면 도파관 프로브(400a)는 본 개시내용의 한 실시예에 따라 손실성 전도성 매체(403) 위에 배치된다. 손실성 전도성 매체(403)는 영역 1(도 2, 도 3a 및 도 3b)을 구성하고, 제2 매체(406)는 손실성 전도성 매체(403)와 경계 계면을 공유하며 영역 2를 구성한다(도 2, 도 3a 및 도 3b).
가이드된 표면 도파관 프로브(400a)는 여기 소스(412)를 충전 및 보상 단자(T1 및 T2)에 결합하는 결합 회로(409)를 포함한다. 다양한 실시예에 따르면, 주어진 순간에 단자(T1 및 T2)에 인가된 전압에 따라, 전하(Q1 및 Q2)가 각각의 충전 및 보상 단자(T1 및 T2)에 부과될 수 있다. I1은 충전 단자(T1)에 전하(Q1)를 공급하는 전도 전류이고, I2는 보상 단자(T2)에 전하(Q2)를 공급하는 전도 전류이다.
가이드된 표면 도파관 프로브(400a)의 구성 및 동작에 대한 통찰을 제공하기 위해 전기적 유효 높이(electrical effective height)의 개념이 이용될 수 있다. 물리적 높이(또는 길이) hp를 갖는 모노폴(monopole)의 경우 전기적 유효 높이(heff)는 다음과 같이 정의된다
Figure pct00037
(28a)
그리고, 더블릿(doublet) 또는 다이폴(dipole)의 경우에는,
Figure pct00038
(28b).
이들 표현은, 다이폴의 물리적 길이 2hp는 모노폴의 물리적 높이 hp의 2배이므로, 인자 2만큼 상이하다. 이 표현은 소스 분포의 크기와 위상에 의존하기 때문에, 유효 높이(또는 길이)는 일반적으로 복소값이다. 모노폴 안테나 구조물의 분산 전류 I(z)의 적분은 구조물의 물리적 높이(hp)에 관해 수행되고, 구조물의 베이스(또는 입력)를 통해 위쪽으로 흐르는 접지 전류(I0)로 정규화된다. 구조물을 따른 분산 전류는 다음과 같이 표현될 수 있다
Figure pct00039
(29)
여기서, β0은 자유 공간에 대한 전파 계수이다. 도 4의 가이드된 표면 도파관 프로브(400a)의 경우, IC는 수직 구조물을 따라 분산된 전류이다.
이것은, 구조물의 바닥의 저손실 코일(예를 들어, 나선형 코일) 및 충전 단자(T1)에 접속된 공급 도전체를 포함하는 결합 회로(409)를 이용하여 이해될 수 있다. 물리적 길이 lC의 코일 또는 나선형 지연 라인 및 하기의 전파 계수에 의해,
Figure pct00040
(30)
여기서, Vf는 구조물 상의 속도 인자이고, λ0은 공급된 주파수에서의 파장이며, λp는 속도 인자 Vf로부터 생기는 전파 파장이고, 구조물 상의 위상 지연 Φ=βplC이며, 구조물의 바닥으로부터 코일의 상부에 공급되는 전류는 하기와 같다
Figure pct00041
(31)
여기서, 위상 Φ는 접지(스테이크) 전류 I0에 관하여 측정된다. 결과적으로, 물리적 높이 hp << λ0이고, 파장이 공급된 주파에서의 파장인 경우, 도 4의 가이드된 표면 도파관 프로브(400a)의 전기적 유효 높이는 다음과 같이 근사화될 수 있다
Figure pct00042
(32)
다이폴 안테나 구조물은 유사한 방식으로 평가될 수 있다. 모노폴의 복소 유효 높이 heff=각도 Φ에서의 hp(또는 다이폴에 대한 복소 유효 높이 heff=2hpejΦ)는, 소스장들이 가이드된 표면 도파관 모드와 정합하게 하고 손실성 전도성 매체(403) 상에서 가이드된 표면파가 론칭되게 하도록 조정될 수 있다.
도 4의 실시예에 따르면, 충전 단자(T1)는 물리적 높이 H1에서 손실성 전도성 매체(403) 위에 위치하고, 보상 단자(T2)는 수직 높이 H2에서 수직 축 z를 따라 T1바로 아래에 위치하며, H2는 H1보다 작다. 전달 구조물의 높이 h = H1-H2로서 계산될 수 있다. 충전 단자(T1)는 절연된 커패시턴스 C1을 가지며, 보상 단자(T2)는 절연된 커패시턴스 C2를 갖는다. 단자(T1, T2) 사이에는 그들 사이의 거리에 따라 상호 커패시턴스 CM이 존재할 수도 있다. 동작 동안에, 임의의 주어진 순간에 충전 단자(T1)및 보상 단자(T2)에 인가된 전압에 따라, 충전 단자(T1 및 T2)에는 전하(Q1 및 Q2)가 각각 인가된다.
한 실시예에 따르면, 손실성 전도성 매체(403)는, 행성 지구 등의, 지상 매체를 포함한다. 이 목적을 위해, 이러한 지상 매체는 자연적이든 인공적이든 상관없이, 거기에 포함된 모든 구조물 또는 형성물을 포함한다. 예를 들어, 이러한 지상 매체는, 암석, 토양, 모래, 담수, 해수, 나무, 식물, 및 우리의 행성을 구성하는 다른 모든 자연적 요소 등의, 자연적 요소들을 포함할 수 있다. 또한, 이러한 지상 매체는, 콘크리트, 아스팔트, 건자재 및 기타 인공 재료 등의, 인공 요소들을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 손실성 전도성 매체(403)는, 자연 발생적이든 인공적이든, 지구 이외의 다른 매체를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 손실성 전도성 매체(403)는, 자동차, 항공기, 인공 재료(예를 들어, 합판, 플라스틱 시트 또는 기타의 재료) 또는 기타의 매체 등의 인공 표면 및 구조물 등의 다른 매체를 포함할 수 있다.
손실성 전도성 매체(403)가 지상 매체 또는 지구를 포함하는 경우, 제2 매체(406)는 지면 위의 대기를 포함할 수 있다. 따라서, 대기는, 지구의 대기를 구성하는 공기 및 기타의 요소들을 포함하는 "대기 매체"라고 부를 수도 있다. 또한, 제2 매체(406)은 손실성 전도성 매체(403)에 관해 다른 매체를 포함할 수 있다.
도 4를 다시 참조하면, 영역 1에서 손실성 전도성 매체(403)의 효과는 이미지 이론 분석을 이용하여 조사될 수 있다. 손실성 전도성 매체에 대한 이러한 분석은, 도 4에 도시된 바와 같이, 충전 및 보상 단자 T1 및 T2 상의 전하 Q1 및 Q2와 일치하는 가이드된 표면 도파관 프로브 아래에 유도된 유효 이미지 전하 Q1'및 Q2'의 존재를 가정한다. 이러한 이미지 전하 Q1' 및 Q2'는, 완전 도전체의 경우에서와 같이, 충전 및 보상 단자 T1 및 T2 상의 1차 소스 전하 Q1 및 Q2와 단순히 위상이 180° 어긋나는 것만은 아니다. 예를 들어, 지상 매체 등의, 손실성 전도성 매체는 위상 시프트된 이미지를 제공한다. 즉, 이미지 전하(Q1', Q2')는 복소 깊이에 있다. 복소 이미지의 논의에 대해, 참조로 그 전체내용이 본 명세서에 포함되는, Wait, J. R., "Complex Image Theory-Revisited," IEEE Antennas and Propagation Magazine, Vol. 33, No. 4, August 1991, pp. 27-29를 참조한다.
전하(Q1 및 Q2)의 물리적 높이(Hn)와 동일한 깊이에 있는 이미지 전하들(Q1' 및 Q2')대신에, 완전 도전체를 나타내는 전도성 이미지 접지면(415)이 복소 깊이 z=-d/2에 위치하고, 이미지 전하들은, -Dn = -(d/2 + d/2 + Hn)≠-Hn(여기서, n = 1, 2, ...이고 수직 편광된 소스들에 대한 것임)에 의해 주어지는 복소 깊이(즉, "깊이"가 크기와 위상을 모두 가짐)에서 나타낸다.
Figure pct00043
(33)
여기서,
Figure pct00044
및 (34)
Figure pct00045
(35)
는 수학식 (12)에 나타낸 바와 같다.
손실성 전도성 매체에서, 파면 법선은 영역 1과 2 사이의 경계 계면이 아니라, z= -d/2에서 전도성 이미지 접지면(415)의 접선과 평행하다.
결국, 이미지 전하 Q1' 및 Q2'의 복소 간격은, 외부 장들이, 계면이 무손실 유전체 또는 완전 도전체일 때는 겪지 않는 추가의 위상 시프트를 겪을 것이라는 것을 암시한다. 손실성 유전체 이미지-이론 기술의 본질은, 복소 깊이 z= -d/2에 위치한 완전 도전체에 의해 유한 전도성 지구(또는 손실성 유전체)를 복소 깊이들 Dn = d + Hn에 위치한 소스 이미지들로 대체하는 것이다 . 그 후, 지면 위의(z ≥ 0) 장들은 (z = +Hn의) 물리적 전하 Qn과 (z' = -Dn의) 그 이미지 Qn'의 중첩을 이용하여 계산될 수 있다.
상기 논의가 주어지면, 손실성 전도성 매체의 표면에서의 반경방향 표면 도파관 전류 Jρ(ρ)의 점근선은, 근접지(close-in)일 때 J1(ρ)및 원격지(far-out)일 때 J2(ρ)인 것으로 결정될 수 있다.
근접지(ρ < λ/8) :
Figure pct00046
및 (36)
원격지(ρ >> λ/8) :
Figure pct00047
(37)
여기서, α와 β는 각각 원격지 반경방향 표면 전류 밀도의 감쇠 및 전파 페이즈에 관련된 상수이다. 도 4에 도시된 바와 같이, I1은 상위 충전 단자(T1)의 전하(Q1)를 공급하는 전도 전류이고, I2는 하위 보상 단자(T2)의 전하(Q2)를 공급하는 전도 전류이다.
한 실시예에 따르면, 충전 단자(T1)의 형상은 실제로 가능한 한 많은 전하를 유지하도록 명시된다. 궁극적으로, 가이드된 표면 도파관 프로브(400a)에 의해 론칭되는 가이드된 표면파의 장 강도는 단자(T1) 상의 전하의 양에 직접 비례한다. 또한, 손실성 전도성 매체(403)에 관한 각각의 충전 단자(T1) 및 보상 단자(T2)의 높이에 따라, 각각의 충전 단자(T1)및 보상 단자(T2)와 손실성 전도성 매체(403) 사이에는 구속 커패시턴스(bound capacitance)가 존재할 수 있다.
상위 충전 단자(T1) 상의 전하(Q1)은 Q1=C1V1에 의해 결정될 수 있으며, 여기서, C1은 충전 단자(T1)의 절연 커패시턴스이고, V1은 충전 단자(T1)에 인가되는 전압이다. 도 4의 예에서, 구형 충전 단자(T1)는 커패시터로서 간주될 수 있고, 보상 단자(T2)는 디스크 또는 하위 커패시터를 포함할 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 단자(T1 및/또는 T2)는 전하를 유지할 수 있는 임의의 전도성 질량을 포함할 수 있다. 예를 들어, 단자(T1 및/또는 T2)는, 구, 디스크, 원통, 원추, 토러스, 후드, 하나 이상의 링, 또는 기타 임의의 무작위 형상 또는 형상들의 조합 등의, 임의의 형상을 포함할 수 있다. 단자(T1 및/또는 T2)가 구 또는 디스크라면, 각각의 자기-커패시턴스 C1 및 C2가 계산될 수 있다. 완전 지면 위의 물리적 높이 h에서의 구면체(sphere)의 커패시턴스는 다음과 같이 주어진다
Figure pct00048
(38)
여기서, 구면체의 직경은 2α이고 M=α/2h이다.
충분히 절연된 단자의 경우에, 전도성 구면체의 자기-커패시턴스는 C=4πε0α로 근사화될 수 있고, 여기서, α는 구면체의 미터 단위의 반경을 포함하고, 디스크의 자기-커패시턴스는 C=8ε0α에 의해 근사화될 수 있으며, 여기서, α는 디스크의 미터 단위 반경을 포함한다. 또한, 충전 단자(T1)및 보상 단자(T2)는 도 4에 도시된 것과 동일할 필요는 없다. 각각의 단자는 별도의 크기와 형상을 가질 수 있고, 상이한 전도성 재료를 포함할 수 있다. 프로브 제어 시스템(418)은 가이드된 표면 도파관 프로브(400a)의 동작을 제어하도록 구성된다.
상위 충전 단자(T1) 상의 전하(Q1)에 관해, 손실성 전도성 매체(403)와의 계면에서의 기하학적 구조를 고려하자. 도 3a에 나타낸 바와 같이, 장 비율과 파동 기울기 사이의 관계는 다음과 같다
Figure pct00049
및 (39)
Figure pct00050
(40)
전송 모드(TM; transmission mode)에서 론칭된 가이드된 표면파의 특정 경우에 대해, 파동 기울기 장 비율은,
Figure pct00051
일 때, 다음과 같이 주어진다
Figure pct00052
(41)
가이드된 표면파에 수학식(40)을 적용하면 하기 식을 제공한다
Figure pct00053
(42)
입사각이 복소 Brewster 각도(θi,B)와 동일한 경우, 하기 식에 도시된 바와 같이, 반사 계수가 사라진다
Figure pct00054
(43)
복소 장 비율을 조정함으로써, 반사가 감소되거나 제거되는 복소 각도에서 입사하도록 입사 장을 합성할 수 있다. 광학에서와 같이, 입사 전기장의 반사를 최소화함으로써 손실성 전도성 매체(403)의 가이드된 표면 도파관 모드에 결합된 에너지를 향상 및/또는 최대화할 수 있다. 더 큰 반사는 가이드된 표면파가 론칭되는 것을 방해 및/또는 방지할 수 있다. 이 비율을
Figure pct00055
로서 설정하는 것은 복소 Brewster 각도에서의 입사를 제공하여, 반사가 사라지게 한다.
도 5를 참조하면, 1850 kHz의 작동 주파수에서, 전도도 σ=0.010 mhos/m 및 비유전율 εr=15인 영역 1에 대한 수학식 (20b) 및 (21)의 1차 Hankel 함수의 크기의 플롯의 예가 도시되어 있다. 곡선(503)은, 수학식 (20b)의 원격지 점근선의 크기이고 곡선(506)은 수학식 (21)의 근접지 점근선의 크기이며, Hankel 교차점(509)은 Rx=54 feet의 거리에서 발생한다. 크기가 동일하면, Hankel 교차점(509)에서 2개의 점근선 사이에 위상 오프셋이 존재한다. 다양한 실시예에 따르면, 가이드된 전자기장은, Hankel 교차점(509)에서 복소 Brewster 각도(θi,B)를 정합시킴으로써 반사가 거의 또는 전혀 이루어지지 않는 손실성 전도성 매체의 표면을 따른 가이드된 표면파 형태로 론칭될 수 있다.
Hankel 교차점(509)을 넘어서면, Hankel 함수의 "근접지" 표현에 비해 큰 인수 점근선이 우세하며, 수학식 (3)의 모드-정합된 전기장의 수직 성분은 점근적으로 하기와 같이 된다
Figure pct00056
(44)
상기 식은, 단자 전압에서 상위 충전 단자의 커패시턴스의 절연된 컴포넌트 상의 자유 전하에 선형적으로 비례한다, qfree=Cfree×VT. 상위 충전 단자(T1)(도 4)의 높이 H1은 충전 단자(T1) 상의 자유 전하의 양에 영향을 미친다. 충전 단자(T1)가 이미지 접지면(415)(도 4)에 근접해 있을 때, 단자 상의 전하 Q1의 대부분은 그 이미지 전하에 "구속(bound)"된다. 충전 단자(T1)가 상승함에 따라, 구속 전하는, 실질적으로 모든 고립된 전하가 자유로와지는 높이에 충전 단자(T1)가 도달할 때까지 감소된다.
충전 단자(T1)에 대한 증가된 용량성 상승의 이점은, 상위 충전 단자(T1) 상의 전하가 이미지 접지면(415)으로부터 더욱 제거되어, 가이드된 표면 도파관 모드에 에너지를 결합시키는 자유 전하의 양 qfree를 증가시킨다는 것이다.
도 6a 및 도 6b는, D = 32 인치의 직경을 갖는 구형 충전 단자 상의 자유 전하 분포에 미치는 높이(h)의 영향을 도시하는 플롯이다. 도 6a는, 완전 접지면 위의 물리적 높이 6 피트(feet)(곡선 603), 10 피트(곡선 606) 및 34 피트(곡선 609)에 대한 구형 단자 주위의 전하의 각도 분포를 도시한다. 충전 단자가 접지면으로부터 멀어짐에 따라, 전하 분포는 구형 단자 주변에서 더욱 균일하게 분포된다. 도 6b에서, 곡선 612는 수학식 (38)에 기초한 피트 단위의 물리적 높이(h)의 함수로서의 구형 단자의 커패시턴스의 플롯이다. 직경이 32인치인 구면체의 경우, 절연 커패시턴스(Ciso)는 45.2 pF이고, 도 6b에서는 라인 615로 도시되어 있다. 도 6a 및 도 6b로부터, 약 4 직경(4D) 이상의 충전 단자(T1)의 높이에 대해, 전하 분포는 구형 단자 주변에서 대략 균일하여, 가이드된 표면 도파관 모드로의 결합을 향상시킬 수 있다는 것을 알 수 있다. 결합의 양은, 가이드된 표면파가 가이드된 표면 도파관 모드에서 론칭되는 효율(또는 "론칭 효율")로서 표현될 수 있다. 100%에 가까운 론칭 효율이 가능하다. 예를 들어, 99% 초과, 98% 초과, 95% 초과, 90% 초과, 85% 초과, 80% 초과, 및 75% 초과의 론칭 효율이 달성될 수 있다.
그러나, 더 큰 충전 단자 높이에서, 입사 장(E)의 광선 광학 해석에 의하면, Brewster 각도에서 손실성 전도성 매체를 교차하는 광선은 각각의 가이드된 표면 도파관 프로브로부터 상당히 더 먼 거리에서 그렇게 한다. 도 7은, 구면체의 물리적 높이를 증가시키는 것이 전기장이 Brewster 각도에서 입사하는 거리에 관해 미치는 효과를 그래픽으로 도시한다. 높이가 h1로부터 h2로 및 h3으로 증가함에 따라, 전자기장이 Brewster 각도에서 손실성 전도성 매체(예를 들면, 지구)를 교차하는 지점은 전하로부터 더 멀리 이동한다. 이러한 더 먼 거리에서의 기하학적 확산으로부터 생기는 더 약한 전기장 강도는, 가이드된 표면 도파관 모드로의 결합의 효율성을 감소시킨다. 달리 말하면, 가이드된 표면파가 론칭되는 효율성(또는 "론칭 효율성")이 감소된다. 그러나, 후술되는 바와 같이 전기장이 Brewster 각도에서 손실성 전도성 매체로 입사되는 거리를 감소시키는 보상이 제공될 수 있다.
이제 도 8a를 참조하면, Hankel 교차 거리(Rx)에서 복소 Brewster 각도(θi,B)를 갖는 충전 단자(T1)의 입사 전기장(E)의 광선 광학 해석에 대해 복소 각도 삼각법의 한 예가 도시되어 있다. 수학식(42)로부터, 손실성 전도성 매체의 경우 Brewster 각도는 복소값이고 다음과 같이 명시된다는 점을 상기한다
Figure pct00057
(45)
전기적으로, 기하학적 파라미터들은 충전 단자(T1)의 전기적 유효 높이(heff)에 의해 다음과 같이 관련된다
Figure pct00058
(46)
여기서, Ψi,B=(π/2)-θi,B는 손실성 전도성 매체의 표면으로부터 측정된 Brewster 각도이다. 가이드된 표면 도파관 모드에 결합하기 위해, Hankel 교차 거리에서 전기장의 파동 기울기는, 다음과 같이, 전기적 유효 높이와 Hankel 교차 거리의 비율로 표현될 수 있다
Figure pct00059
(47)
물리적 높이(hp)와 Hankel 교차 거리(Rx)는 모두 실수량이므로, Hankel 교차 거리에서 원하는 가이드된 표면파 기울기의 각도(ＷRx)는 복소 유효 높이(heff)의 위상(Φ)과 동일하다. 이것은, 코일의 공급 지점에서의 위상을 변화시켜 수학식 (32)의 위상 시프트를 야기함으로써, 복소 유효 높이가 조작될 수 있고 Hankel 교차점(509)에서 가이드된 표면 도파관 모드와 합성적으로 정합하도록 파동 기울기가 조정될 수 있다는 것을 암시한다.
도 8a에서, Rx의 Hankel 교차점과 충전 단자(T1)의 중심 사이에서 연장되는 광선과, Hankel 교차점과 충전 단자(T1)사이의 손실성 전도성 매체 표면 사이에서 측정된 복소 Brewster 각도 Ψi,B와 손실성 전도성 매체 표면을 따른 길이 Rx의 인접한 변을 갖는 직각 삼각형이 도시되어 있다. 충전 단자(T1)가 물리적 높이(hp)에 위치하고 적절한 위상(Φ)을 갖는 전하로 여기되면, 결과적인 전기장은, Hankel 교차 거리(Rx)에서 Brewster 각도로 손실성 전도성 매체 경계 계면에 입사한다. 이러한 조건 하에서, 반사없이 또는 실질적으로 무시할 정도의 반사를 수반하여 가이드된 표면 도파관 모드가 여기될 수 있다.
그러나, 수학식 (46)은 가이드된 표면 도파관 프로브(400a)(도 4)의 물리적 높이가 비교적 작을 수 있다는 것을 의미한다. 이것이 가이드된 표면 도파관 모드를 여기시키지만, 상승된 전하(Q1)의 그 미러 이미지(Q1')(도 4 참조)로의 근접은, 자유 전하가 거의 없는 과도하게 많은 구속 전하를 초래할 수 있다. 이를 보상하기 위해, 충전 단자(T1)는 적절한 높이로 상승되어 자유 전하의 양을 증가시킬 수 있다. 엄지 손가락 법칙의 한 예로서, 충전 단자(T1)는 충전 단자(T1)의 유효 직경의 약 4-5배(또는 그 이상)의 높이에 위치될 수 있다. 해결과제는, 충전 단자 높이가 증가함에 따라, Brewster 각도에서 손실성 전도성 매체를 교차하는 광선이 도 7에 도시된 바와 같이 더 먼 거리에서 그렇게 한다는 것이며, 여기서, 전기장은 인자
Figure pct00060
만큼 더 약해진다.
도 8b는 도 8a의 높이 위로 충전 단자(T1)를 상승시키는 효과를 도시한다. 증가된 높이는, 파동 기울기가 손실성 전도성 매체에 입사하는 거리가 Hankel 교차점(509)을 넘어 이동하게 한다. 가이드 표면 도파관 모드에서의 결합을 향상시키고, 그에 따라, 가이드된 표면파의 더 큰 론칭 효율을 제공하기 위해, 하위 보상 단자(T2)는 충전 단자(T1)의 전체 유효 높이(hTE)를 조정하되, Hankel에서의 교차 거리에서의 파동 기울기가 Brewster 각도이도록 조정하는데 이용된다. 예를 들어, 충전 단자(T1)가, 라인 803으로 도시된 바와 같이, Hankel 교차점(509) 보다 큰 거리에서 Brewster 각도로 손실성 전도성 매체와 전기장이 교차하는 높이까지 상승되었다면, 보상 단자(T2)는 증가된 높이를 보상함으로써 hTE를 조정하는데 이용될 수 있다. 보상 단자(T2)의 효과는, 라인 806에 의해 도시된 바와 같이, Hankel 교차 거리에서의 파동 기울기가 Brewster 각도에 있도록, 가이드된 표면 도파관 프로브의 전기적 유효 높이를 감소시키는 것(또는 손실성 매체 계면을 효과적으로 상승시키는 것)이다.
전체 유효 높이는, 하기와 같이, 충전 단자(T1)와 연관된 상위 유효 높이(hUE)와 보상 단자(T2)와 연관된 하위 유효 높이(hLE)의 중첩으로서 기재될 수 있다.
Figure pct00061
(48)
ΦU는 상위 충전 단자(T1)에 인가되는 위상 지연이고, ΦL은 하위 보상 단자(T2)에 인가되는 위상 지연이며, β=2π/λp는 수학식 (30)으로부터 전파 계수이다. 여분의 리드 길이가 고려되는 경우, 다음과 같이, 충전 단자(T1)의 물리적 높이 hp에 충전 단자 리드 길이 z를 부가하고 보상 단자(T2)의 물리적 높이 hd에 보상 단자 리드 길이 y를 부가함으로써 계산될 수 있다
Figure pct00062
(49)
더 낮은 유효 높이는, 전체 유효 높이(hTE)를 도 8a의 복소 유효 높이(heff)와 동일하게 조정하는데 이용될 수 있다.
수학식 (48) 또는 (49)는, Hankel 교차 거리에서 원하는 파동 기울기를 획득하기 위하여 보상 단자(T2)의 하위 디스크의 물리적 높이와 단자에 공급할 위상 각도를 결정하는데 이용될 수 있다. 예를 들어, 수학식 (49)는, 다음과 같이, 보상 단자 높이(hd)의 함수로서 충전 단자(T1)에 인가되는 위상 시프트로서 다시 기재될 수 있다
Figure pct00063
(50)
보상 단자(T2)의 위치를 결정하기 위해, 전술된 관계가 이용될 수 있다. 첫째, 전체 유효 높이(hTE)는, 수학식 (49)로 표현된 바와 같이, 상위 충전 단자(T1)의 복소 유효 높이(hUE)와 하위 보상 단자(T2)의 복소 유효 높이(hLE)의 중첩이다. 그 다음, 입사각의 탄젠트가 다음과 같이 기하학적으로 표현될 수 있다
Figure pct00064
(51)
이 식은 파동 기울기 Ｗ의 정의이다. 마지막으로, 원하는 Hankel 교차 거리 Rx가 주어지면, hTE는, 입사 전기장의 파동 기울기를 Hankel 교차점(509)의 복소 Brewster 각도와 정합시키도록 조정될 수 있다. 이것은, hp, ΦU, 및/또는 hd를 조정함으로써 달성될 수 있다.
이러한 개념들은 가이드된 표면 도파관 프로브의 예의 맥락에서 논의될 때 더 양호하게 이해될 수 있다. 도 9a 및 도 9b를 참조하면, 충전 단자(T1)를 포함하는 가이드된 표면 도파관 프로브들(400b 및 400c)의 예에 대한 그래픽 표현이 도시되어 있다. AC 소스(912)는, 예를 들어, 나선형 코일 등의, 코일(909)을 포함하는 결합 회로(도 4의 409)를 통해 가이드된 표면 도파관 프로브(400b)에 결합되는 충전 단자(T1)에 대한 여기 소스(도 4의 412)로서 동작한다. 도 9a에 도시된 바와 같이, 상기 가이드된 표면 도파관 프로브(400b)는, 상위 충전 단자(T1)(예를 들어, 높이 hT의 구면체) 및 손실성 전도성 매체(403)에 의해 제공되는 평면에 실질적으로 직교하는 수직 축 z를 따라 위치한 하위 보상 단자(T2)(예를 들어, 높이 hd의 디스크)를 포함할 수 있다. 제2 매체(406)는 손실성 전도성 매체(403) 위에 위치한다. 충전 단자(T1)는 자기-커패시턴스 Cp를 가지며, 보상 단자(T2)는 자기-커패시턴스 Cd를 갖는다. 동작 동안에, 임의의 주어진 순간에 단자(T1 및 T2)에 인가되는 전압에 따라, 각각 단자(T1 및 T2)에 전하(Q1 및 Q2)가 인가된다.
도 9a의 예에서, 코일(909)은, 제1 단(end)에서 접지 스테이크(915) 및 제2 단에서 보상 단자(T2)에 결합된다. 일부 구현에서, 보상 단자(T2)로의 접속은 도 9a에 도시된 바와 같이 코일(909)의 제2 단의 탭(921)을 이용하여 조정될 수 있다. 코일(909)은, 코일(909)의 하위 부분의 탭(924)을 통해 AC 소스(912)에 의해 동작 주파수에서 통전될 수 있다. 다른 구현들에서, AC 소스(912)는 1차 코일을 통해 코일(909)에 유도성 결합될(inductively coupled) 수 있다. 충전 단자(T1)는 코일(909)에 결합된 탭(918)을 통해 통전될 수 있다. 코일(909)과 접지 스테이크(915) 사이에 위치한 전류계(927)는, 가이드된 표면 도파관 프로브의 베이스에서의 전류 흐름의 크기의 표시를 제공하는데 이용될 수 있다. 대안으로서, 전류 흐름의 크기의 표시를 획득하기 위해 접지 스테이크(915)에 결합된 도전체 주변에 전류 클램프가 이용될 수 있다. 보상 단자(T2)는 손실성 전도성 매체(403)(예를 들어, 지면) 위에 및 이와 실질적으로 평행하게 위치된다.
가이드된 표면 도파관 프로브(400)의 구성 및 조정은, 전송 주파수, 손실성 전도성 매체의 조건(예를 들어, 토양 전도도 σ 및 비유전율 εr)및 충전 단자(T1)의 크기 등의 다양한 동작 조건에 기초한다 . 굴절률은 수학식 (10) 및 (11)로부터 다음과 같이 계산될 수 있다
Figure pct00065
(52)
여기서, x=σ/ωε0이고, ω=2πf이며, 표면 법선으로부터 측정된 복소 Brewster 각도(θi,B)는, 수학식 (42)로부터 다음과 같이 결정될 수 있고
Figure pct00066
(53)
또는 도 8a에 도시된 바와 같이 표면으로 측정될 경우에는, 다음과 같이 결정될 수 있다
Figure pct00067
(54)
Hankel 교차 거리에서의 파동 기울기도 수학식 (47)을 이용하여 구할 수 있다.
또한, Hankel 교차 거리는 또한, 수학식 (20b) 및 (21)을 같게 두고 Rx에 대해 풀면 구할 수 있다. 그러면, 전기적 유효 높이는, 다음과 같이, Hankel 교차 거리와 복소 Brewster 각도를 이용하여 수학식 (46)으로부터 결정될 수 있다.
Figure pct00068
(55)
수학식 (55)로부터 알 수 있는 바와 같이, 복소 유효 높이(heff)는, 충전 단자(T1)의 물리적 높이(hp)와 연관된 크기, 및 Hankel 교차 거리(Ψ)에서의 파동 기울기의 각도와 연관된 위상(Φ)을 포함한다. 이들 변수들 및 선택된 충전 단자 T1구성에 의해, 가이드된 표면 도파관 프로브(400)의 구성을 결정할 수 있다.
선택된 충전 단자 T1 구성에 의해, 구면 직경(또는 유효 구면 직경)이 결정될 수 있다. 예를 들어, 충전 단자(T1)가 구면체로서 구성되지 않으면, 단자 구성은 유효 구면 직경을 갖는 구면 커패시턴스로서 모델링될 수 있다. 충전 단자(T1)의 크기는, 단자들에 부과된 전하(Q1)에 대해 충분히 큰 표면을 제공하도록 선택될 수 있다. 일반적으로, 충전 단자(T1)를 실용적으로 크게 하는 것이 바람직하다. 충전 단자(T1)의 크기는, 충전 단자 주위에서 방전 또는 스파크를 초래할 수 있는, 주위 공기의 이온화를 피할만큼 충분히 커야 한다. 도 6a 및 도 6b와 관련하여 전술된 바와 같이, 충전 단자(T1) 상의 구속 전하의 양을 감소시키기 위해, 충전 단자(T1)의 원하는 높이는 유효 구면 직경의 4-5배(또는 그 이상)이어야 한다. 충전 단자(T1)의 높이가 수학식 (55)를 이용하여 결정된 복소 유효 높이(heff)로 표시된 물리적 높이(hp)보다 작다면, 충전 단자(T1)는 손실성 전도성 매체(예를 들어, 지구) 위의 물리적 높이 hT = hp에 위치해야 한다. 충전 단자(T1)가 hp에 위치한다면, 가이드된 표면파 기울기는 보상 단자(T2)를 이용하지 않고 Hankel 교차 거리(Rx)에서 생성될 수 있다. 도 9b는 보상 단자(T2)가 없는 가이드된 표면 도파관 프로브(400c)의 예를 도시한다.
도 9a를 다시 참조하면, 충전 단자(T1)의 높이가 결정된 복소 유효 높이(heff)에 의해 표시되는 물리적 높이(hp)보다 클 때 보상 단자(T2)가 포함될 수 있다. 도 8b와 관련하여 논의된 바와 같이, 보상 단자(T2)는, Rx에서 가이드된 표면파 기울기를 갖는 전자기장을 여기시키기 위해 가이드된 표면 도파관 프로브(400)의 전체 유효 높이(hTE)를 조정하는데 이용될 수 있다. 보상 단자(T2)는, 물리적 높이 hd = hT - hp의 충전 단자(T1)의 아래에 위치할 수 있고, 여기서, hT는 충전 단자 T1의 총 물리적 높이이다. 보상 단자(T2)의 위치가 고정되고 위상 지연 ΦL이 하위 보상 단자(T2)에 인가되면, 상위 충전 단자(T1)에 인가되는 위상 지연 ΦU는 수학식 (50)을 이용하여 결정될 수 있다.
가이드된 표면 도파관 프로브(400)를 설치할 때, 수학식 (48) 내지 (50)의 위상 지연 ΦU 및 ΦL은 다음과 같이 조정될 수 있다. 처음에, 복소 유효 높이(heff)와 Hankel 교차 거리(Rx)가 동작 주파수(fo)에 대해 결정된다. 구속 커패시턴스 및 대응하는 구속 전하를 최소화하기 위해, 상위 충전 단자(T1)는, 충전 단자(T1)의 구면 직경(또는 등가의 구면 직경)의 적어도 4배의 총 물리적 높이(hT)에 위치한다. 동시에, 상위 충전 단자(T1)는, 적어도 복소 유효 높이(heff)의 크기(hp)인 높이에 위치해야 한다는 점에 유의한다. hT > hp이면, 하위 보상 단자(T2)는 도 9a에 도시된 바와 같이 물리적 높이 hd = hT - hp에 위치할 수 있다. 그 다음, 보상 단자(T2)는 코일(909)에 결합될 수 있으며, 여기서, 상위 충전 단자(T1)는 아직 코일(909)에 결합되지 않는다. AC 소스(912)는, 반사를 최소화하고 코일(909)로의 결합을 최대화하는 방식으로 코일(909)에 결합된다. 이 목적을 위해, AC 소스(912)는 결합을 최대화하기 위해 50Ω 지점 등의 적절한 지점에서 코일(909)에 결합될 수 있다. 일부 실시예에서, AC 소스(912)는 임피던스 정합 네트워크를 통해 코일(909)에 결합될 수 있다. 예를 들어, 커패시터(예를 들어, 탭핑형 또는 가변형) 및/또는 커패시터/인덕터 조합(예를 들어, 탭핑형 또는 가변형)을 포함하는 간단한 L-네트워크는 동작 주파수에 정합되어, AC 소스(912)가 코일(909)에 결합될 때 50Ω 부하를 보게 할 수 있다. 그 다음, 보상 단자(T2)는 동작 주파수에서 코일의 적어도 일부와의 병렬 공진을 위해 조정될 수 있다. 예를 들어, 코일(909)의 제2 단에서의 탭(921)은 재위치조정될 수 있다. 공진을 위해 보상 단자 접속을 정하는 것은, 충전 단자 결합의 후속 조정을 돕지만, Hankel 교차 거리(Rx)에서 가이드된 표면파 기울기(ＷRx)를 설정할 필요는 없다. 그 다음, 상위 충전 단자(T1)는 코일(909)에 결합될 수 있다.
이 맥락에서, 도 10은 도 9a의 일반적인 전기 훅크업(hookup)의 개략도를 도시하는데, 여기서 V1은 AC 소스(912)로부터 탭(924)을 통해 코일(909)의 하위 부분에 인가된 전압이고, V2는, 상위 충전 단자(T1)에 공급되는 탭(918)에서의 전압이며, V3은 탭(921)을 통해 하위 보상 단자(T2)에 인가되는 전압이다. 저항들(Rp 및 Rd)은, 각각, 충전 단자(T1)및 보상 단자(T2)의 접지 리턴 저항(ground return resistance)을 나타낸다. 충전 및 보상 단자(T1 및 T2)는, 구면체, 주면체, 토로이드, 링, 후드, 또는 용량성 구조물의 기타 임의의 조합으로서 구성될 수 있다. 충전 및 보상 단자(T1 및 T2)의 크기는, 단자들에 부과된 전하(Q1 및 Q2)에 대해 충분히 큰 표면을 제공하도록 선택될 수 있다. 일반적으로, 충전 단자(T1)를 실용적으로 크게 하는 것이 바람직하다. 충전 단자(T1)의 크기는, 충전 단자 주위에서 방전 또는 스파크를 초래할 수 있는, 주위 공기의 이온화를 피할만큼 충분히 커야 한다. 예를 들어, 수학식 (38)에 관해 개시된 바와 같이, 구면체 및 디스크에 대해 자기-커패시턴스 Cp 및 Cd가 결정될 수 있다.
도 10에서 알 수 있는 바와 같이, 공진 회로는, 코일(909)의 인덕턴스, 보상 단자(T2)의 자기-커패시턴스(Cd),및 보상 단자 T2와 연관된 접지 리턴 저항 Rd의 적어도 일부에 의해 형성된다. 병렬 공진은, (예를 들어 코일(909) 상의 탭(921) 위치를 조정함으로써) 보상 단자(T2)에 인가되는 전압 V3을 조정하거나 Cd를 조정하기 위해 보상 단자(T2)의 높이 및/또는 크기를 조정함으로써 확립될 수 있다. 코일 탭(921)의 위치는 병렬 공진을 위해 조정될 수 있으며, 이것은, 접지 스테이크(915) 및 전류계(927)를 통한 접지 전류가 최대 지점에 도달하게 할 것이다. 보상 단자(T2)의 병렬 공진이 확립된 후에, AC 소스(912)에 대한 탭(924)의 위치는 코일(909) 상의 50Ω 지점으로 조정될 수 있다.
그 다음, 코일(909)로부터의 전압(V2)은 탭(918)을 통해 충전 단자(T1)에 인가될 수 있다. 탭(918)의 위치는, 전체 유효 높이(hTE)의 위상(Φ)이 Hankel 교차 거리(Rx)에서의 가이드된 표면파 기울기(Ψ)와 대략 동일하도록 조정될 수 있다. 코일 탭(918)의 위치는, 이 동작 점에 도달할 때까지 조정되어, 전류계(927)를 통한 접지 전류가 최대가 되게 한다. 이 시점에서, 가이드된 표면 도파관 프로브(400b)(도 9a)에 의해 여기된 결과적인 장들은, 손실성 전도성 매체(403)의 표면 상의 가이드된 표면 도파관 모드와 실질적으로 모드-정합되어, 손실성 전도성 매체(403)의 표면(도 4, 도 9a, 도 9b)을 따른 가이드된 표면파의 론칭을 초래한다. 이것은, 가이드된 표면 도파관 프로브(400)(도 4, 도 9a 및 도 9b)로부터 연장되는 반경방향을 따른 장 강도를 측정함으로써 검증될 수 있다. 보상 단자(T2)를 포함하는 회로의 공진은, 충전 단자(T1)의 부착 및/또는 탭(921)을 통해 충전 단자(T1)에 인가되는 전압의 조정에 의해 변할 수 있다. 공진을 위해 보상 단자 접속을 조정하는 것은, 충전 단자 결합의 후속 조정을 돕지만, Hankel 교차 거리(Rx)에서 가이드된 표면파 기울기(ＷRx)를 설정할 필요는 없다. 상기 시스템은 또한, AC 소스(912)에 대한 탭(924)의 위치가 코일(909) 상의 50Ω 지점에 있도록 반복적으로 조정하고 전류계(927)를 통한 접지 전류를 최대화하도록 탭(918)의 위치를 조정함으로써 결합을 향상시키도록 조정될 수 있다. 보상 단자(T2)를 포함하는 회로의 공진은, 탭들(918, 924)의 위치가 조정될 때 또는 다른 컴포넌트가 코일(909)에 부착될 때 드리프트될 수 있다.
만일 hT ≤ hp이면, 도 9b에 도시된 바와 같이, 가이드된 표면 도파관 프로브(400c)의 전체 유효 높이(hTE)를 조정하기 위해 보상 단자(T2)가 필요하지 않다. hp에 위치한 충전 단자에 의해, 코일(909)로부터 탭(918)을 통해 전압(V2)이 충전 단자(T1)에 인가될 수 있다. 그 다음, Hankel 교차 거리(Rx)에서 가이드된 표면파 기울기(Ψ)의 각도와 대략 동일한 전체 유효 높이(hTE)의 위상(Φ)을 초래하는 탭(918)의 위치가 결정될 수 있다. 코일 탭(918)의 위치는, 이 동작 점에 도달할 때까지 조정되어, 전류계(927)를 통한 접지 전류가 최대가 되게 한다. 이 지점에서, 결과적인 장들은 손실성 전도성 매체(403)의 표면 상의 가이드된 표면 도파관 모드와 실질적으로 모드-정합되어, 손실성 전도성 매체(403)의 표면을 따라 가이드된 표면파를 론칭한다. 이것은, 가이드된 표면 도파관 프로브(400)로부터 연장되는 반경을 따른 장 강도를 측정함으로써 검증될 수 있다. 상기 시스템은 또한, AC 소스(912)에 대한 탭(924)의 위치가 코일(909) 상의 50Ω 지점에 있도록 반복적으로 조정하고 전류계(927)를 통한 접지 전류를 최대화하도록 탭(918)의 위치를 조정함으로써 결합을 향상시키도록 조정될 수 있다.
하나의 실험적 예에서, 1.879MHz에서 제안된 구조물의 동작을 검증하기 위해 가이드된 표면 도파관 프로브(400b)가 구성되었다. 가이드된 표면 도파관 프로브(400b)가 있는 위치에서의 토양 전도도 σ = 0.0053 mhos/m이고 비유전율 εr=28이었다. 이들 값을 이용하여, 수학식 (52)에 의해 주어진 굴절률 n = 6.555 - j3.869인 것으로 결정되었다. 수학식 (53) 및 (54)에 기초하여, 복소 Brewster 각도 θi,B = 83.517 - j3.783도 또는 Ψi,B = 6.483 + j3.783도인 것으로 밝혀졌다.
수학식 (47)을 이용하여, 가이드된 표면파 기울기 ＷRx=0.113 + j0.067=0.131ej(30.551°)로서 계산되었다. Hankel 교차 거리 Rx=54 feet는, 수학식 (20b) 및 (21)을 같게 두고 Rx에 대해 풀어서 구할 수 있다. 수학식 (55)를 이용하여, 복소 유효 높이(heff=hpejΦ)는, (손실성 전도성 매체에 관해) hp=7.094 feet 및 (접지 전류에 관해) Φ=30.551 도인 것으로 결정되었다. 위상 Φ는 가이드된 표면파 기울기 인수 Ψ와 같다. 그러나, 물리적 높이 hp=7.094 feet는 비교적 작다. 이것이 가이드된 표면 도파관 모드를 여기시킬 것이지만, 지구(및 그 미러 이미지)에 대한 상위 충전 단자(T1)의 근접은 많은 양의 구속 전하 및 매우 적은 자유 전하를 야기할 것이다. 가이드된 표면파 장 강도는 충전 단자 상의 자유 전하에 비례하기 때문에, 증가된 높이가 바람직하다.
자유 전하의 양을 증가시키기 위해, 보상 단자(T2)가 충전 단자(T1)아래에 위치된 채로, 충전 단자(T1)의 물리적 높이 hp=17 feet로 설정되었다. 접속에 대한 추가 리드 길이는, 약 y = 2.7 피트 및 z = 1 피트였다. 이들 값들을 이용하여, 보상 단자(T2)의 높이(hd)가 수학식 (50)을 이용하여 결정되었다. 이것이 도 11에 그래픽으로 도시되어 있으며, 도 11은 각각, ΦU의 허수부 및 실수부의 플롯(130 및 160)을 도시한다. 보상 단자(T2)는, 플롯(130)에 그래픽으로 도시된 바와 같이, Im{ΦU}=0인 높이 hd에 위치한다. 이 경우, 허수부를 0으로 설정하는 것은, 높이 hd=8.25피트를 준다. 이 고정된 높이에서, 코일 위상 ΦU는, 플롯(160)에서 그래픽으로 예시된 바와 같이, Re{ΦU}로부터, +22.84도로서 결정될 수 있다.
앞서 논의된 바와 같이, 전체 유효 높이는, 수학식 (49)에서 표현된 바와 같이, 충전 단자(T1)와 관련된 상위 유효 높이(hUE)와 보상 단자(T2)와 연관된 하위 유효 높이(hLE)의 중첩이다. 코일 탭을 22.84 도로 조정하면, 복소 상위 유효 높이는 다음과 같이 주어진다
Figure pct00069
(56)
(또는 35.21°에서 18.006)이고, 복소 하위 유효 높이는 다음과 같이 주어진다
Figure pct00070
(57)
(또는 -141.773°에서 10.950)이다. 전체 유효 높이(hTE)는 이들 2개 값의 중첩이며, 하기와 같은 식을 준다
Figure pct00071
(58)
알 수 있는 바와 같이, 코일 위상은 가이드된 표면파 기울기 ＷRx의 계산된 각도와 정합한다. 가이드된 표면 도파관 프로브는 접지 전류를 최대화하도록 조정될 수 있다. 도 9a와 관련하여 앞서 논의된 바와 같이, 가이드된 표면 도파관 모드 결합은, AC 소스(912)에 대한 탭(924)의 위치가 코일(909) 상의 50Ω 지점에 있도록 반복적으로 조정하고 전류계(927)를 통한 접지 전류를 최대화하도록 탭(918)의 위치를 조정함으로써 향상될 수 있다.
가이드된 표면파 또는 전송선 모드 내로 결합하기 위한 가이드된 표면 도파관 프로브(400b)(도 9a)의 능력을 검증하기 위해 장 강도 측정이 실행되었다. 도 12를 참조하면, 장 강도 측정에 이용되는 가이드된 표면 도파관 프로브의 이미지가 도시되어 있다. 도 12는 상위 충전 단자(T1)와 하위 보상 단자(T2)를 포함하는 가이드된 표면 도파관 프로브(400b)를 도시하며, 이들은 모두 링으로서 제작되었다. 절연 구조물은 충전 단자(T1)를 보상 단자(T2)위에 지지한다. 예를 들어, RF 절연 섬유유리 마스트(fiberglass mast)는 충전 및 보상 단자 T1 및 T2를 지지하는데 이용될 수 있다. 절연성 지지 구조물은, 예를 들어 절연된 가이 와이어 및 풀리(insulated guy wires and pulley), 스크류 기어, 또는 이해될 수 있는 기타의 적절한 메커니즘을 이용하여, 충전 및 보상 단자(T1 및 T2)의 위치를 조정하도록 구성될 수 있다. 코일의 한쪽 끝이 RF 절연 섬유유리 마스트의 베이스 부근에 있는 8 피트 접지 막대에 접지된 코일이 결합 회로에서 이용되었다. AC 소스는 탭 접속(V1)에 의해 코일의 우측에 결합되었고, 충전 단자(T1)및 보상 단자(T2)에 대한 탭들은 코일의 중심(V3)에 및 좌측(V2)에 위치했다. 도 9a는 코일(909) 상의 탭 위치를 그래픽으로 도시한다.
가이드된 표면 도파관 프로브(400b)에는 1879 kHz의 주파수에서 전력이 공급되었다. 상위 충전 단자(T1)의 전압은 64pF의 커패시턴스를 갖는 15.6Vpeak-peak(5.515VRMS)이었다. FIM-41 FS 계측기(Potomac Instruments, Inc., Silver Spring, MD)를 이용하여 가이드된 표면 도파관 프로브(400b)로부터 연장되는 반경방향을 따라 미리결정된 거리들에서 장 강도(FS) 측정이 이루어졌다. 전기적 론칭 효율이 35%인 가이드된 표면파 전송 모드에 대한 측정된 데이터 및 예측된 값이 하기 표 1에 나타나 있다. Hankel 교차 거리(Rx)를 넘어서면, 큰 인자 점근선은 Hankel 함수의 "근접지" 표현보다 우세하며, 모드-정합된 전기의 수직 성분은, 점근적으로, 충전 단자의 자유 전하에 선형적으로 비례하는 수학식 (44)가 된다. 표 1은 측정된 값과 예측된 데이터를 보여준다. 정확한 플로팅 애플리케이션(Mathcad)을 이용하여 플롯팅하면, 측정된 값들은 도 13에 나타낸 바와 같이 38%에 해당하는 전기적 론칭 효율 곡선에 일치하는 것으로 드러났다. 충전 단자(T1)에서 15.6Vpp의 경우, 장 강도 곡선(Zenneck @ 38 %)은 1 마일에서 363μV/m(및 1km에서 553μV/m)를 통과하고 커패시턴스(Cp)및 인가된 단자 전압에 따라 선형으로 조정된다.
Figure pct00072
더 낮은 전기적 론칭 효율은 상위 충전 단자(T1)의 높이에 기인할 수 있다. 충전 단자(T1)가 17 피트의 물리적 높이로 상승되더라도, 구속 전하는 가이드된 표면 도파관 프로브(400b)의 효율을 감소시킨다. 충전 단자(T1)의 높이를 증가시키는 것은 가이드된 표면 도파관 프로브(400b)의 론칭 효율을 향상시키지만, 이러한 낮은 높이(hd/λ=0.032)에서도 결합된 파동은 38%의 전기적 론칭 효율 곡선과 정합되는 것으로 밝혀졌다. 또한, (8 피트 접지 막대 이외의 접지 시스템을 갖지 않는) 도 9a의 적당한 17 피트 가이드된 표면 도파관 프로브(400b)는, 광범위한 점지 시스템을 갖춘 1/4 파장 타워(λ/4 Norton = 높이가 131 피트)보다 1879 kHz에서 1 내지 6 마일(miles)의 범위에서 10dB 이상 더 양호한 장 강도를 보인다는 것을 도 13에서 알 수 있다. 충전 단자(T1)의 높이를 증가시키고, 보상 단자(T2)의 높이 및 코일 위상을 조정함으로써, 가이드된 표면 도파관 모드 결합 및 그로 인한 결과적인 전기장 강도를 향상시킬 수 있다.
또 다른 실험 예에서, 가이드된 표면 도파관 프로브(400)가, (ω = 2πf = 3.267×108 라디안/초에 대응하는) 52MHz에서 제안된 구조물의 동작을 검증하기 위해 구성되었다. 도 14a는, 가이드된 표면 도파관 프로브(400)의 이미지를 도시한다. 도 14b는, 도 14a의 가이드된 표면 도파관 프로브(400)의 개략도이다. 더블릿 프로브의 충전 단자 및 보상 단자 T1과 T2 사이의 복소 유효 높이는, 가이드된 표면파를 론칭하기 위해 Hankel 교차 거리에서 가이드된 표면파 기울기 ＷRx의 Rx배와 정합하도록 조정되었다. 이것은, 단자들 사이의 물리적 간격, AC 소스(912)와 코일(909) 사이의 자기 링크 결합 및 그 위치, 단자들(T1 및 T2)사이의 전압의 상대적 위상, 지면 또는 손실성 전도성 매체에 관한 충전 및 보상 단자 T1과 T2의 높이, 또는 이들의 조합을 변경함으로써 달성될 수 있다. 가이드된 표면 도파관 프로브(400)가 있는 위치에서의 손실성 전도성 매체의 전도도 σ는 = 0.067 mhos/m이고 비유전율 εr=82.5인 것으로 결정되었다. 이 값들을 이용하여, 굴절률 n = 9.170 - j1.263인 것으로 결정되었다. 복소 Brewster 각도 Ψi,B = 6.110 + j0.8835도인 것으로 밝혀졌다.
Hankel 교차 거리 Rx = 2 feet는, 수학식 (20b) 및 (21)을 같게 두고 Rx에 대해 풀어서 구할 수 있다. 도 15는 52 Hz에서의 교차 거리 Rx의 그래픽 표현을 도시한다. 곡선 533은 "원격지" 점근선의 플롯이다. 곡선 536은 "근접지" 점근선의 플롯이다. 이 예에서 2세트의 수학적 점근선들의 크기는 2 feet의 Hankel 교차점(539)에서 동일하다. 그래프는, 52 MHz의 동작 주파수에서 전도도가 0.067 mhos/m이고 상대적 유전 상수(비유전율)이 εr=82.5인 물에 대해 계산되었다. 더 낮은 주파수에서는, Hankel 교차점(539)가 더 멀리 이동한다. 가이드된 표면파 기울기는 ＷRx=0.108ej(7.851°)로 계산되었다. 총 높이가 6 피트인 더블릿 구성의 경우, 복소 유효 높이(heff = 2hpejΦ = RxtanΨi,B)는 2hp = 6인치이고 Φ = -172 도인 것으로 결정되었다. 보상 단자(T2)의 위상 지연을 실제 조건으로 조정하면, Φ = -174도가 가이드된 표면파의 모드 정합을 최대화하는 것으로 나타났는데, 이것은 실험 오차 내에 있었다.
도 14a 및 14b의 가이드된 표면 도파관 프로브(400)가 가이드된 표면파 또는 전송 선로 모드에 결합하는 능력을 검증하기 위해 장 강도 측정이 실행되었다. 3.5pF 단자(T1 및 T2)에 10V 피크-대-피크(peak-to-peak)를 인가하여, 가이드된 표면 도파관 프로브(400)에 의해 여기된 전기장이 측정되고 도 16에 플롯팅되었다. 알 수 있는 바와 같이, 측정된 장 강도는 Zenneck 곡선들 사이에서 90%와 100%로 떨어졌다. Norton 반파장 다이폴 안테나에 대한 측정 값들은 상당히 적었다.
다음으로 도 17을 참조하면, 손실성 전도성 매체(403)에 의해 제공되는 평면에 실질적으로 직교하는 수직 축 z를 따라 위치한, 상위 충전 단자(T1)(예를 들어, 높이 hT의 구면체) 및 하위 보상 단자(T2)(예를 들어, 높이 hd의 디스크)를 포함하는 가이드된 표면 도파관 프로브(400d)의 또 다른 예의 그래픽 표현이 도시되어 있다. 동작 동안에, 임의의 주어진 순간에 단자(T1 및 T2)에 인가되는 전압에 따라, 각각, 충전 및 보상 단자(T1 및 T2)에 전하(Q1 및 Q2)가 부과된다.
도 9a 및 도 9b에서와 같이, AC 소스(912)는 충전 단자(T1)에 대한 여기 소스(도 4의 412)로서 작용한다. AC 소스(912)는 코일(909)을 포함하는 결합 회로(도 4의 409)를 통해 가이드된 표면 도파관 프로브(400d)에 결합된다. AC 소스(912)는 도 17에 도시된 바와 같이 탭(924)을 통해 코일(909)의 하위 부분을 가로 질러 접속될 수 있거나, 1차 코일을 통해 코일(909)에 유도성으로 결합될 수 있다. 코일(909)은 제1 단에서 접지 스테이크(915) 및 제2 단에서 충전 단자(T1)에 결합될 수 있다. 일부 구현에서, 충전 단자(T1)로의 접속은 코일(909)의 제2 단의 탭(930)을 이용하여 조정될 수 있다. 보상 단자(T2)는 손실성 전도성 매체(403)(예를 들어, 지면 또는 지구) 위에 및 실질적으로 평행하게 위치하고 코일(909)에 결합된 탭(933)을 통해 통전된다. 코일(909)과 접지 스테이크(915) 사이에 위치된 전류계(927)는 가이드된 표면 도파관 프로브의 베이스에서의 전류 흐름(I0)의 크기의 표시를 제공하는데 이용될 수 있다. 대안으로서, 전류 흐름(I0)의 크기의 표시를 획득하기 위해 접지 스테이크(915)에 결합된 도전체 주변에 전류 클램프가 이용될 수 있다.
도 17의 실시예에서, 충전 단자(T1)(탭(930))로의 접속은, 도 9a의 구성에 비해, 보상 단자(T2)에 대한 탭(933)의 접속점 위로 이동되었다. 이러한 조정은 증가된 전압(및 그에 따라 더 높은 전하 Q1)이 상위 충전 단자(T1)에 인가되게 한다. 도 9a의 가이드된 표면 도파관 프로브(400b)에서와 같이, 가이드 표면 도파관 프로브(400d)의 전체 유효 높이(hTE)가 조정되어 Hankel 교차 거리 Rx에서 가이드된 표면파 기울기를 갖는 전기장을 여기시킬 수 있다. Hankel 교차 거리는 또한, 수학식 (20b) 및 (21)을 같게 두고 Rx에 대해 풀면 구할 수 있다. 상기 수학식 (52) 내지 (55)에 관해 설명된 바와 같이, 굴절률(n), 복소 Brewster 각도(θi,B 및 Ψi,B), 파동 기울기(|Ｗ|ejΨ)및 복소 유효 높이(heff=hpejΦ)가 결정될 수 있다.
선택된 충전 단자 T1 구성에 의해, 구면 직경(또는 유효 구면 직경)이 결정될 수 있다. 예를 들어, 충전 단자(T1)가 구면체로서 구성되지 않으면, 단자 구성은 유효 구면 직경을 갖는 구면 커패시턴스로서 모델링될 수 있다. 충전 단자(T1)의 크기는, 단자들에 부과된 전하(Q1)에 대해 충분히 큰 표면을 제공하도록 선택될 수 있다. 일반적으로, 충전 단자(T1)를 실용적으로 크게 하는 것이 바람직하다. 충전 단자(T1)의 크기는, 충전 단자 주위에서 방전 또는 스파크를 초래할 수 있는, 주위 공기의 이온화를 피할만큼 충분히 커야 한다. 충전 단자(T1) 상의 구속 전하의 양을 감소시키기 위해, 가이드된 표면파를 론칭하기 위한 충전 단자(T1) 상의 자유 전하를 제공하기 위한 원하는 높이는 손실성 전도성 매체(예를 들어, 지구) 위의 유효 구면 직경의 적어도 4-5배이어야 한다. 보상 단자(T2)는, Rx에서 가이드된 표면파 기울기를 갖는 전기장을 여기시키기 위해 가이드된 표면 도파관 프로브(400d)의 전체 유효 높이(hTE)를 조정하는데 이용될 수 있다. 보상 단자(T2)는, hd = hT - hp에 위치한 충전 단자(T1)의 아래에 위치할 수 있고, 여기서, hT는 충전 단자 T1의 총 물리적 높이이다. 보상 단자(T2)의 위치가 고정되고 위상 지연 ΦU가 상위 충전 단자(T1)에 인가되면, 하위 보상 단자(T2)에 인가되는 위상 지연 ΦL은 수학식 (49)의 관계를 이용하여 결정될 수 있다.
Figure pct00073
(59)
대안적 실시예에서, 보상 단자(T2)는 Im{ΦL}=0인 높이 hd에 위치될 수 있다.
(예를 들어, 결합을 최대화하기 위해 50Ω 지점에서) 코일(909)에 결합된 AC 소스(912)와 함께, 탭(933)의 위치는 동작 주파수에서 코일의 적어도 일부와의 보상 단자(T2)의 병렬 공진을 위해 조정될 수 있다. 코일(909)로부터의 전압 V2는 충전 단자(T1)에 인가될 수 있고, 전체 유효 높이(hTE)의 위상(Ψ)이, Hankel 교차 거리(Rx)에서 가이드된 표면파 기울기(ＷRx)의 각도와 대략 동일하도록 탭(930)의 위치가 조정될 수 있다. 코일 탭(930)의 위치는, 이 동작 점에 도달할 때까지 조정되어, 전류계(927)를 통한 접지 전류가 최대까지 증가하게 한다. 이 시점에서, 가이드된 표면 도파관 프로브(400d)에 의해 여기된 결과적인 장들은, 손실성 전도성 매체(403)의 표면 상의 가이드된 표면 도파관 모드와 실질적으로 모드-정합되어, 손실성 전도성 매체(403)의 표면을 따른 가이드된 표면파의 론칭을 초래한다. 이것은, 가이드된 표면 도파관 프로브(400)로부터 연장되는 반경을 따른 장 강도를 측정함으로써 검증될 수 있다.
다른 구현들에서, 코일(909)로부터의 전압 V2는 충전 단자(T1)에 인가될 수 있고, 전체 유효 높이(hTE)의 위상(Φ)이, Rx에서 가이드된 표면파 기울기(ＷRx)의 각도와 대략 동일하도록 탭(933)의 위치가 조정될 수 있다. 코일 탭(930)의 위치는, 동작 점에 도달할 때까지 조정되어, 전류계(927)를 통한 접지 전류가 실질적으로 최대값에 도달하게 한다. 결과적인 장들은 손실성 전도성 매체(403)의 표면 상의 가이드된 표면 도파관 모드와 실질적으로 모드-정합되고, 손실성 전도성 매체(403)의 표면을 따라 가이드된 표면파가 론칭된다. 이것은, 가이드된 표면 도파관 프로브(400)로부터 연장되는 반경을 따른 장 강도를 측정함으로써 검증될 수 있다. 상기 시스템은 또한, AC 소스(912)에 대한 탭(924)의 위치가 코일(909) 상의 50Ω 지점에 있도록 반복적으로 조정하고 전류계(927)를 통한 접지 전류를 최대화하도록 탭(930 및/또는 933)의 위치를 조정함으로써 결합을 향상시키도록 조정될 수 있다.
도 18은, 손실성 전도성 매체(403)에 의해 제공되는 평면에 실질적으로 직교하는 수직 축 z를 따라 위치한, 상위 충전 단자(T1)(예를 들어, 높이 hT의 구면체) 및 하위 보상 단자(T2)(예를 들어, 높이 hd의 디스크)를 포함하는 가이드된 표면 도파관 프로브(400e)의 또 다른 예를 나타내는 그래픽 표현이다. 도 18의 예에서, 충전 단자(T1)(예를 들어, 높이 hT의 구면체) 및 보상 단자(T2)(예를 들어, 높이 hd의 디스크)가 코일(909)의 대향 단부에 결합된다. 예를 들어, 도 18에서 도시된 바와 같이 충전 단자(T1)는 코일(909)의 제1 단에서 탭(936)을 통해 접속될 수 있고 보상 단자(T2)는 코일(909)의 제2 단에서 탭(939)을 통해 접속될 수 있다. 보상 단자(T2)는 손실성 전도성 매체(403)(예를 들어, 지면 또는 지구) 위에 및 이와 실질적으로 평행하게 위치한다. 동작 동안에, 임의의 주어진 순간에 단자(T1 및 T2)에 인가되는 전압에 따라, 각각, 충전 및 보상 단자(T1 및 T2)에 전하(Q1 및 Q2)가 부과된다.
AC 소스(912)는 충전 단자(T1)에 대한 여기 소스(도 4의 412)로서 작용한다. AC 소스(912)는 코일(909)을 포함하는 결합 회로(도 4의 409)를 통해 가이드된 표면 도파관 프로브(400e)에 결합된다. 도 18의 예에서, AC 소스(912)는 탭핑된 접속(942, 943)을 통해 코일(909)의 중간 부분을 가로질러 접속된다. 다른 실시예들에서, AC 소스(912)는 1차 코일을 통해 코일(909)에 유도성 결합될 수 있다. AC 소스(912)의 한 측은 또한, 코일(909) 상에 접지점을 제공하는 접지 스테이크(915)에 결합된다. 코일(909)과 접지 스테이크(915) 사이에 위치한 전류계(927)는, 가이드된 표면 도파관 프로브(400e)의 베이스에서의 전류 흐름의 크기의 표시를 제공하는데 이용될 수 있다. 대안으로서, 전류 흐름의 크기의 표시를 획득하기 위해 접지 스테이크(915)에 결합된 도전체 주변에 전류 클램프가 이용될 수 있다.
전술된 바와 같이, Hankel 교차 거리 Rx에서 가이드된 표면파 기울기를 갖는 전기장을 여기시키기 위해 가이드된 표면 도파관 프로브(400e)의 전체 유효 높이(hTE)를 조정하는 것이 가능하다. Hankel 교차 거리는 또한, 수학식 (20b) 및 (21)을 같게 두고 Rx에 대해 풀면 구할 수 있다. 상기 수학식 (52) 내지 (55)에 관해 설명된 바와 같이, 굴절률(n), 복소 Brewster 각도(θi,B 및 Ψi,B),및 복소 유효 높이(heff = hpejΦ)가 결정될 수 있다.
선택된 충전 단자(T1)구성에 대해 구면 직경(또는 유효 구면 직경)이 결정될 수 있다. 예를 들어, 충전 단자(T1)가 구면체로서 구성되지 않으면, 단자 구성은 유효 구면 직경을 갖는 구면 커패시턴스로서 모델링될 수 있다. 충전 단자(T1) 상의 구속 전하의 양을 감소시키기 위해, 가이드된 표면파를 론칭하기 위한 충전 단자(T1) 상의 자유 전하를 제공하기 위한 원하는 높이는 손실성 전도성 매체(예를 들어, 지구) 위의 유효 구면 직경의 적어도 4-5배이어야 한다. 보상 단자(T2)는, hd = hT - hp에 위치한 충전 단자(T1)의 아래에 위치할 수 있고, 여기서, hT는 충전 단자 T1의 총 물리적 높이이다. 충전 단자(T1) 및 보상 단자(T2)의 위치가 고정되고 (예를 들어, 결합을 최대화하기 위해 50Ω 지점에서) 코일(909)에 결합된 AC 소스(912)와 함께, 탭(939)의 위치는 동작 주파수에서 코일의 적어도 일부와의 보상 단자(T2)의 병렬 공진을 위해 조정될 수 있다. 공진을 위해 보상 단자 접속을 조정하는 것은, 충전 단자 결합의 후속 조정을 돕지만, Hankel 교차 거리(Rx)에서 가이드된 표면파 기울기(ＷRx)를 설정할 필요는 없다. 상위 충전 단자(T1)및 하위 보상 단자(T2)에 인가되는 위상 지연들 ΦL 및 ΦU 중 하나 또는 양쪽 모두는 코일(909) 상의 탭들(936 및/또는 939) 중 하나 또는 양쪽 모두를 재위치시킴으로써 조정될 수 있다. 또한, 위상 지연들 ΦL 및 ΦU는, AC 소스(912)의 탭(942)들 중의 하나 또는 양쪽 모두를 재위치시킴으로써 조정될 수 있다. 코일 탭(들)(936, 939 및/또는 942)의 위치는, 이 동작 점에 도달할 때까지 조정되어, 전류계(927)를 통한 접지 전류가 최대까지 증가하게 한다. 이것은, 가이드된 표면 도파관 프로브(400)로부터 연장되는 반경을 따른 장 강도를 측정함으로써 검증될 수 있다. 그 다음, 접지 전류를 증가(또는 최대화)하기 위해 이들 탭(들)을 재위시킴으로써 위상 지연이 조정될 수 있다.
가이드된 표면 도파관 프로브(400)에 의해 생성된 전기장이 Hankel 교차 거리 Rx에서 가이드된 표면파 기울기를 가질 때, 이들은 손실성 전도성 매체의 표면 상의 가이드된 표면 도파관 모드와 실질적으로 모드-정합되고, 가이드된 표면파 형태의 가이드된 전자기장이 손실성 전도성 매체의 표면을 따라 론칭된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 가이드된 전자기장의 가이드된 장 강도 곡선(103)은 특징적인 지수 감쇠
Figure pct00074
를 가지며 로그-로그 스케일에서 특유의 무릎(109)을 나타낸다. 무선 전송 및/또는 전력 전달 시스템을 용이하게 하기 위해 하나 이상의 가이드된 표면 도파관 프로브와 함께 수신 회로들이 이용될 수 있다.
다음으로 도 19a, 도 19b 및 도 20을 참조하면, 무선 전력 전달 시스템에서 표면-가이드된 파동을 이용하기 위한 일반화된 수신 회로의 예가 도시되어 있다. 도 19a 및 도 19b는 각각 선형 프로브(703) 및 동조 공진기(706)를 포함한다. 도 20은 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 자기 코일(magnetic coil, 709)이다. 다양한 실시예에 따르면, 선형 프로브(703), 동조 공진기(706) 및 자기 코일(709) 각각은, 손실성 전도성 매체(403)(도 4)의 표면 상의 가이드된 표면파의 형태로 전송된 전력을 수신하기 위해 채택될 수 있다. 전술된 바와 같이, 한 실시예에서 손실성 전도성 매체(403)는 지상 매체(또는 지구)를 포함한다.
도 19a를 특히 참조하면, 선형 프로브(703)의 출력 단자(713)에서의 개방-회로 단자 전압은 선형 프로브(703)의 유효 높이에 의존한다. 이 목적을 위해, 단자 전압은 다음과 같이 계산될 수 있다
Figure pct00075
(60)
여기서, Einc는 선형 프로브(703) 상의 미터당 Volt 단위의 전기장 강도이고, dl은 선형 프로브(703)의 방향을 따른 적분 요소이며, he는 선형 프로브(703)의 유효 높이이다. 전기적 부하(716)는 임피던스 정합 네트워크(719)를 통해 출력 단자(713)에 결합된다.
선형 프로브(703)가 전술된 바와 같이 가이드된 표면파에 종속될 때, 경우에 따라 공액 임피던스 정합 네트워크(719)를 통해 전기적 부하(716)에 인가될 수 있는 전압이 출력 단자(713) 양단에 발생한다. 전기적 부하(716)로의 전력의 흐름을 용이하게 하기 위해, 전기적 부하(716)는 후술되는 바와 같이 선형 프로브(703)에 실질적으로 임피던스 정합되어야 한다.
도 19b를 참조하면, 동조 공진기(706)는 손실성 전도성 매체(403) 위로 상승된 충전 단자(TR)를 포함한다. 충전 단자(TR)는 자기-커패시턴스 CR을 갖는다. 또한, 손실성 전도성 매체(403) 위의 충전 단자(TR)의 높이에 따라 충전 단자(TR)와 손실성 전도성 매체(403) 사이에는 구속 커패시턴스(미도시)가 있을 수도 있다. 구속 커패시턴스는 실행가능한 한 최소화되는 것이 바람직하지만, 가이드된 표면 도파관 프로브(400)의 모든 경우에서 전적으로 필요한 것은 아니다.
동조 공진기(706)는 또한 코일 LR을 포함한다. 코일 LR의 한 단은 충전 단자(TR)에 결합되고, 코일 LR의 다른 단은 손실성 전도성 매체(403)에 결합된다. 이 목적을 위해, 동조 공진기(706)(동조 공진기 LR-CR라고도 함)는, 충전 단자(CR)와 코일 LR이 직렬로 위치할 때 직렬-동조 공진기를 포함한다. 동조 공진기(706)는, 구조물의 리액티브 임피던스(reactive impedance)가 실질적으로 제거되도록 충전 단자(TR)의 크기 및/또는 높이를 조정하고 및/또는 코일 LR의 크기를 조정함으로써 동조된다.
예를 들어, 자기-커패시턴스 CR에 의해 나타나는 리액턴스는 1/jωCR로서 계산된다. 동조 공진기(706)의 전체 커패시턴스는 또한 충전 단자(TR)와 손실성 전도성 매체(403) 사이의 커패시턴스를 포함할 수 있으며, 여기서, 동조 공진기(706)의 전체 커패시턴스는, 이해하는 바와 같이, 자기-커패시턴스 CR및 임의의 구속 커패시턴스 양쪽 모두로부터 계산될 수 있다는 점에 유의한다. 한 실시예에 따르면, 충전 단자(TR)는 임의의 구속 커패시턴스를 실질적으로 감소시키거나 제거하도록 하는 높이로 상승될 수 있다. 구속 커패시턴스의 존재는, 충전 단자(TR)와 손실성 전도성 매체(403) 사이의 커패시턴스 측정치들로부터 결정될 수 있다.
이산-요소 코일 LR에 의해 제공된 유도성 리액턴스(inductive reactance)는 jωL로서 계산될 수 있고, 여기서, L은 코일 LR의 집중형-요소 인덕턴스(lumped-element inductance)이다. 코일 LR이 분산형 요소이면, 그 등가의 종단점(terminal-point) 유도성 리액턴스는 종래의 접근법에 의해 결정될 수 있다. 동조 공진기(706)를 동조시키기 위해, 코일 LR에 의해 제공된 유도성 리액턴스가 동조 공진기(706)에 의해 제공된 용량성 리액턴스와 같아지도록 조정하여, 동조 공진기(706)의 결과적인 순 리액턴스가 동작 주파수에서 실질적으로 제로가 되게 할 수 있다. 전기적 부하(726)로의 최대 전력 전달을 위한 공액-정합 조건(conjugate-match condition)을 달성하기 위하여 프로브 단자(721)와 전기적 부하(726) 사이에 임피던스 정합 네트워크(723)가 삽입될 수 있다.
전술된 바와 같이, 동조 공진기(706) 및 공액 정합 네트워크(723)의 주파수에서 생성된 가이드된 표면파의 존재 하에서 배치될 때, 표면 가이드된 파동으로부터 전기적 부하(726)로 최대 전력이 전달될 것이다. 즉, 일단 동조 공진기(706)와 전기 부하(726) 사이에 공액 임피던스 정합이 확립되고 나면, 구조물로부터 전기적 부하(726)로 전력이 전달될 것이다. 이 목적을 위해, 전기적 부하(726)는, 자기적 결합, 용량성 결합 또는 도전성(직접 탭) 결합을 통해 동조 공진기(706)에 결합될 수 있다. 결합 네트워크의 요소들은, 이해할 수 있는 바와 같이 집중형 컴포넌트이거나 분산형 요소일 수 있다. 도 19b에 도시된 실시예에서, 자기적 결합이 채택되고, 여기서 코일 LS는 변압기 1차 권선으로서 작용하는 코일 LR에 대해 2차 권선으로서 위치한다. 코일 LS는, 이해할 수 있는 바와 같이, 동일한 코어 구조물 주위에 이 코일을 기하학적으로 권선하고 결합된 자속을 조정함으로써 코일 LR에 링크 결합될 수 있다. 또한, 동조 공진기(706)는 직렬 동조 공진기를 포함하지만, 병렬 동조 공진기 또는 심지어 분산형-요소 공진기가 이용될 수도 있다.
도 20을 참조하면, 자기 코일(709)은 임피던스 정합 네트워크(733)를 통해 전기적 부하(736)에 결합되는 수신 회로를 포함한다. 가이드된 표면파로부터의 전력의 수신 및/또는 추출을 용이하게하기 위하여, 자기 코일(709)은, 가이드된 표면파의 자속 HΦ가 자기 코일(709)을 통과함으로써 자기 코일(709) 내에 전류를 유도하고 그 출력 단자(729)에서 종단점 전압을 발생시키도록 위치할 수 있다. 단일 권선 코일에 결합된 가이드된 표면파의 자속은 다음과 같이 표현된다
Figure pct00076
(61)
여기서, Ψ는 결합된 자속이고, μr은 자기 코일(709)의 코어의 유효 비투자율이고, μ0은 자유 공간의 투자율이며,
Figure pct00077
는 입사 자기장 강도 벡터이고,
Figure pct00078
는 권선의 단면적에 수직인 단위 벡터이며, ＡCS는 각각의 루프에 의해 둘러싸인 영역이다. 자기 코일(709)의 단면적에 걸쳐 균일한 입사 자기장에 대한 최대 결합을 위해 배향된 N-회전 자기 코일(709)의 경우, 자기 코일(709)의 출력 단자(729)에 나타나는 개방-회로 유도된 전압은 다음과 같다
Figure pct00079
(62)
여기서 변수들은 위에서 정의되었다. 자기 코일(709)은, 경우에 따라, 분산형 공진기로서 또는 그 출력 단자(729)에 걸친 외부 커패시터와 함께 가이드된 표면파 주파수에 동조될 수 있으며, 그 다음, 공액 임피던스 정합 네트워크(733)를 통해 외부 전기적 부하(736)에 임피던스 정합될 수 있다.
자기 코일(709) 및 전기적 부하(736)에 의해 제공된 결과 회로가 임피던스 정합 네트워크(733)를 통해 적절히 조정되고 공액 임피던스 정합된다고 가정하면, 전기적 부하(736)에 최적으로 전력공급하기 위해 자기 코일(709)에 유도된 전류가 채택될 수 있다. 자기 코일(709)에 의해 제공되는 수신 회로는, 물리적으로 접지에 결합될 필요가 없다는 이점을 제공한다.
도 19a, 도 19b, 및 도 20을 참조하면, 선형 프로브(703), 동조 공진기(706), 및 자기 코일(709)에 의해 제공되는 수신 회로들 각각은, 전술된 가이드된 표면 도파관 프로브(400)의 임의의 한 실시예로부터 전송된 전력의 수신을 용이하게 한다. 이를 위해, 수신된 에너지는 공액 정합 네트워크를 통해 전기적 부하(716/726/736)에 전력을 공급하는데 이용될 수 있다. 이것은, 방사된 전자기장의 형태로 전송된 수신기에서 수신될 수 있는 신호와는 대조된다. 이러한 신호는 매우 낮은 가용 전력을 가지며 이러한 신호의 수신기는 전송기에 부하를 주지 않는다.
선형 프로브(703), 동조 공진기(706), 및 자기 코일(709)에 의해 제공되는 수신 회로들이 가이드된 표면 도파관 프로브(400)에 인가되는 여기 소스(413)(도 4)의 부하가 되어 이러한 수신 회로들이 종속되는 가이드된 표면파를 생성한다는 것은, 전술된 가이드된 표면 도파관 프로브(400)를 이용하여 생성된 현재의 가이드된 표면파의 특징이기도 하다. 이것은, 전술된 주어진 가이드된 표면 도파관 프로브(400)에 의해 생성된 가이드된 표면파가 전송 선로 모드를 포함한다는 사실을 반영한다. 대조적으로, 방사된 전자기파를 발생시키는 방사 안테나를 구동하는 전원에게는, 채택되는 수신기의 수에 관계없이 수신기가 부하가 되지 않는다.
따라서, 선형 프로브(703), 동조 공진기(706), 및/또는 자기 코일(709) 형태의 하나 이상의 수신 회로 및 하나 이상의 가이드된 표면 도파관 프로브(400)는 함께 무선 분배 시스템을 구성할 수 있다. 전술된 바와 같이 가이드된 표면 도파관 프로브(400)를 이용한 가이드된 표면파의 전송 거리가 주파수에 의존한다는 것을 감안하면, 넓은 영역에 걸쳐 및 심지어 전지구적으로 무선 전력 분배가 달성될 수 있다.
오늘날 광범위하게 연구된 종래의 무선 전력 전송/분배 시스템은, 방사장으로부터의 "에너지 수확" 및 유도성 또는 리액티브성 근접장으로의 센서 결합을 포함한다. 대조적으로, 현재의 무선-전력 시스템은, 인터셉트되지 않는다면 영원히 소실되는 방사의 형태로 전력을 낭비하지 않는다. 또한, 현재 개시된 무선-전력 시스템은 종래의 상호-리액턴스 결합된 근접장 시스템에서와 같이 매우 짧은 범위로 제한되지 않는다. 여기서 개시된 무선-전력 시스템은, 도파관에 의한 부하 또는 원거리 발전기에 직접 결선된 부하에 전력을 전달하는 것과 동일한, 신규한 표면-가이드된 전송 선로 모드에 프로브-결합된다. 초 저주파에서 60 Hz의 종래의 고압 전력선의 전송 손실에 비해 미미한, 표면 도파관에서 소산되는 것 플러스 전송 장 강도를 유지하는 데 요구되는 전력을 계산하지 않는 경우, 모든 발전기 전력은 원하는 전기적 부하로만 간다. 전기적 부하 수요가 끝나면, 소스 발전은 비교적 유휴 상태이다.
다음으로 도 21a를 참조하면, 선형 프로브(703) 및 동조 공진기(706)를 나타내는 개략도가 도시되어 있다. 도 21b는 자기 코일(709)을 나타내는 개략도를 도시한다. 선형 프로브(703) 및 동조 공진기(706) 각각은, 개방-회로 단자 전압 소스(VS)및 데드 네트워크 종단점 임피던스(dead network terminal point impedance, ZS)로 표시되는 테브낭 등가회로(Thevenin equivalent)로서 간주될 수 있다. 자기 코일(709)은, 단락 단자 전류 소스 IS 및 데드 네트워크 종단점 임피던스 ZS로 표시되는 노턴 등가회로(Norton equivalent)로서 간주될 수 있다. 각각의 전기적 부하(716/726/736)(도 19a, 도 19b 및 도 20)는 부하 임피던스(ZL)로 나타낼 수 있다. 소스 임피던스 ZS는 실수 및 허수 성분을 모두 포함하며 ZS = RS + jXS형태를 취한다.
한 실시예에 따르면, 전기적 부하(716/726/736)는 각각의 수신 회로에 각각 임피던스 정합된다. 구체적으로는, 각각의 전기적 부하(716/726/736)는 각각의 임피던스 정합 네트워크(719/723/733)를 통해, ZL' = ZS *= RS - jXS와 동등한, ZL' = RL' + jXL'로 표현된 ZL'로서 명시된 프로브 네트워크 상의 부하를 제공하며, 여기서, 제공된 부하 임피던스 ZL'는 실제 소스 임피던스 ZS의 복소 공액이다. 공액 정합 이론에 따르면, 캐스캐이드된 네트워크에서, 임의의 단자 쌍에서 공액 정합이 발생한다면, 공액 정합은 모든 단자 쌍에서 발생하고, 실제의 전기적 부하(716/726/736)도 역시 그 임피던스, ZL'에 대한 공액 정합을 볼 것이라고 한다. Everitt, W.L. and G.E. Anner, Communication Engineering, McGraw-Hill, 3rdedition, 1956, p. 407을 참조한다. 이것은, 각각의 전기적 부하(716/726/736)가 각각의 수신 회로에 임피던스 정합되고, 각각의 전기적 부하(716/726/736)에 대해 최대 전력 전달이 확립되는 것을 보장한다.
가이드된 표면 도파관 프로브(400)의 동작은, 가이드된 표면 도파관 프로브(400)와 연관된 동작 조건의 변화를 조정하도록 제어될 수 있다. 예를 들어, 프로브 제어 시스템(418)(도 4)은, 가이드된 표면 도파관 프로브(400)의 동작을 제어하기 위해 결합 회로(409) 및/또는 충전 단자(T1)및/또는 보상 단자(T2)의 위치를 제어하는데 이용될 수 있다. 동작 조건은 손실성 전도성 매체(403)의 특성(예를 들어, 전도도 σ 및 비유전율 εr)의 변화, 장 강도의 변화 및/또는 가이드된 표면 도파관 프로브(400)의 부하 변화를 포함할 수 있지만, 이것으로 제한되지 않는다. 수학식 (52) 내지 (55)에서 볼 수 있는 바와 같이, 굴절률(n), 복소 Brewster 각도(θi,B 및 Ψi,B),파동 기울기(|Ｗ|ejΨ)및 복소 유효 높이(heff = hpejΦ)는, 예를 들어, 기상 조건으로부터 발생하는, 토양 전도도 및 유전률의 변화에 의해 영향받을 수 있다.
예를 들어, 전도도 측정 프로브, 유전율 센서, 지면 파라미터 계측기, 장 계측기, 전류 모니터 및/또는 부하 수신기 등의 장비는, 동작 조건의 변화를 모니터링하고 현재 동작 조건에 대한 정보를 프로브 제어 시스템(418)에 제공하는데 이용될 수 있다. 그 다음, 프로브 제어 시스템(418)은 가이드된 표면 도파관 프로브(400)에 대한 명시된 동작 조건을 유지하기 위해 가이드된 표면 도파관 프로브(400)에 대해 하나 이상의 조정을 할 수 있다. 예를 들어, 수분과 온도가 달라지기 때문에, 토양의 전도도가 역시 달라질 수 있다. 전도도 측정 프로브 및/또는 유전율 센서는 가이드된 표면 도파관 프로브(400) 주변의 복수의 장소에 위치할 수 있다. 일반적으로, 동작 주파수에 대해 Hankel 교차 거리 Rx에서 또는 그 부근에서 전도도 및/또는 유전율을 모니터링하는 것이 바람직할 것이다. 전도도 측정 프로브 및/또는 유전율 센서는, 가이드된 표면 도파관 프로브(400) 주변의 복수의 장소(예를 들어, 각각의 4분원)에 위치할 수 있다.
도 22a는 토양 전도도의 변화를 모니터링하기 위해 설치될 수 있는 전도도 측정 프로브의 예를 도시한다. 도 22a에 도시된 바와 같이, 일련의 측정 프로브들이 토양 내에 직선을 따라 삽입된다. 예를 들어, 프로브는, 12 인치 이상의 침투 깊이를 갖고 d = 18 인치만큼 이격된 9/16-인치 직경의 막대들일 수 있다. DS1은 100 와트 전구이고, R1은 5 와트, 14.6 Ohm 저항이다. 회로에 AC 전압을 인가하고 저항 양단의 V1과 중심 프로브 양단의 V2를 측정함으로써, 전도도는, σ=21(V1/V2)의 가중된 비율에 의해 결정될 수 있다. AC 전압 공급 주파수에만 관련된 측정값들을 획득하기 위해 측정값들이 필터링될 수 있다. 다른 전압, 주파수, 프로브 크기, 깊이 및/또는 간격을 이용하는 상이한 구성들도 역시 이용될 수 있다.
토양의 전도도 및 유전율을 측정하기 위해 개방형 와이어 라인 프로브가 또한 이용될 수 있다. 도 22b에 도시된 바와 같이, 임피던스는, 예를 들어 임피던스 분석기를 이용하여 토양(손실성 매체)에 삽입된 2개의 막대의 상부 사이에서 측정된다. 임피던스 분석기가 이용된다면, 소정 주파수 범위에서 측정(R + jX)이 수행될 수 있으며, 전도도 및 유전율은 다음을 이용하여 주파수 의존적 측정으로부터 결정된다
Figure pct00080
및
Figure pct00081
(63)
여기서, C0은 공기 중의 프로브의 pF 단위의 커패시턴스이다.
전도도 측정 프로브 및/또는 유전율 센서는 주기적으로 전도도 및/또는 유전율을 평가하고 그 정보를 프로브 제어 시스템(418)(도 4)에 전달하도록 구성될 수 있다. 이 정보는, LAN, WLAN, 셀룰러 네트워크 또는 기타의 적절한 유선 또는 무선 통신 네트워크를 포함한 그러나 이것으로 제한되지 않는 네트워크를 통해 프로브 제어 시스템(418)에 전달될 수 있다. 모니터링된 전도도 및/또는 유전율에 기초하여, 프로브 제어 시스템(418)은, 굴절률(n), 복소 Brewster 각도(θi,B 및 Ψi,B),파동 기울기(|Ｗ|ejΨ)및 복소 유효 높이(heff = hpejΦ)에서의 변화를 평가하고 조명이 복소 Brewster 각도로 유지되게끔 Hankel 교차 거리에서 파동 기울기를 유지하도록 가이드된 표면 도파관 프로브(400)를 조절한다. 이것은, 예를 들어, hp,ΦU, ΦL, 및/또는 hd를 조정함으로써 달성될 수 있다. 예를 들어, 프로브 제어 시스템(418)은, 가이드된 표면파의 전기적 론칭 효율을 최대치 또는 그 부근에 유지하기 위해, 각각, 보상 단자(T2)의 높이(hd)또는 충전 단자(T1)및/또는 보상 단자(T2)에 인가되는 위상 지연(ΦU,ΦL)을 조정할 수 있다. 충전 단자(T1) 및/또는 보상 단자(T2)에 인가되는 위상은, 코일(909) 상의 탭 위치를 변화시킴으로써 및/또는 코일(909)을 따라 미리정의된 복수의 탭을 포함하고 론칭 효율을 최대화하도록 상이한 미리정의된 탭 위치들 사이에서 스위칭함으로써 조정될 수 있다.
장 또는 장 강도(FS) 계측기(예를 들어, FIM-41 FS 계측기, Potomac Instruments, Inc., Silver Spring, MD)는, 가이드된 표면 도파관 프로브(400) 주위에 분포되어 가이드된 표면파와 연관된 장들의 장 강도를 측정할 수 있다. 장 또는 FS 계측기는, 장 강도 및/또는 장 강도(예를 들어, 전기장 강도)에서의 변화를 검출하고 그 정보를 프로브 제어 시스템(418)에 전달하도록 구성될 수 있다. 이 정보는, LAN, WLAN, 셀룰러 네트워크 또는 기타의 적절한 통신 네트워크를 포함한 그러나 이것으로 제한되지 않는 네트워크를 통해 프로브 제어 시스템(418)에 전달될 수 있다. 동작 동안에 부하 및/또는 환경 조건이 변화하거나 달라짐에 따라, 가이드 표면 도파관 프로브(400)는 FS 계측기 장소에서 명시된 장 강도(들)를 유지하도록 조정되어 수신기들 및 이들이 공급하는 부하로의 적절한 전력 전달을 보장할 수 있다.
예를 들어, 충전 단자(T1)및/또는 보상 단자(T2)에 각각 인가되는 위상 지연(ΦU,ΦL)은, 가이드된 표면 도파관 프로브(400)의 전기적 론칭 효율을 향상 및/또는 최대화하도록 조정될 수 있다. 하나 또는 양쪽의 위상 지연을 조정함으로써, 가이드된 표면 도파관 프로브(400)는, Hankel 교차 거리에서의 파동 기울기가 복소 Brewster 각도로 유지되도록 조정될 수 있다. 이것은, 코일(909) 상의 탭 위치를 조정하여 충전 단자(T1) 및/또는 보상 단자(T2)에 공급되는 위상 지연을 변경시킴으로써 달성될 수 있다. 충전 단자(T1)에 공급되는 전압 레벨도 역시 전기장 강도를 조정하기 위해 증가되거나 감소될 수 있다. 이것은, 여기 소스(412)(도 4)의 출력 전압을 조정하거나 결합 회로(409)(도 4)를 조정 또는 재구성함으로써 달성될 수 있다. 예를 들어, AC 소스(912)(도 4)에 대한 탭(924)(도 4)의 위치는, 충전 단자(T1)가 보는 전압을 증가시키도록 조절될 수 있다. 장 강도 레벨을 미리정의된 범위 내로 유지하면, 수신기에 의한 결합을 개선하고, 접지 전류 손실을 감소시키며, 다른 가이드된 표면 도파관 프로브(400)로부터의 전송과의 간섭을 피할 수 있다.
도 23a를 참조하면, 모니터링된 조건에 기초하여, 가이드된 표면 도파관 프로브(400)의 동작을 조정하도록 구성된, 도 4의 프로브 제어 시스템(418)을 포함하는 적응형 제어 시스템(430)의 예가 도시되어 있다. 프로브 제어 시스템(418)은, 하드웨어, 펌웨어, 하드웨어에 의해 실행되는 소프트웨어, 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 프로브 제어 시스템(418)은 프로세서 및 메모리를 포함하는 처리 회로를 포함할 수 있으며, 이 처리 회로 및 메모리는 양쪽 모두는, 본 기술분야의 통상의 기술자라면 이해할 수 있는 바와 같이, 예를 들어, 동반된 제어/주소 버스를 갖는 데이터 버스 등의 로컬 인터페이스에 결합될 수 있다. 프로브 제어 애플리케이션은, 모니터링된 조건에 기초하여, 가이드된 표면 도파관 프로브(400)의 동작을 조정하기 위해 프로세서에 의해 실행될 수 있다. 프로브 제어 시스템(418)은 또한, 다양한 모니터링 디바이스와 통신하기 위한 하나 이상의 네트워크 인터페이스를 포함할 수 있다. 통신은, LAN, WLAN, 셀룰러 네트워크 또는 다른 적절한 통신 네트워크 등의 그러나 이것으로 제한되지 않는 네트워크를 통해 이루어질 수 있다. 프로브 제어 시스템(418)은, 예를 들어, 서버, 데스크탑 컴퓨터, 랩탑 또는 유사한 능력을 갖는 다른 시스템 등의 컴퓨터 시스템을 포함할 수 있다.
적응형 제어 시스템(430)은, 도 22a의 전도도 측정 프로브 및/또는 도 22b의 개방형 와이어 프로브 등의 그러나 이것으로 제한되지 않는 하나 이상의 지면 파라미터 계측기(들)(433)를 포함할 수 있다. 지면 파라미터 계측기(들)(433)는 프로브 작동 주파수와 연관된 Hankel 교차 거리(Rx)에서 가이드된 표면 도파관 프로브(400) 주변에 분포될 수 있다. 예를 들어, 도 22b의 개방형 와이어 프로브는, 전술된 바와 같이, 손실성 전도성 매체의 전도도 및 유전율을 모니터링하기 위해 가이드된 표면 도파관 프로브(400) 주변의 각각의 사분면에 위치할 수 있다. 지면 파라미터 계측기(들)(433)는 주기적으로 손실성 전도성 매체의 전도도 및 유전율을 결정하고 이 정보를 가이드된 표면 도파관 프로브(400)의 잠재적 조정을 위해 프로브 제어 시스템(418)에 전달하도록 구성될 수 있다. 일부 경우에, 지면 파라미터 계측기(들)(433)는 모니터링된 조건에서의 변화가 검출될 때에만 프로브 제어 시스템(418)에 정보를 전달할 수 있다.
또한, 적응형 제어 시스템(430)은, 전기장 강도(FS) 계측기 등의 그러나 이것으로 제한되지 않는, 하나 이상의 장 계측기(들)(436)를 포함할 수 있다. 장 계측기(들)(436)는, 가이드된 장 강도 곡선(103)(도 1)이 방사된 장 강도 곡선(106)(도 1) 보다 우세한 Hankel 교차 거리(Rx) 초과에서 가이드된 표면 도파관 프로브(400) 주변에 분포될 수 있다. 예를 들어, 복수의 장 계측기(436)는, 전술된 바와 같이 전기장 강도를 모니터링하기 위해 가이드된 표면 도파관 프로브(400)로부터 바깥쪽으로 연장되는 하나 이상의 반경을 따라 위치할 수 있다. 장 계측기(들)(436)는 주기적으로 장 강도를 결정하고 이 정보를 가이드된 표면 도파관 프로브(400)의 잠재적 조정을 위해 프로브 제어 시스템(418)에 전달하도록 구성될 수 있다. 일부 경우에, 장 계측기(들)(436)는 모니터링된 조건에서의 변화가 검출될 때에만 프로브 제어 시스템(418)에 정보를 전달할 수 있다.
다른 변수들도 역시 모니터링되고 가이드된 표면 도파관 프로브(400)의 동작을 조정하는데 이용될 수 있다. 예를 들어, 접지 스테이크(915)(도 9a 및 도 9b, 도 17 및 도 18)을 통해 흐르는 접지 전류는, 가이드된 표면 도파관 프로브(400)의 동작을 모니터링하는데 이용될 수 있다. 예를 들어, 접지 전류는, 가이드된 표면 도파관 프로브(400)의 부하적재 및/또는 손실성 전도성 매체(403)의 표면 상의 가이드된 표면파 모드로의 전자기장의 결합에서의 변화의 표시를 제공할 수 있다. 실제 전력 전달은, AC 소스(912)(또는 도 4의 여기 소스(412))의 모니터링에 의해 결정될 수 있다. 일부 구현에서, 가이드된 표면 도파관 프로브(400)는, 현재의 표시에 적어도 부분적으로 기초하여, 가이드된 표면 도파관 모드로의 결합을 최대화하도록 조정될 수 있다. 충전 단자(T1)및/또는 보상 단자(T2)에 공급되는 위상 지연을 조정함으로써, Hankel 교차 거리에서의 파동 기울기는, 손실성 전도성 매체(403)(예를 들어, 지구)에서의 가이드된 표면파 전송을 위한 복소 Brewster 각도에서의 조명을 위해 유지될 수 있다. 이것은 코일(909) 상의 탭 위치를 조정함으로써 달성될 수 있다. 그러나, 접지 전류는 또한, 수신기 부하적재에 영향을 받을 수 있다. 접지 전류가 예상 전류 레벨보다 높다면, 이것은, 가이드된 표면 도파관 프로브(400)의 부하적재에 대해 감안되지 않는 것이 발생하고 있음을 나타낼 수 있다.
여기 소스(412)(또는 AC 소스(912))도 역시, 과부하가 발생하지 않도록 보장하기 위해 모니터링될 수 있다. 가이드된 표면 도파관 프로브(400) 상의 실제 부하가 증가함에 따라, 여기 소스(412)의 출력 전압 또는 코일로부터 충전 단자(T1)에 공급된 전압이 증가되어 장 강도 레벨을 증가시킴으로써, 추가적인 부하 전류를 회피할 수 있다. 일부 경우에는, 수신기들 자체가 가이드된 표면 도파관 모드의 상태를 모니터링하는 센서로서 이용될 수 있다. 예를 들어, 수신기들은, 수신기에서의 장 강도 및/또는 부하 수요를 모니터링할 수 있다. 수신기들은, 현재의 동작 조건에 관한 정보를 프로브 제어 시스템(418)에 전달하도록 구성될 수 있다. 이 정보는, LAN, WLAN, 셀룰러 네트워크 또는 기타의 적절한 통신 네트워크를 포함한 그러나 이것으로 제한되지 않는 네트워크를 통해 프로브 제어 시스템(418)에 전달될 수 있다. 이 정보에 기초하여, 프로브 제어 시스템(418)은 계속된 동작을 위해 가이드된 표면 도파관 프로브(400)를 조정할 수 있다. 예를 들어, 충전 단자(T1)및/또는 보상 단자(T2)에 각각 인가되는 위상 지연(ΦU,ΦL)은, 가이드된 표면 도파관 프로브(400)의 전기적 론칭 효율을 향상 및/또는 최대화하여 수신기들의 부하 수요를 공급하도록 조정될 수 있다. 일부 경우에, 프로브 제어 시스템(418)은, 여기 소스(412) 및/또는 가이드된 표면 도파관 프로브(400) 상의 부하를 감소시키도록 가이드된 표면 도파관 프로브(400)를 조정할 수 있다. 예를 들어, 충전 단자(T1)에 공급되는 전압은, 장 강도를 낮추고 가장 먼 부하 디바이스의 일부와의 결합을 방지하도록 감소될 수 있다.
가이드된 표면 도파관 프로브(400)는, 예를 들어 하나 이상의 탭 제어기(439)를 이용하여 프로브 제어 시스템(418)에 의해 조정될 수 있다. 도 23a에서, 코일(909)로부터 상위 충전 단자(T1)로의 접속은 탭 제어기(439)에 의해 제어된다. 모니터링된 조건에서의 변화(예를 들어, 전도도, 유전율 및/또는 전기장 강도에서의 변화)에 응답하여, 프로브 제어 시스템은 제어 신호를 탭 제어기(439)에 전달하여 탭 위치에서의 변화를 개시할 수 있다. 탭 제어기(439)는, 코일(909)을 따라 연속적으로 또는 미리정의된 탭 접속에 기초하여 증분적으로 탭 위치를 변화시키도록 구성될 수 있다. 제어 신호는 명시된 탭 위치를 포함할 수 있거나 정의된 개수의 탭 접속들에 의한 변경을 나타낼 수 있다. 탭 위치를 조정함으로써, 충전 단자 T1의 위상 지연이 조정되어 가이드된 표면 도파관 모드의 론칭 효율을 향상시킬 수 있다.
도 23a는 코일(909)과 충전 단자(T1)사이에 결합된 탭 제어기(439)를 도시하지만, 다른 실시예에서는 코일(909)로부터 하위 보상 단자(T2)로의 접속(442)은 탭 제어기(439)를 역시 포함할 수 있다. 도 23b는, 보상 단자(T2)의 위상 지연을 조정하기 위한 탭 제어기(439)를 갖는 가이드 표면 도파관 프로브(400)의 또 다른 실시예를 도시한다. 도 23c는, 양쪽 단자(T1 및 T2)의 위상 지연이 탭 제어기(439)를 이용하여 제어될 수 있는 가이드된 표면 도파관 프로브(400)의 실시예를 도시한다. 탭 제어기(439)는 프로브 제어 시스템(418)에 의해 독립적으로 또는 동시에 제어될 수 있다. 양쪽 실시예에서, AC 소스(912)를 코일(909)에 결합하기 위해 임피던스 정합 네트워크(445)가 포함된다. 일부 구현에서, AC 소스(912)는, AC 소스로부터 최대 전력 전달을 위한 정합 조건을 유지하기 위해 프로브 제어 시스템(418)에 의해 제어될 수 있는 탭 제어기(439)를 통해 코일(909)에 결합될 수 있다.
다시 도 23a를 참조하면, 가이드된 표면 도파관 프로브(400)는 또한, 예를 들어 충전 단자 위치결정 시스템(448) 및/또는 보상 단자 위치결정 시스템(451)을 이용하여 프로브 제어 시스템(418)에 의해 조정될 수 있다. 충전 단자(T1)및/또는 보상 단자(T2)의 높이, 및 그에 따라 양쪽 단자 사이의 거리를 조정함으로써, 결합을 가이드된 표면 도파관 모드로 조정하는 것이 가능하다. 단자 위치결정 시스템(448, 451)은, 손실성 전도성 매체(403)에 수직인 z축을 따라 단자를 선형으로 올리거나 내림으로써 단자(T1 및 T2)의 높이를 변화시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 단자들에 결합된 절연 샤프트(shaft)를 이용하여 충전 및 보상 단자(T1 및 T2)를 상향 또는 하향 이송하기 위해 선형 모터가 이용될 수 있다. 다른 실시예는, 충전 및 보상 단자(T1 및 T2)의 위치를 제어할 수 있는 절연된 기어 및/또는 가이 와이어 및 풀리, 스크류 기어 또는 다른 적절한 메카니즘을 포함할 수 있다. 단자 위치결정 시스템(448, 451)의 절연은 충전 및 보상 단자(T1 및 T2)상에 존재하는 전하의 방전을 방지한다. 예를 들어, 절연 구조물은 보상 단자(T2)위에서 충전 단자(T1)를 지지할 수 있다. 예를 들어, RF 절연 섬유유리 마스트(fiberglass mast)는 충전 및 보상 단자 T1 및 T2를 지지하는데 이용될 수 있다. 충전 및 보상 단자(T1 및 T2)는, 가이드된 표면 도파관 프로브(400)의 전기적 론칭 효율을 향상 및/또는 최대화하기 위해 충전 단자 위치결정 시스템(448) 및/또는 보상 단자 위치결정 시스템(451)을 이용하여 개별적으로 위치결정될 수 있다.
전술된 바와 같이, 적응형 제어 시스템(430)의 프로브 제어 시스템(418)은, 지면 파라미터 계측기(433) 및/또는 장 계측기(436) 등의 그러나 이것으로 제한되지 않는, 하나 이상의 원격 위치된 모니터링 디바이스와 통신함으로써 가이드된 표면 도파관 프로브(400)의 동작 조건을 모니터링할 수 있다. 프로브 제어 시스템(418)은 또한, 예를 들어, 접지 전류 전류계(927)(도 23b 및 도 23c) 및/또는 AC 소스(912)(또는 여기 소스(412))로부터의 정보에 액세스함으로써 다른 조건들을 모니터링할 수 있다. 모니터링된 정보에 기초하여, 프로브 제어 시스템(418)은, 론칭 효율을 향상 및/또는 최대화하기 위해 가이드 표면 도파관 프로브(400)의 조정이 필요한지를 결정할 수 있다. 하나 이상의 모니터링된 조건에서의 변화에 응답하여, 프로브 제어 시스템(418)은, 각각 충전 단자(T1) 및/또는 보상 단자(T2)에 인가되는 하나 이상의 위상 지연(ΦU,ΦL)및/또는 각각 충전 단자(T1) 및/또는 보상 단자(T2)의 물리적 높이(hp,hd)중 하나 이상의 조정을 개시할 수 있다. 일부 구현에서, 프로브 제어 시스템(418)은 모니터링된 조건을 평가하여 변화의 원인을 식별할 수 있다. 모니터링된 조건(들)이 수신기 부하의 변화에 의해 유발된 경우, 가이드된 표면 도파관 프로브(400)의 조정을 피할 수 있다. 모니터링된 조건(들)이 가이드된 표면 도파관 프로브(400)의 론칭 효율에 영향을 준다면, 프로브 제어 시스템(418)은 가이드된 표면 도파관 프로브(400)의 조정을 개시하여 론칭 효율을 향상 및/또는 최대화할 수 있다.
일부 실시예에서, 충전 단자(T1)의 크기는 또한, 가이드된 표면 도파관 모드로의 결합을 제어하도록 조정될 수 있다. 예를 들어, 충전 단자(T1)의 자기-커패시턴스는 단자의 크기를 변경함으로써 변화될 수 있다. 전하 분포는 또한, 충전 단자(T1)로부터의 방전 가능성을 감소시킬 수 있는 충전 단자(T1)의 크기를 증가시킴으로써 개선될 수 있다. 충전 단자(T1) 크기의 제어는, 충전 단자 위치결정 시스템(448)을 통해 또는 별개의 제어 시스템을 통해 프로브 제어 시스템(418)에 의해 제공될 수 있다.
도 24a 및 도 24b는, 가이드된 표면 도파관 프로브(400)의 충전 단자(T1)로서 이용할 수 있는 가변 단자(203)의 한 예를 도시한다. 예를 들어, 가변 단자(203)는, 외측 원통형 섹션(209)의 내부에 포함된 내측 원통형 섹션(206)을 포함할 수 있다. 내측 및 외측 원통 섹션(206, 209)은, 각각, 바닥 및 상부를 걸친 플레이트(plate)를 포함할 수 있다. 도 24a에서, 원통형 가변 단자(203)는 제1 유효 구면 직경과 연관될 수 있는 제1 크기를 갖는 수축된 상태로 도시되어 있다. 단자의 크기, 및 그에 따른 유효 구면 직경을 변경하기 위해, 도 24b에 도시된 바와 같이 가변 단자(203)의 하나의 섹션 또는 양쪽 섹션이 연장되어 표면적을 증가시킬 수 있다. 이것은, 단자에서 전하의 방전을 방지하도록 전기적으로 절연된 전기 모터 또는 유압 실린더 등의 구동 메커니즘을 이용하여 달성될 수 있다.
전술된 내용에 추가하여, 본 개시내용의 다양한 실시예는, 다음과 같은 조항들에 개시된 실시예들을 포함하지만, 이것으로 제한되지 않는다.
조항 1. 손실성 전도성 매체 위로 상승된 충전 단자; 및 상기 충전 단자에 여기 소스를 결합하도록 구성된 결합 회로를 포함하고, 상기 결합 회로는 상기 가이드된 표면 도파관 프로브로부터의 Hankel 교차 거리(Rx)에서의 복소 Brewster 각도(Ψi,B)의 접선(tangent)에서 상기 손실성 전도성 매체와 교차하는 파동 기울기(Ｗ)를 갖는 전기장을 확립하는 전압을 상기 충전 단자에 제공하도록 구성된, 가이드된 표면 도파관 프로브.
조항 2. 제1 조항에 있어서, 상기 결합 회로는 상기 여기 소스와 상기 충전 단자 사이에 결합된 코일을 포함하는, 가이드된 표면 도파관 프로브.
조항 3. 제2 조항에 있어서, 상기 코일은 나선형 코일인, 가이드된 표면 도파관 프로브.
조항 4. 제2 조항 또는 제3 조항에 있어서, 상기 여기 소스는 탭 접속을 통해 상기 코일에 결합되는, 가이드된 표면 도파관 프로브.
조항 5. 제2 조항 내지 제4 조항 중 어느 한 조항에 있어서, 상기 탭 접속은 상기 코일 상의 임피던스 정합 지점에 있는, 가이드된 표면 도파관 프로브.
조항 6. 제2 조항 내지 제5 조항 중 어느 한 조항에 있어서, 상기 여기 소스와 상기 코일 상의 탭 접속 사이에 임피던스 정합 네트워크가 결합되는, 가이드된 표면 도파관 프로브.
조항 7. 제2 조항 내지 제6 조항 중 어느 한 조항에 있어서, 상기 여기 소스는 상기 코일에 자기적으로 결합되는, 가이드된 표면 도파관 프로브.
조항 8. 제2 조항 내지 제7 조항 중 어느 한 조항에 있어서, 상기 충전 단자는 탭 접속을 통해 상기 코일에 결합되는, 가이드된 표면 도파관 프로브.
조항 9. 제1 조항 내지 제8 조항 중 어느 한 조항에 있어서, 상기 충전 단자는 상기 가이드된 표면 도파관 프로브의 유효 높이의 크기에 대응하는 물리적 높이(hp)에 위치하고, 상기 유효 높이는 heff = RxtanΨi,B = hpejΦ로 주어지고, Ψi,B=(π/2)-θi,B이며, Φ는 상기 유효 높이의 위상인, 가이드된 표면 도파관 프로브.
조항 10. 제9 조항에 있어서, 상기 위상 Φ는 상기 복소 Brewster 각도에 대응하는 조사(illumination)의 파동 기울기의 각도 Ψ와 대략 동일한, 가이드된 표면 도파관 프로브.
조항 11. 제1 조항 내지 제10 조항 중 어느 한 조항에 있어서, 상기 충전 단자는 유효 구면 직경을 가지며, 상기 충전 단자는 상기 유효 구면 직경의 적어도 4배의 높이에 위치하는, 가이드된 표면 도파관 프로브.
조항 12. 제11 조항에 있어서, 상기 충전 단자는 구면형 단자이며, 상기 구면형 단자는 상기 구면형 단자의 직경과 동일한 상기 유효 구면 직경을 갖는, 가이드된 표면 도파관 프로브.
조항 13. 제11 조항 또는 제12 조항에 있어서, 상기 충전 단자의 높이는 상기 가이드된 표면 도파관 프로브의 유효 높이의 크기에 대응하는 물리적 높이(hp)보다 크고, 상기 유효 높이는 heff = RxtanΨi,B = hpejΦ로 주어지며, Ψi,B = (π/2)-θi,B인, 가이드된 표면 도파관 프로브.
조항 14. 제11 조항 내지 제13 조항 중 어느 한 조항에 있어서, 상기 충전 단자 아래에 배치된 보상 단자를 더 포함하고, 상기 보상 단자는 상기 결합 회로에 결합되는, 가이드된 표면 도파관 프로브.
조항 15. 제11 조항 내지 제14 조항 중 어느 한 조항에 있어서, 상기 보상 단자는 상기 물리적 높이(hp)와 동일한 거리에서 상기 충전 단자 아래에 위치하는, 가이드된 표면 도파관 프로브.
조항 16. 제11 조항 내지 제15 조항 중 어느 한 조항에 있어서, Φ는 상기 보상 단자와 상기 충전 단자 사이의 복소 위상차인, 가이드된 표면 도파관 프로브.
조항 17. 제1 조항 내지 제16 조항 중 어느 한 조항에 있어서, 상기 손실성 전도성 매체는 지상 매체인, 가이드된 표면 도파관 프로브.
조항 18. 손실성 전도성 매체 위로 상승된 충전 단자, 및 상기 가이드된 표면 도파관 프로브로부터의 Hankel 교차 거리(Rx)에서의 복소 Brewster 각도(Ψi,B)의 접선(tangent)에서 상기 손실성 전도성 매체와 교차하는 파동 기울기(Ｗ)를 갖는 전기장을 확립하는 전압을 상기 충전 단자에 제공하도록 구성된 결합 회로를 포함하는 가이드된 표면 도파관 프로브; 및 상기 결합 회로를 통해 상기 충전 단자에 결합된 여기 소스를 포함하는 시스템.
조항 19. 제18 조항에 있어서, 상기 손실성 전도성 매체의 특성에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 가이드된 표면 도파관 프로브를 조정하도록 구성된 프로브 제어 시스템을 더 포함하는 시스템.
조항 20. 제18 조항 또는 제19 조항에 있어서, 상기 손실성 전도성 매체는 지상 매체인, 시스템.
조항 21. 제18 조항 내지 제20 조항 중 어느 한 조항에 있어서, 상기 결합 회로는, 상기 여기 소스와 상기 충전 단자 사이에 결합된 코일을 포함하고, 상기 충전 단자는 가변 탭을 통해 상기 코일에 결합되는, 시스템.
조항 22. 제21 조항에 있어서, 상기 코일은 나선형 코일인, 시스템.
조항 23. 제21 조항 또는 제22 조항에 있어서, 상기 프로브 제어 시스템은 상기 손실성 전도성 매체의 특성에서의 변화에 응답하여 상기 가변 탭의 위치를 조정하는, 시스템.
조항 24. 제21 조항 내지 제23 조항 중 어느 한 조항에 있어서, 상기 가변 탭의 위치의 조정은 상기 전기장의 파동 기울기를 상기 Hankel 교차 거리(Rx)에서의 상기 복소 Brewster 각도(Ψi,B)에서 상기 손실성 전도성 매체와 교차하는 파동 조사(wave illumination)에 대응하도록 조정하는, 시스템.
조항 25. 제21 조항 내지 제24 조항 중 어느 한 조항에 있어서, 상기 가이드된 표면 도파관 프로브는 상기 충전 단자 아래에 배치된 보상 단자를 더 포함하고, 상기 보상 단자는 상기 결합 회로에 결합되는, 시스템.
조항 26. 제21 조항 내지 제25 조항 중 어느 한 조항에 있어서, 상기 보상 단자는 상기 가이드된 표면 도파관 프로브의 유효 높이의 크기에 대응하는 물리적 높이(hp)와 동일한 거리에서 상기 충전 단자 아래에 위치하고, 상기 유효 높이는 heff = RxtanΨi,B = hpejΦ로 주어지며, Ψi,B = (π/2)-θi,B이고, Φ는 상기 보상 단자와 상기 충전 단자 사이의 복소 위상차인, 시스템.
조항 27. 제21 조항 또는 제26 조항 중 어느 한 조항에 있어서, 상기 프로브 제어 시스템은 상기 손실성 전도성 매체의 특성에서의 변화에 응답하여 상기 보상 단자의 위치를 조정하는, 시스템.
조항 28. 방법으로서, 손실 전도성 매체 위의 정의된 높이에 충전 단자를 위치시키는 단계; 상기 충전 단자 아래에 정의된 거리만큼 이격된 보상 단자를 위치시키는 단계; 및 상기 충전 단자 및 상기 보상 단자를 복소 위상차를 갖는 여기 전압들로 여기시키는 단계를 포함하고, 상기 여기 전압들은, 상기 충전 단자와 상기 보상 단자로부터 Hankel 교차 거리(Rx)에서의 복소 Brewster 각도(Ψi,B)에서 상기 손실성 전도성 매체를 조사하는 파동에 대응하는 파동 기울기(Ｗ)를 갖는 전기장을 확립하는, 방법.
조항 29. 제28 조항에 있어서, 상기 충전 단자는 유효 구면 직경을 가지며, 상기 충전 단자는 상기 유효 구면 직경의 적어도 4배인 상기 정의된 높이에 위치하는, 방법.
조항 30. 제28 조항 또는 제29 조항에 있어서, 상기 정의된 거리는 상기 충전 단자의 유효 높이의 크기에 대응하는 물리적 높이(hp)와 동일하고, 상기 유효 높이는 heff = RxtanΨi,B = hpejΦ로 주어지며, Ψi,B = (π/2)-θi,B이고, Φ는 상기 보상 단자와 상기 충전 단자 사이의 복소 위상차인, 방법.
조항 31. 제28 조항 내지 제30 조항 중 어느 한 조항에 있어서, 상기 충전 단자 및 상기 보상 단자는 코일을 통해 여기 소스에 결합되고, 상기 충전 단자는 가변 탭에 의해 상기 코일에 결합되는, 방법.
조항 32. 제31 조항에 있어서, 상기 Hankel 교차 거리(Rx)에서의 상기 복소 Brewster 각도(Ψi,B)에서 상기 손실성 전도성 매체와 교차하는 파동 기울기를 갖는 전기장을 확립하도록 상기 가변 탭의 위치를 조정하는 단계를 더 포함하는 방법.
본 개시내용의 전술된 실시예들은 본 개시내용의 원리의 명확한 이해를 위해 개시된 가능한 구현 예일 뿐이라는 점이 강조되어야 한다. 본 개시내용의 사상 및 원리를 실질적으로 벗어나지 않고도 전술된 실시예(들)에 대해 많은 변형 및 수정이 이루어질 수 있다. 이러한 모든 수정 및 변형은 본 개시내용의 범위 내에 포함되며 후속되는 청구항들에 의해 보호되고자 한다. 또한, 설명된 실시예들 및 종속항들의 모든 선택사항적 및 바람직한 피쳐들 및 수정들은 여기서 교시된 본 개시내용의 모든 양태들에서 이용될 수 있다. 또한, 종속항들의 개개의 피쳐들 뿐만 아니라 설명된 실시예들의 모든 선택사항적이고 바람직한 피쳐들 및 수정들은 적용가능한 경우 서로 결합가능하고 상호 교환가능하다. 이를 위해, 전술된 다양한 실시예들은 원하는 구현에 따라 다양한 방식으로 선택적으로 결합될 수 있는 요소들을 개시한다.

Claims (32)

  1. 가이드된 표면 도파관 프로브(guided surface waveguide probe)로서,
    손실성 전도성 매체 위로 상승된 충전 단자; 및
    상기 충전 단자에 여기 소스를 결합하도록 구성된 결합 회로
    를 포함하고, 상기 결합 회로는 상기 가이드된 표면 도파관 프로브로부터의 Hankel 교차 거리(Rx)에서의 복소 Brewster 각도(Ψi,B)의 접선(tangent)에서 상기 손실성 전도성 매체와 교차하는 파동 기울기(Ｗ)를 갖는 전기장을 확립하는 전압을 상기 충전 단자에 제공하도록 구성된, 가이드된 표면 도파관 프로브.
  2. 제1항에 있어서, 상기 결합 회로는 상기 여기 소스와 상기 충전 단자 사이에 결합된 코일을 포함하는, 가이드된 표면 도파관 프로브.
  3. 제2항에 있어서, 상기 코일은 나선형 코일인, 가이드된 표면 도파관 프로브.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 여기 소스는 탭 접속을 통해 상기 코일에 결합되는, 가이드된 표면 도파관 프로브.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탭 접속은 상기 코일 상의 임피던스 정합 지점에 있는, 가이드된 표면 도파관 프로브.
  6. 제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 여기 소스와 상기 코일 상의 탭 접속 사이에 임피던스 정합 네트워크가 결합되는, 가이드된 표면 도파관 프로브.
  7. 제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 여기 소스는 상기 코일에 자기적으로 결합되는, 가이드된 표면 도파관 프로브.
  8. 제2항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 충전 단자는 탭 접속을 통해 상기 코일에 결합되는, 가이드된 표면 도파관 프로브.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 충전 단자는 상기 가이드된 표면 도파관 프로브의 유효 높이의 크기에 대응하는 물리적 높이(hp)에 위치하고, 상기 유효 높이는 heff = RxtanΨi,B = hpejΦ로 주어지고, Ψi,B = (π/2) - θi,B이며, Φ는 상기 유효 높이의 위상인, 가이드된 표면 도파관 프로브.
  10. 제9항에 있어서, 상기 위상 Φ는 상기 복소 Brewster 각도에 대응하는 조사(illumination)의 파동 기울기의 각도 Ψ와 대략 동일한, 가이드된 표면 도파관 프로브.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 충전 단자는 유효 구면 직경을 가지며, 상기 충전 단자는 상기 유효 구면 직경의 적어도 4배의 높이에 위치하는, 가이드된 표면 도파관 프로브.
  12. 제11항에 있어서, 상기 충전 단자는 구면형 단자이며, 상기 구면형 단자는 상기 구면형 단자의 직경과 동일한 상기 유효 구면 직경을 갖는, 가이드된 표면 도파관 프로브.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 충전 단자의 높이는 상기 가이드된 표면 도파관 프로브의 유효 높이의 크기에 대응하는 물리적 높이(hp)보다 크고, 상기 유효 높이는 heff = RxtanΨi,B = hpejΦ로 주어지며, Ψi,B=(π/2) - θi,B인, 가이드된 표면 도파관 프로브.
  14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 충전 단자 아래에 배치된 보상 단자를 더 포함하고, 상기 보상 단자는 상기 결합 회로에 결합되는, 가이드된 표면 도파관 프로브.
  15. 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보상 단자는 상기 물리적 높이(hp)와 동일한 거리에서 상기 충전 단자 아래에 위치하는, 가이드된 표면 도파관 프로브.
  16. 제11항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, Φ는 상기 보상 단자와 상기 충전 단자 사이의 복소 위상차인, 가이드된 표면 도파관 프로브.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 손실성 전도성 매체는 지상 매체인, 가이드된 표면 도파관 프로브.
  18. 시스템으로서,
    손실성 전도성 매체 위로 상승된 충전 단자; 및
    상기 가이드된 표면 도파관 프로브로부터의 Hankel 교차 거리(Rx)에서의 복소 Brewster 각도(Ψi,B)의 접선(tangent)에서 상기 손실성 전도성 매체와 교차하는 파동 기울기(Ｗ)를 갖는 전기장을 확립하는 전압을 상기 충전 단자에 제공하도록 구성된 결합 회로
    를 포함하는 가이드된 표면 도파관 프로브; 및
    상기 결합 회로를 통해 상기 충전 단자에 결합된 여기 소스
    를 포함하는 시스템.
  19. 제18항에 있어서, 상기 손실성 전도성 매체의 특성에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 가이드된 표면 도파관 프로브를 조정하도록 구성된 프로브 제어 시스템을 더 포함하는 시스템.
  20. 제18항 또는 제19항에 있어서, 상기 손실성 전도성 매체는 지상 매체인, 시스템.
  21. 제18항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 결합 회로는, 상기 여기 소스와 상기 충전 단자 사이에 결합된 코일을 포함하고, 상기 충전 단자는 가변 탭을 통해 상기 코일에 결합되는, 시스템.
  22. 제21항에 있어서, 상기 코일은 나선형 코일인, 시스템.
  23. 제21항 또는 제22항에 있어서, 상기 프로브 제어 시스템은 상기 손실성 전도성 매체의 특성에서의 변화에 응답하여 상기 가변 탭의 위치를 조정하는, 시스템.
  24. 제21항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가변 탭의 위치의 조정은 상기 전기장의 파동 기울기를 상기 Hankel 교차 거리(Rx)에서의 상기 복소 Brewster 각도(Ψi,B)에서 상기 손실성 전도성 매체와 교차하는 파동 조사(wave illumination)에 대응하도록 조정하는, 시스템.
  25. 제21항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가이드된 표면 도파관 프로브는 상기 충전 단자 아래에 배치된 보상 단자를 더 포함하고, 상기 보상 단자는 상기 결합 회로에 결합되는, 시스템.
  26. 제21항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보상 단자는 상기 가이드된 표면 도파관 프로브의 유효 높이의 크기에 대응하는 물리적 높이(hp)와 동일한 거리에서 상기 충전 단자 아래에 위치하고, 상기 유효 높이는 heff = Rx tanΨi,B = hpejΦ로 주어지며, Ψi,B = (π/2) - θi,B이고, Φ는 상기 보상 단자와 상기 충전 단자 사이의 복소 위상차인, 시스템.
  27. 제21항 또는 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 프로브 제어 시스템은 상기 손실성 전도성 매체의 특성에서의 변화에 응답하여 상기 보상 단자의 위치를 조정하는, 시스템.
  28. 방법으로서,
    손실성 전도성 매체 위의 정의된 높이에 충전 단자를 위치시키는 단계;
    상기 충전 단자 아래에 보상 단자를 위치시키는 단계 - 상기 보상 단자는 정의된 거리만큼 이격됨 -; 및
    상기 충전 단자 및 상기 보상 단자를 복소 위상차를 갖는 여기 전압들로 여기시키는 단계
    를 포함하고, 상기 여기 전압들은, 상기 충전 단자와 상기 보상 단자로부터 Hankel 교차 거리(Rx)에서의 복소 Brewster 각도(Ψi,B)에서 상기 손실성 전도성 매체를 조사하는 파동에 대응하는 파동 기울기(Ｗ)를 갖는 전기장을 확립하는, 방법.
  29. 제28항에 있어서, 상기 충전 단자는 유효 구면 직경을 가지며, 상기 충전 단자는 상기 유효 구면 직경의 적어도 4배인 상기 정의된 높이에 위치하는, 방법.
  30. 제28항 또는 제29항에 있어서, 상기 정의된 거리는 상기 충전 단자의 유효 높이의 크기에 대응하는 물리적 높이(hp)와 동일하고, 상기 유효 높이는 heff = Rx tanΨi,B = hpejΦ로 주어지며, Ψi,B = (π/2) - θi,B이고, Φ는 상기 보상 단자와 상기 충전 단자 사이의 복소 위상차인, 방법.
  31. 제28항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 충전 단자 및 상기 보상 단자는 코일을 통해 여기 소스에 결합되고, 상기 충전 단자는 가변 탭에 의해 상기 코일에 결합되는, 방법.
  32. 제31항에 있어서, 상기 Hankel 교차 거리(Rx)에서의 상기 복소 Brewster 각도(Ψi,B)에서 상기 손실성 전도성 매체와 교차하는 파동 기울기를 갖는 전기장을 확립하도록 상기 가변 탭의 위치를 조정하는 단계를 더 포함하는 방법.
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Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9941566B2 (en) 2014-09-10 2018-04-10 Cpg Technologies, Llc Excitation and use of guided surface wave modes on lossy media
US10027116B2 (en) 2014-09-11 2018-07-17 Cpg Technologies, Llc Adaptation of polyphase waveguide probes
US10175203B2 (en) * 2014-09-11 2019-01-08 Cpg Technologies, Llc Subsurface sensing using guided surface wave modes on lossy media
WO2017044281A1 (en) * 2015-09-09 2017-03-16 Cpg Technologies, Llc Guided surface waveguide probes
MX2018002948A (es) * 2015-09-10 2018-06-15 Cpg Technologies Llc Geolocalizacion utilizando ondas superficiales guiadas.
KR20180120228A (ko) * 2016-03-09 2018-11-05 씨피지 테크놀로지스, 엘엘씨. 유도 표면 도파로 프로브 구조물
US20180259590A1 (en) * 2017-03-07 2018-09-13 Cpg Technologies, Llc Anchoring a guided surface waveguide probe
US20180261904A1 (en) * 2017-03-07 2018-09-13 Cpg Technologies, Llc Guided surface waveguide probe with insulating material in support platform near coil(s)
US10560147B1 (en) 2017-03-07 2020-02-11 Cpg Technologies, Llc Guided surface waveguide probe control system
CN111816979B (zh) * 2019-04-10 2021-08-03 华为技术有限公司 表面波激励器和通信系统
US11340275B2 (en) 2019-12-09 2022-05-24 Cpg Technologies, Llc. Anisotropic constitutive parameters for launching a Zenneck surface wave
US11448677B2 (en) 2020-02-20 2022-09-20 Cpg Technologies, Llc System and method for measuring fields over distance
CN112291760B (zh) * 2020-11-18 2021-11-09 同济大学 一种基于LoRa的地下无线传感网络节点能耗优化方法

Family Cites Families (164)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3123767A (en) 1964-03-03 Uator
GB189620981A (en) 1896-09-22 1896-11-21 Nikola Tesla Improvements relating to the Production, Regulation, and Utilization of Electric Currents of High Frequency, and to Apparatus therefor.
US645576A (en) 1897-09-02 1900-03-20 Nikola Tesla System of transmission of electrical energy.
GB189824421A (en) 1898-11-19 1899-03-04 George Frederick Baker An Improved Curtain Rod.
US685953A (en) 1899-06-24 1901-11-05 Nikola Tesla Method of intensifying and utilizing effects transmitted through natural media.
US685955A (en) 1899-06-24 1901-11-05 Nikola Tesla Apparatus for utilizing effects transmitted from a distance to a receiving device through natural media.
US685956A (en) 1899-08-01 1901-11-05 Nikola Tesla Apparatus for utilizing effects transmitted through natural media.
US685954A (en) 1899-08-01 1901-11-05 Nikola Tesla Method of utilizing effects transmitted through natural media.
US685012A (en) 1900-03-21 1901-10-22 Nikola Tesla Means for increasing the intensity of electrical oscillations.
US787412A (en) 1900-05-16 1905-04-18 Nikola Tesla Art of transmitting electrical energy through the natural mediums.
US725605A (en) 1900-07-16 1903-04-14 Nikola Tesla System of signaling.
GB190111293A (en) 1901-06-01 1901-11-02 Nikola Tesla Improvements relating to the Utilization of Electromagnetic, Light, or other like Radiations Effects or Disturbances transmitted through the Natural Media and to Apparatus therefor.
GB190113563A (en) 1901-07-03 1901-11-09 Nikola Tesla Improvements in, and relating to, the Transmission of Electrical Energy.
GB190114579A (en) 1901-07-17 1902-04-24 Nikola Tesla Improvements in and relating to the Transmission of Electrical Energy.
GB190214579A (en) 1902-06-30 1902-12-18 Joseph William Cunningham Improvements in Mills for Grinding Grain
GB190508200A (en) 1905-04-17 1906-04-17 Nikola Tesla Improvements relating to the Transmission of Electrical Energy.
US851336A (en) 1905-06-27 1907-04-23 Georg Von Arco Transmitter for wireless telegraphy.
US1119732A (en) 1907-05-04 1914-12-01 Nikola Tesla Apparatus for transmitting electrical energy.
GB191220981A (en) 1912-09-14 1913-05-22 Arthur Reed A New or Improved Folding or Collapsible Lifeboat.
GB191414579A (en) 1913-10-28 1914-10-22 Antonio Scato Improvements in and relating to Devices for Supporting the Hands of Pianoforte Players.
GB191324421A (en) 1913-10-28 1914-04-02 Frank Billings Loading and Conveying Machines.
GB191508200A (en) 1914-06-13 1916-09-21 Joseph Ricchini An Improved Bearer or Support for Scaffolding and the like.
GB191511293A (en) 1915-08-04 1916-06-22 Frederick Lamplough Improvements in or relating to Internal-combustion Engines.
GB191513563A (en) 1915-09-23 1916-05-18 Harald Borgen Improvements in the Method of and Apparatus for Making Margarine.
GB142352A (en) 1919-06-28 1920-05-06 Henry Baetz Air-heating apparatus
US1452849A (en) 1921-12-13 1923-04-24 Rca Corp Wireless transmitting station
US1691338A (en) 1923-10-05 1928-11-13 Westinghouse Electric & Mfg Co Aerial system
US1652516A (en) 1924-12-23 1927-12-13 Westinghouse Electric & Mfg Co Radio transmitting system
US1947256A (en) 1930-01-11 1934-02-13 Bell Telephone Labor Inc Antenna counterpoise system
BE554252A (ko) 1950-03-21
US2921277A (en) 1956-07-13 1960-01-12 Surface Conduction Inc Launching and receiving of surface waves
US3219954A (en) 1957-05-31 1965-11-23 Giovanni P Rutelli Surface wave transmission system for telecommunication and power transmission
FR1604503A (ko) 1960-05-31 1971-11-29
US3582838A (en) 1966-09-27 1971-06-01 Zenith Radio Corp Surface wave devices
US3445844A (en) 1968-01-11 1969-05-20 Raytheon Co Trapped electromagnetic radiation communications system
US3742511A (en) 1971-06-15 1973-06-26 Smith Electronics Inc Low-loss antenna system with counterpoise insulated from earth
US3742509A (en) 1971-11-11 1973-06-26 Raytheon Co Subsurface traveling wave antenna
JPS50103642A (ko) 1974-01-23 1975-08-15
GB1471860A (en) 1974-07-02 1977-04-27 Plessey Co Ltd Radio antenna incorporating low-loss high relative permittivity dielectric material
US4751515A (en) 1980-07-09 1988-06-14 Corum James F Electromagnetic structure and method
JPS5866428A (ja) 1981-07-13 1983-04-20 ハネウエル・インコ−ポレ−テツド 送受信機
US4808950A (en) 1986-10-06 1989-02-28 Sanders Associates, Inc. Electromagnetic dispersive delay line
GB8802204D0 (en) 1988-02-02 1988-03-02 Hately M C Twin feeder crossed field antenna systems
IL89468A (en) 1989-03-03 1994-08-26 Gamzon Eliyahu Method and system for supporting an airborne vehicle in space
US5045825A (en) 1990-07-05 1991-09-03 Hewlett-Packard Company Coupling port for multiple capacitor, distributed inductor resonator
US5293308A (en) 1991-03-26 1994-03-08 Auckland Uniservices Limited Inductive power distribution system
US5301096A (en) 1991-09-27 1994-04-05 Electric Power Research Institute Submersible contactless power delivery system
CA2127282C (en) 1992-01-03 2004-05-18 Leonhard Reindl Passive surface wave sensor which can be wirelessly interrogated
CA2135299C (en) 1992-05-08 2000-01-18 Stanislav Avramenko Apparatus and method for single line electrical transmission
US6075498A (en) 1993-01-08 2000-06-13 American Nucleonics Corp. Surface wave directional detection system and method
JPH06225481A (ja) 1993-01-21 1994-08-12 Takeo Oe 水中電気機器用の無線方式電力供給装置
WO1995029516A1 (en) 1994-04-26 1995-11-02 Maurice Clifford Hately Radio antennas
US5835067A (en) 1994-04-28 1998-11-10 Goodman; Edward A. Short vertical 160 meter band antenna
US5714917A (en) 1996-10-02 1998-02-03 Nokia Mobile Phones Limited Device incorporating a tunable thin film bulk acoustic resonator for performing amplitude and phase modulation
US5920261A (en) 1996-12-31 1999-07-06 Design Vision Inc. Methods and apparatus for tracking and displaying objects
KR100216885B1 (ko) 1997-07-25 1999-09-01 윤덕용 전기장 센서
US6515878B1 (en) 1997-08-08 2003-02-04 Meins Juergen G. Method and apparatus for supplying contactless power
GB9718311D0 (en) 1997-08-30 1997-11-05 Hately Maurice C Dual loop radio antenna
RU2143775C1 (ru) 1999-03-25 1999-12-27 Стребков Дмитрий Семенович Способ и устройство для передачи электрической энергии
RU2161850C1 (ru) 1999-07-14 2001-01-10 Стребков Дмитрий Семенович Способ и устройство передачи электрической энергии
US6486846B1 (en) 2000-05-23 2002-11-26 Robert T. Hart E H antenna
US6864849B2 (en) 2000-05-23 2005-03-08 Robert T. Hart Method and apparatus for creating an EH antenna
RU2183376C2 (ru) 2000-07-03 2002-06-10 Стребков Дмитрий Семенович Способ и устройство для передачи электрической энергии (варианты)
US6650556B2 (en) 2001-10-31 2003-11-18 Intel Corporation Multi-phase DC—DC converter
US7113138B2 (en) 2002-04-13 2006-09-26 Maurice Clifford Hately Radio antennas
RU2255406C2 (ru) 2003-02-21 2005-06-27 Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ) Способ и устройство для передачи электрической энергии
US7068234B2 (en) 2003-05-12 2006-06-27 Hrl Laboratories, Llc Meta-element antenna and array
JP3924263B2 (ja) 2003-06-09 2007-06-06 ジーイー・メディカル・システムズ・グローバル・テクノロジー・カンパニー・エルエルシー 超音波診断装置
US6956535B2 (en) 2003-06-30 2005-10-18 Hart Robert T Coaxial inductor and dipole EH antenna
US7280033B2 (en) 2003-10-15 2007-10-09 Current Technologies, Llc Surface wave power line communications system and method
US7834813B2 (en) 2004-10-15 2010-11-16 Skycross, Inc. Methods and apparatuses for adaptively controlling antenna parameters to enhance efficiency and maintain antenna size compactness
RU2273939C1 (ru) 2004-12-01 2006-04-10 Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ) Способ и устройство для передачи электрической энергии
JP5185625B2 (ja) 2004-12-13 2013-04-17 インテスト コーポレイション 反射低減信号モジュール
US9118216B2 (en) 2005-02-18 2015-08-25 Cpg Technologies, Llc Parametric power multiplication
EP2306616B2 (en) 2005-07-12 2023-06-21 Massachusetts Institute of Technology (MIT) Wireless non-radiative energy transfer
US7825543B2 (en) 2005-07-12 2010-11-02 Massachusetts Institute Of Technology Wireless energy transfer
US7586384B2 (en) 2005-08-15 2009-09-08 Nokia Corporation Integrated load impedance sensing for tunable matching networks
US7307589B1 (en) 2005-12-29 2007-12-11 Hrl Laboratories, Llc Large-scale adaptive surface sensor arrays
RU2310964C1 (ru) 2006-02-10 2007-11-20 Российская Академия сельскохозяйственных наук Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ РОССЕЛЬХОЗАКАДЕМИИ) Способ и устройство для передачи электрической энергии
JP4278061B2 (ja) 2006-03-06 2009-06-10 国立大学法人京都大学 建物内無線電力伝送システム
US7782264B1 (en) 2006-03-28 2010-08-24 The Board Of Governors For Higher Education, State Of Rhode Island And Providence Plantations Systems and methods for providing distributed load monopole antenna systems
US20070298846A1 (en) 2006-06-14 2007-12-27 Powercast, Llc Wireless power transmission
RU2341860C2 (ru) 2006-07-04 2008-12-20 Виктор Иванович Петрик Способ и устройство для передачи электрической энергии (варианты)
JP4893483B2 (ja) 2006-09-11 2012-03-07 ソニー株式会社 通信システム
JP4345850B2 (ja) 2006-09-11 2009-10-14 ソニー株式会社 通信システム及び通信装置
US7960870B2 (en) 2006-11-27 2011-06-14 Xslent Energy Technologies, Llc Power extractor for impedance matching
EP1965223B1 (en) 2007-03-02 2013-12-18 Saab Ab Subsurface Imaging radar
RU2340064C1 (ru) 2007-03-29 2008-11-27 Российская Академия сельскохозяйственных наук Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ РОССЕЛЬХОЗАКАДЕМИИ) Способ и устройство для передачи электрической энергии (варианты)
RU2342761C1 (ru) 2007-09-07 2008-12-27 Российская Академия сельскохозяйственных наук Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ РОССЕЛЬХОЗАКАДЕМИИ) Способ и устройство для передачи электрической энергии (варианты)
WO2009042214A1 (en) 2007-09-26 2009-04-02 Governing Dynamics, Llc Self-charging electric vehicles and aircraft, and wireless energy distribution system
WO2013093922A2 (en) 2011-12-21 2013-06-27 Powermat Technologies Ltd. System and method for providing wireless power transfer functionality to an electrical device
US8350769B1 (en) 2008-03-20 2013-01-08 United States Of America As Represented By Secretary Of The Navy Frequency agile electrically small tactical AM broadcast band antenna system
RU2366057C1 (ru) 2008-04-25 2009-08-27 Российская Академия сельскохозяйственных наук Государственное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ РОССЕЛЬХОЗАКАДЕМИИ) Способ и устройство передачи электроэнергии
CN102099958B (zh) 2008-05-14 2013-12-25 麻省理工学院 包括干涉增强的无线能量传输
RU2366058C1 (ru) 2008-05-16 2009-08-27 Российская Академия сельскохозяйственных наук Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ РОССЕЛЬХОЗАКАДЕМИИ) Способ и устройство для передачи электроэнергии
EP2329290A1 (en) 2008-08-20 2011-06-08 BAE Systems PLC High frequency surfacewave radar
US20110156494A1 (en) 2008-08-25 2011-06-30 Governing Dynamics Llc Wireless Energy Transfer System
JP4911148B2 (ja) 2008-09-02 2012-04-04 ソニー株式会社 非接触給電装置
US8933594B2 (en) 2008-09-27 2015-01-13 Witricity Corporation Wireless energy transfer for vehicles
US8299936B2 (en) 2008-12-18 2012-10-30 Bae Systems Information And Electronic Systems Integration Inc. Method and apparatus for establishing low frequency/ultra low frequency and very low frequency communications
US9130394B2 (en) 2009-02-05 2015-09-08 Qualcomm Incorporated Wireless power for charging devices
JP4752931B2 (ja) 2009-02-18 2011-08-17 ブラザー工業株式会社 無線タグ通信装置
US8338991B2 (en) * 2009-03-20 2012-12-25 Qualcomm Incorporated Adaptive impedance tuning in wireless power transmission
US8803474B2 (en) 2009-03-25 2014-08-12 Qualcomm Incorporated Optimization of wireless power devices
US8237313B2 (en) 2009-04-08 2012-08-07 John Ruocco Method and apparatus for wireless transmission and reception of electric power
EP2419962B1 (en) 2009-04-13 2020-12-23 ViaSat, Inc. Half-duplex phased array antenna system
WO2010129369A2 (en) 2009-04-28 2010-11-11 Mojo Mobility, Inc. System and methods for inductive charging, and improvements and uses thereof
EP2427944B1 (en) 2009-05-07 2018-07-11 Telecom Italia S.p.A. System for transferring energy wirelessly
US8274178B2 (en) 2009-06-21 2012-09-25 Christopher Allen Tucker System of transmission of wireless energy
US8587490B2 (en) 2009-07-27 2013-11-19 New Jersey Institute Of Technology Localized wave generation via model decomposition of a pulse by a wave launcher
US8063717B2 (en) 2009-07-27 2011-11-22 Avago Technologies Wireless Ip (Singapore) Pte. Ltd. Duplexer having resonator filters
CN102013736B (zh) 2009-09-03 2013-10-16 Tdk株式会社 无线馈电装置和无线电力传输系统
RU2409883C1 (ru) 2009-09-11 2011-01-20 Российская Академия сельскохозяйственных наук Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ РОССЕЛЬХОЗАКАДЕМИИ) Способ и устройство для передачи электрической энергии
US8541974B2 (en) 2009-09-17 2013-09-24 Qualcomm Incorporated Movable magnetically resonant antenna for wireless charging
US20110080050A1 (en) 2009-10-02 2011-04-07 Ut-Battelle, Llc Systems and Methods for Directional Reactive Power Ground Plane Transmission
US20110133565A1 (en) 2009-12-03 2011-06-09 Koon Hoo Teo Wireless Energy Transfer with Negative Index Material
US9461505B2 (en) 2009-12-03 2016-10-04 Mitsubishi Electric Research Laboratories, Inc. Wireless energy transfer with negative index material
RU2473160C2 (ru) 2009-12-04 2013-01-20 Российская академия сельскохозяйственных наук Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии) Способ и устройство для передачи электрической энергии
US9030363B2 (en) * 2009-12-29 2015-05-12 Kathrein-Werke Ag Method and apparatus for tilting beams in a mobile communications network
US8384247B2 (en) 2010-01-13 2013-02-26 Mitsubishi Electric Research Laboratories, Inc. Wireless energy transfer to moving devices
US8159385B2 (en) 2010-02-04 2012-04-17 Sensis Corporation Conductive line communication apparatus and conductive line radar system and method
RU2423772C1 (ru) 2010-03-23 2011-07-10 Российская академия сельскохозяйственных наук Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии) Способ и устройство передачи электрической энергии (варианты)
RU2459340C2 (ru) 2010-09-21 2012-08-20 Российская академия сельскохозяйственных наук Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии) Способ и устройство для передачи электрической энергии
RU2474031C2 (ru) 2010-09-22 2013-01-27 Российская академия сельскохозяйственных наук Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии) Способ и устройство для передачи электрической энергии (варианты)
US20120169568A1 (en) 2011-01-03 2012-07-05 Palm, Inc. Multiband antenna with ground resonator and tuning element
JP2012147351A (ja) 2011-01-14 2012-08-02 Sony Corp 信号伝送装置、電子機器、及び、信号伝送方法
JP5058350B1 (ja) 2011-03-30 2012-10-24 株式会社東芝 送電装置及び電力伝送システム
US9030421B2 (en) 2011-04-01 2015-05-12 Qualcomm Incorporated Touchscreen controller with adjustable parameters
US20130029595A1 (en) 2011-07-29 2013-01-31 Qualcomm Incorporated Communications related to electric vehicle wired and wireless charging
US20130049674A1 (en) 2011-08-24 2013-02-28 Qualcomm Incorporated Integrated photo voltaic solar plant and electric vehicle charging station and method of operation
GB2494435B (en) 2011-09-08 2018-10-03 Roke Manor Res Limited Apparatus for the transmission of electromagnetic waves
US8941448B2 (en) * 2011-10-13 2015-01-27 Mediatek Singapore Pte. Ltd. M-way coupler
US9264108B2 (en) 2011-10-21 2016-02-16 Qualcomm Incorporated Wireless power carrier-synchronous communication
RU2488207C1 (ru) 2011-11-17 2013-07-20 Российская академия сельскохозяйственных наук Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии) Способ и устройство для передачи электрической энергии
RU2488208C1 (ru) 2011-12-22 2013-07-20 Российская академия сельскохозяйственных наук Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии) Способ и устройство для передачи электрической энергии
US10270292B2 (en) 2012-01-06 2019-04-23 Keith Maxwell Howard System for wireless distribution of power
US9156364B2 (en) 2012-02-14 2015-10-13 Ut-Battelle, Llc Wireless power charging using point of load controlled high frequency power converters
US20150280444A1 (en) 2012-05-21 2015-10-01 University Of Washington Through Its Center For Commercialization Wireless power delivery in dynamic environments
US9419476B2 (en) 2012-07-10 2016-08-16 Farrokh Mohamadi Flat panel, stationary or mobile, spatially beam-formed wireless energy delivery system
GB201215152D0 (en) 2012-08-24 2012-10-10 Imp Innovations Ltd Maximising DC to load efficiency for inductive power transfer
CN104838578B (zh) 2012-08-28 2018-11-02 奥克兰联合服务有限公司 单独控制相位的多相感应电能传输系统
US9252492B2 (en) 2012-08-29 2016-02-02 Intel Deutschland Gmbh Antenna tuning via multi-feed transceiver architecture
US9270248B2 (en) * 2012-10-12 2016-02-23 Infineon Technologies Ag Impedance matching network with improved quality factor and method for matching an impedance
RU2544380C2 (ru) 2013-01-24 2015-03-20 Дмитрий Семенович Стребков Способ и устройство для передачи электрической энергии
RU2533060C2 (ru) 2013-02-01 2014-11-20 Дмитрий Семенович Стребков Способ и устройство для передачи электрической энергии
EP2932558B1 (en) * 2013-03-07 2019-06-12 CPG Technologies, LLC Excitation and use of guided surface wave modes on lossy media
US9910144B2 (en) 2013-03-07 2018-03-06 Cpg Technologies, Llc Excitation and use of guided surface wave modes on lossy media
US9912031B2 (en) 2013-03-07 2018-03-06 Cpg Technologies, Llc Excitation and use of guided surface wave modes on lossy media
RU2548571C2 (ru) 2013-04-04 2015-04-20 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ФГБНУ ВИЭСХ) Система для беспроводного электропитания удаленных потребителей электрической энергии по лазерному лучу
GB201306555D0 (en) 2013-04-10 2013-05-22 Roke Manor Research System and Method for Sensing Signal Disruption
JP6164914B2 (ja) 2013-04-30 2017-07-19 キヤノン株式会社 給電装置、制御方法及びプログラム
RU2554723C2 (ru) 2013-06-13 2015-06-27 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства" (ФГБНУ ВИЭСХ) Способ и устройство электроснабжения воздушного летательного аппарата (варианты)
CN104348431B (zh) 2013-07-31 2017-04-26 快捷半导体(苏州)有限公司 共模反馈的差分放大电路及方法、集成电路
US9647345B2 (en) 2013-10-21 2017-05-09 Elwha Llc Antenna system facilitating reduction of interfering signals
US8897697B1 (en) 2013-11-06 2014-11-25 At&T Intellectual Property I, Lp Millimeter-wave surface-wave communications
JP5839020B2 (ja) 2013-11-28 2016-01-06 Tdk株式会社 送電コイルユニット及びワイヤレス電力伝送装置
GB201401014D0 (en) 2014-01-21 2014-03-05 Welding Inst System and method for transmitting data or power across a structural component
US9941566B2 (en) 2014-09-10 2018-04-10 Cpg Technologies, Llc Excitation and use of guided surface wave modes on lossy media
US9882397B2 (en) 2014-09-11 2018-01-30 Cpg Technologies, Llc Guided surface wave transmission of multiple frequencies in a lossy media
US10027116B2 (en) 2014-09-11 2018-07-17 Cpg Technologies, Llc Adaptation of polyphase waveguide probes
US9722318B2 (en) 2015-07-14 2017-08-01 At&T Intellectual Property I, L.P. Method and apparatus for coupling an antenna to a device
CN105220552B (zh) 2015-09-09 2017-03-29 郑州轻工业学院 利用咪唑类非对称Gemini离子液体提取纤维素的方法
US9496921B1 (en) * 2015-09-09 2016-11-15 Cpg Technologies Hybrid guided surface wave communication
KR20180120228A (ko) 2016-03-09 2018-11-05 씨피지 테크놀로지스, 엘엘씨. 유도 표면 도파로 프로브 구조물

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