KR20170049529A - 다상 도파관 프로브의 적합화 - Google Patents

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KR20170049529A
KR20170049529A KR1020177006670A KR20177006670A KR20170049529A KR 20170049529 A KR20170049529 A KR 20170049529A KR 1020177006670 A KR1020177006670 A KR 1020177006670A KR 20177006670 A KR20177006670 A KR 20177006670A KR 20170049529 A KR20170049529 A KR 20170049529A
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KR
South Korea
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probe
charging terminal
polyphase waveguide
conductive medium
waveguide probe
Prior art date
Application number
KR1020177006670A
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Inventor
제임스 에프. 코럼
케네스 엘. 코럼
Original Assignee
씨피지 테크놀로지스, 엘엘씨.
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Abstract

다상 도파관 프로브를 여기시킴으로써 예를 들어 지상 매체의 표면 등의 손실성 전도성 매체를 따라 가이드된 표면-도파관 모드의 형태로 전달되는 에너지를 전송하기 위한 다양한 실시예가 개시된다. 프로브 제어 시스템은 손실성 전도성 매체의 특성에 적어도 부분적으로 기초하여 다상 도파관 프로브를 조정하는데 이용될 수 있다.

Description

다상 도파관 프로브의 적합화{ADAPTATION OF POLYPHASE WAVEGUIDE PROBES}
관련 출원의 상호참조
본 출원은, 그 전체 내용이 참조에 의해 본 명세서에 포함되는, 2014년 9월 11일 출원된 발명의 명칭이 "Adaptation of Polyphase Waveguide Probes"인 동시계류중인 미국 가출원 제62/049,124호와, 2015년 9월 9일 출원된 발명의 명칭이 "ADAPTATION OF POLYPHASE WAVEGUIDE PROBES"인 미국 비-가출원 제14/848,653호에 대한 우선권과 그것의 이익을 주장한다.
본 출원은, 그 전체 내용이 참조에 의해 본 명세서에 포함되는, 2013년 3월 7일 출원되어 출원번호 13/789,538을 부여받고, 공개번호 US2014/0252886 A1로서 2014년 9월 11일 공개된, 발명의 명칭이 "Excitation and Use of Guided Surface Wave Modes on Lossy Media"인 동시계류중인 미국 비-가출원에 관련되어 있다. 본 출원은 또한, 그 전체 내용이 참조에 의해 본 명세서에 포함되는, 2013년 3월 7일 출원되어 출원번호 13/789,525를 부여받고, 공개번호 US2014/0252865 A1로서 2014년 9월 11일 공개된, 발명의 명칭이 "Excitation and Use of Guided Surface Wave Modes on Lossy Media"인 동시계류중인 미국 비-가출원에도 관련되어 있다. 본 출원은 또한, 그 전체 내용이 참조에 의해 본 명세서에 포함되는, 2014년 9월 10일 출원되어 출원번호 14/483,089를 부여받은, 발명의 명칭이 "Excitation and Use of Guided Surface Wave Modes on Lossy Media"인 동시계류중인 미국 비-가출원에도 관련되어 있다. 본 출원은 또한, 그 전체 내용이 참조에 의해 본 명세서에 포함되는, 2015년 6월 2일 출원되어 출원번호 14/728,507을 부여받은, 발명의 명칭이 "Excitation and Use of Guided Surface Waves"인 동시계류중인 미국 비-가출원에도 관련되어 있다. 본 출원은 또한, 그 전체 내용이 참조에 의해 본 명세서에 포함되는, 2015년 6월 2일 출원되어 출원번호 14/728,492를 부여받은, 발명의 명칭이 "Excitation and Use of Guided Surface Waves"인 동시계류중인 미국 비-가출원에도 관련되어 있다.
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 이후로 존재해 왔다.
본 개시내용의 실시예는 다상 도파관 프로브(polyphase waveguide probe)의 적합화(adaptation)에 관한 것이다.
한 실시예에서, 특히, 방법은, 반경방향 표면 전류(radial surface current)를 통해 손실성 전도성 매체의 표면을 따라 에너지를 전송하도록 손실성 전도성 매체의 가이드된 표면-도파관 모드와 실질적으로 정합하는 복수의 장들을 합성하기 위해 여기 전압들로 다상 도파관 프로브의 제1 충전 단자 및 제2 충전 단자를 여기시키는 단계, 다상 도파관 프로브와 연관된 동작 조건들에서의 변화를 검출하는 단계, 및 검출된 변화에 응답하여 가이드된 표면 도파관 모드의 정합을 개선시키도록 다상 프로브를 조정하는 단계를 포함한다. 제1 충전 단자는 손실성 전도성 매체 위의 정의된 높이에 위치할 수 있고, 제2 충전 단자는 정의된 거리만큼 제1 충전 단자 아래에 위치할 수 있다. 다상 도파관 프로브와 연관된 동작 조건에서의 변화를 검출하는 단계는 반경방향 표면 전류와 연관된 전기장 강도에서의 변화를 검출하는 단계를 포함할 수 있다.
이들 실시예들의 하나 이상의 양태에서, 전기장 강도에서의 변화는 다상 도파관 프로브로부터 정의된 반경방향 거리를 넘어 위치한 장 계측기에 의해 검출될 수 있다. 정의된 반경방향 거리는 다상 도파관 프로브의 근접지 반경방향 표면 전류와 원격지 반경방향 표면 전류 사이의 천이와 연관될 수 있다. 다상 도파관 프로브와 연관된 동작 조건들에서의 변화를 검출하는 단계는 손실성 전도성 매체의 전도도에서의 변화를 검출하는 단계를 포함할 수 있다. 전도도에서의 변화는 다상 도파관 프로브로부터 정의된 반경방향 거리에 위치한 지면 파라미터 계측기에 의해 검출될 수 있다. 정의된 반경방향 거리는 다상 도파관 프로브의 근접지 반경방향 표면 전류와 원격지 반경방향 표면 전류 사이의 천이와 연관될 수 있다. 손실성 전도성 매체는 지상 매체일 수 있다. 결과적인 장들은 지상 매체의 표면 상의 Zenneck 표면파 모드와 실질적으로 모드-정합될 수 있다.
이들 실시예의 하나 이상의 양태에서, 다상 프로브를 조정하는 단계는 손실성 전도성 매체 위의 제1 충전 단자의 높이 및/또는 제2 충전 단자의 높이를 조정하는 단계를 포함할 수 있다. 제1 충전 단자와 제2 충전 단자 사이의 정의된 거리는 동일하게 유지될 수 있다. 제1 충전 단자와 제2 충전 단자는 코일을 통해 여기 소스에 결합될 수 있다. 제1 충전 단자는 가변 탭을 통해 코일에 결합될 수 있고, 다상 프로브를 조정하는 단계는 코일 상의 가변 탭의 위치를 조정하는 단계를 포함할 수 있거나, 및/또는 제2 충전 단자는 가변 탭을 통해 코일에 결합될 수 있고 다상 프로브를 조정하는 단계는 코일 상의 가변 탭의 위치를 조정하는 단계를 포함할 수 있다. 다상 프로브를 조정하는 단계는 제1 충전 단자의 크기 또는 제2 충전 단자의 크기를 조정하는 단계를 포함할 수 있다.
이들 실시예의 하나 이상의 양태에서, 가이드된 표면-도파관 모드의 반경방향 표면 전류 밀도는
Figure pct00001
,
로 표현될 수 있고, 여기서 γ는
Figure pct00002
에 의해 주어지는 표면파 반경방향 전파 상수이고, u2는
Figure pct00003
에 의해 주어지는 수직 전파 상수이며, 여기서,
Figure pct00004
이고, σ는 지상 매체의 전도도이고, ω는 2πf와 동일하며, f는 다상 도파관 프로브의 여기 주파수이고, ε0는 자유 공간의 유전율이며, εr은 지상 매체의 비유전율이고, 자유 공간 파수 k0는
Figure pct00005
와 같으며, 여기서 λ0는 다상 도파관 프로브의 자유 공간 파장이고, j는
Figure pct00006
와 같고, ρ는 반경방향 좌표이고, z는 지상 매체에 수직인 수직 좌표이며, φ는 방위각 좌표이고, I0은 순 다상 프로브 전류이며, H1 (2)(-jγρ)는, e+jωt 시간 변화에 대한, 복소 인수 -jγρ를 갖는 제2종 및 1차의 Hankel 함수이고, t는 시간이다.
또 다른 실시예에서, 시스템은, 손실성 전도성 매체의 표면 상의 Zenneck 표면파 모드와 실질적으로 모드-정합되는 복수의 결과적인 장들을 생성하도록 구성된 다상 도파관 프로브, 및 손실성 전도성 매체의 특성에 적어도 부분적으로 기초하여 다상 도파관 프로브를 조정하도록 구성된 프로브 제어 시스템을 포함한다. 프로브 제어 시스템은, 손실성 전도성 매체의 특성에서의 검출된 변화에 응답하여 Zenneck 표면파 모드의 모드-정합을 개선하기 위해 다상 도파관 프로브를 조정하도록 구성될 수 있다.
이들 실시예의 하나 이상의 양태에서, 다상 도파관 프로브는 복수의 충전 단자에 결합된 프로브 결합 회로를 포함할 수 있고, 프로브 결합 회로는 복수의 전압 크기 및 복수의 위상을 복수의 충전 단자에 부과하도록 구성된다. 프로브 제어 시스템은, Zenneck 표면파 모드의 모드-정합을 개선하기 위해 복수의 충전 단자 상의 복수의 전압 크기 및 복수의 위상을 조정하도록 구성될 수 있다. 복수의 충전 단자는 적어도 하나의 가변 탭을 통해 프로브 결합 회로의 코일에 결합될 수 있다. 복수의 충전 단자 상의 복수의 전압 크기 및 복수의 위상을 조정하는 것은, 적어도 하나의 가변 탭의 위치를 조정하는 것을 포함할 수 있다. 프로브 제어 시스템은 탭 제어기를 통해 적어도 하나의 가변 탭의 위치를 조정하도록 구성될 수 있다. 프로브 제어 시스템은, Zenneck 표면파 모드의 모드-정합을 개선하기 위해 손실성 전도성 매체 위에서의 복수의 충전 단자 중 적어도 하나의 충전 단자의 높이를 조정하도록 구성될 수 있다. 프로브 제어 시스템은, 충전 단자 위치결정 시스템을 통해 적어도 하나의 충전 단자를 재위치시키도록 구성될 수 있다.
이들 실시예의 하나 이상의 양태에서, Zenneck 표면파 모드의 반경방향 표면 전류 밀도는
Figure pct00007
,
로 표현될 수 있고, 여기서 γ는
Figure pct00008
에 의해 주어지는 표면파 반경방향 전파 상수이고, u2는
Figure pct00009
에 의해 주어지는 수직 전파 상수이며, 여기서,
Figure pct00010
이고, σ는 손실성 전도성 매체의 전도도이고, ω는 2πf와 동일하며, f는 다상 도파관 프로브의 여기 주파수이고, ε0는 자유 공간의 유전율이며, εr은 손실성 전도성 매체의 비유전율이고, 자유 공간 파수 k0는
Figure pct00011
같으며, 여기서 λ0는 다상 도파관 프로브의 자유 공간 파장이고, j는
Figure pct00012
와 같고, ρ는 반경방향 좌표이고, z는 지상 매체에 수직인 수직 좌표이며, φ는 방위각 좌표이고, I0은 순 다상 프로브 전류이며, H1 (2)(-jγρ)는, e+jωt 시간 변화에 대한, 복소 인수 -jγρ를 갖는 제2종 및 1차의 Hankel 함수이고, t는 시간이다.
본 개시내용의 다른 시스템, 방법, 피쳐, 및 이점들은 이하의 도면과 상세한 설명의 검토시에 본 기술분야의 통상의 기술자에게 명백하거나 명백해질 것이다. 모든 이러한 추가적인 시스템, 방법, 피쳐, 및 이점들은 본 설명 내에 포함되고, 본 개시내용의 범위 내에 있으며, 첨부된 청구항들에 의해 보호되고자 한다.
또한, 설명된 실시예들의 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 서로 결합가능하고 상호 교환가능하다.
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 3는 본 개시내용의 한 실시예에 따른 도 2의 전파 계면에 관해 배치된 다상 도파관 프로브를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 개시내용의 한 실시예에 따른 도 3의 전파 계면에서 손실성 전도성 매체 상의 가이드된 표면-도파관 모드의 론칭을 용이하게 하는 접지 전류에서의 위상 시프트의 한 예시를 제공하는 도면이다.
도 5는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 다상 도파관 프로브들에 의해 합성된 전기장의 복소 삽입 각도를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 개시내용의 한 실시예에 따른 다상 도파관 프로브의 개략도이다.
도 7a 내지 도 7j는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 도 6의 다상 도파관 프로브의 특정 예의 개략도이다.
도 8a 내지 도 8c는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 다상 도파관 프로브의 다양한 실시예에 의해 생성된 선택 전송 주파수에서의 가이드된 표면파의 장 강도를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 개시내용의 한 실시예에 따른 다상 도파관 프로브에 의해 생성된 거리의 함수로서 59 메가헤르쯔에서의 가이드된 표면파의 장 강도의 실험 측정치의 그래프의 한 예를 도시한다.
도 10은 본 개시내용의 실시예에 따른 도 9의 가이드된 표면파의 거리의 함수로서 위상의 실험 측정치의 그래프를 도시한다.
도 11은 본 개시내용의 한 실시예에 따른 1.85 메가헤르쯔에서 다상 도파관 프로브에 의해 생성된 가이드된 표면파의 거리의 함수로서 장 강도의 실험 측정치의 그래프의 또 다른 예를 도시한다.
도 12a 및 도 12b는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 다상 도파관 프로브에 의해 론칭된 가이드된 표면파의 형태로 전송된 에너지를 수신하기 위해 채택될 수 있는 수신기들의 예를 도시한다.
도 13은 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 다상 도파관 프로브에 의해 론칭된 가이드된 표면파의 형태로 전송된 에너지를 수신하기 위해 채택될 수 있는 추가적인 수신기의 예를 도시한다.
도 14a는 본 개시내용의 한 실시예에 따른 도 12a 및 도 12b에 도시된 수신기들의 테브낭 등가회로(Thevenin-equivalent)를 나타내는 개략도를 도시한다.
도 14b는 본 개시내용의 한 실시예에 따른 도 13에 도시된 수신기의 노턴 등가회로(Norton-equivalent)를 나타내는 개략도를 도시한다.
도 15a는 본 개시내용의 한 실시예에 따른 전도도 측정 프로브의 개략도를 도시한다.
도 15b는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 임피던스 분석기를 도시한다.
도 16a 내지 도 16c는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 다양한 적응형 제어 시스템을 도시한다.
도 17a, 도 17b 및 도 18은 본 개시내용의 실시예에 따른 가변 충전 단자의 예를 도시한다.
도 1을 참조하여, 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 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 모드를 지칭한다.
방사된 전자기장과 가이드된 전자기장 사이의 구분을 더 설명하기 위해, log-dB 플롯에서 킬로미터 단위의 거리의 함수로서 미터당 볼트 단위의 임의의 기준을 초과하는 데시벨 (dB) 단위의 장 강도의 그래프(100)를 도시하는 도 1을 참조한다. 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.
방사 전파 및 가이드된 파동 전파에 대한 곡선(103/106)의 형상이 관심대상이다. 방사된 장 강도 곡선(106)은 기하학적으로 떨어지며(1/d, 여기서 d는 거리이다), 로그-로그 스케일에서 직선이다. 반면, 가이드된 장 강도 곡선(103)은 특징적인 지수 감쇠
Figure pct00013
를 갖고 특유의 무릎(109)을 나타낸다. 따라서, 도시된 바와 같이, 가이드된 전자기장의 장 강도는
Figure pct00014
의 비율로 떨어지는 반면, 방사된 전자기장의 장 강도는 1/d의 비율로 떨어진다. 가이드된 장 강도 곡선(103)이 지수적으로 떨어진다는 사실로 인해, 전술된 바와 같이 가이드된 장 강도 곡선(103)은 무릎(109)을 특징으로 한다. 가이드된 장 강도 곡선(103) 및 방사된 장 강도 곡선(106)은 교차 거리에서 발생하는 교차 지점(113)에서 교차한다. 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 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 표면-도파관 모드들의 형태를 합성하는 결과적인 장들을 갖는 반경방향 표면 전류를 여기시키도록 구성된 다양한 다상 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 표면파 모드로 불릴 수 있다. 본원에서 설명되는 다상 도파관 프로브에 의해 여기된 결과적인 장들은 손실성 전도성 매체의 표면 상의 Zenneck 표면파 모드와 실질적으로 모드-정합된다는 사실에 의해, Zenneck 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 Zenneck 표면파 모드와 실질적으로 모드-정합되는 전자기장을 생성하는 다양한 다상 도파관 프로브를 개시한다. 다양한 실시예에 따르면, 이러한 전자기장은, 제로 반사를 야기하는 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 성분 및 자기장 성분으로 표현된다:
Figure pct00015
(1)
Figure pct00016
및 (2)
Figure pct00017
. (3)
ejωt 장 변화가 가정되고 ρ ≠ 0 및 z ≤ 0인 영역 1에서, 계면을 따른 경계 조건을 만족하는 Maxwell 방정식의 Zenneck의 폐형 엄밀해는 다음과 같은 전자장 성분 및 자기장 성분에 의해 표현된다:
Figure pct00018
(4)
Figure pct00019
및 (5)
Figure pct00020
(6)
이 표현식에서, Hn (2)(jγρ)는, 제2종 1차의 복소 인자 Hankel 함수이고, u1은 영역 1에서 양의 수직 방향으로의 전파 상수이며, u2는 영역 2에서 수직 방향으로의 전파 상수이고, σ1은 영역 1의 전도도이며, ω는 2πf이고, f는 여기 주파수이며, ε0은 자유 공간의 유전율이고, ε1은 영역 1의 유전율이며, A는 소스에 의해 부과된 소스 상수이고, z는 영역 1의 표면에 수직인 수직 좌표이며, γ는 표면파 반경방향 전파 상수이고, ρ는 반경방향 좌표이다.
±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 pct00021
(7)
영역 1에서는, 다음을 준다.
Figure pct00022
(8)
반경방향 전파 상수 γ는 다음과 같이 주어진다
Figure pct00023
(9)
이것은 복소 표현이다. 상기 방정식들 모두에서,
Figure pct00024
및 (10)
Figure pct00025
(11)
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, 다상 도파관 프로브에는, 서로에 관해 위치결정되고 영역 2와 영역 1 사이의 경계 계면을 따라 론칭되는 표면 도파관 모드의 장들의 상대적 위상을 여기시키도록 전압 및/또는 전류가 공급되는 적절한 크기의 충전 단자가 제공된다.
계속해서, 영역 1과 영역 2 사이의 Leontovich 임피던스 경계 조건은 다음과 같다
Figure pct00026
(12)
여기서,
Figure pct00027
는 양의 수직(+z) 방향에서 단위 법선이고,
Figure pct00028
는 상기 수학식 (1)로 표현되는 영역 2에서의 자기장 강도이다. 수학식 (12)는 수학식 (1) 내지 (3)에 명시된 장들이 경계 계면을 따라 반경방향 표면 전류 밀도를 구동함으로써 획득될 수 있다는 것을 암시하며, 이러한 반경방향 표면 전류 밀도는 다음과 같이 명시된다
Figure pct00029
(13)
여기서 A는 아직 결정되지 않은 상수이다. 또한, 다상 도파관 프로브에 근접하면(ρ << λ), 상기 수학식 (13)는 다음과 같은 거동을 갖는다
Figure pct00030
(14)
여기서, 음의 부호에 주목하기를 원할 수도 있다. 이것은, 소스 전류가 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 (13)에서 다음을 구할 수 있다
Figure pct00031
(15)
따라서, 수학식 (13)은 다음과 같이 다시 쓸 수 있다
Figure pct00032
(16)
도 3을 참조하면, 수직 축 z를 따라 배치된 충전 단자(T1) 및 충전 단자(T2)를 포함하는 다상 도파관 프로브(200)의 예가 도시되어 있다. 다상 도파관 프로브(200)는 본 개시내용의 한 실시예에 따라 손실성 전도성 매체(203) 위에 배치된다. 손실성 전도성 매체(203)는 한 실시예에 따라 영역 1(도 2)을 구성한다. 또한, 제2 매체(206)은 손실성 전도성 매체(203)와의 경계 계면을 공유하고 영역 2(도 2)를 구성한다. 다상 도파관 프로브(200)는, 후속 도면들을 참조하여 더 상세히 논의되는 바와 같이, 여기 소스(213)를 충전 단자들(T1 및 T2)에 결합하는 프로브 결합 회로(209)를 포함한다.
충전 단자(T1 및 T2)는 손실성 전도성 매체(203) 위에 위치된다. 본 명세서에 설명된 바와 같이 충전 단자(T1)는 커패시터로 간주될 수 있고, 충전 단자(T2)는 카운터 포이즈(counterpoise) 또는 하위 커패시터를 포함할 수 있다. 한 실시예에 따르면, 충전 단자(T1)는 높이(H1)에 위치되고, 충전 단자(T2)는 수직 축(z)을 따라 높이(H2)(H2는 H1보다 작음)를 따라 T1 바로 아래에 위치된다. 다상 도파관 프로브(200)에 의해 제공되는 전송 구조물의 높이(h)는 h = H1 - H2이다. 상기 논의를 감안할 때, 손실성 전도성 매체의 표면 상의 반경방향 Zenneck 표면 전류 Jρ(ρ)의 근접지 점근선은 J1(ρ) 및 원격지 점근선은 J2(ρ)로 결정할 수 있다.
근접지(ρ < λ/8) :
Figure pct00033
및 (17)
원격지(ρ >> λ/8) :
Figure pct00034
(18)
여기서 I1은 제1 충전 단자(T1)에 전하(Q1)를 공급하는 전도 전류이고, I2는 제2 충전 단자(T2)에 전하(Q2)를 공급하는 전도 전류이다. 상위 충전 단자(T1)의 전하(Q1)는 Q1 = C1V1에 의해 결정되며, 여기서, C1은 충전 단자(T1)의 절연 커패시턴스이다. Leontovich 경계 조건을 따르며 제1 충전 단자 상의 상승된 진동 전하 Q1의 준정적 장에 의해 펌핑된 손실성 전도성 매체(203)에서의 반경방향 전류 기여분인, 상기에서
Figure pct00035
로 주어진 J1에 대한 제3 성분이 있다는 점에 유의한다. 양
Figure pct00036
은 손실성 전도성 매체의 반경방향 임피던스이고, 여기서,
Figure pct00037
이다.
수학식 (17) 및 (18)에 의해 개시된 바와 같이 근접지 및 원격지 반경방향 전류를 나타내는 점근선은 복소량이다. 다양한 실시예에 따르면, 물리적 표면 전류 J(r)는 크기 및 위상에서 가능한 한 전류 점근선에 정합되도록 합성된다. 즉, 근접지 |J(r)|는 |J1|에 접하고, 원격지 |J(r)|은 |J2|에 접한다. 또한, 다양한 실시예에 따르면, J(r)의 위상은 근접지 J1의 위상으로부터 원격지 J2의 위상으로 천이해야 한다.
한 실시예에 따르면, 여기서 설명된 다상 도파관 프로브의 다양한 실시예 중 임의의 하나가 적절하게 조정된다면, 이 구성은 Zenneck 모드에 대한 적어도 근사적인 크기 및 위상 정합을 제공하고 Zenneck 표면파를 론칭할 것이다. 원격지 위상(Ф2)는, e- jβρ 플러스
Figure pct00038
의 위상에 기인한 고정된 "위상 부스트", 즉, arg(
Figure pct00039
)에 대응하는 전파 위상에 비례한다는 점에 유의해야 한다.
Figure pct00040
(19)
여기서, γ는 상기 수학식(9)에서 표현되며, 손실성 전도성 매체 상의 전송 지점에서의 εr 및 σ에 대한 값들 및 동작 주파수 f, 2개의 복소수 근(complex root)을 갖는, 전형적으로는, 대략 45° 또는 225° 정도인, arg(
Figure pct00041
)에 의존한다. 달리 말하면, Zenneck 표면파를 론칭하도록 전송 지점에서 Zenneck 표면파 모드를 정합시키기 위하여, 원격지 표면 전류 |J2|의 위상은,
Figure pct00042
+ 약 45도 또는 225도의 상수에 대응하는 전파 위상만큼, 근접지 표면 전류 |J1|의 위상과 달라야 한다. 이것은,
Figure pct00043
에 대하여, π/4 근처에 하나, 5π/4 근처에 하나씩, 2개의 루트가 있기 때문이다. 적절하게 조정된 합성 반경방향 표면 전류는 다음과 같다
Figure pct00044
. (20)
Maxwell의 방정식에 따르면, 이러한 J(ρ) 표면 전류는 하기 식들을 따르는 장들을 자동으로 생성한다
Figure pct00045
(21)
Figure pct00046
및 (22)
Figure pct00047
(23)
따라서, 정합될 Zenneck 표면파 모드에 대한 원격지 표면 전류 |J2| 및 근접지 표면 전류 |J1| 사이의 위상차는, 앞서 개시된 수학식 (20) 내지 (23)의 Hankel 함수의 고유 특성에 기인한 것이다. 수학식 (1) 내지 (6)과 (20)으로 표현된 장들은, 지표파 전파와 연관된 방사장들이 아니라, 손실성 계면에 종속된 전송 선로 모드의 특성을 갖는다는 것을 인식하는 것이 중요하다. Barlow, H. M. and Brown, J., Radio Surface Waves, Oxford University Press, 1962, pp. 1-5를 참조한다. 이하에서 제공되는 실험 결과에서 검증되고 지지되는 바와 같이, 이들 장들은, 방사는 무시할만한 정도인 반면 표면 가이드된 파동 전파는 극적으로 향상된다는 것을 의미하는, 제로 반사를 위해 복소 Brewster 각도 요건을 자동으로 만족한다.
이 시점에서, 수학식 (20) 내지 (23)에서 이용된 Hankel 함수의 성질에 대한 검토가 이러한 파동 방정식의 해들의 특별한 속성에 관해 중점을 두면서 제공된다. 제1종 및 제2종과 차수 n의 Hankel 함수는 제1종 및 제2종의 표준 Bessel 함수의 복소 조합으로 정의된다는 것을 볼 수 있다.
Figure pct00048
및 (24)
Figure pct00049
(25)
이들 함수들은 각각 반경방향으로 안쪽으로(윗첨자 1) 및 바깥쪽으로(윗첨자 2) 전파하는 주면형 파동들을 나타낸다. 정의는 e±jx = cos x ± j sin x의 관계와 유사하다. 예를 들어, Harrington, R.F., Time-Harmonic Fields, McGraw-Hill, 1961, pp. 460-463를 참조한다.
Figure pct00050
가 송출되는 파동이라는 것은, Jn(x)와 Nn(x)의 급수 정의로부터 직접 획득되는 그 큰 인수 점근적 거동(large argument asymptotic behavior)으로부터 용이하게 알 수 있다.
Figure pct00051
(26)
이것은, ejωt 에 의해 곱해질 때,
Figure pct00052
공간적 변화를 갖는
Figure pct00053
형태의 바깥쪽으로 전파하는 주면형 파동이다. 지수 성분의 위상은 Ψ = (ωt - kρ)이다. 또한, 하기의 관계도 명백하다
Figure pct00054
(27)
그리고, Hankel 함수의 추가적인 유용한 속성은 다음과 같이 표현된다
Figure pct00055
(28)
이것은, Jahnke, E., and F. Emde, Tables of Functions, Dover, 1945, p. 145에서 설명된다.
또한, 바깥쪽으로 전파되는 Hankel 함수의 작은 인수 및 큰 인수 점근선은 다음과 같다 :
Figure pct00056
(29)
Figure pct00057
(30)
이러한 점근적 표현은 복소량이라는 점에 유의한다. 또한, 일반적인 정현파 함수와는 달리, 복소 Hankel 함수의 거동은 원점으로부터의 근접지와 원격지에서 상이하다. x가 실수량일 때, 수학식 (29)와 (30)은, 위상에 있어서
Figure pct00058
만큼 상이하고, 이것은 추가 위상 전진 또는 "위상 부스트" 45° 또는, 동등하게는, λ/8에 대응한다.
도 4를 참조하면, 도시된 J1(도 3)과 J2(도 3) 사이의 위상 천이를 더 설명하기 위해, 다상 도파관 프로브(200)(도 3)의 위치에 관한 근접지 표면 전류 J1과 원격지 표면 전류 J2의 위상들의 예시가 도시되어 있다. 도 4에 도시한 바와 같이, 3개의 상이한 관측점 P0, P1 및 P2가 있다. 천이 영역은 관측점 P1과 관측점 P2 사이에 위치해 있다. 관측점 P0은 다상 도파관 프로브(200)의 위치에 있다. 관측점 P1은, 관측점 P1을 천이 영역(216)과 관측점 P0 사이에 두는 관측점 P0으로부터의 거리 R1에서 "근접지" 위치해 있다. 관측점 P2는 도시된 바와 같이 관측점 P0으로부터 천이 영역(216)을 지나서 거리 R2에서 "원격지" 위치해 있다.
관측점 P0에서, 반경방향 전류(J)의 크기 및 위상은
Figure pct00059
로서 표현된다. 관측점 P1에서, 반경방향 전류 J의 크기와 위상은
Figure pct00060
로서 표현되고, 여기서, 위상 시프트 βR1은 관측점 P0과 P1 사이의 거리 R1에 기인한 것이다. 관측점 P2에서, 반경방향 전류 J의 크기 및 위상은
Figure pct00061
로서 표현되고, 여기서, 위상 시프트 βR1 + φ△는, 관측점 P0 및 P2 사이의 거리 R2 및 천이 영역(216)에서 발생하는 추가적인 위상 시프트에 기인한 것이다. 추가적인 위상 변화 φ△는 위에서 언급한 Hankel 함수의 속성으로서 발생한다.
상기 사항은 다상 도파관 프로브(200)가 근접지 표면 전류 J1을 생성한 다음 원격지 J2 전류로 천이한다는 사실을 반영한다. 천이 영역(216)에서, Zenneck 표면-도파관 모드의 위상은 대략 45도 또는
Figure pct00062
만큼 천이한다. 이 천이 또는 위상 시프트는, Zenneck 표면-도파관 모드의 위상이 천이 영역(216)에서 45도만큼 진행되는 "위상 부스트"로서 간주될 수 있다. 천이 영역(216)은 동작 주파수의 파장의 1/10 미만으로 발생하는 것으로 나타난다.
도 3을 다시 참조하면, 한 실시예에 따르면, 적절한 반경방향 표면 전류 분포를 론칭할 다상 도파관 프로브가 생성될 수 있다. 한 실시예에 따르면, Zenneck 도파관 모드가 반경방향으로 생성된다. 수학식 (20)에 의해 주어진 J(r)이 생성될 수 있다면, 이것은 Zenneck 표면파를 자동으로 론칭할 것이다.
또한, 도 3에 도시된 한 예시적인 다상 도파관 프로브의 충전 단자(T1 및 T2) 상의 전하 Q1 및 Q2의 전하 이미지(Q1' 및 Q2')에 관해서 더 설명한다. 손실성 전도성 매체에 관한 분석은, 다상 도파관 프로브 아래에 유도된 유효 이미지 전하 Q1' 및 Q2'의 존재는 여기서 설명된 바와 같이 전하 저장소 T1 및 T2 상의 전하 Q1 및 Q2와 일치하는 것으로 가정한다. 이러한 이미지 전하(Q1', Q2')도 분석시에 역시 고려되어야 한다. 이들 이미지 전하들(Q1', Q2')은 완전 전도체의 경우와 같이 전하 저장소(T1, T2) 상의 1차 소스 전하(Q1 및 Q2)와 단지 180° 위상차만 나는 것은 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 Q2의 높이와 동일한 깊이에 있는(즉, zn'= -hn) 이미지 전하 Q1' 및 Q2' 대신에, 전도성 미러(215)가 깊이 z = -d/2에 배치되고, 이미지 자체는, zn' = - Dn = -(d + hn) ≠ -hn, n = 1, 2로 주어질 때, "복소 거리" (즉, 거리가 크기와 위상 모두를 가짐)에서 나타나며, 수직 편광된 소스들에 대해,
Figure pct00063
(31)
여기서,
Figure pct00064
및 (32)
Figure pct00065
(33)
결국, 이미지 전하 Q1' 및 Q2'의 복소 간격은, 계면이 무손실 유전체 또는 완전 도전체일 때는 겪지 않는 추가의 위상 시프트를 외부 장들이 겪을 것이라는 것을 암시한다. 손실성 유전체 이미지-이론 기술의 본질은, 유한 전도성 지구(또는 손실성 유전체)를 복소 깊이 z = -d/2에 있는 완전 도전체로 대체하는 것이다. 다음으로, 소스 이미지는 복소 깊이 Dn = d/2 + d/2 + hn = d + hn에 위치하며, 여기서 n = 1, 2이다. 그 후, (z = +h에서의) 물리적 전하와 (z'= -D에서의) 그 이미지의 중첩을 이용하여 지면 위(z ≥ 0) 장들을 계산할 수 있다. 복소 깊이의 전하 이미지(Q1' 및 Q2')는, 수학식 (20) 및 수학식 (21)에서 명시된 원하는 전류 위상을 획득하는데 있어서 실제로 도움을 준다.
상기 수학식 (2) 및 수학식 (3)으로부터, 영역 2에서 E2ρ에 대한 E2z의 비율은 다음과 같이 주어진다는 점에 유의한다
Figure pct00066
(34)
또한, 점근적으로, 하기와 같다는 점에 유의해야 한다
Figure pct00067
(35)
결과적으로, 수학식 (2) 및 (3)으로부터 직접 다음과 같이 된다
Figure pct00068
(36)
여기서, Ψi,B는 복소 Brewster 각도이다. 소스 분포를 조정하고 손실성 전도성 매체(203)의 표면에서의 복소 Brewster 각도 조사를 합성함으로써, Zenneck 표면파가 여기될 수 있다.
도 5를 참조하면, 입사면에 평행하게 편광된 입사 장(E)이 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 pct00069
(37)
기하학적으로, 도 5의 예시는 다음을 암시한다:
Figure pct00070
및 (38a)
Figure pct00071
(38b)
이것은, 장 비율이 하기와 같다는 것을 의미한다
Figure pct00072
(39)
그러나, 수학식 (36)으로부터 다음과 같다는 것을 상기한다
Figure pct00073
(40)
따라서, Zenneck 표면파에 대해, 우리는 Ψ0 = θi,B를 원하고, 이것은 결과적으로 다음과 같다
Figure pct00074
(41)
이 수학식들은, 입사면에 평행한 평면에서 입사하는 수직 및 수평 성분 Ez 및 Eρ 사이의 복소 장 비율 및 상대적 위상의 크기를 제어하면, 합성된 E-장 벡터는 효과적으로 복소 Brewster 각도에서 입사하도록 효과적으로 만들어질 수 있다는 것을 의미한다. 이러한 상황은 영역 1과 영역 2 사이의 계면을 통해 Zenneck 표면파를 합성적으로 여기시킬 것이다.
도 6을 참조하면, 본 개시내용의 한 실시예에 따른 손실성 전도성 매체(203) 위에 배치된 다상 도파관 프로브(200)의 다른 도면이 도시되어 있다. 손실성 전도성 매체(203)는 한 실시예에 따라 영역 1(도 2)을 구성한다. 또한, 제2 매체(206)은 손실성 전도성 매체(203)와의 경계 계면을 공유하고 영역 2(도 2)를 구성한다.
한 실시예에 따르면, 손실성 전도성 매체(203)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(203)는, 자연 발생적이든 인공적이든, 지구 이외의 다른 매체를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 손실성 전도성 매체(203)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(203)가 지상 매체 또는 지구를 포함하는 경우, 제2 매체(206)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(206)은 손실성 전도성 매체(203)에 관해 다른 매체를 포함할 수 있다.
다상 도파관 프로브(200)는 한 쌍의 충전 단자(T1 및 T2)를 포함한다. 2개의 충전 단자(T1 및 T2)가 도시되어 있지만, 2개보다 많은 충전 단자(T1 및 T2)가 있을 수 있다는 것을 이해할 것이다. 한 실시예에 따르면, 충전 단자(T1 및 T2)는 손실성 전도성 매체(203)에 의해 제공된 평면에 수직인 수직 축 z를 따라 손실성 전도성 매체(203) 위에 위치한다. 이와 관련하여, 충전 단자(T1)는 충전 단자(T2) 바로 위에 배치되지만, 2개 이상의 충전 단자들 TN의 어떤 다른 배열이 이용될 수도 있다. 다양한 실시예에 따르면, 전하 Q1 및 Q2가 각각의 충전 단자 T1 및 T2에 부과될 수 있다.
충전 단자(T1 및/또는 T2)는 전하를 유지할 수 있는 임의의 전도성 질량을 포함할 수 있다. 충전 단자(T1)는 자기-커패시턴스 C1을 가지며, 충전 단자(T2)는 자기-커패시턴스 C2를 갖는다. 충전 단자(T1 및/또는 T2)는 구면체, 디스크, 원통, 원뿔, 토러스, 무작위화된 형상, 또는 기타 임의의 형상 등의, 임의의 형상을 포함할 수 있다. 또한, 충전 단자(T1 및 T2)는 동일할 필요는 없지만, 각각은 별개의 크기 및 형상을 가질 수 있고, 상이한 전도성 재료로 구성될 수 있다는 점에도 유의한다. 한 실시예에 따르면, 충전 단자(T1)의 형상은 실제로 가능한 한 많은 전하를 유지하도록 명시된다. 궁극적으로, 다상 도파관 프로브(200)에 의해 론칭되는 Zenneck 표면파의 장 강도는 단자(T1) 상의 전하의 양에 직접 비례한다.
충전 단자(T1 및/또는 T2)가 구면체 또는 디스크라면, 각각의 자기-커패시턴스 C1 및 C2가 계산될 수 있다. 예를 들어, 절연된 전도성 구면체의 자기-커패시턴스는 C=4πε0r이고, 여기서 r은 구면체의 미터 단위 반경을 포함한다. 예를 들어, 격리된 디스크의 자기-커패시턴스는 C=8ε0r이고, 여기서 r은 디스크의 미터 단위 반경을 포함한다.
따라서, 충전 단자(T1)에 저장된 전하량(Q1)은, 전하 저장소(T1)의 자기-커패시턴스 C1과 충전 단자(T1)에 인가되는 전압 V이 주어지면, Q1=C1V로서 계산될 수 있다.
도 6을 더 참조하면, 한 실시예에 따라, 다상 도파관 프로브(200)는 충전 단자(T1 및 T2)에 결합되는 프로브 결합 회로(209)를 포함한다. 프로브 결합 회로(209)는 여기 소스(213)를 충전 단자(T1 및 T2)에 결합하는 것을 용이하게 하고, 주어진 동작 주파수에 대해 충전 단자(T1 및 T2)에 각각의 전압 크기 및 위상을 생성하는 것을 용이하게 한다. 2개보다 많은 충전 단자(TN)가 이용된다면, 프로브 결합 회로(209)는 서로에 관한 각각의 충전 단자(TN) 상의 다양한 전압 크기 및 위상의 생성을 용이하게 하도록 구성될 것이다. 다상 도파관 프로브(200)의 실시예에서, 프로브 결합 회로(209)는 후술되는 바와 같이 다양한 회로 구성을 포함한다. 또한, 후술되는 바와 같이 다상 도파관 프로브(200)의 다양한 파라미터를 제어하기 위해 프로브 제어 시스템(218)이 제공된다.
한 실시예에서, 프로브 결합 회로(209)는 다상 도파관 프로브(200)가 전기적으로 반-파장 공진되도록 명시된다. 이는, 임의의 주어진 시간에서, 단자(T1 및 T2) 중 제1 단자에 전압 +V를 부과하고 충전 단자(T1 및 T2) 중 제2 단자에 -V를 부과한다. 이러한 경우에, 각각의 충전 단자(T1 및 T2) 상의 전압들은 이해할 수 ˆ는 바와 같이 180도 위상차가 있다. 각각의 충전 단자(T1 및 T2) 상의 전압들이 180도 위상차가 나는 경우, 가장 큰 전압 크기차가 충전 단자(T1 및 T2)에서 발생한다. 대안으로서, 프로브 결합 회로(209)는 충전 단자(T1 및 T2) 사이의 위상차가 180도 이외의 것이 되도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 프로브 결합 회로(209)는 다상 도파관 프로브(200)의 조정 동안에 전압 크기 및 위상을 변경하도록 조정될 수 있다.
충전 단자(T1)를 충전 단자(T2) 바로 위에 배치함으로써, 충전 단자(T1 및 T2) 사이에 상호 커패시턴스(CM)가 생성된다. 또한, 충전 단자(T1)는 전술된 바와 같이 자기-커패시턴스(C1)을 갖고, 충전 단자(T2)는 자기-커패시턴스(C2)을 갖는다. 또한, 충전 단자(T1 및 T2)의 각각의 높이에 따라 충전 단자(T1)와 손실성 전도성 매체(203) 사이의 구속 커패시턴스 및 충전 단자(T2)와 손실성 전도성 매체(203) 사이의 구속 커패시턴스가 존재할 수 있다. 상호 커패시턴스(CM)는 충전 단자(T1 및 T2) 사이의 거리에 의존한다.
궁극적으로, 다상 도파관 프로브(200)에 의해 생성된 장 강도는 상위 단자(T1)에 부과된 전하(Q1)의 크기에 정비례할 것이다. 결국, 전하(Q1)는 Q1=C1V이므로 충전 단자(T1)와 연관된 자기-커패시턴스(C1)에 비례하며, 여기서, V는 충전 단자(T1)에 부과된 전압이다.
한 실시예에 따르면, 여기 소스(213)는 다상 도파관 프로브(200)에 신호를 인가하기 위해 프로브 결합 회로(209)에 결합된다. 여기 소스(213)는, 다상 도파관 프로브(200)에 인가되는 동작 주파수에서 전압 또는 전류를 생성할 수 있는 전압 또는 전류 소스 등의 임의의 적절한 전원일 수 있다. 이를 위해, 여기 소스(213)는, 예를 들어, 발전기, 함수 발생기, 전송기 또는 기타의 전기 소스를 포함할 수 있다.
한 실시예에서, 여기 소스(213)는, 후술되는 바와 같이, 자기적 결합, 용량성 결합, 또는 전도성(직접 탭) 결합에 의해 다상 도파관 프로브(200)에 결합될 수 있다. 일부 실시예에서, 프로브 결합 회로(209)는 손실성 전도성 매체(203)에 결합될 수 있다. 또한, 다양한 실시예에서, 여기 소스(213)는, 이하 설명되는 바와 같이 손실성 전도성 매체(203)에 결합될 수 있다.
또한, 한 실시예에 따르면, 여기서 설명된 다상 도파관 프로브(200)는 그 방사 저항(radiation resistance) Rr이 매우 작거나 또는 무시할 수 있는 정도라는 속성을 갖는다는 점에 유의해야 한다. 방사 저항 Rr은 궁극적으로 안테나로부터 방사되는 동일한 양의 전력을 소산하는 등가 저항이라는 점을 상기해야 한다. 다양한 실시예에 따르면, 다상 도파관 프로브(200)는 가이드된 전자기파인 Zenneck 표면파를 론칭한다. 다양한 실시예에 따르면, 여기서 설명된 다상 도파관 프로브는 방사 저항 Rr을 거의 갖지 않는데, 그 이유는, 이러한 다상 도파관 프로브의 높이는 대개 그 동작 파장에 비해 작기 때문이다. 달리 말하면, 한 실시예에 따르면, 여기에 설명된 다상 도파관 프로브는 "전기적으로 작다". 여기서 고려되는 바와 같이, "전기적으로 작은" 이라는 구문은, λ/2π와 동일한 반경을 갖는 구면체에 의해 물리적으로 구속될 수 있는 여기서 설명된 다상 도파관 프로브의 다양한 실시예 등의 구조로서 정의되며, 여기서, λ는 자유 공간 파장이다. Fujimoto, K., A. Henderson, K. Hirasawa, and J.R. James, Small Antennas, Wiley, 1987, p. 4를 참조한다.
더 논의하자면, 단극 모노폴 안테나의 방사 저항 Rr은 다음과 같이 표현된다
Figure pct00075
(42)
여기서 짧은 모노폴 안테나는 균일한 전류 분포를 갖는 높이 h를 가지며, λ는 동작 주파수에서의 파장이다. Stutzman, W.L. et al., "Antenna Theory and Design," Wiley & Sons, 1981, p. 93을 참조한다.
방사 저항 Rr의 값이
Figure pct00076
의 함수로서 결정된다면, 구조물의 높이 h는 동작 주파수에서의 동작 신호의 파장에 비해 작은 경우, 방사 저항 Rr도 역시 작을 것이다. 한 예로서, 전송 구조물의 높이 h가 동작 주파수에서의 동작 신호의 파장의 10%이면,
Figure pct00077
의 결과 값은 (.1)2 = .01일 것이다. 이에 따라, 방사 저항 Rr이 대응적으로 작을 것이다.
따라서, 다양한 실시예에 따르면, 전송 구조물의 유효 높이 h가
Figure pct00078
보다 작거나 같다면(여기서, λ는 동작 주파수에서의 파장), 방사 저항 Rr은 비교적 작을 것이다. 후술되는 다상 도파관 프로브(200)의 다양한 실시예에서, 전송 구조물의 높이 h는 h = H1 - H2로서 계산될 수 있고, 여기서, H1은 충전 단자(T1)의 높이이고, H2는 충전 단자(T2)의 높이이다. 여기서 설명된 다상 도파관 프로브(200)의 각각의 실시예에 대한 전송 구조물의 높이 h는 유사한 방식으로 결정될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
Figure pct00079
가 한 벤치마크로서 제공되는 동안, 동작 주파수에서의 동작 신호의 파장에 관한 전송 구조물의 높이 h의 비율은 임의의 값일 수 있다는 것을 이해할 것이다. 그러나, 주어진 동작 주파수에서, 주어진 전송 구조물의 높이가 증가함에 따라, 방사 저항 Rr도 그에 따라 증가한다는 것을 이해할 것이다.
높이 h 및 동작 주파수에서의 동작 신호의 파장에 대한 실제 값들에 따라, 방사 저항 Rr은 소정량의 방사가 Zenneck 표면파의 론칭과 함께 발생할 수 있도록 하는 값일 수 있다. 이를 위해, 다상 도파관 프로브(200)는, 에너지가 방사의 형태로 거의 소실되지 않거나 실질적으로 전혀 소실되지 않도록 하기 위해 동작 주파수에서 파장에 비해 짧은 높이 h를 갖도록 구성될 수 있다.
또한, 수직 축 z를 따른 전하 저장소 T1 및 T2의 배치는, 상기 수학식 (20) 내지 (23)에서의 Hankel 함수에 의해 기술된 바와 같이 다상 도파관 프로브(200)에 의해 론칭되는 Zenneck 표면파에서 대칭성을 제공한다. 다상 도파관 프로브(200)가 손실성 전도성 매체(203)의 표면을 구성하는 평면에 수직인 수직 축 z을 따라 2개의 전하 저장소(T1 및 T2)와 함께 도시되어 있지만, 원하는 대칭성을 위해 다른 구성이 채택될 수도 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 추가적인 전하 저장소(TN)는 수직 축 z을 따라 위치하거나, 어떤 다른 배열이 채택될 수도 있다. 일부 실시예에서, 전송의 대칭성이 바람직하지 않을 수도 있다. 이러한 경우에, 전하 저장소(TN)는 수직 축 z을 따르는 것 이외의 구성으로 배치되어 대안적인 전송 분배 패턴을 제공할 수 있다.
미리정의된 동작 주파수에서 동작하도록 적절하게 조정되면, 다상 도파관 프로브(200)는 손실성 전도성 매체(203)의 표면을 따라 Zenneck 표면파를 생성한다. 이를 위해, 여기 소스(213)는, 구조물을 여기시키기 위해 다상 도파관 프로브(200)에 인가되는 미리정의된 주파수에서 전기 에너지를 생성하기 위해 이용될 수 있다. 여기 소스(213)로부터의 에너지는, 다상 도파관 프로브(200)에 의해 Zenneck 표면파의 형태로, 역시 손실성 전도성 매체(203)에 결합되어 있는 또는 다상 도파관 프로브(200)의 유효 전송 범위 내에 위치한 하나 이상의 수신기에 전송된다. 따라서, 에너지는 표면-도파관 모드 또는 가이드된 전자기장인 Zenneck 표면파의 형태로 전달된다. 고전압 선로를 이용하는 현대의 전력 그리드의 맥락에서, Zenneck 표면파는 전송 선로 모드를 포함한다.
따라서, 다상 도파관 프로브(200)에 의해 생성된 Zenneck 표면파는 방사된 파동이 아니라, 가이드된 파동이며, 이들 용어들의 의미는 위에서 설명된 바와 같다. Zenneck 표면파는, 다상 도파관 프로브(200)가 손실성 전도성 매체(203)의 표면 상의 Zenneck 표면파 모드와 실질적으로 모드-정합되는 전자기장을 생성한다는 사실에 의해 론칭된다. 따라서, 다상 도파관 프로브(200)에 의해 생성된 전자기장이 실질적으로 모드-정합될 때, 전자기장은 반사가 거의 없거나 전혀없는 손실성 전도성 매체(203)의 복소 Brewster 각도에서 입사되는 파면을 실질적으로 합성한다. 다상 도파관 프로브(200)가 Zenneck 표면파 모드와 실질적으로 모드-정합되지 않는다면, 손실성 전도성 매체(203)의 복소 Brewster 각도가 달성되지 않기 때문에 Zenneck 표면파가 론칭되지 않을 것이라는 점에 유의한다.
손실성 전도성 매체(203)가 지구 등의 지상 매체를 포함하는 경우, Zenneck 표면파 모드는 수학식 (1) 내지 (11)에서 나타낸 바와 같이 다상 도파관 프로브(200)가 위치해 있는 장소의 유전율 εr 및 전도도 σ에 의존할 것이다. 따라서, 수학식 (20) 내지 (23)에서의 Hankel 함수의 위상은 론칭 장소에서의 이러한 구성 파라미터들과 동작 주파수에 의존한다.
한 실시예에 따라, Zenneck 표면파 모드와 연관된 장들을 여기시키기 위하여, 상기 수학식 (20)으로 표현된 바와 같이 다상 도파관 프로브(200)는 Zenneck 표면파 모드의 손실성 전도성 매체 상의 반경방향 표면 전류 밀도를 실질적으로 합성한다. 이것이 발생할 때, 전자기장은 손실성 전도성 매체(203)의 표면 상의 Zenneck 표면파 모드와 실질적으로 또는 대략적으로 모드-정합된다. 이를 위해, 정합은 실제적으로 가능한 한 근접해야 한다. 한 실시예에 따르면, 전자기장이 실질적으로 정합되는 이 Zenneck 표면파 모드는 상기 수학식 (21) 내지 (23)으로 표현된다.
Zenneck 표면파 모드의 손실성 전도성 매체에서 반경방향 표면 전류 밀도를 합성하기 위하여, 다상 도파관 프로브(200)의 전기적 특성은, 주어진 동작 주파수 및 주어진 전송 장소의 전기적 특성에 대해 충전 단자(T1 및 T2) 상에 적절한 전압 크기 및 위상을 부과하도록 조정되어야 한다. 2개보다 많은 충전 단자(TN)가 이용된다면, 적절한 전압 크기 및 위상이 각각의 충전 단자(TN)에 부과될 필요가 있고, 여기서, N은 충전 단자의 연속체를 사실상 포함하는 매우 큰 수일 수 있다.
주어진 위치에서 다상 도파관 프로브(200)의 주어진 설계에 대한 적절한 전압 크기 및 위상을 획득하기 위하여, 반복적 접근법이 이용될 수 있다. 구체적으로는, 생성된 반경방향 표면 전류 밀도를 결정하기 위하여, 단자(T1 및 T2)로의 공급 전류, 충전 단자(T1 및 T2) 상의 전하, 및 손실성 전도성 매체(203)에서의 그들의 이미지를 고려해 다상 도파관 프로브(200)의 주어진 여기 및 구성의 분석이 수행될 수 있다. 이 프로세스는, 주어진 다상 도파관 프로브(200)에 대한 최적의 구성 및 여기가 원하는 파라미터들에 기초하여 결정될 때까지 반복적으로 수행될 수 있다. 주어진 다상 도파관 프로브(200)가 최적 레벨에서 동작하고 있는지를 결정하는 것을 보조하기 위해, 다상 도파관 프로브(200)의 장소에서의 영역 1의 전도도 σ1 및 영역 1의 유전율 ε1에 대한 값에 기초하여 수학식 (1) 내지 (11)을 이용해 가이드된 장 강도 곡선(103)(도 1)이 생성될 수 있다. 이러한 가이드된 장 강도 곡선(103)은, 측정된 장 강도들을 가이드된 장 강도 곡선(103)에 의해 지시된 크기들과 비교하여 최적의 전송이 달성되었는지를 결정할 수 있도록 동작을 위한 벤치마크를 제공할 것이다.
최적화된 다상 도파관 프로브(200)에 도달하기 위하여, 다상 도파관 프로브(200)와 연관된 다양한 파라미터들이 조정될 수 있다. 달리 말하면, 다상 도파관 프로브(200)와 연관된 다양한 파라미터들은 다상 도파관 프로브(200)를 원하는 동작 구성으로 조정하기 위해 변경될 수 있다.
다상 도파관 프로브(200)를 조정하기 위해 변경될 수 있는 하나의 파라미터는, 손실성 전도성 매체(203)의 표면에 관한 충전 단자(T1 및/또는 T2) 중 하나 또는 양쪽 모두의 높이이다. 또한, 충전 단자(T1 및 T2) 사이의 거리 또는 간격도 역시 조정될 수 있다. 그렇게 함에 있어서, 이해할 수 있는 바와 같이, 상호 커패시턴스(CM), 또는 충전 단자(T1 및 T2)와 손실성 전도성 매체(203) 사이의 임의의 구속 커패시턴스를 최소화하거나 변경시킬 수 있다.
대안으로서, 조정될 수 있는 또 다른 파라미터는 각각의 충전 단자(T1 및/또는 T2)의 크기이다. 충전 단자(T1 및/또는 T2)의 크기를 변경함으로써, 이해할 수 있는 바와 같이, 각각의 자기-커패시턴스(C1 및/또는 C2) 및 상호 커패시턴스(CM)이 변경될 것이다. 또한, 충전 단자(T1 및 T2)와 손실성 전도성 매체(203) 사이에 존재하는 임의의 구속 커패시턴스가 변경될 것이다. 이렇게 함으로써, 충전 단자(T1 및 T2) 상의 전압 크기 및 위상이 변경된다.
또한, 조정될 수 있는 또 다른 파라미터는 다상 도파관 프로브(200)와 연관된 프로브 결합 회로(209)이다. 이것은, 프로브 결합 회로(209)를 구성하는 유도성 및/또는 용량성 리액턴스의 크기를 조정함으로써 달성될 수 있다. 예를 들어, 이러한 유도성 리액턴스가 코일을 포함하는 경우, 이러한 코일 상의 권선수가 조정될 수 있다. 궁극적으로, 프로브 결합 회로(209)의 전기적 길이를 변경함으로써, 충전 단자(T1 및 T2) 상의 전압 크기 및 위상에 영향을 주기 위해, 프로브 결합 회로(209)에 대한 조정 이루어질 수 있다.
또한, Zenneck 표면파의 전송을 최적화하기 위해 다상 도파관 프로브(200)에 인가되는 여기 소스(213)의 주파수를 조정할 수 있다. 그러나, 주어진 주파수에서 전송하기를 원한다면, 전송을 최적화하기 위해 다른 파라미터들이 조정될 필요가 있다.
다양한 조정을 가함으로써 수행되는 전송의 반복은, 이해할 수 있는 바와 같이, 컴퓨터 모델을 이용하거나 물리적 구조물을 조정함으로써 구현될 수 있다는 점에 유의한다. 한 접근법에서, 전송 주파수에 동조된 장 계측기는 다상 도파관 프로브(200)로부터 적절한 거리에 배치될 수 있고, 결과적인 Zenneck 표면파의 최대 또는 기타 임의의 원하는 장 강도가 검출될 때까지 조정이 이루어질 수 있다. 이를 위해, 장 강도는, 단자(T1 및 T2) 상의 원하는 동작 주파수 및 전압에서 생성된 가이드된 장 강도 곡선(103)(도 1)과 비교될 수 있다. 한 접근법에 따르면, 이러한 장 계측기를 배치하기 위한 적절한 거리는, 표면 전류 J2가 우세한 전술된 "원격지" 영역에서의 천이 영역(216)(도 4)보다 크도록 명시될 수 있다.
상기 조정을 행함으로써, 상기 수학식 (17) 및 (18)에서 명시된 Zenneck 표면파 모드의 동일한 전류 J(r)에 근사하는 대응하는 "근접지" 표면 전류 J1 및 "원격지" 표면 전류 J2를 생성할 수 있다. 이렇게 함에 있어서, 결과적인 전자기장은, 손실성 전도성 매체(203)의 표면 상의 Zenneck 표면파 모드와 실질적으로 또는 대략적으로 모드-정합될 것이다.
다음으로, 도 7a 내지 도 7j를 참조하면, 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 다상 도파관 프로브(200a-j)로서 여기서 표시되는 다상 도파관 프로브(200)의 추가 예가 도시되어 있다. 다양한 실시예에 따라, 다상 도파관 프로브(200a-j) 각각은, 여기서 프로브 결합 회로(209a-j)로서 표시되는 상이한 프로브 결합 회로(209)를 포함한다. 프로브 결합 회로(209a-j)의 수 개의 예가 설명되지만, 이들 실시예는 단지 예일 뿐이며, Zenneck 표면파의 론칭을 용이하게 하기 위해 여기서 설명된 원리에 따라 충전 단자(T1 및 T2) 상에 원하는 전압 크기 및 위상을 제공하기 위해 채택될 수 있는 여기서 설명되지 않은 많은 다른 프로브 결합 회로(209)가 존재할 수 있다는 것을 이해할 것이다.
또한, 프로브 결합 회로(209a-j) 각각은, 코일을 포함한 유도성 임피던스를 이용할 수 있지만, 이것으로 제한되는 것은 아니다. 코일이 이용되더라도, 집중형(lumped) 및 분산형(distributed)이든, 다른 회로 요소들이 리액턴스로서 이용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 또한, 여기서 예시된 것들 이외의 다른 회로 요소들이 프로브 결합 회로(209a-j)에 포함될 수 있다. 또한, 각각의 프로브 결합 회로(209a-j)를 갖는 다양한 다상 도파관 프로브(200a-j)는 단지 예시를 제공하기 위해 본원에서 설명되는 것이라는 점에 유의한다. 이를 위해, 다양한 프로브 결합 회로(209) 및 여기에 설명된 다양한 원리에 따라 Zenneck 표면파를 론칭하는데 이용될 수 있는 다른 회로를 채택하는 많은 다른 다상 도파관 프로브(200)가 있을 수 있다.
이제 도 7a를 참조하면, 한 실시예에 따른, 여기서는 다상 도파관 프로브(200a)로서 표시된, 다상 도파관 프로브(200)(도 6)의 제1 예가 도시되어 있다. 다상 도파관 프로브(200a)는, 손실성 전도성 매체(203)에 의해 제공된 평면에 대해 실질적으로 수직인 수직 축 z를 따라 위치한 충전 단자(T1 및 T2)를 포함한다. 제2 매체(206)는 손실성 전도성 매체(203) 위에 있다. 충전 단자(T1)는 자기-커패시턴스 C1을 가지며, 충전 단자(T2)는 자기-커패시턴스 C2를 갖는다. 동작 동안에, 임의의 주어진 순간에 충전 단자(T1 및 T2)에 인가되는 전압에 따라, 각각 충전 단자(T1 및 T2)에 전하(Q1 및 Q2)가 부과된다. 충전 단자(T1, T2) 사이에는 그들 사이의 거리에 따라 상호 커패시턴스 CM이 존재할 수도 있다. 또한, 손실성 전도성 매체(203)에 관한 각각의 충전 단자(T1 및 T2)의 높이에 따라, 각각의 충전 단자(T1 및 T2)와 손실성 전도성 매체(203) 사이에는 구속 커패시턴스가 존재할 수 있다.
다상 도파관 프로브(200a)는, 충전 단자(T1 및 T2) 각각에 결합된 한 쌍의 리드(lead)를 갖는 코일(L1a)을 포함한 유도성 임피던스를 포함하는 프로브 결합 회로(209a)를 포함한다. 한 실시예에서, 코일(L1a)은 다상 도파관 프로브(200a)의 동작 주파수에서 파장의 절반(1/2)인 전기적 길이를 갖도록 명시된다.
코일(L1a)의 전기적 길이는, 동작 주파수에서의 파장의 약 절반(1/2)으로서 명시되지만, 코일(L1a)은 다른 값의 전기적 길이로 명시될 수도 있다는 것을 이해할 것이다. 한 실시예에 따르면, 코일(L1a)이 동작 주파수에서의 약 절반 파장의 전기적 길이를 갖는다는 사실은, 충전 단자(T1 및 T2) 상에 최대 전압차가 생성된다는 이점을 제공한다. 그럼에도 불구하고, Zenneck 표면파 모드의 최적 여기를 획득하기 위해 다상 도파관 프로브(200a)를 조정할 때, 코일(L1a)의 길이 또는 직경이 증가 또는 감소될 수 있다. 대안으로서, 유도성 임피던스는 다상 도파관 프로브(200a)의 동작 주파수에서의 파장의 1/2보다 현저히 작거나 큰 전기적 길이를 갖도록 명시될 수 있다.
한 실시예에 따르면, 여기 소스(213)는 자기적 결합에 의해 프로브 결합 회로(209)에 결합된다. 구체적으로, 여기 소스(213)는, 코일(L1a)에 유도성 결합되는 코일(LP)에 결합된다. 이것은, 링크 결합, 탭핑형 코일, 가변 리액턴스, 또는 이해할 수 있는 결합 접근법에 의해 이루어질 수 있다. 이를 위해, 이해할 수 있는 바와 같이, 코일(LP)은 1차 코일로서 작용하고, 코일(L1a)은 2차 코일로서 작용할 수 있다.
원하는 Zenneck 표면파의 전송을 위해 다상 도파관 프로브(200a)를 조정하기 위하여, 각각의 충전 단자(T1 및 T2)의 높이는 손실성 전도성 매체(203)에 관해 및 서로에 관해 변경될 수 있다. 또한, 충전 단자(T1 및 T2)의 크기가 변경될 수 있다. 또한, 코일(L1a)의 크기는, 권선의 추가 또는 제거에 의해, 또는 코일(L1a)의 어떤 다른 치수의 변경에 의해 변경될 수 있다.
다상 도파관 프로브(200a)과의 실험에 기초하여, 이것은 원하는 효율을 달성하도록 다상 도파관 프로브(200a-j)를 조정 및 동작하는 가장 쉬운 방법인 것으로 보인다.
이제 도 7b를 참조하면, 한 실시예에 따른, 여기서는 다상 도파관 프로브(200b)로서 표시된, 다상 도파관 프로브(200)(도 6)의 예가 도시되어 있다. 다상 도파관 프로브(200b)는, 손실성 전도성 매체(203)에 의해 제공된 평면에 대해 실질적으로 수직인 수직 축 z를 따라 위치한 충전 단자(T1 및 T2)를 포함한다. 제2 매체(206)는 손실성 전도성 매체(203) 위에 있다. 충전 단자(T1 및 T2)는 수직 축 z를 따라 위치되어 전술된 바와 같이 생성된 Zenneck 표면파에서 원통형 대칭성을 제공한다. 충전 단자(T1)는 자기-커패시턴스 C1을 가지며, 충전 단자(T2)는 자기-커패시턴스 C2를 갖는다. 동작 동안에, 임의의 주어진 순간에 충전 단자(T1 및 T2)에 인가되는 전압에 따라, 각각 충전 단자(T1 및 T2)에 전하(Q1 및 Q2)가 부과된다. 충전 단자(T1, T2) 사이에는 그들 사이의 거리에 따라 상호 커패시턴스 CM이 존재할 수도 있다. 또한, 손실성 전도성 매체(203)에 관한 각각의 충전 단자(T1 및 T2)의 높이에 따라, 각각의 충전 단자(T1 및 T2)와 손실성 전도성 매체(203) 사이에는 구속 커패시턴스가 존재할 수 있다.
다상 도파관 프로브(200b)는 또한, 제1 코일(L1b) 및 제2 코일(L2b)을 포함하는 프로브 결합 회로(209b)를 포함한다. 제1 코일(L1b)은 도시된 바와 같이 충전 단자(T1, T2) 각각에 결합된다. 제2 코일(L2b)은 충전 단자(T2) 및 손실성 전도성 매체(203)에 결합된다.
여기 소스(213)는, 전술된 다상 도파관 프로브(200a)(도 7a)와 관련하여 언급된 것과 유사한 방식으로 프로브 결합 회로(209b)에 자기적으로 결합된다. 이를 위해, 여기 소스(213)는 1차측으로서 작용하는 코일(LP)에 결합되고, 코일(L1b)은 2차측으로서 작용한다. 대안으로서, 코일(L2b)은 2차측으로서도 역시 작용할 수도 있다.
원하는 Zenneck 표면파의 전송을 위해 다상 도파관 프로브(200b)를 조정하기 위하여, 각각의 충전 단자(T1 및 T2)의 높이는 손실성 전도성 매체(203)에 관해 및 서로에 관해 변경될 수 있다. 또한, 충전 단자(T1 및 T2)의 크기가 변경될 수 있다. 또한, 코일들(L1b 및 L2b) 각각의 크기는, 권선을 추가 또는 제거함으로써, 또는 각각의 코일(L1b 및 L2b)의 어떤 다른 치수를 변경함으로써 변경될 수 있다.
이제 도 7c를 참조하면, 한 실시예에 따른, 여기서는 다상 도파관 프로브(200c)로서 표시된, 다상 도파관 프로브(200)(도 6)의 또 예가 도시되어 있다. 다상 도파관 프로브(200c)는, 손실성 전도성 매체(203)에 의해 제공된 평면에 대해 실질적으로 수직인 수직 축 z를 따라 위치한 충전 단자(T1 및 T2)를 포함한다. 제2 매체(206)는 손실성 전도성 매체(203) 위에 있다. 충전 단자(T1)는 자기-커패시턴스 C1을 가지며, 충전 단자(T2)는 자기-커패시턴스 C2를 갖는다. 동작 동안에, 임의의 주어진 순간에 충전 단자(T1 및 T2)에 인가되는 전압에 따라, 각각 충전 단자(T1 및 T2)에 전하(Q1 및 Q2)가 부과된다. 충전 단자(T1, T2) 사이에는 그들 사이의 거리에 따라 상호 커패시턴스 CM이 존재할 수도 있다. 또한, 손실성 전도성 매체(203)에 관한 각각의 충전 단자(T1 및 T2)의 높이에 따라, 각각의 충전 단자(T1 및 T2)와 손실성 전도성 매체(203) 사이에는 구속 커패시턴스가 존재할 수 있다.
다상 도파관 프로브(200c)는 또한, 코일(L1c)을 포함하는 프로브 결합 회로(209c)를 포함한다. 코일(L1c)의 한 끝은 도시된 바와 같이 충전 단자(T1)에 결합된다. 코일(L1c)의 제2 끝은 손실성 전도성 매체(203)에 결합된다. 충전 단자(T2)에 결합된 탭은 코일(L1c)을 따라 위치한다.
여기 소스(213)는, 전술된 다상 도파관 프로브(200a)(도 7a)와 관련하여 언급된 것과 유사한 방식으로 프로브 결합 회로(209c)에 자기적으로 결합된다. 이를 위해, 여기 소스(213)는 1차측으로서 작용하는 코일(LP)에 결합되고, 코일(L1c)은 2차측으로서 작용한다. 코일(LP)은 코일(L1c)을 따라 임의의 장소에 위치할 수 있다.
원하는 Zenneck 표면파의 전송을 위해 다상 도파관 프로브(200c)를 조정하기 위하여, 각각의 충전 단자(T1 및 T2)의 높이는 손실성 전도성 매체(203)에 관해 및 서로에 관해 변경될 수 있다. 또한, 충전 단자(T1 및 T2)의 크기가 변경될 수 있다. 또한, 코일(L1c)의 크기는, 권선의 추가 또는 제거에 의해, 또는 코일(L1c)의 어떤 다른 치수의 변경에 의해 변경될 수 있다. 또한, 탭 위 및 아래의 코일(L1c) 부분들에 의해 제공되는 인덕턴스는 탭의 위치를 이동시킴으로써 조정될 수 있다.
이제 도 7d를 참조하면, 한 실시예에 따른, 여기서는 다상 도파관 프로브(200d)로서 표시된, 다상 도파관 프로브(200)(도 6)의 역시 또 예가 도시되어 있다. 다상 도파관 프로브(200d)는, 손실성 전도성 매체(203)에 의해 제공된 평면에 대해 실질적으로 수직인 수직 축 z를 따라 위치한 충전 단자(T1 및 T2)를 포함한다. 제2 매체(206)는 손실성 전도성 매체(203) 위에 있다. 충전 단자(T1)는 자기-커패시턴스 C1을 가지며, 충전 단자(T2)는 자기-커패시턴스 C2를 갖는다. 동작 동안에, 임의의 주어진 순간에 충전 단자(T1 및 T2)에 인가되는 전압에 따라, 각각 충전 단자(T1 및 T2)에 전하(Q1 및 Q2)가 부과된다. 충전 단자(T1, T2) 사이에는 그들 사이의 거리에 따라 상호 커패시턴스 CM이 존재할 수도 있다. 또한, 손실성 전도성 매체(203)에 관한 각각의 충전 단자(T1 및 T2)의 높이에 따라, 각각의 충전 단자(T1 및 T2)와 손실성 전도성 매체(203) 사이에는 구속 커패시턴스가 존재할 수 있다.
다상 도파관 프로브(200d)는 또한, 제1 코일(L1d) 및 제2 코일(L2d)을 포함하는 프로브 결합 회로(209d)를 포함한다. 제1 코일(L1d)의 제1 리드는 충전 단자(T1)에 결합되고, 제1 코일(L1d)의 제2 리드는 손실성 전도성 매체(203)에 결합된다. 제2 코일(L2d)의 제1 리드는 충전 단자(T2)에 결합되고, 제2 코일(L2d)의 제2 리드는 손실성 전도성 매체(203)에 결합된다.
여기 소스(213)는, 전술된 다상 도파관 프로브(200a)(도 7a)와 관련하여 언급된 것과 유사한 방식으로 프로브 결합 회로(209d)에 자기적으로 결합된다. 이를 위해, 여기 소스(213)는 1차측으로서 작용하는 코일(LP)에 결합되고, 코일(L2d)은 2차측으로서 작용한다. 대안으로서, 코일(L1d)은 2차측으로서도 역시 작용할 수도 있다.
원하는 Zenneck 표면파의 전송을 위해 다상 도파관 프로브(200d)를 조정하기 위하여, 각각의 충전 단자(T1 및 T2)의 높이는 손실성 전도성 매체(203)에 관해 및 서로에 관해 변경될 수 있다. 또한, 충전 단자(T1 및 T2)의 크기가 변경될 수 있다. 또한, 코일들(L1d 및 L2d) 각각의 크기는, 권선을 추가 또는 제거함으로써, 또는 각각의 코일(L1d 및 L2d)의 어떤 다른 치수를 변경함으로써 변경될 수 있다.
이제 도 7e를 참조하면, 한 실시예에 따른, 여기서는 다상 도파관 프로브(200e)로서 표시된, 다상 도파관 프로브(200)(도 6)의 역시 또 예가 도시되어 있다. 다상 도파관 프로브(200e)는, 손실성 전도성 매체(203)에 의해 제공된 평면에 대해 실질적으로 수직인 수직 축 z를 따라 위치한 충전 단자(T1 및 T2)를 포함한다. 제2 매체(206)는 손실성 전도성 매체(203) 위에 있다. 충전 단자(T1 및 T2)는 수직 축 z를 따라 위치되어 전술된 바와 같이 생성된 Zenneck 표면파에서 원통형 대칭성을 제공한다. 충전 단자(T1)는 자기-커패시턴스 C1을 가지며, 충전 단자(T2)는 자기-커패시턴스 C2를 갖는다. 동작 동안에, 임의의 주어진 순간에 충전 단자(T1 및 T2)에 인가되는 전압에 따라, 각각 충전 단자(T1 및 T2)에 전하(Q1 및 Q2)가 부과된다. 충전 단자(T1, T2) 사이에는 그들 사이의 거리에 따라 상호 커패시턴스 CM이 존재할 수도 있다. 또한, 손실성 전도성 매체(203)에 관한 각각의 충전 단자(T1 및 T2)의 높이에 따라, 각각의 충전 단자(T1 및 T2)와 손실성 전도성 매체(203) 사이에는 구속 커패시턴스가 존재할 수 있다.
다상 도파관 프로브(200e)는 또한 제1 코일(L1e) 및 저항기(R2)를 포함하는 프로브 결합 회로(209e)를 포함한다. 제1 코일(L1e)의 제1 리드는 충전 단자(T1)에 결합되고, 제1 코일(L1e)의 제2 리드는 손실성 전도성 매체(203)에 결합된다. 저항기(R2)의 제1 리드는 충전 단자(T2)에 결합되고, 저항기(R2)의 제2 리드는 손실성 전도성 매체(203)에 결합된다.
여기 소스(213)는, 전술된 다상 도파관 프로브(200a)(도 7a)와 관련하여 언급된 것과 유사한 방식으로 프로브 결합 회로(209e)에 자기적으로 결합된다. 이를 위해, 여기 소스(213)는 1차측으로서 작용하는 코일(LP)에 결합되고, 코일(L1e)은 2차측으로서 작용한다.
원하는 Zenneck 표면파의 전송을 위해 다상 도파관 프로브(200e)를 조정하기 위하여, 각각의 충전 단자(T1 및 T2)의 높이는 손실성 전도성 매체(203)에 관해 및 서로에 관해 변경될 수 있다. 또한, 충전 단자(T1 및 T2)의 크기가 변경될 수 있다. 또한, 코일(L1e)의 크기는, 권선의 추가 또는 제거에 의해, 또는 코일(L1e)의 어떤 다른 치수의 변경에 의해 변경될 수 있다. 또한, 저항(R2)의 크기도 역시 조정될 수 있다.
이제 도 7f를 참조하면, 한 실시예에 따른, 여기서는 다상 도파관 프로브(200f)로서 표시된, 다상 도파관 프로브(200)(도 6)의 추가 예가 도시되어 있다. 다상 도파관 프로브(200f)는, 충전 단자(T1), 및 제2 충전 단자로서 작용하는 접지 스크린(G)을 포함한다. 충전 단자(T1) 및 접지 스크린(G)은 손실성 전도성 매체(203)에 의해 제공된 평면에 실질적으로 수직인 수직 축 z를 따라 위치한다. 제2 매체(206)는 손실성 전도성 매체(203) 위에 있다. 전송 구조물의 높이 h를 계산하기 위해, 충전 단자(T1)의 높이 H1로부터 접지 스크린(G)의 높이 H2를 감산한다.
충전 단자(T1)는 자기-커패시턴스(C1)를 갖고, 접지 스크린(G)은 자기-커패시턴스(C2)를 갖는다. 동작 동안에, 임의의 주어진 순간에 충전 단자(T1) 및 접지 스크린(G)에 인가된 전압에 따라, 충전 단자(T1) 및 접지 스크린(G)에 각각 전하(Q1 및 Q2)가 부과된다. 충전 단자(T1)와 접지 스크린(G) 사이에는 그 사이의 거리에 따라 상호 커패시턴스(CM)가 존재할 수 있다. 또한, 손실성 전도성 매체(203)에 관한 충전 단자(T1) 및 접지 스크린(G)의 높이에 따라, 충전 단자(T1) 및/또는 접지 스크린(G)과 손실성 전도성 매체(203) 사이에는 구속 커패시턴스가 존재할 수 있다. 일반적으로, 구속 커패시턴스는, 손실성 전도성 매체(203)로의 그 근접에 기인하여 접지 스크린(G)과 손실성 전도성 매체(203) 사이에 존재할 것이다.
다상 도파관 프로브(200f)는, 충전 단자(T1) 및 접지 스크린(G)에 결합되는 한 쌍의 리드를 갖는 코일(L1f)을 포함하는 유도성 임피던스로 구성된 프로브 결합 회로(209f)를 포함한다. 한 실시예에서, 코일(L1f)은 다상 도파관 프로브(200f)의 동작 주파수에서 파장의 절반(1/2)인 전기적 길이를 갖도록 명시된다.
코일(L1f)의 전기적 길이는, 동작 주파수에서의 파장의 약 절반(1/2)으로서 명시되지만, 코일(L1f)은 다른 값의 전기적 길이로 명시될 수도 있다는 것을 이해할 것이다. 한 실시예에 따르면, 코일(L1f)이 동작 주파수에서의 약 절반 파장의 전기적 길이를 갖는다는 사실은, 충전 단자(T1) 및 접지 스크린(G) 상에 최대 전압차가 생성된다는 이점을 제공한다. 그럼에도 불구하고, Zenneck 표면파 모드의 최적 전송을 획득하기 위해 다상 도파관 프로브(200f)를 조정할 때, 코일(L1f)의 길이 또는 직경이 증가 또는 감소될 수 있다. 대안으로서, 유도성 임피던스는 다상 도파관 프로브(200f)의 동작 주파수에서의 파장의 1/2보다 현저히 작거나 큰 전기적 길이를 갖도록 명시될 수 있다.
한 실시예에 따르면, 여기 소스(213)는 자기적 결합에 의해 프로브 결합 회로(209f)에 결합된다. 구체적으로, 여기 소스(213)는, 코일(L1f)에 유도성 결합되는 코일(LP)에 결합된다. 이것은, 링크 결합, 페이서/커플링 네트워크(phasor/coupling network), 또는 이해할 수 있는 다른 접근법에 의해 이루어질 수 있다. 이를 위해, 이해할 수 있는 바와 같이, 코일(LP)은 1차 코일로서 작용하고, 코일(L1f)은 2차 코일로서 작용할 수 있다.
원하는 Zenneck 표면파의 론칭과 전송을 위해 다상 도파관 프로브(200a)를 조정하기 위하여, 각각의 충전 단자(T1 및 T2)의 높이는 손실성 전도성 매체(203)에 관해 및 서로에 관해 변경될 수 있다. 또한, 충전 단자(T1 및 T2)의 크기가 변경될 수 있다. 또한, 코일(L1f)의 크기는, 권선의 추가 또는 제거에 의해, 또는 코일(L1f)의 어떤 다른 치수의 변경에 의해 변경될 수 있다.
이제 도 7g를 참조하면, 한 실시예에 따른, 여기서는 다상 도파관 프로브(200g)로서 표시된, 다상 도파관 프로브(200)(도 6)의 또 예가 도시되어 있다. 다상 도파관 프로브(200g)는, 손실성 전도성 매체(203)에 의해 제공된 평면에 대해 실질적으로 수직인 수직 축 z를 따라 위치한 충전 단자(T1 및 T2)를 포함한다. 제2 매체(206)는 손실성 전도성 매체(203) 위에 있다. 충전 단자(T1 및 T2)는 수직 축 z를 따라 위치되어 전술된 바와 같이 생성된 Zenneck 표면파에서 원통형 대칭성을 제공한다. 충전 단자(T1)는 자기-커패시턴스 C1을 가지며, 충전 단자(T2)는 자기-커패시턴스 C2를 갖는다. 동작 동안에, 임의의 주어진 순간에 충전 단자(T1 및 T2)에 인가되는 전압에 따라, 각각 충전 단자(T1 및 T2)에 전하(Q1 및 Q2)가 부과된다. 충전 단자(T1, T2) 사이에는 그들 사이의 거리에 따라 상호 커패시턴스 CM이 존재할 수도 있다. 또한, 손실성 전도성 매체(203)에 관한 각각의 충전 단자(T1 및 T2)의 높이에 따라, 각각의 충전 단자(T1 및 T2)와 손실성 전도성 매체(203) 사이에는 구속 커패시턴스가 존재할 수 있다.
다상 도파관 프로브(200g)는 또한, 제1 코일(L1g), 제2 코일(L2g), 및 가변 커패시터(CV)를 포함하는 프로브 결합 회로(209g)를 포함한다. 제1 코일(L1g)은 도시된 바와 같이 충전 단자(T1, T2) 각각에 결합된다. 제2 코일(L2g)은, 가변 커패시터(CV)에 결합되는 제1 리드와 손실성 전도성 매체(203)에 결합되는 제2 리드를 갖는다. 가변 커패시터(CV)는, 차례로, 충전 단자(T2) 및 제1 코일(L1g)에 결합된다.
여기 소스(213)는, 전술된 다상 도파관 프로브(200a)(도 7a)와 관련하여 언급된 것과 유사한 방식으로 프로브 결합 회로(209g)에 자기적으로 결합된다. 이를 위해, 여기 소스(213)는 1차측으로서 작용하는 코일(LP)에 결합되고, 코일(L1g) 또는 코일(L2g) 중 하나는 2차측으로서 작용할 수 있다.
원하는 Zenneck 표면파의 론칭과 전송을 위해 다상 도파관 프로브(200g)를 조정하기 위하여, 각각의 충전 단자(T1 및 T2)의 높이는 손실성 전도성 매체(203)에 관해 및 서로에 관해 변경될 수 있다. 또한, 충전 단자(T1 및 T2)의 크기가 변경될 수 있다. 또한, 코일들(L1g 및 L2g) 각각의 크기는, 권선을 추가 또는 제거함으로써, 또는 각각의 코일(L1g 및 L2g)의 어떤 다른 치수를 변경함으로써 변경될 수 있다. 또한, 가변 커패시턴스(CV)가 조정될 수도 있다.
이제 도 7h를 참조하면, 한 실시예에 따른, 여기서는 다상 도파관 프로브(200h)로서 표시된, 다상 도파관 프로브(200)(도 6)의 역시 또 다른 예가 도시되어 있다. 다상 도파관 프로브(200h)는, 손실성 전도성 매체(203)에 의해 제공된 평면에 대해 실질적으로 수직인 수직 축 z를 따라 위치한 충전 단자(T1 및 T2)를 포함한다. 제2 매체(206)는 손실성 전도성 매체(203) 위에 있다. 충전 단자(T1)는 자기-커패시턴스 C1을 가지며, 충전 단자(T2)는 자기-커패시턴스 C2를 갖는다. 동작 동안에, 임의의 주어진 순간에 충전 단자(T1 및 T2)에 인가되는 전압에 따라, 각각 충전 단자(T1 및 T2)에 전하(Q1 및 Q2)가 부과된다. 충전 단자(T1, T2) 사이에는 그들 사이의 거리에 따라 상호 커패시턴스 CM이 존재할 수도 있다. 또한, 손실성 전도성 매체(203)에 관한 각각의 충전 단자(T1 및 T2)의 높이에 따라, 각각의 충전 단자(T1 및 T2)와 손실성 전도성 매체(203) 사이에는 구속 커패시턴스가 존재할 수 있다.
다상 도파관 프로브(200h)는 또한, 제1 코일(L1h) 및 제2 코일(L2h)을 포함하는 프로브 결합 회로(209h)를 포함한다. 제1 코일(L1h)의 제1 리드는 충전 단자(T1)에 결합되고, 제1 코일(L1h)의 제2 리드는 제2 충전 단자(T2)에 결합된다. 제2 코일(L2h)의 제1 리드는 단자(TT)에 결합되고, 제2 코일(L2h)의 제2 리드는 손실성 전도성 매체(203)에 결합된다. 단자(TT)는, 충전 단자(T2)와 단자(TT) 사이에 결합 커패시턴스(CC)가 존재하도록 충전 단자(T2)에 관해 위치한다.
여기 소스(213)는, 전술된 다상 도파관 프로브(200a)(도 7a)와 관련하여 언급된 것과 유사한 방식으로 프로브 결합 회로(209h)에 자기적으로 결합된다. 이를 위해, 여기 소스(213)는 1차측으로서 작용하는 코일(LP)에 결합되고, 코일(L2h)은 2차측으로서 작용한다. 대안으로서, 코일(L1h)은 2차측으로서도 역시 작용할 수도 있다.
원하는 Zenneck 표면파의 론칭과 전송을 위해 다상 도파관 프로브(200h)를 조정하기 위하여, 각각의 충전 단자(T1 및 T2)의 높이는 손실성 전도성 매체(203)에 관해 및 서로에 관해 변경될 수 있다. 또한, 충전 단자(T1 및 T2)의 크기가 변경될 수 있다. 또한, 코일들(L1h 및 L2h) 각각의 크기는, 권선을 추가 또는 제거함으로써, 또는 각각의 코일(L1h 및 L2h)의 어떤 다른 치수를 변경함으로써 변경될 수 있다. 또한, 충전 단자(T2)와 단자(TT) 사이의 간격은 변경될 수 있으며, 이로써 이해할 수 있는 바와 같이 결합 커패시턴스(CC)를 수정한다.
이제 도 7i를 참조하면, 한 실시예에 따른, 여기서는 다상 도파관 프로브(200i)로서 표시된, 다상 도파관 프로브(200)(도 6)의 역시 또 예가 도시되어 있다. 다상 도파관 프로브(200i)는, 후술하는 바와 같이 여기 소스(213)가 프로브 결합 회로(209i)에 직렬 결합된다는 사실을 제외하고는 다상 도파관 프로브(200h)(도 7h)와 매우 유사하다.
이를 위해, 다상 도파관 프로브(200i)는, 손실성 전도성 매체(203)에 의해 제공된 평면에 대해 실질적으로 수직인 수직 축 z를 따라 위치한 충전 단자(T1 및 T2)를 포함한다. 제2 매체(206)는 손실성 전도성 매체(203) 위에 있다. 충전 단자(T1)는 자기-커패시턴스 C1을 가지며, 충전 단자(T2)는 자기-커패시턴스 C2를 갖는다. 동작 동안에, 임의의 주어진 순간에 충전 단자(T1 및 T2)에 인가되는 전압에 따라, 각각 충전 단자(T1 및 T2)에 전하(Q1 및 Q2)가 부과된다. 충전 단자(T1, T2) 사이에는 그들 사이의 거리에 따라 상호 커패시턴스 CM이 존재할 수도 있다. 또한, 손실성 전도성 매체(203)에 관한 각각의 충전 단자(T1 및 T2)의 높이에 따라, 각각의 충전 단자(T1 및 T2)와 손실성 전도성 매체(203) 사이에는 구속 커패시턴스가 존재할 수 있다.
다상 도파관 프로브(200i)는 또한, 제1 코일(L1i) 및 제2 코일(L2i)을 포함하는 프로브 결합 회로(209i)를 포함한다. 제1 코일(L1i)의 제1 리드는 충전 단자(T1)에 결합되고, 제1 코일(L1i)의 제2 리드는 제2 충전 단자(T2)에 결합된다. 제2 코일(L2i)의 제1 리드는 단자(TT)에 결합되고, 제2 코일(L2i)의 제2 리드는 여기 소스(213)의 출력에 결합된다. 또한, 여기 소스(213)의 접지 리드는 손실성 전도성 매체(203)에 결합된다. 단자(TT)는, 충전 단자(T2)와 단자(TT) 사이에 결합 커패시턴스(CC)가 존재하도록 충전 단자(T2)에 관해 위치한다.
다상 도파관 프로브(200i)는, 여기 소스(213)가 전술된 바와 같이 프로브 결합 회로(209i)에 직렬 결합되는 한 예를 제공한다. 특히, 여기 소스(213)는 코일(L2i)과 손실성 전도성 매체(203) 사이에 결합된다.
원하는 Zenneck 표면파의 론칭과 전송을 위해 다상 도파관 프로브(200i)를 조정하기 위하여, 각각의 충전 단자(T1 및 T2)의 높이는 손실성 전도성 매체(203)에 관해 및 서로에 관해 변경될 수 있다. 또한, 충전 단자(T1 및 T2)의 크기가 변경될 수 있다. 또한, 코일들(L1i 및 L2i) 각각의 크기는, 권선을 추가 또는 제거함으로써, 또는 각각의 코일(L1i 및 L2i)의 어떤 다른 치수를 변경함으로써 변경될 수 있다. 또한, 충전 단자(T2)와 단자(TT) 사이의 간격은 변경될 수 있으며, 이로써 이해할 수 있는 바와 같이 결합 커패시턴스(CC)를 수정한다.
이제 도 7j를 참조하면, 한 실시예에 따른, 여기서는 다상 도파관 프로브(200j)로서 표시된, 다상 도파관 프로브(200)(도 6)의 예가 도시되어 있다. 다상 도파관 프로브(200j)는, 손실성 전도성 매체(203)에 의해 제공된 평면에 대해 실질적으로 수직인 수직 축 z를 따라 위치한 충전 단자(T1 및 T2)를 포함한다. 제2 매체(206)는 손실성 전도성 매체(203) 위에 있다. 이 실시예에서, 충전 단자(T1)는 구면체를 포함하고 충전 단자(T2)는 디스크를 포함한다. 이와 관련하여, 다상 도파관 프로브(200j)는 충전 단자(TN)가 임의의 형상을 포함할 수 있다는 예시를 제공한다.
충전 단자(T1)는 자기-커패시턴스 C1을 가지며, 충전 단자(T2)는 자기-커패시턴스 C2를 갖는다. 동작 동안에, 임의의 주어진 순간에 충전 단자(T1 및 T2)에 인가되는 전압에 따라, 각각 충전 단자(T1 및 T2)에 전하(Q1 및 Q2)가 부과된다. 충전 단자(T1, T2) 사이에는 그들 사이의 거리에 따라 상호 커패시턴스 CM이 존재할 수도 있다. 또한, 손실성 전도성 매체(203)에 관한 각각의 충전 단자(T1 및 T2)의 높이에 따라, 각각의 충전 단자(T1 및 T2)와 손실성 전도성 매체(203) 사이에는 구속 커패시턴스가 존재할 수 있다.
다상 도파관 프로브(200j)는, 충전 단자(T1 및 T2) 각각에 결합된 한 쌍의 리드를 갖는 코일(L1j)을 포함한 유도성 임피던스를 포함하는 프로브 결합 회로(209j)를 포함한다. 한 실시예에서, 코일(L1j)은 다상 도파관 프로브(200j)의 동작 주파수에서 파장의 절반(1/2)인 전기적 길이를 갖도록 명시된다. 코일(L1j)의 전기적 길이는 동작 주파수에서의 파장의 약 절반(1/2)으로서 명시되어 있지만, 코일(L1j)은 전술된 다상 도파관 프로브(200a)(도 7a)을 참조하여 논의된 바와 같이 다른 값들의 전기적 길이로 명시될 수도 있다. 또한, 프로브 결합 회로(209j)는, 손실성 전도성 매체(203)에 결합되는 코일(L1j) 상의 탭(223)을 포함한다.
여기 소스(213)는, 전술된 다상 도파관 프로브(200a)(도 7a)와 관련하여 언급된 것과 유사한 방식으로 프로브 결합 회로(209j)에 자기적으로 결합된다. 이를 위해, 여기 소스(213)는 1차측으로서 작용하는 코일(LP)에 결합되고, 코일(L1j)은 2차측으로서 작용한다. 코일(LP)은 코일(L1j)을 따라 임의의 장소에 위치할 수 있다. 또한, 코일(LP)은 탭(223)의 위 또는 아래에 위치할 수 있다.
원하는 Zenneck 표면파의 론칭과 전송을 위해 다상 도파관 프로브(200j)를 조정하기 위하여, 각각의 충전 단자(T1 및 T2)의 높이는 손실성 전도성 매체(203)에 관해 및 서로에 관해 변경될 수 있다. 또한, 충전 단자(T1 및 T2)의 크기가 변경될 수 있다. 또한, 코일(L1j)의 크기는, 권선의 추가 또는 제거에 의해, 또는 코일(L1j)의 어떤 다른 치수의 변경에 의해 변경될 수 있다. 또한, 코일(L1j) 상의 탭(223)의 위치는 조정될 수 있다.
도 7a 내지 도 7j의 다상 도파관 프로브(200a-j)의 다양한 실시예를 참조하면, 각각의 다상 도파관 프로브(200a-j)는, 손실성 전도성 매체(203)의 표면을 따라 가이드된 파동 또는 도파관 모드의 형태로 전달된 에너지를 전송하도록 여기될 수 있다. 이러한 전송을 용이하게 하기 위해, 각각의 다상 도파관 프로브(200a-j)가 여기될 때 각각의 충전 단자(T1 및 T2) 상에 원하는 전압 크기 및 위상을 부과하도록 다상 도파관 프로브들(200a-j) 각각의 요소가 조정될 수 있다. 이러한 여기는, 전술된 바와 같이 여기 소스(213)로부터 각각의 다상 도파관 프로브(200a-j)에 에너지를 인가함으로써 발생할 수 있다.
충전 단자(T1 및 T2)에 부과되는 전압 크기 및 위상은, 잠재적으로 손실성 전도성 매체(203)의 로컬 유전률 εr, 전도도 σ, 및 잠재적으로 다른 파라미터들이 주어진다면, 전송 장소에서 손실성 전도성 매체(203)의 가이드된 또는 Zenneck 표면-도파관 모드와 실질적으로 모드-정합되는 장들을 실질적으로 합성하기 위해 조정될 수 있다. 표면-가이드된 파동의 도파관 모드는, 상기 수학식 (21), (22), 및 (23)으로 표현된다. 이 표면-도파관 모드는, 미터 암페어 단위로 수학식 (20)으로 표현되는 반경방향 표면 전류 밀도를 갖는다.
수학식 (21), (22), 및 (23)으로 표현된 표면-도파관 모드와 정확히 정합하는 장들을 합성하는 것이 어려울 수도 있다는 것을 이해할 것이다. 그러나, 이러한 장들이 표면-도파관 모드와 적어도 근사하다면, 가이드된 표면파가 론칭될 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 장들은, 가이드된 표면파를 론칭하도록 허용가능한 공학적 공차 내에서 표면-도파관 모드와 정합하도록 합성된다.
마찬가지로, 합성된 반경방향 표면 전류 밀도는 전술된 합성된 장들로부터 기인하는, Zenneck 표면-도파관 모드의 반경방향 표면 전류 밀도와 정확하게 정합하는 반경방향 표면 전류 밀도를 합성하는 것이 어려울 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 다상 도파관 프로브(200)는, Zenneck 표면파 모드를 론칭하도록 허용가능한 공학적 공차 내에서 가이드된 표면-도파관 모드의 반경방향 표면 전류 밀도를 정합시키도록 조정될 수 있다. 복소 거리에서 특정한 전하 분포들과 그들의 이미지를 생성함으로써, 전술된 다양한 다상 도파관 프로브(200a-j)가 표면 전류를 여기시키고, 그 장들은 전파하는 Zenneck 표면파 모드와 거의 정합하도록 설계되며, Zenneck 표면파가 론칭된다. 전술된 다양한 다상 도파관 프로브(200a-j) 고유의 이러한 복소 이미지 기술 덕분에, 가이딩 계면이 전송 장소에서 지지하기를 원하는 표면 도파관 모드에 실질적으로 모드-정합할 수 있다. 가이딩 계면은 전술된 바와 같이 영역 1(도 2)과 영역 2(도 2) 사이의 계면이다. 한 실시예에 따르면, 가이딩 계면은, 전술된 바와 같이 지구에 의해 제공된 손실성 전도성 매체(203)와 대기 매체 사이의 계면이다.
충전 단자(T1 및 T2)에 부과되는 전압 크기 및 위상이 조정되되, 그들 및 복소 깊이들에서의 그들의 유효 이미지와 함께, 복소 표면 전류로서 그 장들이 전송 장소에서의 손실성 전도성 매체(203)의의 Zenneck 표면-도파관 모드와 실질적으로 정합하는 장들을 합성하는 복소 표면 전류를 여기시키도록 조정될 때, Leontovich 경계 조건에 의해, 이러한 장들은 자동으로 손실성 전도성 매체(203)의 복소 Brewster 각도에서 입사하는 파면을 실질적으로 합성하여, 제로 반사를 야기한다. 이것은 경계에서 파동 정합의 조건이다.
다음으로, 도 8a, 8b, 및 8c를 참조하면, Zenneck 표면파와 종래의 방사된 장들 사이의 비교의 목적을 위해 킬로미터 단위의 거리의 함수로서 미터당 Volt 단위의 장 강도를 도시하는 그래프들(300a, 300b 및 300c)의 예가 도시되어 있다. 또한, 다양한 그래프(300a, 300b 및 300c)는, Zenneck 표면파의 전송 거리가 전송 주파수에 따라 어떻게 변하는지를 나타낸다.
각각의 그래프(300a, 300b 및 300c)는, 대응하는 가이드된 장 강도 곡선(303a, 303b 및 303c) 및 대응하는 방사된 장 강도 곡선(306a, 306b 및 306c)을 도시한다. 가이드된 장 강도 곡선(303a, 303b, 303c)은 다양한 파라미터를 취하여 생성되었다. 구체적으로, 그래프(300a, 300b 및 300c)는, 각각 10 MHz, 1 MHz 및 0.1 MHz의 주파수에서 상위 단자(T1)(도 3)에 인가되는 일정한 전하 Q1(도 3)을 이용하여 계산되었다. 연방 통신 위원회(Federal Communications Commission, FCC)가 정한 오하이오 중부의 R-3 지도에서 취한 εr = 15 및 σ = 0.008 mhos/m의 구성 파라미터들이 계산 목적을 위해 이용되었다. 이하의 표는, 가이드된 장 강도 곡선(303a, 303b, 303c)의 각각을 생성하기 위해 취해진 다상 도파관 프로브 동작 파라미터들을 제공한다.
Figure pct00080
물리적으로 실현 가능한 동작을 달성하기 위해, 단자 T1의 높이는 f = 0.1 MHz 및 1.0 MHz에 대해 HT1 = 8 미터로 명시되었지만, 전류 분배를 균일하게 유지하기 위해 10 MHz에서 0.8 미터로 단축되었다. 또한, 단자 T1의 자기-커패시턴스 C1은, f = 0.1 MHz 및 1.0 MHz에서의 동작을 위해 100pF로 설정되었다. 이 커패시턴스는 10 MHz에서의 이용에 대해 과도하게 크기 때문에, 이 경우 자기-커패시턴스 C1이 감소되었다. 그러나, 장 강도에 대한 제어 파라미터인 결과적인 단자 전하(QT1)는, 3개의 가이드된 장 강도 곡선(303a, 303b 및 303c) 모두에 대해 동일한 값으로 유지되었다.
그래프로부터, 주파수가 낮을수록 전파 감쇠가 적어지고 장들이 더 멀리 도달한다는 것을 알 수 있다. 그러나, 에너지 보존과 일치하여, 에너지 밀도는 거리에 따라 감소한다. 다르게 말하면, 주파수가 높을수록 에너지가 퍼지는 영역이 더 작아지기 때문에, 에너지 밀도가 커진다는 것이다. 따라서, Zenneck 표면파의 "무릎"은 주파수가 증가함에 따라 범위가 축소된다. 대안으로서, 주파수가 낮을수록, 다상 도파관 프로브(200)(도 6)를 이용하는 전송 장소로부터의 매우 큰 거리에서 Zenneck 표면파의 전파 감쇠가 작아지고 장 강도가 더 커진다.
각각의 경우에 대한 Zenneck 표면파는, 각각, 가이드된 장 강도 곡선(303a, 303b 및 303c)으로서 식별된다. 10 오옴의 추정된 접지 손실과 함께, 각각의 다상 도파관 프로브(200)와 동일한 높이의 짧은 수직 모노폴 안테나에 대한 미터당 Volt 단위의 Norton 지표파 장 강도는, 각각, 방사된 장 강도 곡선(306a, 306b, 및 306c)으로 표현된다. 이들 주파수에서 동작하는 모노폴 안테나 구조물에 대해서는 합리적으로 현실적인 가정이라고 확언한다. 결정적인 점은, 적절히 모드-정합된 다상 도파관 프로브는, 각각의 Zenneck 표면파의 가이드된 장 강도 곡선(303a-c)의 "무릎"을 막 벗어난 거리에서 임의의 모노폴의 방사장보다 극적으로 우수한 가이드된 표면파를 론칭한다는 것이다.
상기사항을 감안하여, 한 실시예에 따르면, 가이드된 표면파의 전파 거리는 전송 주파수의 함수로서 변화한다. 특히, 전송 주파수가 낮을수록, 가이드된 표면파의 지수 감쇠가 작아지고, 그에 따라, 가이드된 표면파가 더 멀리 전파될 것이다. 전술된 바와 같이, 가이드된 표면파의 장 강도는
Figure pct00081
의 비율로 떨어진 반면, 방사된 전자기장의 장 강도는 기하학적으로 1/d에 비례하여 떨어지며, 여기서, d는 킬로미터 단위의 거리이다. 따라서, 가이드된 장 강도 곡선들(303a, 303b, 303c) 각각은 전술된 바와 같이 무릎을 특징으로 한다. 여기서 설명된 다상 도파관 프로브의 전송 주파수가 감소함에 따라, 대응하는 가이드된 장 강도 곡선(303a, 303b 및 303c)의 무릎은 그래프에서 우측으로 밀릴 것이다.
도 8a는 10 메가헤르츠 주파수에서 생성된 가이드된 장 강도 곡선(303a) 및 방사된 장 강도 곡선(306a)을 도시한다. 도시된 바와 같이, 가이드된 표면파는 10 킬로미터 미만에서 아래로 떨어진다. 도 8b에서, 가이드된 장 강도 곡선(303b) 및 방사된 장 강도 곡선(306b)은 1 메가헤르츠의 주파수에서 발생된다. 가이드된 장 강도 곡선(303b)은 약 100 킬로미터에서 아래로 떨어진다. 마지막으로, 도 8c에서, 가이드된 장 강도 곡선(303c) 및 방사된 장 강도 곡선(306c)은 100 KHz(0.1 메가헤르츠)의 주파수에서 발생된다. 가이드된 장 강도 곡선(303c)은 4000-7000 킬로미터 사이에서 아래로 떨어진다.
주파수가 충분히 낮다면, 지구 전체에 가이드된 표면파를 전송하는 것이 가능할 수 있다는 점에 유의한다. 이러한 주파수는 약 20 내지 25 킬로헤르쯔 이하일 것이라고 생각된다. 이러한 저주파수에서, 손실성 전도성 매체(203)(도 6)는 평면이 아니며 구면체가 된다는 점에 유의해야 한다. 따라서, 손실성 전도성 매체 (203)가 지상 매체를 포함할 때, 가이드된 장 강도 곡선의 계산은, 전파 거리가 지상 매체의 크기에 접근하는 저주파수에서 구면체 형상을 고려하여 변경될 것이다.
상기 사항을 고려하여, 다양한 실시예에 따른, 손실성 전도성 매체(203)로서 지구의 지상 매체를 이용하여 다상 도파관 프로브 (200)(도 6)를 구성할 때의 몇 가지 일반적인 지침이 제공된다. 실제적인 접근법으로서, 동작 주파수를 명시하고, 구성될 각각의 다상 도파관 프로브(200)로부터 관심대상의 거리에서 가이드된 표면파의 원하는 장 강도를 식별할 수 있다.
이들 파라미터들이 주어지면, 명시된 거리에서 원하는 장 강도를 생성하기 위하여 상위 충전 단자(T1)(도 6) 상에 부과될 전하량(Q1)(도 6)을 결정할 수 있다. 필요한 전하 Q1을 결정하기 위해, 전송 장소에서의 지구의 유전율 εr과 지구의 전도도 σ를 획득할 필요가 있다. 이 값은, 예를 들어, 측정에 의해, 또는 연방 통신 위원회 또는 CCIR(Committee Consultif International Radio)에 의해 공개된 전도도 차트를 참조하여 획득될 수 있다. 명시된 거리에서의 유전율 ε r , 전도도 σ, 및 원하는 장 강도가 알려지면, 상기 수학식 (21)-(23)에 나와 있는 Zenneck의 정확한 표현으로부터 장 강도를 직접 계산하여 필요한 전하 Q1을 결정할 수 있다.
일단 필요한 전하(Q1)가 결정되고 나면, 다음으로, 어떤 전압(V)이 충전 단자(T1) 상에 필요한 전하(Q1)를 생성하는지에 따라 충전 단자(T1)의 자기-커패시턴스(C1)를 식별할 필요가 있다. 임의의 충전 단자(T) 상의 전하(Q)는 Q = CV로서 계산된다. 한 접근법에서, 충전 단자(T1) 상에 놓일 수 있는 허용가능한 전압(V)인 것으로 간주되는 것을 선택할 수 있고, 그 다음, 필요한 전하(Q1)를 달성하기 위해 요구되는 자기-커패시턴스(C1)를 갖도록 충전 단자(T1)를 구성할 수 있다. 대안으로서, 또 다른 접근법에서, 충전 단자(T1)의 특정 구성에 의해 달성가능한 자기-커패시턴스(C1)가 무엇인지를 결정할 수 있고, 그 다음, 필요한 전하(Q1)를 달성하기 위해 결과의 충전 단자(T1)를 요구되는 전압(V)으로 상승시킬 수 있다.
또한, 충전 단자(T1)의 필요한 자기-커패시턴스(C1) 및 충전 단자(T1)에 부과되는 전압(V)을 결정할 때 고려되어야 하는 동작 대역폭의 문제가 있다. 구체적으로는, 여기서 설명된 다상 도파관 프로브(200)의 대역폭은 비교적 크다. 이것은, 전술된 바와 같이 자기-커패시턴스(C1) 또는 전압(V)을 명시하는데 있어서 상당한 융통성으로 이어진다. 그러나, 자기-커패시턴스(C1)가 감소되고 전압(V)이 증가함에 따라, 결과적인 다상 도파관 프로브(200)의 대역폭은 감소할 것이라는 것을 이해해야 한다.
실험적으로, 더 작은 자기-커패시턴스(C1)는 주어진 다상 도파관 프로브(200)가 전송 장소 또는 그 부근에서 지구의 유전율 ε r 또는 전도도 σ의 작은 변화에 더 민감하게 할 수 있다는 점에 유의해야 한다. 유전율 ε r 또는 전도도 σ에서의 이러한 변화는, 계절이 바뀔 때의 날씨 변화에 기인하거나, 비, 가뭄, 및/또는 기타의 지역적 날씨 변화의 시작 등의, 지역적 날씨 조건에서의 변화에 기인하여 발생할 수도 있다. 결과적으로, 한 실시예에 따르면, 충전 단자(T1)는 실용적으로 비교적 큰 자기-커패시턴스(C1)를 갖도록 명시될 수 있다.
일단 충전 단자(T1)의 자기-커패시턴스(C1) 및 부과될 전압이 결정되고 나면, 그 다음, 자기-커패시턴스(C2) 및 제2 충전 단자(T2)의 물리적 위치가 결정되어야 한다. 실용적인 문제로서, 충전 단자(T2)의 자기-커패시턴스(C2)가 충전 단자(T1)의 자기-커패시턴스(C1)와 동일하도록 명시하는 것이 가장 쉬운 것으로 드러났다. 이것은, 충전 단자(T2)의 크기 및 형상을 충전 단자(T1)의 크기 및 형상과 동일하게 함으로써 달성될 수 있다. 이것은, 대칭성이 유지되고, 전술된 바와 같이 복소 Brewster 각도와의 정합을 달성하는데 부정적 영향을 미칠 수 있는 2개의 충전 단자(T1 및 T2) 사이의 비정상적인 위상 시프트의 가능성을 피하는 것을 보장할 것이다. 자기-커패시턴스(C1 및 C2)가 충전 단자(T1 및 T2) 양쪽 모두에 대해 동일하다는 사실은, 충전 단자(T1 및 T2)에서 동일한 전압 크기를 야기할 것이다. 그러나, 자기-커패시턴스(C1, C2)는 상이할 수 있고, 충전 단자(T1, T2)의 형상 및 크기는 상이할 수 있다는 것을 이해해야 한다.
대칭성을 촉진하기 위해, 충전 단자(T2)는 전술된 바와 같이 수직 축 z(도 6)을 따라 충전 단자(T1) 바로 아래에 위치할 수 있다. 대안으로서, 충전 단자(T2)를 어떤 다른 위치에 위치시키고 그에 따른 소정의 결과적 효과를 수반하는 것이 가능할 수 있다.
충전 단자(T1 및 T2) 사이의 거리는, 다상 도파관 프로브(200)에 의해 생성된 장들과 전송 장소에서의 가이드된 표면-도파관 모드 사이에 최상의 정합을 제공하도록 명시되어야 한다. 제안된 출발점으로서, 이 거리는 충전 단자(T1 및 T2) 사이의 상호 커패시턴스(CM)(도 6)가 충전 단자(T1) 상의 절연 커패시턴스(C1)와 같거나 작도록 설정될 수 있다. 궁극적으로, 상호 커패시턴스(CM)를 가능한 한 작게 하기 위해 충전 단자(T1 및 T2) 사이의 거리를 지정해야 한다. 상호 커패시턴스(CM)는 측정에 의해 결정될 수 있고, 충전 단자(T1 및 T2)는 그에 따라 위치결정될 수 있다.
그 다음, 다상 도파관 프로브(200)의 적절한 높이 h = H1 - H2(도 7a 내지 도 7j)가 결정된다. 소위 "이미지 복소-깊이" 현상이 여기서 발생한다. 이것은, 전하 Q1과 Q2를 갖는 전하 저장소 T1과 T2로부터의, 및 높이 h가 변화함에 따라 전하 Q1과 Q2의 표면아래 이미지들로부터의 지구의 표면 상의 중첩된 장들의 고려를 수반할 것이다. 주어진 다상 도파관 프로브(200)가 전송 장소에서의 지구의 가이드된 표면-도파관 모드와 모드-정합되도록 보장하기 위해 고려해야 할 상당한 수의 변수들로 인해, 실용적인 출발점은, 충전 단자(T1, T2)와 연관된 커패시턴스가 본질적으로 각각 이들의 격리된 자기-커패시턴스(C1 및 C2)가 되도록, 지면에 대한 전하 저장소(T1, T2) 각각의 구속 커패시턴스가 무시할 만한 정도가 되는 높이 h이다.
다상 도파관 프로브(200)와 연관된 높이(h)를 결정할 때 고려해야 할 또 다른 고려 사항은 방사가 회피되어야 하는지이다. 구체적으로는, 다상 도파관 프로브(200)의 높이(h)가 동작 주파수에서의 파장의 상당한 부분에 접근함에 따라, 전술된 바와 같이 방사 저항(Rr)은 높이(h)와 함께 2차식으로(quadratically) 증가할 것이고 방사는 가이드된 표면파의 생성을 지배하기 시작할 것이다. Zenneck 표면파가 임의의 방사를 지배하도록 보장하는 상기에 제시된 한 벤치마크는 높이 h가 동작 주파수에서의 파장의 10% 미만이도록 확실히 하는 것이지만, 다른 벤치마크가 명시될 수도 있다. 일부 경우에, 가이드된 표면파를 론칭하는 것에 추가하여 소정의 방사가 발생하는 것을 허용하는 것이 바람직할 수 있으며, 여기서, 높이 h는 그에 따라 명시될 수 있다.
그 다음, 프로브 결합 회로(209)(도 6)는, 충전 단자(T1 및 T2) 사이에 전압 위상을 제공하도록 명시된다. 전압 위상은, 전송 장소에서 가이드된 표면-도파관 모드와 모드-정합하는 장들을 생성하는 데 중요한 영향을 미치는 것으로 보인다. 대칭성을 촉진시키기 위해 충전 단자(T1 및 T2)의 배치가 수직 z 축을 따른다고 가정하면, 프로브 결합 회로(209)는 충전 단자(T1 및 T2) 상에서 180도의 전압 위상차를 제공하도록 명시될 수 있다. 즉, 충전 단자(T1) 상의 전압(V)이 충전 단자(T2)의 전압에 관해 180도 위상이 어긋나도록 프로브 결합 회로(209)가 명시된다.
전술된 바와 같이, 하나의 예시적인 접근법은, 다상 도파관 프로브(200a)를 참조하여 전술된 바와 같이 충전 단자(T1 및 T2) 사이에 코일(L1a)(도 7a)을 배치하고 결과 시스템이 전기적으로 반파장 공진될 때까지 코일(L1a)을 조정하는 것이다. 이것은 충전 단자(T1)에 전압 V를 인가하고 충전 단자(T2)에 전압 -V를 인가하여, 가장 큰 전압이 충전 단자(T1 및 T2) 상에 180도 위상차로 배치되도록 할 것이다.
그 다음, 전술된 바와 같이, 여기 소스(213)(도 6)는 프로브 결합 회로(209)에 결합될 수 있고, 출력 전압은 필요한 전하(Q1)를 제공하기 위해 요구되는 전압 V를 달성하도록 조정된다. 여기 소스(213)는, 자기적 결합, 용량성 결합, 또는 전도성 결합(직접)을 통해 프로브 결합 회로(209)에 결합될 수 있다. 여기 소스(213)의 출력은, 변압기를 이용하여 또는 필요하다면 어떤 다른 접근법을 통해, 증가될 수 있다는 점에 유의한다. 코일(L1a)의 위치는, 지면 상에서 여기 소스(213)만큼 아래 등의, 임의의 장소에 있을 수 있다. 대안으로서, 최상의 RF 실행에 따라, 코일(L1a)은 전하 저장소(T1 및 T2) 사이에 직접 위치될 수 있다. 여기 소스(213)를 프로브 결합 회로(209)에 결합할 때 임피던스 정합의 원리가 적용될 수 있다.
위상차는 반드시 180도일 필요는 없다는 점에 유의한다. 이를 위해, 충전 단자(T1 및/또는 T2) 중 하나 또는 양쪽 모두를 높이고 낮추거나, 충전 단자(T1 및/또는 T2) 상의 전압(V)을 조정하거나, 프로브 결합 회로(209)를 조정하여 전압 크기들 및 위상들을 조정하여, 가이드된 표면파를 생성하기 위해 가이드된 표면-도파관 모드와 가장 가깝게 정합되는 장들을 생성하는 옵션을 가질 수 있다.
실험 결과
상기 개시내용 내용은 실험 측정치 및 문서화에 의해 지지된다. 도 9를 참조하면, Plymouth, New Hampshire에서 2012년 10월 14일에 측정된 실험용 다상 도파관 프로브의 한 실시예에 의해 전송된 전자기장의 측정된 장 강도를 나타내는 그래프가 도시되어 있다. 전송 주파수는 실험용 다상 도파관 프로브의 충전 단자(T1)에 60mV의 전압을 인가한 상태에서 59MHz였다. 실험용 다상 도파관 프로브의 자기-커패시턴스 C1은 8.5 pF였다. 테스트 장소에서의 지면의 전도도 σ는 0.0002 mhos/m이고, 테스트 장소에서의 지면의 유전율 εr은 5였다. 이들 값들은 현장에서 이용 중인 주파수에서 측정되었다.
그래프는, 아마도 최상으로 생각되는, 80% 효율의 "Zenneck" 곡선으로 라벨링된 가이드된 장 강도 곡선(400) 및 100% 방사 효율의 "Norton" 곡선으로 라벨링된 방사된 장 강도 곡선(403)을 포함한다. 이를 위해, 방사된 장 강도 곡선(403)은, 59MHz의 주파수에서 동작하는 1/4 파장 모노폴 안테나에 의해 생성될 방사되는 전자기장들을 나타낸다. 그래프 상의 원(406)은 실험용 다상 도파관 프로브에 의해 생성된 측정된 장 강도들을 나타낸다. 장 강도 측정은, NIST-traceable Potomac Instruments FIM-71 상업용 VHF 장 강도 계측기로 수행되었다. 볼 수 있는 바와 같이, 측정된 장 강도는 이론적인 가이드된 장 강도 곡선(400)을 따라 떨어진다. 이들 측정된 장 강도들은 가이드된 또는 Zenneck 표면파의 전파(propagation)와 일치한다.
다음으로 도 10을 참조하면, 실험용 다상 도파관 프로브로부터 전송된 전자기파의 측정된 위상을 나타내는 그래프가 도시되어 있다. 곡선 J(r)은, 도시된 바와 같이, 전류 J1과 J2 사이의 천이와 함께 전류 J1과 J2로 입사하는 장들의 위상을 나타낸다. 곡선(503)은 전류(J1)의 위상을 나타내는 점근선을 나타내고 곡선(506)은 전류(J2)의 위상을 나타내는 점근선을 나타낸다. 각각의 전류(J1 및 J2)의 위상들 사이에는 일반적으로 약 45도의 차이가 존재한다. 원(509)은, 도 9에서와 같이 59 MHz에서 동작하는 실험용 다상 도파관 프로브에 의해 생성된 전류 J(r)의 위상의 측정치를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 원(509)은, 곡선(503)으로부터 곡선(506)으로의 전류 J(r)의 위상의 천이가 있다는 것을 나타내는 곡선 J(r)을 따라 떨어진다. 이것은, 실험용 다상 도파관 프로브에 의해 생성된 전류 J(r)의 위상이 근접지 전류 J1에 의해 생성된 위상으로부터 원격지 전류 J2로 천이한다는 것을 나타낸다. 따라서, 이들 위상 측정치들은 가이드된 또는 Zenneck 표면파가 존재하는 위상과 일치한다.
도 11을 참조하면, 2003년 11월 1일에, Lake Winnipesaukee 북쪽 지역을 가로질러, Ashland, New Hampshire 부근에서 측정된 실험용 다상 도파관 프로브의 제2 실시예에 의해 전송된 전자기장의 장 강도를 나타내는 제2 세트의 측정된 데이터의 그래프가 도시되어 있다. 전송 주파수는 실험용 다상 도파관 프로브의 충전 단자(T1)에 1250V의 전압을 인가한 상태에서 1850 kHz였다. 실험용 다상 도파관 프로브의 물리적 높이는 H1 = 2m였다. 이 실험에서 반경 1m의 납작한 전도성 디스크인 실험용 다상 도파관 프로브의 자기-커패시턴스 C1은 70pF인 것으로 측정되었다. 다상 도파관 프로브는, 간격 h = 1 미터이고 지면(손실성 전도성 매체(203)) 위의 충전 단자(T2)의 높이 H2 = 1 미터로 도 7j에 도시된 바와 같이 배열되었다. 실험장 부근의 지면의 평균 전도도 σ는 0.006 mhos/m였고 지면의 비유전율 εr은 15 정도였다. 이들은 이용 빈도에 따라 결정되었다.
그래프는, 85% 효율의 "Zenneck" 곡선으로서 라벨링된 실험용 다상 도파관 프로브에 의해 론칭되는 가이드된 장 강도 곡선(600), 및 20개의 반경방향 와이어를 등간격으로 배치하고 각각이 200 feet 길이인 지상 스크린 위에서 동일한 높이 H2 = 2미터의 공진된 모노폴로부터 방사된 "Norton" 곡선으로서 라벨링된 방사된 장 강도 곡선(603)을 포함한다. 이를 위해, 방사된 장 강도 곡선(603)은, 손실성 지구를 통해 1850 kHz의 주파수에서 동작하는 종래의 스터브 모노폴 안테나(stub monopole antenna)로부터 방사된 종래의 Norton 지표파 장을 나타낸다. 그래프 상의 원들(606)은, 실험용 다상 도파관 프로브에 의해 생성된 측정된 장 강도들을 나타낸다.
볼 수 있는 바와 같이, 측정된 장 강도들은 이론적인 Zenneck 가이드된 장 강도 곡선(600)을 따라 근접하게 떨어진다. r = 7 mile 지점에서 측정된 장 강도에 대한 특별한 언급이 이루어졌다. 이 장 강도 데이터 포인트는 호수의 해안 근처에서 측정되었으며, 이것은 이론적인 Zenneck 가이드된 장 강도 곡선(600) 위로 약간 벗어나는 데이터를 설명할 수 있다, 즉, 그 위치에서의 구성 파라미터들, εr 및/또는 σ는, 경로-평균 구성 파라미터들에서 상당히 벗어났다.
장 강도 측정은, NIST-traceable Potomac Instruments FIM-41 MF/HF 장 강도 계측기로 수행되었다. 측정된 장 강도 데이터는 가이드된 또는 Zenneck 표면파의 존재와 일치한다. 실험 데이터로부터, 15 mile 미만의 거리에서 관찰된 측정된 장 강도는 아마도 종래의 Norton 지표파 전파에 기인한 것일 수는 없고, 오직, 상기에 개시된 바와 같이 동작하는 다상 프로브에 의해 론칭된 가이드된 표면파에 기인할 것일 수 있다. 주어진 1.85 MHz 실험 조건하에서, 20 mile 밖에서 Norton 지표파 성분이 결국 Zenneck 표면파 성분을 추월한 것처럼 보인다.
59 MHz에서의 도 9에 도시된 측정된 Zenneck 표면파 데이터와 1.85 MHz에서의 도 11의 측정된 데이터의 비교는, 더 낮은 주파수들에서의 다양한 실시예에 따른 다상 도파관 프로브를 이용하는 큰 이점을 나타낸다.
이들 실험 데이터는, 적절하게 위상조정되고 조정된 복수의 충전 단자를 포함하는 본 개시내용의 다상 도파관 프로브가, 본원에서 교시된 바와 같이, arg(
Figure pct00082
)의 고유 위상 부스트를 갖고 그 장들이 여기서 개시된 바와 같이 손실성 경계에 대한 복소 Brewster 각도에서의 표면 조사를 합성하는 위상-전진된 표면 전류를 유도한다. 그 결과는, 기하학적 확산으로 인해 1/d로서 감소하는 방사장이 아니라,
Figure pct00083
로서 감쇠하는 소멸성 단일-도체 반경방향 전송-선로 모드로서 경계면에 의해 가이드되는 주면형 Zenneck형 파동 전파의 효율적인 론칭이다.
다음으로 도 12a, 도 12b 및 도 13을 참조하면, 무선 전력 전달 시스템에서 표면-가이드된 파동을 이용하기 위한 일반화된 수신 회로의 예가 도시되어 있다. 도 12a 및 도 12b는 선형 프로브(703) 및 동조 공진기(706)를 포함한다. 도 13은 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(203)(도 6)의 표면 상의 가이드된 표면파의 형태로 전송된 전력을 수신하기 위해 채택될 수 있다. 전술된 바와 같이, 한 실시예에서 손실성 전도성 매체(203)는 지상 매체를 포함한다.
도 12a를 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 pct00084
(43)
여기서, Einc는 선형 프로브(703) 상의 미터당 Volt 단위의 벡터 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 12b를 참조하면, 동조 공진기(706)는 손실성 전도성 매체(203) 위로 상승된 충전 단자(TR)를 포함한다. 충전 단자(TR)는 자기-커패시턴스 CR을 갖는다. 또한, 손실성 전도성 매체(203) 위의 충전 단자(TR)의 높이에 따라 충전 단자(TR)와 손실성 전도성 매체(203) 사이에는 구속 커패시턴스(미도시)가 있을 수도 있다. 구속 커패시턴스는 실행가능한 한 최소화되는 것이 바람직하지만, 다상 도파관 프로브(200)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(203)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(203) 사이의 커패시턴스를 포함할 수 있으며, 여기서, 동조 공진기(706)의 전체 커패시턴스는, 이해하는 바와 같이, 자기-커패시턴스 CR 및 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(203) 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 12b에 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 13을 참조하면, 자기 코일(709)은 임피던스 결합 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 pct00085
(44)
여기서, Ψ는 결합된 자속이고, μr은 자기 코일(709)의 코어의 유효 비투자율이고, μ0은 자유 공간의 투자율이며,
Figure pct00086
는 입사 자기장 강도 벡터이고,
Figure pct00087
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 pct00088
(45)
여기서 변수들은 위에서 정의되었다. 자기 코일(709)은, 경우에 따라, 분산형 공진기로서 또는 그 출력 단자(729)에 걸친 외부 커패시터와 함께 가이드된 파동 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 12a, 도 12b, 및 도 13을 참조하면, 선형 프로브(703), 동조 공진기(706), 및 자기 코일(709)에 의해 제공되는 수신 회로들 각각은, 전술된 다상 도파관 프로브(200)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 다상 도파관 프로브(200)에 인가되는 여기 소스(213)(도 3)의 부하가 되어 이러한 수신 회로들이 종속되는 가이드된 표면파를 생성한다는 것은, 전술된 다상 도파관 프로브(200)를 이용하여 생성된 현재의 가이드된 표면파의 특징이기도 하다. 이것은, 전술된 주어진 다상 도파관 프로브(200)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 수신 회로 및 주어진 다상 도파관 프로브(200)는 함께 무선 분배 시스템을 구성할 수 있다. 전술된 바와 같이 다상 도파관 프로브(200)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, 방사장들로부터의 "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 14a를 참조하면, 선형 프로브(703) 및 동조 공진기(706)를 나타내는 개략도가 도시되어 있다. 도 14b는 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 12a, 도 12b 및 도 13)는 부하 임피던스(ZL)로 나타낼 수 있다. 소스 임피던스 ZS는 실수 및 허수 성분을 모두 포함하며 ZS = RS + jXS 형태를 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. Tanner, 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.
다상 도파관 프로브(200)의 동작은, 가이드된 표면 도파관 프로브(200)와 연관된 동작 조건의 변화를 조정하도록 제어될 수 있다. 예를 들어, 프로브 제어 시스템(218)(도 6)은, 다상 도파관 프로브(200)의 동작을 제어하기 위해 프로브 결합 회로(209) 및/또는 충전 단자(T1 및/또는 T2)의 위치를 제어하는데 이용될 수 있다. 동작 조건은 손실성 전도성 매체(203)의 특성(예를 들어, 전도도 σ 및 비유전율 εr)의 변화, 장 강도의 변화 및/또는 가이드된 표면 도파관 프로브(200)의 부하 변화를 포함할 수 있지만, 이것으로 제한되지 않는다. 수학식 (7) 내지 (11), (13) 및 (34)에서 볼 수 있는 바와 같이, 반경방향 표면 전류 밀도 및 복소 Brewster 각도(Ψi,B)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(218)에 제공하는데 이용될 수 있다. 그 다음, 프로브 제어 시스템(218)은 다상 도파관 프로브(200)에 대한 명시된 동작 조건을 유지하기 위해 다상 도파관 프로브(200)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 다상 도파관 프로브(200) 주변의 복수의 장소에 위치할 수 있다. 일반적으로, 동작 주파수에서의 근접지 및 원격지 반경방향 표면 전류 사이의 천이 또는 그 부근에서 전도도 및/또는 유전율을 모니터링하는 것이 바람직할 것이다. 전도도 측정 프로브 및/또는 유전율 센서는, 다상 도파관 프로브(200) 주변의 복수의 장소(예를 들어, 각각의 4분원)에 위치할 수 있다.
도 15a는 토양 전도도의 변화를 모니터링하기 위해 설치될 수 있는 전도도 측정 프로브의 예를 도시한다. 도 15a에 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 15b에 도시된 바와 같이, 임피던스는, 예를 들어 임피던스 분석기(799)를 이용하여 토양(손실성 매체)에 삽입된 2개의 막대의 상부 사이에서 측정된다. 임피던스 분석기(799)가 이용된다면, 소정 주파수 범위에서 측정(R + jX)이 수행될 수 있으며, 전도도 및 유전율은 다음을 이용하여 주파수 의존적 측정으로부터 결정될 수 있으며
Figure pct00089
(46)
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(218)에 전달하도록 구성될 수 있다. 이 정보는, LAN, WLAN, 셀룰러 네트워크 또는 기타의 적절한 유선 또는 무선 통신 네트워크나 네트워크들의 조합을 포함한 그러나 이것으로 제한되지 않는 네트워크나 네트워크들의 조합을 통해 프로브 제어 시스템(218)에 전달될 수 있다. 모니터링된 전도도 및/또는 유전율에 기초하여, 프로브 제어 시스템(218)은 복소 Brewster 각도(Ψi,B) 및/또는 반경방향 표면 전류(또는 전류 밀도)에서의 변화를 평가하고, 동작 주파수에서 동작을 유지 및/또는 최적화하도록 다상 도파관 프로브(200)를 조정할 수 있다. 달리 말하면, 다상 도파관 프로브(200)와 연관된 다양한 파라미터들은 다상 도파관 프로브(200)를 원하는 동작 구성으로 조정하기 위해 변경될 수 있다.
이것은, 예를 들어 손실성 전도성 매체(203)의 표면에 관한 충전 단자(T1 및/또는 T2) 중 하나 또는 양쪽 모두의 높이(H1, H2) 뿐만 아니라 충전 단자(T1 및 T2) 사이의 거리 또는 간격을 조정함으로써 달성될 수 있다. 예를 들어, 프로브 제어 시스템(218)은, Zenneck 표면파의 전기장 강도를 최대치 또는 그 부근에 유지하기 위해 충전 단자(T2)의 높이(H2)를 조정할 수 있다. 대안으로서, 조정될 수 있는 또 다른 파라미터는, 연관된 자기-커패시턴스에 영향을 미치는 각각의 충전 단자(T1 및/또는 T2)의 크기이다. 또한, 조정될 수 있는 또 다른 파라미터는 다상 도파관 프로브(200)와 연관된 프로브 결합 회로(209)이다. 이것은, 프로브 결합 회로(209)를 구성하는 유도성 및/또는 용량성 리액턴스의 크기를 조정함으로써 달성될 수 있다. 예를 들어, 충전 단자(T1) 및/또는 충전 단자(T2)에 결합된 코일의 인덕턴스는, 코일 상의 탭 위치를 변화시킴으로써, 및/또는 코일을 따라 미리정의된 복수의 탭을 포함하고 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, 다상 도파관 프로브(200) 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(218)에 전달하도록 구성될 수 있다. 이 정보는, LAN, WLAN, 셀룰러 네트워크 또는 기타의 적절한 통신 네트워크나 네트워크들의 조합을 포함한 그러나 이것으로 제한되지 않는 네트워크나 네트워크들의 조합을 통해 프로브 제어 시스템(218)에 전달될 수 있다. 동작 동안에 부하 및/또는 환경 조건이 변화하거나 달라짐에 따라, 다상 도파관 프로브(200)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 T2)에 결합된 코일의 인덕턴스는 다상 도파관 프로브(200)에 의해 론칭되는 전자기장 강도를 개선 및/또는 최대화하도록 조정될 수 있다. 코일 인덕턴스(들) 중 하나 또는 양쪽 모두를 조정함으로써, 다상 도파관 프로브(200)는 장 강도가 Zenneck 표면파를 위한 적절한 레벨에 유지되게끔 보장하도록 조정될 수 있다. 이것은, 코일 상의 탭 위치를 조정하여 충전 단자(T1 및/또는 T2)에 결합된 인덕턴스를 변경시킴으로써 달성될 수 있다. 충전 단자(T1 및/또는 T2) 상의 전압 크기 및 위상도 역시 전기장 강도를 조정하기 위해 증가되거나 감소될 수 있다. 장 강도 레벨들을 미리정의된 범위 내로 유지하면, 수신기에 의한 결합을 개선하고, 접지 전류 손실을 감소시키며, 다른 다상 도파관 프로브(200)로부터의 전송과의 간섭을 피할 수 있다.
도 16a를 참조하면, 모니터링된 조건에 기초하여, 다상 도파관 프로브(200)의 동작을 조정하도록 구성된, 도 6의 프로브 제어 시스템(218)을 포함하는 적응형 제어 시스템(230)의 예가 도시되어 있다. 프로브 제어 시스템(218)은, 하드웨어, 펌웨어, 하드웨어에 의해 실행되는 소프트웨어, 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 프로브 제어 시스템(218)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, 다상 도파관 프로브(200)의 동작을 조정하기 위해 프로세서에 의해 실행될 수 있다. 프로브 제어 시스템(218)은 또한, 다양한 모니터링 디바이스와 통신하기 위한 하나 이상의 네트워크 인터페이스를 포함할 수 있다. 통신은, LAN, WLAN, 셀룰러 네트워크 또는 다른 적절한 통신 네트워크나 네트워크들의 조합 등의 그러나 이것으로 제한되지 않는 네트워크나 네트워크들의 조합을 통해 이루어질 수 있다. 프로브 제어 시스템(218)은, 예를 들어, 서버, 데스크탑 컴퓨터, 랩탑 또는 유사한 능력을 갖는 다른 시스템 등의 컴퓨터 시스템을 포함할 수 있다.
적응형 제어 시스템(230)은, 도 15a의 전도도 측정 프로브 및/또는 도 15b의 개방형 와이어 프로브나 임피던스 분석기(799) 등의 그러나 이것으로 제한되지 않는 하나 이상의 지면 파라미터 계측기(들)(233)을 포함할 수 있다. 지면 파라미터 계측기(들)(233)는 동작 주파수에서의 반경방향 표면 전류와 연관된 대략 천이 거리에서 다상 도파관 프로브(200) 주변에 분포될 수 있다. 예를 들어, 도 15b의 개방형 와이어 프로브 또는 임피던스 분석기(799)는, 전술된 바와 같이, 손실성 전도성 매체의 전도도 및 유전율을 모니터링하기 위해 다상 도파관 프로브(200) 주변의 각각의 사분면에 위치할 수 있다. 지면 파라미터 계측기(들)(233)는 주기적으로 손실성 전도성 매체의 전도도 및 유전율을 결정하고 이 정보를 다상 도파관 프로브(200)의 잠재적 조정을 위해 프로브 제어 시스템(218)에 전달하도록 구성될 수 있다. 일부 경우에, 지면 파라미터 계측기(들)(233)는 모니터링된 조건에서의 변화가 검출될 때에만 프로브 제어 시스템(218)에 정보를 전달할 수 있다.
또한, 적응형 제어 시스템(230)은, 전기장 강도(FS) 계측기 등의 그러나 이것으로 제한되지 않는, 하나 이상의 장 계측기(들)(236)를 포함할 수 있다. 장 계측기(들)(236)는, 가이드된 장 강도 곡선(103)(도 1)이 방사된 장 강도 곡선(106)(도 1) 보다 우세한 반경방향 표면 전류 천이 이상에서 다상 도파관 프로브(200) 주변에 분포될 수 있다. 예를 들어, 복수의 장 계측기(236)는, 전술된 바와 같이 전기장 강도를 모니터링하기 위해 다상 도파관 프로브(200)로부터 바깥쪽으로 연장되는 하나 이상의 반경을 따라 위치할 수 있다. 장 계측기(들)(236)는 주기적으로 장 강도를 결정하고 이 정보를 다상 도파관 프로브(200)의 잠재적 조정을 위해 프로브 제어 시스템(218)에 전달하도록 구성될 수 있다. 일부 경우에, 장 계측기(들)(236)는 모니터링된 조건에서의 변화가 검출될 때에만 프로브 제어 시스템(218)에 정보를 전달할 수 있다.
다른 변수들도 역시 모니터링되고 다상 도파관 프로브(200)의 동작을 조정하는데 이용될 수 있다. 예를 들어, 여기 소스(213)를 모니터링함으로써 실제 전력 전달이 결정될 수 있다. 일부 구현에서, 다상 도파관 프로브(200)는, 현재의 표시에 적어도 부분적으로 기초하여, 가이드된 표면 도파관 모드로의 결합을 최대화하도록 조정될 수 있다. 충전 단자(T1 및/또는 T2)에 결합되는 인덕턴스를 조정함으로써, 손실성 전도성 매체(203)(예를 들어, 지구)에서의 가이드된 표면파 전송을 위한 원하는 레벨 또는 범위에 전기장 강도가 유지될 수 있다. 이것은 코일 상의 탭 위치를 조정함으로써 달성될 수 있다.
과부하가 발생하지 않도록 보장하기 위해 여기 소스(213)가 또한 모니터링될 수 있다. 다상 도파관 프로브(200) 상의 실제 부하가 증가함에 따라, 여기 소스(213)의 출력 전압 또는 코일로부터 충전 단자(T1)에 공급된 전압이 증가되어 전자기장 강도 레벨들을 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(218)에 전달하도록 구성될 수 있다. 이 정보는, LAN, WLAN, 셀룰러 네트워크 또는 기타의 적절한 통신 네트워크나 네트워크들의 조합을 포함한 그러나 이것으로 제한되지 않는 네트워크나 네트워크들의 조합을 통해 프로브 제어 시스템(218)에 전달될 수 있다.
이 정보에 기초하여, 프로브 제어 시스템(218)은 계속된 동작을 위해 다상 도파관 프로브(200)를 조정할 수 있다. 예를 들어, 충전 단자(T1) 및/또는 충전 단자(T2)에 결합된 인덕턴스는, 다상 도파관 프로브(200)의 결합을 향상 및/또는 최대화하여 수신기들의 부하 수요를 공급하도록 조정될 수 있다. 일부 경우에, 프로브 제어 시스템(218)은, 여기 소스(213) 및/또는 다상 도파관 프로브(200) 상의 부하를 감소시키도록 다상 도파관 프로브(200)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.
다상 도파관 프로브(200)는, 예를 들어 하나 이상의 탭 제어기(239)를 이용하여 프로브 제어 시스템(218)에 의해 조정될 수 있다. 도 16a에서, 코일로부터 상위 충전 단자(T1)로의 접속은 탭 제어기(239)에 의해 제어된다. 모니터링된 조건에서의 변화(예를 들어, 전도도, 유전율 및/또는 전기장 강도에서의 변화)에 응답하여, 프로브 제어 시스템은 제어 신호를 탭 제어기(239)에 전달하여 탭 위치에서의 변화를 개시할 수 있다. 탭 제어기(239)는, 코일을 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(T1) 상의 전압 크기 및 위상이 조정되어 가이드된 표면 도파관 모드의 결합을 향상시킬 수 있다.
도 16a는 코일과 충전 단자(T1) 사이에 결합된 탭 제어기(239)를 도시하지만, 다른 실시예에서는 코일로부터 하위 충전 단자(T2)로의 접속(242)이 탭 제어기(239)를 역시 포함할 수 있다. 도 16b는, 충전 단자(T2)의 위상 지연을 조정하기 위한 탭 제어기(239)를 갖는 다상 도파관 프로브(200)의 또 다른 실시예를 도시한다. 도 16c는, 양쪽 단자(T1 및 T2)의 위상 지연이 탭 제어기(239)를 이용하여 제어될 수 있는 다상 도파관 프로브(200)의 실시예를 도시한다. 탭 제어기(239)는 프로브 제어 시스템(218)에 의해 독립적으로 또는 동시에 제어될 수 있다. 일부 구현에서, 여기 소스(213)는, 여기 소스로부터 최대 전력 전달을 위한 정합 조건을 유지하기 위해 프로브 제어 시스템(218)에 의해 제어될 수 있는 탭 제어기(239)를 통해 코일에 결합될 수 있다.
다시 도 16a를 참조하면, 다상 도파관 프로브(200)는 또한, 예를 들어 상위 충전 단자 위치결정 시스템(248) 및/또는 하위 충전 단자 위치결정 시스템(251)을 이용하여 프로브 제어 시스템(218)에 의해 조정될 수 있다. 충전 단자(T1) 및/또는 충전 단자(T2)의 높이, 및 그에 따라 양쪽 단자 사이의 거리를 조정함으로써, 가이드된 표면파를 론칭하는데 있어서 론칭 효율을 최대화하도록 가이드된 표면 도파관 모드로의 에너지의 결합을 조정하는 것이 가능하다. 단자 위치결정 시스템(248, 251)은, 손실성 전도성 매체(203)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 단자(T1 및 T2)를 상향 또는 하향 이송하기 위해 선형 모터가 이용될 수 있다.
다른 실시예는, 충전 단자(T1 및 T2)의 위치를 제어할 수 있는 절연된 기어 및/또는 가이 와이어 및 풀리, 스크류 기어 또는 다른 적절한 메커니즘(들)을 포함할 수 있다. 단자 위치결정 시스템(248 및 251)의 절연은 충전 단자(T1 및 T2) 상에 존재하는 전하의 방전을 방지한다. 예를 들어, 절연 구조물은 충전 단자(T2) 위에서 충전 단자(T1)를 지지할 수 있다. 예를 들어, RF 절연 섬유유리 마스트(fiberglass mast)는 충전 단자들(T1 및 T2)을 지지하는데 이용될 수 있다. 충전 단자들(T1 및 T2)은, 다상 도파관 프로브(200)의 전기장을 향상 및/또는 최대화하기 위해 충전 단자 위치결정 시스템(248) 및/또는 충전 단자 위치결정 시스템(251)을 이용하여 개별적으로 위치결정될 수 있다.
전술된 바와 같이, 적응형 제어 시스템(230)의 프로브 제어 시스템(218)은, 지면 파라미터 계측기(233) 및/또는 장 계측기(236) 등의 그러나 이것으로 제한되지 않는, 하나 이상의 원격 위치된 모니터링 디바이스와 통신함으로써 다상 도파관 프로브(200)의 동작 조건을 모니터링할 수 있다. 프로브 제어 시스템 (218)은 또한, 예를 들어 여기 소스(213)로부터 정보를 액세스함으로써 다른 조건들을 모니터링할 수 있다. 모니터링된 정보에 기초하여, 프로브 제어 시스템(218)은, 전송을 위한 전기장 강도를 향상 및/또는 최대화하기 위해 다상 도파관 프로브(200)의 조정이 필요한지를 결정할 수 있다.
하나 이상의 모니터링된 조건에서의 변화에 응답하여, 프로브 제어 시스템(218)은, 각각, 충전 단자(T1) 및/또는 충전 단자(T2)에 결합된 인덕턴스, 및/또는 충전 단자(T1) 및/또는 단자(T2)의 물리적 높이(H1, H2) 중 하나 이상의 조정을 개시할 수 있다. 일부 구현에서, 프로브 제어 시스템(218)은 모니터링된 조건을 평가하여 변화의 원인을 식별할 수 있다. 모니터링된 조건(들)이 수신기 부하의 변화에 의해 야기되었다면, 다상 도파관 프로브(200)의 조정이 회피될 수 있고, 여기서, 전원(213)은 충전 단자(T1 및/또는 T2) 상에 원하는 전압을 유지하도록 구동될 수 있다. 모니터링된 조건(들)이 다상 도파관 프로브(200)의 장 강도에 영향을 준다면, 프로브 제어 시스템(218)은 다상 도파관 프로브(200)의 조정을 개시하여 반경방향 표면 전류와 연관된 장 강도를 향상 및/또는 최대화할 수 있다.
일부 실시예에서, 충전 단자(T1)의 크기는 또한, 가이드된 표면 도파관 모드로의 에너지의 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. 또한, 충전 단자(T2)의 크기도 역시 전술된 바와 같은 충전 단자(T1)와 유사한 방식으로 변화될 수 있다는 점에 유의한다. 충전 단자(T1/T2)의 크기의 제어는, 충전 단자 위치결정 시스템(248)을 통해 또는 별개의 제어 시스템을 통해 프로브 제어 시스템(218)에 의해 제공될 수 있다.
도 17a 및 도 17b는, 다상 도파관 프로브(200)의 충전 단자(T1 및/또는 T2)로서 이용될 수 있는 가변 단자(803)의 한 예를 도시한다. 예를 들어, 가변 단자(803)는, 외측 원통형 섹션(809)의 내부에 포함된 내측 원통형 섹션(806)을 포함할 수 있다. 내측 및 외측 원통 섹션(806, 809)은, 각각, 바닥 및 상부를 걸친 플레이트(plate)를 포함할 수 있다. 도 17a에서, 원통형 가변 단자(803)는 제1 유효 구면 직경과 연관될 수 있는 제1 크기를 갖는 수축된 상태로 도시되어 있다. 가변 단자(803)의 크기, 및 그에 따른 유효 구면 직경을 변경하기 위해, 도 17b에 도시된 바와 같이 가변 단자(803)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.
다음으로 도 18을 참조하면, 단자(812)의 외측 표면 (818) 내에 가변 인덕턴스(815)를 포함하는 가변 단자(812)를 나타내는 개략도가 도시되어 있다. 단자(812) 내에 가변 인덕터를 배치함으로써, 도 7a 내지 도 7j의 다상 도파관 프로브(200)의 부하 임피던스 ZL(또는 도 12b의 동조 공진기(706)의 부하 임피던스 ZR)는, 충전 단자(T1)의 전하 표면에 영향을 주지 않고, 인덕턴스(815)를 조정함으로써 조정될 수 있다. 일부 실시예에서, 도 17a 및 도 17b의 가변 단자(803)는 원통형 섹션(806 및 809) 내에 가변 인덕턴스(815)를 포함할 수 있다. 이러한 조합은 다상 도파관 프로브(200)의 부하 임피던스 ZL에 관한 더 넓은 범위의 제어를 제공할 수 있다.
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 서로 결합가능하고 상호 교환가능하다.

Claims (26)

  1. 방법으로서,
    반경방향 표면 전류(radial surface current)를 통해 손실성 전도성 매체의 표면을 따라 에너지를 전송하도록 상기 손실성 전도성 매체의 가이드된 표면-도파관 모드(guided surface-waveguide mode)와 실질적으로 정합되는 복수의 장을 합성하기 위해 다상 도파관 프로브(polyphase waveguide probe)의 제1 충전 단자 및 제2 충전 단자 ―상기 제1 충전 단자는 상기 손실성 전도성 매체 위의 정의된 높이에 위치하고 상기 제2 충전 단자는 정의된 거리만큼 상기 제1 충전 단자 아래에 위치함― 를 여기 전압들로 여기시키는 단계;
    상기 다상 도파관 프로브와 연관된 동작 조건들에서의 변화를 검출하는 단계; 및
    상기 검출된 변화에 응답하여, 상기 가이드된 표면 도파관 모드의 정합을 향상시키기 위해 상기 다상 프로브를 조정하는 단계
    를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 다상 도파관 프로브와 연관된 동작 조건들에서의 변화를 검출하는 단계는, 상기 반경방향 표면 전류와 연관된 전기장 강도에서의 변화를 검출하는 단계를 포함하는, 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전기장 강도에서의 변화는 상기 다상 도파관 프로브로부터 정의된 반경방향 거리를 초과하여 위치한 장 계측기에 의해 검출되고, 상기 정의된 반경방향 거리는, 상기 다상 도파관 프로브의 근접지 반경방향 표면 전류(close-in radial surface current)와 원격지 반경방향 표면 전류(far-out radial surface current) 사이의 천이와 연관된, 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다상 도파관 프로브와 연관된 동작 조건에서의 변화를 검출하는 단계는 상기 손실성 전도성 매체의 전도도에서의 변화를 검출하는 단계를 포함하는, 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전도도에서의 변화는 상기 다상 도파관 프로브로부터 정의된 반경방향 거리에 위치한 지면 파라미터 계측기에 의해 검출되고, 상기 정의된 반경방향 거리는, 상기 다상 도파관 프로브의 근접지 반경방향 표면 전류와 원격지 반경방향 표면 전류 사이의 천이와 연관된, 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 손실성 전도성 매체는 지상 매체인, 방법.
  7. 제6항에 있어서, 결과적인 장들은 상기 지상 매체의 표면 상의 Zenneck 표면파 모드와 실질적으로 모드-정합되는, 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다상 프로브를 조정하는 단계는, 상기 손실성 전도성 매체 위의 상기 제1 충전 단자의 높이 또는 상기 제2 충전 단자의 높이를 조정하는 단계를 포함하는, 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 다상 프로브를 조정하는 단계는, 상기 손실성 전도성 매체 위의 상기 제1 충전 단자의 높이 및 상기 제2 충전 단자의 높이를 조정하는 단계를 포함하는, 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제1 충전 단자와 상기 제2 충전 단자 사이의 정의된 거리는 동일하게 유지되는, 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 충전 단자와 상기 제2 충전 단자는 코일을 통해 여기 소스에 결합되는, 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 충전 단자는 가변 탭을 통해 상기 코일에 결합되고, 상기 다상 프로브를 조정하는 단계는 상기 코일 상의 상기 가변 탭의 위치를 조정하는 단계를 포함하는, 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 충전 단자는 제2 가변 탭을 통해 상기 코일에 결합되고, 상기 다상 프로브를 조정하는 단계는 상기 코일 상의 상기 제2 가변 탭의 위치를 조정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  14. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 충전 단자는 가변 탭을 통해 상기 코일에 결합되고, 상기 다상 프로브를 조정하는 단계는 상기 코일 상의 상기 가변 탭의 위치를 조정하는 단계를 포함하는, 방법.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다상 프로브를 조정하는 단계는 상기 제1 충전 단자의 크기 또는 상기 제2 충전 단자의 크기를 조정하는 단계를 포함하는, 방법.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가이드된 표면-도파관 모드의 반경방향 표면 전류 밀도는 실질적으로
    Figure pct00090
    ,
    로 표현되고, γ는
    Figure pct00091
    에 의해 주어지는 표면파 반경방향 전파 상수이고, u2는
    Figure pct00092
    에 의해 주어지는 수직 전파 상수이며,
    Figure pct00093
    이고, σ는 지상 매체의 전도도이며, ω는 2πf와 동일하고, f는 상기 다상 도파관 프로브의 여기 주파수이며, ε0는 자유 공간의 유전율이고, εr은 상기 지상 매체의 비유전율이며, 자유 공간 파수(free-space wave number) k0는
    Figure pct00094
    와 같고, λ0는 상기 다상 도파관 프로브의 자유 공간 파장이며, j는
    Figure pct00095
    와 같고, ρ는 반경방향 좌표이며, z는 상기 지상 매체에 수직인 수직 좌표이고, φ는 방위각 좌표이며, I0은 순(net) 다상 프로브 전류이고, H1 (2)(-jγρ)는, e+jωt 시간 변화에 대한, 복소 인수 -jγρ를 갖는 제2종 및 1차의 Hankel 함수이며, t는 시간인, 방법.
  17. 시스템으로서,
    손실성 전도성 매체의 표면 상의 Zenneck 표면파 모드와 실질적으로 모드-정합되는 복수의 결과적인 장을 생성하도록 구성된 다상 도파관 프로브; 및
    상기 손실성 전도성 매체의 특성에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 다상 도파관 프로브를 조정하도록 구성된 프로브 제어 시스템
    을 포함하는 시스템.
  18. 제17항에 있어서, 상기 Zenneck 표면파 모드의 반경방향 표면 전류 밀도는 실질적으로
    Figure pct00096

    로 표현되고, γ는
    Figure pct00097
    에 의해 주어지는 표면파 반경방향 전파 상수이고, u2는
    Figure pct00098
    에 의해 주어지는 수직 전파 상수이며,
    Figure pct00099
    이고, σ는 상기 손실성 전도성 매체의 전도도이며, ω는 2πf와 동일하고, f는 상기 다상 도파관 프로브의 여기 주파수이며, ε0는 자유 공간의 유전율이고, εr은 상기 손실성 전도성 매체의 비유전율이며, 자유 공간 파수 k0는
    Figure pct00100
    와 같고, λ0는 상기 다상 도파관 프로브의 자유 공간 파장이며, j는
    Figure pct00101
    와 같고, ρ는 반경방향 좌표이며, z는 상기 지상 매체에 수직인 수직 좌표이고, φ는 방위각 좌표이며, I0은 순 다상 프로브 전류이고, H1 (2)(-jγρ)는, e+jωt 시간 변화에 대한, 복소 인수 -jγρ를 갖는 제2종 및 1차의 Hankel 함수이며, t는 시간인, 시스템.
  19. 제17항 또는 제18항에 있어서, 상기 프로브 제어 시스템은, 상기 손실성 전도성 매체의 특성에서의 검출된 변화에 응답하여 상기 Zenneck 표면파 모드의 모드-정합을 개선하기 위해 상기 다상 도파관 프로브를 조정하도록 구성된, 시스템.
  20. 제17항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다상 도파관 프로브는 복수의 충전 단자에 결합된 프로브 결합 회로를 포함하고, 상기 프로브 결합 회로는 복수의 전압 크기 및 복수의 위상을 상기 복수의 충전 단자에 부과하도록 구성된, 시스템.
  21. 제20항에 있어서, 상기 프로브 제어 시스템은, 상기 Zenneck 표면파 모드의 모드-정합을 개선하기 위해 상기 복수의 충전 단자 상의 상기 복수의 전압 크기 및 상기 복수의 위상을 조정하도록 구성된, 시스템.
  22. 제17항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 충전 단자는 적어도 하나의 가변 탭을 통해 상기 프로브 결합 회로의 코일에 결합되는, 시스템.
  23. 제22항에 있어서, 상기 복수의 충전 단자 상의 상기 복수의 전압 크기 및 상기 복수의 위상을 조정하는 것은 상기 적어도 하나의 가변 탭의 위치를 조정하는 것을 포함하는, 시스템.
  24. 제22항 또는 제23항에 있어서, 상기 프로브 제어 시스템은 탭 제어기를 통해 상기 적어도 하나의 가변 탭의 위치를 조정하도록 구성된, 시스템.
  25. 제17항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 프로브 제어 시스템은, 상기 Zenneck 표면파 모드의 모드-정합을 개선하기 위해 상기 손실성 전도성 매체 위에서의 상기 복수의 충전 단자 중 적어도 하나의 충전 단자의 높이를 조정하도록 구성된, 시스템.
  26. 제17항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 프로브 제어 시스템은, 충전 단자 위치결정 시스템을 통해 상기 적어도 하나의 충전 단자를 재위치시키도록 구성된, 시스템.
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