[RU]

Приводятся различные примеры характеристики места для передачи направляемой поверхностной волны в среды с потерями. В одном из примеров место штыря содержит границу раздела сред распространения волны, включающую первую и вторую области, содержащие различные проводящие среды с потерями. Волноводный штырь для направляемой поверхностной волны, расположенный рядом с первой и второй областями, может генерировать по меньшей мере одно электрическое поле для возбуждения направляемой поверхностной волны вдоль указанной границы раздела сред распространения волны в радиальном направлении, определяемом первой областью и ограниченном второй областью. Граница раздела сред распространения волны может также содержать дополнительные области, имеющие одни и те же или различные проводящие среды с потерями. Одна или более областей могут быть подготовленными областями. В некоторых случаях области могут соответствовать наземной среде (например, береговая линия) и воде (например, морская вода вдоль береговой линии).

(57) Реферат / Формула:

Приводятся различные примеры характеристики места для передачи направляемой поверхностной волны в среды с потерями. В одном из примеров место штыря содержит границу раздела сред распространения волны, включающую первую и вторую области, содержащие различные проводящие среды с потерями. Волноводный штырь для направляемой поверхностной волны, расположенный рядом с первой и второй областями, может генерировать по меньшей мере одно электрическое поле для возбуждения направляемой поверхностной волны вдоль указанной границы раздела сред распространения волны в радиальном направлении, определяемом первой областью и ограниченном второй областью. Граница раздела сред распространения волны может также содержать дополнительные области, имеющие одни и те же или различные проводящие среды с потерями. Одна или более областей могут быть подготовленными областями. В некоторых случаях области могут соответствовать наземной среде (например, береговая линия) и воде (например, морская вода вдоль береговой линии).

---

Евразийское (21) 201892017 (13) A1
патентное
ведомство
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОЙ ЗАЯВКЕ
(43) Дата публикации заявки 2019.04.30
(22) Дата подачи заявки 2017.03.09
(51) Int. Cl.
H01P 3/00 (2006.01) G01S13/02 (2006.01) G01S17/02 (2006.01)
(54) ХАРАКТЕРИСТИКИ МЕСТА ДЛЯ НАПРАВЛЯЕМОЙ ПЕРЕДАЧИ НАПРАВЛЯЕМОЙ ПОВЕРХНОСТНОЙ ВОЛНЫ В СРЕДЕ С ПОТЕРЯМИ
(31) (32)
62/305,910 2016.03.09
(33) US
(86) PCT/US2017/021627
(87) WO 2017/156305 2017.09.14 (71) Заявитель:
(72)
СиПиДжи ТЕКНОЛОДЖИЗ, ЛЛК (US)
Изобретатель:
Корум Джеймс Ф., Корум Кеннет Л., Росс Джон Э. (US)
(74)
Представитель: Фелицына С.Б. (RU)
(57) Приводятся различные примеры характеристики места для передачи направляемой поверхностной волны в среды с потерями. В одном из примеров место штыря содержит границу раздела сред распространения волны, включающую первую и вторую области, содержащие различные проводящие среды с потерями. Волноводный штырь для направляемой поверхностной волны, расположенный рядом с первой и второй областями, может генерировать по меньшей мере одно электрическое поле для возбуждения направляемой поверхностной волны вдоль указанной границы раздела сред распространения волны в радиальном направлении, определяемом первой областью и ограниченном второй областью. Граница раздела сред распространения волны может также содержать дополнительные области, имеющие одни и те же или различные проводящие среды с потерями. Одна или более областей могут быть подготовленными областями. В некоторых случаях области могут соответствовать наземной среде (например, береговая линия) и воде (например, морская вода вдоль береговой линии).
1811214
ХАРАКТЕРИСТИКИ МЕСТА ДЛЯ НАПРАВЛЯЕМОЙ ПЕРЕДАЧИ НАПРАВЛЯЕМОЙ ПОВЕРХНОСТНОЙ ВОЛНЫ В СРЕДЕ С ПОТЕРЯМИ Перекрестная ссылка на родственные заявки
Настоящая заявка испрашивает приоритет и преимущества совместно рассматриваемой предварительной заявки США под названием "Site Specification for Directional Guided Surface Wave Transmission in a Lossy Media" с присвоенным номером заявки 62/305,910, зарегистрированной 9 марта 2016 г., которая настоящим включена сюда во всей ее полноте посредством ссылки.
Эта заявка находится на совместном рассмотрении с непредварительной патентной заявкой США под названием "Excitation and Use of Guided Surface Wave Modes on Lossy Media", зарегистрированной 7 марта 2013 г., с присвоенным номером заявки 13/789 538, которая была опубликована 11 сентября 2014 г. под номером публикации US2014/0252886 А1, и которая настоящим включена сюда во всей ее полноте посредством ссылки. Эта заявка также связывается с совместно рассматриваемой непредварительной патентной заявкой США, под названием "Excitation and Use of Guided Surface Wave Modes on Lossy Media", зарегистрированной 7 марта 2013 г. с присвоенным номером заявки 13/789 525 и опубликованной 11 сентября 2014 г. под номером публикации US2014/0252865 А1, и которая включается сюда во всей ее полноте посредством ссылки. Эта заявка также связывается с совместно рассматриваемой непредварительной патентной заявкой США под названием "Excitation and Use of Guided Surface Wave Modes on Lossy Media", зарегистрированной 10 сентября 2014 г. с присвоенным номером заявки 14/483 089, и которая включается сюда во всей ее полноте посредством ссылки. Эта заявка также связывается с совместно рассматриваемой непредварительной патентной заявкой США под названием "Excitation and Use of Guided Surface Waves", зарегистрированной 2 июня 2015 г. с присвоенным номером заявки 14/728,507, и которая включается сюда во всей ее полноте посредством ссылки. Эта заявка также связывается с совместно рассматриваемой непредварительной патентной заявкой США под названием "Excitation and Use of Guided Surface Waves", зарегистрированной 2 июня 2015 г. с присвоенным номером заявки 14/728 492, и которая включается сюда во всей ее полноте посредством ссылки. Эта заявка также связывается с совместно рассматриваемой непредварительной патентной заявкой США под названием "Site Preparation for Guided Surface Wave Transmission in a Lossy Media", зарегистрированной 9 сентября 2015 г. с присвоенным номером заявки 14/848 413, которая включается сюда во всей ее полноте посредством ссылки.
Уровень техники
Свыше ста лет сигналы, передаваемые с помощью радиоволн, содержали поля излучения, возбуждаемые, используя традиционные антенные структуры. В отличие от радиотехнической науки, системы распределения электроэнергии в прошлом столетии содержали передачу энергии, направляемой вдоль электрических проводников. Такое понимание различия между радиочастотной (RF) передачей и передачей мощности существовало с начала 1900-ых годов.
Сущность изобретения
Аспекты настоящего изобретения относятся к характеристикам места для направляемой передачи направляемой поверхностной волны в среде с потерями.
В одном аспекте, среди прочих, место расположения штыря содержит границу раздела сред распространения волны, содержащую первую область и вторую область, смежную с первой областью, причем первая область содержит первую проводящую среду с потерями и вторая область содержит вторую проводящую среду с потерями; и волноводный штырь для направляемой поверхностной волны, расположенный по соседству с первой областью и со второй областью, причем волноводный штырь для направляемой поверхностной волны выполнен с возможностью генерации по меньшей мере одного электрического поля, которое синтезирует волновой фронт, имеющий комплексный угол падения Брюстера, соответствующий первой проводящей среде с потерями, когда возбуждается источником возбуждения, причем волновой фронт возбуждает направляемую поверхностную волну вдоль границы раздела сред распространения волны в радиальном направлении, которое определяется первой областью и ограничивается второй областью. В одном или более аспектах настоящего изобретения волновой фронт может пересекаться с границей раздела сред при падении под комплексным углом Брюстера на расстоянии места пересечения от волноводного штыря для направляемой поверхностной волны. Первая область и вторая область могут проходить вдоль границы раздела сред распространения волн от смежной границы до волноводного штыря для направляемой поверхностной волны, находящегося за пределами расстояния пересечения. Первая проводящая среда с потерями может быть наземной средой (например, Землей). Вторая область может проходить в наземную среду по меньшей мере на глубину комплексного изображения волноводного штыря для направляемой поверхностной волны или по меньшей мере на глубину комплексной зеркальной плоскости волноводного штыря для направляемой поверхностной волны.
В одном или более аспектах настоящего изобретения вторая проводящая среда с потерями может быть водой. Вторая область может быть естественно заполненным
объемом воды. В одном или более аспектах настоящего изобретения вторая проводящая среда с потерями может быть наземной средой. Первая область может быть подготовленной областью, имеющей удельную проводимость и электрическую проницаемость, отличные от наземной среды. Подготовленная область может содержать котлован, содержащий воду. Вода может быть морской водой. Подготовленная область может содержать котлован, содержащий смесь наземной среды и добавленного материала. При одном или более аспектах настоящего изобретения вторая область может простираться вокруг волноводного штыря для направляемой поверхностной волны от первой стороны первой области до второй стороны первой области. Граница раздела сред распространения волны может содержать третью область, смежную с первой областью, противоположной второй области. Третья область может содержать вторую проводящую среду с потерями или может содержать третью проводящую среду с потерями.
Другие системы, способы, признаки и преимущества настоящего изобретения будут или станут очевидны специалистам в данной области техники после изучения последующих чертежей и подробного описания. Подразумевается, что все такие дополнительные системы, способы, признаки и преимущества должны содержаться в этом описании, находиться в рамках объема настоящего изобретения и защищаться приложенной формулой изобретения. Кроме того, все необязательные и предпочтительные признаки и изменения описанных вариантов осуществления пригодны для использования во всех раскрытых здесь аспектах. Кроме того, индивидуальные признаки зависимых пунктов формулы изобретения, а также все необязательные и предпочтительные признаки и модификации описанных вариантов осуществления могут объединяться и быть взаимозаменяемыми друг с другом.
Краткое описание чертежей
Многие подходы настоящего изобретения могут стать более понятны при обращении к сопутствующим чертежам. Компоненты на чертежах не обязательно должны быть в масштабе, вместо этого, акцент делается на ясное представление принципов раскрытия. Кроме того, на чертежах одни и те же ссылочные позиции определяют соответствующие части на нескольких видах.
Фиг. 1 - график зависимости напряженности поля как функции расстояния для направляемого электромагнитного поля и излучаемого электромагнитного поля.
Фиг. 2 - граница раздела сред распространения волны с двумя областями, используемыми для передачи направляемой поверхностной волны в соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 3 - волноводный штырь для направляемой поверхностной волны,
расположенный относительно границы раздела сред распространения волны, показанной на фиг. 2, соответствующий различным вариантам осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 4 - график примера амплитуд ближней и дальней асимптот первого порядка функций Ханкеля в соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 5А и 5В - комплексный угол падения электрического поля, синтезированного волноводным штырем для направляемой поверхностной волны в соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 6 - эффект поднятия зарядного вывода в месте, где электрическое поле, показанное на фиг. 5 А, пересекается с проводящей средой с потерями под углом Брюстера в соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 7А-7С - графические представления примеров волноводных штырей для направляемой поверхностной волны в соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 8А-8С - графические представления примеров эквивалентных моделей зеркальной плоскости волноводного штыря для направляемой поверхностной волны, показанного на фиг. 3 и 7А-7С, в соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 9А-9С - графические представления примеров моделей однопроводной линии передачи и классической линии передачи для эквивалентных моделей зеркальных плоскостей, показанных на фиг. 8В и 8С, соответствующих различным вариантам осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 9D - график, показывающий пример изменения реактивного сопротивления контура со сосредоточенными элементами в зависимости от рабочей частоты в соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 10 - блок-схема последовательности выполнения операций примера регулирования волноводного штыря для направляемой поверхностной волны, показанного на фиг. 3 и 7А-7С, для возбуждения направляемой поверхностной волны вдоль поверхности проводящей среды с потерями в соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 11 - графический пример зависимости между углом наклона волны и фазовой задержкой волноводного штыря для направляемой поверхностной волны, показанного на фиг. 3 и 7А-7С, в соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 12 - пример волноводного штыря для направляемой поверхностной волны, соответствующего различным вариантам осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 13 - графическое представление падения синтезированного электрического поля под комплексным углом Брюстера для согласования с направляемой поверхностной волноводной модой на расстоянии пересечения Ханкеля в соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 14 - графическое представление примера волноводного штыря для направляемой поверхностной волны, показанного на фиг. 12, в соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 15А - графики примера мнимой и действительной частей фазовой задержки (Фи) зарядного вывода Ti волноводного штыря для направляемой поверхностной волны в соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 15В - схема волноводного штыря для направляемой поверхностной волны, показанного на фиг. 14, соответствующая различным вариантам осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 16 - пример волноводного штыря для направляемой поверхностной волны, соответствующего различным вариантам осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 17 - графическое представление примера волноводного штыря для направляемой поверхностной волны, показанного на фиг. 16, соответствующего различным вариантам осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 18А-18С - примеры приемных структур, которые могут использоваться для приема энергии, переданной в форме направляемой поверхностной волны, возбужденной волноводным штырем для направляемой поверхностной волны в соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 18D - блок-схема последовательности выполнения операций примера регулирования приемной структуры в соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 19 - пример дополнительной приемной структуры, которая может использоваться для приема энергии, передаваемой в форме направляемой поверхностной волны, возбуждаемой волноводным штырем для направляемой поверхностной волны, соответствующий различным вариантам осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 20 - вид в поперечном разрезе примера места расположения волноводного штыря для направляемой поверхностной волны, включающего границу раздела сред распространения волны, соответствующего различным вариантам осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 21А - вид в поперечном разрезе другого примера места расположения волноводного штыря для направляемой поверхностной волны, в котором участок области границы раздела сред распространения волны, показанной на фиг. 20, подготовлен, чтобы более эффективно возбуждать направляемую поверхностную волну в соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 21В - вид сверху места расположения волноводного штыря для направляемой поверхностной волны, показанного на фиг. 21 А, соответствующий различным вариантам осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 22 - этап подготовки участка области границы раздела сред распространения волны, показанной на фиг. 21 А, соответствующий различным вариантам осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 23A-23D - виды сверху примеров мест расположения волноводных штырей для направляемой поверхностной волны, подготовленных для направляемой передачи направляемой поверхностной волны в соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 24А и 24В - виды сверху примеров мест расположения волноводных штырей для направляемой поверхностной волны, подготовленных для направляемой передачи направляемой поверхностной волны в соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 25А и 25В - виды сверху мест расположения примеров волноводных штырей для направляемой поверхностной волны, использующих географические особенности ландшафта для направляемой передачи направляемой поверхностной волны в соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание
Для начала следует установить некоторую терминологию, чтобы в дальнейшем обеспечить ясность при обсуждении концепций. Сначала, как рассматривается здесь, определяется формальное различие между излучаемыми электромагнитными полями и направляемыми электромагнитными полями.
Как имеется в виду здесь, излучаемое электромагнитное поле содержит электромагнитную энергию, которая излучается исходной структурой в форме волн, которые не связаны с волноводом. Например, излучаемое электромагнитное поле является обычно полем, которая покидает электрическую структуру, такую как антенна, и распространяется через атмосферу или другую среду и не связано ни с какой волноводной структурой. После того, как излучаемые электромагнитные волны покидают электрическую структуру, такую как антенна, они продолжают распространяться в среде
распространения (такой как воздух), независимо от их источника, пока не затухнут, независимо от того, продолжает ли работать источник. Когда электромагнитные волны излучены, они не восстанавливаются, если не перехватываются, и, если они не перехватываются, то энергия, присущая излученным электромагнитных волн, теряется навсегда. Электрические структуры, такие как антенны, разрабатываются для излучения электромагнитных полей, максимизируя отношение активного сопротивления излучения к сопротивлению потерь структуры. Излученная энергия распространяется в пространстве и теряется независимо от того, присутствует ли приемник. Плотность энергии излученных полей является функцией расстояния из-за геометрического распространения. Соответственно, термин "излучать" во всех его формах, как он используется здесь, относится к этой форме электромагнитного распространения.
Направляемое электромагнитное поле является распространяющейся электромагнитной волной, энергия которой концентрируется внутри или вблизи границ между средами, имеющими разные электромагнитные свойства. В этом смысле, направляемое электромагнитное поле является полем, которое связано с волноводом и может характеризоваться как передаваемое током, протекающим в волноводе. При отсутствии нагрузки, принимающей и/или рассеивающей энергию, передаваемую в направляемой электромагнитной волне, никакая энергия не теряется, за исключением того, что рассеивается за счет электропроводности направляющей среды. Иначе говоря, если для направляемой электромагнитной волны нет никакой нагрузки, то никакая энергия не потребляется. Таким образом, генератор или другой источник, формирующий направляемое электромагнитное поле, не доставляет активной мощности, если не присутствует активная нагрузка. В этом смысле, такой генератор или другой источник, по существу, работают в холостом режиме, пока не будет предоставлена нагрузка. Это похоже на работу генератора для генерации электромагнитной волны частотой 60 Герц, которая передается по линиям питания, когда нет никакой электрической нагрузки. Следует заметить, что направляемое электромагнитное поле или волна являются эквивалентом тому, что называют "режимом линии передачи". Они являются противоположностью излучаемым электромагнитным волнам, в которых активная мощность подается все время для того, чтобы генерировать излучаемые волны. В отличие от излучаемых электромагнитных волн, направляемая электромагнитная энергия не продолжает распространяться вдоль волновода конечной длины после того, как выключается источник энергии. Соответственно, термин "направлять" во всех его формах, как он используется здесь, относится к этому типу передачи волны при электромагнитном распространении.
На фиг. 1 показан график 100 зависимости напряженности поля в децибелах (дБ) относительно произвольного опорного сигнала, выраженного в Вольтах на метр, как функция расстояния в километрах по логарифмической шкале в дБ, чтобы дополнительно пояснить различие между излучаемым и направляемыми электромагнитными полями. График 100 на фиг. 1 изображает кривую 103 напряженности направляемого поля, показывающую напряженность поля для направляемого электромагнитного поля как функцию расстояния. Эта кривая 103 напряженность направляемого поля, по существу, является тем же самым, что и для режима линии передачи. Кроме того, график 100 на фиг. 1 показывает кривую 106 напряженности излучаемого поля, представляющую напряженность поля для излучаемого электромагнитного как функцию расстояния.
Представляют интерес формы кривых 103 и 106 для направляемой волны и для распространения излучения, соответственно. Кривая 106 напряженности излучаемого поля спадает обратно пропорционально (1/d, где d - расстояние), что изображается прямой линией на двойной логарифмической шкале. Кривая 103 напряженности направляемого поля, с другой стороны, имеет характеристическое экспоненциальное затухание e'^VVd и демонстрирует отличительный изгиб 109 на двойной логарифмической шкале. Кривая 103 напряженности направляемого поля и кривая 106 напряженности излучаемого поля пересекаются в точке 112, которая находится на расстоянии пересечения. На расстояниях, меньших, чем расстояние пересечения в точке 112 пересечения, напряженность поля направляемого электромагнитного поля в большинстве мест значительно больше, чем напряженность поля излучаемого электромагнитного поля. На расстояниях, больших, чем расстояние пересечения, справедливо обратное. Таким образом, кривые 103 и 106 напряженности направляемого и излучаемого поля дополнительно поясняют фундаментальную разницу в распространении между направляемым и излучаемым электромагнитными полями. Для обсуждения по существу различия между направляемым и излучаемым электромагнитными полями ссылка делается на работу Milligan, Т., Modern Antenna Design, McGraw-Hill, 1-ое издание, 1985 г., стр. 8-9, которая включена сюда во всей ее полноте посредством ссылки.
Различие между излучаемыми и направляемыми электромагнитными волнами, сделанное выше, легко может быть выражено формально и базироваться на строгой основе. То, что два таких разнообразных решения могут вытекать друг из друга и из одного и того же линейного дифференциального уравнения в частных производных, то есть волнового уравнения, аналитически следует из граничных условий, налагаемых на задачу. Функция Грина для волнового уравнения сама по себе содержит различие между природой излучаемых и направляемых волн.
В вакууме волновое уравнение является дифференциальным оператором, собственные функции которого имеют непрерывный спектр собственных значений на комплексной плоскости волновых чисел. Это поперечное электромагнитное поле (transverse electro-magnetic, ТЕМ) называется полем излучения и эти распространяющиеся поля называются "волнами Герца". Однако в присутствии проводящей границы, волновое уравнение плюс граничные условия математически приводят к спектральному представлению волновых чисел, составленному из непрерывного спектра плюс сумма дискретных спектров. Здесь ссылка делается на работу Sommerfeld, A., "Uber die Ausbreitung der Wellen in der Drahtlosen Telegraphie," Annalen der Physik, том 28, 1909 г., стр. 665-736. Также смотрите работу Sommerfeld, A., "Problems of Radio", опубликованную в виде главы 6 в разделе Partial Differential Equations in Physics - Lectures on Theoretical Physics: том VI, Academic Press, 1949 г., стр. 236-289, 295-296; работы Collin, R. E., "Hertzian Dipole Radiating Over a Lossy Earth or Sea: Some Early and Late 20th Century Controversies", IEEE Antennas and Propagation Magazine, том 46, № 2, апрель 2004 г., стр. 64-79; и Reich, Н. J., Ordnung, P.F, Krauss, H.L., and Skalnik, J.G., Microwave Theory and Techniques, Van Nostrand, 1953 г., стр. 291-293, каждая из которых включается сюда во всей ее полноте посредством ссылки.
Термины "земная волна" и "поверхностная волна" идентифицируют два отчетливо различающихся физических процесса распространения. Поверхностная волна возникает аналитически из явного полюса, давая в итоге дискретный компонент в спектре плоской волны. Смотрите, например, работу "The Excitation of Plane Surface Waves" by Cullen, A.L., (Proceedings of the IEE (British), том 101, часть IV, август 1954 г., стр. 225-235). В этом контексте поверхностная волна считается направляемой поверхностной волной. Поверхностная волна (в смысле поверхностной волны Ценнека-Зоммерфельда) физически и математически является не тем же самым, что земная волна (в смысле Уэйла-Нортона, FCC), что сейчас хорошо известно из курса радиовещания. Эти два механизма распространения являются результатом возбуждения различных типов спектров собственных значений (непрерывных или дискретных) на комплексной плоскости. Напряженность поля направляемой поверхностной волны спадает экспоненциально в зависимости от расстояния как показывает кривая 103 напряженности направляемого поля на фиг. 1 (очень похоже на распространение в волноводе с потерями) и напоминает распространение в радиальной линии передачи, в противоположность классическому излучению Герца земной волны, которая распространяется сферически, обладает континуумом собственных значений, спадает обратно пропорционально, как показывает приведенная на фиг. 1 кривая 106 напряженности излучаемого поля и как следует из
интегралов с обрезанием ветвей. Как экспериментально продемонстрировано в работах C.R. Burrows "The Surface Wave in Radio Propagation over Plane Earth№ (Proceedings of the IRE, том 25, №2, февраль, 1937 г., стр. 219-229) и "The Surface Wave in Radio Transmission" (Bell Laboratories Record, том 15, июнь 1937 г., стр. 321-324), вертикальные антенны излучают земные волны, но не возбуждают направляемые поверхностные волны.
Чтобы обобщить вышесказанное, во-первых, непрерывная часть спектра собственных значений волновых чисел, соответствующая интегралам с обрезанием ветвей, создает поле излучения и, во-вторых, дискретные спектры и соответствующая остаточная сумма, являющаяся результатом полюсов, окруженных контуром интегрирования, дают в результате не-ТЕМ бегущие поверхностные волны, затухающие по экспоненте в направлении, поперечном распространению. Такие поверхностные волны являются типами волн в направляемой линии передачи. Для дополнительного пояснения обращайтесь к работе Friedman, В., Principles and Techniques of Applied Mathematics, Wiley, 1956, стр. 214, 283-286, 290, 298-300.
В свободном пространстве антенны возбуждают собственные значения волнового уравнения в виде континуума, который является областью излучения, где распространяющаяся вовне радиочастотная энергия с Ez и Но, совпадающие по фазе теряются навсегда. С другой стороны, волноводные штыри возбуждают дискретные собственные значения, которые в результате приводят к распространению в режиме линии передачи. Смотрите работу Collin, R. Е., Field Theory of Guided Waves, McGraw-Hill, 1960, стр. 453, 474-477. Хотя такой теоретический анализ дает гипотетическую возможность возбуждения направляемых открытых поверхностных волн по планарным или сферическим поверхностям однородных сред с потерями, больше столетия в инженерной технике не существовали никакие известные структуры, чтобы осуществить их с какой-либо практической отдачей. К сожалению, поскольку все это появилось в начале 1900-ых годов, теоретический анализ, изложенный выше, по существу, остался теорией и не было никаких известных структур для практического осуществления возбуждения открытых поверхностных направляемых волн по планарным или сферическим поверхностям однородных сред с потерями.
В соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения описываются различные волноводные штыри для направляемой поверхностной волны, выполненные с возможностью возбуждения электрических полей, которые связываются в моду волновода направляемой поверхностной волны вдоль поверхности проводящей среды с потерями. Такие направляемые электромагнитные поля имеют, по существу, характеристику, согласованную по величине и фазе с модой направляемой поверхностной
волны на поверхности проводящей среды с потерями. Такая мода направляемой поверхностной волны может также называться волноводной модой Ценнека. На основании того факта, что результирующие поля, возбужденные штырями направляемых поверхностных волноводов, описанными здесь, по существу, характеристику, согласованную с модой волновода направляемой поверхностной волны в волноводе на поверхности проводящей среды с потерями, направляемое электромагнитное поле в форме направляемой поверхностной волны возбуждается вдоль поверхности проводящей среды с потерями. В соответствии с одним из вариантов, проводящая среда с потерями содержит наземную среду, такую как Земля.
На фиг. 2 показана граница раздела сред распространения волны, которая обеспечивает исследование решений граничных значений уравнений Максвелла, полученных в 1907 г. Джонатаном Ценнеком (Zenneck), как изложено в его статье Zenneck, J., "On the Propagation of Plane Electromagnetic Waves Along a Flat Conducting Surface and their Relation to Wireless Telegraphy," Annalen der Physik, серия 4, том23, 20 сентября 1907 г., стр. 846-866. На фиг. 2 показаны цилиндрические координаты для волн, радиально распространяющихся вдоль поверхности раздела сред между проводящей средой с потерями, определенной как область 1, и диэлектриком, определенным как область 2. Область 1 может содержать, например, любую проводящую среду с потерями. В одном из примеров такая проводящая среда с потерями может содержать наземную среду, такую как Земля, или другую среду. Область 2 является второй средой, образующей граничную поверхность раздела с областью 1 и имеет другие, значительно отличающиеся параметры относительно области 1. Область 2 может содержать, например, любой диэлектрик, такой как атмосфера или другая среда. Коэффициент отражения для такой граничной поверхности раздела стремится к нулю только в случае комплексного угла падения Брюстера. Смотрите работу Stratton, J.A., Electromagnetic Theory, McGraw-Hill, 1941 г., стр. 516.
В соответствии с различными вариантами осуществления изобретения различные волноводные штыри для направляемой поверхностной волны, генерирующие электромагнитные поля, которые, по существу, имеют характеристику, согласованную с волноводной модой направляемой поверхностной волны на поверхности проводящей среды с потерями, содержащей область 1. В соответствии с различными вариантами, такие электромагнитные поля, по существу, синтезируют волновой фронт, падающий под комплексным углом Брюстера на проводящую среду с потерями, что может в результате давать нулевое отражение.
Чтобы объяснить дополнительно, в области 2, где предполагается вариация поля
е103* и где р Ф О и z > О (где z является вертикальной координатой, нормальной к поверхности области 1, и р является радиальным размером в цилиндрических координатах), точное решение Ценнека, в аналитическом виде для уравнений Максвелла, удовлетворяющее граничным условиям вдоль поверхности раздела сред, выражается следующими компонентами электрического и магнитного поля:
Нгф = Ае-^* Jff}C-iW)(1)
(2)
В области 1, где предполагается изменение поля е103' и где р Ф О и z < 0, точное решение Ценнека, в аналитическом виде уравнений Максвелла, удовлетворяющее граничным условия вдоль границы раздела сред, выражается следующими компонентами
электрического поля и магнитного поля:
> (4)
Е^=А ( е"** H^i-jfp)
В этих выражениях z является вертикальной координатой, нормальной к поверхности области 1, и р является радиальной координатой, Hn(2)(-jyp) - комплексный аргумент функции Ханкеля второго рода вида и порядок п, щ - постоянная распространения в положительном вертикальном (z) направлении в области 1, щ -постоянная распространения в вертикальном (z) направлении в области 2, oi - удельная проводимость области 1, со равна 2nf, где f - частота возбуждения, so - диэлектрическая постоянная свободного пространства, si - диэлектрическая постоянная области 1, А -постоянная источника, задаваемая источником, и у - радиальная постоянная распространения поверхностной волны.
Постоянные распространения в направлениях ±z определяются, разделяя волновое уравнение выше и ниже границы раздела между областями 1 и 2, и накладывая граничные условия. Такое действие дает в результате для области 2
и для области 1, U1 = -U2(sr-jx). (8)
Радиальная постоянная у распространения задается выражением
к"п
которое является комплексным выражением, где п - комплексный показатель преломления, задаваемый выражением
Во всех приведенных выше уравнениях (11)
Ш?о(Ц)
и v 2jr( 12)
где sr содержит относительную диэлектрическую постоянную области 1, <з\ -удельная проводимость области 1, so - диэлектрическая постоянная свободного пространства, и до - проницаемость свободного пространства. Таким образом, генерируемая поверхностная волна распространяется параллельно границе раздела сред и экспоненциально затухает по вертикали относительно нее. Это известно как исчезновение.
Таким образом, уравнения (1)-(3) могут рассматриваться как цилиндрически симметричная, распространяющаяся радиально волноводная мода. Смотрите работу Barlow, Н. М., and Brown, J., Radio Surface Waves, Oxford University Press, 1962 г., стр. 1012, 29-33. Настоящее изобретение детализирует структуры, возбуждающие эту волноводную моду с "открытой границей". Конкретно, в соответствии с различными вариантами волноводный штырь для направляемой поверхностной волны содержит зарядный вывод соответствующего размера, на который подается напряжение и/или ток и который располагается относительно границы раздела между областью 2 и областью 1. Это можно лучше понять при обращении к фиг. 3, где показан пример волноводного штыря 200а для направляемой поверхностной волны, содержащего зарядный вывод Ti, поднятый над проводящей средой 203 с потерями (например, над Землей) вдоль вертикальной оси z, которая является нормалью к плоскости, представленной проводящей средой 203 с потерями. Проводящая среда 203 с потерями составляет область 1, а вторая среда 206 составляет область 2 и имеет границу раздела с проводящей средой 203 с потерями.
Согласно одному из вариантов, проводящая среда 203 с потерями может содержать наземную среду, такую как планета Земля. С этой целью, такая наземная среда содержит все структуры или образования, присутствующие на ней, как природные, так и созданные
людьми. Например, такая наземная среда может содержать природные элементы, такие как камень, грунт, песок, пресная вода, морская вода, деревья, растительность и все другие природные элементы, образующие нашу планету. Кроме того, такая наземная среда может содержать искусственные элементы, такие как бетон, асфальт, строительные материалы и другие созданные человеком материалы. В других вариантах осуществления проводящая среда 203 с потерями может содержать некую среду, отличную от Земли, природную или искусственную. В других вариантах осуществления проводящая среда 203 с потерями может содержать другие среды, такие как искусственные поверхности и структуры, такие как автомобили, самолет, искусственные материалы (такие как фанера, пластмассовое покрытие или другие материалы) или другие среды.
В случае, когда проводящая среда 203 с потерями содержит наземную среду или Землю, вторая среда 206 может содержать атмосферу над землей. Также, атмосфера может быть названа как "атмосферная среда", которая содержит воздух и другие элементы, образующие атмосферу Земли. Кроме того, возможно, что вторая среда 206 может содержать другие среды, отличные от проводящей среды 203 с потерями.
Волноводный штырь 200а для направляемой поверхностной волны содержит схему 209 питания, соединяющую источник 212 возбуждения с зарядным выводом Ti через, например, вертикальный питающий линейный проводник. Источник 212 возбуждения может содержать, например, источник переменного тока (Alternating Current, АС) или какой-то другой источник. Как считается здесь, источник возбуждения может содержать источник переменного тока или другой тип источника. В соответствии с различными вариантами осуществления, заряд Qi прикладывается к зарядному выводу Ti, чтобы синтезировать электрическое поле, основываясь на напряжении, приложенном к выводу Ti в любой заданный момент. В зависимости от угла падения (9i) электрического поля (Е), возможно, чтобы характеристика электрического поля по существу соответствовала волноводной моде, направляемой поверхностной волны на поверхности проводящей среды 203 с потерями, содержащей область 1.
Рассматривая решения Ценнека для решений в аналитическом виде уравнений (1)-(6), граничное условие полного сопротивления Леонтовича между областью 1 и областью 2 может быть формулировано как
жХ Ш2(р,р, 0) =/ <г(13)
где z- единичная нормаль в положительном вертикальном (+z) направлении и напряженность магнитного поля в области 2, выраженная приведенным выше уравнением (1). Уравнение (13) подразумевает, что электрические и магнитные поля, определенные в
уравнениях (1)-(3), могут приводить в результате к плотности тока на радиальной поверхности вдоль границы раздела, причем плотность тока на радиальной поверхности может быть определена следующим образом: Jp(p') = -AH1(2)(-jYp')(14)
где А - константа. Дополнительно, следует заметить, что вблизи волноводного штыря 200 для направляемой поверхностной волны (для р " X), уравнение (14), приведенное выше, имеет следующий вид:
j f i-\ -А{]2) ^ 10
tclose уР ) ~~ f - i\ ~ "ф ~~ - /
Отрицательный знак означает, что когда ток источника (Ь) протекает вертикально вверх, как показано на фиг. 3, "ближний" земляной ток протекает радиально внутрь. Согласуя поля по Но "вблизи", можно определить, что
j4 = _ !- &L = - "qiy
4 4 (16)
где qi = CiVi в уравнениях (1)-(6) и (14). Поэтому, радиальная плотность поверхностного тока согласно уравнению (14) может быть повторно определена как
/р0> ') = ?д^(-^')(17)
Поля, выраженные уравнениями (1)-(6) и (17), имеют характер режима линии передачи, связанного с границей раздела с потерями, неизлучающими областями, которые связаны с распространением наземной волны. Смотрите работу Barlow, Н. М. and Brown, J., Radio Surface Waves, Oxford University Press, 1962 г., стр. 1-5.
В этой точке для этих результатов волнового уравнения обеспечивается анализ характера функций Ханкеля, используемых в уравнениях (1)-(6) и (17). Можно заметить, что функции Ханкеля первого и второго рода и порядка п определяются как комплексные комбинации стандартных функций Бесселя первого и второго рода
Н"(1)(х) = J"(x)+jN"(x)H(18)
Н"(2)(х) = J"(x)-jN"(x)(19)
Эти функции представляют цилиндрические волны, распространяющиеся радиально внутрь (Нп(1)) и наружу (Нп(2)), соответственно. Определение аналогично соотношению е^х = cosx ± jsinx. Смотрите, например, работу Harrington, R.F., Time-Harmonic Fields, McGraw-Hill, 1961 г., стр. 460-463.
Эта Hn(2)(kpp) является исходящей волной, которую можно распознать по ее асимптотическому поведению большого аргумента, который получается непосредственно из последовательных определений Jn(x) и Nn(x). Вдали от волноводного штыря для направляемой поверхностной волны:
волны рабочей частоты.
Рассматривая компоненты электрического поля, полученные в уравнениях (2) и (3) как решения Ценнека в аналитическом виде в области 2, можно видеть, что отношение Ez и Ер асимптотически переходит к
где п - комплексный индекс преломления уравнения (10) и 9i - угол падения электрического поля. Кроме того, вертикальная составляющая согласованного по характеристике электрического поля согласно уравнению (3) асимптотически переходит к
которая линейно пропорциональна свободному заряду на изолированном компоненте емкости поднятого зарядного вывода с напряжением на выводах qfree = С &ее х
VT.
Например, высота Hi поднятого зарядного вывода Ti, показанного на фиг. 3, влияет на величину свободного заряда на зарядном выводе Ть Когда зарядный вывод Ti находится около земляной плоскости области 1, большая часть заряда Qi на выводе "связана". По мере того, как зарядный вывод Ti поднимается, связанный заряд уменьшается до тех пор, пока заряд на зарядном выводе Ti не достигнет высоты, на которой, по существу, весь изолированный заряд исчерпан.
Преимущество увеличенного емкостного повышения для зарядного вывода Ti состоит в том, что заряд на поднятом зарядном выводе Ti дополнительно удаляется от земляной плоскости, приводя в результате к увеличенному количеству свободного заряда q &ee, чтобы связать энергию с типом направляемых поверхностных колебаний в волноводе. По мере того, как зарядный вывод Ti удаляется от заземляющей плоскости, распределение заряда становится более равномерным по поверхности вывода. Количество свободного заряда связывается с собственной емкостью зарядного вывода Ть
Например, емкость сферического вывода может быть выражена как функция физической высоты над заземляющей плоскостью. Емкость сферы на физической высоте h над идеально проводящей землей определяется следующим выражением:
Celevated sphere 4тг80а(1 + М + М2 + М3 + 2М4 + ЗМ5 + ...) (24)
где диаметр сферы равен 2а и где М = a/2h, где h - высота сферического вывода. Можно видеть, что увеличение высоты вывода h уменьшает емкость С зарядного вывода. Можно показать, что для подъемов зарядного вывода Ti, который находится на высоте, равной приблизительно четырем диаметрам (4D = 8а) или больше, распределение заряда,
является приблизительно однородным вокруг сферического вывода, что может улучшать связь с типом направляемого поверхностного волновода.
В случае достаточно изолированного вывода собственная емкость проводящей сферы может аппроксимироваться как С = 4л;8оа, где а - радиус сферы в метрах и собственная емкость диска может быть аппроксимироваться как С = 8soa, где а - радиус диска в метрах. Зарядный вывод Ti может иметь любую форму, такую как сфера, диск, цилиндр, конус, тор, колпак, одно или более колец, или любую другую случайную форму или сочетание форм. Эквивалентный сферический диаметр может быть определен и использоваться для расположения зарядного вывода Ть
Со ссылкой на фиг. 3 следует дополнительно понимать, что зарядный вывод Ti поднимается на физическую высоту hp = Hi над проводящей средой 203 с потерями. Чтобы уменьшить действие "связанного" заряда, зарядный вывод Ti может быть помещен на физическую высоту, которая по меньшей мере в четыре раза больше сферического диаметра (или эквивалентного сферического диаметра) зарядного вывода Ti, чтобы уменьшить воздействия связанного заряда.
Обратимся теперь к фиг. 5А, где показана интерпретация с помощью лучевой оптики электрического поля, создаваемого поднятым зарядом Qi на зарядном выводе Ti на фиг. 3. Как и в оптике, минимизация отражения падающего электрического поля может улучшить и/или максимизировать энергию, связанную с типом направляемых поверхностных колебаний в волноводе для проводящей среды 203 с потерями. Для электрического поля (Ец), которое поляризуется параллельно плоскости падения (не граничная поверхность раздела), величина отражения падающего электрического поля может быть определена, используя коэффициент отражения Френеля, который может быть выражен следующим образом:
?ц *ji.sT-}x}- an* в, - (sr-jxi сos в(
Г (0.) _ _
" ' я1,г1 у'Сег- j*-)- Eina б, + (sr-jx) сов 6^25)
где 9i - традиционный угол падения, измеренный относительно нормали к поверхности.
В примере на фиг. 5А интерпретация с помощью лучевой оптики показывает падающее поле, поляризованное параллельно плоскости падения, имеющей угол падения
9i, измеряемый относительно нормали к поверхности (z). Никакого отражения падающего
электрического поля не будет, когда " ^ ^ и^ таким образом, падающее электрическое поле будет полностью связано с типом направляемых поверхностных колебаний в волноводе вдоль поверхности проводящей среды 203 с потерями. Можно видеть, что
числитель в уравнении (25) стремится к нулю, когда угол падения равен:
426)
_ а / q
где ' °. Этот комплексный угол падения ( iB) упоминается как угол
Брюстера. Возвращаясь обратно к уравнению (22), можно заметить, что одна и та же
зависимость для комплексного угла Брюстера ( iB) присутствует в обоих уравнениях (22) и (26).
Как показано на фиг. 5А, вектор электрического поля Е может быть изображен как входящая неоднородная плоская волна, поляризованная параллельно к плоскости падения. Вектор электрического поля Е может быть создан из независимых горизонтальных и вертикальных компонент следующим образом
Е(6]) - Ер р + Ех 5^27)
Геометрически, иллюстрация на фиг. 5А предполагает, что вектор электрического поля Е может быть представлен как: EQ(p,z) = E(p,z)cos6,
1и (28а)
(28b)
Es(prz) = E(p,z)cos(^- = E{prz)sin9i
что означает, что отношение полей равно: ^ = --- = ta.ii if/t
Обобщенный параметр W, называемый "наклоном волны", обозначается здесь как отношение горизонтального компонента электрического поля к вертикальному компоненту электрического поля, представленное выражением:
W = 5й= |Ж|е^
^ или (30а)
- = - = tan ft = -^-е"^
w вр 1 \w\
которое является комплексным и имеет модуль и фазу. Для электромагнитной
волны в области 2 (фиг. 2), угол (^') наклона волны равен углу между нормалью фронта волны на границе поверхности раздела с областью 1 (фиг. 2) и касательной к границе поверхности раздела. Это можно легко видеть на фиг. 5В, который показывает эквифазовые поверхности электромагнитной волны и их нормали для радиальной цилиндрической направляемой поверхностной волны. На границе поверхности раздела (z = 0) с идеальным проводником, нормаль фронта волны параллельна касательной границы поверхности раздела, приводя в результате к W = 0. Однако в случае диэлектрика с
потерями, наклон W фронта волны существует, поскольку нормаль фронта волны не параллельна касательной к границе поверхности раздела при z = 0.
Применение уравнения (ЗОЬ) к направляемой поверхностной волне дает в результате:
tan в( в = - = - = Jе, - jx = п = - = -Ц- е ~}Л?
1Д бр v w \w\
При угле падения, равном комплексному углу ( iB) Брюстера, коэффициент отражения Френеля согласно уравнению (25) сводится к нулю, как показано ниже:
р fg Л _ *J(.Sr- Jxj-Bill 6( ~ (sr-Jx) СОВ б; _
" J(.Јr- j""')-sinz б,- jar) сов ft I - _ _
Г 1 (32)
Регулируя отношение комплексных полей в уравнении (22), падающее поле может быть синтезировано, чтобы быть падающим под комплексным углом, при котором
отражение уменьшается или исчезает. Установление этого отношения как 11 ~~ VSr ^Х приводит в результате к синтезированному электрическому полю, падающему под комплексным углом Брюстера, заставляя исчезать отражения.
Концепция эффективной электрической высоты может обеспечить дальнейшее понимание синтезирования электрического поля с комплексным углом падения с помощью волноводного штыря для направляемой поверхностной волны 200. Эффективная электрическая высота (heff) была определена как:
" 'о 0 (33) для монополя с физической высотой (или длиной) hp. Поскольку выражение зависит от величины и фазы распространения источника вдоль структуры, эффективная высота (или длина), в целом, является комплексной. Интегрирование распределенного
тока структуры выполняется по физической высоте структуры (hp) и нормализуется относительно земляного тока (Ь), текущего вверх через основание (или ввод) структуры. Распределенный ток вдоль структуры может быть выражен следующим образом:
1(ж) = Ic cQ.s(i30z)(34)
где F° - коэффициент передачи для тока, распространяющегося по структуре. В примере, показанном на фиг. 3, 1с является током, распределенным вдоль вертикальной структуры волноводного штыря для направляемой поверхностной волны 200а.
Например, рассмотрим схему 209 питания, содержащую катушку с низкими потерями (например, спиральный змеевик) в основании структуры и вертикальный линейный питающий проводник, соединяющий катушку и зарядным выводом Ть Фазовая
0 (3 1
задержка за счет катушки (или спиральной линии задержки) равна с ' Р (- с физической длиной 1с и коэффициентом распространения
~л^~ ^°(35)
где Vf - коэффициент скорости в структуре, Хо - длина волны на частоте подаваемого сигнала, и Хр - длина волны распространения, вытекающая из коэффициента скорости Vf. Задержка по фазе измеряется относительно земляного тока (стойки или системы) Ь.
Кроме того, пространственная фазовая задержка вдоль длины lw линейного
вертикального питающего линейного проводника может быть представлена как (r)У ^w'vv, где |3W - фазовая постоянная распространения для вертикального питающего линейного проводника. В некоторых реализациях пространственная фазовая задержка может аппроксимироваться как 9У = pwhp, так как разность между физической высотой hp волноводного штыря для направляемой поверхностной волны 200а и длиной lw вертикального питающего линейного проводника намного меньше, чем длина Хо волны на частоте подаваемого сигнала. В результате общая фазовая задержка при прохождении сигнала через катушку и вертикальный питающий линейный проводник равна Ф = 9с + 9У и ток, подаваемый к верхней части катушки от основания физической структуры, равен: Ic(9c + 0у) = Ioej° (36)
с общей фазовой задержкой Ф, измеряемой относительно земляного тока 1о (стойки или устройства). Следовательно, эффективная электрическая высота волноводного штыря для направляемой поверхностной волны 200, может быть аппроксимирована следующим образом:
Kff = ув СР V* (tm)s{jff0z) dz <* MJ'*(37)
для случая, где физическая высота hp " Хо. Комплексная эффективная высота монополя, heff = hp под углом Ф (или фазовая задержка), может регулироваться, чтобы заставить поля источника быть согласованными с режимом направляемого поверхностного волновода и заставлять направляемую поверхностную волну падать на проводящую среду 203 с потерями.
В примере, показанном на фиг. 5А, лучевая оптика используется для показа комплексной угловой тригонометрии падающего электрического поля (Е), имеющего комплексный угол Брюстера (91;в) на расстоянии 121 пересечения Ханкеля (Rx). Повторно обращаясь к уравнению (26), то есть, для проводящей среды с потерями, угол Брюстера является комплексным и определяется следующим образом:
tan 0ifB = \er -j-?- = n
V (38)
Электрически, геометрические параметры связываются с эффективной электрической высотой (heff) зарядного вывода Ti следующим образом: ИхЪшф^д = Rx X W = keff = ft.0eJ*(3Q)
w, R - fa/2) - а о c
где 1 !> B v 7 !> B - угол Брюстера, измеренный относительно поверхности проводящей среды с потерями. Для связи с режим направляемого поверхностного волновода, наклон волны электрического поля на расстоянии пересечения Ханкеля может быть выражен как отношение эффективной электрической высоты и расстояния пересечения Ханкеля
йх . (40)
Поскольку как физическая высота (hp), так и расстояние пересечения Ханкеля (Rx) являются действительными величинами, угол (\\f) желаемого наклона направляемой поверхностной волны на расстоянии пересечения Ханкеля (Rx) равен фазе (Ф) комплексной эффективной высоты (heff). Это подразумевает, что изменяя фазу в точке питания катушки и, таким образом, фазовую задержку в уравнении (37), фазой Ф эффективной комплексной высоты можно манипулировать, чтобы согласовать угол *F наклона волны в режиме направляемого поверхностного волновода в точке 121 пересечения Ханкеля: Ф =
На фиг. 5А показан прямоугольный треугольник, имеющий прилежащий катет длиной Rx вдоль поверхности проводящей среды с потерями и комплексный угол Брюстера Ч^в, измеренный между лучом 124, проходящим между точкой 121 пересечения Ханкеля, расположенной на Rx, и центром зарядного вывода Ti, и поверхность 127 проводящей среды с потерями между точкой 121 пересечения Ханкеля и зарядным выводом Ть При зарядном выводе Ti, расположенном на физической высоте hp, и возбуждаемом заряде, имеющем соответствующий фазовый сдвиг Ф, результирующее электрическое поле является падающим относительно граничной поверхности раздела с проводящей средой с потерями на расстоянии пересечения Ханкеля Rx, и с углом Брюстера. При этих условиях режим направляемых поверхностных колебаний в волноводе может быть возбужден без отражения или, по существу, с пренебрежимо малым отражением.
Если физическая высота зарядного вывода Ti уменьшается без изменения фазовой задержки Ф эффективной высоты (heff), результирующее электрическое поле пересекает проводящую среду 203 с потерями под углом Брюстера при уменьшенном расстоянии от
волноводного штыря для направляемой поверхностной волны 200. На фиг. 6 графически показан эффект уменьшения физической высоты зарядного вывода Ti на расстоянии, где электрическое поле падает под углом Брюстера. По мере того, как высота уменьшается от пз через ri2 до hi, точка, в которой электрическое поле пересекается с проводящей средой с потерями (например, Земля) под углом Брюстера, перемещается ближе к месту расположения зарядного вывода. Однако, как показывает уравнение (39), для возбуждения дальней компоненты функции Ханкеля высота Hi (фиг. 3) зарядного вывода Ti должен быть равна или выше, чем физическая высота (hp). Когда зарядный вывод Ti расположен на эффективной высоте (heff) или выше нее, проводящая среда 203 с потерями может
ш- = (п/2) - 6-
облучаться под углом Брюстера (Yl> B 1 ' !> в) на расстоянии 121 пересечения Ханкеля (Rx) или за ним, как показано на фиг. 5А. Чтобы уменьшить или минимизировать связанный заряд на зарядном выводе Ti, высота должна быть по меньшей мере в четыре раза больше сферического диаметра (или эквивалентного сферического диаметра) зарядного вывода Ti, как говорилось ранее.
Волноводный штырь для направляемой поверхностной волны 200 может быть выполнен с возможностью формирования электрического поля, имеющего наклон волны, который соответствует волне, падающей на поверхность проводящей среды 203 с потерями под комплексным углом Брюстера, возбуждая, вследствие этого, радиальные поверхностные токи за счет по существу соответствия характеристик (моде) направляемой поверхностной волны в точке 121 (или за пределами) пересечения Ханкеля в Rx.
На фиг. 7А представлено графическое изображение примера волноводного штыря для направляемой поверхностной волны 200Ь, содержащего зарядный вывод Ть Как показано на фиг. 7А, источник 212 возбуждения, такой как источник переменного тока АС, действует в качестве источника возбуждения зарядного вывода Ti, который соединяется с волноводным штырем для направляемой поверхностной волны 200Ь через схему 209 питания (фиг. 3), содержащую катушку 215, такую как, например, спиральная катушка. В других реализациях источник 212 возбуждения может быть индуктивно связан с катушкой 215 через первичную катушку. В некоторых вариантах осуществления может быть введена сеть согласования импедансов, чтобы улучшить и/или максимизировать связь источника 212 возбуждения с катушкой 215.
Как показано в фиг. 7А, волноводный штырь для направляемой поверхностной волны 200Ь может содержать верхний зарядный вывод Ti (например, сфера на высоте hp), который располагается вдоль вертикальной оси z, которая, по существу, нормальна к плоскости, представленной проводящей средой 203 с потерями. Вторая среда 206 располагается выше проводящей среды 203 с потерями. Зарядный вывод Ti имеет
собственную емкость Ст. Во время работы заряд Qi вводится на вывод Ti в зависимости от напряжения, приложенного к выводу Ti в любой заданный момент.
В примере, представленном на фиг. 7А, катушка 215 связана с земляной стойкой 218 (или с системой заземления) на одном конце и с зарядным выводом Ti через вертикальный питающий линейный проводник 221. В некоторых реализациях соединение катушки с зарядным выводом Ti может регулироваться, используя отвод 224 катушки 215, как показано на фиг. 7А. Катушка 215 может запитываться на рабочей частоте источником 212 возбуждения, содержащим, например, источник возбуждения, через отвод 227 в нижней части катушки 215. В других реализациях источник 212 возбуждения может индуктивно связываться с катушкой 215 через первичную катушку. Зарядный вывод Ti может быть выполнен с возможностью регулирования своего нагрузочного импеданса, как показано вертикальным питающим линейным проводником 221, который может использоваться для регулирования импеданса штыря.
На фиг. 7В представлено графическое изображение другого примера волноводного штыря для направляемой поверхностной волны 200с, содержащего зарядный вывод Ть Как видно на фиг. 7А, волноводный штырь для направляемой поверхностной волны 200с может содержать верхний зарядный вывод Ti, расположенный над проводящей средой 203 с потерями (например, на высоте hp). В примере на фиг. 7В катушка 215 фазирования связывается на первом конце с земляной стойкой (или системой заземления) 218 через резонансный контур 260 на сосредоточенных элементах и с зарядным выводом Ti на втором конце через вертикальный питающий линейный проводник 221. Катушка 25 фазирования может запитываться на рабочей частоте источником 212 возбуждения, например, через отвод 227 в нижней части катушки 215, как показано на фиг. 7А. В других реализациях источник 212 возбуждения может быть индуктивно связан с катушкой 215 фазирования или с индуктивной катушкой 263 резонансного контура 260 через первичную катушку 269. Индуктивная катушка 263 может также называться катушкой на "сосредоточенном элементе", поскольку она ведет себя как сосредоточенный элемент или индуктивность. В примере на фиг. 7В, катушка 215 фазирования запитывается источником 212 возбуждения через индуктивную связь с индуктивной катушкой 263 резонансного контура 260 на сосредоточенных элементах. Резонансный контур 260 на сосредоточенных элементах содержит катушку 263 индуктивности и конденсатор 266. Катушка 263 индуктивности и/или конденсатор 266 могут быть постоянными или переменными, чтобы иметь возможность регулировки резонанса резонансного контура и, таким образом, импеданса штыря.
На фиг. 7С показано графическое представление другого примера волноводного
штыря для направляемой поверхностной волны 200d, содержащего зарядный вывод Ть Как и на фиг. 7 А, волноводный штырь для направляемой поверхностной волны 200d может содержать верхний зарядный вывод Ti, расположенный над проводящей средой 203 с потерями (например, на высоте hp). Схема 209 питания может содержать множество катушек фазирования (например, спиральных катушек) вместо одиночной катушки 215 фазирования, как показано на фиг. 7А и 7В. Множество катушек фазирования могут содержать сочетание спиральных катушек, чтобы обеспечить соответствующую фазовую задержку (например, 9с = 9са + 9сь, где 9са и 9сь соответствуют фазовой задержке катушек 215а и 215Ь, соответственно) для возбуждения направляемой поверхностной волны. В примере на фиг. 7С, питающая сеть содержит две катушки 215а и 215Ь фазирования, соединенные последовательно с нижней катушкой 215Ь, связанной с земляной стойкой (или системой заземления) 218 через резонансный контур 260 на сосредоточенных элементах, и верхней катушкой 215а, связанной с зарядным выводом Ti через вертикальный питающий линейный проводник 221. Катушки 215а и 215Ь фазирования могут возбуждаться на рабочей частоте источником 212 возбуждения через, например, индуктивная связь через первичную катушку 269, например, с верхней катушкой 215а фазирования, нижней катушкой 215Ь фазирования и/или катушкой 263 индуктивности резонансного контура 260. Например, как показано на фиг. 7С, катушка 215 может запитываться источником 212 возбуждения через индуктивную связь от первичной катушки 269 к нижней катушке 215Ь фазирования. Альтернативно, как показано в примере на фиг. 7В, катушка 215 может запитываться источником 212 возбуждения через индуктивную связь от первичной катушки 269 к катушке 263 индуктивности резонансного контура 260 на сосредоточенных элементах. Катушка 263 индуктивности и/или конденсатор 266 резонансного контура 260 на сосредоточенных элементах могут быть постоянными или переменными, чтобы позволить регулировку резонанса резонансного контура и, таким образом, импеданса штыря.
Здесь следует указать, что существует различие между фазовыми задержками для бегущих волн и фазовыми сдвигами для стоячих волн. Фазовые задержки для бегущих волн, 9 = (31, возникают из-за временных задержек распространения на распределенных элементах структур, направляющих волну, таких как, например, катушка(-ки) 215 и вертикальный питающий линейный проводник 221. Фазовая задержка не возникает, поскольку бегущая волна проходит через резонансный контур 260 на сосредоточенных элементах. В результате, суммарная фазовая задержка для бегущей волны через, например, волноводные штыри для направляемой поверхностной волны 200с и 200d все еще остается равной: Ф = 9С + 9У.
Однако, фазовые сдвиги стоячих волн, зависящие от положения, которые содержат бегущие и отраженные волны распространения, и фазовые сдвиги, зависящие от нагрузки, зависят как от задержки распространения вдоль длины линии, так и от переходов между секциями линии с различными волновыми сопротивлениями. Следует заметить, что фазовые сдвиги реально происходят в цепях на сосредоточенных элементах. Фазовые сдвиги также происходят при неравенстве импедансов между сегментами линии передачи и между линейными сегментами и нагрузками. Это получается из-за комплексного коэффициента отражения Г = (Г^0, возникающего в результате нарушения непрерывности импеданса, и приводит в результате к стоячим волнам (интерференция прямой волны и отраженной волны) на структурах с распределенными элементами. В результате общий фазовый сдвиг стоячей волны для волноводных штырей для направляемой поверхностной волны 200с и 200d содержит фазовый сдвиг, создаваемый резонансным контуром 260 на сосредоточенных элементах.
Соответственно, следует заметить, что катушки, которые создают как фазовый сдвиг для бегущей волны, так и фазовый сдвиг для стоячих волн, могут быть здесь упомянуты "фазирующие катушки". Катушки 215 являются примерами фазирующих катушек. Дополнительно следует заметить, что катушки в резонансном контуре, таком как резонансный контур 260 на сосредоточенных элементах, как описано выше, действуют как сосредоточенный элемент и индуктивность, где резонансный контур создает фазовый сдвиг для стоячих волн без соответствующей фазовой задержки для бегущих волн. Такие катушки, действующие как сосредоточенные элементы или индуктивности, могут быть здесь упомянуты как "катушки индуктивности" или катушки "на сосредоточенных элементах". Индуктивная катушка 263 является примером такой катушки индуктивности или катушки на сосредоточенных элементах. Такие катушки индуктивности или катушки на сосредоточенных элементах, как предполагается, должны иметь равномерное распределение токов по всей катушке и быть электрически малыми относительно длины волны, на которой работает волноводный штырь для направляемой поверхностной волны 200, так что они создают незначительную задержку бегущей волны.
Строительство и регулирование волноводного штыря для направляемой поверхностной волны 200 основывается на различных рабочих условиях, таких как частота передачи, условия проводящей среды с потерями (например, удельная проводимость о грунта и относительная диэлектрическая постоянная sr) и размер зарядного вывода Ть Показатель преломления может быть вычислен из уравнений (10) и (11) следующим образом:
п у ?г ^Х(41)
где х = G/COSO СО = 2%f. Удельная проводимость а и относительная диэлектрическая постоянная sr могут быть определены посредством тестовых измерений проводящей среды 203 с потерями. Комплексный угол Брюстера (0i,B) измеренный относительно нормали к поверхности, может также быть определен из уравнения (26) следующим образом:
или быть измерен относительно поверхности, как показано на фиг. 5А как
Наклон волны на расстоянии пересечения Ханкеля (WRx) может также быть найден, используя уравнение (40).
Расстояние пересечения Ханкеля может также быть найдено, приравнивая величины из уравнений (20Ь) и (21) для -jyp, и решая уравнения для Rx, как показано на фиг. 4. Эффективная электрическая высота может затем быть определена из уравнения (39), используя расстояние пересечения Ханкеля и комплексный угол Брюстера следующим образом:
heff = hpeJ0 = Rxtanyi,B. (44)
Как можно видеть из уравнения (44), комплексная эффективная высота (heff) содержит величину, связываемую с физической высотой (hp) зарядного вывода Ti и фазовой задержкой (Ф), которая должна быть связана с углом наклона волны на расстоянии пересечения Ханкеля (Rx). С этими переменными и выбранным зарядным выводом Ti можно определить конфигурацию волноводного штыря для направляемой поверхностной волны 200.
Для зарядного вывода Ti, расположенного на или выше физической высоты (hp), схема 209 питания (фиг. 3) и/или вертикальная питающая линия, соединяющая питающую сеть с зарядным выводом Ti может быть отрегулирована, чтобы согласовать фазовую задержку (Ф) заряда Qi на зарядном выводе Ti с углом наклона (W) волны. Размер зарядного вывода Ti может быть выбран таким, чтобы обеспечить достаточно большую поверхность для заряда Qi, прикладываемого к выводам. В целом, желательно сделать зарядный вывод Ti настолько большим, насколько возможно. Размер зарядного вывода Ti должен быть достаточно большим, чтобы избежать ионизации окружающего воздуха, которая может привести к электрическому разряду или искрению вокруг зарядного вывода.
Фазовая задержка 9с катушки со спиральной намоткой может быть определена от уравнений Максвелла, как обсуждалось в работе Corum, K.L. and J.F. Corum, "RF Coils,
Helical Resonators and Voltage Magnification by Coherent Spatial Modes," Microwave Review, том 7, № 2, сентябрь 2001 г., стр. 36-45, которая содержится здесь во всей ее полноте посредством ссылки. Для спиральной катушки с H/D > 1 отношение скорости распространения (и) волны вдоль продольной оси катушки к скорости света (с) или "коэффициент скорости" определяется следующим образом
у _ v __ 1
f .С ,
г ,0,a.S,D,D.S
(45)
где Н - осевая длина соленоидной спирали, D - диаметр катушки, N - количество витков катушки, s = H/N - расстояние между витками (или шаг спирали) катушки, и Хо -длина волны в свободном пространстве. Основываясь на этой зависимости, электрическая длина или фазовый сдвиг спиральной катушки определяется следующим выражением:
Принцип является одним и тем же, если спираль наматывается по спирали или является коротким и толстым отрезком, но Vf и 9С легче получить посредством экспериментального измерения. Выражение для характеристического (волнового) импеданса спиральной линии передачи было также получено следующим образом:
Zo -1.027
Пространственная фазовая задержка 9у структуры может быть определена, используя фазовую задержку бегущей волны вертикального питающего линейного проводника 221 (фиг. 7А-7С). Емкость цилиндрического вертикального проводника над идеальной земляной плоскостью может быть выражена следующим образом:
в Фарадах, (48)
где hw - длина (или высота) вертикального проводника и а - радиус (в единицах системы МКС). Как и в случае спиральной катушки, фазовая задержка бегущей волны вертикального питающего линейного проводника может быть выражена следующим образом:
Jhv vwab (49)
где pw фазовая постоянная распространения для вертикального питающего линейного проводника, hw - длина (или высота) вертикального питающего линейного проводника, Vw - коэффициент скорости на проводе, Хо - длина волны на предоставленной частоте и Xw - длина волны распространения, вытекающая из коэффициента скорости Vw.
Для однородного цилиндрического проводника коэффициент скорости является константой с Vw, примерно равной 0,94 или в диапазоне от приблизительно 0,93 до приблизительно 0,98. Если в качестве однородной линии передачи рассматривается мачта, ее средний волновой импеданс может быть аппроксимирован следующим образом:
где Vw ~ 0,94 для однородного цилиндрического проводника и а - радиус проводника. Альтернативное выражение, которое использовалось в радиолюбительской литературе для волнового импеданса однопроводной линии подачи, может быть следующим:
Уравнение (51) подразумевает, что Zw для одно проводного фидера меняется в зависимости от частоты. Фазовая задержка может быть определено, основываясь на емкости и характеристическом импедансе.
Для зарядного вывода Ti, расположенного поверх проводящей среды 203 с потерями, как показано на фиг. 3, схема 209 питания может быть отрегулирована так, чтобы возбуждать зарядный вывод Ti с фазовой задержкой (Ф) комплексной эффективной высоты (heff), равной углу (\|/) наклона волны на расстоянии пересечения Ханкеля или Ф = \|/. Когда это условие соблюдается, электрическое поле, созданное осциллирующим зарядом Qi на зарядном выводе Ti, связывается в волноводную моду направляемой поверхностной волны, бегущей вдоль поверхности проводящей среды 203 с потерями.
Например, если угол Брюстера (^в), фазовый сдвиг (*V), связанный с вертикальным питающим линейным проводником 221 (фиг. 7А-7С), и конфигурация катушки(-ек) 215 (фиг. 7А-7С) известны, то тогда положение отвода 224 (фиг. 7А-7С) может быть определено и регулироваться, чтобы подать осциллирующий заряд Qi на зарядный вывод Ti с фазой Ф = \|/. Положение отвода 224 может регулироваться, чтобы максимизировать связь бегущих поверхностных волн в режиме направляемого поверхностного волновода. Избыточная длина катушки сверх положения отвода 224 может быть удалена, чтобы уменьшить емкостные эффекты. Высота вертикального провода и/или геометрические параметры спиральной катушки также могут различаться.
Связь с волноводной модой направляемой поверхностной волны на поверхности проводящей среды 203 с потерями может быть улучшена и/или оптимизирована, настраивая волноводный штырь для направляемой поверхностной волны 200 на резонанс стоячей волны относительно комплексной зеркальной плоскости, связанной с зарядом Qi
на зарядном выводе Ть При выполнении этого характеристики волноводного штыря для направляемой поверхностной волны 200 могут быть отрегулированы для увеличенного и/или максимального напряжения (и, таким образом, заряда Qi) на зарядном выводе Ть Возвращаясь к фиг. 3, эффект проводящей среды 203 с потерями в области 1 может быть исследован, используя анализ теории изображений.
Физически, поднятый заряд Qi, размещенный поверх идеально проводящей плоскости, притягивает свободный заряд на идеально проводящей плоскости, который затем "накапливается" в области ниже поднятого заряда Qi. Результирующее распределение "связанного" электричества на идеально проводящей плоскости аналогично колоколообразной кривой. Наложение потенциала поднятого заряда Qi плюс потенциала наведенного "накопленного" заряда ниже него, создает нулевую эквипотенциальную поверхность для идеально проводящей плоскости. Решение проблемы граничных значений, которое описывает поля в области выше идеально проводящей плоскости, может быть получено, используя классическое понятие зеркальных зарядов, где область, созданная поднятым зарядом, накладывается на область, созданную соответствующим "зеркальным" зарядом, находящимся ниже идеально проводящей плоскости.
Этот анализ может также использоваться в отношении проводящей среды 203 с потерями, предполагая присутствие эффективного зеркального заряда Qi', расположенного ниже волноводного штыря для направляемой поверхностной волны 200. Эффективный зеркальный заряд Qi' совпадает с зарядом Qi на зарядном выводе Ti вокруг проводящей зеркальной земляной плоскости 130, как показано на фиг. 3. Однако, зеркальный заряд Qi' не просто располагается на некоторой реальной глубине и имеет фазу 180° относительно заряда Qi первичного источника на зарядном выводе Ti, как они могли бы располагаться в случае идеального проводника. Скорее, проводящая среда 203 с потерями (например, наземная среда) представляет сдвинутое по фазе изображение. То есть, зеркальный заряд Qi' на комплексной глубине ниже поверхности (или физической границы) проводящей среды 203 с потерями. Для обсуждения комплексной зеркальной глубины обратитесь к работе Wait, J. R., "Complex Image Theory-Revisited," IEEE Antennas and Propagation Magazine, том 33, № 4, август 1991, стр. 27-29, , которая включена сюда посредством ссылки во всей ее полноте.
Вместо зеркального заряда Qi', находящегося на глубине, равной физической высоте (Hi) расположения заряда Qi, проводящая зеркальная земляная плоскость 130 (представляющая идеальный проводник) располагается на комплексной глубине z = -d/2 и зеркальный заряд Qi' появляется на комплексной глубине (то есть, на "глубине", имеющей
- D =- fd.'2 + d 2 н ) / {{
модуль и фазу), заданной как 1 ^ и ' 1 для вертикально
поляризованных источников, расположенных над Землей,
у* v* "(52)
где
как указано в уравнении (12). Комплексное пространство зеркального заряда, в свою очередь, подразумевает, что внешнее поле будет испытывать дополнительные фазовые сдвиги, не встречающиеся, когда поверхность раздела будет диэлектриком или идеальным проводником. В проводящей среде с потерями нормаль к фронту волны параллельна касательной проводящей зеркальной земляной плоскости 130 при z = -d/2 и находится не на границе поверхности раздела между областями 1 и 2.
Рассмотрим случай, показанный на фиг. 8А, где проводящая среда 203 с потерями является конечно проводящей Землей 133 с физической границей 136. Конечно проводящая Земля 133 может быть заменена на идеально проводящую зеркальную земляную плоскость 139, как показано на фиг. 8В, которая располагается на комплексной глубине zi ниже физической границы 136. Это эквивалентное представление демонстрирует один и тот же импеданс, если смотреть вниз на границу раздела сред на физической границе 136. Эквивалентное представление на фиг. 8В может моделироваться как эквивалентная линия передачи, как показано на фиг. 8С. Поперечное сечение эквивалентной структуры представляется как (направленная по z) нагруженная на конце линия передачи с импедансом идеально проводящей зеркальной плоскости, являющейся короткозамкнутой цепью (zs = 0)). Глубина zi может быть определена, приравнивая импеданс волны ТЕМ, смотрящей вниз на Землю, к импедансу зеркальной земляной плоскости Zin, если смотреть на линию передачи, показанную на фиг. 8С.
В случае, показанном на фиг. 8А, постоянная распространения и присущий волне импеданс в верхней области (воздух) 142 определяются следующим образом:
Уо =М^в?в = 0 + 1Раи (55) Уо ЛГ°(56)
На Земле 133 с потерями 133 постоянная распространения и присущий волне импеданс определяются как:
Y, = V/^itei + i^i^ (57)
я я
Для нормального падения эквивалентное представление на фиг. 8В эквивалентно линии передачи ТЕМ, характеристический импеданс которой является характеристическим импедансом воздуха (zo), с постоянной распространения уо, чья длина равна zi. Также, импеданс Zm, видимый на границе раздела сред для короткозамкнутой линии передачи, показанной на фиг. 8С, представляет
zim = ^e*anh(y0z1)_ (59)
Приравнивание импеданса Zin зеркальной земляной плоскости, связанной с эквивалентной моделью, показанной на фиг. 8С, к импедансу для падающей по нормали волны, показанной на фиг. 8А, и решение для zi дает расстояние до места короткого замыкания (идеально проводящей зеркальной земляной плоскости 139) в виде:
z, = -tanh"1 (Щ = -tanh"1 (Щ *" -
7а У2о' Го 1'Ге' Ye(6Q)
где только первый член расширения последовательности для обратного гиперболического тангенса рассматривают для этого приближения. Заметим, что в
воздушной области 142, постоянная распространения равна ^° так что
ш J 0 ^° 1 (который является просто мнимой величиной для действительного zi), но
zs является комплексным значением, если ст ^ 0 Поэтому ^т только когда ъ\ -комплексное расстояние.
Так как эквивалентное представление на фиг. 8В содержит идеально проводящую зеркальную земляную плоскость 139, зеркальная глубина для заряда или тока, текущего по поверхности Земли (физическая граница 136), равна расстоянию ъ\ на другой стороне
d = 2 ^ z
зеркальной земляной плоскости 139, или 1 ниже поверхности Земли (которая
располагается на z = 0.). Таким образом, расстояние до идеально проводящей зеркальной земляной плоскости 139 может быть аппроксимировано в следующем виде:
d = 2z, Ге (61)
Дополнительно, "зеркальный заряд" будет "равен и противоположен" реальному заряду, так что электрический потенциал идеально проводящей зеркальной земляной
z = - d 2
плоскости 139 на глубине 1 будет нулевым.
Если заряд Qi поднимается на расстояние Hi над поверхностью Земли, как показано на фиг. 3, то зеркальный заряд Qi' находится на комплексном расстоянии
D, = d + H, d 2 + H,
1 1 ниже поверхности или комплексное расстояние 1 ниже зеркальной
земляной плоскости 130. Волноводный штырь для направляемой поверхностной волны
200 на фиг. 7А-7С может быть смоделирован как эквивалентная модель зеркальной
плоскости однопроводной линии передачи, которая может основываться на идеально
проводящей зеркальной земляной плоскости 139 на фиг. 8В.
На фиг. 9А показан пример эквивалентной модели зеркальной плоскости однопроводной линии передачи, однопроводной модели зеркальной плоскости линии передачи и на 9В показан пример эквивалентной классической модели линии передачи, содержащей короткозамкнутую линию передачи, показанную на фиг. 8С. На фиг. 9С показан пример эквивалентной модели классической линии передачи, содержащей резонансный контур 260 на сосредоточенных элементах.
В эквивалентных моделях зеркальной плоскости, показанных на фиг. 9А-9С, Ф - 0 О
У с является фазовой задержкой бегущей волны волноводного штыря для направляемой поверхностной волны 200 относительно Земли 133 (или проводящей среды
0 - В Н
203 с потерями), с ' Р - электрическая длина катушки или катушек 215 (фиг. 7А-7С) с
физической длиной Н, выраженной в градусах, ^У Pw^w . электрическая длина вертикального питающего линейного проводника 221 (фиг. 7А-7С) с физической длиной
nw, выраженной в градусах. Кроме того, а Го является фазовым сдвигом между зеркальной земляной плоскостью 139 и физической границей 136 Земли 133 (или проводящей среды 203 с потерями). В примере, показанном на фиг. 9А-9С, Zw является характеристическим импедансом поднятого вертикального питающего линейного проводника 221, выраженным в Омах, Zc - характеристический импеданс катушки(-ек) 215, выраженный в Омах, и Zo - характеристический импеданс свободного пространства.
В примере на фиг. 9С, * - характеристический импеданс резонансного контура 260 на
сосредоточенных элементах, выраженный в Омах и t - соответствующий фазовый сдвиг на рабочей частоте.
В основании волноводного штыря для направляемой поверхностной волны 200, импеданс, рассматриваемый как "видимый в направлении вверх" в структуру, равен
Z = Z
Т base для импеданса нагрузки:
где т - собственная емкость зарядного вывода Ti, рассматриваемый как "видимый вверх" в вертикальный питающий линейный проводник 221 (фиг. 7А-7С), представляется
как:
и импеданс, рассматриваемый как "видимый вверх" в катушку 215 (фиг. 7А и 7В), представляется как:
z2+zemuh(jPpH) = at+zctanh(jgg)
Когда схема 209 питания содержит множество катушек 215 (например, фиг. 7С), импеданс, видимый в основании каждой катушки 215, может быть определен последовательно, используя уравнение (64). Например, импеданс, рассматриваемый как "видимый вверх" в верхнюю катушку 215а на фиг. 7С, представляется выражением:
Z2 + Zuatanh ()ррН) Z, + Zcatanh (jej
Zc0!l Zc%a + Z2tanh (jPpH) ZcaZca + Z2tanh fie J (64 1}
и импеданс, рассматриваемый как "видимый вверх" в нижнюю катушку 215Ь на фиг. 7С, можно быть представлено выражением:
z _ g Zcail+Z-eb tanh(jg:pJfj _ ^ ZcoU+Zcb tanhp'Ogj)
z z
где ca и cb - характеристические импедансы верхней и нижней катушек. При необходимости, вышесказанное можно расширить, чтобы учесть дополнительные катушки 215. В основании волноводного штыря для направляемой поверхностной волны 200 импеданс, рассматриваемый как "видимый вниз" в проводящую среду 203 с потерями,
Z = Z-
равен i т и задается следующим выражением:
Z" Z° Z0 *ZS tanbft (4/2)3 ^ ° 1311110 d\b5)
/,. о
где s
Пренебрегая потерями, эквивалентная модель зеркальной плоскости может быть
Z + z = о
настроена, чтобы резонировать, когда i Т на физической границе 136. Или, в
случае низких потерь, ^4 "^Т ^ на физической границе 136, где X - соответствующий реактивный компонент. Таким образом, импеданс на физической границе 136, рассматриваемый как "видимый вверх" в волноводный штырь для направляемой поверхностной волны 200, является сопряженным с импедансом на физической границе 136, "видимым вниз" в проводящую среду 203 с потерями. Регулируя импеданс штыря с
помощью нагрузочного импеданса L зарядного вывода Ti, в то же время поддерживая фазовую задержку бегущей волны Ф равной углу ^ наклона волны так, что (r) ^, что
улучшает и/или максимизирует связь электрического поля штыря с волноводной модой направляемой поверхностной волны вдоль поверхности проводящей среды 203 с потерями (например, Земли), эквивалентные модели зеркальной плоскости на фиг. 9А и 9В могут быть настроены на резонанс в отношении зеркальной земляной плоскости 139. Таким образом, импеданс эквивалентной модели комплексной зеркальной плоскости является чисто резистивным, что поддерживает наложенную стоячую волну на структуре штыря, которая максимизирует напряжение и поднятый заряд на выводе Ti и посредством уравнений (1)-(3) и (16) максимизирует распространяющуюся поверхностную волну.
Хотя нагрузочный импеданс L зарядного вывода Ti может регулироваться, чтобы настроить штырь 200 на резонанс стоячей волны относительно зеркальной земляной плоскости 139, в некоторых вариантах осуществления резонансный контур 260 на сосредоточенных элементах, расположенный между катушкой(-ами) 215 (фиг. 7В и 7С) и земляным выводом (или системой заземления) 218 может регулироваться, чтобы настроить штырь 200 на резонанс стоячей волны относительно зеркальной земляной плоскости 139, как показано на фиг. 9С. Фазовая задержка не воспринимается, поскольку бегущая волна проходит через резонансный контур 260 на сосредоточенных элементах. В результате, общая фазовая задержка бегущей волны через, например, волноводные штыри
Ф - 0 О
для направляемой поверхностной волны 200с и 200d, все еще остается равной с У. Однако, следует заметить, что фазовые сдвиги действительно имеют место в схемах с сосредоточенными элементами. Фазовые сдвиги также происходят в местах неоднородности импеданса между сегментами линии передачи и между линейными сегментами и нагрузками. Таким образом, резонансный контур 260 может также упоминаться как "схема фазового сдвига".
Для резонансного контура 260 на сосредоточенных элементах, связанного с основанием волноводного штыря для направляемой поверхностной волны 200, импеданс,
Z = Z ¦
рассматриваемый как "видимый вверх" в резонансный контур 260, равен Т timing^ который может быть представлен следующим выражением:
tuning ^Ъаяв
Z Z где t - характеристический импеданс резонансного контура 260 и base . импеданс,
рассматриваемый как "видимый вверх" в катушку(-и), как показано, например, в
уравнениях (64) или (64.2). На фиг. 9D показано изменение импеданса резонансного
контура 260 на сосредоточенных элементах в зависимости от рабочей частоты (fo),
основываясь на резонансной частоте (fp) резонансного контура 260. Как показано на фиг.
9D, импеданс контура 260 на сосредоточенных элементах может быть индуктивным или
емкостным в зависимости от частоты настройки собственного резонанса резонансного контура. Когда резонансный контур 260 работает на частоте ниже его частоты (fp) собственного резонанса, его импеданс в точке вывода является индуктивным, а при работе
на частоте выше *Р импеданс в точке вывода является емкостным. Регулировка
индуктивности 263 или емкости 266 резонансного контура 260 изменяет Р и сдвигает
кривую импеданса на фиг. 9D, что влияет на импеданс точки вывода, присутствующий на
данной рабочей частоте °.
Пренебрегая потерями, эквивалентная модель зеркальной плоскости с резонансным
Z + z = о
контуром 260 может быть настроена в резонанс, когда i ' Т на физической границе
136. Или, в случае низких потерь ^4 ' "^Т ^ на физической границе 136, где X -соответствующий реактивный компонент. Таким образом, импеданс на физической границе 136 "в направлении вверх" в резонансный контур 260 на сосредоточенных элементах является сопряженным с импедансом на физической границе 136 "в направлении вниз" в проводящую среду 203 с потерями. Регулируя резонансный контур 260 с сосредоточенным элементами, в то же время поддерживая фазовую задержку Ф
бегущей волны равной углу ^ наклона волны в среде такой, что (r) ^, эквивалентные модели зеркальной плоскости могут быть настроены в резонанс относительно зеркальной земляной плоскости 139. Таким образом, импеданс эквивалентной модели комплексной зеркальной плоскости является чисто резистивным, что поддерживает стоячую волну, наложенную на структуру штыря, максимизируя напряжение и поднятый заряд на выводе Ti, и улучшает и/или максимизирует связь электрического поля штыря с волноводной модой направляемой поверхностной волны вдоль поверхности проводящей среды 203 с потерями (например, земли).
Из решений Ханкеля следует, что направляемая поверхностная волна, возбужденная волноводным штырем для направляемой поверхностной волны 200, является бегущей волной, распространяющейся наружу. Распределение источника вдоль питающей сети 209 между зарядным выводом Ti и земляной стойкой (или системой заземления) 218 волноводного штыря для направляемой поверхностной волны 200 (фиг. 3 и 7А-7С) фактически состоит из наложения на структуру бегущей волны и стоячей волны.
Для зарядного вывода Ti, расположенного на физической высоте Р или выше, фазовая задержка бегущей волны, движущейся через схему 209 питания, согласуется с углом наклона волны, связанным с проводящей средой 203 с потерями. Это согласование режимов позволяет возбуждать бегущую волну вдоль проводящей среды 203 с потерями.
Когда фазовая задержка для бегущей волны установлена, нагрузочный импеданс L зарядного вывода Ti и/или резонансного контура 260 на сосредоточенных элементах может регулироваться, чтобы привести структуру штыря в резонанс стоячей волны относительно зеркальной земляной плоскости (130 на фиг. 3 или 139 на фиг. 8), которая находится на комплексной глубине -d/2. В этом случае, импеданс, рассматриваемый со стороны зеркальной земляной плоскости, имеет нулевое реактивное сопротивление и заряд на зарядном выводе Ti максимизируется.
Различие между явлением бегущей волны и явлением стоячей волны заключается в
том, что (1) фазовая задержка бегущих волн (^ Pd) в секции линии передачи длиной d (иногда называемой "линией задержки") возникает благодаря задержкам во времени распространения; тогда как (2) позиционно-зависимая фаза стоячих волн (которые состоят из прямых и обратных волн распространения) одновременно зависит от задержки распространения по длине линии и от переходов импеданса на границах раздела между участками линии с различными характеристическими импедансами. В дополнение к фазовой задержке, которая возникает благодаря физической длине участка линии передачи, работающего в стационарном синусоидальном режиме, имеется дополнительная фаза за счет коэффициента отражения на неоднородностях импеданса,
^оа/2 /. Z
которая возникает благодаря отношению оЬ , где оа и оЬ - характеристические импедансы двух участков линии передачи, таких как, например, участок спиральной
2 ^2
катушки с импедансом оа с (фиг. 9В) и прямой участок вертикального питающего
2 =2
линейного проводника с характеристическим импедансом ob w (фиг. 9В).
В результате этого явления, два относительно коротких участка линии передачи с сильно отличающимися характеристическими импедансами могут использоваться для обеспечения очень большого фазового сдвига. Например, структура штыря, состоящего из двух участков линии передачи, одного с низким импедансом и одного с высоким импедансом, вместе имеющая физическую длину, скажем, 0,05Х, может быть изготовлена, чтобы обеспечить фазовый сдвиг 90 °, который эквивалентен резонансу 0,25Х. Это имеет место благодаря большому скачку в характеристических импедансах. Таким образом, физически короткая штыревая структура может быть электрически более длинной, чем две физических длины. Это показано на фиг. 9А и 9В, где неоднородности в соотношениях импедансов обеспечивают большие скачки по фазе. Неоднородность импедансов обеспечивает значительный сдвиг фаз в месте соединения секций.
На фиг. 10 показана блок-схема 150 последовательности выполнения операций
примера регулирования волноводного штыря 200 для направляемой поверхностной волны (фиг. 3 и 7А-7С), чтобы характеристики по существу соответствовали волноводной моде направляемой поверхностной волны на поверхности проводящей среды с потерями, который возбуждает направляемую поверхностную бегущую волну вдоль поверхности проводящей среды 203 с потерями (фиг. 3 и 7А-7С). Начиная с этапа 153, зарядный вывод Ti волноводного штыря для направляемой поверхностной волны 200 располагается на определенной высоте над проводящей средой 203 с потерями. Используя характеристики проводящей среды 203 с потерями и рабочую частоту волноводного штыря для направляемой поверхностной волны 200, можно также найти расстояние пересечения
Ханкеля, приравнивая величины из уравнений (20Ь) и (21) для " JTP и находя решение для Rx, как показано на фиг. 4. Комплексный показатель преломления (п) может быть
определен, используя уравнение (41) и комплексный угол Брюстера ( i=B) может быть
затем определен из уравнения (42). Физическая высота ( Р) зарядного вывода Ti может затем быть определена из уравнения (44). Зарядный вывод Ti должен находиться на
физической высоте ( Р) или выше, чтобы возбуждать удаленный компонент функции Ханкеля. Это отношение высот первоначально рассматривают при возбуждении поверхностных волн. Чтобы уменьшить или минимизировать связанный заряд на зарядном выводе Ti, высота должна быть по меньшей мере в четыре раза больше сферического диаметра (или эквивалентного сферического диаметра) зарядного вывода Ть
На этапе 156 электрическая фазовая задержка Ф поднятого заряда Qi на зарядном
выводе Ti согласуется с комплексным углом ^ наклона волны. Фазовая задержка (^с)
спиральной катушки(-ек) и/или фазовая задержка ( у) вертикального питающего
линейного проводника может регулироваться, чтобы сделать Ф равной углу (^) наклона
(W) волны. Основываясь на уравнении (31), угол (^) наклона волны может быть определен следующим образом:
W = ^ = ^- = -=\W\e^
Электрическая фазовая задержка Ф может затем быть согласована с углом наклона волны. Это угловое (или фазовое) соотношение затем рассматривается при возбуждении
Ф - 0 +0
поверхностных волн. Например, электрическая фазовая задержка с У может быть отрегулирована, изменяя геометрические параметры катушки(-ек) 215 (фиг. 7А-7С) и/или длину (или высоту) вертикального питающего линейного проводника 221 (фиг. 7А-7С).
Выполняя согласование так, чтобы (r) ^, электрическое поле может быть установлено на
расстоянии пересечения Ханкеля (^х) или за ним с помощью комплексного угла Брюстера на границе раздела сред, чтобы возбудить режим поверхностных колебаний в волноводе и запустить бегущую волну вдоль проводящей среды 203 с потерями.
Затем на этапе 159 импеданс зарядного вывода Ti и/или резонансный контур 260 на сосредоточенных элементах могут настраиваться, чтобы вводить в резонанс эквивалентную модель зеркальной плоскости волноводного штыря для направляемой поверхностной волны 200. Глубина (d/2) проводящей зеркальной земляной плоскости 139, показанной на фиг. 9А и 9В (или 130 на фиг. 3), может быть определена, используя уравнения (52), (53) и (54) и значения параметров проводящей среды 203 с потерями (например, Земли), которые могут быть измерены. Используя ту глубину, фазовый сдвиг 0
( d) между зеркальной земляной плоскостью 139 и физической границей 136 проводящей
среды 203 с потерями может быть определен, используя d Ро Импеданс ( "т), если смотреть "в направлении вверх" в проводящую среду 203 с потерями может затем быть определен, используя уравнение (65). Это резонансное соотношение может рассматриваться в отношении максимизации возбужденных поверхностных волн.
Основываясь на отрегулированных параметрах катушки(-ек) 215 и длине вертикального питающего линейного проводника 221, коэффициент скорости, фазовая задержка, и импеданс катушки(-ек) 215 и вертикального питающего линейного проводника 221 могут быть определены, используя уравнения (45)-(51). Кроме того,
собственная емкость ( т) зарядного вывода Ti может быть определена, используя,
например, уравнение (24). Коэффициент (fp) распространения катушки(-ек) 215
может
быть определен, используя уравнение (35), и фазовая постоянная распространения (Fw) для вертикального питающего линейного проводника 221 может быть определена, используя уравнение (49). Используя собственную емкость и определенные значения
катушки(-ек) 215 и вертикального питающего линейного проводника 221, импеданс ( base) волноводного штыря для направляемой поверхностной волны 200, который рассматривается как "направленный вверх" в катушку(-ки) 215, может быть определен, используя уравнения (62), (63), (64), (64.1) и/или (64.2).
Эквивалентная модель зеркальной плоскости волноводного штыря для направляемой поверхностной волны 200 может быть настроена в резонанс, например,
регулируя нагрузочный импеданс так чтобы компонент реактивного сопротивления
X Z X /
base B base компенсировал компонент реактивного сопротивления in в т, или
X + Х- = о
base in Таким образом, импеданс на физической границе 136 "в направлении вверх" в волноводный штырь для направляемой поверхностной волны 200, является сопряженным с импедансом на физической границе 136 "в направлении вниз" в
проводящую среду 203 с потерями. Нагрузочный импеданс L может регулироваться,
изменяя емкость ( т) зарядного вывода Ti без изменения электрической фазовой
задержки с У зарядного вывода Ть Для настройки нагрузочного импеданса L в резонанс для эквивалентной модели зеркальной плоскости относительно проводящей зеркальной земляной плоскости 139 (или 130) может применяться итерационный подход. Таким образом, связь электрического поля с волноводной модой направляемой поверхностной волны вдоль поверхности проводящей среды 203 с потерями (например, Земли) может быть улучшена и/или максимизирована.
Эквивалентная модель зеркальной плоскости волноводного штыря для направляемой поверхностной волны 200 может также быть настроена в резонанс, например, регулируя резонансный контур 260 на сосредоточенных элементах, так чтобы
\ Z
компонент реактивного сопротивления timing в tuning компенсировал компонент
Х- Z- X ¦ + Х- - о
реактивного сопротивления in в m или tuning in Рассмотрим кривую
параллельного резонанса на фиг. 9D, где импеданс в точке вывода на некоторой рабочей частоте (*°) определяется следующим образом:
•F С f'\ - ^2gjF ?'р^ СР ^ - 1 2ж/йр
УА у\J~ J , ч , , - 1 If л 2
С L f
По мере того, как меняется Р (или Р), частота ( Р) собственного резонанса
параллельного резонансного контура 260 изменяется и реактивное сопротивление в точке
X (f )
вывода тч о/ на рабочей частоте меняется с индуктивного (+) на емкостной (-) в
f < f f < f f зависимости от того, 0 Р или Р °. Регулируя Р, на выводах резонансного контура 260
можно получать широкий диапазон реактивных сопротивлений на частоте 0 (например,
Lm(fJ =XT(f0)/o) С (fj = " VcoXJfJ
большую индуктивность eQv °^ 10 или маленькую емкость есг
Чтобы получить электрическую фазовую задержку (Ф) для связи в режиме направляемого поверхностного волновода, катушка(-и) 215 и вертикальный питающий линейный проводник 221 обычно имеют длину меньше четверти длины волны. Для этого индуктивное реактивное сопротивление может быть добавлено с помощью резонансного
контура 260 на сосредоточенных элементах, так чтобы импеданс на физической границе 136 "в направлении вверх " в резонансный контур 260 на сосредоточенных параметрах был сопряжен с импедансом на физической границе 136 "в направлении вниз" в проводящую среду 203 с потерями.
Как показано на фиг. 9D, регулировка Р резонансного контура 260 (фиг. 1С) на
частоту выше рабочей частоты ( °) может обеспечить необходимый импеданс, не изменяя
Ф - 0 О
электрическую фазовую задержку с У зарядного вывода Ti, чтобы настроиться в резонанс эквивалентной модели зеркальной плоскости относительно проводящей
зеркальной земляной плоскости 139 (или 130). В некоторых случаях емкостной импеданс
может быть необходим и может обеспечиваться регулировкой Р резонансного контура 260 на частоту ниже рабочей частоты. Таким образом, связь электрического поля с волноводной модой направляемой поверхностной волны вдоль поверхности проводящей среды 203 с потерями (например, земли) может быть улучшена и/или максимизирована.
Это можно лучше понять, демонстрируя ситуацию с числовым примером. Рассмотрим волноводный штырь для направляемой поверхностной волны 200Ь (фиг. 7А),
содержащий нагруженный сверху вертикальный вывод с физической высотой ^Р с
зарядным выводом Ti сверху, где зарядный вывод Ti возбуждается через спиральную
катушку и вертикальный питающий линейный проводник на рабочей частоте ( °) 1,85 МГц. При высоте (Hi) 16 футов и проводящей среде 203 с потерями (например, Земля),
имеющей относительную диэлектрическую проницаемость г и удельную
проводимость oi = 0,010 мОм/м, можно вычислить несколько параметров распространения поверхностной волны для частоты fo = 1 850 МГц. При этих условиях расстояние пересечения Ханкеля может быть найдено как равное Rx = 54,5 футов с физической высотой hp = 5,5 футов, которая значительно ниже фактической высоты зарядного вывода Ть Хотя высота зарядного вывода Hi = 5,5 футов могла бы использоваться, более высокая структура штыря с уменьшенной емкостью позволяет получить больший процент свободного заряда на зарядном выводе Ti, обеспечивая большую напряженность поля и возбуждение бегущей волны.
Длина волны может быть определена как:
Xo = c/fo= 162, 162 м (67)
где с - скорость света. Комплексный показатель преломления равен:
/ллл х = °l/ms" га = 2nf_ ~ г
из уравнения (41), где 0 для 0 и комплексный угол Брюстера равен:
9iM - arctan(^/Јr -jx) = 85.6 -j 3.744°
согласно уравнению (42). Используя уравнение (66), значения наклона волны могут быть определены следующим образом:
W = -^- = -= \W\ej* = O.lOle'40-614'
tan. S^j я, (70)
Таким образом, спиральная катушка может регулироваться, чтобы достигнуть согласования при Ф = ^ = 40.614°
Коэффициент скорости вертикального питающего линейного проводника
(аппроксимируется однородным цилиндрическим проводником с диаметром 0,27 дюйма)
R V "0.93 ,-, К"К лк
может быть представлен как w Поскольку Р °, фазовая постоянная
распространения для вертикального питающего линейного проводника может быть
аппроксимирована как:
R = = 3?- = 0.042 тгГ1
Рш V Р"Л (71)
Из уравнения (49) фазовая задержка вертикального питающего линейного проводника равна:
ву = Ршкш * PVҐkw = 11-640° (?2)
Регулируя фазовую задержку спиральной катушки так, чтобы
9 = 28.974° -40.614°- 11,640° Л ш ,
с , Ф должно равняться т, чтобы согласовать режим
направляемого поверхностного волновода. Чтобы проиллюстрировать соотношение
между Ф и ^, на фиг. 11 показан график для них обоих в диапазоне частот. Поскольку Ф и
т частотно зависимы, можно заметить, что их соответствующие кривые пересекаются на частоте приблизительно 1,85 МГц.
Для спиральной катушки, имеющей диаметр проводника 0,0881 дюйма, диаметр (D) катушки 30 дюймов и межвитковый промежуток (s) 4 дюйма, коэффициент скорости для катушки может быть определен, используя уравнение (45):
Vf = t 1 = 0.069
4 (73)
Ал = = 0.564 ш 1
? VfK
и коэффициент распространения из уравнения (35):
(74)
0- 28 974°
Для с ' осевая длина соленоидной спирали (Н) может быть определена,
используя уравнение (46):
Н = бс/рр = 37,2732 дюйма. (75)
Эта высота определяет место на спиральной катушке, где присоединяется вертикальный питающий линейный проводник, приводя в результате к катушке с 8,818
витками (N ~~ ^ s).
Для фазовой задержки бегущей волны катушки и вертикального питающего линейного проводника, отрегулированных для согласования с углом наклона волны
( с У ), нагрузочный импеданс ( L) зарядного вывода 11 может быть настроен на резонанс стоячей волны эквивалентной модели зеркальной плоскости для волноводного штыря для направляемой поверхностной волны 200. Исходя из измеренной проницаемости, проводимости и проницаемости Земли, постоянная радиального распространения может быть определена, используя уравнение (57): Уг = у j"ftj-u1{tJ1 + ja> Ј^) = 0.25 + / 0.292 m-1^^
и комплексная глубина проводящей зеркальной земной плоскости может быть аппроксимирована из уравнения (52) следующим образом: d " 2/уе = 3,364 + j3,963 м (77)
с соответствующим фазовым сдвигом между проводящей зеркальной земляной плоскостью и физической границей Земли:
9й = fiJd/2) = 4.015 - j 4.73° ^
Используя уравнение (65), импеданс, рассматриваемый "в направлении вниз" в проводящую среду 203 с потерями (то есть, Землю), может быть определен как: Zin = ZDtanh0ed) - Rtn + JXto = 31.191 +i 26.27 ohms (?9)
Согласуя реактивный компонент ( m), рассматриваемый "в направлении вниз" в
проводящую среду 203 с потерями, с реактивным компонентом ( base) рассматриваемым "в направлении вверх" в волноводный штырь для направляемой поверхностной волны 200, связь с волноводной модой направляемой поверхностной волны может быть максимизирована. Это может быть осуществлено, регулируя емкость зарядного вывода Ti без изменения фазовой задержки бегущей волны катушки и вертикального питающего
линейного проводника. Например, регулируя емкость зарядного вывода ( т) до 61,8126 пФ, нагрузочный импеданс из уравнения (62):
Z, = = -I 1392 ohms
}шст ^ 80)
и реактивные компоненты на границе являются согласованными.
Используя уравнение (51), импеданс вертикального питающего линейного проводника (имеющего диаметр (2а) 0,27 дюймов) определяется как
Z" = 138 toof1-123 ^'М = 537.534 ohms
ш Я\ 2жа J (gj)
и импеданс, рассматриваемый "в направлении вверх" в вертикальный питающий линейный проводник, определяется уравнением (63):
Z7 = Zw^-^ = -J 835.438 ohms
2 wzlv+zLmBb(MF) J (82^
Используя уравнение (47), характеристический импеданс спиральной катушки
7 = 11
равен:
(~)- 1.027
= 1446 ohms
(83)
и импеданс, рассматриваемый в направлении вверх в катушку в основании, определяется уравнением (64) как:
Zhnw, = Zr^-^ = -J 26.271 ohms
base cZe+Zatanll(Aj i
При сравнении с решением уравнения (79), можно заметить, что реактивные
компоненты противоположны и приблизительно равны и, таким образом, они согласуются
друг с другом. Таким образом, импеданс ( ф), рассматриваемый "в направлении вверх" в эквивалентную модель зеркальной плоскости, показанную на фиг. 9А и 9В со стороны идеально проводящей зеркальной земляной плоскости является чисто резистивным или
Zip-R+j0
Когда электрические поля, созданные волноводным штырем 200 для направляемой поверхностной волны (фиг. 3), устанавливаются посредством согласования фазовой задержки бегущей волны питающей сети с углом наклона волны и структура штыря резонирует с идеально проводящей зеркальной земляной плоскостью на комплексной
глубине 2 = ^ 2 характеристики поля по существу соответствуют волноводной моде направляемой поверхностной волны на поверхности проводящей среды с потерями, и направляемая поверхностная бегущая волна возбуждается вдоль поверхности проводящей среды с потерями. Как показано на фиг. 1, кривая 103 напряженности направляемого поля направляемого электромагнитного поля имеет характеристическое экспоненциальное
¦ ad / LJ
затухание е и демонстрирует отличительный перегиб 109 на двойной
логарифмической шкале.
Если реактивные компоненты импеданса, рассматриваемые "в направлении вверх" в катушку и "направляемые вниз" в проводящую среду с потерями, не являются
противоположными и приблизительно равны, то резонансный контур 260 на сосредоточенных элементах (фиг. 7С) может быть включен между катушкой 215 (фиг. 7А) и земляным выводом 218 (фиг. 7А) (или системой заземления). Собственная резонансная частота резонансного контура на сосредоточенных элементах может затем быть отрегулирована, так чтобы реактивные компоненты "направляемые вверх" в резонансный контур волноводного штыря для направляемой поверхностной волны и "направляемые вниз" в проводящую среду с потерями, были противоположными и приблизительно
2,.
равными. При таком условии, регулируя импеданс ( Ф), рассматриваемый "в направлении
вверх" в эквивалентную модель зеркальной плоскости, показанную на фиг. 9С,
относительно идеально проводящей зеркальной земляной плоскости является чисто
Z: =R+jO резистивным или Ф J .
В итоге, как аналитически, так и экспериментально, компонент бегущей волны на
структуре волноводного штыря 200 для направляемой поверхностной волны имеет
фазовую задержку (Ф) на ее верхнем выводе, которая соответствует углу (^) наклона
волны поверхностной бегущей волны ((r) ^). При этом условии поверхностный волновод может считаться "согласованным по моде". Дополнительно, резонансный компонент стоячей волны на структуре волноводного штыря 200 для направляемой поверхностной волны имеет VMAX на зарядном выводе Ti и VMIN внизу на зеркальной плоскости 139 (фиг.
8В) где Ф ip J на комплексной глубине 2 =" но не в месте подключения на физической границе 136 проводящей среды 203 с потерями (фиг. 8В). Наконец, зарядный
вывод Ti имеет достаточную высоту Hi, как показано на фиг. 3, (^ ~ ^i> B), так чтобы электромагнитные волны, падающие на проводящую среду 203 с потерями под
комплексным углом Брюстера, делали это на расстоянии ( где член является
преобладающим. Вместе с одним или более направляемыми поверхностными волноводными штырями могут использоваться приемные схемы, чтобы облегчить работу систем беспроводной передачи и/или доставки мощности.
Возвращаясь к фиг. 3, работа волноводного штыря для направляемой поверхностной волны 200 может управляться, регулируясь при изменении рабочих условий, связанных с волноводным штырем для направляемой поверхностной волны 200. Например, адаптивная система 230 управления штырем может использоваться для управления схемой 209 питания и/или зарядным выводом Ti, чтобы управлять работой волноводного штыря для направляемой поверхностной волны 200. Рабочие условия могут содержать, но не ограничиваясь только этим, изменения в характеристиках проводящей
среды 203 с потерями (например, в проводимости о и относительной диэлектрической
проницаемости г), изменения напряженности поля и/или изменения нагрузки волноводного штыря для направляемой поверхностной волны 200. Как можно видеть из уравнений (31), (41) и (42), на показатель преломления (п), комплексный угол Брюстера
( i=B) и наклон волны
(lwleJ ) могут
влиять изменения проводимости и диэлектрической
проницаемости грунта, возникающие в результате, например, погодных условий.
Оборудование, такое как, например, измерительные штыри проводимости, датчики диэлектрической проницаемости, измерители параметров почвы, полевые измерители, мониторы токов и/или приемника нагрузки, может использоваться для контроля изменений рабочих условий и предоставлять информацию о текущих рабочих условиях адаптивной системе 230 управления штырем. Система 230 управления штырем затем может делать одну или более регулировок волноводного штыря для направляемой поверхностной волны 200, чтобы поддерживать определенные рабочие условия для волноводного штыря для направляемой поверхностной волны 200. Например, поскольку влажность и температура меняются, проводимость почвы также меняется. Измерительные штыри проводимости и/или датчики диэлектрической проницаемости могут быть расположены во многих местах вокруг волноводного штыря для направляемой поверхностной волны 200. В целом, желательно контролировать проводимость и/или диэлектрическую проницаемость на расстоянии Rx пересечения Ханкеля на рабочей частоте. Измерительные штыри проводимости и/или датчики диэлектрической проницаемости могут располагаться во множестве мест (например, в каждом квадранте) вокруг волноводного штыря для направляемой поверхностной волны 200.
Измерительные штыри проводимости и/или датчики диэлектрической проницаемости могут быть выполнены с возможностью оценки проводимости и/или диэлектрической проницаемости на периодической основе и передачи информации системе 230 управления штырем. Информация может передаваться системе 230 управления штырем через сеть, такую как, но не ограничиваясь только этим, LAN, WLAN, сеть сотовой связи или через другую соответствующую проводную или беспроводную сеть связи. Основываясь на проконтролированной проводимости и/или диэлектрической проницаемости, система 230 управления штырем может оценить изменение показателя
преломления (п), комплексного угла Брюстера ( i=B) и/или наклона волны
отрегулировать волноводный штырь для направляемой поверхностной волны 200, чтобы поддерживать фазовую задержку (Ф) питающей сети 209 равной углу (\\f) наклона волны и/или поддержать резонанс эквивалентной модели зеркальной плоскости волноводного
штыря для направляемой поверхностной волны 200. Это может осуществляться,
0 8 С
регулируя, например, У, с и/или т. Например, система 230 управления штырем может
0 0
регулировать собственную емкость зарядного вывода Ti и/или фазовую задержку ( У, С), применяемую к зарядному выводу Ti, чтобы поддержать электрическую эффективность возбуждения направляемой поверхностной волны в максимуме или около него. Например, собственная емкость зарядного вывода Ti может меняться при изменении размера вывода. Распределение заряда также может быть улучшено, увеличивая размер зарядного вывода Ti, что может понизить шанс электрического пробоя с зарядного вывода Ть В других вариантах осуществления зарядный вывод Ti может содержать переменную
индуктивность, которая может регулироваться, чтобы изменять нагрузочный импеданс^1-. Фаза, приложенная к зарядному выводу Ti может регулироваться, изменяя положение отвода на катушке 215 (фиг. 7А-7С), и/или включая множество заданных отводов вдоль катушки 215 и переключаясь между различными заданными местами расположения отводов, чтобы максимизировать эффективность возбуждения.
Измерители поля или напряженности поля (field strength, FS) могут также быть распределены вокруг волноводного штыря для направляемой поверхностной волны 200, чтобы измерять напряженность поля или поля, связанные с направляемой поверхностной волной. Измерители поля или FS могут быть выполнены с возможностью обнаружения напряженности поля и/или изменения напряженности поля (например, интенсивности электрического поля) и передачи этой информации системе 230 управления штырем. Информация может передаваться системе 230 управления штырем через сеть, такую как, но не ограничиваясь только этим, LAN, WLAN, сеть сотовой связи или через другую соответствующую систему связи. По мере того, как нагрузка и/или условия окружающей среды изменяются или варьируются во время работы, волноводный штырь для направляемой поверхностной волны 200 может регулироваться, чтобы поддерживать определенную напряженность(-и) поля в местах расположения измерителей ФС, чтобы гарантировать соответствующую передачу мощности приемникам и нагрузкам, которые они обеспечивают.
Например, фазовая задержка ((r) ^У ^с), применяемая к зарядному выводу Ti
может регулироваться, чтобы согласовываться с углом (^) наклона волны. Регулируя одну или обе фазовых задержки, волноводный штырь для направляемой поверхностной волны 200 может регулироваться, чтобы гарантировать, что наклон волны соответствует комплексному углу Брюстера. Это может осуществляться, регулируя положение отвода на катушке(-ах) 215 (фиг. 7А-7С), чтобы изменять фазовую задержку, создаваемую на
зарядном выводе Ti. Уровень напряжения, подаваемого на зарядный вывод Ti, может также быть увеличен или уменьшен, чтобы отрегулировать интенсивность электрического поля. Это может осуществляться, регулируя выходное напряжение источника 212 возбуждения или регулируя или изменяя конфигурацию схемы 209 питания. Например, положение отвода 227 (фиг. 7А) для источника 212 возбуждения может регулироваться, чтобы увеличивать напряжение на стороне зарядного вывода Ti, где находится источник 212 возбуждения, например, источник АС, как упомянуто выше. Поддержание уровней напряженности поля в пределах заданных диапазонов может улучшать связь с приемниками, снижать потери за счет земляного тока и избегать интерференции с передачами от других волноводных штырей для направляемой поверхностной волны 200.
Система 230 управления штырем может быть реализована с помощью аппаратных средств, встроенного микропрограммного обеспечения, программного обеспечения, выполняемого аппаратными средствами, или их сочетанием. Например, система 230 управления штырем может содержать схему обработки, содержащую процессор и память, которые могут быть связаны с локальным интерфейсом таким как, например, шина передачи данных с сопроводительной управляющей/адресной шиной, как должно быть понятно специалистам в данной области техники. Приложение для управления штырем может выполняться процессором, чтобы регулировать работу волноводного штыря для направляемой поверхностной волны 200, основываясь на контролируемых условиях. Система 230 управления штырем может также содержать один или более сетевых интерфейсов для связи с различными устройствами контроля. Связь может осуществляться через сеть, такую как, но не ограничиваясь только этим, LAN, WLAN, сеть сотовой связи или через другую соответствующую систему связи. Система 230 управления штырем может содержать, например, компьютерную систему, такую как сервер, настольный компьютер, ноутбук или другую систему с подобными возможностями.
Возвращаясь обратно к примеру на фиг. 5А, комплексная угловая тригонометрия показана для интерпретации с оптическими лучами падающего электрического поля (Е)
зарядного вывода Ti под комплексным углом Брюстера ( iB) на расстоянии
пересечения Ханкеля. Напомним, что для проводящей среды с потерями угол Брюстера является комплексным и определяемым уравнением (38). Электрически,
геометрические параметры связываются с электрической эффективной высотой ( eff)
зарядного вывода Ti уравнением (39). Поскольку как физическая высота ( Р), так и расстояние (^) пересечения Ханкеля является реальными величинами, угол желаемого
угла наклона направляемой поверхностной волны на расстоянии Rx) пересечения
Ханкеля равен фазе (Ф) комплексной эффективной высоты ( eff). Для зарядного вывода
Ti, расположенного на физической высоте Р и возбуждаемого зарядом, имеющим соответствующую фазовую задержку Ф, результирующее электрическое поле является
падающим с граничным интерфейсом проводящей среды с потерями на расстоянии ^ пересечения Ханкеля и с углом Брюстера. При этих условиях режим направляемого поверхностного волновода может быть возбужден без отражения или, по существу, с незначительным отражением.
Однако уравнение (39) означает, что физическая высота волноводного штыря 200 для направляемой поверхностной волны может быть относительно малой. Хотя он будет возбуждать волноводную моду для направляемой поверхностной волны, это может приводить в результате к ненужному большому связанному заряду с небольшим свободным зарядом. Для компенсации зарядный вывод Ti может быть поднят на соответствующее возвышение, чтобы увеличить величину свободного заряда. Как предлагается эмпирическим правилом для примера, зарядный вывод Ti может быть расположен на возвышении приблизительно 4-5 раз (или больше) среднего диаметра зарядного вывода Ть На фиг. 6 показано действие возвышения зарядного вывода Ti над физической высотой (hp) показанной в фиг. 5А. Увеличенная высота заставляет расстояние, на котором наклон волны падает на проводящий носитель с потерями, перемещаться за точку 121 пересечения Ханкеля (фиг. 5А). Чтобы улучшить связь с волноводной модой для направляемой поверхностной волны и, таким образом, обеспечить большую эффективность возбуждения направляемой поверхностной волны, может использоваться более низкий компенсационный вывод Тг, чтобы отрегулировать общую эффективную высоту (ЬГЕ) зарядного вывода Ti так, чтобы наклон волны на расстоянии пересечения Ханкеля соответствовал углу Брюстера.
На фиг. 12 показан пример волноводного штыря для направляемой поверхностной волны 200е, содержащего поднятый зарядный вывод Ti и более низкий компенсационный вывод Т2, которые располагаются вдоль вертикальной оси z, являющейся нормалью к плоскости, представленной проводящей средой 203 с потерями. В этом отношении, зарядный вывод Ti размещается непосредственно над компенсационным выводом Тг, хотя возможно, что может использоваться какое-то другое расположение двух или более зарядных и/или компенсационных выводов TN. В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, волноводный штырь для направляемой поверхностной волны 200е располагается над проводящей средой 203 с потерями.
Проводящая среда 203 с потерями образует область 1 со второй средой 206, который образует область 2 совместно использующую границу раздела с проводящей средой 203 с потерями.
Волноводный штырь для направляемой поверхностной волны 200е содержит схему 209 питания, которая связывает источник 212 возбуждения с зарядным выводом Ti и компенсационным выводом Тг. В соответствии с различными вариантами осуществления, заряды QIH Q2 могут накладываться на соответствующие зарядный и компенсационный выводы Ti и Тг, в зависимости от напряжений, применяемых к выводам Ti и Тг в любой заданный момент. Ii - ток проводимости, подающий заряд Qi на зарядный вывод Ti через входной вывод, и 1г - ток проводимости, подающий заряд Q2 на компенсационный вывод Тг через входной вывод.
В соответствии с вариантом осуществления, показанным на фиг. 12, зарядный вывод Ti располагается над проводящей средой 203 с потерями на физической высоте Hi, а компенсационный вывод Тг располагается непосредственно ниже Ti вдоль вертикальной оси z на физической высоте Нг, где Нг меньше, чем Hi. Высота h передающей структуры может быть вычислена как h = Hi - Нг. Зарядный вывод Ti имеет изолированную (или собственную) емкость Ci, и компенсационный вывод Тг имеет изолированную (или собственную) емкость Сг. Взаимная емкость См может также существовать между терминалами Ti и Тг в зависимости от расстояния между ними. Во время работы заряды Qi и Q2 налагаются на зарядный вывод Ti и компенсационный вывод Тг, соответственно, в зависимости от напряжений, приложенных к зарядному выводу Ti и к компенсационному выводу Тг в любой заданный момент.
Далее на фиг. 13 показана интерпретация с помощью лучевой оптики эффектов, создаваемых поднятым зарядом Qi на зарядном выводе Ti и компенсационном выводе Тг, показанных на фиг. 12. Для зарядного вывода Ti, поднятого на высоту, где луч пересекает проводящую среду с потерями под углом Брюстера на расстоянии, превышающем точку 121 пересечения Ханкеля, как показано линией 163, компенсационный вывод Тг может использоваться для регулирования ПТЕ посредством компенсации увеличенной высоты. Действие компенсационного вывода Тг должно заключаться в снижении эффективной электрической высоты волноводного штыря для направляемой поверхностной волны (или эффективного повышения границы среды с потерями), так чтобы наклон волны на расстоянии пересечения Ханкеля соответствовал углу Брюстера, как показано линией 166.
Полная эффективная высота может быть записана как суперпозиция верхней эффективной высоты (ГЩЕ), связанной с зарядным выводом Ti, и нижней эффективной ВЫСОТЫ(ПЬЕ), связанной с компенсационным выводом Тг, так что
hTE = Kz + hLE = kpe№*v**4) + hdeMW*0 = Rx x W
где Фи - фазовая задержка, применяемая к верхнему зарядному выводу Ti, Фь -
о = 2л; Д
фазовая задержка, применяемая к нижнему компенсационному выводу Тг, Р -
коэффициент распространения из уравнения (35), hp - физическая высота зарядного вывода Ti и hd - физическая высота компенсационного вывода Т2. Если длины дополнительных выводов учитываются, то их можно учесть, добавляя длину z входного вывода зарядного вывода к физической высоте hp зарядного вывода Ti и длину у входного вывода компенсационного вывода к физической высоте hd компенсационного вывода Тг, как показано в следующем выражении
hTS = (hp + z)e^M^)+*Ej) + (hd + у}е/ <* <"Л+у> +Ф?) = Дж, X W
Более низкая эффективная высота может использоваться для регулирования общей
h h эффективной высоты ( ТЕ), чтобы приравнять ее к комплексной эффективной высоте ( eff)
на фиг. 5А.
Уравнения (85) или (86) могут использоваться для определения физической высоты нижнего диска компенсационного вывода Тг и углов сдвига фаз для питания выводов, чтобы получить желаемый наклон волны на расстоянии пересечения Ханкеля. Например, уравнение (86) может быть переписано в виде фазовой задержки, применяемая к
зарядному выводу Ti, как функция высоты компенсационного вывода ( d), чтобы получить:
Чтобы определить расположение компенсационного вывода Тг, могут
использоваться обсуждавшиеся выше соотношения. Во-первых, общая эффективная
h h высота ( ТЕ) является суперпозицией комплексной эффективной высоты ( LE) верхнего
зарядного вывода Ti и комплексной эффективной высоты ( LE) нижнего компенсационного вывода Тг, как показано в уравнении (86). Затем, касательная угла падения может быть выражена геометрически следующим отношением:
tan Фв = -
R* (88)
которое соответствует определению наклона волны W. Наконец, учитывая
желаемое расстояние пересечения Ханкеля, ^ТЕ может быть отрегулировано, чтобы сделать наклон волны падающего луча согласованным с комплексным углом Брюстера в
h ф
точке 121 пересечения Ханкеля. Это может быть осуществлено, регулируя Р, v, и/или
Эти концепции могут стать понятнее, когда обсуждаются в контексте примера
волноводного штыря для направляемой поверхностной волны. На фиг. 14 показано
графическое представление примера волноводного штыря для направляемой
поверхностной волны 200? содержащего верхний зарядный вывод Ti (например, сфера на
h h высоте т) и нижний компенсационный вывод Тг (например, диск на высоте d), которые
располагаются вдоль вертикальной оси z, которая, по существу, нормальна к плоскости,
представленной проводящей средой 203 с потерями. Во время работы заряды Qi и Q2
накладываются на зарядный и компенсационный выводы Ti и Тг, соответственно, в
зависимости от напряжений, прикладываемых к выводам Ti и Тг в любой заданный
момент.
Источник АС может действовать в качестве источника 212 возбуждения для зарядного вывода Ti, который связывается с волноводным штырем для направляемой поверхностной волны 200f через схему 209 питания, содержащую фазирующую катушку 215, такую как, например, спиральная катушка. Источник 212 возбуждения может быть соединен через нижний участок катушки 215 с помощью отвода 227, как показано на фиг. 14, или может быть индуктивно связан с катушкой 215 посредством первичной катушки. Катушка 215 может быть связана с земляной стойкой (или системой заземления) 218 на первом конце и с зарядным выводом Ti на втором конце. В некоторых реализациях соединение с зарядным выводом Ti может регулироваться, используя отвод 224 на втором конце катушки 215. Компенсационный вывод Тг располагается выше и, по существу, параллельно с проводящей средой 203 с потерями (например, землей или Землей) и запитывается через отвод 233, связанный с катушкой 215. Амперметр 236, расположенный между катушкой 215 и земляной стойкой (или системой заземления) 218, может использоваться для обеспечения индикации величины электрического тока (1о) в основании волноводного штыря для направляемой поверхностной волны. Альтернативно может использоваться токовый зажим вокруг проводника, связанного с земляной стойкой (или системой заземления) 218, чтобы получить индикацию величины электрического тока (1о).
В примере на фиг. 14 катушка 215 связывается с земляной стойкой основания (или системой заземления) 218 на первом конце и зарядным выводом Ti на втором конце через вертикальный питающий линейный проводник 221. В некоторых реализациях соединение с зарядным выводом Ti может регулироваться, используя отвод 224 на втором конце
катушки 215, как показано на фиг. 14. Катушка 215 может запитываться на рабочей частоте источником 212 возбуждения через отвод 227 на нижнем участке катушки 215. В других реализациях источник 212 возбуждения может быть индуктивно связан с катушкой 215 через первичную катушку. Компенсационный вывод Тг запитывается через отвод 233, связанный с катушкой 215. Амперметр 236, расположенный между катушкой 215 и земляной стойкой (или системой заземления) 218, может использоваться для обеспечения индикации величины электрического тока в основании волноводного штыря для направляемой поверхностной волны 200f. Альтернативно, токовый зажим может использоваться вокруг проводника, связанного с земляной стойкой (или системой заземления) 218, чтобы получить индикацию величины электрического тока. Компенсационный вывод Т2 располагается над и, по существу, параллельно проводящей среде 203 с потерями (например, земле).
В примере, показанном на фиг. 14, соединение с зарядным выводом Ti располагается на катушке 215 над точкой соединения отвода 233 для компенсационного вывода Тг. Такая регулировка позволяет прикладывать к верхнему зарядному выводу Ti повышенное напряжение (и, таким образом, более высокий заряд Qi) В других вариантах осуществления точки подключения для зарядного вывода Ti и компенсационного вывода
Т2 могут меняться местами. Можно регулировать общую эффективную высоту ( ТЕ) волноводного штыря для направляемой поверхностной волны 200? чтобы возбуждать электрическое поле, имеющее наклон направляемой поверхностной волны на расстоянии
пересечения Ханкеля Расстояние пересечения Ханкеля может также быть найдено,
приравнивая величины из уравнений (20Ь) и (21) для " JYP, и решая их для ^ как показано
на фиг. 4. Показатель преломления (п), комплексный угол Брюстера ( iB и ^3), наклон
I г I тг--
волны (lwle ) и комплексная эффективная высота ( eff Р ) могут быть определены согласно описанным выше уравнениям (41)-(44).
Для выбранной конфигурации зарядного вывода Ti может быть определен сферический диаметр (или эффективный сферический диаметр). Например, если зарядный вывод Ti не конфигурирован как сфера, то конфигурация вывода может быть смоделирована как сферическая емкость, имеющая эффективный сферический диаметр. Размер зарядного вывода Ti может быть выбран так, чтобы обеспечить достаточно большую поверхность для заряда Qi, приложенного к выводам. В целом, желательно делать зарядный вывод Ti настолько большим, насколько практически возможно. Размер зарядного вывода Ti должен быть достаточно большим, чтобы избежать ионизации
окружающего воздуха, которая может привести в результате к электрическому разряду или искрению вокруг зарядного вывода. Чтобы уменьшить величину связанного заряда на зарядном выводе Ti, требуемое повышение для обеспечения свободного заряда на зарядном выводе Ti для возбуждения направляемой поверхностной волны должно составлять по меньшей мере 4-5 эффективных сферических диаметров над проводящей средой с потерями (например, Землей). Компенсационный вывод Тг может использоваться
для регулирования общей эффективной высоты ( ТЕ) волноводного штыря для направляемой поверхностной волны 200? чтобы возбуждать электрическое поле,
имеющее наклон направляемой поверхностной волны в точке Компенсационный
вывод Т2 может быть расположен ниже зарядного вывода Ti на высоте d Т Р, где т -общая физическая высота зарядного вывода Ть С точки зрения фиксированного компенсационного вывода Тг и фазовой задержки Фи, приложенной к верхнему зарядному выводу Ti, фазовая задержка Фь, приложенная к нижнему компенсационному выводу Тг, может быть определена, используя соотношения уравнения (86), то есть:
Фи(ка} = -Мкё + у}-1Ы^ LE_L_ j
В альтернативных вариантах конструкции компенсационный вывод Тг может быть
расположен на высоте где ^m{(r)i3 = q зт0 графически показано на фиг. 15А, где
приводятся графики 172 и 175 мнимой и действительной частей и, соответственно.
h Irnl }
Компенсационный вывод Тг располагается на высоте d, где *¦ и' = 0, как графически
показано на графике 172. На этой фиксированной высоте фаза и катушки может быть
Ref Ф 1
определена из 1 uJ, как графически показано на графике 175.
При источнике 212 возбуждения, связанном с катушкой 215 (например, в точке 50 Q, чтобы максимизировать связь), положение отвода 233 может регулироваться для достижения параллельного резонанса компенсационного вывода Тг, по меньшей мере, с участком катушки на рабочей частоте. На фиг. 15В схематично показана общая схема электрических соединений, показанных на фиг. 14, где Vi - напряжение, приложенное к нижнему участку катушки 215 источником 212 возбуждения через отвод 227, V2 -напряжение на выводе 224, которое подается на верхний зарядный вывод Ti, и Уз -напряжение, приложенное к нижнему компенсационному выводу Тг через отвод 233. Резисторы Rp и Rd представляют резисторы заземления для обратного тока зарядного вывода Ti и компенсационного вывода Тг, соответственно. Зарядный и компенсационный
выводы Ti и Тг могут быть выполнены в виде сфер, цилиндров, тороидов, колец, кожухов, или любой другой комбинации емкостных структур. Размер зарядного и компенсационного выводов Ti и Т2 может быть выбран, чтобы обеспечить достаточно большую поверхность для зарядов Qi и Q2, приложенных к выводам. В целом, желательно делать зарядный вывод Ti настолько большим, насколько практически возможно. Размер зарядного вывода Ti должен быть достаточно большим, чтобы избежать ионизации окружающего воздуха, которая в результате может привести к электрическим пробоям или искрению вокруг зарядного вывода. Собственные емкости Ср и Cd зарядного и компенсационного выводов Ti и Тг, соответственно, могут быть определены, используя, например, уравнение (24).
Как можно видеть в фиг. 15В, резонансный контур образуется, по меньшей мере, частью индуктивности катушки 215, собственной емкостью Cd компенсационного вывода Тг и резистором заземления для обратного тока, связанным с компенсационным выводом Тг. Параллельный резонанс может достигаться, регулируя напряжение V3, приложенное к компенсационному выводу Тг (например, регулируя положение отвода 233 на катушке 215) или регулируя высоту и/или размер компенсационного вывода Тг, чтобы регулировать Cd. Положение отвода 233 катушки может регулироваться для достижения параллельного резонанса, который будет в результате приводить к земляному току через земляную стойку (или систему заземления) 218 и через амперметр 236, достигая максимальной точки. После того, как параллельный резонанс компенсационного вывода Тг был достигнут, положение отвода 227 для источника 212 возбуждения может регулироваться до точки, соответствующей 50 Q на катушке 215.
Напряжение V2 катушки 215 может прикладываться к зарядному выводу Ti и положение отвода 224 может регулироваться так, что фазовая задержка (Ф) для общей
эффективной высоты ( ТЕ) приблизительно равняется углу наклона К-х направляемой
поверхностной волны на расстоянии пересечения Ханкеля (^х). Положение отвода 224 катушки может регулироваться до тех пор, пока эта рабочая точка не будет достигнута, что приводит в результате к увеличению земляного тока через амперметр 236 до максимума. В этой точке результирующие поля, возбужденные волноводным штырем 200f для направляемой поверхностной волны, по характеристикам по существу соответствуют волноводной моде для направляемой поверхностной волны на поверхности проводящей среды 203 с потерями, приводя в результате к возбуждению направляемой поверхностной волны вдоль поверхности проводящей среды 203 с потерями. Это может быть проверено посредством измерения напряженности поля вдоль радиуса, проходящего
от волноводного штыря 200 для направляемой поверхностной волны.
Резонанс цепи, содержащей компенсационный вывод Тг, может изменяться при присоединении зарядного вывода Ti и/или при регулировке напряжения, приложенного к нагрузочному выводу Ti через отвод 224. Хотя регулирование схемы компенсационного вывода для достижения резонанса помогает последующей регулировке подключения
зарядного вывода, нет необходимости устанавливать наклон ( Rx) направляемой
поверхностной волны на расстоянии (^х) пересечения Ханкеля. Система может дополнительно регулироваться для улучшения связи, итеративно регулируя положение отвода 227 для источника 212 возбуждения, чтобы попасть в точку, соответствующую 50 Q, на катушке 215 и отрегулировать положение отвода 233 для максимизации земляного тока через амперметр 236. Резонанс схемы, содержащей компенсационный вывод Т2, может дрейфовать по мере того, как регулируются положения отводов 227 и 233, или когда к катушке 215 подключаются другие компоненты.
В других реализациях напряжение V2 катушки 215 может быть приложено к зарядному выводу Ti и положение отвода 233 может регулироваться так, чтобы фазовая задержка (Ф) общей эффективной высоты (ЬГЕ) приблизительно равнялась углу (\\f) наклона направляемой поверхностной волны в точке Rx. Положение отвода 224 катушки может регулироваться, пока рабочая точка в результате не достигнет земляного тока через амперметр 236, по существу, достигая максимума. Характеристики результирующих полей, по существу соответствуют волноводной моде для направляемой поверхностной волны на поверхности проводящей среды 203 с потерями, и направляемая поверхностная волна возбуждается вдоль поверхности проводящей среды 203 с потерями. Это может быть подтверждено посредством измерения напряженности поля вдоль радиуса, исходящего от волноводного штыря 200 для направляемой поверхностной волны. Система может дополнительно регулироваться для улучшения связи, путем итеративного регулирования положения отвода 227 для источника 212 возбуждения, чтобы попадать в точку 50 Q на катушке 215, и регулируя положение отвода 224 и/или 233, чтобы максимизировать земляной ток через амперметр 236.
Возвращаясь к фиг. 12, работа волноводного штыря для направляемой поверхностной волны 200 может управляться, чтобы реагировать на изменения в рабочих условиях, связанные с волноводным штырем для направляемой поверхностной волны 200. Например, система 230 управления штырем может использоваться для управления схемой 209 питания и/или расположением зарядного вывода Ti и/или корректирующего вывода Тг, чтобы управлять работой волноводного штыря для направляемой поверхностной
волны 200. Рабочие условия могут содержать, не ограничиваясь только этим, изменения в характеристиках проводящей среды 203 с потерями (например, удельной проводимости о и относительной диэлектрической постоянной sr), изменения в напряженности поля и/или изменения в нагрузке волноводного штыря для направляемой поверхностной волны 200. Как можно видеть из уравнений (41)-(44), показатель преломления (п), комплексный угол
Брюстера ( iB и (tm)*> в), наклон волны
и комплексная эффективная высота
( eff Р ) могут быть затронуты изменениями удельной проводимости почвы и диэлектрической постоянной в результате, например, климатических условий.
Оборудование такое как, например, штыри измерения удельной проводимости, датчики диэлектрической постоянной, измерители параметров заземления, измерители поля, мониторы тока и/или нагрузочные приемники могут использоваться, чтобы контролировать изменения рабочих условий и предоставлять информацию о текущих рабочих условиях системе 230 управления штырем. Система 230 управления штырем может затем производить одну или более регулировок волноводного штыря для направляемой поверхностной волны 200, чтобы поддержать определенные рабочие условия волноводного штыря для направляемой поверхностной волны 200. Например, поскольку влажность и температура изменяются, удельная проводимость почвы также меняется. Измерительные штыри удельной проводимости и/датчики диэлектрической постоянной могут располагаться во множестве мест вокруг волноводного штыря для направляемой поверхностной волны 200. Обычно, может быть желательным контролировать удельную проводимость и/или диэлектрическую постоянную на рабочей
частоте в точке ^ пересечения Ханкеля или около нее. Измерительные штыри удельной проводимости и/или датчики диэлектрической постоянной могут быть расположены во множестве мест (например, в каждом квадранте) вокруг волноводного штыря для направляемой поверхностной волны 200.
На фиг. 16 показан пример волноводного штыря для направляемой поверхностной волны 200g, содержащего зарядный вывод Ti и зарядный вывод Тг, которые располагаются вдоль вертикальной оси z. Волноводный штырь для направляемой поверхностной волны 200g располагается над проводящей средой 203 с потерями, которая образует область 1. Кроме того, вторая среда 206 совместно граничит с поверхностью раздела с проводящей средой 203 с потерями и образует область 2. Зарядные выводы Ti и Т2 располагаются над проводящей среде 203 с потерями. Зарядный вывод Ti находится на высоте Hi, и зарядный вывод Тг находится непосредственно ниже Ti вдоль вертикальной оси z на высоте Нг, где Нг меньше, чем Hi. Высота h передающей структуры,
представленной волноводным штырем для направляемой поверхностной волны 200g, равна h = Hi - Ш. Волноводный штырь для направляемой поверхностной волны 200g содержит схему 209 питания, которая соединяет источник 212 возбуждения, такой как источник переменного тока, например, с зарядными выводами Ti и Тг.
Зарядные выводы Ti и/или Тг содержат проводящую массу, которая может удерживать электрический заряд и может обладать размерами, пригодными для хранения такого количества заряда, какое только возможно. Зарядный вывод Ti имеет собственную емкость Ci и зарядный вывод Тг имеет собственную емкость Сг, которые могут быть определены, используя, например, уравнение (24). Посредством размещения зарядного вывода Ti непосредственно над зарядным выводом Тг может создаваться взаимная емкость См между зарядными выводами Ti и Тг. Заметим, что зарядные выводы Ti и Тг не должны быть идентичными, а каждый может иметь отдельный размер и форму и могут содержать различные проводящие материалы. В конечном счете, напряженность поля направляемой поверхностной волны, возбужденной волноводным штырем для направляемой поверхностной волны 200g прямо пропорциональна количеству заряда на выводе Ть Заряд Qi, в свою очередь, пропорционален собственной емкости Ci, связанной с зарядным выводом Ti, поскольку Qi = CiV, где V - напряжение, приложенное к зарядному выводу Ть
Когда волноводный штырь для направляемой поверхностной волны 200g должным образом отрегулирован для работы на заданной рабочей частоте, он генерирует направляемую поверхностную волну вдоль поверхности проводящей среды 203 с потерями. Источник 212 возбуждения может генерировать электроэнергию на заданной частоте, которая подается на волноводный штырь для направляемой поверхностной волны 200g, чтобы возбудить структуру. Когда характеристику электромагнитного поля, генерируемого волноводным штырем 200g для направляемой поверхностной волны, по существу согласованы с проводящей средой 203 с потерями, электромагнитные поля по существу, синтезируют волновой фронт, падающий под комплексным углом Брюстера, что в результате приводит к малому или отсутствию отражения. Таким образом, волноводный штырь 200g для направляемой поверхностной волны создает неизлучаемую волну, а возбуждает направляемую поверхностную бегущую волну вдоль поверхности проводящей среды 203 с потерями. Энергия от источника 212 возбуждения может передаваться в виде поверхностных токов Ценнека одному или более приемникам, которые располагаются в пределах эффективной дальности передачи волноводного штыря 200g для направляемой поверхностной волны.
J ( )
Можно определить асимптоты радиального поверхностного тока Р " Ценнека на
j fp]
поверхности проводящей среды 203 с потерями, чтобы 1 F был приближающимся (close-
J ( )
in) током, а 2 " - удаляющимся (far-out) током, где
h + h E^CQJ + EQPS(Q2)
Jp(p) ~ Jj = +
Close-in (p < )Лу. 2%p ZP , и (90)
J7 Jp(p)~J2 = _i X |X Г
Far-out (p"A/8): 4 AJ 71 VP .(91)
где Ii - ток проводимости, питающий заряд Qi на первом зарядном выводе Ti, и Ь -ток проводимости, питающий заряд СЬ на втором зарядном выводе Тг. Заряд Qi на верхнем зарядном выводе Ti определяется как Qi = C1V1, где Ci - изолированная емкость зарядного вывода Ть Заметим, что в Ii существует третий компонент, упомянутый выше и
определяемый как * ' , который следует из краевого условия Леонтовича и является радиальной токовой составляющей в проводящей среде 203 с потерями, возбужденной квазистатическим полем поднятого осциллирующего заряда на первом зарядном выводе
z =jco^0/Y
потерями, где
Асимптоты, представляющие радиальные приближающийся и удаляющийся токи, описанные уравнениями (90) и (91), являются комплексными величинами. В соответствии
с различными вариантами осуществления, физический поверхностный ток синтезируется, чтобы настолько возможно быть согласованным с асимптотами тока по
величине и по фазе. То есть, приближающийся ток Wp)I должен быть касательным к а
удаляющийся ток Wp)I должен быть касательным к Кроме того, в соответствии с
различными вариантами осуществления, фаза -^р) должна быть переходной от фазы
Т J приближающегося тока'1 к фазе удаляющегося тока 2.
Чтобы согласовать режим направляемой поверхностной волны в месте передачи
для возбуждения направляемой поверхностной волны, фаза удаляющегося
поверхностного тока ^ должна отличаться от фазы приближающегося поверхностного
|j I - jp(p2 - PJ
тока ' !' на фазу распространения, соответствующую е , плюс константа
приблизительно 45 градусов или 225 градусов. Это происходит потому, что существуют два корня для V^, один вблизи к/4 и другой вблизи 5л/4. Должным образом
Qi. Величина Р 'е является радиальным импедансом проводящей среды с
(. 2 \1/2
, Ус - ю ^lelj
отрегулированный синтетический радиальный поверхностный ток равен:
/Д.Р:-^0)-^^2)С-да) (92)
Заметим, что это совместимо с уравнением (17). Согласно уравнениям Максвелла, такой поверхностный ток J(p) автоматически создает поля, которые соответствуют
Ј <.=rrfc)s""!'"i8^> "(94)
|j I
Таким образом, разность фаз между удаляющимся поверхностным током 1 21 и
приближающимся поверхностным током для моды направляемой поверхностной волны, которая должна быть согласована, получается благодаря характеристикам функций Ханкеля в уравнениях (93)-(95), которые совместимы с уравнениями (1)-(3). Важно осознавать, что поля, выраженные уравнениями (1)-(6) и (17) и уравнениями (92)-(95), имеют характеристику режима линии передачи, связанного с границей раздела сред с потерями, а они не являются полями излучения, которые связаны с распространением наземной волны.
Чтобы получить соответствующие величины и фазы напряжения для данного проекта волноводного штыря для направляемой поверхностной волны 200g в данном месте может использоваться итерационный подход. Конкретно, анализ может быть выполнен для заданного возбуждения и конфигурации волноводного штыря для направляемой поверхностной волны 200g, учитывая питающие токи для выводов Ti и Т2, заряды на зарядных выводах Ti и Т2, и их зеркальные представления в проводящей среде 203 с потерями, чтобы определить генерируемую радиальную плотность поверхностного тока. Этот процесс может быть выполнен итеративно до достижения оптимальной конфигурации и возбуждения для заданного волноводного штыря для направляемой поверхностной волны 200g, основываясь на желаемых параметрах. Чтобы помочь определить, работает ли данный волноводный штырь для направляемой поверхностной волны 200g на оптимальном уровне, используя уравнения (1)-(12), основанные на
значениях удельной проводимости области 1 (А1) и диэлектрической постоянной области
1 ( !) в месте расположения волноводного штыря для направляемой поверхностной волны 200g, может быть сформирована кривая 103 напряженности направляемого поля (фиг. 1). Такая кривая 103 напряженности направляемого поля может обеспечивать сравнительный
критерий для работы, так что измеренная напряженность поля может сравниваться с величинами, указанными кривой 103 напряженности направляемого поля, чтобы определить, достигнута ли оптимальная передача.
Чтобы достигнуть оптимизированного состояния, могут регулироваться различные параметры, связанные с волноводным штырем для направляемой поверхностной волны 200g. Одним из параметров, который может варьироваться, чтобы регулировать волноводный штырь для направляемой поверхностной волны 200g, является высота одного или обоих зарядных выводов Ti и/или Тг относительно поверхности проводящей среды 203 с потерями. Кроме того, также может регулироваться расстояние или промежуток между зарядными выводами Ti и Т2. При этом следует понимать, что можно минимизировать или как-либо иначе изменять взаимную емкость См или любые связанные емкости между зарядными выводами Ti и Тг и проводящей средой 203 с потерями. Размер соответствующих зарядных выводов Ti и/или Тг также может регулироваться. При этом следует понимать, что изменяя размер зарядных выводов Ti и/или Тг, можно изменять соответствующие собственные емкости Ci и/или Сг, и взаимную емкость См.
Также дополнительно, другим параметром, который может регулироваться, является схема 209 питания, связанная с волноводным штырем для направляемой поверхностной волны 200g. Это может быть осуществляться, регулируя размер индуктивного и/или емкостного реактивных сопротивлений, которые образуют питающую сеть 209. Например, когда такие индуктивные реактивные сопротивления содержат катушки, количество витков таких катушек может регулироваться. В конечном счете, регулировки питающей сети 209 могут выполняться, чтобы изменить электрическую длину питающей сети 209, воздействуя, таким образом, на величины напряжения и фазы на зарядных выводах Ti и Тг.
Заметим, что следует понимать, что итерации передачи, выполняемые, делая различные регулировки, могут осуществляться, используя компьютерные модели, или
регулируя физические структуры. Делая вышеупомянутые регулировки, можно создать
соответствующий "приближающийся" поверхностный ток 1 и "удаляющийся"
поверхностный ток *^2, которые аппроксимируют одни и те же токи J(p) режима направляемой поверхностной волны, определенного в уравнениях (90) и (91), представленных выше. При этом, характеристики результирующих электромагнитных полей могли бы в значительной степени или приблизительно соответствовать моде направляемой поверхностной волны на поверхности проводящей среды 203 с потерями.
Хотя в примере на фиг. 16 это не показано, работой волноводного штыря для направляемой поверхностной волны 200g можно управлять, регулируя изменения, возникающие из-за изменения рабочих условий, связанных с волноводным штырем для направляемой поверхностной волны 200. Например, система 230 управления штырем, показанная на фиг. 12, может использоваться для управления схемой 209 питания и/или расположением и/или размером зарядных выводов Ti и/или Тг, чтобы управлять работой волноводного штыря для направляемой поверхностной волны 200. Рабочие условия могут содержать, не ограничиваясь только этим, изменения в характеристиках проводящей
среды 203 с потерями (например, удельной проводимости ° и относительной
диэлектрической постоянной г), изменения напряженности поля и/или изменения нагрузки волноводного штыря для направляемой поверхностной волны 200g.
На фиг. 17 показан пример волноводного штыря для направляемой поверхностной волны 200g, показанного на фиг. 16, обозначенного здесь как волноводный штырь для направляемой поверхностной волны 200h. Волноводный штырь для направляемой поверхностной волны 200h содержит зарядные выводы Ti и Т2, расположенные вдоль вертикальной оси z, которая, по существу, нормальна к плоскости, представленной проводящей средой 203 с потерями (например, Земля). Вторая среда 206 находится над проводящей средой 203 с потерями. Зарядный вывод Ti имеет собственную емкость Ci и зарядный вывод Тг есть собственную емкость Сг. Во время работы заряды Qi и Q2 прикладываются к зарядным выводам Ti и Тг, соответственно, в зависимости от напряжений, приложенных к зарядным выводам Ti и Тг в любой заданный момент. Взаимная емкость См может существовать между зарядными выводами Ti и Тг в зависимости от расстояния между ними. Кроме того, связанные емкости могут существовать между соответствующими зарядными выводами Ti и Тг и проводящей средой 203 с потерями в зависимости от высот соответствующих зарядных выводов Ti и Тг относительно проводящей среды 203 с потерями.
Волноводный штырь для направляемой поверхностной волны 200h содержит схему 209 питания, имеющую индуктивный импеданс, содержащий катушку Lia, имеющую пару выводов, которые соединяются с соответствующими зарядными выводами Ti и Тг. В одном из вариантов осуществления катушка Lia определяется как имеющая электрическую длину, равную половине QA) длины волны рабочей частоты волноводного штыря для направляемой поверхностной волны 200h.
Хотя электрическая длина катушки Lia определяется как приблизительно половина (1/2) длины волны на рабочей частоте, подразумевается, что катушка Lia может быть определена с электрической длиной, имеющей другие значения. В соответствии с одним
из вариантов осуществления, тот факт, что катушка Lia имеет электрическую длину, равную приблизительно половине (1/2) длины волны на рабочей частоте, обеспечивает то преимущество, что на зарядных выводах Ti и Тг создается максимальная разность напряжений. Тем не менее, длина или диаметр катушки Lia может быть увеличен или уменьшен во время регулирования волноводного штыря для направляемой поверхностной волны 200h, чтобы получить оптимальное возбуждение в режиме направляемой поверхностной волны. Регулировка длины катушки может обеспечиваться отводами, расположенными на одном или на обоих концах катушки. В других вариантах осуществления может иметь место случай, когда индуктивный импеданс определяется как имеющий электрическую длину, которая значительно меньше или больше, чем половина (1/2) длины волны на рабочей частоте волноводного штыря для направляемой поверхностной волны 200h.
Источник 212 возбуждения может быть связан со схемой 209 питания посредством индуктивной связи. Конкретно, источник 212 возбуждения соединяется с катушкой Lp, которая индуктивно связана с катушкой Lia. Как следует понимать, это может быть сделано посредством петлевой связи через отрезок линии, катушки с отводами, переменного реактивного сопротивления или другого способа связи. Следует понимать, что с этой целью катушка Lp действует как первичная, а катушка Lia действует как вторичная катушка.
Для регулирования волноводного штыря для направляемой поверхностной волны 200h для передачи требуемой направляемой поверхностной волны высота соответствующих зарядных выводов Ti и Тг может меняться относительно проводящей среды 203 с потерями и относительно друг друга. Кроме того, могут меняться размеры зарядных выводов Ti и Тг. Кроме того, может изменяться размер катушки Lia, добавляя или удаляя витки или изменяя какой-либо другой размер катушки Lia. Катушка Lia может также содержать один или более отводов для регулирования электрической длины, как показано на фиг. 17. Положение отвода, соединенного с любым из зарядных выводов Ti или Тг, также может регулироваться.
На фиг. 18А, 18В, 18С и 19 показаны примеры обобщенных приемных цепей для использования направляемых поверхностных волн в беспроводных системах передачи энергии. На фиг. 18А показан линейный штырь 303, а на фиг. 18В и 18С показаны настроенные резонаторы 306а и 306Ь, соответственно. Фиг. 19 является катушкой 309 индуктивности, соответствующей различным вариантам осуществления настоящего изобретения. В соответствии с различными вариантами осуществления, каждый из таких элементов, как линейный штырь 303, настраиваемые резонаторы ЗОба/b и катушка 309
индуктивности могут использоваться для приема мощности, передаваемой в форме направляемой поверхностной волны на поверхности проводящей среды 203 с потерями, соответствующей различным вариантам осуществления. Как упомянуто выше, в одном из вариантов осуществления проводящая среда 203 с потерями содержит наземную среду (или Землю).
Как показано на фиг. 18А, разомкнутое напряжение на выводах в разомкнутой схеме на выводах 312 линейного штыря 303 зависит от эффективной высоты линейного штыря 303. С этой целью, напряжение в точке вывода может быть вычислено как:
Vt = Се Е <пс " dlVT = fi* Etnc ¦ dl{9b)
где mc - интенсивность падающего электрического поля, наведенного на
линейный штырь 303, выраженная в Вольтах на метр, ^' -элемент интегрирования вдоль
направления линейного штыря 303, и е - эффективная высота линейного штыря 303. Электрическая нагрузка 315 связана с выходными выводами 312 через схему 318 согласования импедансов.
Когда линейный штырь 303 подвергается действию направляемой поверхностной волны, как описано выше, на выходных выводах 312 вырабатывается напряжение, которое в зависимости от обстоятельств может прикладываться к электрической нагрузке 315 через сопряженную схему 318 согласования импедансов. Чтобы облегчить передачу потока мощности к электрической нагрузке 315, электрическая нагрузка 315 должна быть, по существу, импедансом, согласованным с линейным штырем 303, как будет описан ниже.
Как показано на фиг. 18В, катушка LR, возбужденная земляным током, обладающим фазовой задержкой, равной наклону волны для направляемой поверхностной волны, содержит зарядный вывод TR, который поднят (или приподнят) над проводящей средой 203 с потерями. Зарядный вывод TR обладает собственной емкостью CR. Кроме того, может также существовать связанная емкость (не показана) между зарядным выводом TR И проводящей средой 203 с потерями, зависящая от высоты зарядного вывода TR над проводящей средой 203 с потерями. Связанная емкость предпочтительно должна быть минимизирована настолько, насколько это реально возможно, хотя это не всегда может быть необходимо в каждом конкретном случае.
Настроенный резонатор 306а также содержит сеть приемника, имеющую катушку LR С фазовой задержкой Ф. Один конец катушки LR соединяется с зарядным выводом TR, а другой конец катушки LR соединяется с проводящей средой 203 с потерями. Сеть приемника может содержать вертикальный питающий линейный проводник,
соединяющий катушку LR С зарядным выводом TR. С этой целью, катушка LR (которая может также упоминаться как настроенный резонатор LR-CR) содержит последовательный регулируемый резонатор в виде зарядного вывода CR И катушки LR, соединенных последовательно. Фазовая задержка катушки LR может регулироваться, изменяя размер и/или высоту зарядного вывода TR И/ИЛИ регулируя размер катушки LR так, чтобы фазовая
задержка Ф структуры была сделана, по существу, равной углу ^. Фазовая задержка вертикальной питающей линии также может регулироваться, например, изменяя длину проводника.
Например, реактивное сопротивление, представленное собственной емкостью CR,
вычисляется как '•' R. Заметим, что, как понятно, общая емкость настроенного резонатора 306а может также содержать емкость между зарядным выводом TR И проводящей средой 203 с потерями, где общая емкость настроенного резонатора 306а может быть вычислена из собственной емкости CR И любой связанной емкости. В соответствии с одним из вариантов осуществления, зарядный вывод TR может быть поднят на высоту, чтобы существенно уменьшить или исключить любую связанную емкость. Существование связанной емкости может быть определено по результатам измерений емкости между зарядным выводом TR И проводящей средой 203 с потерями, как обсуждалось ранее.
Индуктивная реактивность, представленная катушкой LR как дискретным элементом, может быть вычислена как jcoL, где L - индуктивность катушки LR как сосредоточенного элемента. Если катушка LR является распределенным элементом, ее эквивалентное реактивное сопротивление в точке вывода может быть определено традиционными способами. Чтобы настроить настраиваемый резонатор 306а, можно было бы делать регулировки таким образом, чтобы фазовая задержка равнялась наклону волны с целью согласования характеристик с поверхностным волноводом на рабочей частоте. При таком условии приемная структура может считаться "согласованной по характеристикам" с поверхностным волноводом. Отрезок линии трансформатора вокруг структуры и/или схема 324 согласования импедансов могут быть вставлены между штырем и электрической нагрузкой 327, чтобы связать мощность с нагрузкой. Вставка схемы 324 согласования импедансов между выводами 321 штыря и электрической нагрузкой 327 может повлиять на условие согласования для максимальной передачи мощности к электрической нагрузке 327.
При наличии поверхностных токов на рабочих частотах мощность будет передаваться направляемой поверхностной волной электрической нагрузке 327. С этой
целью электрическая нагрузка 327 может быть связана с настроенным резонатором 306а посредством индуктивной связи, емкостной связи или проводящей (прямой отвод) связи. Следует понимать, что элементы цепи связи могут быть сосредоточенными узлами или распределенными элементами.
В варианте осуществления, показанном на фиг. 18В, используется индуктивная связь, где Ls катушки располагается как вторичная катушка относительно катушки LR, которая действует как первичная катушка трансформатора. Как очевидно, катушка Ls может быть связана с катушкой LR посредством геометрической намотки вокруг той же самой структуры сердечника и регулировки магнитного потока. Кроме того, хотя настраиваемый резонатор 306а содержит последовательный настраиваемый резонатор, также может использоваться параллельный настраиваемый резонатор или даже резонатор на распределенных элементах с соответствующей фазовой задержкой.
Хотя приемная структура, помещенная в электромагнитное поле, может отбирать энергию из поля, следует понимать, что согласованные по поляризации структуры работают лучше всего при максимизации этой связи, и традиционные правила для связи штыря с волноводными модами должны соблюдаться. Например, волноводный штырь для волны типа ТЕ20 (поперечная электрическая мода) может быть оптимальным для отбора энергии от традиционного волновода, возбуждаемого в режиме моды ТЕ20. Аналогично, в этих случаях согласованная по характеристикам моды и согласованная по фазе приемная структура может быть оптимизирована для отбора мощности от направляемой поверхностной волны. Направляемая поверхностная волна, возбуждаемая волноводным штырем 200 для направляемой поверхностной волны на поверхности проводящей среды 203 с потерями, может считаться волноводной модой открытого волновода. Исключая потери в волноводе, энергия источника может быть полностью восстановлена. Полезными приемными структурами могут быть структуры, связанные по электрическому полю, магнитному полю или с возбуждаемыми поверхностными токами.
Приемная структура может регулироваться, чтобы увеличивать или максимизировать связь с направляемой поверхностной волной, основываясь на локальных характеристиках проводящей среды 203 с потерями вблизи приемной структуры. Чтобы это осуществить, фазовая задержка (Ф) структуры приемной структуры может
регулироваться, чтобы согласовывать угол (^) наклона поверхностной бегущей волны в приемной структуре. При правильной конфигурации приемная структура может затем быть настроена в резонанс относительно идеально проводящей зеркальной земляной
плоскости на комплексной глубине 2 ~~ ^ 2
Например, рассмотрим приемную структуру, содержащую настраиваемый
резонатор 306а, показанный на фиг. 18В, имеющий катушку LR И вертикальную питающую линию, подключенную между катушкой Lr и зарядным выводом TR. При зарядном выводе TR, расположенном на определенной высоте над проводящей средой 203 с потерями, общая фазовая задержка Ф катушки LR И вертикального питающего
проводника может быть согласована с углом (^) наклона волны в месте расположения настраиваемого резонатора 306а. Из уравнения (22) можно видеть, что наклон волны
асимптотически проходит к
W = \W\eJ^ =^ > -^=L
4 1 Ш?с
(97)
где г - относительная диэлектрическая постоянная и 1 - удельная проводимость
проводящей среды 203 с потерями в месте расположения приемной структуры, 0 -диэлектрическая постоянной свободного пространства, и ю ^д!, где f _ частота возбуждения. Таким образом, угол (\|/) наклона волны может быть определен из уравнения (97).
Ф - 0 о
Общая фазовая задержка ( с у) настраиваемого резонатора 306а содержит
как фазовую задержку ( с) катушки LR, так и фазовую задержку вертикального питающей
8 1 линии ( У). Пространственная фазовая задержка вдоль длины проводника w вертикальной
0 - В 1 В
подающей линии может равняться У "w w, где "w - фазовая постоянная распространения
для вертикального проводника питающей линии. Фазовая задержка за счет катушки (или
8 - В 1 1 спиральной линии задержки) равна с ' Р с, с физической длиной с и коэффициентом
распространения
Рш 1
Р ЛР V/A°(Q8)
V % где f - коэффициент скорости на структуре, 0 - длина волны на частоте
подаваемого сигнала, и Р - длина волны распространения, вытекающая из коэффициента
¦у 0+0 f скорости. Одна или обе фазовые задержки из ( с У) могут регулироваться, чтобы
согласовываться по фазе Ф с углом (^') наклона волны. Например, положение отвода
может регулироваться на катушке LR, показанной на фиг. 18В, чтобы отрегулировать
фазовую задержку ( с) так, чтобы согласовать общую фазовую задержку с углом наклона волны (Ф=\|/). Например, часть катушки можно обойти посредством подключения вывода, как показано на фиг. 18В. Вертикальный питающий линейный проводник также может
присоединяться к катушке LR через отвод, положение которого на катушке может регулироваться, чтобы согласовывать общую фазовую задержку с углом наклона волны.
Когда запаздывание по фазе (Ф) настраиваемого резонатора 306а установлено, импеданс зарядного вывода TR может затем быть отрегулирован, чтобы настроиться в резонанс относительно идеально проводящей зеркальной земляной плоскости на
комплексной глубине 2 Это может быть осуществлено, регулируя емкость
зарядного вывода Т1, не меняя фазовых задержек бегущей волны катушки LR И вертикальной питающей линии. В некоторых вариантах осуществления настраиваемая схема на сосредоточенных элементах может быть включена между проводящей средой 203 с потерями и катушкой LR, чтобы позволить настройку в резонанс настраиваемого резонатора 306а относительно комплексной зеркальной плоскости, как обсуждалось выше в отношении волноводного штыря для направляемой поверхностной волны 200. Регулировки аналогичны тем, которые были описаны со ссылкой на фиг. 9А-9С.
Импеданс, рассматриваемый "в направлении вниз" в проводящую среду 203 с потерями к комплексной зеркальной плоскости, описывается следующим выражением:
Я(tm) = Д" = 2etanh(/0o(d/2))(99)
где ' 0 ^ . Для вертикально поляризованных источников над Землей глубина комплексной зеркальной плоскости может определяться выражением:
d/2 ЈW l/^jftj|i1ff1 - Ш2 {Л^Ец j QQ J
где ^ - проницаемость проводящей среды 203 с потерями и 1 г °.
В основании настраиваемого резонатора 306а импеданс, рассматриваемый "в
Z = Z
направлении вверх" в приемную структуру, равен Т base^ как показано на фиг. 9А или
Z = Z
Т tuning^ как показано на фиг. 9С. Для импеданса вывода:
1 1
2 = - z = -
где R - собственная емкость зарядного вывода TR, импеданс, рассматриваемый "в направлении вверх" в вертикальный питающий линейный проводник настраиваемого резонатора 306а, определяется следующим выражением:
z =z Zjjt^,taoh(jPw?i.w) __ z Zfl+^tanhQ-Py) 2 W%w "я *enh ijPw hw) ' w zw * zR mnh CiQ
и импеданс, рассматриваемый "в направлении вверх" в катушку LR настраиваемого резонатора 306а, определяется следующим выражением:
AЬЬа-se ' b"" Zg +Z. tanh (j^pHj c Zj, +Z3 tanh(> flc)
(103)
Согласуя реактивный компонент ( m), рассматриваемый "в направлении вниз" в
проводящую среду 203 с потерями, с реактивным компонентом ( base), рассматриваемым "в направлении вверх" в настраиваемый резонатор 306а, связь в режиме направляемого поверхностного волновода может быть максимизирована.
Когда резонансный контур на сосредоточенных элементах вводится в основание настраиваемого резонатора 306а, частота собственного резонанса резонансного контура может настраиваться так, чтобы добавлять положительный или отрицательный импеданс для приведения настраиваемого резонатора 306Ь в резонанс стоячей волны, согласуя
реактивный компонент ( т), рассматриваемый "в направлении вниз" в проводящую среду
X ¦
203 с потерями, с реактивным компонентом ( tuning^ рассматриваемым "в направлении вверх " в резонансный контур на сосредоточенных элементах.
Далее на фиг. 18С показан пример настраиваемого резонатора 306Ь, не содержащего зарядный вывод TR на вершине приемной структуры. В этом варианте осуществления настраиваемый резонатор 306Ь не содержит вертикальную питающую линию, включенную между катушкой LR И зарядным выводом TR. Таким образом, общая фазовая задержка (Ф) настраиваемого резонатора 306Ь содержит только фазовую
задержку ((r)с), даваемую катушкой LR. Как и в случае с настраиваемым резонатором 306а,
показанным на фиг. 18В, фазовая задержка с катушки может регулироваться, чтобы согласовать угол (^) наклона волны, определенный из уравнения (97), что дает в результате Ф = \\f. Хотя отбор энергии возможен с помощью приемной структуры, связанной с модой поверхностного волновода, трудно отрегулировать приемную структуру так, чтобы максимизировать связь с направляемой поверхностной волной без переменной реактивной нагрузки, обеспечиваемой зарядным выводом TR. Введение резонансного контура на сосредоточенных элементах в основание настраиваемого резонатора 306Ь обеспечивает удобный способ приведения настраиваемого резонатора 306Ь в резонанс стоячей волны относительно комплексной зеркальной плоскости.
На фиг. 18D показана блок-схема 180 последовательности выполнения операций, показывающая пример регулирования приемной структуры, чтобы практически согласовать характеристики ее с волноводной модой для направляемой поверхностной волны на поверхности проводящей среды 203 с потерями. Начиная с этапа 181, если приемная структура содержит зарядный вывод TR (например, настраиваемого резонатора
306а, показанного на фиг. 18В), то зарядный вывод TR на этапе 184 помещают на определенной высоте над проводящей средой 203 с потерями. Поскольку поверхностная направляемая волна была образована волноводным штырем для направляемой
поверхностной волны 200, физическая высота ( Р) зарядного вывода TR может быть ниже эффективной высоты. Физическая высота может быть выбрана так, чтобы уменьшить или минимизировать связанный заряд на зарядном выводе TR (например, четырехкратный сферический диаметр зарядного вывода). Если приемная структура получения не содержит зарядный вывод TR (например, настраиваемого резонатора 306Ь на фиг. 18С), то процесс переходит к этапу 187.
На этапе 187 электрическая фазовая задержка Ф приемной структуры согласуется с
комплексным углом х наклона волны, определяемым локальными характеристиками
проводящей среды 203 с потерями. Фазовая задержка ( с) спиральной катушки и/или
фазовая задержка ( У) вертикальной питающей линии могут регулироваться, чтобы
сделать Ф равной углу (^) наклона (W) волны. Угол (^) наклона волны может быть
определен из уравнения (86). Электрическая фазовая задержка Ф может затем быть
согласована с углом наклона волны. Например, электрическая фазовая задержка
Ф = 8 + 8 т .
С У может регулироваться, изменяя геометрические параметры катушки LR И/ИЛИ
длину (или высота) вертикального питающего линейного проводника.
Затем на этапе 190 импеданс резонатора может быть настроен с помощью
нагрузочного импеданса зарядного вывода TR И/ИЛИ импеданса резонансного контура с
сосредоточенными элементами, чтобы настроить в резонанс эквивалентную модель
зеркальной плоскости настраиваемого резонатора 306а. Глубина (d/2) проводящей
зеркальной земляной плоскости 139 (фиг. 9А-9С), находящейся ниже приемной
структуры, может быть определена, используя уравнение (100) и значения проводящей
среды 203 с потерями (например, Земли) в приемной структуре, которые могут быть
локально измерены. Используя эту комплексную глубину, фазовый сдвиг ( d) между зеркальной земляной плоскостью 139 и физической границей 136 (фиг. 9А-9С) проводящей среды 203 с потерями может быть определен, используя выражение
(r)d Ро /2 Импеданс (^'т), рассматриваемый "в направлении вниз" в проводящую среду 203 с потерями, может быть затем определен, используя уравнение (99). Эта резонансное соотношение может рассматриваться для максимизации связи с направляемыми поверхностными волнами.
Основываясь на регулируемых параметрах катушки LR И длине вертикального
питающего линейного проводника, могут быть определены коэффициент скорости, фазовая задержка и импеданс катушки LR И вертикальной питающей линии. Кроме того,
собственная емкость ( R) зарядного вывода TR может быть определена, используя, например, уравнение (24). Коэффициент (' р) распространения катушки LR может быть
определен, используя уравнение (98), и фазовая постоянная распространения ('w) для
вертикальной питающей линии может быть определена, используя уравнение (49).
Используя собственную емкость и определенные значения катушки LR И вертикальной
питающей линии, импеданс ( base) настраиваемого резонатора 306, рассматриваемый "в направлении вверх" в катушку LR может быть определен, используя уравнения (101), (102) и (103).
Эквивалентная модель зеркальной плоскости, показанная на фиг. 9А-9С, также применяются к настраиваемому резонатору 306а, показанному на фиг. 18В. Настраиваемый резонатор 306а может быть настроен на резонанс относительно
комплексной зеркальной плоскости, регулируя нагрузочный импеданс к зарядного
X Z
вывода TR так, что реактивный компонент base импеданса base исключает реактивный
Х- Z- X -+- Х- = о
компонент in импеданса "г или " base in Когда настраиваемый резонатор 306 на
фиг. 18В и 18С содержит резонансный контур на сосредоточенных элементах,
собственная резонансная частота может регулироваться так, что реактивный компонент
X Z Х- Z-
timing импеданса tuning исключает реактивный компонент in импеданса m или
X ¦ ; X ' 0
tmiing in Таким образом, импеданс на физической границе 136 (фиг. 9А) "в
направлении вверх" в катушку настраиваемого резонатора 306 является сопряженным с
импедансом на физической границе 136 "в направлении вниз" в проводящую среду 203 с
Z С потерями. Нагрузочный импеданс R может регулироваться, изменяя емкость ( R)
Ф - 0 +0
зарядного вывода TR, не изменяя электрическую фазовую задержку с У со стороны
зарядного вывода TR. Импеданс резонансного контура на сосредоточенных элементах
может регулироваться, изменяя собственную резонансную частоту ( Р), как описано со ссылкой на фиг. 9D. Итерационный подход может применяться для настройки импеданса резонатора на резонанс эквивалентной модели зеркальной плоскости относительно проводящей зеркальной земляной плоскости 139. Таким образом, связь электрического поля с волноводной модой для направляемой поверхностной волны вдоль поверхности проводящей среды 203 с потерями (например, Земли) может быть улучшена и/или максимизирована.
Как показано на фиг. 19, катушка 309 индуктивности содержит приемную цепь, которая через схему 333 согласования импедансов связана с электрической нагрузкой 336. Чтобы облегчить прием и/или извлечение электроэнергии из направляемой поверхностной волны, катушка 309 индуктивности может располагаться так, что магнитный поток
направляемой поверхностной волны Ф проходит через катушку 309 индуктивности, наводя, тем самым, ток в катушке 309 индуктивности и создавая напряжение в конечной точке на ее выводах 330. Магнитный поток направляемой поверхностной волны, связанный с одновитковой катушкой, выражается следующим образом
Г = ff u-u.H • ndA
JJAcshrh° (Ю4)
где F - связанный магнитный поток, ^r - эффективная относительная проницаемость сердечника катушки 309 индуктивности, ^° - проницаемость свободного
пространства, Н _ падающий вектор интенсивности магнитного поля, п - нормаль
единичного вектора к площади поперечного сечения витков, и cs - область, охваченная каждым витком. Для катушки 309 индуктивности с N витков, ориентированной на максимальную связь с падающим магнитным полем, который однороден на площади поперечного сечения катушки 309 индуктивности, напряжение, наведенное в разомкнутой цепи, возникающее на выходных выводах 330 катушки 309 индуктивности:
где переменные определяются выше. Катушка 309 индуктивности может быть настроена на частоту падающей поверхностной волны либо как распределенный резонатор, либо с помощью внешнего конденсатора, подключенного к ее выходным выводам 330, в зависимости от обстоятельств, и затем согласованная по импедансу катушка подключается к внешней электрической нагрузке 336 через сопряженную схему 333 согласования импедансов.
Полагая, что результирующая схема, представленная катушкой 309 индуктивности, и электрическая нагрузка 336 должным образом отрегулированы и сопряженный импеданс согласован через цепь 333 согласования импедансов, то тогда ток, наведенный в катушке 309 индуктивности, может использоваться для оптимального питания электрической нагрузки 336. Приемная схема, представленная катушкой 309 индуктивности, дает преимущество, состоящее в том, что она на должна физически соединяться с землей.
Как показано на фиг. 18А, 18В, 18С и 19, приемные цепи, представленные
линейным штырем 303, настраиваемым резонатором 306 и катушкой 309 индуктивности, облегчают прием электроэнергии, передаваемой в любом из вариантов осуществления волноводных штырей для направляемой поверхностной волны 200, описанных выше. С этой целью, принятая энергия может использоваться для подачи энергии к электрической нагрузке 315/327/336 через сопряженную согласующую цепь, как это можно представить. В этом заключается отличие от сигналов, которые могут приниматься приемником, которые были посланы в форме излучаемого электромагнитного поля. Такие сигналы имеют очень низкая полезную мощность и приемники таких сигналов не нагружают передатчики.
Также для представленных направляемых поверхностных волн, генерированных, используя направляемые поверхностные волноводные датчики 200, описанные выше, характерно, что приемные цепи, представленные линейным штырем 303, настраиваемым резонатором 306 и катушкой 309 индуктивности, будут нагружать источник 212 возбуждения (например, фиг. 3, 12 и 16), который прикладывается к направляемому поверхностному волноводному датчику 200, генерируя, таким образом, направляемую поверхностную волну, действию которой подвергаются такие приемные цепи. Это отражает тот факт, что направляемая поверхностная волна, генерируемая данным волноводным штырем для направляемой поверхностной волны 200, описанным выше, содержит режим линии передачи. В известном смысле, для контраста, источник энергии, возбуждающий излучающую антенну, которая генерирует излучаемую электромагнитную волну, не нагружается приемниками, независимо от количества применяемых приемников.
Таким образом, вместе один или более волноводных штырей для направляемой поверхностной волны 200 и одна или более приемных цепей в форме линейного штыря 303, настраиваемого резонатора ЗОба/b и/или катушки 309 индуктивности могут образовывать беспроводную распределительную систему. Учитывая, что расстояние передачи направляемой поверхностной волны, используя волноводный штырь для направляемой поверхностной волны 200, как указано выше, зависит от частоты, возможно, что беспроводное распространение энергии может быть достигнуто в широких областях и даже глобально.
Традиционные системы беспроводной передачи/распределения энергии, широко исследуемые сегодня, содержат "сбор энергии" из полей излучения, а также датчики, связанные с индуктивными или реактивными ближними полями. Напротив, существующая беспроводной передачи энергии не тратит мощность впустую в форме излучения, которое, если не прерывается, теряется навсегда. Раскрытая здесь
беспроводная система передачи энергии не ограничивается чрезвычайно малыми дальностями, как в традиционных системах с взаимным реактансом, действующих в ближнем поле. Раскрытый здесь штырь беспроводной системы передачи энергии связан с новым режимом направляемой поверхностной передающей линии, эквивалентным доставке мощности к нагрузке волноводом или к нагрузке, напрямую подключенной проводами к дистанционному генератору мощности. Не считая мощности, требуемой для поддержания интенсивности поля передачи, плюс той, которая рассеивается в поверхностном волноводе, которая на предельно низких частотах становится незначительно по сравнению с потерями при передаче в традиционных линиях высокого напряжения с частотой 60 Гц, вся мощность генератора идет только в требуемую электрическую нагрузку. Когда потребность со стороны электрической нагрузки прекращается, генерация мощности источником соответствует холостому ходу.
На фиг. 20 показан вид в поперечном разрезе примерного места 2100 расположения волноводного штыря для направляемой поверхностной волны, содержащего границу или границу 2102 раздела сред распространения между проводящей средой 203 с потерями и второй средой 206, и штырь 2110. Чертеж места 2100 расположения волноводного штыря для направляемой поверхностной волны приводится в качестве примера и вычерчивается не в масштабе. Другие места расположения штыря, совместимые с описанными здесь концепциями, могут содержать дополнительные штыри, подобные штырю 2110, различные направляемые поверхностные волновые структуры и другое оборудование.
Штырь 2110 может быть реализован как любой из волноводных штырей для направляемой поверхностной волны 200а, 200b, 200с, 200d, 200е, 200f, 200g или 200h, описанных здесь, или их вариантов. В месте 2100 расположения волноводного штыря для направляемой поверхностной волны штырь 2110 выполнен с возможностью возбуждения направляемой поверхностной волны (или волн) вдоль границы 2102 раздела сред между проводящей средой 203 с потерями и второй средой 206. Совместимый с описанными выше концепциями штырь 2110 выполнен с возможностью обеспечения фазовой задержки, которая согласуется с углом наклона волны, связанным с комплексным углом падения Брюстера, связанным с проводящей средой 203 с потерями вблизи штыря 2110. Таким образом, штырь 2110 выполнен с возможностью возбуждения направляемой поверхностной волны при распространении вдоль границы 2102 раздела сред, генерируя электрическое поле, имеющее заданный комплексный угол наклона волны на расстоянии
^х пересечения или далее от волноводного штыря для направляемой поверхностной
волны. Чтобы достигнуть требуемого комплексного угла наклона волны на расстоянии ^х
пересечения, штырь 2110 может быть реализован как имеющий определенные структурные и электрические характеристики, совместимые с приведенным выше описанием. В одном из вариантов осуществления, например, штырь 2110 может содержать зарядный вывод, поднятый на высоту над проводящей средой 203 с потерями, земляную стойку или систему заземления и схему питания, включенную между зарядным выводом и земляной стойкой или системой заземления.
На фиг. 20 проводящая среда 203 с потерями может содержать любую проводящую среду с потерями, такую, например, как Земля, и вторая среда 206 может содержать
атмосферу Земли. Следует понимать, что удельная проводимость 1 и диэлектрическая
постоянная 1 проводящей среды 203 с потерями в месте 2100 расположения системы зависят от различных факторов, таких как географическое местоположение места 2100 расположения системы, окружающая география земли (например, холмы, горы, горные породы, озера, реки и т.д.) в месте 2100 расположения системы, окружающая фитогеография (например, деревья, растения и т.д.) в месте 2100 расположения системы, текущая температура в месте 2100 расположения системы, относительная влажность в месте 2100 расположения системы, содержание воды в проводящей среде 203 с потерями в месте 2100 расположения системы и т.д. Обычно, удельная проводимость является критерием возможности проведения электричества, а диэлектрическая постоянная является критерием сопротивления, которое присутствует при формировании электрического поля в среде.
Поскольку состав вещества в литосфере (например, относительной наиболее удаленной поверхности) Земли изменяется в зависимости от географической местности, удельная проводимость и диэлектрическая постоянная поверхности Земли изменяются от географического местоположения. В контексте вариаций удельной проводимости на поверхности Земли, карта предполагаемой эффективной удельной проводимости земли в Соединенных Штатах может быть найдена по адресу http://www.fcc.gov/encyclopedia/m3-map-effective-ground-conductivity-united-states-wall-sized-map-am-broadcast-stations. Информация, предоставленная на карте, может использоваться для прогнозирования распространения амплитудно-модулированных (AM) сигналов по Соединенным Штатам. Например, более высокая удельная проводимость указывает более лучшие характеристики распространения АМ-сигналов. Карта показывает, что удельная проводимость в Соединенных Штатах находится в диапазоне приблизительно между 0,5 и 30 миллиОмами на метр. Таким образом, как показано на фиг. 20, следует понимать, что удельная
проводимость 1 проводящей среды 203 с потерями может изменяться по мере того, как
может изменяться место 2100 расположения штыря на Земле.
Диэлектрическая постоянная региона связывается с величиной электрического поля, создаваемого единицей заряда в этой области. Более высокий поток электрической индукции существует в области, имеющей высоко диэлектрическую постоянную по меньшей мере из-за эффектов поляризации. Аналогично, более низкий поток электрической индукции существует в области, имеющей низкую диэлектрическую постоянную. Диэлектрическая постоянная измеряется в фарадах на метр. Реакция различных материалов на электромагнитное поле может зависеть, по меньшей мере частично, от частоты поля. Таким образом, диэлектрическую постоянную можно считать комплексной функцией угловой частоты приложенного поля.
Реакция на статические области описывается как низкочастотный или статический предел диэлектрической постоянной. Хотя статическая диэлектрическая постоянная может быть справедливым приближением для переменных полей с низкой частотой, измеряемая разность фаз или фазовый сдвиг могут появляться для полей с более высокими частотами. Частота, на которой происходит фазовый сдвиг или сдвиг фаз, может зависеть, по меньшей мере частично, от температуры среда. Таким образом, как
показано на фиг. 20, следует понимать, что диэлектрическая постоянная 1 проводящей среды 203 с потерями может изменяться во времени, например, на основе содержания влаги или температуры проводящей среды 203 с потерями в месте 2100 расположения системы.
Как замечено выше, штырь 2110 выполнен с возможностью возбуждения направляемой поверхностной волны вдоль границы 2102 распространения, генерируя
электрическое поле, имеющее заданный комплексный угол наклона на расстоянии ^ пересечения от волноводного штыря для направляемой поверхностной волны 2110. Таким образом, штырь 2110 может быть разработан таким образом, чтобы возбуждать
~ а,
направляемую поверхностную волну в условиях номинальной удельной проводимости 1
и диэлектрической постоянной 1 проводящей среды 203 с потерями в месте 2100 расположения системы. Другими словами, штырь 2110 может быть разработан таким образом, чтобы возбуждать направляемую поверхностную волну для среднегодовых температуры, относительного содержания влаги и т.д. Земли в месте 2100 расположения
системы. В этом случае, поскольку номинальные условия для удельной проводимости 1 и
диэлектрической постоянной 1 Земли в месте 2100 расположения системы могут меняться во времени (то есть, изменяться относительно номинальных или среднегодовых
значений), основываясь, по меньшей мере, например, на изменениях в погоде, описанные здесь варианты осуществления содержат различные способы сохранения или поддержания номинальных (или других желательных) условий для удельной
О ?
проводимости 1 и диэлектрической постоянной 1 проводящей среды 203 с потерями в месте 2100 расположения системы.
В одном из вариантов осуществления, если номинальные условия для удельной
проводимости 1 и диэлектрической постоянной 1 проводящей среды 203 с потерями в месте 2100 расположения системы, по меньшей мере в некоторой степени, нежелательны или непригодны, по меньшей мере, часть проводящей среды 203 с потерями может быть подготовлена для более эффективного или эффективно действующего возбуждения направляемой поверхностной волны. Подготовленный участок проводящей среды 203 с потерями может простираться по границе раздела сред при распространении между
проводящей средой 203 с потерями и второй средой 206 на расстояние ^ пересечения или за него.
На фиг. 21А показан вид в поперечном разрезе другого примера места 2200 расположения волноводного штыря для направляемой поверхностной волны, на котором область 2220 проводящей среды 203 с потерями подготавливается для более эффективного возбуждения направляемой поверхностной волны в соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения. На фиг. 21А область 2220 проводящей среды 203 с потерями была подготовлена, по меньшей мере в некоторой степени, чтобы более эффективно возбуждать направляемую поверхностную волну со стороны штыря 2110. Здесь, заметим, что эффективность возбуждения направляемой поверхностной волны может быть связана с отношением величины энергии, подаваемой к штырю 2110, и уровнем энергии в направляемой поверхностной волне, возбужденной вдоль границы 2102 раздела сред при распространении. Эффективность возбуждения направляемой поверхностной волны может дополнительно или альтернативно быть связана со склонностью к возбуждению направляемой поверхностной волны вдоль границы 2102 раздела сред при распространении. Что касается способа, которым подготавливается область 2220 проводящей среды 203 с потерями, то область 2220 может выкапываться из Земли и смешиваться с различными типами материалов или заменяться другим материалом, как описано ниже с дополнительными подробностями со ссылкой на фиг. 22.
На фиг. 21А можно видеть, что область 2220 проводящей среды 203 с потерями выходит за пределы расстояния ^ пересечения вдоль границы 2102 раздела сред при
распространении. Заметим, что для разных вариантов осуществления область 2220
проводящей среды 203 с потерями может проходить вдоль границы 2102 раздела сред при
распространении, по меньшей мере, на расстояние ^пересечения или, в предпочтительных вариантах осуществления, выходить за пределы расстояния
Пересечения. В некоторых вариантах осуществления, однако, область 2220 проводящей
среды 203 с потерями, возможно, не полностью доходит до расстояния ^х пересечения. Дополнительно, в различных вариантах осуществления, область 2220 может простираться вниз в проводящую среду 203 с потерями, по меньшей мере, на глубину "А" комплексного изображения волноводного штыря для направляемой поверхностной волны 2110. Глубина, размер или степень комплексного изображения, как здесь описано, могут частично зависеть от высоты "h" штыря 2110. Как было описано, комплексное изображение располагается на комплексной зеркальной глубине. Таким образом, глубина "А" может соответствовать действительной части комплексной зеркальной глубины. В других вариантах осуществления область 2220 проводящей среды 203 с потерями может простираться вниз на другие, более мелкие глубины. Например, глубина "А" может соответствовать глубине (или действительной части комплексной глубины) комплексной зеркальной плоскости 130, показанной на фиг. 3.
На фиг. 21В показан вид сверху места расположения волноводного штыря для направляемой поверхностной волны 2200, показанного на в фиг. 21 А, соответствующего различным вариантам осуществления настоящего изобретения. На фиг. 21В можно увидеть, что область 2220 проводящей среды 203 с потерями содержит область, проходящую через границу 2102 раздела сред при распространении, определяемую
окружностью или радиально за расстоянием ^х, пересечения, измеренным примерно от центра волноводного штыря для направляемой поверхностной волны 2110. Говоря иначе, расстояние по окружности или по радиусу до края области 2220 больше, чем расстояние пересечения. Следует понимать, однако, что область 2220 проводящей среды 203 с потерями не обязательно должна быть круговой. Вместо этого, область 2220 проводящей среды 203 с потерями может иметь различные размеры и формы, в любом варианте
осуществления простирающиеся за пределы расстояния ^ пересечения, считая от волноводного штыря для направляемой поверхностной волны 2110. Например, область 2220 может иметь кольцевую форму, окружающую волноводный штырь для направляемой поверхностной волны 2110, которая имеет внутренний радиус, меньший, чем расстояние пересечения, и внешний радиус, больший, чем расстояние пересечения.
На фиг. 22 представлен этап подготовки области 2200 проводящей среды 203 с
потерями, показанной на фиг. 21 А, соответствующий различным вариантам осуществления настоящего изобретения. Область 2200 проводящей среды 203 с потерями может быть вырыта в земле любым подходящим способом. Грунт 2310, извлеченный из области 2200, может быть смешан со смесью 2320 другого вещества и смешанный грунт возвращается обратно в качестве области 2200 проводящей среды 203 с потерями. Смесь 2320 может содержать различные составы веществ в зависимости от вариантов осуществления. Например, смесь 2320 может помимо прочих составов веществ содержать, например, заданное количество соли, гипса, песка или гравия. Согласно различным подходам вариантов осуществления, состав 2320 можно опираться на то, чтобы изменять
номинальные условия удельной проводимости 1 и диэлектрической постоянной 1 Земли в проводящей среде 203 с потерями. В некоторых вариантах осуществления извлеченный грунт 2310 может быть полностью заменен (вместо смешивания) смесью 2320. В различных вариантах осуществления копать извлеченный грунт 2310 может быть заменен другим материалом или жидкостью (например, морской водой или другим жидким составом), обладающими характеристиками, отличными от проводящей среды 203 с потерями. Размеры котлована могут зависеть от частоты направляемой поверхностной волны и/или от характеристик проводящей среды 203 с потерями и/или от материала или жидкости замены.
Глубина котлована и, таким образом, глубина подготовленной области 2220, могут меняться в зависимости от различных вариантов осуществления настоящего изобретения. Например, глубина может зависеть от частоты возбуждения и характеристик проводящей среды 203 с потерями и/или от материала или жидкости, добавляемых в подготовленную область 2220. В некоторых вариантах осуществления глубина котлована (или подготовленной области 2220) может расширять область расстояния до комплексной зеркальной плоскости. Например, котлована может быть мелкой или намного меньшей, чем глубина комплексной зеркальной плоскости. В других вариантах осуществления глубина выемки грунта (или подготовленной области 2220) может расширяться до комплексной зеркальной плоскости. А в некоторых вариантах осуществления, глубина выемки грунта (или подготовленной область 2220) может расширяться за пределы комплексной зеркальной плоскости. Глубина подготовленной области 2220 и характеристики материала или жидкости, которые она содержит, могут обладать переменным эффектом в зависимости от того, возбуждается ли направляемая поверхностная волна в соответствующем назначенном направлении.
Подготовка границы 2102 раздела областей распространения вокруг волноводных штырей для направляемой поверхностной волны 2110 может также использоваться для
направления направляемой поверхностной волны (или волн), возбужденной штырем 2110. Штырь 2110 (например, волноводные штыри для направляемой поверхностной волны 200а, 200b, 200с, 200d, 200е, 200f, 200g или 200h) может быть выполнен с возможностью обеспечения угла наклона волны, связанного с комплексным углом падения Брюстера
( i=B), связанным, например, с удельной проводимостью Р и диэлектрической постоянной
Р подготовленной области 2220 или проводящей среды 203 с потерями около штыря 2110. Подготавливая участок области, окружающей штырь 2110, можно заставить электрические поля создавать заданный комплексный угол наклона волны на расстоянии
пересечения, которое соответствует частоте возбуждения и характеристикам подготовленной области 2220, в то же время не соответствуя характеристикам проводящей среды 203 с потерями. Таким образом, наклон волны практически согласуется по характеристикам с подготовленной областью 2220, чтобы возбуждать направляемую поверхностную волну на расстоянии от штыря 2110, хотя наклон волны не согласуется по характеристикам с проводящей средой 203 с потерями. В альтернативных вариантах осуществления электрические поля могут создавать заданный комплексный
угол наклона волны на расстоянии ^ пересечения, которое связывается с проводящей средой 203 с потерями, не связываясь с подготовленной областью 2220. Чтобы достигнуть
желаемого комплексного угла наклона волны на расстоянии ^х пересечения, штырь 2110 может быть реализован как имеющий определенные структурные и электрические характеристики, совместимые с представленным выше описанием. Соответствующий комплексный угол наклона волны позволяет возбуждать направляемую поверхностную волну в направлении, определяемом подготовленной областью или областями 2220. На эффективность направляемой связи будет влиять разность характеристик (например, удельной проводимости и диэлектрической постоянной, как обсуждалось выше) между подготовленной областью 2220 и неподготовленной областью 2230 или между подготовленными по-другому областями.
На фиг. 23A-23D показаны виды сверху примеров мест 2200 расположения волноводных штырей для направляемой поверхностной волны с участками области, окружающей подготавливаемый штырь 2110. На фиг. 23А подготовленная область 2220 имеет форму клина, проходящего радиально в направлении от штыря 2110. Возбуждая
электрические поля, создающие комплексный угол наклона волны на расстоянии ^х пересечения, которое согласуется с характеристиками подготовленной области 2220, падающее электрическое поле может быть полностью связано с волноводной модой для
направляемой поверхностной волны в направлении (как указано стрелками 2300) подготовленной области 2220. Направляемые поверхностные волны, возбуждаемые штырем 2110, будут распространяться радиально в направлении от штыря 2110, как показано стрелками 2300. Если характеристики остальной области, окружающей штырь 2110, достаточно отличаются от характеристик подготовленной области 2220, направляемая поверхностная волна распространяется в направлении или в диапазоне направлений, определяемых подготовленной областью 2220 (как указано стрелками 2300).
Диапазон, в которой направляемые поверхностные волны могут распространяться вдоль поверхности проводящей среды 203 с потерями, может определяться формой подготовленной области 2220. Так как падающие электрические поля обеспечивают угол наклона волны, связанный с комплексным углом падения Брюстера, связанным с подготовленной областью 2220, они могут быть полностью связаны с волноводной модой для направляемой поверхностной волны вокруг подготовленной области 2220 и возбуждать направляемые поверхностные волны в радиальных направлениях, определяемых подготовленной областью 2220. Поскольку падающее электрическое поле(-я) не обеспечивают угол наклона волны, связанный с комплексным углом падения Брюстера, связанным с неподготовленной областью 2230 проводящей среды 203 с потерями, они не связываются (или связываются только частично) с волноводной модой для направляемой поверхностной волны проводящей среды 203 с потерями и, таким образом, не возбуждают эффективно направляемые поверхностные волны в радиальных направлениях, определяемых неподготовленной областью 2230.
Соответствующее возбуждение штыря 2110 может создавать поля, характеристики которых практически соответствуют волноводной моде для направляемой поверхностной волны на поверхности подготовленной области 2220, приводя в результате к возбуждению направляемой поверхностной волны вдоль поверхности границы раздела сред при распространении в радиальном направлении, как показано стрелками 2300. Степень связи может быть подтверждена измерением напряженности поля вдоль радиуса, проходящего в направлении от волноводного штыря для направляемой поверхностной волны 2110. Степень связи с волноводной модой для направляемой поверхностной волны может быть выражена на основе отношения измеренной напряженности поля к базовой напряженности поля, которая может быть вычислена на основе частоты передачи и характеристиках подготовленной области 2220. Например, наклон волны может считаться эффективно связанным, когда измеренная напряженность поля больше или равна 90, 95, 97, 98 или 99% от базовой напряженности поля или другого определенного порога. Аналогично, наклон волны может считаться незначительным или эффективно не
связанным, когда измеренная напряженность поля меньше или равна 5, 4, 3, 2, или 1% от базовой напряженности поля или другого определенного порога. В зависимости от характеристик проводящей среды 203 с потерями и подготовленной области 2220, наклон волны может быть частично связанным, когда измеренная напряженность поля попадает между двумя определенными порогами. Возможны также и другие способы определения степени связи. Например, в некоторых вариантах осуществления, степень связи может быть основана на энергии, передаваемой в нагрузку через направляемую поверхностную волну, основываясь на энергии возбуждения штыря 2110. Определенные пороги, как они описываются выше, могут использоваться для определения степени связи.
Характеристики проводящей среды 203 с потерями и подготовленная область 2220 могут влиять на направленность направляемых поверхностных волн, возбуждаемых
штырем 2110. Чем больше различие между удельной проводимостью °1 и
диэлектрической постоянной 1 подготовленной области 2220 и удельной проводимостью
О ?
1и диэлектрической постоянной 1 неподготовленной области 2230 проводящей среды 203 с потерями, тем больше различие в степени связи между подготовленными и неподготовленными областями 2220 и 2230. Снижая степень связи наклона волны в неподготовленной области 2230 относительно подготовленной области 2220, можно лучше управлять направлением возбужденных направляемых поверхностных волн.
Хотя на фиг. 23А и 23В показаны два примера подготовки места расположения штыря, чтобы управлять направлением направляемых поверхностных волн, генерируемых штырем 2110, могут использоваться и другие угловые сегменты и/или конфигурации подготовленной области 2220. Увеличивая или уменьшая угол, в котором подготовленная область 2220 находится вокруг штыря 2110, направление направляемой поверхностной волны (как указано стрелками 2300) может быть расширено, как показано на фиг. 23В, или может быть сужено (или дополнительно сфокусировано). Например, радиально распределенная подготовленная область 2220, показанная на фиг. 23 А и 23В, может иметь угловое распределение, которое находится в диапазоне от нескольких градусов (например, 5-10 градусов по широте) до 180 градусов (как показано на фиг. 23В) или больше. В некоторых реализациях, таких как в примере на фиг. 23 С, подготовленная область 2220 может, по существу, окружать штырь 2110 небольшой площадью, которая является неподготовленной областью 2230, чтобы предотвратить или уменьшить распространение направляемой поверхностной волны в направлении (обозначенном стрелками 2300) неподготовленной области 2230.
Форма подготовленной области 2220 также может варьироваться, чтобы управлять
направлением связанной направляемой поверхностной волны. Например, подготовленная область 2220 может быть прямоугольной или иметь другую геометрическую форму, которая располагается в направлении от штыря 2110, чтобы направлять возбужденные направляемые поверхностные волны. Кроме того, количество подготовленных областей 2220 может быть одной или более. Например, могут быть подготовлены два или более угловых сегмента, чтобы направлять направляемые поверхностные волны в соответствующих радиальных направлениях (стрелки 2300), как показано на фиг. 23. Как следует понимать, возможны и другие вариации геометрии и количества подготовленных областей 2220.
Обратимся далее к фиг. 24А и 24В, где показаны виды сверху примеров мест 2200 расположения волноводных штырей для направляемой поверхностной волны с подготовленными участками области, окружающей штырь 2110. В этих примерах штырь 2110 выполнен с возможностью генерации падающего электрического поля(-ей), обеспечивающих угол наклона волны, связанный с комплексным углом падения Брюстера, связанным с проводящей средой 203 с потерями. Подготовленные области 2220
могут быть сконструированы с удельной проводимостью °Р и диэлектрической
постоянной Р, так что угол наклона волны, связанный с комплексным углом падения Брюстера, связанным с проводящей средой 203 с потерями, эффективно не связан с подготовленной областью 2220. Таким образом, диапазон углов, в котором направляемые поверхностные волны могут распространяться вдоль поверхности проводящей среды 203 с потерями, может определяться формой неподготовленной области 2230, как показано стрелками 2300 на фиг. 24А и 24В.
Так как падающие электрические поля обеспечивают угол наклона волны, связанный с комплексным углом падения Брюстера, связанным с неподготовленной областью 2230 проводящей среды 203 с потерями, они могут полностью связываться в режиме направляемого поверхностного волновода вокруг неподготовленной области 2230 и возбуждать направляемые поверхностные волны в радиальных направлениях (как показано стрелками 2300), определенных неподготовленной областью 2230. Поскольку падающие электрические поля не обеспечивают угол наклона волны, связанный с комплексным углом падения Брюстера, связанным с подготовленной областью 2220, они не связываются (или связываются только частично) в режиме направляемого поверхностного волновода в подготовленной области 2220 и, таким образом, возможно, неэффективно возбуждают направляемые поверхностные волны в радиальных направлениях, определяемых подготовленной областью 2230. Например, подготовленная
область 2220 может содержать выкопанную область, заполненную водой или морской
водой, имеющей удельную проводимость Р и диэлектрическую постоянную Р, которые
достаточно отличаются от удельной проводимости 1 и диэлектрической постоянной 1 проводящей среды 203 с потерями, чтобы позволить проводящей среде 203 с потерями направлять направляемые поверхностные волны .
Соответствующее возбуждение штыря 2110 может создавать поля, характеристики которых практически соответствуют волноводной моде для направляемой поверхностной волны на поверхности неподготовленной области 2230, приводя в результате к возбуждению направляемой поверхностной волны вдоль поверхности границы раздела сред распространения волны в радиальном направлении, как показано стрелками 2300. Степень связи может быть подтверждена измерением напряженности поля вдоль радиуса, проходящего от волноводного штыря 2110 для направляемой поверхностной волны. Степень связи с волноводной модой для направляемой поверхностной волны может быть выражена на основе отношения измеренной напряженности поля к базовой напряженности поля, которая может быть вычислена на основе частоты передачи и характеристик неподготовленной области 2230. Например, наклон волны можно считать эффективно связанным, когда измеренная напряженность поля больше или равна 90, 95, 97, 98, или 99% базовой напряженности поля или другого определенного порога. Точно также, наклон волны может рассматриваться как пренебрежимо малый или не связанный эффективно, когда измеренная напряженность поля меньше или равна 5, 4, 3, 2, или 1% базовой напряженности поля или другого определенного порога. В зависимости от характеристик проводящей среды 203 с потерями и подготовленной области 2220, наклон волны может быть частично связан, когда измеренная напряженность поля попадает между двумя определенными порогами. Возможны также другие способы определения степени связи. Например, в некоторых вариантах осуществления степень связи может быть основана на энергии, переносимой к нагрузке через направляемую поверхностную волну, основанную на энергии возбуждения штыря 2110. Определенные пороги, как описано выше, могут использоваться для определения степени связи.
Характеристики проводящей среды 203 с потерями и подготовленная область 2220 могут влиять на направленность направляемых поверхностных волн, возбуждаемых
штырем 2110. Чем больше разность между удельной проводимостью °Р и
диэлектрической постоянной Р подготовленной области 2220 и удельной проводимостью
1 и диэлектрической постоянной 1 неподготовленной области 2230 проводящей среды 203 с потерями, тем больше разность в степени связи между подготовленной и
неподготовленной областями 2220 и 2230. Снижая степень связи наклона волны в подготовленной области 2220 относительно неподготовленной области 2230, можно лучше управлять направлением возбуждаемых поверхностных волн.
В то время как на фиг. 24А и 24В показаны два примера подготовки места расположения штыря, чтобы управлять направлением направляемых поверхностных волн, генерируемых штырем 2110, могут использоваться и другие угловые сегменты и/или конфигурации подготовленной области 2220. Увеличивая или уменьшая угол, в котором подготовленная область 2220 располагается вокруг штыря 2110, направление направляемой поверхностной волны может расширяться, как показано на фиг. 24В, или может сужаться (или дополнительно фокусироваться). Например, радиально распределенная неподготовленная область 2230 может иметь угловое распределение, которое находится в диапазоне от нескольких градусов (например, 5-10 градусов ширины) до 180 градусов (смотрите, например, подготовленную область 2220 на фиг. 23 А) или больше. В некоторых реализациях неподготовленная область 2230 может, по существу, окружать штырь 2110 небольшой площадью, которая является подготовленной областью 2220, чтобы предотвратить или уменьшить распространение направляемой поверхностной волны в направлении подготовленной области 2220.
Форма неподготовленной области 2230 также может варьироваться, чтобы управлять направлением связанной направляемой поверхностной волны (стрелки 2300). Например, неподготовленная область 2230 может иметь прямоугольную или другую геометрическую форму, которая распространяется наружу от штыря 2110, чтобы направлять возбужденные направляемые поверхностные волны. Кроме того, количество неподготовленных областей 2230 может быть одной или более. Например, два или более угловых сегмента могут быть подготовлены, чтобы направлять направляемые поверхностные волны в радиальных направлениях (как указано стрелками 2300), соответствующих неподготовленным областям 2230. Следует понимать, что возможны и другие вариации геометрии и количества неподготовленных областей 2230. Можно увеличивать направленность направляемых поверхностных волн, расширяя подготовленные области 2220 за пределы расстояния пересечения.
В некоторых вариантах осуществления штырь 2110 может быть выполнен с возможностью возбуждения различных направляемых поверхностных волн в различных направлениях (как указано стрелками 2300), основываясь на подготовленных областях 2220 и неподготовленных областях 2230. Например, в примерах, показанных на фиг. 23В и 24В, штырь 2110 может быть выполнен с возможностью запуска направляемых поверхностных волн на первой частоте в направлениях, определяемых подготовленной
областью 2220, и запуска направляемых поверхностных волн на второй частоте в направлениях, определяемых неподготовленной областью 2230. В этом случае штырь 2110 может регулироваться таким образом, чтобы возбуждать электрические поля на первой частоте, так чтобы они создавали комплексный угол наклона волны на расстоянии
^х пересечения, которое согласуется с характеристиками подготовленной области 2220. Падающее электрическое поле может затем быть полностью связанным с волноводной модой для направляемой поверхностной волны в направлении подготовленной области 2220, в то же время не связываясь (или связываясь только частично) с неподготовленной областью 2230. Штырь 2110 может также быть отрегулирован, чтобы возбуждать электрические поля на второй частоте, так чтобы они создавали комплексный угол
наклона волны на расстоянии ^ пересечения, согласованном с характеристиками неподготовленной области 2230, и были полностью связаны с волноводной модой для направляемой поверхностной волны в направлении неподготовленной области 2230, не связываясь (или связываясь только частично) с подготовленной областью 2220. В некоторых вариантах осуществления может быть любое количество подготовленных областей 2220, которое ограничивается только промежутками вокруг штыря 2110, которые могут быть подготовлены так, что каждая из областей имеет различные характеристики, соответствующие различным волноводным модам для направляемой поверхностной волны. Таким образом, множество различных направляемых поверхностных волн может быть возбуждено в различных направлениях одним штырем 2110. Например, на фиг. 23D показан пример с двумя подготовленными областями 2220, которые могут быть подготовлены с различными характеристиками, связанными с различными рабочими частотами. Неподготовленная область 2230 может также позволить связь на третьей рабочей частоте.
Далее обратимся к фиг. 25А и 25В, где показаны примеры технических требований к месту расположения штыря для управления направляемыми поверхностными волнами (указанными стрелки 2300), генерируемыми штырем 2110, используя географические особенности ландшафта. В примерах на фиг. 25А и 25В, проводящая среда 203 с потерями является наземной средой 2503 (например, землей), которая имеет границу, определяемую массой воды 2506, такой как, например, пресная вода или морская вода или другая обработанная вода. В примере на фиг. 25А штырь 2110 помещается в точку или полуостров, которые окружены водой 2506. Вода 2506 может действовать таким же образом как подготовленные области 2220, показанные на фиг. 24А. Так как падающие электрические поля, генерируемые штырем 2110, обеспечивают угол наклона волны,
связанный с комплексным углом падения Брюстера для наземной среды 2503, они могут быть полностью связаны с волноводной модой для направляемой поверхностной волны вдоль полуострова и возбуждать направляемые поверхностные волны в радиальных направлениях, определяемых окружающей водой 2506 (как указано стрелками 2300). Помещая штырь 2110 в точку или на полуостров, возбуждаемые направляемые поверхностные волны направляются, исходя из географии точки или полуострова.
В примере на фиг. 25В штырь 2110 располагается на береговой линии 2500 вдоль воды 2506. Вода 2506 может действовать таким же образом, как подготовленные области 2220, показанные на фиг. 24В. Угол наклона волны, создаваемый электрическими полями штыря 2110, позволяет возбуждать направляемые поверхностные волны в радиальных направлениях, определяемых береговой линией 2500 (как указано стрелками 2300). Хотя примеры, показанные на фиг. 25А и 25В, раскрывают направление направляемых поверхностных волн вдоль поверхности наземной среды 2503, штырь 2110 может быть выполнен с возможностью связи с типом направляемого поверхностного волновода для воды 2506, чтобы запускать направляемые поверхностные волны через воду 2506, не допуская связи с наземной средой 2503. Например, волноводный штырь для направляемой поверхностной волны 2110 на фиг. 25В может также регулироваться таким образом, чтобы возбуждать электрические поля, создающие комплексный угол наклона волны на
расстоянии ^х пересечения, согласуясь с характеристиками воды 2506, и полностью связываться с волноводной модой для направляемой поверхностной волны в направлении воды 2506, в то же время не связываясь (или только частично связываясь) с наземной средой 2503. Располагая штырь 2110 во внутренней части залива, направляемые поверхностные волны будут возбуждаться в радиальных направлениях, определяемых береговыми линиями, простирающимися вдоль любой из сторон залива. Можно использовать другие геологические признаки, такие как естественно образовавшиеся массы воды (например, океаны, моря, озера, реки и т.д.), чтобы направлять возбуждаемые направляемые поверхностные волны в желаемом направлении.
Следует заметить, что по мере увеличения высоты штыря 2110, расстояние ^ удаляется от штыря 2110, как показано на фиг. 6. В результате, по мере увеличения
высоты штыря 2110, область выборки грунта увеличивается, поскольку расстояние ^ движется дальше наружу.
Следует подчеркнуть, что описанные выше варианты осуществления настоящего изобретения являются просто возможными примерами реализаций, приведенными для ясного понимания принципов раскрытия. В описанном выше варианте(-ах) осуществления
могут быть сделаны многочисленные изменения и модификации, не отступая, по существу, от сущности и принципов раскрытия. Все такие модификации и изменения предполагаются содержащимися здесь в рамках объема настоящего раскрытия и защищаются приведенной далее формулой изобретения. Кроме того, все необязательные и предпочтительные признаки и модификации описанных вариантов осуществления и зависимые пункты формулы изобретения могут использоваться при всех подходах представленного здесь раскрытия. Кроме того, индивидуальные признаки зависимых пунктов формулы изобретения, а также все необязательные и предпочтительные признаки и модификации описанных вариантов осуществления могут объединяться и взаимно заменяться друг с другом.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Место расположения штыря, содержащее:
границу раздела сред распространения волны, содержащую первую область и вторую область, смежную с первой областью; первая область содержит первую проводящую среду с потерями, а вторая область содержит вторую проводящую среду с потерями; и
волноводный штырь для направляемой поверхностной волны, расположенный рядом с указанными первой областью и второй областью, причем штырь для направляемой поверхностной волны выполнен с возможностью создания по меньшей мере одного электрического поля, которое синтезирует фронт волны, имеющий комплексный угол падения Брюстера, соответствующий первой проводящей среде с потерями, при возбуждении источником возбуждения, причем фронт волны возбуждает направляемую поверхностную волну вдоль указанной границы раздела сред распространения волны в радиальном направлении, которое определяется первой областью и ограничивается второй областью.
2. Место расположения штыря по п. 1, характеризующееся тем, что указанный фронт волны пересекается с указанной границей раздела сред распространения волны под комплексным углом падения Брюстера на расстоянии пересечения от указанного волноводного штыря для направляемой поверхностной волны.
3. Место расположения штыря по п. 1, характеризующееся тем, что первая область и вторая область простираются вдоль указанной границы раздела сред распространении волны от места, находящегося рядом с указанным волноводным штырем для направляемой поверхностной волны, за пределы указанного расстояния пересечения.
4. Место расположения штыря по п. 1, характеризующееся тем, что указанная первая проводящая среда с потерями является наземной средой.
5. Место расположения штыря по п. 4, характеризующееся тем, что указанная вторая область простирается в наземную среду по меньшей мере на глубину комплексного изображения указанного волноводного штыря для направляемой поверхностной волны.
6. Место расположения штыря по п. 4, характеризующееся тем, что указанная вторая область простирается в наземную среду по меньшей мере на глубину комплексной зеркальной плоскости указанного волноводного штыря для направляемой поверхностной волны.
7. Место расположения штыря по п. 1, характеризующееся тем, что вторая проводящая среда с потерями является водой.
8. Место расположения штыря по п. 7, характеризующееся тем, что вторая область
является естественно образовавшейся массой воды.
9. Место расположения штыря по п. 1, характеризующееся тем, что вторая проводящая среда с потерями является наземной средой.
10. Место расположения штыря по п. 9, характеризующееся тем, что первая область является подготовленной областью, имеющей удельную проводимость и диэлектрическую постоянную, отличающиеся от наземной среды.
11. Место расположения штыря по п. 10, характеризующееся тем, что подготовленная область содержит выкопанный котлован с водой.
12. Место расположения штыря по п. 11, характеризующееся тем, что вода является морской водой.
13. Место расположения по п. 10, характеризующееся тем, что подготовленная область содержит выкопанный котлован, заполненный наземной средой и добавленным материалом.
14. Место расположения по п. 1, характеризующееся тем, что вторая область простирается вокруг указанного волноводного штыря для направляемой поверхностной волны от первой стороны первой области до второй стороны первой области.
15. Место расположения штыря по п. 1, характеризующееся тем, что указанная граница раздела сред распространения волны содержит третью область, примыкающую к первой области напротив второй области.
16. Место расположения штыря по п. 15, характеризующееся тем, что третья область содержит вторую проводящую среду с потерями.
17. Место расположения штыря по п. 15, характеризующееся тем, что третья область содержит третью проводящую среду с потерями.
9.
ИЗМЕНЕННАЯ ПО ст. 34 РСТ ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ, ПРЕДЛОЖЕННАЯ ЗАЯВИТЕЛЕМ К РАССМОТРЕНИЮ
1. Место расположения штыря, содержащее:
границу раздела сред распространения волны, в поверхности проводящей среды с потерями, причем указанная граница раздела сред распространения волны содержит первую область и вторую область, смежную с первой областью; первая область содержит первую проводящую среду с потерями, а вторая область содержит вторую проводящую среду с потерями; и
волноводный штырь для направляемой поверхностной волны, расположенный над указанной границей раздела сред распространения волны и примыкающий к указанным первой области и второй области, причем волноводный штырь для направляемой поверхностной волны выполнен с возможностью генерации по меньшей мере одного электрического поля, которое синтезирует фронт волны, имеющий комплексный угол падения Брюстера, соответствующий первой проводящей среде с потерями, при возбуждении источником возбуждения, причем фронт волны возбуждает направляемую поверхностную волну вдоль указанной границы раздела сред распространения волны и указанной поверхности проводящей среды с потерями в радиальном направлении, которое определяется первой областью и ограничивается второй областью.
2. Место расположения штыря по п. 1, характеризующееся тем, что указанный фронт волны пересекается с указанной границей раздела сред распространения волны под комплексным углом падения Брюстера на расстоянии пересечения от указанного волноводного штыря для направляемой поверхностной волны.
3. Место расположения штыря по п. 1, характеризующееся тем, что первая область и вторая область простираются вдоль указанной границы раздела сред распространения волны от места, находящегося рядом с указанным волноводным штырем для направляемой поверхностной волны, за пределы указанного расстояния пересечения.
4. Место расположения штыря по п. 1, характеризующееся тем, что указанная проводящая среда с потерями является наземной средой и указанная первая проводящая среда с потерями является наземной средой.
5. Место расположения штыря по п. 4, характеризующееся тем, что указанная вторая область простирается в наземную среду, по меньшей мере, на глубину комплексного изображения указанного волноводного штыря для направляемой поверхностной волны.
6. Место расположения штыря по п. 4, характеризующееся тем, что указанная вторая область простирается в наземную среду, по меньшей мере, на глубину
2.
комплексной зеркальной плоскости указанного волноводного штыря для направляемой поверхностной волны.
7. Место расположения штыря по п. 1, характеризующееся тем, что вторая проводящая среда с потерями является водой.
8. Место расположения штыря по п. 7, характеризующееся тем, что вторая область является естественно образовавшейся массой воды.
9. Место расположения штыря по п. 1, характеризующееся тем, что проводящая среда с потерями является наземной средой и вторая проводящая среда с потерями является наземной средой.
10. Место расположения штыря по п. 9, характеризующееся тем, что первая область является подготовленной областью, имеющей удельную проводимость и диэлектрическую постоянную, отличающиеся от наземной среды.
11. Место расположения штыря по п. 10, характеризующееся тем, что подготовленная область содержит выкопанный котлован с водой.
12. Место расположения штыря по п. 11, характеризующееся тем, что вода является морской водой.
13. Место расположения по п. 10, характеризующееся тем, что подготовленная область содержит выкопанный котлован, заполненный наземной средой и добавленным материалом.
14. Место расположения по п. 1, характеризующееся тем, что вторая область простирается вокруг указанного волноводного штыря для направляемой поверхностной волны от первой стороны первой области до второй стороны первой области.
15. Место расположения штыря по п. 1, характеризующееся тем, что указанная граница раздела сред распространения волны содержит третью область, примыкающую к первой области напротив второй области.
16. Место расположения штыря по п. 15, характеризующееся тем, что третья область содержит вторую проводящую среду с потерями.
17. Место расположения штыря по п. 15, характеризующееся тем, что третья область содержит третью проводящую среду с потерями.
18. Место расположения штыря по п. 1, характеризующееся тем, что указанная проводящая среда с потерями является наземной средой.
7.
7.
200а
Система управления штырем
230
\ и
206 Область 2
Источник
Схема
возбужде-
питания
ния
212
209
VY//*///A V, ы/Z
Фиг. 3
Область 1 130
Di = Hi + d/2 +d/2 = H! + d
Расстояние до точки пересечения
0.000
-0.500
11чиит*111И1яи11Ч1мшими1 иии> вш1"и1ии1М1М1*аи11|1> 1Щ1"шм1им11И11В11ДШ111миа1И11И1М1И1т11а111иии111"м11вшве
г-т-т- т-T-CslfMCMCMCO
¦3.000
1-326 футов
Фиг. 4
Эквифазовые поверхности
Область 2
/ А /
/ 1 /
j / / / ^* Нормали
I I 1^1 I
1 I ^ /
/ / /
Область 1 / / / /
1 IS 1 1
Фиг. 5В
200b
ТТЖЛ 77
218
Фиг. 1С
ВОЗДУХ 142
133
136
z = О
ВОЗДУХ 142
136
Конечно-проводящая земля
Фиг. 8А
'ВОЗДУХ"
V/SS/Ss
Идеально проводящая зеркальная земляная плоскость
Л-t
Фиг. 8С
Фиг. 8В
f сре,с
Физическая граница 136 проводящей еды 203 с потерями
Идеально проводящая зеркальная земляная плоскость 139
Фиг. 9А
139
136
т С
Jbase
Фиг. 9В
Ф=ес+9у
z 1 /
^ ^tuning, f Ш
Физическая граница 136 проводящей среды 203 с потерями
/ j" > ;" } ;" ? ,¦ ;" / ..' ;" ;" у ;" / ,• ;" .!> 7 .." ,.' .ff1
Идеально проводящая зеркальная земляная плоскость 139
зе 1 J J
Фиг. 9С
^НачалсЛ
150
Разместить зарядный вывод
153
Согласовать электрическую фазу поднятого заряда с комплексным
углом наклона волны
156
Настроить импеданс нагрузки в резонанс для эквивалентной модели зеркальной плоскости
159
^ Конец^
Фиг. 11
Источник
Схема
возбужде-
питания
ния
212
209
206
/7/7)}//?/7
130
= Hi + d/2 +d/2 = H! + d D2 = H2 + d/2 +d/2 = H2 + d
t QV )
Фиг. 12
Фиг. 15А
303
312
Схема
согласования импедансов
318
-о ¦о
Электрическая нагрузка 315
203
Фиг. 18А
^203
Фиг. 18В
Схема согласования импедансов
324
Электри-
ческая
нагрузка
327
203
Фиг. 18С
180
Фиг. 18D
Настроить в резонанс для эквивалентной модели зеркальной плоскости
(КОНЕЦ)
184
187
Фиг. 20
(19)
(19)
(19)
1/27
1/27
2/27
2/27
2/27
2/27
2/27
2/27
2/27
2/27
2/27
2/27
3/27
3/27
3/27
3/27
3/27
3/27
4/27
4/27
4/27
4/27
4/27
4/27
5/27
5/27
Фиг. 7A
Фиг. 7A
5/27
5/27
Фиг. 7A
Фиг. 7A
6/27
6/27
Фиг. 7В
Фиг. 7В
7/27
7/27
9/27
9/27
9/27
9/27
9/27
10/27
10/27
10/27
10/27
10/27
10/27
11/27
11/27
11/27
11/27
11/27
11/27
11/27
11/27
11/27
11/27
12/27
12/27
12/27
12/27
12/27
12/27
14/27
14/27
Фиг. 14
Фиг. 14
16/27
16/27
15/27
15/27
17/27
17/27
Фиг. 17
Фиг. 17
19/27
18/27
190
19/27
18/27
190
19/27
18/27
190
19/27
18/27
190
19/27
18/27
190
19/27
18/27
190
19/27
20/27
190
21/27
21/27
22/27
22/27
23/27
23/27
24/27
24/27