(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多相導波路プローブの少なくとも１対の充電端末を励起することにより、前記多相導波路プローブに、陸上媒体の誘導表面導波路モードと実質的に整合するとともに、前記陸上媒体の複素ブリュースター角で入射する波面を実質的に合成する複数の場を合成させ、無視できる反射をもたらすことによって、陸上媒体の表面に沿って、誘導表面導波路モードの形式で伝えられるエネルギーを伝送するステップを備える、方法。
【請求項２】
励起ソースと、
前記励起ソースに電気的に結合され、少なくとも１対の充電端末を有し、前記励起ソースによって前記充電端末が励起されることにより損失性伝導媒体の表面のツェネック表面波モードに実質的にモード整合するとともに前記損失性伝導媒体の複素ブリュースター角で入射する波面を実質的に合成し、実質的にゼロ反射をもたらす、複数の獲得場を生成する、多相導波路プローブと、
を備える、装置。
【請求項３】
前記損失性伝導媒体が、陸上媒体をさらに含む、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記多相導波路プローブの放射抵抗が、略ゼロである、請求項２または３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５】
前記多相導波路プローブの高さが、前記多相導波路プローブの動作周波数でλ／２π未満であり、
λは、前記動作周波数の波長である、
請求項２から４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項６】
前記ツェネック表面波モードの動径表面電流密度が、
【数１】
0006392790.tif 000091
によって実質的に表され、
γは、
【数２】
0006392790.tif 000092
によって与えられる表面波動径伝搬定数であり、
ｕ２は、
【数３】
0006392790.tif 000093
によって与えられる鉛直伝搬定数であり、
ここで、
【数４】
0006392790.tif 000094
であり、
σは、前記損失性伝導媒体の伝導率であり、
ωは、２πｆに等しく、ここで、ｆは、前記多相導波路プローブの励起の周波数であり、
ε０は、自由空間の誘電率であり、εｒは、前記損失性伝導媒体の相対的な誘電率であり、
自由空間波数ｋ０は、
【数５】
0006392790.tif 000095
に等しく、ここで、λ０は、前記多相導波路プローブの自由空間波長であり、
ｊは、  √−１  に等しく、
ρは、動径座標であり、ｚは、前記損失性伝導媒体に垂直な鉛直座標であり、φは、方位座標であり、
Ｉ０は、正味の多相プローブ電流であり、
Ｈ１（２）（−ｊγρ）は、ｅ＋ｊωｔの時間変動に対する複素引数−ｊγρを伴う第２種かつ第１次のハンケル関数であり、ここで、ｔは時間である、
請求項２から５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項７】
前記ツェネック表面波モードは、
【数６】
0006392790.tif 000096
【数７】
0006392790.tif 000097
および
【数８】
0006392790.tif 000098
として実質的に表され、
ここで、Ｈφは、方位磁場強度であり、Ｅρは、動径電場強度であり、ＥＺは、鉛直電場強度であり、
γは、
【数９】
0006392790.tif 000099
によって与えられる表面波動径伝搬定数であり、
ｕ２は、
【数１０】
0006392790.tif 000100
によって与えられる鉛直伝搬定数であり、ここで、
【数１１】
0006392790.tif 000101
であり、
σは、前記損失性伝導媒体の伝導率であり、
ωは、２πｆに等しく、ここで、ｆは、前記多相導波路プローブの励起の周波数であり、
ε０は、自由空間の誘電率であり、εｒは、前記損失性伝導媒体の相対的な誘電率であり、
自由空間波数ｋ０は、
【数１２】
0006392790.tif 000102
に等しく、ここで、λ０は、前記多相導波路プローブの自由空間波長であり、
ｊは、  √−１  に等しく、
ρは、動径座標であり、ｚは、前記損失性伝導媒体に垂直な鉛直座標であり、φは、方位座標であり、
Ｉ０は、正味の多相プローブ電流であり、
Ｈ１（２）（−ｊγρ）は、複素引数−ｊγρを伴う第２種および第１のオーダーのハンケル関数であり、Ｈ０（２）（−ｊγρ）は、ｅ＋ｊωｔ時間変動に対する複素引数−ｊγρを伴う第２種かつゼロ次のハンケル関数であり、ここで、ｔは時間である、
請求項２から６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】
少なくとも１対の充電端末を有し、複数の電圧振幅および複数の位相を前記充電端末に印加することにより前記充電端末に複数の獲得場を生成させるように構成された多相導波路プローブを備え、
前記獲得場が、陸上媒体の表面でのツェネック表面波モードに実質的にモード整合されるとともに、前記陸上媒体の複素ブリュースター角で入射する波を実質的に合成し、実質的にゼロ反射をもたらす、装置。
【請求項９】
前記多相導波路プローブが、前記充電端末の間に結合される少なくとも１つの第１コイルをさらに備える、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
陸上媒体に対して受信回路を配置するステップであって、前記受信回路は、多相導波路プローブの少なくとも１対の充電端末に結合された励起ソースに負荷をかけることによって前記多相導波路プローブに前記陸上媒体に沿ったツェネック表面波を生成させる、電気的負荷に結合されている、ステップと、
前記受信回路を介して、前記陸上媒体の表面上で前記ツェネック表面波の形式で伝えられる、電力を含むエネルギーを受信するステップと、
前記電力を、前記電気的負荷に対する電源として使用されるように前記電気的負荷に印加するステップと、
を備える、方法。
【請求項１１】
電気的負荷を前記受信回路にインピーダンス整合させるステップをさらに備える、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記受信回路から前記電気的負荷への最大電力伝送を確立するステップをさらに備える、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
損失性伝導媒体の表面に沿ってツェネック表面波の形式で伝えられる、電力を含むエネルギーを受信する受信回路と、
前記受信回路に結合される電気的負荷であって、前記電力が前記電気的負荷に対する電源として使用されるように、多相導波路プローブの少なくとも１対の充電端末に結合された励起ソースに負荷をかけることによって前記多相導波路プローブに前記ツェネック表面波を生成させる、電気的負荷と、
を備える、装置。
【請求項１４】
前記損失性伝導媒体が、陸上媒体をさらに含む、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記受信回路が、磁気コイル、線形プローブ、または同調共振器の内の１つをさらに備える、請求項１３または１４に記載の装置。
【請求項１６】
励起ソースと、
少なくとも１対の充電端末を有し、前記励起ソースに結合された多相導波路プローブであって、前記励起ソースが前記充電端末を励起させることにより、損失性伝導媒体の表面に沿った、電力を含む電気エネルギーを伝送するツェネック表面波を生成する多相導波路プローブと、
前記電気エネルギーを受信する受信回路と、
前記受信回路に結合される電気的負荷であって、前記電力が前記電気的負荷に対する電源として使用されるように、前記励起ソースに負荷をかける、電気的負荷と、
を備える、電力伝送システム。
【請求項１７】
前記受信回路から前記電気的負荷への最大電力伝送が確立される、請求項１６に記載の電力伝送システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本特許協力条約出願は、２０１３年３月７日に出願された米国特許第１３／７８９，５２５号”ＥＸＣＩＴＡＴＩＯＮ  ＡＮＤ  ＵＳＥ  ＯＦ  ＧＵＩＤＥＤ  ＳＵＲＦＡＣＥ  ＷＡＶＥ  ＭＯＤＥＳ  ＯＮ  ＬＯＳＳＹ  ＭＥＤＩＡ”および２０１３年３月７日に出願された米国特許第１３／７８９，５３８号”ＥＸＣＩＴＡＴＩＯＮ  ＡＮＤ  ＵＳＥ  ＯＦ  ＧＵＩＤＥＤ  ＳＵＲＦＡＣＥ  ＷＡＶＥ  ＭＯＤＥＳ  ＯＮ  ＬＯＳＳＹ  ＭＥＤＩＡ”の優先権および利益を主張し、両出願は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
１世紀以上にわたり、電波（ｒａｄｉｏ  ｗａｖｅｓ）によって送信される信号は、従来のアンテナ構造を使用して放出される放射場を含んでいた。無線科学とは対照的に、前世紀における電力分配システムは、電気伝導体に沿って誘導されたエネルギーの伝送を含んでいた。無線周波数（ＲＦ）と、電力伝送との間の区別についてのこの知識は、１９００年代初頭から存在していた。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本開示の多くの態様は、以下の図面を参照してより良好に理解することができる。図面内の構成要素は必ずしも寸法どおりではないが、代わりに本開示の原理を明確に例示することに重点が置かれている。さらに、図面において、同一の参照番号は、複数の図にわたり対応する部分を示す。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
【図１】誘導電磁場と放射電磁場とについて、距離の関数として場の強さを表すグラフである。
【図２】本開示のさまざまな実施形態による誘導表面波の伝送のために使用される、２つの領域を伴う伝搬界面を示す図である。
【図３】本開示の一実施形態による、図２の伝搬界面に対して配置される多相導波路プローブを示す図である。
【図４】本開示の一実施形態による、図３の伝搬界面における損失性伝導媒体上での誘導表面導波路モードの放出を容易にする接地電流での位相シフトの一例を示す図である。
【図５】本開示のさまざまな実施形態による、多相導波路プローブによって合成される電場の挿入の複素角度を示す図である。
【図６】本開示の一実施形態による、多相導波路プローブの概略図である。
【図７Ａ】本開示のさまざまな実施形態による、図６の多相導波路プローブの具体例の概略図である。
【図７Ｂ】本開示のさまざまな実施形態による、図６の多相導波路プローブの具体例の概略図である。
【図７Ｃ】本開示のさまざまな実施形態による、図６の多相導波路プローブの具体例の概略図である。
【図７Ｄ】本開示のさまざまな実施形態による、図６の多相導波路プローブの具体例の概略図である。
【図７Ｅ】本開示のさまざまな実施形態による、図６の多相導波路プローブの具体例の概略図である。
【図７Ｆ】本開示のさまざまな実施形態による、図６の多相導波路プローブの具体例の概略図である。
【図７Ｇ】本開示のさまざまな実施形態による、図６の多相導波路プローブの具体例の概略図である。
【図７Ｈ】本開示のさまざまな実施形態による、図６の多相導波路プローブの具体例の概略図である。
【図７Ｉ】本開示のさまざまな実施形態による、図６の多相導波路プローブの具体例の概略図である。
【図７Ｊ】本開示のさまざまな実施形態による、図６の多相導波路プローブの具体例の概略図である。
【図８Ａ】本開示のさまざまな実施形態による、多相導波路プローブのさまざまな実施形態により生成される選択伝送周波数での誘導表面波の場の強さを示すグラフである。
【図８Ｂ】本開示のさまざまな実施形態による、多相導波路プローブのさまざまな実施形態により生成される選択伝送周波数での誘導表面波の場の強さを示すグラフである。
【図８Ｃ】本開示のさまざまな実施形態による、多相導波路プローブのさまざまな実施形態により生成される選択伝送周波数での誘導表面波の場の強さを示すグラフである。
【図９】本開示の一実施形態による多相導波路プローブにより生成される、距離の関数としての５９メガヘルツでの誘導表面波の場の強さの実験的測定値のグラフの一例を示す図である。
【図１０】本発明の一実施形態による、図９の誘導表面波の距離の関数として位相の実験的測定値のグラフを示す図である。
【図１１】本開示の一実施形態による、１．８５メガヘルツで、多相導波路プローブにより生成される誘導表面波の距離の関数としての場の強さの実験的測定値のグラフの別の例を示す図である。
【図１２Ａ】本開示のさまざまな実施形態による、多相導波路プローブにより放出される誘導表面波の形式で伝送されるエネルギーを受信するために使用することができる受信器の例を示す図である。
【図１２Ｂ】本開示のさまざまな実施形態による、多相導波路プローブにより放出される誘導表面波の形式で伝送されるエネルギーを受信するために使用することができる受信器の例を示す図である。
【図１３】本開示のさまざまな実施形態による、多相導波路プローブにより放出される誘導表面波の形式で伝送されるエネルギーを受信するために使用することができる追加の受信器の一例を示す図である。
【図１４Ａ】本開示の一実施形態による、図１２Ａから図１２Ｂで示した受信器のテブナン等価回路を示す概略図である。
【図１４Ｂ】本開示の一実施形態による、図１３で示した受信器のノートン等価回路を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００５】
まず、以下に続く概念の説明を明確にするために、図１を参照していくつかの用語を定義する必要がある。まず、本明細書で意図するように、放射（ｒａｄｉａｔｅｄ）電磁場と、誘導（ｇｕｉｄｅｄ）電磁場とは、はっきりと区別して描かれる。
【０００６】
本明細書で意図するように、放射電磁場は、導波路（ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）に制限されない波の形式でソース構造から放出される電磁気エネルギーを備える。例えば、放射電磁場は、一般に、アンテナなどの電気的構造を出て、大気または他の媒体を通って伝搬し、何らの導波路構造に限定されない場である。放射電磁波は、一旦アンテナなどの電気的構造を出ると、ソースが動作を続けるかどうかに関わらず、その電磁波が拡散するまで、ソースから独立して、伝搬媒体（空気など）の中を伝搬し続ける。電磁波が放射されると、電磁波は、遮断されない限り復元不可能であり、遮断されない場合、放射電磁波に固有のエネルギーは、永遠に失われる。アンテナなどの電気的構造は、放射抵抗と構造損失抵抗との比を最大にするように、電磁場を放射するよう設計される。放射エネルギーは、空間内に広がり、受信器が存在するかどうかに関わらず失われる。放射場のエネルギー密度は、幾何学的な広がりに起因する、距離の関数である。したがって、本明細書で使用される全ての形式における「放射する（ｒａｄｉａｔｅ）」という用語は、この形式の電磁気伝搬を意味する。
【０００７】
誘導電磁場は、異なる電磁気特性を有する媒体の間の境界内か、または境界付近に、そのエネルギーが集中している伝搬電磁波である。この意味では、誘導電磁場は、導波路に制限された電磁場であり、導波路内を流れる電流によって伝えられるものとして特徴づけることができる。誘導電磁波で伝えられるエネルギーを受信する、および／または拡散する負荷が存在しない場合、誘導媒体の伝導率で拡散されるエネルギーを除いて、何らのエネルギーも失われない。別の言い方をすれば、誘導電磁波に対して負荷が存在しない場合、何らのエネルギーも消費されない。したがって、生成器、または誘導電磁場を生成する他のソースは、抵抗負荷が存在しない限り、実際の電力を提供しない。この目的を達成するために、そのような生成器または他のソースは、本質的に、負荷が存在するまで、空動作する。このことは、電気的負荷が存在しない電力線で伝送される６０ヘルツの電磁波を生成するために生成器を動作させることに似ている。誘導電磁場または誘導電磁波は、「伝送線モード」と呼ばれるものと同等であることに留意されたい。これは、実際の電力が常時供給され、放射波を生成する放射電磁波とは対象的である。放射電磁波とは異なり、誘導電磁気エネルギーは、エネルギー源が停止された後、有限長の導波路に沿って伝搬し続けない。したがって、本明細書で使用される全ての形式における「誘導する（ｇｕｉｄｅ）」という用語は、この伝送モードの電磁気伝搬を意味する。
【０００８】
放射電磁場と誘導電磁場との間の区別をさらに示すために、対数−ｄＢプロットで、ボルト／メートルでの任意の基準を超えるデシベル（ｄＢ）での場の強さのキロメートル単位での距離の関数としてのグラフ１００を示す図１を参照する。図１のグラフ１００は、距離の関数として、誘導電磁場の場の強さを示す誘導場強度曲線１０３を示す。この誘導場強度曲線１０３は、本質的に、伝送線モードと同じである。また、図１のグラフ１００は、距離の関数として、放射電磁場の場の強さを示す放射場強度曲線１０６を示す。
【０００９】
放射に対する、および誘導波伝搬に対する曲線１０３／１０６の形状は興味深い。放射場強度曲線１０６は、幾何学的に低下し（１／ｄ、ここでｄは距離である）、両対数目盛上で直線である。誘導場強度曲線１０３は、他方で、ｅｘｐ［−αｄ］／√ｄの特徴的な指数関数減衰を有し、特有の屈折部１０９を示す。したがって、図のように、誘導電磁場の場の強さは、ｅｘｐ［−αｄ］／√ｄの割合で低下し、一方、放射電磁場の場の強さは、１／ｄの割合で低下し、ここでｄは距離である。誘導場強度曲線１０３が指数関数的に低下するということのために、誘導場強度曲線１０３は、前述のように、屈折部１０９を特徴とする。誘導場強度曲線１０３および放射場強度曲線１０６は、交差距離で生じる交差点１１３で交わる。交差距離未満の距離では、誘導電磁場の場の強さは、放射電磁場の場の強さより、ほとんどの位置で、著しく大きい。交差距離より大きい距離では、逆が真である。したがって、誘導場強度曲線１０３および放射場強度曲線１０６は、さらに、誘導電磁場と放射電磁場との間の基本的な伝搬差を示す。誘導電磁場と放射電磁場との間の差の形式的でない説明のために、Ｍｉｌｌｉｇａｎ，Ｔ．，””Ｍｏｄｅｒｎ  Ａｎｔｅｎｎａ  Ｄｅｓｉｇｎ””，ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ，１ｓｔ  Ｅｄｉｔｉｏｎ，１９８５，ｐｐ．８−９を参照し、その全体を参照により本明細書に組み込む。
【００１０】
上記でなされた放射電磁波と誘導電磁波との間の区別は、容易に正式に表され、厳格な基準で置かれる。２つのそのような異なる解が同一の線形偏微分方程式、波動方程式から得られる可能性があることは、問題に課された境界条件から解析的に従う。波動方程式に対するグリーン関数は、それ自体、放射および誘導波の性質の間の区別を含む。
【００１１】
何もない空間では、波動方程式は、複素波数平面での固有値の連続的なスペクトルを有する固有関数を有する微分演算子である。この横電磁（ＴＥＭ）場は、放射場と呼ばれ、それらの伝搬場は、「ヘルツ波」と呼ばれる。しかしながら、伝導性境界のもとで、波動方程式プラス境界条件は、数学的に、連続的なスペクトルプラス離散的なスペクトルの合計から構成される波数のスペクトル表現につながる。この目的を達成するために、Ｓｏｍｍｅｒｆｅｌｄ，Ａ．，”Ｕｂｅｒ  ｄｉｅ  Ａｕｓｂｒｅｉｔｕｎｇ  ｄｅｒ  Ｗｅｌｌｅｎ  ｉｎ  ｄｅｒ  Ｄｒａｈｔｌｏｓｅｎ  Ｔｅｌｅｇｒａｐｈｉｅ，”Ａｎｎａｌｅｎ  ｄｅｒ  Ｐｈｙｓｉｋ，Ｖｏｌ．２８，１９０９，ｐｐ．６６５−７３６を参照する。また、””Ｐａｒｔｉａｌ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  Ｅｑｕａｔｉｏｎｓ  ｉｎ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  −  Ｌｅｃｔｕｒｅｓ  ｏｎ  Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ  Ｐｈｙｓｉｃｓ：  Ｖｏｌｕｍｅ  ＶＩ””のＣｈａｐｔｅｒ  ６，Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｒｅｓｓ，１９４９，ｐｐ．２３６−２８９，２９５−２９６として出版されたＳｏｍｍｅｒｆｅｌｄ，Ａ．，”Ｐｒｏｂｌｅｍｓ  ｏｆ  Ｒａｄｉｏ，”；  Ｃｏｌｌｉｎ，  Ｒ．  Ｅ．，  ”Ｈｅｒｔｚｉａｎ  Ｄｉｐｏｌｅ  Ｒａｄｉａｔｉｎｇ  Ｏｖｅｒ  ａ  Ｌｏｓｓｙ  Ｅａｒｔｈ  ｏｒ  Ｓｅａ：  Ｓｏｍｅ  Ｅａｒｌｙ  ａｎｄ  Ｌａｔｅ  ２０ｔｈ  Ｃｅｎｔｕｒｙ  Ｃｏｎｔｒｏｖｅｒｓｉｅｓ”，””ＩＥＥＥ  Ａｎｔｅｎｎａｓ  ａｎｄ  Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ  Ｍａｇａｚｉｎｅ””，Ｖｏｌ．４６，Ｎｏ．２，Ａｐｒｉｌ  ２００４，ｐｐ．６４−７９；およびＲｅｉｃｈ，Ｈ．Ｊ．，Ｏｒｄｎｕｎｇ，Ｐ．Ｆ，Ｋｒａｕｓｓ，Ｈ．Ｌ．，ならびにＳｋａｌｎｉｋ，  Ｊ．Ｇ．，””Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ｔｈｅｏｒｙ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｉｇｕｅｓ””，Ｖａｎ  Ｎｏｓｔｒａｎｄ，１９５３，ｐｐ．２９１−２９３も参照し、これらは、参照により、その全体が本明細書に組み込まれる。
【００１２】
上記を要約すると、まず、波数固有値スペクトルの連続部分は、分岐積分に対応し、放射場を生成し、次に、離散スペクトル、および積分の輪郭によって囲まれた極から生じる対応する留数和は、伝搬に対して横方向に指数関数的に減衰する非ＴＥＭ走行表面波をもたらす。そのような表面波は、誘導伝送線モードである。さらなる説明のために、Ｆｒｉｅｄｍａｎ，Ｂ．，”Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ”，Ｗｉｌｅｙ，１９５６，ｐｐ．ｐｐ．２１４，２８３−２８６，２９０，２９８−３００を参照する。
【００１３】
自由空間では、アンテナは、放射場である、波動方程式の連続固有値を励起し、ここで、同位相のＥｚおよびＨφを伴う外側伝搬ＲＦエネルギーは、永遠に失われる。他方で、導波路プローブは、離散固有値を励起し、伝送線伝搬をもたらす。Ｃｏｌｌｉｎ，Ｒ．Ｅ．，”Ｆｉｅｌｄ  Ｔｈｅｏｒｙ  ｏｆ  Ｇｕｉｄｅｄ  Ｗａｖｅｓ”，ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ，１９６０，ｐｐ．４５３，４７４−４７７を参照。そのような理論解析は、損失の大きい平面または球面、均一媒体上の開放面誘導波を放出する仮想の可能性を秘めていたが、１世紀以上の間、工学分野において何らかの実用的な効率を伴ってこのことを達成するための構造が知られていなかった。残念ながら、１９００年代初期に出現して以来、上記した理論解析は、本質的に理論に留まっており、損失の大きい平面または球面、均一媒体上の開放面誘導波の放出を現実的に達成するための構造は知られていない。
【００１４】
本開示のさまざまな実施形態によれば、さまざまな多相導波路プローブ（ｐｏｌｙｐｈａｓｅ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  ｐｒｏｂｅ）が、損失性伝導媒体の表面に沿った表面導波路モードの形式を合成した獲得場を有する動径表面電流を励起するよう構成されることが説明される。そのような誘導電磁場は、実質的に、損失性伝導媒体の表面上の誘導表面波モードに、振幅および位相において、モード整合される。そのような誘導表面波モードはまた、ツェネック（Ｚｅｎｎｅｃｋ）表面波モードと称することもできる。本明細書で説明する多相導波路プローブによって励起される獲得場が、実質的に、損失性伝導媒体の表面上でツェネック表面波モードにモード整合されるということによって、ツェネック表面波の形式の誘導電磁場が、損失性伝導媒体の表面に沿って放出される。一実施形態によれば、損失性伝導媒体は、大地などの陸上媒体を含む。
【００１５】
図２を参照すると、Ｚｅｎｎｅｃｋ，Ｊ．，”Ｏｎ  ｔｈｅ  Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｐｌａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｗａｖｅｓ  Ａｌｏｎｇ  ａ  Ｆｌａｔ  Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  Ｓｕｒｆａｃｅ  ａｎｄ  ｔｈｅｉｒ  Ｒｅｌａｔｉｏｎ  ｔｏ  Ｗｉｒｅｌｅｓｓ  Ｔｅｌｅｇｒａｐｈｙ，”Ａｎｎａｌｅｎ  ｄｅｒ  Ｐｈｙｓｉｋ，Ｓｅｒｉａｌ４，Ｖｏｌ．  ２３，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ  ２０，１９０７，ｐｐ．８４６−８６６で述べられている、１９０７年にＪｏｎａｔｈａｎ  Ｚｅｎｎｅｃｋによって導出されたマクスウェル方程式の境界値解の検査のための伝搬境界が示される。図２は、領域１として示される損失性伝導媒体と、領域２として示される絶縁体との間の界面に沿った、放射状に伝搬する波に対する円柱座標を示す。領域１は、例えば、何らかの損失性伝導媒体を備えることができる。一例において、そのような損失性伝導媒体は、大地または他の媒体などの陸上媒体を備えることができる。領域２は、境界界面を領域１と共有する第２の媒体であり、領域１に対して異なる構成パラメータを有する。領域２は、例えば、大気または他の媒体などの何らかの絶縁体を備えることができる。そのような境界界面に対する反射係数は、複素ブリュースター角（ｃｏｍｐｌｅｘ  Ｂｒｅｗｓｔｅｒ  ａｎｇｌｅ）での入射に対してのみゼロに向かう。Ｓｔｒａｔｔｏｎ，Ｊ．Ａ．，”Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｔｈｅｏｒｙ”，ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ，１９４１，ｐ．５１６を参照。
【００１６】
さまざまな実施形態によれば、本開示は、領域１を備える損失性伝導媒体の表面上でのツェネック表面波モードに実質的にモード整合される電磁場を生成するさまざまな多相導波路プローブを示す。さまざまな実施形態によれば、そのような電磁場は、実質的に、ゼロ反射をもたらす損失性伝導媒体の複素ブリュースター角で入射する波面を合成する。
【００１７】
さらに説明するために、領域２において、ｅｊωｔの形での場の変動が仮定され、ここで、ρ≠０およびｚ≧０（ｚは、領域１の表面に垂直な鉛直座標、ρは、円柱座標での放射寸法）であり、界面に沿った境界条件を満たすマクスウェル方程式のツェネック閉型厳密解は、以下の電場および磁場成分によって表される。
【数１】
0006392790.tif 000002
【数２】
0006392790.tif 000003
【数３】
0006392790.tif 000004
【００１８】
領域１において、ｅｊωｔの形での場の変動が仮定され、ここで、ρ≠０およびｚ≦０であり、界面に沿った境界条件を満たすマクスウェルの方程式のツェネック閉型厳密解は、以下の電場および磁場成分によって表される。
【数４】
0006392790.tif 000005
【数５】
0006392790.tif 000006
【数６】
0006392790.tif 000007
これらの数式において、Ｈｎ（２）（−ｊγρ）は、第２種および次数ｎの複素引数ハンケル関数であり、ｕ１は、領域１における正の垂直方向の伝搬定数であり、ｕ２は、領域２における垂直方向の伝搬定数であり、σ１は、領域１の伝導率であり、ωは、２πｆに等しく、ここで、ｆは、励起の周波数であり、ε０は、自由空間の誘電率であり、ε１は、領域１の誘電率であり、Ａは、ソースによって課せられるソース定数であり、ｚは、領域１の表面に垂直な鉛直座標であり、γは、表面動径伝搬定数であり、ρは、動径座標である。
【００１９】
±ｚ方向の伝搬定数は、領域１および領域２の間の界面の上下で波動方程式を分け、境界条件を課することによって決定される。この実行は、領域２において、
【数７】
0006392790.tif 000008
をもたらし、
領域１において、
【数８】
0006392790.tif 000009
をもたらす。
動径伝搬定数γは、
【数９】
0006392790.tif 000010
によってもたらされ、複素式である。上記の式の全てにおいて、
【数１０】
0006392790.tif 000011
および
【数１１】
0006392790.tif 000012
であり、ここで、μ０は、自由空間の透過率を備え、εｒは、領域１の相対的な誘電率を備える。したがって、生成された表面波は、界面に並行に伝搬し、界面に垂直に指数関数的に減衰する。このことは、消失性として知られる。
【００２０】
したがって、数式１から数式３は、円筒対称・動径伝搬導波路モードであると考えることができる。Ｂａｒｌｏｗ，Ｈ．Ｍ．，およびＢｒｏｗｎ，Ｊ．，”Ｒａｄｉｏ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｗａｖｅｓ”，Ｏｘｆｏｒｄ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  Ｐｒｅｓｓ，１９６２，ｐｐ．１０−１２，２９−３３を参照。本開示は、この「開境界」導波路モードを励起する構造について詳しく述べる。具体的には、さまざまな実施形態により、多相導波路プローブは、互いに対して配置されるとともに電圧および／または電流を供給される適切なサイズの充電端末を備え、領域２と領域１との間の境界界面に沿って放射される表面波誘導モードの場の相対的な位相調整を励起する。
【００２１】
さらに続けるために、領域１と領域２との間のレオントビッチインピーダンス境界条件は、以下のようになる。
【数１２】
0006392790.tif 000013
0006392790.tif 000014
【数１３】
0006392790.tif 000015
ここで、Ａは、まだ決定されていない定数である。さらに、近接多相導波路プローブ（ρ＜＜λの場合）では、上記の数式１３は、以下の挙動を有することに留意されたい。
【数１４】
0006392790.tif 000016
負の符号に注目することを望むかもしれない。これは、ソース電流が、垂直上方に流れる場合、必要とされる「近接」接地電流が、動径内向きに流れることを意味する。Ｈφ「近接」で整合する場によって、数式１から数式６および数式１３において、
【数１５】
0006392790.tif 000017
であることが分かった。したがって、数式１３は以下のように書き直すことができる。
【数１６】
0006392790.tif 000018
【００２２】
次いで、図３を参照すると、鉛直軸ｚに沿って配置される充電端末Ｔ１および充電端末Ｔ２を含む多相導波路プローブ２００の一例が示される。多相導波路プローブ２００は、本開示の一実施形態による、損失性伝導媒体２０３上に配置される。損失性伝導媒体２０３は、一実施形態による、領域１（図２）を構成する。さらに、第２の媒体２０６は、損失性伝導媒体２０３と境界界面を共有し、領域２（図２）を構成する。多相導波路プローブ２００は、後の図面を参照してより詳細に説明するように、励起ソース２１３を充電端末Ｔ１およびＴ２に結合する、プローブ結合回路２０９を含む。
【００２３】
充電端末Ｔ１およびＴ２は、損失性伝導媒体２０３上に配置される。充電端末Ｔ１は、コンデンサとみなすことができ、充電端末Ｔ２は、本明細書で説明されるように、カウンターポイズまたは低コンデンサを備えることができる。一実施形態によれば、充電端末Ｔ１は、高さＨ１に配置され、充電端末Ｔ２は、高さＨ２で鉛直軸ｚに沿ってＴ１の真下に配置され、ここで、Ｈ２はＨ１未満である。多相導波路プローブ２００によって示される伝送構造の高さｈは、ｈ＝Ｈ１−Ｈ２である。上記説明を考慮した場合、損失性伝導媒体の表面上の動径ツェネック表面電流の漸近形Ｊρ（ρ）を、近接の場合Ｊ１（ρ）に、遠隔の場合Ｊ２（ρ）に、決定することができる。
近接（ρ＜λ／８）：
【数１７】
0006392790.tif 000019
遠隔（ρ＞＞λ／８）：
【数１８】
0006392790.tif 000020
0006392790.tif 000021
【００２４】
数式１７および数式１８によって記載されるような近接および遠隔の動径電流を表す漸近関数は、複素量である。さまざまな実施形態によれば、物理的表面電流Ｊ（ｒ）は、振幅および位相において現在の漸近関数とできる限り近似して整合するよう合成される。すなわち、近接の場合、｜Ｊ（ｒ）｜は｜Ｊ１｜に対する接線となり、遠隔の場合、｜Ｊ（ｒ）｜は｜Ｊ２｜に対する接線となる。また、さまざまな実施形態によれば、Ｊ（ｒ）の位相は、近接Ｊ１の位相から、遠隔Ｊ２の位相に遷移するべきである。
【００２５】
一実施形態によれば、本明細書で説明する多相導波路プローブのさまざまな実施形態のいずれかが適切に調整される場合、この構成は、ツェネックモードへの少なくとも近似的な振幅および位相整合をもたらし、ツェネック表面波を放出する。遠隔の位相Φ２は、ｅ−ｊβρに対応する伝搬位相に比例し、プラス√γの位相に基づく固定「位相ブースト」である  ａｒｇ（√γ)  であって、
【数１９】
0006392790.tif 000022
となることに留意されたい。ここで、γは、上記の数式９で表され、損失性伝導媒体での伝送の部位でのεｒおよびσの値および動作周波数ｆに依存し、２つの複素根を有する  ａｒｇ（√γ)は、典型的に、約４５°または２２５°のオーダーである。別の言い方をすれば、伝送の部位でのツェネック表面波モードと整合して、ツェネック表面波を放出するために、遠隔の表面電流｜Ｊ２｜の位相は、近接の表面電流｜Ｊ１｜の位相から、ｅ−ｊβ（ρ２−ρ１）に対応する伝搬位相プラス約４５°または約２２５°の定数だけ、異なるべきである。これは、  √γ  に対して２つの根が存在し、１つがほぼπ／４であり、１つがほぼ５π／４であるためである。適切に調整された合成動径表面電流は、以下の通りである。
【数２０】
0006392790.tif 000023
マクスウェルの方程式によって、そのようなＪ（ρ）表面電流は、以下の数式に適合する場を自動的に作り出す。
【数２１】
0006392790.tif 000024
【数２２】
0006392790.tif 000025
【数２３】
0006392790.tif 000026
したがって、整合されるツェネック表面波モードに対する遠隔の表面電流｜Ｊ２｜および近接の表面電流｜Ｊ１｜との間の位相の差は、上記した数式２０から数式２３でのハンケル関数の固有特性のためである。数式１から数式６および数式２０によって表される場が、地上波伝搬と関連づけられるような放射場ではなく、損失性界面に結びつけられる伝送線モードの性質を有することを認識することが重要である。Ｂａｒｌｏｗ，Ｈ．Ｍ．およびＢｒｏｗｎ，Ｊ．，”Ｒａｄｉｏ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｗａｖｅｓ”，Ｏｘｆｏｒｄ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  Ｐｒｅｓｓ，１９６２，ｐｐ．１−５を参照。これらの場は、ゼロ反射に対する複素ブリュースター角要件を自動的に満たし（放射を無視できるという意味である）、一方、以下でもたらされる実験結果で検証および支持されるように、表面誘導波伝搬は、劇的に向上する。
【００２６】
この時点で、波動方程式のこれらの解の特別な特性に重点を置いて、数式２０から数式２３で使用されるハンケル関数の性質のレビューを提供する。第１種および第２種および次数ｎのハンケル関数は、第１種および第２種の標準ベッセル関数の複素結合として定義されることが確認される。
【数２４】
0006392790.tif 000027
および
【数２５】
0006392790.tif 000028
これらの関数は、それぞれ動径に内向き（肩字（１））および外向き（肩字（２））に伝搬する円筒波を表す。定義は、関係ｅ±ｊｘ＝ｃｏｓｘ±ｊｓｉｎｘと類似する。例えば、Ｈａｒｒｉｎｇｔｏｎ，Ｒ．Ｆ．，”Ｔｉｍｅ−Ｈａｒｍｏｎｉｃ  Ｆｉｅｌｄｓ”，ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ，１９６１，ｐｐ．４６０−４６３を参照。
【００２７】
Ｈｎ（２）（ｋρρ）が外向き波であることは、Ｊｎ（ｘ）およびＮｎ（ｘ）の一連の定義から直接得られる、引数が大きいときの漸近挙動から容易に認識される。
【数２６】
0006392790.tif 000029
数式２６は、ｅｊωｔと掛け合わされる場合、空間変化1/√ρを伴う形式ｅｊ（ωｔ−ｋρ）の外側伝搬円筒波である。指数成分の位相は、ψ＝（ωｔ−ｋρ）である。以下も明らかである。
【数２７】
0006392790.tif 000030
ハンケル関数のさらに有用な特性は、以下によって表される。
【数２８】
0006392790.tif 000031
これは、Ｊａｈｎｋｅ，Ｅ．，およびＦ．Ｅｍｄｅ，”Ｔａｂｌｅｓ  ｏｆ  Ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ”，Ｄｏｖｅｒ，１９４５，ｐ．１４５に記載される。
【００２８】
さらに、外側伝搬ハンケル関数の小さい引数および大きな引数の漸近形は、以下のようになる。
【数２９】
0006392790.tif 000032
【数３０】
0006392790.tif 000033
【００２９】
これらの漸近表現は、複素量であることに留意されたい。また、通常の正弦関数とは異なり、複素ハンケル関数の挙動は、原点から近接または遠隔で異なる。ｘが実数量である場合、数式２９および数式３０は、４５°または、同等のλ／８の余分な位相前進すなわち「位相ブースト」に対応する  √ｊ  だけ位相が異なっている。
【００３０】
図４を参照して、Ｊ１（図３）およびＪ２（図３）の間の位相遷移をさらに示すために、多相導波路プローブ２００（図３）の位置に対する近接の表面電流Ｊ１および遠隔のＪ２の位相の図を示す。図４に示すように、３つの異なる観測点Ｐ０、Ｐ１、およびＰ２が存在する。遷移領域は、観測点Ｐ１および観測点Ｐ２の間に配置される。観測点Ｐ０は、多相導波路プローブ２００の位置に配置される。観測点Ｐ１は、観測点Ｐ０から距離Ｒ１離れた位置に「近接して」配置され、遷移領域２１６および観測点Ｐ０の間に配置する。観測点Ｐ２は、図のように、遷移領域２１６を超えて、観測点Ｐ０から距離Ｒ２離れた位置に、「遠隔に」配置される。
【００３１】
観測点Ｐ０では、動径電流Ｊの振幅および位相は、｜ＪＰ０｜∠φ０として表される。観測点Ｐ１では、動径電流Ｊの振幅および位相は、｜ＪＰ１｜∠φ０−βＲ１として表され、ここで、位相シフトβＲ１は、観測点Ｐ０およびＰ１の間の距離Ｒ１に起因する。観測点Ｐ２では、動径電流Ｊの振幅および位相は、｜ＪＰ２｜∠φ０−βＲ１＋φΔとして表され、ここで、位相シフトβＲ１＋φΔは、観測点Ｐ０およびＰ２の間の距離Ｒ２および遷移領域２１６で生じるさらなる位相シフトに起因する。さらなる位相シフトφΔは、前述したハンケル関数の特性として生じる。
【００３２】
上記は、多相導波路プローブ２００が、近接の表面電流Ｊ１を生成し、次いで、遠隔のＪ２電流に遷移するという事実を反映する。遷移領域２１６では、ツェネック表面導波路モードの位相は、約４５°すなわちλ／８ずつ遷移する。位相シフトのこの遷移は、ツェネック表面導波路モードの位相が遷移領域２１６で４５°ずつ進んだと思われる場合、「位相ブースト」と考えることができる。遷移領域２１６は、動作周波数の波長の１／１０未満のどこかで生じると思われる。
【００３３】
図３に戻って参照すると、一実施形態により、適切な動径表面電流分布を放出する多相導波路プローブを製造することができる。一実施形態によれば、ツェネック導波路モードは、動径方向に生成される。数式２０によってもたらされるＪ（ｒ）を生成することができた場合、自動的に、ツェネック表面波を放出する。
【００３４】
さらに、図３に示した多相導波路プローブの一例の充電端末Ｔ１およびＴ２での電荷Ｑ１およびＱ２の電荷イメージＱ１’およびＱ２’に関するさらなる説明を提供する。損失性伝導媒体に関する解析は、本明細書で説明するような、電荷貯蔵器Ｔ１およびＴ２での電荷Ｑ１およびＱ２と一致する多相導波路プローブの下の、誘導された有効イメージ電荷Ｑ１’およびＱ２’の存在を仮定する。そのようなイメージ電荷Ｑ１’およびＱ２’はまた、解析において考慮されなければならない。これらのイメージ電荷Ｑ１’およびＱ２’は、それらが完全導体の場合にあるように、電荷貯蔵器Ｔ１およびＴ２での一次ソース電荷Ｑ１およびＱ２と単に１８０°位相がずれているだけではない。例えば、陸上媒体などの損失性伝導媒体は、位相シフトされたイメージを提示する。すなわち、イメージ電荷Ｑ１’およびＱ２’は、複素深さに位置している。複素イメージの説明のために、Ｗａｉｔ，Ｊ．Ｒ．，”Ｃｏｍｐｌｅｘ  Ｉｍａｇｅ  Ｔｈｅｏｒｙ−  Ｒｅｖｉｓｉｔｅｄ”，””ＩＥＥＥ  Ａｎｔｅｎｎａｓ  ａｎｄ  Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ  Ｍａｇａｚｉｎｅ””，Ｖｏｌ．３３，Ｎｏ．４，Ａｕｇｕｓｔ  １９９１，ｐｐ．２７−２９を参照し、その全体を参照により本明細書に組み込む。
【００３５】
イメージ電荷Ｑ１’およびＱ２’が、電荷Ｑ１およびＱ２の高さに等しい深さにある（すなわち、ｚｎ’＝−ｈｎ）ことの代わりに、導電鏡２１５が深さｚ＝−ｄ／２に配置され、イメージ自体が「複素距離」（すなわち、「距離」は、振幅と位相との両方を有する）で表示され、ｚｎ’＝−Ｄｎ＝−（ｄ＋ｈｎ）≠−ｈｎ（ここで、ｎ＝１、２）によってもたらされ、垂直偏光ソースに対し、
【数３１】
0006392790.tif 000034
であり、
ここで、
【数３２】
0006392790.tif 000035
【数３３】
0006392790.tif 000036
である。
【００３６】
逆に見れば、イメージ電荷Ｑ１’およびＱ２’の複素配置は、界面が無損失誘電体または完全導体である場合には発生しない、余計な位相シフトに外部場がさらされることを意味する。損失性誘電体イメージ理論の技術の要点は、複素深さ、ｚ＝−ｄ／２に配置される完全導体によって有限導電性の大地（または、損失性誘電体）を置き換えることである。次に、ソースイメージは、その場合、複素深さＤｎ＝ｄ／２＋ｄ／２＋ｈｎ＝ｄ＋ｈｎに配置され、ここで、ｎ＝１、２である。その後、物理的電荷（ｚ＝＋ｈ）プラスその画像（ｚ’＝−Ｄ）の重ね合わせを使用して、地上より上（ｚ≧０）の場を計算することができる。複素深さでの電荷イメージＱ１’およびＱ２’は、実際は、上記の数式２０および数式２１で示された所望の電流位相を得る際に補助となる。
【００３７】
上記の数式２および数式３から、領域２におけるＥ２ＺとＥ２ρとの比が、以下によってもたらされることに留意されたい。
【数３４】
0006392790.tif 000037
また、漸近的に以下であることに留意されたい。
【数３５】
0006392790.tif 000038
したがって、数式２および数式３から、以下が直接導かれる。
【数３６】
0006392790.tif 000039
ここで、ψｉ，Ｂは、複素ブリュースター角である。ソース分布を調整し、損失性伝導媒体２０３の表面での複素ブリュースター角照射を合成することによって、ツェネック表面波を励起することができる。
【００３８】
図５を参照して、入射面に並行に分裂される入射場Ｅを示す。電場ベクトルＥは、入射する不均一な平面波として合成され、入射面に並行に偏極される。電場ベクトルＥは、独立した水平成分および鉛直成分から、以下のように作り出すことができる。
【数３７】
0006392790.tif 000040
幾何学的に、図５における図示は、以下を示唆する。
【数３８ａ】
0006392790.tif 000041
および
【数３８ｂ】
0006392790.tif 000042
これらは、場の比率は以下であることを意味する。
【数３９】
0006392790.tif 000043
しかしながら、数式３６から、以下であることが分かっている。
【数４０】
0006392790.tif 000044
したがって、ツェネック表面波に対して、ψ０＝θｉ，Ｂであることが望まれ、その結果、以下のようになる。
【数４１】
0006392790.tif 000045
【００３９】
数式は、入射面に平行な面での入射鉛直成分Ｅｚおよび入射水平成分Ｅρの間の複素場比率の振幅および相対的な位相を制御する場合、合成されたＥ場ベクトルが、実効的に、複素ブリュースター角で入射するようになることを意味する。そのような環境は、領域１および領域２の間の界面にわたってツェネック表面波を合成的に励起する。
【００４０】
図６を参照すると、本開示の一実施形態による、損失性伝導媒体２０３上に配置される多相導波路プローブ２００の別の図が示される。損失性伝導媒体２０３は、一実施形態による、領域１（図２）を構成する。さらに、第２の媒体２０６は、損失性伝導媒体２０３と境界界面を共有し、領域２（図２）を構成する。
【００４１】
一実施形態によれば、損失性伝導媒体２０３は、地球などの陸上媒体を含む。この目的を達成するために、そのような陸上媒体は、自然または人工のものを含むあらゆる構造および形態を備える。例えば、そのような陸上媒体は、岩、土壌、砂、淡水、海水、木、植物、および我が惑星を構成する他の全ての自然物などの自然の要素を備えることができる。さらに、そのような陸上媒体は、コンクリート、アスファルト、建築材料、および他の人工物などの人工要素を備えることができる。他の実施形態において、損失性伝導媒体２０３は、大地以外の、自然発生または人工の、何らかの媒体を備えることができる。他の実施形態において、損失性伝導媒体２０３は、自動車、航空機、人工材料（合板、プラスチックシート、または他の材料）、または他の媒体などの人工表面および構造などの他の媒体を備えることができる。
【００４２】
損失性伝導媒体２０３が陸上媒体または大地を備える場合において、第２の媒体２０６は、地面上の大気を備えることができる。したがって、大気は、地球の大気を構成する空気および他の要素を備える「大気媒体」と呼ぶことができる。さらに、第２の媒体２０６は、損失性伝導媒体２０３に対する他の媒体を備えることができることが可能である。
【００４３】
多相導波路プローブ２００は、一対の充電端末Ｔ１およびＴ２を備える。２つの充電端末Ｔ１およびＴ２が示されているが、２つの充電端末Ｔ１およびＴ２より多くの端末があってもよいことが理解されよう。一実施形態によれば、充電端末Ｔ１およびＴ２は、損失性伝導媒体２０３によってもたらされる面に垂直な鉛直軸ｚに沿って、損失性伝導媒体２０３より上に配置される。この点において、充電端末Ｔ１は、充電端末Ｔ２の直上に配置されるが、何らかの他の配置の２つ以上の充電端末ＴＮを使用することができることも可能である。さまざまな実施形態により、電荷Ｑ１およびＱ２は、それぞれの充電端末Ｔ１およびＴ２で印加することができる。
【００４４】
充電端末Ｔ１および／またはＴ２は、電荷を保持することができる何らかの導体塊を備えることができる。充電端末Ｔ１は、自己容量Ｃ１を有し、充電端末Ｔ２は、自己容量Ｃ２を有する。充電端末Ｔ１および／またはＴ２は、球体、円盤、円筒、円錐、トーラス、ランダム形状、または他の任意の形状などの、任意の形状を備えることができる。また、充電端末Ｔ１およびＴ２は、同一である必要はないが、いずれも、別々のサイズおよび形状を有することができ、異なる導電性材料をから成り得ることに留意されたい。一実施形態によれば、充電端末Ｔ１の形状は、事実上可能な限り多くの電荷を保持できるよう指定される。最終的に、多相導波路プローブ２００によって放出されるツェネック表面波の場の強さは、端末Ｔ１での電荷の量に正比例する。
【００４５】
充電端末Ｔ１および／またはＴ２が球体または円盤である場合、それぞれの自己容量Ｃ１およびＣ２を計算することができる。例えば、孤立した導体球の自己容量は、Ｃ＝４πε０ｒであり、ｒは、メートル単位での球体の半径を備える。孤立した円盤の自己容量は、Ｃ＝８ε０ｒであり、ｒは、メートル単位での円盤の半径を備える。
【００４６】
したがって、充電端末Ｔ１に蓄えられる電荷Ｑ１は、電荷貯蔵器Ｔ１の自己容量Ｃ１、および充電端末Ｔ１に印加される電圧Ｖが与えられた場合、Ｑ１＝Ｃ１Ｖとして計算することができる。
【００４７】
さらに図６を参照すると、一実施形態により、多相導波路プローブ２００は、充電端末Ｔ１およびＴ２に結合されるプローブ結合回路２０９を備える。プローブ結合回路２０９は、励起ソース２１３の充電端末Ｔ１およびＴ２への結合を容易にし、動作の所与の周波数に対する充電端末Ｔ１およびＴ２でのそれぞれの電圧振幅および位相を生成することを容易にする。３つ以上の充電端末ＴＮを使用する場合、プローブ結合回路２０９は、互いに対してそれぞれの充電端末ＴＮでさまざまな電圧振幅および位相を生成することを容易にするよう構成される。多相導波路プローブ２００の実施形態において、プローブ結合回路２０９は、説明するようなさまざまな回路構成を備える。
【００４８】
一実施形態において、プローブ結合回路２０９は、多相導波路プローブ２００を電気的に半波共振させるように指定される。これにより、所与の時点で、端末Ｔ１またはＴ２の一方に電圧＋Ｖを、充電端末Ｔ１またはＴ２の他方に−Ｖを印加する。そのような場合では、各充電端末Ｔ１およびＴ２での電圧は、１８０度位相が異なることが理解されるであろう。各充電端末Ｔ１およびＴ２での電圧が１８０度異なる位相である場合において、電圧振幅の差が最大になるのは、充電端末Ｔ１およびＴ２においてである。あるいは、プローブ結合回路２０９は、充電端末Ｔ１およびＴ２の間の位相差が１８０度以外になるよう構成することができる。この目的を達成するために、プローブ結合回路２０９は、多相導波路プローブ２００の調整の間、電圧振幅および位相を変更するよう調整することができる。
【００４９】
充電端末Ｔ１を充電端末Ｔ２の直上に配置することによって、相互容量ＣＭが、充電端末Ｔ１およびＴ２の間に生成される。また、前述のように、充電端末Ｔ１は、自己容量Ｃ１を有し、充電端末Ｔ２は、自己容量Ｃ２を有する。充電端末Ｔ１およびＴ２のそれぞれの高さに応じて、充電端末Ｔ１と損失性伝導媒体２０３との間に結合容量が、充電端末Ｔ２と損失性伝導媒体２０３との間に結合容量が存在することもできる。相互容量ＣＭは、充電端末Ｔ１およびＴ２の間の距離に依存する。
【００５０】
最終的に、多相導波路プローブ２００によって生成される場の強さは、上部端末Ｔ１で印加される電荷Ｑ１の振幅に正比例する。逆に、電荷Ｑ１は、充電端末Ｔ１と関連する自己容量Ｃ１に比例し、Ｑ１＝Ｃ１Ｖであり、ここで、Ｖは、充電端末Ｔ１に印加される電圧である。
【００５１】
一実施形態によれば、励起ソース２１３は、プローブ結合回路２０９に結合され、信号を多相導波路プローブ２００に印加する。励起ソース２１３は、多相導波路プローブ２００に印加される動作周波数で電圧または電流を生成することを可能にする電圧源または電流源などの、任意の適切な電源とすることができる。この目的を達成するために、励起ソース２１３は、例えば、生成器、関数発生器、送信機、または他の電源を備えることができる。
【００５２】
一実施形態において、励起ソース２１３は、磁気結合、容量結合、または説明するような導電（直接タップ）結合により多相導波路プローブ２００に結合することができる。いくつかの実施形態において、プローブ結合回路２０９は、損失性伝導媒体２０３に結合することができる。また、さまざまな実施形態において、励起ソース２１３は、説明するように、損失性伝導媒体２０３に結合することができる。
【００５３】
さらに、一実施形態によれば、本明細書で説明される多相導波路プローブ２００は、その放射抵抗Ｒｒが非常に小さい、もしくは無視できるほどであるという特性を有することに留意されたい。放射抵抗Ｒｒは、最終的にアンテナから放射される同じ量の電力を拡散しうる等価抵抗であることを思い出すべきである。さまざまな実施形態によれば、多相導波路プローブ２００は、誘導電磁波であるツェネック表面波を放出する。さまざまな実施形態によれば、本明細書で説明する多相導波路プローブは、放射抵抗Ｒｒをほとんど有さない。というのも、そのような多相導波路プローブの高さは、通常、それらの動作波長に比べて小さいからである。別の言い方をすれば、一実施形態により、本明細書で説明する多相導波路プローブは、「電気的に小さい」。本明細書で意図するように、「電気的に小さい」という言い方は、半径λ／２π（ここで、λは、自由空間波長）を有する球体によって物理的に制限することができ、本明細書で説明する多相導波路プローブの実施形態などの構造として定義される。Ｆｕｊｉｍｏｔｏ，Ｋ．，Ａ．Ｈｅｎｄｅｒｓｏｎ，Ｋ．Ｈｉｒａｓａｗａ，およびＪ．Ｒ．Ｊａｍｅｓ，Ｓｍａｌｌ  ”Ａｎｔｅｎｎａｓ”，Ｗｉｌｅｙ，１９８７，ｐ．４を参照。
【００５４】
さらに説明するために、短いモノポールアンテナに対する放射抵抗Ｒｒは、以下によって表される。
【数４２】
0006392790.tif 000046
ここで、短いモノポールアンテナは、均一電流分布を伴う高さｈを有し、ここで、λは、動作の周波数での波長である。Ｓｔｕｔｚｍａｎ，Ｗ．Ｌ．ｅｔ  ａｌ．，”Ａｎｔｅｎｎａ  Ｔｈｅｏｒｙ  ａｎｄ  Ｄｅｓｉｇｎ”，Ｗｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ，１９８１，ｐ．９３を参照。
【００５５】
放射抵抗Ｒｒの値が、  （ｈ／λ）２  の関数として決定されることから、構造の高さｈが、動作周波数での動作信号の波長に比べて小さい場合、放射抵抗Ｒｒも小さいということになる。一例として、伝送構造の高さｈが動作周波数での動作信号の波長の１０％である場合、  （ｈ／λ）２  の結果値は、（０．１）２＝０．０１である。放射抵抗Ｒｒは、それに対応して小さくなることが分かる。
【００５６】
したがって、さまざまな実施形態によれば、伝送構造の有効な高さｈが  λ／２π  以下（ここで、λは、動作周波数での波長）である場合、放射抵抗Ｒｒは、比較的小さくなる。以下で説明する多相導波路プローブ２００のさまざまな実施形態の場合には、伝送構造の高さｈは、ｈ＝Ｈ１−Ｈ２として計算することができ、ここで、Ｈ１は、充電端末Ｔ１の高さであり、Ｈ２は、充電端末Ｔ２の高さである。本明細書で説明する多相導波路プローブ２００の各実施形態のための伝送構造の高さｈは、同様に決定することができることを認識されたい。
【００５７】
λ／２π  が１つのベンチマークとされる一方で、動作周波数での動作信号の波長と伝送構造の高さｈとの比率は、任意の値とすることができることが理解されよう。しかしながら、動作の所与の周波数で、所与の伝送構造の高さが増加する場合、放射抵抗Ｒｒは、それに応じて増加することが理解されよう。
【００５８】
高さｈおよび動作周波数での動作信号の波長に対する実際の値により、放射抵抗Ｒｒは、いくらかの量の放射が、ツェネック表面波の放出に加えて生じるような値とすることが可能である。この目的を達成するために、多相導波路プローブ２００は、動作の周波数での波長に対して短い高さｈを有するよう構成することができ、放射の形式で失われるエネルギーがほとんどないか、ほぼゼロとすることを確実にする。
【００５９】
さらに、鉛直軸ｚに沿った電荷貯蔵器Ｔ１およびＴ２の配置は、上記した数式２０から数式２３でのハンケル関数によって記述される、多相導波路プローブ２００によって放出されるツェネック表面波における対称性をもたらす。多相導波路プローブ２００が、損失性伝導媒体２０３の表面を構成する面に垂直な鉛直軸ｚに沿った２つの電荷貯蔵器Ｔ１およびＴ２を伴って示されるが、所望の対称性をもたらすであろう他の構成も、使用することができる。例えば、追加の電荷貯蔵器ＴＮを鉛直軸ｚに沿って配置することができ、または何らかの他の配置を使用することができる。いくつかの実施形態において、伝送の対称性が望まれない場合がある。そのような場合、電荷貯蔵器ＴＮは、代替伝送分布パターンをもたらすために、鉛直軸ｚに沿う以外の構成で配置することができる。
【００６０】
所定の動作周波数で動作するよう適切に調整された場合、多相導波路プローブ２００は、損失性伝導媒体２０３の表面に沿ってツェネック表面波を生成する。この目的を達成するために、励起ソース２１３を使用して、構造を励起するために多相導波路プローブ２００に印加される所定の周波数で電気エネルギーを生成することができる。励起ソース２１３からのエネルギーは、多相導波路プローブ２００によりツェネック表面波の形式で、損失性伝導媒体２０３にも結合されるか、または多相導波路プローブ２００の有効伝送範囲内に配置される、１つまたは複数の受信器に送信される。したがって、エネルギーは、表面導波路モードまたは誘導電磁波であるツェネック表面波の形式で伝えられる。高圧線を使用する現代の電力グリッドの状況では、ツェネック表面波は、伝送線モードを備える。
【００６１】
したがって、多相導波路プローブ２００によって生成されるツェネック表面波は、放射波ではないが、上記の用語の意味で誘導波である。ツェネック表面波は、多相導波路プローブ２００が、損失性伝導媒体２０３の表面でツェネック表面波モードにモード整合される電磁波を作り出すということによって放出される。多相導波路プローブ２００によって生成される電磁場がそのように実質的にモード整合される場合、電磁場は、結果的に反射をほとんどもたらさないか、全くもたらさない損失性伝導媒体２０３の複素ブリュースター角で入射する波面を合成する。多相導波路プローブ２００が、ツェネック表面波モードに実質的にモード整合されない場合、ツェネック表面波は、損失性伝導媒体２０３の複素ブリュースター角が実現されないであろうため、放出されない。
【００６２】
損失性伝導媒体２０３が、大地などの陸上媒体を備える場合において、ツェネック表面波モードは、多相導波路プローブ２００が、数式１から数式１１で上記したように接地される部位の誘電体誘電率εｒおよび伝導率σに依存する。したがって、上記の数式２０から数式２３中のハンケル関数の位相は、放出部位での構成パラメータおよび動作の周波数に依存する。
【００６３】
ツェネック表面波モードと関連する場を励起するために、一実施形態により、多相導波路プローブ２００は、上記した数式２０によって表されるようなツェネック表面波モードの損失性伝導媒体上での動径表面電流密度を実質的に合成する。このことが生じた場合、次いで、電磁場は、損失性伝導媒体２０３の表面でのツェネック表面波モードに実質的に、または近似的にモード整合される。この目的を達成するために、整合は、実施可能である限り近づけるべきである。一実施形態によれば、電磁場が実質的に整合されるこのツェネック表面波モードは、上記した数式２１から数式２３で表される。
【００６４】
ツェネック表面波モードの損失性伝導媒体上での動径表面電流密度を合成するために、動作の所与の周波数、および所与の伝送の部位の電気的特性に対して、多相導波路プローブ２００の電気特性を調整して、充電端末Ｔ１およびＴ２に適切な電圧振幅および位相を印加するべきである。３つ以上の充電端末ＴＮを使用する場合、適切な電圧振幅および位相が、各充電端末ＴＮに印加される必要があり、ここで、Ｎは、一連の充電端末を実効的に備える非常に大きな数とすることができる。
【００６５】
所与の位置での多相導波路プローブ２００の所与の設計に対する適切な電圧振幅および位相を得るために、反復手法を使用することができる。具体的には、生成される動径表面電流密度を決定するために、端末Ｔ１およびＴ２への供給電流、充電端末Ｔ１およびＴ２での電荷、および損失性伝導媒体２０３でのそれらの鏡像（ｉｍａｇｅｓ）を考慮に入れた多相導波路プローブ２００の所与の励起および構成の分析を実行することができる。この処理は、所与の多相導波路プローブ２００に対する最適な構成および励起が所望のパラメータに基づいて決定されるまで、反復的に実行することができる。所与の多相導波路プローブ２００が最適なレベルで動作しているかどうかを判断する際の補助のために、誘導場強度曲線１０３（図１）を、多相導波路プローブ２００の位置での、領域１の伝導率（σ１）および領域１の誘電率（ε１）に対する値に基づいて、上記の数式１から数式１１を使用して生成することができる。そのような誘導場強度曲線１０３は、動作に対するベンチマークをもたらし、測定される場の強さを、誘導場強度曲線１０３によって示される強さと比較し、最適な伝送が実現されたかを判断することができる。
【００６６】
最適化された多相導波路プローブ２００に達するために、多相導波路プローブ２００と関連するさまざまなパラメータを調整することができる。別の言い方をすれば、多相導波路プローブ２００と関連するさまざまなパラメータを変更して、多相導波路プローブ２００を所望の動作構成に調整することができる。
【００６７】
多相導波路プローブ２００を調整するために変更することができるパラメータの１つは、損失性伝導媒体２０３の表面に対する充電端末Ｔ１および／またはＴ２の一方または両方の高さである。さらに、充電端末Ｔ１およびＴ２の間の距離または間隔も、調整することができる。そうする場合、理解されるであろうように、充電端末Ｔ１ならびにＴ２と損失性伝導媒体２０３との間の相互容量ＣＭまたは任意の束縛容量（ｂｏｕｎｄ  ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ）を最小にするか、そうでなければ変更することができる。
【００６８】
あるいは、調整することができる別のパラメータは、各充電端末Ｔ１および／またはＴ２のサイズである。充電端末Ｔ１および／またはＴ２のサイズを変えることによって、理解されるであろうように、それぞれの自己容量Ｃ１および／またはＣ２、および相互容量ＣＭを変更することができる。また、充電端末Ｔ１ならびにＴ２と損失性伝導媒体２０３のと間に存在する任意の束縛容量も変化する。そうする場合、充電端末Ｔ１およびＴ２での電圧振幅および位相が変化する。
【００６９】
またさらに、調整することができる別のパラメータは、多相導波路プローブ２００と関連するプローブ結合回路２０９である。これは、プローブ結合回路２０９を構成する誘導および／または容量リアクタンスの大きさを調整することによって実現することができる。例えば、そのような誘導リアクタンスがコイルを備える場合、そのようなコイルの巻数を調整することができる。最終的に、プローブ結合回路２０９への調整は、プローブ結合回路２０９の電気的な長さを変更することにより行うことができ、それにより、充電端末Ｔ１およびＴ２での電圧振幅および位相に影響を与える。
【００７０】
多相導波路プローブ２００に印加される励起ソース２１３の周波数を調整して、ツェネック表面波の伝送を最適化することができる場合もある。しかしながら、所与の周波数で送信することを望む場合、他のパラメータを調整して、伝送を最適化する必要がある。
【００７１】
さまざまな調整を行うことによって実行される伝送の繰り返しは、理解されるであろうように、コンピュータモデルを使用することによって、または物理構造を調整することによって、実現することができる。１つの手法では、伝送周波数に調整された電場計を、多相導波路プローブ２００から適切な距離に設置することができ、結果としてのツェネック表面波の最大値または他の任意の所望の場の強さが検出されるまで、上記のような調整を行うことができる。この目的を達成するために、場の強さは、端末Ｔ１およびＴ２での所望の動作周波数および電圧で生成される誘導場強度曲線１０３（図１）と比較することができる。１つの手法によれば、そのような電場計を配置するための適切な距離は、表面電流Ｊ２が支配的な上記の「遠隔」領域における遷移領域２１６（図４）より大きいとして指定することができる。
【００７２】
上記の調整を行うことによって、上記の数式１７および数式１８で示されるツェネック表面波モードの同じ電流Ｊ（ｒ）を近似する、対応する「近接」表面電流Ｊ１および「遠隔」表面電流Ｊ２を生成することができる。そうすることで、結果としての電磁場は、損失性伝導媒体２０３の表面でのツェネック表面波モードに実質的に、または近似的にモード整合される。
【００７３】
次に図７Ａから図７Ｊを参照すると、本開示のさまざまな実施形態による、多相導波路プローブ２００ａから２００ｊとして本明細書で表される、多相導波路プローブ２００のさらなる例が示される。多相導波路プローブ２００ａから２００ｊのそれぞれは、さまざまな実施形態により、プローブ結合回路２０９ａから２０９ｊとして本明細書で表される、さまざまなプローブ結合回路２０９を含む。プローブ結合回路２０９ａから２０９ｊのいくつかの例を記述したが、これらの実施形態は、単なる例であり、ツェネック表面波の放出を容易にするために、本明細書に記載する原理に従い、充電端末Ｔ１およびＴ２での所望の電圧振幅および位相をもたらすよう使用することができる、本明細書に記載しない多くの他のプローブ結合回路２０９とすることができることが理解されよう。
【００７４】
さらに、プローブ結合回路２０９ａから２０９ｊのそれぞれは、これに限定されないが、コイルを備える誘導インピーダンスを使用することができる。コイルが用いられるが、集中型および分散型の両方の、他の回路要素を、リアクタンスとして使用することができることが理解されよう。また、他の回路要素を、本明細書で示さないものもプローブ結合回路２０９ａから２０９ｊに含むことができる。さらに、各プローブ結合回路２０９ａから２０９ｊを伴うさまざまな多相導波路プローブ２００ａから２００ｊは、本明細書において、単に例をもたらすために記載されることに留意されたい。この目的を達成するために、本明細書で記載するさまざまな原理に従い、ツェネック表面波を放出するために使用することができるさまざまなプローブ結合回路２０９および他の回路要素を使用する多くの他の多相導波路プローブ２００が存在することができる。
【００７５】
ここで図７Ａを参照すると、一実施形態による、多相導波路プローブ２００ａとして本明細書で表される、多相導波路プローブ２００（図６）の第１の例が示される。多相導波路プローブ２００ａは、損失性伝導媒体２０３によって示される面に実質的に垂直である鉛直軸ｚに沿って配置される充電端末Ｔ１およびＴ２を含む。第２の媒体２０６は、損失性伝導媒体２０３より上にある。充電端末Ｔ１は、自己容量Ｃ１を有し、充電端末Ｔ２は、自己容量Ｃ２を有する。動作の間、電荷Ｑ１およびＱ２は、任意の所与の瞬間に、充電端末Ｔ１およびＴ２に印加される電圧により、それぞれ、充電端末Ｔ１およびＴ２に印加される。相互容量ＣＭは、充電端末Ｔ１およびＴ２の間の距離に応じて、充電端末Ｔ１およびＴ２の間に存在することができる。さらに、束縛容量は、損失性伝導媒体２０３に対する各充電端末Ｔ１およびＴ２の高さに応じて、各充電端末Ｔ１ならびにＴ２および損失性伝導媒体２０３の間に存在することができる。
【００７６】
多相導波路プローブ２００ａは、充電端末Ｔ１およびＴ２のそれぞれに結合される一対の配線を有するコイルＬ１ａを備える誘導インピーダンスを備えるプローブ結合回路２０９ａを含む。一実施形態において、コイルＬ１ａは、多相導波路プローブ２００ａの動作周波数の波長の半分（１／２）である電気長を有するよう指定される。
【００７７】
コイルＬ１ａの電気長が、動作周波数の波長のほぼ半分（１／２）として指定されるが、コイルＬ１ａは、他の値の電気長を有するものとして指定することができることが理解されよう。一実施形態によれば、コイルＬ１ａが動作周波数での波長のほぼ半分の電気長を有するということは、最大電圧差が充電端末Ｔ１およびＴ２で生成されるという点で利点をもたらす。それにもかかわらず、コイルＬ１ａの長さまたは直径は、多相導波路プローブ２００ａを調整して、ツェネック表面波モードの最適な励起を得る場合に、増やすか、または減らすことができる。あるいは、誘導インピーダンスを、多相導波路プローブ２００ａの動作周波数での波長の１／２より大幅に小さいか、または大幅に大きい電気長を有するよう指定してもよい。
【００７８】
一実施形態によれば、励起ソース２１３は、磁気結合によって、プローブ結合回路２０９に結合される。具体的には、励起ソース２１３は、コイルＬ１ａに誘導的に結合されるコイルＬＰに結合される。これは、理解されるであろうように、リンク結合、タップコイル、可変リアクタンス、または他の結合手段によって行うことができる。この目的を達成するために、コイルＬＰは、一次として動作し、コイルＬ１ａは、理解されるであろうように、二次として動作する。
【００７９】
所望のツェネック表面波を伝送するため多相導波路プローブ２００ａを調整するために、各充電端末Ｔ１およびＴ２の高さは、損失性伝導媒体２０３に対して、および互いに対して変更することができる。また、充電端末Ｔ１およびＴ２のサイズも変更することができる。さらに、コイルＬ１ａのサイズを、巻数を増減することによって、またはコイルＬ１ａの何らかの他の寸法を変えることによって、変更することができる。
【００８０】
多相導波路プローブ２００ａを用いる実験に基づいて、このことは、多相導波路プローブ２００ａから２００ｊを、所望の効率を実現するための調整および動作の最も容易なものであることが分かった。
【００８１】
ここで図７Ｂを参照すると、一実施形態による、多相導波路プローブ２００ｂとして本明細書で表される、多相導波路プローブ２００（図６）の一例が示される。多相導波路プローブ２００ｂは、損失性伝導媒体２０３によって示される面に実質的に垂直である鉛直軸ｚに沿って配置される充電端末Ｔ１およびＴ２を含む。第２の媒体２０６は、損失性伝導媒体２０３より上にある。充電端末Ｔ１およびＴ２は、上記したように、結果としてのツェネック表面波における円筒対称性をもたらすよう、鉛直軸ｚに沿って配置される。充電端末Ｔ１は、自己容量Ｃ１を有し、充電端末Ｔ２は、自己容量Ｃ２を有する。動作の間、電荷Ｑ１およびＱ２は、任意の所与の瞬間に、充電端末Ｔ１およびＴ２に印加される電圧により、それぞれ、充電端末Ｔ１およびＴ２に印加される。相互容量ＣＭは、充電端末Ｔ１およびＴ２の間の距離に応じて、充電端末Ｔ１およびＴ２の間に存在することができる。さらに、束縛容量は、損失性伝導媒体２０３に対する各充電端末Ｔ１およびＴ２の高さに応じて、各充電端末Ｔ１ならびにＴ２および損失性伝導媒体２０３の間に存在することができる。
【００８２】
多相導波路プローブ２００ｂはまた、第１のコイルＬ１ｂおよび第２のコイルＬ２ｂを備えるプローブ結合回路２０９ｂを含む。第１のコイルＬ１ｂは、図のように、充電端末Ｔ１およびＴ２のそれぞれに結合される。第２のコイルＬ２ｂは、充電端末Ｔ２に、および損失性伝導媒体２０３に、結合される。
【００８３】
励起ソース２１３は、上記した多相導波路プローブ２００ａ（図７Ａ）に関して記載したのと同様の方法で、プローブ結合回路２０９ｂに磁気的に結合される。この目的を達成するために、励起ソース２１３は、一次として動作するコイルＬＰに結合され、コイルＬ１ｂは、二次として動作する。あるいは、コイルＬ２ｂも、二次として動作することができる。
【００８４】
所望のツェネック表面波を伝送するため多相導波路プローブ２００ｂを調整するために、各充電端末Ｔ１およびＴ２の高さは、損失性伝導媒体２０３に対して、および互いに対して変更することができる。また、充電端末Ｔ１およびＴ２のサイズも変更することができる。さらに、コイルＬ１ｂおよびＬ２ｂのそれぞれのサイズを、巻数を増減することによって、または各コイルＬ１ａまたはＬ２ｂの何らかの他の寸法を変えることによって、変更することができる。
【００８５】
ここで図７Ｃを参照すると、一実施形態による、多相導波路プローブ２００ｃとして本明細書で表される、多相導波路プローブ２００（図６）の別の例が示される。多相導波路プローブ２００ｃは、損失性伝導媒体２０３によって示される面に実質的に垂直である鉛直軸ｚに沿って配置される充電端末Ｔ１およびＴ２を含む。第２の媒体２０６は、損失性伝導媒体２０３より上にある。充電端末Ｔ１は、自己容量Ｃ１を有し、充電端末Ｔ２は、自己容量Ｃ２を有する。動作の間、電荷Ｑ１およびＱ２は、任意の所与の瞬間に、充電端末Ｔ１およびＴ２に印加される電圧により、それぞれ、充電端末Ｔ１およびＴ２に印加される。相互容量ＣＭは、充電端末Ｔ１およびＴ２の間の距離に応じて、充電端末Ｔ１およびＴ２の間に存在することができる。さらに、束縛容量は、損失性伝導媒体２０３に対する各充電端末Ｔ１およびＴ２の高さに応じて、各充電端末Ｔ１ならびにＴ２および損失性伝導媒体２０３の間に存在することができる。
【００８６】
多相導波路プローブ２００ｃはまた、コイルＬ１ｃを備えるプローブ結合回路２０９ｃを含む。コイルＬ１ｃの一端は、図のように充電端末Ｔ１に結合される。コイルＬ１ｃの第２の端は、損失性伝導媒体２０３に結合される。充電端末Ｔ２に結合されるタップは、コイルＬ１ｃに沿って配置される。
【００８７】
励起ソース２１３は、上記した多相導波路プローブ２００ａ（図７Ａ）に関して記載したのと同様の方法で、プローブ結合回路２０９ｃに磁気的に結合される。この目的を達成するために、励起ソース２１３は、一次として動作するコイルＬＰに結合され、コイルＬ１ｃは、二次として動作する。コイルＬＰは、コイルＬ１ｃに沿った任意の位置に配置することができる。
【００８８】
所望のツェネック表面波を励起および伝送するため多相導波路プローブ２００ｃを調整するために、各充電端末Ｔ１およびＴ２の高さは、損失性伝導媒体２０３に対して、および互いに対して変更することができる。また、充電端末Ｔ１およびＴ２のサイズも変更することができる。さらに、コイルＬ１ｃのサイズを、巻数を増減することによって、またはコイルＬ１ｃの何らかの他の寸法を変えることによって、変更することができる。さらに、タップの上側および下側のコイルＬ１ｃの位置によって示されるインダクタンスは、タップの位置を動かすことによって調整することができる。
【００８９】
ここで図７Ｄを参照すると、一実施形態による、多相導波路プローブ２００ｄとして本明細書で表される、多相導波路プローブ２００（図６）のさらに別の例が示される。多相導波路プローブ２００ｄは、損失性伝導媒体２０３によって示される面に実質的に垂直である鉛直軸ｚに沿って配置される充電端末Ｔ１およびＴ２を含む。第２の媒体２０６は、損失性伝導媒体２０３より上にある。充電端末Ｔ１は、自己容量Ｃ１を有し、充電端末Ｔ２は、自己容量Ｃ２を有する。動作の間、電荷Ｑ１およびＱ２は、任意の所与の瞬間に、充電端末Ｔ１およびＴ２に印加される電圧により、それぞれ、充電端末Ｔ１およびＴ２に印加される。相互容量ＣＭは、充電端末Ｔ１およびＴ２の間の距離に応じて、充電端末Ｔ１およびＴ２の間に存在することができる。さらに、束縛容量は、損失性伝導媒体２０３に対する各充電端末Ｔ１およびＴ２の高さに応じて、各充電端末Ｔ１ならびにＴ２および損失性伝導媒体２０３の間に存在することができる。
【００９０】
多相導波路プローブ２００ｄはまた、第１のコイルＬ１ｄおよび第２のコイルＬ２ｄを備えるプローブ結合回路２０９ｄを含む。第１のコイルＬ１ｄの第１の配線は、充電端末Ｔ１に結合され、第１のコイルＬ１ｄの第２の配線は、損失性伝導媒体２０３に結合される。第２のコイルＬ２ｄの第１の配線は、充電端末Ｔ２に結合され、第２のコイルＬ２ｄの第２の配線は、損失性伝導媒体２０３に結合される。
【００９１】
励起ソース２１３は、上記した多相導波路プローブ２００ａ（図７Ａ）に関して記載したのと同様の方法で、プローブ結合回路２０９ｄに磁気的に結合される。この目的を達成するために、励起ソース２１３は、一次として動作するコイルＬＰに結合され、コイルＬ２ｄは、二次として動作する。あるいは、コイルＬ１ｄも、二次として動作することができる。
【００９２】
所望のツェネック表面波を励起および伝送するため多相導波路プローブ２００ｄを調整するために、各充電端末Ｔ１およびＴ２の高さは、損失性伝導媒体２０３に対して、および互いに対して変更することができる。また、充電端末Ｔ１およびＴ２のサイズも変更することができる。さらに、コイルＬ１ｄおよびＬ２ｄのそれぞれのサイズを、巻数を増減することによって、または各コイルＬ１ｄまたはＬ２ｄの何らかの他の寸法を変えることによって、変更することができる。
【００９３】
ここで図７Ｅを参照すると、一実施形態による、多相導波路プローブ２００ｅとして本明細書で表される、多相導波路プローブ２００（図６）のまた別の例が示される。多相導波路プローブ２００ｅは、損失性伝導媒体２０３によって示される面に実質的に垂直である鉛直軸ｚに沿って配置される充電端末Ｔ１およびＴ２を含む。第２の媒体２０６は、損失性伝導媒体２０３より上にある。充電端末Ｔ１およびＴ２は、上記したように、結果としてのツェネック表面波における円筒対称性をもたらすよう、鉛直軸ｚに沿って配置される。充電端末Ｔ１は、自己容量Ｃ１を有し、充電端末Ｔ２は、自己容量Ｃ２を有する。動作の間、電荷Ｑ１およびＱ２は、任意の所与の瞬間に、充電端末Ｔ１およびＴ２に印加される電圧により、それぞれ、充電端末Ｔ１およびＴ２に印加される。相互容量ＣＭは、充電端末Ｔ１およびＴ２の間の距離に応じて、充電端末Ｔ１およびＴ２の間に存在することができる。さらに、束縛容量は、損失性伝導媒体２０３に対する各充電端末Ｔ１およびＴ２の高さに応じて、各充電端末Ｔ１ならびにＴ２および損失性伝導媒体２０３の間に存在することができる。
【００９４】
多相導波路プローブ２００ｅはまた、第１のコイルＬ１ｅおよび抵抗器Ｒ２を備えるプローブ結合回路２０９ｅを含む。第１のコイルＬ１ｅの第１の配線は、充電端末Ｔ１に結合され、第１のコイルＬ１ｅの第２の配線は、損失性伝導媒体２０３に結合される。抵抗器Ｒ２の第１の配線は、充電端末Ｔ２に結合され、抵抗器Ｒ２の第２の配線は、損失性伝導媒体２０３に結合される。
【００９５】
励起ソース２１３は、上記した多相導波路プローブ２００ａ（図７Ａ）に関して記載したのと同様の方法で、プローブ結合回路２０９ｅに磁気的に結合される。この目的を達成するために、励起ソース２１３は、一次として動作するコイルＬＰに結合され、コイルＬ１ｅは、二次として動作する。
【００９６】
所望のツェネック表面波を伝送するため多相導波路プローブ２００ｅを調整するために、各充電端末Ｔ１およびＴ２の高さは、損失性伝導媒体２０３に対して、および互いに対して変更することができる。また、充電端末Ｔ１およびＴ２のサイズも変更することができる。さらに、コイルＬ１ｅのサイズを、巻数を増減することによって、または各コイルＬ１ｅの何らかの他の寸法を変えることによって、変更することができる。さらに、抵抗Ｒ２の大きさも、調整することができる。
【００９７】
ここで図７Ｆを参照すると、一実施形態による、多相導波路プローブ２００ｆとして本明細書で表される、多相導波路プローブ２００（図６）のさらなる例が示される。多相導波路プローブ２００ｆは、充電端末Ｔ１と、第２の充電端末として動作する地上スクリーンＧとを含む。充電端末Ｔ１および地上スクリーンＧは、損失性伝導媒体２０３によって示される面に実質的に垂直である鉛直軸ｚに沿って配置される。第２の媒体２０６は、損失性伝導媒体２０３より上にある。伝送構造の高さｈを計算するために、地上スクリーンＧの高さＨ２は、充電端末Ｔ１の高さＨ１から減算されることに留意されたい。
【００９８】
充電端末Ｔ１は、自己容量Ｃ１を有し、地上スクリーンＧは、自己容量Ｃ２を有する。動作の間、電荷Ｑ１およびＱ２は、任意の所与の瞬間に、充電端末Ｔ１および地上スクリーンＧに印加される電圧により、それぞれ、充電端末Ｔ１および地上スクリーンＧに印加される。相互容量ＣＭは、充電端末Ｔ１および地上スクリーンＧの間の距離に応じて、充電端末Ｔ１および地上スクリーンＧの間に存在することができる。さらに、束縛容量は、損失性伝導媒体２０３に対する充電端末Ｔ１および地上スクリーンＧの高さに応じて、各充電端末Ｔ１ならびに／もしくは地上スクリーンＧおよび損失性伝導媒体２０３の間に存在することができる。一般に、束縛容量が、損失性伝導媒体２０３への近似のために、地上スクリーンＧと損失性伝導媒体２０３との間に存在する。
【００９９】
多相導波路プローブ２００ｆは、充電端末Ｔ１および地上スクリーンＧに結合される一対の配線を有するコイルＬ１ｆを備える誘導インピーダンスから構成されるプローブ結合回路２０９ｆを含む。一実施形態において、コイルＬ１ｆは、多相導波路プローブ２００ｆの動作周波数の波長の半分（１／２）である電気長を有するよう指定される。
【０１００】
コイルＬ１ｆの電気長が、動作周波数の波長のほぼ半分（１／２）として指定されるが、コイルＬ１ｆは、他の値の電気長を有するものとして指定することができることが理解されよう。一実施形態によれば、コイルＬ１ｆが動作周波数での波長のほぼ半分の電気長を有するということは、最大電圧差が充電端末Ｔ１および地上スクリーンＧで生成されるという点で利点をもたらす。それにもかかわらず、コイルＬ１ｆの長さまたは直径は、多相導波路プローブ２００ｆを調整して、ツェネック表面波の最適な伝送を得る場合に、増やすか、または減らすことができる。あるいは、誘導インピーダンスを、多相導波路プローブ２００ｆの動作周波数での波長の１／２より大幅に小さいか、または大幅に大きい電気長を有するよう指定してもよい。
【０１０１】
一実施形態によれば、励起ソース２１３は、磁気結合によって、プローブ結合回路２０９ｆに結合される。具体的には、励起ソース２１３は、コイルＬ１ｆに誘導的に結合されるコイルＬＰに結合される。これは、理解されるであろうように、リンク結合フェーザ／結合ネットワーク、または他の結合手段によって行うことができる。この目的を達成するために、コイルＬＰは、一次として動作し、コイルＬ１ｆは、理解されるであろうように、二次として動作する。
【０１０２】
所望のツェネック表面波を放出および伝送するため多相導波路プローブ２００ａを調整するために、各充電端末Ｔ１およびＴ２の高さは、損失性伝導媒体２０３に対して、および互いに対して変更することができる。また、充電端末Ｔ１およびＴ２のサイズも変更することができる。さらに、コイルＬ１ｆのサイズを、巻数を増減することによって、またはコイルＬ１ｆの何らかの他の寸法を変えることによって、変更することができる。
【０１０３】
ここで図７Ｇを参照すると、一実施形態による、多相導波路プローブ２００ｇとして本明細書で表される、多相導波路プローブ２００（図６）の別の例が示される。多相導波路プローブ２００ｇは、損失性伝導媒体２０３によって示される面に実質的に垂直である鉛直軸ｚに沿って配置される充電端末Ｔ１およびＴ２を含む。第２の媒体２０６は、損失性伝導媒体２０３より上にある。充電端末Ｔ１およびＴ２は、上記したように、結果としてのツェネック表面波における円筒対称性をもたらすよう、鉛直軸ｚに沿って配置される。充電端末Ｔ１は、自己容量Ｃ１を有し、充電端末Ｔ２は、自己容量Ｃ２を有する。動作の間、電荷Ｑ１およびＱ２は、任意の所与の瞬間に、充電端末Ｔ１およびＴ２に印加される電圧により、それぞれ、充電端末Ｔ１およびＴ２に印加される。相互容量ＣＭは、充電端末Ｔ１およびＴ２の間の距離に応じて、充電端末Ｔ１およびＴ２の間に存在することができる。さらに、束縛容量は、損失性伝導媒体２０３に対する各充電端末Ｔ１およびＴ２の高さに応じて、各充電端末Ｔ１ならびにＴ２および損失性伝導媒体２０３の間に存在することができる。
【０１０４】
多相導波路プローブ２００ｇはまた、第１のコイルＬ１ｇ、第２のコイルＬ２ｇ、および可変コンデンサＣｖを備えるプローブ結合回路２０９ｇを含む。第１のコイルＬ１ｇは、図のように、充電端末Ｔ１およびＴ２のそれぞれに結合される。第２のコイルＬ２ｇは、可変コンデンサＣｖに結合される第１の配線と、損失性伝導媒体２０３に結合される第２の配線とを有する。同様に、可変コンデンサＣｖは、充電端末Ｔ２および第１のコイルＬ１ｇに結合される。
【０１０５】
励起ソース２１３は、上記した多相導波路プローブ２００ａ（図７Ａ）に関して記載したのと同様の方法で、プローブ結合回路２０９ｇに磁気的に結合される。この目的を達成するために、励起ソース２１３は、一次として動作するコイルＬＰに結合され、コイルＬ１ｇまたはコイルＬ２ｇのいずれかは、二次として動作することができる。
【０１０６】
所望のツェネック表面波を放出および伝送するため多相導波路プローブ２００ｇを調整するために、各充電端末Ｔ１およびＴ２の高さは、損失性伝導媒体２０３に対して、および互いに対して変更することができる。また、充電端末Ｔ１およびＴ２のサイズも変更することができる。さらに、コイルＬ１ｇおよびＬ２ｇのそれぞれのサイズを、巻数を増減することによって、または各コイルＬ１ｇもしくはＬ２ｇの何らかの他の寸法を変えることによって、変更することができる。さらに、可変容量Ｃｖを調整することもできる。
【０１０７】
ここで図７Ｈを参照すると、一実施形態による、多相導波路プローブ２００ｈとして本明細書で表される、多相導波路プローブ２００（図６）のさらに別の例が示される。多相導波路プローブ２００ｈは、損失性伝導媒体２０３によって示される面に実質的に垂直である鉛直軸ｚに沿って配置される充電端末Ｔ１およびＴ２を含む。第２の媒体２０６は、損失性伝導媒体２０３より上にある。充電端末Ｔ１は、自己容量Ｃ１を有し、充電端末Ｔ２は、自己容量Ｃ２を有する。動作の間、電荷Ｑ１およびＱ２は、任意の所与の瞬間に、充電端末Ｔ１およびＴ２に印加される電圧により、それぞれ、充電端末Ｔ１およびＴ２に印加される。相互容量ＣＭは、充電端末Ｔ１およびＴ２の間の距離に応じて、充電端末Ｔ１およびＴ２の間に存在することができる。さらに、束縛容量は、損失性伝導媒体２０３に対する各充電端末Ｔ１およびＴ２の高さに応じて、各充電端末Ｔ１ならびにＴ２および損失性伝導媒体２０３の間に存在することができる。
【０１０８】
多相導波路プローブ２００ｈはまた、第１のコイルＬ１ｈおよび第２のコイルＬ２ｈを備えるプローブ結合回路２０９ｈを含む。第１のコイルＬ１ｈの第１の配線は、充電端末Ｔ１に結合され、第１のコイルＬ１ｈの第２の配線は、第２の充電端末Ｔ２に結合される。第２のコイルＬ２ｈの第１の配線は、端末ＴＴに結合され、第２のコイルＬ２ｈの第２の配線は、損失性伝導媒体２０３に結合される。端末ＴＴは、結合静電容量ＣＣが、充電端末Ｔ２および端末ＴＴの間に存在するよう、充電端末Ｔ２に対して配置される。
【０１０９】
励起ソース２１３は、上記した多相導波路プローブ２００ａ（図７Ａ）に関して記載したのと同様の方法で、プローブ結合回路２０９ｈに磁気的に結合される。この目的を達成するために、励起ソース２１３は、一次として動作するコイルＬＰに結合され、コイルＬ２ｈは、二次として動作する。あるいは、コイルＬ１ｈも、二次として動作することができる。
【０１１０】
所望のツェネック表面波を放出および伝送するため多相導波路プローブ２００ｈを調整するために、各充電端末Ｔ１およびＴ２の高さは、損失性伝導媒体２０３に対して、および互いに対して変更することができる。また、充電端末Ｔ１およびＴ２のサイズも変更することができる。さらに、コイルＬ１ｈおよびＬ２ｈのそれぞれのサイズを、巻数を増減することによって、または各コイルＬ１ｈならびにＬ２ｈの何らかの他の寸法を変えることによって、変更することができる。また、充電端末Ｔ２と端末ＴＴとの間の間隔を変更することもでき、それにより、理解されるであろうように、結合静電容量ＣＣを修正することができる。
【０１１１】
ここで図７Ｉを参照すると、一実施形態による、多相導波路プローブ２００ｉとして本明細書で表される、多相導波路プローブ２００（図６）のさらに別の例が示される。多相導波路プローブ２００ｉは、記載されるであろうように、励起ソース２１３がプローブ結合回路２０９ｉに直列結合されることを除いて、多相導波路プローブ２００ｈ（図７Ｈ）と非常によく似ている。
【０１１２】
この目的を達成するために、多相導波路プローブ２００ｉは、損失性伝導媒体２０３によって示される面に実質的に垂直である鉛直軸ｚに沿って配置される充電端末Ｔ１およびＴ２を含む。第２の媒体２０６は、損失性伝導媒体２０３より上にある。充電端末Ｔ１は、自己容量Ｃ１を有し、充電端末Ｔ２は、自己容量Ｃ２を有する。動作の間、電荷Ｑ１およびＱ２は、任意の所与の瞬間に、充電端末Ｔ１およびＴ２に印加される電圧により、それぞれ、充電端末Ｔ１およびＴ２に印加される。相互容量ＣＭは、充電端末Ｔ１およびＴ２の間の距離に応じて、充電端末Ｔ１およびＴ２の間に存在することができる。さらに、束縛容量は、損失性伝導媒体２０３に対する各充電端末Ｔ１およびＴ２の高さに応じて、各充電端末Ｔ１ならびにＴ２および損失性伝導媒体２０３の間に存在することができる。
【０１１３】
多相導波路プローブ２００ｉはまた、第１のコイルＬ１ｉおよび第２のコイルＬ２ｉを備えるプローブ結合回路２０９ｉを含む。第１のコイルＬ１ｉの第１の配線は、充電端末Ｔ１に結合され、第１のコイルＬ１ｉの第２の配線は、第２の充電端末Ｔ２に結合される。第２のコイルＬ２ｉの第１の配線は、端末ＴＴに結合され、第２のコイルＬ２ｉの第２の配線は、励起ソース２１３の出力に結合される。また、励起ソース２１３の接地線は、損失性伝導媒体２０３に結合される。端末ＴＴは、結合静電容量ＣＣが、充電端末Ｔ２および端末ＴＴの間に存在するよう、充電端末Ｔ２に対して配置される。
【０１１４】
多相導波路プローブ２００ｉは、励起ソース２１３が、前述のように、プローブ結合回路２０９ｉに直列結合される一例を提供する。具体的には、励起ソース２１３は、コイルＬ２ｉと損失性伝導媒体２０３との間に結合される。
【０１１５】
所望のツェネック表面波を放出および伝送するために多相導波路プローブ２００ｉを調整するために、各充電端末Ｔ１およびＴ２の高さは、損失性伝導媒体２０３に対して、および互いに対して変更することができる。また、充電端末Ｔ１およびＴ２のサイズも変更することができる。さらに、コイルＬ１ｉおよびＬ２ｉのそれぞれのサイズを、巻数を増減することによって、または各コイルＬ１ｉもしくはＬ２ｉの何らかの他の寸法を変えることによって、変更することができる。また、充電端末Ｔ２と端末ＴＴとの間の間隔を変更することもでき、それにより、理解されるであろうように、結合静電容量ＣＣを修正することができる。
【０１１６】
ここで図７Ｊを参照すると、一実施形態による、多相導波路プローブ２００ｊとして本明細書で表される、多相導波路プローブ２００（図６）の一例が示される。多相導波路プローブ２００ｊは、損失性伝導媒体２０３によって示される面に実質的に垂直である鉛直軸ｚに沿って配置される充電端末Ｔ１およびＴ２を含む。第２の媒体２０６は、損失性伝導媒体２０３より上にある。この実施形態において、充電端末Ｔ１は、球体状であり、充電端末Ｔ２は、円盤状である。この点において、多相導波路プローブ２００ｊは、充電端末ＴＮが任意の形状を備えることができるという図示をもたらす。
【０１１７】
充電端末Ｔ１は、自己容量Ｃ１を有し、充電端末Ｔ２は、自己容量Ｃ２を有する。動作の間、電荷Ｑ１およびＱ２は、任意の所与の瞬間に、充電端末Ｔ１およびＴ２に印加される電圧により、それぞれ、充電端末Ｔ１およびＴ２に印加される。相互容量ＣＭは、充電端末Ｔ１およびＴ２の間の距離に応じて、充電端末Ｔ１およびＴ２の間に存在することができる。さらに、束縛容量は、損失性伝導媒体２０３に対する各充電端末Ｔ１およびＴ２の高さに応じて、各充電端末Ｔ１ならびにＴ２および損失性伝導媒体２０３の間に存在することができる。
【０１１８】
多相導波路プローブ２００ｊは、充電端末Ｔ１およびＴ２のそれぞれに結合される一対の配線を有するコイルＬ１ｊを備える誘導インピーダンスを備えるプローブ結合回路２０９ｊを含む。一実施形態において、コイルＬ１ｊは、多相導波路プローブ２００ｊの動作周波数の波長の半分（１／２）である電気長を有するよう指定される。コイルＬ１ｊの電気長が、動作周波数の波長のほぼ半分（１／２）として指定されるが、上記した多相導波路プローブ２００ａ（図７Ａ）に関して説明したように、コイルＬ１ｊは、他の値の電気長を有するものとして指定することができることが理解されよう。さらに、プローブ結合回路２０９ｊは、損失性伝導媒体２０３に結合されるコイルＬ１ｊのタップ２２３を含む。
【０１１９】
励起ソース２１３は、上記した多相導波路プローブ２００ａ（図７Ａ）に関して記載したのと同様の方法で、プローブ結合回路２０９ｊに磁気的に結合される。この目的を達成するために、励起ソース２１３は、一次として動作するコイルＬＰに結合され、コイルＬ１ｊは、二次として動作する。コイルＬＰは、コイルＬ１ｊに沿った任意の位置に配置することができる。また、コイルＬＰは、タップ２２３の上側または下側に配置することができる。
【０１２０】
所望のツェネック表面波を放出および伝送するため多相導波路プローブ２００ｊを調整するために、各充電端末Ｔ１およびＴ２の高さは、損失性伝導媒体２０３に対して、および互いに対して変更することができる。また、充電端末Ｔ１およびＴ２のサイズも変更することができる。さらに、コイルＬ１ｊのサイズを、巻数を増減することによって、またはコイルＬ１ｊの何らかの他の寸法を変えることによって、変更することができる。さらに、コイルＬ１ｊのタップ２２３の位置を調節することができる。
【０１２１】
図７Ａから図７Ｊにおける多相導波路プローブ２００ａから２００ｊのさまざまな実施形態を参照して、多相導波路プローブ２００ａから２００ｊのそれぞれを励起して、損失性伝導媒体２０３の表面に沿った、誘導波、すなわち導波路モードの形式で伝えられるエネルギーを伝送することができる。そのような伝送を容易にするために、各多相導波路プローブ２００ａから２００ｊが励起された場合、多相導波路プローブ２００ａから２００ｊのそれぞれの要素を調整して、所望の電圧振幅および位相を各充電端末Ｔ１およびＴ２に印加することができる。そのような励起は、励起ソース２１３からのエネルギーを、上記したように、各多相導波路プローブ２００ａから２００ｊに印加することによって発生させることができる。
【０１２２】
伝送の部位に損失性伝導媒体２０３の局所誘電率εｒ、伝導率σ、および潜在的な他のパラメータが与えられたときに、充電端末Ｔ１およびＴ２に印加される電圧振幅および位相を調整して、損失性伝導媒体２０３の誘導波モードまたはツェネック表面導波路モードに実質的にモード整合される場を実質的に合成することができる。表面誘導波の導波路モードは、上記した数式２１、数式２２、および数式２３で表される。この表面導波路モードは、アンペア／メートルで数式２０で表される動径表面電流密度を有する。
【０１２３】
上記した数式２１、数式２２、および数式２３で表される表面導波路モードと正確に整合する場を合成することは困難であろうことが理解されよう。しかしながら、誘導表面波は、そのような場が、表面導波路モードと少なくとも近似する場合、放出することができる。さまざまな実施形態によれば、場は、許容可能なエンジニアリング公差内の表面導波路モードと整合するよう合成され、誘導表面波を放出する。
【０１２４】
同様に、ツェネック表面導波路モードの動径表面電流密度と正確に整合する動径表面電流密度を合成することは困難であろう。ここで、合成された動径表面電流密度は、上記した合成場に起因する。さまざまな実施形態によれば、許容可能なエンジニアリング公差内において誘導表面導波路モードの動径表面電流密度と整合し、ツェネック表面波モードを放出するように、多相導波路プローブ２００を調整することができる。複素距離での特定の電荷分布プラスそれらの鏡像を生成することによって、上記したさまざまな多相導波路プローブ２００ａから２００ｊは、表面電流を励起し、その場は、伝搬ツェネック表面波モードとほぼ整合するよう構成され、ツェネック表面波が放出される。上記のさまざまな多相導波路プローブ２００ａから２００ｊに固有のこの複素鏡像法（Ｃｏｍｐｌｅｘ  Ｉｍａｇｅ  ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）によって、誘導界面が伝送の位置で支持したい表面導波路モードに実質的にモード整合することができる。誘導界面は、上記のように、領域１（図２）と領域２（図２）との間の界面である。一実施形態によれば、誘導界面は、上記のように、大地によって示される損失性伝導媒体２０３と、大気媒体との間の界面である。
【０１２５】
充電端末Ｔ１およびＴ２に印加される電圧振幅および位相が調整され、それら、プラス複素深さでの実効イメージが、レオントビッチ境界条件によって、伝送の部位で、損失性伝導媒体２０３のツェネック表面導波路モードと実質的に整合する場を合成する場を有する複素表面電流を励起する場合、そのような場は、損失性伝導媒体２０３の複素ブリュースター角で入射する波面を自動的に実質的に合成し、その結果、ゼロ反射をもたらす。これは、境界での波整合の条件である。
【０１２６】
次に、図８Ａ、図８Ｂ、および図８Ｃを参照すると、ツェネック表面波と従来の放射場との比較のために、キロメートル単位での距離の関数としてボルト／メートルで場の強さを示すグラフ３００ａ、３００ｂ、および３００ｃの例を示す。さらに、さまざまなグラフ３００ａ、３００ｂ、および３００ｃは、ツェネック表面波の伝送の距離が、伝送の周波数でどのように変化するかを示す。
【０１２７】
各グラフ３００ａ、３００ｂ、および３００ｃは、対応する誘導場強度曲線３０３ａ、３０３ｂ、ならびに３０３ｃおよび対応する放射場強度曲線３０６ａ、３０６ｂ、ならびに３０６ｃを表す。誘導場強度曲線３０３ａ、３０３ｂ、および３０３ｃは、さまざまなパラメータを仮定して生成された。具体的には、グラフ３００ａ、３００ｂ、および３００ｃは、それぞれ、１０ＭＨｚ、１ＭＨｚ、および０．１ＭＨｚの周波数で上部端末Ｔ１（図３）に印加される、一定電荷Ｑ１（図３）を用いて計算された。構成パラメータεｒ＝１５およびσ＝０．００８ｍｈｏｓ／ｍは、米国連邦通信委員会（ＦＣＣ）によって示された中央オハイオ州に対するＲ−３マップからとられ、計算のために仮定された。以下の表は、誘導場強度曲線３０３ａ、３０３ｂ、および３０３ｃのそれぞれを生成するために、仮定された多相導波路プローブ動作パラメータを示す。
【表１】
0006392790.tif 000047
【０１２８】
物理的に実現可能な動作を有するために、端末Ｔ１の高さは、ｆ＝０．１ＭＨｚおよび１．０ＭＨｚに対してＨＴ１＝８メートルで指定されるが、電流分布を均一に保つために、ｆ＝１０ＭＨｚで０．８メートルに短くされる。また、端末Ｔ１の自己容量Ｃ１は、ｆ＝０．１ＭＨｚおよび１．０ＭＨｚでの動作のために、１００ｐＦに設定された。この容量は、１０ＭＨｚで使用するためには法外に大きいため、自己容量Ｃ１は、その場合、低減された。しかしながら、場の強さに対する制御パラメータである結果としての端末電荷ＱＴ１は、３つ全ての誘導場強度曲線３０３ａ、３０３ｂ、および３０３ｃに対して同じ値で保たれる。
【０１２９】
グラフから、周波数が低くなると、伝搬減衰が小さくなり、場がより長い距離にわたって到達することを見ることができる。しかしながら、エネルギーの保存と一致して、エネルギー密度は距離とともに減少する。別の言い方をすれば、周波数が高くなれば、エネルギーが広がる領域が小さくなり、そのため、エネルギー密度が大きくなる。したがって、周波数が増えると、ツェネック表面波の「屈折部」の範囲は減少する。あるいは、周波数が小さくなると、伝搬減衰が小さくなり、多相導波路プローブ２００（図６）を使用する伝送の部位からの非常に大きな距離でのツェネック表面波の場の強さが大きくなる。
【０１３０】
各場合に対するツェネック表面波は、それぞれ、誘導場強度曲線３０３ａ、３０３ｂ、および３０３ｃとして識別される。各多相導波路プローブ２００と同じ高さの、１０Ωの接地損失を仮定した短鉛直モノポールアンテナに対する、ボルト／メートル単位でのノートン地上波（Ｎｏｒｔｏｎ  ｇｒｏｕｎｄ  ｗａｖｅ）場の強度は、それぞれ、放射場強度曲線３０６ａ、３０６ｂ、および３０６ｃによって表される。これは、これらの周波数で動作するモノポールアンテナ構造に対する合理的で現実的な仮定であると主張する。重要な点は、適切にモード整合された多相導波路プローブが、各ツェネック表面波の誘導場強度曲線３０３ａから３０３ｃにおいて「屈折部」をちょうど超えた距離まで、で任意のモノポールの放射場を劇的に上回る誘導表面波を放出することである。
【０１３１】
上記のように、一実施形態によれば、誘導表面波の伝搬距離は、伝送の周波数の関数として変化する。具体的には、伝送周波数が小さくなると、誘導表面波の指数減弱が小さくなり、したがって、誘導表面波がより遠くまで伝搬されるようになる。上記したように、誘導表面波の場の強さは、  ｅｘｐ［−αｄ］／√ｄ  で低下し、一方、放射電磁場の場の強さは、  １／ｄ  に比例して、幾何学的に低下し、ここで、ｄは、キロメートル単位の距離である。したがって、誘導場強度曲線３０３ａ、３０３ｂ、および３０３ｃのそれぞれは、上記したような屈折部を特徴とする。本明細書で説明する多相導波路プローブの伝送の周波数が減少すると、対応する誘導場強度曲線３０３ａ、３０３ｂ、および３０３ｃの屈折部は、グラフにおける右側に押し動かされる。
【０１３２】
図８Ａは、１０メガヘルツの周波数で生成された誘導場強度曲線３０３ａおよび放射場強度曲線３０６ａを示す。図のように、誘導表面波は、１０キロメートル未満で低下する。図８Ｂでは、誘導場強度曲線３０３ｂおよび放射場強度曲線３０６ｂが、１メガヘルツの周波数で生成される。誘導場強度曲線３０３ｂは、約１００キロメートルで低下する。最後に、図８Ｃでは、誘導場強度曲線３０３ｃおよび放射場強度曲線３０６ｃが、１００キロヘルツ（０．１メガヘルツ）の周波数で生成される。誘導場強度曲線３０３ｃは、４０００から７０００キロメートルの間で低下する。
【０１３３】
周波数が十分小さい場合、地球全体の周りに誘導表面波を伝送することを可能にすることができることに留意されたい。そのような周波数は、約２０から２５キロヘルツ以下であると考えられる。そのような低周波数では、損失性伝導媒体２０３（図６）は、平面ではなくなり、球形になることに留意されたい。したがって、損失性伝導媒体２０３が陸上媒体を備える場合、誘導場強度曲線の計算は、伝搬距離が陸上媒体のサイズに近づく、低周波数での球形を考慮するよう変化する。
【０１３４】
上記のように、さまざまな実施形態による、損失性伝導媒体２０３としての大地の陸上媒体を使用して多相導波路プローブ２００（図６）を構築する場合における、いくつかの一般的な指針を次に提供する。実際の手法として、動作の周波数を特定し、構築されるべき各多相導波路プローブ２００からの関心のある距離における誘導表面波の所望の場の強さを認識することができる。
【０１３５】
これらのパラメータが与えられると、次に、上部充電端末Ｔ１（図６）に印加される電荷Ｑ１（図６）が決まり、指定距離で所望の場の強さを生成することができる。必要な電荷Ｑ１を決定するために、伝送部位での大地の誘電率εｒおよび伝導率σを取得する必要がある。これらの値は、測定によって、または、例えば、米国連邦通信委員会もしくは国際無線諮問委員会（ＣＣＩＲ）により発行された伝導率チャートを参照することによって、取得することができる。指定距離での誘電率εｒ、伝導率σ、および所望の場の強さが既知である場合、必要な電荷Ｑ１は、上記の数式２１から数式２３で述べたツェネックの厳密な表現からの場の強さの直接計算によって決定することができる。
【０１３６】
必要な電荷Ｑ１が決定されると、次に、どの電圧Ｖでの充電端末Ｔ１のどの自己容量Ｃ１が、充電端末Ｔ１で必要な電荷Ｑ１を生成するかを識別する必要がある。任意の充電端末Ｔでの電荷Ｑは、Ｑ＝ＣＶとして計算される。１つの手法として、充電端末Ｔ１に配置することができる許容可能な電圧Ｖであるとみなされるものを選択することができ、次いで、充電端末Ｔ１を構築し、必要な電荷Ｑ１を実現するよう要求される自己容量Ｃ１を有することができる。あるいは、別の手法では、充電端末Ｔ１の特定構造によって達成可能な自己容量Ｃ１であるものを判断することができ、次いで、結果としての充電端末Ｔ１を所望の電圧Ｖに上昇させ、必要な電荷Ｑ１を実現することができる。
【０１３７】
さらに、充電端末Ｔ１の必要な自己容量Ｃ１および充電端末Ｔ１に印加される電圧Ｖを決定する場合に考慮されるべきである動作上の帯域幅の問題がある。具体的には、本明細書で説明する多相導波路プローブ２００の帯域幅は、比較的大きい。これは、上記したように、自己容量Ｃ１または電圧Ｖを特定する際の有用な自由度をもたらす。しかしながら、自己容量Ｃ１が減少し、電圧Ｖが増加すると、結果としての多相導波路プローブ２００の帯域幅が低減することを理解すべきである。
【０１３８】
実験より、自己容量Ｃ１をより小さくすることにより、所与の多相導波路プローブ２００を、伝送部位での、または伝送部位付近での、大地の誘電率εｒまたは伝導率σの小さな変化に対してより敏感にさせることができることに留意されたい。誘電率εｒまたは伝導率σのそのような変化は、季節の移ろいによる気象の変化により、または雨、日照り、ならびに／もしくは局地気象の他の変化の発生などの局地気象条件の変化により、発生する可能性がある。したがって、一実施形態により、充電端末Ｔ１は、実現可能である限り比較的大きな自己容量Ｃ１を有するように指定することができる。
【０１３９】
充電端末Ｔ１の自己容量Ｃ１および充電端末に印加される電圧が決定されると、次に、第２の充電端末Ｔ２の自己容量Ｃ２および物理的位置が決定される。実際問題として、充電端末Ｔ２の自己容量Ｃ２を、充電端末Ｔ１の自己容量Ｃ１と同じであると指定することが最も容易であることが判明した。このことは、充電端末Ｔ２のサイズおよび形状を、充電端末Ｔ１のサイズおよび形状と同じにすることによって実現することができる。このことは、対称性が維持され、上記のように、複素ブリュースター角との整合を達成するのに負の影響を及ぼす可能性のある、２つの充電端末Ｔ１およびＴ２の間の異常な位相シフトの可能性を避けることを保証する。自己容量Ｃ１およびＣ２が充電端末Ｔ１およびＴ２の両方に対して同じであるということは、充電端末Ｔ１およびＴ２で同じ電圧振幅をもたらすことになる。しかしながら、自己容量Ｃ１およびＣ２を異なるものとすることができ、充電端末Ｔ１およびＴ２の形状およびサイズを異なるものとすることができることが理解されよう。
【０１４０】
対称性を向上するために、充電端末Ｔ２は、上記のように鉛直軸ｚ（図６）に沿って充電端末Ｔ１の真下に配置することができる。あるいは、何らかの効果をもたらす他の位置に充電端末Ｔ２を配置することを可能にすることができる。
【０１４１】
充電端末Ｔ１とＴ２との間の距離は、多相導波路プローブ２００によって生成される場と、伝送の部位での誘導表面導波路モードとの間で最良の整合をもたらすよう指定すべきである。提案する開始点として、この距離は、充電端末Ｔ１およびＴ２の間の相互容量ＣＭ（図６）が、充電端末Ｔ１での分離容量Ｃ１と同じか、それ未満であるよう設定することができる。最終的に、充電端末Ｔ１およびＴ２の間の距離を、相互容量ＣＭが実施可能な限り小さくなるよう指定するべきである。相互容量ＣＭは、測定により決定することができ、充電端末Ｔ１およびＴ２は、それに応じて決定することができる。
【０１４２】
次に、多相導波路プローブ２００の適切な高さｈ＝Ｈ１−Ｈ２（図７Ａから図７Ｊ）を決定する。いわゆる「イメージ複素深さ」現象が、ここで、ベアリングに生じる。これは、高さｈが変化する場合、電荷Ｑ１ならびにＱ２を有する電荷貯蔵器Ｔ１およびＴ２から、および電荷Ｑ１ならびにＱ２の表面下の鏡像からの、大地の表面上での重ね合わせられた場を考慮することを伴うであろう。所与の多相導波路プローブ２００が伝送の部位での大地の誘導表面導波路モードとモード整合することを確実にする目的のために考慮すべきかなりの数の可変数のため、現実的な出発点は、接地に対する電荷貯蔵器Ｔ１およびＴ２のそれぞれの束縛容量が無視できる高さｈであり、その場合には充電端末Ｔ１およびＴ２と関連する容量は、それぞれ、本質的に、分離自己容量Ｃ１およびＣ２である。
【０１４３】
多相導波路プローブ２００と関連する高さｈを決定する場合に考慮すべき別の問題は、放射が避けられるかどうかである。具体的には、多相導波路プローブ２００の高さｈが、動作の周波数で波長のかなりの部分に近づく場合、放射抵抗Ｒｒは、高さｈの２次の関数として高くなり、放射は、上記のように、誘導表面波の生成にわたって支配的になり始める。ツェネック表面波が任意の放射全体を支配することを確実にする上記したベンチマークの１つは、高さｈが動作の周波数で波長の１０％未満となることを確実にすることであるが、他のベンチマークを指定することができる。場合によっては、ある程度の放射が、誘導表面波の放出に加えて発生することを可能にするよう望むことが有り得、ここで、高さｈは、それに応じて指定することができる。
【０１４４】
次に、プローブ結合回路２０９（図６）が、充電端末Ｔ１およびＴ２の間に電圧位相をもたらすよう指定される。電圧位相は、伝送の部位で誘導表面導波路モードとモード整合する場を生成するのに大きな影響を有すると思われる。充電端末Ｔ１およびＴ２の配置が、対称性を向上するために垂直ｚ軸に沿うと仮定すると、プローブ結合回路２０９は、充電端末Ｔ１およびＴ２で１８０度の電圧位相差をもたらすよう指定することができる。すなわち、プローブ結合回路２０９は、充電端末Ｔ１での電圧Ｖが、充電端末Ｔ２での電圧に対して位相が１８０度ずれているように指定される。
【０１４５】
上記したように、手法の一例は、多相導波路プローブ２００ａに対して上記のように充電端末Ｔ１およびＴ２の間にコイルＬ１ａ（図７Ａ）を配置し、結果としてのシステムが電気的に半波共振となるまで、コイルＬ１ａを調整することである。これにより、充電端末Ｔ１に電圧Ｖを、充電端末Ｔ２に電圧−Ｖを配し、最大電圧で充電端末Ｔ１およびＴ２が位相が１８０度ずれる。
【０１４６】
次いで、励起ソース２１３（図６）は、プローブ結合回路２０９に結合することができ、出力電圧を、上記のように、必要な電荷Ｑ１をもたらすよう必要な電圧Ｖに達するよう調整される。励起ソース２１３は、プローブ結合回路２０９に、磁気結合、容量結合、または導電結合（直接）を介して結合することができる。励起ソース２１３の出力は、変圧器を使用して、または、必要なら、何らかの他の手法を介して、ステップアップすることができることに留意されたい。コイルＬ１ａの位置は、励起ソース２１３によって地面の上などの任意の位置とすることができる。あるいは、最良のＲＦを実現するように、コイルＬ１ａは、電荷貯蔵器Ｔ１およびＴ２の間に直接配置することができる。インピーダンス整合の原理は、励起ソース２１３をプローブ結合回路２０９に結合する場合に適用することができる。
【０１４７】
位相差は、必ずしも１８０度にしなければならないというわけではないことに留意されたい。この目的を達成するために、充電端末Ｔ１およびＴ２の一方または両方を高めるか、低めること、充電端末Ｔ１ならびに／もしくはＴ２での電圧Ｖを調整すること、またはプローブ結合回路２０９を調整して、電圧振幅ならびに位相を調整し、誘導表面波を生成するために誘導表面導波路モードと最も明確に整合する場を生成することといった選択肢を有する。
【０１４８】
実験結果
上記の開示は、実験による測定値および文書によってサポートされる。図９を参照すると、ニューハンプシャー州プリマスで２０１２年１０月１４日に測定された、実験的多相導波路プローブの一実施形態により伝送された電磁場の測定された場の強さを提示するグラフを示す。伝送の周波数は、実験的多相導波路プローブの充電端末Ｔ１に６０ｍＶの電圧が印加された状態で、５９ＭＨｚであった。実験的多相導波路プローブの自己容量Ｃ１は、８．５ｐＦであった。試験部位での地面の伝導率σは０．０００２ｍｈｏｓ／ｍであり、試験部位での地面の誘電率εｒは、５であった。これらの値は、使用中の周波数で、その場で測定された。
【０１４９】
グラフは、８０％効率で「ツェネック」曲線と示された誘導場強度曲線４００と、１００％放射効率で「ノートン」曲線と示された放射場強度曲線４０３とを含み、可能な限り最良である。この目的を達成するために、放射場強度曲線４０３は、５９ＭＨｚの周波数で動作する１／４波長モノポールアンテナによって生成される放射電磁場を表す。グラフ上の円４０６は、実験的多相導波路プローブによって生成された、測定された場の強さを表す。場の強さの測定は、ＮＩＳＴ−ｔｒａｃｅａｂｌｅ  Ｐｏｔｏｍａｃ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  ＦＩＭ−７１  ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ  ＶＨＦ  ｆｉｅｌｄ  ｓｔｒｅｎｇｔｈ  ｍｅｔｅｒを用いて行われた。見ることができるように、測定された場の強さは、理論に基づく誘導場強度曲線４００に沿って降下する。これらの測定された場の強さは、誘導またはツェネック表面波の伝搬と一致する。
【０１５０】
次に図１０を参照すると、実験的多相導波路プローブから伝送された電磁波の測定された位相を提示するグラフを示す。曲線Ｊ（ｒ）は、図のように、電流Ｊ１およびＪ２の間の遷移を伴う、電流Ｊ１およびＪ２に入射する場の位相を示す。曲線５０３は、電流Ｊ１の位相を示す漸近線を示し、曲線５０６は、電流Ｊ２の位相を示す漸近線を示す。一般に、約４５度の差が、各電流Ｊ１およびＪ２の位相の間に存在する。円５０９は、図９と同様に、５９ＭＨｚで動作する実験的多相導波路プローブによって生成された電流Ｊ（ｒ）の位相の測定値を示す。図のように、円５０９は、曲線５０３から曲線５０６への電流Ｊ（ｒ）の位相の遷移が存在することを示す曲線Ｊ（ｒ）に沿って降下する。このことは、実験的多相導波路プローブによって生成された電流Ｊ（ｒ）の位相が、近接電流Ｊ１によって生成された位相から、遠隔電流Ｊ２に遷移することを示す。したがって、これらの位相測定値は、誘導またはツェネック表面波の存在する位相と一致する。
【０１５１】
図１１を参照すると、ニューハンプシャー州アシュランドの付近およびウィニペソーキー湖の北の領域にわたって、２００３年１１月１日に測定された実験的多相導波路プローブの第２の実施形態により伝送された電磁場の場の強さを示す測定データの第２のセットのグラフを示す。伝送の周波数は、実験的多相導波路プローブの充電端末Ｔ１に１２５０Ｖの電圧が印加された状態で、１８５０ｋＨｚであった。実験的多相導波路プローブは、物理的高さがＨ１＝２メートルであった。この実験での実験的多相導波路プローブ（半径１メートルの平らな導電性円盤である）の自己容量Ｃ１は、７０ｐＦであると測定された。多相導波路プローブは、図７Ｊで示したように構成され、間隔ｈ＝１メートル、地面（損失性伝導媒体２０３）より上の充電端末Ｔ２の高さＨ２＝１メートルである。実験地付近の地面の平均伝導率σは０．００６ｍｈｏｓ／ｍであり、大地の相対的誘電率εｒは１５のオーダーであった。これらは、使用する周波数で決定した。
【０１５２】
グラフは、実験の多相導波路プローブによって放出され、８５％効率で「ツェネック」と示される誘導場強度曲線６００と、それぞれが長さ２００フィートの、等しく空間配置された２０の放射状ワイヤから構成される地上スクリーン上で、同じ高さＨ２＝２メートルの共振モノポールから放射される「ノートン」曲線と示される放射場強度曲線６０３とを含む。この目的を達成するために、放射場強度曲線６０３は、損失性大地上の１８５０ｋＨｚの周波数で動作する従来のスタブモノポールアンテナから放射される従来のノートン地上波を表す。グラフ上の円６０６は、実験の多相導波路プローブによって生成された、測定された場の強さを表す。
【０１５３】
見ることができるように、測定された場の強さは、理論上のツェネック誘導場強度曲線６００に密接に沿って降下する。ｒ＝７マイル地点で測定された場の強さについて特別な言及がなされ得る。この場の強さのデータポイントは、湖の岸の近くで測定され、これは、データが理論上のツェネック誘導場強度曲線６００よりわずかに上に外れていることを説明できる、すなわち、その位置での構成パラメータεｒおよび／またはσが、経路の平均的構成パラメータから著しく外れていたと思われる。
【０１５４】
場の強さの測定は、ＮＩＳＴ−ｔｒａｃｅａｂｉｅ  Ｐｏｔｏｍａｃ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  ＦＩＭ−４１  ＭＦ／ＨＦ  ｆｉｅｌｄ  ｓｔｒｅｎｇｔｈ  ｍｅｔｅｒを用いて行われた。これらの測定された場の強さは、誘導またはツェネック表面波の存在と一致する。実験データから、１５マイル未満の距離で観測された測定された場の強さは、おそらく、従来のノートン地上波伝搬によるものではありえず、上記したように動作する多相プローブによって放出される誘導表面波伝搬のみによるものとすることができることは明らかである。所与の１．８５ＭＨｚ実験条件下で、２０マイルを超えると、ノートン地上波成分が、ようやくツェネック表面波成分を追い越すことが分かる。
【０１５５】
５９ＭＨｚで図９に示した測定されたツェネック表面波データと、１．８５ＭＨｚで図１１の測定データとの比較は、低周波数で、さまざまな実施形態により、多相導波路プローブを低周波数で使用することの大きな利点を示す。
【０１５６】
これらの実験データは、複数の、適切な位相かつ調整された充電端末を備えた、本明細書で教示するこの多相導波路プローブは、  arg(√γ)  の特有な位相ブーストで位相前進表面電流を引き起こし、本明細書で開示するような損失性境界に対して複素ブリュースター角で表面照度を合成する場を有することを確証する。その結果、円筒状ツェネック状波伝搬を効率的に放出し、エバネッセント単一導体動径伝送線モードとして境界表面によって誘導され、幾何学的広がりのために１／ｄで減少する放射場としてではなく、
ｅｘｐ［−αｄ］／√ｄ  として減衰する。
【０１５７】
次に、図１２Ａ、図１２Ｂ、および図１３を参照すると、無線電力供給システムで表面誘導波を使用するための汎用型受信回路の例を示す。図１２Ａおよび図１２Ｂは、線形プローブ７０３および同調共振器７０６を含む。図１３は、本開示のさまざまな実施形態による、磁気コイル７０９である。さまざまな実施形態によれば、線形プローブ７０３、同調共振器７０６、および磁気コイル７０９のそれぞれを使用して、さまざまな実施形態による、損失性伝導媒体２０３（図６）の表面での誘導表面波の形式で伝送される電力を受信することができる。前述のように、一実施形態において、損失性伝導媒体２０３は、陸上媒体を備える。
【０１５８】
図１２Ａを特に参照すると、線形プローブ７０３の出力端子７１３での開回路端子電圧は、線形プローブ７０３の実効的高さに依存する。この目的を達成するために、端末点電圧は、以下のように計算することができる。
【数４３】
0006392790.tif 000048
ここで、Ｅｉｎｃは、ボルト／メートル単位の、線形プローブ７０３上でのベクトルの電場の強度であり、ｄｌは、線形プローブ７０３の方向に沿った積分要素であり、ｈｅは、線形プローブ７０３の実効的高さである。電気的負荷７１６は、インピーダンス整合ネットワーク７１９を介して出力端子７１３に結合される。
【０１５９】
線形プローブ７０３が、上記のように、誘導表面波を受ける場合、電圧は、場合によっては、共役インピーダンス整合ネットワーク７１９を介して電気的負荷７１６に印加することができ、出力端子７１３間に発生する。電力が電気的負荷７１６に流れることを容易にするために、電気的負荷７１６は、以下で説明するように、線形プローブ７０３に実質的に整合されたインピーダンスであるべきである。
【０１６０】
図１２Ｂを参照すると、同調共振器７０６は、損失性伝導媒体２０３より上に充電端末ＴＲを含む。充電端末ＴＲは、自己容量ＣＲを有する。さらに、損失性伝導媒体２０３より上にある充電端末ＴＲの高さに応じて、充電端末ＴＲと損失性伝導媒体２０３との間に束縛容量（図示せず）が存在しうる。束縛容量は、好ましくは、実施可能な限り最小にするべきであるが、これは多相導波路プローブ２００の全ての場合において完全に必要ではない可能性がある。
【０１６１】
同調共振器７０６はまた、コイルＬＲを含む。コイルＬＲの一端は、充電端末ＴＲに結合され、コイルＬＲの他端は、損失性伝導媒体２０３に結合される。この目的を達成するために、同調共振器７０６（同調共振器ＬＲ−ＣＲとも称することができる）は、充電端末ＣＲとして直列同調共振器を備え、コイルＬＲは、直列に配置される。同調共振器７０６は、充電端末ＴＲのサイズならびに／もしくは高さを調整することによって、および／またはコイルＬＲのサイズを調整することによって、同調され、構造の反応性インピーダンスを実質的に除去する。
【０１６２】
例えば、自己容量によって示されるリアクタンスは、  １／ｊωＣＲ  として計算される。同調共振器７０６の総静電容量はまた、充電端末ＴＲと損失性伝導媒体２０３との間の静電容量を含むことができ、同調共振器７０６の総静電容量は、理解されるであろうように、自己容量ＣＲおよび任意の束縛容量の両方から計算することができることに留意されたい。一実施形態によれば、充電端末ＴＲは、任意の束縛容量を実質的に減少させるか、または除去するような高さに上げることができる。束縛容量の存在は、充電端末ＴＲと損失性伝導媒体２０３との間の静電容量測定値から決定することができる。
【０１６３】
離散要素コイルＬＲによって示される誘導リアクタンスは、ｊωＬとして計算することができ、ここで、Ｌは、コイルＬＲの集中要素インダクタンスである。コイルＬＲが分散要素である場合、同等の端子点誘導リアクタンスは、従来の手法によって決定することができる。同調共振器７０６を同調するために、コイルＬＲによって示される誘導リアクタンスが同調共振器７０６によって示される容量リアクタンスと等しくなり、同調共振器７０６の結果としての総リアクタンスが、動作の周波数で、実質的にゼロであるように調整する。インピーダンス整合ネットワーク７２３は、プローブ端子７２１と電気的負荷７２６との間に挿入して、電気的負荷７２６への最大の電力伝送のための共役整合条件をもたらすことができる。
【０１６４】
上記のように、同調共振器７０６および共役整合ネットワーク７２３の周波数で生成された誘導表面波のもとで配置される場合、最大電力は、表面誘導波から電気的負荷７２６に供給される。すなわち、共役インピーダンス整合が、同調共振器７０６および電気的負荷７２６の間で確立されると、電力は、構造から電気的負荷７２６に供給される。この目的を達成するために、電気的負荷７２６は、磁気結合、容量結合、または導電（直接タップ）接合により同調共振器７０６に結合することができる。結合ネットワークの要素は、理解されるであろうように、集中構成要素または分散要素とすることができる。図１２Ｂに示す実施形態では、磁気結合が用いられ、ここで、コイルＬＳは、一次の変圧器として動作するコイルＬＲに対する二次として配置される。コイルＬＳは、理解されるであろうように、同じコア構造の周りで幾何学的に巻くことによって、および結合された磁束を調整することによって、コイルＬＲに結合されるリンクとすることができる。さらに、同調共振器７０６は直列同調共振器を備えるが、並列同調共振器または分散要素共振器を使用することもできる。
【０１６５】
図１３を参照すると、磁気コイル７０９は、インピーダンス結合ネットワーク７３３を介して、電気的負荷７３６に結合される受信回路を備える。誘導表面波からの電力の受信および／または抽出を容易にするために、磁気コイル７０９を配置することができ、その結果、誘導表面波の磁束Ｈφが磁気コイル７０９を通過し、それにより、磁気コイル７０９内に電流を誘導し、出力端子７２９で端子点電圧を生成する。一巻きコイルに結合される誘導表面波の磁束は、以下によって表される。
【数４４】
0006392790.tif 000049
ここで、Ψは、結合された磁束であり、μｒは、磁気コイル７０９のコアの有効相対透磁率であり、μ０は、自由空間の透磁率であり、Ｈは、入射磁場強度ベクトルであり、ｎは、巻線の断面積に垂直な単位ベクトルであり、ＡＣＳは、各ループによって囲まれる領域である。磁気コイル７０９の断面積にわたって均一な入射磁場に最大結合するために適応されるＮ巻き磁気コイル７０９の場合には、磁気コイル７０９の出力端子７２９で現れる開回路誘導電圧は、以下となる。
【数４５】
0006392790.tif 000050
ここで、変数は、上記で定義される。磁気コイル７０９は、場合によっては、分散共振器として、または出力端子７２９間の外部コンデンサを伴い、誘導波周波数に同調することができ、次いで、共役インピーダンス整合ネットワーク７３３を介して外部電気的負荷７３６にインピーダンス整合される。
【０１６６】
磁気コイル７０９および電気的負荷７３６によって示される結果としての回路が、インピーダンス整合ネットワーク７３３を介して、適切に調整され、共役インピーダンス整合されると仮定すると、磁気コイル７０９内に誘導される電流は、電気的負荷７３６に適切に電力供給するよう使用することができる。磁気コイル７０９によって示される受信回路は、地面に物理的に接続する必要がないという点で、利点をもたらす。
【０１６７】
図１２Ａ、図１２Ｂ、および図１３を参照して、線形プローブ７０３、同調共振器７０６、および磁気コイル７０９によって示される受信回路は、それぞれ、上記した多相導波路プローブ２００の実施形態のいずれか１つから伝送される電力を受信することを容易にする。この目的を達成するために、受信するエネルギーを使用して、理解されるであろうように、共役整合ネットワークを介して、電気的負荷７１６／７２６／７３６に電力を供給することができる。これは、放射電磁場の形式で送信された、受信器で受信することができる信号とは対照的である。そのような信号は、有効電力が非常に低く、そのような信号の受信器は、送信器に負荷をかけない。
【０１６８】
上記した多相導波路プローブ２００を使用して生成されたこの誘導表面波は、また、線形プローブ７０３、同調共振器７０６、および磁気コイル７０９によって示される受信回路が、多相導波路プローブ２００に適用される励起ソース２１３（図３）に負荷をかけ、それにより、そのような受信回路が受ける誘導表面波を生成することを特徴とする。これは、上記した所与の多相導波路プローブ２００によって生成された誘導表面波が、伝送線モードを備えるということを反映する。対照的に、放射電磁波を生成する放射アンテナを駆動する電源は、使用する受信器の数に関わらず、受信器によって負荷をかけられない。
【０１６９】
したがって、所与の多相導波路プローブ２００、および線形プローブ７０３、同調共振器７０６、ならびに／もしくは磁気コイル７０９の形式の受信回路はともに、無線分配システムを構成することができる。上記したように、多相導波路プローブ２００を使用する誘導表面波の伝送の距離は周波数に依存するため、無線電力分配は、広範囲に、世界的にさえも実現することができる。
【０１７０】
今日の広範にわたって研究された従来の無線電力伝送／分配システムは、放射場からの「環境発電」（ｅｎｅｒｇｙ  ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ）を含み、さらに、誘導または反応性近接場に結合するセンサを含む。対照的に、本無線電力システムは、遮断されない場合に永遠に失われる放射の形式で電力を浪費しない。本開示の無線電力システムは、従来の相互リアクタンス結合された近接場システムのように、極めて短い距離に限定されない。本明細書で開示する無線電力システムは、新規な表面誘導伝送線モードにプローブ結合し、導波路によって負荷に、または遠隔発電機に直接配線される負荷に、電力を供給するのと同等である。６０Ｈｚでの従来の高張力電力線における伝送損失に比べると、極めて低い周波数においては重要ではない、伝送場強度を維持するのに必要とされる電力プラス表面導波路で拡散される電力を除けば、全ての生成器電力は、所望の電気的負荷にのみ向かう。電気的負荷要求が終了すると、ソース電力生成は、比較的アイドル状態になる。
【０１７１】
次に図１４Ａを参照すると、線形プローブ７０３および同調共振器７０６を表す回路図面を示す。図１４Ｂは、磁気コイル７０９を表す回路図面を示す。線形プローブ７０３および同調共振器７０６は、それぞれ、開回路端子電圧ソースＶＳおよびデッドネットワーク端子点インピーダンスＺＳによって表されるテブナン等価とみなすことができる。磁気コイル７０９は、短絡端子電流ソースＩＳおよびデッドネットワーク端子点インピーダンスＺＳによって表されるノートン等価として見ることができる。各電気的負荷７１６／７２６／７３６（図１２Ａならびに図１２Ｂおよび図１３）は、負荷インピーダンスＺＬによって表すことができる。ソースインピーダンスＺＳは、実部と虚部との両方を備え、ＺＳ＝ＲＳ＋ｊＸＳである。
【０１７２】
一実施形態によれば、電気的負荷７１６／７２６／７３６は、それぞれ、各受信回路にインピーダンス整合される。具体的には、各電気的負荷７１６／７２６／７３６は、各インピーダンス整合ネットワーク７１９／７２３／７３３を介して、ＺＬ’＝ＲＬ’＋ｊＸＬ’として表されるＺＬ’として指定されるプローブネットワーク上の負荷を示し、ＺＬ’＝（ＺＳ）の複素共役＝ＲＳ−ｊＸＳであり、ここで、提示される負荷インピーダンスＺＬ’は、実際のソースインピーダンスＺＳの複素共役である。共役整合定理は、カスケードネットワークにおいて、共役整合が任意の端子ペアで発生した場合に、全ての端子ペアで共役整合が生ずると述べ、実際の電気的負荷７１６／７２６／７３６がまた、そのインピーダンスＺＬ’への共役整合を示すと述べる。Ｅｖｅｒｉｔｔ，Ｗ．Ｌ．およびＧ．Ｅ．Ｔａｎｎｅｒ，”Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ”，ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ，３ｒｄ  ｅｄｉｔｉｏｎ，１９５６，ｐ．４０７を参照。これにより、各電気的負荷７１６／７２６／７３６が各受信回路にインピーダンス整合され、最大電力伝送が各電気的負荷７１６／７２６／７３６に確立されることを保証する。
【０１７３】
前述に加え、本開示のさまざまな実施形態は、これらに限定されないが、以下の項目で記載される実施形態を含む。
【０１７４】
項目１  本方法は、多相導波路プローブを励起することによって、陸上媒体の表面に沿って、誘導表面導波路モードの形式で伝えられるエネルギーを伝送するステップを備える。
【０１７５】
項目２  項目１の方法であって、多相導波路プローブを励起することによって、陸上媒体の表面に沿って、誘導表面導波路モードの形式で伝えられるエネルギーを伝送するステップは、陸上媒体の誘導表面導波路モードと実質的に整合する複数の場を合成するステップをさらに備える。
【０１７６】
項目３  項目１または項目２のいずれかに記載の方法であって、誘導表面導波路モードの動径表面電流密度が、
【数４６】
0006392790.tif 000051
によって実質的に表され、ここで、γは、
【数４７】
0006392790.tif 000052
によって与えられる表面波動径伝搬定数であり、ｕ２は、
【数４８】
0006392790.tif 000053
によって与えられる垂直伝搬定数であり、
ここで、
【数４９】
0006392790.tif 000054
であり、σは、陸上媒体の伝導率であり、ωは、２πｆに等しく、ここで、ｆは、多相導波路プローブの励起の周波数であり、ε０は、自由空間の誘電率であり、εｒは、陸上媒体の相対的な誘電率であり、自由空間波数ｋ０は、２π／λ０に等しく、ここで、λ０は多相導波路プローブの自由空間波長であり、ｊは、  √−１  に等しく、ρは、動径座標であり、ｚは、陸上媒体に垂直な鉛直座標であり、φは、方位座標であり、Ｉ０は、正味の多相プローブ電流であり、Ｈ１（２）（−ｊγρ）は、ｅ＋ｊωｔ時間変動に対する複素引数−ｊγρを伴う第２種および第１のオーダーのハンケル関数であり、ここで、ｔは時間である。
【０１７７】
項目４  項目１から項目３のいずれか一項に記載の方法であって、誘導表面導波路モードは、
【数５０】
0006392790.tif 000055
【数５１】
0006392790.tif 000056
および
【数５２】
0006392790.tif 000057
として実質的に表され、ここで、Ｈφは、方位磁場強度であり、Ｅρは、動径電場強度であり、ＥＺは、鉛直電場強度であり、γは、
【数５３】
0006392790.tif 000058
によって与えられる表面波動径伝搬定数であり、ｕ２は、
【数５４】
0006392790.tif 000059
によって与えられる垂直伝搬定数であり、ここで、
【数５５】
0006392790.tif 000060
であり、σは、陸上媒体の伝導率であり、ωは、２πｆに等しく、ここで、ｆは、多相導波路プローブの励起の周波数であり、ε０は、自由空間の誘電率であり、εｒは、陸上媒体の相対的な誘電率であり、自由空間波数ｋ０は、２π／λ０  に等しく、ここで、λ０は、多相導波路プローブの自由空間波長であり、ｊは、  √−１  に等しく、ρは、動径座標であり、ｚは、陸上媒体に垂直な鉛直座標であり、φは、方位座標であり、Ｉ０は、正味の多相プローブ電流であり、Ｈ１（２）（−ｊγρ）は、複素引数−ｊγρを伴う第２種かつ第１次のハンケル関数であり、Ｈ０（２）（−ｊγρ）は、ｅ＋ｊωｔ時間変動に対する複素引数−ｊγρを伴う第２種およびゼロオーダーのハンケル関数であり、ここで、ｔは時間である。
【０１７８】
項目５  項目２から項目４のいずれか一項に記載の方法であって、場は、陸上媒体の複素ブリュースター角で入射する波面を実質的に合成し、無視できる反射をもたらす。
【０１７９】
項目６  項目１から項目５のいずれか一項に記載の方法であって、多相導波路プローブは、複数の充電端末を備え、本方法は、充電端末の少なくとも１つの高さを調整することによって多相導波路プローブを調整するステップをさらに備える。
【０１８０】
項目７  項目１から項目５のいずれか一項に記載の方法であって、多相導波路プローブは、複数の充電端末を備え、本方法は、充電端末の間の距離を調整することによって多相導波路プローブを同調させるステップをさらに備える。
【０１８１】
項目８  項目１から項目５のいずれか一項に記載の方法であって、多相導波路プローブは、複数の充電端末を備え、本方法は、充電端末の少なくとも１つのサイズを調整することによって多相導波路プローブを同調させるステップをさらに備える。
【０１８２】
項目９  項目１から項目５のいずれか一項に記載の方法であって、多相導波路プローブは、複数の充電端末を備え、本方法は、充電端末に結合されるプローブ結合回路を調整することによって多相導波路プローブを同調させるステップをさらに備える。
【０１８３】
項目１０  本装置は、損失性伝導媒体の表面でのツェネック表面波モードに実質的にモード整合する複数の獲得場を生成するよう構成される多相導波路プローブを備える。
【０１８４】
項目１１  項目１０に記載の装置であって、損失性伝導媒体は、陸上媒体をさらに備える。
【０１８５】
項目１２  項目１０または項目１１のいずれか一項に記載の装置であって、多相導波路プローブの放射抵抗が、実質的にゼロである。
【０１８６】
項目１３  項目１０から項目１２のいずれか一項に記載の装置であって、多相導波路プローブの高さが、多相導波路プローブの動作周波数でλ／２π未満であり、ここで、λは、動作周波数の波長である。
【０１８７】
項目１４  項目１０から項目１３のいずれか一項に記載の装置であって、獲得場は、損失性伝導媒体の複素ブリュースター角で入射する波面を実質的に合成し、実質的にゼロ反射をもたらす。
【０１８８】
項目１５  項目１０から項目１４のいずれか一項に記載の装置であって、励起ソースが、多相導波路プローブに電気的に結合される。
【０１８９】
項目１６  項目１０から項目１５のいずれか一項に記載の装置であって、ツェネック表面波モードの動径表面電流密度が、
【数５６】
0006392790.tif 000061
によって実質的に表され、ここで、γは、
【数５７】
0006392790.tif 000062
によって与えられる表面波動径伝搬定数であり、ｕ２は、
【数５８】
0006392790.tif 000063
によって与えられる垂直伝搬定数であり、ここで、
【数５９】
0006392790.tif 000064
であり、σは、損失性伝導媒体の伝導率であり、ωは、２πｆに等しく、ここで、ｆは、多相導波路プローブの励起の周波数であり、ε０は、自由空間の誘電率であり、εｒは、損失性伝導媒体の相対的な誘電率であり、自由空間波数ｋ０は、２π／λ０  に等しく、ここで、λ０は、多相導波路プローブの自由空間波長であり、ｊは、  √−１  に等しく、ρは、動径座標であり、ｚは、損失性伝導媒体に垂直な鉛直座標であり、φは、方位座標であり、Ｉ０は、正味の多相プローブ電流であり、Ｈ１（２）（−ｊγρ）は、ｅ＋ｊωｔ時間変動に対する複素引数−ｊγρを伴う第２種かつ第１次のハンケル関数であり、ここで、ｔは時間である。
【０１９０】
項目１７  項目１０から項目１６のいずれか一項に記載の装置であって、ツェネック表面導波路モードは、
【数６０】
0006392790.tif 000065
【数６１】
0006392790.tif 000066
および
【数６２】
0006392790.tif 000067
として実質的に表され、
ここで、Ｈφは、方位磁場強度であり、Ｅρは、動径電場強度であり、ＥＺは、鉛直電場強度であり、γは、
【数６３】
0006392790.tif 000068
によって与えられる表面波動径伝搬定数であり、ｕ２は、
【数６４】
0006392790.tif 000069
によって与えられる垂直伝搬定数であり、ここで、
【数６５】
0006392790.tif 000070
であり、σは、損失性伝導媒体の伝導率であり、ωは、２πｆに等しく、ここで、ｆは、多相導波路プローブの励起の周波数であり、ε０は、自由空間の誘電率であり、εｒは、導電損失性媒体の相対的な誘電率であり、自由空間波数ｋ０は、２π／λ０  に等しく、ここで、λ０は、多相導波路プローブの自由空間波長であり、ｊは、  √−１  に等しく、ρは、動径座標であり、ｚは、損失性伝導媒体に垂直な鉛直座標であり、φは、方位座標であり、Ｉ０は、正味の多相プローブ電流であり、Ｈ１（２）（−ｊγρ）は、複素引数−ｊγρを伴う第２種および第１のオーダーのハンケル関数であり、Ｈ０（２）（−ｊγρ）は、ｅ＋ｊωｔ時間変動に対する複素引数−ｊγρを伴う第２種かつゼロ次のハンケル関数であり、ここで、ｔは時間である。
【０１９１】
項目１８  項目１０から項目１７のいずれか一項に記載の装置であって、多相導波路プローブは、複数の充電端末をさらに備え、多相導波路プローブは、複数の電圧振幅および複数の位相を充電端末に印加するようさらに構成される。
【０１９２】
項目１９  項目１０から項目１８のいずれか一項に記載の装置であって、多相導波路プローブは、充電端末に結合されるプローブ結合回路をさらに備え、プローブ結合回路は、電圧振幅および位相を充電端末に印加するよう構成される。
【０１９３】
項目２０  項目１０から項目１９のいずれか一項に記載の装置であって、電圧振幅および位相の両方は、充電端末の互いに対する幾何学的位置の関数として変化する。
【０１９４】
項目２１  項目１０から項目２０のいずれか一項に記載の装置であって、電圧振幅および位相の両方は、損失性伝導媒体に対する充電端末のそれぞれの幾何学的位置の関数として変化する。
【０１９５】
項目２２  項目１０から項目２１のいずれか一項に記載の装置であって、電圧振幅および位相の両方は、充電端末の物理的サイズの関数として変化する。
【０１９６】
項目２３  項目１０から項目２２のいずれか一項に記載の装置であって、電圧振幅および位相の両方は、電気回路の関数として変化する。
【０１９７】
項目２４  項目１０から項目２３のいずれか一項に記載の装置であって、充電端末は、軸に沿って配置される。
【０１９８】
項目２５  項目１０から項目２４のいずれか一項に記載の装置であって、励起ソースが、多相導波路プローブに直列結合される。
【０１９９】
項目２６  項目１０から項目１７のいずれか一項に記載の装置であって、多相導波路プローブは、第１の充電端末および第２の充電端末の両方に結合されるコイルをさらに備える。
【０２００】
項目２７  項目１０から項目１７のいずれか一項に記載の装置であって、多相導波路プローブは、第１のコイルおよび第２のコイルをさらに備え、第１のコイルは、第１の充電端末および第２の充電端末の両方に結合され、第２のコイルは、第２の充電端末および損失性伝導媒体に結合される。
【０２０１】
項目２８  項目１０から項目１７のいずれか一項に記載の装置であって、多相導波路プローブは、第１の充電端末に結合される第１の端部および損失性伝導媒体に結合される第２の端部を有するコイルと、第２の充電端末に結合され、コイルに沿って配置されるタップとをさらに備える。
【０２０２】
項目２９  項目１０から項目１７のいずれか一項に記載の装置であって、多相導波路プローブは、第１のコイルおよび第２のコイルをさらに備え、第１のコイルは、第１の充電端末および損失性伝導媒体の両方に結合され、第２のコイルは、第２の充電端末および損失性伝導媒体に結合される。
【０２０３】
項目３０  項目１０から項目１７のいずれか一項に記載の装置であって、多相導波路プローブは、第１の充電端末および損失性伝導媒体に結合されるコイルと、第２の充電端末および損失性伝導媒体に結合される抵抗器とをさらに備える。
【０２０４】
項目３１  項目１０から項目１７のいずれか一項に記載の装置であって、多相導波路プローブは、第１の充電端末および地上スクリーンの両方に結合されるコイルをさらに備える。
【０２０５】
項目３２  項目１０から項目１７のいずれか一項に記載の装置であって、多相導波路プローブは、第１の充電端末および第２の充電端末の両方に結合される第１のコイルと、損失性伝導媒体およびキャパシタンスに結合される第２のコイルとをさらに備え、キャパシタンスは、第２の充電端末にさらに結合される。
【０２０６】
項目３３  項目３２の装置であって、キャパシタンスは、可変キャパシタンスである。
【０２０７】
項目３４  項目１０から項目１７のいずれか一項に記載の装置であって、多相導波路プローブは、第１の充電端末および第２の充電端末の両方に結合される第１のコイルと、端末および損失性伝導媒体に結合される第２のコイルとをさらに備え、端末は、第２の充電端末に対して配置されて、端末と第２の充電端末との間に結合キャパシタンスをもたらす。
【０２０８】
項目３５  項目１０から項目１７のいずれか一項に記載の装置であって、多相導波路プローブは、第１の充電端末および第２の充電端末の両方に結合される第１のコイルと、端末に結合される第２のコイルとをさらに備え、端末は、端末および第２の充電端末の間に結合キャパシタンスをもたらす第２の充電端末に対して配置され、励起ソースが第２のコイルおよび損失性伝導媒体に結合される。
【０２０９】
項目３６  項目１０から項目１７のいずれか一項に記載の装置であって、多相導波路プローブは、複数の充電端末をさらに備え、端末のそれぞれは、球体または円盤を備える。
【０２１０】
項目３７  項目１０から項目１７のいずれか一項に記載の装置であって、多相導波路プローブは、第１の充電端末に結合される第１の端部および第２の充電端末に結合される第２の端部を有するコイルと、損失性伝導媒体に結合されて、コイルに沿って配置されるタップとをさらに備える。
【０２１１】
項目３８  項目２６から項目３４、項目３６、および項目３７のいずれか一項に記載の装置であって、一次コイルに結合される励起ソースをさらに備え、一次コイルは、多相導波路プローブに磁気的に結合される。
【０２１２】
項目３９  本装置は、複数の獲得場を作り出すよう構成される多相導波路プローブを備え、獲得場は、陸上媒体の表面でのツェネック表面波モードに実質的にモード整合される。
【０２１３】
項目４０  項目３９に記載の装置であって、獲得場は、陸上媒体の複素ブリュースター角で入射する波を実質的に合成し、実質的にゼロ反射をもたらす。
【０２１４】
項目４１  項目３９または項目４０のいずれか一項に記載の装置であって、ツェネック表面波モードの動径表面電流密度が、
【数６６】
0006392790.tif 000071
によって実質的に表され、
ここで、γは、
【数６７】
0006392790.tif 000072
によって与えられる表面波動径伝搬定数であり、ｕ２は、
【数６８】
0006392790.tif 000073
によって与えられる垂直伝搬定数であり、
ここで、
【数６９】
0006392790.tif 000074
であり、σは、陸上媒体の伝導率であり、ωは、２πｆに等しく、ここで、ｆは、多相導波路プローブの励起の周波数であり、ε０は、自由空間の誘電率であり、εｒは、陸上媒体の相対的な誘電率であり、自由空間波数ｋ０は、２π／λ０  に等しく、ここで、λ０は、多相導波路プローブの自由空間波長であり、ｊは、  √−１  に等しく、ρは、動径座標であり、ｚは、陸上媒体に垂直な鉛直座標であり、φは、方位座標であり、Ｉ０は、正味の多相プローブ電流であり、Ｈ１（２）（−ｊγρ）は、ｅ＋ｊωｔ時間変動に対する複素引数−ｊγρを伴う第２種かつ第１次のハンケル関数であり、ここで、ｔは時間である。
【０２１５】
項目４２  項目３９から項目４１のいずれか一項に記載の装置であって、ツェネック表面導波路モードは、
【数７０】
0006392790.tif 000075
【数７１】
0006392790.tif 000076
、および
【数７２】
0006392790.tif 000077
として実質的に表され、ここで、Ｈφは、方位磁場強度であり、Ｅρは、動径電場強度であり、ＥＺは、垂直電場強度であり、γは、
【数７３】
0006392790.tif 000078
によって与えられる表面波動径伝搬定数であり、ｕ２は、
【数７４】
0006392790.tif 000079
によって与えられる垂直伝搬定数であり、
ここで、
【数７５】
0006392790.tif 000080
であり、σは、陸上媒体の伝導率であり、ωは、２πｆに等しく、ここで、ｆは、多相導波路プローブの励起の周波数であり、ε０は、自由空間の誘電率であり、εｒは、陸上媒体の相対的な誘電率であり、自由空間波数ｋ０は、２π／λ０  に等しく、ここで、λ０は、多相導波路プローブの自由空間波長であり、ｊは、  √−１  に等しく、ρは、動径座標であり、ｚは、陸上媒体に垂直な鉛直座標であり、φは、方位座標であり、Ｉ０は、全体の多相プローブ電流であり、Ｈ１（２）（−ｊγρ）は、複素引数−ｊγρを伴う第２種かつ第１次のハンケル関数であり、Ｈ０（２）（−ｊγρ）は、ｅ＋ｊωｔ時間変動に対する複素引数−ｊγρを伴う第２種かつゼロ次のハンケル関数であり、ここで、ｔは時間である。
【０２１６】
項目４３  項目３９から項目４２のいずれか一項に記載の装置であって、多相導波路プローブは、一対の充電端末をさらに備え、多相導波路プローブは、複数の電圧振幅および複数の位相を充電端末に印加するようさらに構成される。
【０２１７】
項目４４  項目４３に記載の装置であって、多相導波路プローブは、充電端末に結合される分配回路をさらに備える。
【０２１８】
項目４５  項目４４に記載の装置であって、電源は、分配回路に結合される。
【０２１９】
項目４６  項目４４または項目４５のいずれか一項に記載の装置であって、分配回路は、コイルをさらに備える。
【０２２０】
項目４７  項目４３に記載の装置であって、多相導波路プローブは、充電端末の間に結合されるコイルをさらに備える。
【０２２１】
項目４８  項目４３に記載の装置であって、電圧振幅および位相の両方は、充電端末の互いに対する幾何学的位置の関数として変化する。
【０２２２】
項目４９  項目４３に記載の装置であって、電圧振幅および位相の両方は、陸上媒体に対する充電端末のそれぞれの幾何学的位置の関数として変化する。
【０２２３】
項目５０  項目４３に記載の装置であって、電圧振幅および位相の両方は、充電端末の物理的サイズの関数として変化する。
【０２２４】
項目５１  項目４３に記載の装置であって、電圧振幅および位相の両方は、電気回路の関数として変化する。
【０２２５】
項目５２  項目３９から項目４４および項目４６から項目５１のいずれか一項に記載の装置であって、励起ソースが、多相導波路プローブに電気的に結合される。
【０２２６】
項目５３  本方法は、陸上媒体に対して受信回路を配置するステップと、受信回路を介して、陸上媒体の表面でツェネック表面波の形式で伝えられるエネルギーを受信するステップとを備える。
【０２２７】
項目５４  項目５３に記載の方法であって、受信回路に結合される電気的負荷は、ツェネック表面波を生成する多相導波路プローブに結合される励起ソースに負荷をかける。
【０２２８】
項目５５  項目５３または項目５４のいずれか一項に記載の方法であって、エネルギーは、電力をさらに備え、本方法は、電力を、受信回路に結合される電気的負荷に印加するステップをさらに備え、電力は、電気的負荷に対する電源として使用される。
【０２２９】
項目５６  項目５３から項目５５のいずれか一項に記載の方法であって、電気的負荷を受信回路にインピーダンス整合させるステップをさらに備える。
【０２３０】
項目５７  項目５３から項目５６のいずれか一項に記載の方法であって、受信回路から電気的負荷への最大電力伝送を確立するステップをさらに備える。
【０２３１】
項目５８  項目５３から項目５７のいずれか一項に記載の方法であって、受信回路は、磁気コイルをさらに備える。
【０２３２】
項目５９  項目５３から項目５７のいずれか一項に記載の方法であって、受信回路は、線形プローブをさらに備える。
【０２３３】
項目６０  項目５３から項目５７のいずれか一項に記載の方法であって、受信回路は、陸上媒体に結合される同調共振器をさらに備える。
【０２３４】
項目６１  本装置は、損失性伝導媒体の表面に沿ってツェネック表面波の形式で伝えられるエネルギーを受信する受信回路を備える。
【０２３５】
項目６２  項目６１に記載の装置であって、損失性伝導媒体は、陸上媒体をさらに備える。
【０２３６】
項目６３  項目６１または項目６２のいずれか一項に記載の方法であって、受信回路に結合される電気的負荷は、ツェネック表面波を生成する多相導波路プローブに結合される励起ソースに負荷をかける。
【０２３７】
項目６４  項目６１または項目６２のいずれか一項に記載の装置であって、エネルギーは、電力を備え、受信回路は、電気的負荷に結合され、電力は、電気的負荷に印加され、電力は、電気的負荷に対する電源として使用される。
【０２３８】
項目６５  項目６３または項目６４のいずれか一項に記載の装置であって、電気的負荷は、受信回路とインピーダンス整合される。
【０２３９】
項目６６  項目６１から項目６５のいずれか一項に記載の装置であって、受信回路は、磁気コイルをさらに備える。
【０２４０】
項目６７  項目６１から項目６５のいずれか一項に記載の装置であって、受信回路は、線形プローブをさらに備える。
【０２４１】
項目６８  項目６１から項目６５のいずれか一項に記載の装置であって、受信回路は、同調共振器をさらに備える。
【０２４２】
項目６９  項目６８に記載の装置であって、同調共振器は、直列同調共振器を備える。
【０２４３】
項目７０  項目６８に記載の装置であって、同調共振器は、並列同調共振器を備える。
【０２４４】
項目７１  項目６８に記載の装置であって、同調共振器は、分散同調共振器を備える。
【０２４５】
項目７２  電力伝送システムは、陸上媒体の表面に沿って誘導表面波の形式で電気エネルギーを伝送する多相導波路プローブと、電気エネルギーを受信する受信回路とを備える。
【０２４６】
項目７３  項目７２に記載の電力伝送システムであって、受信回路に結合される電気的負荷は、多相導波路プローブに負荷をかける。
【０２４７】
項目７４  項目７２に記載の電力伝送システムであって、電気的負荷は、受信回路に結合され、電気エネルギーは、電気的負荷に対する電源として使用される。
【０２４８】
項目７５  項目７３または項目７４のいずれか一項に記載の電力伝送システムであって、電気的負荷は、受信回路にインピーダンス整合される。
【０２４９】
項目７６  項目７３または項目７４のいずれか一項に記載の電力伝送システムであって、受信回路から電気的負荷への最大電力伝送が確立される。
【０２５０】
項目７７  項目７２から項目７６のいずれか一項に記載の電力伝送システムであって、受信回路は、磁気コイルをさらに備える。
【０２５１】
項目７８  項目７２から項目７６のいずれか一項に記載の電力伝送システムであって、受信回路は、線形プローブをさらに備える。
【０２５２】
項目７９  項目７２から項目７６のいずれか一項に記載の電力伝送システムであって、受信回路は、同調共振器をさらに備える。
【０２５３】
項目８０  項目７２から項目７９のいずれか一項に記載の電力伝送システムであって、多相導波路プローブは、陸上媒体の表面での誘導表面波モードに実質的にモード整合される複数の獲得場を生成するよう構成される。
【０２５４】
項目８１  項目７２から項目８０のいずれか一項に記載の電力伝送システムであって、多相導波路プローブの放射抵抗が、実質的にゼロである。
【０２５５】
項目８２  項目７２から項目８１のいずれか一項に記載の電力伝送システムであって、多相導波路プローブの高さが、多相導波路プローブの動作周波数でλ／２π未満であり、ここで、λは、動作周波数の波長である。
【０２５６】
項目８３  項目８０に記載の電力伝送システムであって、獲得場は、損失性媒体の複素ブリュースター角で入射する波面を実質的に合成し、実質的にゼロ反射をもたらす。
【０２５７】
項目８４  項目７２から項目８３のいずれか一項に記載の電力伝送システムであって、励起ソースが、多相導波路プローブに電気的に結合される。
【０２５８】
項目８５  項目８０に記載の電力伝送システムであって、誘導表面波モードの動径表面電流密度が、
【数７６】
0006392790.tif 000081
によって実質的に表され、ここで、γは、
【数７７】
0006392790.tif 000082
によって与えられる表面動径伝搬定数であり、ｕ２は、
【数７８】
0006392790.tif 000083
によって与えられる垂直伝搬定数であり、ここで、
【数７９】
0006392790.tif 000084
であり、σは、損失性媒体の伝導率であり、ωは、２πｆに等しく、ここで、ｆは、多相導波路プローブの励起の周波数であり、ε０は、自由空間の誘電率であり、εｒは、損失性媒体の相対的な誘電率であり、自由空間波数ｋ０は、２π／λ０  に等しく、ここで、λ０は、多相導波路プローブの自由空間波長であり、ｊは、  √−１  に等しく、ρは、動径座標であり、ｚは、損失性媒体に垂直な鉛直座標であり、φは、方位座標であり、Ｉ０は、正味の多相プローブ電流であり、Ｈ１（２）（−ｊγρ）は、ｅ＋ｊωｔ時間変動に対する複素引数−ｊγρを伴う第２種かつ第１次のハンケル関数であり、ここで、ｔは時間である。
【０２５９】
項目８６  項目８０に記載の電力伝送システムであって、誘導表面波モードが、
【数８０】
0006392790.tif 000085
【数８１】
0006392790.tif 000086
、および
【数８２】
0006392790.tif 000087
として実質的に表され、ここで、Ｈφは、方位磁場強度であり、Ｅρは、動径電場強度であり、ＥＺは、鉛直電場強度であり、γは、
【数８３】
0006392790.tif 000088
によって与えられる表面波動径伝搬定数であり、ｕ２は、
【数８４】
0006392790.tif 000089
によって与えられる垂直伝搬定数であり、ここで、
【数８５】
0006392790.tif 000090
であり、σは、損失性媒体の伝導率であり、ωは、２πｆに等しく、ここで、ｆは、多相導波路プローブの励起の周波数であり、ε０は、自由空間の誘電率であり、εｒは、損失性媒体の相対的な誘電率であり、自由空間波数ｋ０は、２π／λ０  に等しく、ここで、λ０は、多相導波路プローブの自由空間波長であり、ｊは、  √−１  に等しく、ρは、動径座標であり、ｚは、損失性媒体に垂直な鉛直座標であり、φは、方位座標であり、Ｉ０は、全体の多相プローブ電流であり、Ｈ１（２）（−ｊγρ）は、複素引数−ｊγρを伴う第２種かつ第１次のハンケル関数であり、Ｈ０（２）（−ｊγρ）は、ｅ＋ｊωｔ時間変動に対する複素引数−ｊγρを伴う第２種かつゼロ次のハンケル関数であり、ここで、ｔは時間である。
【０２６０】
本開示の上記した実施形態は、本開示の原理を明確に理解するために記載した実装態様の単に可能な例であることが強調されるべきである。多くの変形および修正を、本開示の精神および原理から実質的に逸脱することなく、上記の実施形態に対して行うことができる。全てのそのような修正および変形が、本開示の範囲内で本明細書に含まれ、添付の特許請求の範囲によって保護されることを意図する。さらに、開示した実施形態および従属請求項の全ての省略可能な、好ましい特徴が、本明細書で教示される開示の全ての態様で使用可能である。さらに、従属請求項の個々の特徴、および記載した実施形態の全ての省略可能な、好ましい特徴および修正例は、適用可能な場合、互いと組み合わせ可能であり、さらに交換可能である。この目的を達成するために、上記のさまざまな実施形態は、所望の実装態様に応じたさまざまな方法で付加的に組み合わせることができる要素を開示する。
【図１】
0006392790.tif 000103
【図２】
0006392790.tif 000104
【図３】
0006392790.tif 000105
【図４】
0006392790.tif 000106
【図５】
0006392790.tif 000107
【図６】
0006392790.tif 000108
【図７Ａ】
0006392790.tif 000109
【図７Ｂ】
0006392790.tif 000110
【図７Ｃ】
0006392790.tif 000111
【図７Ｄ】
0006392790.tif 000112
【図７Ｅ】
0006392790.tif 000113
【図７Ｆ】
0006392790.tif 000114
【図７Ｇ】
0006392790.tif 000115
【図７Ｈ】
0006392790.tif 000116
【図７Ｉ】
0006392790.tif 000117
【図７Ｊ】
0006392790.tif 000118
【図８Ａ】
0006392790.tif 000119
【図８Ｂ】
0006392790.tif 000120
【図８Ｃ】
0006392790.tif 000121
【図９】
0006392790.tif 000122
【図１０】
0006392790.tif 000123
【図１１】
0006392790.tif 000124
【図１２Ａ】
0006392790.tif 000125
【図１２Ｂ】
0006392790.tif 000126
【図１３】
0006392790.tif 000127
【図１４Ａ】
0006392790.tif 000128
【図１４Ｂ】
0006392790.tif 000129