用于发射ZENNECK表面波的各向异性本构参数的制作方法

用于发射zenneck表面波的各向异性本构参数


背景技术：

1.jonathan zenneck在1907年中首次发表了zenneck表面波(zsw)的特性的基本理论。对波动方程的zenneck解决方案，如从麦克斯韦场方程导出的，就方向传播常数以及各种电场和磁场向量场分量之间的阻抗关系在理论数学中确切地描述了这种波的特性和行为。术语“zenneck表面波”(zsw)是指独特的波传播模式，其中电磁能量通过并沿着有损和无损电介质(诸如地球和空气)之间的界面从点到点引导。电能的常规电力线输送是通过由跨越塔到塔或杆到杆的传输线导线引导的电磁波完成的。辐射的电能，如用于收音机、电视和蜂窝电话的电能，是不受引导的并且在其行进时会向各个方向散布，在遇到地球表面和其它物体时会在多个方向上反射和折射。
2.zsw存在于导体引导的波与从天线发射和传播的波之间的域中。具体而言，zsw利用每当波照到地球时在地球的表面中感应出的电流密度，其传播特点包括与地表的复杂布鲁斯特(brewster)入射角。当光以一定角度照到高速公路上时，看到熟悉的布鲁斯特效应，使得反射看起来像是来自位于道路平面上的水池，甚至是一面镜子。zsw所需的布鲁斯特角的“复杂”特征是指存在于包括zenneck表面波的场分量之间的相位关系。


技术实现要素：

3.本公开的各方面涉及包括各向异性本构参数(acp)元件的系统、方法和装置，这些元件可以被用于发射或接收zenneck表面波(zsw)或其它类型的表面波。在一个方面，其中，一种被引导表面波装置包括发射结构或接收结构；以及在发射结构或接收结构周围分布在陆地介质上方的各向异性本构参数(acp)元件的阵列，acp元件的阵列包括：定位在陆地介质上方的第一多个径向电阻性人工各向异性电介质(rraad)元件，第一多个rraad元件包括在第一朝向上延伸的一个或多个系列的互连的rraad元件，其中第一多个rraad元件在陆地介质上方一定高度处形成水平层。在一个或多个方面，acp元件的阵列可以是圆柱形阵列，一个或多个系列的互连的rraad元件中的每个线性地定向在ρ方向上。
4.在各个方面，acp元件的阵列可以包括rraad元件的第二水平层，其定位在分布在陆地介质上方一定高度处的rraad元件的水平层上方并且基本上与其平行。rraad元件的第二水平层可以包括定位在水平层中的第一多个rraad元件上方的第二多个rraad元件，第二多个rraad元件包括在第一朝向上延伸的一个或多个系列的互连的rraad元件。acp元件的阵列可以包括定位在陆地介质上方的第二多个rraad元件，第二多个rraad元件包括在相对于第一朝向的第二朝向上延伸的一个或多个系列的互连的rraad元件，其中第一多个rraad元件和第二多个rraad元件在陆地介质上方一定高度处形成水平层。第一多个rraad元件的一个或多个系列的互连的rraad元件和第二多个rraad元件的一个或多个系列的互连的rraad元件的rraad元件可以与那个系列中的相邻元件隔开既定距离。acp元件的阵列可以是矩形阵列，其中第一多个rraad元件的一个或多个系列的互连的rraad元件线性地定向在x方向上，第二多个rraad元件的一个或多个系列的互连的rraad元件线性地定向在基本上垂直于x方向的y方向上。
5.在一些方面，发射结构可以被配置为用频率(f0)的电磁场激励acp元件的阵列，从而使电磁场与陆地介质的zenneck表面波模式基本上模式匹配。接收结构可以被配置为与经由acp元件的阵列以频率(f0)沿着陆地介质传播的zenneck表面波耦合，其中acp元件的阵列被配置为将来自zenneck表面波的电磁能集中在接收结构周围。acp元件的阵列的各个rraad元件可以包括并联连接的电容器和电阻器，电容器和电阻器包括一个或多个集总(lumped)元件组件。acp元件的阵列可以包括分布在陆地介质上方的多个垂直无损人工各向异性电介质(vlaad)元件，多个vlaad元件定位在陆地介质上方，多个vlaad元件包括在基本上垂直于水平层的第二朝向上延伸的一个或多个系列的互连的vlaad元件。被引导表面波装置可以包括在发射结构或接收结构周围分布的水平人工各向异性磁导率(haamp)元件的阵列，haamp元件的阵列包括定位在陆地介质上方的多个haamp元件。
6.在另一方面，一种方法包括提供在发射结构或接收结构周围的多个各向异性本构参数(acp)元件；以及在陆地介质上方以阵列配置多个acp元件，其中配置acp元件的阵列包括：将第一多个径向电阻性人工各向异性电介质(rraad)元件定位在陆地介质上方，第一多个rraad元件包括在第一朝向上延伸的一个或多个系列的互连的rraad元件，第一多个rraad元件在陆地介质上方一定高度处形成水平层。在一个或多个方面，该方法可以包括用由发射结构产生的电磁场激励acp元件的阵列，acp元件的阵列被配置为使频率(f0)的电磁场与陆地介质的zenneck表面波模式基本上模式匹配；以及经由acp元件的阵列将来自发射结构的能量耦合到沿着陆地介质传播的zenneck表面波中。该方法可以包括经由acp元件的阵列集中来自以频率(f0)沿着陆地介质传播的zenneck表面波的电磁能；经由接收结构从zenneck表面波的集中的电磁能中提取功率；以及将提取出的功率的至少一部分提供给负载。
7.在各个方面，acp元件的阵列可以是圆柱形阵列，其中一个或多个系列的互连的rraad元件中的每个线性地定向在ρ方向上。配置acp元件的阵列可以包括将第二多个rraad元件定位在第二水平层中，其定位在分布在陆地介质上方一定高度处的rraad元件的水平层上方并且基本上与其平行。第二多个rraad元件可以包括在第一朝向上延伸的一个或多个系列的互连的rraad元件。第二多个rraad元件可以包括在相对于第一朝向的第二朝向上延伸的一个或多个系列的互连的rraad元件。acp元件的阵列可以是矩形阵列，其中第一多个rraad元件的一个或多个系列的互连的rraad元件线性地定向在x方向上，第二多个rraad元件的一个或多个系列的互连的rraad元件线性地定向在基本上垂直于x方向的y方向。
8.在一些方面，配置acp元件的阵列可以包括定位分布在发射结构或接收结构周围的多个垂直无损人工各向异性电介质(vlaad)元件，多个vlaad元件定位在陆地介质上方，包括一个或多个系列的互连的vlaad元件的多个vlaad元件在基本上垂直于水平层的第二朝向上延伸。该方法可以包括在发射结构或接收结构周围配置水平人工各向异性磁导率(haamp)元件的阵列，haamp元件的阵列包括定位在陆地介质上方的多个haamp元件。
9.在另一方面，一种被引导表面波系统包括在发射结构周围分布在陆地介质上方的各向异性本构参数(acp)元件的阵列，acp元件的阵列包括定位在陆地介质上方的第一多个径向电阻性人工各向异性电介质(rraad)元件，第一多个rraad元件包括在第一朝向上延伸的一个或多个系列的互连的rraad元件，其中第一多个rraad元件在陆地介质上方的高度处形成水平层，其中用由发射结构产生的电磁场在频率(f0)激励acp元件的阵列使得电磁场
与陆地介质的zenneck表面波基本上模式匹配；以及接收结构，被配置为从来自发射结构的沿着陆地介质传播的zenneck表面波的电磁能中提取功率。在一个或多个方面，被引导表面波系统可以包括在接收结构周围分布在陆地介质上方的acp元件的第二阵列，acp元件的第二阵列被配置为将来自zenneck表面波的电磁能集中在接收结构周围，其中接收结构从来自zenneck表面波的集中的电磁能中提取功率。
10.在各个方面，acp元件的阵列可以包括rraad元件的第二水平层，其定位在分布在陆地介质上方一定高度处的rraad元件的水平层上方并且基本上与其平行，rraad元件的第二水平层包括定位在水平层中的第一多个rraad元件上方的第二多个rraad元件。acp元件的阵列可以包括定位在陆地介质上方的第二多个rraad元件，第二多个rraad元件包括在相对于第一方向的第二方向上延伸的一个或多个系列的互连的rraad元件，其中第一多个rraad元件和第二多个rraad元件在陆地介质上方一定高度处形成水平层。acp元件的阵列可以包括分布在陆地介质上方的多个垂直无损人工各向异性电介质(vlaad)元件，多个vlaad元件定位在陆地介质上方，多个vlaad元件包括在基本上垂直于水平层的第二方向上延伸的一个或多个系列的互连的vlaad元件。在一些方面，被引导表面波系统可以包括在发射结构周围分布的水平人工各向异性磁导率(haamp)元件的阵列，haamp元件的阵列包括定位在陆地介质上方的多个haamp元件。
11.在检查以下附图和详细描述后，本公开的其它系统、方法、特征和优点对于本领域技术人员将是显而易见的或变得显而易见。旨在将所有此类附加系统、方法、特征和优点包括在本描述中、本公开的范围内，并受所附权利要求的保护。此外，所描述实施例的所有可选和优选特征和修改都可用于本文教导的本公开的所有方面。此外，从属权利要求的各个特征以及所述实施例的所有可选的和优选的特征和修改可以彼此组合和互换。
附图说明
12.参考以下附图可以更好地理解本公开的许多方面。附图中的组件不一定按比例绘制，而是将重点放在清楚地说明本公开的原理上。而且，在附图中，相同的附图标记在几个视图中指定对应的部分。
13.图1图示了根据本公开的各种实施例的具有用于传输zenneck表面波(zsw)的两个区域的传播界面。
14.图2a图示了根据本公开的各种实施例的包括垂直无损人工各向异性电介质(vertical lossless artificial anisotropic dielectric，vlaad)和径向电阻性人工各向异性电介质(radial resistive artificial anisotropic dielectric，rraad)元件的各向异性本构参数(anisotropic constitutive parameter，acp)元件的示例。
15.图2b图示了根据本公开的各种实施例的图2a的acp元件的示例，包括水平人工各向异性磁导率(horizontal artificial anisotropic magnetic permeability，haamp)元件的示例。
16.图3a-3c图示了根据本公开的各种实施例的各向异性本构参数推导和实施方式几何结构的示例。
17.图4图示了根据本公开的各种实施例的各向异性本构参数(acp)元件的径向布置，其描绘了分散的阵列元件的圆柱形坐标系描述。
18.图5图示了根据本公开的各种实施例的包括径向电阻性人工各向异性电介质(rraad)元件的acp元件的矩形坐标布置。
19.图6a-6b图示了根据本公开的各种实施例的分别用于奇数和偶数行和列元件的情况的acp元件的替代x-y网格布置。
20.图6c图示了根据本公开的各种实施例的acp元件的三维矩形坐标布置。
21.图7图示了根据本公开的各种实施例的acp元件(诸如haamp元件)的二维圆柱形坐标布置。
22.图8a和8b是根据本公开的各种实施例的表面波的相位和振幅测量与电导率选择设置(sigma指数)的关系图，图示了改变rraad元件的电阻值的效果。
23.图9a和9b图示了根据本公开的各种实施例的使用根据常规接收器的单极天线的简单接收结构与采用acp元件(vlaad和haamp)将信号集中在接收结构周围的接收结构的模拟结果的比较。
具体实施方式
24.本文公开了与各向异性本构参数(acp)元件相关的各种示例，以形成可以被用于发射或接收zenneck表面波(zsw)或其它类型的表面波的acp系统。在本公开的上下文中，zsw是表面波，它被两种介质(诸如没有辐射的空气和地球)之间的陡峭界面引导并结合到该界面。界面本身可以根据边界介质(诸如有损电介质、无损耗电介质或两者的组合)的电特性之间发现的不连续性来定义(例如，大气和陆地介质或地球的复杂电特性)。其它表面波的示例包括但不限于一般在各向异性电介质与各向同性(isotropic)电介质之间的界面上传播的dyakonov波，或在涂有一层薄薄的低损电介质的金属表面上传播的sommerfeld-goubau波。这些表面波在没有辐射的情况下在表面上传播，但不同之处在于构成界面的材料的特性(例如，一种介质是无损材料，而另一种介质是有损电介质)。现在将详细参考附图中所示实施例的描述，其中相同的附图标记在几个视图中指示相同的部分。
25.用于zsw的初级场分量是环绕圆柱形zsw发射结构的时变横向磁场。根据麦克斯韦方程，这个通常用符号h
φ
表示的时变磁场产生随处可见的垂直于磁场的时变电场。产生了两个电场。一个称为ez的场指向垂直于界面表面(例如，地球)。用e
ρ
表示的小得多的次级场指向zsw的径向行进方向。沿着(例如，地球的)界面(或引导)表面从一个点移动到另一个点的电力由ez和h
φ
携带。虽然e
ρ
比ez小得多，但建立正确的e
ρ
对于发射zsw具有重要意义。当实现了用于发射zsw的e
ρ
时，波中的能量遵循(例如，地球的)被引导表面的轮廓，而不是从表面辐射到空间中。
26.沿着能够支持zsw的被引导表面进行能量传送是可能的。有损和/或无损介电界面可以被用于支持zsw，并且无论界面的几何形状如何(矩形、球形、圆盘形等)，都建立驻波以在那个特定的被引导表面上实现高效的功率传送。为了在全球范围内的高效能量传送，zsw可以完全跨越全球。为了实现全球覆盖，zsw的频率将在低千赫(khz)频率范围内，通常为10khz或更低。这个低频是由波沿着地球表面行进时所经历的衰减的量驱动的。在较高频率下，衰减因子可以非常大，以至于接收器未捕获的所有输入zsw的能量都被地球吸收。在较低频率下，可以建立全球驻波，使得非常少量的能量由于地球中的热量而损失，并且接收器或接收结构可以在需要的时间和地点从驻波中提取能量。在设计被引导表面的情况下，其
中介电界面的电导率和介电常数值可以由设计者指定而不是围绕设计，衰减的量可以通过被引导表面的设计来减少或最小化。
27.用于zsw的发射结构不是天线，而是将能量源连接到被引导表面的耦合探针，诸如例如与地球的表面或其它适当的有损和/或无损界面接触并紧挨着位于其上方的空气。虽然耦合探针的尺寸确实依赖于操作的频率，但如果天线被设计为在自由空间中以相同的效率传输相同级别的功率，那么它将比等效辐射天线小得多。从这种天线辐射的能量将进一步分散到各个方向，并且大部分无法被位于地球上的接收器捕获。小尺寸、受控的分散、低衰减和高效操作是zsw系统的所有特征，使其对于将能量和/或信息在有损耗电介质(诸如地球)的表面上(或在有效接近范围内)从一个点移动到另一个点的广泛应用具有吸引力。如果采用acp结构，那么还可以减小辐射天线或耦合探针的尺寸，同时保持天线或耦合探针的性能。
28.首先考虑如图1中所示的边界条件，其中入射波遇到区域2和区域1之间的边界(例如，空气和地球)。无辐射的条件意味着入射波不发生反射；即，边界的表面处的反射系数为零，γs＝0。当呈现给撞击地球的垂直极化横向磁波的反射系数具有零值(或基本为零)时，可以获得zsw。可以理解的是，虽然这里呈现了绝对数字，但近似等于所述值的数字可以足以提供期望的效果。
29.可以通过考虑入射平面波来导出zsw的传播特性。入射波包括位于入射平面上的电场其由入射场的传播常数向量(γ)和边界表面的法线(z)定义。此外，磁场延伸出入射平面(垂直于为其中波前是不均匀平面波的情况提供横向磁(tm)波)。传播常数向量与法线之间的角度是入射角(θi)或入射的角。传播常数向量的长度(或量值)由介质的特性控制。例如，在没有边界的空气中，并且固有阻抗由给出，其中ω等于频率f的2πf，μo是自由空间的磁导率并且εo是自由空间的介电常数。对于诸如zsw之类的被引导波，传播常数和阻抗会因界面处(例如，空气和地球之间)的引导边界的存在而改变。由于对于zsw，γ
tm_s
＝0，因此没有反射波，并且透射波以折射角(θr)或折射的角在边界的表面下方传播。对于要获得的这种条件，区域2中的入射波的性质使得该波具有不均匀的特点。这种波具有与垂直(z)方向的电场异相的水平方向(ρ)的电场分量。
30.如果区域1是地球，那么μ＝μo并且ε＝εo(ε
r-jσ/ωεo)，其中εr是相对介电常数并且σ是地球的电导率。定义k＝ε
r-jσ/ωεo，其包括表示能量存储部分的实部和表示能量损失部分的虚部。因此，在地球中，传播常数的无界波值是γe＝γoκ
1/2
，并且地球的固有阻抗是ηe＝ηo/κ
1/2
。
31.施加在入射到电不同材料之间的界面上的波的电场和磁场上的条件可以用两个基本关系来表述。首先，电场和磁场向量的切向分量在界面处的两种介质中总是相等的。这个边界条件源自针对和的麦克斯韦旋度方程的积分形式，其中是电场向量并且是磁场向量。
32.第二基本关系是复波传播常数在平行于界面的方向上的向量投影的值在边界的
两侧完全匹配(即，γ
t2
＝γ
t1
)，如图1中所示，其中向量投影γ
t2
＝γosinθi且γ
t1
＝γesinθr。这个第二条件是对于所有位置并在所有时间都满足场匹配边界条件这一事实的结果。为了满足这个关系，具有在任一介质中平行于边界行进的传播分量的任何波都以相同的相速度移动并以完全相同的方式以作为位置的函数的振幅衰减。任何类型的所有波总是遵守这两个基本约束。
33.为了得到zsw，区域1和2的本征阻抗的垂直投影是相同的。换句话说，垂直于并平行于边界表面的电场的投影(即，指向ρ方向的电场的部分e
ρ
)形成表面阻抗ηs。在区域2中，ηs＝ηocosθi。在区域1中，ηs＝ηecosθr。因此，反射系数可以表述为：
[0034][0035]
为了实现zsw，γ
tm_s
＝0(或基本上为零)。通过边界处的向量投影为γ
t2
＝γ
t1
，γosinθi＝γesinθr。按照κ＝ε
r-jσ/ωεo使用这个等式和投影的阻抗用于空气和地球，给出以下关系：
[0036][0037][0038]
注意的是，入射角(θi)和折射角(θr)总和为九十度((θi) (θr)＝90
°
)。因为例如地球的固有阻抗的投影ηe是复数，所以固有阻抗ηo的投影也是复数以实现γ
tm_s
＝0。因此，存在和虚部相等且符号相反，并且实部总和为九十度
[0039]
考虑在圆柱形坐标中描述的波。为了得到在例如空气和地球中e
ρ
的值，当h
φ
已知时，将h
φ
乘以阻抗(即，在垂直于边界的方向上的阻抗)的余弦投影，在每种介质中得到
[0040][0041][0042]
其中η0是真空的固有阻抗。这个结果是令人满意的，因为e
ρ
和h
φ
跨边界是连续的(即，相等的)。
[0043]
遵循相似的过程，根据角度的正弦进行投影给出边界两侧的ez的值：
[0044][0045]
[0046]
这种关系也是令人满意的结果，因为它是电通量密度dz的值跨边界连续的替代陈述。注意的是，区域2中的场由例如空气中的复布鲁斯特角的值控制，而区域1中的场由例如地球中的那个值的补码控制。如果区域1和/或2中存在不同的材料，那么材料的特点将影响等式(4)-(6b)中的项。
[0047]
对上面所示的圆柱形zsw的波阻抗值有进一步的理解。对于e
ρ
和h
φ
场分量，用于e
ρ
和h
φ
的波动方程的解在ρ方向上具有相同的hankel函数相关性并且在
±
z方向上具有相同的复指数相关性。因此，用于zenneck表面波的场的垂直传播分量的波阻抗与径向或垂直位置无关。构成水平方向上的传播的场分量的波阻抗由hankel函数的导数与其未微分值的比率控制，因此是在ρ方向上与原点的距离的函数。由等式(6a)和(6b)给出的关系适用于hankel函数的大自变量渐近值及其关于ρ的导数。
[0048]
边界匹配关系对区域2(例如，空气)中的场的行为和波传播常数施加约束，其可以被描述为在z和ρ方向上的各向异性。换句话说，这两个方向上的复波阻抗和传播常数是不同的。一旦表面波被发射，在被引导表面(例如，地球)中产生的电流密度继续以确保满足这些各向异性波引导条件。区域1(例如，地球)中的这些电流可以被认为形成了孔，该孔不断地在区域2(例如，空气)中发射以复布鲁斯特角撞击界面的反向行波。但是，发射结构可以在区域2(例如，空气)中的波分量之间产生这种各向异性阻抗关系，使得施加到发射结构的电磁能产生适当的电流密度。换句话说，阻抗和传播常数投影是由发射结构在区域2(例如，空气)中“人为地”创建的，以有效地与区域1(例如，地球)进行模式匹配以创建zsw。
[0049]
这种各向异性阻抗条件可以通过在区域2(例如，空气)中创建各向异性本构参数(acp)来实现。可以在边界的表面上方引入可极化元件以“人为”调整(或合成)阻抗条件以控制入射角θi。这些acp元件可以在垂直于边界表面的垂直方向(z)和/或沿着或平行于边界表面的水平方向(ρ)中引入，如图2a中所示，以实现期望的条件。使用垂直定向的acp元件，可以在垂直于边界表面的垂直方向(z)上改变介电常数，这影响ρ方向的阻抗和ρ方向的传播常数。使用水平定向的acp元件，可以影响z方向的阻抗和z方向的传播常数。通过调整在垂直和/或水平方向(z和/或ρ)定向的acp元件，可以改变入射角θi。通过控制垂直和水平定向的acp元件的组合，有可能独立地控制垂直和水平方向(z和ρ)上的传播常数。在图2a的示例中，垂直定向的acp元件被识别为用于垂直无损耗人工各向异性电介质的vlaad，水平定向的acp元件被识别为用于径向电阻性人工各向异性电介质的rraad。对于一些应用，rraad元件也可以是无损的，特别是对于其中选择vlaad元件以具有高于区域1(例如，地球)的相对介电常数的情况。
[0050]
如图2b中所示，附加的水平φ方向的磁场能量存储元件可以被用于进一步修改ρ方向上的传播常数并将ρ方向的阻抗与区域2(例如，空气)的固有阻抗匹配。由于这些元件与磁场强度相互作用并存储从磁场耦合的能量，因此它们可以增加φ方向的有效磁导率。因此，它们被确定为水平人工各向异性磁导率(haamp)元件。
[0051]
acp可以使用常规的电气元件、天然各向异性材料或其它工程设计的各向异性材料(例如，被布置为产生体各向异性效应的各向同性材料)制造，这些材料在几何上布置为使得在acp的体积内在z和ρ中观察到的波阻抗的方向是不同的。haamp元件可以使用集总元件电气元件(或天然或工程各向异性材料)进行类似配置，以仅在φ方向上给出期望的效果。acp还可以利用其它方式来实现“人工的”(或合成)介电常数和电导率元件。例如，矩阵
(例如，印刷电路构造)或体电介质中的导电内含物可以被配置为提供期望的各向异性。这些实施方式在使用集总元件可能不可行的更高频应用中可以是有益的。为了在区域2(例如，空气)中的各向异性体积内的z方向上创建期望的波阻抗特性，并且可以在ρ方向上布置可极化元件，包括由一定长度的导线、棒或板制成的单位单元格。这些可极化元件比传播波的波长短得多(例如，小于0.25λ、小于0.1λ或更短)，并且可以串联连接到形成单元格的集总或分布式电阻性和电容元件，它们可以分散在周期性(或者可能稀疏的)阵列中，以形成网格状结构。具有这种分布式极化特性的网格状结构将在电学上表现为均质介电材料，其复介电常数值由每个单位单元格的极化率决定。为了有效地发射zenneck表面波(zsw)，人工创建(或合成)的介电常数值(在ρ方向)的实部被调整为区域1(例如，地球)表面有效介电常数的局部值对应(或等于其)并且产生损耗特点的人为创建的介电常数值的虚部被调整为与区域1(例如，地球)的有效损耗特性的局部值对应(或等于其)。
[0052]
如果集总元件沿着以特定方向定向的导线串联放置，那么当存在平行于导线的电场时，那个集总元件将仅具有跨过其放置的电压。通过将三根导线相互正交放置并沿着这些导线平行放置集总元件，有可能为连接到集总元件的导线所跨越的空间中的给定区域建立有效的r、l和c。如果空间中的这个区域相对于波长是小的(例如，小于0.25λ、小于0.1λ或更小)，那么r、l和c特点将等效于那个小体积的ε和σ。通过使用具有串联集总元件的正交线获得的重要优点是可以在每个方向上合成不同的ε和σ。当电感与耦合到电场的串联导线一起使用时，电感产生具有负值的有效介电常数。互连导线本身可以具有有效的电感特性和/或导线之间的互电容，这可以在rraad或vlaad元件的设计中得到补偿。
[0053]
对于圆柱形结构，考虑作为有限高度(δz)的圆柱形的截面的区域，例如具有如图3a中所示的角度(δφ)的楔形的截面。现在将图3a中所示的阴影体积视为单位单元格。在下限中，这个体积可以被表示为边长为δρ
×
δz
×dφ
的矩形棱柱，其中d
φ
＝ρδφ。如图3b中所示，通过放置导线和集总元件(例如，电容器)，可以在图3a的单位单元格内实现具有各向异性介电常数的“人工”电介质(ad)。在图3b中所示的布置中，电容器在三个方向(cz，c
ρ
，z
φ
).中的每一个上示出。
[0054]
现在，考虑图3b的矩形单位单元格，其维度为δx
×
δy
×
δz，填充有介电常数由给出并且电导率由[σ
x
，σy，σz]给出的各向异性均匀电介质。如图3c中所示，同质电介质可以由ad代替，例如，通过在图3c中所示的体积中放置导线、电容器和电阻器的组合。虽然可以使用电容器和电阻器的各种组合来提供ad，但为了说明和清楚起见，图3c中仅示出了具有并联电阻器/电容器(ry和cy)的导线的一个集合。具有平行r和c的导线的相似集合可以针对图3b中所示的其它朝向(x和z)定位。电阻器和电容器可以是可变的和可控的。例如，电阻器和电容器可以是切换的或可选择的元件以允许调整acp特点。天然存在的各向异性材料或工程设计的各向异性材料(诸如例如被布置为产生体各向异性效果的各向同性材料)也可以被用于产生期望的效果。单位单元格的特点可以描述如下。
[0055]
对于具有相等板面积a和板间隔d的平行板电容器，其板之间具有相对介电常数εr的材料，电容由下式给出：
[0056]
[0057]
如果选择边长为a的空间立方体来赋予合成介电常数，那么这个等式将简化为：
[0058]
c＝εrε0a
ꢀꢀꢀ
(8)
[0059]
注意的是，这个介电常数是有向的-只有与附接到电容器的导线平行的e场才会受到这个电容的影响。注意的是，要在给定方向上以单个频率实现负介电常数，可以使用电感器来实现电抗(其符号与容抗相反)。
[0060]
为了导出用于电导率的关系，考虑电阻率为ρr、长度为l且面积为a的电阻器。这个电阻器的电阻可以使用以下等式计算：
[0061][0062]
如果使用与前面计算中相同的边长为a的立方体，那么这个等式简化为：
[0063][0064]
再次，这个电导率(σ)将只由与连接到电阻器的导线平行的场(或场分量)经历。
[0065]
可以遵循相似的过程以允许创建期望的各向异性磁导率。可以构造“人工”磁导率单元格以与感兴趣的区中的磁场相互作用。与磁场的相互作用可以通过导体(例如，电感器)的回路而不是导体的长度来实现。这些回路被布置为使得回路的区域垂直(或基本垂直)于磁场，对于zsw来说，磁场是场h
φ
·
。
[0066]“人工”磁导率元件存储从磁场中提取的能量。这种能量存储过程可以通过沿着发射结构周围φ方向的闭合路径排列集总元件电感器来实现。具有横截面积a
l
的导体的电感器或n匝回路可以被定位以形成闭环导体元件的阵列。在一些实施方式中，能量存储元件可以包括被用于完成围绕发射结构排列的闭环导体元件的电路的集总元件电容器，使得回路的区域垂直(或基本垂直)于h
φ
·
。用于这些元素的方程推导在此没有示出，但它们可以通过应用用于推导电导率和介电常数的过程来确定。由此产生的实现“人工”磁导率μr。的电感方程可以简化为：
[0067][0068]
可以完成用于创建有效电感元件的n
t
匝回路的电路的集总元件电容器c
l
的值作为下式给出：
[0069][0070]
单位单元格面积a和间距d与以上关于方程(7)-(10)描述的acp元件的选择的值相同。其它单元格面积和间距是可能的并且将为集总元件组件产生不同的值。对于acp单元格的情况，如果单元格是边长为a的空间立方体，那么c
l
变为：
[0071][0072]
对于所考虑的集总元件类型，可以通过选择高于或低于谐振条件的操作来实现负值。
[0073]
基于上面呈现的系列r、l和c值的μ，ε，和σ的关系假设矩形坐标方案，并通过使离散化体积(或单位单元格)成为立方体来进一步简化过程。可以使用其它矩形离散体，并相
应地更新针对r、l和c的推导。当单位单元格被选为立方体时，那个单位单元格内的haamp元素将由x和y方向上的两个正交回路组成。由于zsw只有h
φ
分量，因此磁场将根据期望的效果与两个回路相互作用。用于计算针对矩形坐标的r、l和c的相同过程可以根据期望应用于其它坐标系。
[0074]
现在考虑主要具有垂直电流的发射结构(例如，短截天线、加载的单极天线或其它适当的高电流探针结构或换能器)，其可以将能量输送到入射波。在从发射结构到zsw沿着边界的不受控行进区的过渡区中，由能量源输送给发射结构的能量包括本地存储部分、电路元件损耗部分和移动部分。电路元件损耗部分包括在各种发射探针组件中转化为热量的所有能量以及在ρ方向的可极化元件中生成的热量。移动部分是包括作为热量在地球中损失的一小部分和根据zsw的特性沿着地表传播的大部分的能量。
[0075]
如图4中所示，ρ方向的acp元件403的最实际布置是将它们从当前结构(发射结构)406径向向外延伸对准并且根据以发射结构的垂直中心为原点的圆柱形坐标系在φ方向上以均匀的角度将它们移位。在这种圆柱形布置下，各个acp元件403的极化特性的值随着径向距离的增加而增加，使得每单位体积的平均ρ方向极化保持恒定。在其它实施方式中，φ方向上的边长可以随着半径的增加而缩短。在这种情况下，acp系统可以布置在圆柱形外壳中，随着半径的增加，每个外壳在φ方向上具有更多的片段。
[0076]
随着径向距离的增加，极化特性可以以各种方式增加。例如，如果包括rraad元件的acp元件403的集总元件能量存储电容器之间的径向间距保持恒定(例如，小于波长的1/10)，如图4中所描绘的，那么电容器的尺寸可以与距当前结构(发射结构)406的距离成比例增加。在其它实施方式中，如果电容器值保持恒定，那么电容器之间的间距可以随着距探针的半径增加而增加。实现能量损失电导的修改表现出相同的行为。注意的是，用于可极化元件的集总元件电阻器是根据它们的电导倒数特性来使用的，因为它们被用于匹配区域1中的材料(例如，地球)的电导特性。
[0077]
ρ方向的acp元件403也可以在垂直方向(z)上堆叠，使得用于zsw的垂直传播分量的波阻抗延伸到界面上方的高度。acp元件(例如，rraad元件)403的层可以垂直堆叠到足以确保沿着其垂直范围与发射结构良好耦合的高度。
[0078]
不同的发射结构配置可以被用于将传播波耦合到zsw模式中。可以调整ρ方向的acp元件的垂直范围，以匹配每个发射结构的尺寸和形状以及发射特点。ρ方向的acp元件的布置的径向范围也将取决于发射结构的尺寸和形状以及发射特点。acp元件的阵列的整体尺寸将由尽可能多地捕获从发射结构耦合的能量与阵列的尺寸限制(诸如例如适合发射结构周围的可用空间)和/或将阵列的成本维持在规定的限度内之间的权衡来支配。
[0079]
由于zsw没有电场的φ方向分量，因此有可能使用acp元件(例如，rraad元件)的矩形阵列来创建期望的各向异性介电常数特点，使得区域2(例如，空气)中的投影的阻抗分量与区域1(例如，地球)的相匹配。rraad元件的x-y网格对于电场的e
ρ
分量可以获得与径向阵列相同的效果，并且rraad元素本身不需要随着与发射结构的距离而改变。图5图示了具有acp元件403的阵列的网络拓扑的示例，该阵列包括在x-y平面中以网格图案分布的rraad元件。对于网格实施方式，所有集总组件值都可以相等。x-y网格的缺点是将使用更多的能量存储和能量损耗的集总元件组件。
[0080]
如图5中可见，阵列的每个单位单元格503包括在x和y方向上的未电连接的rraad
元件(电阻器和电容器)，其提供独立的极化。元件的这种组合的双极化会同等地影响和使得x和y朝向的rraad元件等同于径向rraad元件。双极化rraad元件可以分布在一个或多个层中以提供水平定向的acp元件403的阵列。图6a示出了单层11x11网格线的示例，其中双极化的rraad元件位于x-y交叉点处。阵列中单元格的间距可以基于激励频率下波长(λ0)的一部分。例如，阵列的间距维度可以是δx＝δy＝λ0/10，或者rraad元件之间的间隔可以是≤λ0/10。在图6a的示例中，该阵列提供了总尺寸为λ0×
λ0的acp元件403的电矩形acp层。中央rraad元件(圆圈)和四根连接线可以从阵列的中心603移除并替换为发射结构，以提供发射结构周围所有方向上的acp匹配。图6a的阵列可以类似地在接收结构周围分布。沿着阵列的周边的rraad元件仅影响基于连接线的x和y朝向的一个极化(场方向)。由于角落rraad元件在每个方向上仅连接到一根电线，因此可以如图所示将其移除。
[0081]
图6b示出了具有位于x-y交叉点处的双极化rraad元件的导线的10x10网格的单层的另一个示例。阵列中单位单元格503的间距可以基于激励频率的波长(λ0)的一小部分。例如，阵列的间距维度可以是δx＝δy＝λ0/10，或者rraad元件之间的间隔可以是≤λ0/10。半长导线(例如，δx/2＝δy/2＝λ0/20)从每个最外面的双极化rraad元件延伸。如在图6a中那样，图6b的阵列配置提供acp元件403的电矩形acp层，其总体维度是λ0×
λ0，但将rraad元件的数量减少到100。发射结构可以定位在阵列的中心603(圆圈)以提供发射结构周围的所有方向的acp匹配。图6b的阵列可以类似地在接收结构周围分布。
[0082]
包括acp元件403的多个acp层606(诸如图6a和6b中的示例)可以垂直堆叠以形成如图6c中所示的acp。层606之间的间距(δz)可以基于激励频率的波长(λ0)的一小部分。间距可以是均匀的，底层定位在地球表面上方δz/2(或在该有效接近范围内)。例如，acp层606之间的间距可以与阵列(δx，δy)的间距维度相同或是其一小部分。例如，垂直间距可以是δz＝δx/4＝δy/4＝λ0/40。垂直间距也可以基于区域1的介电常数(ε
r，1
)以网格波长(λg)确定。例如，对于ε
r，earth
＝16，δz＝λg/10，其中λg＝λ0/4。也可以使用其它垂直间距(δz)。
[0083]
ρ方向上的波阻抗将很大程度上不受用于修改z方向的波阻抗的ρ方向rraad元件的影响。ρ方向的波阻抗不需要能量损失特点用于zsw的有效发射。在最简单的情况下，不需要在垂直方向(z)上布置acp元件，并且可以通过区域2(例如，空气)的电特性来控制波阻抗。
[0084]
垂直acp元件。在一些实施方式中，例如当操作频率降低时，可以期望引入纯能量存储元件，诸如例如经由低损耗导体串联连接的集总元件电容器，以形成垂直布置或z方向的vlaad元件，这些元件用于降低ρ方向的波阻抗，从而增加紧邻发射结构的径向传播常数的值。径向传播常数的增加会造成zsw的波长减小，从而减小用于部署ρ方向rraad元件的径向范围。
[0085]
通过增加径向传播常数，发射结构在径向方向上变成相速度降低(或慢波)结构。因此，在径向延伸的acp结构上方的垂直(法线)方向上的区域2(例如，空气)中的传播常数变为纯实数，这迫使波在z方向上渐逝。换句话说，消除了来自当前结构(发射结构)在垂直方向上的辐射。当前结构上方的区中场分量的性质与纯zenneck波沿着区域1(例如，地球)的表面传播时的场特点非常相似(或匹配)。具有高相似性的场特点是发射结构能量与期望
zsw模式匹配的重要因素。
[0086]
通过适当地选择acp圆柱形的半径，部署z方向的vlaad元件允许圆柱形区域内的ρ方向上的波阻抗与区域2(例如，空气)中的波阻抗匹配。如上所述，根据描述波中e和h场的hankel函数的性质，ρ方向上的波阻抗随着ρ值而改变。虽然z方向的vlaad元件在ρ方向上产生hankel函数行为的压缩，使得在更短的物理距离上实现渐近阻抗值，但ρ的小值的阻抗仍将非常接近区域中的阻抗2(例如，空气)并且可以不使用阻抗匹配元件。
[0087]
但是，渐近阻抗值(例如，大自变量渐近线)可以低于自由空间的渐近阻抗值，因此匹配较大的ρ值可以是适当的。例如，具有作为内段和空气的几何平均值的阻抗值的z向acp元件的第二径向段可以被用于匹配并使径向范围等于四分之一波长。
[0088]
水平人工各向异性磁导率(haamp)元件。用于阻抗匹配和在发射探针周围创建慢波区的另一种方法是在φ方向上使用haamp元件，使得电感元件与h
φ
相互作用以增加呈现给zsw的有效磁导率。haamp电感元件的总体影响是波的相速度以与vlaad元件相同的方式降低，但同时增加了ρ方向阻抗。通过使用电感元件的磁导率值和使用vlaad元件的介电常数的适当选择，阻抗可以基本上匹配自由空间值，即使在实现增强的慢波行为时也是如此。
[0089]
如前面所讨论的，haamp元件可以在发射结构周围定位或排列，以修改ρ方向上的传播常数并将ρ方向阻抗与区域2(例如，空气)的固有阻抗相匹配。图7图示了haamp元件703的示例，其分布在发射结构706周围并且与水平φ方向磁场对准。haamp元件703的阵列可以包括定位在距发射结构706一个或多个径向距离处的多组haamp元件703。haamp元件703可以包括被连接以形成闭合回路导体元件的导体(例如，集总元件电感器)的回路。导体(或电感器)的回路可以包括抽头，可以在这些抽头之间切换以控制或调整由haamp阵列呈现的有效磁导率。在一些实施方式中，导体(或电感器)的回路可以耦合到电容器，电容器可以改变或切换以提供调整或修改。虽然haamp元件703被示为分布为圆柱形系统，但它们也可以在具有独立受控的x和y朝向的haamp元件的矩形系统中实现，类似于rraad系统。
[0090]
使用如图6a和6c所示的rraad元件的堆叠阵列来实现acp系统，用于在50mhz的频率下进行验证。rraad元件排列成堆叠的阵列，包括分布在发射结构周围的5层rraad元件，如图6a中所示。rraad元件包括互连的印刷电路板(pcb)，其中用于x和y朝向的r和c集总元件部署在pcb的相对侧。虽然用于x和y朝向的极化元件可以驻留在同一个pcb上，但极化元件没有电连接。导线连接在那层中相邻的pcb之间以形成矩形网格。
[0091]
每个rraad电路模块包括控制板和阻抗板，阻抗板具有由并联的集总电阻器和电容器元件组成的两个独立可控电路。选择电阻器和电容器值的可选择范围以便以128个(7位)步长给出从大约8ms/m到165ms/m的“人工”电导率和以8个(3位)步长从4到45的“人工”相对介电常数。对于这个实验，sigma指数值被限制在0到110的范围内，给出的sigma范围从大约8到63.2ms/m。用于sigma的指数和参数值是非线性的，因为电阻器被用于创建电导率值。因此，电导率步长与电阻性步长成反比。
[0092]
rraad模块使用长度约20英寸的实心16规格绝缘镀锡铜线以矩形网格互连。选择矩形网格布置而不是圆柱形部署以简化电路设计和控制。对于圆柱形部署，或者分量值或者间距作为与发射结构的距离的函数而变化。控制输入经由具有rf电感扼流圈的电源连接线与电路板通信，以将dc和低频控制信号与50mhz波能量隔离开来。模块经由在pc膝上型计算机上运行的程序被控制。
[0093]
使用50mhz的激励执行测试并在几个小时内收集数据。图8a是图示e
ρ
和h
φ
之间的测得的相位角803相对于采样点相位趋势线806的示例的绘图。收集的数据证实，rraad元件确实会影响e
ρ
分量的阻抗和相位。sigma索引值809是发送到acp元件控制板的二进制代码，以选择调整阵列中rraad元件的有效电导率的电阻值。最低的电导率在图表的左侧。用于这些绘图的介电常数值是针对单个设定点，该设定点被设置为接近15的相对介电常数值。第一个数据点812表示其中acp板被禁用的情况。值-20被用作sigma索引值812以指示禁用状态。在禁用模式下，电阻性和电容性元件与互连导线断开连接。例如，与r和c元件的连接可以断开(或打开)，或者元件可以电气隔离。在一些实施方式中，r和c元件可以被短路。
[0094]
图8b示出了图示由fimr(场强测量/远程)阵列收集的归一化场强读数的示例的曲线图，该阵列从acp测试区部署到大约0.9英里。图8b中所示的绘图适用于四个部署位置(点a-d)。数据清楚地说明了绘图(a-d)的一般特点的相关性，其指示对“人工”电导率变化的改变具有共同的响应性。sigma索引点903的开始和结束处的线段识别rraad元件被禁用的点。第一个fimr数据点与实验结束时重复的“禁用”设置点不同。这可以归因于第一个点的数据与假设的系统状态不对应。
[0095]
在距发射结构大约一个波长的一个相位测量点处，使用环形天线对波的h
φ
分量进行采样，并使用可旋转双锥偶极子耦合到电场的径向和垂直分量。向量电压表(wm)被用于测量电场相对于h
φ
的ez和的e
ρ
的相对量值和相位。从天线到wm的连接是使用相位匹配的电缆完成的，这些电缆以发射结构为中心沿着地面呈近似圆弧状布置，以最小化电流感应到同轴电缆中。自e
φ
为零以来，圆形布置使与电场的耦合最小化。
[0096]
利用这种布置，有可能测量波的垂直投影(z方向)阻抗ηs和波倾斜角，包括ez与e
ρ
之间的相位差。回想一下，对于zsw，空气(或区域2)中的波浪倾斜角的值等于地球(或区域1)中复布鲁斯特角的实部。
[0097]
在50mhz时，对于15ms/m的σ和15的εr，波倾斜角应当是大约13.882度，并且ez与e
ρ
之间的相位差计算为大约9.887度。用于这个波倾斜的垂直投影的阻抗计算为大约90.475 j14.836欧姆。
[0098]
由于相位测量点距发射结构大约一个波长，对于给定的εr与σ，在大约6米处的波的ρ投影阻抗对于纯zsw可以确定为大约362.476 j25.688，。如果相位测量点移到大约五个波长(或30m)之外，那么ρ投影的波阻抗将大约等于η0，并且ez将几乎与h
φ
同相。e
ρ
在一个波长点处测得的ez的量值可以按比例缩放以获得对垂直投影的阻抗的量值的粗略估计，并且ez与h
φ
之间的相位测量被用于将其分解成电阻性和电感性分量。ez和h
φ
之间的相位角被测量为大约13度。
[0099]
基于ez与h
φ
之间测得的相位差为发射结构布置计算的ρ投影的阻抗η
ρ
的估计值被发现为大约361 j80欧姆。垂直投影的阻抗ηs可以通过取ez和e
ρ
的量值值的比率来找到，并相应地缩放阻抗值。两个电场之间的缩放因子被确定为大约6.8。基于量值的波倾斜角是1/6.8或大约8.3度的反正切。测得的电场之间的相位角大约为27度(40-13)。对于这些数据，垂直方向的阻抗被估计为大约48 j24欧姆。显然，数据示出了与针对选择的土壤参数的zsw发射估计的表面阻抗值的差异，并且由此产生的径向数据证实了这一事实。
[0100]
测量允许对波倾斜的良好估计。由于测量电场分量相对于φ方向磁场的相位和振幅相对简单，因此容易确定ez与e
ρ
之间的缩放因子和相位差。测得的8.3度的波倾斜与预测
的13.882值相比，似乎指示土壤特性与所选择的值有很大不同。还要注意的是，波倾斜特性随与发射探针的距离而变化，波阻抗也是如此。即使有这些变化，最初的测试结果还是相当令人鼓舞的。
[0101]
通常，人们根据friis传输方程计算从发射器输送到接收器的功率。使用friis方程，假设功率密度从假设的各向同性辐射点源下降1/4πr2。对于圆柱形表面波，可以假设各向同性垂直线是发射源并以瓦特/米表述功率密度，而不是像对于辐射那样以瓦特/m2表述。通过假设无限线源，有可能只考虑接收器的有效宽度作为接收探针的增益函数。
[0102]
按照与球面波的类比，接收元件的有效宽度将是接收元件增益gr乘以λ/2π。在更正式的表示法中，用于接收功率的方程将是
[0103][0104]
其中pr是接收到的功率，p
t
是由发射探针结构传输的功率，g
t
是发射探针增益，gr是接收结构的增益，λ是近似c/f的波长，并且r是从发射探针到接收器的距离。对于hankel函数，确切的波长随距离而变化，但c/f将为我们的目的给出良好的估计。
[0105]
可以将方程(14)与friis传输方程进行比较，该friis传输方程是
[0106][0107]
用于圆柱形波发射探针和圆柱形波接收器的增益以与天线不同的方式计算。zsw就是这样的圆柱形波，并且如果在φ方向上没有波的聚焦，那么发射探针或接收器的增益等于一。通过经由失配反射和电阻性损耗校正可用信号源功率ps可以找到所传输功率的值。还可以在方程(14)中包括损耗因子项，以解释当σ和ε值已知时zsw的衰减。
[0108]
接收结构。对于功率传送应用，接收结构可以高效地耦合到zsw模式，以便可以从圆柱形传播波中提取最大功率。acp结构通过增加物理接收结构的有效电气维度来提高耦合效率。当行进zsw或，在全局zsw的情况下，驻波与接收器acp可极化元件相互作用时，能量的波长减小并且可极化元件上方的传播常数以类似于发射探针结构的方式更改。在接收结构上方，区域2(例如，空气)中的波在特性上将是渐逝的并且波中的能量将集中在acp区中。
[0109]
对于全局驻波(或任何驻表面波)的接收结构而言，具有与发射结构的特性相反的特性是非常有益的，从而来自接收结构的任何反射本身就是zsw。如果不是这种情况，那么反射的能量将丢失到辐射中。
[0110]
图9a和9b图示了采用根据常规接收器的单极天线的简单接收结构与采用acp元件将可用电磁功率集中在接收结构周围的接收结构的功率密度模拟结果的示例。虽然模拟可以产生精细分辨率的渐变，但为了清晰和可再现性，图9a和9b中提供的表示已被简化以示出有限数量的渐变。如图9a中所见，电磁能量的辐射源(或发射结构)1103在左侧建模，产生向右行进的波。常规的单极接收器1106被放置在三个波长的距离处。接收器(或接收结构)1106耦合到行进的波以从行进的波中提取能量。看到行进能量出现在接收结构周围并继续向右。
[0111]
在图9b中，包括vlaad和haamp元件的acp元件被放置在接收结构1106周围，形成慢波区。由vlaad和haamp元件的acp系统创建的有效εr和μr被设置为相等的值。在这个简单的示例中，它们的值设置为十，因此行进的波看到的阻抗等于自由空间的阻抗，而相速度降低了十倍。如图9b中所见，场强集中在接收结构1106周围的区中，并且接收结构1106上方和右
侧的场大大衰减，指示已从波中提取能量。
[0112]
如上所述，acp系统的任何元件都可以根据特定安装的条件单独控制。这允许acp系统在发射或接收区内或附近具有干扰结构或周围介质的其它特点的动态行为或非均匀分布。元件的控制可以作为自动反馈网络的一部分来完成，其中可以在所选择的点处测量期望的波特性的测量，并且此类测量被用于调整acp元件以针对可能遇到的任何条件给出期望的性能结果。本领域技术人员将认识到，对于一些条件，各向异性控制调整可以包括在不偏离本发明的特征的情况下成分在各个方向上采取相等值的条件。
[0113]
无论何时使用vlaad和haamp元件来增加径向上的介电常数和磁导率，它们都会为在ρ方向上行进的能量创建慢波传播区域。在acp元件上方的区域中，径向(ρ)方向的传播常数必须与acp慢波传播常数相匹配。这个边界条件还要求垂直方向(z)上的传播常数成为纯实数，与z方向上渐逝特点的创建对应。acp元件上方的场在径向方向上传播，但仅衰减，z中的相位没有改变。由于acp元件(例如，vlaad和haamp元件)上方的区没有上限，因此其效果是创建具有近似无限垂直源元件的特性的缓慢传播的圆柱形波。许多理论研究(诸如hill和wait的“excitation of the zenneck surface wave by a vertical aperture”(radio science，第13卷，第6期，第969-977页，1978年11月至12月)，在此通过引用并入它的全部)已经识别出创建zsw所需的条件。本公开呈现了可以满足这些理论研究的源结构(发射结构)。
[0114]
本公开的各方面涉及acp元件以形成可以被用于发射或接收zenneck表面波或其它类型的表面波的acp系统。在一个方面，除其它外，acp系统尤其包括分布在边界介质(例如，有损电介质、陆地介质或地球)上方(或在有效接近范围内)的acp元件的阵列。acp元件的阵列可以包括定位在边界介质上方(或在其有效接近范围内)的第一多个rraad元件，其中第一多个rraad元件包括在第一朝向上延伸的一个或多个系列的互连的rraad元件，其中第一多个rraad元件在边界介质上方(或距其一定距离)的高度处形成水平层。acp元件的阵列可以是圆柱形阵列，其中一个或多个系列的互连的rraad元件中的每个线性地定向在ρ方向上。在一个或多个方面，acp元件的阵列可以包括rraad元件的第二水平层，其定位在分布在边界介质(例如，有损电介质、陆地介质或地球)上方(或距边界介质的一定距离)的高度处的rraad元件的水平层上方(或与其有一定距离)并且基本上与其平行。rraad元件的第二水平层可以包括在水平层中定位在第一多个rraad元件上方(或距其一定距离)的第二多个rraad元件，第二多个rraad元件包括在第一朝向上延伸的一个或多个系列的互连的rraad元件。
[0115]
在各个方面，acp元件的阵列可以包括定位在边界介质上方(或在其有效接近范围内)的第二多个rraad元件，第二多个rraad元件包括在相对于第一方向的第二方向上延伸的一个或多个系列的互连的rraad元件。第一多个rraad元件和第二多个rraad元件可以在边界介质上方(或距其一定距离)的高度处形成水平层。第一多个rraad元件的一个或多个系列的互连的rraad元件中的各个rraad元件系列可以包括通过在第一朝向上延伸的导线串联耦合的多个rraad元件，和/或第二多个rraad元件的一个或多个系列的互连的rraad元件中的各个rraad元件系列可以包括通过在第二朝向上延伸的导线串联耦合的多个rraad元件。第一多个rraad元件的一个或多个系列的互连的rraad元件的rraad元件和第二多个rraad元件的一个或多个系列的互连的rraad元件中的rraad元件可以与那个系列中的相邻
元件隔开既定距离。既定距离可以是应用于acp系统的电磁激励的波长(λ0)的一小部分。既定距离可以小于或等于λ0/10。rraad元件的矩形阵列的总体维度可以是λ0×
λ0。边界介质上方(或距其一定距离)的水平层的高度可以是波长(λ0)的一小部分。
[0116]
在一些方面，acp元件的阵列可以是矩形阵列，其中第一多个rraad元件的一个或多个系列的互连的rraad元件线性地定向在x方向上，并且第二多个rraad元件的一个或多个系列的互连的rraad元件在基本上垂直于x方向的y方向上线性朝向。rraad元件的矩形阵列可以不包括位于矩形阵列的角落处的rraad元件。第一多个rraad元件的各个rraad元件可以与第二多个rraad元件的对应个体rraad元件并置。第一多个rraad元件的个体rraad元件和第二多个rraad元件的对应个体rraad元件可以在公共基板上实现。第一多个rraad元件中的个体rraad元件可以包括安装在印刷电路板(pcb)的第一侧上的第一电容器和第一电阻器，并且第二多个rraad元件中的对应个体rraad元件可以包括安装在pcb的第一侧或第二侧的第二电容器和第二电阻器。
[0117]
在一个或多个方面，acp元件的阵列可以包括rraad元件的第二水平层，其定位在分布在边界介质(例如，有损电介质、陆地介质或地区)上方(或距其一定距离)的高度处的rraad元件的水平层上方(或在其有效接近范围内)并且基本上与其平行。rraad元件的第二水平层可以包括在水平层中定位在第一多个rraad元件上方(或距其一定距离)的第三多个rraad元件，第三多个rraad元件包括在第一朝向上延伸的一个或多个系列的互连的rraad元件；以及在水平层中定位在第二多个rraad元件上方(或距其一定距离)的第四多个rraad元件，第四多个rraad元件包括在第二朝向上延伸的一个或多个系列的互连的rraad元件。第三多个rraad元件的一个或多个系列的互连的rraad元件的每个rraad元件系列可以与第一多个rraad元件的一个或多个系列的互连的rraad元件的对应rraad元件系列基本对准，并且第四多个rraad元件的一个或多个系列的互连的rraad元件的每个rraad元件系列可以与第二多个rraad元件的一个或多个系列的互连的rraad元件的对应rraad元件系列基本对准。rraad元件的第二水平层可以通过施加到acp系统的电磁激励的波长(λ0)的一小部分与rraad元件的水平层分开。rraad元件的第二水平层与rraad元件的水平层之间的间隔可以是rraad元件水平层高度的大约两倍。
[0118]
在各个方面，acp元件的阵列可以分布在发射结构周围，该发射结构被配置为利用频率(f0)的电磁场来激励acp系统。acp元件的阵列可以分布在发射结构的一侧。acp元件的阵列的各个rraad元件可以包括并联连接的电容器和电阻器，电容器和电阻器包括一个或多个集总元件组件。电容器可以包括可变电容，电阻器包括可变电阻，或两者。acp元件的阵列可以包括分布在边界介质(例如，有损电介质、陆地介质或地球)上方(或在其有效接近范围内)的多个垂直无损耗人工各向异性电介质(vlaad)元件、定位在边界介质上方(或距其一定距离)的多个vlaad元件，包括在基本上垂直于水平层的第二朝向上延伸的一个或多个系列的互连的vlaad元件的多个vlaad元件。多个vlaad元件中的各个vlaad元件可以包括电容器，该电容器包括一个或多个集总元件组件。电容器可以包括可变电容。一个或多个系列的互连的vlaad元件中的各个vlaad元件可以与相邻的vlaad元件隔开施加到acp系统的电磁激励的波长(λ0)的一小部分。
[0119]
在一个或多个方面，acp系统可以包括分布在边界介质(例如，有损电介质、陆地介质或地区)上方(或其有效接近范围内)的haamp元件的阵列，haamp元件的阵列包括定位在
边界介质上方(或距其一定距离)的多个haamp元件。haamp元件的阵列的各个haamp元件可以包括电感器或导体的回路，电感器包括集总元件组件。电感器或导体的回路可以耦合到电容器。haamp元件的阵列可以是圆柱形阵列，其中多个haamp元件定向在φ方向。haamp元件的阵列可以是矩形阵列，包括以第二朝向定位在介质1(例如，陆地介质)上方的第一多个haamp元件；以及以第三朝向定位在介质1(例如，陆地介质)上方的第二多个haamp元件，该第三朝向基本上垂直于第二朝向。第一朝向可以与第二朝向基本相同。
[0120]
本公开的其它示例实施例包括：
[0121]
示例1.一种各向异性本构参数(acp)系统，包括：
[0122]
acp元件的阵列，分布在陆地介质上方，acp元件的阵列包括：
[0123]
定位在陆地介质上方的第一多个径向电阻性人工各向异性电介质(rraad)元件，第一多个rraad元件包括在第一朝向上延伸的一个或多个系列的互连的rraad元件，其中第一多个rraad元件在陆地介质上方一定高度处形成水平层。
[0124]
示例2.示例1的acp系统，其中acp元件的阵列是圆柱形阵列，一个或多个系列的互连的rraad元件中的每个线性地定向在ρ方向上。
[0125]
示例3.示例1的acp系统，其中acp元件的阵列包括rraad元件的第二水平层，其定位在分布在陆地介质上方一定高度处的rraad元件的水平层上方并且基本上与其平行，rraad元件的第二水平层包括：
[0126]
定位在水平层中的第一多个rraad元件上方的第二多个rraad元件，第二多个rraad元件包括在第一朝向上延伸的一个或多个系列的互连的rraad元件。
[0127]
示例4.示例1的acp系统，其中acp元件的阵列包括定位在陆地介质上方的第二多个rraad元件，第二多个rraad元件包括在相对于第一朝向的第二朝向上延伸的一个或多个系列的互连的rraad元件，其中第一多个rraad元件和第二多个rraad元件在陆地介质上方一定高度处形成水平层。
[0128]
示例5.示例4的acp系统，其中第一多个rraad元件的一个或多个系列的互连的rraad元件中的各个rraad元件系列包括通过在第一朝向上延伸的导线串联耦合的多个rraad元件，并且第二多个rraad元件的一个或多个系列的互连的rraad元件中的各个rraad元件系列包括通过在第二朝向上延伸的导线串联耦合的多个rraad元件。
[0129]
示例6.示例4的acp系统，其中第一多个rraad元件的一个或多个系列的互连的rraad元件和第二多个rraad元件的一个或多个系列的互连的rraad元件的rraad元件与那个系列中的相邻元件隔开既定距离。
[0130]
示例7.示例6的acp系统，其中既定距离是施加到acp系统的电磁激励的波长(λ0)的一小部分。
[0131]
示例8.示例7的acp系统，其中既定距离小于或等于λ0/10。
[0132]
示例9.示例7的acp系统，其中rraad元件的矩形阵列的总尺寸是λ0xλ0。
[0133]
示例10.示例7的acp系统，其中陆地介质上方的水平层的高度是波长(λ0)的一小部分。
[0134]
示例11.示例4的acp系统，其中acp元件的阵列是矩形阵列，其中第一多个rraad元件的一个或多个系列的互连的rraad元件线性地定向在x方向上并且第二多个rraad元件的一个或多个系列的互连的rraad元件线性地定向在基本上垂直于x方向的y方向上。
[0135]
示例12.示例11的acp系统，其中rraad元件的矩形阵列不包括在矩形阵列的拐角处的rraad元件。
[0136]
示例13.示例11的acp系统，其中第一多个rraad元件的每个个体rraad元件与第二多个rraad元件的对应个体rraad元件并置。
[0137]
示例14.示例13的acp系统，其中第一多个rraad元件的个体rraad元件与第二多个rraad元件的对应个体rraad元件在公共基板上实现。
[0138]
示例15.示例14的acp系统，其中第一多个rraad元件中的个体rraad元件包括安装在印刷电路板(pcb)的第一侧上的第一电容器和第一电阻器并且第二多个rraad元件中的对应个体rraad元件包括安装在pcb的第二侧上的第二电容器和第二电阻器。
[0139]
示例16.示例4的acp系统，acp元件的阵列包括定位在分布在陆地介质上方一定高度处的rraad元件的水平层上方并且基本上与其平行的rraad元件的第二水平层，rraad元件的第二水平层包括：
[0140]
在水平层中定位在第一多个rraad元件上方的第三多个rraad元件，第三多个rraad元件包括在第一朝向上延伸的一个或多个系列的互连的rraad元件；以及
[0141]
在水平层中定位在第二多个rraad元件上方的第四多个rraad元件，第四多个rraad元件包括在第二朝向上延伸的一个或多个系列的互连的rraad元件。
[0142]
示例17.示例16的acp系统，其中第三多个rraad元件的一个或多个系列的互连的rraad元件的每个rraad元件系列与第一多个rraad元件的一个或多个系列的互连的rraad元件的对应rraad元件系列基本对准，并且第四多个rraad元件的一个或多个系列的互连的rraad元件的每个rraad元件系列与第二多个rraad元件的一个或多个系列的互连的rraad元件的对应rraad元件系列基本对准。
[0143]
示例18.示例16的acp系统，其中rraad元件的第二水平层通过施加到acp系统的电磁激励的波长(λ0)的一小部分与rraad元件的水平层分开。
[0144]
示例19.示例18的acp系统，其中rraad元件的第二水平层与rraad元件的水平层之间的间隔是rraad元件水平层高度的大约两倍。
[0145]
示例20.示例1的acp系统，其中acp元件的阵列分布在发射结构周围，该发射结构被配置为利用频率(f0)的电磁场来激励acp系统。
[0146]
示例21.示例20的acp系统，其中acp元件的阵列分布在发射结构的一侧。
[0147]
示例22.示例1的acp系统，其中acp元件的阵列的各个rraad元件包括并联连接的电容器和电阻器，电容器和电阻器包括一个或多个集总元件组件。
[0148]
示例23.示例22的acp系统，其中电容器包括可变电容，电阻器包括可变电阻，或两者。
[0149]
示例24.示例1的acp系统，其中acp元件的阵列包括分布在陆地介质上方的多个垂直无损耗人工各向异性电介质(vlaad)元件、定位在边界介质上方的多个vlaad元件，包括在基本上垂直于水平层的第二朝向上延伸的一个或多个系列的互连的vlaad元件的多个vlaad元件。
[0150]
示例25.示例24的acp系统，其中多个vlaad元件中的各个vlaad元件包括电容器，该电容器包括一个或多个集总元件组件。
[0151]
示例26.示例25的acp系统，其中电容器包括可变电容。
[0152]
示例27.示例24的acp系统，其中一个或多个系列的互连的vlaad元件中的各个vlaad元件与相邻的vlaad元件隔开施加到acp系统的电磁激励的波长(λ0)的一小部分。
[0153]
示例28.示例1的acp系统，包括分布在陆地介质上方的水平人工各向异性磁导率(haamp)元件的阵列，haamp元件的阵列包括定位在陆地介质上方的多个haamp元件。
[0154]
示例29.示例28的acp系统，其中haamp元件的阵列的各个haamp元件包括电感器或导体的回路，电感器包括集总元件组件。
[0155]
示例30.示例29的acp系统，其中电感器或导体的回路耦合到电容器。
[0156]
示例31.示例28的acp系统，其中haamp元件的阵列是圆柱形阵列，其中多个haamp元件定向在φ方向。
[0157]
示例32.示例28的acp系统，其中haamp元件的阵列是矩形阵列，包括：
[0158]
以第二朝向定位在介质1上方的第一多个haamp元件；以及
[0159]
以第三朝向定位在介质1上方的第二多个haamp元件，该第三朝向基本上垂直于第二朝向。
[0160]
示例33.示例32的acp系统，其中第一朝向与第二朝向基本相同。
[0161]
应当强调的是，贯穿本公开的实施例是为便于理解本公开的原理而提供的实施方式的示例。可以对上述(一个或多个)方面或(一个或多个)实施例进行许多变化和修改，而基本上不背离本公开的总体原理。所有此类修改和变化都旨在包括在本公开的范围内并受以下权利要求保护。此外，所描述的方面或实施例的所有可选的和优选的特征和修改都可用于本文教导的本公开的所有方面。此外，从属权利要求的各个特征，以及所描述的方面或实施例的所有可选的和优选的特征和修改，可以相互组合和互换。
[0162]
术语“基本上”意在允许偏离描述性术语而不会对预期目的产生负面影响。描述性术语被隐含地理解为被词“基本上”修饰，即使该术语没有被词“基本上”显式地修饰。
[0163]
注意的是，比率、浓度、量和其它数值数据可以在本文中以范围格式表述。应该理解的是，使用这种范围格式是为了方便和简洁，因此，应当以灵活的方式解释，以便不仅包括明确列举为范围限制的数值，而且还包括涵盖在那个范围内的所有个体数值或子范围，就好像每个数值和子范围都被明确地叙述一样。为了说明，“大约0.1％至大约5％”的浓度范围应当被解释为不仅包括明确列举的大约0.1wt％至大约5wt％的浓度，而且还包括指定范围内的单独的浓度(例如，1％、2％、3％和4％)以及子范围(例如，0.5％、1.1％、2.2％、3.3％和4.4％)。术语“大约”可以包括根据数值的有效数字的传统四舍五入。此外，短语“大约
‘
x’到
‘y’”
包括“大约
‘
x’到大约
‘y’”
。