CN108348757A - 具有被引导的表面波的电力内部医疗设备 - Google Patents

Abstract

公开的是一种可植入的医疗设备和使用该医疗设备的方法。医疗设备可以包括被引导的表面波接收结构，其被配置为接收由被引导的表面波导探头发送的被引导的表面波。当接收到被引导的表面波时，医疗设备中的被引导的表面波接收结构产生交流信号。医疗设备包括被耦合到被引导的表面波接收结构的电力电路。电力电路包括用于存储电力信号的电力存储电路。医疗设备包括医疗电路，该医疗电路包括刺激电路、监测电路以及可能的其他组件。刺激电路为人体提供刺激。监测电路测量人体的特性。

Description

具有被引导的表面波的电力内部医疗设备

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年9月09日提交的序列号为62/215,868的美国申请的优先权和权益，其全部内容通过引用并入本文。

本申请涉及题目为“Excitation and Use of Guided Surface Waves Mode onLossy Media”的共同未决(co-pending)的美国非临时专利申请，其于2013年3月7日提交并且转让申请号为13/789,538，并且其于2014年9月11日公开号US2014/0252886A1进行公开，并且其全部内容通过引用并入本文。本申请还涉及题目为“Excitation and Use ofGuided Surface Wave Modes on Lossy Media”的共同未决(co-pending)的美国非临时专利申请，其于2013年3月7日提交并且转让申请号为13/789,525，并且其于2014年9月11日公开号US2014/0252865A1进行公开，并且其全部内容通过引用并入本文。本申请还涉及题目为“Excitation and Use of Guided Surface Wave Modes on Lossy Media”的共同未决(co-pending)的美国非临时专利申请，其于2014年9月10日提交并且转让申请号为14/483,089，并且其全部内容通过引用并入本文。本申请还涉及题目为“Excitation and Use ofGuided Surface Waves”的共同未决(co-pending)的美国非临时专利申请，其于2015年6月2日提交并且转让申请号为14/728,507，并且其全部内容通过引用并入本文。本申请还涉及题目为“Excitation and Use of Guided Surface Waves”的共同未决(co-pending)的美国非临时专利申请，其于2015年6月2日提交并且转让申请号为14/728,492，并且其全部内容通过引用并入本文。

背景技术

在医疗行业中，医疗设备通常被植入患者体以为高风险的患者提供连续护理。例如，患有心律失常的患者可能具有被植入在胸腔内的起搏器，该起搏器具有与心脏相连接的电子引线，以便当患者的心跳需要除颤时向心脏提供电脉冲。由于此类设备中的电池会放电或磨损，此类设备可能需要每隔几年被替换。这种替换可能涉及对患者带来风险的手术。

发明内容

根据一个实施例，一种医疗设备包括被引导的表面波接收结构，被配置为接收沿着由被引导的表面波导探头产生的地面介质行进的被引导的表面波。电力电路被电耦合到所述被引导的表面波接收结构。所述电力电路根据由所述被引导的表面波接收结构产生的交流信号来生成电力信号。医疗电路电耦合到电力电路。医疗电路包括被配置为测量人体特征的监测电路。

所述医疗电路包括被配置为向人体提供刺激的刺激电路。医疗电路被植入到人体中。所述电力电路包括被配置成存储所述电力信号的电力存储电路。监测电路被配置为测量脉搏、血压、温度、呼吸率、电信号、神经冲动、肌肉抽搐、电阻值、蛋白质周转率水平、氧水平、或人体的其他特征。

医疗电路包括被耦合到所述刺激电路和所述监测电路的计算设备。所述计算设备被配置为从监测电路接收至少一个测量并且引起刺激电路以向人体提供刺激。被引导的表面波接收结构通过阻抗匹配网络被耦合到所述电力电路。所述阻抗匹配网络被配置为使所述交流信号的反射最小化回到所述被引导的表面波接收结构。

所述刺激包括以下中的一种或多种：对腓神经的电刺激、对心室的电刺激、对胃的表面的电刺激、对听觉神经的电刺激、胰岛素分泌或其他刺激。医疗电路包括被连接到所述电力电路的计算设备，并且所述计算设备被配置为从感测设备获得测量，并且至少部分的基于所述测量启动对人体的刺激。

根据另一个实施例，被引导的波接收结构根据被引导的表面波产生交流(AC)信号。电力电路将在所述AC信号中生成实施的电能供应到包括监测电路和刺激电路的医疗电路。检测电路确定来自人体的至少一个测量。刺激电路经由刺激电路提供刺激电路以向人体提供刺激。

医疗电路包括计算设备。计算设备从所述监测电路接收测量。计算设备引起所述刺激电路以提供所述刺激。计算设备经由网络连接从所述监测电路接收预配置的脉冲和描述测量的发送信息。

计算设备接收修改用于提供刺激的至少一个阈值的请求，并且基于所述请求来修改所述阈值以产生阈值。计算设备引起所述刺激电路以基于所述修改的阈值来提供所述刺激。计算设备经由网络连接接收软件包。所述软件包包括所述软件包的散列，计算设备基于所述散列验证所述软件包。计算设备接收将所述软件包编程到与所述计算设备相关联的存储器中的请求。计算设备将所述软件包存储在所述存储器中。计算设备验证所述软件包已经被成功存储并执行所述软件包。计算设备经由网络连接接收来自服务器的请求。计算设备基于安全证书来认证所述请求。

本公开的其他系统、方法、特征和优点对于本领域技术人员在研究以下附图和详细描述后将会或者变得显而易见。旨在将所有这些附加的系统、方法、特征和优点包括在本说明书内、在本公开的范围内，并且由所附权利要求保护。

另外，所描述的实施例的所有可选的和优选的特征以及修改可用于在此教导的整个公开内容的所有方面。此外，从属权利要求的各个特征以及所描述的实施例的所有可选的和优选的特征以及修改可以彼此组合并且可互换。

附图说明

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示出本公开的原理上。而且，在附图中，相似的附图标记表示贯穿多个视图的相应的部分。

图1是描绘作为用于被引导的电磁场和辐射的电磁场的距离的函数的场强的图表。

图2是示出根据本公开的各种实施例的具有用于被引导的表面波的发送的两个区域的传播界面的图。

图3是示出根据本公开的各种实施例的针对图2的传播界面布置的被引导的表面波导探头的图。

图4是根据本公开的各种实施例的一阶汉克尔(Hankel)函数的接近和远离渐近线的大小的示例的绘图。

图5A和5B是图示根据本公开的各种实施例的由被引导的表面波导探头合成的电场的复合入射角的图。

图6是示出根据本公开的各种实施例的位于其中图5A的电场与有损的传导介质以布鲁斯特(Brewster)角相交的位置处的电荷端子的升高的效果的图形表示。

图7是根据本公开的各种实施例的被引导的表面波导探头的示例的图形表示。

图8A至8C是示出根据本公开的各种实施例的图3和7的被引导的表面波导探头的等效镜像平面模型的示例的图形表示。

图9A和9B是示出根据本公开的各种实施例的图8B和图8C的等效镜像平面模型的单线发送线和经典发送线模型的示例的图形表示。

图10是示出根据本公开的各种实施例的调整图3和7的被引导的表面波导探头以沿着有损的传导介质的表面发射被引导的表面波的示例的流程图。

图11是示出根据本公开的各种实施例的图3和图7的被引导的表面波导探头的波倾斜角与相位延迟之间的关系的示例的图。

图12是示出根据本公开的各种实施例的被引导的表面波导探头的示例的图。

图13是示出根据本公开的各种实施例的在复合Brewster角处的合成电场的发生率以匹配在Hankel交叉距离处的被引导的表面波导模式的图形表示。

图14是根据本公开的各种实施例的图12的被引导的表面波导探头的示例的图形表示。

图15A包括根据本公开的各种实施例的被引导的表面波导探头的电荷端子T₁的相位延迟(Φ_U)的虚部和实部的示例的绘图。

图15B是根据本公开的各种实施例的图14的被引导的表面波导探头的示意图。

图16是示出根据本公开的各种实施例的被引导的表面波导探头的示例的图。

图17是根据本公开的各种实施例的图16的被引导的表面波导探头的示例的图形表示。

图18A至18C示出了根据本公开的各种实施例的可用于接收以由被引导的表面波导探头发射的被引导的表面波形式发送的能量的接收结构的示例。

图18D是示出根据本公开的各种实施例的调整接收结构的示例的流程图。

图19描绘了根据本公开的各种实施例的可用于接收以由被引导的表面波导探头发射的被引导的表面波形式发送的能量的附加的接收结构的示例。

图20A至20E描绘了根据本公开的各种实施例的各种示意性符号的示例。

图21是根据本公开的各种实施例的医疗环境的图示。

图22描绘了根据本公开的各种实施例的医疗设备。

图23描绘了根据本公开的各种实施例的医疗电路。

图24描绘了根据本公开的各种实施例的电力电路。

图25是示出根据本公开的各种实施例的被功能性地实现为图21的医疗设备中的逻辑部分的一个示例的流程图。

图26是示出根据本公开的各种实施例的被功能性地实现为图21的医疗设备中的逻辑部分的一个示例的流程图。

图27是提供根据本公开的各种实施例的图21的医疗环境中采用的计算环境和图23的医疗电路中采用的计算设备的一个示例图示的示意框图。

具体实施方式

首先，应该建立一些术语来提供对所遵循的概念的讨论中的清晰。首先，如本文所设想的，在辐射电磁场和引导电磁场之间划清形式区别。

如本文所设想的，辐射电磁场包括以不受波导限制的波的形式从源结构发出的电磁能。例如，辐射电磁场通常是离开诸如天线的电气结构并通过大气或其他介质传播并且不受任何波导结构限制的场。一旦辐射电磁波离开诸如天线的电气结构，它们就继续在独立于它们的源的传播介质(例如空气)中传播，直到它们耗散为止，而不管源是否继续操作。一旦辐射电磁波，除非被截获，否则它们是不可恢复的，并且如果不被截获，则辐射的电磁波中固有的能量永远损失。诸如天线的电气结构被设计为通过最大化辐射电阻与结构损耗电阻的比率来辐射电磁场。无论接收器是否存在，辐射的能量都会在空间中传播并损失。辐射场的能量密度由于是几何发散所以是距离的函数。因此，本文使用的以其所有形式的术语“辐射”是指电磁传播的这种形式。

引导电磁场是其能量集中在具有不同电磁特性的介质之间的边界内或附近的传播电磁波。在这个意义上，引导电磁场是受限于波导的电磁场，并且可以被表征为由在波导中流动的电流传送。如果没有负载接收和/或耗散在引导电磁波中传送的能量，则除了在引导介质的传导性中被耗散之外，不会有能量损失。换句话说，如果没有用于引导电磁波的负载，则不会消耗能量。因此，除非存在电阻性负载，否则生成引导电磁场的发生器或其他源不会传递真实功率。为此，这样的发生器或其他源基本上空闲地运行直到出现负载。这类似于运行发生器以产生在没有电负载的电力线上传输的60赫兹电磁波。应该注意的是，引导电磁场或波与所谓的“传输线模式”是等同的。这与其中为了生成辐射波而始终提供真实功率的辐射电磁波形成对比。与辐射电磁波不同，在能量源关闭之后，引导电磁能量不会继续沿有限长度的波导传播。因此，本文使用的以其所有形式的术语“引导”是指电磁传播的这种传输模式。

现在参考图1，所示出的是在以伏特/米为单位的任意基准以上的以分贝(dB)为单位的场强的曲线图100，其作为log-dB曲线图上的以千米为单位的距离的函数，以进一步图示辐射电磁场和引导电磁场之间的区别。图1的图形100描绘了引导场强曲线103，其示出了作为距离的函数的引导电磁场的场强度。该引导场强曲线103与传输线模式基本相同。而且，图1的图形100描绘辐射场强曲线106，其示出作为距离的函数的辐射电磁场的场强。

感兴趣的是分别用于引导波和用于辐射传播的曲线103和曲线106的形状。辐射场强曲线106几何地下降(1/d，其中d是距离)，其在对数-对数坐标上被描绘为直线。另一方面，引导场强曲线103具有特性指数衰减并且在对数-对数坐标上表现出区别的拐点109。引导场强曲线103和辐射场强曲线106在点112处相交，其发生在穿越距离(crossing distance)处。在小于交叉点112处的穿越距离的距离处，引导电磁场的场强在大多数位置处明显大于辐射电磁场的场强。在大于穿越距离的距离处，情况正好相反。因此，引导场强曲线103和辐射场强曲线106进一步图示了引导电磁场和辐射电磁场之间的基本传播差异。对于引导电磁场和辐射电磁场之间的差异的非正式讨论，可参考Milligan,T.,Modern Antenna Design,McGraw-Hill，1985年第1版，第8-9页，其通过引用整体并入本文中。

以上所做的辐射电磁波和引导电磁波之间的区别容易正式地表达，并置于严格的基础上。这两种不同的解决方案可以从同一个线性偏微分等式显露出来，即波动方程，从施加于问题的边界条件解析出来。用于波动方程的格林(Green)函数本身包含了辐射波和引导波的本质之间的区别。

在真空中，波动方程是微分算子，其特征函数拥有在复数波数平面上的特征值的连续谱。这个横向电磁(transverse electro-magnetic，TEM)场被称为辐射场，并且那些传播场被称为“赫兹(Hertzian)波”。然而，在存在传导边界的情况下，波动方程数学地加上边界条件导致波数的频表示，其由连续频谱加上离散谱的总和组成。为此，可参考Sommerfeld,A.,“Uber die Ausbreitung der Wellen in der DrahtlosenTelegraphie,”Annalen der Physik,Vol.28,1909,第665-736页。另见Sommerfeld,A.,“Problems of Radio,”；Collin，R.E.，其被公开于Partial Differential Equations in Physics–Lectures on Theoretical Physics:Volume VI的第六章,Academic Press,1949年,第236-289和295-296页；Collin,R.E.,“Hertzian Dipole Radiating Over a LossyEarth or Sea:Some Early and Late 20^th Century Controversies,”IEEE Antennas and Propagation Magazine,Vol.46,No.2,2004年4月,第64-79页；以及Reich,H.J.,Ordnung,P.F,Krauss,H.L.,and Skalnik,J.G.,Microwave Theory and Techniques,Van Nostrand,1953年,第291-293页,这些参考文献中的每一个都通过引用整体并入本文。

术语“地波”和“表面波”标识两个截然不同的物理传播现象。表面波从产生平面波频谱中的离散分量的不同的极点分析地出现。参见例如Cullen,A.L.的“The Excitationof Plane Surface Waves”,(Proceedings of the IEE(British),Vol.101,Part IV,1954年8月,第225-235页)。在这种情况下，表面波被认为是引导表面波。表面波(在Zenneck-Sommerfeld引导波意义上)物理地和数学地与地波(在Weyl-Norton-FCC意义上)不同，地波现在对无线电广播非常熟悉。这两种传播机制起因于在复平面上不同类型的特征值谱(连续或离散)的激励。如图1的曲线103所示，引导表面波的场强随距离呈指数函数衰减(非常类似于有损波导中的传播)并且类似于与地波的经典赫兹辐射相反的径向传输线中的传播，其球形地传播、具有特征值的连续、如图1的曲线106所示的几何地下降、并且来自分支切割积分。正如由C.R.Burrows在“The Surface Wave in Radio Propagation over PlaneEarth”(Proceedings of the IRE,Vol.25,No.2,1937年2月,第219-229页)和“TheSurface Wave in Radio Transmission”(Bell Laboratories Record,Vol.15,1937年6月,第321-324页)中实验地证明的，垂直天线辐射地波，但不发射引导波。

总而言之，首先，对应于分支切割积分的波数特征值谱的连续部分产生辐射场，并且其次，离散谱以及由被积分的轮廓包围的极点引起的相应的残差和导致非TEM行进表面波，其在横向于传播的方向上呈指数衰减。这种表面波是引导传输线模式。为了进一步解释，可以参考Friedman,B.,Principles and Techniques of Applied Mathematics,Wiley,1956年,第214、283-286、290、298-300页。

在自由空间中，天线激励了波动方程的连续特征值，其是辐射场，其中具有E_z和H_φ同相的向外传播RF能量永远损失。另一方面，波导探头激励离散特征值，这导致传输线传播。参见Collin,R.E.,Field Theory of Guided Waves,McGraw-Hill,1960年,第453、474-477页。尽管这样的理论分析已经维持了在有损均匀(homogeneous)介质的平面或球面上发射开放表面引导波的假设可能性，但是在一个多世纪以来，工程技术中还没有已知的结构已经存在，用于以任何实际效率来实现这一点。不幸的是，由于它出现在20世纪初期，所以以上提出的理论分析已经基本上只剩下理论，并且还没有已知的结构用于实际上实现在有损均匀介质的平面或球面上发射开放表面引导波。

根据本公开的各种实施例，描述了各种引导表面波导探头，其被配置为激励沿着有损传导介质的表面耦合到引导表面波导模式的电场。这种引导电磁场在幅度和相位上与有损传导介质表面上的引导表面波模式基本上模式匹配。这种引导表面波模式也可以被称为Zenneck波导模式。由于本文描述的引导表面波导探头激励的合成场与有损传导介质表面上的引导表面波导模式基本上模式匹配的事实，沿着有损传导介质的表面发射以引导表面波形式的引导电磁场。根据一个实施例，有损传导介质包括诸如地球的陆地介质。

参考图2，所示的是传播界面，其提供对由Jonathan Zenneck在1907年推导的麦克斯韦方程的边界值解的检查，如在他的论文Zenneck,J.,“On the Propagation of PlaneElectromagnetic Waves Along a Flat Conducting Surface and their Relation toWireless Telegraphy,”Annalen der Physik,Serial 4,Vol.23,1907年9月20日,第846-866页中所提出的。图2示出了用于沿着被指定为区域1的有损传导介质和被指定为区域2的绝缘体之间的界面径向地传播波的圆柱坐标。区域1可以包括例如任何有损传导介质。在一个示例中，这样的有损传导介质可以包括诸如地球或其他介质的陆地介质。区域2是与区域1共享边界界面并且相对于区域1具有不同构成参数的第二介质。区域2可以包括例如任何绝缘体，诸如大气或其他介质。这种边界界面的反射系数仅对于在复数布鲁斯特角处的入射达到零。参见Stratton,J.A.,Electromagnetic Theory,McGraw-Hill,1941年,第516页。

根据各种实施例，本公开提出了各种引导表面波导探头，其产生与包括区域1的有损传导介质的表面上的引导表面波导模式基本上模式匹配的电磁场。根据各种实施例，这种电磁场基本上合成了以能够导致零反射的有损传导介质的复数布鲁斯特角入射的波前。

为了进一步解释，在区域2中，假定e^jωt场变化，并且其中ρ≠0且z≥0(其中z是垂直于区域1的表面的垂直坐标，并且ρ是圆柱坐标中的径向维度)，满足沿着界面的边界条件的麦克斯韦方程组的Zenneck的闭形精确解由以下电场和磁场分量表示：

以及 (2)

在区域1中，假定e^jωt场变化，并且其中ρ≠0和z≤0，满足沿着界面的边界条件的麦克斯韦方程组的Zenneck的闭形精确解由以下电场和磁场分量表示：

以及 (5)

在这些表达式中，z是垂直于区域1的表面的垂直坐标，ρ是径向坐标，是第二类的n阶复变汉克尔函数，u₁是区域1中正垂直(z)方向上的传播常数，u₂是区域2中垂直(z)方向上的传播常数，σ₁是区域1的传导率，ω等于2πf，其中f是激励的频率，ε_o是自由空间的介电常数，ε₁是区域1的介电常数，A是由源施加的源常数，以及γ是表面波径向传播常数。

±z方向上的传播常数通过在区域1和区域2之间的界面以上和以下分离波动方程来确定，并施加边界条件。在区域2中，该运用(exercise)给出，

并且在区域1中，给出：

u₁＝-u₂(ε_r-jx) (8)

径向传播常数γ由下式给出：

这是一个复数表达式，其中n是复折射率，由下式给出：

在所有的上述等式中，

以及 (11)

其中ε_r包括区域1的相对介电常数，σ₁是区域1的传导率，ε_o是自由空间的介电常数，以及μ_o包括自由空间的磁导率。因此，所产生的表面波平行于界面传播，并垂直于界面指数地衰减。这已知为消散(evanescence)。

因此，等式(1)-(3)可以被认为是圆柱对称的、径向传播波导模式。参见Barlow,H.M.,和Brown,J.,Radio Surface Waves，牛津大学出版社,1962年,第10-12、29-33页。本公开详述激励这种“开放边界”波导模式的结构。具体地，根据各种实施例，引导表面波导探头被提供给适当尺寸的电荷端子，该电荷端子被馈送电压和/或电流并且相对于区域2和区域1之间的边界界面被放置。参考图3，这可以被更好地理解，图3示出了引导表面波导探头200a的示例，该引导表面波导探头200a包括沿垂直轴线z升高到有损传导介质203(例如地球)上方的电荷端子T₁，垂直轴线z正交于由有损传导介质203呈现的平面。有损传导介质203构成区域1，并且第二介质206构成区域2并与有损传导介质203共享边界界面。

根据一个实施例，有损传导介质203可以包括诸如行星地球的陆地介质。为此，这样的陆地介质包括其上包括的所有结构或构造，无论是自然的还是人造的。例如，这样的陆地介质可以包括诸如岩石、土壤、沙子、淡水、海水、树木、植物之类的自然元素以及构成我们的星球的所有其他自然元素。另外，这种陆地介质可以包括人造元素，诸如混凝土、沥青、建筑材料和其他人造材料。在其他实施例中，有损传导介质203可以包括除地球之外的一些介质，不管是天然存在的还是人造的。在其他实施例中，有损传导介质203可以包括其他介质，诸如人造表面和诸如汽车、飞机、人造材料(诸如胶合板、塑料片或其他材料)或其它介质的结构。

在有损传导介质203包括陆地介质或地球的情况下，第二介质206可以包括地面以上的大气。因此，大气可以被称为“大气介质”，它包含空气和构成地球的大气的其他元素。另外，第二介质206可能包括相对于有损传导介质203的其他介质。

引导表面波导探头200a包括馈送网络209，馈送网络209经由例如垂直馈送线导体将激励源212耦合到电荷端子T₁。根据各种实施例，电荷Q₁被施加在电荷端子T₁上以基于在任何给定时刻施加到端子T₁的电压来合成电场。根据电场(E)的入射角(θ_i)，可以使电场基本上模式匹配到包括区域1的有损传导介质203的表面上的引导表面波导模式。

通过考虑等式(1)-(6)的Zenneck闭型解，区域1和区域2之间的Leontovich阻抗边界条件可以表示为：

其中是正垂直(+Z)方向上的单位法线，以及是上述等式(1)表示的区域2中的磁场强度。等式(13)意味着等式(1)-(3)中指定的电场和磁场可以导致沿着边界界面的径向表面电流密度，其中径向表面电流密度可以通过下式指定：

其中A是常数。此外，应该注意的是，趋近(close-in)到引导表面波导探头200(对于ρ＜＜λ)，上面的等式(14)具有性态(behavior)：

负号表示当源电流(I_o)如图3所示垂直向上流动时，“趋近”地电流径向向内流动。通过用于H_φ“趋近”的场匹配，可以确定：

其中，在等式(1)-(6)和(14)中，q₁＝C₁V₁。因此，等式(14)的径向表面电流密度可以重新表示为：

由等式(1)-(6)和(17)表示的场具有受限于有损界面(而不是与地波传播相关的辐射场)的传输线模式的性质。参见Barlow,H.M.和Brown,J.,Radio Surface Waves,牛津大学出版社,1962年,第1-5页。

在这一点上，针对这些波动方程的解，提供等式(1)-(6)和(17)中使用的汉克尔函数的性质的回顾(review)。人们可以观察到，第一类和第二类的n阶汉克尔函数被定义为第一类和第二类的标准贝塞尔(Bessel)函数的复数组合：

以及 (18)

这些函数分别表示径向向内传播的圆柱形波和径向向外传播的圆柱形波该定义类似于关系e^±jx＝cosx±jsinx。参见，例如，Harrington,R.F.,Time- Harmonic Fields,McGraw-Hill,1961年,第460-463页。

是一个输出波，其可以从它的大幅角(argument)渐近性态中识别出来，该大幅角渐近性态从J_n(x)和N_n(x)的系列定义中直接获得，从引导表面波导探头的远离(far-out)：

当乘以e^jωt时，其是具有空间变化的形式e^j(ωt-kρ)的向外传播的圆柱形波。可以从等式(20a)确定一阶(n＝1)的解：

趋近到引导表面波导探头(对于ρ＜＜λ)，一阶和二阶汉克尔函数表现为：

请注意，这些渐近表达式是复数量(complex quantities)。当x是实数时，等式(20b)和(21)在相位上相差其对应于45°的额外相位提前或“相位提升”或等同于λ/8。第二类的一阶汉克尔函数的趋近或远离渐近线具有汉克尔“交叉”或转折点，在这里，它们在ρ＝R_x的距离处的幅度相等。

因此，在汉克尔交叉点之外，“远离”表示相对于汉克尔函数的“趋近”表示占优势。到汉克尔交叉点(或汉克尔交叉点距离)的距离可以通过使对于-jγρ的等式(20b)和(21)相等进行求解，并求解R_x。在x＝σ/ωε_o的情况下，可以看出，远离和趋近汉克尔函数渐近线是频率相关的，随着频率降低，汉克尔交叉点移出。还应该注意的是，汉克尔函数渐近线也可以随着有损传导介质的传导率(σ)变化而变化。例如，土壤的传导率可以随着天气条件的变化而变化。

参考图4，所示的是1850kHz的操作频率下、对于σ＝0.010mhos/m的传导率和相对介电常数ε_r＝15的区域1，等式(20b)和(21)的一阶汉克尔函数的幅度的曲线图。曲线115是等式(20b)的远离(far-out)渐近线的幅度，并且曲线118是等式(21)的趋近(close-in)渐近线的幅度，其中汉克尔交叉点121出现在R_x＝54英尺的距离处。虽然幅度相等，但在汉克尔交叉点121处的两条渐近线之间存在相位偏移。也可以看出，汉克尔交叉距离远小于操作频率的波长。

考虑到区域2中Zenneck闭形解的等式(2)和(3)给出的电场分量，可以看出，E_z和E_ρ的比率渐近地传递到

其中，n是等式(10)的复折射率，并且θ_i是电场的入射角。另外，等式(3)的模式匹配电场的垂直分量渐近地传递到

其与端电压处升高的电荷端子的电容的隔离分量上的自由电荷线性地成比例，q_free＝C_free×V_T。

例如，图3中升高的电荷端子T₁的高度H₁影响电荷端子T₁上的自由电荷的量。当电荷端子T₁接近区域1的地平面时，该端子上的大部分电荷Q1被“束缚”。随着电荷端子T₁升高，被束缚的电荷减少，直到电荷端子T₁达到基本上所有的隔离的电荷都是自由的的高度。

电荷端子T₁的增加的电容升高的优点在于升高的电荷端子T₁上的电荷被进一步从接地平面移除，导致自由电荷q_free的量增加以将能量耦合到引导表面波导模式。随着电荷端子T_1被从接地平面移开，电荷分布变得更均匀地分布在端子表面周围。自由电荷的量与电荷端子T₁的自电容有关。

例如，球形端子的电容可以表示为地平面之上的物理高度的函数。在高于理想地面的物理高度h处的球体的电容由下式给出：

C_{elevated sphere}＝4πε_oa(1+M+M²+M³+2M⁴+3M⁵+…) (24)

其中球体的直径为2a，并且其中M＝a/2h，h为球形端子的高度。如可以看出的，端子高度h的增加减小了电荷端子的电容C。可以示出，对于高度约为直径四倍(4D＝8a)或更高的电荷端子T₁的高度，电荷分布在球形端子附近是近似均匀的，这可以改善到引导表面波导模式的耦合。

在充分隔离的端子的情况下，导电球形的自电容可以近似为C＝4πε_oa，其中a是以米为单位的球的半径，并且盘(disk)的自电容可以近似为C＝8ε_oa，其中a是以米为单位的盘的半径。电荷端子T₁可以包括任何形状，例如球体、盘、圆柱体、圆锥体、环面、罩、一个或多个环、或者任何其它随机形状或形状的组合。可以确定等效的球形直径并将其用于放置电荷端子T₁。

参考图3的示例可以进一步理解这一点，其中电荷端子T₁在有损传导介质203上方的物理高度h_p＝H₁处被升高。为了减少“束缚”电荷的影响，电荷端子T₁可以位于至少是电荷端子T₁的球体直径(或等效球体直径)的四倍的物理高度处，以减小束缚的电荷效应。

接下来参考图5A，所示的是由图3的电荷端子T₁上的升高的电荷Q1产生的电场的射线光学解释。如在光学中一样，最小化入射电场的反射可以改善和/或最大化被耦合到有损传导介质203的引导表面波导模式中的能量。对于平行于入射平面(不是边界界面)极化的电场(E_||)，可以使用菲涅尔(Fresnel)反射系数确定入射电场的反射量，其可以表示为

其中，θ_i是相对于表面法线测量的常规入射角。

在图5A的示例中，射线光学解释示出了平行于具有相对于表面法线测量的入射角θ_i的入射平面极化的入射场。当Γ_||(θ_i)＝0时，入射电场将不会反射，并且因此，入射电场将沿着有损传导介质203的表面完全耦合到引导表面波导模式中。可以看出，等式(25)的分子在入射角为下式时变为零

其中，x＝σ/ωε_o。这种复数入射角(θ_i,B)被称为布鲁斯特角。返回参考等式(22)，可以看出，在等式(22)和(26)两者中都存在相同的复数布鲁斯特角(θ_i,B)关系。

如图5A所示，电场矢量E可以被描绘为平行于入射平面极化的输入(incoming)非均匀平面波。可以从独立的水平和垂直分量将电池矢量E创建为

几何地，图5A中的图示表明电场矢量E可以由下式给出

E_ρ(ρ,z)＝E(ρ,z)cosθ_i，以及 (28a)

这意味着场比率是

称为“波倾斜”的广义参数W在本文中被称为水平电场分量与垂直电场分量的比率，由下式给出：

或者 (30a)

其是复数并且具有幅度和相位。对于区域2中的电磁波，波倾角(Ψ)等于与区域1的边界界面处的波前法线和边界界面的切线之间的角度。这在图5B中可以更容易看到，图5B图示了电磁波的等相位表面以及它们对于径向圆柱引导表面波的法线。在具有理想导体的边界界面(z＝0)处，波前法线平行于边界界面的切线，导致W＝0。然而，在有损介质的情况下，因为波前法线与z＝0处的边界界面的切线不平行，所以存在波倾斜W。

将等式(30b)应用于引导表面波给出：

当入射角等于复数布鲁斯特角(θ_i,B)时，等式(25)的菲涅耳(Fresnel)反射系数消失，如下式所示：

通过调整等式(22)的复数场比率，可以合成入射场，使其以减小或消除反射的复数角度入射。将该比率建立为导致合成电场以复数布鲁斯特角入射，使得反射消失。

电有效高度的概念可以提供对于以下进一步的见解：利用引导表面波导探头200合成具有复数入射角的电场。对于具有物理高度(或长度)h_p的单极子，电有效高度h_eff已经被定义为：

由于表达式取决于沿着该结构的源分布的幅度和相位，所以有效高度(或长度)通常是复数。该结构的分布电流I(z)的积分在该结构的物理高度(h_p)上进行，并且被归一化为通过该结构的基部(或输入)向上流动的地电流(I₀)。沿着该结构的分布电流可以表示为：

I(z)＝I_Ccos(β₀z) (34)

其中，β₀是在该结构上传播的电流的传播因子。在图3的示例中，I_C是沿着引导表面波导探头200a的垂直结构分布的电流。

例如，考虑馈送网络209，其包括位于该结构基部的低损耗线圈(例如，螺旋线圈)和连接在该线圈与电荷端子T₁之间的垂直馈送线导体。由于线圈(或螺旋延迟线)引起的相位延迟为：θ_c＝β_pl_C，其中，物理长度为l_C，传播因子为：

其中，V_f是该结构上的速度因子，λ₀是供应频率下的波长，并且λ_p是由速度因子V_f产生的传播波长。相对于地(桩)电流I₀测量相位延迟。

另外，沿着垂直馈送线导体的长度l_w的空间相位延迟可以由下式给出：θ_y＝β_wl_w，其中β_w是用于垂直馈送线导体的传播相位常数。在一些实施方式中，空间相位延迟可以近似为θ_y＝β_wh_p,，因为引导表面波导探头200a的物理高度h_p与垂直馈送线导体长度l_w之间的差异远小于供应频率(λ₀)处的波长。结果，通过线圈和垂直馈送线导体的总相位延迟为Φ＝θ_c+θ_y，并且从物理结构的底部馈送到线圈顶部的电流是：

I_C(θ_c+θ_y)＝I₀e^jΦ (36)

其中，相对于地(桩)电流I₀测量的总相位延迟Φ。因此，对于物理高度h_p＜＜λ₀的情况，引导表面波导探头200的电有效高度可以近似为：

可以调整在角度(或相移)Φ处的单极子的复数有效高度h_eff＝h_o，以使得源场匹配引导表面波导模式并且使得在有损传导介质203上发射引导表面波。

在图5A的示例中，使用射线光学来图示在汉克尔交叉距离(R_x)121处具有复数布鲁斯特入射角r入射角(θ_i,B)的入射电场(E)的复数角三角学。回想等式(26)，对于有损传导介质，布鲁斯特角是复数的，并由下式指定：

在电学上，几何参数通过下式由电荷端子T₁的电有效高度(h_eff)相关：

R_xtanψ_i,B＝R_x×W＝h_eff＝h_pe^jΦ (39)

其中ψ_i,B＝(π/2)-θ_i,B是从有损传导介质的表面测量的布鲁斯特角。为了耦合到引导表面波导模式中，在汉克尔交叉距离处的电场的波倾斜可以表示为电有效高度与汉克尔交叉距离的比率：

由于物理高度(h_p)和汉克尔交叉距离(R_x)都是实数量，所以在汉克尔交叉距离(R_x)处的所需的引导表面波倾斜角(Ψ)等于复数有效高度(h_eff)的相位(Φ)。这意味着通过改变线圈供电点处的相位并且因此改变等式(37)中的相移，复数有效高度的相位Φ可以被操纵，以匹配在汉克尔交叉点121处引导表面波导模式的波倾斜角Ψ：Φ＝Ψ。

在图5A中，描绘了具有沿着有损传导介质表面的长度R_x的相邻边以及在R_x处的汉克尔交叉点121与电荷端子T₁的中心之间延伸的射线124和在汉克尔交叉点121与电荷端子T₁之间的有损传导介质表面127之间测量的复数布鲁斯特角ψ_i,B的直角三角形。在电荷端子T₁位于物理高度h_p处并且被具有适当相位延迟Φ的电荷激励的情况下，所得到的电场在汉克尔交叉距离R_x处并以布鲁斯特角角对有损传导介质边界界面入射。在这些条件下，可以在没有反射或基本上可以忽略的反射的情况下激励引导表面波导模式。

如果在不改变有效高度(h_eff)的相移Φ的情况下降低电荷端子T₁的物理高度，则所产生的电场在距引导表面波导探头200减少的距离处以布鲁斯特角与有损传导介质203相交。图6图形地图示出降低电荷端子T₁的物理高度对电场以布鲁斯特角角入射的距离的影响。随着高度从h3减小到h2再减小到h1，电场以布鲁斯特角角与有损传导介质(例如，地球)相交的点更靠近电荷端子的位置移动。然而，如等式(39)所示，电荷端子T₁的高度H1(图3)应该等于或高于物理高度(h_p)，以激励汉克尔函数的远离分量。利用位于有效高度(R_x)或在有效高度(R_x)以上的电荷端子T₁，如图5A所示，可以在汉克尔交叉距离(R_x)121或超过汉克尔交叉距离(R_x)121处以布鲁斯特入射角(ψ_i,B＝(π/2)-θ_i,B)照射有损传导介质203。为了减小或最小化电荷端子T1上的束缚电荷，如上所述，该高度应该是电荷端子T₁的球形直径(或等效球形直径)的至少四倍。

引导表面波导探头200可以被配置为建立具有波倾斜的电场，该波倾斜对应于以复数布鲁斯特角照射有损传导介质203的表面的波，从而通过与在(或超过)R_x处的汉克尔交叉点121处的引导表面波模式基本上模式匹配来激励径向表面电流。

参照图7，所示的是包括电荷端子T₁的引导表面波导探头200b的示例的图形表示。AC源212充当电荷端子T1的激励源，其通过包括诸如例如螺旋线圈的线圈215的馈送网络209(图3)耦合到引导表面波导探头200b。在其他实施方式中，AC源212可以通过主线圈感应耦合到线圈215。在一些实施例中，可以包括阻抗匹配网络以改善和/或最大化AC源212到线圈215的耦合。

如图7所示，引导表面波导探头200b可以包括沿垂直轴z放置的上部电荷端子T₁(例如，在高度h_p处的球体)，该垂直轴z与由有损传导介质203呈现的平面基本正交。第二介质206位于有损传导介质203上方。电荷端子T₁具有自电容C_T。在操作期间，取决于在任何给定时刻施加到端子T₁的电压，电荷Q₁被施加在端子T₁上。

在图7的示例中，线圈215在第一端耦合到地桩218并且经由垂直馈送线导体221耦合到电荷端子T₁。在一些实施方式中，可以使用如图7所示的线圈215的抽头(tap)224调整到电荷端子T₁的线圈连接。线圈215可以由AC电源212通过线圈215下部的抽头227以操作频率致能。在其它实施方式中，AC电源212可以通过主线圈感应耦合到线圈215。

引导表面波导探头200的构造和调整基于各种操作条件，诸如传输频率、有损传导介质的条件(例如，土壤传导率σ和相对介电常数ε_r)以及电荷端子T₁的尺寸。折射率可以由等式(10)和(11)计算为：

其中，x＝σ/ωε_o且ω＝2πf。可以通过有损传导介质203的测试测量来确定传导率σ和相对介电常数ε_r。从表面法线测量的复数布鲁斯特角(θ_i,B)也可以从等式(26)确定为

或者，从如图5A所示的表面测量为:

在汉克尔交叉距离(W_Rx)处的波倾斜也可以使用公式(40)求出。

也可以通过使得对于-jγρ的等式(20b)和(21)相等解并如图4所示求解R_x来求出汉克尔交叉距离。然后可以使用汉克尔交叉距离和复数布鲁斯特角根据等式(39)确定电有效高度为：

h_eff＝h_pe^jΦ＝R_xtanψ_i,B (44)

如从等式(44)可以看到的，复数有效高度(h_eff)包括与电荷端子T₁的物理高度(h_p)相关联的幅度和与要在汉克尔交叉距离(R_x)处的波倾斜角(Ψ)相关联的相位延迟(Φ)。利用这些变量和所选择的电荷端子T₁配置，可能确定引导表面波导探头200的配置。

利用位于物理高度(h_p)处或高于物理高度(h_p)的电荷端子T₁，馈送网络209(图3)和/或将馈送网络连接至电荷终端T1的垂直馈送线可以被调整，以将电荷端子T₁上的电荷Q₁的相位(Φ)与波倾斜(W)角(Ψ)相匹配。可以选择电荷端子T₁的大小，以为施加在端子上的电荷Q₁提供足够大的表面。通常，希望使电荷端子T₁尽可能大。电荷端子T₁的大小应该足够大以避免周围空气的电离，这可能导致电荷端子周围的放电或火花。

螺旋缠绕线圈的相位延迟θ_c可根据麦克斯韦方程确定，正如Corum,K.L.和J.F.Corum,“RF Coils,Helical Resonators and Voltage Magnification by CoherentSpatial Modes”，Microwave Review，Vol.7，No.2，2001年9月，第36-45页中所讨论的那样，其全部内容通过引用并入本文。对于具有H/D＞1的螺旋线圈，沿着线圈的纵轴的波的传播速度(υ)与光速(c)的比率，或“速度因子”，由下式给出：

其中，H是螺线管螺旋线的轴向长度，D是线圈直径，N是线圈的匝数，s＝H/N是线圈的匝间距(或螺旋线螺距)，并且λ_o是自由空间波长。基于这种关系，螺旋线圈的电长度或相位延迟由下式给出：

如果螺旋线螺旋卷绕或螺旋线短而且粗，则原理相同，但通过实验测量更容易获得V_f和θ_c。对于螺旋传输线的特性(波)阻抗的表达式也被推导为：

该结构的空间相位延迟θ_y可以使用垂直馈送线导体221(图7)的行进波相位延迟来确定。理想地面上方的圆柱形垂直导体的电容可以表示为：

其中，h_w是导体的垂直长度(或高度)，并且a是半径(以mks为单位)。与螺旋线圈一样，垂直馈送线导体的行进波相位延迟可由下式给出：

其中，β_w是垂直馈送线导体的传播相位常数，h_w是垂直馈送线导体的垂直长度(或高度)，V_w是线上的速度因子，λ₀是供应频率下的波长，并且λ_w是由速度因子V_w产生的传播波长。对于均匀的圆柱形导体，速度因子是V_w≈0.94的常数，或者在约0.93至约0.98的范围内。如果天线杆(mast)被认为是均匀的传输线，则其平均特性阻抗可以近似为：

其中，对于均匀的圆柱形导体，V_w≈0.94，并且a是导体的半径。已经在业余无线电文献中被使用的用于单线馈送线的特性阻抗的替代表达式可以由下式给出：

等式(51)意味着单线馈送线的Z_w随频率而变化。相位延迟可以基于电容和特性阻抗来确定。

如图3所示，在电荷端子T₁位于有损传导介质203以上的情况下，可以调整馈送网络209，以利用使复合有效高度(h_eff)的相移(Φ)等于汉克尔交叉距离处的波倾斜角(Ψ)，或Φ＝Ψ，来激励电荷端子T₁。当满足该条件时，由在电荷端子T₁上振荡的电荷Q1产生的电场耦合到沿着有损传导介质203的表面行进的引导表面波导模式中。例如，如果布鲁斯特角(θ_i,B)、与垂直馈送线导体221(图7)相关联的相位延迟(θ_y)和线圈215(图7)的配置是已知的，则抽头224(图7)的位置可以被确定并且被调整，以在具有相位Φ＝Ψ的电荷端子T₁上施加振荡电荷Q₁。可以调整抽头224的位置，以将行进的表面波最大化耦合到引导表面波导模式。超过抽头224的位置的过量的线圈长度可被去除以减小电容效应。垂直线高度和/或螺旋线圈的几何参数也可以改变。

在有损传导介质203的表面上到引导表面波导模式的耦合可以通过调谐引导表面波导探头200用于相对于与电荷端子T₁上的电荷Q₁相关联的复数镜像平面进行驻波共振来改善和/或优化。通过这样做，可以针对电荷端子T₁上的增加的和/或最大的电压(并且因此电荷Q1)来调整引导表面波导探头200的性能。重新参考图3，可以使用镜像理论分析来检查区域1中的有损传导介质203的影响。

物理地，放置在理想导电平面以上的升高的电荷Q₁吸引理想导电平面上的自由电荷，其然后在升高的电荷Q₁下方的区域中“堆积”。在理想导电平面上产生的“束缚”电的分布类似于钟形曲线。升高的电荷Q₁的电势，加上在其下面的感应的“堆积”电荷的电势的叠加，迫使理想的导电平面的零等势面。可以使用镜像电荷的经典概念来获得描述理想导电平面上方的区域中的场的边界值问题解决方案，其中来自升高的电荷的场与来自理想导电平面以下的相应“镜像”电荷的场叠加。

也可以通过假设在引导表面波导探头200以下存在有效镜像电荷Q1'来针对于有损传导介质203使用这种分析。如图3所示，有效镜像电荷Q1'关于导电镜像接地平面130与电荷端子T₁上的电荷Q₁一致。然而，镜像电荷Q1'不仅处于某个真实深度并且与电荷端子T₁上的主电源电荷Q₁180°异相位，如它们将处于理想的导体的情况。而是，有损传导介质203(例如，陆地介质)呈现相移镜像。也就是说，镜像电荷Q1'处于有损传导介质203的表面(或物理边界)下方的复数深度处。对于复数镜像深度的讨论，可以参考Wait,J.R.,“ComplexImage Theory—Revisited,”IEEE Antennas and Propagation Magazine,Vol.33,No.4,1991年8月,第27-29页，其全部内容通过引用并入本文。

代替在等于电荷Q₁的物理高度(H₁)的深度处的镜像电荷Q₁'，导电镜像地平面130(表示理想导体)位于复数深度z＝-d/2并且镜像电荷Q1'出现在由-D₁＝-(d/2+d/2+H₁)≠H₁给出的复数深度(即，“深度”具有幅度和相位)。对于地球上的垂直极化源，

其中，如等式(12)所示，

以及 (53)

反过来，镜像电荷的复数间距意味着外场将会遇到当界面是电介质或理想导体时不会遇到的额外相移。在有损传导介质中，波前法线z＝-d/2处而不是在区域1和2之间的边界界面处平行于导电镜像接地平面130的切线。

考虑图8A所图示的情况，其中，有损传导介质203是具有物理边界136的有限传导地球133。有限传导地球133可以由如图8B所示的理想传导镜像地平面139代替，其位于在物理边界136下方的复数深度z₁。当向下看物理边界136处的界面时，该等效表示展现相同的阻抗。图8B的等效表示可以被建模为等效传输线，如图8C所示。等效结构的横截面表示为(z方向)端负载传输线，其中理想传导镜像平面的阻抗为短路(z_s＝0)。深度z₁可以通过将俯视地球的TEM波阻抗等同于观察图8C的传输线看到的镜像地平面阻抗z_in来确定。

在图8A的情况下，上部区域(空气)142中的传播常数和波固有阻抗是：

以及 (55)

在有损地球133中，传播常数和波固有阻抗是：

以及 (57)

对于正交入射，图8B的等效表示等同于TEM传输线，其特性阻抗是空气的特性阻抗(z₀)，其传播常数为γ_o，其长度为z₁。这样，在图8C的短路传输线的界面处看到的镜像地平面阻抗z_in由下式给出：

Z_in＝Z_otanh(γ_oz₁) (59)

令与图8C的等效模型相关联的镜像地平面阻抗z_in与图8A的正交入射波阻抗相等并求解z₁，给出到短路(理想导电镜像地平面139)的距离为：

其中，只有反向双曲正切的级数展开的第一项被考虑用于该近似。注意，在空气区域142中，传播常数是γ_o＝jβ_o，所以Z_in＝jZ_otanβ_oz₁(其对于实数z₁是完全虚数量)，但是如果σ≠0，则z_e是复合值。因此，只有当z₁是复数距离时，Z_in＝Z_e。

由于图8B的等效表示包括理想传导镜像地平面139，所以位于地球表面(物理边界136)处的电荷或电流的镜像深度等于镜像地平面139的另一侧上的距离z₁，或在地球表面(位于z＝0)之下的d＝2×z₁。因此，到理想传导镜像地平面139的距离可以近似为：

另外，“镜像电荷”将与真实电荷“相等且相反”，因此在深度z₁＝-d/2处的理想传导镜像地平面层139的电势将为零。

如图3所示，如果电荷Q₁在地球表面的上方被升高了距离H₁，则镜像电荷Q₁'驻留在该表面下方的复数距离D₁＝d+H₁处，或者在镜像地平面下方的复数距离d/2+H₁处。图7的引导表面波导探头200b可以建模为等效单线传输线镜像平面模型，其可以基于图8B的理想传导镜像地平面139。图9A示出等效单线传输线镜像平面模型的示例，以及图9B图示包括图8C的短路传输线的等效传统传输线模型的示例。

在图9A和9B的等效镜像平面模型中，Φ＝θ_y+θ_c是参考地球133(或有损传导介质203)的引导表面波导探头200的行进波相位延迟，θ_c＝β_pH是以度表示的物理长度H的线圈215(图7)的电长度，θ_y＝θ_wh_w是以度表示的物理长度h_w的垂直馈送线导体221(图7)的电长度，并且θ_d＝β_od/2是镜像地平面139和地球133(或有损传导介质203)的物理边界136之间的相移。在图9A和9B的示例中，Z_w是升高的垂直馈送线导体221的特性阻抗，单位为欧姆，Z_c是线圈215的特性阻抗，单位为欧姆，并且Z_O是自由空间的特性阻抗。

在引导表面波导探头200的基部处，“向上看”到该结构中所看到阻抗是Z_↑＝Z_base。负载阻抗为：

其中C_T是电荷端子T₁的自电容，“向上看”到垂直馈送线导体221(图7)中所观察到的阻抗由下式给出：

“向上看”到线圈215(图7)所观察到的阻抗由下式给出：

在引导表面波导探头200的基部处，“向下看”到有损传导介质203中所观察到的阻抗是Z_↓＝Z_in,，其由下式给出：

其中，Z_s＝0。

忽略损失，当在物理边界136处Z_↓+Z_↑＝0时，等效镜像平面模型可以被调谐到共振。或者，在低损失情况下，在物理边界136处X_↓+X_↑＝0，其中X是相应的电抗分量。因此，“向上看”到引导表面波导探头200的在物理边界136处的阻抗是“向下看”到有损导电介质203的在物理边界136处的阻抗的共轭。通过调整电荷端子T₁的负载阻抗Z_L同时保持行进波相位延迟Φ等于介质的波倾斜角Ψ，使得Φ＝Ψ，其改善和/或最大化探头的电场沿着有损传导介质203(例如地球)的表面到引导表面波导模式的耦合，图9A和9B的等效镜像平面模型可以相对于镜像地平面139被调谐到共振。以这种方式，等效复数镜像平面模型的阻抗是纯电阻，其在探头结构上保持叠加的驻波，以使端子T₁上的电压和升高的电荷最大化，并且通过等式(1)-(3)和(16)使传播表面波最大化。

从汉克尔解来看，由引导波面探头200激励的引导表面波是向外传播的行进波。在引导表面波导探头200(图3和7)的电荷端子T₁和地桩218之间沿着馈送网络209的源分布实际上由该结构上的行进波和驻波的叠加组成。在电荷端子T₁位于物理高度h_p处或位于物理高度h_p的上方的情况下，通过馈送网络209移动的行进波的相位延迟和与有损传导介质203相关联的波倾斜角匹配。该模式匹配允许沿着有损传导介质203发射行进波。一旦针对行进波建立了相位延迟，就调整电荷端子T₁的负载阻抗Z_L以使探头结构相对于镜像地平面(图3的130或图8的139)进入驻波共振，其处于复数深度-d/2。在那种情况下，从镜像地平面看到的阻抗具有零电抗并且电荷端子T₁上的电荷被最大化。

行进波现象与驻波现象的区别在于：(1)长度为d的传输线(有时称为“延迟线”)段上的行进波的相位延迟(θ＝βd)是由于传播时间延迟；而(2)驻波的位置依赖相位(由正向和反向传播波组成)取决于线长度传播时间延迟和不同特性阻抗的线段之间界面处的阻抗变换这两者。除了由于正弦稳态下操作的传输线段的物理长度而产生的相位延迟之外，存在由于比率Z_oa/Z_ob导致的阻抗不连续处的额外反射系数相位，其中Z_oa和Z_ob是传输线的两段的特性阻抗，诸如特性阻抗Z_oa＝Z_c的螺旋线圈部分(图9B)和特性阻抗Z_ob＝Z_w的垂直馈送线的直线段(图9B)。

作为这种现象的结果，可以使用具有差异很大的特性阻抗的两个相对较短的传输线段来提供非常大的相移。例如，可以制造由传输线的两段构成的探头结构，其中一个是低阻抗和一个高阻抗，总共物理长度例如为0.05λ，以便提供相当于0.25λ共振的90°的相移。这是由于特性阻抗的大幅跳跃。以这种方式，物理上短的探头结构可以电气地长于组合的两个物理长度。这在图9A和9B中图示，其中阻抗比率中的不连续性提供相位的大幅跳跃。阻抗不连续性在各段连接在一起的情况下提供了实质性的相移。

参照图10，所示的是流程图150，其图示了调整引导表面波导探头200(图3和图7)以与有损导电介质的表面上的引导表面波导模式基本模式匹配的示例，其沿着有损传导介质203(图3)的表面发射引导表面行进波。从153开始，引导表面波导探头200的电荷端子T₁被放置在有损传导介质203上方限定的高度处。利用有损传导介质203的特性和引导表面波导探头200的操作频率，也可以通过使对于-jγρ的等式(20b)和(21)的幅度相等并且如图4所示求解R_x来求出汉克尔交叉距离。可以使用等式(41)来确定复折射率(n)，然后可以根据等式(42)确定复数布鲁斯特角(θ_i,B)。然后可以根据等式(44)确定电荷端子T₁的物理高度(h_p)。电荷端子T₁应该位于或高于物理高度(h_p)以激励汉克尔函数的远离分量。当发射表面波时，最初会考虑这种高度关系。为了减小或最小化电荷端子T₁上的束缚电荷，该高度应该是电荷端子T₁的球形直径(或等效球直径)的至少四倍。

在156处，电荷端子T₁上的升高的电荷Q₁的电相位延迟Φ与复数波倾斜角Ψ匹配。可以调整螺旋线圈的相位延迟(θ_c)和/或垂直馈送线导体的相位延迟(θ_y)，以使Φ等于波倾斜(W)角(Ψ)。基于等式(31)，波倾斜角(Ψ)可以根据下式确定：

然后电相位Φ可以与波倾斜角匹配。当发射表面波时，下一步考虑这种角度(或相位)关系。例如，可以通过改变线圈215(图7)的几何参数和/或垂直馈送线导体221(图7)的长度(或高度)来调整电相位延迟Φ＝θ_c+θ_y。通过匹配Φ＝Ψ，可以在边界界面处以复数布鲁斯特角在汉克尔交叉距离(R_x)或超出汉克尔交叉距离(R_x)处建立电场，以激励表面波导模式并且沿着有损传导介质203发射行进波。

接下来在159处，调谐电荷端子T₁的负载阻抗以共振引导表面波导探头200的等效镜像平面模型。图9A和9B的传导镜像地平面139(或图3的130)的深度(d/2)可以使用等式(52)、(53)和(54)以及可以测量的有损传导介质(例如，地球)203的值来确定。使用该深度，可以使用θ_d＝β_od/2来确定镜像地平面139与有损传导介质203的物理边界136之间的相移(θ_d)。然后可以使用等式(65)确定“向下看”到有损传导介质203所观察到的阻抗(Z_in)。这种共振关系可以被认为是最大化发射的表面波。

基于线圈215的调整参数和垂直馈送线导体221的长度，线圈215和垂直馈送线导体221的速度因子、相位延迟和阻抗可以使用等式(45)至(51)来确定。另外，可以使用例如等式(24)来确定电荷端子T₁的自电容(C_T)。可以使用等式(35)来确定线圈215的传播因子(β_p)，并且可以使用等式(49)来确定垂直馈送线导体221的传播相位常数(β_w)。使用自电容和线圈215和垂直馈送线导体221的所确定的值，可以使用等式(62)、(63)和(64)来确定如“向上看”线圈215所观察到的引导表面波导探头200的阻抗(Z_base)。

可以通过调整负载阻抗Z_L使得引导表面波导探头200的等效镜像平面模型被调谐为共振，使得Z_base的电抗分量X_base抵消Z_in的电抗分量X_in或X_base+X_in＝0。因此，“向上看”到引导表面波导探头200的在物理边界136处的阻抗是“向下看”到有损传导介质203的在物理边界处的阻抗的共轭。可以通过改变电荷端子T₁的电容(C_T)而不改变电荷端子T₁的电相位延迟Φ＝θ_c+θ_y来调整负载阻抗Z_L。可以采取迭代方法来调谐负载阻抗Z_L用于相对于传导镜像地平面139(或130)等效镜像平面模型的共振。以这种方式，可以改善和/或最大化电场到沿着有损传导介质203(例如地球)的表面到引导表面波导模式的耦合。

通过用数值示例说明情况可以更好地理解这一点。考虑引导表面波导探头200，其包括顶部具有电荷端子T₁、物理高度h_p的顶部负载的垂直桩，其中通过在1.85MHz的操作频率(f_o)下的螺旋线圈和垂直馈线路激励电荷端子T₁。对于16英尺的高度(H₁)和具有ε_r＝15的相对介电常数和σ₁＝0.010mhos/m的传导率的有损传导介质203(例如，地球)，可以计算针对f_o＝1.850MHz的多个表面波传播参数。在这些条件下，汉克尔交叉距离可以被求出为R_x＝54.5英尺且物理高度h_p＝5.5英尺，其远低于电荷端子T₁的实际高度。尽管可以使用H₁＝5.5英尺的电荷端子高度，但较高的探头结构减小了束缚电容，允许电荷端子T₁上的更大百分比的自由电荷，提供了更大的场强度和行进波的激励。

波长可以确定为：

其中，c是光速。复数折射率是：

根据等式(41)，其中x＝σ₁/ωε_o，且ω＝2πf_o，根据等式(42)，复数布鲁斯特角为：

使用等式(66)，波倾斜值可以被确定为：

因此，可以调整螺旋线圈以匹配Φ＝Ψ＝40.614°。

垂直馈送线导体(近似为直径为0.27英寸的均匀圆柱形导体)的速度因子可以给出为V_w≈0.93。由于h_p＜＜λ_o，所以垂直馈送线导体的传播相位常数可近似为：

根据公式(49)，垂直馈送线导体的相位延迟为：

θ_y＝β_wh_w≈β_wh_p＝11.640° (72)

通过调整螺旋线圈的相位延迟使得θ_c＝28.974°＝40.614°-11.640°，Φ将等于Ψ以匹配引导表面波导模式。为了说明Φ和Ψ之间的关系，图11示出了频率范围上方的两者的图。由于Φ和Ψ都与频率有关，所以，可以看出它们各自的曲线在大约1.85MHz处相互交叉。

对于具有0.0881英寸的导体直径、30英寸的线圈直径(D)和4英寸的匝间距(s)的螺旋线圈，可以使用等式(45)确定线圈的速度因子为：

并且根据等式(35)，传播因子是：

在θ_c＝28.974°的情况下，可以使用等式(46)确定螺线管螺旋的轴向长度(H)，使得：

这个高度确定了螺旋线圈上连接垂直馈送线导体的位置，导致具有8.818匝(N＝H/s)的线圈。

在线圈和垂直馈送线导体的行进波相位延迟被调整为与波倾斜角度匹配(Φ＝θ_c+θ_y＝Ψ)的情况下，可以调整电荷端子T₁的负载阻抗(Z_L)以用于引导表面波探头200的等效镜像平面模型的驻波共振。根据所测量的地球的介电常数、传导率和磁导率，可以使用等式(57)确定径向传播常数：

并且传导镜像接地平面的复数深度可以根据等式(52)近似为：

其中，传导镜像地平面和地球的物理边界之间的对应的相移由下式给出：

θ_d＝β_o(d/2)＝4.015-j4.73° (78)

使用等式(65)，“向下看”到有损传导介质203(即，地球)所观察到的阻抗可以被确定为：

Z_in＝Z_otanh(jθ_d)＝R_in+jX_in＝31.191+j26.27ohms欧姆 (79)

通过将“向下看”到有损传导介质203所观察到的电抗分量(X_in)与“向上看”到引导表面波探头200所观察到的电抗分量(X_base)进行匹配，可以最大化到引导表面波导模式的耦合。这可以通过调整电荷端子T₁的电容而不改变线圈和垂直馈送线导体的行进波相位延迟来实现。例如，通过将电荷端子电容(C_T)调整到61.8126pF，根据等式(62)，负载阻抗为：

并且，边界处的电抗分量相匹配。

使用公式(51)，垂直馈送线导体(具有0.27英寸的直径(2a))的阻抗由下式给出：

并且“向上看”到垂直馈送线导体所观察的的阻抗由等式(63)给出为：

使用公式(47)，螺旋线圈的特性阻抗由下式给出为：

并且在基部处“向上看”到线圈所观察到的的阻抗由等式(64)给出为：

当与等式(79)的解相比时，可以看出，电抗分量是相反的并且近似相等，并且因此，是彼此的共轭。因此，从理想传导镜像地平面“向上看”到图9A和图9B中的等效镜像平面模型所观察到的阻抗(Z_ip)仅为电阻性的或Z_ip＝R+j0。

当通过将馈送网络的行进波相位延迟与波倾斜的角度相匹配来建立由引导表面波导探头200(图3)产生的电场并且探头结构相对于理想传导镜像接地平面在复数深度z＝-d/2共振时，这些场与有损传导介质表面上的引导表面波导基本上模式匹配，沿着有损传导介质的表面发射引导表面行进波。如图1所示，引导电磁场的引导场强曲线103具有特性指数衰减并且在对数-对数坐标上表现出区别的拐点109。

总之，无论在分析上还是在实验上，在引导表面波导探头200的结构上的行进波分量在其上端都具有与表面行进波的波倾斜角(Ψ)相匹配的相位延迟(Φ)(Φ＝Ψ)。在这种情况下，表面波导可被认为是“模式匹配”。此外，引导表面波导探头200的结构上的共振驻波分量在电荷端子T₁处具有V_MAX，并且在镜像平面139(图8B)下具有V_MIN，其中在复数深度z＝-d/2处，而不是在有损传导介质203(图8B)的物理边界136处的连接处，Z_ip＝R_ip+j0。最后，电荷端子T₁具有图3的足够高度H₁，使得以复数布鲁斯特角入射到有损传导介质203上的电磁波在距离(≥R_x)处出射(out)，其中项占主导。接收电路可以与一个或多个引导表面波导探头一起使用以促进无线传输和/或功率传递系统。

重新参考图3，可以控制引导表面波导探头200的操作，以调整与引导表面波导探头200相关联的操作条件的变化。例如，自适应探头控制系统230可以用于控制馈送网络209和/或电荷端子T₁以控制引导表面波导探头200的操作。操作条件可以包括但不限于有损传导介质203的特性(例如，传导率σ和相对介电常数ε_r)的变化、引导表面波导探头200的场强变化和/或负载变化。从等式(31)、(41)和(42)可以看出，折射率(n)、复数布鲁斯特角(θ_i,B)和波倾斜(|W|e^jΨ)可以受到例如天气条件导致的土壤传导率和介电常数的变化的影响。

诸如例如传导率测量探头、介电常数传感器、地面参数仪表、场仪表、电流监测器和/或负载接收器的设备可以用于监测操作条件的变化并且将关于当前操作条件的信息提供给自适应探头控制系统230。然后，探头控制系统230可以对引导表面波导探头200进行一个或多个调整，以维持对于引导表面波导探头200的指定操作条件。例如，当湿度和温度变化时，土壤的传导率也会变化。传导率测量探头和/或介电常数传感器可以被置于传导表面波导探头200周围的多个位置处。通常，希望监测汉克尔交叉距离R_x处或汉克尔交叉距离R_x周围的对于操作频率的传导率和/或介电常数。传导率测量探头和/或介电常数传感器可以被置于引导表面波导探头200周围的多个位置处(例如，在每个象限中)。

传导率测量探头和/或介电常数传感器可以被配置为周期性地评估传导率和/或介电常数，并将信息通信给探头控制系统230。信息可以通过网络被通信到探头控制系统230，该网络诸如但不限于LAN、WLAN、蜂窝网络或其他适当的有线或无线通信网络。基于监测的传导率和/或介电常数，探头控制系统230可以评估折射率(n)、复数布鲁斯特角角(θ_i,B)和/或波倾斜(|W|e^jΨ)的变化并且调整引导表面波导探头200以保持馈送网络209的相位延迟(Φ)等于波倾斜角(Ψ)和/或维持引导表面波导探头200的等效镜像平面模型的共振。这可以通过调整例如θ_y、θ_c和/或C_T来实现。例如，探头控制系统230可以调整电荷端子T₁的电荷端子T₁的自电容和/或施加到电荷端子T₁的相位延迟(θ_y,θ_c)，以将引导表面波的电发射效率保持在或接近其最大值。例如，可以通过改变端子的大小来改变电荷端子T₁的自电容。也可以通过增加电荷端子T₁的大小来改善电荷分布，这可以降低从电荷端子T₁放电的机会。在其他实施例中，电荷端子T₁可以包括可以被调整以改变负载阻抗Z_L的可变电感。可以通过改变线圈215(图7)上的抽头位置和/或通过包括沿着线圈215的多个预定义的抽头并且在不同的预定义抽头位置之间切换来调整施加到电荷端子T₁的相位，从而最大化发射效率。

场或场强(FS)仪表也可以分布在引导表面波导探头200周围以测量与引导表面波相关联的场的场强。场或FS仪表可以被配置为检测场强和/或场强(例如，电场强度)的变化并且将该信息通信给探头控制系统230。该信息可以通过网络被通信到探头控制系统230，该网络诸如但不限于LAN、WLAN、蜂窝网络或其他适当的通信网络的网络来实现。当负载和/或环境条件在操作期间改变或改变时，可以调整引导表面波导探头200以维持FS仪表位置处的指定场强以确保向接收器及其供应的负载的适当的电力传输。

例如，可以调整施加到电荷端子T₁的相位延迟Φ＝θ_y+θ_c以匹配波倾斜角(Ψ)。通过调整一个或两个相位延迟，可以调整引导表面波导探头200以确保波倾斜对应于复数布鲁斯特角。这可以通过调整线圈215(图7)上的抽头位置来改变供应给电荷端子T₁的相位延迟。供应给电荷端子T₁的电压电平也可以增大或减小以调整电场强度。这可以通过调整激励源212的输出电压或者通过调整或重新配置馈送网络209来实现。例如，可以调整用于AC电源212的抽头227(图7)的位置以增加通过电荷端子T₁观察到的电压。在预定范围内保持场强度水平可以改善接收器的耦合、减小地电流损失、并且避免干扰来自其他导引导表面波导探头200的传输。

探头控制系统230可以用硬件、固件、由硬件执行的软件或其组合来实现。例如，探头控制系统230可以包括处理电路，该处理电路包括处理器和存储器，两者都可以耦合到本地接口，诸如例如具有伴随的控制/地址总线的数据总线，如本领域普通技术人员可以理解的。探头控制应用可以由处理器执行以基于监测到的条件来调整引导表面波导探头200的操作。探头控制系统230还可以包括用于与各种监测设备通信的一个或多个网络接口。通信可以通过网络，网络诸如但不限于LAN、WLAN、蜂窝网络或其他适当的通信网络。探头控制系统230可以包括例如，诸如服务器、台式计算机、膝上型计算机或具有相同能力的其他系统的计算机系统。

返回参考图5A的示例，示出了复数角三角学用于在汉克尔交叉距离(R_x)处具有复数布鲁斯特角(θ_i,B)的电荷端子T₁的入射电场(E)的射线光学解释。回想一下，对于有损传导介质，布鲁斯特角是复数的，并由等式(38)来指定。在电学上，几何参数通过等式(39)由电荷端子T₁的电有效高度(h_eff)相关。由于物理高度(h_p)和汉克尔交叉距离(R_x)都是实数量，因此，汉克尔交叉距离处所需的引导表面波倾斜角度(W_Rx)等于复数有效高度(h_eff)的相位(Φ)。在电荷端子T₁放置于物理高度h_p并且被具有适当相位Φ的电荷激励的情况下，所得到的电场在汉克尔交叉距离R_x处并以布鲁斯特角入射有损传导介质边界界面。在这些条件下，可以在没有反射或基本上可以忽略的反射的情况下激励引导表面波导模式。

然而，等式(39)意味着引导表面波导探头200的物理高度可以相对较小。虽然这会激励引导表面波导模式，但这会导致过大的束缚电荷而几乎没有自由电荷。为了补偿，电荷端子T₁可以升高到适当的高度以增加自由电荷的量。作为一个示例经验法则，电荷端子T₁可以被放置在电荷端子T₁的有效直径的大约4-5倍(或更多)的高度处。图6图示了将电荷端子T₁升高到图5A所示的物理高度(h_p)的上方的效果。增加的高度导致波倾斜与有损传导介质入射的距离超过汉克尔交叉点121(图5A)。为了改善引导表面波导模式下的耦合并因此提供更大的引导表面波的发射效率，可以使用较低的补偿端子T₂来调整电荷端子T₁的总有效高度(h_TE)，使得在汉克尔交叉距离处的波倾斜处于布鲁斯特角。

参考图12，所示的是引导表面波导探头200c的示例，其包括升高的电荷端子T₁和沿着垂直轴z布置的较低的补偿端子T₂，垂直轴z正交于由有损传导介质203呈现的平面。在这方面，虽然可以使用两个或更多个电荷和/或补偿端子T_N的一些其他布置，但是电荷端子T₁直接设置在补偿端子T₂的上方。根据本公开的实施例，引导表面波导探头200c布置置在有损传导介质203的上方。构成区域1的有损传导介质203与构成区域2的第二介质206共享边界界面。

引导表面波导探头200c包括将激励源212耦合到电荷端子T₁和补偿端子T₂的馈送网络209。根据各种实施例，取决于在任何给定时刻施加到端子T₁和T₂的电压，电荷Q₁和Q₂可以被施加在相应的电荷和补偿端子T₁和T₂上。I₁是经由端子引线向电荷端子T₁馈送电荷Q₁的传导电流，并且I₂是经由端子引线向补偿端子T₂上馈送电荷Q₂的传导电流。

根据图12的实施例，电荷端子T₁以物理高度H₁被放置在有损传导介质203的上方，并且补偿端子T₂位于物理高度H₂处沿着垂直轴z直接被放置在T₁的下方，其中H₂小于H₁。传输结构的高度h可以计算为h＝H₁-H₂。电荷端子T₁具有隔离(或自身)电容C₁，并且该补偿端子T₂具有隔离(或自身)电容C₂。取决于T₁和T₂之间的距离，互电容C_M也可以存在于端子T₁和T₂之间。在操作期间，取决于在任何给定时刻施加到电荷端子T₁和补偿端子T₂的电压，电荷Q₁和Q₂被分别施加在电荷端子T₁和补偿端子T₂上。

接下来参考图13，所示的是由在图12的电荷端子T₁和补偿端子T₂上的升高的电荷Q₁产生的效应的射线光学解释。随着电荷端子T₁升高到射线与有损传导介质在大于汉克尔交叉点121的距离处以布鲁斯特角相交的高度，如线163所示，补偿终端T₂可以用于通过补偿增加的高度来调整h_TE。补偿端子T₂的效果是减小引导表面波导探头的电有效高度(或有效地升高有损介质界面)，使得在汉克尔交叉距离处的波倾斜处于布鲁斯特角处，如线166所示。

总有效高度可以被写为与电荷端子T₁相关联的上部有效高度(h_UE)和与补偿端子T₂相关联的下部有效高度(h_LE)的叠加，使得：

其中，Φ_U是施加到上部电荷端子T₁的相位延迟，Φ_L是施加到下部补偿端子T₂的相位延迟，β＝2π/λ_p是来自公式(35)的传播因子，h_p是电荷端子T₁的物理高度以及h_d是补偿端子T₂的物理高度。如果考虑额外的引线长度，则可以通过将电荷端子引线长度z与电荷端子T₁的物理高度h_p相加并将补偿端子引线长度y与补偿端子T₂的物理高度h_d相加来考虑它们，如下式所示：

可以使用下部有效高度来将总有效高度(h_TE)调整为等于图5A的复数有效高度(h_eff)相等。

可使用等式(85)或(86)来确定补偿端子T₂的下部盘的物理高度和馈送端子的相位角，以获得汉克尔交叉距离处的期望波倾斜。例如，等式(86)可以被重写为施加到电荷端子T₁的相移，作为补偿端子高度(h_d)的函数给出：

为了确定补偿端子T₂的位置，可以利用上面讨论的关系。首先，如等式(86)所示，总有效高度(h_TE)是上部电荷端子T₁的复数有效高度(h_UE)与下部补偿端子T₂的复数有效高度(h_LE)的叠加。其次，入射角的正切可以被几何地表示为：

这等于波倾角W的定义。最后，考虑到期望的汉克尔交叉距离R_x，可以调整h_TE以使入射光线的波倾斜与汉克尔交叉点121处的复数布鲁斯特角相匹配。这可以通过调整h_p、Φ_U和/或h_d来实现。

当在引导表面波导探头的示例的背景下讨论时，可以更好地理解这些概念。参照图14，所示的是包括上部电荷端子T₁(例如，高度h_T处的球体)和下部补偿端子T₂(例如，高度h_d处的盘)的引导表面波导探头200d的示例的图形表示，上部电荷端子T₁和下部补偿端子T₂沿垂直线z被放置，该垂直线z基本上正交于由有损传导介质203呈现的平面。在操作期间，取决于在任何给定的时刻施加到终端T₁和T₂的电压，电荷Q₁和Q₂分别地被施加在电荷端子T₁和补偿端子T₂上。

AC电源212充当电荷端子T₁的激励源，其通过包括线圈215(诸如，例如螺旋线圈)的馈送网络209耦合到引导表面波导探头200d。如图14所示，AC源212可以通过抽头227跨接线圈215的下部，或者可以通过主线圈与线圈215电感耦合。线圈215可以耦合到第一端处的地桩218和第二端处的电荷端子T₁。在一些实施方式中，可以使用线圈215的第二端处的抽头224来调整到电荷端子T₁的连接。补偿端子T₂被放置于有损传导介质203(例如地面或地球)之上并基本上平行于该有损传导介质203，并且通过耦合到线圈215的抽头233被致能。位于线圈215和地桩218之间的电流表236可以用于提供引导表面波导探头的基部处的电流流量(I₀)的幅度的指示。可替换地，可以在耦合到地桩218的导体周围使用电流钳，以获得电流流量(I₀)的幅度的指示。

在图14的示例中，线圈215经由垂直馈送线导体221耦合到第一端处的地桩218和第二端处的电荷端子T₁。在一些实施方式中，到电荷端子T₁的连接可以使用如图14所示的线圈215第二端的抽头224进行调整。线圈215可以由AC电源212通过线圈215下部的抽头227以操作频率被致能。在其他实施方式中，AC源212可以通过主线圈感应耦合到线圈215。补偿端子T₂通过耦合到线圈215的抽头233被致能。位于线圈215和地桩218之间的电流表236可以用于提供引导表面波导探头200d的基部处的电流的幅度的指示。可替换地，可以在耦合到地桩218的导体周围使用电流钳，以获得电流的幅度的指示。补偿端子T₂放置于有损传导介质203(例如地面)的上方并基本上平行于该有损传导介质203。

在图14的示例中，到位于线圈215上的电荷端子T₁的连接位于用于补偿端子T₂的抽头233的连接点的上方。这样的调整允许增加的电压(并且因此更高的电荷Q₁)被施加到上部电荷端子T₁。在其他实施例中，电荷端子T₁和补偿端子T₂的连接点可以颠倒。可以调整引导表面波导探头200d的总有效高度(h_TE)以激励在汉克尔交叉距离R_x处具有引导表面波倾斜的电场。也可以通过使得用于-jγρ的等式(20b)和(21)的幅度相等并且如图4所示求解R_x来求出汉克尔交叉距离。折射率(n)、复数布鲁斯特角(θ_i,B和ψ_i,B)、波倾斜(|W|e^jΨ)和复数有效高度(h_eff＝h_pe^jΦ)可以如关于上述等式(41)-(44)中所描述的来确定。

利用所选择的电荷端子T₁的配置，可以确定球形直径(或有效球形直径)。例如，如果电荷端子T₁没有被配置为球形，则端子配置可以被建模为具有有效球形直径的球形电容。可以选择电荷端子T₁的大小以为施加在端子上的电荷Q₁提供足够大的表面。通常，希望使电荷端子T₁尽可能大。电荷端子T₁的大小应该足够大以避免周围空气的电离，这可能导致电荷端子周围的放电或火花。为了减少电荷端子T₁上的束缚电荷的量，在电荷终端T₁上提供用于发射引导表面波的自由电荷的期望高度应该是有损传导电介质(例如，地球)上方的有效球形直径的至少4-5倍。补偿端子T₂可以用于调整引导表面波导探头200d的总有效高度(h_TE)以激励在R_x处具有引导表面波倾斜的电场。补偿端子T₂可以放置在电荷端子T₁的下方h_d＝h_T-h_p处，其中，h_T是电荷端子T₁的总物理高度。由于补偿端子T₂的位置固定并且相位延迟Φ_U被施加到上部电荷端子T₁，所以可以使用等式(86)的关系来确定施加到下部补偿端子T₂的相位延迟Φ_L，使得：

在替代的实施例中，补偿端子T₂可以放置在高度h_d处，其中Im{Φ_L}＝0。这在图15A中图形地图示出，其分别示出了Φ_U的虚部和实部的曲线172和175。补偿端子T₂被放置于高度h_d处，其中Im{Φ_U}＝0，如曲线图172中所图形地图示出的。在该固定高度处，线圈相位Φ_U可以从Re{Φ_U}确定，如曲线图175中所图形地图示出的。

在AC源212耦合到线圈215(例如，在50Ω点以最大化耦合)的情况下，可以调整抽头233的位置以使补偿端子T₂与线圈的至少一部分在操作频率下并联共振。图15B示出了图14的一般电连接的示意图，其中，V₁是从AC电源212通过抽头227施加到线圈215的下部的电压，V₂是抽224处的供应给上部电荷端子T₁的电压，以及V₃是通过抽头233施加到下部补偿端子T₂的电压。电阻R_p和R_d分别表示电荷端子T₁和补偿端子T₂的接地返回电阻。电荷端子T₁和补偿端子T₂可以被配置为球形、圆柱体、环形体、环、罩或电容性结构的任何其他组合。可以选择电荷端子T₁和补偿端子T₂的大小，以为施加在端子上的电荷Q₁和Q₂提供足够大的表面。通常，希望使电荷端子T₁尽可能大。电荷端子T₁的大小应该足够大以避免周围空气的电离，这可能导致电荷端子周围的放电或火花。例如，可以使用等式(24)来确定电荷端子T₁和补偿端子T₂的自电容C_p和C_d。

如图15B所示，共振电路由线圈215的电感的至少一部分、补偿端子T₂的自电容C_d以及与补偿端子T₂相关联的接地返回电阻R_d形成。通过调整施加到补偿端子T₂的电压V₃(例如，通过调整线圈215上的抽头233位置)或通过调整补偿端子T₂的高度和/或大小来调整C_d，可以建立并联共振。线圈抽头233的位置可以被调整用于并联共振，这将导致通过接地桩218并通过电流表236的地电流以达到最大点。在补偿端子T₂的并联共振已经建立之后，用于AC源212的抽头227的位置可以被调整到线圈215上的50Ω点。

来自线圈215的电压V₂可以被施加到电荷端子T₁，并且可以调整抽头224的位置，使得总有效高度(h_TE)的相位(Φ)近似等于在汉克尔交叉距离(W_Rx)处的引导表面波倾斜(W_Rx)角。线圈抽头224的位置可以被调整，直到达到该操作点为止，这导致通过电流表236的地电流增加到最大值。此时，由引导表面波导探头200d激励得到的(resulant)场与有损传导介质203的表面上的引导表面波导模式基本上模式匹配，导致沿着有损传导介质203的表面发射引导表面波。这可以通过沿着从引导表面波导探头200径向延伸测量的场强来验证。

包括补偿端子T₂的电路的共振可以随着电荷端子T₁的附接和/或随着通过抽头224施加到电荷端子T₁的电压的调整而改变。当调整用于共振的补偿端子电路辅助电荷端子连接的后续调整时，不需要在汉克尔交叉距离(R_x)处建立引导表面波倾斜(W_Rx)。通过迭代地将用于AC电源212的抽头227的位置调整到线圈215上的50Ω点并且调整抽头233的位置以最大化通过电流表236的地电流，可以进一步调整系统以改善耦合。包括补偿端子T₂的电路的共振可以随着抽头227和233的位置被调整或者当其他部件被附接到线圈215时而偏移。

在其他实施方式中，来自线圈215的电压V₂可以被施加到电荷端子T₁，并且可以调整抽头233的位置，使得总有效高度(h_TE)的相位(Φ)近似等于在R_x处的引导表面波倾斜角(Ψ)。可以调整线圈分接头224的位置，直到达到操作点，导致通过电流表236的接地电流基本上达到最大值。合成场与有损的传导介质203的表面上的引导表面波导模式基本上模式匹配，并且引导表面波沿有损的传导介质203的表面发射。这可以通过测量沿着从引导表面波导探头200径向延伸的场强来验证。通过迭代地将AC电源212的分接头227的位置调整到线圈215上的50Ω点并且调整分接头233和或224的位置以最大化通过电流表236的地电流，可以进一步调整系统以改善耦合。

重新参考图12，可以控制引导表面波导探头200的操作，以调整与引导表面波导探头200相关联的操作条件的变化。例如，探头控制系统230可以用于控制馈送网络209和/或电荷端子T₁和/或补偿端子T₂的位置以控制引导表面波导探头200的操作。操作条件可以包括但不限于有损传导介质203的特性(例如，传导率σ和相对介电常数ε_r)的变化、场强的变化和/或引导表面波导探头200的负载的变化。从等式(41)-(44)可以看出，折射率(n)、复数布鲁斯特角(θ_i,B和ψ_i,B)、波倾斜(|W|e^jΨ)和复数有效高度(h_eff＝h_pe^jΦ)可能受到例如天气条件导致的土壤传导率和介电常数的变化的影响。

诸如例如传导率测量探头、介电常数传感器、地面参数仪表、场仪表、电流监测器和/或负载接收器的设备可以用于监测操作条件的变化并向探头控制系统提供关于当前操作条件的信息。探头控制系统230然后可以对引导表面波导探头200进行一个或多个调整，以维持对于引导表面波导探头200的指定操作条件。例如，当湿度和温度的变化时，土壤的传导率也将变化。传导率测量探头和/或介电常数传感器可以被置于引导表面波导探头200周围的多个位置处。通常，希望监测汉克尔交叉距离R_x处或汉克尔交叉距离R_x周围的对于操作频率的传导率和/或介电常数。传导率测量探头和/或介电常数传感器可以被置于引导表面波导探头200周围的多个位置(例如，在每个象限中)。

接着参照图16，所示的是引导表面波导探头200e的示例，该引导表面波导探头200e包括沿垂直轴z布置的电荷端子T₁和电荷端子T₂。引导表面波导探头200e布置在构成区域1的有损传导介质203的上方。另外，第二介质206与有损传导介质203共享边界界面并构成区域2。电荷端子T₁和T₂被放置在有损传导介质203的上方。电荷端子T₁被放置在高度H₁处，并且电荷端子T₂在高度H₂处沿着垂直轴线z被直接放置在T₁的正下方，其中H₂小于H₁。由引导表面波导探头200e呈现的传输结构的高度h是h＝H₁–H₂。引导表面波导探头200e包括将激励源212耦合到电荷端子T₁和T₂的探头馈送网络209。

电荷端子T₁和/或T₂包括可以容纳(hold)电荷的传导块，其可以被调整大小以在实际可能的情况下容纳尽可能多的电荷。电荷端子T₁具有自电容C₁，并且电荷端子T₂具有自电容C₂，其可以使用例如等式(24)确定。通过将电荷端子T₁直接放置在电荷端子T₂上方，在电荷端子T₁和T₂之间形成互电容C_M。请注意，电荷端子T₁和T₂不需要相同，但是每个电荷端子可以具有单独的大小和形状，并且可以包括不同的传导材料。最终，由引导表面波导探头200e发射的引导表面波的场强与终端T₁上的电荷量成正比。由于Q₁＝C₁V，所以电荷Q₁又与与电荷端子T₁相关联的自电容C₁成比例，其中V是施加在电荷端子T₁上的电压。

当适当地调整以在预定的操作频率下操作时，引导表面波导探头200e沿着有损传导介质203的表面产生引导表面波。激励源212可以产生预定频率的电能，该电能被施加到引导表面波导探头200e以激励该结构。当由引导表面波导探头200e产生的电磁场与有损传导介质203基本上模式匹配时，电磁场基本上合成以复数布鲁斯特角入射的波前，其导致很少或没有反射。因此，表面波导探头200e不产生辐射波，而是沿着有损传导介质203的表面发射引导表面行进波。来自激励源212的能量可以作为泽内克(Zenneck)表面电流传输到位于引导表面波导探头200e的有效传输范围内的一个或多个接收器。

可以确定有损传导介质203的表面上的径向泽内克表面电流J_ρ(ρ)的渐近线为J₁(ρ)趋近和J₂(ρ)远离，其中：

趋近(ρ<λ/8):以及 (90)

远离(ρ>>λ/8):其中I₁是馈送给第一电荷端子T₁上的电荷Q₁的传导电流，并且I₂是馈送给第二电荷端子T₂上的电荷Q₂的传导电流。上部电荷端子T₁上的电荷Q₁由Q₁＝C₁V₁确定，其中C₁是电荷端子T₁的隔离电容。注意到，存在由给出的上述的J₁的第三分量，其根据Leontovich边界条件得出，并且是由第一电荷端子Q₁上的升高的振荡电荷的准静态电场泵送(pump)的有损传导介质203中的径向电流贡献。量Z_ρ＝jωμ_o/γ_e是有损传导介质的径向阻抗，其中，γ_e＝(jωμ₁σ₁-ω²μ₁ε₁)^1/2。

由等式(90)和(91)提出的表示径向电流趋近和远离的渐近线是复数量。根据各种实施例，合成物理表面电流J(ρ)以尽可能接近地在幅度和相位上匹配当前渐近线。也就是说，趋近|J(ρ)|与|J₁|相切，远离|J(ρ)|与|J₂|相切。而且，根据各种实施例，J(ρ)的相位应该从J₁趋近的相位过渡到J₂远离的相位。

为了匹配传输位置处的引导表面波模式以发射引导表面波，通过对应于的传播相位加上大约45度或225度的常数，表面电流|J₂|远离的相位应当与表面电流|J₁|趋近的相位不同。这是因为有两个根，一个接近π/4，而另一个接近5π/4。适当调整的合成径向表面电流是：

请注意，这与公式(17)一致。根据麦克斯韦方程，这种J(ρ)表面电流自动创建符合以下等式的场：

以及 (94)

因此，用于要匹配的引导表面波模式的表面电流|J₂|远离和表面电流|J₁|趋近之间的相位的差异是归因于等式(93)-(95)中汉克尔函数的特性，其与等式(1)-(3)是一致的。认识到由等式(1)-(6)和(17)以及等式(92)-(95)表示的场(而不是与地波传播相关联的辐射场)具有受限于有损界面的传输线模式的本质是重要的。

为了获得用于给定位置处的引导表面波导探头200e的给定设计的适当电压幅度和相位，可以使用迭代方法。具体地，考虑端子T₁和T₂的馈送电流、电荷端子T₁和T₂上的电荷以及它们在有损传导介质203以中的镜像来执行对引导表面波导探头200e的给定的激励和配置的分析，以确定所产生的径向表面电流密度。可以迭代地执行该过程，直到基于期望的参数确定对于给定的引导表面波导探头200e的最佳配置和激励。为了辅助确定给定的引导表面波导探头200e是否以最佳水平操作，可以基于在引导表面波导探头200e的位置处的区域1的传导率(σ₁)和区域1的介电常数(ε₁)的值，用等式(1)-(12)来生成引导场强曲线103(图1)。这样的引导场强度曲线103可以提供操作的基准，使得可以将测量的场强与由引导场强曲线103指示的大小进行比较，以确定是否已经实现最佳传输。

为了达到最佳状态，可以调整与引导表面波导探头200e相关联的各种参数。可以改变以调整引导表面波导探头200e的一个参数是电荷端子T₁和/或T₂中的一个或两个相对于有损传导介质203的表面的高度。另外，电荷端子T₁和T₂之间的距离或间隔也可以被调整。这样做时，可以最小化或另外改变互电容C_M或电荷端子T₁和T₂与有损传导介质203之间的任何束缚电容。各个电荷端子T₁和/或T₂的大小也可以被调整。通过改变电荷端子T₁和/或T₂的大小，如可以理解的，将改变各个自电容C₁和/或C₂以及互电容C_M。

另外，可以调整的另一个参数是与引导表面波导探头200e相关联的馈送网络209。其可以通过调整构成馈送网络209的电感和/或电容电抗的大小来实现。例如，在这种感应电抗包括线圈的情况下，可以调整这种线圈上的匝数。最终，可以对馈送网络209进行调整以改变馈送网络209的电长度(electrical length)，从而影响电荷端子T₁和T₂上的电压幅度和相位。

注意，通过进行各种调整而执行的传输迭代可以通过使用计算机模型或通过调整可理解的物理结构来实现。通过进行上述调整，可以产生近似于上述的等式(90)和(91)中指定的引导表面波模式的相同电流J(ρ)的对应的“趋近”表面电流J₁和“远离”表面电流J₂。这样做时，所得到的电磁场将基本上或近似地模式匹配于有损传导介质203的表面上的引导表面波模式。

尽管未在图16的示例中示出，但可以控制引导表面波导探头200e的操作以针对与引导表面波导探头200相关联的操作条件的变化进行调整。例如，图12中示出的探头控制系统230可以用于控制馈送网络209和/或电荷端子T₁和/或T₂的位置和/或大小，以控制引导表面波导探头200e的操作。操作条件可以包括但不限于有损传导介质203的特性(例如，传导率σ和相对介电常数ε_r)的变化、场强的变化和/或引导表面波导探头200e的负载的变化。

现在参考图17，所示的是图16中的引导表面波导探头200e的示例，在此表示为引导表面波导探头200f。引导表面波导探头200f包括沿着垂直轴z放置的电荷端子T₁和T₂，该垂直轴z基本正交于由有损传导介质203(例如地球)呈现的平面。第二介质206位于有损传导介质203的上方。电荷端子T₁具有自电容C₁，并且电荷端子T₂具有自电容C₂。在操作期间，取决于在任何给定时刻施加到电荷端子T₁和T₂的电压，电荷Q₁和Q₂分别被施加在电荷端子T₁和T₂上。取决于T₁和T₂之间的距离，电荷端子T₁和T₂之间可存在互电容C_M。另外，取决于各个电荷端子T₁和T₂相对于有损传导介质203的高度，各个电荷端子T₁和T₂与有损传导介质203之间可以存在束缚电容。

引导表面波导探头200f包括馈送网络209，馈送网络209包括电感阻抗，电感阻抗包括线圈L_1a，线圈L_1a具有分别耦合到电荷端子T₁和T₂中的一对引线。在一个实施例中，线圈L_1a被指定为具有引导表面波导探头200f的操作频率下的波长的一半(1/2)的电长度。

尽管线圈L_1a的电长度被指定为接近操作频率下的波长的一半(1/2)，但是可以理解的是，线圈L_1a可以被指定为具有其他值的电长度。根据一个实施例，线圈L_1a具有操作频率下的波长的接近一半的电长度的事实提供了在电荷端子T₁和T₂上产生最大电压差的优点。尽管如此，当调整引导表面波导探头200f以获得引导表面波模式的最佳激励时，线圈L_1a的长度或直径可以增大或减小。线圈长度的调整可以通过位于线圈一端或两端的抽头提供。在其他实施例中，可以是这样的情况，即电感阻抗被指定为具有明显小于或大于引导表面波导探头200f的操作频率下的波长的1/2的电长度。

激励源212可以通过磁耦合耦合到馈送网络209。具体地，激励源212耦合到感应耦合到线圈L_1a的线圈L_P。这可以通过链路耦合、抽头线圈、可变电抗或如可以理解的其他耦合方法来完成。为此，如可以理解的那样，线圈L_P用作主线圈，并且线圈L_1a用作辅线圈。

为了调整引导表面波导探头200f以传输期望的引导表面波，可以相对于有损传导介质203并相对于彼此改变各个电荷端子T₁和T₂的高度。而且，电荷端子T₁和T₂的大小可以改变。另外，线圈L_1a的大小可以通过增加或消除匝数或通过改变线圈L_1a的一些其他维度(dimension)参数来改变。线圈L_1a还可以包括用于调整电长度的一个或多个抽头，如图17所示。连接到电荷端子T₁或T₂的抽头的位置也可以被调整。

接下来参考图18A、18B、18C和19，所示出的是用于在无线功率传输系统中使用表面引导波的普遍的接收电路的示例。图18A和18B-18C分别包括线性探头303和调谐共振器306。图19是根据本公开的各种实施例的磁线圈309。根据各种实施例，线性探头303、调谐共振器306和磁线圈309中的每一个都可以用于接收根据各种实施例的以在有损传导介质203的表面上的引导表面波的形式传输的功率。如上所述，在一个实施例中，有损传导介质203包括陆地介质(或地球)。

具体参考图18A，线性探头303的输出端子312处的开路端子电压取决于线性探头303的有效高度。为此，端点电压可以被计算为：

其中，E_inc是以伏特/米表示的在线性探头303上感应的入射电场的强度，dl是沿着线性探偷303的方向的积分元素，并且h_e是线性探头303的有效高度。电负载315通过阻抗匹配网络318耦合到输出端子312。

当线性探头303经受如上所述的引导表面波时，跨输出端子312产生电压，该电压可以视情况通过共轭阻抗匹配网络318施加到电负载315。为了促进到电负载315的功率流动，电负载315应如下所述的与线性探头303基本上阻抗匹配。

参考图18B，具有等于引导表面波的波倾斜的相移的地电流激励线圈306a包括在有损传导介质203的上方升高(或悬置)的电荷端子T_R。电荷端子T_R具有自电容C_R。另外，取决于有损传导介质203上方的电荷端子T_R的高度，在电荷端子T_R和有损传导介质203之间也可以存在束缚电容(未示出)。束缚电容应该优选地被尽可能地最小化，尽管这在每一种情况下都不是完全必要的。

调谐共振器306a还包括包含具有相移Φ的线圈L_R的接收器网络。线圈L_R的一端耦合到电荷端子T_R，线圈L_R的另一端耦合到有损传导介质203。接收器网络可以包括将线圈L_R耦合到电荷端子T_R的垂直供应线导体。为此，当电荷端子C_R和线圈L_R串联放置时，线圈L_R(其也可以被称为调谐共振器L_R-C_R)包括串联调整的共振器。线圈L_R的相位延迟可以通过改变电荷端子T_R的大小和/或高度，和/或调整线圈L_R的大小来调整，使得该结构的相位Φ基本上等于波倾斜角Ψ。垂直供应线的相位延迟也可以通过例如改变导体的长度来调整。

例如，由自电容C_R呈现的电抗计算为1/jωC_R。注意，结构306a的总电容还可以包括电荷端子T_R和有损传导介质203之间的电容，其中结构306a的总电容可以根据自电容C_R和任何束缚电容来计算，如可以理解的。根据一个实施例，电荷端子T_R可以被升高到一定的高度，以基本上减少或消除任何束缚电容。如先前所讨论的，可以根据电荷端子T_R和有损传导介质203之间的电容测量来确定束缚电容的存在。

由分立元件线圈L_R呈现的感抗可以计算为jωL，其中L是线圈L_R的集总元件(lumped-element)电感。如果线圈L_R是分布式元件，则其等效端点感抗可以通过常规方法确定。为了调谐结构306a，可以进行调整，使得相位延迟等于波倾斜，以便模式匹配到操作频率下的表面波导。在这种条件下，接收结构可以被认为是与表面波导“模式匹配”。围绕结构和/或阻抗匹配网络324的变压器链路可以被插入到探头和电负载327之间以便将功率耦合给负载。在探头端子321和电负载327之间插入阻抗匹配网络324可以实现用于将最大化的电力递送到电负载327的共轭匹配条件。

当存在操作频率下的表面电流时，功率将从表面引导波传递送到电负载327。为此，电负载327可以通过磁耦合、电容耦合或传导(直接抽头)耦合的方式耦合到结构306a。耦合网络的元件可以是集总组件或分布式元件，如可以理解的。

在图18B所示的实施例中，采用磁耦合，其中线圈L_S相对于用作变压器初级线圈的线圈L_R被定位为次级线圈。可以通过将线圈L_S几何地缠绕在相同的磁芯结构上并且调整耦合的磁通量而将线圈L_S链接耦合到线圈L_R。如可以理解的。另外，尽管接收结构306a包括串联调谐的共振器，但也可以使用并联调谐的共振器或者甚至是适当的相位延迟的分布式元件共振器。

尽管沉浸在电磁场中的接收结构可以耦合来自场的能量，但可以认识到，极化匹配结构通过使耦合最大化而运行得最好，并且应该观察用于探头耦合到波导模式的常规规则。例如，TE₂₀(横向电模式)波导探头对于从TE₂₀模式中激励的常规波导中提取能量可能是最佳的。类似地，在这些情况下，模式匹配和相位匹配的接收结构可以针对来自表面引导波的耦合功率进行优化。由有损传导介质203的表面上的引导表面波导探头200激发的引导表面波可以被认为是开放波导的波导模式。排除波导损失，可以完全恢复源能量。有用的接收结构可以是电场耦合，磁场耦合或表面电流激励。

基于接收结构附近的有损传导介质203的局部特性，可以调整接收结构以增加或最大化与引导表面波的耦合。为了实现这一点，可以调整接收结构的相位延迟(Φ)以匹配接收结构处的表面行进波的波倾斜角(Ψ)。如果适当地配置，则接收结构然后可以被调谐用于相对于在复数深度z＝-d/2处的理想传导镜像地平面的共振。

例如，考虑包括图18B的调谐共振器306a的接收结构，其包括线圈L_R和连接在线圈L_R与电荷端子T_R之间的垂直供应线。在电荷端子T_R放置于有损传导介质203上方的限定(defined)高度的情况下，线圈L_R和垂直供应线的总相移Φ可以与在调谐共振器306a的位置处的波倾斜角(Ψ)匹配。从等式(22)可以看出，波倾斜渐近地传递到

其中，ε_r包括相对介电常数，并且σ₁是在接收结构位置处的有损传导介质203的传导率，ε_o是自由空间的介电常数，并且ω＝2πf，其中，f是激励频率。因此，可以根据等式(97)确定波倾斜角(Ψ)。

调谐共振器306a的总相移(Φ＝θ_c+θ_y)包括通过线圈L_R的相位延迟(θ_c)和垂直供应线的相位延迟(θ_y)。沿着垂直供应线的导体长度l_w的空间相位延迟可以由θ_y＝β_wl_w给出，其中β_w是垂直供应线导体的传播相位常数。由于线圈(或螺旋延迟线)引起的相位延迟为：θ_c＝β_pl_C，其中，物理长度为l_C和传播因子为

其中，V_f是结构上的速度因子，λ₀是供应频率下的波长，以及λ_p是根据速度因子V_f产生的传播波长。可以调整相位延迟(θ_c+θ_y)中的一个或两个，以使相移Φ与波倾斜角(Ψ)匹配。例如，可以在图18B的线圈L_R上调整抽头位置以调整线圈相位延迟(θ_c)以使总相移与波倾斜角匹配(Φ＝Ψ)。例如，如图18B所示，线圈的一部分可以被抽头连接旁路。垂直供应线导体也可以经由抽头连接到线圈L_R，可以调整线圈上的抽头的位置以使总相移与波倾斜角相匹配。

一旦调整了共振器306a的相位延迟(Φ)，电荷端子T_R的阻抗然后就可以被调整，以调谐相对于在复数深度z＝-d/2处的理想传导镜像地平面的共振。这可以通过调整电荷端子T₁的电容而不改变线圈L_R和垂直供应线的行进波相位延迟来实现。这些调整与关于图9A和9B所描述的相似。

“向下看”到有损传导介质203到复数镜像平面所观察到的阻抗由下式给出：

Z_in＝R_in+jX_in＝Z_otanh(jβ_o(d/2)) (99)

其中，对于地球上的垂直极化源，复数镜像平面的深度可由下式给出：

其中，μ₁是有损传导介质203的磁导率并且ε₁＝ε_rε_o。

在调谐共振器306a的基部处，如图9A所示，“向上看”到接收结构中所观察到的的阻抗是Z_↑＝Z_base。终端阻抗为：

其中，C_R是电荷端子T_R的自电容，“向上看”到调谐共振器306a的垂直供应线导体中所观察到的阻抗由下式给出：

并且“向上看”到调谐共振器306a的线圈L_R中所看到的阻抗由下式给出：

通过将“向下看”到有损传导介质203中所观察到的电抗元件(X_in)与“向上看”到调谐共振器306a中所观察到的电抗元件(X_base)进行匹配，可以使到引导表面波导模式的耦合最大化。

接下来参考图18C，所示的是在接收结构的顶部不包括电荷端子T_R的调谐共振器306b的示例。在该实施例中，调谐共振器306b不包括耦合在线圈L_R与电荷端子T_R之间的垂直供应线。因此，调谐共振器306b的总相移(Φ)仅包括通过线圈L_R的相位延迟(θ_c)。如图18B的调谐共振器306a，线圈相位延迟θ_c可以被调整以匹配根据等式(97)确定的波倾斜角(Ψ)，其导致Φ＝Ψ。尽管在接收结构耦合到表面波导模式的情况下功率提取是可能的，但是难以调整接收结构以在没有由电荷端子T_R提供的可变电抗负载的情况下最大化与引导表面波的耦合。

参考图18D，所示的是流程图180，其图示了调整接收结构以与有损传导介质203的表面上的引导表面波导模式基本模式匹配的示例。从181开始，如果接收结构包括电荷端子T_R(例如，图18B的调谐共振器306a的电荷端子T_R)，则在184，电荷端子T_R被放置在有损传导介质203上方的限定的高度处。由于表面引导波已经由引导表面波导探头200建立，所以电荷端子T_R的物理高度(h_p)可以低于有效高度的物理高度。可以选择物理高度以减小或最小化电荷端子T_R上的束缚电荷(例如，电荷端子的球形直径的四倍)。如果接收结构不包括电荷端子T_R(例如，图18C的调谐共振器306b的电荷端子T_R)，那么流程进行到187。

在187处，接收结构的电相位延迟Φ与由有损传导介质203的局部特性定义的复数波倾斜角Ψ匹配。螺旋线圈的相位延迟(θ_c)和/或垂直供应线的相位延迟(θ_y)可被调整以使Φ等于波倾斜(W)角(Ψ)。波倾斜角(Ψ)可以由公式(86)确定。电相位Φ然后可以与波倾斜角匹配。例如，可以通过改变线圈L_R的几何参数和/或垂直供应线导体的长度(或高度)来调整电相位延迟Φ＝θ_c+θ_y。

接下来在190，电荷端子T_R的负载阻抗可以被调谐，以共振被调谐的共振器306a的等效镜像平面模型。接收结构下方的传导镜像地平面139(图9A)的深度(d/2)可以使用等式(100)以及可以在本地测量的接收结构处的有损传导介质203(例如地球)的值来确定。使用该复数深度，可以使用θ_d＝β_od/2来确定镜像地平面139与有损传导介质203的物理边界136(图9A)之间的相移(θ_d)。然后可以使用等式(99)确定“向下看”到有损传导介质203中所观察到的阻抗(Z_in)。这种共振关系可以被认为是最大化与引导表面波的耦合。

基于调整后的线圈L_R的参数和垂直供应线导体的长度，可以确定线圈L_R和垂直供应线路的速度因子、相位延迟和阻抗。另外，可以使用例如等式(24)来确定电荷端子T_R的自电容(C_R)。可以使用等式(98)确定线圈L_R的传播因子(β_p)，并且可以使用等式(49)确定垂直供应线的传播相位常数(β_w)。使用自电容和线圈L_R和垂直供应线的确定的值，可以使用等式(101)、(102)和(103)来确定“向上看”到线圈L_R中所观察到的调谐的共振器306a的阻抗(Z_base)。

图9A的等效镜像平面模型也适用于图18B的调谐的共振器306a。通过调整电荷端子T_R的负载阻抗Z_R，使得Z_base的电抗分量X_base抵消Z_in的电抗分量X_in，或者X_base+X_in＝0，可以将调谐的共振器306a调谐到相对于复数镜像平面的共振。因此，“向上看”到调谐共振器306a的线圈的在物理边界136(图9A)处的阻抗是“向下看”到有损传导介质203的在物理边界136处的阻抗的共轭。可以通过改变电荷端子T_R的电容(C_R)而不改变由电荷端子T_R看到的电相位延迟Φ＝θ_c+θ_y来调整负载阻抗Z_R。可以采取迭代方法来调谐负载阻抗Z_R以用于等效镜像平面模型相对于传导镜像地平面139的共振。以这种方式，电场沿着有损传导介质203(例如地球)的表面到引导表面波导模式的耦合可以被改进和/或最大化。

参考图19，电磁线圈309包括通过阻抗匹配网络333耦合到电负载336的接收电路。为了便于从引导表面波接收和/或提取功率，电磁线圈309可被放置成使得引导表面波的磁通量穿过磁线圈309，由此在磁线圈309中感应出电流并在其输出端子330处产生端点电压。耦合到单匝线圈的引导表面波的磁通量被表示为：

其中，是耦合磁通量，μ_r是磁线圈309的磁芯的有效相对磁导率，μ_o是自由空间的磁导率，是入射磁场强度矢量，是正交于匝的横截面的单位矢量，以及A_CS是每个回路所包围的面积。对于定向用于最大程度地耦合到在电磁线圈309的横截面上是均匀的入射磁场的N匝磁线圈309，出现在磁线圈309的输出端子330处的开路感应电压是：

其中变量在上面定义。电磁线圈309可以被调谐到引导表面波频率，或者被调谐作为分布式共振器或者与跨过其输出端子330的外部电容器一起被调谐，视情况而定可以，并且然后通过共轭阻抗匹配网络333与外部电负载336阻抗匹配。

假设由磁线圈309和电负载336呈现的结果电路经由阻抗匹配网络333被适当地调整并且共轭阻抗匹配，则然后可以采用在磁线圈309中感应的电流来最优地为电负载336供电。由磁线圈309呈现的接收电路提供了一个优点，因为它不必物理地连接到地面。

参考图18A、18B、18C和19，每个由线性探头303、模式匹配结构306和磁线圈309呈现的接收电路都有助于接收从上述引导表面波导探头200的任何一个实施例传输的功率。为此，如可以理解的，所接收的能量可以用于经由共轭匹配网络向电负载315/327/336供电。这与在接收器中可能接收到的以辐射电磁场形式发送的信号形成对比。这样的信号具有非常低的可用功率，并且这种信号的接收器不会加载发射器。

使用上述引导表面波导探头200产生的该引导表面波的特性还在于，由线性探头303、模式匹配结构306和磁线圈309呈现的接收电路将加载激励源212(例如，图3、12和16)，该激励源被施加到引导表面波导探头200，从而产生这样的接收电路所经受的引导表面波。这反映了由上述给定的引导表面波导探头200产生的引导表面波包括传顺线模式的事实。相反，驱动产生辐射电磁波的辐射天线的电源不由接收器加载，无论所使用的接收器的数量是多少。

因此，一个或多个引导表面波导探头200和以线性探头303、调谐模式匹配结构306和/或磁线圈309的形式的一个或多个接收电路一起可以组成无线分布系统。假定使用如上所述的引导表面波导探头200的传输引导表面波的距离取决于频率，则可以在跨广阔的区域甚至全局范围内实现无线功率分布。

如今广泛研究的传统的无线功率传输/分布系统包括来自辐射场的“能量收获”以及还包括耦合到感应近场或电抗近场的传感器。相反，目前的无线功率系统不会以辐射的形式浪费功率，如果不被截取的话，功率将永远损失。目前公开的无线功率系统也不像传统的互感耦合近场系统那样被限于极短的距离。本文公开的无线功率系统探头耦合到新颖的表面引导传输线模式，这相当于通过波导向负载递送功率或直接有线的(连接)到远处的功率发生器的负载。不计算维持传输场强所需的功率加上表面波导中耗散的功率，其在极低频率下，相对于传统高压电力线在60赫兹时的传输损失而言微不足道，所有的发生器功率都只能达到所需的电负载。当电负载需求终止时，源功率发生相对空闲。

接下来参照图20A-E，示出的是参照下面的讨论使用的各种示意性符号的示例。具体参考图20A，示出了表示被引导的表面波导探头200a、200b、200c、200e、200d或200f中的任何一个的符号；或其任何变体。在下面的附图和讨论中，该符号的描述将被称为被引导的表面波导探头P。为了在下面的讨论中简化起见，对被引导的表面波导探头P的任何引用是对被引导的表面波导探头200a、200b、200c、200e、200d或200f中的任何一个或其任何变体的引用。

类似地，参照图20B，示出的是表示被引导的表面波接收结构的符号，其可以包括线性探头303(图18A)、调谐共振器306(图18B-18C)、或磁线圈309(图19)。在下面的附图和讨论中，这个符号的描述将被称为被引导的表面波接收结构R。为了在下面的讨论中简化起见，对被引导的表面波接收结构R的任何引用是对线性探头303、调谐共振器306、磁线圈309或其变体中的任何一个的引用。

此外，参照图20C，示出的是具体地表示线性探头303(图18A)的符号。在下面的附图和讨论中，这个符号的描述将被称为被引导的表面波接收结构R_P。为了在下面的讨论中简化起见，对被引导的表面波接收结构R_P的任何引用是对线性探头303或其变型的引用。

此外，参照图20D，示出的是具体地表示调谐共振器306(图18B-18C)的符号。在下面的附图和讨论中，这个符号的描述将被称为被引导的表面波接收结构R_R。为了在下面的讨论中简化起见，对被引导的表面波接收结构R_R的任何引用是对调谐共振器306或其变型的引用。

此外，参照图20E，所示的是具体地表示磁线圈309(图19)的符号。在下面的附图和讨论中，该符号的描述将被称为被引导的表面波接收结构R_M。为了在下面的讨论中简化起见，对被引导的表面波接收结构R_M的任何引用是对电磁线圈309或其变型的引用。

转向图21，示出的是根据实施例的被植入人体中的医疗设备的示例。医疗环境400可以包括计算环境403、网络406、被引导的表面波导探头P、一个或多个被引导的表面波409、人体412和医疗设备415。计算环境可以包括数据存储418和医疗应用421。数据存储可以包括具有历史数据427的患者数据424。患者数据424可以包括用于一个或多个患者的一个或多个患者记录。用于每个患者的历史数据427可以包括从医疗设备415接收的一个或多个测量。该一个或多个测量可以是针对患者的人体412的一个或多个特征。一个或多个测量可以包括随时间的单个特征的重复测量和/或随时间的多个特征的重复测量。计算环境403可以连接到网络406。医疗设备415可以经由无线连接与网络406进行通信。医疗应用421可以经由网络406与一个或多个医疗设备415进行通信。

根据一个实施例，医疗设备415可以包括被引导的表面波接收结构R、阻抗匹配网络431、电力电路433和医疗电路436。被引导的表面波接收结构R被配置为接收由被引导的表面波导探头P发送的被引导的表面波409并产生AC电力信号。根据一个实施例，被引导的表面波接收结构R可以包括被引导的表面波接收结构R_M，该被引导的表面波接收结构R_M包括线圈，该线圈从如上所述的被引导的表面波中体现的磁场获得能量。在这种情况下，可以将线圈缠绕在具有高放大系数的各种芯材上，使得可以通过这些线圈输送更大量的磁通量，从而在被引导的表面波接收结构R_M的输出处提供更大量的能量。这样的高放大系数物质可以包括高导磁合金，诸如具有相对磁导率值为80,000-100,000的镍-铁软磁合金或其他合适的金属。可替换地，可以使用其他被引导的表面波接收结构R。例如，在医疗设备415位于人体外部的情况下或者在电导线被暴露在耦合到植入人体内部的医疗设备415的人体外的情况下，可以使用被引导的表面波接收结构R_P和R_R。

电力电路433耦合到阻抗匹配网络431。电力电路433可以包括配置为存储电力信号的电力存储电路。电力电路433可以包括AC-DC转换电路，诸如整流器，诸如全波整流器和/或半波整流器，以将模拟信号转换为数字信号。电力存储电路可以包括一个或多个电池和/或一个或多个电容器。医疗电路436可以诸如经由电连接耦合到电力电路433。

医疗设备415可以植入人体中，诸如人体412。例如，外科医生可以切开患者并将医疗设备415植入患者的人体412内。外科医生可以将引线连接到身体的各个部位以监测和/或刺激身体，诸如通过静脉将一根或多根细绝缘电线连接到心脏以刺激心脏。外科医生可以将一个或多个刺激元件连接到患者的人体412的一个或多个部分。刺激元件可以包括化学注射器、激光器、电线、和/或释放纳米器件和/或纳米颗粒的元件中的一个或多个。

外科医生可以将一个或多个感测元件连接到患者的身体中。例如，外科医生可以在静脉、动脉或毛细血管内植入压力感测设备以测量血压和/或心脏跳动的频率。其他传感器可以包括电信号检测器和诸如氧气传感器、二氧化碳传感器、葡萄糖传感器、运动传感器、陆圈、加速度计、GPS电路、照相机和/或X射线设备的化学传感器。一个或多个传感器可以被配置为检测泄漏，例如乳房植入物中的泄漏；检测诸如人造臀部、膝盖或肩膀的人造身体部位的部件中的磨损水平；检测通过一个或多个动脉、静脉和/或毛细血管的流速；和/或检测修复或熔接硬件(诸如脊柱螺钉、杆、销、板或人造椎间盘)的移动。

可替换地，医疗设备415可以不植入人体。而是，医疗设备415可以位于身体外部并且可以包括从医疗设备415进入身体的电引线或其他连接。

被引导的表面波导探头P可以以预定场强输出被引导的表面波409。根据一个实施例，被引导的表面波导探头P被配置成以足够低的频率发射以在全世界传播。可替换地，被引导的表面波导探头P可以以传播到较小距离的频率被发送到被引导的表面波。在被引导的表面波被全球地发送的情况下，由于在相对于发射的被引导的表面波导探头P的相对赤道上的几何扩展，得到的场强将低于发射器的位置处以及在相对于发送的被引导的表面波导探头P的对极(antipode)处的场强度。并且，如果被引导的表面波导探头P发送到较小的距离，诸如，例如在美国大陆内部，则在距离被引导的表面波导探头P一定距离处所经历的信号强度可能由于几何扩展而不如被引导的表面波导探头P附近的场强。

根据一个实施例，被引导的表面波导探头P被配置为发送最小电力信号输出，以便提供足够的场强以在具有最低信号强度的区域处操作医疗设备415，诸如当医疗设备415位于或靠近相对赤道，或位于发送区域的边缘上。医疗应用421可以监测一个或多个位置处的场强度的测量。医疗应用421可以增加和/或减小经由激励源405在被引导的表面波导探头P处输出的电力信号强度。医疗应用421可以增加电力信号强度，直到接收到超过或满足预配置的阈值的场强的测量，诸如满足医疗设备415充电所必需的阈值场强。

医疗应用421经由激励源405发送电力信号。激励源405产生施加到被引导的表面波导探头P的电压。被引导的表面波导探头P响应电压被施加到被引导的表面波导探头P上而发射了被引导的表面波409。医疗设备415经由被引导的表面波接收结构R_M从被引导的表面波409接收能量，并且向电力电路433提供AC电力信号，该电力电路433将能量存储在电池和/或电容器中以用于给医疗电路436供电。当电荷下降到预定阈值以下时，电力电路433中的电池和/或电容器可以被电力电路433循环充电。

转到图22，示出的是根据各种实施例的医疗设备415的示例实施例。医疗设备415包括被引导的表面波接收结构R_M、阻抗匹配网络431、电力电路433、医疗电路436、终端445和448以及潜在的其他组件。电力电路包括AC到DC转换电路、电力存储电路442以及可能的其他组件。被引导的表面波接收结构R_M被配置为接收预定频率上的被引导的表面波，诸如被引导的表面波409(图21)。可替换地，被引导的表面波接收结构R_M和阻抗匹配网络439可以被配置为接收多个不同频率的被引导的表面波。为此，被引导的表面波接收结构R_M和相应的阻抗匹配网络439可以代表多个被引导的表面波接收结构R_M和对应的阻抗匹配网络439，该对应的阻抗匹配网络439并行操作以一次一个地或同时地从多个不同频率的被引导的表面波接收电力。可替换地，可以不时地调整被引导的表面波接收结构R_M和/或阻抗匹配网络439的物理参数，以从各种不同频率的被引导的表面波接收电力。

被引导的表面波接收器结构R_M通过阻抗匹配网络439耦合到电力电路433。电力存储电路442包括端子445和448。电力电路在端子445和448之间产生电势差。例如，电力电路433从阻抗匹配网络439接收结果输出。根据一个实施例，电力电路433可以使用电力转换电路440将该输出转换成DC电力信号，电力转换电路440可以被提供给医疗电路436和/或被存储在电力存储电路442中。在一些实施例中，电力电路443连续地对电力存储电路442进行涓流充电。在其他实施例中，当电力水平下降到预定阈值以下时，电力存储电路442被充电。

参考图23，示出的是根据各种实施例的医疗电路436的示例实施例。医疗电路436可以经由端子445和448被连接到电力电路。电力可以经由端子445和448以DC电压/电流的形式被供应到医疗电路436。医疗电路436可以包括刺激电路451、监测电路454、计算设备457和无线联网设备460。刺激电路451被配置成向人体提供刺激，诸如以电脉冲形式的刺激等刺激。监测电路454测量人体412的一个或多个特征(图21)。该特征可以是脉搏、血压、心跳频率、温度、呼吸率、电信号、神经冲动、肌肉抽搐、电阻值、蛋白质周转水平、二氧化碳水平，氧气水平或其他特性中的一种或多种。刺激电路451可以被配置为响应于人体特性的变化(诸如来自监测电路454的测量)而被激活。

计算设备457可以被耦合到刺激电路451、监测电路454和无线联网设备460。计算设备457可以执行被存储在与计算设备457相关联的存储器中的其他软件或固件应用当中的医疗设备应用。计算设备457可以包括被配置为执行本文描述的操作的硬件，诸如FPGA，以及其他已知的硬件。计算设备可以从监测电路454接收一个或多个测量。计算设备457可以被耦合到电力电路433内的一个或多个元件以监测和/或管理电力生成、存储和输出。

计算设备457可以使得刺激电路451向人体412提供刺激。刺激可以包括对腓神经的电刺激、对心室的电刺激、对胃的表面的电刺激、对听觉神经的电刺激、对听觉神经的听觉刺激、胰岛素分泌、一种或多种其他物质的分泌和/或一些其他刺激中的一种或多种。例如，监测电路454可以测量体内的葡萄糖水平并将葡萄糖水平提供给计算设备457。计算设备457可以确定葡萄糖水平落在可接受的值的预定范围之外，并且响应于它落在该范围之外，计算设备457可以向刺激电路451发信号以向人体412提供刺激。响应于接收到该信号，刺激电路451可以输出诸如胰岛素的药物的分泌。

计算设备457可以处理人体的一个或多个特征以计算更复杂的测量。例如，计算设备457可以通过首先基于心跳频率、呼吸率和血压中的一个或多个来确定人正在睡眠并且然后监测在睡眠期间身体中的氧气和二氧化碳水平来计算代谢代谢率。作为另一示例，计算设备457可以基于首先确定人处于有氧活动状态并随后监测身体中的氧气和二氧化碳水平来计算VO₂最大值。

参考图24，示出的是根据各种实施例的电力电路433的示例实施例。电力电路433包括电力转换电路440(其可以包括例如全波整流器463和平滑电容器466)、电力存储电路442、正输入469、负输入472、正输出445和负输出448。阻抗匹配网络439被电耦合到被引导的表面波接收结构R_M。如可以理解的，阻抗匹配网络439被配置为减少电力信号的反射并且在操作频率处提供最大电力传递。阻抗匹配网络439可以与上述任何阻抗匹配网络相同。根据一个实施例，电力电路433(和耦合到其的医疗电路436)作为激励源405(图21)处的负载。

电力电路433被配置成通过AC-DC转换器电路将AC信号转换为DC信号。例如，电力电路433从阻抗匹配网络439接收跨正输入469和负输入472的AC信号。全波整流器463对AC信号进行整流以生成DC信号。平滑电容器466将信号整平成稳定的DC信号。如可以理解的，可以使用其他整流电路，诸如半波整流器、可控硅整流器(silicon controlledrectifier，SCR)、硒和氧化铜整流器、和/或硅和锗二极管等等。另外，可以使用诸如DC扼流圈的其他组件来进一步稳定DC电压。整流电路463的输出可以直接输出到医疗电路436(图21)或可以被存储在电力存储电路442中。电力存储电路442可以根据需要将存储的电力输出到医疗电路436。

监测电路454(图23)可以监测电力存储电路442的电力水平。计算设备457可从监测电路454接收电力水平并处理电力存储电路442的电力水平。计算设备457可以识别电力水平未能满足电力存储电路442中的电池电力的临界阈值并且生成警告。临界阈值可能包括一系列增加的临界阈值。例如，一系列临界阈值可以存在于下面的一个或多个：40％电力水平、20％电力水平、10％电力水平、5％电力水平、3％电力水平、1％电力水平或其他电力水平。

根据一个实施例，医疗设备415被配置为经由延伸到身体外部的导线与报告设备通信。在该实施例中，报告设备生成警告，诸如可听见的警告。在又一个实施例中，医疗设备415不被植入体内，而是附着在外部，例如胰岛素泵。

当电力存储电路442电力水平降低时，对每个水平的警告紧急性可能增加。该警告可以是可听见的噪声、物理脉冲和/或电子通知(诸如电子邮件或文本消息)中的一个或多个。例如，计算设备457可以发送通知电力存储电路具有低于40％的电力水平的电子邮件，但是可以当电力水平降至5％以下时向体内提交电脉冲以引起肌肉抽搐。引起肌肉抽搐对于人来说可能是令人惊讶的事件，但是与医疗设备415的电力水平相关联的风险降到临界阈值以下可能超过令人惊讶。

计算设备457还可以将与测量的时间相关联的电力水平存储在与计算设备457相关联的存储器设备中，诸如存储器设备524和533(图27)。计算设备457可以将电力水平发送到远程服务器以进行处理和存储，诸如计算环境403(图21)。计算设备457可以将电力水平的历史存储在存储器设备中，直到发生同步事件。计算设备457可以验证电力水平历史已经被传送到远程服务器。响应于验证电力电平历史已经被成功地传递，计算设备457可以从存储器设备清除历史。计算设备457和/或远程服务器可以处理医疗设备415的电力水平的历史，以确定电力存储电路442的估计寿命。电力存储电路442存储电力的能力可能随着时间而恶化并且需要医疗设备415被提取并且电力存储电路442被替换。例如，电池和/或电容器可能随着时间而恶化。

接下来参考图25，示出的是根据各种实施例的提供医疗设备415的部分的操作的一个示例的医疗刺激过程475的流程图。可以理解的是，图25的流程图仅提供了可用于实现如本文所述的医疗设备415的部分的操作的许多不同类型的功能和/或物理布置的示例。作为替代，图25的流程图可以被视为描绘了根据一个或多个实施例的在医疗设备415(图21)中实现的方法的步骤的示例。

在框478处，医疗刺激过程475包括从由被引导的表面波导探头P发送的被引导的表面波接收能量。例如，医疗设备415通过被引导的表面波接收结构R_M(图21)的方式从被引导的表面波409(图21)接收能量。在框481处，医疗刺激过程475包括基于所接收的被引导的表面波来生成电力信号。例如，被引导的表面波接收结构R_M通过阻抗匹配电路439向电力电路433(图21)输出电力信号。在框484处，医疗刺激过程475包括根据AC信号产生电力信号，该电力信号从被引导的表面波接收结构R_M获得。例如，电力电路433可以根据由被引导的表面波接收结构R_M生成的AC电力信号来产生DC电力信号。DC电力信号可以用于实时地或者通过将所生成的电力信号存储在诸如电力存储电路442(图22)的电力存储设备中来给医疗设备415供电。电力存储电路442可以将从电力信号存储的电力提供给医疗设备415。

在框487，医疗刺激过程475包括确定来自人体的测量。例如，医疗设备415的监测电路454(图23)可以经由一个或多个感测元件从人体412(图21)获得一个或多个测量。监测电路454可以包括一个或多个感测元件和/或一个或多个感测元件可以是分离的元件。监测电路454可以将一个或多个测量发送到计算设备457(图23)。可以经由在监测电路454和计算设备457两者中实现的消息协议来发送测量。可以通过监测电路454的一个或多个输出来发送测量，该监测电路454连接到计算设备457的一个或多个通用输入/输出(GeneralPurpose Input/Output，GPIO)线。输出可以是模拟信号并且需要计算设备457的GPIO线与监测电路454之间的模数转换器电路。监测电路454的一个或多个输出中的每一个可对应于与不同感测元件不同的测量。监测电路454的单个输出可以发送来自多于一个传感元件的多于一个的测量。

在框490处，医疗刺激过程475包括计算测量中的变化。例如，计算设备457可以处理来自监测电路454的一个或多个测量以及被存储在与计算设备457相关联的存储器设备中的一个或多个历史的测量，以确定一个或多个测量的变化。变化可以是统计的测量。例如，计算设备457可以计算历史上的一个测量的平均值，并且根据平均值计算当前测量的标准偏差。计算设备457可对存储器中的测量的历史执行回归分析，基于回归分析确定当前测量的预测值，并确定预测值与当前测量之间的变化。例如，回归分析可以确定在5:00PM进食后血压峰值的20％的历史，但是如果在5:00PM的测量显示增加50％，则确定大的变化，而仅增加20％将没有变化。

在框493，医疗刺激过程475包括确定变化是否满足预定阈值。例如，计算设备457可以比较变化，例如框490中计算的变化，以确定变化是否满足预定阈值。预定阈值可以被存储在与计算设备457相关联的存储器设备中。可以部分地基于植入医疗设备415的人体的一个或多个特性来修改、更新或改变预定阈值。例如，计算设备457可以存储体内葡萄糖水平上的胰岛素剂量效果的测量，部分基于该效果调整用于注射胰岛素的阈值。部分地基于身体对胰岛素的增加的电阻，剂量的影响可以随时间改变，并且因此阈值可以随着时间由计算设备457改变。诸如计算环境403(图21)的远程服务器可以经由诸如网络406(图21)的网络向医疗设备415发送消息，指示计算设备457调整存储在存储器中的阈值。如果满足阈值(例如，是)，则医疗刺激过程475进行到框496。如果阈值未被满足(例如，否)，则医疗刺激过程475进行到框499。

在框496处，医疗刺激过程475包括向人体提供刺激。例如，计算设备457可以向刺激电路451(图23)发送指示以使刺激电路451提供或输出刺激。例如，计算设备457可以升高和/或降低被连接到刺激电路451的GPIO线以指示应当提供刺激。计算设备457可能需要使用描述要输出的刺激的特性的参数来向刺激电路451发送消息。刺激电路451可以用确认指令的消息进行响应，并且刺激电路451可以在施加刺激之前需要来自计算设备457的确认。刺激电路451和计算设备457之间的通信可以被加密。响应于从计算设备457接收到指示，刺激电路451提供刺激。

接下来参考图26，示出的是根据各种实施例的提供医疗设备415的部分的操作的一个示例的更新过程500的流程图。可以理解的是，图26的流程图仅提供了可以用来实现如本文所述的医疗设备415的部分的操作的许多不同类型的功能布置的示例。作为替代，图26的流程图可以被视为描绘根据一个或多个实施例的在医疗设备415(图21)中实现的方法的步骤的示例。

在框503处，更新过程500包括从服务器接收执行更新的请求。例如，计算环境403(图21)的医疗应用421(图21)可以经由网络406(图21)向医疗设备415发送消息。该请求可以是对医疗设备415的请求以从与计算设备457(图23)相关联的存储器设备向医疗应用421发送测量的历史。该请求可以是更新或修改用于提供包括描述新的或修改的阈值的数据的刺激的一个或多个阈值。该请求可以是更新与计算设备457相关联的软件或固件的请求。例如，医疗应用421可以请求计算设备457例如在安装设备之前针对特定患者更新固件并设置阈值和/或当更新变得必要或需要时在现有患者中更新固件并设置阈值。

在框506处，更新过程500包括认证服务器。例如，计算设备457可以在响应任何请求之前认证医疗应用421。认证可部分基于安全证书、数字签名和/或生物统计反馈中的一个或多个。医疗设备415可以在植入仅由患者的医生知道的可信的安全密钥之前被编程。可以要求患者在植入之前向医生指定安全凭证，并且可以将这些安全凭证预加载到医疗设备415中。

患者可以部分基于以预定方式弯曲肌肉来验证服务器，诸如连续三次反复弯曲胸肌和两次二头肌。计算设备457可以向医疗应用421发送需要认证该请求所需的一系列所需的生物统计反馈步骤。医疗应用421可以呈现指示患者执行这些步骤的用户界面以验证服务器。生物统计反馈可以包括通过患者的皮肤按压医疗设备415上的按钮。

无线联网设备460(图23)可以被配置为仅在预配置范围内进行通信，诸如通过使用近场通信(Near Field Communication，NFC)。无线联网设备460可以限制网络406的无线发射器必须在其内的范围以便与计算设备457进行通信。例如，无线联网设备460可以是仅在医疗设备415的1英尺半径内发送的NFC收发器。

在框509处，更新过程500包括验证该更新。例如，计算设备457可以验证从医疗应用421接收的更新的散列。计算设备457可以计算从医疗应用421下载的软件更新的签名，诸如MD5、校验和和/或CRC。签名可以与软件更新中嵌入的签名进行比较。计算设备457可以将签名发送给医疗应用421，并且医疗应用421可以确认签名和/或指示计算设备457应用软件更新、再次下载软件更新、丢弃软件更新和/或取消软件更新。计算设备457可以在将更新应用于一个或多个阈值之前发送确认消息并接收确认。计算设备457可以通过在请求时向医疗应用421发送测量的历史来验证该请求。

在框512处，更新过程500包括应用该更新。例如，计算设备457可以将更新存储到存储器设备。计算设备457可将软件更新存储到与计算设备457相关联的存储器设备。计算设备457可响应于成功地保存更新而执行所存储的软件更新。计算设备457可以将对一个或多个阈值的更新存储到预先配置为存储一个或多个阈值的存储器位置。例如，计算设备457可以在分配给变化阈值的非易失性RAM(Non-Volatile Ram，NV Ram)中的特定地址中存储新的变化阈值。特定地址可以是在确定是否超过阈值时使用的地址，诸如在框493(图25)中。

参考图27，示出的是根据本公开的实施例的计算环境403(图21)和/或计算设备457(图27)的示意性框图。计算环境403和/或计算设备457包括一个或多个计算设备518。每个计算设备518包括至少一个处理器电路，例如具有处理器521和存储器524/533，两者都被耦合到本地接口530。为此，每个计算设备518可以包括例如至少一个服务器计算机或类似设备。如可以理解的，本地接口530可以包括例如具有伴随的地址/控制总线或其他总线结构的数据总线。计算设备518可以包括一个或多个I/O 527，诸如串行端口、网络端口、GPIO、USB端口以及其他已知的I/O。

被存储在存储器524/533中的是数据和可由处理器521执行的多个组件。特别地，被存储在存储器524/533中并且可由处理器521执行的是一个或多个应用，该一个或多个应用包括在计算设备457和医疗应用421中执行的应用以及其他潜在的应用。并且被存储在存储器524/533中的可以是数据存储418(图21)和其他数据。另外，操作系统可以被存储在存储器524/533中并且可以由处理器521执行。

可以理解的是，如可以理解的那样存在被存储在存储器524/533中并且可以由处理器521执行的的其他应用程序。在本文讨论的任何组件以软件的形式实现的情况下，可以采用多种编程语言中的任何一种，诸如例如C、C++、C#、Objective C、Java、JavaScript、Perl、PHP、VisualRuby、或其他编程语言。

多个软件组件被存储在存储器524/533中并且可由处理器521执行。在这方面，术语“可执行”是指处于最终可由处理器521运行的形式的程序文件。可执行程序的示例可以是例如编译程序，该编译程序可以以可以加载到存储器524/533的随机访问部分中并且由处理器521运行的格式被翻译成机器代码，被翻译成可以以诸如能够被加载到存储器524/533的随机存取部分中并由处理器521执行的目标代码的适当的格式来表达的源代码、或者被翻译成可以由另一个可执行程序解释以产生要由处理器521执行的存储器524/533的随机存取部分中的指令的源代码等。可执行程序可存储在存储器524/533的任何部分或组件中，存储器524/533包括例如随机存取存储器(random access memory，RAM)、只读存储器只有内存(read-only memory，ROM)、硬盘驱动器、固态驱动器、USB闪存驱动器、存储器卡、诸如压缩盘(compact disc，CD)或数字多功能盘(digital versatile disc，DVD)的光盘、软盘、磁带或其他存储器组件。

存储器524/533在本文中被定义为包括易失性和非易失性存储器和数据存储组件。易失性组件是那些在断电时不保留数据值的组件。非易失性组件是那些在断电时保留数据的组件。因此，存储器524/533可以包括例如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、硬盘驱动器、固态驱动器、USB闪存驱动器、经由存储器卡读取器访问的存储器卡、经由相关联的软盘驱动器访问的软盘、经由光盘驱动器访问的光盘、经由适当的磁带驱动器访问的磁带、和/或其他存储器组件、或者这些存储器组件中的任意两个或更多个的组合。另外，RAM可以包括例如静态随机存取存储器(static random access memory，SRAM)、动态随机存取存储器(dynamic random access memory，DRAM)或磁随机存取存储器(magneticrandom access memory，MRAM)以及其他这样的设备。ROM可以包括例如可编程只读存储器(programmable read-only memory，PROM)、可擦除可编程只读存储器(erasableprogrammable read-only memory，EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(electricallyerasable programmable read-only memory，EEPROM)或其他类似的存储器设备。

而且，处理器521可以表示多个处理器521和/或多个处理器内核，并且存储器524/533可以表示分别在并行处理电路中操作的多个存储器524/533。在这种情况下，本地接口530可以是促进多个处理器521中的任何两个之间、任何处理器521与任何存储器524/533之间或任何两个存储器524/533之间等等的通信的适当网络。本地接口530可以包括被设计为协调该通信的附加系统，包括例如执行负载平衡。处理器521可以是电的或一些其他可用的结构。

虽然在计算设备457和医疗应用421中执行的应用以及本文描述的其他各种系统可以由如上所述的通用硬件执行的软件或代码来实施，作为替代方案，其也可以实施在专用硬件或软件/通用硬件和专用硬件的组合中。如果实施在专用硬件中，则每个可以被实现为采用多种技术中的任何一种或组合的电路或状态机。这些技术可以包括，但不限于，具有用于在应用一个或多个数据信号时实现各种逻辑功能的逻辑门的分立逻辑电路、具有适当逻辑门的专用集成电路(application specific integrated circuits，ASIC)、现场可编程门阵列(field-programmable gate arrays，FPGA)或其他组件等。这些技术通常为本领域技术人员所熟知，因此在此不再详细描述。

图25和图26的流程图示出了在计算设备457中执行的应用的部分和/或计算设备457中的硬件的功能的实现的功能和操作。如果以软件实施，则每个块可以表示模块、段或部分代码，其包含实现指定的逻辑功能的程序指令。程序指令可以以源代码或机器代码的形式实施，所述源代码包括用编程语言编写的人类可读语句，所述机器代码包括由合适的执行系统(诸如计算机系统或其他系统中的处理器521)可识别的数字指令。机器代码可以从源代码等转换而来。如果以硬件实施，则每个块可以表示用于实现指定的逻辑功能的电路或多个互连电路。

尽管图25和图26的流程图示出了特定的执行顺序，应该理解的是，执行的顺序可以不同于所描述的顺序。例如，两个或更多个块的执行顺序可以相对于所示的顺序被打乱。而且，在图25和26中连续示出的两个或更多个框可以同时执行或部分同时执行。此外，在一些实施例中，图25和26中所示的一个或多个框可以被跳过或省略。另外，出于增强的效用、计费、性能测量或提供故障排除辅助等的目的，可以将任何数量的计数器、状态变量、警告信号或消息添加到本文描述的逻辑流程中。应该理解的是，所有这些变化在本公开的范围内。

此外，本文描述的包括软件或代码的任何逻辑或应用(包括在计算设备457中执行的应用和医疗应用421)，可以被实施在任何非暂时性计算机可读介质中以通过诸如计算机系统或其他系统中的处理器521的指令执行系统或结合指令执行系统来使用。在这个意义上，逻辑可以包括例如包括可以从计算机可读介质中取出并且由指令执行系统执行的指令和声明的语句。在本公开的上下文中，“计算机可读介质”可以是能够包含、存储或维护本文描述的供指令执行系统使用或与指令执行系统结合使用的逻辑或应用的任何介质。

计算机可读介质可以包括许多物理介质中的任何一个，例如磁性、光学或半导体介质。合适的计算机可读介质的更具体的示例将包括，但不限于，磁带、磁性软盘、磁性硬盘驱动器、存储卡、固态驱动器、USB闪存驱动器或光盘。此外，计算机可读介质可以是包括例如静态随机存取存储器(SRAM)和动态随机存取存储器(DRAM)或磁性随机存取存储器(MRAM)的随机存取存储器(RAM)。另外，计算机可读介质可以是只读存储器(ROM)、可编程只读存储器(PROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)或其他类型的存储器设备。

此外，本文描述的任何逻辑或应用(包括在计算设备457中执行的应用和医疗应用421)可以以各种方式来实现和构造。例如，所描述的一个或多个应用可以被实现为单个应用程序的模块或组件。此外，这里描述的一个或多个应用可以在共享或分离的计算设备或其组合中执行。例如，这里描述的多个应用可以在相同的计算设备518中、或者在相同的计算环境403的多个计算设备518中、和/或计算设备457中执行。另外，应当理解的是，诸如“应用”、“服务”、“系统”、“引擎”、“模块”等的术语可以是可互换的并且不旨在是限制性的。

诸如短语“X、Y或Z中的至少一个”的析取语言，除非另有明确说明，否则被理解为通常用于表示项目、术语等的语境，可以是X、Y或Z，或其任何组合(例如，X、Y和/或Z)。因此，这样的析取语言通常并不意味着并且不应该暗示某些实施例要求X中的至少一个、Y中的至少一个或者Z中的至少一个中的每一个存在。

除前述之外，本公开的各种实施例包括但不限于以下项中阐述的实施例：

项1.一种装置，包括：被引导的表面波接收结构，被配置为接收由被引导的表面波导探头产生的沿着地面介质行进的被引导的表面波；电力电路，电耦合到所述被引导的表面波接收结构，所述电力电路根据由所述被引导的表面波接收结构产生的交流信号来生成电力信号；以及电耦合到所述电力电路的医疗电路，所述医疗电路包括被配置为测量人体特征的监测电路。

项2.根据项1所述的装置，其中所述医疗电路包括被配置为向人体提供刺激的刺激电路。

项3.根据项1-2中任一项的装置，其中设备被植入人体中。

项4.根据项1至3中任一项所述的装置，其中所述电力电路包括被配置成存储所述电力信号的电力存储电路。

项5.根据项1-4中任一项所述的装置，其中所述监测电路被配置为测量以下中的至少一个：脉搏、血压、温度、呼吸率、电信号、神经冲动、肌肉抽搐、电阻值、蛋白质周转率水平、或氧水平。

项6.根据项2所述的装置，其中所述医疗电路进一步包括被耦合到所述刺激电路和所述监测电路的计算设备，所述计算设备被配置以至少执行以下步骤：从监测电路接收至少一个测量；以及使得刺激电路向人体提供刺激。

项7.根据项2或6的装置，其中刺激电路被配置成响应于由监测电路进行的至少一个测量的值的变化来刺激人体。

项8.根据项1-7中任一项所述的装置，其中，所述被引导的表面波接收结构通过阻抗匹配网络被耦合到所述电力电路，所述阻抗匹配网络被配置为使所述交流信号回到所述被引导的表面波接收结构的反射最小化。

项9.根据项2、6或7的装置，其中所述刺激包括以下中的至少一个：对腓神经的电刺激、对心室的电刺激、对胃的表面的电刺激、对听觉神经的电刺激、或胰岛素分泌。

项10.根据项2、6、7或9的装置，其中所述医疗电路包括被连接到所述电力电路的计算设备，并且所述计算设备被配置为从感测设备获得测量，并且至少部分的基于所述测量启动对人体的刺激。

项11.根据权利要求2、6、7、9或10所述的装置，其中，所述被引导的表面波接收结构还包括缠绕在高放大系数物质周围的线圈。

项12.一种系统，包括：被引导的表面波导探头，被配置为发送沿着地面介质行进的被引导的表面波；以及包括被引导的表面波接收结构的医疗设备，所述被引导的表面波接收结构被配置为根据用于医疗设备的被引导的表面波产生交流(AC)信号，所述医疗设备被作为被耦合到被引导的表面波导探头的激励源处的负载。

项13.根据项12所述的系统，其中所述医疗设备被配置为响应于由医疗装置进行的至少一个测量的值的变化来刺激人体。

项14.根据项12或13所述的系统，其中医疗设备还包括被配置为将AC信号转换为直流(DC)信号的整流电路。

项15.根据项14的系统，其中整流电路包括全波桥式整流器。

项16.根据项14或15所述的系统，其中所述医疗设备还包括电力存储电路，所述电力存储电路被配置为将来自所述DC信号的能量存储在存储设备中，并且将存储的电力从所述存储设备提供给所述医疗设备，所述存储设备包括电池或容量中的至少一个。

项17.根据项12-14中任一项所述的系统，其中，所述被引导的表面波接收结构包括电磁线圈。

项18.一种方法，包括：经由至少一个被引导的波接收结构，根据至少一个被引导的表面波产生交流(AC)信号；经由电力电路将在所述AC信号中实施的生成的电能供应到包括监测电路和刺激电路的医疗电路；经由检测电路确定来自人体的至少一个测量；以及经由刺激电路提供刺激电路以向人体提供刺激。

项19.根据项18所述的方法，其中所述医疗电路还包括至少一个计算设备，并且所述方法还包括：经由所述至少一个计算设备从所述监测电路接收所述至少一个测量；以及经由所述至少一个计算设备引起所述刺激电路以提供所述刺激。

项20.根据项19所述的方法，还包括：经由所述至少一个计算设备接收至少一个预配置的脉冲；以及经由所述至少一个计算设备经由网络连接从所述监测电路发送描述至少一个测量的信息。

项21.根据项19和20中任一项所述的方法，还包括：经由所述至少一个计算设备接收修改用于提供刺激的至少一个阈值的请求；经由所述至少一个计算设备至少部分地基于所述请求来修改所述至少一个阈值以产生至少一个修改的阈值；以及经由所述至少一个计算设备引起所述刺激电路以部分地基于所述至少一个修改的阈值来提供所述刺激。

项22.根据项19-21中任一项所述的方法，还包括：经由所述至少一个计算设备经由网络连接接收软件包，所述软件包包括所述软件包的散列；经由所述至少一个计算设备至少部分地基于所述散列验证所述软件包；经由所述至少一个计算设备接收将所述软件包编程到与所述计算设备相关联的存储器中的请求；经由所述至少一个计算设备将所述软件包存储在所述存储器中；经由所述至少一个计算设备验证所述软件包已经被成功存储；以及经由所述至少一个计算设备执行所述软件包。

项23.根据项19-22中任一项所述的方法，还包括：经由所述至少一个计算设备经由网络连接接收来自服务器的请求；以及经由所述至少一个计算设备至少部分地基于至少一个安全证书来认证所述请求。

应该强调的是，本公开的上述实施例仅仅是为了清楚理解本公开的原理而阐述的实施方式的可能示例。在不实质地偏离本公开的精神和原理的情况下，可以对上述实施例做出许多变化和修改。所有这些修改和变化都旨在被包括在本公开的范围内并且由以下权利要求保护。另外，所描述的实施例和从属权利要求的所有可选的和优选的特征和修改可用于本文教导的公开的所有方面。此外，从属权利要求的各个特征以及所描述的实施例的所有可选的和优选的特征以及修改可以彼此组合并且可以彼此互换。

Claims (15)

1.一种装置，包括：

被引导的表面波接收结构，被配置为接收由被引导的表面波导探头产生的沿着地面介质行进的被引导的表面波；

电力电路，电耦合到所述被引导的表面波接收结构，所述电力电路从由所述被引导的表面波接收结构产生的交流信号生成电力信号；以及

电耦合到所述电力电路的医疗电路，所述医疗电路包括被配置为测量人体特征的监测电路。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述医疗电路包括被配置为向人体提供刺激的刺激电路。

3.根据权利要求1-2中的任一项所述的装置，其中，所述装置被植入到人体中。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其中所述电力电路包括被配置成存储所述电力信号的电力存储电路。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其中所述监测电路被配置为测量以下中的至少一个：脉搏、血压、温度、呼吸率、电信号、神经冲动、肌肉抽搐、电阻值、蛋白质周转率水平、或氧水平。

6.根据权利要求2所述的装置，其中所述医疗电路进一步包括被耦合到所述刺激电路和所述监测监测电路的计算设备，所述计算设备被配置以至少执行以下步骤：

从监测电路接收至少一个测量；以及

使得刺激电路向人体提供刺激。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其中，所述被引导的表面波接收结构通过阻抗匹配网络被耦合到所述电力电路，所述阻抗匹配网络被配置为使所述交流信号回到所述被引导的表面波接收结构的反射最小化。

8.根据权利要求2或6所述的装置，其中所述刺激包括以下中的至少一个：对腓神经的电刺激、对心室的电刺激、对胃的表面的电刺激、对听觉神经的电刺激或胰岛素分泌。

9.根据权利要求2、6或8所述的装置，其中所述医疗电路包括被连接到所述电力电路的计算设备，并且所述计算设备被配置为从感测设备获得测量，并且至少部分的基于所述测量启动对人体的刺激。

10.一种方法，包括：

经由至少一个被引导的波接收结构，从至少一个被引导的表面波产生交流(AC)信号；

经由电力电路将在所述AC信号中实施的生成的电能供应到包括监测电路和刺激电路的医疗电路；

经由监测电路确定来自人体的至少一个测量；以及

经由刺激电路提供刺激电路以向人体提供刺激。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述医疗电路还包括至少一个计算设备，并且所述方法还包括：

经由所述至少一个计算设备从所述监测电路接收所述至少一个测量；以及

经由所述至少一个计算设备使得所述刺激电路提供所述刺激。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括：

经由所述至少一个计算设备接收至少一个预配置的脉冲；以及

经由所述至少一个计算设备在网络连接上从所述监测电路发送描述至少一个测量的信息。

13.根据权利要求11和12中任一项所述的方法，还包括：

经由所述至少一个计算设备接收修改用于提供刺激的至少一个阈值的请求；

经由所述至少一个计算设备至少部分地基于所述请求来修改所述至少一个阈值以产生至少一个修改的阈值；以及

经由所述至少一个计算设备使得所述刺激电路部分地基于所述至少一个修改的阈值来提供所述刺激。

14.根据权利要求11-13中的任一项所述的方法，还包括：

经由所述至少一个计算设备经由网络连接接收软件包，所述软件包包括所述软件包的散列；

经由所述至少一个计算设备至少部分地基于所述散列验证所述软件包；

经由所述至少一个计算设备接收将所述软件包编程到与所述计算设备相关联的存储器中的请求；

经由所述至少一个计算设备将所述软件包存储在所述存储器中；

经由所述至少一个计算设备验证所述软件包已经被成功存储；以及

经由所述至少一个计算设备执行所述软件包。

15.根据权利要求11-14中任一项所述的方法，还包括：

经由所述至少一个计算设备经由网络连接接收来自服务器的请求；以及

经由所述至少一个计算设备至少部分地基于至少一个安全证书来认证所述请求。