專利名稱：在無條件線路上發射表面波的系統和方法
技術領域：
本發明通常涉及表面波傳輸系統，更具體而言涉及在諸如電力線等無條件(unconditioned)線路上發射表面波的改進低損耗系統。
背景技術：
在單導體傳輸線路上的表面波傳輸領域中，現有技術還未能正確意識到使用無條件導體(即，沒有經過特殊的表面處理或修正，也沒有任何的介質(絕緣)護層)的潛力。由于最詳盡的現有技術教導的與它直接相反，因此，以前并沒有了解或意識到使用現有的全世界范圍內的大型架空電力線基礎設施來傳輸信息的機會。本發明公開了一種對無條件線路上的表面波的新型使用，用于提供非常實用、經濟和超高容量的信息傳輸系統。
下面引用的參考文獻1和2以及Goubau美國專利號2,685,068公開了一種傳輸線，其中通過電磁波來傳播能量，并沿著諸如導線等長形導體的外表面來引導該能量，其中該導體的外表面進行了條件化或者進行改進，以便減少發射能量的相位速度，從而將發射波的場集中在導體附近。并且還提供了一種發射(launching)裝置，用于激勵表面波沿著線路傳輸，其中該發射裝置具有至少一個波長的孔徑。結果得到的傳輸系統具有極低的衰減和極高的帶寬，欺能夠支持從50MHz直到至少幾Ghz區域的頻率。
Goubau所附帶的描述和理論的核心內容是如下進展通過對導體表面的特殊修改或條件化使相位速度減少，這對于使表面波模式被包含在靠近導體的區域中來說是必不可少的，同樣對于使得波不從導體發射也是必不可少的。所提供的原理表明了特殊條件化的本質，具體包括在導體的周圍添加介質護層，這被認為是實現本發明指示的最佳質量所必不可少的，所述最佳質量包括低的傳輸和輻射損耗。
背景技術：
中的重要部分包括與通過介質材料傳輸的功率和在介質材料內承受的損耗有關的原理。作為表面敷層或護層的一種替換方案，對線路的修改在形式上被細化為沿著線路長度上的多個導體的外螺紋、凸出和凹陷、粗糙度或扭轉，這被認為是在導體表面上提供相同的波的慢化(slowing)所必需的。
Goubau教導的內容與沒有特殊條件化的導體的使用直接相對。在背景信息中，他描述了以未修改的導體來使用他的發明的潛在性，并陳述“通過使用裸露、未修改的導線并結合圖8和9中顯示的發射喇叭(horn)，可以獲得滿足某些目的、但不是高效率的結果。實際上，即使對于裸導線，在其表面上也提供有顯微的薄介質層，該表面傾向于集中鄰近導線的發射能量的場。對于在大約5000兆周/秒以下的頻率，這個微小表面層不能足夠收縮場的徑向伸長，以允許使用具有合適尺寸的喇叭的裸導線。然而，在較高的頻率處，減少為實現指定數量的場集中(concentration)所需的介質層厚度，裸導線結合圓錐喇叭的使用是可實行。我們將理解，對于任何指定頻率的發射能量，裸導線與具有修改表面的導體相比將需要非常大的喇叭直徑。這是由于場的徑向范圍的收縮取決于導體表面上的介質層厚度。”“圖20顯示了場是如何隨著距導線的距離而減少的。在多個導線半徑的測量中，與導線的距離相對，描繪了距導線一定距離的磁場強度與導線表面的磁場強度的比率。所述尺度都是對數的。虛線表示在具有無限傳導率的無涂層導線的情況下將呈現出的減少。在這種情況下，相位速度將等于光速，并且正如前面提到的，如果磁場強度是有限的，那么功率將是無限的。實線曲線顯示了如果相位速度減少1％、5％和10％，場是如何減少的。極其鄰近導線，則這些曲線呈現減少，而在較大的距離處，則趨近指數的減少。相位速度減少得越多，指數的減少就開始得越早。”(Goubau美國專利2,605,068，第19列，第10-64行)。
這些陳述內容、并結合從所有專利權利要求書中完全地排除掉“未修改”導體的事實，清楚表明了該發明人并沒有意識到進行這種實施的價值、可用性和潛力。
盡管Goubau的發明已經在工程技術學校進行教導、可以從參考文本中獲得、并且可以在特殊情況下看到它的某些應用，然而目前還沒有看到該發明的普遍應用或廣泛的商業化使用。
前面背景技術說明中的參考文獻包括[1]G.Goubau，“Surface waves and their applications to transmissionlines，”J.Appl.Phys.，vol.21，p.1119，1950. G.Goubau，”Single-conductor surface-wave transmissionlines，”Proc.IRE，vol.39，pp.619624，June 1951. A.F.Harvey，Microwave Engineering.New YorkAcademic，1963. J.A.Stratton，Electromagnetic Theory.NewYorkMcGraw-Hill，1941，p.527. H.F.M.Barlow and A.L.Cullen，“Surface waves，”Proc.Inst.Elect.Eng.，vol.100，pp.329-427，Nov.1953. F.J.Zucker，“Thery and applications of surface waves，”NuvoCimento 9Sup.，vol.3，pp.450-472，1952. W.Rotman，“A study of single-surface corrugated guides，”Proc.IRE，vol.39，pp.952-959，Aug.1951. S.S.Attwood，“Surface-wave propagation over a coated planeconductor，”J.Appl.Phys.，vol.22，pp.504-509，Apr.1951. G.Goubau，&E.Sharp“Investigations with a Model Surface WaveTransmission Line”IRE Transactions on Antennas and Propagation，pp222-227，April 1957. Georg Goubau，“Open Wire Lines”IRE Transactions onMicrowave Theory and Techniques，pp 197-200，October 1956. G.Goubau，C.Sharp and S.W Attwood“Investigation of aSurface-Wave Line for Long Distance Transmission”IRE Transactions onMicrowave Theory and Techniques，pp 263-267，1952. M.Friedman and Richard Fernsler，‘Low-Loss RF TransportOver Long Distances’，IEEE Transaction on Microwave Theory andTechniques，Vol 49，No.2，February 2001.
前述的專利和參考文獻反映了本領域技術的當前狀態，這正是本發明者所注意到的。對于這些材料的引用和論述是為了幫助申請人履行提供與本發明權利要求的審查相關的公開信息的義務。然而，我們尊敬地提出，上述指示的參考文獻無論是單獨或者結合在一起來考慮，都沒有揭示、教導、暗示、顯示或者其它明顯呈現本發明在此描述和要求保護的內容。

發明內容
本發明在無條件線路上發射表面波的系統和方法提供了一種低損耗傳輸系統，該傳輸系統利用單個非絕緣的中心傳導線段，這些傳導線段不具有任何特殊的表面處理或特殊的封套電介質，并具有在每個末端安裝的發射裝置。更進一步，本發明提供了導體在接近和超過傳播頻率的一個波長的環境中的使用。在組合，本發明允許無條件和非絕緣的導體的使用，特別是，允許使用在全世界范圍內可以利用的現有架空電力線，來實現經濟和有效的信息傳輸。
盡管本文使用了術語“表面波”或“多個表面波”，但是應當理解使用這種描述是為了根據以前的觀點促進理解。除了這些內容之外，可以明確地理解基本的原理和機理，這些內容包括考慮與在無限長的天線上傳播波的類似方式來傳播波，波可能通過同軸線被耦合到天線上。總之，存在任何這種可能的替換表現都應當不會被認為是限制本文描述的發明。
本發明的一個目的是提供一種低損耗表面波傳輸系統，該傳輸系統包括長形導體裝置，該導體裝置不具有特殊的表面條件化或特殊的覆蓋層，該傳輸系統還包括用于激勵表面波沿著導體裝置傳輸的裝置。
本發明的另一個目的是提供一種通過使用這種表面波傳輸線來傳送電磁能量的新方法。
本發明的另一個目的是提供一種在大約50MHz以上的頻率范圍中操作的傳輸系統，該傳輸系統在非常廣范圍的頻率上具有極低的衰減。
本發明的一個目的是提供一種通過現有電力線的柵格或網絡來傳輸信息的有效和有能力的裝置。
本發明的一個目的是提供一種對制造和維修很經濟的傳輸系統，該傳輸系統具有很小的尺寸和很輕的重量，在實體上可彎曲并可調整。
本發明的另一個目的是提供一種表面波傳輸線，該傳輸線可以被耦合到空心波導或者同軸電纜，用于接收來自源的能量或者向轉換裝置反饋發射的能量。
本發明的另一個目的是提供一種表面波傳輸線，該傳輸線結合用于激勵表面波沿著線路傳播的裝置。
本發明的一個特定目的是提供一種表面波傳輸線，該傳輸線結合用于激勵表面波沿著線路傳輸的發射裝置，其中該發射裝置具有合適的尺寸。
本發明的另一個特定目的是提供一種表面波傳輸線，該傳輸線結合電磁喇叭，其中通過調整線路的物理長度，可以影響所述線路相對于喇叭的移動。
本發明的另一個特定目的是提供一種表面波傳輸線，該傳輸線可以結合其它的表面波傳輸線來使用，其中長形導體具有覆蓋有介質的外部表面。這個傳輸線路的其它特定形式包括長形導體裝置，該導體裝置具有物理上不規則的外部表面。
從下文結合附圖所考慮的敘述中，將更好的理解本發明所特有的關于結構和操作方法的其它新特征和更多目的和優點，其中通過舉例的方式描述了本發明的優選實施例。然而，可以清楚地認識到附圖僅僅是出于描述和敘述的目的，它們并不應被認為是對本發明的限制的界定。在后附的權利要求書中特別指示了本發明特有的各種新穎特征，權利要求書構成了本公開文本的一部分。本發明并不在于單獨采用這些特征中的任何一個特征，而是在于指定功能的所有結構的特殊組合。
為了可以更好地理解下文的詳細敘述，以及為了可以更好評價其對于本領域的貢獻，已經寬泛地概述了本發明非常重要的特征。當然，本發明還具有一些附加的特征，它們將在下文進行描述，并將形成后附的權利要求的附加主題。本領域的普通技術人員將認識到，本文公開內容所依據的概念可以被利用作為設計其它結構、方法和系統的基礎，用于實現本發明的多個目的。因此，重要的是，權利要求書被認為是包含了在不脫離本發明的精神和范圍內的這種等價結構。
更進一步，摘要的目的是為使國家和地方專利局、以及對專利或法律術語或用語都不熟悉的一般公眾、尤其是本領域的科學家、工程師和實踐者能夠從粗略的檢查中，就快速確定本申請的技術公開內容的特性和本質。摘要并不能被認為是定義本申請的發明，本申請的發明是由權利要求書來限定，也不能以任何方式將摘要認為是對本發明范圍的限制。
為了僅僅便于參考，在下文的敘述中可以使用某些術語及其來源，它們不是限制性的。例如，諸如“上方”、“下方”、“左”和“右”的詞語是指在所參考的附圖中的方向，除非另有說明。類似地，諸如“內部”和“外部”的詞語分別是指朝向和遠離裝置或區域及其指定部分的幾何中心的方向。在單數時態中的參考也包括復數，反之亦然，除非另有說明。


在結合下文詳細敘述的內容進行考慮時，將更好地理解本發明和發明目的以及上文公開的內容。這些敘述內容將參考附圖進行描述，其中圖1是一種在無條件電力線上發射表面波的系統的示意側視圖；圖2顯示了簡單圓錐形喇叭發射的樣本向量網絡分析器的測量；圖3顯示了在理想的.320”(2ACSR)直徑柱形導體上具有12厘米直徑口的兩個20厘米長錐形喇叭的|S21|和|S11|的2-6GHz計算；圖4顯示了簡單線性錐形發射的縱向和截面的電場強度的表示。
具體實施例方式
在圖1中描述了本發明系統的代表性實例，本發明的系統描述了一種低損耗傳輸系統10，該傳輸系統使用單個中心傳導線段20，該傳導線段20沒有特殊的表面處理，也沒有封套的電介質，并且還具有一個或兩個發射裝置30，每個發射裝置被安裝在線部分20的一端。這個系統在以下幾個方面與Goubau美國專利號2,685,068的發明有所區別(a)導體表面沒有特殊的準備；(b)導體表面可以是平滑或粗糙；(c)導體表面沒有介質護層；(d)導體可以是圓形或者在一段范圍內具有橢圓、矩形或復合的橫截面；(e)導體可以由兩個或多個平行的導體組成；(f)導體圓周可以接近并超過傳播頻率的波長；(g)系統支持以便利尺寸的發射裝置在整個RF-Microwave區域進行的傳播；(h)表面波傳播的相對速度是光速或非常接近光速。
可以使用沒有特殊條件化、表面準備或絕緣的現有線路。這對于本發明在作為“最后一哩(last mile)”信息分配系統部分中得到應用的應用性來說，是必不可少的。
可以使用具有與波長相比非常大的圓周的現有線路。在饋電傳輸線路中，從同軸(或波導)模式轉換為線路上的表面波模式、而不會產生高階輻射模式的能力是很重要的，這是由于這允許使用普通的電柵分配線路尺寸。并且，它允許使用超大的電柵傳輸線來傳輸寬帶信息，某些傳輸線具有達2”的直徑。
采用便利尺寸化的發射裝置可以實現優良的寬帶性能。本發明的優選實施例使用這種發射裝置，該發射裝置被配置為允許在現有電力線上實現方便的安裝，以及使用非常便利尺寸化的裝置來提供在大范圍頻率上的優良性能的能力。對于在HV線路上的使用，該HV線需要在接觸任何線路和其它線路的傳導結構之間微小的間隔，則小尺寸可能是發射裝置的必要屬性。在由本申請人提交的美國專利申請序列號為10/732,080的專利中公開了這種類型的發射實例，其標題為“Method and Apparatus for Launching a Surfacewave onto a SingleConductor Transmission Line(在單導體傳輸線上發射表面波的方法和設備)”，在此結合其內容以供參考。該專利公開了一種具有安裝縱向插槽和按指數規律的錐形喇叭部分的發射，用于提供良好的寬帶性能。這種發射提供了在兩個頻帶上對表面波模式的良好耦合，這些頻帶和它們的寬度主要是受三軸耦合部分的影響。可以使用采用不同同軸耦合部分的實現方式，這些同軸耦合部分使用鐵氧體或類似的電阻(有損耗的)去耦合元件，而不是無功線路部分，以便提供從1GHz以下到大于10GHz的沒有排除范圍的極好寬帶性能。這種同軸耦合部分可以采用與寬帶偏壓T形分離低頻和高頻信號大致相同的方式來使用這種材料。超寬頻帶技術可能需要和使用這種類型的同軸適配器。
可以使用兩個部分“蛤殼”或多于兩個部分的替換發射裝置，所述部分可以被裝配在現有線路的周圍。可以向各種的現有電力線提供合理數量的設計。實施的大部分特定線部分通常是同軸適配器部分，該同軸適配器部分可以被制作成與相當大的、但不是無限的范圍相適應的線路直徑和類型。典型分配線路的直徑范圍從大約.2”到.6”，并且可以向該分配線路提供單個或兩個不同的同軸適配器實施，這些同軸適配器實施是結合單個按指數規律的錐形喇叭部分來使用的。
適應于多種表面波線路類型、接頭和損傷。現有的包含線路接頭并可以改變在跨距(span)中間的類型的線路就完全能滿足要求。盡管由于從表面波到輻射模式的反射和轉換，所引起的不連續性可以產生某些附加的衰減，但是通過動態調整在附帶的放大器電路中的增益元件，就可以容易地對它進行預防。在具有諸如線路有冰和鳥等負載的外部變量時，這種動態調整的增益對于保持系統性能的理想度是很有用的。
同樣也提供了介入支持。而且，由于可以通過在放大電路中的附加增益來補償由于這些損傷引起的附加衰減，因此可以使用具有絕緣體和分接頭連接(關于架空安裝的變壓器)的線路。這就允許與現有線路的一個部分一起使用一對發射裝置，所述現有線路的部分包括具有絕緣體、分接頭和其它特征的一個或多個中間電桿，該其它特征可能損傷表面波模式的傳輸特性。可允許的這些損傷的數量將取決于特殊的實施目標，這包括理想的最大線路電平、入口和出口電平、理想的系統載波/噪聲電平和其它系統參數。
在由本申請人提交的共同未決美國專利申請序列號10/250,625中公開了采用該技術的發明應用，該專利申請的標題為“Method andApparatus for Information Conveyance and distribution(信息傳送和分布的方法和設備)”，在此結合其內容以供參考，該發明應用允許有利地結合其它媒體類型。將這個發明與在參考文獻中顯示的其它媒體類型相結合，可以允許向高張力線的經濟轉換和從高張力線開始的經濟轉換。可以結合同時和雙向特性(全雙工)來使用光纖或自由空間的絕緣特性，以便容易地“繼續和脫離(get on and off)”高電壓線路。
本發明可以結合N-路功率分配器和分頻器以及多種媒體類型，以便允許形成更多的復合網絡。例如，在表面波部分上重新開始傳輸之前，采用光纖部分、無線或同軸電纜可以旁路(bypass)可能由于保險絲或開關引起的表面波線路中的嚴重破壞。線路的相交可以提供三路、四路或更多路的分開。
本發明可以被用來提供同時對不同協議的多種流的信息傳輸。例如，可以同時共同操作完全獨立的TDMA和CDMA信息系統，通過使用頻域分離避免出現不希望有的耦合或干擾。
本發明的應用可以單獨提供或同時提供信息分配、傳輸。可以使用幾乎無處不在的架空電力線的分布和傳輸屬性，來支持為本發明提供的信息傳輸。另外，單個線路可以相對于每個支持電桿來同時提供定期的分配或接入，并同時提供在兩個遠端點之間的信息“迂回路程”連接。
本發明系統能夠使多個分布的用戶共同接入。在某種意義上，本發明可以被用來允許多個分布的用戶共同接入它提供的分配和傳輸。這可以通過周密計劃模式轉換來產生，以及通過沿著表面波線路系統的長度提供的多個本地天線的輻射來產生。它可以通過周密計劃地創建在發射裝置內的模式轉換程度來提供，以便建立對系統的本地接入點。采用這種方式，沿著傳輸系統的長度分布的用戶可以完全共享它的性能。這些用戶可能需要提供在每次僅允許一個用戶或端點進行傳輸的情況下能夠有效共享資源的協議。
本發明系統的操作與線路的張拉和下垂無關。這個系統可以在現有電力線上存在的張力范圍內有效地操作，重力會導致電力線形成懸鏈曲線。在線路張力和典型電力線設備的彎曲程度中的正常變化對系統性能具有很小的影響。
本發明系統提供動態的增益。沿著電力線長期操作的長度，可以周期性地放置放大器、濾波器和其它電子設備，這些電子設備包括用戶接入設備，以便補償損耗和提供用戶接入。這個設備可以通過跨越兩個或多個導體的電感耦合、電容耦合或直接變壓器連接器，由該線路自身供電。當典型的安裝位置是在位于環境遮蔽和障礙上方的電力線電桿上時，該設備還可以用太陽能供電。
測量和典型的特性這里描述了兩種主要的測量方法。通過使用兩個端發射裝置，單個發射裝置在導體長度的任何一端，就可以實現傳統的兩個端口S參數測量。而且，在導體部分的一端上由單個發射裝置進行的一個端口測量，可以由在另一端以合適角度放置的傳導反射鏡來終止。通過使用由校準的微波向量網絡分析器執行的時間選通誤差校正測量，就可以與兩端口的測量方法達成良好一致。另外，可以采用時域選通，以便識別和分離由于發射、線路缺陷、障礙等造成的不同反射和傳輸分量。單端口測量技術便于發射裝置的開發，這是由于在制造或修改僅僅單個發射裝置時，可以檢驗一對虛擬等同的發射。
圖2中顯示了簡單圓錐形喇叭發射的采樣單端口向量網絡分析器的測量。在0和6GHz附近可見的增長衰減是由于目前已被使用的特定同軸耦合器的有限帶寬，這個增長衰減并不代表表面波傳輸線或發射的特性。即使在其中發射在直徑上顯著小于一個波長的低于200MHz的頻率，通過操作具有不同同軸適配器的這個相同發射，仍可能僅僅帶來適度的附加衰減。
導體類型已經檢驗了很多種導體類型，這包括銅、鋁和多種直徑的黃銅棒材和管。在設計和優化較大直徑的電力線導體的發射裝置中，已經檢驗了由標準的銅水管制造的導體。由于有關Goubau線路的參考文本包含了超出確定應用性的一些信息，因此尚未完成具有絕緣介質材料的線路的仔細檢驗。然而，已經級聯和組合了多個部分的線路類型以驗證組合的效用，所述線路類型既包括本發明的無條件線路，也包括對于如根據Goubau的發明的絕緣線路。
一列所檢驗的某些線路的類型包括#12絕緣多芯銅線；#12實心銅線；1/8”-3/4”薄壁黃銅管；1/2”銅水管(.625OD管型系列(Schedule)L)；3/4”銅水管(.875”OD)；1”銅水管(1.125”OD)；4ACSR公用事業管線；2ACSR公用事業管線；和4/0ACSR公用事業管線。
具有作為導體的典型電力線的線路損耗實際上，在實際線路上的總損耗通常會受到支持結構、接頭和不連續性的影響，如發射、導體和輻射損耗的影響。除了使用特殊的校準技術或去嵌入之外，線路損耗的準確測量需要多次測量不同的線路長度，以便消除結果中的發射(launch)損耗。通常，由于線路損耗趨向于很低，因此為了實現高準確度，就需要良好的測量準確度和可重復性。
損耗傾向于與導體直徑相對獨立。作為典型的實例，對于4-ACSR、.25”直徑的|S21|，或2-ACSR、.32”直徑的|S21|，當使用具有7”按指數規律的(exponentially)錐形喇叭時，電力線導體是在2.4Ghz每100ft(英尺)2.5dB以下。在使用相同的發射裝置時，類似的結果適用于#12裸銅導體(.1”直徑)的測量。
損傷表面波模式在沒有突然轉向、不連續性或障礙的導體上得到最好的支持。因而，在絕緣支持電桿與保持在障礙線路開通周圍的區域之間的懸掛式公用事業管線的普通方法是比較理想的。由典型架空電力線設備上的重力產生的懸鏈線曲線對線路損耗具有很小的影響或沒有測量影響。張力上的變化不會顯著地影響線路損耗。與一系列直通線路支持的偏移會產生附加的衰減，其中該偏移是在20度或更少級(order)上，所產生的附加衰減很小，足以通過系統內的動態增益放大進行調節。
像絕緣體、接頭、切線連接等的障礙會產生反射和輻射(表面波模式到輻射模式的轉換)。這些種類損傷的典型附加傳輸衰減是在6dB的級上，該附加傳輸衰減作為頻率函數通常是恒定的，因此不會導致大量的組延遲不平坦度。
計算機建模的性能自Goubau專利以后的50年中，還沒有意識到無條件線路的可能性，該Goubau專利包括了表面波在理論上的處理。實際提供的技術寬度可能阻止了其他人考慮在無條件線路上操作的可能性。作為提供與本發明的描述接近的更為正確的替換，已經執行了計算機數值有限元件的分析，這包括為實現這個發明的傳輸系統所必需的導體、發射和其它相關結構。計算機能夠有效構造在三維模式的結構上的超大三維網點，并求解在每個節點的Maxwell方程，以便產生預測結果。這些結果顯示出與制造結構測量的良好一致，并用作確認本發明的原理和實用性。由于發射的詳細模式非常復雜和導體相當大的波長，通過假定具有僅少數部分的分級、線性錐形圓錐體的發射“喇叭”，而不是更為優選的按指數規律的錐形喇叭，就可以簡化這個問題。另外，考慮了僅僅在最高頻率的10到20波長的總結構尺寸。即使采用了這些簡化，具有2Gbyte存儲能力的2GHz Pentium IV也可能需要10個小時的處理來產生解答。圖3顯示了在理想的.320”(2ACSR)直徑平滑、圓柱導體上，具有12厘米直徑口的兩個20厘米長的圓錐形喇叭的|S21|和|S11|的2-6GHz計算。這個描述顯示了總損耗在相當大的帶寬上很小。采用更復雜的設計可以獲得更好的回波損耗和甚至更低的發射損耗，但是超額的復雜性可能會使計算機的模型制作更困難。
圖4中顯示了簡單線性錐形發射的縱向和橫截面的電場強度的表現。發射的窄部分是在底部，并描述了縱向場41和截面場42。與Goubau關于非絕緣導體的教導相反，在中央區域中包含了大量能量，可以證明，具有合適尺寸發射的實際表面波傳輸系統是可行的。
因此，本發明的特征可以是一種在50MHz以上預定頻率范圍的電磁能量的傳輸系統，該傳輸系統包括長形傳導裝置，該傳導裝置具有無條件表面，而沒有附加的電介質，能量基本上被包含在柱形空間中，在頻率范圍內的頻率從該傳導裝置徑向地延伸到預定的距離，該場在基本平行于傳導裝置的方向上被軸向地傳播，該傳導裝置被耦合到電磁能量的源，用于形成基本徑向對稱的場配置的一束波能量，其直徑基本上是等于包含在頻率范圍內頻率的場的柱形空間的直徑，該場被引導軸向地進入柱形空間，該傳導裝置被耦合到光束形成裝置，以便產生從光束的場到傳導裝置的場的基本連續的轉換，和遠離光束形成裝置的裝置，該裝置被耦合到傳導裝置，用于轉換沿著傳導裝置傳播的能量。
該傳輸系統的特征可以是開放(open)波導、能量轉換系統或電磁波能量傳輸系統。替換地，本發明的特征可以是一種在長形導體上發射表面波的方法，該導體具有無條件表面，而沒有附加的電介質。
上述的公開內容足以能使本領域的普通技術人員實踐本發明，并且提供了本發明人當前考慮的實現本發明的最佳模式。盡管本文提供了本發明優選實施例的完全和完整的公開內容，但是并不期望將本發明限制為所顯示和描述的具體構造、尺寸關系和操作。在不脫離本發明的真實精神和范圍的情況下，本領域的普通技術人員將很容易地實現各種修改、替換構造、改變和等效形式，并且如果合適，可以使用這些修改、替換構造、改變和等效形式。這些改變可能包含替換材料、組件、結構配置、尺寸、形狀、形式、功能、操作特征等。
因此，上述的描述和說明應該不會被理解為限制本發明的范圍，本發明的范圍是由后附的權利要求書來限定。
權利要求
1.一種用于50MHz以上預定頻率范圍的電磁能量的傳輸系統，該傳輸系統包括長形傳導裝置，該傳導裝置具有無條件表面、并且沒有附加的電介質，所述能量基本上被包含在柱形空間中，在所述頻率范圍內的頻率從所述傳導裝置徑向地延伸到預定距離，所述場在基本平行于所述傳導裝置的方向上被軸向地傳播，該傳導裝置被耦合到電磁能量的源，用于形成基本徑向對稱的場配置的一束波能量，其直徑基本等于包含在所述頻率范圍內頻率的場的柱形空間的直徑，所述場被引導軸向進入所述柱形空間，所述傳導裝置被耦合到所述光束形成裝置，用于產生從所述光束的場到所述傳導裝置的場的基本連續的轉變，還包括遠離所述光束形成裝置的裝置，該裝置被耦合到所述傳導裝置，用于轉換沿著所述傳導裝置傳播的能量。
2.一種開放波導，用于傳輸在50MHz以上的預定頻率范圍的電磁能量，該波導包括長形傳導裝置，該傳導裝置具有無條件表面、并且不具有附加的電介質，以便集中基本上在所述傳導裝置的外部空間中在所述頻率范圍內發射的能量的場；所述能量基本上被包含在柱形空間中，在所述頻率范圍內的頻率從所述導體表面徑向地延伸到預定距離，所述能量在基本平行于所述傳導裝置的方向上被軸向地傳播；還包括用于形成基本徑向對稱的場配置的一束波能量的裝置，其直徑基本等于柱形空間的直徑，該柱形空間包含了在所述頻率范圍內的頻率的場，該場被引導軸向地進入所述柱形空間，所述傳導裝置被耦合到所述光束形成裝置，用于產生從所述光束的場到所述傳導裝置的場的基本連續的轉換。
3.一種預定頻率范圍的開放波導系統，該波導系統包括傳導導線線路，該傳導導線線路具有無條件表面、并且不具有附加的電介質，用于發射基本橫向磁場模式的一束波能量的裝置，該橫向電磁模式與所述的線路是同軸對稱，所述導線線路被耦合到所述發射裝置，用于產生從所述光束的場到所述導線線路的場的基本連續的轉換，用于在所述導線的外部空間中和在所述導線的方向上，在基本非輻射模式下傳播所述的波能量，所述能量基本被包含在預定的柱形空間中，該柱形空間與在所述頻率范圍內的頻率的所述導線同軸并同延，其直徑基本等于在所述頻率范圍內頻率的所述光束的直徑。
4.一種預定頻率范圍的能量轉換系統，該轉換系統包括電磁波能量源和接收機、長形導體，該導體具有在所述源和所述接收機之間延伸的無條件表面，并且不具有附加的電介質，用于傳播基本在其傳導表面的外部空間中、和在基本平行于所述導體的方向上的波能量，所述能量被限定為基本在預定柱形空間內并在所述頻率范圍內的頻率上，該柱形空間與所述導體同軸并同延；還包括在源和接收機端分別用于將能量耦合到所述導體的分離裝置，所述耦合裝置包括用于形成基本徑向對稱的場配置的一束波能量的裝置，其直徑基本等于柱形空間的直徑，該柱形空間包含了在所述頻率范圍內的頻率的場，該場被引導軸向地進入所述柱形空間，所述導體被耦合到所述光束形成裝置，用于產生從所述光束的場到所述導體的場的連續轉換。
5.組合起來，一種電磁波喇叭、長形導體，該導體具有與所述喇叭同軸延伸的無條件表面，并且不具有附加電介質，用于傳播基本在所述導體的外部空間中、和在基本平行于所述導體的方向上的預定頻率范圍的波能量，所述能量被基本包含在柱形空間內的所述頻率范圍內的頻率上，該柱形空間與所述導體同軸并同延，其直徑基本等于在所述頻率范圍內頻率的所述喇叭的直徑，同軸線包括內部和外部導體，所述同軸線的外部導體被電連接到所述喇叭，用于能量耦合，和用于形成在所述同軸線的內部導體與所述長形導體之間的能量耦合的裝置。
6.組合起來，一種同軸線、開放波導，該同軸線具有無條件表面，并且不具有附加電介質，該開放波導包括耦合所述同軸線的長形導體裝置，所述開放波導用于發射預定頻率范圍的一束波能量，該預定頻率范圍與所述的長形導體同軸對稱，用于在基本平行于所述導體的方向上、基本在所述導體的外部空間中在非輻射模式下傳播所述的波能量；所述能量被基本包含在柱形空間中，該柱形空間在所述頻率范圍內的頻率與所述導體同軸并同延，其直徑基本等于在所述頻率范圍內頻率的所述光束的直徑；所述長形導體被耦合到所述發射裝置，用于產生從所述光束的場到所述傳導裝置的場的基本連續的轉換。
7.在電磁波能量傳輸系統中，長形導體裝置具有無條件表面，并且不具有附加的電介質，用于在所述導體表面的外部空間中、和在基本平行于所述長形導體裝置的方向上基本發射僅僅預定頻率范圍的非輻射模式的波場能量，所述能量被基本包含在柱形空間中，該柱形空間在所述頻率范圍內的頻率上與所述長形導體裝置同軸并同延，和用于形成基本徑向對稱的場配置的一束波場能量的裝置，其直徑基本上等于柱形空間的直徑，該柱形空間包含了在所述頻率范圍內的頻率的場，該場被引導軸向地進入所述柱形空間，兩個波能量場的界面是波長尺寸的階；所述導體裝置被耦合到所述光束形成裝置，用于形成從所述光束的場到所述傳導裝置的場的基本連續的轉換。
8.在電磁波能量傳輸系統中，用于提供預定頻率范圍的集中波能量的裝置，長形導體裝置，該導體裝置具有無條件表面，并且不具有附加的電介質，用于基本發送在所述導體表面的外部空間中、和在基本平行于所述長形導體裝置的方向上僅僅非輻射模式的波能量，所述能量被基本包含在柱形空間內，該柱形空間在所述頻率范圍內的頻率上與所述長形導體裝置同軸并同延和被耦合到所述提供裝置的裝置，用于將所述集中波能量形成基本徑向對稱的場配置的一束波能量，其直徑基本等于柱形空間的直徑，該柱形空間包含了在所述頻率范圍內的頻率的場，該場被軸向引導進入所述柱形空間，所述導體裝置被耦合到所述光束形成裝置，用于產生從所述光束的場到所述傳導裝置的場的基本連續的轉換。
9.一種對50MHz以上的預定頻率范圍的電磁波能量的傳輸系統，該傳輸系統包括長形傳導裝置，該傳導裝置具有無條件表面，并且不具有附加的電介質，該傳導裝置將在所述頻率范圍內的發射能量限定在其導體表面的外部空間中和在柱形空間內，在所述頻率范圍內的頻率從所述表面徑向地延伸到預定距離，所述場在基本平行于所述傳導裝置的方向上被軸向地傳播，被耦合到電磁能量的源的裝置，用于形成基本徑向對稱的場配置的一束波能量，其直徑基本等于柱形空間的直徑，該柱形空間包含了在所述頻率范圍內頻率的場，該場被引導軸向進入到所述柱形空間，用于將所述光束形成裝置耦合到所述傳導裝置的裝置，該傳導裝置包括與所述光束軸向布置的導體，和遠離所述的光束形成裝置的裝置，該裝置被耦合到所述傳導裝置，用于轉換沿著所述長形導體裝置傳播的能量。
10.一種在線路上發射表面波的方法，所述方法包括步驟提供長形導體，該導體具有無條件表面，并且不具有附加的電介質；產生能量，該能量基本被包含在理想頻率范圍內的頻率的柱形空間中，并從導體徑向地延伸到預定距離；在基本平行于導體的方向上軸向地傳播場，用于形成基本徑向對稱的場配置的一束波能量，其直徑基本等于柱形空間的直徑，該柱形空間包含了在頻率范圍內頻率的場，該場被引導徑向進入到柱形空間；在遠端位置，轉換沿著導體傳播的能量。
全文摘要
一種低損耗傳輸系統，該傳輸系統使用單個非絕緣的中心導體線部分，這些導體線部分不具有任何特殊的表面處理或特殊的封套電介質，并在每個末端安裝有發射裝置。本發明提供了導體在接近和超過傳播頻率的一個波長的環境中的應用。組合起來，本發明能夠使用無條件和非絕緣的導體，特別是使用在全世界范圍內可以利用的現有架空電力線，來實現經濟和有效的信息傳輸。
文檔編號H01P3/00GK101061603SQ200580024379
公開日2007年10月24日 申請日期2005年5月20日 優先權日2004年5月21日
發明者格倫·E·埃爾莫爾 申請人:科里多系統公司