Содержание к диссертации
Введение
РАРЗДЕЛ 1. Современное состояние и тенденции развития методов проектирования и конструкций аксиально-симметричных замедляющих структур и СВЧ устройств на их основе .16
1.1 Обзор монографий по аксиально – симметричным замедляющим системам и СВЧ устройствам на их основе .17
1.2 Физические и конструктивно – технологические особенности аксиально – симметричных замедляющих систем и резонаторов 21
1.3 Применение аксиально-симметричных замедляющих систем и резонаторов в электронике и антенной технике .27
1.4 Применение аксиально – симметричных замедляющих систем и резонаторов в качестве излучателей для микроволновой терапии 31
1.4.1 Аппарат для микроволновой урологии «Ко Терм» (Швеция) .32
1.4.2 Прибор для магнитно – индуктивной урологии МАВИТ (Россия) 36
1.4.3 Аппарат для микроволновой терапии ЛУЧ -11 (Россия) .38
1.4.4 Установка для микроволновой терапии Яхта – 4 (Россия) 1.5 Анализ методов расчета, проектирования и моделирования аксиально – симметричных замедляющих систем и СВЧ устройств на их основе 43
1.6 Выводы по разделу 1 .48
РАЗДЕЛ 2. Аналитический расчет замедляющей системы типа «коаксиальная ребристая линия» .49
2.1 Вывод и анализ дисперсионного уравнения .49
2.1.1 Исходные соотношения .49
2.1.2 Дисперсионное уравнение .52
2.1.3 Предельные частные случаи .53
2.1.4 Случай относительно высоких частот .54
2.1.5 Случай относительно низких частот
2.2 Определение волнового сопротивления 58
2.3 Выводы по разделу 2 61
РАЗДЕЛ 3. Анализ взаимодействия электромагнитной волны в замедляющей системе типа «металлический ребристый стержень» с кольцевым потоком электронов .62
3.1 Вывод и анализ дисперсионного уравнения .62
3.1.1 Исходные соотношения .62
3.1.2 Дисперсионное уравнение .63
3.1.3 Определение коэффициента связи 64
3.2 Выводы по разделу 3 66
РАЗДЕЛ 4. Анализ взаимодействия электромагнитной волны в замедляющей системе типа «диафрагмированный волновод» с цилиндрическим потокомэлектронов 67
4.1 Вывод и анализ дисперсионного уравнения .68
4.1.1 Исходные соотношения .68
4.1.2 Дисперсионное уравнение .69
4.1.3 Решение «холодного» дисперсионного уравнения .70
4.1.4 Оценка эффективности взаимодействия 71
4.2 Выводы по разделу 4 75
РАЗДЕЛ 5. Исследование и разработка электрода для микроволновой терапии на основе отрезка замедляющей системы типа «коаксиальная ребристаялиния» .76
5.1 Физические особенности аксиально – симметричных и планарных замедляющих систем для создания медицинских излучателей и электродов 77
5.2 Исследование электрода на основе отрезка замедляющей системы типа «ребристый стержень» в азимутально неоднородном экране 84
5.2.1 Компьютерное моделирование характеристик ребристого стержня .86
5.2.2 Компьютерное моделирование характеристик ребристого стержня в азимутально неоднородном экране с одним щелевым разрезом. 89
5.2.3 Компьютерное моделирование характеристик ребристого стержня в азимутально неоднородном экране с двумя и четырьмя щелевыми разрезами 95
5.2.4 Экспериментальное исследование характеристик ребристого стержня в изотропном и азимутально неоднородном экранах 101
5.3 Выводы по разделу 5 .108
Заключение. Основные результаты работы 110
Библиографический список .113
- Применение аксиально-симметричных замедляющих систем и резонаторов в электронике и антенной технике
- Предельные частные случаи
- Исходные соотношения
- Решение «холодного» дисперсионного уравнения
Введение к работе
Актуальность темы
В современных устройствах вакуумной СВЧ электроники, ускорительной
технике, телекоммуникациях и средствах связи, биомедицинской аппаратуре
широко используются различные аксиально – симметричные периодические
структуры, обладающие рядом перспективных электродинамических, тепловых и
конструктивно-технологических особенностей. Одной из таких структур является
замедляющая система типа «коаксиальная ребристая линия». Основными ее
достоинствами являются азимутальная однородность формируемого
электромагнитного поля, малая дисперсия и широкополосность, с возможностью их коррекции, а также способность рассеивать большие мощности по сравнению со спиральными замедляющими системами.
Состояние вопроса
Фундаментальные и прикладные исследования и разработки аксиально – симметричных замедляющих систем и резонаторов проводятся в нашей стране и за рубежом, начиная с 50 – х годов прошлого века. Базовыми структурами такого типа являются диафрагмированный волновод и его модификации, достаточно хорошо изученные в настоящее время. Это позволило обеспечить их широкое применение в вакуумной СВЧ электронике и электронике больших мощностей - в лампах с бегущей и обратной волной, гибридных приборах, генераторах дифракционного излучения, релятивистских приборах, а также ускорительной технике.
Исследованиям одиночного ребристого стержня и коаксиальной ребристой
линии уделено гораздо меньше внимания, поскольку они рассматривались и
использовались вначале как резонаторные системы, а позднее в качестве
элементов антенно – фидерных устройств, в частности, эффективных облучателей
зеркальных антенн. Такие структуры обладают рядом преимуществ: осевой
симметрией диаграмм направленности, хорошими поляризационными
характеристиками и возможностью концентрации максимальной энергии в центральном лепестке.
Еще одной областью применения аксиально - симметричных замедляющих систем является создание на их основе эффективных излучателей для микроволновой физиотерапии и, в частности, урологии. Однако, в настоящее время и в России, и за рубежом используют электроды на основе спиральных замедляющих систем. Примерами могут служить микроволновые электроды, разработанные научной группой профессора Пчельникова Ю.Н. в начале 80 - х годов прошлого века, а также современные излучатели «Ко Терм» шведской компании «Просталунд Оперейшн АБ». Известны также электроды зарубежных установок для микроволновой урологии - «Prostotron», «ThermaSpec-600», «Termeks», «Turapi», «Primus-R», «PTS Qoantom», «Prostex ЗООО», «Prostcare», а также излучатели отечественных аппаратов Луч -11 (ФГУП ГЗ «ЭМА») и Яхта - 4 (АО «НПП «Исток» им. Шокина»). Несмотря на очевидные преимущества спиральных электродов и излучателей для микроволновой физиотерапии, они имеют и отдельные недостатки, к которым можно отнести сравнительно малую эффективность излучения, вызванную наличием зазора между внешним проводником электрода и поверхностью облучаемого участка тела пациента, а также симметричное распределение излучения по поперечному сечению электрода, не позволяющее оказывать локальное воздействие на предстательную железу без облучения других биотканей.
Цель диссертации
Исследование физических и конструктивно-технологических особенностей аксиально - симметричной замедляющей системы типа «коаксиальная ребристая линия» и создание на ее основе малогабаритных СВЧ устройств различного функционального назначения с улучшенными электрическими параметрами и характеристиками.
Для достижения указанной цели необходимо решение следующих задач: анализ известных физических особенностей, методов проектирования, конструктивно-технологических решений и областей применения аксиально -
симметричных замедляющих структур, их преимуществ, недостатков и тенденций дальнейшего развития;
анализ аналитических и численных методов, а также программных средств для компьютерного моделирования замедляющих систем типа «коаксиальная ребристая линия» и СВЧ устройств на ее основе;
исследование взаимодействия электромагнитной волны в замедляющей системе типа «металлический ребристый стержень» с кольцевым потоком электронов;
исследование взаимодействия электромагнитной волны в замедляющей системе типа «диафрагмированный волновод» с цилиндрическим потоком электронов;
компьютерное моделирование диаграмм направленности электрода на основе отрезка замедляющей системы типа «ребристый стержень» в изотропном экране и азимутально неоднородном экране с щелевыми разрезами;
экспериментальное исследование макетов замедляющей системы типа «ребристый стержень» в изотропном экране и азимутально неоднородном экране с щелевыми разрезами, и сравнение полученных характеристик с результатами аналитических расчетов и компьютерного моделирования.
Методы исследования
Исследования проведены с помощью математических аппаратов электродинамики и теории электромагнитного поля; теории электрических цепей и сигналов; численных методов и компьютерного моделирования; изготовленных экспериментальных макетов СВЧ устройств.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций
подтверждается корректностью используемых и опубликованных математических выводов и моделей; согласованностью ряда полученных результатов с опубликованными в отечественной и зарубежной печати; результатами компьютерного моделирования, экспериментальных исследований и внедрением разработанных элементов и устройств в производство.
Научная новизна, основные научные положения и результаты
На защиту выносятся перечисленные ниже новые научные положения и результаты, полученные в работе:
-
Продольные геометрические размеры СВЧ устройств, изготовленных на основе резонансных отрезков замедляющей системы типа «коаксиальная ребристая линия» могут быть уменьшены пропорционально величине коэффициента замедления (2…4) при волновом сопротивлении, составляющем десятки Ом.
-
Пространственная характеристика излучения замедляющей системы типа «металлический ребристый стержень» обладает симметрией вращения и имеет конусообразную форму с радиальным направлением вектора электрического поля.
-
Пространственная характеристика излучения замедляющей системы типа «металлический ребристый стержень» в азимутально неоднородном экране с одним щелевым разрезом обладает симметрией вращения, и при увеличении углового размера щели с 50 до 220, обеспечивает поворот конуса интенсивности излучения на 20-300 в горизонтальной плоскости и на 70-800 в вертикальной плоскости.
-
Пространственная характеристика излучения замедляющей системы типа «металлический ребристый стержень» в азимутально неоднородном экране с двумя или четырьмя щелевыми разрезами обладает симметрией вращения, и при изменении угловой величины щелей с 50 до 180, обеспечивает поворот конуса интенсивности излучения на 900 в горизонтальной плоскости и на 20-300 в вертикальной плоскости.
-
Наличие одного или более щелевых разрезов в азимутально неоднородном экране замедляющей системы типа «коаксиальная ребристая линия» не вызывает существенного изменения ее дисперсионных свойств.
Апробация работы
Основные теоретические и практические результаты диссертации
докладывались и обсуждались на 25 Международных и Всероссийских научно-
технических конференциях: X Межвузовской научной школе
«Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике,
экологии и медицине», Москва, НИИЯФ МГУ, 2009; Всероссийская научно-
практическая конференция «Математика, информатика, естествознание в
экономике и в обществе», Москва, 2009; LXV, LXVII Научных сессиях,
посвященной Дню радио, Москва, 2010, 2012; V Троицкой конференции
«Медицинская физика и инновации в медицине» (ТКМФ – 5), 2012;
Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы
электронного приборостроения» (АПЭП – 2012), Саратов, 2012; Международной
Крымской конференции «СВЧ – техника и телекоммуникационные технологии»
(КрыМиКо – 2013), Севастополь, 2013; Международных научно-практических
конференциях «INNOVATIVE INFORMATION TECHNOLOGIES», Прага, 2013,
2014; Всероссийских школах-семинарах «Методы компьютерной диагностики в
биологии и медицине», Саратов, 2013, 2014, 2015; 6, 7, 8, 9 Отраслевых научных
конференциях «Технологии информационного общества», Москва, МТУСИ, 2012,
2013, 2014, 2015; Научно-технических конференциях студентов, аспирантов и
молодых специалистов МИЭМ НИУ ВШЭ, Москва, 2010, 2012, 2013, 2014, 2015;
International Conference on Information Science, Electronics and Electrical
Engineering (ISEEE – 2014), Sapporo, Japan, 2014; 15th IEEE International Vacuum
Electronics Conference (IVEC – 2014), Monterey, USA, 2014; 16th IEEE International
Vacuum Electronic Conference (IVEC – 2015), Beijing, China, 2015.
Практическая ценность и внедрение результатов
Основные результаты диссертации получены в ходе Программы «Участник
молодежного научно-инновационного конкурса» («У.М.Н.И.К.»),
организованного Фондом содействия развития малых форм предприятий в научно-технической сфере в 2011 г., при выполнении гранта научно-учебной
группы НИУ ВШЭ «Электродинамика замедляющих систем» № 13-05-0017 в 2013 г., гранта Регионального общественного Фонда содействия отечественной науке в 2015 г., а также инициативных работ, выполненных в МИЭМ НИУ ВШЭ при участии автора за период 2009-2015 г.
Получен диплом I-ой степени Правительства г. Москвы за доклад на Межвузовской научно-практической конференции «Студенческая наука» в 2009 г.
Получен диплом за 1-ое место в номинации «Лучшая студенческая работа», раздел «Молодежная наука» на Всероссийской научно-практическая конференции «Математика, информатика, естествознание в экономике и в обществе» в 2009 г.
Получен диплом II-й степени за лучшую работу, представленную на научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ в 2010 г.
Приказом № 712 от «01» июля 2014 г. Министерства образования и науки Российской Федерации автору настоящей диссертации назначена стипендия Президента Российской Федерации по результатам научной деятельности.
Получен п
Научные и практические результаты работы используются в Урологическом центре филиала № 3 ФГКУ «3 Центральный Военный клинический госпиталь им. А.А. Вишневского» Министерства обороны России; компании ООО «Дженерал Майкровейв» (LLC General Microwave), а также в научной и учебной деятельности Департамента электронной инженерии МИЭМ НИУ ВШЭ. Использование результатов подтверждено соответствующими актами и заключениями.
Публикации
По материалам диссертации опубликована 31 работа, включая 4 статьи в российских журналах (по списку ВАК РФ), 27 статей в трудах российских и международных конференций, 1 патент РФ на изобретение.
Структура диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, библиографического списка и приложения. Общий объем диссертации составляет 129 страниц, включая 74 рисунка, библиографический список из 109 отечественных и зарубежных источников на 11 страницах, приложения с актами использования результатов на 5 страницах.
Применение аксиально-симметричных замедляющих систем и резонаторов в электронике и антенной технике
Аксиально-симметричные замедляющие системы занимают важное место среди существующих периодических структур. Они обладают рядом перспективных электродинамических, тепловых и конструктивно – технологических свойств, благодаря которым находят широкое применение в различных областях науки, техники и промышленного производства. К наиболее важным современным направлениям использования структур этого класса следует отнести вакуумную электронику и электронику больших мощностей – лампы с бегущей и обратной волной, клистроны, магнетроны, гибридные приборы, генераторы дифракционного излучения, релятивистские приборы, а также микроэлектронику – микрополосковые приборы и устройства. Другими перспективными областями являются применения аксиально-симметричных замедляющих систем в технике связи, основанной на магистральных волноводных линиях, оптических и квазиоптических линиях передачи; антенной технике, включающей фазированные антенные решетки, фазовращатели, облучатели зеркальных антенн, фидерные линии и т.д., а также ускорительной технике.
Современная рыночная экономика требует от разработчиков создания СВЧ приборов и устройств, отличающихся высокой эффективностью, миниатюрностью, надежностью, быстродействием, стабильностью электрофизических параметров и характеристик, отвечающих требованиям электромагнитной совместимости и обладающих низкой стоимостью. Такие тенденции развития диктуют необходимость глубокого изучения процессов распространения электромагнитных волн в применяемых структурах и использования новейших конструкторско – технологических решений для создания электродинамических систем с заданными свойствами. Таким образом, исследование аксиально-симметричных замедляющих систем и создание на их основе СВЧ устройств различного функционального назначения является актуальной и важной задачей, требующей учета многочисленных физических факторов и современных аналитических и численных методов разработки и проектирования.
К настоящему времени опубликовано достаточно много отечественных и зарубежных книг, монографий и научных статей, посвященных физическим, конструктивно-технологическим особенностям и методам проектирования аксиально – симметричных замедляющих систем.
Следует отметить, что наиболее фундаментальные работы по данной тематике были сделаны и опубликованы, начиная с конца 50 – х и до середины 80 – х годов прошлого века. Наибольшее число работ посвящено замедляющей системе типа «диафрагмированный волновод» и ее модификациям, что объясняется возможностями ее широкого и эффективного применения в приборах СВЧ электроники и ускорительной технике. Гораздо меньшее внимание уделено ребристому стержню и коаксиальной ребристой линии, причем такие структуры рассматривались, в большинстве случаев, как резонаторы или элементы антенно-фидерных устройств. Подчеркнем также, что почти во всех публикациях рассматривались различные задачи анализа существующих и модифицированных конструкций аксиально-симметричных замедляющих систем, а задачи создания подобных структур с заданными свойствами практически не ставились и не решались.
Одной из первых фундаментальных монографий по теории электромагнитных волн в различных системах и линиях передачи, включая кольцевые аксиально – симметричные структуры и ребристый стержень, является книга Л.А.Вайнштейна «Электромагнитные волны», изданная в 1957 г., и существенно переработанная и дополненная в 1988 г. [1]. В 1959 г. была переведена на русский язык и издана книга Л.Бриллюэна и М.Пароди, посвященная распространению волн в периодических структурах [2].
Немного позже, в 1964 г., в Ростовском университете вышла книга В.С.Михалевского, являющаяся одной из первых книг по элементам теории замедляющих систем [3].
В 1965 г., в Киеве издана книга З.И.Тараненко и Я.К.Трохименко [4], в которой систематизированы и изложены методы расчета и анализа замедляющих систем.
Наиболее известной и фундаментальной книгой по замедляющим системам является монография Р.А.Силина и В.П.Сазонова [5], изданная в 1966 г., и не потерявшая своей актуальности и сейчас. В ней изложены основы теории, методы расчета, анализа и применения замедляющих структур для электровакуумных приборов СВЧ. Эта книга была частично переиздана Р.А.Силиным в 2001 г. под названием «Периодические волноводы» [6], однако часть глав и разделов, посвященных спиральным аксиально-симметричным структурам, в нее не вошла.
В 1967 г. увидела свет изданная в 1964 году в Берлине, и переведенная на русский язык, монография Р.Кюна «Микроволновые антенны» [7], посвященная вопросам теории, конструирования и практического применения различных СВЧ антенн и их модификаций, включая раздел по антеннам поверхностных волн на основе периодических структур.
Учебное пособие К.П.Яцук, вышедшее в Харькове в 1969 г., посвящено лабораторному практикуму по «Электромагнитным замедляющим системам». В нем изложены экспериментальные методы исследования характеристик ЗС, способы согласования их с регулярными линиями СВЧ и применения их для измерения диэлектрических свойств вещества [8].
Монография по теории излучения поверхностных антенн Л.Н. Захарьева, А.А. Леманского, К.С. Щеглова, изданная также в 1969 г., посвящена решению внешних электродинамических задач для антенн, находящихся на телах различной формы – клина, сфероида, кругового и эллиптического цилиндров и др., включая расчет характеристик антенн, расположенных на поверхности аксиально-симметричных проводящих тел с щелевыми разрезами [9].
Первое издание справочника по диафрагмированным волноводам О.А. Вальднера, Н.П. Собенина, Б.В.Зверева, И.С. Щедрина, впервые вышедшее в 1969 г., и переизданное в 1977 г. [10], содержит значительный экспериментальный и расчетный материал по методам расчета и измерения высокочастотных характеристик круглых диафрагмированных волноводов, применяющихся в линейных ускорителях электронов. В 1977 г. издана монография Е.И.Нефедова и А.Н.Сивова «Электродинамика периодических структур», посвященная изложению методов получения и применения приближенных граничных условий для решения задач дифракции на периодических структурах и содержащая главу по теории диафрагменной линии [11].
Предельные частные случаи
Численные методы расчета и компьютерного моделирования аксиально-симметричных замедляющих систем и СВЧ устройств на их основе, также как и аналитические, основаны на решении системы уравнений Максвелла с учетом граничных условий. К ним относятся: метод конечных разностей, метод конечных элементов, метод моментов, метод матриц линии передачи и другие. Часть из них основана на декомпозиционном подходе анализа структуры: метод минимальных автономных блоков, метод импедансных аналогов электромагнитного поля и другие [51-54].
Метод конечных элементов (Finite Element Method, FEM) имеет вариационные особенности в алгоритме [53, 55-57]. В этом методе вместо частных дифференциальных уравнений с граничными условиями, систему вариационных выражений составляют функционалы, относящихся к каждой из малых областей или объемов, подразделяющих область, представляющую интерес. Из-за такой дискретизации не всякие ограничения могут быть положены на форму структуры. Одна из проблем метода – существование паразитных нулей.
На основе метода конечных элементов разработана программа Ansoft HFSS, позволяющая моделировать устройство в трехмерном представлении [58 - 61]. При этом все анализируемое пространство разбивается на конечные элементы в соответствии с ожидаемой скоростью изменения электромагнитных полей. Далее формируется набор неизвестных значений полей на гранях конечных элементов и составляется система уравнений, которая решается в частотной области. HFSS является универсальной программой, поддерживающей программные средства AutoCAD, что позволяет ускорить подготовку конструкторской документации на спроектированное устройство. К общим недостаткам этой программы следует отнести некоторую идеализированность получаемых диаграмм интенсивности полей, что является следствием задания бесконечной «земляной платы». Поэтому для решения более узкоспециализированных задач можно воспользоваться программой FIDELITY, основанной на методе конечных элементов во временной области FDTD (Finite Difference Time Domain) [56, 57]. Эта программа использует прямое интегрирование уравнений Максвелла во временной области, используя импедансные эквиваленты электромагнитного поля. Для исследуемой структуры рассчитывается переходной процесс при подаче на вход импульса Гаусса, после сходимости которого выполняется обратное преобразование Фурье и получается частотная характеристика, позволяющая учесть затухание в конструкционных элементах и корпусе исследуемой системы.
Программный пакет CST Microwave Studio [62-63], который в последние годы завоевал большую популярность, также основан на методе FDTD. К достоинствам этой программы следует отнести возможность выбора сетки разбиения. Гексагональная сетка в определенных задачах в значительной мере менее чувствительна к плотности разбиения, чем тетраэдральная. Это позволяет получать оценочные результаты неплохой точности. Для ввода условий симметрии моделируемой структуры ее не нужно «разрезать» (что необходимо в HFSS), требуется лишь задать эти условия в нужных плоскостях. Граничные условия на гранях бокса пространства задачи также просто задаются в диалоге. При этом для расчета задач с излучением во внешнее пространство нет необходимости чертить воздушный бокс вокруг моделируемой структуры, поскольку соответствующие прослойки воздуха автоматически добавятся к структуре при выборе соответствующих граничных условий. Отсутствие необходимости вычитания металлических частей модели из диэлектрических также упрощает решение задачи вследствие доминирующего положения первых над вторыми. Все это позволяет избежать лишних действий проектировщика и упрощает саму компьютерную модель.
Следует также отметить, что эффективность применения программ численного моделирования существенно возрастает при использовании специальных технологических библиотек (Process Design Kit, PDK), в которых сгруппированы наиболее часто встречающиеся элементы схем и моделей для определенной системы проектирования с учетом конкретной технологии изготовления этих компонентов [58, 63]. Использование специальных технологических библиотек при электродинамическом моделировании имеет ряд преимуществ. Компилированные модели работают быстрее аналогичных им интерпретированных версий. Кроме того, такие модели дают более точный результат, чем модели, описанные в аналитической форме и имеющие ограничения. Дополнительным преимуществом является небольшой размер такой DLL – библиотеки, что позволяет пересылать ее по электронной почте при внесении каких – либо изменений в технологический процесс или обновлении самой модели. Можно также отметить, что скомпилированная модель обладает защитой от третьих лиц, поскольку декомпиляция исходного кода представляет значительные трудности.
Появление открытых вычислительных технологий, таких как Microsoft Component Object Model (COM), позволяет интегрировать программы моделирования различных производителей в рамках единой среды проектирования, что дает возможность проверки результатов электродинамического моделирования, полученных с помощью разных методов [64]. Таким образом, с появлением разнообразных программ электродинамического моделирования изменилось отношение к аналитическим расчетам. Ведь для реальных комплексных СВЧ устройств достаточно сложно получить аналитическое решение задачи анализа, а зачастую это просто не представляется возможным. Современная реальность проектирования такова, что часто может возникнуть необходимость считать задачу на нескольких программах (с использованием различных методов расчета), и только в случае получения близких результатов считать, что задача решена правильно, а модель построена верно. В связи с этим, по – прежнему актуальной остается задача создания приближенно-аналитических моделей элементов, узлов и модулей СВЧ устройств, описываемых простыми соотношениями, позволяющими существенно снизить требования к быстродействию и оперативной памяти компьютера.
Исходные соотношения
Одним из перспективных направлений применения замедляющих систем, и в частности, коаксиальной ребристой линии, является возможность их использования в биологии и медицине в качестве антенн и излучателей для радиочастотной и микроволновой физиотерапии, радиотермии и томографии, чувствительных элементов для медицинской диагностики, устройств для стерилизации и термообработки.
Преимущества применения замедляющих систем в биологии и медицине основаны на электродинамических и конструктивных особенностях структур, которые следуют из распределения электромагнитного поля вблизи их поверхностей. В данном разделе рассматриваются особенности использования замедляющих систем применительно к средам с высоким значением диэлектрической проницаемости, в частности, биотканям, а также проблемы, связанные с созданием электродов для внутриполостной микроволновой физиотерапии на замедляющей системе типа «коаксиальная ребристая линия» с преимущественным сосредоточением электрического поля в биотканях, прилегающим к поверхности электрода. Применение такой структуры представляет практический интерес, поскольку позволяет уменьшать ее продольные геометрические размеры при сохранении электрической длины волны.
Кроме урологических процедур трансуретральной микроволновой термотерапии [81 - 86], предложенный электрод на основе ребристого стержня может быть использован как источник излучения для микроволнового томографа при исследовании крупных кровеносных сосудов или пищевода. Возможно также его применение в качестве миниатюрной приемной антенны при радиометрии и термографии. 5.1 Физические особенности аксиально-симметричных и планарных замедляющих систем для создания медицинских излучателей и электродов
Первые исследования и разработки микроволновых медицинских излучателей и электродов для физиотерапии и хирургии на основе замедляющих систем были выполнены научной группой под руководством профессора Пчельникова Ю.Н. в начале 80-х годов прошлого века. Уже тогда были изучены отдельные свойства замедленных электромагнитных волн, а немного позднее предложен и создан целый ряд внутриполостных и наружных излучателей и электродов на спиральных замедляющих системах [17, 87- 89].
В большинстве случаев замедляющие системы сформированы проводящими элементами, имеющими периодичность вдоль распространения волны, например, одиночными спиралями, биспиралями или меандрами (рисунок 5.1.1а - в). Изменение конфигурации таких структур, обеспечивающее концентрацию электромагнитного поля вблизи своей поверхности, позволяет достичь также проникновения энергии на заданную глубину в окружающих их средах, и сопровождается пропорциональным коэффициенту замедления увеличением эффективности взаимодействия.
Рассмотрим ниже наиболее важные физические особенности и конструктивные параметры замедляющих систем, дающие возможность обеспечить их эффективное применение в качестве излучателей и электродов для лечения заболеваний предстательной железы с использованием терапевтического метода трансуретральной микроволновой термотерапии (ТУМТ).
Вторая особенность замедляющих систем состоит в возможности дополнительной концентрации энергии в поперечном сечении структуры, что вызвано поверхностным распределением области замедленной волны, которая пропорциональна частоте и коэффициенту замедления (рисунок 5.1.2).
В качестве третьей особенности замедляющих систем следует подчеркнуть возможность поверхностного распределения поля при разных частотах и коэффициентах замедления, что позволяет их применять для относительно больших и малых объемов биологических объектов и сред.
Четвертой особенностью замедляющих систем является то, что в зависимости от граничных условий и различного распределения в поперечном направлении, ее электромагнитное поле в большинстве случаев представлено в виде гибридной волны, которую можно рассматривать в виде совокупности волн Е- и Н-типов (рисунок 5.1.3). В такой гибридной волне отношение электрической энергии к магнитной в волне E-типа, a также отношение магнитной энергии к электрической в волне H-типа, равно квадрату коэффициента замедления
Данное свойство позволяет создавать медицинские излучатели и электроды с преимущественным сосредоточением электрического или магнитного поля в заданной области биоткани, что важно при проведении локальной физиотерапии.
Пятая особенность замедляющих систем состоит в возможности многократной концентрации электрического и магнитного полей в связанных структурах, например, цилиндрических или радиальных спиралях с противоположным направлением намотки (рисунок 5.1.3, 5.1.4).
Связанные цилиндрические спирали. Концентрация электрического поля между спиралями с большим замедлением обеспечивает лучшие условия для терапии радиочастотным магнитным полем, в то время как интенсивность электрического поля в биоткани уменьшена приблизительно в N2 раз. При этом дополнительное замедление может превысить основное замедление, обеспеченное изгибом проводников. Шестая особенность замедляющих систем состоит в периодичности их структуры, что подчеркивает формирование электромагнитного поля пространственными (нулевой и первой) гармониками. Когда все поле или его электрическая или магнитная часть представлена суммой +1 пространственных гармоник, энергия концентрируется в небольшом слое. Tолщина этого слоя меньше 1/6 периода замедляющей системы, равной T (рисунок 5.1.5). Это позволяет создавать медицинские излучатели на относительно низких частотах с заданным проникновением энергии в биоткань.
Седьмой особенностью замедляющих систем является возможность интенсивного излучения при условии, что фазовая скорость волны в структуре меньше скорости распространения света в оптически плотной среде (биоткани) (рисунок 5.1.6).
Решение «холодного» дисперсионного уравнения
Основным итогом диссертационной работы является решение актуальной задачи, заключающейся в разработке новых малогабаритных CВЧ устройств различного функционального назначения с улучшенными электрическими параметрами и характеристиками на основе исследования физических и конструктивно – технологических особенностей замедляющей системы типа «коаксиальная ребристая линия». Особенностью работы является ее прикладная направленность, позволяющая использовать полученные теоретические и экспериментальные результаты для решения конкретных научно – практических задач.
Основные результаты работы заключаются в следующем:
1. Проведен анализ современного состояния и тенденций развития современных аксиально – симметричных замедляющих систем, резонаторов и СВЧ устройств на их основе, включающий физические, конструктивно – технологические особенности и области их применения, а также аналитические и численные методы, которые могут быть использованы для их расчета, проектирования и компьютерного моделирования. На основе анализа установлено, что благодаря малой дисперсии, широкополосности и способности рассеивать сравнительно большие выходные мощности, на базе замедляющих структур, выполненных на коаксиальной ребристой линии и одиночном диафрагмированном стержне, появляется возможность создания эффективных СВЧ устройств с габаритными размерами, меньшими рабочих длин волн, обладающих улучшенными электрическими характеристиками и низкой стоимостью.
2. Выполнен аналитический расчет замедляющей системы типа «коаксиальная ребристая линия». Для случая возбуждения в такой структуре аксиально – симметричной волны электрического типа, методом сшивания проводимостей получено дисперсионное уравнение, анализ решения которого проведен для случаев, имеющих практическое значение. С помощью метода эквивалентных длинных линий получены аналитические выражения для расчета погонных параметров индуктивности, емкости и волнового сопротивления структуры. С помощью программных средств MathCAD выполнено моделирование параметров коаксиальной ребристой линии и получены зависимости коэффициента замедления от ее геометрических размеров.
3. Проведен анализ взаимодействия электромагнитной волны в замедляющей системе типа «металлический ребристый стержень» с внешним кольцевым потоком электронов. Найдены выражения для эквивалентных параметров индуктивности и емкости структуры. В импедансном приближении получено «горячее» дисперсионное уравнение для случая возбуждения в такой замедляющей системе аксиально-симметричной волны электрического типа. С помощью программных средств MathCAD выполнено моделирование дисперсионных характеристик и коэффициента связи металлического ребристого стержня с внешним кольцевым потоком электронов в зависимости от геометрических размеров стержня и диэлектрических проницаемостей материала, заполняющего пазы структуры.
4. Проведен анализ взаимодействия электромагнитной волны в замедляющей системе типа «диафрагмированный волновод» с цилиндрическим потоком электронов. Найдены выражения для эквивалентных параметров индуктивности и емкости структуры. В импедансном приближении получено «горячее» дисперсионное уравнение для случая возбуждения в такой замедляющей системе аксиально-симметричной волны электрического типа. С помощью программных средств MathCAD выполнено аналитическое моделирование «холодных» дисперсионных характеристик и коэффициента связи диафрагмированного волновода в зависимости от его геометрических размеров.
5. Предложены, теоретически обоснованы, численно и экспериментально исследованы малогабаритные электроды-излучатели на основе ребристого стержня в азимутально неоднородных экранах с одним, двумя и четырьмя щелевыми разрезами, отличающиеся пространственной характеристикой излучения конусообразной формы с радиальным направлением вектора электрического поля и симметрией вращения. При проектировании электродов – излучателей получены следующие теоретические и экспериментальные результаты: диаграммы направленности, в виде пространственных кардиоид, для ребристого стержня в азимутально неоднородном экране с одним щелевым разрезом, в воздушном пространстве с = 1,0 и диэлектрической среде, моделирующей биоткани предстательной железы с эффективным = 5,6, позволившие оценить влияние угловой величины щелевого разреза, а также угол поворота конуса интенсивности излучения; диаграммы направленности для ребристого стержня в азимутально неоднородном экране с двумя и четырьмя щелевыми разрезами, позволившие установить вращательный характер конуса излучения с поворотом на 900 в горизонтальной плоскости, и оценить интенсивность излучения при изменении числа щелевых разрезов; зависимости модуля коэффициента отражения S11 и коэффициента стоячей волны напряжения, на основании которых рассчитаны дисперсионные характеристики, показавшие, что наличие одного или более щелевых разрезов в азимутально неоднородном экране не вызывает существенного изменения дисперсионных свойств. Предложенные конструкции электродов нашли применение для микроволновой термотерапии, в том числе для эффективного лечения заболеваний предстательной железы с использованием терапевтического метода трансуретральной микроволновой термотерапии (ТУМТ).