Моделирование микроволнового излучателя на основе коаксиального ребристого стержня

Моделирование микроволнового излучателя на основе коаксиального ребристого стержня

Представлены результаты моделирования микроволнового излучателя на основе коаксиального ребристого стержня, полученные с помощью программных средств CST Microwave Studio 2011. Интерес к такой электродинамической структуре обусловлен возможностями ее широкого применения как в качестве замедляющей системы для ламп с бегущей и обратной волной, так и в качестве медицинского электрода -излучателя для микроволновой физиотерапии урологических заболеваний. Для возбуждения электромагнитных колебаний типа Е11 в ребристом стержне может использоваться коаксиальная линия или конический рупор. Полученное излучение обладает симметрией вращения и линейно поляризовано в главной плоскости. Пространственная характеристика излучения имеет конусообразную форму с радиальным направлением вектора электрического поля. Возможность изменения в широких пределах коэффициента замедления и волнового сопротивления структуры позволяют уменьшать её геометрические размеры при сохранении электрической длины.

Ключевые слова: замедляющая система, коаксиальный ребристый стержень, коэффициент замедления, волновое сопротивление.

Елизаров А.А.,

профессор кафедры "Радиоэлектроника и телекоммуникации" МИЭМ НИУВШЭ

Каравашкина В.Н.,

доцент кафедры "Электроника" МТУСИ

Нестерова Д.А.,

магистрант кафедры "Радиоэлектроника и телекоммуникации" МИЭМ НИУВШЭ

Шаймарданов Р.В.,

аспирант кафедры "Радиоэлектроника и телекоммуникации" МИЭМ НИУВШЭ

Одним из перспективных направлений создания современных излучателей и электродов для микроволновой физиотерапии является применение резонансных отрезков замедляющих систем [1, 2]. Использование таких электродинамических структур обусловлено простотой их конструкции, малыми габаритными размерами по сравнению с рабочей длиной волны, а также возможностью изменения в широких пределах их волнового сопротивления [2-4].

Теоретический и практический интерес к микроволновым излучателям на основе коаксиального ребристого стержня продиктован рядом преимуществ, которые отличают их от известных типов спиральных электродов [4]. В частности, необходимо отметить возможность обеспечения с помощью таких структур точной локализации электромагнитной энергии в облучаемом участке тела; возможность изменения локальной зоны нагрева, как по длине, так и по азимуту, а также возможность изменения площади зоны облучения.

Аналитический расчет дисперсии излучателя на основе замедляющей системы типа коаксиальный ребристый стержень проведен методом сшивания проводимоетей электрического и магнитного типов при замене электродинамической структуры моделью анизотропно-проводящего цилиндра [5, 6]. В общем виде дисперсионное уравнение такой замедляющей системы впервые получено в работе [7]:

/,(сг) + Г -- ¡„(с^ЬсЦск^рк,) I^ат) + ——1 a(ar)bct(akl?bk.) к, к, £,

где bct(x,y) =

КХст)-—^- Ка (с фсКск,, рк,) К, (а г) - - ^ К„ (афсПак,, Ьк,) к, е, А, £,

разностный ко-

тангенс; х - поперечная постоянная, связанная с волновым числом к2 и фазовой постоянной [i соотношением [i" = т2 +к22, а - радиус экрана, с — радиус ребристого стержня, р - радиус выточек ребристого стержня.

Компьютерное моделирование излучателя на основе коаксиального ребристого стержня выполнено с помощью программных средств CST Microwave Studio 201 I. Внешний вид модели излучателя представлен на рис. 1.

Яиц mi

Щ \р ''L44 i даи

Рис. 1. Внешний вид модели излучателя в программе CST Microwave Studio 2011

Геометрическая длина электрода выбрана равной 30 мм (рабочая частота 2450 МГц), диаметр электрода - 12 мм. Количество ребер, укладывающихся на данной длине, при равенстве ширины ребра и расстояния между ними, выбрано равным восьми. Эти геометрические параметры излучателя приемлемы для проведения урологических процедур трансуретральной микроволновой термотерапии (ТУМТ - терапии) [8|.

Для возбуждения электромагнитных колебаний типа Гц в ребристом стержне используется коаксиальная линия. Полученное излучение обладает симметрией вращения и линейно поляризовано в главной плоскости. Пространственная характеристика излучения имеет ко п у со об раз] [у ю форму с радиальным направлением вектора электрического поля (рис. 2).

к 11'.: (,r,.BjnA> |IJ

t1J

Flrf. rl'i. I *M > Щ

lit. mil, -мм ft

tfr. I.W d>l

Рис, 2, ЗП-диаграмма направленности модели излучателя на частоте 2450 МГц

На рис. 3 представлена рассчитанная диаграмма направленности электрода на частоте 2450 МГц, подтверждающая возможность обеспечения интенсивного поперечного излучения. Следует отметить, что выбором соответствующих размеров электрода могут быть получены достаточно высокие коэффициенты замедления при заданном волновом сопротивлении, а значит, достигнута достаточно высокая направленность. При этом габаритные размеры электрода будут значительно меньше рабочей длины волны.

Failield Drectjvty I beta (Phi=0) 0

fcifcU [Mnl) [1]

Tteca ! E>egree vs. <

Frequency = 2450 Man lobe "vс = 2.5 dDi Man lobe dfeajon = 90.0 Angular vrttth :;:)' = 63.9 :':)

Рис. 3. Диаграмма направленности модели излучателя на частоте 2450 МГц

На рис. 4 показано два варианта конструкции излучателя для ТУМТ-терапии на основе коаксиального ребристого стержня, отличающиеся конструкцией внешнего экрана. Первая конструкция экрана выполнена в виде секторного цилиндра с продольными щелями, симметрично расположенными по образующим, а вторая - в виде цилиндра с продольным щелевым разрезом, угол раскрыва которого равномерно увеличивается от нуля со стороны коаксиального ввода до угла 180-360" на рабочем конце излучателя.

- Ребристый -стержень^ ' Экран  ^Диэлектр ический колпак

Рис. 4. Варианты внутри полостного излучателя для ТУМТ-терапии

Наличие продольных щелей или щелевого разреза у внешнего проводника приводит к росту волнового сопротивления излучателя с увеличением углового размера щели. При этом равномерное увеличение угла раскрыва позволяет обеспечить плавное изменение волнового сопротивления излучателя, что с учетом поглощения волны в тканях тела обеспечивает его хорошее согласование с генератором. Поскольку внешний проводник оказывает экранирующее действие, интенсивность излучения неравномерна по окружности и длине излучателя. Вне зависимости от величины углового размера продольной щели, интенсивность излучения максимальна в плоскости симметрии, проходящей через ее середину. Это позволяет, выбирая закон изменения размера щели, получать требуемое распределение интенсивности электромагнитного поля, как по окружности, так и по длине излучателя.

Наличие зазора между внешним проводником резонатора и поверхностью облучаемого участка тела пациента может приводить к существенному уменьшению интенсивности излучения, вызванному как резким спадом амплитуды поля электромагнитной волны от поверхности внешнего проводника, так и экранирующим действием поверхности тела. При заполнении внутреннего пространства излучателя многослойной диэлектрической средой с линейно увеличивающимся от поверхности ребристого стержня до поверхности секторного цилиндра волновым сопротивлением, достигается его согласование с телом пациента, что увеличивает эффективность облучения.

Кроме урологических процедур ТУМТ-терапии, предложенный электрод на основе ребристого стержня может быть использован также как источник излучения для микроволнового томографа при исследовании крупных кровеносных сосудов или пищевода. Кроме того, возможно его применение в качестве миниатюрной приемной антенны при радиометрии и термографии.

Технологии на базе замедляющих систем обеспечивают новые функциональные возможности биомедицинских устройств, они просты, недороги и позволяют работать на относительно низких частотах. Возможность концентрации энергии вблизи поверхности замедляющей системы, а также возможность преимущественного сосредоточения энергии электрического или магнитного поля в заданной области позволяют обеспечить более высокую эффективность воздействия требуемым излучением, чем биомедицинские устройства на отрезках волноводных или коаксиальных линий [9].

Использованы результаты, полученные в ходе выполнения проекта «Исследование распространения замедленных Электромагнитных волн в многослойных диэлектриках и разработка СВЧ устройств на их основе», выполненного в рамках Программы «Научный фонд НИУ ВШЭ» в 2013 году, грант №13-05-0017.

Литература

1. Pcbelnikov Yu.N. Medical application of slow-wave structures II 40,h Annual M icrowave Symposium Proceedings. August 9-11, 2006. P. 1-5.

2. Пчельников Ю Н.. Елизаров А.А., Нестерова Д.А., Шаймар-данов P.В. Перспективы создания новых микроволновых излучателей и электродов для физиотерапии на замедляющих системах //

Труды Международной научно-практической конференции "International Scientific — Practical Conference "INNOVATIVE INFORMATION TECHNOLOGIES", Prague, 2013, April 22-26 / T.2. M.: МИЭМ НИУ ВШЭ, 2013, C. 233-238.

3. Pchelnikov Yu.N., Yelizarov A.A. Medical application of slow electromagnetic waves // Proceedings International University Conference "Electronics and Radiophysics of Ultra-High Frequencies (UHF-99)". St,Petersburg. May 24-28, 1999. P.464-46

4. Елизаров А.А.. Шаймарданов P.В. Особенности применения замедленных электромагнитных волн в биологии н медицине // Материалы 10-й юбилейной Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения «АПЭП-2012». Саратов, 2012. С.219-227.

5. Елизаров А.А.. Шаймарданов Р.В, Исследование электрода для трансуретральной микроволновой термотерапии на основе

замедляющей системы типа коаксиальный ребристый стержень II Труды LXVII Научной сессии, посвященной Дню радио. Москва,

2012. С.369-372.

6. Ечшаров A.A.. Шаймарданов Р.В.. Нестерова Д.А. Исследование электрода па основе коаксиальной ребристой линии для лечения доброкачественной гиперплазии простаты // Медицинская физика н инновации в медицине: материалы V Троицкой конф. ТКМФ-5. Троицк, 2012, Т.2. С.294-296.

7. Пчельников Ю.Н. Коаксиальная линия с ребристыми электродами. М.: МИЭМ. 1985.

8. Окавитов В.В. Практика ТУР операций. М.: «Мирмед»; 2005,

9. Елизаров A.A.. Шаймарданов Р.В. Исследование электродов для внутри полостной микроволновой физиотерапии с экранировкой магнитного поля // Т-Сотш: Телекоммуникации и транспорт,

2013. № 9. - С.82-84.

Modeling of microwave radiator on the basis of coaxial ribbed line

Yelizarov AA., professor of the chair"Radioelectronics and telecommunications" MIEM HSE

Karavashkina V.N., dozent of the chair "Electronics" MTUCI Nesterova D.A., magistrant of the chair"Radioelectronics and telecommunications" MIEM HSE Shaymardanov R.V., postgraduate student of the chair "Radioelectronics and telecommunications" MIEM HSE

Abstract

The paper presents the results of microwave radiator simulation based on coaxial ribbed line, using software CST Microwave Studio 2011. Interest in such electrodynamic structure due to its wide application potential as slow-wave system for the traveling wave tube and backward wave oscillator and as a medical electrode — radiator for a physiotherapy, urological diseases. Coaxial line or conical horn can be used for excitation of E11 type electromagnetic oscillations in the ribbed line. The resulting emission has the rotation symmetry and the wave is linearly polarized in the main plane. Spatial distribution of radiation has a conical shape with a radial direction of the electric field vector. The possibility of changes in a wide range slowing down coefficient and wave impedance of structures allow to reduce its geometrical dimension while electrical length keeps permanent.

Keywords: slow wave system, coaxial ribbed line, slowing down coefficient, wave impedance.

References

1. Pchelnikov Yu.N. Medical application of slow-wave structures / 40th Annual Microwave Symposium Proceedings. August 9-11, 2006. pp.1-5.

2. Pchelnikov Yu.N., Elizarov AA, Nesterov D.A, Shaymar-dan R.V. Prospects for new microwave radiate-lei and electrodes for physiotherapy at a decelerating system / Proceedings of the International scientific and practical conference "International Scientific - Practical Conference" INNOVATIVE INFORMATION TECHNOLOGIES ", Prague, 2013, April 22-26 / V2. M .: MIEM HSE, 2013. pp 233-238.

3. Pchelnikov Yu.N., Yelizarov AA. Medical application of slow electromagnetic waves / Proceedings International University Confer-ence "Electronics and Radiophysics of Ultra-High Frequencies (UHF-99)". St.Petersburg, May 24-28, 1999. pp.464-467.

4. Elizarov AA, Shaimardanov R.V. Features of application of slow electromagnetic waves in biology and medicine / Proceedings of the 10th anniversary of the International Scientific Conference "Actual problems of e-priborostroe of" APEP-2012 ". Saratov, 2012. pp.219-227.

5. Elizarov AA,, Shaimardanov R.V. Investigation of the electrode for transurethral microwave thermotherapy based on the type of slow-ribbed coaxial rod / Proceedings LXVII scientific session devoted to Radio Day. Moscow, 2012. pp.369-372.

6. Elizarov AA,, Shaimardanov R.V., Nesterov D.A Investigation-tion electrode based on a coaxial line for ribbed le-tion of benign prostatic hyperplasia / Medical Physics and innovation in medicine: the V Trinity Conf. TKMF-5. Troitsk, 2012. Vol.2. pp.294-296.

7. PchelnikovYu.N. Coaxial line with electrodes ribbed. Moscow: MIEM, 1985.

8. OkavtovVV. Practice TOUR operations. Moscow: "Mirmed", 2005.

9. Elizarov AA,, Shaimardanov R.V. Investigation of electrodes for intracavitary microwave physiotherapy with shielding Coy magnetic field / T-Comm: Telecommunications and Transport, 2013. No 9. pp.82-84.