Автореферат (1137124), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Москвы за доклад наМежвузовской 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 научнотехнической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистовМИЭМ в 2010 г.Приказом № 712 от «01» июля 2014 г.

Министерства образования и наукиРоссийской Федерации автору настоящей диссертации назначена стипендияПрезидента Российской Федерации по результатам научной деятельности.Получен патент РФ на изобретение № 2 525 273 – Внутриполостноймикроволновый излучатель (варианты).Научные и практические результаты работы используются в Урологическомцентре филиала № 3 ФГКУ «3 Центральный Военный клинический госпиталь им.А.А. Вишневского» Министерства обороны России; компании ООО «ДженералМайкровейв» (LLC General Microwave), а также в научной и учебнойдеятельности Департамента электронной инженерии МИЭМ НИУ ВШЭ.Использованиерезультатовподтвержденосоответствующимиактамиизаключениями.ПубликацииПо материалам диссертации опубликована 31 работа, включая 4 статьи вроссийских журналах (по списку ВАК РФ), 27 статей в трудах российских имеждународных конференций, 1 патент РФ на изобретение.8Структура диссертацииДиссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения,библиографического списка и приложения.

Общий объем диссертации составляет129страниц, включая 74 рисунка, библиографический список из 109отечественных и зарубежных источников на 11 страницах, приложения с актамииспользования результатов на 5 страницах.ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении к диссертации обоснована ее актуальность, рассмотреносостояние вопроса, сформулированы цели, задачи и методы исследований,научная новизна, основные положения, выносимые на защиту, вопросыпрактической ценности, внедрения результатов, апробации и публикаций.Приводится краткое содержание каждого раздела.В первом разделе проведен обзор современного состояния и тенденцийразвитиясовременныхаксиально-симметричныхзамедляющихсистем,резонаторов и СВЧ устройств на их основе. Проанализированы физические,конструктивно – технологические особенности и области применения аксиально –симметричных замедляющих систем в электронике, антенной и медицинскойтехнике, рассмотрены их преимущества и недостатки, показаны тенденции ихдальнейшего развития.

Сделан вывод об актуальности поставленной научнойзадачи.На основе выполненного обзора показана перспективность разработкиаксиально-симметричныхэлектродинамическихструктур,выполненныхнаоснове коаксиальной ребристой линии и одиночного диафрагмированногостержня.

Такие структуры эффективны для применения в качестве замедляющихсистем приборов микроволновой электроники, как облучатели зеркальных антенни направляющих систем фазированных антенных решеток, а также в качествемедицинских электродов-аппликаторов для микроволновой урологии. Основнымидостоинствами таких систем являются азимутальная однородность формируемого9электромагнитного поля, малая дисперсия и широкополосность, с возможностьюих коррекции, а также способность рассеивать большие мощности по сравнениюсо спиральными структурами.Проанализированы существующие аналитические и численные методырасчета, проектирования и компьютерного моделирования, которые могут бытьиспользованы для определения основных характеристик и параметров аксиальносимметричных замедляющих систем, резонаторов и СВЧ устройств на их основе.Подчеркнута эффективность использования приближенно – аналитическихмоделей и методов, позволяющих обеспечить необходимую точность расчета приснижении требований к быстродействию и оперативной памяти компьютера.Во втором разделе проведен аналитический расчет замедляющей системытипа «коаксиальная ребристая линия», резонансный отрезок которой показан нарисунке 1.

Внешний радиус внутреннего электрода – c, внутренний радиусвнешнего электрода – a, радиусы выточек p и b соответственно. Рассмотренслучай, когда длина волны в резонансном отрезке коаксиальной линиизначительно превышает толщину ребер, что позволило решить задачу вимпедансном приближении, задаваясь эквивалентными граничными условиями наповерхностях электродов. Толщина ребер считалась бесконечно малой.Рисунок 1 – Отрезок замедляющей системы на основе коаксиальной ребристой линии.Для случая возбуждения в такой структуре аксиально – симметричной волныэлектрического типа, методом сшивания проводимостей электрического имагнитного типа получено дисперсионное уравнение:10 1I 1 (a ) I 0 (c )bct (ck1 , pk1 )k3k1  2 1K1 (c ) K 0 (c )bct (ck1 , pk1 ) K 1 (a ) k1  2k3I1 (c ) где bct(x,y) =3I 0 (a )bct (ak 3 , bk 3 )23K 0 (a )bct (ak 3 , bk 3 )2J1 ( x) N 0 ( y)  N1 ( x) J 0 ( y)– разностный котангенс,  – поперечнаяJ 0 ( x) N 0 ( y )  N 0 ( x) J 0 ( y )постоянная, связанная с волновым числом k и фазовой постоянной соотношением 2   2  k 2 , k    0 0 ,диэлектрическиепроницаемости1 ,  2 ,  3сред,заполняющих–относительныевнутренниеобластиструктуры.Проанализированы предельные частные случаи решения дисперсионногоуравнения, а также его решения в случаях относительно высоких и относительнонизких частот, имеющие практическое применение.С помощью программных средств MathCAD выполнено моделированиепараметровкоаксиальнойребристойлиниииполученызависимостикоэффициента замедления структуры от ее геометрических размеров (рисунок 2,а).

Показано, что в случае относительно низких частот, замедление волны вкоаксиальной ребристой линии определяется только отношением радиусовэлектродов и выточек в них.(а)(б)Рисунок 2 – Зависимости коэффициента замедления (а) и волнового сопротивления (б)коаксиальной ребристой линии от ее геометрических размеров.Методомэквивалентныхдлинныхлинийполученыаналитическиевыражения для расчета погонных параметров индуктивности и емкости11коаксиальной ребристой линии, получена формула для определения волнового0 b aln ln . Выполнен расчет волновогоp cсопротивления структуры: Z 0 12сопротивленияребристойкоаксиальнойлиниивзависимостиотеегеометрических параметров (рисунок 2, б). Из результатов расчета следует, чтопри сравнительно небольшом зазоре между электродами, равном 1,1…1,4,волновое сопротивлениесоставляет десятки Ом, а коэффициент замедленияпревышает 2…4, что позволяет в такое же число раз уменьшать продольныеразмеры элементов, изготовленных из отрезков коаксиальной ребристой линии.В третьем разделе проведен анализ взаимодействия электромагнитнойволны в замедляющей системе типа «металлический ребристый стержень» свнешним кольцевым потоком электронов (рисунок 3).

Найдены выражения дляэквивалентных параметров индуктивности и емкости структуры. В импедансномприближенииполучено«горячее»дисперсионноеуравнениедляслучаявозбуждения в такой замедляющей системе аксиально – симметричной волныэлектрического типа.Рисунок 3 – Дисперсионные характеристики (пунктирные кривые), полученные в видезависимостей коэффициента замедления от параметра kb, и характеристики коэффициентасвязи (сплошные кривые) при b/d=2 при изменении диэлектрической проницаемости ε.Нарисунке3показанырезультатымоделированиядисперсионныххарактеристик и коэффициента связи металлического ребристого стержня свнешним кольцевым потоком электронов в зависимости от геометрическихразмеров стержня и диэлектрических проницаемостей материала, заполняющего12пазы структуры, полученные с помощью программы MathCAD.

Из рассчитанныхкривых видно, что коэффициент связи является достаточно большим в широкомдиапазоне изменения произведения kb, пропорционального частоте.В четвертом разделе проведен анализ взаимодействия электромагнитнойволны в замедляющей системе типа «диафрагмированный волновод» сцилиндрическим потоком электронов. Найдены выражения для эквивалентныхпараметров индуктивности и емкости структуры.

В импедансном приближенииполучено «горячее» дисперсионное уравнение для случая возбуждения в такойзамедляющей системе аксиально – симметричной волны электрического типа.(а)(б)Рисунок 4 – Дисперсионные характеристики (а) и зависимости коэффициента связи (б)замедляющей системы типа «диафрагмированный волновод».На рисунке 4 показаны результаты решения дисперсионного уравнения,полученные численно в виде зависимостей коэффициента замедления (а) икоэффициента связи (б) от параметра kd, пропорционального частоте, для случаевd/a =2 и 3 (кривые 1 и 2 соответственно), где d – внутренний радиус волновода, а– радиус диафрагм.

Пунктирные кривые 1’ и 2’ рассчитаны аналитически. Изполученныхзависимостейследует,чтокоэффициентсвязидостигаетмаксимального значения на относительно низких частотах при коэффициентезамедления близком к единице. При этом коэффициент связи превышает единицуво всем рабочем диапазоне частот и равен единице на границе высокочастотнойотсечки. Полученные зависимости и параметры могут быть использованы приоценке максимально достижимых параметров мощных ЛБВ.В пятом разделе проведен анализ физических и конструктивных параметроваксиально-симметричных и планарных замедляющих систем, сформулированы13наиболее важные особенности, дающие возможность обеспечить эффективноеприменение таких электродинамических структур в качестве излучателей иэлектродов для микроволновой термотерапии, в том числе для лечениязаболеваний предстательной железы с использованием терапевтического методатрансуретральной микроволновой термотерапии (ТУМТ).Компенсировать недостатки спиральных электродов и излучателей удается,заменивспиральныйпроводникребристымстержнемвазимутальнонеоднородном экране.

На рисунке 5 показан вариант выполнения такогоэлектрода с конструкцией внешнего экрана в виде цилиндра с продольнымщелевым разрезом, угол раскрыва которого равномерно увеличивается от нуля состороны коаксиального ввода до угла 180-3600 на рабочем конце излучателя.Рисунок 5 – Вариант внутриполостного излучателя для урологии.Наличие щелевого разреза у внешнего проводника приводит к ростуволнового сопротивления излучателя с увеличением углового размера щели.

Приэтом равномерное увеличение угла раскрыва позволяет обеспечить плавноеизменение волнового сопротивления излучателя, что с учетом поглощения волныв тканях тела обеспечивает его хорошее согласование с генератором. Посколькувнешний проводник оказывает экранирующее действие, интенсивность излучениянеравномерна по окружности и длине излучателя. Вне зависимости от величиныуглового размера продольной щели, интенсивность излучения максимальна вплоскости симметрии, проходящей через ее середину. Это позволяет, выбираязакон изменения размера щели, получать требуемое распределение интенсивностиэлектромагнитного поля, как по окружности, так и по длине излучателя.С помощью программных средств Ansoft HFSS v.12 и CST Microwave Studio2011 выполнено компьютерное моделирование:14характеристик металлического ребристого стержня, включая распределенияэлектрического и магнитного полей вблизи его поверхности, а также диаграммнаправленности, позволивших установить, что пространственная характеристикаизлучения обладает симметрией вращения и имеет конусообразную форму срадиальным направлением вектора электрического поля (рисунок 6);Рисунок 6 – 3D и 2D диаграммы направленности ребристого стержня на частоте 2450МГц.диаграмм направленности, в виде пространственных кардиоид, дляребристого стержня в азимутально неоднородном экране с одним щелевымразрезом, в воздушном пространстве с ε = 1,0 и диэлектрической среде,моделирующей биоткани предстательной железы с эффективным ε = 5,6,позволивших оценить влияние угловой величины щелевого разреза, а также уголповорота конуса интенсивности излучения (рисунок 7);Рисунок 7 – Диаграммы направленности электрода с одним щелевым разрезом 50 на частоте2450МГц.диаграммнаправленностидляребристогостержнявазимутальнонеоднородном экране с двумя и четырьмя щелевыми разрезами, позволивших15установить вращательный характер конуса излучения с поворотом на 90 0 вгоризонтальной плоскости, и оценить интенсивность излучения при изменениичисла щелевых разрезов (рисунок 8).Рисунок 8 – Диаграммы направленности электрода с 4-я щелевыми разрезами 50 на частоте2000МГц.Экспериментальные измерения S – параметров изготовленных макетовэлектродов на основе ребристого стержня с изотропным экраном и азимутальнонеоднородными экранами с одним, двумя и четырьмя щелевыми разрезамивыполнены на базе векторного анализатора цепей ZVB 4 компании Rohde &Schwarz.

Характеристики

Список файлов диссертации