Диссертация (1137125), страница 12
Текст из файла (страница 12)
– Модель ребристого стержняв программе Ansoft HFSS v.12.Порты, установленные программой на торцах ребристого стержня,обеспечивали волновое сопротивление 50 Ом, требуемое для согласования скоаксиальной линией, осуществляющей возбуждение колебаний в исследуемоймодели (рисунок 5.2.3).Рисунок 5.2.3. – Согласование портов модели ребристого стержняДалее осуществлено программное разбиение модели ребристого стержня позаданной длине сеткой из порядка 800 тетраэдров, что позволило достичьнеобходимого качества последующего расчета электромагнитного поля покаждому элементу и последующему «сшиванию» результатов.
Также проведеноавтоматическое уплотнение сетки разбиения на портах для более точного расчетаполя (рисунок 5.2.4.).87Рисунок 5.2.4. – Разбиение модели ребристого стержня сеткой тетраэдров.Полученные результаты компьютерного моделирования приведены в видераспределений магнитного (рис.5.2.5) и электрического (рис.5.2.6) полей вблизиповерхностиребристогодемонстрируютснижениестержня.излученияРассчитанныевзависимостиазимутальномнагляднонаправлении,чтообеспечивает возможность эффективного локального облучения определенногоучастка тела пациента [100 - 102].Рисунок 5.2.5. - Распределение магнитного поля вблизи поверхности ребристогостержня.Рисунок 5.2.6.
- Распределение электрического поля вблизи поверхности ребристогостержня.88Компьютерноемоделированиедиаграммнаправленностиребристогостержня без экрана выполнено с помощью программных средств CST MicrowaveStudio 2011. Внешний вид модели излучателя представлен на рисунке 5.2.7.Рис. 5.2.7. – Внешний вид модели излучателя без экрана в программе CST MicrowaveStudio 2011.Для возбуждения электромагнитных колебаний типа Е11 в ребристомстержне также использована коаксиальная линия.
Полученное излучение обладаетсимметрией вращения. Пространственная характеристика излучения имеетконусообразную форму с радиальным направлением вектора электрического поля(рисунок 5.2.5).Рисунок 5.2.5. – 3D-диаграмма направленности ребристого стержня на частоте 2450МГц.На рисунке 5.2.6 представлена рассчитанная диаграмма направленностиребристого стержня без экрана на частоте 2450 МГц, подтверждающаявозможность обеспечения интенсивного поперечного излучения [103].89Рисунок 5.2.6.
- Диаграмма направленности ребристого стержняна частоте 2450 МГц.Зависимость КСВН модели в диапазоне 1000 – 4000 МГц показана нарисунке 5.2.7. На частоте 2450 МГц значение КСВН не превышает 1,5.Рисунок 5.2.7. - Зависимость КСВН от частоты для модели ребристого стержня.На основании полученных результатов моделирования следует отметить,что выбором соответствующих размеров ребристого стержня могут бытьполучены достаточно высокие коэффициенты замедления при заданном волновомсопротивлении, а значит, достигнута достаточно высокая направленность.
Приэтом габаритные размеры такого электрода будут значительно меньше рабочейдлины волны.5.2.2 Компьютерное моделирование характеристик ребристого стержня вазимутально неоднородном экране с одним щелевым разрезомПомещение ребристого стержня с азимутально неоднородный экранпозволяет обеспечить сужение области воздействия энергии микроволнового90электромагнитного поля и ее фокусирование в заданной локальной области.
Приэтом другие биоткани, окружающие электрод, не облучаются.Для проведения локального воздействия на предстательную железу припроцедуре ТУМТ предложен электрод на основе ребристого стержня скоаксиальным экраном в виде цилиндра с одним щелевым разрезом.Продольный разрез модели такого электрода в программе CST MicrowaveStudio 2011 показан на рисунке 5.2.8.Рисунок 5.2.8. – Продольный разрез модели электрода с щелевым разрезом.На рисунках 5.2.9 – 5.2.11 представлены диаграммы направленностиэлектрода в горизонтальной (слева) и вертикальной (справа) плоскостях приизменении углового размера щели 50, 100 и 220 на частоте 2450 МГц.
Изполученных зависимостей видно, что узкая щель позволяет получить болеенаправленное и интенсивное излучение. Однако в горизонтальной плоскости прищели 50 возникает обратный лепесток. При угловых щелях 100 и 220 диаграмманаправленности в горизонтальной плоскости расширяется и представляет собойнемного искаженную кардиоиду, при этом обратный лепесток исчезает.
Ввертикальной плоскости угловой размер щели незначительно влияет надиаграмму направленности, которая имеет вид кардиоиды, расширяющейся с егоувеличением.Следует также отметить, что поскольку пространственная характеристикаизлучения электрода обладает симметрией вращения, то при увеличении углового91размера щели с 50 до 220, наблюдается поворот конуса интенсивности излучениякак в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях.Особый интерес представляет анализ диаграмм направленности электродапри его помещении в диэлектрическую среду. В ряде работ приводятся значенияотносительной диэлектрической проницаемости различных биотканей [13, 81-84].Предстательная железа представляет собой плотное образование, размерами иформой напоминающее каштан.
Она окружена капсулой из соединительной ткании весит около 20 г. Примерно половину объема предстательной железы занимают30–50мелкихжелезок,образующихклинообразныедольки.Последниеоткрываются в небольшие выводные протоки, которые, сливаясь, образуют 20–30более крупных протоков, впадающих в уретру. Остальной объем железыраспределен примерно поровну между гладкими мышцами и соединительнойтканью.Этопозволяетдопуститьэффективноезначениеотносительнойдиэлектрической проницаемости предстательной железы примерно как 5,6.Рисунок 5.2.9.
– Диаграммы направленности электрода с щелевым разрезом 50 начастоте 2450 МГц.92Рисунок 5.2.10. – Диаграммы направленности электрода с щелевым разрезом 100 начастоте 2450 МГц.Рисунок 5.2.11. – Диаграммы направленности электрода с щелевым разрезом 220 начастоте 2450 МГц.9350 , ε=5,650 , ε=1100 , ε=5,6100 , ε=1220 , ε=5,6220 , ε=1Рисунок 5.2.12. – Сравнение диаграмм направленности электрода в горизонтальнойплоскости при его помещении в диэлектрическую среду сε = 5,6(слева) и ε = 1(справа) и изменении угла щелевого разреза.9450 , ε=5,650 , ε=1100 , ε=5,6100 , ε=1220 , ε=5,6220 , ε=1Рисунок 5.2.13.
– Сравнение диаграмм направленности электрода в вертикальнойплоскости при его помещении в диэлектрическую среду сε = 5,6(слева) и ε = 1(справа) и изменении угла щелевого разреза.95Результатыкомпьютерногомоделированияввидедиаграммнаправленности электрода при его помещении в диэлектрическую среду сэффективным ε = 5,6 и воздушное пространство с ε = 1, в горизонтальной ивертикальной плоскостях и изменении угла щелевого разреза 50, 100 и 220 начастоте 2450МГц, представлены на рисунках 5.2.12 и 5.2.13 соответственно.Анализ полученных зависимостей в горизонтальной плоскости показываетсужениедиаграммнаправленностидляэлектрода,помещенноговдиэлектрическую среду, вызванное затуханием электромагнитного поля.
В этомслучае наблюдается рост излучения обратного лепестка при узких щелях 5 0 и 100.Для щели в 220 диаграмма направленности становится шире и ее обратныйлепесток практически исчезает.В вертикальной плоскости сохраняется «кардиоидный» характер диаграммнаправленностиитакжеихсужениеприпомещенииэлектродавдиэлектрическую среду.
В случае узкой щели 50 сохраняется минимальныйобратный лепесток излучения, исчезающий при расширении щели до 100 и 220.Отметим также, что при сравнении диаграмм направленностей электрода вдиэлектрической среде с эффективным ε = 5,6, в горизонтальной и вертикальнойплоскостях,сувеличениемугловогоразмеращели,поворотаконусаинтенсивности излучения, наблюдаемого в воздушной среде с ε = 1, практическине происходит.
Этот эффект может объясняться согласующим свойствомдиэлектрической среды, при котором скачок волнового сопротивления на границераздела с оптически плотной средой становится меньше, чем на границе раздела своздушным пространством.5.2.3 Компьютерное моделирование характеристик ребристого стержня вазимутально неоднородном экране с двумя и четырьмя щелевыми разрезамиКроме процедур ТУМТ, где используется микроволновая трансуретральнаясистемалеченияаденомыпростаты(доброкачественнойгиперплазиипредстательной железы) и простатита в амбулаторных условиях, исследуемаяконструкция электрода на основе ребристого стержня с различными типами96неоднородных экранов может быть использована также и для биомедицинскойдиагностики, например, во фтизиатрии, изучающей причины возникновения,закономерностираспространенияимеханизмыразвития туберкулеза,ипульмонологии, изучающей вопросы возникновения, диагностики и лечениязаболеваний легких и дыхательных путей [104].
В этом случае представляетинтерес применение ребристого стержня, коаксиально расположенного вазимутально неоднородном экране с симметрично расположенными двумя ичетырьмя щелевыми разрезами.Модель электрода с двумя щелевыми разрезами в программе CSTMicrowave Studio 2011 показана на рисунке 5.2.14. Габаритные размерыребристого стержня не менялись, угловой размер щели варьировался. Посколькуналичие щелей привело к изменению реактивных погонных параметровэлектрода, его рабочая частота снизилась до 2100 МГц при КСВН = 1,47.Рисунок 5.2.14. – Внешний вид модели ребристого стержня в экране с двумя щелевымиразрезами.Результаты компьютерного моделирования диаграмм направленностиэлектрода при изменении углового размера щелей (80, 130 и 180) в горизонтальной(слева) и вертикальной (справа) плоскостях, представлены на рисунке 5.2.15.Необходимо отдельно отметить, что как следует из анализа представленныхдиаграмм направленности для ребристого стержня в азимутально неоднородномэкране с двумя щелевыми разрезами, наблюдается вращательный характер конусаизлучения с поворотом на 900 в горизонтальной плоскости.978080130130180180Рисунок 5.2.15.
– Сравнение диаграмм направленности электрода при изменении угладвух симметричных щелевых разрезов.98На рисунке 5.2.16 представлена 3D – диаграмма направленности электрода сдвумя щелевыми разрезами по 180. Видно, что полученное излучение обладаетсимметрией вращения. Пространственная характеристика излучения имеетконусообразную форму с радиальным направлением вектора электрическогополя.Рисунок 5.2.16. – 3D - диаграмма направленности электрода с двумя щелевымиразрезами на частоте 2100 МГц.Сравнительныйанализполученныххарактеристикнаправленностипоказывает вращательный характер конуса излучения с поворотом на 90 0 вгоризонтальной плоскости при щелях в 130 и 180, и симметричные искажениядиаграммы при узких щелях 80.Ввертикальнойплоскостидиаграммынаправленностиэлектроданезначительно меняются по интенсивности, сохраняя форму излучения приизменении углового размера щелей.Рассматривая ребристый стержень с большим числом щелей, напримерчетырьмя, получены результаты, также как и в случае двух щелевых разрезовэкрана:излучениеимеетсимметриювращения,авпространстве–конусообразную форму с радиальным направлением вектора электрическогополя.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
