CC BY
106
НТП И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОИЗВОДСТВА УДК 632.315
Думанский Александр Васильевич, ассистент кафедры механизации и электрофикации сельскохозяйственного производства
Подольский государственный аграрно- технический университет, ул. Шевченко, 13, г. Каменец- Подольский, Хмельницкая обл., Украина, 32300
АНАЛИТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ГОФРИРОВАННОГО КОНИЧЕСКОГО РУПОРА ДЛЯ ЛЕЧЕНИЯ
ЭНДОМЕТРИТА ЖИВОТНЫХ
Проведены теоретические исследования по определению геометрических параметров и диаграммы направленности гофрированного конического рупора миллиметрового диапазона длин волн для внутриутробного лечения эндометрита животных крупного рогатого скота.
Ключевые слова: эндометрит, внутриутробное лечение, гофрированный конический рупор, электромагнитное излучение.
Думанський Олександр Васильович, асистент кафедры механізації і електрофікації сільскогоспорського виробнитства
Подільский державний аграрно-технічний університет, вул. Шевченко, 13, м. Кам‘янець-Подільский, Хмельницка обл., Україна, 32300
АНАЛІТИЧНИЙ АНАЛІЗ ГОФРОВАНОГО КОНІЧНОГО РУПОРА ДЛЯ ЛІКУВАННЯ
ЕНДОМЕТРІТА ТВАРИН
Проведені теоретичні дослідження з виявлення геометричних параметрів і діаграми напрямку гофрованого конічного рупора міліметрового діапазону довжини хвиль для внутрішнього лікування дорметіту великої рогатої худоби.
Ключові слова: ендометрит, внутрішньоутробне лікування, гофрований конічний рупор, електромагнітне випромінювання.
Dumanskiy Aleksandr Vasilevich, Assistant of the Chair of Agricultural Mechanization and Electrification Podolsk State Agrarian Technical University, , Shevchenko st. 13, Kamenets-Podolskiy, Khmelnitskaiy obl.,
Ukrain, 32300
ANALYTICAL ANALYSIS OF CORRUGATED CONICAL HORN FOR TREATMENT OF
ENDOMETRITIS IN ANIMALS
The paper presents a theoretical research to determine geometrical parameters and directions diagram of the corrugated conical horn in millimeter rage of wave lengths for internal treatment of endometritis in cattle.
Key words: endometritis, prenatal treatment, corrugated conical horn, electromagnetic radiation.
Введение
По данным литературных источников послеродовым эндометритом переболевают от 14 до 40 % растелившихся коров, а отдельных хозяйствах это заболевание может регистрироваться у 50-90 % коров. Заболевание коров эндометритом влечет за собой снижение оплодотворяемости коров на 17-40 %, увеличение от отела до плодотворного осеменения на 40...60 дней, уменьшения выхода приплода и молочной продуктивности на 12-18 % [1].
В современных условиях для лечения эндометрита животных используются антибиотики, гормоны и другие химические препараты. Антибиотики и другие медикаменты, попадая в организм человека через молоко и мясо коров, угнетают
иммунитет, поражают печень и другие органы, что приводит к различным заболеваниям. Поэтому возникла практическая необходимость изучить возможность применения микроволнового излучения для лечения патологий матки КРС.
Анализ предшествующих исследований
Апробированные, экологически чистые, безмедикаментозные методы лечения
гинекологических болезней с применением различных физических методов, в частности метода квантовой терапии [2], дают возможность сократить сроки лечения, снизить экономические затраты и избежать накопления в продуктах животноводства остаточных
66
№8 (126) 2014 ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ • ЭНЕРГЕТИКА • ЭНЕРГОАУДИТ
НТП И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОИЗВОДСТВА
количеств антибиотиков, представляющих опасность для здоровья людей.. Однако, учитывая длину волны лазерного излучения, и то, что сам излучающая система помещается в предохранительную оболочку при проведении обработки коровы, результаты обработки могут быть менее эффективны.
Основным элементом конструкции антенны является излучатель, который должен сформировать необходимую диаграмму направленности и обеспечить достаточный уровень мощности на поверхности матки коровы для эффективного лечения.
На сегодняшний день в миллиметровом диапазоне длин волн широко применяются различные типы антенн: рупорные, зеркальные, диэлектрические, фазированные антенные решетки, антенны поверхностных волн [3]. Учитывая, что основная частота на которой проводится облучение матки животного составляет 30 ГГц и условия, в которых такой излучатель будет применяться, то естественно возникает необходимость остановить выбор на гофрированной конической системе.
Цель статьи. Теоретическое обоснование параметров и диаграммы направленности гофрированной конической антенной системы для внутриутробного лечения эндометрита животных .
Изложение основного материала
Схема конструкции гофрированного конического рупора приведена на рис.1.
Такого типа облучатели обеспечивают осесимметричную и узкую диаграмму направленности . При проведении всех расчетов мы считаем, что в излучающем раскрыве распространяется гибридная сферическая волна НЕп (см. рис. 1). Кроме того, распределение поля этой волны в раскрыве круглого гофрированного облучателя должно быть синфазным. Как показано в работе [4], оптимальная длина круглого раскрыва, соответствующая фазовым искажениям на краю порядка 0,2^, находится из выражения
R=(2a f /3Л0 . (1)
С учетом результатов работы [5] выбираем диаметр раскрыва 2а =25 мм. Тогда из уравнения (1) получим, что оптимальная длина рассматриваемого излучателя R (см. рис.1)
№8 (126) 2014 ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ • ЭНЕРГЕТИКА • ЭНЕРГОАУДИТ
67
НТП И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОИЗВОДСТВА
от фазового центра до апертуры равна ~21 мм. Следовательно, угол раскрыва облучателя
можем определить как 201 — arctg(12,5^21)— 61,6 . В этом случае (15 < 2в1 < 70°), как
показано в работе [6], для анализа гофрированного конического облучателя необходимо использовать предложенную методику.
В сферической системе координат для основной гибридной сферической волны типа НЕ11 составляющие электрического поля Ев и Eр в дальней зоне гофрированного
конического облучателя диаметром 2а определяются выражениями [6]
Ев — {Fr (0,)+jF (e')}cos(p'), (2)
E¥—~{Fr (в’> jF, (0)}sin (р). (3)
Параметры Fr (в) и F (в) , входящие в соотношения (2), (3), имеют вид
Fr (в)— І ^(врг (0,0)0
-в
(4)
F , (в')— І fl (вр, (в,в'рв.
(5)
-в
В свою очередь, параметры, входящие в уравнения (4) и (5), определяются выражениями [6]
f 1 (в) — pv (cos в)+dpy (cos в)
sin в
йв
(6)
f 1 (в) Py (cos в) _ dPу (cos в)
f"=(в)——йв ’
(7)
Gr (в,в) — { + cos{ + cos 0')sin в cos(a cos в)/0 (j3 sin в)}-
-{(1 - cos0)(1 - cos( в)sin в cos(a cos в/2 (3 sin в)}- (8)
- {2 sin в' sin2 в sin (a cos в)/1 (/3 sin в)},
G . (в, в') — {(1 + cos в)(1 + cos в'] )sin в sin (a cos в)/0 (3 sin в)}-
- {(1 - cos в)(1 - cos в' ) sin в sin (a cos в)/2 (3 sin в)}- (9)
+ ^тв'sin2 в cos(a cos в)/ (j3 sin в)}.
В выражениях (6) и (7) PУ (cos в) - присоединенная функция Лежандра первого рода. При этом, как показано в работе [6], при изменении угла раскрыва конического
68
№8 (126) 2014 ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ • ЭНЕРГЕТИКА • ЭНЕРГОАУДИТ
НТП И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОИЗВОДСТВА
гофрированного облучателя в диапазоне 7 ° < °1 < 82° параметр V можно найти из выражения
V = 2,45 - 0,012°,. (10)
sin 0,
Входящие в уравнения (8) и (9) параметры О и Р определяются из соотношений
а = kacosO', Р =kasinO’. (11)
Здесь необходимо отметить, что угол °1 - это угол раскрыва конического гофрированного облучателя (см. рис. 1), который изменяется от -30,8° до 30,8°. Угол 0' изменяется от — ж/2 до ж/2 . Если теперь положим р' = 0, то уравнение, определяющее
диаграмму направленности конического гофрированного облучателя в плоскости вектора H гибридной сферической волны НЕп будет иметь вид
E = ex E° cos °'+ey Еф —ez E° sin °. (12)
Если угол p' = ж 12, то можно построить диаграмму направленности конического
гофрированного облучателя в плоскости вектора E гибридной сферической волны НЕц. В этом случае уравнение, определяющее диаграмму направленности, имеет вид
E=—ex Ep +ey Е° cos °'-ez E° sin O'. (13)
После подстановки выражений (2)^(11) в соотношения (12) и (13) мы получим в окончательном виде уравнения, описывающие диаграмму направленности конического гофрированного облучателя. Поскольку эти выражения получаются очень громоздкими, мы их здесь не приводим. Результаты расчета с помощью выражений (12) и (13) для облучателя диаметром 25 мм представлены на рис. 2.
Из приведенного рисунка видно, что по уровню -3 дБ при расстоянии от раскрыва, равном, как и во всех предыдущих случаях, 180 мм ширина диаграммы направленности равна ~ 30 мм в плоскости х0z (^-плоскость) и ~ 33 мм в плоскости y0z (Е-плоскость).
Таким образом, в случае конического гофрированного облучателя мы получили аксиальносимметричную диаграмму направленности. При этом ее ширина стала почти в два раза уже диаграммы направленности круглого гофрированного раскрыва.
Здесь необходимо отметить, что дальняя зона для облучателя диаметром 25 мм начинается с расстояния от раскрыва, равного 125 мм. В этом случае для рассматриваемого облучателя ширина диаграммы направленности по уровню -3 дБ составляет ~ 21 мм в
плоскости х0 z (Н-плоскость) и ~ 23 мм в плоскости y0z (Е-плоскость). Полученные
значения ширины диаграммы направленности в двух взаимно перпендикулярных плоскостях являются приемлемыми для использования конического гофрированного облучателя в качестве излучающего конического рупора для внутриутробного лечения послеродовых эндометритов у коров.
Теперь определим основные параметры гофры (см. рис. 2). Как показано в работе [7], условия оптимального возбуждения в коническом гофрированном облучателе гибридной сферической волны НЕ11 обеспечиваются при условиях
h>^/4, c>4/8, b>4/8. (14)
С учетом того, что 4) =10 мм, из (14) получим основные геометрические параметры
гофры: h=2,5 мм, С=1,25 мм, b=1,25 мм (см. рис. 1). Наш гофрированный конический
№8 (126) 2014 ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ • ЭНЕРГЕТИКА • ЭНЕРГОАУДИТ
69
НТП И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОИЗВОДСТВА
облучатель запитывается круглым волноводом, который должен быть одномодовым, и в котором распространяется основная волна ТЕ11. Поэтому будем исходить из следующих
соображений.
Рис. 2. Диаграммы направленности конического гофрированного облучателя, построенные в плоскостях векторов H и E гибридной сферической волны НЕ11 для гофрированного конического облучателя при диаметре раскрыва, равном 25 мм
Критическая длина волны ТЕ11 равна 3,41<Гі [8], где - радиус подводящего круглого
волновода. Начиная с длины волны Л = 2,62^ [8] в волноводе одновременно с волной ТЕ11
будет существовать первая высшая волна круглого волновода ТМ01. Поэтому, чтобы по рассматриваемому круглому волноводу распространялась только основная волноводная волна ТЕ11, его радиус надо выбирать из условия
2,62 а1 <Л< 3,41 а1. (15)
Для выбранной нами частоты f = 30 ГГц (Л = 10 мм) радиус круглого волновода определяется следующим неравенством
2,93 мм <а1 <3,81 мм. (16)
При дальнейшем анализе на основании сказанного выбираем а=3,5 мм, т.е. диаметр круглого волновода равен 7 мм.
Выводы
Для внутриутробного лечения эндометрита животных КРС следует использовать круглую коническую гофрированную антенну с диаметром 25мм на частоте 30ГГц.
Список литературы
1. Нагорный И. С. Лечение болезни матки у коров/ И. С . Нагорный // Ветеринария - 1979. -
№ 4. - С.5 3-54.
70
№8 (126) 2014 ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ • ЭНЕРГЕТИКА • ЭНЕРГОАУДИТ
НТП И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОИЗВОДСТВА
2. Казеев Г. В. Квантовая терапия послеродовых эндометритов у коров с помощью специализированного гинекологического излучающего терминала-насадки / Г. В. Казеев, А. В. Старченкова, Г. В. Ильина, В .Н. Христофоров / Сборник трудов по ветеринарии. -
3. Кюн Р. Микроволновые антенны / Р. Кюн; пер. с нем. под ред. М. П. Долуханова. - Л. : Судостроение, 1967. - 520 с.
4. Справочник по специальным функциям с формулами, графиками и математическими таблицами / Под
ред. М. Абрамовица и И. Стигана. Пер. 5. 5. Сазонов Д. М. Антенны и устройства СВЧ / Д. М. Сазонов. - М.:
Высшая школа, 1988. - 432 с.
6. Вольман В. И. Техническая электродинамика / В. И. Вольман, Ю. В. Пименов; под ред. Б. З.
Айзенберга. - М.: Связь, 1971. - 488.
7. Драбкин А. Л. Антенно-фидерные устройства / А. Л. Драбкин, В. Л. Зузенко, А. Г. Кислов. - М.: Сов. радио, 1974. - 536 с.
8. Фрадин А. З. Антенны сверхвысоких частот / А. З. Фрадин. - М.: Сов. радио, 1957. - 646 с.
References
1. Nagornyy, I.S. (1979), "Treatment of womb disease in cows" ["Lechenie bolezni matki u korov"], Veterinariya, No. 4, P. 53-54.
2. Kazeev, G.V. "Quantum therapy of puerperal endometritis in cows using specialized gynecological radiating head terminal", Collection of works in Veterinary ["Kvantovaya terapiya poslerodovykh endometritov u korov s pomoshyu spetsializirovannogo ginekologicheskogo izluchayushchego terminala-nasadki", Sbornik trudov po veterinarii].
3. Kyun, R., Dolukhanov, M.P. (ed) (1967), Microwave antennas. Transl. from German [Mikrovolnovye antenny. per. s nem.], Sudostroenie, Leningrad, 520 p.
4. Abramovits M. (ed), Stigan, I. (ed), Reference book on special functions with charts and mathematical tables [Spravochnykpo spetsialnym funktsiyam s formulami, grafikami i matematicheskimi tablitsami], per. 5.
5. Sazonov, D.M. (1988), Antennas and SHF devices [Antenny i ustroystva SVCh], Vysshaya Shkola, Moscow,
432 p.
7. Drabkin, A.L., Zuzenko, V.L., Kislov, A.G. (1974), Antenna and feeder devices[Antenno-fidernye ustroystva], Sov. radio, Moscow, 536 p.
8. Fradin A.Z. (1957), Super high frequency antennas [Antenny sverkhvysokikh chastot], Sov. radio, Moscow,
646 p.
Поступила в редакцию 18.06 2014 г.
№8 (126) 2014 ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ • ЭНЕРГЕТИКА • ЭНЕРГОАУДИТ
71
