CC BY
19
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАМЕДЛЯЮЩЕЙ СИСТЕМЫ
ТИПА "РЕБРИСТЫЙ СТЕРЖЕНЬ В АЗИМУТАЛЬНО-НЕОДНОРОДНОМ ЭКРАНЕ"
Елизаров Андрей Альбертович,
д.т.н., профессор, Национальный исследовательский университет "Высшая школа экономики", Департамент электронной инженерии, Москва, Россия, a.yelizarov@hse.ru
Шаймарданов Руслан Варисович,
аспирант, Национальный исследовательский университет "Высшая школа экономики", Департамент электронной инженерии, Москва, Россия, ruslan.shaymardanov@bk.ru
Пчельников Юрий Никитич,
д.т.н., профессор, SloWaves, Inc. Cary, NC, США, yupchel@gmail.com
Каравашкина Валентина Николаевна, „ -,
г ' Ключевые слова: замедляющая система,
к.тн доцент Московский технический университет связи ребристый стержень, дисперсионная
и информатики ^скаа Россия box2807@mail.ru характеристика, азимутально-неоднородный экран.
Одним из перспективных направлений применения замедляющих систем, и в частности, коаксиальной линии с ребристыми электродами [1], является возможность ее использования в биологии и медицине в качестве электрода-излучателя для радиочастотной и микроволновой физиотерапии [2-5]. Основными достоинствами такой замедляющей системы являются азимутальная однородность формируемого электромагнитного поля, малая дисперсия и широкополосность, с возможностью их коррекции, а также способность рассеивать большие мощности по сравнению со спиральными структурами [6-10]. Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований замедляющей системы, представляющей собой ребристый металлический стержень с конструкцией внешнего экрана в виде цилиндра с одним или несколькими продольными щелевыми разрезами, угловой раскрыв которых равномерно увеличивается по длине. С помощью программных средств CST Microwave Studio 2011 выполнено компьютерное моделирование диаграмм направленности исследуемой системы, позволившее установить, что пространственная характеристика излучения обладает симметрией вращения и имеет конусообразную форму с радиальным направлением вектора электрического поля. Выполнена оценка влияния угловой величины щелевых разрезов, а также угла поворота конуса интенсивности излучения. Получены зависимости модуля коэффициента отражения SII и коэффициента стоячей волны напряжения, на основании которых рассчитаны дисперсионные характеристики замедляющей системы. Показано, что наличие одного или более щелевых разрезов в азимутально неоднородном экране не вызывает существенного изменения дисперсионных свойств исследуемой замедляющей системы.
Для цитирования:
Елизаров А.А., Шаймарданов Р.В., Пчельников Ю.Н., Каравашкина В.Н. Исследование замедляющей системы типа "ребристый стержень в азимутально-неоднородном экране" // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. - 2016. - Том 10. - №7. - С. 3-12.
For citation:
Yelizarov А.А., Shaymardanov R.V., Pchelnikov Yu.N., Karavashkina V.N. Investigation of slow-wave system type "ribbed rod in azimuthally non-regular screen". T-Comm. 2016. Vol. 10. No.7, рр. 3-12. (in Russian)
Trcl-SE dBMaq RstOtfB (Ms 1
т ни •мг 75 ЯШ 2.07307! MHz -2 GHz -2 .335 dB 416 dB
мз тттг. BHi -1 .Mjdfcl
Л ... M3
\ Л/ ' -
т 4 t
Ctll Slat ISOkH! FwOdBm Stop 3GHZ
<8>
Tin l --ЗИ SWR 1U/ Ret 1U Ons 1
Рис. 16. Зависимости модуля коэффициента отражения (слева) и КСВН (справа) для ребристого стержня в изотропном экране
Из полученных характеристик видно, что в исследуемом диапазоне присутствуют три резонансные частоты 875,5; 2072 и 2772 МГц при КСВН не хуже 1,65.
Результаты измерений параметра Бц и КСВН для макета ребристого стержня в азимуталыю неоднородном экране с одним щелевым разрезом 10° и 22й представлены на рис. 17 и 18 соответственно. Из полученных зависимостей следует, что при наличии в экране щели в 10° резонансный характер зависимостей практически не меняется при сохранении значений резонансных частот. При этом КСВН на частоте 2772МГц становится равным 1,39. При увеличении углового размера щели до 22*' изменяются реактивные погонные параметры макета, что приводит к некоторому уменьшению резонансных частот. При этом КСВН остается не хуже 1,69.
Полученные результаты измерений модуля коэффициента отражения 8у и коэффициента стоячей волны напряжения (КСВН) для макета ребристого стержня в азимутально неоднородном экране с двумя и четырьмя щелевыми разрезами представлены на рис. 19 и 20.
Ф
Tit 1-аЦ ПВ Msg 10 (Я / ReiO dB Otis 1
SO Ml ( M2 75.5000i 2 12207; MHz -11 GH: -2 l910dB 1943 dB
\ / V
> F
cm star 150жг PtnDtsn stop 3Gm
<s>
Trcl.-НИ :.WB 1U/Ref 1 U 0№ 1
ЗШ M 1 M 2 S75500C 212207 3 MHz 5 GHz тгзз и 1083 и
•M3 277207 5 GHz 3S9D U
I . ^ Л
V / \
Cm Stan ISOккг Pwr DdBm Stop 3GHz
Рис. 17, Зависимости модуля коэффициента отражения (слева) и КСВН (справа) для ребристого стержня в азимутально неоднородном экране с щелевым разрезом 10"
Анализ измеренных характеристик параметра Sn показывает, что увеличение количества щелевых разрезов в экране приводит к появлению новых резонансных минимумов и снижению резонансных частот, что может быть связано с наличием колебаний высших типов волн. КСВН при этом остается не хуже 1,65-1,68,
Из-за отсутствия азимутальных токов, наличие щелевых разрезов в экране электрода приводит к тому, что эквивалентная погонная индуктивность практически не изменяется, а увеличение количества щелей и их угловою размера сопровождается уменьшением эквивалентной погонной емкости. В результате фазовая скорость волны увеличивается при приближении к концу электрода, что также приводит к увеличению угла излучения в продольном направлении. С ростом частоты электромагнитное поле сильнее концентрируется вблизи ребер стержня и зависимость эквивалентной погонной емкости от углового размера щелей становится меньше.
Тле;--ВЦ :3Mag WdB/RetOdB Offs 1
Trcl-т 3WR 1 и/ Ral 1 и Offs 1
Рис. 18. Зависимости модуля коэффициента отражения (слева) и КСВН (справа) для ребристого стержня в азимутально неоднородном экране с щелевым разрезом 22°
По измеренным характеристикам модуля коэффициента отражения Sn {рис. 16-20) рассчитаны дисперсионные характеристики макета ребристого стержня с изотропным и азимутально неоднородным экраном, представленные на рис.21 [108, 1091.
Сплошные кривые на рис.21 демонстрируют зависимость коэффициента замедления от частоты для ребристого стержня в изотропном металлическом экране и экранах с одним, двумя и четырьмя щелевыми разрезами. Пунктирная кривая рассчитана аналитически в предположении, что ребристый стержень центрируется в экране с помощью диэлектрической втулки с относительной диэлектрической проницаемостью е = 3, которая использовалась в эксперименте (рис. 15).
Ф
Trc1-аи :ЗМэд 10de/ ReíOdB Offs i
т MI Í мг 70.000М 2Л44Ж мнг -2 GHZ -2 1002 «В ;09е«в
•мз ттшт GHZ -4 ■ SOÜtffi
Л / л* ^_
№ л / ч
1 f
СМ Starl 100MHz Pw OdBm Stop 3G№
<8>
Trcl-ЗИ sWR 1U/Ref 1 U Ofls 1
Рис, 19, Зависимости модуля коэффициента отражения (слева) и КСВН (справа) для ребристого стержня в азимутально неоднородном экране с двумя щелевыми разрезами 13°
Из анализа дисперсионных характеристик следует, что значения коэффициента замедления усредняются по длине электрода. При этом дисперсия практически не изменяется в широком диапазоне частот. Видно также, что, несмотря на очевидное уменьшение эквивалентной погонной емкости, вызванное увеличением количества щелей и их углового размера, коэффициент замедления уменьшается незначительно, В некотором приближении это можно объяснить двумя причинами. Во-первых, большая часть эквивалентной погонной емкости определяется величиной замедления ребристого стержня и мало зависит от типа экрана. А во-вторых, уменьшающаяся величина эквивалентной погонной емкости, определяемая количеством щелей экрана и их угловой величиной, частично компенсируется увеличением эквивалентной погонной индуктивности.
ф
Trtl-@£И 3Mag 10dBf FlerOdB Olfs 1
ф
Tfd-Ш| SWR 1 L/ Ret1 (J OAs 1
Рис. 20. Зависимости модуля коэффициента отражения (слева) и КСВН (справа) для ребристого стержня в азимутально неоднородном экране с четырьмя щелевыми разрезами 15"
О 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
Частота, мнг
Рис. 21, Дисперсионные характеристики макета ребристого с тержня в изотропном и азимутально неоднородном экране
Таким образом, наличие одного или более щелевых разрезов в азимутально неоднородном экране не вызывает существенного изменения дисперсионных свойств макетов электрода на основе коаксиальной ребристой линии, что упрощает оценку их характеристик и обеспечивает возможность многофункционального применения.
Статья подготовлена в результате проведет/я исследования (№ 16-01-0061) в разиках Программы «Научный фонд Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики» (НИУ ВШЭ)» в 2016-2017 гг. и с использованием средств субсидии на государственную поддержку ведущих университетов Российской Федерации в целях повышения их конкурентоспособности среди ведущих мировых научно-образовательных центров, выделенной НИУ ВШЭ.
Литература
1. Пчельников ЮН. Коаксиальная линия с ребристыми электродами. М.: МИЭМ, 1985. 16 с.
2. Елизаров А.А., Каравашкина В.Н. СВЧ устройства на замедляющих системах с аномальной дисперсией. LAP LAMBERT Academic Publishing, 2013. 127 С.
3. Елизаров А.А.. Шаймарданов Р.В. Анализ методов и устройств для трансуретральной микроволновой термотерапии биотканей IIT-Comm: Телекоммуникации и транспорт. - 2015. — Т. 9.-№ 6, - С. 38-43.
4. Елизаров А.А.. Шаймарданов Р.В. Исследование электродов для внутри полостной микроволновой физиотерапии с экранировкой магнитного поля // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. -2013. 9.-С. 82-84.
5. Elizarov A.. Pchelnikov У., Shaymardanov R. Electro-Dynamic Analysis of I lie Slow-Wave Structure Formed by the Ribbed Coaxial Line, in: Proceedings of the 15th IEEE International Vacuum Electronics Conference (1VEC-20I4). Monterey: Institute of Electrical and Electronics Engineers. 2014. Pp. 297-298.
6. Elizarov A., Pchelnikov )',, Karavashkina V., Shaymardanov R, Computer Simulation of Microwave Radiator on Coaxial Ribbed Line, in: Proceedings of the 16th IEEE International Vacuum Electronic Conference (1VEC-2015). Beijing: institute of Electrical and Electronics Engineers, 2015. Pp. 142-143.
7. Елизаров А.А., Каравашкина ВН.. Нестерова Д.A.. Шаймарданов Р.В. Моделирование микроволнового излучателя на основе коаксиального ребристого стержня II T-Comm: Телекоммуникации и транспорт.- 2014. -Т. 8.-№ 10.-С. 24-26.
8. Елизаров А.А.. Шаймарданов Р.В, Электродинамический анализ резонатора на основе коаксиальной ребристой линии Н T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. - 2012. — № 10. — С. 54-55.
9. Elizarov A.. Pchelnikov У., Karavashkina V., Shaymardanov R. Medical application of microwave radiator on coaxial ribbed line, in: Proceedings of the 16th IEEE International Vacuum Electronic Conference (IVEC-2015). Beijing: Institute ofElectrical and Electronics Engineers, 2015. Pp. 413-414.
10. Elizarov A.A., Shaymardanov R, V. Medical electrod developing based on slow-wave system in case of prostate gland disease, in: Proceedings 2014 International Conference on Information Science, Electronics and Electrical Engineering (1SEEE - 2014), Sapporo City, Hokkaido, Japan Vol. 2. Sapporo City: Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2014. Pp. 702-707.
INVESTIGATION OF SLOW-WAVE SYSTEM TYPE "RIBBED ROD IN AZIMUTHALLY NON-REGULAR SCREEN"
Andrey A. Yelizarov, Dr. S'c - Eng., Professor, National Research University "Higher School of Economics", Moscow, Russia,
a.yelizarov@hse.ru
Ruslan V. Shaymardanov, post-graduate student, National Research University "Higher School of Economics",
Moscow, Russia, ruslan.shaymardanov@bk.ru
Yury N. Pchelnikov, Dr. S'c - Eng., Professor-consultant, Cary, NC, USA, yupchel@gmail.com
Valentina N. Karavashkina, Ph.D., Ass. Professor, Moscow Technical University of Communications and Informatics,
Moscow, Russia, box2807@mail.ru
Abstract
One of the promising areas of slow-wave systems application and in particular, a coaxial line with a ribbed electrodes [1], is the possibility of its use in biology and medicine as an electrode-radiator for RF and microwave physiotherapy [2-5]. The main advantages of such slow-wave systems are generated by the azimuthal regularity of the electromagnetic field, small dispersion and a broad band of frequencies with the possibility of their correction, as well as the ability to dissipate large power compared to the spiral structures [6-10]. The paper presents the results of theoretical and experimental investigations of the slow-wave system, which is the ribbed metal rod in outer screen as a cylinder with one or more longitudinal slots, the angular opening of which non-regularly increases along the length. The computer simulation of directional diagram of the investigated system is made, using CST Microwave Studio 2011 software tools, which allowed to establish that the spatial characteristics of the radiation have symmetry of rotation and has a conical shape with the radial direction of the electrical field vector. Estimation of an influence of the angular size of slots as well as angle of the cone of radiation intensity was done. The dependencies of the coefficient SII and VSWR have obtained, on the basis of which dispersion characteristics of the slow-wave system were calculated. It is shown that the presence of one or more annular incisions in the azimuthal non-regular screen does not cause significant change of the dispersion properties of the investigated slow-wave system.
Keywords: slow-wave system, ribbed rod, dispersion characteristic, azimuthally non-regular screen..
References
1. Pchelnikov Yu.N. Coaxial Line with Ribbed Electrodes. M: Izd. MIEM, 1985. 16 p. (in Russian)
2. Yelizarov A.A, Karavashkina V.N. Microwave devices slowing down systems with anomalous dispersion. LAP LAMBERT Academic Publishing, 2013. 127 p. (in Russian)
3. Yelizarov A.A., Shaymardanov R.V. The analysis of methods and devices for biofabrics transurethral microwave thermotherapy / T-Comm. 2015. No 9. Pp. 38-43. (in Russian)
4. Yelizarov A.A., Shaymardanov R.V. The study of electrodes for intracavitary microwave physiotherapy shielding magnetic field / T-Comm. 2013. No 9. Pp. 82-84. (in Russian)
5. Elizarov A., Pchelnikov Y., Shaymardanov R. Electro-Dynamic Analysis of the Slow-Wave Structure Formed by the Ribbed Coaxial Line, in: Proceedings of the 15th IEEE International Vacuum Electronics Conference (IVEC-2014). Monterey: Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2014. Pp. 297-298.
6. Elizarov A., Pchelnikov Y., Karavashkina V., Shaymardanov R. Computer Simulation of Microwave Radiator on Coaxial Ribbed Line, in: Proceedings of the 16th IEEE International Vacuum Electronic Conference (IVEC-2015). Beijing: Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2015. Pp. 142-143.
7. Yelizarov A.A., Karavashkina V.N., Nesterova D.A., Shaymardanov R.V. Modeling of microwave radiator on the basis of coaxial ribbed rod / T-Comm. 2014. Vol. 8. No. 10. Pp. 24-26. (in Russian)
8. Yelizarov A.A., Shaymardanov R.V. Electrodynamic analysis of resonator-based coaxial ribbed lines / T-Comm. 2012. No. 10. Pp. 54-55.
(in Russian)
9. Elizarov A., Pchelnikov Y., Karavashkina V., Shaymardanov R. Medical application of microwave radiator on coaxial ribbed line, in: Proceedings of the 16th IEEE International Vacuum Electronic Conference (IVEC-2015). Beijing: Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2015. Pp. 413-414.
10. Elizarov A.A., Shaymardanov R.V. Medical electrod developing based on slow-wave system in case of prostate gland disease, in: Proceedings 2014 International Conference on Information Science, Electronics and Electrical Engineering (ISEEE - 2014), Sapporo City, Hokkaido, Japan Vol. 2. Sapporo City: Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2014. Pp. 702-707.
