Теоретические и экспериментальные исследования СВЧ аппликаторов для радиотермографии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХ^НИ^ УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

Масламані Талеб Махмуд

' ¡¡¡ыУ

УДК 538.3:621.396.677

ТЕОРЕТИЧНЕ ТА ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ НВЧ АПЛІКАТОРІВ ДЛЯ РАДІОТЕРМОГРАФІЇ

01.04.03- радіофізика

АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

ХАРКІВ-2000

---------Рдботаліконана в Харківському державному технічному університе

радіоелектроніки Міністерства освіти України.

Науковий керівник: кандидат фізико-математичних наук, доцент

Должиков Володимир Васильович, Харківський державний технічний університет радіоелектроніки,

професор кафедри основ радіотехніки.

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук,

старший науковий співробітник, Аизацький Микола Іванович,

НДК "Прискорювач" ННЦ ХФТІ, заступник директора з наукової роботи.

кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Шарапов Леонід Іванович, Радіоастрономічний інститут НАН України, старший науковий співробітник.

Провідна установа: Харківський національний університет,

кафедра прикладної електродинаміки.

- О"

Захист відбудеться “ ЛГ” _______2000 р. о / 3 годині на

засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.052.03 Харківського державногс

технічного університету радіоелектроніки (61726, м. Харків, пр. Леніна, 14,

ауд. 4).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського державної технічного університету радіоелектроніки (61726, м. Харків, пр. Леніна, 14).

Автореферат розісланий “ЗІ р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

Г.І. Чурюмов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В останні роки найбільш широкого розповсюдження на-іає повий метод діагностики ряду захворювань - метод радіотермографії. В ос-іі його лежить вимірювання потужності теплового випромінювання внутрішніх анів, яка пропорціональна їх фізичній температурі. На відміну від традиційних :одів рентгенівського ультразвукового дослідження, які виявляють структурні ни тканин, при радіотермографії виявляються температурні аномалії, що гтере-оть структурним змінам. У порівнянні з ІК-термографією він інформатив-іий, бо в останній вимірюється теплове випромінювання шкіри пацієнта на глии, яка не перевищує десяту долю міліметра, в той час як у радіотермографії струється теплове випромінювання органів, розміщених на глибині до 10 см. > однією, і можливо найважливішою, позитивною властивістю даного методу є ¡на нешкідливість його як для пацієнтів, так і для обслуговуючого персоналу, ід особливо підкреслити застосування радіотермографії для визначення темпе-ури тканин при лікуванні онкологічних захворювань з допомогою ВЧ або НВЧ гртермії. У даному випадку інших неінвазивних методів вимірювання темпера->и внутрішніх тканин зараз немає. Таким чином, метод радіотермографії має ряд іитивних особливостей, що привело його до використання в таких галузях меди-іи, як онкологія, терапія, гастроентерологія, акушерство і в ряді інших областей.

Одним з основних елементів радіотермографа, які визначають його технічні і Пічні характеристики, є антена (аплікатор), призначений для приймання шумо-

о радіовипромінювання.

Проблеми, що виникають при створенні антен для медичного застосування, в іу числі й аплікаторів, значно відрізняються від тих, які мають місце при ство-іні антен "традиційного" застосування. Головна причина, яка породжує ці мінності, полягає в тому, що біологічне середовище, в контакті з яким знахо-ься аплікатори, є поглинальним і, крім того, мгає велике значення числова вели-ю дійсної частини діелектричної проникності.

Наявність помітного поглинання веде, по-перше, до того, що багато "класич-с" параметрів антен втрачають свій зміст, зокрема, поняття діаграми спрямовані (ДС), коефіцієнта спрямованої дії (КСД) та ін. По-друге, з'являється фунда-італьне протиріччя між глибиною проникнення і можливістю локалізації поля редині тіла. У зв"язку із швидким загасанням поля в глибину значно пьшується роль ближнього поля і поля в зоні Френеля. Надто важлива юрмація про розподіл ближнього поля при проектуванні аплікаторів, признач е-< для гіпертермії.

Оскільки оішгогічнпжнтшпчають-значн^ійсну-частинундіелектричної-никності, то антени як для введення енергії електромагнітного поля, так і для ї бування (приймання) , повинні розраховуватися інакше у порівнянні з антен випромінюючими у вільний простір. При цьому набуває особливої ролі завд; узгодження аплікатора з високочастотною частиною приймача - радіометра. Н важливо також, щоб його конструкція забезпечувала мінімальне приймання промінювання з навколишнього середовища, щоб уникнути великих похибок вимірюваннях.

Основні технічні вимоги до аплікаторів, спрямовані на досягнення баж точності вимірювання, зручності та надійності при експлуатації, такі: максима узгодження з досліджуваним середовищем, мінімальний вплив на досліджув: об"єкт, мінімальні власні втрати НВЧ потужності, сталість характеристик анте системи при зміні властивостей середовища, в контакті з якими вона знаходиі задовільна роздільна здатність за площею досліджуваного об"єкту, слабка ливість до впливу зовнішніх завад та ін.

Різноманітність і суперечність вимог технічного і медичного характеру, пред'являються до аплікаторів, значно утруднює вибір оптимального варіанту струкції та розрахунок її конструктивних параметрів. Це завдання ускладнює тим, що теорія антен, які працюють в контакті з матеріальним середовищем і всередині його), "досить добре розроблена лише для лінійних антен. Для аі інших типів теорія знаходиться в стані розробки і аж ніяк не задовольняє пот{ практики. У першу чергу це стосується питань розрахунку поля в ближній з» зоні Френеля аплікаторів, створення їх математичних моделей, які б максимал враховували конструктивні особливості аплікаторів та реальні умови функціонування. Потрібні значні зусилля в теоретичному і технічному напряг для створення зразків, що повністю задовольняли б вимогам, які до пред'являються, як медичного, так і технічного характеру. Вирішенню зазнане завдань стосовно до аплікаторів, виконаних на базі резонаторно-щілинни? мікросмужкових вібраторно-щілинних випромінювачів, і присвячена ця ди таційна робота.

Таким чином, актуальність теми дослідження пов"язана з практичними по бами у створенні радіотехнічних систем для радіотермографії, які мають ви технічні й медичні характеристики і водночас невисоку вартість, з метою їх ші кого запровадження в медичну практику.

Зв"язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаці робота є складовою частиною досліджень, які провадяться на кафедрі техні1 електродинаміки та антен (зараз - ОРТ) Харківського державного технічі університету радіоелектроніки в межах держбюджетної НДР "Дослідження п[

з

пів, нових методів і технічних засобів лікування" (номер держреєстрації ЖДЮ4650 (1995-97 рр.)).

Мста і задачі досліджень. Метою дисертації є дослідження взаємозв'язку іструктнвних параметрів та електричних характеристик аплікаторів двох типів: іонаторно-щілинних і мікросмужкових вібраторно-щілинних, призначених для ііотермографів НВЧ діапазону; розробка, створення експериментальних зразків начених аплікаторів та експериментальне дослідження їх характеристик. Згідно им у процесі роботи ставилися і вирішувалися такі завдання:

- розробка математичних моделей: резонаторно-щілинних аплікаторів (РЩА) ібуджувачем складної форми і діелектричним заповненням внутрішньої порожни, мікросмужкових вібраторно-щілинних аплікаторів (ВЩА), випромінюючих Нологічне середовище; аналітичне розв'язання відповідних електродинамічних іач у строгій постановці та розробка ефективних алгоритмів, що забезпечують :оку точність числових розрахунків основних характеристик на ЕОМ;

- розробка малогабаритних конструкцій зазначених типів аплікаторів на іставі проведених числових досліджень; створення зразків, призначених для ііотермографа, що працює на частоті 915 МГц, а також експериментальне слідження їх характеристик у реальних умовах функціонування.

Наукова новизна одержаних результатів

1. Вперше вирішено завдання збудження резонаторно-щілинної антени з лектричним заповненням внутрішньої порожнини і збуджувачем довільної фор, що випромінює в однорідне біологічне середовище.

2. Вирішено завдання збудження мікросмужкової вібраторно-щілинної анте, яка складається з активної біконічної щілини та пасивного прямолінійного ужкового вібратора, яка випромінює в плоско-шарувате діелектричне середови-; з втратами.

3. Числово досліджені частотні залежності вхідного коефіцієнта стоячої хвилі груктура ближнього поля в біологічному середовищі аплікаторів обох типів, що зволило визначити геометрію збуджувача та його розміри, а також розміри ви-оміїпоючої частини, що забезпечують необхідні глибину виявлення, роздільну ітність за площею і ступінь узгодження аплікаторів з радіометром.

4. Досліджені частотні характеристики вхідного коефіцієнта стоячої хвилі, а <ож розподіл інтенсивності поля, створюваного РЩА в однорідному >логічному середовищі, та виявлені залежності глибини проникнення поля від змірів випромінюючої апертури та характеру амплітудного розподілу поля /дження в ній.

5. Виявлена можливість значного зменшення - до 0.1 Я0 (довжини хвилі у вітрі) поперечних розмірів резонаторно-щілинних аплікаторів шляхом запов-

проникності при збереженні якості узгодження та глибини виявлення, яка пр нятна для цілей радіотермографії.

6. Запропонований і вперше досліджений мікросмужковий багатошаро вібраторно-щілинний аплікатор малих поперечних розмірів, в конструкцію як для поліпшення якості узгодження та підвищення його широкосмужності введ пасивний вібратор. Знайдено оптимальну, з точки зору мінімального КСВ, дов ну вібратора. Виявлено, що такий аплікатор має декілька робочих діапазонів 1 тот за допустимим рівнем вхідного КСВ.

Практичне значення одержаних результатів

1. Розроблений в дисертації метод розрахунку РЩА дозволяє з висої-точністю розраховувати вхідний опір та розподіл поля, створюваного нш біологічному середовищі.

2. Запропонований спосіб узгодження малогабаритного РЩА шляхом вико

стання збуджувачів складної (спеціальної) геометрії, дозволяє значно спрост конструкцію аплікатора за рахунок виведення з неї будь-яких узгоджуючих г строїв. '

3. Запропонований спосіб зменшення поперечних розмірів РЩА з мет збільшення роздільної здатності радіотермографа по площі 0,1 Х() х0,1 /.0 зап ненням внутрішньої порожнини діелектриком з високим значенням є і забезпеч ням при цьому узгодження за допомогою збуджувача спеціальної геометрії сл щує конструкцію аплікаторів даного типу за рахунок виведення з неї будь-яких даткових узгоджуючих, пристроїв.

4. Розглянутий алгоритм побудови електричної і магнітної функцій Грін циліндричній системі координат дозволяє спростити проектування багатошаро: мікросмужкових аплікаторів з випромінювачами електричного і магнітного ти або їх комбінацією.

5. Запропонований, розроблений і виготовлений автором широкосмугої малогабаритний мікросмужковий ВЩА, який відрізняється малими габарита простотою конструкції та технологічністю, використаний в радіотермографі з бочою частотою 915 МГц. Натурні випробування ВЩА у складі радіотермогр; показали перспективність аплікаторів такої конструкції в складі як одночастотн так і багаточастотних радіотехнічних систем радіотермографії.

Особистий внесок здобувача. Автор самостійно отримав основні результа викладені в дисертації. У спільних роботах авторові належить постановка завд. дослідження, проведення вимірювань, аналіз отриманих результатів та порівняі з результатами розрахунків. Створення і налагодження установки для експерим тальних досліджень проведені співавторами разом.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи пройш-аиробацію на наступних науково-технічних конференціях та симпозіумах: :народій конференції з теорії і техніки антен "MKTTÀ-95" (Харків, 1995 p.); rnationalal Wireless and Communication Sympposium "1WTS-97" (Malaysia, Shah n, 1997); 8-й Міжнародній Кримській Мікрохвильовій конференції (Севасто-

і, 1998 p.).

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 3 статтях, 2 працях,.і тезах <ових конференцій.

Обсяг і структура дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох іілів, висновків по роботі, списку використаних джерел з найменувань на 5 ). Повний обсяг дисертації становить 131 стор., з них 126 стор. основного тек-53 рисунків і 2 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМГСТ РОБОТИ

У вступі наведений короткий огляд сучасного стану радіотехнічних систем НВЧ термографії, обгрунтована актуальність теми дисертації, сформульована її а і поставлені завдання, дано загальну характеристику дисертації.

У першому розділі на підставі аналізу типових випадків температурних ано-ій, що виникають у біологічних середовищах, встановлюється зв"язок між ос-ними технічними характеристиками НВЧ радіотермографів, такими як: чут-ість, похибка вимірювання температури, глибина виявлення джерела зищеної температури, роздільна здатність за площею, робочий діапазон частот і аметри аплікаторів. Показується, що через специфічність умов роботи ікаторів підхід до розрахунку і проектування їх повинен відрізнятися від тоду до розробки звичайних антен, які випромінюють у вільний простір, гими повинні бути й параметри, вимоги до яких є вихідними даними для проек-ання аплікаторів. До таких параметрів можна віднести: коефіцієнт стоячої хвилі ду (або вхідний коефіцієнт відбиття), глибину виявлення температурної ано-іії, роздільну здатність за площею (тобто мінімальну площу випромінюючої ртури), власні втрати, робочу смугу частот. У другій частині розділу робиться откин аналіз стану теорії і техніки антен, призначених для використання в іоапаратурі медичного призначення, при цьому основна увага приділяється ікаторам для гіпертермії та радіотермографії. В заключенні формулюються зав-ня, що підлягають дослідженню в дисертації.

Другий розділ присвячений розробці математичної моделі резонаторно-іинних аплікаторів, внутрішня порожнина яких, з метою зменшення поперечних мірів, заповнена діелектриком з великим значенням діелектричної проникності, глядається збудження РІД А з прямокутною апертурою і збудником довільної

форми. Припускається, що РЩА випромінює в однорідне біологічне середовш яке займає передній півпростір (рис. 1). Випромінююча щілина (апертура) зна: диться на торцевій стінці г=с і її розміри (а! - а0)х (ь, - Ь0). При г =

розміщена короткозамкнена стінка. 1 ^ стінки ідеально провідні. Збудник

^ ляє собою кусково-лінійний і

промінювач, який складається з N П] Ьо молінійних, довільно орієнтоваї

’ провідників круглого перерізу

Рис. 1

с г діаметром сі «X, з’єднаних один

одним. В розсічку одного (п-

відрізка (або, в загальному випад декількох) увімкнене 8 -джерело 1 пруги У0п .Електричний струм має .) ше поздовжню складову і вс

аксіально симетрична.

Поле у внутрішній порожнині аплікатора записується у вигляді суперпозі полів, створюваних електричним струмом збудника та еквівалентними поверх

вими електричними і магнітними струмами на апертурі. Через останні виражаєті

також поле у зовнішньому півпросторі. Шляхом задоволення граничним умовам поверхні збудника і на поверхні апертури знаходиться система інтегральї рівнянь (ІР) відносно невідомих електричних струмів на збуднику та еквіваленті струмів на апертурі.

Т. 1^3п®иЄ(г,)с*г'+ {ё^312ёх^(г'^з'+|е^312еу3у (г'^' ~

і=1V) в Б

£ /ехІс(г'>1г'-н |Вх(з22ёх -ЗЙіх)і^(г'>із'+|Бх(з22Зу -3^іу)і”(г'>І8' = 0

І=1 V; в Б

£'|еу32,ё*Г(г')с1гЧ [ё,(з22ёх -3^ехк(г'^' + |іу(з22Ву -ЗЙІу)]“(г'>15' = 0

І=1 V; 5 в

де г і г' радіус-вектори точки спостереження та інтегрування відповідно; Зік

електричні і магнітні тензорні функції Гріна; іс, іІТ1 - густини електричного стру збудника та еквівалентних магнітних струмів на щілини.

Дана система ІУ вирішується методом моментів. Шукані електричні струми кожному і-му відрізку описуються функцією поздовжньої координати, спрямо-[ої вздовж осі ^ збудника, яка подається у вигляді розкладу за системою базис-с функцій підобластей

Апертура щілини поділяється на прямокутні підобласті, довжина яких 1іх [овж осі х і Ьу - вздовж осі у. Як базисні функції для розкладу та ^ виби-

оться також базисні функції підобластей: вздовж напрямку вектора струму -;ково-сннусоїдиі функції, а вздовж напрямку, перпендикулярного напрямку про-іження струму - кусково сталі

5(х) - дельта-функція Дірака, N0- кількість розбиттів вздовж осі х, а Р0 - вздовж і У-

До цієї системи слід додати рівняння Кірхгофа для електричних струмів у чках з"єднанпя кожної пари відрізків, а також, якщо є вільні кінці відрізків, то й юви рівності нулю струму на цих кінцях.

За знайденими струмами потім визначаються: опір в місці включення 5 -середа і поле в біологічному середовищі. Отримані теоретичні результати лягли в нову програми для розрахунку основних параметрів РЩА. За допомогою остан-ої вивчено вплив характеру амплітудного розподілу поля на апертурі та її змірів на глибину проникнення поля в діелектричне поглинальне середовище, е моделює біологічну тканину, а також на роздільну здатність аплікатора за

(4)

(5)

площею. Розраховані частотні характеристики вхідного опору і КГтч РЩ/ повненого діелектриком із є =81, та із запропонованою автором геометрією : ника. Відзначається гарне узгодження результатів числових розрахунків та е риментальних вимірювань Ксти . Розбіжність результатів у смузі частот по{ 50 %, при центральній частоті 915 МГц - не більше 10 %.

В результаті розрахунків знайдено, що зменшення амплітуди поля, вираж дБ, із збільшенням відстані до випромінювача відбувається за законом, близ до лінійного. Відхилення від лінійного закону зменшується із збільше розмірів апертури. Встановлено, що збільшення глибини проникнення по біологічне середовище можна здійснити або за рахунок збільшення попере розмірів аплікатора (розмірів його апертури), або за рахунок вирівнюі амплітудного розподілу поля збудження. Однак і в тому і в іншому виш збільшення глибини проникнення супроводжується розширенням пелюстки призводить до погіршення роздільної здатності аплікатора. Розміри апер дослідженого аплікатора (з апертурою 4x4 см^) дозволяють одержати гли проникнення поля за рівнем -15 дБ, яка приблизно дорівнює 4 см при ширин люстки біля основи - 6 см. Отримані числові результати, як показано в розд дисертації, добре узгоджуються з експериментальними даними.

У третьому розділі викладається метод побудови електричної і магн функцій Грінау циліндричній системі координат для багатошарового діелект

із втратами, який моді біологічне середовище.

Область тривимірного стору у, 7. Є (- ос, со), X Є М ( 2) заповнена шарув; діелектриком, ізотропним в прямках у, г, який складається шарів із комплекси діелектричними проникносі

= Є- + Іє' , де і = 1, п - номер Рис. 2 РУ- .

У точці г = їд знаходиться точкове джерело з густиною струму р05(г-Г0*)

б(г-?0*)- дельта-функція Дірака. Треба знайти розв"язання рівняння Гельмгольї

►

є0 Є] є2 Єп Є„+1 ь

х0 = 0 *1 х2 • • • Х„., Х„ X

Д\У + к§8(х)\У=р08(г-г0*),

з кусково-сталим коефіцієнтом кдє(х), який задовольняє умовам випромінювання на нескінченності та граничним умовам на межах розподілу шарів', що у матричному вигляді можна записати так:

О Т ^(х)" Чоу

Іоьм; І'ОЬіА

(х)

\У'(Х;)Г

при X = X;, І = 1,п ,

(7)

де штрих означає похідну зах.

Умови (7) охоплюють усі можливі граничні умови для електродинамічної задачі. Так, якщо а; = Ь, = 1, то розв'язання неперервне разом з першою похідною, а; = 1, Ь| ^ 1 - розв'язання неперервне із заданим стрибком похідної, аі Ф 1, Ь,- = 1 -розв'язання має розрив і неперервну похідну. Вказане розв'язання, за визначенням, є функцією Гріна цієї задачі.

У циліндричній системі координат Р=^(у-Уо*)~ +(2-2о*)2> 9>х рівняння Гельмгольца має вигляд

сГ\У _1_ сМ____________________

'2 Р Ф р2 ¿ер2

1 с12\У с12\У

к о2е(х)’\^ = -р0 5 (г — ?0 * )•

сір Р ар р сіср сіх Функція V/ шукається у вигляді наступного інтегрального подання

М7)= 1 -гоГРл/є(х)л/ко2 -к2 Ь(х,к^к ,

— 05 ^ ^

де Щх, к) - розв’язання одновимірного рівняння

Е(х)и = -Ро^(х-хо*) ,

СІ2 и . 2 , ——+к є(:

сіх

(8)

(9)

з кусково-стагтим коефіцієнтом.

Задача Коші для рівняння (9) за умови випромінювання на нескінченності і граничними умовами

аі_і(р, к) 0 Уиі_1(хі,к)'|_Гаі(р,к)оуиі(хі,к)'

О (р, к)Аи (х і, к);" [орі (р, к) Ди; (Хі, к)

(10)

які виходять з (7), є ключовою для побудови тривимірної функції Гріна. Результат її розв'язання дає змогу звести визначення шуканої функції Гріна до розв'язання неоднорідної системи алгебраїчних рівнянь. Це дозволяє одноманітно провадити

визначення скалярних функцій І ріна у циліндричній системі коо рдйііаттш¡ггтас кошаруватого діелектричного середовища із втратами, які відповідають збуджен ню електричними або магнітними диполями, спрямованими вздовж одинични: ортів циліндричної системи координат. При цьому не накладається жодних обме жень на місце розташування цих диполів та їх кількість. На закінчення коротк описується алгоритм визначення компонент полів у біологічному середовищі. Про грама, розроблена на основі отриманих співвідношень, використана в наступном розділі для аналізу властивостей вібраторно-щілинних аплікаторів.

У четвертому розділі дисертації наведені основні результати розробки та ек спериментального дослідження характеристик двох типів: резонаторно-щілинног і мікросмужкового вібраторно-щілинного аплікаторів, призначених для застосу вання в системах НВЧ радіотермографії, що працюють в діапазоні з центральної частотою 915 МГц. При розробці конструкцій і виборі їх конструктивних розмірі були використані програми, створені на основі теоретичних результатів, одерж:: них у другому і третьому розділах дисертації.

При цьому основними були таь вимоги: добре узгодження в робочі смузі частот, малі розміри поперечног перерізу (висока роздільна здатність з 8 їлощею), прийнятна глибина проник нення електромагнітного поля біологічне середовище, малі габарити простота конструкції. Описана розроб лена та виготовлена вимірювальна усп новка для експериментальни досліджень спробних зразків.

Експериментальні дослідженн розробленого РЩА (рис. 3) показали, щ заповнення його внутрішньої порожнин високочастотною ке рамікої

з е’ = 80 ± 3 дозволяє зменшити розмір апертури аплікатора до 0.1Х0 х0.1Х0 н частоті порядку 900 МГц, щоцілком прийнятне для цілей радіотермографії. Резулі тати вимірювань і комп'ютерних розрахунків частотних залежностей вхідного к( ефіцієнта стоячої хвилі підтвердили перспективність використання збудникі складної форми для РЩА, які дають змогу забезпечити добре узгодженн (Ксти <1.5) у смузі частот не менше 10 %. При цьому виявилося, що якість у: годження мало залежить від електричних властивостей біологічної тканини, в кої

1 - корпус, 2 - НВЧ-рознятгя, 3,4 - плечі введення знергії, 5,6 -плечи узгодження, 7 - кришка, 8 - кераміка.

Рис. 3. Ескіз апплікатора.

резонаторно-щілинного

ікті з якою він знаходиться. При використанні таких збудників відпадає не-зхідність у введенні додаткових узгоджуючих пристроїв і, отже, дозволяє спростити конструкцію всього аплікатора та збільшити його масо-габаритні показники. Вимірювання розподілу інтенсивності поля в розчині, який імітує біологічне середовище, показали, що при вибраних розмірах апертури досягається глибина проникнення поля за рівнем -20 дБ не менше 40-50 мм на частоті 915 МГц. Експериментальні дані добре узгоджуються з результатами

числових розрахунків, виконаних на підставі співвідношень, отриманих другому розділі дисертації.

Розроблені та експериментально досліджені два варіанти мікросмужкових іл і кагорів з активною випромінюючою щілиною біконічної форми, розміщеною з торці металевого циліндра - ВЩА (рис. 4). Вияснено, що без пасивного братора частотна залежність Ксти при контакті аплікатора з біологічною ткани-зю має явно виражений мінімум при діаметрі щілини, яка приблизно дорівнює .1Я0. Оптимальне значення діаметра мало залежить від матеріалу і товщини електричної підкладинки. Проте мінімальний Ксти, досягнутий при цьому, має зсить велику величину - порядку 1.7. Зменшення цього значення можливе лише ляхом розміщення в корпусі аплікатора узгоджуючих пристроїв, що призводить з небажаного ускладнення його конструкції.

Показано, що введення в конструкцію аплікатора пасивного вібратора значно зліпшує якість узгодження як з точки зору мінімально досяжної величини Ксти, ік і з точки зору широкосмужності. Знайдено, що при заданих розмірах біконічної ;ілини, товщині та діелектричної проникності є оптимальне значення довжини па-івного вібратора, яке забезпечує мінімальне значення Ксти. Значення цього інімуму при цьому близьке до одиниці, що значно краще, ніж у РЩА. Крім того, їсивний вібратор дозволяє одержати смугу узгодження до 40 % при : рівні 1 сти <1.5 і до 25 % - при Ксти <1.2 Виявлено, що при контакті з дільницями іологічної тканини, які відрізняються електричними властивостями, має місце яше зміщення частоти мінімального Ксти при збереженні розмірів робочої об-істі частот. Виявлено, що аплікатори такого типу мають декілька робочих іапазонів, центральні частоти яких кратні центральній частоті найнизькоча-

• корпус, 2 - біконічний щіліпний промінювач, - пассивный смужковий вібратор.

Рис. 4. Вібраторно- щілінний аплікатор.

стотнішого діапазону. Це робить їх придатними і для^агат0таститних“систем-нВ1 радіотермографії.

Дослідження розподілу інтенсивності поля ВЩА у середовищі, що моделю однорідну біологічну тканину, показали, що глибина виявлення на частоті 915 МГ у них. така сама, як і у РЩА при приблизно однаковій площі апертури. Виясненс що ВЩА мають надто малі паразитні випромінювання в навколишній прості (повітря). Так, вимірювання показали, що навіть при відсутності корпуса рівен паразитного випромінювання не перевищував -40 дБ. Відзначимо, що подібни ефект спостерігався й іншими авторами при дослідженні випромінювачів дещ іншого типу. Ця властивість ВЩА робить їх мало чутливими до завад, що має в< лике значення для забезпечення стійкої роботи радіотермографа в реальній елеь тромагнітній обстановці.

У висновках сформульовані основні результати досліджень, які отримано дисертації.

ВИСНОВКИ

1. Вперше проведено строге розв"язання електродинамічної задачі про, збуі ження резонаторно-щілинного аплікатора прямокутної форми, який випромінює біологічне середовище, з ідеально провідним дротовим збудником довільної фо] ми. Результати розв'язання дозволяють розраховувати частотні залежное вхідного опору і Ксти , подібних до РЩА, з урахуванням реальних властивосте середовища, в якому відбувається випромінювання, а також розподіл інтенсивнос поля в цьому середовищі. За допомогою розроблених програм проведено виб конфігурації і місця розташування збудника, які забезпечують широкосмужне у годження РЩА без додаткових узгоджуючих пристроїв.

2. Досліджено розподіл інтенсивності електричного поля, створюваної аплікатором в однорідному ізотропному середовищі, яке моделює м"язові тканиі людини. На підставі виявлених залежностей глибини проникнення поля в середі вище й ширини пелюстки від розмірів випромінюючої апертури та характе{ амплітудного розподілу збуджуючого поля визначені розміри апертури РЩА, н забезпечують прийнятні глибину проникнення поля в біологічне середовище роздільну здатність РЩА за площею.

3. Розв'язана строга задача про відшукання скалярних функцій Гріна циліндричній системі координат для плоскошаруватого в загальному випадку п глипаючого, діелектричного середовища, які відповідають збудженню електри ними й магнітними діполями, орієнтованими вздовж ортів циліндричної сисгел! координат. При цьому не накладалися обмеження на місце розміщення диполі Запропонований алгоритм визначення компонент електричного і магнітного пол

шаруватому біологічному середовищі. Отримані результати лягли в основу ніверсальної програми для числового знаходження поліп, створюваних планарни-и електричними або магнітними джерелами, які розміщувалися в площинах, па-алельних до площин розподілу середовищ.

4. Розроблено та експериментально досліджено аплікатор на базі резонатор-о-щілинного випромінювача - РЩА. Показано, що заповнення високочастотною грамікою внутрішньої порожнини РЩА дозволяє зменшити розміри апертури плікатора до 0,1 Xq х 0,1 Xq на частоті порядку 900 МГц, що цілком прийнятно ля цілей радіотермографії.

5. Результати комп"ютерних: розрахунків та експериментальних досліджень ідтвердили перспективність використання дротових збудників складної форми пя РЩА, що дає змогу забезпечити гарне (К.сти < 1,5) узгодження у смузі частот е менше 10 %. При цьому якість узгодження мало залежить від електричних вла-гивостей біологічної тканини, в контакті з якою він знаходиться. При застосуванні іких збудників відпадає необхідність у введенні додаткових узгоджуючих при-гроїв і, отже, дозволяє спростити конструкцію всього аплікатора та поліпшити его асо-габаритні показники.

6. Вимірювання розподілу інтенсивності поля в розчині, що імітує біологічне ¡редовише, показали, що при вибраних розмірах апертури досягається глибина зоникнення поля за рівнем -20 дБ не менше 40-50 мм на частоті 915 МГц. Експе-шентальні дані добре узгоджуються з результатами комп"ютерних розрахунків.

7. Запропоновані та експериментально досліджені два варіанти ікросмужкових аплікаторів з активною випромінюючою щілиною біконічної орми, розміщеною на торці металевого циліндра - ВЩА. Вияснено, що при дсутності пасивного вібратора частотна залежність Ксти при контакті аплікатора біологічною тканиною має явно виражений мінімум при діаметрі щілини, що зиблизно дорівнює 0,1 X.Q. Оптимальне значення діаметра мало залежить від ма-:ріалу і товщини діелектричної підкладинки, на якій розміщена щілина. Однак інімальнийКсти, що досягається при цьому, має досить велику величину - по-їдку 1,7. Зменшення цього значення можливе лише шляхом вміщення в корпусі ілікатора узгоджуючих пристроїв, що призводить до небажаного ускладнення йо-

і конструкції. Показано, що введення в конструкцію аплікатора пасивного братора значно поліпшує якість узгодження як з точки зору мінімально досяжної личиниКсти, так і з точки зору широкосмужності. Знайдено, що при заданих ізмірах біконічної щілини, товщині та діелектричній проникності пластини оп-

:мальним є значення довжини пасивного вібратора, що забезпечує мінімальне ачення Кети • Значення мінімуму при цьому наближається до одиниці, що знач-

по краще, ніж у РЩА. Крім того, пасивний вібратор дозволяє отримати смугу ; годження до 40 % при рівні Ксти <1,5 і до 25 % при Ксти <1,2. Виявлено, що п] контакті з ділянками біологічної тканини, які відрізняються електричними власт востями, має місце лише зміщення частоти мінімального КСВ при збережен розмірів робочої області частот.

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Должиков В.В., .Масламаии Т.М., Назаренко В.А., Сакало С.Н. Малогабари пая контактная антенна для медицинских применений // Тезисы докл. Межд народной конференции “Теория и техника антенн” (МКТТА’95) - Харьков 1995.-C.1U.

2. Масламани Т.М. Метод расчета электромагнитного поля аппликатора в биол гической среде// Радиоэлектроника и информатика. -1998. - №3,- С. 4-9.

3. Масламани Т.М. Расчет резонаторно-щелевой антенны с проволочным возб дителем произвольной формы // Радиоэлектроника и информатика,-1998. №4,-С. 13-16.

4. Масламани Т.М. // Материалы 8-й Международной Крымской Микровс новой конференции (КрыМиКо’98)- Севастополь,- 1998. - С. 518-520.

5. Сакало С.Н., Масламани Т.М. // Вибраторно-щелевой аппликатор. - Вести Харьк. Ун-та. Радиофизика и электроника. - 1999. - №1. - С. 173-175.

АНОТАЦІЇ

Масламані Т.М. Теоретичне та експериментальне дослідження НВ аплікаторів для радіотермографії. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичн наук за спеціальністю 01.04.03 - радіофізика - Харківський державний технічн університет радіоелектроніки, Харків, 2000.

Дисертація присвячена теоретичному та експериментальному досліджені НВЧ аплікаторів двох типів: резонаторно-щілинних і мікросмужков

вібраторно-щілинних, з метою створення малогабаритных антен, призначен для використання в системах радіотермографії. Розроблені методи та алгориті розрахунку характеристик таких аплікаторів і розподілу поля, створюваного і ми у біологічному середовищі. Досліджені закономірності, що зв"язують Г6 метричні розміри випромінюючої поверхні аплікаторів, вид амплітудного рс поділу поля збудження та характер розподілу поля в біологічному середовиі Досліджена і підтверджена можливість широкосмугового узгодження РЩА діелектричним заповненням шляхом використання збудників складної геометр Запропоновані конструкції аплікаторів та проведено експерименталь дослідження їх характеристик.

Ключові слова: надвисокі частоти, радіотермограф, випромінювання, іезонаторно-щілинні аплікатори, вібраторно-щілинні аплікатори.

Масламани Т. М. Теоретические и экспериментальные исследования ГВЧ аппликаторов для радиотермографии. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-іатематических наук по специальности 01.04.03 - радиофизика - Харьковский го-ударственный технический университет радиоэлектроники, Харьков, 2000.

Диссертация посвящена теоретическому и экспериментальному исследо-анию СВЧ аппликаторов двух типов: резонаторно-щелевых и микрополосковых ибраторно-щелевых, с целью создания малогабаритных антенн, предназначенных яя использования в системах радиотермографии.

Проведено строгое решение электродинамической задачи о возбуждении ре-онаторно-щелевого аппликатора прямоугольной формы, излучающего в биологи-ескую среду, с идеально проводящим проволочным возбудителем произвольной >ормы. Результаты решения позволяют рассчитывать частотные зависимости ходного сопротивления и Ксти подобных РЩА с учетом реальных свойств сре-ы, в которую излучается поле, а также распределение интенсивности поля в этой реде. С помощью разработанных программ проведен выбор конфигурации и меса расположения возбудителя, обеспечивающие широкополосное согласование ЩА без дополнительных согласующих устройств.

Исследовано распределение интенсивности электрического поля, создаваемо-о аппликатором в однородной изотропной диэлектрической среде, моделирующей іьішечную ткань человека. На основании выявленных зависимостей .глубины про-икновения поля в среду, а также ширины лепестка от размеров излучающей апер-уры и характера амплитудного распределения возбуждающего поля определены азмеры апертуры РЩА, обеспечивающие приемлемые глубину проникновения оля в биологическую среду и разрешающую способность по площади.

Решена задача об отыскании скалярных функций Грина в цилиндрической истеме координат, соответствующих возбуждению электрическими и магнитными иполями, ориентированными вдоль ортов этой системы координат для плоско-лгоистой, в общем случае поглощающей, диэлектрической среды. При этом не нагадывались ограничения на место расположения диполей. Полученные результа-ы легли в основу универсальной программы для численного нахождения полей, оздаваемых планарными электрическими или магнитными источниками, распола-земыми в плоскостях, параллельных плоскостям раздела сред.

Разработан и экспериментально исследован аппликатор на базе резонаторною лево го излучателя - РЩА. Показано, что заполнение высокочастотной керами-ой внутренней полости РЩА позволяет уменьшить размеры апертуры аппликате-

ра до 0.1Л0 х0.1?-о на частоте порядка 900 МГц, что вполне приемлемо для цел< радиотермографии.

Результаты компьютерных и экспериментальных исследований подтвердш перспективность использования проволочных возбудителей сложной формы д, РЩА, позволяющего обеспечить хорошее (Ксти < 1.5) согласование в полосе ча тот не менее 10%. При этом, качество согласования мало зависит от электрич ских свойств биологической ткани, в контакте с которой он находится. Примен ние таких возбудителей позволяет исключить из конструкции согласующие ус ройства и, следовательно, упростить конструкцию аппликатора и улучшить е массо-габаритные показатели. Измерения распределения интенсивности поля растворе, имитирующем биологическую среду, показали, что при выбранных рг мерах апертуры достигается глубина проникновения поля по уровню -20 дБ менее 40-50 мм на частоте 915 МГц. Экспериментальные данные хорошо соглас ются с результатами компьютерных расчетов.

Предложены и экспериментально исследованы два варианта микрополоск вых аппликаторов с активной излучающей щелью биконической формы, распол женной на торце металлического цилиндра - ВЩА. Выяснено, что в отсутств пассивного вибратора, частотная зависимость КСТи ПРИ контакте аппликатора биологической тканью имеет явно выраженный минимум при диаметре ідеї примерно равной 0.1 ).0. Оптимальное значение диаметра мало зависит от толш ны диэлектрической подложки, на которой расположена щель. Однако, минимал : ный КС1и , достигаемый при этом, имеет достаточно большую величину - поряд 1.7. Уменьшение этого значения возможно только путем помещения в корпусе г пликатора согласующих устройств, что приводит к нежелательному усложнен! его конструкции. Показано, что введение в конструкцию аппликатора пассивно вибратора, значительно улучшает качество согласования как по минимально дс тижимой величине Кстъ-, так и по широкополосности. Найдено, что при заданш размерах биконической щели, толщине и диэлектрической проницаемости пласт ны, имеется оптимальное значение длины пассивного вибратора, обеспечивают минимальное значение К.сти . Значение минимума при этом близко к единице, ч значительно лучше, чем у РЩА. Пассивный вибратор позволяет получить поле согласования др 40% лри уровне.,КСти ^ 1.5 и до 25% - при Ксти < 1.2 . Обна{ жено, что при контакте с участками биологической ткани, отличающимися.эл< трическими свойствами,, имеет место только смещение частоты минимальнс КСВ при.сохранении размеров рабочей области частот.

Ключевые слова: сверхвысокие частоты, радиотермограф, излучение, ре: наторно - щелевые аппликаторы, вибраторко - щелевые аппликаторы.

Mr. TALEB M. I. MASLAMANI. Theoretical and experimental research of -applicators for radiothermography - Typescript.

Thesis on competition of academic degree of Kandidate of Physical and Mathe-:al Sciences on speciality 01.04.03 - radiophysics - Kharkov State Radio and Elec-:s Technical University, Kharkov, 2000.

The thesis is devoted to theoretical and experimental research of UHF applicators o types: resonator-slot and microstrip dipole-slot, with purpose of creation of small-antennas designed for use in radio-thermography systems. Methods and algorithms Iculation of such applicator characteristics and distribution of fields created by them ^logical medium are developed. Regularities, connecting geometric sizes of appli-radiating surfaces, form of excitation field amplitude distribution and character of distribution in biological medium are investigated. Possibility of resonator-slot ap-tors broadband matching with dielectric filling with use of coupling probe of com-ted geometry is researched and confirmed. Applicator constructions are proposed xperimental research of their characteristics is carried out.

Key words: ultrahigh frequencies, radio-thermograph, radiation, resonator-slot cators, dipole-slot applicators.

Підп. До друку 01.03.2000р. Формат 60х84'/16 Папір друк, офсетний

Ум. друк. Арк. 1,0 Облік вид. арк. Зам. №224

Тираж 100 прим.

Надруковано ПФ “Простор”

310168, Харків, вул. Ак. Павлова, 311