Создания малогабаритных устройств излучателей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

спираль излучение физиотерапия

Введение

1. Обзор литературы по УВЧ-электродам

2. Теоретическая часть

3. Экспериментальная часть

3.1 Методы экспериментального исследования ЗС

3.2 Метод измерения дисперсионных характеристик

3.3 Технические данные прибора Х1-42

3.4 Снятие экспериментальных данных

4. Сравнение результатов теоретических и экспериментальных

исследований

5. Конструкция предполагаемого УВЧ-электрода

6. Охрана труда

6.1 Оценка возможных опасных и вредных факторов

6.2 Охрана труда при реализации проекта

7. Экологическая часть

7.1 Источники электромагнитных полей радиочастот и их характеристика

7.2 Воздействие электромагнитных полей на организм человека

7.3 Нормирование электромагнитных полей

7.4 Требования к размещению объектов, излучающих в окружающую среду электромагнитную энергию радиоволн

7.5 Методы защиты от электромагнитных полей

8. Экономическая часть

Заключение

Список литературы



Аннотация

Выпускная квалификационная работа состоит из введения, обзора литературы по УВЧ-электродам, четырёх основных глав, охраны труда, экологической и экономической части, заключения и списка литературы.

В данной работе были исследованы теоретические и экспериментальные характеристики связанных цилиндрических спиралей и в результате были определены геометрические параметры замедляющей системы для разработки на её основе излучателя для УВЧ-физиотерапии с рабочей частотой 40 МГц и размером наружного диаметра 23 мм.

В экологической части и охране труда было оценено влияние излучения на человека и его защита.

В экономической части был произведён примерный расчёт стоимости данного проекта.



Введение

В данной дипломной работе исследуется возможность создания малогабаритных устройств (излучателей) для использования в медицине, в геологии, в физических исследованиях, в промышленности, в нагревательных установках, для контроля физических параметров материалов и окружающей среды, а также для обнаружения скрытых предметов и неоднородностей в электродинамических плотных средах.

Наиболее важными примерами применения являются следующие:

• Физиотерапевтическое лечение людей и животных, а также радиоволновая диагностика различных заболеваний;

• Обеспечение эффективного излучения и приема электромагнитной энергии при микроволновой топографии;

• Обнаружение скрытых предметов и разведка недр;

• Технологические процессы электромагнитного нагрева грунта, строительных материалов, жидкостей и других объектов большой толщины;

• Радиосвязь в воде и под землей.

В качестве базовых были взяты двухпроводные спиральные замедляющие системы. Исследуемые малогабаритные излучатели созданы на основе новых подходов к использованию замедляющих структур и нетрадиционных конструктивных принципов введения в указанные излучатели электромагнитной энергии, что позволило отказаться от использования в них керамического заполнения.

Воплощенные в новых конструкциях оригинальные технические идеи позволяют:

• Обеспечить точную локализацию электромагнитной энергии в облучаемом участке тела;

• Обеспечить доступ к облучаемому участку тела только поля волны магнитного типа;

• Установить излучатель вплотную к облучаемому (исследуемому) участку объекта;

• Изменять площадь зоны облучения при нагруженном воздействии, выбирая переменный по длине излучателя зазор между излучателем и поверхностью облучаемого (исследуемого) участка объекта.

Малогабаритные излучатели безопасны для медперсонала и пациентов. Излучение энергии не происходит, если излучатель не приложен к общему участку. Существенно снижен уровень излучения микроволновой энергии в окружающее пространство.

Повышают комфортность проводимого лечения: малый вес, большой набор излучателей разных размеров с различным распределением электромагнитного поля, что позволяет обеспечить оптимальное воздействие на пораженный участок тела и повысит эффективность проводимой терапии.

Дешевы и высокотехнологичны. Новый метод создания замедляющих структур и принципов их возбуждения позволит достичь высокий точности изготовления, что исключает разброс параметров. Не требуется настройка излучателя на рабочую частоту в процессе производства и при эксплуатации.

В данной работе исследуется теоретические и экспериментальные характеристики малогабаритных излучателей.

Постановка задачи.

Исследовать теоретические и экспериментальные характеристики связанных цилиндрических спиралей.

В результате исследований определить геометрические параметры замедляющей системы (связанных цилиндрических спиралей) для разработки на ее основе излучателя для УВЧ-физиотерапии с рабочей частотой 40МГц и размером наружного диаметра 23мм.



1. Обзор литературы по УВЧ - излучателям

В последние годы все более актуальной становится проблема конверсии СВЧ - техники, отличающейся высокой стоимостью и конструктивной сложностью. В этой связи необходимо более широко применять электромагнитный нагрев и создавать приборы на основе систем с распределенными постоянными, в частности замедляющих систем, позволяющих конструировать малогабаритные устройства на относительно низких частотах (вплоть до единиц мегагерц). При этом речь идет о многократном уменьшении резонансных размеров элементов, что существенно увеличивает эффективность использования.

Замедление электромагнитной волны позволяет значительно уменьшить резонансные размеры элементов, а также концентрировать электромагнитную энергию около поверхности.

Варьируя частоту волны, замедление или конфигурацию замедляющей системы, можно изменять область концентрации энергии и характер ее распределения.

Замедление и затухание волны существенно зависят от параметров окружающей среды, а также от расстояния между проводниками замедляющей системы, что позволяет создавать принципиально новые измерительные устройства.

Волновые сопротивления замедляющих систем можно изменить в более широких пределах, чем сопротивления волноводов и полосковых линий, что наряду с фильтрующими свойствами существенно расширяет функциональные возможности замедляющей системы.

Особый интерес представляют связанные замедляющие системы, позволяющие получить очень большое замедление, которые, как и поперечная структура поля зависят в таких системах от типа возбуждаемой волны; при этом можно добиться практически полного пространственного замедления энергий электрического и магнитного полей.

Добротность резонансных элементов на связанных замедляющих системах практически не зависит от замедления и, следовательно, от степени миниатюризации этих элементов.

При фазовых скоростях волны (v) в замедляющей системе, больших скорости света в окружающей среде, возникает направленное излучение, реализуемое при поперечных размерах системы, существенно меньших размеров спиральных антенн. Указанные выше особенности замедляющей системы сделали возможным создание на их основе функциональных элементов радиоэлектронных схем, помехозащищающих фильтров, антенн, нагревателей, чувствительных элементов датчиков, обладающих новыми уникальными свойствами.

Эффект излучения нашел применение так же при создании нового поколения СВЧ - излучателей для физиотерапевтического воздействия. Уникальные возможности для осуществления связи в плотных средах, глубокого прогревания грунта и проведения физиотерапевтических процедур возникают при использовании антенн на поверхностных волнах. Принцип их действия состоит в том, что при замедлении n, меньшем , в диэлектрике под углом ц к нормали, определяемым соотношением, происходит интенсивное излучение волны.

Концентрация энергии поля в связанных замедляющих системах позволяет осуществлять локальную физиотерапию на частотах 27 и 40 МГц, а также создавать эффективные коагулирующие скальпели, работающие на частотах 2,4 ГГц и 915 МГц.

Современный уровень технологии и производства излучателей аналогичного функционального назначения (для микроволновой терапии) за рубежом и в России находятся примерно на одинаковой высоте.

Для более подробного сравнения исследуемого прибора с аналогами, ниже приводятся описания некоторых из них.

«Электрод для ВЧ и СВЧ терапии полостных органов».

Авторское свидетельство СССР # 12665548 А16 # 1/06 1985г.

Электрод, содержащий коаксиальный резонатор, соединенный с вводом электромагнитной энергии, отличающийся тем, что с целью повышения лечебного эффекта за счет обеспечения аксиально-несимметричного распределения интенсивности нагрева, внутренний проводник выполнен в виде цилиндрической спирали, внешний в виде цилиндра с продольной щелью, угловой размер которой плавно увеличивается от нуля на конце электрода со стороны ввода электромагнитной энергии до 180-360? на противоположном конце электрода.

Недостаток - слабая излучательная способность вследствие концентрации электромагнитного поля между внутренним и внешним проводниками.

На рис.2 представлена конструкция предлагаемого электрода; на рис.3 - сечение I на рис.2; на рис.4 - сечение по А-А на рис.2

1 - внутренний проводник,

2 - диэлектрическая втулка,

3 - внешний проводник,

4 - ввод электромагнитной энергии,

5 - металлическая скоба,

6 - диэлектрическая втулка.

Радиусы «а» внутреннего проводника 1 и «в» внешнего проводника 3 выбираются исходя из получения в месте подсоединения к коаксиальному вводу 4 волнового сопротивления z₀, равного волновому сопротивлению коаксиального ввода 4 (50 или 75 Ом). При таких относительно низких волновых сопротивлениях, волновое сопротивление спиральной замедляющей системы, определяется выражением:

Где е - относительная диэлектрическая проницаемость втулки 6.

Рисунок 2

Рисунок 3

Рисунок 4



«Однонаправленный излучатель с пассивным апериодическим отражателем».

М.Кл. А61 #5/02 11.4.1973.

Однонаправленный излучатель с пассивным апериодическим отражателем, выполненный в виде отрезка изогнутой поверхности, отличающейся тем, что с целью использования излучателя, в качестве малогабаритного аппликатора облегающего типа при ДЦП - терапии, изгиб отражателя выполнен поперек направления оси вибратора в целом.

Вибратор выполнен из проводника, изогнутого в двух плоскостях.

На рис.5 изображен описываемый излучатель, общий вид; на рис.6 - то же, вид сверху.

Однонаправленный излучатель содержит вибратор 1 с построечными пластинами 2 и апериодический отражатель 3.

При проведении процедуры излучатель вплотную накладывают на облучаемый сустав или другую часть конечности, и, таким образом, создают вокруг облучаемой части конечности электромагнитное поле.

Рисунок 5

Рисунок 6

«Излучатель аппарата для микроволновой терапии»

Излучатель, содержащий металлическую трубку с коаксиально расположенным проводником, согласующий трансформатор и высокочастотный разъем, отличающийся тем, что с целью уменьшения рассеяния энергии в окружающее пространство, ограничение области облучения тела и повышения точности дозиметрии на конце коаксиального волновода укреплен металлический стакан с крышкой из высокочастотного диэлектрика, непосредственно соприкасающийся с поверхностью тела, а возбуждающийся штырь расположен в полости стакана.

На рисунке 7 показана схема устройства.

Волноводный излучатель представляет собой отрезок цилиндрического волновода 1, диаметр 11,5 см. Перпендикулярно оси волновода 1 на расстоянии четверти волны от его закороченного конца присоединена жесткая коаксиальная линия, состоящая из трубки 2 и центрального проводника 3. Для согласования входного сопротивления кабеля применен четвертьволновой трансформатор 4. Излучающая поверхность волновода закрыта крышкой 5. Для подключения излучателя с аппаратом имеется ВЧ разъем 6.

Рисунок 7

«Излучатель для аппаратов микроволновой терапии»

М.Кл. А61 # 5/02 25/12/1980

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к излучателям для аппаратов микроволновой терапии и предназначено для физиотерапии внутриполостных восстановительных процессов, в частности, в отоларингологии при заболеваниях наружного и среднего уха. Его цель - улучшение терапевтического эффекта путем повышения дозирования.

Излучатель для аппаратов микроволновой терапии, содержащий заключенный в кожух четвертьволновый несимметричный диполь и питающий кабель, отличается тем, что с целью улучшения терапевтического эффекта путем повышения точности дозирования, он снабжен кольцевой поглощающей вставкой, установленной за диполем на питающем кабеле, а последний выполнен из высокочастотного диэлектрика.

На рис. 8 изображен чертеж излучателя в разрезе.

Рисунок 8



«Аппарат для терапии полем дециметровой волн».

М.Кл. А61 # 5/00 13.11.1973.

Аппарат для терапии полем дециметровых волн, содержащий автогенератор, блок питания, блок автоматики, дипольный излучатель с экраном, отличающийся тем, что с целью обеспечения постоянства дозы высокочастотной энергии при любой ориентации облучаемых частей тела, он снабжен измерителем мощности, а дипольный излучатель выполнен в виде ассиметричного сочетания не менее четырех плеч шириной 0,04-0,05, расположенных на расстоянии 0,24-0,25 на экраном, имеющим коническую форму. Измеритель мощности выполнен в виде ассиметричного сочетания четырех плеч шириной 0,04 - 0,05, расположенных на расстоянии 0,24 - 0,25 над экраном, имеющим коническую форму. Измеритель мощности выполнен в виде ассиметричного сочетания не менее четырех плеч шириной 0,04 -- 0,05, расположенных на расстоянии 0,24 - 0,25 над экраном, имеющим коническую форму. Измеритель мощности выполнен в виде одного плеча направленного ответвителя, ориентированного на измерение падающей мощности.

На рисунке 9 изображена блок-схема описываемого аппарата; на рисунке 10 принципиальная схема измерителя мощности.

Аппарат содержит: Рис.9: 1 - автогенератор, колебательная система которого выполнена в виде двух коаксиальных контуров, расположенных по одну сторону от лампы 2 - измеритель, проходящий к пациенту 7 - коаксиальный кабель 14 - измеритель, имеющий два диполя, расположенных под углом 90 градусов друг к другу, 22 - блок питания аппарата, включающий в себя автотрансформатор и выпрямитель 23 - блок автоматики аппарата, содержащий биметаллическое реле выдержки времени, промежуточное и исполнительное реле, сигнальные лампы, процедурные часы с зуммером рис.10:

3 - петлевой коаксиальный направленный ответвитель, ориентированный на измерение падающей мощности.

4 - термопреобразователь энергии высокой частоты в энергию постоянного тока

6 - отрезок стандартной коаксиальной линии

8 - центральный проводник вторичного канала, представляющий собой петлю связи, нагруженную с одной стороны 4, с другой на резистор 9.

10 - резистор для согласования низкоомного сопротивления подогревателя с волновым сопротивлением вторичного канала

11, 12 - резисторы для калибровки шкалы 5 - измерительного прибора 13 - цилиндрический экран, укрепленный на 6

Рисунок 9

Рисунок 10

Теперь сравним исследуемое нами устройство с другими аналогами.

Необходимо отметить что, замедление электромагнитной волны вызывает концентрацию электромагнитного поля около поверхности замедляющей системы. Благодаря этому волна может распространяться около одного электрода без излучения в пространство.

Замедляющие системы все более широко проникают в область технологического нагрева благодаря удачному сочетанию положительных качеств антенных излучателей и параметров замедляющих систем.

В существующих излучателях имеется возможность локального нагрева больших объектов. В конструкции излучателей отсутствуют согласующие устройства в виде отрезков круглых волноводов с впадиной под прямым углом к коаксиальной линии длиной до 150 мм. От того, насколько точно выдержаны размеры волновода и коаксиала, зависит качество излучателя, характеризующее его согласование с трактом, то есть коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН), который определяет точность дозирования излучаемой мощности и является одной из характеристик излучателя.

В существующих излучателях круглый волновод для уменьшения размеров заполнен керамикой с высокой диэлектрической проницаемостью и малыми потерями. Величина диэлектрической проницаемости определяет расстояние от места пайки волноводов до закороченной стенки круглого волновода, которое должно составлять 1/4 рабочей длины волны. Несоблюдение рецептуры керамической массы вызывает изменение диэлектрической проницаемости, а это, в свою очередь, при неизменности расстояния до закороченной стенки, вызывает рост КСВН (КСВН определяет точность дозирования излучаемой мощности).

Производство керамических вставок является длительным и трудоемким процессом. Только для приготовления керамической массы и изготовления из нее заготовок требуется 8 операций и 15 единиц технологического оборудования, при этом каждая операция нуждается в контроле. Отжиг готовых заготовок требует 16,5 часа, несоблюдение графика отжига приводит к появлению в керамике трещин или пустот, длинные керамические стержни могут иметь прогиб. Все это ведет к увеличению КСВН и снижению качества излучателей.

На обожженную керамическую вставку необходимо нанести серебряную пасту. Максимальный нагрев приходится на границу серебра и керамики, что не всегда соответствует расположению пораженного участка. Изменить распределение поля по длине участка невозможно. Диаметр полостных излучателей не может быть сделан менее 15 мм. Излучатель невозможно изгибать под нужным углом, что бывает крайне необходимо при использовании его в ряде случаев практической физиотерапии.

Известные полостные излучатели имеют аксиально-симметричное распределение поля, поэтому, например, при воздействии на предстательную железу, облучению подвергаются как пораженные ткани, так и здоровые. В известных конструкциях принципиально невозможно получить аксиально-несимметричное распределение поля.

У известного излучателя для микроволновой терапии, содержащего металлическую трубку с коаксиально расположенным проводником, согласующий трансформатор и высокочастотный разъем, расположенные в металлическом стакане с крышкой из высокочастотного диэлектрика существует недостаток, который заключается в больших размерах излучателя, приводящих к увеличению облучаемой области, а также недостаточной эффективности воздействия из-за отражения энергии от тела, вызванного большой диэлектрической проницаемостью последнего.

Наиболее близким к предполагаемому является излучатель, содержащий диэлектрический корпус, на котором установлен коаксиальный ввод энергии, соединенный с коаксиальным резонатором, внешний проводник которого выполнен в виде цилиндрической спирали и диэлектрический колпачок, фиксирующий зазор между спиралью и поверхностью тела. Недостатком этого устройства является необходимость обеспечивать зазор между излучающим проводником замедляющей системы и поверхностью тела, что сопровождается уменьшением эффективного излучения.

Таким образом, не существует излучателей, могущих осуществлять такой способ излучения (приема) электромагнитной энергии высоких и сверхвысоких частот, который позволяет увеличить эффективность излучения при физиотерапевтическом воздействии, диагностике и других процессах, связанных с излучением электромагнитной энергии в биологические тела и другие диэлектрические объекты, а так же приемом излучения из указанных объектов, что влечет за собой расширение сферы использования излучателей и их функциональных возможностей.

Предложенный излучатель позволяет реализовать такой способ излучения (приема) электромагнитной энергии высоких и сверхвысоких частот.

Поставленная задача решается тем, что при реализации способа излучения (приема) электромагнитной энергии в биологические тела (из тел) и другие диэлектрические объекты снаружи (внутрь) облучаемого объекта вдоль поверхности касания располагают излучатель, в котором формируют замедленную электромагнитную волну гибридного типа с фазовой скоростью, превышающей скорость распространения плоской волны в объекте, и обеспечивают доступ к облучаемому участку объекта только поля волны магнитного типа, экранируя облучаемый участок тела от поля волны электрического типа.



2. Теоретическая часть

Разработка высокочастотных электродов для физиотерапии, в отличие от разработки СВЧ - электродов, затрудняется увеличением их резонансных размеров, что делает невозможным локализовать энергию поля в небольших объемах тела. Уменьшить размеры СВЧ - электродов удается с помощью выполнения их в виде замедляющих систем.

Резонансные размеры таких электродов уменьшаются во столько раз, во сколько уменьшается фазовая скорость волны в замедляющей системе. Особенно сильно удается уменьшить размеры (в десятки сотни раз) в случае связанных электрических систем. Кроме уменьшения резонансных размеров электроды на связанных замедляющих систем обладает другой замечательной способностью. Практически вся энергия электрического поля возбуждаемой волны в замедляющей системе сосредоточена внутри электрода между проводниками замедляющей системы, а энергия магнитного поля находится снаружи проводников, что позволяет осуществлять терапевтическое воздействие только магнитным полем.

Ниже приводится результаты теоретического исследования связанных спиральных цилиндрических систем.

В данной работе в качестве излучающего элемента микроволнового излучателя рассматривается замедляющая система. Что это такое?

Электродинамическая система, в которой возможно распространение медленной волны в заданном направлении, называется замедляющей системой. Под медленной электромагнитной волной обычно понимают монохроматические колебания, у которых фазовая скорость меньше скорости света в вакууме.

Имеются разнообразные способы получения медленных волн.

Первый способ заключается в получении медленной волны подбором параметров среды. Например, заполняя однородный волновод диэлектриком с относительной диэлектрической проницаемостью е и магнитной проницаемостью м=1, можно получить коэффициент замедления волны:

Однако трудно изготовить диэлектрик с большой диэлектрической проницаемостью и малыми высокочастотными потерями.

Второй способ реализуется подбором соответствующих конфигураций поверхностей металлической системы, обеспечивающих возможность значительного уменьшения фазовой скорости волны вдоль заданного направления.

Хотя замедления можно получить при активном сопротивлении поверхности, это, вследствие больших потерь, практически не имеет смысла. Поэтому получить чисто реактивное сопротивление необходимо, что можно осуществить с помощью периодических структур, на основе которых построено большинство применяемых в СВЧ - устройствах замедляющих систем.

Большой практический интерес представляют так называемые связанные цилиндрические спирали.

Рассмотрим общую теорию связанных линий.

Телеграфные уравнения двух связанных длинных линий можно записать в следующем виде:

где I₁,U₁,I₂,U₂ - токи и напряжения в I-ой и II-ой линиях

L₁,c₁,L₂,c₂ - индуктивности и емкости I-ой и Il-ой линии, приходящиеся на единицу длины

L₁₂,c₁₂ - взаимные коэффициенты индуктивности и емкости линий, приходящиеся на единицу длины.

Если амплитуды напряжений и токов представить в виде:

U₁=Ae^-jвz I₁=Be^-jвz (2)

U₂=De^-jвz I₂=Ee^-jвz

где в - волновое число; A,B,D,E - постоянные величины, то система (1) после подставления в неё уравнений (2) будет выглядить:

Система уравнений (3) имеет тождественно не нулевые решения относительно постоянных A,B,D,E если определитель ее равен нулю. Это приводит к дисперсионному уравнению:

Решение этого уравнения относительно в имеет четыре действительных корня:

где: (6)

(7)

Из (5) следует что в⁽¹⁾, в⁽³⁾ и в⁽²⁾, в⁽⁴⁾ соответствуют волнам идущим в разных направлениях, причём:

Для определения напряжений и токов необходимо рассчитать постоянные A,B,D,E. Система (3) позволяет выразить все постоянные через одну (например А). Так как в каждой линии могут существовать одновременно четыре волны (две с одной фазовой постоянно, идущие в разные стороны, и две с другой), то в общем виде выражения для токов и напряжений состоят из четырех слагаемых, соответствующих этим четырем волнам. Амплитуды этих волн определяются из граничных условий на концах линий.

Выражения (3) дают возможность провести достаточно полный анализ свойств, связанных передающих линий. В частности, можно рассчитать коэффициент передачи мощности, коэффициент направленности и ряд других параметров.

При анализе свойств связанных линий для простоты предположим, что одновременно распространяются две волны с волновыми числами в⁽¹⁾ и в⁽³⁾ (отражённых волн нет).

Рассмотрим дисперсионное уравнение связанных линий. Для упрощения введём следующие обозначения:

(8)

где b₀ и х₀ - безразмерные коэффициенты емкостной и индуктивной связи;

(9)

где в₁ и в₂ - волновые числа каждой из связанных линий.

С учетом выражений (8) и (9) решение уравнения (4) будет выглядеть:

(10)

Рассмотрим случай так называемых синхронных спиралей, у которых в₁=в₂=в_ср.

При этом условии уравнений (10) принимает вид:

(11)

В большинстве случаев можно положить |b₀| ? |х₀| тогда из выражения (11) получим:

(12)

(13)

Волновое число в_t соответствует «медленной волне», так как |в_t|> |в_ср|, а в_t - «быстрой волне», так как |в_l| < |в_cp|.

Разность волновых чисел медленной и быстрой волны называют волновым числом биений. В общем случае, когда спирали не синхронны, то:



(14)

Разность волновых чисел не синхронных спиралей называют разностным волновым числом в_p = в_x -в₂. Тогда формулу (14) можно записать:

(15)

где - волновое число связи.

Для синхронных линий в_p=0 и в_б=в_c

Рассмотрим энергетические соотношения для связанных линий. Для синхронных линий, когда в₁ = в₂ = Я_cp из выражений (2) и (3) получим:

(16)

При z_1B=z_2B и |х₀| ? |b₀| для медленной волны выражение (16) принимает вид:

(17)

Для быстрой волны : (18)

Равенство (17) означает, что для медленной волны потенциалы в линиях равны по величине и противоположны по знаку, т.е. электрическое поле между линиями поперечно, поэтому медленную волну называют поперечной. Для быстрой волны (18) потенциалы в линиях одинаковы, электрическое поле продольно, быструю волну называют продольной.

Рассмотрим вопрос о длине так называемого связанного участка, на котором мощность, поданная первоначально в одну линию, передается затем в другую.

Предположим, что в связанных линиях одновременно существуют две нормальные волны. Между этими волнами возникает интерференция или пространственные биения.

Выражения для волн в I - ой и II- ой линиях:

(19)

Предположим, что U₂= 0 при z = 0 , и, следовательно U_t2 = -U_l2

Учитывая равенство (17) и (18), получим:

U_t2 = -U_t1 U_l2 = U_l1, то есть U_t1 = U_l1

Из выражений (19) и последующих соотношений получаем:

(20)

(21)

Из выражений (20) и (21) следует, что если сначала волна имела максимальную амплитуду в I-ой линии, а во Il-ой амплитуда равнялась нулю, то на расстоянии:

(22)

волна из I-ой линии перейдёт во II-ую.

Из соотношений (12) и (13) в случае синхронных спиралей длина связи равна:

(23)

Теперь перейдем непосредственно к связанным спиралям. На рис.11 показаны связанные спирали, а на рис.12 изображена их эквивалентная схема, где:

a₁, a₂ - радиусы внутренней и внешней спиралей

d₁, d₂ - шаг внутренней и внешней спиралей

ш₁, ш₂ - угол намотки внутренней и внешней спиралей

Рисунок 11

Рисунок 12



Чтобы теорию длинных линий применить к связанным спиралям, необходимо знать L и с. Можно показать, что эти параметры для основной азимутально симметричной волны определяют следующим образом:

(24)

(25)

(26)

(27)

(28)

(29)

где г - радиальное волновое число

k₀ и k₁, I₀ и I₁, - модифицированные функции Бесселя второго и первого родов нулевого и первого порядков.

С помощью выражений для L и с можно рассчитать основные характеристики связанных спиралей. Если L и с (24) - (29) подставить в (4), то получим дисперсионное уравнение связанных спиралей:

(30)

Это уравнение совпадает с уравнением, выведенным электродинамическим способом в работе: Posche K. Wellenforpflanzung langs einez Wendel mit Zylinderschem aubeuleiter. AEU, 1953, B7, H. 11, S. 518 - 522 Используя выражения (24) - (29), рассчитаем коэффициенты емкостной и индуктивной связи (8):

(31)

(32)

Если ctgш₁ и ctgш₂ больше 10, что в большинстве случаев, то

(32a)

Эта формула справедлива, если . При малых гa погрешность тем больше, чем больше отношение (а₂/ a₁).

При гa₁ и гa₂ >>1 из выражений (31) и (32а) следует:

(33)

(34)

Выражение (34) справедливо при условии, что ctg²ш₁, ctg²ш₂ > 1

Знак в выражениях (31) и (32) определяется на основе физических соображений. Так как единичный заряд, помещенный на внутренней спирали, наводит на внешней спирали заряд всегда другого знака, то перед b₀ ставится «-». Знак х₀ определяется намоткой спиралей. Если спирали намотаны в одну сторону, то х₀ > 0, если нет - то х₀< 0. Из выражения (22) следует, что длина связи мала, если в_б велико. Значение в_б (14) получается наибольшим, а длина связи наименьшей, если х₀ и b₀ одного знака. Для этого необходимо спирали наматывать в разные стороны.

Выражения (24) - (29) для распределенных параметров позволяют также рассчитывать волновое число каждой спирали:

(35)

(36)

и волновые сопротивления:

(37)

(38)

С помощью выражений (35) и (36) можно установить условия, при которых связанные спирали синхронны:

(39)

В техническом задании определена рабочая частота излучателя - 40 МГц. Исследуя в дальнейшем теоретические и экспериментальные дисперсионные характеристики связанных спиралей, необходимо добиться определенного замедления на указанной частоте.

Замедление при воздействии на человеческий организм должно составлять ; где ц - угол излучения замедляющей волны к поверхности объекта, где е - диэлектрическая проницаемость среды (человека). Человеческий организм на 80 % состоит из воды, следовательно можно принять, что в данном случае е - диэлектрическая проницаемость воды (80).

Эффект излучения наиболее эффективен при ц = 45.

Таким образом, замедление при воздействии на человеческий организм должно составлять:



В техническом задании определен диаметр внешней спирали - 23мм, то есть а=11,5 мм. Радиус внутренней спирали, а также угол, направления и шаг намотки обеих спиралей будем варьировать в соответствии с требуемой частотой и замедлением, соблюдая при этом условие синхронизма спиралей.

Рассмотрим 3 случая:

1) то есть а₁ = 9 мм

2) то есть а₁ = 7,75 мм

3) то есть а₁= 6,5 мм

При неизменном соотношении между ctgш₂ и ctgш₁ условие синхронизма выполняется лишь при одном значении гa₁. С изменением гa₁ соотношение должно изменяться, для того, чтобы спирали оставшись синхронными. Зависимости коэффициентов связи от гa₁, рассчитаны по формулам (31) и (32а). Из данных можно заключить что с ростом гa₁, коэффициенты b₀, x₀ быстро уменьшаются. С увеличением cотношения а₂/а₁ коэффициенты связи также уменьшаются, причем уменьшение это больше при больших и меньше при малых гa₁. При больших гa₁ можно считать

|b₀| ? |х₀|.

Так как b₀ и х₀ малы, то приближенно в₁ и в₂ (35) и (36), z₀₁ и z₀₂ (37) и (38) можно рассчитать, пользуясь формулами для одиночной спирали.

Имеет смысл применить к рассматриваемой системе метод эквивалентной линии.

Максимальное поле волны Е типа имеет только составляющую Ну. Определяемая этим полем погонная индуктивность L₀ такова, что произведение L₀c₀ ( с₀ - погонная емкость) тождественно равно е₀м₀, то есть:

(40)

Поэтому можно ограничиться нахождением только индуктивности, создаваемой волной магнитного типа, то есть поперечной составляющей тока проводимости. Большое дисперсионное уравнение (30) можно заменить уравнением:

(41)

где ;

Таким образом дисперсионное уравнение будет иметь следующий вид:

(42)

где п_от - относительное замедление

Рассмотрим четыре возможные варианта работы

1. Синфазное возбуждение и противоположное направление намотки спиралей. Выбирая знаки «+» и в числителе и в знаменателе(42), получим п_от =1, то есть дисперсия отсутствует, а замедление приблизительно равно геометрическому. Рис. 13

2. Синфазное возбуждение и одинаковое направление намотки спиралей (Рис. 14). Выбирая знак «-» в числителе и «+» в знаменателе(42) получим

(43)

Замедление оказывается меньше геометрического. С ростом частоты и увеличением разницы между радиусами спиралей параметр (а₂ - а₁)ф₀ растет и замедление стремится к геометрическому. При очень малой разнице между радиусами спиралей, или очень низких частотах, когда (а₂ -a₁)ф₀1,



(44)

3. Противофазное возбуждение и одинаковое направление намотки спиралей (Рис. 15). Выбирая знак «-» и в числителе и в знаменателе (42) получим n_от=1, то есть дисперсия отсутствует. А замедление равно геометрическому.

4. Противофазное возбуждение и противоположное направление намотки спиралей (Рис. 16). Выбирая знак «-» в знаменателе и знак «+» в числителе (42), получим:

(45)

Из (45) видно, что с ростом частоты или разницы между радиусами спиралей замедление стремится к геометрическому, но в отличие от второго варианта при малой разнице между радиусами спиралей или очень низких частотах замедление может превышать геометрическое:

(46)

Существенный практический интерес представляет такой случай, когда поле магнитного типа может быть представлено только суммой плюс первой и минус первой гармоник.

Можно получить следующее дисперсионное уравнение:

(47)

где d - шаг спиралей (d₁=d₂, так как спирали синхронны).

Анализируя дисперсионное уравнение (47) можно прийти к следующим выражениям для каждого из четырех вариантов работы:

1. «+» в числителе и в знаменателе выражения (47):

(48)

Вследствие того, что уменьшение разницы между радиусами спиралей сопровождается более быстрым увеличением знаменателя и, следовательно, уменьшением замедления. При достаточно низких частотах или малых значениях (а₂ -а₁), когда , получим:

(49)

при (50)

2. «-» в числителе и «+» в знаменателе выражения (47):

(51)

при (52)

при (53)

3. «-» в числителе и знаменателе выражения (47):

(54)

при (55)



Таким образом, в этом случае при маленькой разнице между радиусами спиралей или очень низких частотах дисперсия отсутствует, но замедление оказывается меньше геометрического. При дальнейшем сближении радиусов спиралей, когда , замедление становится равным геометрическому.

4. «+» в числителе и «-» в знаменателе выражения (47):

(56)

при (57)

При дальнейшем уменьшении разницы между радиусами спиралей, когда выполняется условие , получим:

(58)

Таким образом, в этом случае замедление может быть существенно больше геометрического.

Теперь перейдем непосредственно к построению дисперсионных характеристик.

На основании вышеизложенных теоретических соображений и с использованием выражений (43), (45), (48), (51), (54), (56) будут построены зависимости коэффициента замедления n от частоты f при разных значениях шага спиралей для четырех возможных варианта работы, каждый из которых будет включать в себя три случая:

Необходимо заметить, что коэффициент замедления з определяется следующим образом, где - геометрическое замедление. Шаг спиралей был выбран в пределах 12-20 мм. Таким образом каждый содержит три характеристики для:

d₁=12 мм;

d₂=16 мм;

d₃=20 мм;

Рисунок 13

Рисунок 14

Рисунок 15

Рисунок 16

Приведенный приближенный теоретический анализ четырех возможных вариантов подключения спиралей при различных значениях шага намотки спиралей и разных соотношениях радиусов спиралей позволил определить, что противофазное возбуждение при противоположном направлении намотки спиралей позволяет получить замедление, существенно превышающее геометрическое (вариант 4).

Также удалось определить, что вариант 4 является наиболее соответствующим техническому заданию по значениям результатов, полученных при построении дисперсионных характеристик.

Вариант 3 (противофазное возбуждение и одинаковое направление намотки спиралей) по форме характеристик близок к варианту 4, но имеет гораздо меньшие значения замедления.

Таким образом теоретический анализ показал, что разработка излучателя для УВЧ - физиотерапии на связанных цилиндрических спиралях с рабочей частотой 40 МГц (наружный диаметр излучателя 23 мм) наиболее эффективно должна производиться при противофазном подключении спиралей и противоположном направлении намотки спиралей.

Из трех рассматриваемых случаев варианта 4 при различных значениях шага спиралей наиболее соответствующими техническому заданию являются следующие решения:

а₂= 11,5 мм. - радиус внешней спирали

1) а₁ =9 мм. - радиус внутренней спирали d₁ = 12 мм. - шаг намотки спиралей (вариант 4-а)

2) а₁ = 7,75 мм., d₂ = 16 мм (вариант 4-б)

3) а₁ = 6,5 мм., d₃ = 20 мм (вариант 4-в)

Остается проверить правильность теоретических выводов экспериментальными исследованиями.



3. Экспериментальная часть

3.1 Методы экспериментального исследования замедляющих систем

Теоретическая оценка электродинамических свойств волноводных систем сплошной конфигурации обычно является очень приближенной. Поэтому основным критерием пригодности новых замедляющих систем для исследования в приборах являются результаты экспериментального исследования.

Целью экспериментальных исследований является качественная и количественная оценка основных характеристик замедляющих систем, в первую очередь дисперсионных характеристик.

Дисперсионные характеристики замедляющих систем можно определить экспериментально в результате холодных измерений, производимых при отсутствии электронного пучка или иного тела, с которым взаимодействует электромагнитное поле. Существенным преимуществом «холодных» измерений является их относительная простота. При «холодных» измерениях параметров замедляющей системы не нужно собирать прибор в целом. Большинство «холодных» измерений можно проводить на макете отрезка замедляющей системы, длина его может быть значительно меньше длины реальной системы. Кроме того, макет отрезка замедляющей системы можно моделировать простым пересчетом геометрических размеров для исследования в наиболее удобном частотном диапазоне. В результате, исследования упрощаются и удешевляются. Поэтому «холодные» измерения являются основным методом исследования свойств замедляющих систем.

Однако, при «холодных» измерениях не всегда удается получить полную информацию о свойствах реального прибора. Характеристики замедляющей системы номинальной длины могут отличаться от характеристик макета, на котором проводились «холодные» измерения. Это обусловлено изменением условий возбуждения колебаний различных типов, качеством замедляющей системы, согласованной с внешними цепями.

Кроме того, определенные требования к конфигурации замедляющей системы связаны с условиями взаимодействия с объектом, теплоотвода и т.п.

Поэтому, конечно окончательное суждение о пригодности замедляющей системы можно вынести лишь после проведения «горячих» испытаний, то есть испытаний полностью собранного прибора.

3.2 Методы измерения дисперсионных характеристик

Наибольшей простотой отличаются резонансные методы определения дисперсионных характеристик, при использовании которых не требуется согласование, а измерения можно проводить на достаточно коротком отрезке замедляющей системы.

При резонансных измерениях отрезок замедляющей системы закорачивается с двух сторон и превращается в объемный резонатор с достаточно высокой добротностью. Исследуя распределение полей вдоль оси такого резонатора на его резонансных частотах, можно определить фазовый сдвиг на период системы и построить дисперсионную характеристику. Допустимость резонансных методов основана на представлении стоячей волны в закороченной на краях линии передачи суммой двух одинаковых бегущих волн, распространяющихся в противоположных направлениях. Края замедляющей системы ограничены металлическими плоскостями.

Для определения большого числа видов колебаний и правильного построения дисперсионной характеристики необходимо, чтобы возбуждение замедляющей системы осуществлялось на краю, где высокочастотное поле существует для всех видов колебаний. Для быстрого и достаточного нахождения всех резонансов, при измерениях на зондовой измерительной установке, необходимо предварительно произвести измерения спектра резонансной частоты в широкой полосе с помощью панорамного измерителя. Измерения производятся методом двухполюсника, при котором часть мощности поглощается в замедляющей системе, а часть - отражается. Отраженный сигнал детектируется, соответствующим образом обрабатывается и подается на экран электронно-лучевой трубки, где горизонтальная развертка является осью частот. На резонансных частотах появляются провалы (минимумы коэффициента стоячей волны (КСВ)), которые хорошо видны на рис.17. При увеличении связи генератора панорамного измерителя с замедляющей системой, глубина провалов на резонансах увеличивается.

Рисунок 17

Для уменьшения вносимых искажений в замедляющую систему величину связи необходимо делать минимальной. На каждом резонансе измеряется резонансная длина волны. В зависимости от ширины полосы пропускания замедляющей системы применяется один или два панорамных измерителя, имеющие разные диапазоны частот.

После измерения спектра резонансов на панорамном измерителе производится определение видов колебаний на измеренных резонансах с помощью измерительного стенда. Известно, что на резонансных частотах вдоль оси системы укладывается целое число полупериодов стоячей волны, по которому определяется фазовый сдвиг на период системы для данного вида колебаний:

Где g₀- номер вида колебаний (число лепестков зондограммы его поля)

- число ячеек в периоде замедляющей системы

- число периодов структуры в резонансном пакете;

l - геометрическая длина системы;

d - шаг по пространству взаимодействия;

Для высших гармоник ц определяется соответственно:

Где - число лепестков поля m-ой гармоники.

Знак m определяется дисперсией. Коэффициенты фазового замедления гармоники:

Где л - длина волны в свободном пространстве

Наиболее легко можно измерить дисперсионные характеристики у простых замедляющих систем с помощью перемещающегося зонда с квадратичным детектором, исследуя нормальные к плоскости составляющие электрического поля. При этом устанавливается номер вида колебаний и длина замедленной волны (по номеру колебаний или непосредственным измерением).

Следует отметить, что для построения дисперсионной характеристики в простых замедляющих системах нет необходимости определять все виды колебаний. Достаточно расшифровать и измерить два соседних вида колебаний, номера остальных видов проставляются на спектре резонансов, измеренных в режиме «панорама» в порядке следования резонансов. Такая операция допустима, если в измеряемой полосе пропускания нет высших полос или, когда нет загиба основной дисперсионной характеристики. Однако, во-первых, в сложных замедляющих системах сделать это известным методом не представляется возможным. По осциллограмме практически невозможно установить номер вида колебаний. Во-вторых, замедляющие системы с большими потерями или невзаимными элементами (для развязки между входом и выходом) и резонансные замедляющие системы, не имеющие поперечных зеркальных плоскостей симметрии, традиционным методом также не могут быть измерены.

Наконец, во многих случаях требуется контроль дисперсии не на месте, а на согласованной (или несогласованной) замедляющей системе прибора, в том числе и с участком поглощения, где известные способы также не применимы.

Чтобы иметь возможность надежно исследовать и контролировать дисперсию во всех этих случаях, был предложен и реализован для этих целей метод смещения сигнала, снятого зондом с опорным когерентным сигналом и последующего их детектирования, то есть метод опорного сигнала.

3.3 Технические данные прибора Х1-42

Прибор X1-42 предназначен для исследования амплитудно-частотных характеристик широкополосных устройств с динамическим диапазоном до 14дБ с воспроизведением амплитудно-частотной характеристики на экране электронно-лучевой трубки.

Диапазон частот прибора от 0.5 до 1250 МГц перекрывается двумя поддиапазонами:

I: 0.5 - 610 МГц

II: 610 - 1250 МГц

В приборе предусмотрены собственные кварцованные частотные метки 1; 10; 100 МГц.

Принцип работы прибора X1-42 основан на том, что на вход исследуемого четырехполюсника подается напряжение со стабильной амплитудой и изменяющейся частотой от генератора качающейся частоты, а огибающая высокочастотного напряжения, полученная с помощью широкополосной детекторной головки, на выходе исследуемого четырехполюсника, воспроизводится на экране ЭЛТ индикатора в виде амплитудно-частотной характеристики исследуемого объекта. Развертка по горизонтали в индикаторе осуществляется синхронно с качанием частоты генератора. Анализ частотных параметров четырехполюсника осуществляется с помощью частотных меток.

Ниже на рис. 18 приведена структурная схема соединения блоков прибора X1-42 для исследования амплитудно-частотных характеристик четырехполюсника.

1. Генератор качающейся частоты

2. Индикатор

3. Детекторная головка

4. Исследуемый прибор

Рисунок 18

Соединения блоков прибора X1-42 проводятся высокочастотным экранированным кабелем.



3.4 Снятие экспериментальных данных

В экспериментальной части данной работы ставились задачи:

- снятие данных для построения дисперсионных характеристик макета;

- исследование зависимости замедления от изменения геометрических параметров спиральной замедляющей системы.

Все измерения проводились на приборе для исследования амплитудно-частотных характеристик X1-42, основные технические данные которого описаны выше.

Снятие данных для построения дисперсионных характеристик проводились резонансным методом. При этом отрезок замедляющей системы подключался одним концом к прибору X1-42 по схеме двухполюсника. Другой же конец замедляющей системы либо закорачивался, либо там осуществлялся так называемый «холостой ход».

Если свободный конец замедляющей системы закорачивался, то в резонансном отрезке замедляющей системы возникал полуволновой резонанс (на определенных частотах), а если там осуществлялся «холостой ход», то -четвертьволновый резонанс.

На экране электронно-лучевой трубки при этом в любом случае возникала резонансная картина со множеством экстремумов. Известно, что на частоте резонанса радиотехнический объект имеет чисто активное сопротивление, и электромагнитная волна не отражается, а только поглощается в нем. Следовательно, частоты минимумов сигнала на экране электронно-лучевой трубки являются частотами резонансов, которых возникает множество из-за того, что на длине отрезка замедляющей системы укладывается кратное количество половинок или четвертей длин замедленных волн.

Номер резонанса легко установить методом возмущения поля вблизи поверхности замедляющей системы, то есть о том, сколько частей замедленной волны уложилось на нем.

Известно, что замедление электромагнитной волны определяется следующим образом:

где С - скорость света в вакууме;

н_ф - фазовая скорость электромагнитной волны в системе;

л_зам - длина замедленной в системе волны;

л_св - длина волны в свободном пространстве.

Длина замедленной в системе волны л_зам, определяется через длину отрезка замедляющей системы и номер резонанса:

Для полуволнового резонанса Для четвертьволнового резонанса

Тогда

где N - номер резонанса;

l - длина отрезка замедляющей системы в метрах;

f- частота резонанса в МГц; l = 0,183 м.

Таким образом будут получены дисперсионные характеристики для четырех возможных вариантов подключения спиралей, каждый из которых содержит по три случая ( а₂/а₁= 1,25; 1,5; 1,75) при различных значениях шага (d₁ =12 мм; d₂ = 16 мм; d₃= 20 мм) спиралей.

Следует добавить, что при рассмотрении вариантов:

I (синфазное возбуждение и противоположное направление намотки спиралей) и II (синфазное возбуждение и одинаковые направления намотки спиралей) замедление рассчитывается по формуле для полуволнового резонанса;

III (противофазное возбуждение и одинаковое направление намотки спиралей) и IV (противофазное возбуждение и противоположное направление намотки спиралей) замедление рассчитывается по формуле для четвертьволнового резонанса.



4. Сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований

Сравнивая полученные теоретические и экспериментальные результаты, можно сказать, что выводы, сделанные в итоге теоретического анализа, оказались в принципе верными.

На самом деле, вариант подключения спиралей IV (противофазное возбуждение при противоположном направлении намотки спиралей) оказался наиболее соответствующим техническому заданию.

Из девяти решений, рассматриваемых в варианте IV, после теоретического анализа наиболее соответствующими техническому заданию являлись следующие: а₂=11,5мм.

1) а₁ =9 мм; d= 12 мм. (вариант IV-a)

2) а₂ =7,75 мм; d = 16 мм. (вариант IV-б)

3) а₃=6,5 мм; d = 20 мм. (вариант IV-в)

...