Микроволновый контактный излучатель

 

Микроволновый контактный излучатель относится к медицинской технике. Для обеспечения режима широкополосного согласования, локализации области облучения излучатель выполнен в виде отрезка коаксиальной линии, заполненной диэлектриком, с открытым концом внутреннего диаметра D, длиной l=λ_max , где λ_max максимальная длина волны в рабочем диапазоне излучателя, внутренний проводник на длине отрезка плавно смещается от центра к поверхности внешнего проводника до величины r в выходном сечении излучателя, где r определяется по формуле , здесь D - внутреннее сечение излучателя, соответствующее области облучения; d - диаметр внутреннего проводника; ε - диэлектрическая проницаемость диэлектрика заполнения; Z₀ - волновое сопротивление свободного пространства; Z_ВС - волновое сопротивление в выходном сечении излучателя, согласованное с поверхностным сопротивлением кожного покрова человека. 5 ил.

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано в качестве контактного излучателя в микроволновой рефлекторной терапии.

В медицинской технике для терапии с помощью воздействия переменного электромеханического поля известны излучатели контактного типа, содержащие линию передачи, излучающий элемент, корпус [1] и излучатели на основе открытого конца линии передачи [2] Однако известные излучатели имеют ряд существенных недостатков и в большинстве непригодны для микроволновой рефлекторной терапии.

Во-первых, известные излучатели в сверхвысокочастотном диапазоне (исключая ряд излучателей в миллиметровом диапазоне) имеют области облучения в контактном режиме с размерами, значительно превышающими допустимые для рефлекторной терапии. В рефлекторной терапии область облучения должна быть локализована в окрестности биологически активной точки (БАТ) с целью эффективного воздействия на нее и исключения воздействия на соседние БАТ. Эта область (Табеева Д.М. Руководство по иглорефлексотерапии. М. Медицина, 1980) поверхности должна быть сечением 3 5 мм и глубиной проникновения 2 3 мм. Размеры излучателей, известных в медицинской технике терапии электромагнитным полем, и сечения областей поверхности облучения имеют порядок длины волны и более, т. е. значительно (например, сантиметровый и дециметровый диапазоны частот) превышают допустимые размеры области облучения.

Во-вторых, известные излучатели, как правило, имеют фиксированную рабочую частоту настройки, что затрудняет их использование в полосе частот и делает их непригодными при использовании для воздействия широкополосными сигналами.

В-третьих, известные излучатели также не обладают широкополосным согласованием в режиме контакта с кожным покровом человека, что в конечном итоге делает их неэффективными при использовании.

Наиболее близким техническим решением контактного широкополосного излучателя для микроволновой рефлекторной терапии является излучатель на основе открытого конца коаксиальной линии с сечением, допустимым для облучения в контактном режиме области БАТ (т.е. 3 5 мм) [2] Однако известное техническое решение обладает существенными недостатками.

Во-первых, хотя излучатель на основе открытого конца коаксиальной линии имеет малую апертуру, т.е. малую излучающую поверхность, диаграмма его излучения [2] имеет провал в области центрального проводника, что не позволяет локализовать поле излучения на БАТ в режиме контакта, обеспечить его равномерность.

Во-вторых, излучатель не согласован в режиме контакта с кожным покровом человека, что делает его также малоэффективным при использовании, так как не обеспечивается эффективная отдача энергии электромагнитного поля в кожный покров человека.

Указанные недостатки существенно снижают эффективность использования излучателя и в большинстве случае делают его практически непригодным к применению в рефлекторной терапии.

Для обеспечения режима широкополосного согласования, локализации области облучения и обеспечения в ней равномерности поля излучения в микроволновом диапазоне излучатель в виде отрезка коаксиальной линии, заполненной диэлектриком, с открытым концом внутреннего диаметра D для контактного облучения выполнен длиной l≃λ_max где λ_max максимальная длина волны в рабочем диапазоне излучателя, внутренний проводник на длине отрезка плавно смещается от центра к поверхности внешнего проводника до величины r в выходном сечении излучателя, здесь r определяется по формуле где D внутреннее сечение излучателя, соответствующее области облучения; d диаметр внутреннего проводника; ε диэлектрическая проницаемость диэлектрика заполнения; Z₀ волновое сопротивление свободного пространства;
Z_ВС волновое сопротивление в выходном сечении излучателя, согласованное с поверхностным сопротивлением кожного покрова человека.

Смещение центрального проводника в коаксиальной линии приводит к изменению (уменьшению) волнового сопротивления линии и позволяет управлять сопротивлением в выходном сечении отрезка линии, т.е. контактного излучателя. Это позволяет получить волновое сопротивление в выходном сечении излучателя, согласованное с поверхностным сопротивлением кожного покрова человека.

Выполнение же отрезка с размерами l≃λ_max (где λ_max некоторая максимальная длина волны в рабочем диапазоне излучателя) с плавным смещением проводника на длине отрезка линии обеспечивает широкополосное согласование сопротивления в выходном сечении со входным сопротивлением излучателя.

Смещение центрального проводника к поверхности внешнего проводника обеспечивает квазиизотропную диаграмму направленности (ДН) поля излучения и позволяет локализовать область облучения в режиме контакта в окрестности БАТ и обеспечить в ней равномерность поля излучения.

На фиг. 1 представлена конструкция излучателя; на фиг.2 график относительного изменения волнового сопротивления коаксиальной линии в зависимости от величины смещения внутреннего проводника; на фиг.3 эскиз открытого конца коаксиальной линии и ДН его излучения; на фиг.4 эскиз открытого конца коаксиальной линии со смещенным внутренним проводником и ДН его излучения; на фиг. 5 результаты экспериментального апробирования образца контактного излучателя по режиму согласования в полосе частот с кожным покровом человека.

Излучатель состоит (фиг.1,а) из отрезка жесткой коаксиальной линии длиной l, с внутренним диаметром D, диаметром внутреннего проводника d, заполненной диэлектриком с диэлектрической проницаемостью ε Диаметр внутреннего сечения D выбирается из соображений локализации поля излучения в окрестности БАТ и составляет 3 5 мм. Диаметр внутреннего проводника d и диэлектрик заполнения с e выбирается для обеспечения волнового сопротивления во входном сечении излучателя 1, равном волновому сопротивлению питающей коаксиальной линии и выходному сопротивлению генератора соответственно. Внутренний проводник диаметра d плавно смещается на длине отрезка от центра к поверхности внешнего проводника на величину r в выходном сечении 2 излучателя.

Питание излучателя осуществляется подключением входного сечения 1 (фиг. 1,а) коаксиальным разъемом к линии передачи (коаксиальный кабель, волновод с волноводно-коаксиальным переходом и др.). Рабочей излучающей апертурой является открытый конец отрезка коаксиальной линии со смещенным внутренним проводником 2 (фиг.1,б).

Работает устройство следующим образом.

Сверхвысокочастотный сигнал от питающего генератора через линию передачи поступает на вход 1 (фиг.1,а) излучателя. Вход излучателя согласован с питающей линией передачи и выходом генератора соответственно.

Волновое сопротивление Z_В в сечении входа излучателя можно определить как волновое сопротивление коаксиальной линии с центральным внутренним проводником

где D внутренний диаметр коаксиальной линии;
d диаметр внутреннего проводника;
ε диэлектрическая проницаемость материала заполнения;
Z₀ волновое сопротивление свободного пространства.

Смещение центрального проводника относительно центра вызывает понижение волнового сопротивления. Волновое сопротивление коаксиала со смещением от центра внутренним проводником Z_ВС определяется как (Савченко В.С. и др. Соединители радиочастотные коаксиальные. М. Сов.радио, 1977)

где r смещение внутреннего проводника от центра (фиг.1,б).

Минимальное значение волнового сопротивления будет соответствовать случаю максимального смещения внутреннего проводника, т.е.

Относительное изменение волнового сопротивления в зависимости от смещения r внутреннего проводника лежит в интервале
0 ≅ Z_BC ≅ Z_В, (5)
т. е. изменяется от нуля до значения волнового сопротивления во входном сечении излучателя. На фиг. 2 представлен график относительного волнового сопротивления Z_ВС/Z_B в зависимости от величины смещения r.

Это позволяет варьировать величину волнового сопротивления в выходном сечении 2 излучателя изменением величины смещения внутреннего проводника. Так, при заданном волновом сопротивлении во входном сечении выбором величины смещения внутреннего проводника можно получить желаемое волновое сопротивление в выходном сечении излучателя и наоборот, фиксируя смещение в выходном сечении излучателя, можно выбрать волновое сопротивление коаксиальной линии во входном сечении.

Здесь возможно по мере необходимости использовать различное диэлектрическое заполнение излучателя (включая случай частичного заполнения).

Таким образом, конструкция излучателя позволяет управлять волновым сопротивлением в выходном сечении относительно волнового сопротивления во входном сечении величиной смещения внутреннего проводника.

Известно, что поверхностное сопротивление кожного покрова человека Z_к в сверхвысокочастотном диапазоне лежит в интервале 40 100 Ом. Величина сопротивления зависит от частоты, участка кожи и ее состояния. Выбором величины r смещения внутреннего проводника получают Z_ВС - волновое сопротивление в выходном сечении излучателя, обеспечивающее наибольшее согласование излучателя с поверхностным сопротивлением Z_к кожного покрова в режиме контакта. Величину r можно определить как

где D внутреннее сечение излучателя;
d диаметр внутреннего проводника;
ε диэлектрическая проницаемость;
Z₀ волновое сопротивление свободного пространства;
Z_ВС волновое сопротивление излучателя в выходном сечении, обеспечивающее наибольшее согласование излучателя с кожным покровом человека.

Для выбора Z_ВС могут быть дополнительно привлечены результаты предварительного экспериментального апробирования.

Широкополосное согласование волновых сопротивлений входного и выходного сечений излучателя (фиг. 1, а) обеспечивается плавным переходом (смещением внутреннего проводника) на длине облучателя l≃λ_max где λ_max максимальная длина волны в рабочем диапазоне излучателя.

Вторым существенным эффектом, вызываемым смещением внутреннего проводника коаксиальной линии от центра к внешнему проводнику, является принципиальное изменение диаграммы направленности (ДН) открытого конца линии.

На фиг.3 представлен эскиз открытого конца коаксиальной линии и ДН F(Θ) его излучения [2] в случае, когда внутренний проводник расположен по центру. В направлении нормали к апертуре в ДН имеется провал, что не позволяет использовать его в качестве контактного излучателя, так как поле излучения не локализуется в окрестности БАТ.

В случае смещения внутреннего проводника от центра к внешнему проводнику (фиг. 4) ДН F_с(Θ) трансформируется в квазиизотропную, таким образом, создается возможность локализации поля излучения в контактном режиме и обеспечивается его равномерность.

Изменение ДН связано с изменением возбуждающей функции. Если в первом случае возбуждающая функция состоит из двух равных противофазных составляющих (вектор напряженности электрического поля в коаксиальной линии при повороте на π в плоскости апертуры изменяет свою фазу также на p), то во втором случае преобладает одна из составляющих, и поле в апертуре имеет вид (фиг. 4б).

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет обеспечить широкополосное согласование излучателя с кожным покровом человека, локализовать и обеспечить равномерность поля излучения в окрестности биологически активной точки. Устройство обладает новизной и соответствует критерию "существенные отличия".

На фиг.5 представлены результаты экспериментального апробирования одного из образцов контактного излучателя с габаритами: l 70 мм; D 6 мм; d 0,7 мм; r 2,5 мм. Как видно из графика, КВС ≅ 5 в диапазоне частот 9 ГГц < f < 20 ГГц, что соответствует удовлетворительному согласованию с высоким показателем широкополосности m_f (Карганов М.Е. и др. Радиолокационные характеристики летательных аппаратов. М. Радио и связь, 1985, с.81)
μ_f= 2(f_в-f_н)/(f_в+f_н)≃0,76 (7)
Осцилляции вызваны интерференцией сигналов, отраженных от входа и выхода облучателя. Образец испытывался в режиме контакта с кожным покровом тыльной стороны ладони. При более тщательном изготовлении излучателей можно добиться заметного уменьшения осцилляций.

Формула изобретения

Микроволновый контактный излучатель в виде отрезка коаксиальной линии, заполненный диэлектриком, с открытым концом сечением D для контактного облучения, другой конец которой подключен к питающему генератору, отличающийся тем, что отрезок линии выполнен длиной l≃λ_max, где λ_max максимальная длина волны в рабочем диапазоне излучателя, внутренний проводник на длине отрезка плавно смещается от центра к поверхности внешнего проводника до величины r в выходном сечении излучателя, где r определяется по формуле

где D внутреннее сечение излучателя, соответствующее области облучения;
d диаметр внутреннего проводника;
ε -- диэлектрическая проницаемость диэлектрика заполнения;
Z_о волновое сопротивление свободного пространства;
Z_вс волновое сопротивление в выходном сечении излучателя, согласованное с поверхностным сопротивлением кожного покрова человека.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5