А.В. Харланов1, Т.С. Харланова2

1,2 Волгоградский государственный технический университет (г. Волгоград, Россия)

Постановка проблемы. Одной из задач современной радиофизики является взаимодействие электромагнитных волн с пассивными элементами естественного происхождения (биообъектами). Это полезно как с точки зрения медицинского применения радиоволн, так и с точки зрения нахождения новых элементов радиоэлектронных устройств и изучения их характеристик. Клетки можно рассматривать как открытые сфероидальные резонаторы, а артерии и вены – как открытые цилиндрические волноводы. Однако диэлектрическая проницаемость биологических объектов всегда комплексна, что ухудшает характеристики радиоэлектронных элементов. Поэтому актуальной проблемой является оценка влияния мнимой части диэлектрической проницаемости на протекание электромагнитных процессов в биообъектах. Это также важно с точки зрения исследования параметров биообъектов, так как разные состояния характеризуются разными параметрами и, следовательно, разным протеканием волновых процессов.

Цель. Рассмотреть задачи протекания электромагнитных процессов в пассивных элементах естественного происхождения с учетом затухания, а также провести электродинамический анализ колебаний клетки биообъекта, представленной в виде открытого резонатора, и распространения волн в кровеносном сосуде, представленном в виде открытого волновода с учетом комплексной диэлектрической проницаемости.

Результаты. Показано, что собственные частоты электромагнитных колебаний клеток лежат в терагерцевом диапазоне, крайне перспективном с прикладной точки зрения. Получены значения добротности, подтверждающие, что такие колебания осуществимы с физической точки зрения. Рабочие частоты вен и артерий лежат в гигагерцовом диапазоне.

Практическая значимость. Установлено, что, несмотря на большие затухания по сравнению с искусственными резонаторами и волноводами, их естественные аналоги (клетки и артерии) тоже могут рассматриваться как пассивные элементы, что может быть полезным при рассмотрении влияния электромагнитных волн на живые объекты, в том числе и в медицинских целях. Зависимости поглощения энергии от диэлектрической проницаемости также можно использовать для определения электрических характеристик сред. Результаты могут быть полезны в радиоэлектронике и биомедицинских приложениях.

Харланов А.В., Харланова Т.С. Затухание электромагнитных волн и колебаний в естественных пассивных элементах // Электромагнитные волны и электронные системы. 2022. Т. 27. № 5. С. 5−13. DOI: https://doi.org/10.18127/j15604128-202205-01

1. Галка А.Г., Мартусевич А.К., Янин Д.В. и др. Резонансное ближнепольное СВЧ-зондирование ожоговых ран // Радиотехника и электроника. 2020. № 9. С. 911−918.
2. Еськин В.А., Кудрин А.В., Попова А.А. Возбуждение электромагнитного поля в компактном нервном волокне системой нитевидных электрических токов // Известия высших учебных заведений. Радиофизика. 2019. Т. 62. № 1. С. 72−84.
3. Yaekashiwa N., Yoshida H., Otsuki S., Hayashi S., Kawase K. Verification of Non-thermal Effects of 0.3−0.6 THz-Waves on Human Cultured Cells // Photonics. 2019. V. 6. № 1: 33.
4. Il’ina I.V., Sitnikov D.S., Agranat M.B. State-of-the-Art of Studies of the Effect of Terahertz Radiation on Living Biological Systems // High Temperature. 2018. № 56. P. 789−810.
5. Petrov A.A., Moraleva A.A., Antipova N.V., Amirov R.Kh., Samoylov I.S., Savinov S.Y. The Action of the Pulsed Electric Field of the Subnanosecond Range on Human Tumor Cells // Bioelectromagnetics. 2022. V. 43. № 5. P. 327−335.
6. Owens R., Kjall P., Richter-Dahlfors A., et al. Organic bioelectronics – Novel applications in biomedicine // Biochimica et Biophysica Acta. 2013. V. 1830. № 9. P. 4283−4285.
7. Заргано Г.Ф., Шеин А.Г., Харланов А.В. Электродинамический анализ собственных колебаний сфероидальных диэлектрических резонаторов // Известия высших учебных заведений. Радиофизика. 2021. № 6. С. 484−492.
8. Харланов А.В. Строение зерна злаковых и электромагнитные колебания // Электромагнитные волны и электронные системы. 2010. № 6. С. 34−39.
9. Shein A.G., Kharlanova T.S. Features of electromagnetic wave propagation in two- and three-layer cylindrical dielectric waveguides // ITM Web of Conferences. 2019. V. 30. 10 p.
10. Заргано Г.Ф., Шеин А.Г., Харланова Т.С. Исследование условий максимальной концентрации мощности в диэлектрическом волноводном канале // Физические основы приборостроения. 2021. Т. 10. № 1 (39). С. 48−56.
11. Вайнштейн Л.А. Открытые резонаторы и открытые волноводы. М.: Сов. радио. 1966. 467 с.
12. Комаров И.В., Пономарев Л.И., Славянов С.Ю. Сфероидальные и кулоновские сфероидальные функции. М.: Наука. 1976. 320 с.
13. Справочник по специальным функциям / Под ред. М. Абрамовица и И. Стиган. М.: Наука. 1979. 831 с.
14. Диэлектрические резонаторы / Под ред. М.Е. Ильченко. М.: Радио и связь. 1989. 328 с.
15. Семенов Н.А. Техническая электродинамика. М.: Связь. 1973. 480 с.
16. Cifra M. Electrodynamic eigenmodes in cellular morphology // BioSystems. 2012. V. 109. № 3. P. 356−366.
17. Wilmink G., Ibey B., Tongue T., et al. Development of a compact terahertz time-domain spectrometer for the measurement of the optical properties of biological tissues // Journal of Biomedical Optics. 2011. 16. 047006.
18. Gabriel S., Lau R.W., Gabriel C. The dielectric properties of biological tissues: III. Parametric models for the dielectric spectrum of tissues // Physics in medicine and biology. 1996. V. 41. № 11. P. 2271−2293.
19. Faktorova D. Temperature dependence of biological tissue complex permittivity at microwave frequencies // Advances in Electrical and Electronic Engineering. 2008. V. 7. № 1−2. P. 354−357.