А.В. Харланов1, Т.С. Харланова2

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

Постановка проблемы. Одной из задач радиофизики является изучение взаимодействия электромагнитных полей и волн с различными объектами, как искусственными, так и имеющими естественное происхождение. В последнем случае любой объект природы, имеющий границы, может рассматриваться как резонатор или волновод. Например, биологическую клетку в первом приближении можно рассматривать как открытый сферический резонатор, а вены или артерии – как диэлектрические цилиндрические волноводы. В настоящее время появляется все больше научных работ, посвященных применению импульсных электромагнитных волн в медицине. Поэтому статья посвящена взаимодействию импульсных электромагнитных колебаний и волн с открытыми резонаторами и волноводами.

Цель. Исследовать поля, возбуждаемые в сферическом открытом резонаторе импульсным сигналом, подаваемом на радиальный диполь вне резонатора, а также расплывание радиоимпульса в открытом цилиндрическом волноводе.

Результаты. Найдены аналитические выражения для полей, создаваемых электрическим диполем. Колебания диполя представлены в виде гауссовского импульса и в виде периодической последовательности прямоугольных импульсов. Показано, что радиоимпульс возбуждает колебания в открытом резонаторе, совпадающие по форме с импульсом при малой радиационной добротности. Отмечено, что при увеличении частоты колебаний диполя добротность увеличивается, поскольку уменьшаются потери энергии на излучение. Установлено, что при большой радиационной добротности нарастание импульса соответствует вынуждающему сигналу, а спад оказывается практически одинаковым. Показано, что в открытых волноводах наблюдается расплывание сигнала, причем расплывание тем больше, чем короче импульс, и периодическая последовательность прямоугольных радиоимпульсов разрушается.

Практическая значимость. Получение результаты могут быть полезны при исследовании воздействия импульсных сигналов на искусственные и естественные пассивные элементы в технических и медицинских целях.

Харланов А.В., Харланова Т.С. Взаимодействие электромагнитного импульса с пассивными элементами // Электромагнитные волны и электронные системы. 2023. Т. 28. № 4. С. 5−14. DOI: https://doi.org/10.18127/j15604128-202304-01

1. Макаров В.Н., Боос Н.А. Совмещение омического и диэлектрического нагрева для абляции опухолей // Электромагнитные волны и электронные системы. 2022. Т. 27. № 6. С. 38−44. DOI 10.18127/j15604128-202206-05.
2. Кобрисев П.А., Корженевский А.В., Черепенин В.А. Устройство для измерения параметров сердечного ритма и генерации радиофизических сигналов обратного воздействия // Журнал радиоэлектроники. 2021. №6. DOI 10.30898/1684-1719. 2021.6.12.
3. Choi M.K., Tayloir K., Bettermann A., van der Weide D.W. Broadband 10-300 GHz stimulus-response sensing for chemical and biological entities // Physics in Medicine and Biology. 2002. V. 47. № 21. P. 3777–3787. DOI 10.1088/0031-9155/47/21/316.
4. Castello P., Jimenez P., Martino C.F. The Role of Pulsed Electromagnetic Fields on the Radical Pair Mechanism // Bioelectromagnetics. 2021. V. 42. № 6. P. 491–500. DOI 10.1002/bem.22358.
5. Challis L.J. Mechanisms for interaction between RF fields and biological tissue // Bioelectromagnetics. 2005. V. 26. № S7. DOI 10.1002/bem.20119.
6. Плаченов А.Б., Розанов Н.Н. Импульсы электромагнитного поля с ненулевой электрической площадью // Известия высших учебных заведений. Радиофизика. 2022. Т. 65. № 12. С. 1003–1014. DOI 10.52452/00213462_2022_65_12_1003.
7. 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 10.18127/j15604128-202205-01.
8. Гуляев Ю.В., Черепенин В.А., Таранов И.В., Вдовин В.А., Хомутов Г.Б. Активация нанокомпозитных липосомальных капсул в проводящей водной среде ультракоротким электрическим воздействием // Радиотехника и электроника. 2021. Т. 66. № 1.
   С. 82–90. DOI 10.31857/S0033849421010022.
9. Lang S., Ma J., Gong S., Wang Y., Dong B., Ma X. Pulse Electromagnetic Field for Treating Postmenopausal Osteoporosis: A Systematic Review and Meta-Analysis of Randomized Controlled Trials // Bioelectromagnetics. 2022. V. 43. № 6. P. 381–393. DOI 10.1002/bem.22419.
10. Aksornkitti S. Dispersion of an Electromagnetic Pulse // American Journal of Physics. 1969. V. 37. № 8. P. 783–784. DOI 10.1119/ 1.1975835.
11. Kharlanov A.V. Forced acoustic oscillations of biological cell // Bioelectromagnetics. 2017. V. 38. № 8. P. 613. DOI 10.1002/ bem.22078.
12. Вайнштейн Л.А. Открытые резонаторы и открытые волноводы. М.: Советское радио. 1966. 476 с.
13. Семенов Н.А. Техническая электродинамика. М.: Связь. 1973. 480 с.
14. Джексон Дж. Классическая электродинамика: Пер. с англ. Г.В. Воскресенского и Л.С. Соловьева / Под ред. Э.Л. Бурштейна. М.: Мир. 1965. 702 с.
15. Федоров Н.Н. Основы электродинамики. М.: Высшая школа. 1980. 399 с.
16. Wilmink G.J., Ibey B.L., Tongue T., Schulkin B., Laman N., Peralta X.G., Roth C.C., Cerna C.Z., Rivest B.D., Grundt J.E., Roach W.P. Development of a compact terahertz time-domain spectrometer for the measurement of the optical properties of biological tissues // Journal of Biomedical Optics. 2011. V. 16. № 6. P. 047006. DOI 10.1117/1.3570648.
17. Рубин А.Б. Биофизика: учебник для вузов. В 3-х томах. Т. 2. Биофизика клеточных процессов. Биофизика мембранных процессов. Ижевск: Ижевский институт компьютерных исследований. 2013. 384 с. ISBN 978-5-4344-0102-9.
18. Betskii O.V., Lebedeva N.N. Low-intensity Millimeter Waves in Biology and Medicine. Clinical Application of Bioelectromagnetic Medicine. N.Y.: Marcel Dekker Inc. 2004.
19. Golant M.B. Acousto-electric Waves in Cell Membranes of Living Organisms – a Key Problem for Understanding of Mm-waves Interaction with Living. Collection of Works "Effects of Low-intensity Mm-waves Influence on Living Organisms". Moscow: IRE RAS. 1993.
20. Pethig R. Dielectric Properties of Biological Materials: Biophysical and Medical Applications // IEEE Transactions on Electrical Insulation. 1984. V. EI-19. № 5. P. 453–474. DOI 10.1109/TEI.1984.298769.
21. Gabriel S., Lau R.W., Gabriel C. The dielectric properties of biological tissues: II. Measurements in the frequency range 10 Hz to 20 GHz // Physics in Medicine & Biology. 1996. V. 41. № 11. P. 2251–2269. DOI 10.1088/0031-9155/41/11/002.
22. 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 & Biology. 1996. V. 41. № 11. P. 2271– 293. DOI 10.1088/0031-9155/41/11/003.