А.В. Харланов1, Д.С. Замтреули2, Т.С. Харланова3

1–3 Волгоградский государственный технический университет (г. Волгоград, Россия)

1 harlanov_av@mail.ru, 2 dim111190@mail.ru, 3 harlanova.ts@yandex.ru

Постановка проблемы. Использование в радиотехнических системах диэлектриков с комплексной диэлектрической проницаемостью, с одной стороны, ведет к ухудшению характеристик систем вследствие потерь электромагнитной энергии на нагрев, с другой стороны, позволяет задействовать ранее не используемые физические явления. Одним из таких явлений, мало используемых на данный момент в радиофизике, является термоакустический эффект – возбуждение акустических колебаний среды, вызванных ее периодическим нагревом и охлаждением. В качестве источника акустических колебаний в радиотехнических системах можно рассматривать волновод, заполненный диэлектриком, при его возбуждении электромагнитным полем.

Цель. Рассчитать нагрев волновода, заполненного диэлектриком с ненулевой проводимостью, в статике и динамике при распространении вдоль него электромагнитных волн и нагрев и остывание волновода под воздействием импульсной волны.

Результаты. Показано, что в одномерном случае нагрев пропорционален интенсивности попадающей на вход электромагнитной волны и имеет порядок нескольких десятых кельвина при интенсивности порядка 100 Вт/м2. Доказано, что чем больше потери в диэлектрике, тем быстрее нагревается волновод; чем больше коэффициент внешней теплопередачи, тем быстрее устанавливается равновесная температура и тем более высокочастотные акустические колебания могут быть возбуждены.

Практическая значимость. Поскольку скорости нагрева и остывания и, как следствие, частота и интенсивность акустических колебаний зависят от свойств диэлектриков, то рассматриваемые процессы могут использоваться для определения их параметров. Также перспективно использование термоакустических эффектов электромагнитных волн в биомедицинских приложениях.

Харланов А.В., Замтреули Д.С., Харланова Т.С. Одномерная модель нагрева закрытых и открытых волноводов // Электромагнитные волны и электронные системы. 2026. Т. 31. № 1. С. 86−96. DOI: https://doi.org/10.18127/j15604128-202601-07

1. Lurie K.A., Yakovlev V.V. Method of control and optimization of microwave heating in waveguide systems // IEEE Transactions on Magnetics. 1999. V. 35. № 3. P. 1777–1780. DOI 10.1109/20.767375.
2. Pei Yu., Chen Li., Jeon W., Liu Zh., Chen R. Low-dimensional heat conduction in surface phonon polariton waveguide // Nature Communications. 2023. V. 14. № 1. P. 8242. DOI 10.1038/s41467-023-43736-8.
3. Пархоменко М.П., Калёнов Д.С., Еремин И.С., Федосеев Н.А. Диэлектрический волновод из высокоомного кремния и элементная база на его основе // Радиотехника и электроника. 2023. Т. 68. № 2. C. 171–176. DOI 10.31857/S0033849423020110.
4. Hu J., Chen J., Liang B., Jiang Q., Wang Y., Zhuang S. Influence of Temperature on Reflectivity of Symmetrical Metal-Cladding Optical Waveguide // IEEE Photonics Technology Letters. 2014. V. 26. № 21. P. 2166–2169. DOI 10.1109/LPT.2014.2349944.
5. Кисель Н.Н., Ваганова А.А., Ваганов И.А. Имитационное моделирование нагрева молока энергией СВЧ поля // Известия Южного федерального университета. Технические науки. 2020. № 3(213). С. 68–78. DOI 10.18522/2311-3103-2020-3-78-88.
6. Коломейцев В.А., Баринов Д.А., Ковряков П.В., Кузьмин Ю.А. Электродинамические свойства прямоугольного волновода с диэлектрической пластиной в E-плоскости // Радиотехника. 2020. Т. 84. № 7(14). С. 59−67. DOI 10.18127/j00338486-202007(14)-08.
7. Кудрявцев И.В., Гоцелюк О.Б., Новиков Е.С., Дёмин В.Г. Особенности нагрева волноводов при передаче сверхвысокочастотных сигналов большой мощности // Журнал технической физики. 2017. Т. 87. № 1. С. 91–96. DOI 10.21883/JTF.2017.01. 44024.1724.
8. Давидович М.В. Нагрев биологических тканей аппликатором типа открытый конец волновода // Биомедицинская радиоэлектроника. 2007. № 1. С. 51–55.
9. Li C., Tofighi M.-R., Schreurs D., Jason Horng T.-S. Principles and Applications of RF/Microwave in Healthcare and Biosensing. Academic Press. 2016. 342 p. DOI 10.1016/B978-0-12-802903-9.0000.
10. Вдовин В.А., Гуляев Ю.В., Закладной Г.А., Масленников О.Ю., Черепенин В.А. Нетепловое воздействие мощных микроволновых электромагнитных импульсов на насекомых-вредителей зерна // Журнал радиоэлектроники. 2023. № 8. DOI 10.30898/1684-1719.2023.8.12.
11. Заргано Г.Ф., Харланов А.В. Резонансное возбуждение акустических колебаний сферических тонких пленок электромагнитными волнами // Радиотехника и электроника. 2023. Т. 68. № 10. С. 965–972. DOI 10.31857/S0033849423080168.
12. Гапеев А.Б., Рубаник А.В., Пашовкин Т.Н., Чемерис Н.К. Тсрмоэластичсскос возбуждение акустических волн в биологических моделях под действием импульсного электромагнитного излучения крайне высокой частоты с большой пиковой мощностью // Биофизика. 2007. Т. 52. № 6. С. 1087–1092.
13. Мучник Г.Ф., Рубашов И.Б. Методы теории теплообмена. Ч. 1. Теплопроводность. М.: Высшая школа. 1970. 288 с.
14. Федоров Н.Н. Основы электродинамики. М.: Высшая школа. 1980. 399 с.
15. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука. 1984. 832 с.
16. Хемминг Р. Численные методы. М.: Наука. 1972. 482 с.
17. Заргано Г.Ф., Харланова Т.С., Харланов А.В. Потери энергии в пассивных элементах с комплексной диэлектрической проницаемостью // Журнал радиоэлектроники. 2025. № 3. DOI 10.30898/1684-1719.2025.3.9.
18. Artemov V.G., Volkov A.A. Water and Ice Dielectric Spectra Scaling at 0°C // Ferroelectrics. 2014. V. 466 № 1. P. 158–165. DOI 10.1080/00150193.2014.895216.
19. 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.
20. 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.
21. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука. 1972. 720 с.
22. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. М.: Энергоиздат. 1981. 416 с.
23. 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.
24. Lin Ja.C. The Microwave Auditory Effect // IEEE Journal of Electromagnetics, RF and Microwaves in Medicine and Biology. 2022. V. 6. № 1. P. 16-28. DOI 10.1109/jerm.2021.3062826.
25. Elder J.A., Chou C.K. Auditory Response to Pulsed Radiofrequency Energy // Bioelectromagnetics. 2003. V. 24. № Suppl. 6. P. S162–S173. DOI 10.1002/bem.10163.