Импеданс длинноволновой вибраторной антенны, находящейся в проводящей среде

Аннотация

В большинстве задач об излучении электромагнитных волн источник излучения, как правило, находится в диэлектрике или вакууме. Однако большой интерес также представляют прикладные задачи, в которых излучение и дифракция происходят в изотропных средах с произвольными электромагнитными характеристиками: проводящих средах, средах с отрицательной вещественной частью диэлектрической проницаемости, метаматериалах и т.д. К числу подобных прикладных задач относятся: дезинтеграция минеральных руд и декапсуляция наночастиц с помощью электромагнитных импульсов, возбуждение объёмных и поверхностных плазмонов, задачи создания томографов, ближнепольная СВЧ микроскопия и многие другие. По конкретной тематике можно найти достаточно большой объём литературы, но весьма затруднительно найти работы, посвященные обобщению теории, используемой при решении вышеописанных задач, несмотря на его относительную простоту. В настоящей статье авторы произвели методическое обобщение, уточнили сложившуюся терминологию, а также дали ссылки на полезные источники с тем, чтобы сформировать общий теоретический фундамент для решения прикладных задач подобного класса. В качестве примера рассмотрено обобщение формул для импеданса длинноволновой вибраторной антенны при её нахождении в проводящей среде. Особое внимание уделено эффекту экранирования зарядов излучателя зарядами проводимости среды.

• проводящие среды
• излучение электромагнитных волн
• распространение электромагнитных волн
• изотропные среды с произвольными электромагнитными характеристиками
• уравнения Максвелла
• эффект экранирования
• conducting media
• electromagnetic waves radiation
• electromagnetic waves propagation
• isotropic media with arbitrary electrodynamic characteristics
• maxwell's equations

Abstract (in English)

Generalization of electrostatic formulas for the case of harmonically varying values: the impedance of a long-wave dipole antenna in a conducting medium

As a rule, the source of electromagnetic waves radiation is located in vacuum or dielectric medium. Nevertheless the problems of electromagnetic waves radiation in isotropic medium with arbitrary electrodynamic characteristics (conductivity, electric and magnetic permeability) are of great practical interest. There are many examples of such practical problems: mineral ores disintegration and nanoparticles decapsulation by electromagnetic pulses, volume and surface plasmon excitation, the problem of underwater radio communication, nearfield microwave microscopy and etc. A lot of scientific literature devoted to these specific issues can be found. However, there is not enough information on the generalization of the theories used to solve such practical problems. The purpose of this article is to make a methodical generalization, clarify current terminology and thus to form theoretical groundwork for solving issues of this type. A generalization of the formulas for the impedance of a long-wavelength dipole antenna when it is in a conducting medium is considered as an example. Particular attention is paid to the effect of shielding the charges of the radiator by conduction charges of the medium.

Для цитирования

Литература

1. Sommerfeld A. Über die Ausbreitung der Wellen in der drahtlosen Telegraphie // Annalen der Physik. 1909. V. 333. № 4.P. 665-736.
2. Зоммерфельд А. Дифференциальные уравнения в частных производных физики. M.: Издательство иностранной литературы, 1950. -457 с.
3. П. С. Глазунов, В. А. Вдовин, А. И. Слепков. Термические эффекты воздействия электромагнитного излучения на проводящие частицы, интегрированные в диэлектрическую среду // Журнал радиоэлектроники: электронный журнал. 2016. N7. URL: http://jre.cplire.ru/jre/jul16/1/text.pdf
4. В.А. Чантурия и др. Использование мощных электромагнитных импульсов в процессах дезинтеграции и вскрытия упорного золотосодержащего сырья // Физико-технические проблемы обогащения полезных ископаемых. 2001. N 4. с. 95-106.
5. Бунин И.Ж. Теория и практика применения комбинированных физико-химических и энергетических воздействий на геоматериалы и водные суспензии // Горный Журнал. 2017. N 11. с. 77-83.
6. А.В. Киореску. Механизмы воздействия микроволнового излучения на процессы выщелачивания минерального сырья. // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал), 2015
7. В.В. Крымский, Ю.Г. Мингажева. Воздействие наносекундных электромагнитных импульсов на сульфидную руду. // Сборник трудов конференции томского политехнического университета, 2017. URL: http://earchive.tpu.ru/bitstream/11683/45085/1/conference_tpu-2017-C11_V2_p396-398.pdf
8. В. А. Вдовин, Ю. В. Гуляев, В. А. Черепенин, В.А. Чантурия. Нетепловое воздействие мощных электромагнитных импульсов на золотосодержащую горную породу // Радиотехника и электроника. 2005. Т. 50. N9. c. 1129-1133.
9. В. А. Чантурия, И. Ж. Бунин, М. В. Рязанцева, И. А. Хабарова. Изучение методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии изменения состава и химического состояния атомов поверхности халькопирита и сфалерита до и после обработки наносекундными электромагнитными импульсами // Физико-технические проблемы обогащения полезных ископаемых. 2013. N 3. с. 157-168. URL:http://www.sibran.ru/upload/iblock/0f3/0f3778d8ad1138bad23ef5d1f2da1ced.pdf
10. Ю.В. Гуляев и др. Дистанционная декапсуляция нанокомпозитных липосом, содержащих внедренные проводящие наночастицы, при воздействии импульсного электрического поля // Радиотехника и электроника, 2015, Т. 60, N10, с. 1051-1063. URL:https://istina.msu.ru/download/11969338/1evFVI:u6p5sO6F4mfxwx0qP2wemURrDkQ
11. Ю.В. Гуляев и др. Влияние наностержней золота на активацию липосомальных капсул ультракороткими электрическими импульсами // Журнал радиоэлектроники: электронный журнал. 2016. N11. URL: http://jre.cplire.ru/jre/nov16/7/text.pdf
12. Ю.В. Гуляев и др. Дистанционная активация полиэлектролитных нанокомпозитных микрокапсул с помощью импульсного микроволнового воздействия // Журнал радиоэлектроники: электронный журнал. 2014. N12. URL: http://jre.cplire.ru/mac/dec14/25/text.pdf
13. Ю.В. Гуляев и др. Дистанционная активация с помощью импульсного электрического поля нанокомпозитных микрокапсул на основе комплексов липидов, полимеров и проводящих наночастиц // Журнал радиоэлектроники: электронный журнал. 2014. N11. URL: http://jre.cplire.ru/jre/nov14/9/text.pdf
14. Майер, С.А. Плазмоника: теория и приложения. - М.- Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2011. - 296 с.
15. В. Ю. Шишков, Е. С. Андрианов, А. А. Пухов, А. П. Виноградов. Параметрическое усиление SERS фононами металлических плазмонных структур // Журнал радиоэлектроники: электронный журнал. 2017. N11. URL: http://jre.cplire.ru/jre/nov17/11/text.pdf
16. В. В. Шевченко. Поверхностные электромагнитные волны на плоских границах электропроводящих сред с высокой проводимостью, волна Ценнека // Журнал радиоэлектроники: электронный журнал. 2013. N7. URL: http://jre.cplire.ru/jre/jul13/7/text.pdf
17. Б. А. Князев, А. В. Кузьмин. Поверхностные электромагнитные волны: от видимого диапазона до микроволн // Вестник НГУ. Серия: Физика. 2007. Том 2, выпуск 1. C. 108-122 URL:http://www.phys.nsu.ru/vestnik/catalogue/2007/01/Vestnik_NSU_07T2V1_p108_p122.pdf
18. В.Ф. Названов. Поверхностные электромагнитные волны оптического диапазона (плазмоны-поляритоны): свойства, применение // Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер. Физика. 2015. Т. 15, вып. 1
19. К. П. Гайкович, А. И. Смирнов, Д. В. Янин. Методы ближнепольной резонансной СВЧ диагностики биологических тканей. // Журнал радиоэлектроники: электронный журнал. 2017. N2. URL: http://jre.cplire.ru/jre/feb17/5/text.pdf
20. К. П. Гайкович, Е. С. Максимович, М. И. Сумин. Ближнепольное импульсное СВЧ профилирование подповерхностных диэлектрических неоднородностей. // Журнал радиоэлектроники: электронный журнал. 2017. N2. URL: http://jre.cplire.ru/jre/feb17/6/text.pdf
21. Д. А. Усанов, С. С. Горбатов, В. Ю. Кваско. Ближнеполевой СВЧ-микроскоп с низкоразмерным резонатором типа "индуктивная диафрагма - емкостная диафрагма" // Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2010.N. 6 c. 66-69. URL: http://www.eltech.ru/assets/files/university/izdatelstvo/radioelektronika/2010-06.pdf#page=66
22. Fei Wang etc. Quantitative impedance characterization of sub-10nm scale capacitors and tunnel junctions with an interferometric scanning microwave microscope. // Nanotechnology. 2014. V.25 N.40 URL:https://www.nanomicrowave.eu/mm_files/do_123/co_26728/Quantitative impedance characterization.pdf
23. А. В. Корженевский, В. А. Черепенин. Магнитоиндукционная томография // Журнал радиоэлектроники: электронный журнал. 1998. N1. URL: http://jre.cplire.ru/jre/dec98/1/text.html
24. А. В. Корженевский. Использование искусственных нейронных сетей для решения обратных задач электроимпедансной и магнитоиндукционной томографии // Журнал радиоэлектроники: электронный журнал. 2001. N11. URL: http://jre.cplire.ru/jre/dec01/7/text.html
25. А.В. Корженевский. Бесконтактная томография электропроводящих сред квазистатическим переменным электрическим полем // Радиотехника и электроника. 2004. Т. 49. № 6. С. 761.
26. И. К. Лакеев, А. В. Корженевский, Т. С. Туйкин. Разработка программного обеспечения для многопроцессорной архитектуры персонального электроимпедансного маммографа ПЭМ. // Журнал радиоэлектроники: электронный журнал. 2017. N12. URL: http://jre.cplire.ru/jre/dec17/9/text.pdf
27. А. В. Корженевский, С. А. Сапецкий. Магнитоиндукционная томография для медицинских приложений // Альманах клинической медицины. 2008. N17-1
28. Вайнштейн Л.А. Электромагнитные волны. M.: Радио и связь, 1988. -440 с.
29. Вайнштейн Л.А. Теория дифракции. Электроника СВЧ. М.: Радио и связь, 1995. -600 с.
30. Марков Г.Т., Чаплин А.Ф. Возбуждение электромагнитных волн. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1983. -296 с.
31. Кинг Р., Смит Г. Антенны в материальных средах: В 2-х книгах. Кн. 1. Пер. с англ. - М.: Мир, 1984. -824.
32. Фейнберг Е.Л. Распространение радиоволн вдоль земной поверхности. - 2-е изд. - М.: Наука. Физматлит, 1999. -496 с.
33. Фелсен Л., Маркувиц Н. Излучение и рассеяние волн. Пер. с англ. под ред. М.Л. Левина. М.: Мир, Т1, 1978. -555 с.
34. Денисов В.И. Введение в электродинамику сплошных сред: Учебное пособие.- М.: Изд-во Моск. ун-та, 1989. -168 с.
35. Ландау Л.Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика: Учеб. Пособ.: Для вузов. В 10 т. Т. VIII. Электродинамика сплошных сред. -5-е изд., стереотип. - М.: Физматлит, 2016. -656 с.
36. Андрушкевич, И. Е., Жизневский, В. А., Шиенок, Ю. В. О классификации сред с точки зрения разделимости уравнений Максвелла. // Вестник Витебского государственного университета. 2005. N 1 (35). с. 112-118. URL:https://lib.vsu.by/xmlui/bitstream/handle/123456789/8340/112-118.pdf?sequence=1
37. Свешников А. Г., Тихонов А. Н. Теория функции комплексной переменной: Учеб.: Для вузов. - 6-е изд., стереот. - М.: Физматлит, 2010. - 336 с.
38. Джексон Дж. Классическая электродинамика. Перевод с английского Г.В. Воскресенского и Л.С. Соловьёва. Под ред. Э.Л. Бурштейна. Издательство «Мир», Москва, 1965.
39. Садовский И.Н. и др. Анализ моделей диэлектрической проницаемости водной среды, используемых в задачах дистанционного зондирования акваторий. Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт космических исследований Российской академии наук (ИКИ РАН), 2013, 60 c. URL:http://csl.isc.irk.ru/BD/Books/%D0%B2%D0%BE%D0%B4%20%D1%81%D1%80%D0%B5%D0%B4%D0%B0.pdf
40. Виноградов А.П. Электродинамика композитных материалов / Под ред. Б. З. Каценеленбаума. М.: Эдиториал УРСС, 2001. - 208 с.
41. Свешников А. Г., Боголюбов А. Н., Кравцов В. В. Лекции по математической физике: Учеб. Пособие. - 2-е изд., испр. и доп. - М.: Изд-во МГУ; Наука, 2004. -416 с.
42. Матвеев А. Н. Оптика: Учеб. Пособие для физ. спец. Вузов. - М.:Высш. шк., 1985. - 351 с.
43. Пистолькорс А.А. Антенны. Государственное издательство литературы по вопросам связи и радио. Москва 1947. -481 c.