Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2025, № 3 · ELECTRODYNAMICS

Energy losses in passive elements with complex dielectric permittivity

G.F. Zargano1, T.S. Kharlanova2, A.V. Kharlanov2

1 Southern federal university, Rostov-on-Don, Russia
2 Volgograd state technical university, Volgograd, Russia
Full text DOI: 10.30898/1684-1719.2025.3.9 UDC 537.86 EDN LIPIKW

Abstract

Electromagnetic energy losses in open waveguides and resonators are considered. Heating temperatures of passive elements depending on their thermophysical parameters are calculated. The electromagnetic energy absorbed by the material of a cylindrical open waveguide leads to its heating. In steady-state mode, the temperature does not change due to the heat flow through the side surface of the waveguide. The temperature of the waveguide predominantly drops as the wave passes, but for a certain thermophysical parameters, the maximum heating occurs not at the beginning of the waveguide. At intensities of the order of milliwatts per square centimeter, the temperature does not rise above 1 K. Considering the thermal heating of the resonator, the effective quality factor associated with the imaginary component of the relative dielectric permittivity of the medium is calculated. As this permittivity increases, the heating temperature also increases. The linear character of the dependence of the temperature of open waveguides and resonators on the intensity of the electromagnetic wave is shown. Materials of the article can be of practical use in radiophysical and biomedical researches.

  • open waveguide
  • open resonator
  • heating
  • Effective quality factor
  • electromagnetic oscillations
Аннотация (на русском)

Потери энергии в пассивных элементах с комплексной диэлектрической проницаемостью

Рассматриваются потери электромагнитной энергии в открытых волноводах и резонаторах. Рассчитаны температуры нагрева пассивных элементов в зависимости от их теплофизических параметров. Поглощенная материалом цилиндрического открытого волновода электромагнитная энергия приводит к его нагреву. В установившемся режиме температура не изменяется за счет потока тепла через боковую поверхность волновода. Температура волновода преимущественно падала по мере прохождения волны, но при некоторых теплофизических параметрах максимальный нагрев наблюдался не в начале волновода. При интенсивностях порядка милливатт на квадратный сантиметр температура не поднималась выше 1 К. При рассмотрении теплового нагрева резонатора рассчитывалась добротность, связанная с мнимой составляющей относительной диэлектрической проницаемости среды. При увеличении этой проницаемости увеличивалась и температура нагрева. Показана линейность зависимости температуры открытых волноводов и резонаторов от интенсивности электромагнитной волны. Материалы статьи могут быть полезны в радиофизических и биомедицинских исследованиях.

For citation

Zargano G.F., Kharlanova T.S., Kharlanov A.V. Energy losses in passive elements with complex dielectric permittivity // Journal of Radio Electronics. – 2025. – No. 3. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.3.9

References

  1. Островский Л.А. Электромагнитные волны в неоднородной нелинейной среде с малыми потерями // Изв. вузов. Радиофизика. - 1961. - Т. 4. - №. 5. - С. 955 - 963
  2. Гуревич Г.Л., Отмахов Ю.А., Розенблюм Е.А. О распространении электромагнитных пучков в гиротропных средах // Изв. вузов. Радиофизика. - 1965. - Т. 8. - № 4. - С. 725 - 737
  3. Kravtsov Y.A. Propagation of electromagnetic waves through a turbulent atmosphere // Reports on Progress in Physics. - 1992. - Т. 55. - №. 1. - С. 39. https://doi.org/10.1088/0034-4885/55/1/002
  4. Li C. et al. Principles and Applications of RF/microwave in Healthcare and Biosensing. - Academic Press, 2016. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-802903-9.0000
  5. Краснов В.М., Кулешов Ю.В., Готюр И.А., Дробжева Я.В. Влияние осциллирующего поляризационного тока на поглощение ОНЧ-радиоволн, распространяющихся вдоль линии геомагнитного поля. // Журнал радиоэлектроники. - 2023. - №. 10. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2023.10.5
  6. 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. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2023.8.12
  7. 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. https://doi.org/10.31857/S0033849423080168
  8. Wilmink G.J. 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. - Т. 16. - №. 4. - С. 047006-047006-10. https://doi.org/10.1117/1.3570648
  9. Wieliczka D.M., Weng S., Querry M.R. Wedge shaped cell for highly absorbent liquids: infrared optical constants of water //Applied optics. - 1989. - Т. 28. - №. 9. - С. 1714-1719. https://doi.org/10.1364/AO.28.001714
  10. Alekseev S.I., Ziskin M.C. Distortion of millimeter-wave absorption in biological media due to presence of thermocouples and other objects //IEEE transactions on biomedical engineering. - 2001. - Т. 48. - №. 9. - С. 1013-1019. https://doi.org/10.1109/10.942591
  11. Cifra M. Electrodynamic eigenmodes in cellular morphology //Biosystems. - 2012. - Т. 109. - №. 3. - С. 356-366. https://doi.org/10.1016/j.biosystems.2012.06.003
  12. Fayos Fernández J. et al. Temperature-dependent complex permittivity of several electromagnetic susceptors at 2.45 GHz. Delft.: AMPERE Newsletter Editor. - 2018.
  13. Berdel K. et al. Temperature dependence of the permittivity and loss tangent of high-permittivity materials at terahertz frequencies // IEEE transactions on microwave theory and techniques. - 2005. - V. 53. - №. 4. - P. 1266-1271. https://doi.org/10.1109/TMTT.2005.845752
  14. Глазунов П.С., Салецкий А.М., Вдовин В.А. Формирование фронта ударной волны при распространении наносекундных видеоимпульсов в слабопроводящих средах с температурной зависимостью диэлектрической проницаемости. // Журнал радиоэлектроники. - 2023. - №. 10. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2023.10.2
  15. Федоров Н.Н. Основы электродинамики. М.: "Высшая школа", 1980. - С. 399.
  16. Семенов Н.А. Техническая электродинамика. М.: "Связь", 1973. - С. 480.
  17. Мучник Г.Ф., Рубашов И.Б. Методы теории теплообмена [ч. 1]- Теплопроводность. М.: Высшая школа. - 1970. - С. 288.
  18. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука. - 1984. - С. 832.
  19. Ильченко М.Е. и др. Диэлектрические резонаторы / Под ред. МЕ Ильченко. М.: Радио и связь. - 1989. - С. 328.
  20. Mie G. Beiträge zur Optik trüber Medien, speziell kolloidaler Metallösungen // Annalen der Physik. - 1908. - V. 330. - Issue 3. - С. 377 - 624.
  21. Харланов А.В., Харланова Т.С. Затухание электромагнитных волн и колебаний в естественных пассивных элементах // Электромагнитные волны и электронные системы. - 2022. - Т. 27, № 5. - C. 5-12. - https://doi.org/10.18127/j5604128-202205-01
  22. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука. - 1972. - С. 720
  23. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. М.: Энергоиздат. - 1981. С - 416.
  24. Бецкий О.В., Голант М.Б., Девятков Н.Д. Миллиметровые волны в биологии. М.: Знание. - 1988. - С. 64.
  25. Бецкий О.В., Путвинский А.В. Биологические эффекты миллиметрового излучения низкой интенсивности // Изв. вузов МВ и ССО СССР. Радиоэлектроника. - 1986. - Т. 29. - №. 4. - С. 4-11.
  26. Рубин А.Б. Биофизика. Т.1, 2. Биофизика клеточных процессов. М.: Высш. шк. - 1987. - С. 303.
  27. Betskii O.V., Lebedeva N.N. Low-intensity millimeter waves in biology and medicine // Bioelectromagnetic Medicine. - CRC Press, 2004. - С. 720-737.
  28. Golant M.D. Acousto-electric waves in cell membranes of living organisms-a key problem for the understanding of mm-waves interaction with living organism // Biological aspects of low intensity millimeter waves. - 1994. - С. 229-249.
  29. Заргано Г.Ф., Харланов А.В. Собственные колебания и добротность сферической тонкой пленки // Физические основы приборостроения. - 2022. - Т. 11, № 3(45). - С. 4-13. - https://doi.org/10.25210/jfop-2203-004013
  30. Foster K.R., Finch E.D. Microwave hearing: evidence for thermoacoustic auditory stimulation by pulsed microwaves //Science. - 1974. - Т. 185. - №. 4147. - С. 256-258. https://doi.org/10.1126/science.185.4147.256
  31. Lin J.C. The microwave auditory effect //Auditory Effects of Microwave Radiation. - 2021. - С. 127-173. https://doi.org/10.1109/JERM.2021.3062826.