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
2011, № 12 · ELECTRODYNAMICS

Near - field coherent effects at thermal microwave radiation receiving on coupled linear wire antennas

I.N. Barabanenkov1, M.I. Barabanenkov2,3, V.A. Cherepenin1

1 Kotelnikov IRE RAS, Moscow, Russia
2 Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН, Черноголовка, Russia
3 Institute of Microelectronics Technology of RAS, Chernogolovka
Full text (PDF) EDN OXTAJJ

Abstract

We apply to study coupled receiving antennas a theory of electromagnetic wave multiple scattering by ensemble of dielectric and conductive bodies, with describing the excited currents inside bodies in terms of electric field tensor T-scattering operator. A system of equations for currents on surfaces of coupled perfectly conductive receiving antennas is written with the aid of a single antenna surface T-scattering operator. This system is resolved for the case of coupled linear wire receiving antennas in the form of thin vibrator-dipoles when asymptotic method of "big logarithm" leads to separable wire T-scattering operator of single tuned vibrator-dipole. The separability simplifies analytic evaluating the local total currents on two (and more) coupled receiving antennas and get a dimensionless coupling factor. Our final aim consists in using the obtained analytic solution to study near field coherent effects caused by thermal microwave radiation incident electric field distribution along single or two coupled receiving vibrator-dipole antennas placed at a heated biological object boundary surface and tuned to half wavelength in the object. In the case of equilibrium thermal radiation we meet a generalized Nyquist formula for currents' fluctuations excited on coupled receiving vibrator-dipole antennas, with accounting the auto-correlation and cross-correlation functions of random electric field inside each antenna and on both antennas, respectively. In the case of local volume change of the biological object temperature distribution we reveal in the model framework of random electric dipole source inside object absorption skin slab area the interference-extreme properties for fluctuations of currents excited along antennas depending on relative positions of antennas and random electric dipole source. The reveled extreme properties are used as base to reconstruct the random electric dipole position via scanning the single antenna or two coupled ones along biological object boundary surface.

  • excited currents
  • T- scattering operator
  • thin vibrator antennas
  • biological object
  • scanning local random source
  • temperature local variation
  • thermal radiation
  • interference receiving fields
Аннотация (на русском)

Ближнеполевые когерентные эффекты при приеме теплового микроволнового излучения взаимодействующими линейными проволочными антеннами

Мы применяем теорию многократного рассеяния электромагнитных волн на ансамбле диэлектрических и проводящих тел для изучения взаимодействующих принимающих антенн, описывая возбужденные внутри антенн токи с помощью тензорного T -оператора рассеяния электрического поля. Система уравнений для токов на поверхностях взаимодействующих металлических принимающих антенн записывается с помощью поверхностного T- оператора рассеяния изолированной антенны. Записанная система решается для случая взаимодействующих линейных проволочных принимающих антенн в форме тонких вибраторов - диполей асимптотическим методом " большого логарифма ", приводящим к сепарабельному линейному T- оператору рассеяния изолированного настроенного вибратора-диполя. Сепарабельность упрощает аналитическое вычисление локальных токов на двух ( и более) взаимодействующих антеннах и безразмерного параметра взаимодействия антенн. Наша окончательна цель состоит в использовании полученного аналитического решения к изучению ближнеполевых когерентных эффектов, обусловленных распределением падающего электрического поля теплового микроволнового излучения вдоль изолированного или двух взаимодействующих принимающих вибраторов-диполей, расположенных около граничной поверхности нагретого биологического объекта и настроенных на половину длины волны в объекте. При равновесном тепловом излучении мы приходим к обобщенной формуле Найквиста для флуктуаций токов, наведенных на взаимодействующих принимающих вибраторах-диполях, с учетом авто-корреляционной и кросс-корреляционной функций случайного электрического поля на каждом или обоих вибраторах-диполях, соответственно. Рассматривая локальное объемное изменение распределения температуры биологического объекта, мы обнаруживаем в рамках модели случайного электрического дипольного источника внутри поглощающего скин-слоя объекта интерференционно-экстремальные свойства возбуждаемых вдоль принимающих вибраторов - диполей флуктуационных токов в зависимости от относительного расположения вибраторов-диполей и случайного электрического дипольного источника теплового излучения. Обнаруженные экстремальные свойства используются как основа для восстановления расположения случайного электрического дипольного источника путем сканирования изолированным или двумя взаимодействующими принимающими вибраторами-диполями вдоль граничной поверхности биологического объекта.

For citation

Barabanenkov I.N., Barabanenkov M.I., Cherepenin V.A. Near - field coherent effects at thermal microwave radiation receiving on coupled linear wire antennas // Journal of Radio Electronics. – 2011. – No. 12.

References

  1. Godik E.E., Gulyev Yu.V. Functional imaging of the human body // IEEE Engineering in Medicine and Biology, 10, 21, 1991.
  2. Reznik A.N. Quasistatic field of thermal radiation in theory of contact radiothermomatry // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved., Radiofiz, 34, 512, 1991.
  3. Reznik A.N., Vaks V.L.,Yurasova N.V.Quasistationary field of thermal emission and near-field radiometry // Phys. Rev. E, 70, 056601-1, 2004.
  4. Gaikovich K.P., Reznik A.N., Vaks V.L.,Yurasova N.V. New effect in near-field thermal emission // Phys. Rev. Lett, 88, 104302-1, 2002.
  5. Anzimirov V.L., Arkhipova N.A., Pasechnik V.I., Yanovich A.V. Investigationtic of thermal excitation in human head brain core at functional tests by method of dynamic multichannel radiothermovision // Biomed. Radioelektron., 8, 22, 2000.
  6. Rytov S.M. Theory of electric fluctuations and thermal radiation. Akad. Nauk SSSR, Moscow, 1953 [in Russian].
  7. Landau L.D., Lifshitz E.M. Electrodynamics of continuous media. Gostechisdat, Moscow, 1957.
  8. Cilin V.P.,Ruchadze A.A. Electromagnetic properties of plasma and plasma like bodies. Gostechisdat, Moscow, 1961.
  9. Levin M.L., Rytov S.M. Theory of equilibrium thermal fluctuations in electrodidamics. Nauka, Moskow, 1967 [in Russian].
  10. Rytov S.M., Kravtsov Yu.A., Tatarskii V.I. Principles of statistical radiophysics.Vol. 3. Wave propagation through random media. Springer, Berlin, 1989.
  11. Honl H., Maue W., Westpfahl K. Theorie der beugung. Springer, Berlin, 1966.1961.
  12. Goldberger M.L., Watson K.M. Collision theory. Wiley, New York, 1964.
  13. Newton R.G., Scattering theory of waves and particles. McGraw-Hill, New York, 1966.
  14. Frish V. Probabilistic methods in applied mathematics. Vol.1, edited by Bharucha-Reid. Academic, New York, 1968.
  15. Barabanenkov Yu.N. Multiple scattering of waves by ensemble of particles and the radiative transport// Sov. Phys. Uspekhi, 18, 673, 1975.
  16. Tsang L., Kong J.A. Multiple scattering of electromagnetic waves by random distributions of discrete scatterers with coherent potential and quantum mechanical formalism// J. Appl. Phys., 51, 3465, 1980.
  17. Gulyaev Yu.V., Barabanenkov Yu.N., Barabanenkov M.Yu., Nikitov S.A. Optical theorem for electromagnetic field scattering by dielectric structures and energy emission from the evanescent wave //Phys. Rev.E, 72, 1, 2005.
  18. Leontovich M.A, Levin M.L. To theory of oscillation excitation in vibrator antennas// Journ. Thechn. Phys. 14,481, 1944.
  19. Hallen E.Theoretical investigation into the transmission and receiving qualities of antennae// Nova Acta Regiae Soc. Sci. Upsaliensis, Ser.IV, No. 4, 1-44, 1938.
  20. Pocklington H.C. Electrical oscillation in wire// Cambridge Philos. Soc. Proc., 9, 324, 1897.
  21. King R, Harrison C.W. Mutual and self- impedance for coupled antennas// J. Appl. Phys.15, 481, 1944.
  22. King R. The theory o f N coupled parallel Antennas// J. Appl. Phys. 21, 94, 1950.
  23. Markov G.T. Approximate calculation of mutual impedance for antennas// Radiotechnik. 3, 36, 1948.
  24. Brillouin L. The Radiation Resistance of Resonant Transmission Line //Radioelectricite Sommaire, p.147, April, 1922.
  25. Pistolkors A.A. The radiation resistance of antennas and antenna combinations// Proc. IRE, 17, 526,1929.
  26. Bechmann R. On the calculation of radiation resistance of antennas and antenna combination// Proc. IRE, 19, 461,1931.
  27. Stratton J.A. Electromagnetic theory. McGray-Hill, New York, 1941.
  28. Foldy L.L. The multiple scattering of waves // Phys. Rev. 67, 107, 1945.
  29. Lax M. MultiSpringerple scattering of waves// Rev. Mod. Phys. 23, 287, 1951.
  30. Vasilyev E.N. Exitation of rotation bodies. Radio and Communiction, Moscow, 1987.
  31. Van Bladen J. Some remarks on Green's dyadic for infinite space// IRE Trans. Ant. And Prpop. AP-9, 563, 1961.
  32. V.M. Finkelberg. Dielectric permittivity of mixtures// Journ. Techn.Phys. 34, 509, 1964.
  33. Gelfand I.M., Shilov G.E. Gwnwlalized functions. Vol. 1: poreties and operators. Academic Press, Boston, 1964.
  34. Mallet P., Guerin C.A., Sentenas A. Maxwell-Garnet mixing rule in the presence of multiple scattering: Derivation and accuracy// Phys. Rev. b, 72, 014205, 2005.
  35. Mikhlin S.G., Prossdorf S. Singular integral operators. Springer, 1987.
  36. Born M., E. Wolf E. Principles of optics. Pergamon Press, New York, 1964.
  37. Balanis C.A. Antenna theory (analysis and design). A John Wiley&Sons, New Jersey, 2005.
  38. Korn G.A., Korn T.M. Mathematical handbook (for scientists and engeneers). McGray-Hill, New York, 1961.
  39. Nyquist H. Thermal agitation of conductors // Phys. Rev. 29, 614, 1927.