Конструкция детекторного сверхвысокочастотного преобразователя

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

В данной работе будет рассмотрена конструкция высокочувствительного детекторного сверхвысокочастотного преобразователя на обращённых резисторах с туннельным эффектом на волноводно-коаксиальном переходе, а также проведена её модификация с учётом частот, детектируемых преобразователем, паразитных внешних наводок, и дальнейшего тракта обработки и преобразования принятого сигнала; будут рассчитаны основные параметры непосредственно детекторного диода.

Преобразователь будет использоваться для приёма низкоамплитудного СВЧ сигнала, и дальнейшей его передаче по коаксиальному кабелю непосредственно в тракт обработки.

Способность детектора принимать самые низкоуровневые полезные сигналы потребуется в исследовательской работе - для исследования затухания СВЧ волн различной частоты и интенсивности в органеллах клетки и в субклеточных структурах; рассеяния волн на данных структурах.

Сведения о поглощении субклеточными структурами СВЧ волн могут дать ответ на вопросы о непищевой и невирусной этиологии онкологических заболеваний, в том числе, рака, поскольку существует теория как термической, так и олиготермической денатурации белка путём перехода его в возбуждённое состояние под воздействием СВЧ излучения. За клеточное самоуничтожение (за его старт) отвечают белковые макромолекулы, которые и могут быть денатурированы. В онкологических клетках и клетках, поражённых вирусами, или с изменяющейся ДНК под воздействием мутагенезисных процессов данное излучение может быть фатальным для всего организма в целом. Или наоборот, облучая организм, могут быть затронуты только лишь патологические клетки и их симбиотические паразитные сожители. [1]

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ

Для создания необходимых частот будет задействован блок ФАПЧ с последующей установкой каскада умножителей частоты и излучающим диодом. Рассмотрим диоды, обладающие пространственной избирательностью к данным частотам: диод Ганна и туннельный диод.

Излучающие диоды

Туннельный диод

Рисунок 1 - Обозначение туннельных диодов на схемах

Обычные диоды при увеличении прямого напряжения монотонно увеличивают пропускаемый ток. В туннельном диоде квантово-механическое туннелирование электронов добавляет горб в вольтамперную характеристику (рисунок 2), при этом, из-за высокой степени легирования p- и n-областей напряжение пробоя уменьшается практически до нуля. Туннельный эффект позволяет электронам преодолеть энергетический барьер в зоне перехода с шириной 50..150 Е при таких напряжениях, когда зона проводимости в n-области имеет равные энергетические уровни с валентной зоной р-области. При дальнейшем увеличении прямого напряжения уровень Ферми n-области поднимается относительно р-области, попадая на запрещённую зону р-области, а поскольку туннелирование не может изменить полную энергию электрона, вероятность перехода электрона из n-области в p-область резко падает. Это создаёт на прямом участке вольтамперной характеристики участок, где увеличение прямого напряжения сопровождается уменьшением силы тока. Данная область отрицательного дифференциального сопротивления и используется для усиления слабых сверхвысокочастотных сигналов.

Туннельный диод был изготовлен в 1958 году Лео Исаки, который в 1973 году получил Нобелевскую премию по физике за экспериментальное обнаружение эффекта туннелирования электронов в этих диодах.

Наибольшее распространение на практике получили туннельные диоды из Ge, GaAs, а также из GaSb. Эти диоды находят широкое применение в качестве генераторов и высокочастотных переключателей, они работают на частотах, во много раз превышающих частоты работы тетродов, - до 30-100 ГГц.[2]

Рисунок 2 - Вольтамперная характеристика туннельного диода

В диапазоне напряжений от U1 до U2 дифференциальное сопротивление отрицательно.

Диод Ганна

Диод Ганна (изобретён Джоном Ганном в 1963 году) - тип полупроводниковых диодов, использующийся для генерации и преобразования колебаний в диапазоне СВЧ. В отличие от других типов диодов, принцип действия диода Ганна основан не на свойствах p-n-переходов, а на собственных объёмных свойствах полупроводника.

Традиционно диод Ганна состоит из слоя арсенида галлия толщиной от единиц до сотен микрометров с омическими контактами с обеих сторон. В этом материале в зоне проводимости имеются два минимума энергии, которым соответствуют два состояния электронов - «тяжёлые» и «лёгкие». В связи с этим с ростом напряжённости электрического поля средняя дрейфовая скорость электронов увеличивается до достижения полем некоторого критического значения, а затем уменьшается, стремясь к скорости насыщения.

Таким образом, если к диоду приложено напряжение, превышающее произведение критической напряжённости поля на толщину слоя арсенида галлия в диоде, равномерное распределение напряжённости по толщине слоя становится неустойчиво. Тогда при возникновении даже в тонкой области небольшого увеличения напряжённости поля электроны, расположенные ближе к аноду, «отступят» от этой области к нему, а электроны, расположенные у катода, будут пытаться «догнать» получившийся движущийся к аноду двойной слой зарядов. При движении напряжённость поля в этом слое будет непрерывно возрастать, а вне его - снижаться, пока не достигнет равновесного значения. Такой движущийся двойной слой зарядов с высокой напряжённостью электрического поля внутри получил название домена сильного поля, а напряжение, при котором он возникает - порогового.

В момент зарождения домена ток в диоде максимален. По мере формирования домена он уменьшается и достигает своего минимума по окончании формирования. Достигая анода, домен разрушается, и ток снова возрастает. Но едва он достигнет максимума, у катода формируется новый домен. Частота, с которой этот процесс повторяется, обратно пропорциональна толщине слоя полупроводника и называется пролетной частотой.

При помещении диода Ганна в резонатор возможны другие режимы генерации, при которых частота колебаний может быть сделана как ниже, так и выше пролетной частоты. Эффективность такого генератора относительно высока, но максимальная мощность не превышает 200-300мВт.

Наряду с арсенидом галлия для изготовления диодов Ганна также используется фосфид индия (до 170 ГГц) и нитрид галлия (GaN) на котором и была достигнута наиболее высокая частота колебаний в диодах Ганна - 3 ТГц.[3]

Рисунок 3 - Вольтамперная характеристика диода Ганна

При исследовании воздействия СВЧ ЭМИ на апоптоз клетки не нужны большие мощности излучаемых волн, поэтому диоды Ганна отлично подходят для проведения данных исследований. Также, диоды такого типа позволяют излучать ЭМВ больших частот, в отличие от туннельных диодов.

Детекторные полупроводниковые СВЧ преобразователи

Полупроводниковые детекторные СВЧ преобразователи находят широкое применение в измерительных устройствах, автоматизированных системах, радиоастрономии при физических исследованиях, мобильных телефонах и т.д. Всё большее внимание им уделяется в областях медицины, биологии и других науках.

Характеристики измерительных приборов и устройств автоматики в значительной степени определяются свойствами используемых в них преобразователей. Это справедливо для ваттметров СВЧ, устройств контроля уровня проходящего сигнала, схем защиты СВЧ устройств от пробоя и т.д.

Вообще, под измерительными полупроводниковыми детекторами СВЧ преобразователями (ИПДСП) подразумеваются волноводные, коаксиальные и полосковые устройства, содержащие полупроводниковые диоды (ППД) или структуры, предназначенные для преобразования непрерывных и импульсно-модулированных СВЧ сигналов в постоянный ток или низкочастотные сигналы, и используемые в различных измерительных приборах, а также в устройствах автоматики. Эти преобразователи отличаются друг от друга, прежде всего, принципом действия, т.е. используемыми в них физическими явлениями.

В преобразователях чаще других применяются диоды с нелинейной вольтамперной характеристикой (ВАХ), т.е. нелинейные резисторы. В основе их работы лежат нелинейные эффекты: в контакте металл-полупроводник, туннельный эффект и др. Снимаемая на постоянном токе ВАХ у этих диодов нелинейна. В то же время известны ИПДСП, например, на горячих носителях, у которых ВАХ являются, по существу, линейными и в основе их работы лежат другие механизмы детектирования.

По способу включения в тракт различают преобразователи поглощаемой и проходящей мощности.

По уровню средних значений входной мощности (ГОСТ 13605-75) различают преобразователи малого уровня мощности (входной сигнал до 10мВт), среднего уровня (до 10 Вт) и большого уровня (более 10 Вт).

По диапазону частот различают: широкополочные преобразователи от 40-50% (это соответствует диапазону волновода) и более узкополосные преобразователи диапазона частот в несколько процентов. Диапазон частот преобразователя определяется допустимым значением изменения чувствительности (от нескольких десятков до единиц процентов) и допустимым значением KстU (обычно < 1,5-2).

Так как полупроводниковые диоды обладают высокой чувствительностью, то в преобразователях возможно применение согласующих элементов с потерями. Это позволяет создавать коаксиальные детекторные преобразователи от десятых долей до 10-18 ГГц с изменение чувствительности в этом диапазоне не более 0,5-1 дБ при KстU, не превышающем 1,2-1,5, способные работать на милливаттном уровне. Такие ИПДСП можно назвать максимально широкополосными. Если необходимо обеспечить высокую чувствительность преобразователей в узком диапазоне частот, осуществляют их согласование реактивными, в том числе перестраиваемыми, элементами. Такие ИПДСП можно назвать максимально чувствительными. По способу включения ППД различают преобразователи с включением диода непосредственно в тракт (в частности, в волновод посредине или со смещением к боковой стенке), или в объём, связанный с трактом непосредственно, а также через отверстие связи (щель). Известны полупроводниковые детекторные преобразователи (ПДП) с последовательным и параллельным включением диода. Способы включения таких диодов показаны на рисунке 4. Они аналогичны способам включения в другие полупроводниковые СВЧ устройства.

Рисунок 4 - Способы включения полупроводниковых диодов: а - коаксиальный ПДП с диодом, включённым последовательно на конце короткозамкнутой линии (Д - диод, A - блокирующий конденсатор [фильтр]); б - коаксиальный ПДП с диодами, включёнными параллельно на расстоянии л/4 от короткозамыкателя; в - волноводные ПДП с непосредственным параллельным включением диода (волновод уменьшенной высоты) (Н - согласованная нагрузка); г - двухдиодный (двухполупериодный) волноводный ПДП (волновод уменьшенной высоты) (В - вывод выпрямленного сигнала); д - волноводный ПДП с включением диода с помощью штыря (Ш); е - волноводный ПДП с непосредственным включением диода вблизи широкой стенки; ж - волноводный ПДП с диодом, включённым через волноводно-коаксиальный переход (ВД-волновод); з - волноводный ПДП с диодом, включённым в нерезонансную щель (Щ) (параллельное включение); и - волноводный ПДП с диодом в щели (последовательное включение); к - волноводный ПДП с диодом, включённым в коаксиальную линию, связанную с волноводом через щель

Особенности проектируемого детекторного преобразователя

К положительным особенностям СВЧ преобразователей на обращённых диодах прежде всего относятся: отсутствие необходимости во внешнем смещении; малая температурная зависимость чувствительности; высокая чувствительность; низкий KстU, слабо зависящий от уровня входной мощности (это обусловлено относительно малой активной составляющей входного полного сопротивления (~ 500 Ом), приближающегося к волновому сопротивлению распространённых линий передачи).

В то же время эти преобразователи обладают некоторыми недостатками: относительно малой предельно допустимой мощностью (~ 10 мВт в непрерывном режиме); относительно малым выходным напряжением (десятые доли вольта) как в непрерывном, так и в импульсном режиме; трудностью согласования в широком диапазоне частот (несколько октав), обусловленной относительно большим значением ёмкости p-n-перехода.

Представим на рисунке эквивалентную схему замещения полупроводникового диода:



Рисунок 5 - Эквивалентная схема замещения полупроводникового диода

2. СИНТЕЗ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

Так как данный преобразователь будет использоваться в установке управления и исследования процесса апоптоза клеток под воздействием СВЧ волн, представим ниже схему электрическую структурную данной установки.

Формирователь сигнала СВЧ представляет собой генератор СВЧ сигнала с диапазоном частот 3•107 - 3•1011 Гц, управление которым осуществляется с пульта оператора. Также имеется возможность управления формой выходного сигнала.

Управляемый усилитель СВЧ предназначен для усиления сформированного формирователем сигнала до получения необходимой мощности излучения. Управление выходной мощностью осуществляется с пульта оператора через блок управления.

Блок управления осуществляет связь между оператором и технической частью устройства. Состоит из пульта оператора и элементов схемы, обеспечивающих согласование пульта оператора с блоками устройства.

СВЧ излучатель может быть представлен различного типа диодами, излучающими СВЧ колебания - диодом Ганна либо туннельным диодом, в зависимости от получения нужных характеристик и частот сигнала.

Контроль мощности излучения осуществляется волноводным преобразователем, построенным на обращённом диоде.

Биологический объект может быть представлен в виде: подопытного животного, контроль за которым будет осуществляться исследователем в течение нужного времени; участка ткани, выращенного в биологически активной среде либо отдельной клетки, наблюдение за которыми не может осуществляться невооружённым глазом и требует дополнительных технических средств, таких как атомно-силовой микроскоп, позволяющий наблюдать наноразмерные структуры, коими являются макромолекулы белков, при помощи которых происходит процесс апоптоза. СВЧ приёмник и преобразователь сигналов СВЧ может представлять собой волноводный преобразователь на обращённых диодах, необходимый для контроля мощности СВЧ излучения, прошедшего через исследуемый объект.

Рисунок 6 - Схема электрическая структурная установки для исследования влияния СВЧ ЭМИ на апоптоз клеток и его управления

Усилитель приёмного сигнала - в качестве данного блока может быть представлен любой подходящий операционный усилитель.

АЦП нужен для преобразования принятого аналогового сигнала в цифровую форму - для проведения различного рода операций с полученным сигналом и определения его параметров.

Микроконтроллер предназначен для поддержания постоянства выходной мощности и согласования с блоком индикации полученного сигнала.

Блок индикации в зависимости от финансирования может представлять собой как цифровое табло, так и дисплей (монитор), на котором будут отображаться форма сигнала и другие его характеристики.

Оператор - исследователь процесса апоптоза клетки. Может быть как врачом, так и специалистом в области технических средств.

Данная схема есть прототип для разработки всего устройства. По данной схеме была спроектирована схема электрическая функциональная излучающего тракта. Рассмотрим её далее.

2.1 Схема электрическая функциональная излучающего тракта установки для управления и исследования апоптоза клеток с использованием СВЧ излучения

Для получения сетки высокостабильных частот необходимо использовать петлю ФАПЧ синтезатора частот. Построим его по стандартной схеме, разбив на цифровой блок ФАПЧ и аналоговый блок ГУН.

Интегральный стабилизатор напряжения на входе устраняет возможность появления в полезном сигнале шумов микросхем. Обеспечивает питание микроконтроллера, синтезатора частоты и прескалера. Задающий генератор, находящийся в синтезаторе частоты вырабатывает частоту сигнала, к которой будет сводиться подстройка. Микроконтроллер задаёт коэффициенты деления на сигнал от задающего генератора. В зависимости от записанной в него программы выбирается число циклов программы и сами коэффициенты, а также сбросы счётчиков. Сигнал ГУН делится внешним предварительным делителем на 20 или 21 (прескалером) в зависимости от поступившего на его вход синхроимпульса. В обоих делителях обеспечивается предварительное усиление сигнала. Далее оба сигнала поступают на вход фазового детектора, где осуществляется сравнение сигналов, после чего в зависимости от результата может формироваться сигнал (или высокоимпедансное состояние) различных фаз, которое, проходя через ФНЧ трансформируется в постоянное напряжение, усиливающееся на операционном усилителе и поступающее на вход ГУН. В зависимости от уровня сигнала и его фазы, ГУН подстраивает выходную частоту f0, которая является высокостабильной. После этого сигнал подаётся на каскад умножителей частоты для получения сетки частот. СВЧ сигнал может сниматься с любого из умножителей - для обеспечения большого количества рабочих частот. После этого сигнал поступает на управляемый аттенюатор, где ослабляется до нужного уровня. Либо на управляемый усилитель, в котором происходит увеличение амплитуды сигнала по желанию оператора. В зависимости от поставленной задачи. Далее сигнал непосредственно подходит к излучательному диоду и происходит излучение его в среду (на биообъект).

Таким образом, осуществляется выбор частоты излучения, а также интенсивности излучаемого сигнала. Для совершенствования данного устройства управление усилением и ослаблением сигнала будет осуществляться цифровым методом с персонального компьютера с помощью специального программного обеспечения.

Рисунок 7 - Схема электрическая функциональная излучательного тракта установки управления и исследования апоптоза клеток

Далее рассмотрим временные диаграммы (эпюры) напряжений данной функциональной электрической схемы.

На них покажем сигналы, с помощью которых возможно объяснить работу петли ФАПЧ.

Рисунок 8 - Эпюры напряжений блока ФАПЧ и умножителей частоты

Напряжение питания Uпит имеет маленькую стабильность, поэтому следует выпрямить его интегральным стабилизатором, а также уменьшить амплитуду до 5В = U0. Для этого выбираем микросхему KA76L05Z. Петля ФАПЧ реализуется с помощью обратной связи с ГУНом. Задающий генератор выдаёт сигнал заданной частоты U1, ГУН же резонирует в свободном колебании, синтезируя сигнал U2. «Заметив» опережение/запаздывание подстраиваемой волны, фазовый детектор формирует на выходе сигнал необходимой полярности U3 (либо высокоимпедансное состояние - в случае совпадения фаз сигналов). Этот сигнал, пройдя через ФНЧ синтезируется в постоянное напряжение U4 для подстройки ГУН. Фильтрация необходима во избежание появления девиации выходной частоты f0. Высокостабильный сигнал U5 далее поступает на каскад умножителей частоты и на выходе каскада имеем СВЧ сигнал U6.

3. РАСЧЁТНАЯ ЧАСТЬ

Выберем диод на полупроводнике GaAs, так как арсенид-галлиевый ОД имеет более плавную вольтамперную характеристику, что даст более высокую точность измерения, и чем нельзя пренебречь в работе с малыми исследуемыми объектами - клетками и скоплениями клеток человека.

Рисунок 9 - Преобразователь с непосредственным параллельным включением диода в волновод с согласованной нагрузкой

3.1 Расчёт амперваттной характеристики волноводного преобразователя с согласованной нагрузкой (СН) на GaAs ОД

Ёмкость контакта CП = 3·10-12 Ф; индуктивность выводов L = 10-9 Гн; сопротивление растекания r = 12,5 Ом; проводимость p-n-перехода при малом сигнале G0 = 1,54·10-3 см; чувствительность по напряжению при малом сигнале в0 =10 1/В; волновое сопротивление волновода Z0 = 75 Ом (волновод сечением 1,74·23 мм); рабочая частота f = 15 ГГц; приложенное к контакту напряжение UП = 0,05 - 0,4 В; x0 = a/2; E0 = R = CК = 0.



Рисунок 10 - Общая эквивалентная схема СВЧ преобразователя и генератора

Считаем, что генератор и нагрузка всегда согласованы с трактом, т.е. RГ = Z0 = RН. Тогда по формуле рассчитаем

,

Ом.

Пусть UП = 0,2 В. Найдём сопротивление контакта, равное 1/GП, где GП - проводимость p-n-перехода:

, тогда .

Далее рассчитаем погрешность измерения мощности:

,

где щ - угловая частота, равная . Тогда

Посчитаем ток в диоде, подставив найденные значения в формулу для его нахождения:

Мощность, падающая на преобразователь:

Для построения амперваттной характеристики волновода рассчитаем аналогично I0D и PПД при значениях UП = 0,05В; 0,1В; 0,15В; 0,3В; 0,4В.

Посчитаем с помощью программы MS Office Excel'07 значения для построения графика и выведем их в таблицу. График амперваттной характеристики покажем ниже.

Таблица 1 - Зависимость I0D и PПД от приложенного к контакту напряжения

UП, В	I0D·10-6, А	PПД·10-3, Вт
0,05	-19,9	14,3
0,1	-86,6	57,1
0,15	-222	128
0,2	-462	228,4
0,3	-1470	514
0,4	-3700	916

Построим график в положительной полуоси, для этого возьмём значение тока по модулю.

Рисунок 11 - Зависимость выпрямленного тока и сопротивления p-n-перехода от входной мощности и напряжения на p-n-переходе для волноводного преобразователя с согласованной нагрузкой на GaAs ОД

Из исследованной амперваттной характеристики следует, что небольшое увеличение напряжения на p-n-переходе приводит к значительному увеличению тока и мощности. Но, для исследования клеточных явлений, подверженных облучению СВЧ ЭМИ не требуется большая мощность, поэтому применяемая мощность удовлетворит конструктивным и параметрическим требованиям выбранного диода.

Расчёт зависимости токовой чувствительности в1 от частоты в диапазоне 8-12,5 ГГц при следующих исходных данных: ёмкость контакта CП = 10-12 Ф; приложенное к контакту напряжение UП = 0,1 В (при частоте f = 10 ГГц, PПД = 19,8·10-3 Вт). Другие данные возьмём из п.3. (они будут идентичными п.4.1.). Также будем считать, что RГ = Z0 = RН. При расчёте I0D и PПД воспользуемся формулами из п.4.1. Размеры волновода a = 23 мм; b = 1,74 мм. Определим значение Z0 по формуле:

, где л выражена в см.

Примем частоту равной 12,5 ГГц. С полученным Z0 подставим это в следующую формулу:

,

получим RП = 490,3 Ом. Определим значение

.

Значение в1 рассчитаем по формуле:

.

Затем, меняя частоту таким образом f = 11; 10; 9 и 8 ГГц, получим кривую 1. В пакете MathCAD получим кривую 2 при заданном сопротивлении R = 10 Ом. Покажем обе кривые ниже на графике:

в1, 10-2 А/Вт

Рисунок 12 - Зависимость чувствительности по току от частоты для волноводного преобразователя с согласованной нагрузкой на GaAs ОД

4. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

В процессе проведения исследования, в первую очередь будет наблюдаться смерть биопробы под воздействием различных частот и интенсивностей СВЧ излучения. Далее будет наблюдаться, какое количество энергии СВЧ поля ушло на перевод той или иной молекулы белка в возбуждённое состояние, что привело к изменениям на субклеточном уровне (мутации ДНК, разрушение двойных связей, разрыв нуклеотидных цепей и т.д.).

Анализ биопробы может осуществляться по нескольким методикам, т.к. одна и та же проба может быть подвергнута различного рода воздействиям.

Анализ затухания СВЧ волн при прохождении через клетку

Для проведения данного исследования понадобится высокоточная аппаратура, т.к. размеры клеток имеют порядок микрометров, и наведение пучка СВЧ волны на одну клетку очень проблематично, поэтому следует рассчитать характеристику направленности излучающего диода и расположить биопробу на таком расстоянии, где расчёт интенсивности волны будет наиболее простым. За биопробой следует расположить высокочувствительный детекторный туннельный диод (см. Приложения), который и будет фиксировать полезный сигнал. Проводить данные исследования необходимо на одной фиксированной частоте, поскольку различные частоты имеют различные характеристики затухания в среде. Для этого необходимо использовать блок фазовой автоподстройки частоты, чтобы излучалась одна постоянная частота. Перед проведением исследования необходимо рассчитать затухание СВЧ волны во всех средах, находящихся между излучателем и биопробой, а также между биопробой и приёмным диодом. Далее рассмотрим некоторые особенности прохождения СВЧ волны через биологические смеси (клетки и другие структуры).

Глубина проникновения Д поля с длиной волны л (при ослаблении в e = 2,71 раз) в обрабатываемой среде зависит от диэлектрической проницаемости е рассматриваемой среды, и от тангенса угла потерь поля в этой среде tgд.

Д = л/(ре0,5 tgд)	(4.1.1)

Формула (4.1.1) следует из известного экспоненциального закона поглощении энергии поля обрабатываемой средой e-2бx, где x - координата, определяющее направление распространения энергии и расстояние, пройденное волной в среде, б - коэффициент затухания волны:

б = ре0,5 tgд/ л	(4.1.2)

Эффективность воздействия электромагнитного поля на клетки, подлежащие разрушению в составе диэлектрической среды, определяются особенностями биофизических и электрофизических и электрофизических характеристик структурных элементов клетки. Действительно, клеточная стенка и мембрана цитоплазмы клетки представляют собой полимерную среду с малой (как у большинства полимеров) диэлектрической проницаемостью (е ? 3). Эти структурные элементы содержат около 5% воды и имеют, таким образом, диэлектрическую проницаемость, не превышающую величину еM = 3*0,95 + 80*0,05 ? 7. Их тангенс угла потерь энергии не превышает величину tgдM = 0,005*0,95 + 0,2*0,05 ? 0,0105.

Цитоплазма же клетки, занимающая основную часть клетки, содержит около 80% свободной и связанной воды, по своим физико-химическим свойствам близка к коллоидному раствору и представляет собой дисперсную систему органических веществ (белков, жиров и углеводов) с микроэлементами Ca, Na, Mg, Fe в солевом растворе. Цитоплазма имеет следующие электрофизические параметры: еz = 10*0,2 + 70*0,8 = 58; tgдz = 0,01*0,2 + 0,2*0,8 = 0,162.

Подставляя эти данные в формулы (4.1.1) и (4.1.2), получим, что глубина проникновения волны в оболочку клетки в 45 раз больше, чем в среду цитоплазмы, а коэффициент поглощения энергии электромагнитного поля в этой оболочке в 90 раз меньше, чем в среде цитоплазмы клетки.

Эти оценочные расчёты показывают, что электромагнитное поле может проникать через защитную оболочку клеток практически беспрепятственно и эффективно воздействовать на биологически активный аппарат ядра клеток. В результате интенсивного преобразования электромагнитной энергии в тепловую в среде цитоплазмы возможна не только инактивация клеток, но и разрыв их оболочек в случае мощного нарастания поля во времени и их недостаточной пластичности, которая зависит, как известно, от компактности упаковки полимеров конкретной клеточной стенки и мембраны.[5]

Таким образом, имеем воздействие, которое способно влиять на апоптоз клеток, т.к. СВЧ волна проникает в клетки беспрепятственно. Судя по затуханию волны и рассеянию её на молекулах, можно судить о молекулярном составе клетки. Для более точного определения состава будет взята частота 1-100 ТГц. Также, можно будет установить коренные отличия молекулярного состава и воздействия излучения на нормальные клетки и онкологические.

Исследование воздействия СВЧ излучения различных частот на клетку и на апоптоз в частности

Для проведения данного исследования понадобится рассчитать характеристику направленности излучающего диода и установить биопробу на таком уровне от излучателя, где будет удобнее всего измерить уровень интенсивности СВЧ волны для более точного исследования. По сути, данный процесс - наблюдение за смертью биопробы под воздействием дозы СВЧ энергии. Таким образом, будут взяты частоты от 1 ГГц, подаваться на биопробу, и с помощью бесконтактного атомно-силового микроскопа будет наблюдаться процесс смерти клетки или денатурация какого-либо индуктора апоптоза, в частности, ДНК-репаразы (p53). Если мощности не будет достаточно - она будет увеличиваться до тех пор, пока не приведёт к каким-либо изменениям в структуре клетки. Таким образом, будет найден спектр частот наиболее опасных для апоптоза и наиболее безопасных. «Безопасные» частоты будут использоваться, как проводники наночастиц по руслу крови при терапии онкологических заболеваний.

5. ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ УСТРОЙСТВА

Описание разработанного ранее преобразователя

Детекторный СВЧ преобразователь состоит из волновода 1, внутренняя поверхность которого тщательно отполирована для уменьшения потерь и покрыта хорошо проводящим металлом - серебром. СВЧ энергия отбирается из волновода с помощью зонда 2 и передаётся на GaAs ОД 4, с которого с помощью цилиндрической цанги 5 снимается выпрямленное напряжение. Волновод имеет согласованную нагрузку (СН) 3. С целью повышения чувствительности возможна замена СН на короткозамыкатель (КЗ). КЗ обычно выполняют из ферроэпоксида. Для получения максимальной чувствительности диод располагают посередине волновода. Зонд крепится к диоду с помощью прижимного контакта 6. Шайба из поликарбоната 8 предохраняет зонд от влаги, пыли и прочих механических загрязнений. Втулка 7 служит держателем цанги и прижимается сверху к металлическому корпусу 9 гайкой 10.

Рисунок 13 - Преобразователь на волноводно-коаксиальном переходе

Выбор материалов составных элементов, модернизация и описание конструкции преобразователя

Коаксиальные кабели и волноводы

Для передачи электромагнитных волн СВЧ-диапазона не через эфир, а по металлическим проводникам нужны специальные методы и проводники особой формы. Обычные провода, по которым передается электричество, пригодные для передачи низкочастотных радиосигналов, неэффективны на сверхвысоких частотах. Любой отрезок провода имеет емкость и индуктивность. Эти т.н. распределенные параметры приобретают очень важное значение в СВЧ-технике. Сочетание емкости проводника с его собственной индуктивностью на сверхвысоких частотах играет роль резонансного контура, почти полностью блокирующего передачу. Поскольку в проводных линиях передачи невозможно устранить влияние распределенных параметров, приходится обращаться к другим принципам передачи СВЧ-волн. Эти принципы воплощены в коаксиальных кабелях и волноводах. Коаксиальный кабель состоит из внутреннего провода и охватывающего его цилиндрического наружного проводника. Промежуток между ними заполнен пластиковым диэлектриком, например тефлоном или полиэтиленом. С первого взгляда это может показаться похожим на пару обычных проводов, но на сверхвысоких частотах их функция иная. СВЧ-сигнал, введенный с одного конца кабеля, на самом деле распространяется не по металлу проводников, а по заполненному изолирующим материалом промежутку между ними. Коаксиальные кабели хорошо передают СВЧ-сигналы частотой до нескольких миллиардов герц, но на более высоких частотах их эффективность снижается, и они непригодны для передачи больших мощностей. Обычные каналы для передачи волн СВЧ-диапазона имеют форму волноводов. Волновод - это тщательно обработанная металлическая труба прямоугольного или кругового поперечного сечения, внутри которой распространяется СВЧ-сигнал. Упрощенно говоря, волновод направляет волну, заставляя ее то и дело отражаться от стенок. Но на самом деле распространение волны по волноводу есть распространение колебаний электрического и магнитного полей волны, как и в свободном пространстве. Такое распространение в волноводе возможно лишь при условии, что его размеры находятся в определенном соотношении с частотой передаваемого сигнала. Поэтому волновод точно рассчитывается, так же точно обрабатывается и предназначается только для узкого интервала частот. Другие частоты он передает плохо либо вообще не передает. Типичное распределение электрического и магнитного полей внутри волновода показано на рисунке 14.

Рисунок 14 - Типичное распределение электрического и магнитного полей в волноводе прямоугольного сечения

детекторный преобразователь волновод магнитный

Волновод - это металлическая труба прямоугольного или кругового поперечного сечения, внутри которой распространяются СВЧ-волны. Выбор поперечного сечения определяется нужным набором частот. Поэтому в данном преобразователе предусмотрены съёмные волноводы для различных сеток излучаемых частот.

Чем выше частота волны, тем меньше размеры соответствующего ей прямоугольного волновода; в конце концов эти размеры оказываются столь малы, что чрезмерно усложняется его изготовление и снижается передаваемая им предельная мощность. Поэтому были начаты разработки круговых волноводов (кругового поперечного сечения), которые могут иметь достаточно большие размеры даже на высоких частотах СВЧ-диапазона. Применение кругового волновода сдерживается некоторыми трудностями. Например, такой волновод должен быть прямым, иначе его эффективность снижается. Прямоугольные же волноводы легко изгибать, им можно придавать нужную криволинейную форму, и это никак не сказывается на распространении сигнала. Радиолокационные и другие СВЧ-установки обычно выглядят как запутанные лабиринты из волноводных трактов, соединяющих разные компоненты и передающих сигнал от одного прибора другому в пределах системы. [6]

Далее рассмотрим модернизированный чертёж преобразователя и обоснуем внесённые изменения.

Рисунок 15 - Общий вид преобразователя

Волновод 1 изнутри покрываем нанопорошком серебра. Данный слой и будет улавливать малейшие изменения частоты и амплитуды детектируемого сигнала. Как было указано ранее, волновод - съёмная деталь, и для разного набора частот в преобразователь будет устанавливаться соответствующий волновод. Данный процесс будет уменьшать погрешности при детектировании СВЧ сигналов. Сам волновод изготавливаем из стали.

Зонд 2 также покрываем нанопорошком серебра со стороны прикосновения им волновода. Арсенид-галлиевый обращённый диод 4 оставляем без изменений, поскольку данный диод изготавливается промышленностью. Оставляем без изменений и цангу 5, поскольку она подобрана к диоду и выпрямленное напряжение с неё будет наиболее полно и точно отражать все изменения уловленного СВЧ-сигнала. Согласованная нагрузка 3 съёмная и для каждого из съёмных волноводов она соответствующая. Прижимной контакт 6, втулка 7 и шайба 8 остаются неизменными. Гайку 10 можно изготавливать как из металла (как показано на рисунке 15), так и из пластмассы - для уменьшения веса.

Корпус 9 заменяем пластмассовым и покрываем изнутри слоем металлизированной ткани, после чего вскрываем тонким слоем лака. Данный процесс необходим для экранирования низкоамплитудных уловленных СВЧ сигналов от внешних помех. Коаксиальный кабель 12 экранируем таким же образом.

На конце коаксиального кабеля устанавливаем USB-коннектор 11 - это упростит работу с принятым сигналом, поскольку USB-разъёмы являются одними из самых распространённых и дешёвых.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе проделанной работы был разработан высокочувствительный детекторный СВЧ-преобразователь на обращённом диоде с туннельным эффектом на волноводно-коаксиальном переходе, способный улавливать необходимые частоты СВЧ-диапазона с малейшим отклонением амплитуды и частоты. Была разработана схема электрическая структурная установки управления и исследования процесса апоптоза клеток, в которой и будет использоваться данный преобразователь. Была разработана также схема электрическая функциональная излучающего тракта данной установки и проведено исследование эпюров напряжений данной схемы.

Произведён расчёт основным параметров данного преобразователя на случайной частоте.

Рассмотрены аспекты лабораторных исследований, включающих использование разработанного СВЧ-детектора.

Разработана конструкция преобразователя, и проведена её модернизация для улучшения параметров спроектированного детектора, а также для удобства и добавления эстетических качеств.

Спроектированный преобразователь полностью удовлетворяет требованиям, поставленным к нему, и годится для проведения клинических и лабораторных исследований.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Соботницкий И.С. Управление апоптозом клеток с использованием сверхвысокочастотного электромагнитного излучения // Сборник тезисов докладов Международной конференции с элементами научной школы для молодёжи «Биомедсистемы - 2009». - Рязань: изд-во РГРТУ, 2009. - С.354-356.

2. Силаев М.А., Комов А.Н. Измерительные полупроводниковые СВЧ преобразователи. - М.: Изд. Радио и связь, 1984.

3. Демьянчук Б.А. Статистическая модель избирательного воздействия электромагнитного поля на компоненты диэлектрических сред. // Одесса: ОНУ им. И.И. Мечникова. «Техника и приборы СВЧ» №1, 2009 - 45 с.

4. Сверхвысоких частот диапазон // Интернет-источник - http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_colier/6740/СВЕРХВЫСОКИХ // Дата обращения - 20.12.2010.

Размещено на Allbest.ru