+7 495 120-13-73 | 8 800 500-97-74

(для регионов бесплатно)

Содержание

На какой диапазон эта антенна? Измеряем характеристики антенн с помощью OSA103 Mini

— На какой диапазон эта антенна?
— Не знаю, проверь.
— КАААК?!?!

Как определить, что за антенна у вас в руках, если на ней нет маркировки? Как понять, какая антенна лучше или хуже? Эта проблема меня мучила давно.
В статье простым языком описывается методика измерения характеристик антенн, и способ определения частотного диапазона антенны.

Опытным радиоинженерам эта информация может показаться банальной, а методика измерения — недостаточно точной. Статья рассчитана на тех, кто вообще ничего не понимает в радиоэлектронике, как я.

TL;DR Мы будем измерять КСВ антенн на различных частотах с помощью прибора OSA 103 Mini и направленного ответвителя, строить график зависимости КСВ от частоты.

Теория

Когда передатчик посылает сигнал в антенну, часть энергии излучается в воздух, а часть отражается и возвращается назад.

Соотношение между излучаемой и отраженной энергией характеризуют с помощью коэффициента стоячей волны (КСВ или SWR). Чем меньше КСВ, тем большая часть энергии передатчика излучается в виде радиоволн. При КСВ = 1 отражения нет (вся энергия излучается). КСВ у реальной антенны всегда больше 1.

Если посылать в антенну сигнал разной частоты и одновременно измерять КСВ, можно найти, на какой частоте отражение будет минимальным. Это и будет рабочий диапазон антенны. Также можно сравнить между собой разные антенны для одного диапазона и найти, какая из них лучше.


Часть сигнала передатчика отражается от антенны

Антенна, рассчитанная на определенную частоту, в теории, должна иметь наименьший КСВ на своих рабочих частотах. Значит достаточно поизлучать в антенну разными частотами и найти, на какой частоте отражение наименьшее, то есть максимальное количество энергии улетело в виде радиоволн.

Имея возможность генерировать сигнал на разных частотах и измерять отражение, мы сможем построить график, у которого по оси X будет частота, а по оси Y — коэффициент отражения сигнала.

В результате там, где на графике будет провал (то есть наименьшее отражение сигнала), будет рабочий диапазон антенны.


Воображаемый график зависимости отражения от частоты. На всем диапазоне отражение 100%, кроме рабочей частоты антенны.

Прибор Osa103 Mini

Для измерений мы будем использовать

OSA103 Mini

. Это универсальный измерительный прибор, который объединяет осциллограф, генератор сигнала, анализатор спектра, измеритель АЧХ/ФЧХ, векторный антенный анализатор, измеритель LC, и даже SDR-трансивер. Рабочий диапазон OSA103 Mini ограничен 100 МГц, модуль OSA-6G расширяет частотный диапазон в режиме ИАЧХ до 6 ГГц. Родная программа со всеми функциями весит 3 Мб, работает под Windows и через wine в Linux.


Osa103 Mini — универсальный измерительный прибор для радиолюбителей и инженеров

Направленный ответвитель


Направленный ответвитель (directional coupler) — устройство, которое отводит небольшую часть ВЧ-сигнала, идущего в определенном направлении. В нашем случае он должен ответвлять часть отражённого сигнала (идущего от антенны назад в генератор) для его измерения.

Наглядное объяснение работы направленного ответвителя:

youtube.com/watch?v=iBK9ZIx9YaY

Основные характеристики направленного ответвителя:

  • Рабочие частоты — диапазон частот, на которых основные показатели не выходят за пределы нормы. Мой ответвитель рассчитан на частоты от 1 до 1000 МГц
  • Ответвление (Coupling) — какая часть сигнала (в децибелах) будет отводится при направлении волны из IN в OUT
  • Направленность (Directivity) — насколько меньше сигнала будет отводится при движении сигнала в обратном направлении из OUT в IN

На первый взгляд это выглядит достаточно запутанно. Для наглядности представим ответвитель как водопроводную трубку, с небольшим отводом внутри. Отвод сделан таким образом, что при движении воды в прямом направлении (от IN к OUT), отводится существенная часть воды. Количество воды, которое отводится при этом направлении, определяется параметром Coupling в даташите ответвителя.

При движении воды в обратном направлении отводится значительно меньше воды. Ее следует воспринимать как побочное явление. Количество воды, которое отводится при этом движении, определяется параметром Directivity в даташите. Чем этот параметр меньше (больше значение dB), тем лучше для нашей задачи.

Принципиальная схема

Так как мы хотим измерять уровень сигнала, отраженный от антенны, подключаем ее к IN ответвителя, а генератор к OUT. Таким образом на приёмник попадёт часть отражённого от антенны сигнала для измерения.


Схема подключения ответвителя. Отраженный сигнал отводится на приемник

Измерительная установка

Соберём установку для измерения КСВ в соответствии с принципиальной схемой. На выходе генератора прибора дополнительно установим аттенюатор с затуханием 15 дБ. Это улучшит согласование ответвителя с выходом генератора и повысит точность измерения.

Аттенюатор можно взять с затуханием в 5..15 дБ. Величина затухания автоматически учтётся при последующей калибровке.

Аттенюатор ослабляет сигнал на фиксированное число децибел. Главной характеристикой аттенюатора является коэффициент затухания (аттенюации) сигнала и рабочий диапазон частот. На частотах вне рабочего диапазона характеристики аттенюатора могут непредсказуемо изменяться.

Так выглядит финальная установка. Нужно также не забыть подать сигнал промежуточной частоты (ПЧ) с модуля OSA-6G на основную плату прибора. Для этого соединяем порт IF OUTPUT на основной плате с INPUT на модуле OSA-6G.

Для снижения уровня помех от импульсного источника питания ноутбука все замеры я провожу при питании ноутбука от батареи.


Калибровка

Перед началом измерений необходимо убедиться в исправности всех узлов прибора и качестве кабелей, для этого соединяем генератор и приемник кабелем напрямую, включаем генератор и проводим измерение АЧХ. Получаем почти ровный график на 0dB.

Это значит, что на всем диапазоне частот вся излучаемая мощность генератора дошла до приемника.


Подключение генератора напрямую к приемнику

Добавим в схему аттенюатор. Видно почти ровное ослабление сигнала на 15dB на всем диапазоне.

Подключение генератора через аттенюатор на 15dB к приемнику

Подключим генератор к разъему OUT ответвителя, а приемник к CPL ответвителя. Так как к порту IN не подключено нагрузки, весь генерируемый сигнал должен отражаться, и часть ответвляться на приемник. Согласно даташиту на наш ответвитель (ZEDC-15-2B), параметр Coupling равен ~15db, значит мы должны увидеть горизонтальную линию на уровне около -30 дБ (coupling + затухание аттенюатора). Но так как рабочий диапазон ответвителя ограничен 1 ГГц, все измерения выше этой частоты можно считать не имеющими смысла. Это отчетливо видно на графике, после 1 ГГц показания хаотичны и не имеют смысла. Поэтому все дальнейшие измерения мы будем проводить в рабочем диапазоне ответвителя.


Подключение ответвителя без нагрузки. Виден предел рабочего диапазона ответвителя.

Так как данные измерений выше 1 ГГц, в нашем случае, не имеют смысла, ограничим максимальную частоту генератора до рабочих значений ответвителя. При замерах получаем ровную линию.


Ограничение диапазона генератора до рабочего диапазона ответвителя

Для того, чтобы наглядно измерять КСВ антенн, нам нужно выполнить калибровку, чтобы принять текущие параметры схемы (100% отражение) как точку отсчета, то есть ноль dB. Для этого в программе OSA103 Mini есть встроенная функция калибровки. Калибровка выполняется без подключенной антенны (нагрузки), данные калибровки записываются в файл и в дальнейшем автоматически учитываются при построении графиков.


Функция калибровки ИАЧХ в программе OSA103 Mini

Применив результаты калибровки и запустив измерения без нагрузки, мы получаем ровный график на 0dB.


График после выполнения калибровки

Измеряем антенны

Теперь можно приступить к измерению антенн. Благодаря калибровке, мы будем видеть и измерять уменьшение отражения после подключения антенны.

Антенна с Aliexpress на 433MHz

Антенна с маркировкой 443MHz. Видно, что наиболее эффективно антенна работает на диапазоне 446MHz, на этой частоте КСВ равно 1.16. При этом, на заявленной частоте показатели существенно хуже, на 433MHz КСВ 4,2.

Неизвестная антенна 1

Антенна без маркировки. Судя по графику, рассчитана на 800 МГц, предположительно для GSM-диапазона. Справедливости ради нужно сказать, что эта антенна также работает на 1800 МГц, но из-за ограничений ответвителя я не могу делать корректные замеры на этих частотах.


Неизвестная антенна 2

Еще одна антенна, которая давно валяется у меня в коробках. Судя по всему, тоже для GSM-диапазона, но уже лучше предыдущей. На частоте 764 МГц КСВ близок к единице, на 900 МГц КСВ — 1.4.

Неизвестная антенна 3

Это похоже на антенну Wi-Fi, но коннектор почему-то SMA-Male, а не RP-SMA, как у всех Wi-Fi-антенн. Судя по измерениям, на частотах до 1 ГГц эта антенна бесполезна. Опять же, из-за ограничений ответвителя мы не узнаем, что это за антенна.

Телескопическая антенна

Попробуем рассчитать, на сколько нужно выдвинуть телескопическую антенну для диапазона 433MHz. Формула расчета длины волны: λ = C/f, где C — скорость света, f — частота.

299.792.458 / 443.000.000 = 0.69719176279

Полная длина волны

— 69,24 см


Половина длины волны

— 34,62 см


Четверть длины волны

— 17,31 см

Рассчитанная таким образом антенна оказалась абсолютно бесполезна. На частоте 433MHz значение КСВ — 11.

Экспериментально выдвигая антенну, мне удалось добиться минимального КСВ 2.8 при длине антенны около 50 см. При этом оказалось, что толщина секций имеет большое значение. То есть, при выдвигании только тонких крайних секций, результат был лучше, чем при выдвигании на ту же длину только толстых секций.

Не знаю, насколько впредь стоит полагаться на эти расчеты с длиной телескопической антенны, потому что на практике они не работают. Может быть с другими антеннами или частотами это работает иначе, не знаю.

Кусок провода на 433MHz

Часто во разных приборах, вроде радиовыключателей, можно видеть кусок прямого провода в качестве антенны. Я отрезал кусок провода, равного четверти длины волны 433 МГц (17,3см), и залудил конец так, чтобы он плотно вставлялся в разъем SMA Female.

Результат получился странный: такой провод неплохо работает на 360 МГц но бесполезен на 433 МГц.

Я начал по кусочку обрезать провод с конца и смотреть на показания. Провал на графике начал медленно сдвигаться в вправо, в сторону 433 МГц. В итоге, на длине провода около 15,5 см, мне удалось получить наименьшее значение КСВ 1.8 на частоте 438 МГц. Дальнейшее укорачивание кабеля привело к росту КСВ.

Заключение

Из-за ограничений ответвителя не удалось измерять антенны на диапазоны выше 1 ГГц, например, антенны Wi-Fi. Это можно было сделать, будь у меня более широкополосный ответвитель.

Ответвитель, соединительные кабели, прибор и даже ноутбук – это части получающейся антенной системы. Их геометрия, положение в пространстве и окружающие предметы влияют на результат измерения. После установки на реальную радиостанцию или модем, частота может сдвинуться, т.к. корпус радиостанции, модема, тело оператора станут частью антенны.

OSA103 Mini — очень крутой многофункциональный прибор. Выражаю благодарность его разработчику за консультацию при проведении замеров.

Генераторы постоянного тока и высокочастотные источники питания

ГЕНЕРАТОРЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА И ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

 


Подразделения ENI и ASTeX компании MKS Instruments

Подразделения «ENI» и «ASTeX» компании MKS Instruments специализируются на разработке и серийном производстве оборудования для современных плазменных технологий. В перечень входят источники постоянного тока (непрерывные и импульсные), ВЧ-генераторы, СВЧ-генераторы, устройства согласования нагрузки, датчики мощности с обратной связью, СВЧ-источники плазмы.
Продукция «ENI» и «ASTeX» перекрывает широчайший спектр применений в области плазменных технологий.

ИСТОЧНИКИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Модульные (возможность добавления 20 кВт блоков) непрерывные источники тока с встроенной системой подавления дуг, диапазон мощностей 5÷120 кВт.

DCG — переключение между 3-мя диапазонами по мощности, пассивная система подавления дуг; опция — активная система ArcKill (время жизни дуги менее 75 мкс)

OPTIMA — новейшая серия источников постоянного тока. Нет необходимости переключения между диапазонами мощности, пассивная и активная система борьбы с образованием дуг и микродуг (время жизни дуги менее 7,5 мкс).

Импульсные источники постоянного тока серии RPG — мощность 5÷10 кВт, 25÷250 кГц, асимметричные моно- и биполярные импульсы.

ВЧ-ГЕНЕРАТОРЫ

ACG — компактные и легкие генераторы малой мощности  — 0,3÷1кВт, 13,56 МГц.

OEM — 0,6÷2,8 кВт, 13,56 МГц.

Genesis — генераторы, с рабочими частотами 1,6, 2, 3,2, 13,56, 27,12 и 40,68 МГц в диапазоне мощности 1,25÷8 кВт.

Spectrum — компактные генераторы. Мощность — 1,5÷10 кВт, частоты 13,56 и 2МГц. Возможность импульсной работы с частотой импульсов 0÷1000Гц.

ОБОРУДОВАНИЕ СОГЛАСОВАНИЯ УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ ВЧ-ГЕНЕРАТОРОВ

Устройства согласования Matchwork

Датчик ВЧ-мощности V/I Probe

СВЧ-СИСТЕМЫ ASTEX — 2,44-2,47 ГГЦ, 2-6 КВТ

СВЧ-генераторы, устройства согласования, источники плазмы.

ИСТОЧНИКИ ПОСТОЯННОГО ТОКА ENI

«MKS ENI Products» производит семейство высоконадежных непрерывных и импульсных источников постоянного тока в интервале мощностей 5-60кВт и более. Их конструкция компактна и дает возможность наращивания мощности до 200 кВт путем присоединения дополнительных 20 кВт модулей. Мониторинг и контроль дополнительных модулей осуществляется основным источником, что обеспечивает необходимую точность работы блока во всем рабочем диапазоне и ликвидирует задержки при обнаружении искровых пробоев.
Серии Optima, DCG и RPG представляют собой самый передовой модельный ряд источников постоянного тока для промышленного применения. Сконструированные с акцентом на исключительную воспроизводимость заданных параметров, превосходный контроль дугообразования, высокую надежность и удобство пользования, источники питания «MKS ENI» обеспечивают  высокую производительность технологических процессов.

Optima и DCG
 

Серия «Optima» и «DCG»  — это непрерывные источники постоянного тока, обеспечивающие надежную и точную работу в диапазоне мощностей 5-60 кВт и выше, обладают автоматической биполярной системой подавления дуг. Источники этой серии обладают высокими точностью (0,1%) и линейностью для повышенной воспроизводимости.
По желанию пользователя источники питания снабжаются встроенными или дистанционными блоками управления, которые могут быть как аналоговыми, так и цифровыми. Высокая работоспособность и гибкость системы обеспечивается большим набором настраиваемых режимов. «Optima» может использоваться как источник тока, напряжения или мощности в зависимости от выбранного режима. Пользователь может запрограммировать последовательность из различных режимов (до 10), необходимую для его техпроцесса.
В источники серии «DCG» в качестве дополнительного оборудования может устанавливаться улучшенная система подавления дуг «ArcKill» — время детектирования дуги < 50 нс, пиковый ток < 10 A, полная энергия дуги < 0,5 мДж.

RPG
 
«RPG» — серия импульсных источников постоянного тока для мощностей 5-10 кВт. Источники «RPG» обеспечивают ассиметричные моно- и биполярные электрические импульсы с сохранением точности, воспроизводимости и гибкости непрерывных источников Optima. Частота повторения импульсов настраивается пользователем в диапазонах 25-125 кГц или 50-250 кГц, в зависимости от модели, что делает возможной настройку под изготовление множества видов тонких пленок.

ВЧ ГЕНЕРАТОРЫ  ENI

Оптимальное решение для технологий плазменного травления и напыления.
Модельный ряд перекрывает весь диапазон рабочих параметров ВЧ источников питания, необходимых в современном производстве: частоты от 1 до 41 Мгц, мощности от 300 ватт до 10 киловатт. Генераторы «ENI», построенные на полупроводниковой элементной базе, отличаются проверенной высокой надежностью, точностью и стабильностью характеристик. Они становятся неотъемлемыми элементами плазменных установок для современной индустрии полупроводников. Дополнение ВЧ-генераторов производимыми «ENI» устройствами согласования нагрузки Matchwork и датчиками мощности (V/I Probe) делает их самодостаточными системами по управлению технологическим процессом.  
ВЧ генераторы «ENI» делятся  на четыре группы в соответствии с их рабочими характеристиками и возможностями применения:

— серия «ACG»

Серия компактных ВЧ-генераторов с воздушным охлаждением.
Генераторы ACG применяются для случаев малой потребной мощности (300-1000 Вт) и высокой частоты (13,56 МГц).

— серия «OEM»
ВЧ-генераторы, диапазон мощностей 0,6 — 2,8 кВт на частоте 13,56 МГц.

— серия Genesis

Платформа Genesis сконструирована для надежной работы в разнообразных плазменных технологических установках и отвечает широкому диапазону требований к рабочим характеристикам: частота генерации — 1-41 МГц, мощность — 1,25-8 кВт. Система контроля мощности на базе DSP (Digital Signal Processing) обеспечивает самодиагностику.

— серия «Spectrum»
Компактные генераторы этой серии перекрывают диапазон мощностей от 1,5 до 10 кВт (13,56 МГц). Отличаются модульной конструкцией с возможностью расширения, точностью ± 1%, высокой надежностью и исключительной плотностью ВЧ мощности. 


Устройства диагностики и согласования для ВЧ-генераторов

Датчик мощности «V/I Probe»
Точное измерение напряжения, силы тока и разности фаз генерируемой ВЧ-энергии для контроля и оптимизации процесса.
Линейка устройств согласования нагрузки Matchwork (В Series, LD Series, H Series, M Series, Dual Series) предназначена для повышения воспроизводимости и производительности технологических процессов и обеспечивает высокую скорость подстройки для согласования переменного сопротивления в рабочей камере и рабочей нагрузки генератора. Обычно параметры устройств Matchwork подбираются под конкретную конфигурацию установки и соответствуют практически всему диапазону генераторов «ENI» по мощности и частоте.  
Устройства согласования нагрузки обеспечивают непрерывное выравнивание сопротивлений разрядной системы для оптимальной передачи ВЧ-мощности от генератора в разрядную камеру. Это дает высокую эффективность в процессах травления, напыления  и т.д.

СВЧ-СИСТЕМЫ «ASTeX» — 2,44-2,47 ГГц, 2-6 кВт

СВЧ-системы «ASTeX» представляют собой не только источники СВЧ энергии SmartPower в диапазоне мощности 2-6 кВт. Источники могут быть дополнены высокоточными измерителями мощности PPD с обратной связью, устройствами согласования нагрузки SmartMatch и источниками плазмы AX7610. Источники плазмы мощностью 3 кВт выпускаются в двух версиях для нейтральной и агрессивной среды соответственно с кварцевыми и сапфировыми трубками.
Совокупность СВЧ-элементов «ASTeX» дает возможность построения автоматических плазменных систем для модификации поверхности, обработки полимеров, пассивации, удаления фоторезиста и других современных плазменных технологий.
Одним из решающих достоинств «ASTeX» является возможность индивидуального подхода к потребностям заказчика при выборе оптимального решения для конкретных условий вплоть до исследования и отладки всего технологического процесса в лабораториях производителя.

Сводная таблица источников питания «MKS In.», «ENI».

Модель

Тип устройства

Мощность

Частота

Примечание

DCG-75

источник постоянного тока

7,5 кВт

модульная конструкция, воздушное охлаждение, 3-фазное питание 208 и 380 В

DCG-100

источник постоянного тока

5-30 кВт

DCG-150

источник постоянного тока

15 кВт

DCG-200

источник постоянного тока

20 кВт

DCG-400

источник постоянного тока

40 кВт

DCG-600

источник постоянного тока

60 кВт

RPG-50

импульсный источник постоянного тока

5 кВт

25-125 или 50-250 кГц (частота следования импульсов)

программируемая частота следования импульсов, асимметричные, биполярные импульсы.

RPG-100

импульсный источник постоянного тока

10 кВт

50-250 кГц (частота следования импульсов)

Spectrum B-1513

ВЧ-генератор

1,5 кВт

13,56 МГц

точность по мощности ±1%, точность по частоте ±0,005%  опции — графический интерфейс, импульсные режимы 0-1 кГц

Spectrum B-3013

ВЧ-генератор

3 кВт

13,56 МГц

Spectrum B-5513

ВЧ-генератор

5 кВт

13,56 МГц

Spectrum B-10013

ВЧ-генератор

10 кВт

13,56 МГц

Spectrum B-10002

ВЧ-генератор

10 кВт

2 МГц

Genesis GHW-12

ВЧ-генератор

1,25 кВт

13,56 МГц

источник с уменьшенным весом и упрощенной интеграцией в систему, встроенная система мониторинга и контроля.

Genesis GHW-25

ВЧ-генератор

2,5 кВт

13,56 МГц

Genesis GHW-50

ВЧ-генератор

5 кВт

13,56 МГц

Genesis GHW-80

ВЧ-генератор

8 кВт

13,56 МГц

Genesis Nova-25

ВЧ-генератор

2,5 кВт

1,6 и 2 МГц

Genesis Nova-50

ВЧ-генератор

5 кВт

2 и 3,2 МГц

Genesis GEW2527

ВЧ-генератор

2,5 кВт

27,12 МГц

Genesis GEW3040

ВЧ-генератор

3 кВт

40,68 МГц

ACG-3B

ВЧ-генератор

300 Вт

13,56 МГц

компактные ВЧ-генераторы с воздушным охлаждением

ACG-6B

ВЧ-генератор

600 Вт

13,56 МГц

ACG-10B

ВЧ-генератор

1 кВт

13,56 МГц

OEM-12B

ВЧ-генератор

1,25 кВт

13,56 МГц

1-фазное питание 190-250 В

OEM-6

ВЧ-генератор

650 Вт

13,56 МГц

OEM-1250

ВЧ-генератор

1,25 кВт

13,56 МГц

3-фазное питание 208 и 380 В

OEM-2000

ВЧ-генератор

2 кВт

13,56 МГц

OEM-28B

ВЧ-генератор

2,75 кВт

13,56 МГц

 

Эксплуатация индукционных нагревателей


В этой статье мы будем говорить о реальных проблемах в эксплуатации современных индукционных нагревателей. Проблемы эти не выдуманы, они реально возникали у наших покупателей. И нам приходилось их решать совместными усилиями. Вам будет проще, ведь недаром говорят, предупрежден, значит вооружен!

1. Оптимизация рабочей частоты индукционных нагревателей

Главным преимуществом современных индукционных нагревателей является автоматическая подстройка резонансной частоты генерации под параметры колебательного контура, состоящего из выходного конденсатора, высокочастотного трансформатора и индукционной катушки. Чем больше рабочий диапазон частот генератора, тем более разнообразные по диаметру и количеству витков индукционные катушки к нему можно подключать. И соответственно решать большее количество задач индукционного нагрева.

Однако, указанный производителями рабочий диапазон частот индукционных нагревателей не всегда нравится самим нагревателям. На самом деле, оптимальный диапазон несколько уже. По нашему опыту мы рекомендуем следующие диапазоны частот для различных типов индукционных нагревателей:

Серия СЧН (Среднечастотные низковольтные) указан диапазон — 1-20 кГц.

Реально диапазон частот разбит на два поддиапазона:

I – (1-10 кГц) Оптимальный диапазон — 5-9 кГц.

II- (10-20 кГц) Оптимальный диапазон — 12-17 кГц.

Серия СЧВ (Среднечастотные высоковольтные) указан диапазон — 1-20 кГц.

Оптимальный диапазон — 5-10 кГц

Серия ВЧС (Высокочастотные сверхзвуковые) указан диапазон 20-50 кГц.

Оптимальный диапазон — 23-32 кГц

Серия ВЧ (Высокочастотные) в зависимости от мощности:

ВЧ-05 указан диапазон – 100-250 кГц. Оптимальный диапазон — 180-220 кГц

ВЧ-15 указан диапазон – 30-100 кГц. Оптимальный диапазон — 30-60 кГц

ВЧ-25 – ВЧ-70 указан диапазон – 30-80 кГц. Оптимальный диапазон — 30-60 кГц

СВЧ-05 указан диапазон – 0,6-1,4 МГц. Оптимальный диапазон 0,6 — 0,8 МГц

Самое время задать вопрос, а что будет, если рабочая частота выйдет за пределы оптимального диапазона? Как правило, если частота слишком низкая, снизится мощность и сработает защита. А вот слишком высокая частота иногда не вызывает срабатывания защиты и приводит к выходу из строя JGBT модулей и драйверов управления ими.

Вывод следующий. При эксплуатации индукционных нагревателей на JGBT модулях необходимо контролировать частоту генерации индукционного нагревателя при подключении каждого нового индуктора. Для этих целей следует использовать подходящий осциллограф, частотомер, мультиметр или токовые клещи с функцией измерения частоты и соответствующим диапазоном частот.

Для измерения рабочей частоты индукционных нагревателей, рекомендуем использовать следующие цифровые измерительные приборы:

Не следует подключать клеммы измерителя непосредственно к клеммам индуктора, так можно сжечь измерительный прибор. Нужно намотать тонким проводом небольшую катушку и при измерении частоты поднести ее непосредственно к индуктору. Количество витков следует выбирать, соизмеряясь с чувствительностью измерительного прибора. Например, для устойчивой работы осциллографа хватает и полвитка измерительной катушки. А для измерения частоты с помощью мультиметра необходимы 3-5 витков.

В комплект поставки индукционных нагревателей серии СЧН, ВЧ и ВЧС входит универсальный выходной трансформатор, с его помощью можно решать ограниченный круг задач индукционного нагрева. К нему можно подключать определенное количество витков индукционной катушки. Если нужно подключить большее количество, витки индукционной катушки можно добавлять параллельно 2-мя, 3-мя и даже 4-мя секциями. См. фото. Это делается для удержания резонансной частоты выше нижнего предела.

Иногда в целях закалки необходимо значительно уменьшить количество витков индукционной катушки, например, требуется катушка всего в полвитка. При столь малой индуктивности катушки, частота генерации поднимется выше верхнего допустимого предела. Загорится индикатор «слишком высокая частота». Может произойти срабатывание защиты прибора. В любом случае перед выводом индукционного генератора на полную мощность, следует измерить рабочую частоту генерации на минимальной мощности с помощью рекомендованных выше цифровых измерительных приборов.

Оптимальные зазоры между индуктором и катушкой

Обычное расстояние от заготовки до поверхности индуктора 3-5 мм. Серия нагревателей ВЧ работает и при увеличении этого зазора до 10-20 мм и более, однако при этом существенно падает коэффициент заполнения индуктора и КПД передачи индукционного поля в нагреваемую деталь. Серия СЧН не переносит увеличения зазора более 5 мм. А вот для СВЧ нагревателей зазор между деталью и индуктором должен быть минимальным 2-3 мм. Однако не забывайте, что деталь при закалке ведет (она изгибается). Иногда приходится ставить направляющие, что бы не задевать индуктором вращающуюся при сканирующей закалке деталь.

2. Современные закалочные трансформаторы для индукционных нагревателей

Для эффективного использования ТВЧ установки для закалки разнообразных по геометрии деталей вам потребуется заменить универсальный выходной трансформатор с фиксированным коэффициентом трансформации на закалочный трансформатор (ТЗ) с переключаемым коэффициентом трансформации.

Современные закалочные трансформаторы бывают трех видов для различных диапазонов частот:

В зависимости от рабочего диапазона частот сердечник закалочного трансформатора изготавливается из различных материалов. Для диапазона 1-8 кГц используется сердечник из трансформаторной стали. На частотах 3-50 кГц, применяется ферриты. На частотах 50 Гц – 15 кГц могут использоваться сердечники из аморфного железа. На частотах 20-350 кГц, так же применяются ферриты.

Сердечник закалочного трансформатора, как правило, охлаждается водой. Медные трубки водяного охлаждения располагают как по периметру сердечника, так и внутри него. Самые современные, запатентованные ТЗ имеют, плавающий в воде сердечник из трансформаторной стали. См. фото.

Обязательно охлаждаются водой и сами обмотки ТЗ, выполненные из медных трубок различного диаметра. Соответственно чем выше мощность, тем больше размер трансформатора и внутренний диаметр медных трубок обмоток.

При любом подключении первичных обмоток, а подключают их только последовательно, их рабочее напряжение равно 550-800 Вольт, что соответствует выходному напряжению транзисторного индукционного генератора. ТЗ, как правило, содержит две выходные обмотки, обычно это две одновитковые обмотки. В зависимости от задач индукционного нагрева, их можно включать по отдельности, параллельно и последовательно.

В зависимости от выбранного коэффициента трансформации, выходное напряжение холостого хода колеблется в диапазоне от двух десятков до полутора сотен Вольт. Выходной ток может достигать десятков тысяч Ампер. Естественно, что при подключенном индукторе, выходное напряжение под нагрузкой, сильно падает.

Коэффициент трансформации в зависимости от конструкции и мощности ТЗ бывает различным и колеблется в диапазоне от 1,5 /1 до 24/1. Т.е. ТЗ в состоянии понизить напряжение в 24 раза и при этом во столько же раз увеличить выходной ток. Что позволяет сконцентрировать индукционную энергию на малой площади нагрева. При этом не следует забывать, что увеличивать бесконечно ток, протекающий по рабочей поверхности индукционной катушки, мы не можем. Она может расплавиться при отдаваемой мощности более 1,5 кВт/см.кв. Иногда для увеличения поверхностной мощности индукционные катушки делают из серебра.

А вот увеличивать толщину рабочей поверхности индуктора не следует, т.к. ток идет по ее внешней поверхности. Это не касается циклических индукторов, стенки которых имеют большую толщину для обеспечения теплоотвода при цикле нагреве без охлаждения, охлаждение происходит в цикле подачи воды в индуктор. Если циклический индуктор сделать тонким, он просто расплавится…

Первичная обмотка ТЗ имеет до 10-ти секций включаемых последовательно. Чем большее количество секций подключено, тем выше коэффициент трансформации и тем ниже выходное напряжение. Ранее, при подключении ТЗ к тиристорным и ламповым генераторам с фиксированной рабочей частотой обязательно контролировали cosφ и добивались согласования подбором емкости конденсаторной батареи.

То же самое приходится делать на современных транзисторных генераторах с последовательным (резонансом) колебательным контуром. Но это неудобство с лихвой окупается высокой экономичностью нагрева на данных генераторах.

Когда речь идет о современных транзисторных генераторах с параллельным резонансным контуром, cosφ контролировать и подстраивать не надо. При работе этих генераторов на закалочный трансформатор необходимо попасть в диапазон частот генератора, смотри рекомендации выше.

ТЗ имеет свой диапазон рабочих частот, в него тоже нужно попасть. Водоохлаждаемая конденсаторная батарея так же имеет рабочую частоту, и желательно не удаляться от нее более чем на 20-30%. Если мы выходим из диапазона рекомендованных частот, так же как на старых генераторах, следует подобрать емкость выходного конденсатора.

Для нормальной работы, мощность ТЗ, измеряемая в кВА, должна быть в 4-5 раз больше мощности индукционного генератора измеряемой в кВт.

Подключение закалочного трансформатора

Подключение первичной обмотки высокочастотного закалочного трансформатора (ВЧТЗ) к генератору мощностью до 40 кВт осуществляется одним медным кабелем сечением не менее 80 кв.мм., 100 кВт – двумя кабелями, 160 кВт тремя кабелями того же сечения. Более мощные генераторы подключаются к ВЧТЗ только с помощью водоохлаждаемых тоководов.

С подключением среднечастотного закалочного трансформатора (СЧТЗ) ситуация совсем другая. Дело в том, что резонансные токи между параллельно включенной конденсаторной батареей и СЧТЗ примерно в 4 раза выше токов от генератора к конденсаторной батарее. Поэтому генератор средней мощности к конденсаторной батарее можно подключать кабелем, а вот соединение от конденсатора к индукционной катушке лучше выполнить с помощью водоохлаждаемого тоководов.

Внимание!!! Исключите касание водоохлаждаемых тоководов металлических конструкций и пола. В противном случае металл рядом с тоководом нагреется, а токовод может расплавиться и выйти из строя.

Водяное охлаждение закалочного трансформатора

Необходимо обеспечить водяное охлаждение ТЗ согласно руководства пользователя. Мощные ТЗ потребляют для охлаждения много воды. Соответственно нужен более производительный и мощный насос. На большинстве закалочных трансформаторов ставят отдельный манометр для измерения давления, следите за его показаниями, не допускайте падения давления. В противном случае, вы расплавите обмотки ТЗ. Ведь на ТЗ, как правило, нет сильфонного датчика защиты от недостатка давления!

3. Требования к системе водяного охлаждения индукционных нагревателей

Работа современной силовой инверторной электроники немыслима без эффективного водяного охлаждения. И, к сожалению, большинство поломок индукционных нагревателей связаны с неправильной эксплуатацией системы водяного охлаждения:

Давление воды

Давление в системе охлаждения большинства индукционных нагревателей должно быть около 2 атм. (2 кг/см.кв.)

Нельзя измерять давление на выходе воды из насоса, тем более, если к насосу подключено несколько потребителей воды. Давление следует измерять с помощью манометра на входе прибора, при полностью открытых входных кранах, при открытом свободном сливе на выходе прибора.

Современные индукционные нагреватели имеют сильфонные или электронные датчики давления воды. При недостаточном давлении датчики срабатывают и выключают прибор. Если давления не хватает, не пытайтесь перекрывать слив воды, это конечно позволит обмануть датчики давления, однако через несколько минут выведет прибор из строя из-за перегрева. Помните, что для нормальной работы системы охлаждения важно не только давление, но и расход воды, и если он недостаточный прибор начинает перегреваться.

Для исключения засорения трубными отложениями, поставьте на входе системы водяного охлаждения прибора сетчатый фильтр.

Берегитесь перегибания шлангов на выходе водяных магистралей приборов. По этой причине уже сгорали медные трубки обмоток высокочастотного трансформатора. Используйте достаточно прочные и толстые пластиковые или резиновые шланги на сливе воды. По мере износа заменяйте водяные шланги на новые.

Запрещается объединять сливы воды в один шланг. Объединение сливов приводит к взаимному влиянию давлением и нарушением равномерности охлаждения отдельных узлов оборудования. Следует разорвать сливы и направить струи воды в прямоугольную воронку для дальнейшей подачи в бак.

Не допускайте попадания воды внутрь прибора. Помните, что выпрямленное напряжение внутри прибора достигает 550В, при достаточно большой силе тока, и является смертельным для человека.

При проливе воды внутрь прибора, тщательно продуйте все узлы и просушите прибор как минимум в течение суток.

Качество воды

Ведущие мировые производители индукционных нагревателей рекомендуют использовать для охлаждения приборов дистиллированную или обессоленную воду. Например, воду, подготовленную по технологии обратного осмоса. Помните, что использование плохой, воды с солями приводит к нарушению правильной работы прибора. Обслуживающий персонал может получить поражение электрическим током через воду, т.к. вода с солями обладает значительной электропроводностью. Использование плохой воды приводит к отложению осадков и образованию накипи. Думаю, даже излишне объяснять к каким плачевным последствиям это может привести.

Максимальная температура воды

Во избежание перегрева оборудования не допускайте повышения температуры охлаждающей воды выше 40ºС. При необходимости, установите в магистраль подачи воды медный радиатор с вентилятором или пластинчатый теплообменник для охлаждения проточной технической водой.

Воздействие отрицательных температур

Берегите прибор от разморозки. Для хранения или транспортировки прибора при температуре ниже нуля градусов, следует тщательно продуть все водяные магистрали во избежание разрыва медных трубок и радиаторов JGBT модулей от распирания льдом.

4. Особенности энергоснабжения индукционных нагревателей

К работе с индукционными нагревателями допускаются специалисты, прошедшие подготовку к работе на оборудовании данного типа. Подключение/отключение к промышленной сети 380В производится только электриками с соответствующей категорией допуска.

Во избежание поражения электрическим током, запрещается снимать кожух прибора находящегося под напряжением и включать прибор со снятым кожухом.

Ремонтом индукционного оборудования должны заниматься специализированные организации, имеющие права на гарантийное и послегарантийное обслуживание.

Современные индукционные нагреватели работоспособны при напряжении в сети в диапазоне 340-420 В. В сельской местности и не только возможно чрезмерное повышение напряжения в вечернее время, что приводит к срабатыванию защиты прибора. При включении прибора, напряжение в сети уменьшается и гаснет индикатор превышения напряжения в сети.

При несимметричном распределении нагрузки в сети 380 В, возможно уменьшение напряжения одной из фаз. Прибор может диагностировать это понижение, как исчезновение одной фазы и отключиться.

Обязательно заземлите корпус прибора с помощью провода необходимого сечения, указанного в Руководстве пользователя.

5. Общие меры безопасности при работе на индукционных нагревателях

Внимание!!! К работе на индукционных нагревателях не допускаются люди с имплантированными кардиостимуляторами, из-за возможного нарушения их нормальной работы в результате воздействия мощными электромагнитными полями.

К индукционным катушкам мощных кузнечных нагревателей нельзя приближаться с металлическими предметами в карманах, они могут нагреться и вызвать ожоги.

Мощные электромагнитные поля, излучаемые индукторами, могут являться источником электрических наводок в соседних металлоконструкциях. Во избежание поражения электрическим током все рамы, транспортеры и подставки должны быть надежно заземлены.

Мощное электромагнитное поле способно сдвигать нагреваемые детали в автоматических индукционных кузнечных нагревателях, что может привести к заклиниванию деталей и повреждению футеровки индуктора.

Мощное электромагнитное поле является одним из факторов вызывающим предрасположенность к онкологическим заболеваниям человека. По возможности сократите время пребывания в непосредственной близости с источником электромагнитного поля. Таким источником в первую очередь являются индукционные катушки мощных плавильных печей и индукционных кузнечных нагревателей.

Считается, что воздействие электромагнитного поля связано с частотой излучения и его мощностью. Чем выше мощность и частота, тем опаснее излучение.

Полагаю, что термистам и плавильщикам, работающим на ТВЧ установках, иногда стоит менять свою профессию.

6. Своевременная очистка от пыли – защита от электрических пробоев

Современные индукционные нагреватели охлаждаются не только водой. Часть греющихся узлов охлаждается с помощь потока воздуха, создаваемым вентилятором – куллером. В воздухе цехов, как правило, находится много пыли. Именно она затягивается вентилятором внутрь корпуса прибора и оседает на стенках, на сильноточных и слаботочных электронных компонентах.

Техническая пыль электропроводна, особенно на высоких частотах генерации индукционных нагревателей. Если периодически примерно раз в 2-3 месяца не очищать индукционный нагреватель и высокочастотный трансформатор от пыли, можно гарантировать электрический пробой по пыли через 2-3 года его работы.

Электрический пробой начинается по пыли на высоковольтной части прибора, мгновенно происходит ионизация воздуха, он становится электропроводным. В приборе образуется шар высокотемпературной плазмы, сжигающий не только электронные компоненты, но и медные шины в палец толщиной. Прожигается корпус, взрываются конденсаторы. В результате подобного пробоя требуется ремонт по стоимости соизмеримый со стоимостью самого прибора.

Внимание!!! Периодическая очистка от пыли – единственный способ поддержания многолетней работоспособности индукционного оборудования.

Удаление пыли, совсем не сложная операция. Пыль следует удалять с помощью мягкой щетки пылесоса, а в труднодоступных местах, например с обмоток ВЧ трансформатора, с помощью продувки сухим сжатым воздухом. Есть очень хороший способ полностью избавиться от пыли, скапливающейся внутри индукционного нагревателя. Особенно он важен, когда используется индукционный нагреватель большой мощности и соответственно дорогой. Мощные элитные нагреватели имеют встроенные системы водяного охлаждения воздуха в шкафу. Они состоят из радиатора, по которому циркулирует вода из системы водяного охлаждения и вентилятора, который обеспечивает циркуляцию охлажденного воздуха через радиатор и пространство шкафа с электронными компонентами. Напротив сильно греющихся конденсаторов устанавливают дополнительные вентиляторы — кулеры. См. фото.

Конечно, выводы каждый сделает сам:

Кто-то предпочтет недорогое индукционное оборудование и будет за ним периодически ухаживать. А кто-то купит надежное и дорогое оборудование. Дополнительные затраты сторицей окупятся многолетней эксплуатацией без разорительных ремонтов и дополнительных затрат на обслуживание.

Обращайтесь в компанию «Мосиндуктор», у нас есть оборудование на любой вкус и кошелек.

Автор статьи директор компании «Мосиндуктор»

(С) 2011 Кучеров Вячеслав Васильевич

Авторские права защищены.

Гарантируется судебное преследование

за размещение статьи на любом сайте

кроме www.mosinductor.ru

Модель распространения сигнала

, характеристики связи и экспериментальные проблемы

Связь с человеческим телом (HBC), в которой ткань человеческого тела используется в качестве среды передачи для передачи информации о здоровье, служит многообещающим решением физического уровня для локальной сети тела (BAN) . Ориентированность на человека HBC предлагает инновационный метод передачи медицинских данных, передача которых требует низкого уровня помех и надежного канала передачи данных. Следовательно, требуется развертывание системы HBC для получения хороших коммуникационных характеристик.В связи с этим проводится учебный обзор по важным вопросам, связанным с передачей данных HBC, таким как модель распространения сигнала, характеристики канала, характеристики связи и экспериментальные соображения. В этой работе в первую очередь рассматривается развитие HBC и его первые попытки. Затем вводится обзор моделей распространения сигнала. На основе этих моделей обобщены характеристики каналов; также исследуются характеристики связи и выбор параметров передачи.Кроме того, обсуждаются экспериментальные вопросы, такие как электроды и стратегии заземления. Наконец, представлены рекомендуемые будущие исследования.

1. Введение

Распространенность хронических заболеваний (например, сердечных заболеваний, диабетиков и инсультов) и ускорение старения населения стали проблемой общественного здравоохранения и проблемами системы здравоохранения. По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), миллионы людей страдают от хронических заболеваний и умирают, например, в 2012 году сердечно-сосудистые заболевания привели к 17.5 миллионов смертей и диабет стали причиной 1,5 миллиона смертей [1]. Более того, абсолютное число людей в возрасте 60 лет и старше увеличится с 900 миллионов до 2 миллиардов с 2015 по 2050 год [2], а старение населения способствует распространению хронических заболеваний, поскольку пожилые люди более склонны к хроническим заболеваниям [2]. 3]. Для эффективного контроля хронических заболеваний и улучшения качества жизни пациентов необходим постоянный мониторинг здоровья [4]. Для людей из группы высокого риска постоянный мониторинг физиологических данных помогает своевременно обнаруживать и предотвращать заболевания [5].Например, у пациентов с болезнью Паркинсона необходимо постоянно контролировать деятельность мозга и мышц, а у пациентов с диабетом — контролировать уровень глюкозы в крови. Перспективным решением для обеспечения непрерывного мониторинга физиологических данных является развертывание сети области тела (BAN) [6, 7], в которой сенсоры и приводы крошечных размеров используются для мониторинга физиологических данных и обеспечения терапевтических функций (т. Е. дозировка инсулина, контроль частоты кардиостимулятора и т. д. .) [6, 8, 9].

Структура BAN показана на рисунке 1. Узлы датчиков, включая как внутренние, так и внутренние узлы (имплантируемые устройства), обычно выполняют функцию мониторинга (пульсоксиметр измеряет SpO2; датчик артериального давления измеряет артериальное давление). Физиологические данные из этих узлов в течение определенного периода времени надежно и конфиденциально доставляются в релейный узел или агрегатор, установленный на теле, например смарт-часы или смарт-браслет [10, 11], которые являются новыми устройствами в биомедицинской промышленности. благодаря удобству управления и постоянному износу.Затем данные пересылаются в концентратор и центральную точку управления, откуда данные доступны больнице, профессиональному персоналу и центру неотложной помощи или для личного использования.


Ориентация на человека является основной характеристикой BAN, связь между датчиками, разбросанными на / в теле человека и агрегатором, должна осуществляться с помощью проводного соединения или методов беспроводной связи на короткие расстояния. Очевидно, что проводное соединение — не лучший выбор, так как провод может оборваться и неудобен для передвижения пациентов.Предпочтительными кандидатами являются беспроводные технологии ближнего радиуса действия (RF), такие как Zigbee, Bluetooth и сверхширокополосный (UWB). Однако эти подходы имеют существенные недостатки, поскольку они не предназначены для передачи данных мониторинга здоровья человека. Например, радиочастотные методы подвержены электромагнитным помехам и страдают от большой утечки сигнала и легкости подслушивания. Кроме того, человеческое тело в основном (на 65%) состоит из воды, которая является материалом, блокирующим радиочастотные сигналы [12].Таким образом, радиочастотные беспроводные сигналы, передаваемые вокруг или внутри человеческого тела, будут испытывать эффект затенения тела, что приведет к значительному ослаблению сигнала [13, 14]. Более того, радиочастотные методы излучают сигнал через антенну, что требует миниатюризации. Другой потенциальный кандидат — это метод индуктивной беспроводной связи. Однако его эффективность связи (0,4% при расстоянии 3 см [15]) низка, а размер катушки (типичные размеры 25 мм × 10 мм для прямоугольной катушки, диаметр 20 мм для круглой катушки) [16] велик.Катушка также является проблемой для миниатюризации. Очевидно, что для медицинского BAN требуются новые методы связи, ориентированные на передачу данных мониторинга здравоохранения, ориентированную на человека.

Связь с человеческим телом (HBC, также называемая внутрителевой связью) — это новый метод передачи, использующий человеческое тело в качестве среды передачи электрических сигналов [17]. HBC стал одним из трех физических уровней (еще два — узкополосный и UWB) для BAN, предложенных IEEE 802.15.6 целевая группа 6 [18]. HBC может быть реализован двумя способами: методом емкостной связи и методом гальванической связи. Он имеет следующие желательные характеристики.

(a) Небольшая утечка сигнала — высокая степень защиты . Сигнал ограничен поверхностью тела и с небольшой энергией излучается в окружающую среду (избегайте того, чтобы тело действовало как антенна для излучения энергии) [19, 20]. Таким образом, гарантируется безопасность информации во избежание подслушивания, а также может быть минимизировано вмешательство между разными людьми.

(b) Низкое затухание сигнала — низкая мощность передачи . По сравнению с воздушным каналом, канал человеческого тела имеет более высокое усиление канала [21], что может снизить мощность передачи. И, таким образом, это может потенциально снизить энергопотребление системы и способствовать миниатюризации.

(c) Низкая несущая частота . HBC работает на низкой частоте (особенно для HBC с гальванической связью), что потенциально может упростить конструкцию, минимизировать энергопотребление (в системе HBC обнаруженная цепь, фильтр и усилитель мощности имеют компонент схемы CMOS, в которой динамическая мощность пропорциональна несущей частоте.Также потребляемая мощность ЦП и синтезатора частот пропорциональна рабочей частоте) [22, 23], и уменьшает размер устройств за счет низких требований к усилителям, конденсаторам и катушкам индуктивности. Между тем, более низкая несущая частота требует низкочастотного приемника, который потенциально может обеспечить приемники без кристалла из-за его лучшей устойчивости к девиации частоты [24]. Бескристаллический приемопередатчик может еще больше уменьшить размер и потребляемую мощность, поскольку кварцевый генератор громоздкий, энергоемкий и хрупкий.Кроме того, HBC не требует антенны, что может минимизировать размер чипа.

Сравнение HBC и других беспроводных технологий показано в таблице 1. Чтобы служить подходящим способом связи для BAN, HBC пытается стать потенциальным кандидатом из-за низкого уровня помех и высокой безопасности (перехват сигнала требует касания тела) , подходящий диапазон передачи и потенциально более высокая степень миниатюризации.


Техника Частота
(ГГц)
Скорость передачи данных
(Мбит / с)
Мощность
(дБм)
Расстояние Инф

Зеби [93] 2.4, 0,865 0,25 −3 ~ 10 10 м высокий
Bluetooth [94] 2,4 0,72124 <20 10 м высокий
UWB 310 0,8520 −41 10 м высокий
ICL 0,001 ~ 0,4 [15] 0,0001–4 [95] 0,5 ~ 3 см низкий
Cap-HBC 0.01 ~ 0,1 0,002 ~ 10 −155 5 см ~ 2 м низкий
Gal-HBC 0,0001 ~ 0,01 0,0009 ~ 2 −30 ~ −4 5 см ~ 40 см низкий

Инф: интерференция; ICL: звено индуктивной связи; Cap-HBC: емкостная связь HBC; Gal-HBC: гальваническая муфта HBC.

При использовании HBC для передачи данных между носимыми или имплантируемыми устройствами медицинского мониторинга передача с низким энергопотреблением важна не только для предотвращения утечки информации или помех другим BAN, но и для экономии энергии (уменьшение мощности передачи может снизить энергопотребление усилителя мощности, на который приходится значительная часть энергопотребления системы HBC).Это особенно верно для имплантируемых устройств, поскольку утечка важной информации (например, скорости стимуляции и настройки порога стимуляции кардиостимулятора) в непредусмотренный приемник приведет к опасным для жизни событиям. Кроме того, важна низкая мощность передачи, поскольку она также может продлить срок службы батареи [25], что требует дорогостоящей и инвазивной хирургической операции для замены.

Для достижения низкой мощности передачи необходимо минимизировать мощность передачи и оптимизировать характеристики связи.Конечно, при этом должна сохраняться надежная передача данных. Затем следует соответствующим образом выбрать параметры передачи, коррелированные с мощностью передачи, такие как скорость передачи данных, метод модуляции, полоса пропускания и полоса частот. Это побуждает нас суммировать характеристики канала и выяснить правило производительности связи (то есть частоты ошибок по битам BER) для различных схем модуляции. Конечно, экспериментальные вопросы по получению характеристики канала также имеют значение.Следовательно, проведение опроса по вышеуказанным вопросам имеет важное значение для развертывания HBC. Далее рассматривается история и развитие HBC. Затем модель распространения сигнала резюмируется в разделе 3; на основе моделей характеристики каналов и коммуникационные характеристики представлены в Разделе 4. Экспериментальные вопросы обсуждаются в Разделе 5. Наконец, выводы и будущие исследования рассматриваются в Разделе 6.

2. Развитие коммуникации человеческого тела
2.1. История электрических свойств и тканей человека

В истории человечества интересы к тканям тела были неизбежны. Многие исследователи посвятили свои усилия и мысли исследованию мышц, их электрических свойств и биомеханики. Как правило, существует две формы биоэлектрической оценки мышц: одна заключается в исследовании электрического сигнала, исходящего от мышцы, а другая — в свойствах мышцы путем подачи электрических сигналов.

Взаимосвязь между электричеством и сокращением мышц впервые наблюдал итальянский врач Луиджи Гальваник в середине 1780-х годов.Луиджи Гальваник провел эксперимент по соединению нервов недавно мертвого тумана с длинным металлическим проводом и направил его в небо во время грозы, лапы лягушки дергались и подпрыгивали, как будто они были живыми, от вспышки света, на что Гальваник указал, что недавно мертвая мышечная ткань может реагировать на внешние электрические раздражители. С тех пор все больше и больше исследователей изучали реакцию тканей человека на электрический ток, сопротивление ткани и диэлектрические свойства. Например, нерв, мышца и железа можно стимулировать для создания анестезии [26] миллиамперными электрическими токами.Первые обширные обзоры литературы по диэлектрическим свойствам были предоставлены Геддесом и Бейкером [27], которые суммировали первые сообщения об удельном сопротивлении тканей. Позже об интенсивных исследованиях диэлектрических свойств тканей сообщили Gabriel et al. [28]. А дальнейшие эксперименты были проведены Габриэлем и соавт. изучить диэлектрические свойства тканей человека и животных в диапазоне частот от 10 Гц до 20 ГГц [29]. На основе этих измерений была разработана параметрическая модель с четырьмя дисперсиями типа Коула-Коула для описания диэлектрических свойств ткани как функции частоты [30].Эти электрические свойства использовались исследователями для облегчения недавних исследований и применений. Например, электроимпедансная томография (EIT) была разработана для визуализации внутренних органов и структуры тела для медицинской диагностики; Электростимуляция была принята для лечения и протезирования. До 1995 года предлагалось использовать человеческое тело как средство передачи данных. Этот тип телеметрии, называемый емкостной связью HBC [17], был разработан для передачи данных на человеческое тело или вокруг него.

Первые исследования HBC были сосредоточены на возможности внедрения HBC. После этого появились модели распространения сигнала для исследования механизма распространения сигнала и характеристик канала. Позже были разработаны эксперименты и прототипы для исследования их коммуникативных характеристик. Как правило, HBC может быть реализован двумя способами: методом емкостной связи и методом гальванической связи. Ниже будут представлены подробности.

2.2. Способы сочетания HBC и их первые попытки
2.2.1. Емкостная связь HBC

В 1995 году Циммерман [17] провел исследование по измерению положения виолончельного смычка Йо-Йо Ма. Было обнаружено, что нахождение руки в электрическом поле значительно ослабляет принимаемый сигнал. Основываясь на этих фактах и ​​принципах, он предложил концепцию персональной сети (PAN), беспроводной системы, которая позволяет электронным устройствам на теле человека и рядом с ним обмениваться цифровой информацией через HBC, для которой не требуется сложная антенна для излучения сигнала. в воздух; вместо этого электроды используются для передачи электрического сигнала человеческому телу, которое затем служит средой для передачи сигнала.Циммерман также разработал прототип как первую попытку реализовать технологию HBC. Этот прототип подтверждает возможность использования HBC для передачи данных.

Емкостная связь HBC, также называемая связью в ближнем поле [31], и электростатическая связь [17, 32] описаны на рисунке 2. Сигнальные электроды в передатчике и приемнике прикреплены к коже человека, а заземляющие электроды парят в воздухе. Большое электрическое поле Et вводится в тело человека через сигнальный электрод передатчика [31].Электропроводность человеческого тела не только связывает электрическое поле с окружающей средой (например, Ee ), но также служит проводящей пластиной, которая индуцирует электрические поля (например, Ea , Ec и Ed ) с другими проводящими пластинами. (заземляющие электроды) [33, 34]. Обратный путь передаваемого сигнала формируется электрическими полями Ea , Ec , Ee-Eb , Er-Ef-Eb и Ed-Ef-Eb . Другими словами, электрические поля в окружающей среде или через внешнее заземление служат обратным путем [35].В приемнике принятый сигнал как разность электрических потенциалов между Er , Ef и Ed может быть обнаружен, поскольку Er намного больше, чем Ef и Ed (проводимость человеческого тела равна намного выше, чем у воздуха) [34]. С другой стороны, разность электрических потенциалов мала из-за ускользнувших электрических полей Ee , Ea и Ec . Кроме того, обнаруженный сигнал нестабилен и сильно зависит от окружающей среды, учитывая, что электрические поля Ef и Ee изменяются вместе с изменениями окружающей среды [17] (например.g., появление металлической мебели, проводов, воды и оргтехники изменит обратную емкость [36]).


Во избежание излучаемого сигнала антенной человеческого тела (длина диполя около 1 м) рабочая частота должна быть ниже 150 МГц [31]. И большая часть электрического поля будет концентрироваться вокруг кончика передатчика на руке [19]. Емкостная связь HBC подходит для тех приложений, где требуются более высокие рабочие частоты (примерно десятки МГц) и большие расстояния передачи сигнала от тела (обычно по всему телу).Тем не менее, емкостная связь HBC уязвима для внешних помех и других непредсказуемых эффектов, таких как движения субъектов [37].

2.2.2. Гальваническая связь HBC

Гальваническая связь HBC была впервые описана в 1997 году японскими исследователями Handa et al. [38]. Сигнал ЭКГ от грудной клетки модулировался в электрический ток в микроамперах, подводился к человеческому телу с помощью электродов и регистрировался парой принимающих электродов на запястье. Передающий и приемный электроды находились в прямом контакте с телом, что приводило к передаче сигнала гальванической связи.Эта система работала с малым энергопотреблением, всего 8 μ Вт. Результаты показывают, что передача данных с низкой мощностью передачи возможна при использовании гальванической связи HBC.

В 1998 году Lindsey et al. [39] протестировали гальваническую связь HBC между имплантируемым устройством и внешней системой сбора данных. В системе два платиновых электрода (каждый диаметром 0,38 мм, разделенные 2,5 мм) использовались для ввода синусоидальных токов с частотой 2–160 кГц и амплитудой 1–3 мА в ногу трупа человека.Электроды ЭМГ на поверхности ноги были развернуты для обнаружения разницы напряжений. Канал человеческого тела давал затухание в пределах 37–47 дБ. Этот прототип демонстрирует возможность использования гальванической связи HBC для передачи данных между имплантируемым устройством и датчиками, установленными на поверхности тела.

Гальваническая связь HBC, также называемая волноводной HBC [40], использует ионные жидкости в организме и свойства объемной проводимости тканей [39] для передачи электрического сигнала. Упрощенная модель изображена на рисунке 3.Сильный ионный ток генерируется в ткани рядом с передатчиком. По мере удаления от передатчика ток будет уменьшаться из-за импеданса тканей человека. Небольшой ток индуцирует электрический потенциал, который может быть обнаружен на приемнике с помощью дифференциального усилителя с высоким коэффициентом усиления. Существующие эксперименты или прототипы обычно проводятся на конечностях человека. Поскольку принцип распространения сигнала основан на ионном токе, рабочая частота должна быть низкой (т.е., <1 МГц [41]). А на такой низкой частоте излучение или утечка сигнала в пространство могут быть незначительны [20].


По сравнению с емкостной связью HBC, гальваническая связь HBC работает на более низкой частоте и меньше зависит от окружающей среды, что делает передачу сигнала более стабильной и надежной. Следовательно, гальваническая связь HBC больше подходит для передачи жизненно важных физиологических сигналов, особенно для связи с имплантируемыми устройствами. Конечно, это идет вразрез со скоростью передачи данных.К счастью, требования к скорости передачи данных для передачи жизненно важного физиологического сигнала относительно низки, например 75 кбит / с для ЭКГ, 1,6 кбит / с для SpO2 и <100 кбит / с для кардиостимулятора и имплантируемых сенсоров глюкозы [42]. Следовательно, гальваническая связь HBC также является многообещающим кандидатом для передачи жизненно важных физиологических данных между носимыми и имплантируемыми устройствами.

3. Электрические свойства тканей человека и модели распространения сигнала HBC

После новаторской работы по успешному внедрению HBC исследовательские группы провели значительные исследования для изучения усиления каналов на разных расстояниях и в разных частях тела, таких как рука, грудная клетка. , нога и спина [43, 44].Наряду с экспериментальными исследованиями, теоретические исследования механизма передачи стали основной темой исследований. Модель распространения сигнала включает численную модель и аналитическую модель. Численный метод позволяет добиться более точных расчетов для реалистичной структуры и геометрической формы человеческого тела, но при этом жертвуются время и стоимость вычислений. Численная модель для HBC включает в себя имитационную модель конечных разностей во временной области (FDTD) (например, [19]) и метод моделирования методом конечных элементов (FEM) (e.г., [20, 35, 41]) модель. С другой стороны, аналитическая модель экономит время вычислений, но ограничивается простыми структурами, такими как круг и цилиндр. Аналитическая модель в основном включает модель упрощенной схемы [31, 41, 44, 45], модель асимметричной распределенной схемы [37, 46] и модель квазистатического поля [47].

3.1. Электрические свойства тканей

Модели распространения сигнала в HBC обычно основаны на электрических свойствах тканей человека. Механизм частотной дисперсии тканей человека был впервые введен Шваном [48].Три основные области дисперсии, обозначенные, и области на соответствующих частотах диапазона низких частот, диапазона RF и диапазона частот гигагерца, являются ответом на поведение ткани. Как показано на рисунке 4, три области дисперсии выглядят следующим образом.


Дисперсия (низкая кГц) . Это малоизвестно и связано с поляризацией атмосферы противоиона вблизи заряженных поверхностей в ткани или поляризацией больших мембраносвязанных структур в ткани.Или это связано с процессом ионной диффузии на участке клеточной мембраны. Это проявляется в диэлектрической проницаемости и малозаметно в проводимости.

Дисперсия (0,1–10 МГц) . Эффекты релаксации вызываются белками, менее протяженными аминокислотными остатками и биоимпедансом (емкость мембраны и сопротивление жидкости) органелл внутри клетки, ядер клеток и митохондрий. Поскольку клеточные мембраны имеют незначительный импеданс, зарядка клеточных мембран через внутриклеточные и внеклеточные становится легче.Ток проходит через внеклеточную и внутриклеточную среду; следовательно, проводимость становится выше.

Дисперсия (выше 1 ГГц) . Область высокой проводимости в основном обусловлена ​​разнообразием тканей (аминокислот, нуклеиновых кислот) и белковыми растворами.

На основе множества опубликованных экспериментальных данных тканей, уравнение Коула-Коула принято для прогнозирования изменения диэлектрических свойств ткани по частоте: где — постоянная времени релаксации механизма поляризации в областях релаксации, а — диэлектрическая проницаемость. на частотах и ​​соответственно.Уравнение (1) включает в себя частотно-независимую часть из-за ионной проводимости и частотно-зависимую часть, связанную с диэлектрической релаксацией. Однако область дисперсии может быть расширена многими механизмами из-за сложности как структуры, так и состава биологического материала. Таким образом, спектр ткани можно более точно описать множественной дисперсией Коула-Коула: где — статическая ионная проводимость. Комплексная проводимость и импеданс ткани рассчитываются по

. На основании (2) и (3) электрические свойства ткани могут быть смоделированы с помощью эквивалентной схемы с обычными резисторами и конденсаторами, как показано на рисунке 5.


3.2. Модели распространения сигнала HBC
3.2.1. Модель цепи

Вегмюллер [41] разработал простую модель четырехполюсной схемы с шестью импедансами тканей тела и четырьмя импедансами электрод-кожа для низкочастотной (<1 МГц) гальванической связи HBC. Упрощенная модель схемы показана на рисунке 6. Эта модель учитывает импеданс конечности человека, такой как импеданс продольного () и поперечного () каналов, а также импеданс электрод-кожа (), входное () и выходное сопротивление ( ).Передаточная функция канала может быть описана следующим образом:


Помимо упрощенной модели схемы, Вегмюллер [41] описал полное сопротивление тела эквивалентной параллельной цепью сопротивления и емкости в соответствии с эталонной моделью Коула-Коула. Затем была разработана более сложная многослойная модель ткани (кожа, мышцы и кости). Каждая слоистая ткань состояла из поперечного и продольного импедансов с цепями Коула-Коула, соединенными в сетку. Сообщалось, что меньшая часть тока будет проходить через слой кожи между электродами, тогда как большая часть будет проводиться более глубокой мышечной тканью.

Цепная модель оболочки для емкостной и гальванической связи HBC была разработана Amparo Callejón et al. [37, 46]. В модели эквивалентную схему кожи можно рассматривать как линию передачи с потерями без индуктивного элемента. А для метода емкостной связи параметр модели (постоянная распространения и характеристический импеданс) также зависит от емкостного эффекта от внешнего обратного пути заземления [37]. Сообщалось, что затухание увеличилось до 200 кГц и оставалось примерно постоянным для более высоких частот в гальванической связи HBC.Для емкостного HBC профиль полосы пропускания наблюдался в пределах 1 ~ 100 МГц. Модель схемы для этих двух методов связи также рассматривалась в [44], и было обнаружено, что двухэлектродная схема обеспечивает более высокий коэффициент усиления, чем четырехэлектродная схема.

Недавно Kibret et al. [45] разработали модель эквивалентной схемы с предметными антропометрическими измерениями. Было обнаружено, что усиление медленно возрастает при увеличении частоты с 200 кГц до 10 МГц, а фаза падает с 50 ° до 10 ° при увеличении частоты.

3.2.2. Метод конечных разностей во временной области (FDTD)

Fujii et al. использовали метод FDTD для расчета распределения электрического поля в теле человека [19, 49, 50]. Было обнаружено, что большая часть электрического поля была сосредоточена вокруг кончика руки, и твердого фантома, эквивалентного биологической ткани, было достаточно, чтобы имитировать человеческое тело [19]. Аналогичные результаты были получены в [51], что доминирующий сигнал находился на поверхности руки.

3.2.3. Метод конечных элементов (МКЭ) Метод

Xu et al.[35] предложили модель FEM для емкостной связи HBC. Человеческое тело рассматривалось как цепь сосредоточенных резисторов, соединенных параллельно с сосредоточенными конденсаторами. Коэффициент усиления канала соответствовал профилю высоких частот, а емкость обратного тракта зависела от заземления приемопередатчика, а также от внешнего заземления. Недавно Callejon et al. [20] исследовали распределение электрического поля и плотность тока с помощью МКЭ. Обнаружено, что электрическое поле в основном ограничено внешним слоем плеча, и излучением можно пренебречь.Большая часть электрического тока в гальванической связи HBC проходит через мышцы.

3.2.4. Аналитическая электромагнитная модель

Аналитическая электромагнитная модель разработана путем решения уравнений Максвелла и конкретных граничных условий. Теоретическая модель, в которой электрическое поле, как предполагалось, состоит из ближнего поля, индуктивного поля и дальнего поля, была предложена Bae et al. [52] для емкостной связи HBC. Моделирование квазистатического поля гальванической связи HBC было разработано Pun et al.[47, 53]. Усиление канала соответствует характеристике верхних частот в суб-МГц, а излучение сигнала в космос незначительно.

Сводка моделей распространения сигнала и их основные результаты представлены в таблице 2. Из таблицы модели распространения сигнала основаны на статическом поведении тела. В то время как для динамического поведения тела модель распространения сигнала еще не разработана.


Модель Метод соединения Модель механизма Основные результаты

Модель эквивалентной схемы, Hachisuka et al.[44] Cap-HBC и Gal-HBC Модель четырехконтактной схемы с шестью импедансами Более высокое усиление в Cap-HBC

Модель многослойной ткани, Wegmueller [41] Gal -HBC Эквивалентные схемы Коул-Коула Мышцы проводят основной ток

Модель распределенной схемы, Amparo Callejón et al. [37] Cap-HBC и Gal-HBC Линия передачи с потерями Cap-HBC: усиление полосы пропускания в диапазоне 1–100 МГц
Gal-HBC: максимальное усиление в диапазоне 20–50 кГц

Модель цепи, Кибрет и др.[45] Gal-HBC Упрощенные схемы слоистых тканей Профиль высоких частот в усилении в диапазоне 0,2–10 МГц

Модель распределенного RC, Cho et al. [31] Cap-HBC Каскадные блоки RC-цепи Профиль высоких частот в усилении в диапазоне 0,1–100 МГц

Модель FEM, Xu et al. [35] Cap-HBC Путь корпуса с моделью схемы Усиление верхних частот в диапазоне 10–100 МГц, корпус может уменьшить емкость обратного пути

Модель FEM, Callejon et al.[20] Gal-HBC Уравнение непрерывности заряда и гармоники во времени, закон Гаусса Электрическое поле в основном во внешнем слое руки, электрический ток в основном в мышечном слое, затухание на 20 дБ при дополнительной длине канала 5 см

Модель FDTD, Fujii et al. [19] Cap-HBC FDTD TX GND Электрод усиливает сигнал, электрическое поле ограничено на кончике плеча

Модель квазистатического поля, Pun et al.[47] Gal-HBC Квазистатическое поле,
Уравнение Максвелла
Коэффициент усиления верхних частот в суб-МГц

Модель электромагнитного поля, Bae et al. [52] Cap-HBC Временная гармоника электромагнитного поля
Уравнение Максвелла
Область ближнего поля: затухание сигнала зависит от, область дальнего поля: затухание сигнала удовлетворяет

4.Характеристики канала и коммуникационные характеристики систем HBC

Помимо модели распространения сигнала, одной важной проблемой, связанной с передачей данных, является характеристика канала, которая обычно помогает нам выбрать подходящие параметры передачи, такие как полоса частот и методы модуляции. Ниже обсуждаются характеристики канала.

4.1. Характеристики канала и параметры передачи

Исходя из основных результатов модели распространения сигнала, обычно анализируется усиление канала.Усиление канала обычно ведет себя как полосовой [37] или высокочастотный [31, 45]. Кроме того, важны характеристики каналов в статическом поведении тела, что в динамическом поведении тела. Это связано с тем, что система HBC позволяет врачам или терапевтам получать доступ к физиологическим данным, не прерывая повседневную жизнь пациентов, в которой человеческое тело движется и передает различные жесты (например, хватание чашки, чтобы выпить), что, как ожидается, влияют на передачу данных. В результате экспериментального исследования было обнаружено, что крупномасштабное поведение тела, такое как ходьба, сидение и стояние, мало влияет на канал [54, 55].Поведение сустава, такое как сгибание или разгибание сустава, может вызывать изменение усиления на 2 ~ 5 дБ [56, 57], в то время как фаза изменяется незначительно [57]. Анализ характеристик канала показан в таблице 3. Как показано в таблице 3, другие характеристики канала, такие как фаза, линейность канала и шум в канале, обсуждаются мало. Согласно недавнему исследованию, фаза в канале гальванической связи HBC имеет тенденцию к уменьшению [45, 58], в то время как предполагается, что шум в канале в основном исходит от электронных компонентов [41] и поверхности раздела электрод-кожа [59], которые являются предполагается, что он соответствует свойству аддитивного белого гауссова шума (AWGN).

Статическое поведение тела

Усиление Фаза Линейность канала Шум в канале Усиление

Емкостная связь HBC

9
Полосовой профиль [31] Нет Нет Нет
Влияние электрода [35]
Лучшие результаты в конечностях [54]
TX GND Электрод усиливает сигнал [ 19]

Динамическое поведение тела Чувствительность к движению [54, 55] Нет Нет Нет
Причина сгибания сустава изменяется в 2 дБ [96]

Гальваническая муфта HBC

Статическое поведение тела Более высокое усиление в стволе и спине [54]
Профиль высоких частот [45]
Профиль высоких частот [59]
Уменьшение [45] Линейный канал [59] AWGN [ 41, 59, 92]

Динамическое поведение тела Нечувствительность при сидении и ходьбе [54]
Увеличение при сгибании суставов [56]
Суставы и мышцы двуглавой мышцы имеют большое влияние [57]
Тенденция к снижению [57]
Не чувствительна к движению [57]
Нет AWGN [57]

Параметры передачи, которые либо для условий тестирования экспериментов, либо для спецификаций ( я.е. узкополосный или широкополосный), которые они выбрали для демонстрационной системы или для достижения наилучших характеристик, обычно выбираются на основе результатов профиля усиления канала. Выбор параметров в некоторых типичных литературных источниках сведен в Таблицу 4. Параметры передачи, такие как несущая частота и метод модуляции, которые используются при проектировании физического уровня, были выбраны на основе эмпирических результатов и анализа характеристик канала. Например, в [17] несущая частота и полоса пропускания были определены через частотную характеристику –3 дБ.В [32] 10 МГц было предложено в качестве подходящей несущей частоты из-за максимального усиления канала. Аналогичным образом в [60] был определен подходящий частотный диапазон (от 200 МГц до 600 МГц) для передачи, соответствующий наименьшим потерям на трассе. Из-за относительно плоского и высокого усиления канала в [41] были выбраны несущая частота 256 кГц и полоса пропускания 100 кГц; Между тем мощность передачи была распределена в этой полосе в среднем. Чтобы продемонстрировать возможность достижения биомедицинских приложений в клинических испытаниях, были выбраны BPSK и QPSK для реализации в прототипе HBC [61].QPSK был выбран в качестве подходящего метода модуляции на основании результатов анализа сложности оборудования [41]. На основании сравнительных измерений, BPSK был выбран в качестве оптимального метода модуляции среди BPSK, QPSK, MSK и 16QAM [62]. Выбор параметров передачи из таблицы 4 обычно основан на эмпирических результатах и ​​результатах измерения рассеяния. Недавнее исследование [63] предлагает новаторский взгляд на выбор параметра передачи, основанный на теории пропускной способности канала; однако необходима дальнейшая экспериментальная проверка теории и анализа.


Литература Подходящая несущая частота Подходящий метод модуляции Цель выбора
Частота Руководство Модуляция Правило

Циммерман [17] 300 кГц Диапазон –3 дБ OOK Простой Тест узкополосной передачи
Hachisuka et al.[32] 10,7 МГц Максимальное усиление FSK Простое Минимальное энергопотребление
Руис и Шимамото [65] 200 МГц Максимальное усиление MSK Эмпирические результаты Найти подходящий метод модуляции
Вегмюллер [41] 256 кГц Высокое усиление QPSK Аппаратная сложность Тестовый приемопередатчик HBC
Wegmueller et al.[61] 128 кГц Высокое усиление BPSK, QPSK Эмпирические результаты Тестовые клинические испытания трансивера
Zhang et al. [62] 10,7 МГц Максимальное усиление BPSK Эмпирические результаты Определение оптимальной модуляции
Lin et al. [60] 200–600 МГц Низкие потери на тракте OOK Энергосбережение Оптимизация микросхемы SoC

4.2. Коммуникационные характеристики систем HBC

Коммуникационные характеристики систем HBC были исследованы с помощью моделирования [37] и экспериментов [17, 61, 64, 65]. Также было разработано множество прототипов [32, 41, 60] для достижения различных характеристик связи. Различные параметры передачи (несущая частота, схема модуляции и мощность передачи) были приняты для достижения разных скоростей передачи данных.

Для емкостной связи HBC, узкополосной модуляции двухпозиционной манипуляции (OOK) и широкополосной сигнализации с расширенным спектром прямой последовательности (DSSS) были исследованы в [17].Было обнаружено, что OOK более эффективен и проще в реализации, и скорость передачи данных 2,4 кбит / с была получена с несущей частотой 330 кГц и полосой пропускания 400 кГц. Скорость передачи данных была увеличена до 9,6 кбит / с за счет использования модуляции частотной манипуляции (FSK) в [66, 67]. Более высокая скорость передачи данных 38,4 кбит / с была достигнута при несущей частоте 160 кГц в [68]. С 2006 г. начались эксперименты по получению скорости передачи данных около Мбит / с. Согласно Руису и Шимамото [69], полученная мощность может быть смоделирована как нормальное распределение.Методы модуляции BPSK, QPSK, 8PSK, 16QAM и MSK обеспечивали диапазон скоростей передачи символов от 100 до 5 Мбит / с с мощностью передачи 15 дБмВт и несущей частотой 200 МГц [21, 65]. Хотя MSK обеспечивает лучшую производительность [65], это была наиболее разумная схема модуляции, так что качество модуляции снижалось по мере увеличения скорости передачи символов [21]. Скорость передачи данных 5 Мбит / с была достигнута в [70] с помощью модуляции OOK / FSK. При использовании демодулятора BPSK на основе петли с задержкой и автоподстройкой скорость передачи данных от 164 кбит / с до 1.313 Мбит / с была достигнута при мощности передачи 1,4 мВт в трансивере HBC, разработанном Cho et al. [71]. Позже эта исследовательская группа внедрила 65-нм CMOS-приемопередатчик HBC [72] как для развлечений, так и для здравоохранения; в последнем случае скорость передачи данных 100 кбит / с была достигнута при низкой мощности передачи 21 μ Вт. Сонг и др. реализовали трансивер с широкополосной импульсной системой на кристалле (SOC). [73], и чип получил скорость передачи данных 2 Мбит / с в диапазоне частот от 10 кГц до 100 МГц.Используя DSSS и модуляцию FSK со скачкообразной перестройкой частоты, скорость передачи данных была увеличена до 10 Мбит / с в [74] и [75]. С другой широкополосной модуляцией, такой как частотно-избирательный разброс Уолша и UWB, скорость передачи данных составляла до 2 Мбит / с [76] и 5 Мбит / с [77, 78]. Недавно Chung et al. Разработали широкополосный приемопередатчик сигналов HBC с высокой скоростью передачи данных от 1 Мбит / с до 40 Мбит / с. [79].

Для HBC с гальванической связью первый прототип достиг скорости всего 0,9 кбит / с за счет использования широтно-импульсной модуляции (PWM) [38].Скорость передачи данных 9,6 кбит / с была получена при использовании модуляции FSK с несущей частотой 10,7 МГц [32, 40]. Новый компонентный электрооптический датчик был представлен в приемопередатчике Shinagawa et al. [80]; была достигнута скорость передачи данных 10 Мбит / с. Сравнение схем модуляции FSK и BPSK было проведено Wegmueller et al. [43]. Было обнаружено, что при входном токе 2 мА BPSK и FSK получили скорость передачи данных 255 и 128 кбит / с соответственно. При SNR 6 дБ [61] и BPSK, и QPSK достигли скорости передачи данных 64 кбит / с и BER равной.BPSK и QPSK были подходящими схемами модуляции между PSK, FSK и QAM [41] в HBC с гальванической связью. По данным Zhu et al. [64], минимальная мощность передачи –17,8 дБм использовалась для достижения скорости передачи данных 10 Мбит / с и BER равного. Прототип SOC от Lin et al. [60] получил скорость передачи данных 2 Мбит / с при использовании OOK с мощностью передачи -4 дБм.

Скорости передачи данных в экспериментах и ​​прототипах представлены и сравниваются в Таблице 5. Существует общая тенденция увеличения скорости передачи данных с Кбит / с до Мбит / с с 2000 года.Обычно дальность передачи системы HBC с емкостной связью составляет от нескольких десятков до даже сотен сантиметров. Однако HBC с гальванической связью передает на меньшее расстояние, порядка десятков сантиметров, и меньшую скорость передачи данных, чем HBC с емкостной связью. Следует отметить, что HBC с емкостной связью может передавать с широкополосной сигнализацией, которая может обеспечивать высокую скорость передачи данных, но требует большой полосы пропускания.


Литература (авторы, год) Мощность передачи Емкость канала Скорость передачи данных Расстояние передачи Метод модуляции

Емкостная связь HBC

Циммерман [17], 1995 417 кбит / с 2.4 кбит / с OOK
Post et al. [66], 1997 20 дБм 50 кбит / с 9,6 кбит / с 200 см FSK
Matsushita et al. [67], 2000 9,6 кбит / с FSK
Partridge et al. [68], 2001 38,4 кбит / с 200 см FSK
Shinagawa et al.[80], 2004 10 Мбит / с 150 см
Song et al. [73], 2006 г. 2 Мбит / с Широкополосный канал
Zhu et al. [64], 2009 −14 дБм 10 Мбит / с 15 см QPSK
Cho et al. [75], 2009 −5 дБм 10 Мбит / с 120 см Широкополосный
Zhang et al.[62], 2010 0,110 Мбит / с 10 ~ 150 см BPSK
Nie et al. [70], 2012 −15 ~ 5 дБм 5 Мбит / с 10 ~ 50 см OOK
Hyoung et al. [78], 2012 2 Мбит / с 170 см Широкополосный
Cho et al. [71], 2014 1,4 дБм (или 1,4 мВт) 164 кбит / с ~ 1.313 Мбит / с BPSK
Cho et al. [72], 2015 −16,7 дБм (или 21 μ Вт) 100 кбит / с OOK
Chung et al. [79], 2016 1 Мбит / с ~ 40 Мбит / с Широкополосный

Гальваническая связь HBC

Handa et al.[38], 1997 −21 дБм 0,9 кбит / с 40 см PWM
Hachisuka et al. [40], 2003 −10 дБм 9,6 кбит / с 28 см FSK
Wegmueller et al. [43], 2005 −3 дБм 255 кбит / с 10 ~ 15 см BPSK
Руис и Шимамото [65], 2006 г. 15 дБм 2 Мбит / с 20 см QPSK
Wegmueller [41], 2007 −6 дБм 1.23 Мбит / с 64 кбит / с 10 ~ 25 см QPSK
Lin et al. [60], 2011 −30 ~ −4 дБм 2 Мбит / с OOK
Li et al. [92], 2013 −5 дБм 200 кбит / с 6 см QPSK

4.3. Применение HBC

Прототипы HBC были применены в передаче данных здравоохранения.Например, Handa et al. [38] разработали прототип HBC с гальванической связью для передачи сигнала ЭКГ от груди к конечности. Позже прототип [40] гальванической связи HBC был применен для передачи частоты сердечных сокращений и SpO2. Ю и др. [81] внедрили систему HBC для передачи ЭКГ и артериального давления. А чип SOC для передачи сигнала ЭКГ был разработан Lin et al. [60].

Недавно было обнаружено, что характеристики каналов в HBC, такие как усиление и фаза, имеют большое значение для некоторых физиологических параметров, таких как сокращение или расслабление мышц, гидратация жидкости тела и обезвоживание.Основываясь на этих принципах, система HBC с гальванической связью была адаптирована для измерения некоторых физиологических параметров. Например, качественная гидратация и скорость обезвоживания, на которую влияет физиологическое состояние и метаболическое равновесие, могут быть доступны через распространение гальванически связанного сигнала HBC [82]. Этот механизм используется для оценки жидкости организма [82] и помогает диагностировать и лечить жидкостные расстройства, такие как лимфатический отек. Согласно Chen et al. [57], изменение усиления имеет большое значение для сгибания сустава.Связь между углом сочленения и вариацией усиления канала была получена с помощью метода аппроксимации полиномиальной кривой [83]. Полученное соотношение затем используется для оценки угла сустава [83], которая может применяться при управлении протезом и анализе походки.

5. Соображения безопасности и экспериментальные вопросы

Во время эксперимента in vivo HBC электрические сигналы прикладываются к человеческому телу с помощью электродов, что может представлять потенциальную опасность для здоровья человека, например опасность поражения электрическим током. и вопросы безопасности использования электродов.

5.1. Правила безопасности

Каждый раз, когда в человеческое тело попадает какая-либо форма энергии, важно понимать, какие риски могут возникнуть в результате приложения энергии к внутренней ткани. Самый очевидный эффект — нагрев. Поскольку значительная часть энергии поглощается и преобразуется в тепло во время распространения сигнала, это потенциально может привести к повышению температуры. Что еще более важно, сила индуцированного тока на определенной частоте определяет интенсивность электрического удара, проходящего через тело.Применяемый электрический ток или напряжение на теле человека должны соответствовать стандарту IEEE Std. C95.1 2005 [84] и руководящие принципы Международной комиссии по защите от неионизирующего излучения (ICNIRP) [85]. Стандарт IEEE Std. В C95.1 2005 более подробно описаны уровни безопасности в отношении воздействия радиочастотного электромагнитного поля на организм человека. Например, ограничение электрического поля между 100 кГц и 3 ГГц внутри локализованного человеческого тела, такого как конечности и ушные раковины, должно быть (где определяется как объем ткани в форме куба) [84].Максимальный безвредный наведенный ток в HBC должен быть ниже 20 мА в диапазоне частот от 100 кГц до 110 МГц (воздействие на население) [85].

5.2. Электроды

HBC работает без антенны; вместо этого электроды используются для передачи сигнала в человеческое тело. Из литературы следует, что электроды Ag / AgCl обычно используются в системах HBC [44, 54, 60, 86]. Для электрода Ag / AgCl основным процессом, который происходит на границе раздела электрод-кожа, является преобразование носителей заряда между электронами и ионами.А превращение регулируется химической реакцией восстановления и окисления [87], которую можно описать следующим образом:

Также рекомендуются электроды из материалов, безопасных для человеческого тела, такие как угольные / графитовые электроды [57, 59]. Pt электроды использовались в [39], поскольку Pt электрод обычно используется для стимуляции сигнала [88]. Были использованы некоторые другие электроды, такие как медь и алюминий [54].

5.3. Стратегии заземления

Результаты теоретических моделей или анализа HBC должны быть подтверждены экспериментами in vivo или in vitro , в которых система измерения обычно включает заземленные электрические устройства, такие как генератор сигналов, осциллограф, сеть анализатор и анализатор спектра.Более одного пути заземления между двумя частями оборудования (например, генератором сигналов на передатчике и осциллографом на приемнике) ведут к разным местам точек «заземления», которые, как ожидается, будут иметь одинаковый потенциал, но на самом деле они могут иметь разные потенциалы из-за ненулевого импеданса соединенных между собой кабелей. Разница в сопротивлении заземления системы делает потенциал земли на входном разъеме BNC приемника не таким, как земля системы или передатчика.Эта разность потенциалов или нежелательный сигнал на пути заземления может варьироваться от микровольт до сотен милливольт. Этот нежелательный сигнал наземного тракта обычно существует параллельно с истинным обратным заземляющим трактом сигнала HBC (обратите внимание, что этот нежелательный сигнал наземного тракта не существует в реальной системе HBC с независимым приемопередатчиком с батарейным питанием). На рисунке 7 показаны сигналы пути заземления типичной системы измерения HBC с гальванической связью. Приемник относится к измерению с корпуса входного разъема BNC; отображаемая форма волны может не отражать реальный сигнал на входе датчика, что может привести к неверным результатам измерения на приемнике.


Чтобы минимизировать или уменьшить нежелательный сигнал на пути заземления, требуются подходящие стратегии заземления. Как правило, следует использовать симметричный трансформатор или дифференциальный усилитель. Типичная измерительная система с балунами на передатчике и приемнике для гальванической связи HBC показана на рисунке 8 (а). В измерительной системе с симметричным трансформатором на уменьшение нежелательного сигнала на пути заземления влияет межобмоточная емкость (IWC) между первичной и вторичной обмотками [34, 89, 90].Более низкий IWC дает более низкие результаты измерений [89]. Согласно недавним исследованиям, на результат измерения также влияет симметрия относительно земли симметричного трансформатора [91]. Типичными измерительными системами, использующими балун, являются [54, 64]. Схема измерительной системы с дифференциальным датчиком показана на рисунке 8 (б). Обнаруженный потенциал на соответствующем выводе дифференциального пробника относится к одной и той же / общей точке заземления, что устраняет синфазное напряжение, принимаемое импедансом заземления системы.При использовании дифференциального пробника, который всегда содержит дифференциальный усилитель с усилением в несколько дБ, можно получить удовлетворительные характеристики приема. Как правило, дифференциальный зонд всегда используется в системе HBC с гальванической связью, такой как [57, 59, 92].


(a) С балуном
(b) С дифференциальным датчиком
(a) С балуном
(b) С дифференциальным датчиком
6. Выводы и дальнейшие исследования

История и развитие HBC были рассмотрены в этой статье.HBC — это метод беспроводной связи на малых расстояниях, не относящийся к радиочастотам, определенный стандартом IEEE 802.15.6, использующий человеческое тело в качестве среды передачи. В этой работе мы рассмотрели современные методы связи HBC, различные модели распространения сигнала и характеристики связи. Наконец, вопросы эксперимента in vivo , такие как типы электродов и проблемы с заземлением, были разработаны, чтобы сделать эксперимент in vivo безопасным и точным.

Из последних систем HBC, емкостная связь HBC работает в более высокой полосе частот, и, таким образом, может быть достигнута более высокая скорость передачи данных.Гальваническая связь HBC работает в относительно более низкой полосе частот и обеспечивает более низкую скорость передачи данных, но имеет преимущества минимизации помех от окружающей среды. Канальное усиление HBC ведет себя как полосовой или высокочастотный в другой полосе частот, что указывает на то, что необходимо предложить правило или руководство для выбора подходящей полосы частот для передачи данных. В его нынешнем виде технология HBC потенциально предлагает более энергоэффективный и естественно защищенный метод связи для BAN.Сигнал в основном передается в мышечной ткани. Несмотря на то, что HBC имеет множество преимуществ, еще предстоит решить множество проблем и провести дальнейшие исследования.

6.1. Моделирование канала

Следует разработать подходящую модель канала, учитывающую эффекты соединения (т. Е. Структуру и электрические свойства соединения). Кроме того, изменение угла сочленения приводит к изменению усиления канала; Следовательно, разработка модели канала, которая может охватывать характеристики канала в динамическом поведении тела, была бы хорошей темой для исследования.Кроме того, следует разработать подходящую модель канала для канала HBC с большей дальностью передачи (т. Е. Вся верхняя конечность, слева направо). Помимо каналов на теле, модель канала для имплантируемой передачи данных должна стать предметом будущих исследований. Кроме того, характеристики канала HBC были оценены на молодых испытуемых в литературе. Однако расследование в отношении пожилых людей пока не ведется. А проектирование системы HBC для удовлетворения всех индивидуальных свойств канала, таких как канал HBC для толстых, худых, молодых и пожилых субъектов, является сложной задачей.Кроме того, модели распространения сигнала исследуются в одноканальных приложениях, таких как только ЭКГ или только кровяное давление. Однако, как применять модель канала в многоканальных приложениях, еще не обсуждалось.

6.2. Проектирование системы

Учитывая конструкцию системы HBC, достижение пропускной способности канала является сложной задачей. Даже если система с несколькими несущими с оптимальным распределением мощности может обеспечить пропускную способность, система с несколькими несущими может привести к высокому отношению пиковой мощности к средней.Поэтому для приложений HBC предпочтительнее разработать систему с одним несущим. Затем вопрос о том, как спроектировать систему с одной несущей для достижения пропускной способности канала и удовлетворения особых требований к приложениям (высокое качество обслуживания, низкое энергопотребление и низкая сложность оборудования) — это тема будущих исследований.

6.3. Дизайн уровня MAC

Основой построения BAN является двухточечная передача данных. На самом деле BAN обычно представляет собой топологию «точка-множество точек». Как применить результаты на канале HBC (двухточечная передача данных) для анализа производительности многоточечного соединения — это тема будущих исследований.Помимо проектирования физического уровня, следует рассмотреть дизайн протокола на более высоких уровнях, то есть на уровне MAC. Для проблемы сети предлагается изучить безопасность и управление питанием.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Вклад авторов

Цзянь Фэн Чжао задумал исследование, помог в составлении рукописи и обеспечил получение финансирования. Си Мэй Чен разработал и провел эксперименты, проанализировал данные и составил рукопись.Бо Донг Лян помог собрать данные и составить рукопись. Цю Ся Чен помогал собирать данные, занимался получением финансирования и обосновал авторство. Все авторы прочитали и одобрили эту рукопись.

Благодарности

Авторы хотели бы выразить признательность за финансовую поддержку со стороны Комитета по науке и технологиям Шэньчжэня (номера JCYJ201604214252, JCYJ20160527162817715 и JCYJ20160407160609492) (номер провинции Гуандун по науке и технологиям)2016A010101039) и Shenzhen Polytechnic (№№ 601522k30007 и 601522K30015).

Влияние электрических, магнитных и электромагнитных полей на циркадную систему: текущий уровень знаний

Одним из побочных эффектов работы каждого электрического устройства является электромагнитное поле, генерируемое рядом с его рабочим местом. Все организмы, включая человека, ежедневно подвергаются воздействию различных типов этого поля, характеризующегося различными физическими параметрами. Поэтому важно точно определить влияние электромагнитного поля на физиологические и патологические процессы, происходящие в клетках, тканях и органах.Многочисленные эпидемиологические и экспериментальные данные свидетельствуют о том, что чрезвычайно низкочастотное магнитное поле, создаваемое линиями электропередачи и устройствами с электрическим приводом, а также высокочастотное электромагнитное излучение, излучаемое электронными устройствами, потенциально отрицательно влияет на циркадную систему. С другой стороны, несколько исследований не обнаружили влияния этих полей на хронобиологические параметры. В соответствии с текущим уровнем знаний, некоторые ранее предложенные гипотезы, в том числе гипотеза о ключевой роли нарушения секреции мелатонина в патогенезе заболеваний, вызванных электромагнитным полем, нуждаются в пересмотре.В этой статье рассматриваются данные о влиянии электрических, магнитных и электромагнитных полей на ритмы мелатонина и кортизола — двух основных маркеров циркадной системы, а также сна. Он также предоставляет основную информацию о характере, классификации, параметрах и источниках этих полей.

1. Введение

Одним из побочных эффектов работы любого электрического устройства является электромагнитное поле, возникающее рядом с его рабочим местом. Все организмы, включая человека, ежедневно подвергаются воздействию различных типов этого поля, характеризующегося различными физическими параметрами.Поэтому важно точно определить влияние электромагнитного поля на организмы. Все устройства с электропитанием и линии передачи генерируют низкочастотное (обычно 50 или 60 Гц) поле, которое имеет квазистационарный характер, и две его составляющие — электрическое и магнитное поле — можно анализировать отдельно. Считается, что это поле оказывает потенциально негативное воздействие на организмы, хотя механизм его биологического действия остается неизвестным. С другой стороны, электронные устройства, такие как мобильные телефоны, телевизоры или радиопередатчики, излучают электромагнитное излучение с высокими частотами (от 300 МГц до 300 ГГц).Излучение высокой энергии этого типа вызывает тепловой эффект, который может повышать температуру тканей и органов, а также вызывать серьезные повреждения клеток. Международное агентство по исследованию рака (IARC) в 2002 году классифицировало чрезвычайно низкочастотное магнитное поле, создаваемое электрическими устройствами, как возможное канцерогенное для человека [1]. В 2011 году радиочастоты электромагнитных полей были квалифицированы МАИР и ВОЗ как потенциально повышающие риск развития злокачественной опухоли головного мозга [2].

Видимая часть электромагнитного излучения с относительно узкой полосой частот от 389 до 789 ТГц играет ключевую роль в регуляции суточных ритмов, влияя на активность супрахиазматического ядра через меланопсин-положительные ганглиозные клетки сетчатка [3]. Однако несколько отчетов предоставили доказательства того, что электрические и магнитные поля также влияют на циркадную систему. Было высказано предположение, что дефицит секреции мелатонина может быть ответственным за онкогенное действие электромагнитного поля [4].

Целью статьи был обзор данных о влиянии электрических, магнитных и электромагнитных полей на ритмы мелатонина и кортизола, двух основных маркеров циркадной системы, а также на сон. Мы также включили информацию о природе, физических параметрах, классификации и источниках полей, которая может быть полезна биологам и врачам.

2. Природа электрических, магнитных и электромагнитных сил

В физических науках электромагнитное поле — это состояние пространства, характеризующееся электродинамической природой сил, действующих на электрически заряженные объекты.В этом контексте электромагнитное поле можно представить как состоящее из двух независимых компонентов [5]: (i) электрическое — представленное состоянием пространства, известным как электрическое поле, в котором кулоновские силы действуют на неподвижные электрически заряженные объекты, (ii) магнитное — представленное состоянием пространства, известным как магнитное поле, в котором силы Лоренца действуют на нестационарные (движущиеся) электрически заряженные объекты (представляющие электрические токи). Может быть интересно отметить, что согласно специальной теории относительность, электрическое и магнитное поля — это два аспекта одного и того же явления в зависимости от выбранной системы отсчета наблюдения — электрическое поле в одной системе отсчета может восприниматься как магнитное поле в другой системе отсчета.

В пределах своего воздействия электромагнитные поля могут воздействовать на физические объекты, включая живые организмы. Эффекты этого влияния зависят от многих факторов. Среди них наиболее важными являются [5] (i) напряженность поля — в случае электрического поля его напряженность выражается в вольтах на метр (В / м), а в случае магнитного поля (МП) — в интенсивность выражается в амперах на метр (А / м), (ii) расстояние до объекта выражается в метрах (м), (iii) частота излучаемой энергии — в случае полей, зависящих от времени, она выражается в герцах (Гц) , в то время как для полей, не зависящих от времени, их частота равна 0, (iv) поверхностная плотность мощности (удельная мощность), представляющая интенсивность излучаемой энергии (мощности) с площадью по всей этой излучаемой энергии, выраженная в ваттах на квадратный метр (Вт / м 2 ).

Здесь стоит упомянуть, что напряженность магнитного поля выражается в амперах на метр (А / м) в соответствии со стандартами SI. Однако в литературе и научной практике очень часто вместо этого используется индукция магнитного поля, которая выражается в теслах (Тл). Эти величины — и — взаимосвязаны через магнитную проницаемость среды.

3. Электромагнитные поля в среде обитания живых организмов

Электромагнитное излучение и поля сопровождают живые организмы с самого начала жизни на Земле.Однако их нынешнюю интенсивность и повсеместность следует отнести, прежде всего, к человеческой деятельности — технологическим достижениям в современном машиностроении, связанным с разработкой и практическим использованием систем передачи электроэнергии, электрического оборудования и телекоммуникаций.

Источники электромагнитного излучения и полей можно разделить на естественные и неестественные. К естественным источникам относятся небесные тела, такие как звезды и магнитары, Земля и биологические процессы, связанные с потоком электрических импульсов в живых организмах (рис. 1).Электромагнитное излучение, которое достигает поверхности Земли из космоса в виде микроволнового фонового излучения, является следствием Большого взрыва и эволюции Вселенной в самые первые секунды ее существования. Этот тип излучения характеризуется распределением тепловой энергии как наиболее совершенное черное тело в природе и имеет почти идеальный планковский спектр при температуре около 2,7 К, в то время как максимум его поверхностной плотности мощности соответствует длине волны 272 ГГц [6 ]. Солнечное излучение, достигающее поверхности Земли, имеет относительно небольшую поверхностную плотность мощности около 3 мкм Вт / м 2 [6] и состоит из отличительных полос частот, так называемых атмосферных окон, представляющих те полосы частот, которые не поглощаются атмосфера Земли.Их можно перечислить как (i) радиоокно — представленное длинами электромагнитных волн от 15 МГц до 300 ГГц, (ii) оптическое окно — представленное длинами электромагнитных волн от 150 ТГц до 1000 ТГц, (iii) микроволновое окно — представленное электромагнитными длинами волн от 23,1 ТГц до 37,5 ТГц. Магнитное поле Земли — это еще одно естественное поле, исходящее из ядра планеты, которое простирается до обширного пространства, окружающего Землю, известного как магнитосфера. Важным источником сильных электромагнитных полей являются атмосферные разряды, известные как молния.Быстрые выбросы радиации, которые сопровождают эти природные явления, характеризуются высокой плотностью мощности и высокими частотами. В живых организмах электромагнитные поля возникают из-за передачи сигналов в нервной системе и из структур, автономно генерирующих электрические импульсы (например, сердца).


История неестественных источников электромагнитного излучения и полей относительно коротка и охватывает только последние сто лет. Неестественные источники электромагнитного излучения или полей относятся к двум группам.Первая группа включает ионизирующее излучение, характеризующееся относительно высокой энергией, которое может приводить к ионизации частиц вещества. Присутствие этого вида излучения имеет в первую очередь естественные причины (статистическая годовая доза облучения составляет около 2,4 мЗв). Однако неприродные источники ионизирующего излучения, такие как технические устройства, в которых используются различные радиоактивные изотопы, в настоящее время считаются наиболее важными проблемами в охране здоровья населения. Вторая группа — это неионизирующее излучение с энергией, которая слишком мала для ионизации частиц вещества.Обычными источниками этого вида излучения являются все средства, используемые для производства, передачи и использования электроэнергии (высоковольтные линии электропередач, подстанции, двигатели, генераторы, промышленные и бытовые приборы, домашняя электропроводка и т. Д.). Очень важные источники электромагнитного излучения включают телекоммуникационные системы (радио, телевидение, Интернет и Wi-Fi), а также медицинские устройства, используемые для диагностики или терапии.

Согласно Европейской комиссии, неионизирующее излучение можно разделить на несколько уровней [7]: (i) статические поля, (ii) поля крайне низкой частоты (поля СНЧ), (iii) поля промежуточной частоты (поля ПЧ), ( iv) радиочастотные поля (радиочастотные поля).Чтобы проиллюстрировать соображения авторов, типичные источники электромагнитных полей / излучения, влияющих на живые организмы и упомянутые выше, перечислены и описаны в таблице 1.


Уровень Диапазон частот Излучение источник

Статический 0 Гц Земля, видеоэкраны, магнитно-резонансная томография и другое диагностическое / научное оборудование, электролиз, сварка

Сверхнизкочастотные поля 0–300 Гц Линии электропередачи, домашняя проводка, автомобильные электродвигатели , электропоезда и трамваи, сварочные аппараты

Промежуточная частота 300 Гц – 100 кГц Видеоэкраны, противоугонные устройства, используемые в автомобилях, домах, магазинах, считыватели карт, металлодетекторы, магнитно-резонансная томография , сварочные аппараты

Радиочастота 100 кГц – 300 ГГц Радио, телевидение, мобильные телефоны, микроволновые печи, радары и радиопередатчики, магнитно-резонансная томография

4.Влияние электрических, магнитных и электромагнитных полей на суточный ритм секреции мелатонина

Мелатонин является основным гормоном системы циркадного ритма у всех позвоночных, включая человека [8]. Суточный ритм его секреции в шишковидной железе млекопитающих управляется супрахиазматическим ядром — центральным эндогенным осциллятором, непосредственно связанным с сетчаткой [8–10]. В физиологических условиях регуляторные механизмы обеспечивают правильное включение этого ритма в цикл свет-темнота, и, следовательно, повышенная секреция мелатонина в ночное время может служить для всех клеток организма часами и календарем [8, 11, 12].Мелатонин играет ключевую роль в контроле многих физиологических процессов, происходящих в суточных или сезонных ритмах, таких как сон, метаболизм и размножение [13]. Более того, мелатонин также участвует в регуляции иммунной системы [14], сердечно-сосудистой системы [15] и развития рака [13, 16, 17]. Это также очень мощный поглотитель свободных радикалов [18].

Следует отметить, что уровень секреции мелатонина заметно различается у разных людей, как у людей [19, 20], так и у животных [21, 22].Основываясь на измерениях мелатонина в моче, человеческая популяция может быть разделена на выделителей мелатонина с низким и высоким содержанием мелатонина [19, 20]. Исследование на овцах продемонстрировало, что индивидуальная изменчивость уровня мелатонина в плазме находится под строгим генетическим контролем и связана с массой шишковидной железы и секрецией мелатонина, но не с катаболизмом гормонов [21]. Индивидуальные суточные профили мелатонина плазмы хорошо воспроизводятся в последовательные дни, недели и месяцы как у людей, так и у животных [20, 22].Уровень ночной секреции мелатонина снижается с возрастом [23].

Несколько факторов, например световое загрязнение в ночное время или перемещение по часовым поясам, могут привести к нарушению ритма секреции мелатонина и циркадной дезорганизации, что, несомненно, оказывает негативное влияние на различные аспекты здоровья [13, 14, 16, 24, 25].

Секреция мелатонина шишковидной железой обычно считается особенно чувствительной к воздействиям электрического, магнитного и электромагнитного поля.Влияние этих полей на активность пинеальной железы было проанализировано в эпидемиологических исследованиях [26–41] и экспериментальных исследованиях, проведенных с использованием различных моделей in vivo, [42–94] и in vitro, [95–100].

4.1. Эпидемиологические исследования

Эпидемиологические исследования предоставили интересные и очень важные данные о влиянии электромагнитных полей на мелатонин и его метаболит — 6-сульфатоксимелатонин — у людей. Многие из этих исследований касались эффектов чрезвычайно низкочастотного магнитного поля (ELF-MF), которое генерируется внешними линиями электропередачи высокого и среднего напряжения, внутренним источником электропитания и электрическими приборами [25].

Связь между воздействием магнитных полей с частотой 16,7 Гц и здоровьем человека интенсивно изучалась у железнодорожников [26, 101, 102]. Pfluger и Minder [26] сравнили, используя план повторных измерений, экскрецию 6-сульфатоксимелатонина с мочой у 108 швейцарских железнодорожников мужского пола между периодами отдыха и днями после начала работы на двигателях с электрическим приводом или выполнения других задач. Исследование показало, что экскреция 6-сульфатоксимелатонина с мочой была ниже в рабочие дни, чем в дни отдыха у водителей двигателей, подвергавшихся воздействию 16.Магнитное поле 7 Гц со средней напряженностью 20 мк Тл, но не среди других рабочих. Следует отметить, что эпидемиологические исследования швейцарских железнодорожников продемонстрировали значительно повышенную (0,9% на μ T-год кумулятивного воздействия) смертность от лейкозов [101]. Статистические данные также предполагают связь между профессиональным воздействием магнитного поля с частотой 16,7 Гц и риском болезни Альцгеймера [102].

Люди широко подвергаются воздействию магнитных полей с частотой 50 Гц (в Европе) или 60 Гц (в Северной Америке), создаваемых источниками электропитания и электрическими устройствами, обычно используемыми в домах и на рабочих местах.Уменьшение экскреции 6-сульфатоксимелатонина с мочой наблюдалось у электриков, подвергавшихся воздействию магнитных полей с частотой 60 Гц [27–29]. Значительные изменения были отмечены после второго дня рабочей недели, и эффект воздействия магнитного поля был наиболее заметным у субъектов с низким уровнем освещенности на рабочем месте [28]. Кроме того, было продемонстрировано, что уменьшение экскреции 6-сульфатоксимелатонина происходило у рабочих, подвергавшихся воздействию более двух часов и в трехфазной среде [29].У людей, работающих в однофазной среде, изменений не обнаружено. Слабое влияние профессионального воздействия низкоинтенсивного магнитного поля на экскрецию 6-сульфатоксимелатонина также наблюдалось у работающих женщин [30].

Davis et al. [31] предположили, что домашнее воздействие магнитного поля 60 Гц снижает активность пинеальной железы у женщин, в первую очередь у женщин, принимающих лекарства. Уровень экскреции 6-сульфатоксимелатонина был ниже у младенцев, содержащихся в инкубаторах, и повышался, когда их переводили в место, свободное от электрических устройств [103].Анализ, проведенный Юутилайненом и Кумлином [32], предполагает, что воздействие магнитного поля с частотой 50 Гц может усиливать эффекты воздействия ночного света на выработку мелатонина; однако исследование проводилось на относительно небольшой группе субъектов.

Следует подчеркнуть, что небольшое количество эпидемиологических исследований не выявило влияния воздействия КНЧ-МФ на секрецию мелатонина [33–37]. Gobba et al. [33] отметили схожие уровни экскреции 6-сульфатоксимелатонина в двух группах рабочих, подвергавшихся воздействию полей ≤0.2 μ T и> 0,2 μ T. Никакой связи между воздействием магнитного поля 60 Гц в жилых помещениях и экскрецией 6-сульфатоксимелатонина не наблюдалось у взрослых в возрасте 50–81 лет [34]. Touitou et al. [35] показали, что длительное воздействие КНЧ-МФ не изменяет уровень и суточную секрецию мелатонина. Эти данные предполагают, что магнитные поля не обладают кумулятивным действием на секрецию мелатонина у людей.

В отличие от ELF-MF, в эпидемиологических исследованиях гораздо меньше внимания уделялось влиянию электромагнитных полей промежуточного диапазона частот (от 300 Гц до <10 МГц) и радиочастотного диапазона (от 10 МГц до 300 ГГц).Не было обнаружено изменений в экскреции 6-сульфатоксимелатонина с мочой у женщин, проживающих рядом с передатчиками радио- и телевещания [38]. Использование мобильного телефона более 25 минут в день снижает уровень секреции мелатонина [39]. Радиовещательные передатчики с коротковолновыми электромагнитными полями (6–22 МГц) снижали секрецию мелатонина на 10% [40]. Исследование, проведенное с участием 50 техников по обслуживанию электронного оборудования, подвергшихся воздействию различных видов полей, выявило значительно более низкие уровни мелатонина в сыворотке крови по сравнению с контрольной группой [41].

4.2. Экспериментальные исследования на добровольцах

В отличие от эпидемиологических исследований, большинство исследований, проведенных на добровольцах, не выявило влияния КНЧ-МФ на уровни мелатонина и / или 6-сульфатоксимелатонина [42–51]. В исследовании Warman et al. [42], 2-часовое воздействие поля 50 Гц с интенсивностью 200–300 μ Тл не вызывало значительных изменений в повышении уровня мелатонина в ночное время. Точно так же воздействие на добровольцев в течение одной ночи полем 50 Гц с интенсивностью 20 мк Тл не оказывало влияния на уровень мелатонина в плазме [43].Selmaoui et al. [44] продемонстрировали, что острое ночное воздействие либо непрерывного, либо прерывистого 50 Гц линейно поляризованного магнитного поля силой 10 мк Тл не влияет на секрецию мелатонина у людей. В серии экспериментов, проведенных Graham et al. [45–49], ночная секреция и метаболизм мелатонина не изменились у людей при воздействии КНЧ-МП с интенсивностью в пределах профессионального диапазона воздействия в течение одной или нескольких ночей. Не было обнаружено изменений мелатонина в слюне после воздействия на добровольцев 16.Электромагнитное поле 7 Гц [50, 51]. В отличие от данных, представленных выше, Davis et al. [52] продемонстрировали, что воздействие магнитного поля от 0,5 до 1 мкм на Тл, превышающего уровни окружающей среды в течение 5 ночей подряд, снижает выведение 6-сульфатоксимелатонина у женщин.

4.3. Экспериментальные исследования на животных

Большинство из экспериментов in vivo , посвященных влиянию воздействия магнитного поля на активность пинеальной железы, было проведено на лабораторных грызунах [53–85].

В исследованиях эффектов СНЧ-МФ были получены весьма изменчивые результаты. Непрерывное воздействие магнитного поля 10 μ Тл 50 Гц на крыс Sprague-Dawley в течение 91 дня снижало уровень мелатонина в крови [53]. Однако в другом исследовании той же группы не удалось продемонстрировать стойкий эффект воздействия магнитного поля 100 μ Тл 50 Гц на уровень мелатонина у крыс, поскольку не наблюдалось его снижения или отсутствия изменений [54]. Снижение активности пинеальной железы в ответ на КНЧ-МФ было отмечено и в нескольких других экспериментах, проведенных на лабораторных крысах [55–63] и джунгарских хомячках [64, 65].С другой стороны, повышенная экскреция 6-сульфатоксимелатонина наблюдалась у крыс Sprague-Dawley, подвергшихся воздействию магнитного поля с частотой 50 Гц и интенсивностью 100 мк Тл в течение 24 часов [66]. Аналогичным образом Dyche et al. [67] продемонстрировали, что у крыс-самцов, подвергнутых воздействию магнитного поля 100 μ Тл в течение 1 месяца, наблюдается несколько повышенная экскреция 6-сульфатоксимелатонина. Повышенная секреция мелатонина после воздействия слабого магнитного поля также была обнаружена у джунгарского хомяка Niehaus et al.[68]. В других исследованиях, проведенных на крысах и хомяках, изменений секреции мелатонина в ответ на магнитное поле с частотой 50/60 Гц не наблюдалось [69–77]. Об отсутствии влияния ELF-MF на активность пинеальной железы также сообщалось у мышей [78].

Исследования на грызунах предоставили интересные данные о влиянии радиочастотного диапазона электромагнитного поля на активность пинеальной железы. Воздействие на крыс электромагнитного поля частотой 900 МГц и удельной адсорбцией 0.9 Вт · кг -1 (мобильный телефон) в течение 2 часов в день и повторения в течение 45 дней приводили к статистически значимому снижению содержания мелатонина в пинеальной железе [81]. Кроме того, поле с частотой 1800 МГц и мощностью 200 Вт · см −2 (2 часа в сутки в течение 32 дней; 0,5762 Вт · кг −1 ) нарушало ритм секреции мелатонина у крыс [82]. Однако в другом эксперименте животных подвергали аналогичному воздействию в течение 30 минут в день, 5 дней в неделю в течение 4 недель, и никаких изменений уровня мелатонина в сыворотке крови крыс не было отмечено [83].Точно так же воздействие на джунгарских хомяков электромагнитным полем с частотами 383, 900 и 1800 МГц (80 мВт · кг -1 ) в течение 60 дней (24 часа в сутки) не приводило к изменениям секреции мелатонина. [84].

Исследования воздействия электрических и магнитных полей на негрызуны проводились лишь от случая к случаю [86–94]. Воздействие на молочный скот вертикального электрического поля 10 кВ / м и однородного горизонтального магнитного поля 30 мк Тл в течение 28 дней не изменяло ночной уровень мелатонина в крови [86].Аналогичным образом не наблюдалось изменений секреции мелатонина в других экспериментах, проведенных на дойных коровах [87, 88] и ягнятах [89, 90]. Исследования американских пустельг показали, что длительное воздействие электромагнитных полей (60 Гц, 30 мк Тл, 10 кВ · м -1 ) вызывает изменения секреции мелатонина [91]. Магнитное поле увеличивало уровень мелатонина в шишковидной железе и сыворотке крови форели в ночное время [92].

4.4.
In vitro Исследования

Исследования in vitro , посвященные влиянию электромагнитных полей на секрецию мелатонина, были проведены на шишковидной железе джунгарских хомяков [95, 100] и крыс [96–99].Результаты экспериментов с шишковидной железой хомяка в культуре суперфузионных органов показали, что КНЧ-МФ с интенсивностью 86 мк Тл и частотой 16,67 или 50 Гц вызывают снижение секреции мелатонина, активируемое изопротеренолом [95]. Снижение стимулируемой изопротеренолом секреции мелатонина и активности арилалкиламин-N-ацетилтрансферазы также было обнаружено в исследованиях пинеалоцитов крыс после воздействия КНЧ-МФ [96, 97]. Напротив, Lewy et al. [98] отметили повышенную активность ферментов, синтезирующих мелатонин, в то время как Tripp et al.[99] не обнаружили изменений секреции мелатонина в пинеалоцитах крыс в ответ на КНЧ-МФ.

Влияние воздействия электромагнитного поля с частотой 1800 МГц на секрецию мелатонина шишковидной железой джунгарского хомячка было исследовано [100] на той же экспериментальной установке, которая использовалась в экспериментах с КНЧ-МФ [95]. Это исследование продемонстрировало, что как непрерывные, так и импульсные сигналы при определенном уровне адсорбции 800 мВт · кг -1 , продолжительностью семь часов, увеличивают уровень секреции мелатонина, стимулированной изопротеренолом [100].

5. Влияние электрических, магнитных и электромагнитных полей на суточный ритм секреции кортизола

Кортизол является важным стероидным гормоном, вырабатываемым надпочечниками. Подобно мелатонину, он демонстрирует постоянный и воспроизводимый суточный ритм в физиологических условиях [104–107]. Debono et al. [105] в исследовании 33 здоровых людей с 20-минутным интервалом профилирования кортизола в течение 24 часов показали, что концентрация кортизола достигает самых низких уровней около полуночи.Затем он начал расти в 02: 00–03: 00, а пик пришелся примерно на 08:30. Затем уровень кортизола медленно снизился до надира. Максимальный уровень кортизола в крови человека составлял приблизительно 399 нмоль / л, в то время как надирный уровень кортизола был <50 нмоль / л. Как и многие другие физиологические процессы в организме, происходящие в суточных циклах, ритм секреции кортизола регулируется супрахиазматическим ядром, расположенным в гипоталамусе.

Кортизол управляет голодом и аппетитом, стрессом, воспалительной реакцией и многими другими функциями [108–110].Важность кортизола особенно очевидна, когда он становится недостаточным в состоянии, известном как надпочечниковая недостаточность [111]. Было высказано предположение, что кортизол действует как вторичный посредник между центральными и периферическими часами и может быть важным фактором синхронизации циркадных ритмов тела [111]. Изменения ритмической продукции и уровня кортизола приводят к значительным побочным эффектам [108, 112]. У детей с аутизмом часто наблюдаются большие различия в дневных моделях кортизола и значительное повышение уровня кортизола в слюне в ответ на несоциальный стрессор [113].

Люди и животные живут в среде с электромагнитными полями различного происхождения. Они подвергаются воздействию электромагнитного поля естественного происхождения, такого как магнитная сила Земли и искусственного происхождения, которое возникает в результате деятельности человека. Изменения магнитного поля Земли влияют на все живые существа на планете. Кроме того, электрические и магнитные поля, которые существуют везде, где генерируется или передается электричество, кажутся очень важными для подвергшихся воздействию организмов.

5.1. Экспериментальные исследования на животных

Результаты исследований влияния электромагнитного поля на секрецию кортизола у животных очень разнообразны. У морских свинок КНЧ-МП вызывало изменения уровня кортизола, которые зависели от частоты и интенсивности поля [114]. Воздействие на животных в течение 2 и 4 часов в день в течение 5 дней поля с частотой 50 Гц и 0,207 мк Т показало значительное снижение уровня кортизола [114]. Однако в группах, подвергнутых воздействию поля 5 Гц и 0.013 μ T, никаких значительных изменений кортизола через 2 или 4 часа воздействия не наблюдалось [114]. У швейцарских мышей, непрерывно подвергавшихся воздействию низкочастотного (50 Гц) поля в течение 350 дней, снижение уровня кортизола наблюдалось на 190 день эксперимента [115]. На 90-е и 350-е сутки воздействия значимых различий отмечено не было [115]. Повышение уровня кортизола наблюдалось у крыс, подвергавшихся воздействию однородных магнитных полей 10 -3 Тл и 10 -2 Тл по 1 часу каждый день в течение десяти дней [116].Воздействие на самок хомяков мобильных телефонов, работающих на частоте 950 МГц в течение короткого (10 дней, 3 часа ежедневно) и длительных (60 дней, 3 часа ежедневно) периодов, вызывало значительное повышение уровня кортизола по сравнению с контрольной группой [117].

Сообщалось также об отсутствии влияния электромагнитного поля на концентрацию кортизола. Burchard et al. [118] не показали изменений в концентрации кортизола, что могло быть связано с воздействием на дойных коров электрического и магнитного полей (вертикальное электрическое поле 10 кВ и горизонтальное магнитное поле 30 мТл).У овцематок также не сообщалось об эффекте воздействия магнитного поля 60 Гц в течение 43 недель на уровень кортизола в сыворотке [119]. Отсутствие влияния электромагнитного поля на концентрацию кортикостерона, независимо от характеристик и продолжительности воздействия, было обнаружено также в экспериментах на крысах [120, 121].

5.2. Исследования на людях

Исследования влияния магнитной силы Земли на человеческое тело показали, что уровни кортизола в сыворотке зависят от направления головы во время сна по отношению к Северному и Южному магнитным полюсам [122].Биологический эффект воздействия антропогенных электромагнитных полей на человека был предметом нескольких исследований [123–127]. Стоматология — одна из категорий профессий с высоким уровнем воздействия СНЧ-МФ. Воздействие на стоматологов полей, излучаемых кавитронами, вызывало снижение уровня кортизола в сыворотке крови по сравнению с контрольной группой [123]. Низкочастотные магнитные поля применяются в физиотерапии (магнитотерапия и магнитостимуляция). Исследования длительного применения этих процедур предполагают регулирующее влияние магнитных полей на концентрацию кортизола [124].Однако следует подчеркнуть, что многочисленные исследования не обнаружили влияния магнитных полей 50/60 Гц (1–20 μ Тл) и радиочастотных электромагнитных полей на уровень кортизола, независимо от времени эксперимента, возраста или возраста. пол особей или время отбора проб [125–127].

6. Влияние электрических, магнитных и электромагнитных полей на сон

Суточные ритмы генерируются внутренней системой биологических часов, которые синхронизируются с 24-часовым днем ​​за счет факторов окружающей среды, в первую очередь цикла свет-темнота.Многие ритмы очевидны и легко распознаются, например, цикл сна и бодрствования, двигательная активность и пищевое поведение.

Цикл сна-бодрствования, вероятно, является основным выходным ритмом циркадных часов, потому что регуляция многих форм поведения и физиологической активности зависит от того, спит ли организм или бодрствует. Предполагается, что расстройства сна — часто встречающиеся клинические симптомы — частично связаны с воздействием электромагнитного поля. В последние годы появляется все больше экспериментальных и эпидемиологических данных о влиянии неионизирующих электромагнитных полей на физиологию мозга и сон [40, 128–144].

Сон — это эндогенный самостоятельный церебральный процесс. Можно измерить определенные и различимые фазы сна. Низкочастотная активность (<10 Гц) и частотная активность веретена сна (приблизительно 12-15 Гц) - это две безмолвные характеристики сна с небыстрым движением глаз (NREM), которые можно количественно оценить и использовать в качестве маркеров процессов регуляции сна [145]. Несколько экспериментов показали, что электроэнцефалографическая (ЭЭГ) спектральная мощность в альфа (8–12 Гц) и веретено (12–14 Гц) частотах увеличивается как во время, так и после воздействия импульсно-модулированного радиочастотного поля [128–133].Недавно также наблюдалось увеличение дельта-мощности (<4,5 Гц) [129]. Mann и Röschke [134] сообщили о снижении скорости сна с быстрым движением глаз (REM) и изменениях спектральной мощности ЭЭГ во время REM-сна в ответ на высокочастотное электромагнитное поле, излучаемое цифровыми мобильными радиотелефонами. Regel et al. [130] провели исследование влияния воздействия радиочастотного электромагнитного поля путем изменения интенсивности сигнала в трех экспериментальных сессиях. Анализ ЭЭГ сна выявил дозозависимое увеличение мощности в частотном диапазоне веретена во время медленного сна.Это дало первые признаки дозозависимой связи между интенсивностью поля и его влиянием на физиологию мозга. Huber et al. [137] также продемонстрировали увеличение мощности в диапазоне частот быстрого шпинделя ЭЭГ во время воздействия импульсного радиочастотного поля, но не дозозависимым образом. Следует также подчеркнуть, что во многих исследованиях [135, 139–141] не удалось показать каких-либо эффектов воздействия радиочастотного поля на сон или ЭЭГ во сне.

Несмотря на несколько сообщений, показывающих влияние импульсно-модулированного радиочастотного электромагнитного поля на ЭЭГ во сне, механизм этих изменений, вызванных воздействием, все еще неясен.Кроме того, нет подтверждающих доказательств того, что этот эффект связан с такими последствиями для здоровья, как изменение качества сна [128–130, 136].

На сегодняшний день проведено несколько контролируемых лабораторных исследований ЭЭГ сна в низкочастотных электрических и магнитных полях. Åkerstedt et al. [143] провели двойное слепое плацебо-контролируемое исследование с участием 18 здоровых людей, чтобы изучить влияние магнитного поля частотой 50 Гц на сон. Результаты показали, что эффективность сна, медленный сон и медленная активность, а также субъективная глубина сна были значительно снижены под воздействием СНЧ-МФ.Хотя эти результаты предполагают интерференцию низкочастотного поля, авторы подчеркивают, что эти изменения все еще находятся в пределах нормы. В двойном слепом лабораторном исследовании Graham et al. [144] исследовали влияние магнитного поля 60 Гц на сон во время непрерывного, прерывистого или фиктивного воздействия. Они продемонстрировали, что периодическое воздействие приводит к явному искажению сна и изменению архитектуры сна по сравнению с фиктивными условиями и непрерывным воздействием. Следует подчеркнуть, что напряженность поля в обоих упомянутых исследованиях [143, 144] была ниже той, которая используется для медицинских диагностических целей, таких как магнитно-резонансная томография.

Анализ эпидемиологических данных, касающихся качества сна и цикла мелатонина, собранных в течение десяти лет в районе коротковолновой (6–22 МГц) радиовещательной станции, предоставил доказательства того, что воздействие электромагнитного поля влияет только на тех, кто плохо спит, и это может быть группой людей, чувствительных к такому воздействию [40]. Это явление было описано как гиперчувствительность к электромагнитным полям, EHS. Это также наблюдалось в нескольких других сообщениях [146, 147].

Хотя биологическое объяснение связи между воздействием радиочастотного электромагнитного поля и ухудшением качества сна не было идентифицировано, предполагается, что в этом процессе может быть задействовано подавление ночной секреции мелатонина [148].Два сравнительно недавних исследования предполагают связь между снижением секреции мелатонина в ночное время и увеличением использования мобильных телефонов, излучающих радиочастотное поле [39, 149]. Однако четыре перекрестных испытания [127, 141, 150, 151] не обнаружили корреляции между воздействием мобильного телефона и секрецией мелатонина. Гипотеза о связи между циклом мелатонина и воздействием электромагнитного поля требует дальнейшего изучения [152].

7. Выводы

Результаты исследований влияния электрических, магнитных и электромагнитных полей на секрецию мелатонина и кортизола, а также на сон во многом противоречивы.Неблагоприятные данные, связанные с влиянием этих физических факторов на секрецию обоих «циркадных» гормонов, были получены во всех группах исследований, включая эпидемиологические исследования, исследования на добровольцах и исследования на животных. Более того, исследований шишковидной железы грызунов in vitro также дали противоречивые результаты. Источники расхождений остаются неизвестными; однако такие факторы, как неправильная оценка уровня воздействия, влияние других факторов, таких как свет и лекарства, различия в фазах циркадного ритма во время воздействия и индивидуальная изменчивость чувствительности к электромагнитным полям, по-видимому, заслуживают особого внимания.Идея о том, что некоторые люди более чувствительны к электромагнитному полю, чем другие, из-за генетического фона или / или текущего состояния здоровья, кажется очень привлекательной и должна стать предметом дальнейших исследований. Следует отметить, что противоречивые результаты были также получены в исследованиях, посвященных другим воздействиям электрических, магнитных и электромагнитных полей на организм, включая их опухолево-промотирующее действие [153–157].

Несмотря на расхождения в представленных результатах, КНЧ-СЧ и радиочастотное электромагнитное поле следует рассматривать как факторы, возможно влияющие на функцию циркадной системы, поскольку значительное количество исследований продемонстрировало изменения в секреции мелатонина и кортизола, а также во сне после экспозиция в этих областях.Из-за широко распространенного воздействия на людей и животных КНЧ-СЧ и радиочастотного электромагнитного поля исследования их биологических эффектов должны быть продолжены. Важным и до сих пор нерешенным вопросом является взаимосвязь между физическими характеристиками и биологическими эффектами полей, а также механизмами воздействия полей на циркадную систему.

В свете существующей литературы гипотеза, указывающая на нарушение секреции мелатонина, как одного из основных факторов, ответственных за канцерогенные эффекты электрических, магнитных или электромагнитных полей [158, 159], не подтверждается эпидемиологическими и экспериментальные данные.Следовательно, в настоящее время его следует рассматривать как отрицательно проверенный.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в отношении публикации данной статьи.

% PDF-1.4 % 3827 0 объект > эндобдж xref 3827 175 0000000016 00000 н. 0000003856 00000 н. 0000004196 00000 п. 0000004603 00000 п. 0000004669 00000 н. 0000004738 00000 н. 0000004913 00000 н. 0000005021 00000 н. 0000005088 00000 н. 0000005173 00000 п. 0000005282 00000 н. 0000005366 00000 н. 0000005445 00000 н. 0000005514 00000 н. 0000005587 00000 н. 0000005657 00000 н. 0000005748 00000 н. 0000005814 00000 н. 0000005880 00000 н. 0000005966 00000 н. 0000006037 00000 н. 0000006111 00000 п. 0000006179 00000 п. 0000006254 00000 н. 0000006331 00000 п. 0000006401 00000 п. 0000006465 00000 н. 0000006533 00000 н. 0000006596 00000 н. 0000006656 00000 н. 0000006745 00000 н. 0000006812 00000 н. 0000006878 00000 н. 0000006948 00000 н. 0000007049 00000 п. 0000007143 00000 н. 0000007222 00000 н. 0000007294 00000 н. 0000007386 00000 п. 0000007455 00000 н. 0000007531 00000 н. 0000007608 00000 н. 0000007674 00000 н. 0000007743 00000 н. 0000007810 00000 п. 0000007875 00000 п. 0000009821 00000 н. 0000010199 00000 п. 0000010269 00000 п. 0000010380 00000 п. 0000010512 00000 п. 0000010658 00000 п. 0000010820 00000 п. 0000010970 00000 п. 0000011027 00000 п. 0000011164 00000 п. 0000011303 00000 п. 0000011434 00000 п. 0000011491 00000 п. 0000011714 00000 п. 0000011980 00000 п. 0000012246 00000 п. 0000012370 00000 п. 0000012485 00000 п. 0000012752 00000 п. 0000012867 00000 п. 0000012981 00000 п. 0000013202 00000 п. 0000013369 00000 п. 0000013506 00000 п. 0000013706 00000 п. 0000013863 00000 п. 0000014000 00000 н. 0000014153 00000 п. 0000014300 00000 п. 0000014456 00000 п. 0000014583 00000 п. 0000014701 00000 п. 0000014816 00000 п. 0000015002 00000 н. 0000015185 00000 п. 0000015358 00000 п. 0000015565 00000 п. 0000015693 00000 п. 0000015824 00000 п. 0000016015 00000 п. 0000016136 00000 п. 0000016311 00000 п. 0000016449 00000 п. 0000016572 00000 п. 0000016706 00000 п. 0000016851 00000 п. 0000016998 00000 н. 0000017139 00000 п. 0000017282 00000 п. 0000017439 00000 п. 0000017597 00000 п. 0000017810 00000 п. 0000017944 00000 п. 0000018085 00000 п. 0000018285 00000 п. 0000018396 00000 п. 0000018550 00000 п. 0000018679 00000 п. 0000018799 00000 п. 0000018987 00000 п. 0000019118 00000 п. 0000019244 00000 п. 0000019407 00000 п. 0000019553 00000 п. 0000019700 00000 п. 0000019891 00000 п. 0000020022 00000 н. 0000020157 00000 п. 0000020299 00000 н. 0000020435 00000 п. 0000020563 00000 п. 0000020620 00000 п. 0000020775 00000 п. 0000020832 00000 п. 0000020969 00000 п. 0000021026 00000 п. 0000021183 00000 п. 0000021240 00000 п. 0000021393 00000 п. 0000021450 00000 п. 0000021601 00000 п. 0000021658 00000 п. 0000021832 00000 п. 0000021889 00000 п. 0000022038 00000 п. 0000022095 00000 п. 0000022262 00000 п. 0000022319 00000 п. 0000022513 00000 п. 0000022570 00000 п. 0000022744 00000 п. 0000022801 00000 п. 0000022943 00000 п. 0000023000 00000 п. 0000023134 00000 п. 0000023191 00000 п. 0000023307 00000 п. 0000023364 00000 п. 0000023484 00000 п. 0000023541 00000 п. 0000023720 00000 п. 0000023777 00000 п. 0000023934 00000 п. 0000023991 00000 п. 0000024120 00000 н. 0000024177 00000 п. 0000024330 00000 п. 0000024387 00000 п. 0000024531 00000 п. 0000024588 00000 п. 0000024728 00000 п. 0000024785 00000 п. 0000024842 00000 п. 0000024899 00000 п. 0000024956 00000 п. 0000024987 00000 п. 0000025814 00000 п. 0000026046 00000 п. 0000026089 00000 п. 0000026144 00000 п. 0000026473 00000 п. 0000026496 00000 н. 0000026704 00000 п. 0000066356 00000 п. 0000066436 00000 п. 0000067279 00000 н. 0000069958 00000 н. 0000008196 00000 н. 0000009797 00000 н. трейлер ] >> startxref 0 %% EOF 3828 0 объект > / PageMode / UseOutlines / PageLabels 3814 0 R / StructTreeRoot 3872 0 R / PieceInfo> >> / LastModified (D: 20030223114459) >> эндобдж 3829 0 объект [ 3830 0 справа 3831 0 справа 3832 0 справа 3833 0 справа 3834 0 справа 3835 0 справа 3836 0 справа 3837 0 справа 3838 0 R 3839 0 R 3840 0 R 3841 0 R 3842 0 R 3843 0 R 3844 0 R 3845 0 R 3846 0 справа 3847 0 справа 3848 0 справа 3849 0 справа 3850 0 справа 3851 0 справа 3852 0 справа 3853 0 справа 3854 0 справа 3855 0 справа 3856 0 справа 3857 0 справа 3858 0 справа 3859 0 справа 3860 0 справа 3861 0 справа 3862 0 R 3863 0 R 3864 0 R 3865 0 R 3866 0 R 3867 0 R 3868 0 R 3869 0 R 3870 0 руб. 3871 0 руб. ] эндобдж 3830 0 объект > / Ж 230 0 Р >> эндобдж 3831 0 объект > / Ж 231 0 П >> эндобдж 3832 0 объект > / Ж 232 0 Р >> эндобдж 3833 0 объект > / Ж 253 0 Р >> эндобдж 3834 0 объект > / F 303 0 R >> эндобдж 3835 0 объект > / F 315 0 R >> эндобдж 3836 0 объект > / Ж 320 0 Р >> эндобдж 3837 0 объект > / Ж 322 0 Р >> эндобдж 3838 0 объект > / Ж 323 0 Р >> эндобдж 3839 0 объект > / Ж 324 0 Р >> эндобдж 3840 0 объектов > / Ж 325 0 Р >> эндобдж 3841 0 объект > / Ж 331 0 П >> эндобдж 3842 0 объект > / Ж 332 0 Р >> эндобдж 3843 0 объект > / Ж 337 0 Р >> эндобдж 3844 0 объект > / Ж 338 0 Р >> эндобдж 3845 0 объект > / Ж 339 0 Р >> эндобдж 3846 0 объект > / Ф 340 0 Р >> эндобдж 3847 0 объект > / Ф 351 0 Р >> эндобдж 3848 0 объект > / Ф 352 0 Р >> эндобдж 3849 0 объект > / Ф 353 0 Р >> эндобдж 3850 0 объект > / F 365 0 R >> эндобдж 3851 0 объект > / F 367 0 R >> эндобдж 3852 0 объект > / F 392 0 R >> эндобдж 3853 0 объект > / F 402 0 R >> эндобдж 3854 0 объект > / F 403 0 R >> эндобдж 3855 0 объект > / Ф 405 0 Р >> эндобдж 3856 0 объект > / Ф 410 0 Р >> эндобдж 3857 0 объект > / F 411 0 R >> эндобдж 3858 0 объект > / F 416 0 R >> эндобдж 3859 0 объект > / F 417 0 R >> эндобдж 3860 0 объект > / F 423 0 R >> эндобдж 3861 0 объект > / Ж 424 0 Р >> эндобдж 3862 0 объект > / F 425 0 R >> эндобдж 3863 0 объект > / Ж 426 0 Р >> эндобдж 3864 0 объект > / Ж 427 0 Р >> эндобдж 3865 0 объект > / Ж 428 0 Р >> эндобдж 3866 0 объект > / Ж 429 0 Р >> эндобдж 3867 0 объект > / Ж 430 0 Р >> эндобдж 3868 0 объект > / F 431 0 R >> эндобдж 3869 0 объект > / Ж 432 0 Р >> эндобдж 3870 0 объект > / F 471 0 R >> эндобдж 3871 0 объект > / Ж 472 0 Р >> эндобдж 3872 0 объект > эндобдж 4000 0 объект > ручей HVklU> f +! L! & bbwvaaNgGB (TZE @> vv>! Ѡ? o; B ɹ {wν;

Азбука Морзе — обзор

10.4.3 Безопасная интерферометрическая связь в свободном пространстве

Оптические сигналы в свободном пространстве использовались в области связи с древних времен. Примером относительно современной оптической связи является использование кода Морзе. В последнее время интерес к этой области вызвал появление множества лазерных оптических архитектур и подходов (Yu and Gregory, 1996; Boffi et al., 2000; Willebrand and Ghuman, 2001). Среди подходов, обеспечивающих безопасную связь, преобладает квантовая криптография (Jacobs and Franson, 1996).Здесь представлен и описан альтернативный подход к защите оптической связи в свободном пространстве, основанный на интерферометрической связи.

Для заданного набора геометрических параметров и длины волны N SLI дает уникальную интерферограмму, которая может быть сопоставлена ​​со своим теоретическим аналогом. Эта функция может быть использована в области оптической связи для выполнения защищенной связи в свободном пространстве. Оптическая архитектура N SLI, используемая для этого приложения, такая же, как описано ранее, с одной модификацией: расстояние от матрицы N с щелями ( j ) до цифрового детектора ( x ) может быть уменьшено. очень большие, и делаются поправки на то, что светоделитель, представляющий возможного нарушителя, может быть вставлен в оптический путь между j и x .Этот модифицированный N SLI с длинным путем показан на рис. 10.8.

Рисунок 10.8. N SLI, сконфигурированный с очень длинным трактом j x для интерферометрической связи.

Принцип работы довольно прост: любое оптическое искажение, вносимое в оптический путь между j и x , изменяет заданную интерферограмму, записанную с разрешением x . Таким образом, приемник с разрешением x немедленно обнаруживает присутствие злоумышленника или перехватчика на оптическом пути связи.Таким образом, интерферометрическая связь представляет собой простую альтернативу безопасной связи в свободном пространстве. Этот метод особенно подходит для обеспечения безопасной связи в космосе.

Как описано Duarte (2002), безопасная интерферометрическая связь с использованием N SLI основана на интерферометрическом алфавите, в котором буквенный знак, такой как a, , связан с определенной интерферограммой. Четыре возможных символа, соответствующих a, b, c, и z , показаны на рис.10.9. Здесь a представлен двумя прорезями, буква b — тремя прорезями, буква c — четырьмя прорезями и так далее. Щели имеют ширину 50 мкм и разделены на 50 мкм при λ = 632,82 нм. Безусловно, существует безграничный выбор буквенных символов.

Рисунок 10.9. Интерферометрический алфавит. (a) a , (b) b, (c) c , и (d) z .

[Перепечатано из Duarte (2002), авторское право 2002, с разрешения Elsevier].Copyright © 2002

Целостность передачи показана на рис. 10.10 для интерферометрического символа a. Для этого оптически гладкая поверхность со средней толщиной ~ 150 мкм вводится под углом на оптическом пути, чтобы вызвать отражение символа a. Следует отметить, что установка светоделителя перпендикулярно оптической оси не дает измеримых пространственных оптических искажений, за исключением уменьшения интенсивности на ~ 8%.

Рисунок 10.10. Последовательность перехвата интерферометрического символа a (подробности см. В тексте).

[Перепечатано из Duarte (2002), авторское право 2002, с разрешения Elsevier]. Авторское право © 2002

Угол падения интерферометрического символа на светоделитель был выбран близким к углу Брюстера, чтобы уменьшить потери при передаче. все еще может отражать измеримую часть сигнала. В последовательности измерений на рис. 10.10а показан неискаженный знак a. Серьезные искажения, изображенные на рис. 10.10b — 10.10d показывают эффект введения тонкого светоделителя в оптический путь. На рис. 10.10e изображен перехваченный интерферометрический знак a. Хотя серьезных искажений больше нет, тщательное изучение интерферограммы показывает уменьшение интенсивности сигнала на ~ 3,7% по сравнению с исходным характером, показанным на рис. 10.10a. Перехваченный сигнал также смещается примерно на 50 мкм в системе отсчета детектора из-за рефракции, индуцированной на светоделителе.Кроме того, имеется небольшой наклон в распределении интенсивности, определяемый по вторичным максимумам. Следовательно, сравнивая с исходным интерферометрическим символом или теоретически сгенерированным символом, можно сделать вывод, что целостность перехваченного символа a явно нарушена.

Хотя только что рассмотренные измерения были выполнены на коротких трассах распространения в лаборатории (0,1 м и 1 м), Дуарте (2002) также обсуждает распространение на большие расстояния.Используя интерферометрические расчеты, по формуле. (10.2) или (10.3) можно показать, что связь в свободном пространстве может осуществляться на больших длинах пути с использованием видимых длин волн и детектора, состоящего из нескольких мозаичных матриц фотодиодов. Один конкретный пример включает создание интерферометрического символа a с использованием двух щелей размером 1 мм, разделенных на 1 мм. Для λ = 632,82 нм такая компоновка дает интерферометрическое распределение, ограниченное в пределах 10 см для длины пути распространения 100 м.Интерферометрический знак z создается набором из 26 щелей по 1 мм, разделенных 1 мм. Для λ = 632,82 нм такая компоновка дает интерферометрическое распределение, ограниченное в пределах 14 см для длины пути распространения 100 м. Это может быть достигнуто с помощью двух серийных линейных фотодиодных матриц (каждая длиной 72 мм), соединенных вместе плиткой. Если размеры щелей увеличить до 3 мм при λ = 441,56 нм, интерферометрические символы могут быть распространены на расстояние 1000 м с использованием четырех таких мозаичных матриц фотодиодов (Duarte, 2002).

В рассматриваемых здесь примерах предполагается, что трасса распространения характеризуется единственной однородной средой распространения, такой как вакуум, между × и × . Одной из модификаций может быть введение неискаженного расширителя луча, такого как оптимизированный расширитель луча с несколькими призмами. В главе 4 было показано, что эти расширители могут легко обеспечить коэффициенты увеличения пучка M ≈ 100. Размещение такого расширителя пучка с несколькими призмами рядом с решеткой щелей значительно уменьшит расходимость пучка, тем самым снизив требования к размерам. цифровых детекторов.

При передаче интерферометрических знаков в открытом космосе в наземных средах необходимо учитывать характерную атмосферную турбулентность, присущую такой среде. Это, безусловно, снизит простоту метода. Этого все же можно достичь, отметив, что атмосферные искажения имеют стохастический характер по сравнению с систематическими искажениями, вносимыми оптическим перехватом.

С технологической точки зрения важно подчеркнуть использование лазеров TEM 00 с узкой шириной линии излучения, поскольку эта характеристика важна для обеспечения четко определенных интерферометрических характеристик, близких к их теоретическим аналогам.Символы можно было изменять в реальном времени либо с помощью перестраиваемого лазера (Duarte, 1999), либо путем включения прецизионных решеток с переменной щелью. Использование узкополосных фильтров может обеспечить передачу в дневное время.

Квантовая криптография обеспечивает безопасную оптическую связь, гарантированную принципом неопределенности, и было показано, что она применима на расстояниях в десятки километров (Jacobs and Franson, 1996). Интерферометрическая связь с использованием N SLI обеспечивает безопасность, используя принципы дифракции, преломления и отражения.Как обсуждалось в главе 2, все эти принципы берут начало в принципе вмешательства. Как указано в главе 3, сам принцип неопределенности может быть сформулирован на основе интерферометрических аргументов. Преимущества связи в свободном пространстве с использованием интерферометрических символов включают очень простую оптическую архитектуру и использование относительно мощных лазеров с узкой шириной линии, хотя, в принципе, этот метод также применим и к однофотонному излучению.

Микроволновое излучение сверхпроводящих вихрей в сверхрешетках Mo / Si

На рисунке 4 показаны пики излучения при \ (f_0 ^ {(2)} = 10.{(1)} = 19,96 \) ГГц при H = 4,2 Тл (б) для скорости вихря v , равной 100 м с −1 и ряда температур. Во всех случаях форма линии пика может быть хорошо подогнана к лоренцеву, что позволяет нам ввести ширину линии Δ f . Большее отклонение от лоренциана наблюдается при 3,6 и 3,15 Тл на рис. 4a, где для сравнения добавлен гауссиан, и экспериментальные данные находятся между этими двумя соответствиями. Отметим, что эволюция формы линии ЭМ излучения от лоренцевой к гауссовой, как известно, происходит в джозефсоновских контактах с повышением температуры 34 .{(1,2)} \) при 3,15 Тл (треугольники) и 4,2 Тл (кружки)

Эволюция согласованного минимума на кривой R ( T ) при Тл = 3,6 К до нуля -сопротивление при T = 1,8 K на рис. 3c может быть понято с помощью кроссовера размерности сверхпроводимости, происходящего в сверхрешетке Mo / Si, как следует из фазовой диаграммы H T , показанной на рис. {|| c} (0) = 7.2 \ приблизительно 3,60 \) K, ниже которого система ведет себя в 2D-режиме и демонстрирует трехмерное поведение при T > T * . Увеличение размера ядра вихря с ростом температуры ≃2 ξ c ( T ) показано на рис. 5б в сравнении с толщиной слоя Si d Si и многослойный период с . В качестве краткого изложения Дополнительного примечания 2, посвященного кроссоверу размерности сверхпроводимости с повышением температуры, полуколичественная зависимость размера ядра вихря от толщины слоя Si и периода многослойности показана в верхней части спектров на рис.2. В частности, при 1,8 К, являющейся самой низкой температурой, доступной в нашем эксперименте, ядро ​​вихря 2 ξ c (1,8 К) ≈ d Si = 28 Å в значительной степени входит в изолирующие слои. , тем самым позволяя слоям Mo оставаться сверхпроводящими до очень высоких полей 39,40 . При 3 К ядро ​​вихря 2 ξ c (3 К) ≈ с ≈ 50 Å становится сопоставимым с периодом многослойности. Несмотря на то, что некоторая часть вихрей проникает в слои Mo, существуют области полей, в которых собственная энергия пиннинга E p больше, чем упругая энергия сдвиговой деформации вихревой решетки E el , что объясняет наличие достаточно широкого минимума сопротивления в окрестности согласующих полей.При 3,6 К ядра вихрей становятся заметно больше, чем период многослойности, а именно 2 ξ c (3,6 К)> 70 Å, так что собственный потенциал удержания сглаживается по мере того, как ядро ​​вихря простирается на более чем один многослойный период. В этом случае сверхрешетка больше не ощущается вихрем как слоистая структура, а движение вихрей происходит в некоторой эффективной сплошной среде. Соответственно, согласованный минимум при 3,15 Тл становится неглубоким при 3.\ ast} \ right) = s {\ mathrm {/}} \ sqrt 2 \). b Температурная зависимость размера ядра вихря ≃2 ξ c с различными режимами, определяемыми соотношением ξ c и периодом многослойности с . Большие кружки показывают температуру, при которой были получены спектры излучения на рис. 2.

Отношение размера ядра вихря ~ 2 ξ ( T ) к d Si и s , как обсуждалось выше, позволяет следующее объяснение различий в спектрах микроволнового излучения на рис.{(1,2)} \) предполагает, что период стиральной доски дней (2) = 100 Å участвует во всех спектрах при 3,15 Тл, в то время как другой период стиральной доски дней (1) = 50 Å участвует во всех спектрах при 4,2 Тл. Кроме того, рис. 6c, d напоминают интерференционные картины (которые будут обсуждаться ниже), что заставляет нас предположить, что излучения, связанные с обоими периодами d (1) и d (2) задействованы при 3,15 Тл при 1,8 и 3 К.

Рис.6

Интенсивность высших гармоник СВЧ-излучения. Нормированная мощность излучения P м как функция номера гармоник м для скорости вихря v = 75 м с −1 . Предполагаемая суперпозиция излучения ЭМ-волны, связанная с расстоянием 100 Å между вихревыми рядами ( a ) и периодической слоистой структурой 50 Å ( b ), используется для объяснения модификации спектра в c , d. .В спектре при 3 К ( e ) наблюдается более сильное затухание высших гармоник по сравнению с 1,8 К ( b ). Символы: P m значений, выведенных из спектров на рис. 2. Сплошные линии соответствуют, как показано. Планки погрешностей отображают удвоенное стандартное отклонение, охватывающее около 95% данных.

В общем, возможные источники электромагнитной эмиссии в нашем образце: (i) его передняя поверхность, (ii) задняя поверхность и (iii) внутренние сверхпроводящие / изолирующие интерфейсы. .{- 1/2} \), задаваемый формулой. (A13) из исх. 41 , где ρ 0 — удельное сопротивление чуть выше T c , мы получаем 740 нм в качестве оценки глубины проникновения при нулевой температуре в нашем образце. Для компоненты поля в плоскости это дает λ ab (0) = 325 нм с λ ab (1,8 K) = 900 нм, λ ab ( 3 K) = 1,25 мкм, а λ ab (3.6 K) = 1.9 мкм, т.е. глубина проникновения в 3–8 раз больше толщины многослойной пленки, составляющей 250 нм. Это означает, что в принципе ЭМ-волны могут распространяться через весь образец, и мы не можем исключить интерференцию излучения от передней поверхности образца с излучением, исходящим от его задней поверхности, а также от собственных сверхпроводящих / изолирующих слоев. К сожалению, существующие теории 27,28 не предсказывают вклады источников (ii) и (iii) в нашу экспериментальную систему.В то же время на основании наших экспериментальных данных мы не можем судить, дают ли и насколько большие вклады в зарегистрированные спектры источники (ii) и (iii). Теория, включающая соответствующие граничные и периодические условия того, возникает ли и как это излучение возникает и распространяется через многослойный слой, еще предстоит разработать. В то же время качественное объяснение присутствия ЭМ-излучения, связанного с периодом стиральной доски 50 Å при 3,15 Тл, 1,8 и 3 К, может быть предложено на основе внутренней периодичности 50 Å самого мультислоя.{(2)} \ sqrt 3 {\ mathrm {/}} 2 \) перераспределение сверхтоков между слоями, занятыми вихрями, и слоями без вихрей характеризуется уменьшенным вдвое периодом стиральной доски d (2) / 2 = с . Следовательно, перераспределение сверхтоков с удвоенной частотой сосуществует с частотой пересечения поверхности при 3,15 Тл при более низких температурах. Напротив, когда ядра вихрей становятся больше, чем период многослойности, исчезает удвоенный частотный вклад при 3.{} \) T. Наконец, когда ядра вихрей становятся больше, чем d Si (и особенно больше s ), смягчение пространственного профиля параметра порядка приводит к тому, что излучение, связанное с величиной 100 Å. Период стиральной доски начинает преобладать в эмиссии, связанной с многослойной периодичностью 50 Å, рис. 2д.

Чтобы подтвердить предположение, что в общем случае излучение может быть представлено как суперпозиция излучений, связанных с периодом 100 Å и 50 Å, на рис.{(2)} \) со сплошными и светлыми кружками соответственно. Нормированная мощность P м излучаемых гармоник как функция номера гармоник м показана на рис. 6. Отметим, что P м ( м ) следует за экспоненциальный спад для предполагаемого доминирующего излучения, связанного с периодическим интервалом вихревых рядов 100 Å на рис. 6а, а также для предполагаемого доминирующего излучения, связанного с периодической сверхрешеткой 50 Å на рис.6б, д. Напротив, модели P m ( m ) при 3,15 Тл и более низких температурах немонотонны, рис. 6c, d. Отметим, что затухание высших гармоник по закону ~ 1 / ( м 2 — 1), что является очень хорошим приближением к экспоненциально затухающей аппроксимации для м ≤ 2, наблюдалось для генерации гармоник при передача микроволн через гранулированные тонкие пленки YBCO в присутствии переменного тока магнитного поля 42 .Интересно, что затухание высших гармоник в ответе электрического поля в сверхпроводниках с потенциалом закрепления стиральной доски в присутствии комбинации постоянного и переменного токов, как было предсказано, будет соответствовать огибающей модифицированных функций Бесселя 43 . Благодаря математической аналогии уравнения движения Ланжевена вихря Абрикосова с уравнением для изменения фазы в контакте Джозефсона, амплитуда микроволнового шага Шапиро подчиняется тому же закону в зависимости от микроволнового напряжения в малых переходах 44 .

Если теперь рассматривать экспоненциально затухающие кривые на рис. 6a, b как функции, охватывающие гармонические функции с периодом p = м для излучения, связанного с периодической шкалой длин 100 Å на (a) и p = 2 м для шкалы длины с периодом 50 Å на (b), узор P м на панели (c) соответствует наложению весовых функций 0,32 / 0,68 с панелей (a) и (b), в то время как хорошее соответствие для P м на панели (d) найдено для суперпозиции 0.69 / 0,31-взвешенных функций из панелей (a) и (b), доступных в исходных данных. Это позволяет рассматривать зависимости P m ( m ) на панелях (c) и (d) как биения f 0 — и 2 f 0 -волны, что предполагает, что периоды 50 и 100 Å дают вклад в противофазу в результирующем спектре. В частности, предполагаемые противофазные вклады волн f 0 и 2 f 0 позволяют объяснить отсутствие пиков на м = 3, 5 при T = 1.{(2)} \) с одновременным ростом четных при понижении температуры видно на рис. 3г. Таким образом, подходящий выбор температуры позволяет частотно-избирательную генерацию ЭМ-волн, возникающих из высокотемпературного спектра, содержащего серию экспоненциально затухающих высших гармоник в промежуточном температурном спектре, причем высшие гармоники подчиняются более сложному закону, связанному с биениями. к низкотемпературному спектру, в котором отсутствуют высшие нечетные гармоники.Кроме того, более быстрое затухание P m при 3 K на рис. 6d по сравнению с 1,8 K на рис. 6b можно отнести к смягчению пространственного профиля параметра порядка, преобразование Фурье которого содержит меньшее число высших гармоник. Наконец, сильно подавленное ЭМ-излучение при скоростях вихря <5 м с −1 может указывать на то, что типичное время t = 1/ f = Δ d / v ≳ 1 × 10 −11 s восстановления сверхпроводящего конденсата при пересечении вихрями края (Δ d ~ 5 Å) сверхпроводящего слоя становится значительно больше времени релаксации квазичастиц в исследуемой системе.Это означает, что изменение магнитной индукции по мере того, как вихри уходят и входят в сверхпроводящие слои, происходит адиабатически, что может объяснить отсутствие излучения в этом квазистатическом режиме.

Эффективность преобразования энергии постоянного тока в микроволновую в исследуемой системе в настоящее время очень низка. Действительно, если мы введем параметр эффективности преобразования κ = P мВт / P dc , где P dc и P мВт — это подаваемая и обнаруженная микроволновая мощность, соответственно. , получаем κ ≃ 10 −7 для v = 100 мс −1 при 3.15 Тл и 3 К. Для сравнения, генераторы ТГц диапазона на одиночных джозефсоновских переходах обычно имеют κ ≃ 10 −5 −10 −3 , тогда как для стопок джозефсоновских переходов, связанных с резонатором, эффективность преобразования может достигать несколько десятков процентов 5,13,45 . Соответственно, необходимо разработать подходы к повышению эффективности преобразования в исследуемой системе. Для одночастотной или дискретной генерации следует учитывать связь системы с резонатором.Для работы в режиме перестраиваемой частоты усилия могут быть направлены на формирование квадратной вихревой решетки, которая, как ожидается, будет более эффективным ЭМ-излучателем по сравнению с (сжатой) треугольной вихревой решеткой 46 .

Как следствие для сверхпроводящих приложений, которое можно сделать из нашего исследования, многослойные сверхпроводники / изоляторы обладают потенциалом для использования в качестве генераторов на кристалле. Их частота излучения f m = mf 0 = mv / d с d = с (или d = 2 с , в зависимости от магнитного поля значение) можно контролировать через падение напряжения, связанное со скоростью вихря v , и непрерывно настраивать с помощью транспортного тока, который является параметром возбуждения, через соотношение v = 109.5 ( I / I * — 1) м с -1 . Планшетная компоновка сверхрешеток Mo / Si позволяет интегрировать их на кристалле с другими флюксонными устройствами, такими как диоды 47 , микроволновые фильтры 48 и транзисторы 49 , работающие с вихрями Абрикосова, а также с квантовыми устройствами, использующими Джозефсоновские вихри как строительные блоки для когерентной генерации терагерцового диапазона 5 и кубиты для квантовых вычислений 50 .

Итак, мы наблюдали микроволновое излучение решетки абрикосовских вихрей, движущихся через слои в сверхрешетке Mo / Si.{(2)} \), связанный с расстоянием между рядами вихрей в направлении движения. Спектр излучения можно точно настроить с помощью постоянного тока смещения и, грубо, путем переключения магнитного поля в плоскости между согласованными значениями. Кроме того, мы обнаружили, что спектр излучения изменяется в зависимости от температуры, так что нечетные гармоники частоты стиральной доски, связанные с расстоянием между вихревыми рядами, могут быть почти полностью подавлены путем выбора поля согласования, при котором вихревая решетка закреплены во всех соседних изоляционных слоях при более низких температурах.В целом, наши результаты показывают, что сверхрешетки сверхпроводник / изолятор могут действовать как перестраиваемые по постоянному току микроволновые генераторы, перекрывая частотный разрыв между обычными радиочастотными генераторами и (суб) терагерцовыми генераторами, основанными на эффекте Джозефсона.

Датчики | Бесплатный полнотекстовый | Новые конфигурации ультравысокочастотного (≤600 МГц) аналогового интерфейса для ультразвуковых измерений с высоким разрешением

Генератор моноцикльных импульсов состоял из схемы формирования импульсов [19] и усилителя, использующего технологию радиочастотного латерально рассеиваемого металлооксидного полупроводника (RF LDMOS).На рисунке 1a показана схема, а на рисунке 1b изображен выходной сигнал каждого каскада от A до F. Схема формирования импульсов включала в себя схему синхронизации (R 2 , C 3 ), конденсатор ускорения (C 2 ). ), и переключающий биполярный транзистор (BJT1). Когда на входной порт был получен одиночный прямоугольный униполярный импульсный импульсный сигнал 5 В, напряжение на базе BJT2 (NE46100, California Eastern Laboratories, Санта-Клара, Калифорния, США) достигло порогового уровня для включения.Для повышения резкости фронтов генерируемого импульса перед основанием BJT2 был установлен конденсатор ускорения C 2 . У большинства транзисторов было время задержки при включении и время хранения при выключении. Эти два параметра можно отрегулировать, чтобы минимизировать время перехода BJT2 и, в конечном итоге, ширину импульса. Время хранения зависело от количества тока, подаваемого в базу BJT2, и дополнительного тока для поддержания состояния насыщения. Время задержки можно сократить, быстро опустошив базовый ток с сильным обратным смещением.Сеть R 1 и C 2 достигла этой цели. Во время повышения напряжения R 1 был закорочен на C 2 , что минимизировало время достижения 5 В за счет подачи тока на базу BJT2 и уменьшения тока питания для удержания напряжения. Затем C 2 был закорочен во время спада входного сигнала. Значения R 1 и C 2 были установлены на 100 Ом и 47 пФ, предполагая, что время нарастания должно быть как минимум в два раза быстрее, чем заданная выходная частота 100 МГц.Между тем, когда импульс запуска был подан на вход A (рис. 1b), конденсатор в цепи синхронизации (C 3 ) начал заряжаться. Как только напряжение на C 3 приблизилось к пороговому напряжению для включения BJT1 (NE46100, California Eastern Laboratories, Санта-Клара, Калифорния, США), BJT1 отводил ток из точки C (Рисунок 1b) на землю, и BJT2 был отключен. выключенный. Следовательно, комбинация схемы синхронизации и конденсатора ускорения позволила генерировать короткий импульс из низкочастотного триггерного сигнала.Время включения BJT1 зависело от константы RC, показанной в уравнении ниже, и им можно было управлять, изменяя значение сопротивления R 2 [20].

UC3 = UB · (1 − e − время R2 · C3)

(1)

где U C3 — базовое напряжение, U B — напряжение в точке B (рисунок 1b), а время — время включения BJT1. Значения R 2 и C 3 для генерации выходного импульса на частотах более 100 МГц составляли 500 Ом и 4 пФ. Следующим этапом предлагаемого генератора импульсов был усилитель, использующий РЧ LDMOS, который имеет узкую длину канала и большую мощность. легированная область n-типа для получения высокого выходного тока и минимального сопротивления в открытом состоянии [21].На выходе схемы формирования импульсов в точке D (рис. 1b) был импульс с отрицательным пиком напряжения, который включал MOSFET1 (BLF571, NXP Semiconductors, Эйндховен, Нидерланды). Выходная частота усилителя мощности с общим источником была настроена путем установки L 1 и C 5 на 27 нГн и 47 пФ для импульсного выхода 100 МГц, 27 нГн и 10 пФ для импульсного выхода 200 МГц, 25 нГн и 10 пФ для импульсного выхода 300 МГц и 3 нГн и 9 пФ для импульсного выхода 500 МГц соответственно.Выходной импеданс усилителя был согласован с 50 Ом путем включения резистора 50 Ом параллельно.

Микроволновое и радиочастотное излучение

После Второй мировой войны в телекоммуникационной и других отраслях промышленности произошло много значительных технологических достижений. Одним из них является более широкое использование радиочастотного, то есть микроволнового и радиоволнового оборудования. Такое оборудование широко используется в сфере радиовещания и связи в виде сотовых телефонов и вышек; в сфере здравоохранения для лечения; в пищевой промышленности для обработки и приготовления пищи; в деревообрабатывающей, текстильной и стекловолоконной промышленности для сушки материалов; а также в автомобильной, электротехнической, резиновой и пластмассовой промышленности для операций плавления и герметизации.

По оценкам Национального института безопасности и гигиены труда (NIOSH), миллионы американских рабочих работают с оборудованием радиочастотного излучения и подвергаются его воздействию. Члены CWA, которые подвергаются воздействию радиочастотного излучения, включают технических специалистов по обслуживанию микроволновых и радиоволновых систем электросвязи, а также техников, работающих вне предприятия, операторов компьютеров (электронно-лучевых трубок), сотрудников, которые используют микроволновые печи на работе, операторов оборудования для радиочастотного излучения, рабочих на производстве и работников здравоохранения. работники по уходу, которые контактируют с медицинским оборудованием для диатермии или работают с ним.

Радиочастота, то есть микроволновое и радиоволновое излучение, представляет собой особый компонент электромагнитного спектра. Радиочастотное излучение находится в неионизирующей части спектра. Неионизирующее излучение включает более низкие частоты в электромагнитном спектре, такие как ультрафиолетовый и видимый свет, инфракрасный, микроволновый и радиоволны (см. Таблицу I).

Электромагнитное излучение состоит из колеблющейся электрической и магнитной энергии или полей, движущихся в пространстве.Например, электрический ток в цепи передатчика создает электрические и магнитные поля в области вокруг себя. По мере того как электрический ток движется вперед и назад, поля продолжают нарастать и разрушаться, образуя электромагнитное излучение. Это электромагнитное излучение характеризуется длиной волны и частотой вибрации.

Микроволновое и радиоволновое излучение можно отнести к категории непрерывных волн

(например, оборудование связи), прерывистый (микроволновые печи, медицинское оборудование для диатермии и радиочастотное оборудование) или импульсный режим (радиолокационные системы).При попадании на объект микроволновое и радиочастотное излучение может передаваться, отражаться или поглощаться.

При измерении эмиссии радиочастотного излучения мощность источника следует измерять по напряженности поля. Интенсивность следует измерять в единицах плотности мощности. Плотность мощности — это количество энергии, переносимой радиочастотным, то есть микроволновым или радиоволновым излучением, которое каждую секунду проходит через квадратную меру пространства. Энергия, переносимая микроволновым и радиоволновым излучением, выражается в милливаттах на квадратный сантиметр (мВт / см (2) = 1/1000 ватта) или микроваттах на квадратный сантиметр (мкВт / см (2) = 1/1000 от милливатт).

Влияние на здоровье

Различные виды излучения по-разному воздействуют на человеческий организм. Например, ионизирующее излучение, которое содержит огромное количество энергии и проникающей способности, вызовет изменения в молекулярной системе организма. С другой стороны, как уже отмечалось, неионизирующее излучение работает на гораздо более низких частотах и ​​не считается таким вредным для человеческого организма, как ионизирующее излучение. Тип излучения, которому наиболее часто подвергаются члены CWA, — это неионизирующее излучение, например.g., радиочастота, т. е. микроволновое и радиоволны, излучение.

Однако известно, что воздействие неионизирующего радиочастотного излучения может вызывать серьезные биологические эффекты. Когда высокочастотное радиочастотное излучение, то есть микроволновое излучение, проникает в тело, облученные молекулы перемещаются и сталкиваются друг с другом, вызывая трение и, таким образом, тепло. Это называется тепловым эффектом. Если излучение достаточно мощное, ткань или кожа нагреваются или обжигаются.Такое воздействие на здоровье может быть или не быть обратимым, в зависимости от конкретной ткани или органа, которые подвергаются воздействию, интенсивности излучения, частоты и продолжительности воздействия, температуры и влажности окружающей среды, а также эффективности рассеивания тепла организмом.

В настоящее время накоплен значительный объем научных данных, устанавливающих отрицательные последствия для здоровья, связанные с микроволновым излучением. Например, было продемонстрировано, что микроволновое излучение может вызвать повреждение глаз и яичек.Эти органы очень уязвимы для радиационного поражения, потому что в них мало кровеносных сосудов. Следовательно, они не могут циркулировать кровь и рассеивать тепло от излучения так же эффективно, как другие органы.

Еще одна проблема для здоровья связана с повреждением глаз. Например, несколько научных исследований показали, что катаракта у людей и лабораторных животных возникла в результате интенсивного нагрева высокочастотным микроволновым излучением. Такие данные показали, что особенно важным фактором, определяющим причину катаракты, вызванной микроволновым излучением, являются временные интервалы между воздействиями, т.е.е. считается, что увеличенные интервалы времени между воздействиями дают восстановительным или защитным механизмам организма больше возможностей для ограничения повреждения линзы глаза.

Как уже отмечалось, микроволновое излучение может также вызвать повреждение мужских семенников / репродуктивных органов. В частности, ученые продемонстрировали, что воздействие микроволнового излучения может привести к частичному или постоянному бесплодию. Кроме того, некоторые научные данные предполагают аналогичные эффекты, связанные с воздействием микроволн и проблемами репродуктивной системы женщин.Кроме того, в научной литературе указывается на взаимосвязь между воздействием микроволнового излучения и врожденными дефектами, такими как монголизм (синдром Дауна) и повреждением центральной нервной системы.

Воздействие радиоволнового излучения может привести к нетепловой реакции, которая вызывает такие же молекулярные взаимодействия, как и при тепловом эффекте, но без нагревания пораженной ткани или органа. Место поглощения энергии зависит от частоты, то есть воздействие низкочастотного неионизирующего радиочастотного излучения (теоретически) проникает через кожу и вызывает молекулярные взаимодействия, подобные тем, которые вызываются высокочастотным радиочастотным излучением.Такая нетепловая реакция усложняется тем, что система предупреждения о перегреве тела может не обеспечивать защиты, поскольку энергия поглощается в местах ниже нервов.

Очевидно, что обзор медицинской и научной литературы указывает на огромную потребность в дополнительных научных исследованиях. Такие исследования должны быть сосредоточены на влиянии микроволнового и радиоволнового излучения на человека. Особое внимание следует уделять длительному воздействию низкоуровневых биологических эффектов микроволнового и радиоволнового излучения.Такие исследования особенно важны для более точного определения вопроса о воздействии потенциально вредного микроволнового и радиоволнового излучения от микроволновых и радиоволновых передатчиков, а также о воздействии на здоровье человека.

Дополнительной проблемой для здоровья при работе с радиочастотным оборудованием является поражение электрическим током. Это может произойти, когда в ненормальных условиях оператор стоит в воде и контактирует с цепью высокочастотного генератора.

Управление опасностями

Работодатели должны обеспечить работникам, потенциально подвергающимся микроволновому и радиоволновому излучению, безопасное и здоровое рабочее место. Это означает, что работодатели должны внедрять технические средства контроля для минимизации или устранения потенциального воздействия, проводить всестороннее обучение потенциально опасным условиям труда и внедрять программы медицинского наблюдения.

Наиболее эффективным способом устранения и / или минимизации профессионального воздействия радиочастотного микроволнового и радиоволнового излучения является использование технических средств контроля.Например, источник потенциальной проблемы, т. Е. Излучающее излучение оборудование, должно быть закрыто или эффективно экранировано, или работник должен быть отделен от источника. Это требование одинаково важно для всех рабочих, подвергающихся воздействию микроволнового и радиоволнового излучения. Если технический контроль не может быть реализован, следует предоставить и использовать средства индивидуальной защиты, такие как защитная одежда и очки.

Кроме того, работодатели должны проводить комплексное обучение потенциально опасным условиям труда.Такая программа может состоять из письменных и / или аудио / визуальных материалов, в которых подробно описываются потенциальные опасности для безопасности и здоровья, последствия воздействия для здоровья, методы контроля, процедуры первой помощи, использование предупреждающих знаков и этикеток, а также определение зон ограниченного доступа. .

Работодатели должны также внедрить программы медицинского наблюдения, которые обеспечили бы рабочие регулярные медицинские осмотры, специфичные для любых биологических эффектов, возникающих в результате профессионального радиочастотного облучения.Потенциальные преимущества медицинского наблюдения будут включать: оценку физической пригодности сотрудников для безопасного выполнения работы (состоящую из медицинского и профессионального анамнеза, а также физикального обследования), биологический мониторинг воздействия определенного агента и раннее обнаружение любого биологические повреждения или последствия. Кроме того, задокументированные последствия для здоровья позволят работнику и его / его врачу сделать обоснованные выводы о дальнейшем воздействии.

Стандарт OSHA

Стандарт OSHA для электромагнитного излучения (который не распространяется на низкочастотное радиочастотное микроволновое или радиоволновое излучение) составляет 10 мВт / см (2) (милливатт на квадратный сантиметр) как среднее значение по любому возможному 0.Период 1 час. Это означает следующее:

Плотность мощности: 10 мВт / см (2) (милливатт-час на квадратный сантиметр) в течение 0,1 часа или более.

Плотность энергии: 1 мВт / см (2) (милливатт-час на квадратный сантиметр) в течение любого периода 0,1 часа.

Стандарт основан на исследовании, проведенном в 1953 году, по изучению порога термического (теплового) повреждения тканей. (В частности, количество радиации, которое может вызвать развитие катаракты). Плотность мощности, необходимая для образования катаракты, составляла приблизительно 100 мВт / см (2), к которой применялся коэффициент безопасности 10.Таким образом, был установлен максимально допустимый уровень 10 мВт / см (2).

К сожалению, как уже отмечалось, стандарт OSHA не распространяется на низкочастотное радиочастотное микроволновое и радиоволновое излучение. Таким образом, учитывая обеспокоенность участвующих ученых и практиков, три неправительственные организации, например, Американский национальный институт стандартов (ANSI) и Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE), а также Национальный совет по радиационной защите и измерениям ( NCRP), разработала и выпустила два различных добровольных руководства по радиочастотному микроволновому и радиоволновому излучению.В свою очередь, в 1996 году Федеральная комиссия по связи перевела эти добровольные руководящие принципы в рекомендуемые критерии воздействия (см. Таблицу II).

Что ты умеешь?

Все члены CWA должны убедиться, что их работодатель поддерживает безопасные и здоровые условия труда. Ключом к обеспечению безопасности на рабочем месте для всех членов CWA являются сильные и активные местные комитеты по безопасности и охране здоровья. Комитет может определить опасные условия на рабочем месте и обсудить их с руководством.Если работодатель отказывается сотрудничать, комитет может запросить проверку OSHA. Комитет всегда должен координировать свою деятельность через местных должностных лиц, представителей CWA и согласованные комитеты по безопасности и гигиене труда. Кроме того, члены CWA могут получить информацию и помощь по телефону:

CWA Департамент охраны труда и здоровья
501 Third Street, N.W.
Вашингтон, округ Колумбия 20001-2797
Веб-страница: www.cwasafetyandhealth.org
Телефон: (202) 434-1160.

Разработан в 1981 году и пересмотрен в 1991, 1993, 1994, 2000, 2002, 2004, 2009, 2013 и 2017 годах.


Посмотреть все информационные бюллетени о здоровье и безопасности CWA

.
Схем

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *