CH625086A5 - Device for tuning the resonant frequency of resonators - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Abstimmung der Resonanzfrequenz von Resonatoren zwecks Anpassung an die Frequenz des Speisegenerators.
Eine Resonatorschaltung enthält stets einen induktiven und einen kapazitiven Widerstand, so dass sie bei einer bestimmten Frequenz in Resonanz bringbar ist, Diese Resonanz tritt beispielsweise in eine Parallelresonatorschaltung dann auf, wenn der induktive Widerstand seinen (frequenzabhängigen) Maximalwert erreicht, während sie bei einer Serieresonatorschaltung dann auftritt, wenn der induktive Widerstand seinen Minimalwert erreicht.
Hohlraum- oder Koaxialleiter-Resonatoren besitzen induktive und kapazitive Widerstände, deren Werte von den Dimensionen des Resonators abhängig sind. Ein solcher Resonator kann durch Anpassung seines Volumens oder seiner Höhe auf eine bestimmte Frequenz abgestimmt werden. Es ist indessen schwierig, einen einstellbaren Resonator mechanisch so zu gestalten, dass sein Volumen oder seine Höhe zwecks Abstimmung auf die Resonanzfrequenz änderbar ist. Dagegen zeigte es sich, dass es möglich ist, die Resonanzfrequenz eines Resonators elektrisch zu beeinflussen, indem z.B. ein ferromagneti-sches Material dort in den Resonator eingesetzt wird, wo das Magnetfeld am stärksten ist. Dies bewirkt ein Ansteigen des induktiven Widerstandes. Durch das Ansteigen des induktiven Widerstandes wird die Resonanzfrequenz des Resonators so beeinflusst, dass das Volumen oder die Höhe des Resonators reduziert werden müsste, wenn er die gleiche Resonanzfrequenz besitzen sollte wie vor dem Einführen des ferromagnetischen Materials. Eine Reduktion des Volumens des Resonatorgehäuses ist oft vorteilhaft, wenn z.B. der Resonator in eine Maschine einzubauen ist, wo nur wenig Platz zur Verfügung steht
Es ist bekannt, Resonatoren des obenerwähnten Typs in Verbindung mit Siegeleinrichtungen zur Verarbeitung von dünnem Verpackungsmaterial in Verpackungsmaschinen zu verwenden, wie dies z.B. in der pendenten schwedischen Patentanmeldung Nr. 6722/72 beschrieben ist. Es zeigte sich, dass durch die Verwendung eines Resonators eine scharf konzentrierte Wärmestrahlung in Materialien erzielbar ist, welche ihrerseits Isoliermaterialien sind, und zwar durch Erzeugung dielektrischer Verluste im Material, wenn dieses einem hochfrequenten elektrischen Feld ausgesetzt wird.
In bekannten Resonatoranordnungen, und besonders in solchen, die in Siegelanordnung zur Verarbeitung von Verpak-kungslaminaten mittels Wärme verwendet werden, die mit Hilfe von Resonatoren im Laminat selbst erzeugt wird, zeigen sich nun Schwierigkeiten, die sich aus Laminat-Eigenschaften wie variierende Dicke, Feuchtigkeit, Plastifizierbarkeit usw. ergeben. Solche variierende Eigenschaften beeinflussen die Resonanzfrequenz in einer Siegelanordnung, so dass sich die Arbeitsbedingungen ändern, weil die geometrischen Parameter des Resonators nicht entsprechend anpassbar sind. Weil der den Resonator speisende Generator normalerweise mit konstanter Frequenz arbeitet, bedeutet dies, dass bei Änderung der Resonanzfrequenz der Resonator ausser Resonanzbetrieb fällt und demgemäss die im Verpackungsmaterial erzeugte Wärme nicht ihren Maximalwert erreicht. Wenn die Resonanzfrequenz zu stark abweicht, kann die erzielbare Wärmeentwicklung nicht mehr ausreichen, um eine annehmbare Versiegelung herzustellen.
Ein anderer Aspekt besteht darin, dass eine Änderung der Resonanzfrequenz des Resonators, z.B. bei der Verwendung von Verpackungsmaterial grösserer Dicke, auch die Generatorfrequenz beeinflussen kann. Weil die Generatorfrequenz in der Grössenordnung bei 400-500 MHz (im speziellen Fall bei 433.43 MHz) liegt und innerhalb von etwa ±0,2% stabil sein sollte, ist es wichtig, dass der Resoantor der Siegelanordnung die Generatorfrequenz nicht beeinflusst und sie aus ihrem Nennarbeitsbereich steuert.
Es ist somit notwendig, dass entweder die Frequenz des speisenden Generators oder die Resonanzfrequenz des Resonators so einstellbar ist, dass der Resonator stets im Resonanzfrequenzbereich arbeitet. Weil indessen der Generator vorzugsweise mit konstanter Frequenz arbeitet, muss der Resonator so abstimmbar sein, dass er jederzeit auf seiner Resonanz-
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frequenz arbeitet. führt zu so grossen dielektrischen Verlusten in einer oder meh-
Die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe ergibt sich reren der Laminatschichten des laminierten Materials 9, dass aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1. Aus- die in diesem vorhandenen Thermoplastschichten zum Schmel-führungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes sind nächste- zen gebracht werden und zusammenverschweissen, wobei sich hend anhand der Zeichnung beispielsweise beschrieben. In die- s enge Siegelzonen 15 bilden, in welchen das Laminatmaterial ser zeigt: mechanisch einwandfrei miteinander verbunden ist.
Fig. 1 im Schnitt eine bekannte Anordnung zum Versiegeln Um in kurzer Zeit eine genügend grosse Wärmemenge im von Kunststofflaminaten, mit einem Resonator, laminierten Material zu erzeugen, ist ein hochfrequentes elek-
Fig. 2 einen Schnitt durch einen mit ferromagnetischen Ein- trisches Feld erforderlich. Bis heute muss in vielen Fällen die Sätzen versehenen Resonator, und io Höhe h relativ gross gewählt werden, was sich besonders bei
Fig. 3 die Magnetisierungskurve für ein ferromagnetisches Anordnungen als nachteilig erweist, die in automatische VerMaterial, während die packungsmaschinen eingebaut werden sollen.
Fig. 4-9 drei unterschiedliche Ausführungsformen eines Diese relativ grosse Höhe des Resonators kann gegenüber
Resonators mit Wicklungen zum Vormagnetisieren des in den der Darstellung nach Fig. 1 wesentlich reduziert werden, wenn Resonators eingesetzten ferromagnetischen Materials zeigen. 15 der Resonator in Übereinstimmung mit Fig. 2 mit Einsätzen 15
Aus der schwedischen Patentanmeldung Nr. 6722/72 ist es aus einem ferromagnetischen Material, vorzugsweise einem bekannt, dass ein Resonator zur Erzeugung von Wärme Ferrit, versehen werden. Durch einen solchen Einsatz 15 aus zwecks Siegeins von Verpackungsmaterial verwendbar ist. Wie ferromagnetischem Material kann der induktive Widerstand bereits erwähnt ist es als schwierig erkannt worden, die Reso- des Resonators wesentlich erhöht werden. Wenn er nun dort nanzfrequenz eines solchen Resonators auf die Frequenz des 20 angeordnet wird, wo das «H-Feld», d. h. das magnetische Feld Speisegenerators abzustimmen. Dies vor allem, weil das beim am stärksten ist, so wirkt sich der ferromagnetische Einsatz so Siegeln miteinander zu verbindende Material in einem gewis- auf den induktiven Widerstand und damit die Resonanzfre-sen Umfang die Resonanzfrequenz der Anordnung beeinflusst. quenz des Resonators aus, dass die Höhe h des Resonators Ein Resonator nach Fig. 1 arbeitet daher nicht ständig unter reduziert werden muss, wenn die Resonanzfrequenz wieder mit Abgabe der maximalen Ausgangsleistung, was zur Folge haben 25 der Frequenz des Speisegeneraotrs übereinstimmen soll. Es ist kann, dass die Ausgangsleistung für eine einwandfreie Siege- somit möglich, auf diese Weise eine niedrigere Einbauhöhle für lung zu klein werden kann. Darüber hinaus besitzt die Anord- den Resonator zu erzielen. Ein weiterer Vorteil, auf den früher nung nach Fig. 1 den Nachteil, dass das Resonatorgehäuse rela- bereits hingeweisen wurde und der das wesentliche Ziel der tiv hoch ist. Die Höhe dieses Gehäuses ist mit h bezeichnet. Erfindung bildet, ist der Umstand, dass durch Änderung der Die vorliegende Erfindung kann auf unterschiedliche Reso- 30 Vormagnetisierung des ferromagnetischen Einsatzen 15 der natortypen angewandt werden. Zur Vereinfachung der Erläute- induktive Widerstand und damit die Resonanzfrequenz des rung wird jedoch ein sogenannter Koaxialkabel-Resonator Resonators geändert werden kann. Damit kann letztere stets gezeigt. Dieser Resonatortyp eignet sich für Siegeloperationen an die Frequenz des Speisegenerators angepasst werden, und in Verbindung mit Verpackungsmaschinen am besten. zwar unabhängig davon, ob die Eigenschaften oder die Dimen-
Wie aus Fig. 1 hervorgeht, besteht der Resonator 1 aus zwei 35 sionen des zu versiegelnden Materials den Resonator so beein-parallelen Seitenwänden 4 aus Metall, die über ein ebenfalls aus Aussen, dass sich seine Resonanzfrequenz verändert. Die VorMetall bestehendes Joch 5 miteinander verbunden sind, wel- magnetisierung des Einsatzes 15 kann beispielsweise mit Hilfe ches eine zwischen den beiden Seitenwänden 4 liegende mitt- einer auf den Einsatz aufgesetzten Spule 24 geändert werden, lere Metallplatte 3 trägt. Die Spalten 2 zwischen den Seiten- die durch eine steuerbare Gleichstromquelle gespeist wird, wänden 4 und der mittleren Platte 3 bilden einen Hohlraum, 40 Um die Vormagnetisierung des ferromagnetischen Einsat-dessen Form, die Höhe und der gegenseitige Abstand der Sei- zes 15 zu ermöglichen, muss der Resonator selbstverständlich tenwände 4 und der mittleren Platte 3 für die sogenannte aus einem nichtmagnetischen Material, z. B. Aluminium, Mes-
Resonanzfrequenz des Resonators massgebend und so zu wäh- sing oder rostfreiem Stahl bestehen. Damit eine weitere Reduk-len sind, dass die Resonanzfrequenz mit der Arbeitsfrequenz tion der Resonatordimensionen erzielt werden kann, mag es in des (nicht gezeigten) Speisegenerators übereinstimmt. Die 45 bestimmten Fällen angezeigt sein, die Spalte 2 beispielsweise Energiezufuhr vom Hochfrequenzgenerator zum Resonator mit öl zu füllen. Es versteht sich, dass die Öffnungsseite des kann durch kapazitive oder induktive Ankopplung erfolgen, Resonators dann mit einem Material mit so kleinem Verlustfak-oder wie gezeigt mittels eines Koaxialkabels 6, dessen zentraler tor verschlossen sein muss, dass das dort vorhandene elektri-Leiter 8 direkt mit der mittleren Platte 3 des Resonators ver- sehe Feld in diesem Material keine Wärme erzeugt. Ein Vorteil bunden ist, während die Abschirmung 7 mit einer der Seiten- 50 bei der Verwendung eines ölgefüllten Resonators besteht darin, wände 4 verbunden ist. dass Kondensationserscheinungen und Staubansammlungen
Wie in der Einleitung erwähnt, kann ein Resonator als Par- innerhalb des Resonators vermieden werden können. Dies ist allel-Resonanzschaltung betrachtet werden. Im Hinblick auf deshalb vorteilhaft, weil solche Ablagerungen auf der Innenseine Resonanzfrequenz kann der induktive Widerstand des seite des Resonators dessen elektrische Eigenschaften ändern. Resonators und damit sein Magnetfeld als im Bereich 11 nächst 55 Wie oben erwähnt, ist es vorteilhaft, einen Einsatz 15 aus des Joches konzentriert angenommen werden, während der Ferritmaterial zu verwenden, welcher die Form eines längli-kapazitive Widerstand des Resonators und dessen maximales chen Stabes von rechteckigem oder rundem Querschnitt elektrisches Feld als im Bereich 12 auf der offenen Seite kon- besitzt. Die gesamte Stablänge kann auch aus kurzen Abschnit-zentriert angenommen werden kann. Wenn ein Verpackungs- ten zusammengesetzt sein. Um den Ferriteinsatz im Resonator material 9 mit einem Material mit passendem Verlustfaktor in t« festzuhalten, ist es zweckmässig, diesen mit einem Klebemittel die Nähe des offenen Bereiches 12 des Resonators 1 gebracht darin zu befestigen. Ferritmaterial besitzt die Eigenschaft, dass und mit Hilfe einer Isolierunterlage 10 gegen diesen gepresst seine Permeabilität bzw. sein p.-Wert eine Funktion der wird, wird in einer oder mehreren der Laminatschichten Magnetflussdichte B und der Magnetfeldstärke H ist. die
Wärme entwickelt, weil dabeiTeile des Verpackungsmaterials Abhängigkeit der Permeabilität von der Magnetflussdichte und einem scharf konzentrierten hochfrequenten elektrischen Feld der Magnetfeldstärke weicht für verschiedene Magnetmateria-ausgesetzt werden, das zwischen den unteren freien Enden 13 lien voneinander ab. Fig. 3 zeigt eine typische Hysterensis-der Seitenwände 4 und dem unteren Ende 14 der mittleren schleife bzw. ein Magnetisierungsdiagramm, in welchem gra-
Platte 3 auftritt. Dieses scharf konzentrierte elektrische Feld phisch die Beziehung zwischen der Magnetflussdichte B und
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der Magnetfeldstärke H dargestellt ist. H ist längs einer horizontalen Achse, und B längs eine vertikalen Achse aufgetragen.
In der hier beschriebenen Anordnung sind die ferromagnetischen Einsätze 15 einerseits durch eine Gleichstromkomponente, welche von den gezeigten Spulen oder Elektromagneten geliefert wird, die von einer steuerbaren Gleichspannungsquelle gespeist wird, und andererseits durch eine Wechselstromkomponente magnetisiert, welche von dem hochfrequenten Magnetfeld geliefert wird. Durch Verändern der Gleichstromkomponente, d.h. der Vormagnetisierung mit Hilfe von am Ferriteinsatz angebrachten Magnetspulen oder aussenlie-genden Elektromagneten können verschiedene Arbeitspunkte I, II, III gemäss der in Fig. 3 gezeigten Magnetisierungskurve ausgewählt werden. Jedem dieser Arbeitspunkte ist eine sogenannte Streuschleife 26 zugeordnet, welche graphisch die Wechselstrommagnetisierung darstellt, die der Gleichstrommagnetisierung überlagert ist. Die Neigung dieser Streuschleifen 26 bildet ein Mass für die Permeabilität |x=tga.
In Punkt I herrscht somit die Permeabilität m welche grösser ist als die Permeabilität Hu, die ihrerseits wiederum grösser ist als die Permeabilität |j.in.
Weil der induktive Widerstand mit dem Magnetfluss in einem Schaltkreis ansteigt, ist es möglich, durch Änderung der Magnetflussdichte B in den Ferriteinsätzen auch den von diesem herrührenden zusätzlichen induktiven Widerstand im Resonator zu ändern. Wie erwähnt, kann dies durch die Vormagnetisierung der Ferriteinsätze mittels gleichspannungsgespei-sten Spulen oder Elektromagneten erfolgen, welche bezüglich des Resonators und der Ferriteinsätze wie in den nachstehend beschriebenen Figuren angeordnet sind. Mit Hilfe der oben beschriebenen Vormagnetisierung der Ferriteinsätze kann somit die Permeabilität des Einsatzmaterials auf einen bestimmten Wert entsprechend einem Arbeitspunkt auf der Magnetisierungskurve gebracht werden. Es ist daher möglich, durch äussere Beeinflussung mittels gleichspannungsgespei-sten Elektromagneten den Magnetfluss in den Ferriteinsätzen so zu ändern, dass sich auch der induktive Widerstand des Resonators um ein bestimmtes Mass ändert. Durch diese Möglichkeit kann die Resonanzfrequenz des Resonators jederzeit auf die Frequenz des Speisegenerators gebracht werden, auch wenn andere externe Faktoren, wie z.B. das zu siegelnde Laminat vor der Resonatoröffnung, die Resonanzfrequenz des Resonators zu verändern trachten.
Wie bereits erwähnt, zeigen die Figuren 4 bis 9 drei praktisch anwendbare Ausführungsformen von im Sinne der vorliegenden Erfindung abstimmbaren Resonatoren. Gleiche wie in Fig. 1 und 2 gezeigte Teile sind der Klarheit halber mit gleichen Bezugszeichen wie dort versehen. Der in Fig. 4 gezeigte Resonator ist wie bei den übrigen Ausführungsformen mit Einsätzen 15 aus Ferritmaterial versehen, die im Innern des Resonators dort angebracht sind, wo die Magnetfeldstärke ihr Maximum besitzt. Beidseits des Resonators nach Fig. 4 sind hufeisenförmige Elektromagnete 17 angeordnet, auf welchen Magnetwicklungen 18 sitzen. Fig. 5 ist ein Schnitt nach der Linie A-A in Fig. 4 und zeigt, wie die Magnete längsseits des Resonators angebracht sind. Die Magnetwicklungen 18 können unter sich in Serie oder parallel geschaltet sein. Sie sind jedoch alle mit einer Gleichspanmmgsquelle verbunden, durch welche mittels eine frequenzüberwachenden Steuerung der induktive Widerstand des Resonators so abgestimmt werden kann, dass die Resonanzfrequenz des Resonators jederzeit mit der Frequenz des Speisegenerators übereinstimmt.
Die Ausführungsform nach Fig. 6, die den Schnitt nach der Linie B-B in Fig. 7 zeigt, stellt einen weiteren erfindungsgemäss gestalteten Resonator dar, bei dem die Ferriteinsätze 15 runden Querschnitt besitzen, und bei dem der Elektromagnet mittels einer Anzahl Schenkel 21 aus magnetischem Material mittig auf das Joch 5 des Resonators aufgesetzt ist. Die Schenkel 21 sitzen in nicht gezeigten Bohrungen im Joch 5 und sind mittels eines Verbindungsjoches 19, welches eine Anzahl Magnetspulen 20 trägt, miteinander verbunden. Die Spulen 20 sind wiederum über eine Steuervorrichtung an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen.
Die Ausführungsform nach Fig. 8 besitzt einen U- oder hufeisenförmigen Magnetkörper, welcher so lange ist, dass er mit seinen beiden Schenkeln 22 über die Längsenden des Resonatorabschnittes greift, in welchem die Ferriteinsätze 15 enthalten sind. Das Joch 23 des Elektromagneten trägt eine Anzahl Magnetspulen 24, welche wie früher beschrieben, unter sich in Serie oder parallel geschaltet sein können. Sie sind wiederum über eine Steuervorrichtung mit einer Gleichspannungsquelle verbunden, so dass die im Resonator 1 eingebetteten Ferriteinsätze 15 zwecks Steuerns des induktiven Widerstandes des Resonators so vormagnetisiert werden können, dass die Resonanzfrequenz des Resonators mit der Frequenz des Speisegenerators übereinstimmt.
Praktische Anwendungen haben gezeigt, dass die erfin-dungsgemässe Einrichtung zufriedenstellend arbeitet und dass es möglich ist, die Resonanzfrequenz des Resonators mit grosser Genauigkeit so abzustimmen, dass jederzeit die maximale Ausgangsleistung erzielbar ist. Somit sind auch zufriedenstellende Siegelungen herstellbar.
In den dargestellten Ausführungsformen sind nur Resonatoren gezeigt, die in Verbindung mit Siegelanordnungen in Verpackungsmaschinen anwendbar sind. Ferner sind nur Resonatoren der über ein Koaxialkabel angespeisten Type gezeigt. Indessen ist das der Erfindung zugrundeliegende Konzept auch auf andere Resonatortypen, z.B. Hohlraumresonatoren, anwendbar, weil die Anordnung der Ferritelemente allgemein zur Anpassung der physikalischen Eigenschaften eines Resonators verwendbar ist. Die Elemente können leicht in jene Partien eines Resonators eingebaut werden, wo die magnetische Feldstärke am grössten und daher der induktive Widerstand ttiaxi-mal ist. Daraus ergibt sich, dass die Erfindung auch auf Resonatoren anwendbar ist, die nicht auf das Versiegeln von Verpak-kungsmaterial oder zum Erhitzen dünner Laminate ausgerichtet, sondern für andere Zwecke vorgesehen sind. Sie ist insbesondere überall dort mit Vorteil einsetzbar, wo eine kontinuierliche Abstimmung der Resonanzfrequenz eines Resonators auf die Frequenz eines Speisegenerators erwünscht ist.
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2 Blatt Zeichnungen
Claims (10)
1. Einrichtung zur Abstimmung der Resonanzfrequenz von Resonatoren zwecks Anpassung an die Frequenz des Speisegenerators, dadurch gekennzeichnet, dass im Hohlraum (11) des Resonators ( 1 ) mindestens ein Einsatz (-15) aus einem ferro-magnetischen Material an oder in der Nähe der Stelle des Resonators angeordnet ist, wo die Magnetfeldstärke bei der Anspeisung des Resonators mit einer bestimmten oder gewünschten Frequenz maximal ist, und dass der Einsatz aus ferromagnetischem Material so gestaltet ist, dass er durch mindestens eine an ihm oder in seiner Nähe angeordnete elektrische Spule (18,20,24) oder durch mindestens einen Elektromagneten (17-24) vormagnetisierbar ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an oder nächst der Oberfläche des Resonators mindestens ein Elektromagnet mit Mitteln (17,21,22) angeordnet ist, durch die der ferromagnetische Einsatz magnetisierbar ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Anzahl Seite an Seite längs der ganzen Länge des Resonators so angeordnete Elektromagnete, dass das mit Hilfe der Elektromagnete erzeugte Magnetfeld im wesentlichen senkrecht gegen den Einsatz aus ferromagnetischem Material gerichtet ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromagnete (17,18) auf beiden Längsseiten des Resonators paarweise einander gegenüberliegend angeordnet sind, und dass das von ihnen erzeugte Magnetfeld gegen den im Hohlraum des Resonators angeordneten ferromagnetischen Einsatz (15) gerichtet ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ferromagnetische Einsatz (15) aus Ferrit besteht.
6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Spule oder die Erregerspule des Elektromagneten mit einer einen variierbaren Magnetisierungsstrom liefernden Gleichspannungsquelle verbindbar ist.
7. Einrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen U-förmigen Magneten (23) mit je einem über jede der Endseiten des Resonators greifenden Schenkeln (22), wobei auf dem Magnet (23) mindestens eine Spule (24) angeordnet ist.
8. Einrichtung nach Anspruch 1 und 6, gekennzeichnet durch eine Steuervorrichtung zum Varriieren des Magnetisierungsstromes für den/die Elektromagneten zwecks Stabilhaltens der Resonanzfrequenz des Resonators.
9. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände (3,4) des Resonators aus einem nicht magnetischen Material, z. B. Aluminium oder Messing bestehen.
10. Verwendung der Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Erzeugung dielektrischer Wärme in dünnem Blattmaterial, insbesondere zum Siegeln von Verpak-kungsmaterial, mit einem Hohlraumresonator oder Koaxialkabel-Resonator, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator mit einem im Hohlraum angeordneten Einsatz aus einem ferromagnetischen Material und ausserhalb des Hohlraumes mit Elektromagneten versehen ist, die so angeordnet sind, dass das von ihnen erzeugte Magnetfeld den ferromagnetischen Einsatz (15)magnetisiert.
Applications Claiming Priority (1)
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