CH684373A5

CH684373A5 - Vorrichtung zur Einkopplung von Mikrowellen.

Info

Publication number: CH684373A5
Application number: CH337092A
Authority: CH
Inventors: Jakob Heierli
Original assignee: Inwave Ag
Priority date: 1992-10-29
Filing date: 1992-10-29
Publication date: 1994-08-31

Description

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CH 684 373 A5

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Beschreibung

Der Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Einkopplung von Mikrowellen in einen Applikationsraum, welche einen Mikrowellenleiter aufweist, der an eine Mikrowellenquelle gekoppelt ist und der ein oder mehrere Koppelelemente zur Übertragung der Mikrowellen vom Mikrowellenleiter in den Applikationsraum sowie eine Kunstlast zur Absorption der aus dem Applikationsraum in den Mikrowellenleiter zurückreflektierten Mikrowellen aufweist.

Derartige Kopplungsvorrichtungen werden z.B. in Mikrowellenöfen verwendet, um die Heizenergie von der Senderöhre in den Backraum zu übertragen. Sie bestehen aus einem Hohlleiter zur Übertragung der Mikrowellen, dessen eines Ende direkt oder indirekt mit einer Mikrowellenquelle verbunden ist und der über geeignete Koppelöffnungen mit dem Applikations- resp. dem Backraum verbunden ist.

In einer derartigen Vorrichtung muss aber ein Schutz eingebaut sein, welcher verhindert, dass vom Applikationsraum reflektierte Energie zur Senderöhre zurückgeführt wird. Eine derartige Rejektion von Mikrowellenenergie, welche vor allem bei leerem Applikationsraum auftritt, kann zu einer unerwünschten Erwärmung, ja sogar zu einer Zerstörung, der Senderöhre führen.

Als Reflektionsschutz wird normalerweise ein Zir-kulator verwendet, der zwischen Sender und Applikationsraum in den Hohlleiter eingebracht wird und die zurückgestrahlte Energie auf eine Kunstlast ablenkt.

Ein solcher Schutz ist allerdings sehr aufwendig zu fertigen und dementsprechend teuer.

Deshalb stellt sich die Aufgabe, eine Einkopp-lungsvorrichtung bereitzustellen, die eine Zurückreflektion der Mikrowellen auf die Mikrowellenquelle verhindert, ohne dass ein derartig aufwendiger Schutz benötigt wird.

Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung gemäss dem ersten Patentanspruch gelöst.

Durch ihre sehr einfache Bauweise stellt die er-findungsgemässe Vorrichtung eine äusserst preiswerte Alternative zu bestehenden Lösungen dar.

Ausserdem lässt sie sich sehr kompakt realisieren.

In einer bevorzugten Ausführung zeichnet sie sich insbesondere durch eine sehr hohe Kopplungseffizienz zwischen Mikrowellenleiter und Applikationsraum aus.

Weitere Vorteile der erfindungsgemässen Vorrichtung werden aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Figuren ersichtlich. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemässen Vorrichtung;

Fig. 2 eine herkömmliche Vorrichtung ohne Reflektionsschutz;

Fig. 3 eine herkömmliche Vorrichtung mit Reflektionsschutz;

Fig. 4 die erfindungsgemässe Vorrichtung mit einem Koppelelement; und

Fig. 5 die erfindungsgemässe Vorrichtung mit mehreren Koppelelementen.

Fig. 1 zeigt eine Übersicht über die erfindungsgemässe Vorrichtung. Sie besteht im wesentlichen aus einem Hohlleiter 2, welcher eine Mikrowellenquelle 3 mit einem Applikationsraum 1 verbindet.

Die Kopplung an die Mikrowellenquelle 3 kann entweder direkt oder indirekt, d.h. über weitere Hohlleiterelemente, geschehen.

Die Kopplung an den Applikationsraum 1, welcher z.B. ein Backraum eines Mikrowellenofens sein kann, erfolgt über ein Koppelelement, welches im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus einer kreuzförmigen Öffnung 4 in der Hohlleiterwand und einem Resonator 5 besteht.

Am der Quelle 3 gegenüberliegenden Ende des 5 Hohlleiters 2 ist eine Kunstlast 6 zur Absorption von Mikrowellenstrahlung angebracht. Dabei kann es sich z.B. um einen geeigneten Festkörperabsorber oder eine Wasserlast handeln.

Die Wirkungsweise der Vorrichtung ergibt sich im wesentlichen aus der Modenstruktur der Mikrowellen im Hohlleiter 2 sowie aus der Gestaltung und Position des Koppelelementes 4, 5, wie im folgenden beschrieben wird.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird ein verwendungsüblicher TE-io-Rechteckhohlleiter verwendet. Werden an der breiten Seite eines derartigen Leiters an geeigneten Positionen gekreuzte Schlitze angebracht, so strahlen diese zirkulär polarisierte Wellen ab. Die theoretischen Grundlagen einer solchen Auskopplung sind an sich aus der Mi-krowellen-Kommunikationstechnik bekannt. Danach müssen die Kreuzschlitze auf einer von zwei, symmetrisch zur Mittellinie der Breitseite liegenden Linien liegen. Die Länge der Schlitze beeinflusst die Koppeleffizienz der Auskopplung. Die Orientierung der Kreuze ist im wesentlichen unerheblich, d.h. der Winkel zwischen den Schlitzen und der Längsachse des Hohlleiters kann beliebig gewählt sein, solange die Schlitze senkrecht zueinander stehen.

Die Drehrichtung der ausgekoppelten Welle hängt von der Laufrichtung der Welle im Hohlleiter ab. Wird die Laufrichtung der Welle im Hohlleiter umgekehrt, so wechselt die Zirkularität der ausgekoppelten Welle von links nach rechts bzw. von rechts nach links.

Wird der Kreuzschlitz 5 zur Einkopplung einer (reflektierten) Welle in den Hohlleiter 2 verwendet, so erzeugt eine rechtszirkular polarisiert einfallende Welle eine Hohlleiterwelle, die nur nach dem einen Ende des Hohlleiters läuft, während eine linkszirku-lar polarisierte Welle eine Hohlleiterwelle in der umgekehrten Richtung auslöst.

In der Vorrichtung nach Fig. 1 ist die Auskopplungsöffnung 4 so gewählt, dass durch eine im Hohlleiter verlaufende, von der Mikrowellenquelle 3 her kommende Welle im Applikationsraum 1 eine zirkular polarisierte Mikrowelle erzeugt.

Wird diese Welle im Applikationsraum 1 reflektiert, so kehrt sich ihre Drehrichtung um. Die Welle gelangt zum Koppelelement zurück und wird dort wieder in den Hohlleiter eingekoppelt. Da sich aber ihre Dreh- und Laufrichtung umgekehrt hat, erzeugt sie im Wellenleiter eine Welle, welche von der Mikrowellenquelle 3 weg in Richtung der Last 6 läuft.

Die Konsequenzen dieses Verhaltens und die

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Unterschiede zu bestehenden Lösungen werden in den Fig. 2 bis 4 gezeigt.

Bei einer Vorrichtung ohne Reflektionsschutz (Fig. 2) wird die Leistung, welche im Applikationsraum 1 reflektiert wird, in den Holleiter zurückgekoppelt. Mindestens ein Teil der zurückgekoppelten Leistung läuft im Hohlleiter zurück zum Sender, wo sie die unerwünschte Erwärmung bewirkt.

Bei einer Vorrichtung mit einem konventionellen Zirkulator 7 (Fig. 3), wird die Mikrowellenleistung, die vom Applikationsraum 1 in den Hohlleiter 2 zurückreflektiert wird und dort in Richtung des Senders läuft, am Zirkulator 7 auf eine Last 8 abgelenkt, wo sie absorbiert wird.

Bei der erfindungsgemässen Vorrichtung nach Fig. 4 wird im Applikationsraum 1 reflektierte Leistung zwar auch in den Hohlleiter 2 zurückgekoppelt, läuft dort aber nicht zurück zur Quelle 3 sondern von der Quelle weg zur Last 6, wo sie absorbiert wird.

Damit erübrigt sich ein zusätzliches Element, wie z.B. ein Zirkulator, zum Schutz der Mikrowellenquelle 3 vor reflektierten Wellen.

Im Betrieb ist es in der Regel erwünscht, dass möglichst die gesamte Leistung, welche von der Quelle 3 in den Hohlleiter 2 eingespiesen wird, an den Koppelelementen 4, 5 ausgekoppelt wird. Mit einem Kreuzschlitz ist aber nur maximal 90% der Leistung im Hohlleiter auskoppelbar.

Zur Erhöhung der Koppeleffizienz wird nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ein Resonator 5 am Kreuzschlitz 4 angebracht werden, der die Auskopplung der Leistung in den Applikationsraum 1 unterstützt. Dabei kann es sich z.B. um einen dielektrischen Resonator, einen Hohlraumresonator, einen Keramikresonator oder dergl. handeln. Mit einem derartigen Resonator kann die Kopplungseffizienz bis über 99% erhöht werden.

Zur Verbesserung der Homogenität des Mikrowellenfeldes im Applikationsraum 1 können anstelle von nur einem auch mehrere Koppelelemente vorgesehen sein. Eine derartige Anordnung wird in Fig. 5 gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel werden zwei Koppelelemente 9, 10 verwendet, welche beide zirkulär polarisierte Wellen ausstrahlen. Vorzugsweise werden dabei durch geeignete Wahl der Schlitzgrösse bzw. durch geeignete Dimensionierung der Resonatoren die Koppeleffizienzen so gewählt, dass die ausgekoppelte Leistung in beiden Koppelelementen 9, 10 gleich ist.

Im Vergleich zu konventionellen Lösungen mit mehreren Koppelelementen hat die Vorrichtung nach Fig. 5 den Vorteil, dass die Wellenleistung, welche in das erste Koppelelement 9 zurückreflektiert wird, zum zweiten Koppelelement 10 gelangt, und von dort nochmals in den Applikationsraum 1 abgestrahlt wird. Damit ergibt sich eine bessere Energieausnutzung bei ungleichmässig belastetem Applikationsraum.

Zur Steuerung der Leistung der Mikrowellenquelle 3 kann im Bereich zwischen dem Koppelelement 4 und der Last 6 ein geeigneter Detektor angebracht werden. Die von diesem Detektor gemessene Leistung entspricht im wesentlichen der vom Applikationsraum zurückreflektierten Leistung. Ist diese reflektierte Leistung hoch, so ist es in der Regel sinnvoll, die Sendeleistung der Mikrowellenquelle zu reduzieren, um unnötige Verluste der Apparatur zu vermeiden.

Im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel werden zur Auskopplung der Wellen aus dem rechtek-kigen Hohlleiter in den Applikationsraum ein oder mehrere Kreuzschlitze verwendet. Je nach Form des Hohlleiters und seiner Modenstruktur können aber auch andere Anordnungen einer oder mehrerer Öffnungen eine Abstrahlung zirkulär polarisierter Wellen bewirken.

In jedem Fall dürfte aber die Herstellung von Hohlleitern mit entsprechend ausgeformten Koppelorganen verhältnismässig einfach sein und eine vorteilhafte Alternative zu bekannten Lösungen bieten.

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Einkopplung von Mikrowellen in einen Applikationsraum (1), welche einen Mikrowellenleiter (2) aufweist, der an eine Mikrowellenquelle (3) gekoppelt ist und der ein oder mehrere Koppelelemente (4, 5; 9, 10) zur Übertragung der Mikrowellen vom Mikrowellenleiter (2) in den Applikationsraum (1) sowie eine Kunstlast (6) zur Absorption der aus dem Applikationsraum (1) in den Mikrowellenleiter (2) zurückreflektierten Mikrowellen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelelemente (4, 5; 9, 10) so ausgestaltet und angeordnet sind, dass sie eine zirkulär polarisierte Welle im Applikationsraum (1) erzeugen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowellenquelle (3) auf der bezüglich der Koppelelemente (4, 5; 9, 10) jeweils anderen Seite des Mikrowellenleiters (2) angekoppelt ist als die Kunstlast (6).

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrowellenleiter (2) ein Rechteckhohlleiter ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Koppelelemente (4, 5; 9, 10) aus einem Kreuzschlitz (4) in der Wand des Mikrowellenleiters (2) besteht.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens einem der Koppelelemente (4, 5; 9, 10) ein Resonator (5) zur Beeinflussung der Kopplungseffizienz angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator (5) ein dielektrischer Resonator, ein Hohlraumresonator oder ein Keramikresonator ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunstlast (6) ein Festkörperabsorber oder eine Wasserlast ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Messvorrichtung zur Bestimmung der Leistung der aus dem Applikationsraum (1) in den Mikrowellenleiter (2) zurückreflektierten Strahlung aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch ge-

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kennzeichnet, dass die Messvorrichtung am Mikrowellenleiter (2) im Bereich zwischen der Kunstlast (6) und dem der Kunstlast (6) am nahesten liegenden Koppelelement (4, 5; 10) angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mehrere Koppelelemente (9, 10) aufweist, deren Koppeleffizienz mit zunehmendem Abstand von der Mikrowellenquelle (3) zunimmt.

11. Mikrowellenofen mit einer Vorrichtung zur Einkopplung von Mikrowellen nach einem der vorangehenden Ansprüche.

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