CH684373A5

CH684373A5 - Device for injection (input coupling) of microwaves

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

Abstract

The device consists of a waveguide (2) which is coupled to a microwave source (3) and has one or more coupling elements (4, 5) using which microwaves can be injected into an application volume (1). The coupling elements are disposed and arranged so that waves coming from the source (3) generate circular-polarised waves in the application volume (1). If these waves are reflected in the application volume (1) and coupled back through the coupling elements (4, 5), they generate in the waveguide (2) waves which propagate away from the microwave source (3) towards an artificial load (6) where they are absorbed. These measures produce the effect, with simple means, that energy radiated back from the application volume (1) cannot leak back to the microwave source (3) where it would lead to undesired heating. <IMAGE>

Description

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Beschreibung description

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. The invention relates to a device for coupling microwaves into an application space, which has a microwave conductor which is coupled to a microwave source and which has one or more coupling elements for transmitting the microwaves from the microwave conductor into the application space and an artificial load for absorption of the from the application space has microwaves reflected back into the microwave conductor.

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. Such coupling devices are e.g. used in microwave ovens to transfer the heating energy from the transmitter tube to the baking chamber. They consist of a waveguide for transmitting the microwaves, one end of which is connected directly or indirectly to a microwave source and which is connected to the application or via suitable coupling openings. is connected to the baking chamber.

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. However, a protection must be installed in such a device, which prevents energy reflected from the application space from being returned to the transmitter tube. Such a rejection of microwave energy, which occurs especially when the application space is empty, can lead to undesired heating, even destruction, of the transmitter tube.

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. A zirculator is normally used as reflection protection, which is inserted into the waveguide between the transmitter and the application area and which deflects the reflected energy back onto an artificial load.

Ein solcher Schutz ist allerdings sehr aufwendig zu fertigen und dementsprechend teuer. However, such protection is very complex to manufacture and accordingly expensive.

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. Therefore, the task arises to provide a coupling device which prevents the microwaves from being reflected back onto the microwave source without the need for such complex protection.

Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung gemäss dem ersten Patentanspruch gelöst. This object is achieved by the device according to the first claim.

Durch ihre sehr einfache Bauweise stellt die er-findungsgemässe Vorrichtung eine äusserst preiswerte Alternative zu bestehenden Lösungen dar. Due to its very simple construction, the device according to the invention represents an extremely inexpensive alternative to existing solutions.

Ausserdem lässt sie sich sehr kompakt realisieren. In addition, it can be implemented very compactly.

In einer bevorzugten Ausführung zeichnet sie sich insbesondere durch eine sehr hohe Kopplungseffizienz zwischen Mikrowellenleiter und Applikationsraum aus. In a preferred embodiment, it is characterized in particular by a very high coupling efficiency between the microwave conductor and the application space.

Weitere Vorteile der erfindungsgemässen Vorrichtung werden aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Figuren ersichtlich. Dabei zeigen: Further advantages of the device according to the invention will become apparent from the following description of an embodiment using the figures. Show:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemässen Vorrichtung; 1 shows a perspective view of the device according to the invention;

Fig. 2 eine herkömmliche Vorrichtung ohne Reflektionsschutz; 2 shows a conventional device without reflection protection;

Fig. 3 eine herkömmliche Vorrichtung mit Reflektionsschutz; 3 shows a conventional device with reflection protection;

Fig. 4 die erfindungsgemässe Vorrichtung mit einem Koppelelement; und 4 shows the device according to the invention with a coupling element; and

Fig. 5 die erfindungsgemässe Vorrichtung mit mehreren Koppelelementen. Fig. 5 shows the device according to the invention with several coupling elements.

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. 1 shows an overview of the device according to the invention. It essentially consists of a waveguide 2, which connects a microwave source 3 to an application space 1.

Die Kopplung an die Mikrowellenquelle 3 kann entweder direkt oder indirekt, d.h. über weitere Hohlleiterelemente, geschehen. The coupling to the microwave source 3 can either be direct or indirect, i.e. via further waveguide elements.

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. The coupling to the application room 1, which e.g. A baking chamber of a microwave oven can be implemented via a coupling element, which in the present exemplary embodiment consists of a cross-shaped opening 4 in the waveguide wall and a resonator 5.

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. An artificial load 6 for absorbing microwave radiation is attached to the end of the 5 waveguide 2 opposite the source 3. It can e.g. be a suitable solid-state absorber or a water load.

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. The mode of operation of the device essentially results from the mode structure of the microwaves in the waveguide 2 and from the design and position of the coupling element 4, 5, as will be described below.

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. In the present exemplary embodiment, a customary TE-io rectangular waveguide is used. If crossed slots are made at suitable positions on the broad side of such a conductor, they radiate circularly polarized waves. The theoretical basics of such a decoupling are known per se from microwave communications technology. The cross slots must then lie on one of two lines that are symmetrical to the center line of the broadside. The length of the slots influences the coupling efficiency of the coupling. The orientation of the crosses is essentially irrelevant, i.e. the angle between the slots and the longitudinal axis of the waveguide can be chosen as long as the slots are perpendicular to one another.

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. The direction of rotation of the decoupled shaft depends on the direction of rotation of the shaft in the waveguide. If the direction of rotation of the shaft in the waveguide is reversed, the circularity of the decoupled shaft changes from left to right or from right to left.

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. If the cross slot 5 is used to couple a (reflected) wave into the waveguide 2, then a right-hand circularly polarized incident wave generates a waveguide wave that only runs after one end of the waveguide, while a left-hand circularly polarized wave generates a waveguide wave in the opposite direction triggers.

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. In the device according to FIG. 1, the decoupling opening 4 is selected such that a circularly polarized microwave is generated in the application space 1 by a wave running in the waveguide and coming from the microwave source 3.

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. If this wave is reflected in the application space 1, its direction of rotation is reversed. The wave returns to the coupling element and is then coupled back into the waveguide. However, since its direction of rotation and running has reversed, it generates a wave in the waveguide which runs away from the microwave source 3 in the direction of the load 6.

Die Konsequenzen dieses Verhaltens und die The consequences of this behavior and the

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Unterschiede zu bestehenden Lösungen werden in den Fig. 2 bis 4 gezeigt. Differences to existing solutions are shown in FIGS. 2 to 4.

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. In the case of a device without reflection protection (FIG. 2), the power which is reflected in the application space 1 is fed back into the conductor. At least part of the feedback power runs in the waveguide back to the transmitter, where it causes the undesired heating.

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. In a device with a conventional circulator 7 (FIG. 3), the microwave power which is reflected back from the application space 1 into the waveguide 2 and runs there in the direction of the transmitter is deflected at the circulator 7 to a load 8, where it is absorbed.

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. In the device according to the invention according to FIG. 4, power reflected in the application space 1 is also fed back into the waveguide 2, but does not run back to the source 3 there but from the source to the load 6, where it is absorbed.

Damit erübrigt sich ein zusätzliches Element, wie z.B. ein Zirkulator, zum Schutz der Mikrowellenquelle 3 vor reflektierten Wellen. This eliminates the need for an additional element, such as a circulator to protect the microwave source 3 from reflected waves.

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. In operation, it is generally desirable for the entire power which is fed from the source 3 into the waveguide 2 to be coupled out at the coupling elements 4, 5. With a cross slot, however, only a maximum of 90% of the power can be coupled out in the waveguide.

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. In order to increase the coupling efficiency, according to an advantageous embodiment of the invention, a resonator 5 is attached to the cross slot 4, which supports the decoupling of the power into the application space 1. It can e.g. is a dielectric resonator, a cavity resonator, a ceramic resonator or the like. With such a resonator, the coupling efficiency can be increased to over 99%.

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. To improve the homogeneity of the microwave field in the application space 1, several coupling elements can also be provided instead of just one. Such an arrangement is shown in FIG. 5. In this exemplary embodiment, two coupling elements 9, 10 are used, both of which emit circularly polarized waves. In this case, the coupling efficiencies are preferably selected by a suitable choice of the slot size or by suitable dimensioning of the resonators in such a way that the output power is the same in both coupling elements 9, 10.

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. In comparison to conventional solutions with a plurality of coupling elements, the device according to FIG. 5 has the advantage that the wave power which is reflected back into the first coupling element 9 reaches the second coupling element 10 and is radiated from there again into the application space 1. This results in better energy utilization with an unevenly loaded application area.

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. To control the power of the microwave source 3, a suitable detector can be attached in the area between the coupling element 4 and the load 6. The power measured by this detector essentially corresponds to the power reflected back from the application room. If this reflected power is high, it usually makes sense to reduce the transmission power of the microwave source in order to avoid unnecessary losses of the equipment.

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 the exemplary embodiment described above, one or more cross slots are used to decouple the waves from the rectangular waveguide into the application space. Depending on the shape of the waveguide and its mode structure, other arrangements of one or more openings can also cause radiation of circularly polarized waves.

In jedem Fall dürfte aber die Herstellung von Hohlleitern mit entsprechend ausgeformten Koppelorganen verhältnismässig einfach sein und eine vorteilhafte Alternative zu bekannten Lösungen bieten. In any case, however, the production of waveguides with appropriately shaped coupling elements should be relatively simple and offer an advantageous alternative to known solutions.

Claims

1. Device for coupling microwaves into an application space (1), which has a microwave conductor (2) which is coupled to a microwave source (3) and which has one or more coupling elements (4, 5; 9, 10) for transmitting the microwaves from the microwave conductor (2) into the application space (1) and an artificial load (6) for absorbing the microwaves reflected back from the application space (1) into the microwave conductor (2), characterized in that the coupling elements (4, 5; 9, 10 ) are designed and arranged so that they generate a circularly polarized wave in the application space (1).

2. Device according to claim 1, characterized in that the microwave source (3) is coupled to the other side of the microwave conductor (2) with respect to the coupling elements (4, 5; 9, 10) than the synthetic load (6).

3. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the microwave conductor (2) is a rectangular waveguide.

4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the coupling elements (4, 5; 9, 10) consists of a cross slot (4) in the wall of the microwave conductor (2).

5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a resonator (5) for influencing the coupling efficiency is arranged on at least one of the coupling elements (4, 5; 9, 10).

6. The device according to claim 5, characterized in that the resonator (5) is a dielectric resonator, a cavity resonator or a ceramic resonator.

7. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the synthetic load (6) is a solid-state absorber or a water load.

8. Device according to one of the preceding claims, characterized in that it has a measuring device for determining the power of the radiation reflected back from the application space (1) into the microwave conductor (2).

9. The device according to claim 8, thereby

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10. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the device has a plurality of coupling elements (9, 10), the coupling efficiency of which increases with increasing distance from the microwave source (3).

11. Microwave oven with a device for coupling microwaves according to one of the preceding claims.

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