DE10035949A1

DE10035949A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen elektromagnetischer Felder hoher Feldstärke und Feldstärkehomogenität

Info

Publication number: DE10035949A1
Application number: DE2000135949
Authority: DE
Inventors: Udo Krohmann; Torsten Neumann; Bernd Neumann; Georg Boeck
Original assignee: KNN SYSTEMTECHNIK GmbH
Current assignee: KNN SYSTEMTECHNIK GmbH
Priority date: 2000-07-21
Filing date: 2000-07-21
Publication date: 2002-02-07
Also published as: AU2001285684A1; DE10192978D2; WO2002009134A3; WO2002009134A2

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen elektromagnetischer Felder hoher Feldstärke und Feldstärkehomogenität in beliebig großen Bereichen, in denen Gegenstände sowie feste, flüssige und gasförmige Stoffe oder Stoffgemische in einer mikrowellentechnisch ringförmig angeordneten wellenleitenden Hohlstruktur zum Zweck der Veränderung ihrer Eigenschaften, Beschaffenheit, Geometrie, Struktur und Zusammensetzung unter atmosphärischen oder nichtatmosphärischen Bedingungen wie Druck und Vakuum behandelt werden können. In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau des Ringresonators 1 dargestellt. Der Ringresonator 1 besteht aus einer wellenleitenden ringförmig angeordneten Hohlleiterstruktur 2, Generator 3, Zirkulator 4, Dreitorrichtkoppler 5, Behandlungskammer 6 und Phasenschieber 7. Die vom Generator 3 eingespeisten elektromagnetischen Wellen werden über den Richtkoppler 5 weitestgehend nur in einer Richtung weitergeleitet. Auf diese Weise verbleibt die im Ringresonator 1 nicht umgesetzte Energie nach jedem Umlauf im Ringresonator 1 und trägt somit zur Verstärkung des elektrischen Feldes bei.

Description

[Stand der Technik]

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vor richtung zum Erzeugen elektromagnetischer Felder hoher Feld stärke und Feldstärkehomogenität in beliebig großen Berei chen, in denen Gegenstände sowie feste, flüssige und gasför mige Stoffe oder Stoffgemische in einer mikrowellentechnisch ringförmig angeordneten wellenleitenden Hohlstruktur zum Zweck der Veränderung ihrer Eigenschaften, Beschaffenheit, Geometrie, Struktur und Zusammensetzung unter atmosphärischen oder nichtatmosphärischen Bedingungen wie Druck und Vakuum behandelt werden können.

Mikrowellen finden auf vielen Gebieten Verwendung. So bei spielsweise bei Rundfunk und Fernsehen, in der Radartechnik, bei der Meteorologie, Nachrichtenübertragung über Satelliten, beim sogenannten Richtfunk, in der Materialuntersuchung und zum Erwärmen von Lebensmitteln.

Bekannt ist die Mikrowellenbehandlung von Materialien unpola ren Charakters. Um die gewünschte Wirkung zu erzielen ist ei ne hohe elektrische Feldstärke erforderlich, die entweder mit einer entsprechend hohen Generatorleistung erzielt werden kann oder durch die Verwendung eines Resonators, der in Ab hängigkeit vom zu behandelnden Gut so zu berechnen und zu gestalten ist, daß ein Bereich hoher Feldstärke entsteht. Beide Verfahren sind sehr aufwendig und schaffen in der Regel nur kleine Bereiche hoher Feldstärke bzw. Bereiche mit hohen Feldstärkeinhomogenitäten. Nicht im Behandlungsgut umgesetzte Energie wird reflektiert und über geeignete Mittel (Zirkula tor) aus dem Prozeß ausgekoppelt und stellt somit einen Ver lustanteil dar.

Bekannt ist die Anordnung einer ringförmigen wellenleitenden Struktur mit einem Viertorrichtkoppler als Ringresonator in der Nachrichtentechnik und für meßtechnische Aufgaben der EMV-Prüfung. Nachteilig ist, daß die mit diesem System prin zipiell erreichbare hohe Feldstärke im Belastungsfall nicht aufrechterhalten werden kann, sondern zusammenbricht und so mit nicht für die Behandlung der Last zur Verfügung steht.

[Aufgabe der Erfindung]

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen elektromagnetischer Felder ho her Feldstärke und Feldstärkehomogenität in beliebig großen Bereichen anzugeben.

Gelöst wird diese Aufgabe durch das in Anspruch 1 angegebene Verfahren und die Vorrichtung gemäß Anspruch 3. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen an gegeben.

[Beispiele]

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei spiels erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines Ringreso nators,

Fig. 2 das Koppelprinzip des Resonators mit ei nem Dreitorrichtkoppler,

Fig. 3 einen Ringresonator mit Rückführung der reflektierten Energie.

In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau des Ringresonators 1 dargestellt. Der Ringresonator 1 besteht aus einer wellenlei tenden ringförmig angeordneten Hohlleiterstruktur 2, Genera tor 3, Zirkulator 4, Richtkoppler 5, Behandlungskammer 6 und Phasenschieber 7. Im Bereich außerhalb des Richtkopplers 5 ist die Behandlungskammer 6 angeordnet. Nach der Behandlungs kammer 6 und vor dem Richtkoppler 5 ist im Ringresonator 1 der Phasenschieber 7 angeordnet.

Die vom Generator 3 über den Zirkulator 4 in den Ringresona tor 1 eingespeisten elektromagnetischen Wellen werden über den Richtkoppler 5 weitestgehend nur in einer Richtung wei tergeleitet, in Fig. 1 entgegen dem Uhrzeigersinn. Auf diese Weise verbleibt die im Ringresonator 1 nicht umgesetzte Ener gie nach jedem Umlauf, bedingt durch die Richtwirkung des Richtkopplers 5, im Ringresonator 1 und trägt somit zur Ver stärkung des elektrischen Feldes bei. Der Phasenschieber 7 verschiebt die Phase der aus der Behandlungskammer kommenden elektromagnetischen Wellen so, daß sie phasengleich mit den in den Richtkoppler 5 eingespeisten elektromagnetischen Wel len sind. Der Zirkulator 4 nimmt im System entstehende re flektierte elektromagnetische Wellen auf und schützt so den Generator 3.

Fig. 2 zeigt den Aufbau des Richtkopplers 5. Der Richtkopp ler 5 besteht aus den Toren 1, 2 und 3 sowie Koppelblech 8 mit Koppelöffnung 9. Das Koppelblech 8 hat die Länge a. Die Koppelöffnung 9 ist so dimensioniert, daß die in Tor 1 einge speiste Energie E₀ so aufgeteilt wird, daß sich ein Teil der Energie in Richtung auf Tor 3 bewegt und ein Teil der Energie an der Koppelöffnung 9 erscheint. Die am Tor 3 ankommende Energie wird dort aufgeteilt. Ein Teil dieser Energie läuft in Richtung Tor 2 und der andere Teil E_r läuft durch die ringförmig angeordnete Hohlleiterstruktur 2. Die Lauflänge (Koppellänge) von der Koppelöffnung 9 um das Koppelblech 8 über Tor 3 wieder zur Koppelöffnung 9, d. h. etwa die doppelte Koppelblechlänge a, und die Koppelöffnung 9 sind so zu bemes sen, daß die an der Koppelöffnung 9 ankommenden beiden Ener gieströme mit einem Phasenunterschied von 180° und gleicher Größe aufeinandertreffen, so daß sich die beiden Signale ge genseitig aufheben. Gleiches gilt in umgekehrter Richtung bei Einspeisung in Tor 2. Auf diese Weise ist gewährleistet, daß den Richtkoppler 5 elektromagnetische Wellen nur in Richtung auf den Eingang der Behandlungskammer 6 verlassen.

Die Koppelöffnung 9 kann so dimensioniert sein, daß die in Tor 1 eingespeiste Energie E₀ so aufgeteilt wird, daß 2/3 der Energie E₀ sich in Richtung Tor 3 bewegen und 1/3 der Energie E₀ an der Koppelöffnung 9 erscheint. Die an Tor 3 ankommenden 2/3 E₀ werden dort zu gleichen Teilen aufgeteilt. Die eine Hälfte (1/3 E₀) läuft in Richtung Tor 2 und die andere Hälfte (1/3 E₀) läuft als E_r durch die ringförmig angeordnete Hohl leiterstruktur 2. An der Koppelöffnung 9 treffen die beiden Energieströme mit einem Phasenunterschied von 180° und glei cher Größe von je 1/3 E₀ aufeinander, so daß sich die beiden Signale gegenseitig aufheben. Gleiches gilt in umgekehrter Richtung bei Einspeisung in Tor 2. Auf diese Weise ist ge währleistet, daß den Richtkoppler 5 elektromagnetische Wellen nur in Richtung auf den Eingang der Behandlungskammer 6 ver lassen. Am Richtkoppler 5 erfolgt eine phasengleiche Rück speisung der im Ring nicht umgesetzten Energie. Daher erfolgt mit jedem Umlauf eine Verstärkung des elektrischen Feldes in Abhängigkeit von der im Ring vorhandenen Last.

Somit sind Tor 1 und Tor 2, die über eine resonante Anordnung miteinander verbunden sind, völlig voneinander entkoppelt, wenn die Koppellänge und die Koppelöffnung exakt auf die ein gespeiste Frequenz abgestimmt sind. Bei äußerst sorgfältiger Abstimmung von Koppellänge und Koppelöffnung 9 auf die einge speiste stabile Speisefrequenz, ist eine Entkopplung von Tor 1 und Tor 2 von weit über 50 dB zu erzielen. Durch die Aus führung der Wellenleiter in Hohlleitertechnik ist eine rich tungsgebundene, entkoppelte Energieeinspeisung am Tor 1 und/oder Tor 2 in Richtung Tor 3 mit sehr hohen Energielei stungen möglich.

Das Koppelblech 8 ist im Bereich der Koppelöffnung 9 und der Tore 1, 2 und 3 so dünn dimensioniert, daß die Koppellänge zwischen Tor 1 und Tor 2 gegen 0 läuft. Die erforderliche Oberflächenleitfähigkeit des Koppelblechs 8 muß dabei erhal ten bleiben.

Fig. 3 zeigt einen Ringresonator 1 mit Rückführung der re flektierten Energie. Um Reflexionen, die durch das Behand lungsgut (Last) 10 hervorgerufen werden, aus dem Ringresona tor 1 auszukoppeln, ist im Ringresonator ein Zirkulator 4 an geordnet, der die reflektierte Energie aus der Hohlleiter struktur 2 auskoppelt. Diese ausgekoppelte Energie kann in einer Abschlußlast verbraucht werden oder über einen weiteren erfindungsgemäßen Richtkoppler 5 dem System phasengleich zu geführt werden.

Die Dimensionierung der Behandlungskammer sollte so erfolgen, daß eine linear polarisierte Wellenform erhalten bleibt, um ein weitestgehend homogenes elektrisches Feld zu erhalten.

Die Anpassung der Behandlungskammer an das Hohlleitersystem hat so zu erfolgen, daß Reflexionen der elektromagnetischen Wellen vermieden werden. Für die Leistungseinspeisung sind elektromagnetische Wellen mit einer stabilen Arbeitsfrequenz, z. B. 2,45 GHz zu verwenden. Der erfindungsgemäße Richtkoppler sowie der Ringresonator (resonante Länge) sind entsprechend dieser Arbeitsfrequenz exakt zu dimensionieren. Die durch die in der Behandlungskammer eingebrachte Last (zu behandelnde Gut) veränderte resonante Länge, ist durch einen im Ringreso nator angeordneten Phasenschieber wieder anzupassen. Die An passung kann vorzugsweise automatisch während der Behand lungsphase erfolgen.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Vorrich tung besteht insbesondere darin, daß sich die in den Ring eingespeiste Energie vorzugsweise nur in einer Richtung fort bewegt und die in der im Ring befindlichen Last 10 nicht um gesetzten Energieanteile über die Ringstruktur 2 der Last 10 wieder zugeführt werden. Somit erhöht sich die elektrische Feldstärke mit jedem Umlauf, bis die Feldstärke erreicht ist, die eine Umsetzung der gesamten Speiseleistung entsprechend den Lastbedingungen gewährleistet.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, daß in Ab hängigkeit der verwendeten Frequenz eine größere homogene Zo ne des elektrischen Feldes bei fortschreitenden Wellen er zeugt werden kann.

Bei Realisierung eines Höchstvakuums im Ringresonator und Aufbau einer verlustfreien Hohlleiterstruktur 2 (Supralei tung) kann der erfindugnsgemäße Ringresonator zur Speicherung von Energie verwendet werden.

Bezugszeichenliste

1

Ringresonator

2

Hohlleiterstruktur

3

Generator

4

Zirkulator

5

Richtkoppler

6

Behandlungskammer

7

Phasenschieber

8

Koppelblech

9

Koppelöffnung

10

Behandlungsgut (Last)

Claims

1. Verfahren zum Erzeugen elektromagnetischer Felder hoher Feldstärke und Feldstärkehomogenität bei dem

a) die vom Generator 3 erzeugten elektromagnetischen Wellen über einen Richtkoppler 5, bestehend aus den Toren 1, 2 und 3 sowie einem Koppelblech 8 mit Koppelöffnung 9, in eine ringförmig angeordnete Hohlleiterstruktur 2 einge speist werden,
b) die an Tor 1 in den Richtkoppler 5 eingespeiste Energie E₀ so aufgeteilt wird, daß sich ein Teil der Energie in Richtung auf Tor 3 bewegt und ein Teil der Energie an der Koppelöffnung 9 erscheint und die am Tor 3 ankommen de Energie dort aufgeteilt wird, wobei ein Teil dieser Energie, der dem an der Koppelöffnung 9 abgezweigten Energiestrom gleich groß ist, in Richtung Tor 2 läuft und der andere Teil E_r durch die ringförmig angeordneten Hohlleiterstruktur 2 läuft, wobei die Lauflänge von der Koppelöffnung 9 um das Koppelblech 8 über Tor 3 wieder zur Koppelöffnung 9 so dimensioniert ist, daß die an der Koppelöffnung 9 ankommenden beiden gleich großen Ener gieströme mit einem Phasenunterschied von 180° aufeinan dertreffen,
c) die an Tor 2 in den Richtkoppler 5 eingespeiste Energie E_r so aufgeteilt wird, daß sich ein Teil der Energie in Richtung auf Tor 3 bewegt und ein Teil der Energie an der Koppelöffnung 9 erscheint und die am Tor 3 ankommen de Energie dort aufgeteilt wird, wobei ein Teil dieser Energie, der dem an der Koppelöffnung 9 abgezweigten Energiestrom gleich groß ist, in Richtung Tor 1 läuft und der andere Teil in die ringförmig angeordnete Hohl leiterstruktur 2 läuft, wobei die Lauflänge von der Kop pelöffnung 9 um das Koppelblech 8 über Tor 3 wieder zur Koppelöffnung 9 so dimensioniert ist, daß die an der Koppelöffnung 9 ankommenden beiden gleich großen Ener gieströme mit einem Phasenunterschied von 180° aufeinan dertreffen.,
d) die an den Toren 1 und 2 in den Richtkoppler 5 eingelei teten Energieströme am Tor 3 phasengleich zusammentref fen und sich addieren.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die an Tor 1 in den Richtkoppler 5 eingespeiste Energie E₀ so aufgeteilt wird, daß sich 2/3 der Energie in Rich tung auf Tor 3 bewegen und 1/3 der Energie an der Koppe löffnung 9 erscheint und die am Tor 3 ankommende Energie zu gleichen Teilen aufgeteilt wird, wobei eine Hälfte dieser Energie in Richtung Tor 2 läuft und die andere Hälfte als Energie E_r durch die ringförmig angeordnete Hohlleiterstruktur 2 läuft, wobei die an der Koppelöff nung 9 ankommenden beiden gleich großen Energieströme mit einem Phasenunterschied von 180° aufeinandertreffen,
b) die an Tor 2 in den Richtkoppler 5 eingespeiste Energie E_r so aufgeteilt wird, daß sich 2/3 der Energie in Rich tung auf Tor 3 bewegen und 1/3 der Energie an der Koppe löffnung 9 erscheint und die am Tor 3 ankommende Energie zu gleichen Teilen aufgeteilt wird, wobei eine Hälfte dieser Energie in Richtung Tor 1 läuft und die andere Hälfte durch die ringförmig angeordneten Hohlleiter struktur 2 läuft, wobei die an der Koppelöffnung 9 an kommenden beiden gleich großen Energieströme mit einem Phasenunterschied von 180° aufeinandertreffen.

3. Vorrichtung zum Erzeugen elektromagnetischer Felder hoher Feldstärke und Feldstärkehomogenität bestehend aus einem Ringresonators 1 mit einer wellenleitenden ringförmig an geordneten Hohlleiterstruktur 2, Generator 3, Dreitor richtkoppler 5, Behandlungskammer 6 und Phasenschieber 7.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Richtkoppler 5 aus den Toren 1, 2 und 3 sowie Koppel blech 8 mit Koppelöffnung 9 besteht, wobei Koppelöffnung 8 und die Länge a des Koppelblechs 8 in Abhängigkeit von der Arbeitsfrequenz dimensioniert sind.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekenn zeichnet, daß in der wellenleitenden ringförmig angeordne ten Hohlleiterstruktur 2 wenigstens ein Zirkulator 4 ange ordnet ist, der die im System enthaltenen reflektierten Energieanteile aus dem System auskoppelt.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß die vom Zirkulator 4 ausgekoppelen Energie anteile über einen zweiten Richtkoppler 5 dem System pha sengleich zugeführt werden.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß die Behandlungskammer 6 so dimensioniert ist, daß eine linear polarisierte Wellenform erhalten bleibt, um ein weitestgehend homogenes elektrisches Feld zu erhalten.

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, daß die durch die in der Behandlungskammer 6 eingebrachte Last 10 veränderte resonante Länge durch den im Ringresonator angeordneten Phasenschieber 7 wieder an gepaßt wird.

9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 bis 8, dadurch gekenn zeichnet, daß das Koppelblech 8 im Bereich der Koppelöff nung 9 und der Tore 1, 2 und 3 so dünn dimensioniert ist, daß die Koppellänge zwischen Tor 1 und Tor 2 gegen 0 läuft und die erforderliche Oberflächenleitfähigkeit des Koppel blechs 8 erhalten bleibt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringresonator 1 evakuiert und mit einer verlustfreien Hohlleiterstruktur 2 (Supraleitung) ausgeführt ist.