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Die
Erfindung betrifft einen Mikrowellengenerator mit zwei in einem
Gehäuse
vorgesehenen, über
eine bei Anliegen einer Hochspannung zur Abstrahlung von Mikrowellen
durchschlagende Funkenstrecke getrennte Elektroden.
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Die
Funktion eines solchen Mikrowellengenerators beruht darauf, dass
eine Hochspannungsquelle, etwa eine gemäß dem Prinzip der Marx'schen Stoßspannungsschaltung
parallel aufgeladene und dann in Serie geschaltene Kondensatorbatterie, über eine
Funkenstrecke kurzgeschlossen und damit entladen wird. Infolge des
Kurzschlusses entstehen stark oszillierende Entlade- oder Kurzschlussströme mit steiler
Flanke, die eine Mischung sehr hoher Frequenzen enthalten, die in
der Regel über
eine Antenne als Mikrowellenenergie mit einem breitbandigen, vom
Frequenzgemisch abhängigen
Spektrum abgestrahlt werden. Dieses breitbandige Mikrowellenspektrum
weist eine so hohe Energiedichte auf, dass in der Umgebung eines
solchen Mikrowellengenerators der Funkverkehr zumindest beeinträchtigt und Eingangskreise
elektronischer Schaltungen aufgrund von Resonanzeffekten gestört oder
sogar zerstört werden
können.
Alternativ zur Verwendung einer Marx'schen Stoßspannungsschaltung kann auch
ein explosionsstoffgetriebener Hochspannungsgenerator eingesetzt
werden, der im Vergleich mit herkömmlichen Hochspannungsgeneratoren
einen einzelnen Hochspannungspuls mit extrem hoher Pulsenergie zur
Verfügung
stellen kann.
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Die
Abstrahlung der Mikrowellen beruht auf einem entladungsbedingten
Resonanzeffekt. Den Zündelektroden,
zwischen denen die Funkenstrecke ausgebildet ist, sind weitere resonierende
Elektroden- oder Leiterstrukturen zugeordnet, in denen der beim
Durchschlagen erzeugte Entladestromimpuls zu kräftigen Sprungoszillationen
führt,
deren Frequenzgemisch eine Resonanzüberhöhung nach Maßgabe der
momentanen elektrisch wirksamen Geometrie des Resonators bzw. der
Resonatorstruktur ist.
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Ein
Mikrowellengenerator der eingangs genannten Art ist aus
DE 101 51 565 A1 bekannt.
Er besteht aus einer Funkenstrecke, die zwischen einer kleinen,
pilzkappenförmigen
Elektrode und einer größeren, keulenartigen
Elektrode gebildet ist. Ferner ist ein äußerer Leiter vorgesehen, der
die keulenförmige Elektrode
umgibt, und der über
eine entsprechende Verbindungsstruktur mit der pilzkappenförmigen Elektrode
verbunden ist. Diese Verbindungsstruktur kann zusammen mit der pilzkappenförmigen Elektrode über einen
Spindelmechanismus in ihrer axialen Position bezüglich der feststehenden zweiten
Elektrode und des feststehenden, diese umgreifenden Leiters zum
Zwecke der Abstimmung verschoben werden. Das Gehäuse dieses Generators ist in
dem Bereich, in dem die Elektrodenspindel ausgeführt ist, über einen großflächigen stopfenartigen
Isolier-Abschlussdeckel geschlossen, an dem auch der hohlzylindrische
Leiter, der sich von diesem Gehäuseende bis
zur Resonatorelektrode, diese seitlich beabstandet umgreifend, erstreckt,
angeordnet ist.
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Diese
Generatorausführung
ist sehr aufwändig
und bedarf einer Vielzahl separater Bauteile, insbesondere im Bereich
des Gehäuseabschlusses
zur Hochspannungsversorgung, die an die Elektrodenspindel angelegt
wird, wo ein speziell hergerichteter Abschlussdeckel aus einem hinreichend
ausgelegten Isolierwerkstoff vorgesehen werden muss, an dem zusätzlich zur
Führungsspindel
auch wie beschrieben der hohlzylindrische Leiter zu lagern ist.
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Der
Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, einen Mikrowellengenerator
anzugeben, der einfacher konzipiert ist und zu dessen Herstellung weniger
Teile vonnöten
sind.
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Zur
Lösung
dieses Problems ist bei einem Mikrowellengenerator der eingangs
genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen,
dass die eine Elektrode topfartig ausgebildet ist und die andere
innere Elektrode zumindest über
einen Teil ihrer Länge
beabstandet außenseitig übergreift,
wobei die topfartige Elektrode einen Bodenabschnitt aufweist, der
gleichzeitig den seitlichen Abschluss des Gehäuses bildet.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Mikrowellengenerator
ist die eine Zündelektrode
selbst als größerflächige Leiterstruktur
ausgebildet, die im Wesentlichen topfartig ausgeführt ist.
Sie weist einen Bodenabschnitt auf, über den die Hochspannungszufuhr
erfolgt. Aufwändige
Kontaktierungen wie im Falle der axialen Hochspannungskontaktierungen
in
DE 101 51 565 A1 entfallen
vorteilhaft.
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Von
dem geschlossenen Bodenabschnitt dieser metallischen Elektrode,
die zur Bildung der Funkenstrecke eine geeignete Nase oder dergleichen,
die der inneren Elektrode beabstandet gegenübersteht, aufweist, geht randseitig
ein sich axial erstreckender Abschnitt ab, der die innere, bevorzugt keulenartige
Elektrode beabstandet umgreift. Dieser Abschnitt kann geschlossen
ausgeführt
sein, das heißt,
die topfartige Elektrode bildet ein rotationssymmetrisches, hohlzylindrisches
Bauteil, alternativ kann dieser Abschnitt auch unter Verwendung
mehrerer parallel laufender Stäbe
oder Abschnitte, die eine Art Käfig
bilden, realisiert sein.
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Unter
Verwendung einer derart ausgeführten Elektrode
kann auf einfache Weise ein Mikrowellengenerator realisiert werden.
Denn die Elektrode als einstückiges,
einzelnes Bauteil erfüllt
mehrere Funktionen. Zum einen die der Ausbildung der Funkenstrecke,
zum anderen bietet sie die Möglichkeit
der Hochspannungszuführung,
und schließlich
bildet sie mit ihrem Bodenabschnitt gleichzeitig die Abschlussplatte
des Gehäuses,
so dass in diesem Bereich keine separaten Isolierplatten oder dergleichen
mehr vorzusehen sind. Der gesamte Aufbau des Generators wird hierdurch
vereinfacht.
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In
Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Innenform
der topfartigen Elektrode zumindest über einen Teil der Länge, über die sie
die innere Elektrode übergreift,
im Wesentlichen der Außenform
der inneren Elektrode entspricht. Das heißt, die Form der einander gegenüberliegenden Flächen der
inneren und der äußeren Elektrode
bzw. des Elektrodenabschnitts sind aufeinander abgestimmt, um die
sich ergebende Koaxialleiterstruktur im Hinblick auf die hohen Ladespannungen
zu optimieren. Dabei kann der Abstand zwischen innerer und äußerer Elektrode
zumindest über
einen Teil der Länge, über die
sie einander radial übergreifen,
näherungsweise
gleich sein. Insbesondere sollte das Verhältnis des Innendurchmessers
der äußeren Elektrode
zum Außendurchmesser
der inneren Elektrode zumindest über
einen Teil der Länge, über die sie
einander radial übergreifen,
näherungsweise
konstant sein. Hierüber
wird erreicht, dass die Impedanz der Elektroden- bzw. Leiterstruktur
im radialen Übergriffsbereich
annähernd überall gleich
ist und es zu keinen Impedanzsprüngen,
an denen es zu Reflexionen der im Entladefall oszillierenden Entlade-
oder Kurzschlussströme
kommt, in diesem Bereich vorhanden sind.
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Wie
beschrieben sind aus insbesondere fertigungstechnischen Gründen beide
Elektroden rotationssymmetrisch, wobei die innere Elektrode bevorzugt
keulenartig und die äußere Elektrode
bevorzugt hohlzylindrisch ausgebildet ist.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
dem im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der
Zeichnung.
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Die
Figur zeigt einen erfindungsgemäßen Mikrowellengenerator 1 in
Form einer Prinzipdarstellung. Er besteht aus einem zylindrischen
Isoliergehäuse 2,
bevorzugt einem Glasfasergehäuse,
das an einer Seite über
einen Abschlussdeckel 3, beispielsweise aus einem Isoliermaterial,
geschlossen ist. Im Inneren ist ein Resonator 4 ausgebildet,
bestehend aus zwei einander gegenüberliegenden Elektroden 5, 6,
wobei die Elektrode 5 im Wesentlichen keulenförmig mit
einem mittleren zylindrischen Abschnitt konstanten Durchmessers
ausgebildet ist und die innere Elektrode bildet, während die
Elektrode 6 topfartig ausgeführt ist und die äußere Elektrode
bildet. Beide sind rotationssymmetrische Bauteile.
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Die
beiden Bauteile 5, 6 sind über eine Funkenstrecke 7 voneinander
getrennt, welche Funkenstrecke 7 über zwei Zündelektroden 8, 9 ausgebildet ist.
Die Zündelektrode 8 ist
als vorspringende Nase an der äußeren Elektrode 6 ausgebildet,
während
die Zündelektrode 9 als
integrale Fläche
an der Kugelkappe der inneren Elektrode 5 realisiert ist.
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Im
Inneren des Gehäuses
ist mit hohem Druck ein bevorzugt gasförmiges Dielektrikum, vornehmlich
SF6 mit hohem Druck aufgenommen.
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Wie
die Figur zeigt, weist die äußere Elektrode 6 eine
topfartige Form auf. Sie besteht aus einem Bodenabschnitt 10,
an dem axial vorspringend ein hohlzylindrischer Elektrodenabschnitt 11 vorgesehen ist,
der wie die Figur zeigt den keulenartigen Resonator bzw. die Elektrode 5,
an der eine Antenne 12 als abstrahlendes Element in Form
einer trichterartigen Struktur angeordnet ist, umgreift. Der Elektrodenabschnitt 11 weist
im mittleren Bereich, wo er den zylindrischen mittleren Abschnitt
der Elektrode 5 umgreift, ebenfalls einen konstanten Innendurchmesser
auf.
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Ersichtlich
bildet der Bodenabschnitt 10 der Elektrode 6 gleichzeitig
die seitliche Abschlussplatte des Gehäuses 2, über die
der Gehäuseinnenraum, der
wie beschrieben mit dem gasförmigen
Dielektrikum (alternativ kann auch ein flüssiges Dielektrikum wie beispielsweise Öl verwendet
werden) gefüllt
ist, dicht abgeschlossen ist. Der einstückigen, bevorzugt als metallenes
Drehteil ausgeführten
Elektrode 6 kommt damit über ihre eigentliche Elektrodenfunktion eine
weitere Funktion zu.
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Wie
die Figur zeigt, ist die Innenform der Elektrode 6, insbesondere
in dem mittleren zylindrischen Bereich des Elektrodenabschnitts 11,
der radial beabstandet zum mittleren zylindrischen Bereich der inneren
Elektrode 5 liegt, entsprechend der Außenkontur der inneren Elektrode
ausgeführt.
Bevorzugt ist der Abstand zwischen dem Elektrodenabschnitt 11 und
der inneren Elektrode, zumindest in diesem Bereich, in dem sie beide
einander achsparallel gegenüberliegen,
konstant. Generell sollte in den Längenabschnitten, in denen die
beiden Elektroden einander umgreifen – abgesehen von dem Bereich,
in dem der Bodenabschnitt 10 der Kugelkappe gegenüberliegt
und dem gegenüberliegenden
Bereich, wo sich beide Elektroden 5, 6 im Durchmesser vergüngen – das Verhältnis des
Innendurchmessers des mittleren Bereichs des Elektrodenabschnitts 11 zum
Außendurchmesser
des mittleren Bereichs der inneren Elektrode 5 im Wesentlichen
konstant sein, um über
die Länge
der einander gegenüberliegenden Abschnitte
auch ein konstantes Impedanzverhalten zu realisieren. Wie die Figur
zeigt, verjüngt
sich die Elektrode 5 im Übergangsbereich zur Antenne 12, das
heißt
der Durchmesser nimmt ab. Entsprechend nimmt auch der Durchmesser
der äußeren Elektrode 6 im
Endbereich ab, jedoch nicht so stark, wie sich der Durchmesser der
inneren Elektrode 5 reduziert. Diese ungleichmäßige Durchmesseränderung
ermöglicht
eine gezielte Impedanzanpassung. Hier wird ein gezielter Impedanzsprung
realisiert, an dem ein Teil des schwingenden Stroms reflektiert
wird. Über
die konkrete, geometriebedingte Impedanzform bzw. den Impedanzverlauf
kann die Form und die Dauer der abgestrahlten Mikrowellenpulse entsprechend
angepasst werden.
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Wie
beschrieben bildet der Bodenabschnitt 10 gleichzeitig den
Gehäuseabschluss.
Dies ermöglicht
eine einfache Kontaktierung mit der Hochspannungsquelle 13,
beispielsweise einem Marx'schen Stossspannungsgenerator.
Die Verwendung einer einstückigen,
metallenen Elektrode der beschriebenen Form bietet ferner die Möglichkeit,
die mit der Verwendung separater Isolatorelemente im Bereich der
Hochspannungszufuhr verbundenen Probleme zu vermeiden. Diese Isolatoren
halten häufig
der extremen Beanspruchung, wie sie die extrem hohen Feldstärken, die
im Durchschlagfall auf den Isolator wirken, typischerweise in der
Größenordnung
von 100–500
GV/m, nicht stand, so dass es zu Fehlfunktionen im Isolatorbereich
kommt, oder aber eine entsprechende Dimensionierung der Isolatorelemente erforderlich
ist. Die Erkenntnis, dass in diesem Bereich überhaupt kein Isolator zu verwenden
ist lässt es
vorteilhaft zu, neben einem einfachen Aufbau auch die aus der Verwendung
von Isolatormaterial resultierenden Probleme zu beseitigen.
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Im
Betrieb wird an den Bodenabschnitt 10 und damit die Elektrode 6 der
Hochspannung angelegt, das heißt,
die sich aus den Elektroden 5, 6 ergebende Kondensatorstruktur
wird aufgeladen. Bei Erreichen der Durchbruchspannung zündet die
Funkenstrecke 7, so dass es zu den bereits eingangs beschriebenen
Entlade- oder Kurzschlussströmen kommt,
die oszillierende Schwingungen auf der Elektrode 5 durchführen.