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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Konzentration von Mikrowellenenergie in einem örtlichen Wirkungsbereich mit einer Antennenanordnung, die in einem mindestens teilweise zylindrischen Hohlkörper angeordnet ist, dessen Mantelfläche mindestens teilweise die Form eines Kegelschnitts aufweist.
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Für verschiedene Anwendungen in der Technik ist es häufig erforderlich, Energie in einem vorgegebenen Raum - im Folgenden auch Wirkungsbereich genannt - zu konzentrieren. Dies ist beispielsweise zur Plasmabildung oder zum Erwärmen oder Schmelzen von verschiedenen Werkstoffen erforderlich.
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In
US 2 283 935 A ist ein Hornstrahler beschrieben, bei welchem eine Antenne in einem Rohr mit einer kreisförmigen Querschnittsfläche angeordnet ist. Durch den sich daran anschließenden aufweitenden Bereich des Hornstrahlers kann eine gerichtete Abstrahlung der elektromagnetischen Wellen bewirkt werden. Durch
DE 199 25 493 C1 ist eine linear ausgedehnte Anordnung zur großflächigen Mikrowellenbehandlung und zur großflächigen Plasmaerzeugung bekannt geworden. Dabei ist eine lang gestreckte Antenne in einem Brennpunkt eines elliptischen Hohlzylinders angeordnet, während bei dem anderen Brennpunkt ein Behandlungsfokusbereich vorliegt. Bei dieser Anordnung ist jedoch keine gleichphasige Interferenz der Mikrowellen im Behandlungsfokusbereich sichergestellt, so dass keine räumlich und zeitlich stabile Feldverteilung sichergestellt ist. Ferner ist in M. Graf, E. Räuchle, H. Urban, M. Kaiser, L. Alberts, R. Emmerich, P.Elsner: „Numerical Simulation of Microwave Field Distribution for Bifocal Plasma Sources“, Surf. Coat. Technol. 200 (2005) 904-908 eine Computersimulation der Wellenausbreitung in einem elliptischen Hohlzylinder beschrieben, wobei die Mikrowellen nicht innerhalb des Hohlzylinders erzeugt, sondern durch parallel geführte Hohlleiter zugeleitet werden. Dabei ergeben sich laut Simulation über den gesamten Höhenbereich des Hohlzylinders konstante Ausbreitungsbedingungen und damit eine gleichphasige Interferenz der Mikrowellen in einem Wirkungsbereich ohne innere Einteilungen. Bei innerhalb des Hohlkörpers angeordneten Antennen liegen die Verhältnisse jedoch anders.
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Aufgabe der Erfindung ist die Erzeugung einer konzentrierten, freistehenden, homogenen und linear ausgedehnten Feldverteilung, die groß gegen die Wellenlänge sein kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Antennenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die Erfindung erzielt die zeitliche und räumliche Aussendung von elektromagnetischen Wellen, die weitgehend nur die Ausbildung einer elektromagnetischen Mode erlauben, welche zur gewünschten freistehenden, konzentrierten, homogenen und linear ausgedehnten Feldverteilung führt.
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Die erfindungsgemäßen Maßnahmen bewirken, dass im Wirkungsbereich, der groß gegenüber der Wellenlänge ist, eine homogene und linear ausgedehnte Feldverteilung auftritt. Der Wirkungsbereich ist nicht durch begrenzende oder führende Wände eingeschränkt, wie es bei anderen Anlagen zur Beschränkung der Modenzahl vorgesehen ist. Damit wird ein Kontakt des Plasmas oder anderer zu bearbeitender Medien mit Wandmaterial vermieden. Die Größe der erfindungsgemäßen Anordnung muss nicht auf die Dimension der charakteristischen Wellenlänge beschränkt werden, um die Modenanzahl auf eine zu limitieren. Es können deshalb großvolumige Anlagenkonzepte realisiert werden, bei denen es auf eine zeitlich stabile Feldverteilung ankommt.
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Das Wesentliche an der Erfindung ist die selektive Überlagerung der elektromagnetischen Wellen, die zeitlich und räumlich so angeordnet sind, dass sie zu einer örtlichen und phasenrichtigen Ausbildung der freistehenden, konzentrierten homogenen und linear ausgedehnten Feldkonzentration führt. Der Kern der Erfindung ist dabei, die elektromagnetische Elementarwelle durch eine geeignete Sendeeinheit auf den freistehenden Wirkungsbereich zu konzentrieren und mit anderen Elementarwellen aus anderen Sendeeineinheiten phasenrichtig zu superpositionieren. Durch den Einsatz von elementaren Sendeeinheiten können freistehende, homogene, linear ausgedehnte Feldverteilungen örtlich konzentriert werden. Die Länge der Applikation bestimmt die Anzahl der benötigten elementaren Sendeeinheiten. Als Beispiel sei die 8- fache Anordnung mit einer Mikrowellenfrequenz von 2,45 GHz angeführt, die eine homogene linear ausgedehnte Feldverteilung von 1 m Länge erzielt.
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Der wesentliche Vorteil der Erfindung ist die modulare Erzeugung von freistehenden, linear ausgedehnten Feldverteilungen hoher elektromagnetischer Feldstärke. Das elektromagnetische Feld kann beispielsweise zur Ausbildung von linear ausgedehnten Plasmen mit ausgezeichneter Homogenität eingesetzt werden, welche ohne Wandkontakt freistehend für die Oberflächenbehandlung hochempfindlicher Materialien eingesetzt werden können.
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Erfindungsgemäß sind mehrere Höhenabschnitte vorgesehen, die im Bereich der Einzelantennen durch leitende Zwischenwände voneinander getrennt sind.
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Eine sichere Erhaltung der von jeweils einer Einzelantenne erzeugten Monomode ist dadurch erzielbar, dass die leitenden Zwischenwände die Höhe der Höhenabschnitte in der Nähe der Einzelantennen auf die halbe Wellenlänge begrenzen und allmählich in Richtung auf den Wirkungsbereich auslaufen.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass den Einzelantennen phasengleiche Mikrowellen zuführbar sind. Dabei ist ein genauer Längenabgleich der zuführenden Mikrowellenleiter erforderlich.
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Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Einzelantennen von einem die Höhenabschnitte durchlaufenden gemeinsamen Leiter gebildet werden, der durch Öffnungen in den Zwischenwänden geführt ist.
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Diese Ausgestaltung kann dadurch weitergebildet werden, dass an dem einen Ende des Leiters ein Anschluss für die Zuleitung von Mikrowellen und am anderen Ende ein durchstimmbarer Leitungsabschluss vorgesehen ist.
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Eine besonders hohe Energiekonzentration wird bei der erfindungsgemäßen Anordnung erreicht, wenn der Hohlkörper einen elliptischen Querschnitt aufweist, wobei die Antennenanordnung in einem der Brennpunkte vorgesehen ist und der Wirkungsbereich um den anderen Brennpunkt herum liegt.
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Für Anwendungen zur Erwärmung oder zur Wärmebehandlung können in Wänden, welche die Grundflächen des Hohlkörpers bilden, im Wirkungsbereich Öffnungen zum Einführen von zu bearbeitendem Gut vorgesehen sein.
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Es können auch Teile des Hohlkörpers durch Mikrowellen-durchlässige Wände abgetrennt sein. Je nach Erfordernissen kann die Abtrennung gas- oder vakuumdicht sein.
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Zur Erzeugung von Plasma können in Wänden, welche die Grundflächen des Hohlkörpers bilden, im Wirkungsbereich Öffnungen für ein Rohr aus mikrowellendurchlässigem und hitzebeständigem Werkstoff vorgesehen sein. In dem abgetrennten Teil und in dem Rohr können gasförmige oder flüssige Medien behandelt oder Plasma erzeugt werden.
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Eine leicht zu variierende Anordnung wird durch einen modularen Aufbau ermöglicht, wobei eine Zwischenwand und ein Abschnitt der Mantelfläche je ein Mittelmodul und eine Grundfläche und ein Abschnitt der Mantelfläche je ein Endmodul bilden.
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Vorzugsweise kann dabei vorgesehen sein, dass in der Mantelfläche am Wirkungsbereich Sichtfenster in Form einer Perforation angeordnet sind.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigt:
- 1 schematisch ein Ausführungsbeispiel, bei welchem die Einzelantennen von einer gemeinsamen Leitung gebildet werden,
- 2 ein Ausführungsbeispiel mit Einzelantennen, die parallel mit gleichphasigen Mikrowellen versorgt werden,
- 3 verschiedene Ausführungsbeispiele der Antennen,
- 4 verschiedene Ausführungsbeispiele der Durchführungen des gemeinsamen Leiters durch die Zwischenwände,
- 5 verschiedene Ausführungsbeispiele der Einzelantennen,
- 6 bis 8 verschiedene Ausformungen der als Taper ausgebildeten Zwischenwände,
- 9 ein weiteres Ausführungsbeispiel,
- 10 bis 12 verschiedene Querschnitte des Hohlkörpers,
- 13 eine Explosionszeichnung einer praktisch ausgeführten erfindungsgemäßen Anordnung und
- 14 eine teilweise geschnittene erfindungsgemäße Anordnung.
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Die 1 und 2 zeigen jeweils als Längsschnitt zwei Höhenabschnitte, die als Module ausgebildet sind, in schematischer Darstellung, nämlich ein Modul n und ein Modul n+1. In der rechten Hälfte der Zeichnungen ist jeweils der Bereich um die Antennen dargestellt, während der linke Teil der Abbildungen jeweils den Wirkungsbereich umfasst. Der durchgehende gemeinsame Leiter 1, der in diesem Beispiel als Stab dargestellt ist, wirkt in den Bereichen 2 und 3 als Einzelantenne und erzeugt eine Monomodewelle. Diese bleibt nach einer in den 1 und 2 im Einzelnen nicht dargestellten Aufweitung auf eine volle Wellenlänge λ erhalten, so dass sich keine schädlichen Auslöschungen im gestrichelt dargestellten Wirkungsbereich 5 ergeben. Punktierte Linien 6 deuten lediglich die Grenzen zwischen den Modulen an.
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Zwischen den Bereichen 2, 3 sind in den Zwischenwänden 4 Durchführungen vorgesehen, in denen keine Abstrahlung auftritt. Die Antennen werden zusammen mit der sie umgebenden Mantelfläche des Hohlkörpers im folgenden auch Sendeeinheiten genannt.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach 2 ist jeweils eine Einzelantenne 8, 9 vorgesehen, die über geeignete Mittel (Koaxialkabel, Hohlleiter) mit gleichphasigen Mikrowellen beaufschlagt werden kann, was in den Figuren lediglich durch Pfeile dargestellt ist.
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Durch die Geometrie der Antennen und Durchführungen, die insbesondere auch in unterschiedlichen Modulen der Anordnungen unterschiedlich geformt sein kann, wird eine Optimierung der sich ergebenden elektrischen Feldkonfiguration erzielt. Einige Beispiele für denkbare Geometrien der Antennen sind in 3 dargestellt, wobei jeweils Sendeeinheiten zweier Module gezeigt sind. In 3A ist eine Stabantenne 1 mit konstantem Durchmesser vorgesehen, in 3B eine getaperte Antenne 12 und in 3C eine strukturierte Antenne 13, deren Durchmesser sich verschieden stark in den einzelnen Modulen erweitert.
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4 zeigt drei verschiedene Ausbildungen der Antennendurchführungen durch die Zwischenwände 4, nämlich in 4A eine getaperte Durchführung 14, in 4B eine runde Durchführung 15 und in 4C eine sanduhrförmige Durchführung 16.
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Bei der bereits in 2 gezeigten Einzeleinkopplung kann mit der Wahl der Antennenformen Einfluss sowohl auf die Feldstärke als auch auf die übertragene Leistung genommen werden. In 5 sind unterschiedliche Ausbildungen der Antennen dargestellt, nämlich in 5A eine Stabantenne 17 der Länge λ/4, in 5B eine Antenne mit einem Leitkegel 18 und in 5C eine Knaufantenne 19.
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Um die Felder der λ/2 hohen Sendeeinheiten homogen und phasenrichtig im Wirkungsbereich zu interferieren, müssen sie geeignet geführt werden. Dazu sind verschiedene getaperte Übergänge auf die jeweilige Geometrie angepasst. In 6 ist ein Übergang 21 dargestellt, dessen Erweiterung erst in einiger Entfernung von der Antenne 1 beginnt.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach 7 beginnt die Erweiterung 22 bereits in unmittelbarer Nähe der Antenne. In beiden Fällen erfolgt die Erweiterung gradlinig. Bei dem Ausführungsbeispiel nach 8 beginnt die Erweiterung 23 allmählich in Form einer Kurve 24 und läuft auch bei 25 allmählich aus.
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Eine weitere Form zur Anpassung der Sendeeinheiten an den Wirkungsbereich ist eine Verengung, welche zusätzlich eine Felderhöhung bewirkt. 9 stellt ein Ausführungsbeispiel für eine solche Verengung dar mit zwei Sendeeinrichtungen 26, 27 zweier Module n und n+1. Das konzentrierte Feld wird im Wirkungsbereich 30 angewandt. Zur homogenen und stabilen Felderzeugung im Wirkungsbereich 30 ist auf die phasenrichtige Interferenz der eingestrahlten Felder En und En+1 zu achten.
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Grundsätzlich ist es möglich, eine Sendeeinheit als Rechteckhohlleiter auszuführen. Dadurch entsteht die elektromagnetische Feldverteilung, die mit den anderen Sendeeinheiten phasenrichtig überlagert werden muss, aus dem Mode eines Hohlleiters. Im einfachsten Fall kann dies der Grundmode sein.
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Zu einer phasenrichtigen Interferenz und Erhöhung der Feldstärke sind jedoch Formen vorzusehen, die aus den mathematischen Schnitten eines Kegels hervorgehen, nämlich Ellipse, Parabel und Hyperbel. Das Ausführungsbeispiel nach 10 weist eine elliptische Form auf. Durch eine im Brennpunkt 31 angeordnete Antenne wird der rechte Bereich der elliptischen Anordnung zur Sendeeinheit, dessen abgestrahlte Energie zur Erwärmung oder zur Bildung von Plasma im Wirkungsbereich 5 konzentriert wird.
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Für Anwendungen, bei denen keine so hohe Konzentration der Energie im Wirkungsbereich erforderlich ist, können die Sendeeinheiten gemäß den 11 und 12 ausgebildet sein. Die phasenrichtige Interferenz der auslaufenden Welle sämtlicher übereinander angeordneten parabelförmigen Sendeeinheiten gemäß 11 erzeugt ein großflächiges homogenes elektrisches Feld im Wirkungsbereich.
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Die Hyperbel nach 12 besitzt keinen Brennpunkt und erzeugt somit ein divergentes elektrisches Feld, welches durch die phasenrichtige Interferenz eine axiale Homogenität besitzt. Der Fall der Hyperbel ermöglicht die homogene Feldanpassung, beispielsweise an hyperbolisch geformte Magnetfelder bei der Plasmaerzeugung mittels Elektron-Zyklotron-Resonanz (ECR)-Prinzip.
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Die 13 und 14 zeigen ein Ausführungsbeispiel mit zwei Modulen, die durch ein Bauteil 41 als Zwischenwand und zwei Endstücke 42, 43 gebildet werden. Die Innenseiten der Endstücke sowie die beiden Seiten der Zwischenwand weisen schräge Abschnitte 44, 45, 46 auf, die zwei Taper bilden. Durchführungen 47, 48, 49 sind für eine in 13 und 14 nicht dargestellte Antenne vorgesehen. Im Bereich der Öffnung 47 befinden sich Bohrungen 50 zur Befestigung einer Halterung für die Antenne.
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In den beiden Endstücken 42, 43 befinden sich Öffnungen 52, 53 zur Einleitung des Behandlungsgutes. Zur Erzeugung von Plasma mit unteratmosphärischem Druck kann durch die Öffnungen 52, 53 ein Quarzrohr gehalten werden. In den Randbereichen der Zwischenwand 41 und in den Endstücken 42, 43 befinden sich Bohrungen 54, die dazu dienen, die gesamte Anordnung mit Gewindestäben zusammen zu halten. Um den Wirkungsbereich herum sind die Endstücke 42, 43 bei 55, 56 perforiert, so dass Sichtfenster gebildet werden.
