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Die Erfindung betrifft eine Gaslaseranregungsanordnung mit einer Hochfrequenzanschlussleitung, die an einer ersten Anschlussstelle an eine Leistungsquelle anschließbar ist und an einer zweiten Anschlussstelle an eine Gaslaserelektrode, insbesondere an zumindest eine Einspeisestelle, angeschlossen ist.
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Hochleistungslaser mit Lichtleistungen ≥ 500 W können bei der Laserbearbeitung eingesetzt werden, beispielsweise zum Markieren von Metallen oder Nichtmetallen, zum Schneiden, Schweißen und Bearbeiten von Materialien, wie z. B. Metallen.
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Das Design von industriellen Lasern wird so gewählt, dass ein möglichst großer Wirkungsgrad und eine maximale Leistung erzielt werden. Sie werden bestimmt durch die Fähigkeit des Gaslasers, unerwünschte Wärme abzuführen. Das Abführen von Wärme kann entweder durch Diffusion zu gekühlten Wandungen oder durch die Umwälzung des Lasergases erfolgen. Die vorliegende Erfindung befasst sich insbesondere mit diffusionsgekühlten Lasern.
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Zur Anregung eines Gaslasers wird in der Regel eine Gasentladung generiert. Die Gasentladung wird in der Regel durch Einspeisung elektrischer Leistung generiert, insbesondere oftmals durch elektrische Hochfrequenzleistung. Die Einspeisung der elektrischen Leistung erfolgt über Elektroden. Die Hochfrequenzleistung wird an einer oder mehreren Einspeisestellen an der Elektrode eingekoppelt.
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Bei Gaslasern, insbesondere CO2-Lasern, muss darauf geachtet werden, dass sich eine über die Erstreckung des Entladungsraums möglichst gleichförmige Gastemperatur einstellt. Dazu sollte die Leistungsverteilung der Gasentladung symmetrisch zu der Erstreckung des Gaslasers sein.
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Ein Gaslaser weist in der Regel eine oder mehrere Elektrodenpaare auf, die jeweils zwei Elektroden aufweisen, wovon eine in der Regel auf einem ruhenden Potential, z. B. Masse liegt, und die andere an einer Leistungsquelle angeschlossen ist. Problematisch ist, dass eine Hochfrequenzanschlussleitung das elektrische Feld an einer Elektrode beeinflussen kann, wodurch eine Symmetrierung erschwert oder gar unmöglich gemacht wird.
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Die
DE 42 00 622 A1 offenbart einen hochfrequenzangeregten Gaslaser mit koaxialer Elektrodenanordnung. Der Innenraum der rohrförmigen Innenelektrode dient zur Aufnahme eines Impedanzanpassungsnetzwerks und des Hochfrequenzgenerators.
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Die
DE 10 2012 222 469 A1 offenbart eine diffusionsgekühlte Gaslaseranordnung mit einer ersten und einer zweiten Elektrode sowie einem zwischen den Elektroden angeordnetem Entladungsspalt, wobei auf zumindest einer der Elektroden entladungsspaltseitig ein Dielektrikum angeordnet ist.
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Die
EP 0 525 823 B1 offenbart einen Entladungskanal für quergeströmte Hochleistungslaser mit einer dielektrischen Kanalwand und mit mindestens zwei einander gegenüberliegenden Elektrodenanordnungen, zwischen denen ein von einem Lasergasstrom durchsetzter Entladungsraum liegt und von denen mindestens eine einen an einer Innenseite der Kanalwand gehaltenen Metallkern sowie einen diesen übergreifenden und gegenüber dem Entladungsraum abschirmenden dielektrischen Abdeckkörper aufweist.
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Aus der
DE 10 2004 039 082 A1 ist eine Anordnung mit einem HF-Generator, einem Laserresonator und einer zwischen HF-Generator und Laserresonator vorgesehenen Kabelverbindung bekannt, wobei die Ausgangsimpedanz des HF-Generator und die Eingangsimpedanz des Laserresonators unterschiedlich sind.
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Die
US 4 035 758 A offenbart ein einstellbares System zur Einstellung eines Widerstands.
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Aus der
DE 43 29 550 A1 ist es bekannt, bei einem Gasentladungslaser mit Hochfrequenz-Spannungsquelle, Anpassungsnetzwerk und Leitung mit Impedanzanpassung für den Zündfall den ungezündeten Fall für das Zünden dadurch zu optimieren, dass durch Wahl der Länge der Leitung eine bestimmte wirksame Impedanz erzeugt wird, die zusammen mit den anderen Bauelementen Spannungsresonanz an den Elektroden bei der Betriebsfrequenz bewirkt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Gaslaseranregungsanordnung bereit zu stellen, mit der eine möglichst symmetrische Gasentladung in einem Entladungsspalt erreicht werden kann.
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Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Gaslaseranregungsanordnung mit einer Hochfrequenzanschlussleitung, die an einer ersten Anschlussstelle an eine Leistungsquelle anschließbar ist und an einer zweiten Anschlussstelle an eine Gaslaser-Elektrode, insbesondere an zumindest eine Einspeisestelle, angeschlossen ist, wobei in einem ersten Bereich, in dem sowohl ein Abschnitt der Hochfrequenzanschlussleitung als auch ein Abschnitt der Gaslaser-Elektrode angeordnet ist, eine Abschirmung zwischen der Hochfrequenzanschlussleitung und der Elektrode vorgesehen ist, wobei die Abschirmung sich auch in einen zweiten Bereich erstreckt, in dem lediglich ein zweiter Abschnitt der Gaslaser-Elektrode angeordnet ist. Durch diese Maßnahme ist es möglich, dass sich das elektrische Feld und damit der Entladungsbereich entlang der Elektrodenfläche symmetrisch zu der oder den Einspeisestellen ausbreitet und damit eine möglichst gleichförmige Gastemperatur einstellbar ist. Eine Einspeisestelle kann einen oder mehrere Einspeisepunkte oder einen Einspeisebereich aufweisen.
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Die Hochfrequenzanschlussleitung ist dabei ausgelegt, zumindest die elektrische Leistung, die zur Anregung des Gaslasers erforderlich ist, von der ersten Anschlussstelle zur zweiten Anschlussstelle zu führen. Insbesondere kann sie ausgelegt sein, zusätzlich die von dem Gaslaser reflektierte Leistung zu führen. Insbesondere kann sie ausgelegt sein, auch eine Scheinleistung von der ersten Anschlussstelle zur zweiten Anschlussstelle zu führen.
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Die Einspeisestelle kann auf der der Gasentladung abgewandten Seite der Elektrode angeordnet sein. Ein elektrisches Feld kann sich dann entlang der der Gasentladung abgewandten Seite ausbreiten und an den Kanten der Elektrode weiter innerhalb des Gasentladungsraums ausbreiten, so dass die im ersten und zweiten Bereich angeordnete Abschirmung das elektrische Feld führen kann.
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Die Abschirmung kann im ersten und zweiten Bereich symmetrisch zur Einspeisestelle ausgeführt sein, so dass das elektrische Feld im ersten Bereich die gleiche Ausbreitungsgeschwindigkeit aufweist wie im zweiten Bereich.
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Eine Einspeisestelle, das heißt zum Beispiel mehrere Einspeisepunkte oder Einspeisebereiche können eine Einspeisebene definieren. Die Einspeisebene kann eine Symmetrieebene für die Anordnung der Abschirmungen im ersten und zweiten Bereich darstellen.
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Der erste Bereich kann so ausgelegt sein, dass zwischen der Hochfrequenzanschlussleitung und der Abschirmung ein hochfrequentes elektrisches Feld aufgebaut wird, wenn Hochfrequenzleistung von der ersten Anschlussstelle zu der zweiten Anschlussstelle geleitet wird. Im zweiten Bereich wird dabei vorzugsweise kein oder ein sehr viel geringeres hochfrequentes elektrisches Feld aufgebaut. Weiterhin kann die Hochfrequenzanschlussleitung an der ersten Anschlussstelle eine vordefinierte Impedanz aufweisen, die mit der kapazitiven und/oder induktiven Kopplung zwischen Hochfrequenzanschlussleitung und Abschirmung im ersten Bereich einstellbar ist. Weiterhin kann die Hochfrequenzanschlussleitung im ersten Bereich einen vorgegebenen Abstand, insbesondere einen gleichbleibenden vorgegebenen Abstand, zur Elektrode und/oder zur Abschirmung aufweisen.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn in einem definierten Bereich, in dem die Entladung des Gaslasers symmetrisch sein soll, die Abschirmung vorgesehen ist. Der definierte Bereich umfasst dabei den ersten Bereich und den zweiten Bereich. Somit kann eine Abschirmung im gesamten Entladungsbereich, in dem eine symmetrische Entladung erwünscht ist, vorgesehen sein, also insbesondere auch in Bereichen, in denen keine Hochfrequenzanschlussleitung verläuft.
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Der Einfluss der Hochfrequenzanschlussleitung kann gering gehalten werden, wenn die Abschirmung mit Masse verbunden ist.
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Die Abschirmung kann sich entlang der gesamten Gaslaser-Elektrode erstrecken, wobei zumindest eine Aussparung in der Abschirmung vorgesehen ist, durch die Hochfrequenzanschlussleitung zu einer Einspeisestelle geführt ist. Dadurch wird sichergestellt, dass die Gaslaser-Elektrode auch an die Hochfrequenzanschlussleitung angeschlossen werden kann.
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Es können mehrere Einspeisestellen vorgesehen sein, die symmetrisch bezüglich der Elektrodenmitte angeordnet sind und zur Einspeisung der Leistung, insbesondere der gleichen Leistung, vorgesehen sind. Bei der Elektrodenmitte kann es sich dabei um einen Mittelpunkt handeln. Außerdem kann als Elektrodenmitte eine Mittenebene oder eine Mittelachse vorgesehen sein. Grundsätzlich ist es denkbar, dass mehrere Hochfrequenzanschlussleitungen vorgesehen sind, die jede zu einer Einspeisestelle führt. Alternativ ist es jedoch auch denkbar, dass eine Anschlussleitung zu mehreren Einspeisestellen geführt wird. Die Einspeisestellen werden dabei so gewählt, dass eine möglichst symmetrische Entladung im Entladungsspalt erreicht werden kann. Die Hochfrequenzanschlussleitung kann zumindest teilweise in einem Abstand im Wesentlichen parallel zu der Gaslaser-Elektrode, insbesondere in Längsrichtung der Gaslaser-Elektrode im Wesentlichen parallel, verlaufen. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Hochfrequenzanschlussleitung schräg zur Achse des Gaslasers bzw. schräg zu einer Ausrichtung der Gaslaserelektrode verläuft. Wesentlich für die Erfindung ist, dass eine Abschirmung zwischen der Hochfrequenzanschlussleitung und der Gaslaser-Elektrode vorgesehen ist, sich die Abstimmung jedoch auch in einen weiteren Bereich erstreckt, in dem die Hochfrequenzanschlussleitung nicht vorhanden ist.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Abschirmung zumindest teilweise in einem Abstand im Wesentlichen parallel zu der Gaslaser-Elektrode, insbesondere in Längsrichtung der Gaslaser-Elektrode im Wesentlichen parallel, verläuft.
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Für das Erreichen des Ziels einer gleichförmigen oder symmetrischen Gasentladung kann es weiterhin vorteilhaft sein, wenn die Hochfrequenzanschlussleitung von der Gasentladung umgeben ist.
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Die Gaslaserelektrode kann im Bereich eines Entladungsspalts angeordnet sein, wobei das Lasergas im Entladungsspalt diffusionsgekühlt ist. Die Gaslaseranregungsanordnung umfasst somit vorzugsweise einen diffusionsgekühlten Laser bzw. ist als solcher ausgebildet.
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Auch wenn die Abschirmung von der Gasentladung umgeben ist, kann sich dies vorteilhaft auf die Symmetrie der Gasentladung im Entladungsspalt auswirken.
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Die Hochfrequenzanschlussleitung kann zumindest teilweise bzw. abschnittsweise in der inneren Elektrode eines Koaxiallasers angeordnet sein. Alternativ kann die Gaslaser-Elektrode als flächige Elektrode ausgebildet sein. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn es sich um einen Slab-Laser handelt.
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Die Hochfrequenzanschlussleitung kann einen Außenleiter aufweisen, der einen Teil der Abschirmung bildet. Es versteht sich, dass der Außenleiter der Hochfrequenzanschlussleitung nur einen Teil der Abschirmung bilden kann, da erfindungsgemäß ja auch eine Abschirmung in einem Bereich vorgesehen ist, in dem keine Hochfrequenzanschlussleitung vorhanden ist.
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Wenn sich der Durchmesser oder die Breite der Hochfrequenzanschlussleitung in dem ersten Bereich ändert, kann durch die Ausgestaltung der Hochfrequenzanschlussleitung eine Impedanzanpassung durchgeführt werden. Auf zusätzliche Anpassungsglieder kann somit verzichtet werden.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass sich der Durchmesser oder die Breite der Hochfrequenzanschlussleitung zumindest in einem Bereich stetig ändert. Außerdem kann vorgesehen sein, dass sich der Durchmesser oder die Breite der Hochfrequenzanschlussleitung stufenförmig ändert. Dabei kann vorgesehen sein, dass sich in einem Bereich einer stufenförmigen Änderung der Durchmesser oder die Breite stetig ändert. Die Änderung des Durchmessers oder der Breite erfolgt somit nicht sprungartig, sondern stetig. Dadurch kann eine gute Impedanzanpassung erreicht werden.
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Um die Gaslaseranregungsanordnung vor externen Hochfrequenzfeldern zu schützen, kann ein Gehäuse vorgesehen sein, das als Schirmung ausgebildet ist. Insbesondere kann das Gehäuse mit Masse verbunden sein.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird nachfolgend mit Bezug zu den Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine teilweise Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße diffusionsgekühlte Gaslaseranregungsanordnung;
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2a eine sich ergebende Leistungs- und Temperaturverteilung eines Koaxial-Lasers bei mittiger Leistungseinspeisung ohne erfindungsgemäße Ausgestaltung;
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2b eine gewünschte Temperaturverteilung bei einem Koaxial-Laser;
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3 eine vergrößerte Darstellung der Gaslaseranregungsanordnung im Bereich einer Einspeisestelle;
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4 eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung der Erfindung anhand eines Slab-Lasers.
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Die 1 zeigt eine diffusionsgekühlte Gaslaseranregungsanordnung 1 in einer teilweisen Schnittdarstellung. Die Gaslaseranregungsanordnung 1 weist eine äußere Elektrode 2 auf, in der Kühlrohre 3 für ein Kühlmittel angeordnet sind. Die äußere Elektrode 2 ist aus Metall ausgebildet und mit Masse verbunden. Direkt unterhalb der Elektrode 2 befindet sich der Entladungsspalt 4. Die zweite Elektrode ist mit der Bezugsziffer 5 gekennzeichnet.
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Über der zweiten Elektrode 5 befindet sich ein Dielektrikum 6, das aus mehreren unterschiedlichen Materialschichten aufgebaut sein kann. Im gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt die Leistungseinspeisung bezogen auf die Länge der Elektrode 5 mittig an der Stelle 10.
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Bei einem Koaxiallaser, wie er in der 1 gezeigt ist, kann sich bei mittiger Einspeisung der Leistung eine Leistungsverteilung gemäß der 2a ergeben. In vertikaler Richtung sind die Temperatur T und die Leistung P aufgetragen. In horizontaler Richtung ist die Erstreckung des Lasers in Längsrichtung aufgetragen. Die Leistung nimmt einen unsymmetrischen Verlauf über die Länge bzw. Längserstreckung des Lasers ein. Dies führt auch zu einem Temperaturverlauf T, wie er in der 2a gezeigt ist. Gewünscht ist jedoch ein Temperaturverlauf T, wie er in der 2b dargestellt ist, d. h. eine konstante Temperatur über die Länge des Lasers.
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In der vergrößerten Darstellung der 3 ist zu erkennen, dass sich zwischen der Elektrode 2 und der Elektrode 5 der Entladungsspalt 4 befindet. Dabei sind die Elektroden 2 und 5 koaxial zueinander angeordnet. Eine Hochfrequenzanschlussleitung 11a, 11b ist an eine Leistungsquelle 20 angeschlossen, die eine Hochfrequenzleistung erzeugt. Die Hochfrequenzanschlussleitung verläuft in ihrem Abschnitt 11b innerhalb der Elektrode 5 und im Wesentlichen parallel zu deren Erstreckungsrichtung. Zwischen der Anschlussleitung l1b und der Elektrode 5 ist in einem ersten Bereich 21 eine Abschirmung 22 vorgesehen. Die Abschirmung 22 weist im Bereich der Einspeisestelle 10 eine Aussparung 7 auf, durch die die Hochfrequenzanschlussleitung l1b zur Elektrode 5 geführt ist. In einem zweiten Bereich 23 ist ebenfalls die Abschirmung 22 vorgesehen. In diesem Bereich 23 ist jedoch keine Hochfrequenzanschlussleitung vorhanden. Die Abschirmung 22 ist ebenso wie die Elektrode 2 mit Masse verbunden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel verlaufen Elektrode 2, Abschirmung 22 und Abschnitte 11b der Hochfrequenzanschlussleitung im Wesentlichen parallel zueinander. Auch im zweiten Bereich 23 verläuft die Abschirmung 22 parallel zu der Elektrode 5.
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Durch diese Anordnung kann sich das elektrische Feld entlang der Elektrodenfläche symmetrisch zu der Einspeisestelle 10 in einem Entladungsbereich (Entladungsspalt 4) verteilen. Die Elektrode 5 wird durch die Abschirmung 22 von der Hochfrequenzzufuhr, insbesondere der Hochfrequenzanschlussleitung 11b, entkoppelt. Die Abschirmung 22 ist dabei nicht nur im Bereich der Hochfrequenzzufuhr vorgesehen, sondern im gesamten Entladungsbereich. Die Hochfrequenzzufuhr und die Entladungsgeometrie werden auf diese Weise voneinander entkoppelt. Die Abschirmung 22 ist somit nicht nur links der Einspeisestelle 10 sondern auch rechts der Einspeisestelle 10 vorgesehen. Sowohl Masse als auch die Hochfrequenzzufuhr weisen ein anderes lokales Potential als die eigentliche Elektrode 5 auf. Um diese Wechselwirkung zu unterdrücken, wird die Abschirmung 22 entlang der gesamten Elektrodenoberfläche eingesetzt.
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Der Teil der Hochfrequenzanschlussleitung 11b, der koaxial zur Elektrode 5 und zur Abschirmung 22 verläuft, verringert seinen Durchmesser stufenförmig bis zur Einspeisestelle 10. Der Übergang von einem Durchmesser zu einem anderen Durchmesser ist jedoch stetig ausgestaltet, was an der Stelle 24 zu erkennen ist.
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Die 4 zeigt eine Gaslaseranregungsanordnung 1' in Form eines Slab-Lasers. Zwischen einer Elektrode 2', die mit Masse verbunden ist, und einer Elektrode 5' befindet sich ein Entladungsspalt 4'. Die Elektrode 5' ist über eine Hochfrequenzanschlussleitung 11a', 11b' an die Leistungsquelle 20 angeschlossen. In einem ersten Bereich 21' ist zwischen dem Abschnitt 11b' der Hochfrequenzanschlussleitung und der Elektrode 5' eine Abschirmung 22' vorgesehen, die mit Masse verbunden ist. Rechts neben der Einspeisestelle 10' ist lediglich die Abschirmung 22' vorgesehen, nicht jedoch eine Hochfrequenzanschlussleitung. Somit sind im Bereich 23' lediglich die Abschirmung 22' und ein Teil der Elektrode 5' vorgesehen. Die Abschirmung 22' weist eine Aussparung 7' auf, durch die hindurch die Elektrode 5' kontaktiert werden kann. Zu erkennen ist, dass sich die Breite B der Hochfrequenzanschlussleitung 11b' stufenförmig bis zur Einspeisestelle 10' verringert. Der Übergang zwischen den Stufen erfolgt jedoch stetig, was an der Stelle 24' zu erkennen ist. Dadurch erfolgt eine Impedanzanpassung.
