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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Hochfrequenzantenne für
eine Magnetresonanzanlage, mit zwei Endringen und einer Anzahl von
Antennenstäben,
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- – wobei
die Endringe konzentrisch zu einer Antennenachse und axial gegeneinander
versetzt angeordnet sind,
- – wobei
die Antennenstäbe
um die Antennenachse herum angeordnet sind und die Endringe miteinander
verbinden,
- – wobei
mittels eines Ankoppelelements im Sendefall hochfrequente elektromagnetische
Energie in die Endringe und die Antennenstäbe einkoppelbar und im Empfangsfall
aus ihnen auskoppelbar ist.
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Derartige Hochfrequenzantennen sind
als Birdcage-Resonatoren allgemein bekannt. In aller Regel sind
bei ihnen die Antennenstäbe
parallel zur Antennenachse angeordnet.
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Birdcage-Resonatoren weisen eine
Vielzahl von Schwingungsmoden auf, die jeweils eine eigene Resonanzfrequenz
aufweisen können.
Bei Magnetresonanzanwendungen ist es in der Regel von Vorteil, wenn
die einzelnen Schwingungsmoden auf die gleiche Resonanzfrequenz
abgestimmt sind. Dies kann durch geeignete Abstimmmaßnahmen
erreicht werden, die z. B. von Christoph Leussler, Jaro Stimma und
Peter Röschmann
in ihrem Kongressbeitrag „The
Bandpass Birdcage Resonator Modified as a Coil Array for Simultaneous
MR Acquisition",
ISMRM 1997, Seite 176 beschrieben werden.
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Aufgrund dieser Abstimmung auf die
gleiche Resonanzfrequenz (nämlich
die Larmorfrequenz) ist über
frequenzabhängige
Impedanzen keine Modentrennung mehr möglich, und zwar weder im Sende- noch
im Empfangsfall.
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Aus der
EP 1 085 337 A2 ist eine
gattungsgemäße Hochfrequenzantenne
bekannt, bei der das Ankoppelelement als die Antennenachse im Bereich der
Antennenstäbe
tangential umgebendes Leitersystem ausgebildet ist, aus dem im Empfangsfall
ein hochfrequentes Stromsystem ausspeisbar ist und das ausschließlich induktiv
an die Endringe und die Antennenstäbe angekoppelt ist. Das Ankoppelelement
ist dabei als parallel zu den Endringen umlaufender Leiter ausgebildet.
Hierdurch ist der sogenannte Endringmode auskoppelbar.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
besteht darin, ein Ankoppelelement zu schaffen, mittels dessen – unabhängig davon,
ob die Resonanzfrequenzen der einzelnen Schwingungsmoden gleich sind
oder sich voneinander unterscheiden – stets nur vorbestimmte Moden
der Antennenstäbe
angeregt werden.
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Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass
es mindestens einen Leiter aufweist, der um die Antennenachse umläuft und
von einem der Endringe einen Abstand aufweist, der mit einem Tangentialwinkel
variiert.
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Denn dann kann durch die geometrische Ausgestaltung
des Ankoppelelements bestimmt werden, welcher Mode angeregt wird
bzw. welche Moden angeregt werden.
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Bei Verwendung nur eines einzigen
Leiters erzeugt das Ankoppelelement ein relativ großes Magnetfeld
parallel zur Antennenachse. Leitersysteme mit mehr als einem Leiter
sind daher vorzuziehen.
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Eine Kompensation der Magnetfeldkomponenten
in Richtung der Antennenachse kann beispielsweise dadurch erreicht
werden,
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- – dass
das Leitersystem eine Grundleitergruppe mit zwei Leitern aufweist,
- – dass
die Leiter um die Antennenachse umlaufen, sich bei Kreuzungstangentialwinkeln überkreuzen
und dazwischen voneinander einen Abstand aufweisen, so dass die
Leiter eine gerade Anzahl von Fenstern bilden, und
- – dass
im Sendefall in die Leiter um 180° elektrisch
phasenversetzte Ströme
einspeisbar bzw. im Empfangsfall um 180° elektrisch phasenversetzte
Ströme
aus den Leitern ausspeisbar sind.
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Bereits mit dieser Konfiguration
wird eine hohe Anregungseffizienz erreicht. Welche Moden dabei angeregt
werden, hängt
von der konkreten Ausgestaltung der Leiter ab.
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Mit der zuletzt beschriebenen Ausgestaltung ist
der angeregte Mode bzw. sind die angeregten Moden linear polarisiert.
Für Magnetresonanzanwendungen
sind aber zirkular polarisierte Moden vorzuziehen. Um dies zu erreichen,
kann vorgesehen sein,
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- – dass
das Leitersystem eine Zusatzleitergruppe aufweist,
- – dass
die Zusatzleitergruppe ebenso wie die Grundleitergruppe ausgebildet
ist, ihre Fenster gegenüber
denen der Grundleitergruppe aber auf Lücke gesetzt sind,
- – dass
im Sendefall in die Leiter der Zusatzleitergruppe um 180° elektrisch
phasenversetzte Ströme
einspeisbar bzw, im Empfangsfall um 180° elektrisch phasenversetzte
Ströme
aus ihnen ausspeisbar sind und
- – dass
die in den Leitern der Zusatzleitergruppe fließenden Ströme gegenüber den in den Leitern der
Grundleitergruppe fließenden
Strömen
um 90° elektrisch
phasenversetzt sind.
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Bei dieser Ausgestaltung sind zum
Erreichen einer zirkular polarisierenden Anregung vier Leiter erforderlich.
Die Zahl der Leiter kann aber auf drei reduziert werden, wenn
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- – das
Leitersystem eine Anzahl von Leitern aufweist, die bis auf einen
Versatzwinkel gleichartig periodisch um die Antennenachse umlaufen,
so dass die Leiter von einem der Endringe Abstände aufweisen, die mit einem
Tangentialwinkel variieren,
- – das
Produkt des Versatzwinkels mit der Anzahl der Leiter und der Anzahl
von Perioden eines Leiters 360° ergibt,
- – im
Sendefall in die Leiter um einen Phasenwinkel elektrisch phasenversetzte
Ströme
einspeisbar bzw. im Empfangsfall um den Phasenwinkel elektrisch
phasenversetzte Ströme
aus den Leitern ausspeisbar sind und
- – das
Produkt des Phasenwinkels mit der Anzahl der Leiter 360° elektrisch
ergibt.
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Wenn die Leiter am Ende ihres Umlaufs
um die Antennenachse miteinander kurzgeschlossen sind, ist das Leitersystem
konstruktiv besonders einfach ausgebildet.
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Wenn der Leiter bzw. die Leiter symmetrisch bezüglich einer
Mittelebene angeordnet ist bzw. sind, die die Antennenachse mittig
zwischen den Endringen senkrecht schneidet, ergeben sich geringere
kapazitive Kopplungen.
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Wenn im Leiter bzw. in den Leitern
Verkürzungskondensatoren
angeordnet sind, ist das Leitersystem trotz hoher Anregungsfrequenzen
und relativ langer Leiter einsetzbar.
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Wenn der Abstand des Leiters zum
Endring bzw. die Abstände
der Leiter zueinander bzw. zum Endring im Wesentlichen sinusförmig vom
Tangentialwinkel abhängt
bzw. abhängen,
wird im Wesentlichen nur ein Mode angeregt.
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Wenn der Abstand des Leiters zum
Endring bzw, die Abstände
der Leiter zueinander bzw. zum Endring einen Maximalwert und einen
Minimalwert annimmt bzw. annehmen und die Differenz von Maximalwert
und Minimalwert, mindestens 30%, besser 50 bis 90% des Versatzes
der Endringe gegeneinander beträgt,
ergibt sich eine besonders hohe Anregungseffizienz.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit den Zeichnungen. Dabei zeigen in Prinzipdarstellung
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- 1 eine
Magnetresonanzanlage,
- 2 eine Hochfrequenzantenne
in perspektivischer Darstellung,
- 3 die Hochfrequenzantenne
von 2 entlang der Antennenachse
gesehen und
- 4–6 die Hochfrequenzantenne
von 2 in abgerollter
Darstellung mit verschiedenen Leitersystemen.
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Gemäß 1 weist eine Magnetresonanzanlage einen
Untersuchungsraum 1 auf. Mittels einer Patientenliege 2 ist
ein Mensch bzw. Patient 3 (allgemein: ein Untersuchungsobjekt 3)
in den Untersuchungsraum 1 einfahrbar. Der Untersuchungsraum 1 ist
im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet.
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Der Untersuchungsraum 1 ist
von verschiedenen Magneten und Magnetsystemen umgeben. Es handelt
sich hierbei zunächst
um einen Grundmagneten 4. Der Grundmagnet 4 dient
zur Erzeugung eines homogenen Grundmagnetfeldes. Ferner ist ein Gradientenmagnetsystem 5 vorhanden.
Mittels des Gradientenmagnetsystems 5 werden Gradientenfelder
erzeugt, die zum Erzeugen sinnvoll auswertbarer Magnetresonanzsignale
erforderlich sind. Dann weist das Magnetsystem noch eine Ganzkörperspule 6 auf.
Die Ganzkörperspule 6 ist
als Hochfrequenzantenne 6 ausgebildet. Sie dient bei Betrieb
als Sendeantenne zum Anregen von Magnetresonanzsignalen im Untersuchungsobjekt 3.
Bei Betrieb als Empfangsantenne dient sie zum Empfang von zuvor
angeregten Magnetresonanzsignalen des Untersuchungsobjekts 3.
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In das Innere des Untersuchungsraums 1 ist in
der Regel noch mindestens eine Lokalspule 7 einbringbar.
Sie ist ebenfalls als Hochfrequenzantenne 7 ausgebildet.
Sie dient in der Regel zum lokalen Empfang von Magnetresonanzsignalen,
die zuvor mittels der Ganzkörperspule 6 angeregt
wurden. Die Lokalspule 7 kann im Einzelfall aber ebenso
wie die Ganzkörperspule 6 auch
als Sendeantenne betrieben werden. Der Aufbau der Lokalspule 7 kann – bis auf
entsprechend kleinere Abmessungen – ähnlich dem Aufbau der Ganzkörperspule 6 sein.
Beispiele derartiger Lokalspulen sind eine Kopf- und eine Kniespule.
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Der Grundmagnet 4, das Gradientenmagnetsystem 5 und
die Spulen 6, 7 sind schließlich noch von einem Schirmmagnet 8 umgeben.
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Das Gradientenmagnetsystem 5,
und die Spulen 6, 7 sind mit einer Steuer- und
Auswerteeinheit 9 verbunden. Diese bewirkt in bekannter
Weise die geeignete Ansteuerung des Gradientenmagnetsystems 5 und
der Spulen 6, 7, um Magnetresonanzsignale anzuregen,
zu empfangen und auszuwerten.
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Gemäß den 2 und 3 weist
die Hochfrequenzantenne 6, 7 – sei es in Form der Ganzkörperspule 6,
sei es in Form der Lokalspule 7 – eine Anzahl von Antennenstäben 10 sowie
zwei Endringe 11 auf. In den Antennenstäben 10 und/oder den
Endringen 11 sind ferner Kondensatoren C angeordnet, mittels derer
die Hochfrequenzantenne 6, 7 auf eine bestimmte
Betriebsfrequenz abgestimmt ist. Die Kondensatoren C sind gemäß 2 sowohl in den Endringen 11 als
auch in den Antennenstäben 10 angeordnet.
Denn dadurch kann eine Abstimmung der Moden der Hochfrequenzantenne
auf die gleiche Resonanzfrequenz erreicht werden. Dies ist im Rahmen der
vorliegenden Erfindung aber von sekundärer Bedeutung. Die Kondensatoren
C könnten
also auch nur in den Endringen 11 oder nur in den Antennenstäben 10 angeordnet
sein.
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Die Antennenstäbe 10 verlaufen parallel
zu einer Antennenachse 12. Sie sind gleichmäßig verteilt
um die Antennenachse 12 herum angeordnet und an ihren oberen
bzw. unteren Stabenden mit je einem der Endringe 11 verbunden.
Die Endringe 11 sind somit konzentrisch zur Antennenachse 12 angeordnet
und axial gegeneinander versetzt.
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Der Hochfrequenzantenne 6, 7 ist
ein Ankoppelelement 13 zugeordnet. Das Ankoppelelement 13 ist
mit einem Speisebaustein 14 verbunden. Über das Ankoppelelement 13 ist
es möglich,
im Sendefall vom Speisebaustein 14 aus ein hochfrequentes
Stromsystem in das Ankoppelelement 13 einzuspeisen und so
hochfrequente elektromagnetische Energie in die Endringe 11 und
die Antennenstäbe 10 einzukoppeln.
Umgekehrt ist es im Empfangsfall möglich, über das Ankoppelelement 13 hochfrequente
elektromagnetische Energie aus den Endringen 11 und den
Antennenstäben 10 auszukoppeln
und als hochfrequentes Stromsystem dem Speisebaustein 14 zuzuführen.
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Das Ankoppelelement 14 umgibt
die Antennenachse 12 im Bereich der Antennenstäbe 10 tangential.
Genauer gesagt: Es ist als radial innerhalb oder außerhalb
der Antennenstäbe 10 tangential
um die Antennenachse 12 umlaufendes Leitersystem ausgebildet.
Das Leitersystem ist dabei galvanisch von den Endringen 11 und
den Antennenstäben 10 getrennt.
Es ist vielmehr ausschließlich
induktiv an diese angekoppelt.
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In Verbindung mit den 4 bis 6 werden nunmehr nachstehend verschiedene
Ausgestaltungen des Leitersystems 13 beschrieben.
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Gemäß 4 weist das Leitersystem einen einzigen
Leiter 15 auf. Der Leiter 15 läuft um die Antennenachse 12 um.
Sein Abstand a von einem der Endringe 11 variiert mit einem
Tangentialwinkel α.
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Der Abstand a nimmt einen Maximalwert
M und einen Minimalwert m an. Die Differenz von Maximalwert M und
Minimalwert m beträgt
gemäß 4 70% des Versatzes V der
Endringe 11 gegeneinander. Die Differenz liegt also insbesondere
zwischen 50% und 90% des Versatzes V der Endringe 11. Sie kann
gegebenenfalls aber auch kleiner sein. 30% des Versatzes V sollten
aber nicht unterschritten werden.
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Aus 4 ist
ferner ersichtlich, dass der Abstand a im Wesentlichen sinusförmig vom
Tangentialwinkel α abhängt und
dass der Leiter 15 symmetrisch bezüglich einer Mittelebene 16 angeordnet
ist, welche die Antennenachse 12 mittig zwischen den beiden
Endringen 11 senkrecht schneidet.
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Je nach Frequenz des in den Leiter 15 eingespeisten
bzw. aus dem Leiter 15 ausgespeisten Stromes und der Gesamtlänge des
Leiters 15 kann es erforderlich sein, im Leiter 15 Verkür zungskondensatoren
C' anzuordnen, um
eine näherungsweise
konstante Strombelegung an jeder Stelle des Leiters 15 zu
erreichen. Dimensionierung und Abstand der Verkürzungskondensatoren C' sind dabei allgemein
bekannt.
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Bei der Ausführungsform gemäß 5 ist zunächst eine
Grundleitergruppe vorgesehen. Die Grundleitergruppe weist zwei Leiter 17 auf,
die um die Antennenachse 12 umlaufen. Die Leiter 17 überkreuzen
sich dabei bei Kreuzungstangentialwinkeln α. Die Kreuzungstangentialwinkel α sind in 5 durch Knotenpunkte dargestellt.
Die Leiter 17 sind an den Kreuzungspunkten aber nicht elektrisch
miteinander verbunden. Zwischen den Kreuzungspunkten weisen die
Leiter 17 einen Abstand b voneinander auf. Die Leiter 17 bilden
dadurch eine gerade Anzahl von Fenstern 18.
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Im Sendefall sind in die Leiter 17 Ströme einspeisbar,
die um 180° elektrisch
gegeneinander phasenversetzt sind. Dies ist in 5 durch die beiden entgegengesetzt gerichteten
Pfeile bei den Leitern 17 angedeutet. Auch im Empfangsfall
sind die aus den Leitern 17 ausgespeisten Ströme um 180° elektrisch
gegeneinander phasenversetzt.
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Aufgrund des Phasenversatzes von
180° ist es
möglich,
die Leiter 17 am Ende ihres Umlaufs um die Antennenachse 12 miteinander
kurzzuschließen. Dies
ist in 5 links durch
die direkte Verbindung der beiden Leiter 17 miteinander
dargestellt.
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Die Leiter 17 verlaufen
sinusförmig
um die Mittelebene 16 herum. Der Abstand b der Leiter 17 voneinander
hängt somit
ebenfalls sinusförmig
vom Tangentialwinkel α ab.
Ferner sind die Leiter 17 somit symmetrisch bezüglich der
Mittelebene 16 angeordnet.
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Der Abstand b der Leiter 17 voneinander nimmt
einen Maximalwert M an. Der Minimalwert beträgt (trivialerweise, da die Leiter 17 sich überkreuzen)
Null. Der Maximalwert M sollte 30% des Versatzes V der Endringe 11 gegeneinander
nicht unterschreiten. Vorzugsweise liegt der Maximalwert wieder
zwischen 50 und 90% des Versatzes V, z. B. bei 70%.
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In den Leitern 17 können – ebenso
wie im Leiter 15 gemäß. 4 – Verkürzungskondensatoren angeordnet
sein, falls dies aufgrund der Länge der
Leiter 17 und der Frequenz der Ströme erforderlich ist. Die Verkürzungskondensatoren
sind in 5 der Übersichtlichkeit
halber aber nicht mit dargestellt.
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Mittels der Leiter 17 der
Grundleitergruppe ist eine gegenseitige Kompensation der parallel
zur Antennenachse 12 gerichteten Magnetfeldkomponenten
möglich.
Die angeregten Moden der Hochfrequenzantenne 6, 7 sind
aber linear polarisiert, während
bei Magnetresonanzanwendungen zirkular polarisierte Magnetfelder
vorzuziehen sind.
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Um die Moden zirkular polarisiert
anzuregen, weist das Leitersystem 13 von 5 eine Zusatzleitergruppe auf. Die Zusatzleitergruppe
ist ebenso ausgebildet wie die Grundleitergruppe. Sie weist also insbesondere
zwei Leiter 19 auf, die gleichartig zu den Leitern 17 geführt sind.
Die Leiter 19 sind aber derart geführt, dass die von ihnen gebildeten
Fenster 20 gegenüber
denen der Grundleitergruppe auf Lücke gesetzt sind.
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Die – im Sendefall in die Leiter 19 eingespeisten,
im Empfangsfall aus den Leitern 19 ausgespeisten – in den
Leitern 19 fließenden
Ströme
sind gegeneinander um 180° elektrisch
phasenversetzt. Dies ist in 5 durch
die entgegengesetzt gerichteten Pfeile bei den Leitern 19 angedeutet.
Die in den Leitern 19 fließenden Ströme sind aber gegenüber den
in den Leitern 17 fließenden
Strömen
um 90° elektrisch
phasenversetzt. Dies ist in 5 dadurch dargestellt,
dass die Pfeile bei den Leitern 19 nach oben bzw. unten
zeigen, wohingegen die Pfeile bei den Leitern 17 nach links
bzw. rechts zeigen.
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Auch die Leiter 19 können, ebenso
wie die Leiter 17, am Ende ihres Umlaufs in die Antennenachse 12 miteinander
kurzgeschlossen sein. Aufgrund des Umstands, dass das Zuführen der
Leiter 17 und 19 bei verschiedenen Tangentialwinkeln α erfolgen
kann, können
dabei gegebenenfalls voneinander verschiedene Verbindungen verwendet
werden. Es ist aber auch möglich,
alle vier Leiter 17, 19 miteinander kurzzuschließen, wenn
das Ende des Umlaufs um die Antennenachse 12 beim gleichen
Tangentialwinkel α liegt.
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Im letzteren Fall können die
beiden Leitergruppen mit den Leitern 17, 19 auch
als Anzahl von Leitern 17, 19 angesehen werden,
die bis auf einen Versatzwinkel β gleichartig
periodisch um die Antennenachse 12 umlaufen. Der Versatzwinkel β ist dabei dadurch
bestimmt, dass das Produkt des Versatzwinkels β mit der Anzahl der Leiter 17, 19 (hier:
vier) und der Anzahl von Perioden eines Leiters 17, 19 (hier: zwei)
360° ergibt.
Der Versatzwinkel β gemäß 5 beträgt somit 45°. Die in die Leiter 17, 19 eingespeisten
bzw. ausgespeisten Ströme
sind um jeweils 90° elektrisch
gegeneinander phasenversetzt.
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Bei der Ausführungsform gemäß 5 weist das Magnetfeld der
Leiterstruktur 13 im Wesentlichen keine Komponente parallel
zur Antennenachse 12 auf und ist zirkular polarisiert.
Es benötigt
aber insgesamt vier Leiter 17, 19.
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Mit der Ausführungsform gemäß 6 kann ebenfalls ein zirkular
polarisiertes Magnetfeld erzeugt werden. Diese Ausführungsform
benötigt
aber nur drei Leiter 21. Das Leitersystem gemäß 6 entspricht im Wesentlichen
dem von 5. Der Unterschied
besteht im Wesentlichen darin, dass gemäß 6 der Versatzwinkel β 60° beträgt (60° × 2 Perioden × 3 Leiter
= 360°)
und die in die Leiter 21 ein- bzw. ausgespeisten Ströme um 120° (360° : 3 Leiter)
elektrisch gegeneinander phasenversetzt sind. Die übrige Ausgestaltung
des Leitersystems gemäß 6 entspricht der gemäß 5. Der elektrische Phasenversatz ist
in 6 dadurch angedeutet,
dass die einzelnen Stromphasen in 6 im
Zeigerdiagramm bei den Leitern 21 mit eingezeichnet sind.
Auch die Leiter 21 sind am Ende ihres Umlaufs um die Antennenachse 12 miteinander
kurzgeschlossen.
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Mittels der erfindungsgemäßen Ankoppelelemente 13 – insbesondere
bei Ausbildung gemäß den 5 und 6 – ist
eine gute, effiziente und modendefinierte Ankopplung des Speisebausteins 14 an
die Endringe 11 und die Antennenstäbe 10 möglich. Bei entsprechender
Ausgestaltung des Leitersystems 13 ist es sogar möglich, eine
modenreine Ein- bzw. Auskopplung zu erreichen. Aufgrund der Wechselwirkung
des Ankoppelelements 13 nicht nur mit den Antennenstäben 10,
sondern auch mit den Endringen ll, kann es dabei für ein Koppeln
mit nur einem einzigen Mode erforderlich sein, die Sinusauslenkung
der Leiter 15, 17, 19, 21 im
Bereich ihrer Maximalwerte geringfügig zu verringern.
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Es ist ferner möglich, mehrere Ankoppelelemente 13 vorzusehen,
die sich beispielsweise in der Periodenzahl und/oder dem Drehsinn
der durch sie angeregten Magnetfelder unterscheiden. Dann kann – durch
entsprechendes Ein- bzw. Auskoppeln – gezielt gewählt werden,
welcher Mode ein- bzw. ausgekoppelt wird bzw. welche Moden ein-
bzw. ausgekoppelt werden.