DE2013585C - Koppelsystem mit einstellbarem Koppelfaktor zum Speisen sehr schwach gedämpfter Hochfrequenzresonatoren - Google Patents
Koppelsystem mit einstellbarem Koppelfaktor zum Speisen sehr schwach gedämpfter HochfrequenzresonatorenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Koppelsystem mit ein- Koppelelementen treten jedoch relativ hohe Verluste
!teilbarem Koppelfaktor zum Speisen sehr schwach auf, die alle Vorteile supraleitender Resonatoren
gedämpfter Hochfrequenzresonatoren, bei dem die wieder aufheben. Auch wenn Koppelschleife oder
elektromagnetische Energie über eine mit dem Reso- Koppelstift in einem besonderen Koppelraum ange-
liator verbundene, am Ende kurzgeschlossene Speise- 5 ordnet werden, der mit dem Resonator durch eine in
leitung zugeführt wird, ein den Kurzschlußstrom be- der Trennwand zwischen Koppelraum und Resonator
gleitendes magnetisches Feld in den Resonatorraum befindliche Bohrung verbunden ist, bestehen diese
hinein wirkt und die Speiseleitung mit dem Resona- Nachteile weiter, da auch bei dieser Anordnung
lor in der Weise fest verbunden ist, daß die Bau- Resonatorfelder mit normalleilenden Flächen Kon-
elemente zum Kurzschließen der Speiseleitung oder io takt haben.
die Wand der Speiseleitung gleichzeitig mindestens Aus dem BNL-Report 11 702, September 1967, ist
teilweise Bauelemente des Resonators sind, und ein induktives Koppelsystem bekannt. Dort wird eine
durch in diesen Bauelementen angeordnete öffnun- koaxiale Speiseleitung mit Koppelschleife in ihrer
gen (Koppelöffnungen) ein magnetisches Koppelfeld Längsachse in einer federnden Führung verschiebbar
in den Resonatorraum eintritt und zum Einstellen 15 angeordnet, wobei das durch die Koppelschleife er-
cles Koppelfaktors von der Speiseleitung unabhängige, zeugte Magnetfeld durch eine in der Resonatonvand
einstellbare Mittel zum Abdecken der Koppelöffnun- angeordnete Öffnung zum Einstellen des Koppel-
gen vorgesehen sind. faktors mehr oder weniger weit in den Resonator
Es ist ein Koppt'system mit einstellbarem Koppel- hineinwirkt. Dabei besteht infolge Wärmeabstrahlung
faktor für Hochtiequenzresonatoren bekannt, bei ao von dem normalleitenden Koppelsystem zwischen
dem durch in der Wand des Resonators angeordnete Koppelraum und Resonator ein enger thermischer
Öffnungen (Koppelöffnungen) ein Koppelfeld in den Kontakt, so daß der supraleitende Zustand des
Resonatorraum eintritt und zum Einstellen des Resonators mindestens teilweise aufgehoben und eine
Koppelfaktors einstellbare Mittel zum Abdecken der technische Anwendung verhindert wird.
Koppelöffnungen vorgesehen sind. Dabei wird zum 35 Insbesondere beim Einspeisen großer Leistungen
Einstellen des Koppelfaktors ein vor der Koppel- treten in den benannten Koppelsystemen hohe
Cffnung angeordnetes metallisches Bauelement, ein Energieverluste auf, die in den Koppeleinrichtungen
Draht oder ein Blech deformiert, bis sich der gefor- sowohl von den Resonatorfeldern, als auch durch die
derte Koppelfaktor ergibt. Eine solche Justiereinrich- eingespeiste HF-Energie verursacht werden und die
tung ist jedoch zum wiederholten Einstellen reprodu- 3° zum Zusammenbruch der Supraleitung führen können,
tierbarer Koppelfaktoren uni somi zur Anwendung Aber auch bei der Anwendung schwacher Felder,
In einer Meßeinrichtung nicht geeignet. z. B. zur Untersuchung von Supraleitern, haben die
In bestimmten Fällen ist die Verwendung von bekannten normalleitenden Koppelsysteme erhebliche
Hohlraum- oder Koaxialresonatoren vorteilhaft. Die Nachteile, da die in diesen auftretenden Verluste
in den metallischen Resonatorwänden fließenden 35 meßtechnisch nicht von den im Resonator auftreten-
hochfrequenten Ströme verursachen relativ hohe den Verlusten getrennt werden können. Die Meß-
Verlustleistungen, die durch auf diese Wände aufge- ergebnisse sind also mit erheblicheu Fehlern behaftet
brachte supraleitende Schichten und Kühlung des und deshalb nur näherungsweise oder gar nicht
Resonators, z. B. mit flüssigem Helium, um etwa interpretierbar.
4 bis 5 Zehnerpotenzen reduziert werden können. w Bei Untersuchungen der Frequenzabhängigkeit ist
Supraleitend« Hochfrequenz-Resonatoren können außerdem bei den bekannten Koppeleinrichtungen
beim Bau von Teilchenseparatoren und auch in der von erheblichem Nachteil, daß die Leistung frequenz-
Kteßtechnik, z. B. zum Messen eier Frequenz- und abhängig aufgespalten wird und dadurch weitere
Temperaturabhängigkeit des Flächenwiderstandes Meßwertverfälschungen eintreten. Die Ursache hier-
tupralcitender Schichten und der in solchen Schichten 43 für liegt darin, daß die Felder in den Koppelräumen,
in Abhängigkeit von Frequenz, Temperatur und also in der Umgebang der Koppelschleife oder des
Fddstärke auftretenden Leistungsverluste verwendet Xoppelstiftes, breitbandige Nebenresonanzen und
Werden. Die große Resonatorgüte (Reziprokwert der demzufolge Undefinierte Verluste verursachen.
Dämpfung), die in solchen Resonatoren erzielt wer- Fin weiterer Nachteil der bekannten Koppekin-
llen kann, ermöglicht bei kleiner Verlustleistung 5° richtung tritt in Erscheinung, wenn der Koppclfaktor
hohe Wandströme und hohe elektromagnetische durch Verschieben derselben einstellbar sein soll, weil
Feldstärken. Das Ankoppeln von Resonatoren so sich durch geometrische Änderungen im Bereich der
liulierGüie ist jedoch mit erheblichen Schwierigkeiten Koppelfelder die dort auftretenden Verluste ändern
»-erblinden, da die im Koppelsystem auftretenden zu- und eine zusätzliche Verfälschung der Meßwerte ver-
lätzlichen Verluste möglichst klein gehalten werden 53 Ursachen,
müssen. Ein anderer erheblicher Nachteil der bekannten
Zum Einkuppeln der Energie kann entweder die Koppelschleifen und Koppelstifte ist darin zu sehen,
magnetische oder die elektrische Fcldkomponentc daß, selbst wenn diese Koppeleinrichtungen aus
verwendet werden. Dementsprechend ist es bekannt, supraleitendem Material hergestellt würden, zum
Koppclschlcifcn für die induktive und Koppelstifte 60 Einstellen und Aufrechterhalten der Supraleitfähig-
fü■■ die kapazitive Kopplung anzuwenden. Diese be- keit das Zuführen eines Kühlmittels zwingend erfor-
kannten Koppel elemente sind mit einer koaxialen derlich wäre und daß sich aus dieser Notwendigkeit
Speiseleitung verbunden und ragen in ihrer Längs- außerordentliche Schwierigkeiten insbesondere auch
achse verstellbar in den Feldraum des Resonators dann ergeben würden, wenn die zu kühlenden Bau-
hiriein, so d.iO Eigenfcld des Koppelelementes und äj elemente bewegbar sein müssen. Selbst wenn es ge-
Resunntorfeld miteinander gekoppelt sind und der lunge, das KUhlproblem befriedigend zu lösen,
Koppelfoktor durch die Wechselwirkung dieser würde die Vielzahl anderer Nachteile konventioneller
Felder bestimmt wird. Tn diesen normalleitenden Koppeleinrichtungen fortbestehen.
3 4
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, jedoch bei dem kegelförmig ausgebildeten Koppel-
*in Koppelsystem mit weitem Frequenzbereich für kopf vorzugsweise Koppelelemente mit zur Speise-Hochfrequenzresonatoren
zu schaffen, das weitgeher.d leitung paralleler Achse (Koppeistempel) verwendet
verlustfrei arbeitet, das kontinuierliche Einstellen des werden, ist bei der koaxialen Speiseleitung mit zylin-Koppelfaktors
ermöglicht und alle Nachteile be- 5 drischem Koppelkopf vorteilhafterweise ein Kopptlkannter
Einrichtungen dieser Art fast vollständig be- element mit in der Ebene der Abschlußplatte liegenseitigt.
der Achse (Koppelschieber) zu verwenden,
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch Die erfindungsgemäße Ausbildung des Kuppelgelöst,
daß paarweise benachbarte Koppelößnungm systems ermöglicht es auch in besonders einfacher
so angeordnet sind, daß in einem zwischen zwei io Weise, den Frequenzbereich der Anordnung zu be-Koppelöffnungen
verbleibenden Steg ein in seiner stimmen, indem durch eine vorbestimmte Geometrie
Richtung durch die Stegrichtung vorbestimrrtter (Form und Abstand) der Koppelöffnungen deren
Leitungsstrom fließt, dessen Magnetfeld als Koppel- Eigenresonanzfrequenz so festgelegt wird, daß sie
feld die Koppelöffnungen durchdringt und infolge weit oberhalb der Resonanzfrequenzen des zu speisender
Stegrichtung so gerichtet ist, daß mindestens eine 15 den Resonators (Betriebsfrequenzen) liegt und da-Komponente
des Koppelfeldes mit der geforderten durch für die Betriebsfrequenzen ein breites Fre-Feldtichtung
im Resonator übereinstimmt. Durch die quenzband zur Verfügung sieht. Dabei hat es sich als
Verwendung von der Speiseleitung unabhängiger besonders vorteilhaft erwiesen, die Koppelöffnungen
Koppelelemente zum Einstellen des Koppelfaktors in d^r Abschlußplatte als Bohrungen mit Kreisquerwird
eine feste Anordnung der kurzgeschlossenen ao schnitten auszubilden und deren Mittelpunkte auf
Speiseleitung zum Resonator ermög'lcht. Dadurch einem Kreis mit vorbestimnuem Radius anzuordnen,
wird die Voraussetzung für eine einfache Kühlmittel- oder aber die Koppelöffnungen als parallele Langzufuhr
und damit für eine supraleitende Ausführung löcher auszubilden, deren Längsachsen unter einem
aller im Bereich der Koppelfelder befindlichen Bau- vorbestimmten Winkel zur radialen Richtung, vorelemente
geschaffen. »5 zugsweise 45°, angeordnet sind.
Eine besonders einfache und betriebssichere Kon- Der Aufbau der ertindungsgemäßen Anordnung
struktion eines Koppelsystems der erfindungsgemäßen wird insbesondere dadurch vereinfacht, daß Koppel-Art
besteht darin, daß am Ende einer koaxialen kopf und Resonator im wesentlichen in der Ebene
Hochfrequenzspeiseleitung Mittelleiter und Außen- der Abschlußplatte in der Weise konstruktiv getrennt
leiter bei konstantem Wellenwiderstand kegelförmig 30 sind, daß die durch die Resonatorwand gebildete
erweitert und mit einer Abschlußplatte kurzgeschlos- Abschlußplatte und die kegelförmige Ausweitung des
sen sind, wobei diese Abschlußplatte das elektro- Mittelleiters der koaxialen Speiseleitung eine Einheit
magnetische Feld im Koppelkopf von demjenigen im und die kegelförmige Ausweitung des Außenleiters
Resonator trennt und in der Abschlußplatte paar- mit den Einrichtungen zum Führen und vakuumweise
eng benachbarte Koppelöffnungen so angeord- 35 dichten Anschließen der Koppelelemente eine andere
net sind, daß in einem zwischen zwei Koppelöffnun- Einheit bilden. Dadurch wird es möglich, alle Baugen
verbleibenden schmalen Steg ein in seiner Rieh- elemente im Bereich der Koppüfelder, die nicht aus
tung durch die Stegrichtung vorbestimmter Leitungs- supraleitendem Material bestehen, an ihrer Oberfläche
strom fließt, dessen Magnetfeld als Koppelfeld die mit einer supraleitenden Schicht zu versehen.
Koppelöffnungen durchdringt und mindestens eine 40 Die betriebsmäßige Handhabung der Einrichtung Komponente des Koppelfeldes mit der geforderten wird auch dadurch erleichtert, daß der aus supra-Feldrichtung im Resonator übereinstimmt, wobei die leitendem Material bestehende kegelförmige Koppel-Koppelöffnuiigen zum Einstellen des Koppelfaktors kopf an seiner Spitze einen rylindrischen Ansatz mit durch Koppelelemente ganz oder teilweise verfchließ- einem als Kontaktfeder nach Art eines Bananenbar sind und alle den Kurzschlußstrompfad zwischen 45 Steckers ausgebildeten Ende zum Aufstecken des Innen- und Außenleiter bildenden Bauelemente, die normalleitenden Mittelleiters der koaxialen Speisemit dem oder der. Koppelfeldern im Kontakt stehen, leitung besitzt und diese Steckverbindung außerhalb aus supraleitendem Material bestehen oder an ihrer des Bereiches der Koppelfelder angeordnet ist.
Oberfläche mit einer supraleitenden Schicht versehen Es hat sich ferner als zweckmäßig erwiesen, die sind i.nd direkt mit flüssigem Helium benetzt werden. 50 Berührungsflächen lösbar miteinander verbundener
Koppelöffnungen durchdringt und mindestens eine 40 Die betriebsmäßige Handhabung der Einrichtung Komponente des Koppelfeldes mit der geforderten wird auch dadurch erleichtert, daß der aus supra-Feldrichtung im Resonator übereinstimmt, wobei die leitendem Material bestehende kegelförmige Koppel-Koppelöffnuiigen zum Einstellen des Koppelfaktors kopf an seiner Spitze einen rylindrischen Ansatz mit durch Koppelelemente ganz oder teilweise verfchließ- einem als Kontaktfeder nach Art eines Bananenbar sind und alle den Kurzschlußstrompfad zwischen 45 Steckers ausgebildeten Ende zum Aufstecken des Innen- und Außenleiter bildenden Bauelemente, die normalleitenden Mittelleiters der koaxialen Speisemit dem oder der. Koppelfeldern im Kontakt stehen, leitung besitzt und diese Steckverbindung außerhalb aus supraleitendem Material bestehen oder an ihrer des Bereiches der Koppelfelder angeordnet ist.
Oberfläche mit einer supraleitenden Schicht versehen Es hat sich ferner als zweckmäßig erwiesen, die sind i.nd direkt mit flüssigem Helium benetzt werden. 50 Berührungsflächen lösbar miteinander verbundener
Hier wird durch den kegelförmigen Koppelkupf Bauelemente im Bereich des Koppelkopfes an ihren
der koaxialen Speiseleitung des Resonators die kon- an die Kur7schlußstrombahn angrenzenden Kanten
struktive Voraussetzung für eine einfache Anord- wulstförmig zu veistärken und mindestens diese
nung heliumgekühlter Koppelelemente zum Ein- Wulst aus einem supraleitenden Material herzustellen
stellen des Koppelfaktors geschaffen, die ebenso wie 55 oder mit einer supraleitenden Schicht zu versehen,
alle anderen im Bereich der Koppelfeder angeord- Andere .falls kann das Magnetfeld im Dereich der
neten Bauelemente vollständig supraleitend sind. Koppelöffnungen von zufälligen Kontaktunsicher-
Eine andere mögliche Koppeleinrichtung besteht heilen abhängen.
im wesentlichen darin, daß am Ende einer koaxialen Der erfindungsgemäße Aufbnu des Koppelsystems
Hochfrequenz-Speiseleitung Mittelleiter und Außen- 60 ermöglicht es, alle Bauelemente im Bereich von
leiter mit einer Abschlußplatte kurzgeschlossen sind, Koppelfeldern mit Kühlkanälen zu versehen, die mit
wobei diese Abschlußplatte das elektromagnetische dem den Resonator umgebenden Heliumbad in VerFeld
im jjylindi',sehen Kcppelkopf der Speiseleitung bindung stehen. Dadurch wird eine Voraussetzung
von demjenigen im Resonator trennt und in der Ab- geschaffen für die vollständig supraleitende Ausfühschlußplatte
paarweise eng benachbarte Koppelöff- 65 rung des Koppelsystcrris.
nungen angeordnet sind. Auch diese Anordnung er- Ein Ausführungsbeispiel des Koppelsystems nach
möglicht die Anwendung heliumgekühlter Koppel- der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und
elemente zum Einstellen des Koppelfaktors. Während wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt
Claims (12)
1. Koppelsystem mit einstellbarem Koppelfaktor zum Speisen sehr schwach gedämpfter
Hochfrequenzresonatoren, tei dem die e'.^-.tromagnetische Energie über eine mit dem Resonator
verbundene, am Ende inirzgeschlossene Speiseleitung zugeführt wird, ein «fen Kurzschlußstrom
begleitendes magnetische!. FtId in den Resomitorraurri hinein wirkt und die Speiseleitung mit dem
Resonator in der Weise fesi verbunden ist, daß die Bauelemente zum Kurzschließen der Speiseleitung oder die Wand eier Speiseleitung gleichzeitig mindestens teilweise Bauelemente des
Resonators sind und durch in diesen Bauelementen angeordnete Öffnungen (Koppelöffnunigea;
ein magnetisches Koppelfeld in den Resonatorraum eintritt und zum Einstellen des Koppelfaktors von der Speiseleitung unabhängige, einstellbare Mittel zum Abdecken der Koppelöffnungen vorgesehen sind, dadurchgekerinzeichnet, daß paarweise Ijenachbarte Koppel
Öffnungen so angeordnet sind, daß in einen zwischen zwei Koppelölfnongen verbleibender
Steg ein in seiner Richtung durch die Stegrichtuni vorbestimmter Leitungsstroni fließt, dessen Ma
gnetfeld als Koppelfeld de Koppelöffnunger
durchdringt und infolge der Stegriehluug so gerichtet
ist. dal.', mindestens eine Komponente des Koppelfekies mit der geforderten Feklrichtiing
im Resonator übereinstimmt.
2. Koppelsystem nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß am Ende einer koaxialen
Hochfre(|iien/.-SpeiselcitU!ig Mittelleiter und Außenleiter bei konstantem Wellenwiderstand
kegelförmig zu einem Koppelkopf erweitert und mit einer Abschlußplatte kurzgeschlossen sind, to
wobei diese Abschlußplatte das elektromagnetische Feld im Koppelkopf von demjenigen im
Resonator trennt.
3. Koppelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle den Kiirzschliißstrompfad
zwischen Innen- und Außenleiter bildenden Bauelemente des Koppclkopfcs, die mit den Koppelfeldcrn
in Kontakt stehen, aus supraleitendem Material bestehen oder an ihrer Oberfläche mit
einer supraleitenden Schicht versehen sind und direkt mit flüssigem Helium benetzt werden.
4. Koppelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das aus supraleitendem
Material bestehende Abdeckmittel als mit dem Heliumbad in Verbindung stehender heliumgefüllter
Hohlzylinder ausgebildet und an seinem der KoppelöfTnungen zugewandten Ende geschlossen
ist, wobei dieses Ende eben geformt und parallel zur Ebene der Abschlußplatte angeordnet
ist (Koppelstempel), und die Längsachse des Koppelstempels parallel zur Achse der
koaxialen Speiseleitung und des Koppelkopfes verläuft und der Koppelstempel in seiner Achse
verschiebbar über einen Faltenbalg hochvakuumdicht an die Außenwand des Koppelkopfes angeschlossen
ist.
5. Koppelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das aus supraleitendem
Material bestehende Abdeckmittel als mit dem Heliumbad in Verbindung stehender heliumgefüllter,
an wenigstens einer Seite abgeflachter Hohlzylinder ausgebildet ist, wobei die Längsachse
parallel zur Ebene der Abschlußplatte angeordnet ist (Koppelschieber) und eine abgeflachte
Seite über den Koppellöchern oder dem Koppelloch liegt und daß der Koppelschieber in seiner
Achse verschiebbar über einen Faltenbalg hochvakuiimdicht an den Außenleiter der Speiseleitung
angeschlossen ist.
6. Koppelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine vorbestimmte
Geometrie (Form und Abstand) der Koppelöffnungen deren [:.igenreM>nan/irei|ueiiz so festgelegt
ist, diili sic weit oberhalb der Resonanz
frei|ui.'n/en des /u speisenden Resonators (Hetriebsfrei|iienzen)
liegt und dadurch für die lJetriebsfrei|ueii/eii ein breites Frequenzband /in
Verfügung steht.
7. Koppelsystem nach ,Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die KoppelülTnungen in der
Abschlußplatte als Höhlungen mit Kreisquer· schnitt ausgebildet sind, deren Mittelpunkte auf
einem Kreis mit voibestimmtem Radius liegen.
8. Koppelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelöffnungen in der
Absclilußnlatte als parallele Langlöcher ausgebildet
sind, deren Längsachsen unter einem vorbestimmten Winkel /ur radialen Richtung,
vorzugsweise 45 . angeordnet sind.
y. Koppelsystem nach Anspruch 2, dadurcli
gekennzeichnet, daß Koppelkopf und Resonator im wesentlichen in der Ebene der Abschlußplatle
in der Weise konstruktiv getrennt sind, daß die durch die Resonatorwand gebildete Abschlußplatte
und die kegelförmige Ausweitung de· Mittelleiters der koaxialen Speiseleitung eine Einheit
und die kegelförmige .Ausweitung des Außenleiters mit den Einrichtungen zum Führen und
vakuumdichten Anschließen der Abdeckmittel eine andere Einheit bilden.
K). Koppelsystem nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß der aus supraleitendem
Material bestehende kegelförmige Koppelkopl an seiner Spitze einen zylindrischen Ansatz mil
einem als Kontaktfeder ausgebildeten Ende zum Aufstecken des normalleitendcn Mittelleiters dei
koaxialen Speiseleitung besitzt und diese Steckverbindung außerhalb des Bereiches der Koppelfelder
angeordnet ist.
11. Koppelsystem nach Anspruch 2, dadurcl
gekennzeichnet, daß die Berührungsflächen lösbai miteinander verbundener Bauelemente im Bereich
des Koppelkopfes an ihren an die Kurzschlußstrombahn angrenzenden Kanten wulstförmij
verstärkt sind und mindestens diese Wulst au< einem supraleitenden Material besteht oder mil
einer supraleitenden Schicht versehen ist.
12. Koppelsystem nach Anspruch 1, dadurc! gekennzeichnet, daß Hauelemente im Bereich vor
Koppelffldern mit Kühlkanälen versehen sin:
und über diese mit dem Helinmbad in Verbin dung stehen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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