DE2855893A1

DE2855893A1 - Mikrowellenherd

Info

Publication number: DE2855893A1
Application number: DE19782855893
Authority: DE
Inventors: Rudolph Albert Dehn
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1977-12-27
Filing date: 1978-12-23
Publication date: 1979-06-28
Also published as: FR2413842A1; JPS54100545A; GB2013460A; SE7813288L

Description

GENERAL ELECTRIC COMPANY, 1, River Road, Schenectady _/ New York 12 305 (USA)

Mikrowellenherd

Die Erfindung betrifft einen Mikrowellenherd, der eine Quelle für Mikrowellenenergie mit einer vorbestimmten Frequenz und einen Heizraum aufweist.

Obwohl Mikrowellenherde bereits viele Jahre im Handel verfügbar sind, haben sie erst vor kurzem eine breitgestreute allgemeine Aufnahme erfahren. Die relativ späte Annahme von Mikrowellenherden ist im wesentlichen die Folge davon, daß die frühen Mikrowellenherde nicht in der Lage waren, in dem Heizraum angeordnetes Kochoder Backgut gleichförmig zu erwärmen, umgekehrt ist diese Unfähigkeit die unmittelbare Konsequenz der Unfähigkeit, mit frühen Mikrowellenherde ausreichend gleichmäßige Felder innerhalb des Heizraumes zu erzeugen.

Obwohl verschiedene Übertragungstechniken entwickelt worden sind, um dieses Problem bei verhältnismäßig großen Heizräumen (beispielsweise 38,1 χ 30,4δ χ 25,4 cm ) zu bewältigen, können diese bekannten Techniken nicht verwendet werden, um befriedigende Ergebnisse bei verhältnismäßig kleinen Heizräumen (beispielsweise 12,7 χ 15,2 χ 30,48 cm ) zu erzielen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Leitungseinrichtung für langsame Wellen zu schaffen, die dazu verwendbar

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ist^bei Mikrowellenherden brauchbare Ergebnisse zu erzielen, wobei die Heizräume zu klein sind, um entsprechende Ergebnisse unter Verwendung der bekannten Mikrowellentechniken zu erhalten.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist der Mikrowellenherd dadurch gekennzeichnet, daß er zur Ausbreitung der Wellenenergie durch den Heizraum mit einer Phasengeschwindigkeit kleiner als die Lichtgeschwindigkeit eine Leitungseinrichtung für langsame Wellen enthält,- und die Eigenschaften der Leitungseinrichtung für langsame Wellen, die Größe des Heizraumes und die Frequenz der Mikrowellenenergie derart bemessen sind, daß wenigstens eine Hohlraumresonantorschwingungsart in dem Heizraum erzeugbar ist.

Der Mikrowellenherd verwendet eine Leitungseinrichtung für langsame Wellen, damit sich die Mikrowellenenergie einer vorbestimmten Frequenz mit einer Phasengeschwindigkeit kleiner als Lichtgeschwindigkeit durch den Heizraum ausbreitet. Bezeichnenderweise ist die Leitungseinrichtung für langsame Wellen so ausgelegt, daß in üem Heizraum zumindest ein Hohlraumresonatorschwingungstyp erzeugbar ist. Durch die Verringerung der effektiven Phasengeschwindigkeit der Mikrowellenenergie wird die minimal zulässige Frequenz,bei der ein Hohlraumresonatorschwingungstyp erzeugt werden kann, verringert. In einem bevorzugten Äusführungsbeispiel weist die Leitungseinrichtung für langsame Wellen einen meanderförmigen, innerhalb des Ileizraumes angeordneten Leiter auf. Es kann jedoch jede geeignete Leitungseinrichtung für langsame Wellen verwendet werden.

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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung sowie bekannte Mikrowellenherde dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 einen bekannten Mikrowellenherd, der in einem Hohlraumresonatormodus arbeitet,

Fig. 2 einen bekannten Mikrowellenherd, der in einem Schaltungsmodus mit abgestimmten Blindelementen arbeitet in einem Blockdiagramm,

Fig. 3 einen bekannten Mikrowellenherd, der in einem Oberflächenwellenmodus arbeitet, in schematischer Darstellung,

Fig. 4 ein erstes Ausführungsbeispxel eines erfindungsgemäßen Mikrowellenherdes, in schematischer Darstellung und

Fig. 5 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Mikrowellenherdes mit aus Darstellungsgründen teilweise entfernter Seitenwand, in schematischer Darstellung.

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In der Zeichnung bezeichnen gleiche Bezugzeichen ähnliche oder gleiche Elemente; in Fig. 1 ist ein bekannter Mikrowellenherd 10 dargestellt, der in der Art eines Hohlraumresonators arbeitet. Der Mikrowellenherd 10 weist eine Mikrowellenenergiequelle 12 (die ein Hochfrequenzoszillator sein kann), einen Heizraum 14 und eine Mikrowellenantenne 16 auf. Derartige Mikrowellenherde erzeugen innerhalb aes Heizraumes 14 zumindest ein Feldmuster 18 stehender Welle».Die Anzahl und die Art der stehenden Wellen, die in dem Heizraum 14 erzeugt werden, sind eine Funktion der Abmessungen des Heizraumes 14 und eier Frequenz der von der Energiequelle 12 erzeugten Mikrowellenenergie. Bei derartigen Mikrowellenheruen ist die Wellenlänge

2 des in diesem Mikrowellenherd schwingenden Schwingungstyp im allgemeinen durch den Ausdruck:

2 = ²- (D

gegeben, worin m, η und e ganze Zahlen sind, die die Anzahl der stehenden Wellen (dies entspricht der Anzahl der Moden) in Richtung der Weite a, der Tiefe b und der Höhe c des Heizraumes 14 gemäß Fig. 1 entsprechen. Entweder durch die Erzeugung eines ausreichenden Anzahl von stehenden Wellen oder einer einzelnen stehenden Welle, deren Punkte mit maximaler Energie ausreichend dicht nebeneinander liegen ist es möglich, in dem Heizraum 14 eine ausreichend gleichmäßige Feldverteilung zu schaffen, um somit ein gleichmäßiges Aufheizen des in dem Heizraum 14 befindlichen Back- oder Kochgut 20 sicherzustellen. Obwohl als

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Hohlraumresonator ausgebildete IVikrowellenherde eine befriedigende Feldverteilung innerhalb relativ großer Heizräume ergeben, kann diese Technik nicht bei relativ kleinen Heizräumen verwendet werden.

Anhand der folgenden Ausführung kann die eben getroffene Schlußfolgerung besser verstanden werden. Die Resonanz mit der niedrigsten Ordnungszahl für den Hohlraumschwingungstyp eines Parallelepipeds ist der H.. .. Schwingungstyp . Angenommen, die Abmessungen des Hohlraumes betragen 12,7 χ 15,24 χ 30,48 cm und die Mikrowellenenergiequelle 12 erzeugt Mikrowellenenergie mit einer Frequenz von 915 MHz.so beträgt die Resonanzwellenlänge des H_{1 1} Schwingungstypes (das ist die minimale Wellenlänge des Resonatorschwingungstyps für den Hohlraum) 32,766 cm. Da jedoch die Weite des Hohlraumes nur 30,48 cm beträgt, kann in dem Hohlraum kein Resonatorschwingungstyp erzeugt werden. Die niedrigste Frequenz, bei der ein Hohlraumresonatorschwingungstyp in einem Hohlraum mit den obengenannten Abmessungen erzeugbar ist, beträgt 1100 MHz. Dementsprechend sind die bekannten Techniken der Hohlraumresonatorschwingungstypen in Verbindung mit Mikrowellenherden mit verhältnismäßig geringen Heizraumabmessungen nicht erfolgreich verwendbar.

In Fig. 2 ist eine zweite bekannte Art von Mikrowellenherden veranschaulicht. Solche Mikrowellenherde arbeiten in einer Schaltungsart mit abgestimmten Blindelementen für relativ niedrige Frequenzen, wobei deren Parameter durch die ^Tr>duktivität eines Induktivitätsgldedes 22 und die effektive Kapazität eines Kondensators 23 gesteuert sind.Der Kondensator 2 3 ergibt sich aus einem Paar paralleler Platten 24 und 26,die in einem Heizraum 23 des Mikro-

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wellenherdes angeordnet sind. Bei solchen Mikrowellenherden entsteht ein höchst gleichmäßiges Feld in dem Bereich zwischen den Platten 24, 26. Durch die Verwendung dieser Betriebsweise ist es möglich, über einen Bereich mit einer Abmessung von näherungsweise einem 1/20 der Wellenlänge ein im wesentlichen gleichmäßiges Feld zu erzeugen. Obwohl dieses Feld höchst gleichmäßig ist, sind derartige Mikrowellenherde weqen des relativ geringen Abstandes zwischen den Platten 24, 2ti zuin Aufheizen und Trocknen von Back- oder Kochgut unpraktisch.

jJine dritte bekannte Art eines Mikrowellenherdes ist in Fig. 3 veranscnaulicht. Dieser Mikrowellenherd arbeitet in einem Modus mit Oberflächenwellenübertragung. Von einer Energiequelle 30 eingespeiste Mikrowellenenergie v/ird in eine Schaltung zur Oberflächenwellenübertragung, die eine Anzahl von Rippen aufweist, eingekoppelt. Wie bei der Erfindung verwenden diese Mikrowellenherde eine langsame Wellenübertragung der Mikrowellenergie. Von der Erfindung jedoch abweichend werden bei dieser bekannten Technik keine Resonatorschwingungstypen innerhalb des Heizraumes erzeugt. Diese Schaltungen erzeugen vielmehr Oberflächenwellen, die dicht an eier Oberfläche der Rippen 32 bleiben. Die Intensität der durch die Schaltung zur Übertragung von Oberflächenwellen erzeugten Oberflächenwellen neigt insbesondere dazu exponentiell abzunehmen, wenn sich die Oberflächenwelle von der Oberfläche des Übertragungssystems in eine Richtung wegbewegt, die senkrecht auf der Ausbreitungsrichtung der Oberflächenwellen steht. Mikrowellenherde der genannten Art sind beispielsweise in der UG-PS 3 478 137 und der US-PS 4 019 009 dargestellt. Da die Mikrowellenleistung dicht an der Ober-

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fläche der Wellenübertragungsschaltung konzentriert ist/ ist die Größe des Koch- oder Backgutes,das effektiv geheizt werden kann, begrenzt.

In Fig. 4 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des neuen Mikrowellenherdes dargestellt und allgemein mit 34 bezeichnet. Der Mikrowellenherd 34 weist eine Mikrowellenenergiequelle 36, einen Heizraum 38 und eine Wellenleitungseinrichtung 40 für langsame Wellen auf. Die Leitungseinrichtung für langsame Wellen ist vorzugsweise ein meanderförmig geführter Leiter, durch den der Längsweg,der von der durch den Hohlraum 38 durchlaufenden Mikrowellenenergie durchquert werden muß, wirksam verlängert ist. Obwohl der dargestellte meanderförmige Leiter eine völlig befriedigende Feldverteilung ergibt, ist erkennbar, daß jede Leitungseinrichtung für langsame Wellen verwendet werden kann, durch die eine ausreichende Anzahl von Hohlraumresonatormoden erzeugt wird, um das in dem Heizraum 38 angeordnete Kochoder Backgut wirksam aufzuheizen.

Zunächst kann der Mikrowellenherd 34 als eine modifizierte Koaxialleitung mit einem rechteckigen Außenleiter und einem meanderförmigen Mittelleiter betrachtet werden. Sofern die Gesamtlänge des Mittelleiters die Längsabmessung Z des Heizraumes 38 überschreitet, ist die Phasengeschwindigkeit der sich ausbreitenden Mikrowellenenergie in Z-Richtung vermindert. Dieses vereinfachte Konzept gilt bei sehr niedrigen Frequenzen, bei denen die Änderung bezogen auf die Periode des meanderförmigen Leiters klein ist. Wenn die Frequenz der Mikrowellenenergie erhöht wird und die Phasenverzögerung pro Periode sich7T nähert, ist die Phasengeschwindigkeit sogar noch niedriger als es die

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geometrischen Abmessungen erwarten lassen würden.

Durch die Verwendung einer Leitungseinrichtung für langsame Wellen/ um die Phasengeschwindigkeit der Mikrowellenenergie zu verringern, werden die Heizraumabmessungen, die erforderlich sind, damit der Mikrowellenherd bei einer vorbestimmten Frequenz f mit jeder gegebenen Resonanzmodes arbeitet, vermindert. Dieses Phänomen kann wie folgt erklärt werden: Durch die obige Gleichung (1) ist die Resonanzwellenlänge λ für jeden möglichen Schwingungstyp innerhalb des Heizraumes gegeben. Die Wellenlänge X ist normalerweise mit der Frequenz der in den Mikrowellenherd eingespeisten Mikrowellenenergie durch die folgende Gleichung verknüpft:

λ = c/f (2)

wobei c die Lichtgeschwindigkeit und f die Frequenz der in den Mikrowellenherd eingespeisten Mikrowellenenergie bedeuten. Der Hohlraumresonatorschwingungstyp mit der niedrigsten Ordnung ist bei einem rechteckigen Parallelepiped der H₁₁ Schwingungstyp. Gleichung 2 in Gleichung 1 eingesetzt und nach der Mikrowellenfrequenz aufgelöst, die erforderlich ist, um den H₁₀₁ Schwingungstyp zu erzeugen, ergibt für die erforderliche Minimalfrequenz, um den Mikrowellenherd als Hohlraumresonator zu betreiben:

r _

Die Untersuchung der Gleichung (3) zeigt, daß die Minimalfrequenz,die erforderlich ist, um in einem

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parallelepipedförmigen Heizraum eine stehende Wellenform zu erzeugen, eine direkte Funktion der Phasengeschwindigkeit (normalerweise c) der durch den Heizraum laufenden Mikrowellenenergie und eine indirekte Funktion der Abmessungen (a, b) des Heizraumes ist. Durch die Verwendung eines Wellenleiters für langsame Wellen ist die Phasengeschwindigkeit der durch den Heizraum durchlaufenden Wellenenergie vermindert und damit die Größe des Zählers aus Gleichung (3). Als ein Ergebnis ist ebenfalls die erforderliche Minimalfrequenz, um bei vorgegebenen Heizraumabmessungen (a, b) einen Hohlraumresonatorschwingungstyp zu erzeugen, vermindert. Umgekehrt sind für eine gegebene Mikrowellenfrequenz f die erforderlichen minimalen Heizraumabmessungen zur Erzeugung einer vorgegebenen Anzahl und Typs von Hohlraumresonatormoden verringert.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4, bei dem die Abmessungen des Heizraumes 12,7 χ 15,24 χ 30,48 cm und die Teilung des meanderförmigen Leiters 7,366 cm betragen und die Mikrowellenenergiequelle 36 Mikrowellenenergie mit einer Frequenz von 900 MHz erzeugt, ist es beispielsweise möglich, einen Hohlraumresonatorschwingungtyp mit 8-halb-Wellenlängen in Richtung der Weite Z des Heizraumes zu erzeugen. Demgemäß ist bei jeder halben Wellenlänge ein Bereich mit großer elektrischer Feldstärke und somit sind im gesamten Volumen des Mikrowellenherdes 8 Bereiche hoher elektrischer Feldintensität. Dies bedeutet, daß die Punkte mit großer Mikrowellenwärmezufuhr zahlreich sind und relativ dicht im Abstand zueinander angeordnet sind. Bei dem gegebenen Beispiel kann das in dem Heizraum 38 angeordnete Koch- oder Backgut innerhalb eines großen, durch den meanderförmigen Leiter 40 gegebenen Flächenbereich angeordnet und noch wirksam aufgeheizt werden,

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und zwar entweder durch die Strahlung der Mikrowellen oder durch Wärmeleitung innerhalb des über einen Bereich in der Größenordnung von 5,03 cm aufgeheizten Koch- oder Backgut.

Durch die Verwendung eines meanderförmigen Leiters mit kürzerer Teilung kann sogar eine geringere Phasengeschwindigkeit realisiert werden. Durch weiteres Verringern der Phasengeschwindigkeit der Mikrowellen wird jedoch die Mikrowellenenergie stärker auf die Bereiche in der Nähe des meanderförirtigen Leiters begrenzt. In der Folge wird den Teilen des Kochoder Backgutes die in der Nähe des meanderförmigen Leiters 40 angeordnet sind mehr Wärme zugeführt, als denjenigen, die sich von der Ebene des meanderförmigen Leiters 40 entfernt befinden.

Obwohl ein Ausführungsbeispiel anhand der .Fig. 4 beschrieben ist, können jedoch andere Leitungseinrichtungen für langsame Wellen verwendet werden. Eine Alternative ist in Fig. 5 dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel ist der meanderförmige Leiter durch eine zweidimensionale Stableitung 42 ersetzt, die eine Anzahl vertikaler Stäbe 44 aufweist, welche jeweils durch einen Knopf oder eine Scheibe 46 abgedeckt sind, um jeweils einen verkürzten viertel-Wellenresonator zu bilden. Durch eine bekannte Verbindungstechnik,bei der ein Leiter 48 mit mäßig niedriger Induktivität wie dargestellt, abwechselnde Stäbe 44 verbindet, ist eine elektrische Feldverteilung mit einem +-+... Muster vorzugsweise an Ort und Stelle festgehalten.

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Beim Entwurf von Leitungseinrichtungen, wie den in den Fig. 4 und 5 dargestellten.für langsame Wellen, ist es zweckmäßig, den Sperrbereich oder Frequenzbereich bei dem keine Ausbreitung stattfindet zu vermeiden. Der erste Sperrbereich beginnt im allgemeinen bei der Frequenz, bei der die Phasendrehung pro Wiederholungsperiode der Schaltung Jf beträgt.

Das Querverbinden (Strapping) ist ein Verfahren um sicherzustellen, daß einige Bereiche der Schaltung nicht in eine Sperrbereichsbedingung kommen, was zu einer starken Ungleichmäßigkeit der Feldverteilung führen würde. Eine andere Technik um diese Schwierigkeit zu vermeiden besteht darin, daß bei Resonanzen gearbeitet wird, bei denen die Phasendrehung pro Periode geringer als If ist. Durch geeignete Wahl der Geometrie kann ein gewünschter Schwingungstyp bei einer Frequenz uer Energiequelle 36 liegen. Um axe Energie in die Leitungseinrichtung für langsame Wellen einzuspeisen, können verschiedene Techniken verwendet werden. Der meanderförmige Leiter 40 kann an einem geeigneten Punkt in der Nähe eines Endes bequem angezapft sein. Der Anzapfungspunkt sollte so gewählt sein, aaß sich die beste mittlere Impedanzanpassung bei einer Vielzahl von Arbeitslasten (innerhalb des Heizraumes 38 angeordnete Koch- oder Backgut) ergibt. Wenn die Arbeitslast im wesentlichen massiv ist kann es zweckmäßig sein, durch eine geeignet angeordnete Anzapfungsverbindung den Leiter 40 in der Mitte anzusteuern. Dies vermeidet einen kalten Bereich auf der Seite der Last, die von dem Einspeisungspunkt entfernt liegt.

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Falls Mikrowellenheizung verbunden mit üblicher Strahlung oder Heizung erwünscht sind, kann der meanderförmige Leiter 40 als ummanteltes Heizelement hergestellt sein. In diesem Falle wird, um einen Verlust von Mikrowellenenergie zu vermeiden, die äußere Ummantelung des Heizelementes an jedem Ende mit dem Heizraum 38 metallisch verbunden und die Oberfläche der Ummantelung wird beschichtet oder so gestaltet, daß sie eine mäßig hohe elektrische Leitfähigkeit für die Mikrowellenströme ergibt. Eine gebräuchliche gewendelte Nickel-Chrom-Heizspirale wird von einem 50 oder 60 Hz Netzteil angesteuert, um zusätzliche Wärme zu erzeugen. Die Verbindungen zu der Heizspirale werden außerhalb des Heizraumes 36 angeordnet, damit keine Interferenz mit den Mikrowelleneigenschaften des Leiters 40 stattfinden kann.

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Claims

Patentanwälte Dipl.-Ing. W. ScherrnfaiW "OryiMJ.fll

7300 Esslingen (Neckar), Webergasse 3, Postfach 348

22. Dezember 1978 S₁ ⁸UuJa⁰M(O₇H)₃₅₆₅₃₉ PA 140 bawa ³⁵⁹⁶¹⁹

Telex 07 2S6610smru

Telegramme Patentschutz Esslingenneckar

Patentansprüche

M .. Mikrowellenherd der eine Quelle für Mikrowellenenergie mit einer vorbestimmten Frequenz und einen Heizraum aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß er zur Ausbreitung der Wellenenergie durch den Heizraum (38) mit einer Phasengeschwindigkeit kleiner als die Lichtgeschwindigkeit eine Leitungseinrichtung für langsame Wellen enthält, und die Eigenschaften der Leitungseinrichtung für langsame Wellen, die Größe des Heizraumes (38) und die Frequenz (f) der Mikrowellenenergie derart bemessen sind, daß wenigstens eine Hohlraumresonatorschwingungsar t in dem Heizraum (38) erzeugbar ist.
2. Mikrowellenherd nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß seine Abmessungen zu klein sind, als daß durch die Ausbreitung der Mikrowellenenergie mit einer Phasengeschwindigkeit gleich der Lichtgeschwindigkeit Hohlraumresonatorschwingungsar ten entstehen.
3. Mikrowellenherd nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungseinrichtung für langsame Wellen einen in dem Heizraum(38)angeordneten meanderförmigen Leiter (40) enthält.
4. Mikrowellenherd nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch den meanderförmigen Leiter (40) innerhalb des Heizraumes (38) ein Muster stehender Wellen erzeugt wird, das eine Anzahl von Orten mit hoher elektrischer

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Feldintensität aufweist, die über die in Richtung der Ausbreitung der Mikrowellenenergie gemessenen Weite (Z) des Heizraumes (38) verteilt sind.
5. Mikrowellenherd nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungseinrichtung für langsame Wellen eine zweidimensionale Stableitung (42) enthält.
6. Mikrowellenherd nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweidimensionale Stableitung eine Anzahl vertikaler Stäbe (44) aufweist, die jeweils zur Bildung eines verkürzten Viertelwellenresonators mit einem Knopf oder Scheibe (46) bedeckt sind.
7. Mikrowellenherd nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verteilung des elektrischen Feldes mit abwechselndpositiven und negativen Ladungen auf den Scheiben (46) durch ein Strapping (48) der Stäbe (44) festgehalten ist.
8. Mikrowellenherd nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen des Heizraumes (38) nicht mehr als 12,7 χ 15,24 χ 30,48 cm betragen.
9. Mikrowellenherd nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die '
beträgt.

daß die vorbestimmte Frequenz (f) näherungsweise 900MHz

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