DE29512436U1 - Vorrichtung zur reflexionsarmen Absorption von Mikrowellen - Google Patents
Vorrichtung zur reflexionsarmen Absorption von MikrowellenInfo
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Description
Beschreibung:
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung von Mikrowellen- in Wärmeenergie.
Die definierte Umwandlung von Mikrowellenenergie in Wärmeenergie wird zu drei Zwecken
angewendet:
- der definierten Erhitzung eines Guts (Prozeßanlage)
- der Messung der Mikrowellenleistung (Kalorimeter)
- der Absorption nicht benötigter Leistung (Last)
Die Auslegung solcher Vorrichtungen erfolgt nach folgenden Kriterien:
- Geringe mechanische Abmessungen
- Vermeidung gefährlicher oder brennbarer Materialien
- Möglichst geringe Reflexion der Mikrowellenleistung zur Quelle
- Möglichst örtlich gleichmäßige Absorption in der Last oder im Gut
Während eine Vielzahl möglicher Lasten und Kalorimeter zur Absorption von Mikrowellen der
Frequenz von 2.45 GHz und darunter bereits existieren, sind bei höheren Frequenzen und hohen
Leistungen nur wenige Lasten bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu finden mit deren Hilfe insbesondere
Mikrowellen höherer Frequenz bis etwa 500 GHz absorbiert werden, die den obigen Ansprüchen
gerecht wird. Im folgenden soll die Erfindung nähers erläutert werden. Dazu werden in der
Zeichnung drei Figuren aufgenommen.
Figur 1 zeigt die Draufsicht (&khgr; - y Ebene ) durch die Vorrichtung
Figur 2 zeigt eine isometrische Darstellung der Vorrichtung mit stark überdimensioniertem
Speisewellenleiter
Figur 3 zeigt eine Vorderansicht derVorrichtung mit einem nahe der Grenzfrequenz betriebenen
Speisewellenleiter
Zum Verständnis des Prinzips der Vorrichtung werden die Gleichungen von helixförmig
propagierenden TE Moden (helixförmig propagierende TM lassen sich nach gleichem Prinzip
anschreiben) im kreiszylindrischen Wellenleiter, Radius R, angeschrieben:
TJ
E2 = 0
&EEgr;&rgr; = ±4y0-£-Jt mik±p)e*±m*±'v-*>
[1]
&rgr;
£
-^- Jm{kLp)
wobei
k = 2 7/ &lgr; die Wellenzahl,>die Wellenlänge,
k 2 = Xmn /R die transversale Wellenzahl
kw = /j* ti*' die axiale Wellenzahl
Xmn der Eigenwert des Modes m-ter azimuthaler und n-ter radialer
Ordnung ist
4 die radiale Koordinate
/ die azimuthale Koordinate
&zgr; die axiale Koordinate
J5J' die Besselfunktion, bzw. deren Ableitung ist
«*» = 2 Tf die Kreisfrequenz des Modes ist
ist. Moden mit hohem azimuthalen Index m und niedrigem radialen Index &eegr; (Whispering Gallery
Moden, WGM) zeichnen sich durch hohe Dämpfung in einem kreiszylindrischen Wellenleiter aus.
Diese helixförmig propagierenden Moden lassen sich in ebene Wellen zerlegen, die unter dem
Brillouin Winkel ß zur Wellenleiterachse propagieren.
sin ß = Xmn / (k R)
Im Grenzfall der geometrischen Optik kann die Phasenfront jeder dieser ebenen Wellen durch einen
geometrisch optischen (g.o.) Strahl repräsentiert werden, dessen transversale Lage dadurch festgelegt
wird, daß an der Wellenleiterberandung die Richtung des Strahls mit der des Realteils des komplexen
Poyntingvektors der Mode übereinstimmt. In guter Näherung ergibt das Strahlen, die beim
Radius
Rc=R*m/Xmn
eine Kaustik (Position 4) bilden, siehe Figur 1. In transversaler Richtung wird das Winkelsegment
2J=- 2 arc cos ( m / Xmn )
genau einmal von allen Strahlen getroffen. Die in Gl 1 definierten Moden können somit durch
geometrisch optische Strahlen repräsentiert werden, die eine polygonale Helix bilden. Ist in
azimuthaler Richtung längs dieser Strahlen die Strecke 2 ^zurückgelegt, so ist in axialer Richtung
die Strecke
zurückgelegt. Die Richtung des geometrisch optischen Strahls läßt sich anschreiben als:
&eegr; = - &khgr; sin ß cos( §+ 2s£) + y sin ß sin( j£*+ 2s j?) +&zgr; cos ß
s hat einen ganzzahligen Wert. Aus diesen Grund kann ein Wellenleiter als eine quasioptische
Übertragungsleitung zusammenhängender Spiegel, (im folgenden Segmente genannt) der Form eines
Parallelogramms (Länge: L, Breite: R * 2 * £), betrachtet werden (siehe auch Denisov, G.G., et al.,
Int J. Electronics, 1992, 72, 1079 -1091). Da diese Segmente von der gesamten Leistung genau
einmal getroffen werden, läßt sich durch Errechnung der Verlustleistung auf diesen Segmenten die
Absorption des Wellenleiters ermitteln (siehe hierzu Baianis, C. A., Advanced Engineering
Electromagnetics, New York, John Wiley & Sons 1989,213 und Möbius et al. 1994, IRMM Digest,
Sendai, JSAP Catolog Number: AP 941228, Seite 339).
-4-
Die vom Generator oder von einem Mikrowellenhohlleiternetzwerk kommende Leistung propagiert
bei den für eine Anwendung üblichen Fällen in Form von Wellenleitermoden in einem Speisewellenleiter
(SWL) (Position 1) oder in Form von Freiraummoden einer quasioptischen Übertragungsstrecke (q.o.Ü.) in die Vorrichtung. Die Auslegungskriterien der Vorrichtung sind in
beiden Fällen gleich, wenn die Achse des SWL mit der optischen Achse der q.o.Ü. gleichgesetzt
wird. Die Moden des SWL lassen sich ebenfalls in ebene Wellen zerlegen, die unter dem
Brillouinwinkel zur Achse propagieren. Ist der SWL stark überdimensioniert (bei der q.o.Ü
entspricht das einer Strahltaillie groß gegenüber der Wellenlänge) so ist der Brillouinwinkel im SWL
klein (die Divergenz des Strahls der q.o.Ü. gering).
Erfindungsgemäß wird nun der überdimensionierte SWL (bzw die q.o.Ü.) so am kreiszylindrischen
Resonator (Position 2) angebracht, daß seine Achse (Position 5) mit der Richtung &eegr; des geometrisch
optischen Strahles (Position 3) übereinstimmt (siehe Figur 1 und Figur 2). Diese Figur zeigt den Fall
eines rechteckigen SWL, die Anwendung ist jedoch nicht auf diese Geometrie beschränkt, beispielsweise
ist auch ein kreiszylindrischer SWL denkbar. Die vom SWL kommende Mikrowellenleistung
regt im kreiszylindrischen Wellenleiter den durch diesen g. o. Strahl repräsentierten helixförmig
propagierenden Mode (bevorzugt WGM) an. Mit jeder Reflexion an der Wellenleiterberandung
verringert sich die Mikrowellenleistung, und damit auch die in Wärme umgesetzte Leistung, falls das
Kreiszylindermaterial konstant bleibt. Erfindungsgemäß wird dieses nun so variiert daß gilt
Pin/'S7= const
wobei Pin die auf ein Segment auftreffende Leistung darstellt, »ipdie Leifähigkeit des Materials bzw.
einer Oberflächenbeschichtung ist. Ein Ausführungsbeispiel ist z. B. die Wahl von Kupfer, dann
Messing, dann Edelstahl und schließlich absorbierende Keramik oder eine durch ein nichtleitendes
Medium eingeschlossene Flüssigkeit. Wird der kreiszylindrische Wellenleiter mit absorbiereden
Deckeln (Position 6) abgeschlossen (aus Kostengründen werden an diesen Stellen die
absorbierenden Keramiken bevorzugt angebracht), so wird nur noch ein geringer Teil der
Millimeterwellenleistung in axialer Richtung reflektiert (Aus dem kreiszylindrischen Rohr wird ein
kreiszylindrischer Resonator schlechter Güte). In transversaler Richtung behält der Mode jedoch
seine Rotationsrichtung bei, so daß er in Richtung
&eegr; = -&khgr; sinß cos(£" +2s £) +ysinß sin(f+2s^") - zcosß
propagiert. Hat die durch den g.o. Strahl repräsentierte Leistung den Ort des SWL oder der q.o.Ü.
erreicht, so stimmt dessen Richtung nicht mit deren Wellenleiterachse überein. Dies reduziert erfindungsgemäß
dramatisch die in das Netzwerk reflektierte Leistung.
Der Zylinder wird von außen mit einem Kühlmedium umströmt, bevorzugt wird Wasser gewählt.
Werden die Eingangs - und Ausgangstemperatur des Kühlmediums gemessen, so kann die an den
Wänden des zylindrischen Resonators absorbierte Mikrowellenleistung kalorimetrisch gemessen
werden.
Die Einkopplung des SWL oder der q.o.Ü. kann mit Hilfe der obigen Gleichungen auch so ausgelegt
werden, daß eine rotierende TEl 1 Mode oder auch eine HEl 1 Mode angeregt wird ( letzteres wird
durch die Korrugationen des kreiszylindrischen Resonators erreicht). Diese Moden haben nur ein
geringes Feld an der Wellenleiterberandung und dadurch eine relativ geringe Dämpfung, jedoch ein
starkes relativ homogenes Feld im Bereich der Achse. Erfindungsgemäß kann nun in diesem Bereich
ein absorbierendes Material eingebracht werden. Diese Auslegungsform ist eher als Prozeßanlage
denn als Last oder als Kalorimeter zu verwenden. Das absorbierende Material dient als Gut.
Wird der SWL nahe der Grenzfrequenz betrieben oder hat die q.o.Ü. eine starke Divergenz so ist der
kreiszylindrische Wellenleiter durch eine geeignete Wahl des Radius und des Modes mit Hilfe der
obigen Gleichungen erfindungsgemäß so auszulegen, daß die durch den Brillouinwinkel des SWL
bzw. den Spreizungswinkel der q.o.Ü. beschreibene Ausbreitungsrichtung ihrer propagierenden
einzelnen ebenen Teilwellen gleich der Richtung der geometrisch optischen Strahlen des gewählten
Modes im kreiszylindrischen Wellenleiter ist. Eine Seitenansicht ist in Figur 3 zu sehen. Der SWL
wird in der x-z Ebene bevorzugt senkrecht zum kreiszylindrischen Rohr angebracht in der &khgr; - y
Ebene wird er wie im obigen Fall um Rc zur Achse versetzt angebracht. Die einzelnen g.o. Strahlen
propagieren wie im in der Figur 2 dargestellten Fall auf einer polygonalen Helix. Handelt es sich bei
dem SWL um einen Rechteckhohlleiter, so wird der darin propagierende Mode durch nur zwei ebene
Teilwellen dargestellt, falls einer seiner Indizes gleich null ist. Für diesen Fall ist das gezeigte Prinzip
am besten anwendbar. In anderen Fällen müssen aus der Vielzahl möglicher Teilwellen zwei
herausgegriffen werden, was die Effizienz der Einkopplung verschlechtert.
Um die für das Prinzip gefährlichen Reflexionen in einen gegensinnig rotiernden Mode stärker zu
vermeiden, kann für den Fall von dem Betrieb mit WGM der kreiszylindrische Wellenleiter mit einem
Innenleiter versehen werden, d.h. eine koaxiale Anordnung gewählt werden. Die Gleichung (1) ist
dann so zu erweitern, daß sie für koaxiale Moden gilt. Dies ist für den Fachmann ohne weiteres
durchführbar.
-6-
Positionen:
1: Speisewellenleiter (SWL)
2: kreiszylindrischer Resonator
3: geometrisch-optischer Strahl im kreiszylindrischen Resonator
4: Kaustik
5: Mittelachse des Speisewellenleiters (SWL)
6: Deckel des kreiszylindrischen Resonators
-7-
Claims (1)
- Ansprüche: Anspruch 1;Vorrichtung zur Absorption von Mikrowellen, bestehend aus einem kreiszylindrischen Resonator und einem SWL oder eine q.o.Ü., dadurch gekennzeichnet, daß:- im Falle eines überdimensionierten SWL oder einer entsprechenden q.o.Ü. mit einem entsprechend schwachen Strahlspreizungswinkel, der SWL oder die q.o.Ü. bevorzugt so angebracht wird, daß seine Achse die Verlängerung des eine gewählte rotierende Mode des kreiszylindrischen Resonators repräsentierenden geometrisch optischen Strahls darstellt,- im Falle des nahe der Grenzfrequenz betrieben SWLs der Vorderansicht bevorzugt senkrecht zum kreiszylindrischen Resonator angebracht ist und in der &khgr; -y Ebene transversal so versetzt ist und der Durchmesser des kreiszylindrischen Resonators so gewählt wird, daß die ebenen Wellen des SWL die Verlängerung eines eine gewählte rotierende Mode des kreiszylindrischen Resonators repräsentierenden geometrisch optischen Strahlen darstellt,wodurch die Reflexion in den SWL bzw. q.o.Ü. minimiert wird. Anspruch 2:Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß:- im Zentrum des kreiszylindrischen Resonators ein absorbierendes Medium befindet und im kreiszylindrischen Resonator ein Mode mit einer hohen Feldstärke in der Resonatormitte bevorzugt TEl 1 oder HEl 1 angeregt wird.Anspruch 3:Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß:- das Material des Kreiszylinders bzw. die Oberflächenbeschichtung so variiert wird, daß das Verhältnis von lokal auftreffender Leistung zur Quadratwurzel der Leitfähigkeit konstant ist, so daß die absorbierte Leistung pro Fläche konstant bleibt.Anspruch 4:Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß:- der kreiszylindrische Resonator von einem Kühlmedium umströmt wird, dessen Eingangsund Ausgangstemperatur gemessen werden kann, so daß die Mikrowellenleistung gemessen werden kann.Anspruch 5:Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß:- durch Einbringen eines Innenleiters aus dem kreiszylindrischen Resonator eine koaxiale Anordnung wird-9-
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE29512436U DE29512436U1 (de) | 1995-08-02 | 1995-08-02 | Vorrichtung zur reflexionsarmen Absorption von Mikrowellen |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
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DE29512436U1 true DE29512436U1 (de) | 1995-10-19 |
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DE29512436U Expired - Lifetime DE29512436U1 (de) | 1995-08-02 | 1995-08-02 | Vorrichtung zur reflexionsarmen Absorption von Mikrowellen |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE29512436U1 (de) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19700141A1 (de) * | 1997-01-04 | 1998-07-09 | Gero Hochtemperaturoefen Gmbh | Brennofen für die Hochtemperaturbehandlung von Materialien mit niedrigem dielektrischem Verlustfaktor |
EP1894714A1 (de) | 2006-08-31 | 2008-03-05 | Papier-Mettler Inh. Michael Mettler | Verbundpapier sowie Beutel für Lebensmittel, insbesondere für vorgebackene Backwaren, enthaltend das Verbundpapier, und ein Verfahren zur Herstellung des Beutels |
-
1995
- 1995-08-02 DE DE29512436U patent/DE29512436U1/de not_active Expired - Lifetime
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE19700141A1 (de) * | 1997-01-04 | 1998-07-09 | Gero Hochtemperaturoefen Gmbh | Brennofen für die Hochtemperaturbehandlung von Materialien mit niedrigem dielektrischem Verlustfaktor |
EP1894714A1 (de) | 2006-08-31 | 2008-03-05 | Papier-Mettler Inh. Michael Mettler | Verbundpapier sowie Beutel für Lebensmittel, insbesondere für vorgebackene Backwaren, enthaltend das Verbundpapier, und ein Verfahren zur Herstellung des Beutels |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R207 | Utility model specification |
Effective date: 19951130 |
|
R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years |
Effective date: 19990119 |
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R151 | Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years |
Effective date: 20011113 |
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R158 | Lapse of ip right after 8 years |
Effective date: 20040302 |