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Mikrowellen-Therapiegerät
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Die Erfindung betrifft ein Mikrowellen-Therapiegerät für die Human-und
Veterinärmedizin, bei welchem Mikrowellenleistung in einem Magnetron erzeugt und
über koaxiale Leitungen zu den Mikrowellen-Applikatoren geleitet wird, durch welche
diese Mikrowellenleistung auf das zu therapierende biologische Gewebe gestrahlt
wird.
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Hierbei müssen verschiedene Bedingungen erfüllt werden. Eine Bedingung
ist die Anpassung der Impedanz bzw. des Wellenwiderstandes der verwendeten koaxialen
Leitung an die Ausgangsimpedanz des verwendeten Magnetrons. Es sind Magnetrons für
Mikrowellen-Therapiegeräte bekannt, welche bereits vom Hersteller dieser Magnetrons
mit einer Ausgangsimpedanz ausgestattet sind, welche direkt auf den Wellenwiderstand
üblicher Koaxialleitungen angepaßt ist. Das ist in der Regel 50 oder 60 Ohm. Leider
sind diese Magnetrons relativ teuer, denn sie werden in nur relativ geringen Stückzahlen
produziert.
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Dagegen werden Magnetrons, wie sie für Mikrowellenherde benötigt werden,
in wesentlich größeren Stückzahlen produziert und von den Herstellern entsprechend
preiswert angeboten. Es liegt daher nahe, die preiswerten Magnetrons, wie sie für
Mikrowellenherde angeboten werden, auch in Mikrowellen-Therapiegeräten einzusetzen.
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Leider sind die Betriebsbedingungen der Magnetrons in Mikrowellenherden
anders als bei Mikrowellen-Therapiegeräten. Bei Mikrowellenherden wird die Mikrowellenleistung
der speziell für diesen Zweck konstruierten Magnetrons ohne Zwischenschaltung einer
Koaxialleitung direkt oder über Hohlleiter in den Garraum eingekoppelt. Deswegen
sind diese Magnetrons nicht mit einem Koaxialanschluß ausgestattet, sondern in der
Regel mit einer Antenne, welche in Hohlleitern oder Hohlraumresonatoren, wie beispielsweise
die Garräume von Mikrowellenherden, die jeweilige Wellentypen anregt. Die Ausgangsimpedanz
dieser Magnetrons ist auf die Impedanz des Garraumes oder des Wellenwiderstandes
des vewendeten Hohlleiters angepaßt und weicht stark von dem Wellenwiderstand üblicher
Koaxialleitungen mit 50 oder 60 Ohm ab.
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Da der Garraum von Mikrowellenherden wie ein faradayischer Käfig hochfrequenzdicht
abgeschlossen ist, stören die vom Magnetron erzeugten Harmonischen der Nennfrequenz
und zusätzlich erzeugten nicht harmonischen Frequenzen, auch unterhalb der Nennfrequenz.
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Bei der Entwicklung von Magnetrons für Mikrowellenherde muß daher
nicht auf die Reinheit der Nennfrequenz geachtet werden. Mikrowellen-Therapiegeräte,
welche die Mikrowellenleistung bestimmungsgemäß auf den Patienten und damit mehr
oder weniger auch in die Umwelt abstrahlen, müssen so gebaut sein, daß die im Magnetron
erzeugten harmonischen und nicht harmonischen Frequenzen der Nennfrequenz nicht
zu stark in die Umwelt gestrahlt werden. Die maximal zugelassenen Pegel der harmonsichen
und nicht harmonischen Frequenzen der Nennfrequenz von 2450 +/- 50 MHz sind gesetzlich
definiert und sowohl national als auch international festgelegt.
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Da bei Mikrowellen-Therapiegeräten bis etwa zum 01.01.1985 die Einhaltung
der maximal zugelassenen Störpegel offiziell nur bis 1000 MHz geprüft wurde, die
Nennfrequenz von Mikrowellen-Therapiegeräten mit 2450 +/- 50 MHz aber bereits weit
über 1000 MHz liegt, wurden bei bis 1984 bekannten Mikrowellen-Therapiegeräten,
ähnlich wie bei Mikrowellenherden, keine speziellen Vorkehrungen zur Unterdrückung
der Störfrequenzen oberhalb 1000 MHz berücksichtigt.
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Im Jahre 1967 wurde ein koaxiales Tiefpaßfilter für ein Mikrowellen-Therapiegerät
bekannt (DP 1971 127, 219> 24/02, Robert Bosch Elektronik und Photokino GmbH),
welches zwischen ein als Mikrowellengenerator verwendetes Magnetron und der Koaxialleitung
zum Mikrowellen-Applikator, Mikrowellenstrahler genannt, geschaltet wird. Hierdurch
sollen die vom Magnetron erzeugten Oberwellen unterdrückt werden. Hierbei wurde
jedoch nicht berücksichtigt, daß Magnetrons, und dies gilt insbesondere für Dauerstrich-Magnetrons,
welche speziell für Mikrowellenherde konstruiert sind, nicht nur Oberwellen höhere
harmonische Frequenzen der Nennfrequenz erzeugen, sondern auch nicht harmonische
Frequenzen unterhalb der Nennfrequenz. Außerdem kann dieses vorbekannte Tiefpaßfilter
nicht ohne weiteres direkt auch
bei Magnetrons verwendet werden,
welche primär für Mikrowellenherde gebaut und hiefür mit einer direkten Mikrowelleneinkopplung
in den Garraum des Mikrowellenherdes ausgestattet sind.
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Magnetrons in Mikrowellenherden werden in der Regel mit der maximalen
Nennleistung betrieben.
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Die gewünschte Temperaturerhöhung der Speisen wird durch Variation
der Einschaltdauer des Magnetrons bestimmt, nach dem physikalischen Gesetz, daß
die in der Speise entstehende Wärmemenge dem Produkt aus Leistung und Dauer proportional
ist. Dagegen muß die Mikrowellenleistung der Magnetrons in Mikrowellen-Therapiegeräten
beispielsweise von 2,5 Watt bis 250 Watt in Stufen oder stufenlos einstellbar sein.
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Magnetrons für Mikrowellenherde sind für derart große Leistungsvariationen
nicht eingerichtet und zeigen hierbei Instabilitäten.
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Außerdem ist bei Mikrowellen-Therapiegeräten eine Einrichtung erforderlich,
welche das Einschalten des Magnetrons verhindert, wenn kein Mikrowellen-Applikator
an der koaxialen Hochfrequenzleitung angeschlossen ist. Weiterhin ist es bei Mikrowellen-Therapiegeräten
mit einer maximalen Ausgangsleistung von über 25 Watt üblich, eine automatische
Leistungsumschaltung vorzusehen, welche insbesondere bei Kleinfeldapplikatoren die
Leistung auf maximal beispielsweise 25 Watt reduziert. Diese Forderung wird bei
bekannten Mikrowellen-Therapiegeräten gelöst, indem der Außenleiter der koaxialen
Leitung zwischen dem Magnetron und den Mikrowellen-Applikatoren für niederfrequente
Ströme gesperrt wird, indem der Außenleiter an einer geeigneten Stelle unterbrochen
wird und diese Unterbrechung mit einer kapazitiven Kopplung für die Nennfrequenz
des Magnetrons überbrückt wird. Innerhalb der Mikrowellen-Applikatoren für beispielsweise
mehr als 25 Watt ist zwischen Innen- und Außenleiter der Koaxialleitung ein Tiefpaß
angeordnet. Auf diese Weise wird ein niederfrequenter Kontrollstromkreis durch den
Innenleiter der Koaxialleitung, dem Tiefpaß innerhalb der Mikrowellen-Applikatoren
und dem Außenleiter des Koaxialkabels möglich. Die Unterbrechung des Außenleiters
der koaxialen Leitung für niederfrequente Ströme ist erforderlich, weil die Magnetrons
in der Regel mit einer induktiven Leistungsauskopplung
ausgestattet
sind, so daß innerhalb des Magnetrons eine elektrisch leitfähige Verbindung für
niederfrequente Ströme vorhanden ist, so daß zwischen Innen- und Außenleiter für
niederfrequente Ströme ein Kurzschluß besteht.
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Um die oben aufgeführten Bedingungen für den sicheren Betrieb eines
Mikrowellen-Therapiegerätes auch mit einem Magnetron, welches konstruktiv für Mikrowellenherde
konzipiert ist, zu erfüllen, hat ein bekannter Hersteller von Magnetrons, die Firma
Philips, eine spe#zielle Leistungsauskopplung für derartige Magnetrons vorgeschlagen
und den Herstellern von Mikrowellen-Therapiegeräten zum Nachbau angeboten. Leider
hat diese Leistungsauskopplung die erforderliche Unterdrückung der harmonischen
und subharmonischen Frequenzen der Nennfrequenz nicht erfüllt.
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Zwei andere bekannte Leistungsauskopplungen wurden von den Sage Laboratories
In./3 Huron Drive/Natick, MA, USA, entwickelt und zum Kauf angeboten. Diese Leistungsauskopplungen
sind insbesondere Filter, welche individuell abgeglichen werden müssen. Außerdem
sind diese Filter mechanisch relativ aufwendig und somit teuer konstruiert, so daß
deren Verwendung in Mikrowellen-Therapiegeräten zu teuer ist.
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Es war Aufgabe der Erfindung, ein Mikrowellen-Therapiegerät mit einem
preiswerten Magnetron auszustatten, welches primär für Mikrowellenherde konstruiert
war, wobei die Betriebseigenschaften derartiger Herdmagnetrons an die Forderungen
bei Mikrowellen-Therapiegeräten angepaßt werden sollten.
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Diese Aufgabe wurde erfindungsgemäß gelöst, indem eine Mikrowellenauskopplung
entwickelt wurde, welche aus ansich bekannten Elementen der Mikrowellen-Technologie,
ergänzt durch geeignete Detail lösungen, besteht, die in erfindungsgemäßer Weise
kombiniert sind.
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Diese erfindungsgemäße Mikrowellenauskopplung für ein Mikrowellen-Therapiegerät
besteht aus einer in Koaxialtechnik ausgeführten Impedanz-Abwärtstransformation,
welche gleichzeitig als Hochpaßfilter
wirkt und die Pegel aller
Frequenzen unterhalb der Nennfrequenz 2450 MHz unterdrückt, einem koaxialen Tiefpaßfilter,
welches die Pegel aller Frequenzen oberhalb der Nennfrequenz 2450 MHz unterdrückt,
und einem Mikrowellen-Bypass, welcher niederfrequente Ströme im Außenleiter der
Koaxialleitung sperrt. Diese erfindungsgemäße Mikrowellenauskopplung ist so konstruiert,
daß sie direkt, ohne Zwischenschaltung eines Hohlleiters, an Magnetrons angeschlossen
werden kann, welche primär für Hohlleiter- oder Hohlraum-Einkopplung gebaut sind.
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Besonders wichtig bei der Kombination der Bauteile dieser Mikrowellenauskoppolung
ist die Reihenfolge ihrer Kombination, da andernfalls die oben aufgeführten Forderungen
nicht realisiert werden können.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispieles näher beschrieben.
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In der Zeichnung ist ein Magnetron 1 schematisch mit dem bei Magnetrons
für Mikrowellenherde typischen Mikrowellenantenne 2, an welche die erfindungsgemäße
Mikrowellenauskopplung 3 direkt angeschlossen ist, dargestellt.
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Die erfindungsgemäße Mikrowellenauskopplung besteht aus den folgenden,
in der Mikrowellen-Technologie ansich bekannten Elementen, wobei die Reihenfolge
dieser Elemente besonders erfindungsrelevant ist, da nur bei Einhaltung dieser Reihenfolge
alle voneinander abhängigen Betriebsbedingungen optimal realisiert werden können.
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Als erstes wird die Impedanz des Magnetrons 1, welche in der Regel
wesentlich höher ist als der Wellenwiderstand handelsüblicher Koaxialleitungen mit
50 oder 60 Ohm, auf diesen Wellenwiderstand heruntertransformiert. Dies wird mittels
des koaxial aufgebauten Hochpaßtransformationsgliedes 4 und 5, bestehend aus der
koaxialen Serienstichleitung 4 und der koaxialen Parallelstichleitung 5, realisiert.
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Als zweites Element der erfindungsgemäßen Mikrowellenauskopplung 3
folgt ein Mikrowellen-Bypass 6, mittels welchem der Außenleiter 7 der Mikrowellenauskopplung
für niederfrequente Kontrollströme unterbrochen wird. Der Mikrowellen-Bypass 6 besteht
aus einem schmalen Spalt, welcher mit einem elektrisch isolierenden Dielektrikum,
beispielsweise Teflon, ausgefüllt ist und dessen Länge unter Berücksichtigung der
relativen Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums, so dimensioniert ist, daß
dieser Mikrowellen-Bypass für die Nennfrequenz einen Serienresonanzkreis darstellt,
dessen Impedanz an der Stelle 13 der Innenwand 7 des Außenleiters vernachlässigbar
klein ist, wodurch die Homogenität des Wellenwiderstandes an der Innenwand 7 des
Aussenleiters an dieser Stelle 13 gewährleistet bleibt. Um den Außendurchmesser
8 des Aenleiters 7 mit Rücksicht auf den Materialaufwand möglichst klein zu halten,
ist die Mikrowellenumwegleitung an den Stellen 10 und 11 je 900 gefaltet.
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Als drittes Element folgt ein koaxiales Tiefpaßfilter 12 in ansich
bekannter Bauweise.
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Die Reihenfolge der drei koaxialen Elemente, Hochpaßtransformation
4, 5, Mikrowellenumwegleitung 6 und Tiefpaßfilter 12, ist insofern erfindungsrelevant,
als die Parallelstichleitung 5 der Hochpaßtransformation 4, 5 für niederfrequente
Spannungen einen Kurzschluß darstellt und mit Rücksicht auf den niederfrequenten
Kontrollstromkreis zur Überwachung, ob ein Mikrowellen-Applikator an der Koaxialleitung
angeschlossen ist oder nicht, vom Magnetron aus betrachtet, nicht an dritter Stelle
angeordnet werden darf. Außerdem ist es mit Rücksicht auf die Unterdrückung subharmonischer
Frequenzen vorteilhafter, die Parallelstichleitung 5 vom Magnetron aus betrachtet
vor die Mikrowellenumwegleitung 6 anzuordnen, weil andernfalls die subharmonischen
Frequenzen durch die Mikrowellenumwegleitung abgestrahlt werden könnten. Bei der
erfindungsgemäßen Reihenfolge werden die subharmonischen Frequenzen durch die Parallelstichleitung
5 bereits vor der Mikrowellenumwegleitung 6 unterdrückt.
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Die Anordnung der koaxialen Hochpaßtransformation dicht hinter dem
Ausgang 2 des Magnetrons 1 verbessert darüberhinaus die Frequenz-und Arbeitspunktstabilität
des Magnetrons.
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