DE4240104A1

DE4240104A1 - Microwave heating and drying device - has flat patch antenna arrangement with dimensions selected according to radiating medium

Info

Publication number: DE4240104A1
Application number: DE19924240104
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl Ing Loeser; Manfred Dipl Ing Dr In Lebherz; Georg Dipl Ing Dr Ing Schoene
Original assignee: Battelle Institut eV
Current assignee: Battelle Ingenieurtechnik GmbH
Priority date: 1992-11-28
Filing date: 1992-11-28
Publication date: 1994-06-01

Abstract

The device has an antenna arrangement. As in known microstrip conductor or patch antenna this has at least two conductive surfaces (1, 2) on top of each other, separated by a dielectric layer (3). One surface includes one or more radiating elements or patches (1). The arrangement also has a microwave supply device. The dielectrics, surface spacing, size and shape of the radiating element(s) (1), coupling points and supply line(s) (4) are selected taking into consideration the loss and interaction through a near-field radiating medium of predetermined power. USE/ADVANTAGE - E.g. for killing bacteria in air streams, for use in base plate of oven, etc. Compact and inexpensive system which is pressure and temp. stable and provides effective microwave heating.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erwärmen/ Trocknen mit Mikrowellen.The invention relates to a device for heating / Microwave drying.

Neben den vielmodigen resonanten Kammern, wie z. B. dem Mikrowellenofen, findet zur gezielten Erwärmung bzw. Trock nung mit Strahlung im Mikrowellenbereich die Bestrahlung mit geführten oder mittels einer Antenne abgestrahlten Wel len Anwendung. Hierzu werden üblicherweise Hohlleiterein kopplungen, Hornstrahler oder Schlitzstrahler wie Gruppen strahler aus offenen Hohlleitern oder Hohlleiterschlitz strahler eingesetzt. Derartige Vorrichtungen wurden seit etwa dreißig Jahren für kommerzielle Anwendungen in großem Umfang weiterentwickelt. Die Verwendung von Hohlleiterele menten hat zwar den Vorteil, daß relativ hohe Leistungen übertragen werden können, nachteilig wirken sich jedoch die aufwendige Fertigung, das hohe Gewicht, die mechanischen Abmessungen sowie die erforderliche Anpassung an verschie dene Geometrien aus.In addition to the multimodal resonant chambers, such as. B. the Microwave oven, for targeted heating or drying radiation with radiation in the microwave range with guided or radiated with an antenna len application. Waveguides are usually used for this couplings, horn radiators or slot radiators such as groups Spotlight made of open waveguides or a waveguide slot spotlights used. Such devices have been around since about thirty years for large-scale commercial applications Scope developed further. The use of waveguide elements ment has the advantage that relatively high performance can be transferred, but they have a disadvantage elaborate production, the high weight, the mechanical Dimensions and the necessary adjustment to various their geometries.

Daneben gibt es etwa seit den fünfziger Jahren kompakte Mikrowellenantennen mit bis zu einigen Watt Strahlungslei stung in der Nachrichtentechnik. In der seither vergangenen Zeitspanne wurden ein Vielzahl von verschiedenen Konfigura tionen in gedruckter Schaltungstechnologie realisiert, wie z. B. die Microstrip-Patchantenne, der Microstrip-Schlitz strahler, der Microstrip-Dipol, die Triplate-Schlitzantenne oder auch Kombinationen aus diesen Einzelelementen. Diese Antennen haben den Vorteil, daß sie kostengünstig und sehr reproduzierbar durch Ätzverfahren oder selektive Beschich tungsverfahren zusammen mit dem zugehörigen Speisenetzwerk hergestellt werden können. Weiterhin haben diese Strukturen i. A. ein niedriges Profil, sind leicht und können durch Verwendung flexibler Substratmaterialien auch an gekrümmte Oberflächen angepaßt werden. Streifenleitungsantennen fin den bisher praktische Anwendung in der Telemetrie, der Satelliten-Kommunikationstechnik, in militärischen Radarsy stemen und verstärkt immer mehr in der Sensorik. Sie werden im Frequenzbereich von wenigen 100 MHz bis über 100 GHz eingesetzt. Eines der gebräuchlichsten Elemente ist die sogenannte Mikrostreifen-Patchantenne (z. B. K. Karver, J.W. Mink "Microstrip Antenna Technology", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. AP-29, Nr. 1, Seiten 2-24, Jan. 1981). Diese auch als Microstrip-Patchantenne bezeich nete Antenne besteht in ihrer einfachsten Form aus einer strahlenden Fläche auf der einen Seite eines dielektrischen Substrats, das auf der anderen Seite eine Massefläche auf weist. Das leitfähige Patch (Strahlerflächenelement), nor malerweise aus Kupfer oder Gold bestehend, kann nahezu jede beliebige Form annehmen, es haben sich jedoch einige einfa che Geometrien, wie Rechteck- oder Quadratform speziell im Hinblick auf die Analyse und die Vorhersage der Strahlungs eigenschaften durchgesetzt. Bei den meisten Anordnungen wird ein Feld mehrerer Patchs realisiert.In addition, compact ones have been around since the 1950s Microwave antennas with up to a few watts of radiation communication technology. In the past since then A variety of different configurations were made over time in printed circuit technology, such as e.g. B. the microstrip patch antenna, the microstrip slot radiator, the microstrip dipole, the triplate slot antenna or combinations of these individual elements. This Antennas have the advantage that they are inexpensive and very reproducible by etching or selective coating process together with the associated dining network can be produced. They also have structures i. A. a low profile, are light and can go through Use flexible substrate materials even on curved ones Surfaces can be adjusted. Stripline antennas fin the previous practical application in telemetry, the Satellite communications technology, in military radarsy stemen and increasingly in sensor technology. you will be in the frequency range from a few 100 MHz to over 100 GHz used. One of the most common elements is the so-called microstrip patch antenna (e.g. K. Karver, J.W. Mink "Microstrip Antenna Technology", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. AP-29, No. 1, pages 2-24, Jan. 1981). This is also known as a microstrip patch antenna In its simplest form, the antenna consists of a radiating surface on one side of a dielectric Substrate, which on the other side has a ground plane points. The conductive patch (radiator surface element), nor Almost any of them can consist of copper or gold take any form, but some simple che geometries, such as rectangular or square shape especially in With regard to the analysis and prediction of radiation properties prevailed. With most arrangements a field of several patches is realized.

Die Abstrahlung der Microstrip-Patchantenne resultiert aus den Randfeldern zwischen den Kanten des Patches (oder der Patchs) und der Massefläche. Betrachtet man nur die Feldva riation über der Länge des Patches, so kann man sich das Patch 1 (Fig. 8) auch als aus zwei Schlitzen im Abstand von etwa λ_ε/2 vorstellen (λ_ε = Wellenlänge des Dielektrikums 3), die über den Leiterstreifen L in Phase erregt werden, und in den Halbraum oberhalb der Massefläche 2 abstrahlen. Im Idealfall sollte das ε_r des Substratmaterials niedrig sein (εr<2,5), um die Randfelder zu vergrößern, die für die Abstrahlung verantwortlich sind. Microstrip-Patches können sowohl koaxial als auch mittels einer Streifenleitung gespeist werden. In der Regel ist dabei ein Anpaßnetzwerk zwischen dem Antennenelement und der Speiseleitung erfor derlich, da der Antennen-Eingangswiderstand von den übli chen 50 Ω Leitungsimpedanz abweicht. Sowohl für die Strei fenleitungs- als auch für die koaxiale Ausführung kann zur Anpassung auch eine Offset-Speisung verwendet werden, bei der die Einspeisung an einem nicht auf das Zentrum des Pat ches bezogenen Punkt erfolgt. Durch geeignete Zusammen schaltung von mehreren, meist gleichen Einzelstrahlern über ein sogenanntes Speisenetzwerk, das für eine phasen- und amplitudenbewertete Aufteilung bzw. Zusammenfassung der Einzelsignale sorgt, können große Antennengruppen (sogenannte Arrays) aufgebaut werden (z. B. R.J. Mailloux, J.F. McIlvenna, N.P. Kernweis "Microstrip Array Techno logy", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. AP-29, Nr. 1, Seiten 25-37, Jan. 1981). Das Speise- oder Verteilnetzwerk ist dabei meist ebenfalls in Form einer Streifenleitung aufgebaut, die sich mit den strahlenden Elementen in einer Ebene befindet und dadurch in einem ein zigen, gemeinsamen Ätzprozeß hergestellt werden kann. Aufgabe einer Gruppenantenne ist dabei in der Regel die Erzeugung einer gezielten Antennencharakteristik (Strahlungsbündelung im Raum) im Fernfeld der Antenne.The radiation from the microstrip patch antenna results from the boundary fields between the edges of the patch (or patches) and the ground plane. If one only looks at the field variation over the length of the patch, then patch 1 ( FIG. 8) can also be thought of as consisting of two slots at a distance of approximately λ _ε / 2 (λ _ε = wavelength of the dielectric 3 ), which the conductor strip L are excited in phase and radiate into the half space above the ground surface 2 . Ideally, the ε _{r of} the substrate material should be low (εr <2.5) in order to enlarge the marginal fields that are responsible for the radiation. Microstrip patches can be fed both coaxially and by means of a strip line. In general, a matching network between the antenna element and the feed line is necessary, since the antenna input resistance deviates from the usual 50 Ω line impedance. For the stripline as well as for the coaxial version, an offset feed can also be used for the adjustment, in which the feed takes place at a point not related to the center of the patch. By means of a suitable interconnection of several, mostly identical, individual radiators via a so-called feed network, which ensures a phase and amplitude-weighted division or combination of the individual signals, large antenna groups (so-called arrays) can be set up (e.g. BRJ Mailloux, JF McIlvenna, NP Kernweis "Microstrip Array Technology", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. AP-29, No. 1, pages 25-37, Jan. 1981). The feed or distribution network is usually also constructed in the form of a strip line, which is located in one plane with the radiating elements and can thus be produced in a single, common etching process. The task of a group antenna is usually to generate a specific antenna characteristic (radiation radiation in space) in the far field of the antenna.

Die Beschränkung der Leistungsübertragung durch Streifen leitungen entsteht zum einen durch Erwärmung, hervorgerufen durch ohmsche und dielektrische Verluste, sowie zum andern durch dielektrischen Durchschlag. Die Temperaturerhöhung aufgrund von Leitungs- und dielektrischen Verlusten beschränkt dabei die mittlere übertragbare Leistung, der Durchschlag zwischen Streifenleiter und Massefläche die übertragbare Spitzenleistung. In den bekannten nachrichten technischen Anwendungen sind Streifenleitungen und Strei fenleitungsstrahler in der Vergangenheit zur Leistungsüber tragung im Bereich von Milliwatt bis zu wenigen Watt reali siert worden.The restriction of power transmission by stripes Lines arise on the one hand from heating through ohmic and dielectric losses, as well as for another through dielectric breakdown. The increase in temperature due to line and dielectric losses limits the mean transferable power, the Breakdown between the stripline and the ground surface transferable peak performance. In the known news technical applications are strip lines and stripes in the past for power transmission load in the range from milliwatts to a few watts reali been settled.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kompakte und kostengünstig herstellbare Vorrichtung zum effektiven Erwärmen/Trocknen mit Mikrowellen anzugeben.The invention has for its object a compact and Cost-effective device for effective Specify heating / drying with microwaves.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteran sprüchen gekennzeichnet.This object is the subject of the claim 1 solved. Advantageous further training are in the Unteran sayings marked.

Es wurde überraschend gefunden, daß das Prinzip der seit langem neben den erwähnten üblichen Hohlleitereinrichtungen bekannten Mikrostreifenleiter/Patchantennen für leistungs mikrowellentaugliche Vorrichtungen ausgenutzt werden kann. Um mit planaren Streifenleitungselementen hohe Mikrowellen leistungen übertragen zu können, wurden geeignete konstruk tive Aufbauten sowohl für das Strahlerelement als auch das zugehörige Speisesystem gefunden, die unter Berücksichti gung der Wechselwirkung und Verluste ausgewählt wurden, die durch das im Nahfeld zu bestrahlende Medium verursacht wer den.It has surprisingly been found that the principle of long in addition to the usual waveguide devices mentioned known microstrip / patch antennas for high performance devices suitable for microwaves can be used. For high microwaves with planar stripline elements To be able to transmit power, suitable construc tive structures for both the radiator element and that associated feed system found, taking into account interaction and losses have been selected caused by the medium to be irradiated in the near field the.

Die Vorgaben der Flächenabstände, Form und Größe der Strah lerflächenelemente (Patchs), der Ankoppelpunkte sowie Ein speisungsleistungen konnten rechnerisch und nach rechneri scher Eingrenzung durchgeführten Versuchsreihen mit unter schiedlichen Kombinationen ermittelt werden.The specifications of the surface distances, shape and size of the beam Surface elements (patches), the coupling points and on feeding services could be calculated and calculated trials carried out with under different combinations can be determined.

Im Gegensatz zur Nachrichtentechnik, wo die Antenne übli cherweise in den "freien Raum" abstrahlt, befindet sich beim Trocknungs- oder Erwärmungsvorgang das zu behandelnde Gut direkt im Nahbereich der Antenne, im Abstand von ca. 1/10 Wellenlänge bis zu wenigen Wellenlängen. Durch das zu behandelnde Gut entsteht somit eine starke Rückwirkung auf die Antenne.In contrast to communications technology, where the antenna is usual radiates into the "free space" during the drying or heating process, the one to be treated Good directly in the vicinity of the antenna, at a distance of approx. 1/10 wavelength up to a few wavelengths. Through that too Treating goods thus have a strong retroactive effect the antenna.

Es wurde gefunden, daß mit einer einfachen Anordnung gemäß Fig. 8 bei z. B. 10 mm Abstand zwischen Massenfläche 2 und Patch 1 im Frequenzbereich bei 2,45 GHz Leistungen bis zu etwa 80 Watt möglich sind. Durch den relativ großen Abstand werden der Strahlungswirkungsgrad gesteigert sowie die Strahlungsbandbreite erhöht, wodurch das Antennenelement unempfindlicher auf Laständerungen, d. h. den frequenzver schiebenden und rückkoppelnden Einfluß des zu behandelnden Guts oder Mediums reagiert und dauerhaft in einem derarti gen Leistungsbereich betrieben werden kann. Die Berechnun gen und Versuchsreihen ergaben, daß je nach Frequenz und gewünschter Bandbreite Abstände bzw. Dielektrikadicken zwi schen etwa 3 und 16 mm möglich sind. Da jedoch die Auswahl dieser Werte insbesondere frequenzabhängig und damit abhän gig von den Einzelstrahlerabmessungen ist, kann keine all gemein gültige Angabe gemacht werden. Die Untersuchungen ergaben, daß bei Leistungen über 50 Watt pro Einzelstrahler die Subtratdicke etwa mindestens 5% der kleineren Patch kantenlänge betragen sollte.It has been found that with a simple arrangement according to FIG . B. 10 mm distance between mass area 2 and Patch 1 in the frequency range at 2.45 GHz powers up to about 80 watts are possible. Due to the relatively large distance, the radiation efficiency is increased and the radiation bandwidth is increased, as a result of which the antenna element is less sensitive to load changes, ie the frequency-shifting and feedback influence of the material or medium to be treated and can be operated permanently in such a power range. The calculations and series of tests showed that, depending on the frequency and the desired bandwidth, distances or dielectric thicknesses between about 3 and 16 mm are possible. However, since the selection of these values is particularly frequency-dependent and therefore dependent on the individual radiator dimensions, no general information can be given. The investigations showed that at powers of more than 50 watts per single radiator, the substrate thickness should be at least 5% of the smaller patch edge length.

Die Leistung des Einzelantennenelements kann weiter gestei gert werden, wenn im Gegensatz zur herkömmlichen Auslegung die Strahlerflächenelemente keine scharfen (rechtwinkligen) Ecken aufweisen, sondern diese mit wenigstens einer 45° Schräge oder mehreren Schrägen oder auch einem Rundbogen versehen sind. Um zusätzlich auch eine Kantenrundung in Richtung senkrecht zur Massefläche zu realisieren, wird z. B. eine Mehrfachätzung mit leicht unterschiedlichen Maskengeometrien angewandt.The performance of the single antenna element can further increase be used if contrary to the conventional design the radiator surface elements are not sharp (right-angled) Have corners, but these with at least a 45 ° Sloping or several sloping or even a round arch are provided. To additionally round the edges in Realizing direction perpendicular to the ground plane e.g. B. a multiple etching with slightly different Mask geometries applied.

Das Dielektrikum zwischen Strahlerebene und Massemetalli sierung muß bei hoher Strahlungsleistung des Einzelelements sehr verlustarm sein. Dazu werden neben Luft Substrate aus Schaummaterialien wie Styrodur, Rohacell oder Honigwabensy steme (Honeycomb, Hexcell) eingesetzt und das Dielektrikum entsprechend dem Abstand zwischen Strahler- und Massenflä che relativ dick gewählt.The dielectric between the radiator level and the mass metal Sation must with high radiation power of the individual element be very low loss. In addition to air, substrates are made from this Foam materials such as Styrodur, Rohacell or honeycomb sy steme (Honeycomb, Hexcell) and the dielectric according to the distance between the radiator and mass area che chosen relatively thick.

Befindet sich die Speisung des Elements in der Strahler ebene in Form einer Mikrostreifenleitung, so sollte diese Leitung für höhere Leistungen ebenfalls keine Knicke auf weisen, sondern ist vorzugsweise in Bögen zu führen, um Überschläge zu, vermeiden. Der Einsatz der Mikrostreifenlei tung eignet sich dabei zur Übertragung von wenigen hundert Watt. Für höhere Leistungen erfolgt die Anregung des Patch strahlers über die Rückseite durch die Massefläche mittels einer koaxialen Durchkopplung.The feeding of the element is in the spotlight level in the form of a microstrip line, this should be Line for higher performance also no kinks point, but is preferably in arches to Avoid flashovers. The use of microstrip lines device is suitable for the transmission of a few hundred Watt. The patch is stimulated for higher performance spotlights over the back through the ground plane a coaxial feed-through.

Durch die erfindungsgemäße Wahl der Elementgeometrie und des zugehörigen Dielektrikums konnten sowohl die mittlere als auch die übertragbare Spitzenleistung des Einzelstrah lers erheblich gesteigert werden, wobei Leistungen bis zu 1 kW pro Patch erzielt werden konnten. Jedoch sind nicht alle oben genannten Maßnahmen stets zwingend, da Wärmebehandlun gen auch mit Patchfeldern von jeweils nur wenigen 100 Watt oder sogar nur um oder weniger als 100 Watt denkbar sind.Through the choice of the element geometry and of the associated dielectric could both the middle as well as the transferable peak power of the single jet lers be significantly increased, with benefits up to 1 kW per patch could be achieved. However, not all of them The above-mentioned measures are always mandatory, as heat treatment even with patch fields of only a few 100 watts each or even only by or less than 100 watts are conceivable.

Da sich das zu erwärmende bzw. zu trocknende Material in unmittelbarer Nähe des Strahlers befindet und dadurch eine gegenseitige Beeinflussung auftritt, werden weiterhin in der erfindungsgemäßen Auslegung speziell auch die Mate rialeigenschaften des zu behandelnden Gutes berücksichtigt. So kann man nicht generell bestimmte Abmessungen und Ausle gungen vorgeben, sondern wird gegebenenfalls auch mit Hilfe von zur Verfügung stehenden Rechenmodellen für das jewei lige Medium unter Nahfeldbestrahlung die optimalen Bedin gungen bei der gewünschten Leistung ermitteln. Since the material to be heated or dried is in is in the immediate vicinity of the emitter and thus a mutual interference occurs, will continue in the design according to the invention specifically also the mate rial properties of the goods to be treated. So you can not generally certain dimensions and Ausle conditions, but if necessary also with the help of available calculation models for the respective medium under near-field radiation the optimal conditions determine the desired performance.

Hierbei kann sich herausstellen, daß bei inhomogenen Medien oder auch bereichsweise gezielt unterschiedlich stark zu erwärmenden Medien einzelne Patchs und Ankoppelpunkte, Patchabstände und Zuordnungen durchaus verschieden gewählt werden sollten.It can turn out that with inhomogeneous media or also in different areas warming media individual patches and coupling points, Patch distances and assignments are chosen quite differently should be.

Obwohl bei der üblichen Anregung des Patches gemäß Fig. 8 nur zwei Patchkanten strahlen, können durch geeignete Wahl des Speisepunkts auch alle vier Kanten des Patches zum Strahlen angeregt werden. In der nachrichtentechnischen Anwendung wird dieser Effekt dazu benutzt, um mit einem Patchelement unterschiedliche Polarisationsrichtungen der Strahlung im Fernfeld zu erhalten. Für den Einsatz im Leistungsmikrowellenbereich erhöht sich hingegen durch Ausnutzung aller Strahlerkanten die effektive Strahlergröße und damit der Strahlungswirkungsgrad. Wird z. B. ein zirku lares Feld erzeugt (ein Feld, bei dem der elektrische Feld vektor mit der Zeit kontinuierlich die Richtung ändert), kann eine weitere Vergleichmäßigung des Trocknungsvorgangs insbesondere bei inhomogenen Materialien erzielt werden.Although only two patch edges radiate in the usual excitation of the patch according to FIG. 8, all four edges of the patch can also be stimulated to radiate by a suitable choice of the feeding point. In the field of communications technology, this effect is used to obtain different polarization directions of the radiation in the far field with a patch element. For use in the power microwave range, however, the effective radiator size and thus the radiation efficiency are increased by using all radiator edges. Is z. B. generates a circul lar field (a field in which the electric field vector changes direction over time), a further homogenization of the drying process can be achieved especially with inhomogeneous materials.

Zur Erzielung höherer Strahlungsleistungen werden vorzugs weise mehrere der beschriebenen Einzelstrahler in einer Strahlergruppe (Array) zusammengefaßt und mittels eines Leistungsverteilnetzwerks gespeist. Die Anordnung der Ele mente in der Gruppe erfolgt dabei im Gegensatz zur konven tionellen Antennentechnik nicht bezüglich der Fernfeldopti mierung auf ein bestimmtes Richtdiagramm sondern gezielt unter dem Gesichtspunkt, eine vorgegebene Amplitudenvertei lung im Nahbereich der Antenne zu gewinnen.To achieve higher radiation powers are preferred as several of the single radiators described in one Radiator group (array) combined and by means of a Power distribution network fed. The arrangement of the Ele In contrast to convention, elements in the group take place tional antenna technology not with regard to far field optics based on a specific directional diagram from the point of view, a predetermined amplitude distribution gain in the vicinity of the antenna.

Hierzu ist es möglich, in an sich bekannter Weise eine regelmäßiges Patcharray in einer Ebene auf einem Substrat einzusetzen. Statt dessen können die Einzelpatchs jedoch auch versetzt oder unregelmäßig angeordnet werden. Schließ lich ist es möglich, wenn man Einzelantennen gemäß Fig. 8 kombiniert oder auf ein gemeinsames Substrat verzichtet und die Patchs einzeln oder in Gruppen haltert, nicht ebene Anordnungen zu realisieren. Weiterhin können die Strahler flächenelemente auf einer gekrümmten Oberfläche angebracht werden und damit z. B. optimal an die geometrische Form bestimmter zu trocknender Güter angepaßt werden.For this purpose, it is possible to use a regular patch array in a plane on a substrate in a manner known per se. Instead, the individual patches can also be offset or arranged irregularly. Finally, if individual antennas according to FIG. 8 are combined or a common substrate is omitted and the patches are held individually or in groups, it is possible to implement non-planar arrangements. Furthermore, the radiator surface elements can be attached to a curved surface and thus z. B. can be optimally adapted to the geometric shape of certain goods to be dried.

Durch Amplitudensteuerung der Einzelelemente kann die zu bestrahlende Fläche gezielt unterschiedlich beheizt werden, oder bei inhomogenen Materialien eine Vergleichmäßigung des Erwärmungs/Trocknungsvorgangs erzielt werden.The amplitude can be controlled by the individual elements irradiating surface are heated differently, or in the case of inhomogeneous materials, an equalization of the Heating / drying process can be achieved.

Das Leistungsverteilnetzwerk der Strahlergruppe wird eben falls für die Übertragung hoher Leistungen ausgelegt und kann z. B. vollständig in koaxialer Leitungstechnik erfol gen. Eine vorteilhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Lösung sieht jedoch die Verwendung eines Triplate-Leitungs systems vor, um wiederum die Vorteile der planaren Streifenleitungstechnik auf die komplette Gruppenantenne für Leistungsanwendungen zu übertragen. Die Triplate oder Stripline bzw. Streifenleitung ist eine zwischen zwei Mas seflächen geführte metallische Leitung. Hierzu wird die ursprünglich dreilagige Struktur, bestehend aus Strahler fläche, Dielektrikum und Massefläche auf der Rückseite der Massefläche um mehrere Lagen ergänzt, indem ein weiteres Dielektrikum (vorzugsweise Luft), die eigentliche Leiter struktur der Triplate-Leitung (die Stripline), nochmals eine Luftdielektrikumsschicht und eine weitere metallische Massegrundfläche vorgesehen werden.The power distribution network of the radiator group becomes flat if designed for the transmission of high powers and can e.g. B. completely in coaxial line technology gen. An advantageous embodiment of the invention However, the solution is to use a triplate line systems before to turn the advantages of planar Stripline technology on the complete group antenna for power applications. The triplate or Stripline is one between two mas surface led metallic line. For this, the originally three-layer structure, consisting of spotlights area, dielectric and ground area on the back of the Ground area supplemented by several layers by adding another Dielectric (preferably air), the actual conductor structure of the triplate line (the stripline), again an air dielectric layer and another metallic one Ground area to be provided.

Das Luftdielektrikum der Stripline wird z. B. dadurch reali siert, daß die Stripline in Form eines Metallstreifens durch Teflonbolzen zwischen den beiden Masseflächen gehalten wird. The stripline's air dielectric is e.g. B. reali that the stripline is in the form of a metal strip through Teflon bolts between the two ground surfaces is held.

In Form eines Baukastens lassen sich modulartige Verteil netzwerke mit den beiden Masseflächen und der Stripline für verschiedene Antennengesamtgrößen mit Einzelstrahlerelemen ten für unterschiedliche Anwendungsgebiete (Kontakttrock nung, Gargutbeheizung, unterschiedliche Trocknungsgüter) kombinieren. Die Einzelstrahler werden alle für eine definierte Anschlußimpedanz unter Berücksichtigung der verschiedenen Trocknungsanwendung ausgelegt und so läßt sich auf einfache Art eine Vielzahl von Aufgaben ohne permanente Neuentwicklung lösen.In the form of a modular system, modular distribution networks with the two ground planes and the stripline for different total antenna sizes with single-beam elements for different areas of application (contact drying heating, food to be cooked, different items to be dried) combine. The single radiators are all for one defined connection impedance taking into account the different drying application designed and so leaves a multitude of tasks in a simple way solve permanent new development.

Ferner kann eine Deckschicht im einfachsten Falle durch Überschlagen eines nicht bedruckten Teils der Trägerfolie für die Patchelemente vorgesehen werden, um z. B. Lebensmit telechtheit zu garantieren.In the simplest case, a cover layer can also be applied Rolling over an unprinted part of the carrier film be provided for the patch elements to z. B. Life guarantee tel-authenticity.

Durch direkte Kopplung mit der leistungserzeugenden Quelle, z. B. eines Magnetrons mit dem Flächenstrahler kann eine kompakte Einheit ohne zusätzliche Übertragungselemente und Leitungen realisiert werden. Die erfindungsgemäße Anordnung gestattet generell die Anwendung der Vorteile der planaren Streifenleitungs-Antennentechnologie, wie einfache Her stellbarkeit, geringes Gewicht, Reproduzierbarkeit, Anpaßbarkeit an Oberflächen, etc. im Bereich der Leistungsmikrowellentechnik, insbesondere bei der thermi schen Behandlung von Gütern aller Art. Dabei kann die ther mische Behandlung einerseits durch die Auslegung der Anten nenanordnung und andererseits durch die Amplitudensteuerung der einzelnen Antennenelemente vorgegeben und beeinflußt werden.By direct coupling with the power generating source, e.g. B. a magnetron with the surface radiator can compact unit without additional transmission elements and Lines can be realized. The arrangement according to the invention generally allows the benefits of planar to be applied Stripline antenna technology, such as simple Her adjustability, light weight, reproducibility, Adaptability to surfaces, etc. in the area of Power microwave technology, especially at thermi treatment of all kinds of goods. Ther mixing treatment on the one hand through the design of the antenna arrangement and on the other hand by the amplitude control of the individual antenna elements specified and influenced become.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigenIn the following the invention with reference to the drawings explained in more detail. Show it

Fig. 1 einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, Fig. 1 shows a section through an embodiment of the device according to the invention,

Fig. 2A und 2B zwei mögliche Formen zu verwendender Patchs, Figs. 2A and 2B show two possible forms to be used patch,

Fig. 3A bis 3C mögliche Arten der Anregung, Figs. 3A to 3C possible modes of excitation,

Fig. 4A, 4B mögliche Patchverteilungen in einer Gruppen antenne, FIG. 4A, 4B potential distributions in a patch antenna groups,

Fig. 5 den prinzipiellen Aufbau eines weiteren Aus führungsbeispiels, Fig. 5 guidance example the basic structure of a further stop,

Fig. 6 das Leitungsverteilnetzwerk der Streifenleitungen dieses Ausführungsbeispiels bei Ausbildung als Gruppenan tenne, Fig. 6, the cable distribution network of the strip lines of this embodiment, when forming antenna as groups on,

Fig. 7 den beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 gemesse nen Eingangsreflexionsfaktor in Abhängigkeit von der Fre quenz und Fig. 7 measured in the embodiment of FIG. 5 NEN input reflection factor depending on the frequency and Fre

Fig. 8 das Prinzip einer bekannten Anordnung in perspek tivischer Ansicht, von oben und von der Seite zur Verdeut lichung des Strahlungsmechanismus. Fig. 8 shows the principle of a known arrangement in perspective view, from above and from the side to clarify the radiation mechanism.

Gemäß Fig. 1, der einfachsten Ausführung der erfindungsgemä ßen Vorrichtung ist ein Patch 1 mit durch Mehrfachätzung leicht variierender Maske mit abgesetzter Kante auf einem Dielektrikum 3 aus festem Schaum mit 10 mm Dicke ausgebil det. Die Massefläche 2 sowie das Patch bestehen aus Kupfer lagen einer Dicke von etwa 17 µm. Die Dicke der Massefläche ist jedoch weitestgehend unkritisch. Ihr Einfluß auf die Leistung beträgt nur einige Prozent.According to FIG. 1, the simplest embodiment of the device according to the invention, a patch 1 is formed with a mask which is slightly varied by multiple etching and has a stepped edge on a dielectric 3 made of solid foam with a thickness of 10 mm. The ground surface 2 and the patch consist of copper were about 17 microns thick. However, the thickness of the ground surface is largely uncritical. Their impact on performance is only a few percent.

Mögliche Patchformen, bei denen auch bei höheren Leistungen als etwa 80 Watt Durchschläge vermieden sind, sind in den Fig. 2A, 2B gezeigt. Mit einer solchen Anordnung konnten bei koaxialer Erregung über die Massefläche 2 bei 2,45 GHz Lei stungen bis 1000 Watt erzielt werden. Für Leistungen über 100 Watt sind bei Verwendung von Streifenzuleitungen auf der Patchseite scharfe Knicke der Leitungen zu vermeiden, die vorzugsweise gebogen geätzt werden. Possible patch shapes, in which breakdowns are avoided even at powers higher than approximately 80 watts, are shown in FIGS. 2A, 2B. With such an arrangement could be achieved with coaxial excitation on the ground surface 2 at 2.45 GHz performance up to 1000 watts. For power in excess of 100 watts, when using strip leads on the patch side, avoid sharp kinks in the leads, which are preferably etched in a curved manner.

Die Fig. 3A, 3B und 3C zeigen Anregung verschiedener Strahlungskanten über unterschiedliche Ankoppelpunkte. In den Fig. 7A und 7B ist für eine planare Gruppenan tenne einmal eine regelmäßige Patchverteilung und einmal eine versetzte gezeigt. Durch lineare Bewegung des zu trocknenden Gutes in eine Richtung im Bereich eines Elemen tabstandes d gemäß Fig. 4B kann eine über die gesamte Fläche gleichmäßige Strahlungsverteilung erzielt werden. Eine wei tere Ausführungsvariante verwendet zusätzlich für die Ein zelstrahler unterschiedliche Anregung der Strahlungskanten gemäß Fig. 3. FIGS. 3A, 3B and 3C show different excitation radiation edges via different coupling points. In FIGS. 7A and 7B is for a planar antenna groups at once a regular distribution and patch shown once an offset. A linear distribution of the radiation over the entire surface can be achieved by linear movement of the material to be dried in one direction in the area of an element spacing d according to FIG. 4B. A further embodiment variant additionally uses different excitation of the radiation edges according to FIG. 3 for the individual radiators.

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 5 besteht das Dielektrikum 3 bzw. Substrat aus glasfaserverstärktem Teflon, die darun terliegende Massefläche 2 wiederum aus Kupfer. Eine metal lische Grundfläche 5 aus Aluminium ist mit der Massefläche 2 für das Patch 1 über Massedurchnietungen 8 verbunden, von denen eine dargestellt ist. Die Streifenleitung 4 im Luft raum zwischen den Masseflächen 2, 5 ist in Fig. 6 für eine zu einer Antennengruppe erweiterte Vorrichtung von oben gezeigt, wobei die Patchlage angedeutet ist. Die Streifen leitung 4 ist über Teflonbolzen 6 zwischen den Masseflächen gehaltert. Die Einkopplung der Mikrowelle von der Streifen leitung 4 in das Patch 1 erfolgt über einen koaxialen Kop pelstift 7. Um Ausbreitung höherer Moden zu verhindern, werden rund um die Einkoppelstellen Massedurchnietungen vorgenommen, wie in Fig. 6 angedeutet ist. Die Patchs sind gemäß Fig. 1 und 2 mit abgerundeten Kanten versehen. Ein re alisiertes Ausführungsbeispiel hatte die folgenden Daten: eine 3dB-Bandbreite von ± 100 MHz (±4%), 12 Patche von etwa 3 cm Seitenlänge, bestehend aus einer etwa 17 µm dicken Cu- Auflage, Substratmaterialdicke von etwa 5 mm, Substratmate rial Teflon, Streifenleiterdicke etwa 2 mm, Streifenlei termaterial Kupfer, Belastbarkeit (cw, 100%ED) 1000 Watt. Es konnte auch bei anderen ähnlichen Anordnungen regelmäßig eine Dauerstrichleistung von 500 Watt und mehr realisiert werden. Der aus Fig. 7 entnehmbare Eingangs-Reflexionsfak torverlauf zur Abschätzung zeigt ferner, daß die Resonanz frequenz bei 2,5 GHz mit S11 besser 25 dB liegt.In the embodiment of FIG. 5, the dielectric 3 or substrate consists of glass fiber reinforced Teflon, the underlying ground surface 2 in turn made of copper. A metallic base 5 made of aluminum is connected to the ground surface 2 for the patch 1 via mass rivets 8 , one of which is shown. The strip line 4 in the air space between the ground surfaces 2 , 5 is shown in Fig. 6 for a device extended to an antenna group from above, the patch location being indicated. The strip line 4 is held over Teflon bolts 6 between the ground surfaces. The microwave is coupled from the strip line 4 into the patch 1 via a coaxial coupling pin 7 . In order to prevent higher modes from spreading, mass riveting is carried out around the coupling points, as indicated in FIG. 6. The patches are shown in Fig. 1 and provided with rounded edges 2. A realized exemplary embodiment had the following data: a 3dB bandwidth of ± 100 MHz (± 4%), 12 patches of approximately 3 cm in side length, consisting of an approximately 17 μm thick Cu layer, substrate material thickness of approximately 5 mm, substrate material Teflon, stripline thickness about 2 mm, stripline material copper, load capacity (cw, 100% ED) 1000 watts. With other similar arrangements, a continuous wave power of 500 watts and more could be achieved regularly. The input reflectivity factor from Fig. 7 can also be seen for estimation that the resonance frequency at 2.5 GHz with S11 is better than 25 dB.

Die gezeigte Anordnung kann als Modul aus den Elementen 2, 4, 5, 6 und 8 vorgefertigt werden, wobei unterschiedliche Patchs 1 mit anderen Ankoppelpunkten und Einkoppelstiften 7 und unterschiedlichem Dielektrikum (Substrat 3) eingesetzt werden, ohne daß der grundsätzliche Aufbau geändert werden muß. Zur Anpassung an die 50 Ω Leitungsimpedanz der Leitung 4 werden Substrat 3, Patch 1 und Einkoppelstift 7 entspre chend aufeinander abgestimmt.The arrangement shown can be prefabricated as a module from the elements 2 , 4 , 5 , 6 and 8 , different patches 1 with different coupling points and coupling pins 7 and different dielectric (substrate 3 ) being used without the basic structure having to be changed. To adapt to the 50 Ω line impedance of line 4 , substrate 3 , patch 1 and coupling pin 7 are matched accordingly.

Die Halterung über Massedurchnietungen und Teflonbolzen stellt nur eine mögliche Ausführung dar. Statt dessen können z. B. auch Aluminiumplatten auf der Unterseite mit Aus nehmungen für das Streifenleitungsnetzwerk versehen werden, die dann durch eine Grundmassefläche abgedeckt werden und auf der gegenüberliegenden Seite die Substrat-Patchanord nung tragen. Aluminiumplatten, die auf der Oberseite mit derartigen Ausnehmungen versehen werden, könnten mit einer Massefläche abgedeckt werden, die die Substrat-Patchanord nung trägt.The bracket over ground rivets and Teflon bolts represents only one possible execution. Instead, can e.g. B. also aluminum plates on the bottom with off are provided for the stripline network, which are then covered by a base area and on the opposite side the substrate patch arrangement wear. Aluminum plates on the top with such recesses could be provided with a Ground surface to be covered that the substrate patchanord tion carries.

Auch können andere verlustarme Dielektrika als Luft, gege benenfalls auch Keramiken eingesetzt werden.Low-loss dielectrics other than air can also be used ceramics may also be used.

Die Ankopplung des Magnetrons oder anderer energieerzeu gender Quellen, z. B. auch Mikrowellenhalbleiterbauelemente oder Wanderfeldröhren, an die planare Antennenanordnung kann über Löt- und Klemmverbindungen erfolgen, für die dem Fachmann aus der Nachrichtentechnik eine Fülle von Beispie len zur Auswahl steht, um reflexionsarme Übergänge zu realisieren. Dasselbe gilt für eine direkte koaxiale Ankopplung an die Massefläche 2 des ersten Ausführungsbei spiels. The coupling of the magnetron or other energy-generating sources, e.g. B. also microwave semiconductor components or traveling wave tubes, to the planar antenna arrangement can be made via soldering and clamping connections, for which the person skilled in telecommunications has a wealth of examples to choose from in order to implement low-reflection transitions. The same applies to a direct coaxial coupling to the ground surface 2 of the first embodiment.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann, da sie kompakt, druck- und temperaturfest ausbildbar ist, für vielfältige Zwecke eingesetzt werden wie Abtöten von Mikroorganismen in einem durch die Vorrichtung erwärmten Luftstrom, Einsatz als Bodenplatte in Backöfen, gezieltes Erwärmen von Lebens mitteln auf Bändern, Trocknen z. B. von fluidisiertem Trock nungsgut über einem als Patchantenne ausgebildeten geloch ten Trogboden, in den ein Luftstrom eingeleitet wird, Direktbeheizung von Flüssigkeiten oder Bädern durch Eintau chen der entsprechend elektrisch isolierten Vorrichtungen usw.The device according to the invention, since it is compact, can be designed to be pressure and temperature resistant for a wide range of applications Used for purposes such as killing microorganisms in an air flow heated by the device, insert as a base plate in ovens, targeted heating of life average on tapes, drying e.g. B. of fluidized drying material above a hole designed as a patch antenna trough floor into which an air stream is introduced, Direct heating of liquids or baths by thawing chen of the corresponding electrically insulated devices etc.

Claims

1. A device for heating / drying with microwaves, characterized by an antenna arrangement, which, like known microstrip conductors / patch antennas from the after directional technology, has at least two conductive surfaces ( 1 , 2 ) separated from one another by a dielectric layer, one of which is one or comprises several radiator surface elements (patches) ( 1 ), and has a device for microwave feeding and their dielectrics, surface spacing and shape and size of the radiator surface element (s) ( 1 ) and coupling point (s) and feed line (s) ( 4 ) taking into account the losses and interactions are selected due to a medium to be irradiated with a given power in the near field.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the distance between the emitter surface elements ( 1 ) containing surface to the spaced conductive ground surface ( 2 ) and the thickness of the separating dielectric ( 3 ) are selected so that the radiation efficiency and the bandwidth the microwave radiation generated are increased.

3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the or the radiator surface elements ( 1 ) rounded or cut off by an at least beveled corners and / or graded or rounded edges perpendicular to the antenna surface.

4. The device according to claim 3, characterized, that the edges are graded or blunted by multiple etching det.

5. Device according to one of the preceding claims, characterized, that the dielectric is made of air or low loss foam material rialien or honeycomb systems.

6. Device according to one of the preceding claims, characterized, that the feed line is optionally one in the radiator Has microstrip line lying plane element level or a coaxial line for coaxial feed through the conductive ground plane on the back of the radiator surface.

7. Device according to one of the preceding claims, characterized, that the coupling point for one or more of the emitters surface elements is chosen so that all radiation edges be stimulated to emit power.

8. Device according to one of the preceding claims, characterized by several individual planar or curved ones Antenna elements that form a flat or different shape Antenna group are summarized.

9. Device according to one of the preceding claims, characterized, that the amplitudes of the individual radiator surface elements or summarized antenna elements so specified who the that locally different heat outputs in the irradiating good can be achieved and thereby at inhomo media, if necessary, uniform heating or drying is achieved.

10. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the individual radiator surface elements ( 1 ) are arranged in a ver set lattice structure ( Fig. 4B).

11. Device according to one of the preceding claims, characterized, that to distribute power between individuals Radiator surface or antenna elements coaxial lines or microstrips are provided which are avoided are guided by sharp kinks.

12. The device according to one of claims 1 to 5 and 7 to 11, characterized in that in addition to the or the radiator surface elements (patches) ( 1 ) containing surface and the spaced-apart conductive ground surface ( 2 ) has a conductive base provided below the latter ( 5 ) is arranged and that between the base surface ( 5 ) and ground surface ( 2 ) a stripline network ( 5 ) for power feed is performed, which is coupled to the radiator surface element or elements ( Fig. 5).

13. The apparatus according to claim 12, characterized in that the ground surface ( 2 ) and hereby connected base area ( 5 ) and the stripline network ( 4 ) are designed as a module for equipping with radiator surface elements various shape and extent and coupling.