EP0913011A1 - Device for tuning a microwave system - Google Patents

Device for tuning a microwave system

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EP0913011A1
EP0913011A1 EP97933626A EP97933626A EP0913011A1 EP 0913011 A1 EP0913011 A1 EP 0913011A1 EP 97933626 A EP97933626 A EP 97933626A EP 97933626 A EP97933626 A EP 97933626A EP 0913011 A1 EP0913011 A1 EP 0913011A1
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EP
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waveguide
tuning
tuning elements
rotatably mounted
magnetron
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Withdrawn
Application number
EP97933626A
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German (de)
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Inventor
Wolfgang Arnold
Erich Pivit
Hans-Michael Grell
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AFT Advanced Ferrite Technology GmbH
Original Assignee
AFT Advanced Ferrite Technology GmbH
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/04—Coupling devices of the waveguide type with variable factor of coupling

Definitions

  • the present invention relates to a device for tuning a microwave arrangement, consisting of one or more tuning elements projecting into a waveguide and acting inductively or capacitively.
  • tuning pins or screws are used for frequency tuning of a waveguide arrangement.
  • a microwave arrangement in which frequency detuning should be carried out with a very short period (approx. 50 ms) is a magnetron, which is used to heat substances in a microwave oven.
  • the lossy dielectric properties of the substances to be heated cause the microwave energy to be converted into heat. Since such a microwave oven is designed as a resonator in which many wave modes can be excited, an electrical field image with locally fixed maxima and minima is formed when the resonator is excited with a certain frequency.
  • the resulting thermal energy follows this field pattern and forms locally fixed hot and cold areas. Uniform heating of the substance in the microwave oven is therefore not possible. This disadvantage can be avoided by varying the frequency of the magnetron.
  • the field pattern in the furnace also changes with the frequency; d. H. the hot and cold areas shift. This would allow more even heat distribution in the oven.
  • the frequency detuning of the magnetron should expediently take place periodically, and a period of the frequency detuning of approximately 50 ms is desirable.
  • the invention is based on the object of specifying a tuning device for microwave arrangements of the type mentioned at the outset which minimizes mechanical see drive requires to perform a very quickly periodically changing frequency detuning.
  • this object is achieved with the features of claim 1.
  • the penetration depth of one or more tuning elements for frequency detuning is not changed, as is known, but the location of the tuning elements is changed by a rotational movement about an axis oriented perpendicular to the longitudinal axis of the waveguide.
  • Such a rotational movement can be carried out at high speed with a simple motor drive with little wear.
  • the tuning elements are arranged on one or more rotatable disks.
  • a choke connection between the disk and the waveguide wall is expedient.
  • the aforementioned tuning device is particularly suitable for the rapid periodic frequency detuning of a magnetron in a microwave oven.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a waveguide with a rotatable tuning device
  • Fig. 3 shows a longitudinal section through a waveguide with a rotatable inductive loop
  • Fig. 4 is a rike diagram 1 shows a longitudinal section through a waveguide 1 which is coupled, for example, to a magnetron (not shown here) in order to periodically detune its frequency.
  • two pins 2 and 3 are located in the waveguide 1 as tuning elements, which are rotatably mounted about an axis 4 oriented perpendicular to the longitudinal axis of the waveguide.
  • their phase effect changes from capacitive to inductive.
  • the amount of the reflection factor also changes since the distance of the pins 2, 3 from the center of the waveguide changes.
  • one or more fixed tuning elements 6 can also be provided in the waveguide.
  • the total reflection factor runs through a curve in the Smith chart, which, through suitable dimensioning of the tuning elements and their mutual distances from a desired curve can be approximated.
  • the tuning elements 2, 3, 5 are assigned on a circular disk 7, which are in a waveguide wall is rotatably mounted.
  • the disc 7 is seated on a drive axle 8, via which the disc 7 can be rotated by a motor.
  • the disc 7 is mounted in a contact-free manner in an opening in a waveguide wall.
  • a collar 9 is placed on the waveguide wall at the edge of the opening and a collar 10 is also placed on the edge of the disk 7. Both collars 9 and 10 have a height of about a quarter of the waveguide wavelength ⁇ and form a choke; d. H. the idle
  • SPARE BLADE (RULE 26) at the upper end of the gap between the two collars 9 and 10 is transformed into a short circuit at the lower end (in the waveguide wall).
  • the tuning device described can be coupled to a magnetron in order to periodically detune its frequency.
  • This dependency is shown in the Rike diagram shown in FIG. 4.
  • the frequency and power behavior of a magnetron emerges from the Rike diagram, which is terminated with different load resistances with different reflection factors.
  • the highest power > 12 kW
  • the constant power curves are elliptical around the center.
  • the dashed lines are curves of constant frequency.
  • the hatched area indicates the prohibited area. If the magnetron is operated with reflection factors in this forbidden area, mode jumps can occur in the magnetron, which lead to destruction. If a magnetron is to be periodically tuned over a wide frequency range without noticeably losing output power, the reflection factor of the terminating resistor, e.g. B. follow the power curve for 11.5 kW, from the left limit of the prohibited area to the right limit along the constant power curve and back.
  • the reflection factor of the terminating resistor e.g. B. follow the power curve for 11.5 kW

Abstract

A tuning device which allows the fast periodical frequency tuning of a microwave system with simple mechanical means consists of one or several tuning elements (2, 3) which project into a wave guide (1) and are mounted to rotate around an axis (4) perpendicular to the longitudinal axis of the wave guide.

Description

Beschreibungdescription
Vorrichtung zum Abstimmen einer MikrowellenanordnungDevice for tuning a microwave arrangement
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abstimmen einer Mikrowellenanordnung, bestehend aus ein oder mehreren in einem Hohlleiter hineinragenden, induktiv oder kapazitiv wirkenden Abstimmelementen.The present invention relates to a device for tuning a microwave arrangement, consisting of one or more tuning elements projecting into a waveguide and acting inductively or capacitively.
Üblicherweise werden zur Frequenzabstimmung einer Hohlleiteranordnung in diese eintauchende Abstimmstifte oder -schrauben, deren Eindringtiefe veränderbar ist, eingesetzt.Usually tuning pins or screws, the penetration depth of which can be changed, are used for frequency tuning of a waveguide arrangement.
Es gibt Anwendungsfälle, bei denen eine periodische Frequenzverstimmung einer Mikrowellenanordnung erforderlich ist. Mit den erwähnten, in ihrer Eindringtiefe veränderbaren Abstimmelementen ist das nur mit einer sehr aufwendigen Antriebsvorrichtung möglich. Außerdem kann damit keine hohe Verstellgeschwindigkeit erreicht werden. Eine Mikrowellenanordnung, bei der eine Frequenzverstimmung mit einer sehr kleinen Periodendauer (ca. 50 ms) durchgeführt werden sollte, ist ein Magnetron, das zur Erwärmung von Substanzen in einem Mikrowellenofen verwendet wird. Die verlustbehafteten dielektrischen Eigenschaften der zu erwärmenden Substanzen bewirken die Umsetzung der Mikrowellenenergie in Wärme. Da ein solcher Mikrowellenofen als Resonator, in dem viele Wellenmoden anregbar sind, ausgeführt ist, bildet sich bei Anregung des Resonators mit einer bestimmten Frequenz ein elektrisches Feldbild mit örtlich feststehenden Maxima und Minima. Die entstehende Wärmeenergie folgt diesem Feldbild und bildet örtlich feststehende heiße und kalte Bereiche. Eine gleichmäßige Erwärmung der Substanz im Mikrowellenofen ist damit nicht möglich. Dieser Nachteil kann dadurch vermieden werden, daß die Frequenz des Magnetrons variiert wird. Mit der Frequenz ändert sich auch das Feldbild im Ofen; d. h. die heißen und kalten Bereiche verschieben sich. Somit wäre eine gleichmäßigere Wärmeverteilung im Ofen möglich. Die Frequenzverstimmung des Magnetrons sollte dabei zweckmäßigerweise periodisch erfolgen, und zwar ist eine Periodendauer der Frequenzverstimmung von ca. 50 ms erstrebenswert.There are applications in which periodic frequency detuning of a microwave arrangement is required. With the tuning elements mentioned, which can be changed in their penetration depth, this is only possible with a very complex drive device. In addition, a high adjustment speed cannot be achieved with this. A microwave arrangement in which frequency detuning should be carried out with a very short period (approx. 50 ms) is a magnetron, which is used to heat substances in a microwave oven. The lossy dielectric properties of the substances to be heated cause the microwave energy to be converted into heat. Since such a microwave oven is designed as a resonator in which many wave modes can be excited, an electrical field image with locally fixed maxima and minima is formed when the resonator is excited with a certain frequency. The resulting thermal energy follows this field pattern and forms locally fixed hot and cold areas. Uniform heating of the substance in the microwave oven is therefore not possible. This disadvantage can be avoided by varying the frequency of the magnetron. The field pattern in the furnace also changes with the frequency; d. H. the hot and cold areas shift. This would allow more even heat distribution in the oven. The frequency detuning of the magnetron should expediently take place periodically, and a period of the frequency detuning of approximately 50 ms is desirable.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Abstimmvorrichtung für Mikrowellenanordnungen der eingangs genannten Art anzugeben, die einen möglichst wenig aufwendigen mechani- sehen Antrieb erfordert, um eine sehr schnell periodisch sich ändernde Frequenzverstimmung durchzuführen.The invention is based on the object of specifying a tuning device for microwave arrangements of the type mentioned at the outset which minimizes mechanical see drive requires to perform a very quickly periodically changing frequency detuning.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Danach wird nicht, wie bekannte, die Eindringtiefe eines oder mehrerer Abstimmelemeπte zur Frequenzverstimmung verändert, sondern der Ort der Abstimmelemente wird durch eine Rotationsbewegung um eine senkrecht zur Hohlleiter-Längsachse orientierte Achse verändert. Eine solche Rotationsbewegung kann mit hoher Geschwindigkeit mit einem einfachen Motorantrieb verschleißarm durchgeführt werden.According to the invention, this object is achieved with the features of claim 1. Thereafter, the penetration depth of one or more tuning elements for frequency detuning is not changed, as is known, but the location of the tuning elements is changed by a rotational movement about an axis oriented perpendicular to the longitudinal axis of the waveguide. Such a rotational movement can be carried out at high speed with a simple motor drive with little wear.
Gemäß den Unteransprüchen ist es vorteilhaft, die Abstimmelemente auf ein oder mehreren rotierbaren Scheiben anzuordnen. Um die Hohlleiterwandströme zur rotierenden Scheibe nicht zu unterbrechen, ist eine Choke-Verbindung zwischen der Scheibe und der Hohlleiterwand zweckmäßig.According to the subclaims, it is advantageous to arrange the tuning elements on one or more rotatable disks. In order not to interrupt the waveguide wall currents to the rotating disk, a choke connection between the disk and the waveguide wall is expedient.
Die genannte Abstimmvorrichtung ist besonders geeignet zur schnellen periodischen Frequenzverstimmung eines Magnetrons in einem Mikrowellenofen.The aforementioned tuning device is particularly suitable for the rapid periodic frequency detuning of a magnetron in a microwave oven.
Anhand mehrerer in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele wird nachfolgend die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail below with the aid of several exemplary embodiments shown in the drawing. Show it:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Hohlleiter mit einer rotierbaren Abstimmvorrichtung,1 shows a longitudinal section through a waveguide with a rotatable tuning device,
Fig. 2 eine Draufsicht in Richtung A auf diesen Hohlleiter,2 is a plan view in the direction A on this waveguide,
Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen Hohlleiter mit einer rotierbaren induktiven Schleife undFig. 3 shows a longitudinal section through a waveguide with a rotatable inductive loop and
Fig. 4 ein Rike-Diagramm In der Figur 1 ist ein Längsschnitt durch einen Hohlleiter 1 dargestellt, der beispielsweise an ein (hier nicht dargestelltes) Magnetron angekoppelt ist, um dessen Frequenz periodisch zu verstimmen. Dazu befinden sich in dem Hohlleiter 1 als Abstimmelemente zwei Stifte 2 und 3, die um eine senkrecht zur Hohlleiter-Längsachse orientierte Achse 4 rotierbar gelagert sind. Durch Rotation der Stifte 2 und 3, deren Abstand gegenüber der Drehachse 4 etwa einem Viertel der Hohlleiterwellenlänge entspricht, ändert sich deren Phasenwirkung von kapazitiv nach induktiv. Außerdem ändert sich neben der Phase auch der Betrag des Reflexionsfaktors, da sich der Abstand der Stifte 2, 3 von der Hohlleitermitte ändert.Fig. 4 is a rike diagram 1 shows a longitudinal section through a waveguide 1 which is coupled, for example, to a magnetron (not shown here) in order to periodically detune its frequency. For this purpose, two pins 2 and 3 are located in the waveguide 1 as tuning elements, which are rotatably mounted about an axis 4 oriented perpendicular to the longitudinal axis of the waveguide. By rotating the pins 2 and 3, whose distance from the axis of rotation 4 corresponds to about a quarter of the waveguide wavelength, their phase effect changes from capacitive to inductive. In addition to the phase, the amount of the reflection factor also changes since the distance of the pins 2, 3 from the center of the waveguide changes.
Abweichend von dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel können anstelle von zwei Stiften 2, 3 entweder nur ein einziger Stift oder auch mehr als zwei Stifte rotiert werden. Ebenso können, wie die Figur 3 zeigt, anstelle kapazitiver Stifte ein oder mehrere induktive Schleifen 5 im Hohlleiter 1 um die Achse 4 gedreht werden. Die Zahl der Abstimmelemente, deren Art (Stifte oder Schleifen) und deren Abstände von der Drehachse richten sich danach, welche Variation der Phase und des Betrages des Reflexionsfaktors erzielt werden sollen.In a departure from the exemplary embodiment shown in FIG. 1, instead of two pins 2, 3, either only a single pin or more than two pins can be rotated. Likewise, as shown in FIG. 3, one or more inductive loops 5 in the waveguide 1 can be rotated about the axis 4 instead of capacitive pins. The number of tuning elements, their type (pins or loops) and their distances from the axis of rotation depend on which variation of the phase and the amount of the reflection factor are to be achieved.
Neben den rotierbaren Abstimmelementen können auch noch ein oder mehrere feststehende Abstimmelemente 6 im Hohlleiter vorgesehen werden. Durch Wechselwirkung des (der) rotierenden Abstimmelement(e) 2, 3, 5 gegenüber dem (den) feststehenden Abstimmelement(en) 6 durchläuft der Gesamtreflexionsfaktor eine Kurve im Smith-Diagramm, die durch geeignete Dimensionierung der Abstimmelemente und deren gegenseitige Abstände einer gewünschten Kurve angenähert werden kann.In addition to the rotatable tuning elements, one or more fixed tuning elements 6 can also be provided in the waveguide. As a result of the interaction of the rotating tuning element (s) 2, 3, 5 with the stationary tuning element (s) 6, the total reflection factor runs through a curve in the Smith chart, which, through suitable dimensioning of the tuning elements and their mutual distances from a desired curve can be approximated.
Wie man den Längsschnitten durch den Hohlleiter 1 in den Figuren 1 und 3 und der in Figur 2 dargestellten Draufsicht in Richtung A auf den Hohlleiter 1 entnehmen kann, sind die Abstimmelemente 2, 3, 5 auf einer kreisförmigen Scheibe 7 zugeordnet, die in einer Hohlleiterwand drehbar gelagert ist. Die Scheibe 7 sitzt auf einer Antriebsachse 8, über die die Scheibe 7 mit einem Motor in Rotation versetzt werden kann. Die Scheibe 7 ist kontaktfrei in einer Öffnung in einer Hohlleiterwand gelagert. Um die Hohlleiterwandströme zur rotierenden Scheibe 7 nicht zu unterbrechen, ist am Rand der Öffnung auf die Hohlleiterwand ein Kragen 9 und ebenfalls auf den Rand der Scheibe 7 ein Kragen 10 aufgesetzt. Beide Kragen 9 und 10 haben eine Höhe von etwa einem Viertel der Hohlleiterwellenlänge λ und bilden einen Choke; d. h. der LeerlaufAs can be seen from the longitudinal sections through the waveguide 1 in FIGS. 1 and 3 and the top view shown in FIG. 2 in the direction A towards the waveguide 1, the tuning elements 2, 3, 5 are assigned on a circular disk 7, which are in a waveguide wall is rotatably mounted. The disc 7 is seated on a drive axle 8, via which the disc 7 can be rotated by a motor. The disc 7 is mounted in a contact-free manner in an opening in a waveguide wall. In order not to interrupt the waveguide wall currents to the rotating disk 7, a collar 9 is placed on the waveguide wall at the edge of the opening and a collar 10 is also placed on the edge of the disk 7. Both collars 9 and 10 have a height of about a quarter of the waveguide wavelength λ and form a choke; d. H. the idle
ERSATZBLÄTT (REGEL 26) am oberen Ende des Spalts zwischen den beiden Kragen 9 und 10 wird in einen Kurzschluß am unteren Ende (in der Hohlleiterwand) transformiert.SPARE BLADE (RULE 26) at the upper end of the gap between the two collars 9 and 10 is transformed into a short circuit at the lower end (in the waveguide wall).
Es können auch mehrere rotierende Scheiben mit ein oder mehreren Abstimmelementen in der Hohlleiter eingesetzt werden.Several rotating disks with one or more tuning elements can also be used in the waveguide.
Wie bereits oben erwähnt, kann die beschriebene Abstimmvorrichtung an ein Magnetron angekoppelt werden, um dessen Frequenz periodisch zu verstimmen. Zur Frequenzabstimmung eines Magnetrons kann die Tatsache ausgenutzt werden, daß die Frequenz und die Ausgangsleistung eines Magnetrons vom Wert des Lastwiderstandes, der mittels der Abstimmvorrichtung einstellbar ist, abhängig sind. Diese Abhängigkeit zeigt das in Figur 4 dargestellte Rike- Diagramm. Aus dem Rike-Diagramm geht das Frequenz- und Leistungsverhalten eines Magnetrons hervor, das mit verschiedenen Lastwiderständen unterschiedlicher Reflexionsfaktoren abgeschlossen wird. Bei Abschluß mit dem Wellenwiderstand (Mittelpunkt des Diagramms) wird die höchste Leistung (> 12 kW) bei der Frequenz fO abgegeben. Die Kurven konstanter Leistung sind elliptisch um den Mittelpunkt angeordnet. Die strichlierten Linien sind Kurven konstanter Frequenz. Die schraffierte Fläche deutet den verbotenen Bereich an. Wird das Magnetron mit Reflexionsfaktoren in diesem verbotenen Bereich betrieben, können Modensprünge im Magnetron auftreten, die zur Zerstörung führen. Wenn ein Magnetron über einen weiten Frequenzbereich periodisch abgestimmt werden soll, ohne merklich an Ausgangsleistung zu verlieren, kann der Reflexionsfaktor des Abschlußwiderstandes, z. B. der Leistungskurve für 11 ,5 kW folgen , und zwar von der linken Grenze des verbotenen Bereichs bis zur rechten Grenze längs der Kurve konstanter Leistung und zurück. As already mentioned above, the tuning device described can be coupled to a magnetron in order to periodically detune its frequency. The fact that the frequency and the output power of a magnetron depend on the value of the load resistance, which can be set by means of the tuning device, can be used for frequency tuning of a magnetron. This dependency is shown in the Rike diagram shown in FIG. 4. The frequency and power behavior of a magnetron emerges from the Rike diagram, which is terminated with different load resistances with different reflection factors. When terminated with the characteristic impedance (center of the diagram), the highest power (> 12 kW) is delivered at the frequency fO. The constant power curves are elliptical around the center. The dashed lines are curves of constant frequency. The hatched area indicates the prohibited area. If the magnetron is operated with reflection factors in this forbidden area, mode jumps can occur in the magnetron, which lead to destruction. If a magnetron is to be periodically tuned over a wide frequency range without noticeably losing output power, the reflection factor of the terminating resistor, e.g. B. follow the power curve for 11.5 kW, from the left limit of the prohibited area to the right limit along the constant power curve and back.

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung zum Abstimmen einer Mikrowellenanordnung, bestehend aus ein oder mehreren in einen Hohlleiter hineinragenden, induktiv oder kapazitiv wirkenden Abstimmelementen, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere dieser Abstimmelemente (2, 3, 5) um eine senkrecht zur Hohlleiter-Längsachse orientierte Achse (4) drehbar gelagert sind.1. Device for tuning a microwave arrangement, consisting of one or more tuning elements projecting into a waveguide, acting inductively or capacitively, characterized in that one or more of these tuning elements (2, 3, 5) about an axis oriented perpendicular to the longitudinal waveguide axis ( 4) are rotatably mounted.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Abstimmelemente (2, 3, 5) auf einer Scheibe (7) angeordnet sind, die in einer Hohlleiterwand drehbar gelagert ist.2. Device according to claim 1, characterized in that one or more tuning elements (2, 3, 5) are arranged on a disc (7) which is rotatably mounted in a waveguide wall.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Scheiben mit Abstimmelementen in ein oder mehreren Hohlleiterwänden rotierbar gelagert sind.3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that several disks with tuning elements are rotatably mounted in one or more waveguide walls.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein ringförmiger Kragen (10) an der Scheibe (7) und ein auf der Hohlleiterwand aufgesetzter, die Scheibe (7) umgebender ringförmiger Kragen (9) einen Choke bilden und daß beide Kragen (9, 10) die Höhe von etwa einem Viertel der Hohlleiterwellenlänge aufweisen.4. Apparatus according to claim 2 or 3, characterized in that an annular collar (10) on the disc (7) and an attached to the waveguide wall, the disc (7) surrounding annular collar (9) form a choke and that both collars (9, 10) have the height of about a quarter of the waveguide wavelength.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß außer dem (den) drehbar gelagerten Abstimmelement(en) (2, 3, 5) mindestens ein feststehendes Abstimmelement (6) in den Hohlleiter (1) hineinragt.5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that in addition to the rotatably mounted tuning element (s) (2, 3, 5) at least one fixed tuning element (6) protrudes into the waveguide (1).
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß sie zur periodischen Frequenzverstimmung eines Magnetrons in einem Mikrowellenofen verwendet wird.6. The device according to claim 1, characterized in that it is used for periodic frequency detuning of a magnetron in a microwave oven.
ERSATZBLATT (REGEL 28) REPLACEMENT SHEET (RULE 28)
EP97933626A 1996-07-24 1997-07-07 Device for tuning a microwave system Withdrawn EP0913011A1 (en)

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DE19634416A DE19634416A1 (en) 1996-07-24 1996-08-26 Device for tuning a microwave arrangement
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