WO2006084408A1

WO2006084408A1 - Mikrowelleneinheit

Info

Publication number: WO2006084408A1
Application number: PCT/CH2006/000081
Authority: WO
Inventors: Adrian Haldimann; Patrick Linder
Original assignee: Technomedica Ag
Priority date: 2005-02-09
Filing date: 2006-02-07
Publication date: 2006-08-17
Also published as: US20090021328A1; DE112006000336A5

Abstract

Es ist eine Vorrichtung mit einem Hohlraumresonator angegeben, der aus einem Gehäuse (3, 4, 12) aus elektrisch leitendem Material besteht. Im Gehäuse (3, 4, 12) sind eine Reflektoreinheit (11), eine Mikrowelleneinheit (9) und eine teildurchlässige Reflektoreinheit (5) vorgesehen, wobei das Gehäuse (4) eine Strahlungsöffnung (13) aufweist. Die Reflektoreinheit (11), die Mikrowelleneinheit (9), die teildurchlässige Reflektoreinheit (5) und die Strahlungsöffnung (13) liegen auf einer Strahlungsachse (14), wobei die Mikrowelleneinheit (9) zwischen den Reflektoreinheiten (5, 11) angeordnet ist. Ferner entspricht ein Abstand zwischen der Reflektoreinheit (11) und der teildurchlässigen Reflektoreinheit (5) einer zu erzeugenden bzw. zu detektierenden halben Wellenlänge oder dem Mehrfachen dieser halben Wellenlänge. Gleichzeitig ist eine Abmessung quer zur Strahlungsachse (14) mindestens ein Viertel der Wellenlänge.

Description

Mikrowelleneinheit

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem Hohlraumresonator zum Erzeugen bzw . Detektieren von Mikrowellen .

Mikrowelleneinheiten zur Erzeugung von Mikrowellenstrahlen sind seit den 50-er Jahren bekannt, wobei die erzeugten Mikrowellenstrahlen mit dem Akronym MASER bezeichnet wurden, das für Microwave Amplification by Stimmulated Emission of Radiation steht . C . H . Townes entwickelte zu dieser Zeit die ersten MASER und reichte hierfür Patentanmeldungen ein, die zu den U . S . -Patenten mit den Veröffentlichungsnummern US-2 929 922 und US-2 879 439 führten .

Des Weiteren wird auf DE-I 566 036 verwiesen, in der ebenfalls ein Hochfrequenz-MASER beschrieben wird.

Die bekannten Mikrowelleneinheiten zeichnen sich alle durch eine relativ grosse Bauform und einen relativ geringen Wirkungsgrad aus .

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Erzeugen bzw . Detektieren von Mikrowellen anzugeben, welche die vorstehend genannten Nachteile nicht aufweist . Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Massnahmen gelöst . Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Ansprüchen angegeben .

Indem im Gehäuse eine Reflektoreinheit , eine Mikrowelleneinheit und eine teilreflektierender Reflektoreinheit vorgesehen sind, das Gehäuse eine Strahlungsöffnung aufweist, die Reflektoreinheit , die Mikrowelleneinheit, die teilreflektierende Reflektoreinheit und die Strahlungsöffnung auf einer Strahlungsachse liegen, wobei die Mikrowelleneinheit zwischen den

Reflektoreinheiten angeordnet ist, ein Abstand zwischen der Reflektoreinheit und der teilreflektierenden Reflektoreinheit einer zu erzeugenden bzw . zu detektierenden Wellenlänge oder dem Mehrfachen dieser Wellenlänge entspricht und eine Abmessung quer zur Strahlungsachse mindestens ein Viertel der Wellenlänge ist, wird eine Vorrichtung zum Erzeugen bzw . Detektieren von Mikrowellen geschaffen, welche insbesondere die folgenden Vorteile aufweist :

- Der Wirkungsgrad, welcher sich aus der ausgestrahlten Mikrowellenenergie und der aufgewendeten Energie berechnet, ist gegenüber herkömmlichen Vorrichtungen, die auf einem Hohlraumresonator basieren, deutlich verbessert worden .

- Der Aufwand zur Erzeugung von Mikrowellenstrahlen hoher Energiedichte ist gering . - Der mit der Erfindung erzeugte Mikrowellenstrahl weist bei Verwendung in einer Richtstrahlverbindung einen gegenüber herkömmlichen Richtstrahlverbindungen deutlich geringeren Streckenverlust auf .

- Die Frequenz des Hohlraumresonators lässt sich mechanisch sowie elektrisch in einem gewissen Bereich, beispielsweise von 9 bis 12 GHz, verändern sowie auf fixe Frequenzen in diesem Bereich abstimmen .

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen, die verschiedene Ausführungsvarianten zur Illustration der Erfindung zeigen, näher erläutert . Dabei zeigen

Fig . 1 eine Ausführungsvarianten einer erfindungsgemässen Vorrichtung in perspektivischer Darstellung und mit entfernter Seitenwand,

Fig . 2 eine Gunn-Diode, wie sie in der erfindungsgemässen Vorrichtung gemäss Fig . 1 zur Anwendung kommt,

Fig . 3A und 3B eine bekannte und eine besondere Ausgestaltung des elektronischen Bauelementes (Chip) der Gunn- Diode gemäss Fig . 2 ,

Fig . 4A und 4B - A -

die Strahlungscharakteristik des bekannten und der besonderen Ausgestaltung des elektronischen Bauelementes gemäss Fig . 3A und 3B,

Fig . 5, in schematischer Darstellung, einen Teil einer Mikrowelleneinheit in einem Schnitt parallel zu einer Längsachse,

Fig . 6 einen Hohlraumresonator mit einer weiteren Ausführungsform für einen Teil einer Mikrowelleneinheit,

Fig . 7 eine Detailansicht der weiteren Ausführungsform für den Teil der Mikrowelleneinheit gemäss Fig . 6,

Fig . 8 eine Detailansicht gemäss Fg . 7 einer dritten Ausführungsform für einen Teil einer Mikrowelleneinheit,

Fig . 9 die Mikrowelleneinheit gemäss Fig . 5 mit einer Vorrichtung zum Ausrichten des Mikrowellenstrahles und

Fig . 10 eine Ausführungsvariante mit einer separaten Empfängerdiode .

Fig . 1 zeigt eine erfindungsgemässe Vorrichtung zur Erzeugung bzw . Detektierung von Mikrowellen in perspektivischer Darstellung, wobei eine Seitenwand eines Gehäuses 3 transparent ist, so dass die Sicht für den Betrachter in das Innere des Gehäuses 3 freigegeben ist . Das Gehäuse 3 bildet einen quaderförmigen Hohlraumresonator, dessen Längsachse mit einer Strahlungsachse 14 zusammenfällt . Auf dieser Strahlungsachse 14 sind eine Reflektoreinheit 11 , eine Mikrowelleneinheit 9, eine teildurchlässige Reflektoreinheit 5 und eine durch das Gehäuse 3 führende Strahlungsöffnung 13 angeordnet . Das den Hohlraumresonator bildende Gehäuse 3 besteht aus einem Mikrowellenreflektierenden Material , vorzugsweise einem Metall wie Weissblech, dessen Stärke mindestens 0.3 mm, vorzugsweise grösser als 0.5 mm ist . Die Mikrowelleneinheit 9 ist zwischen der Reflektoreinheit 11 und der teildurchlässigen Reflektoreinheit 5 angeordnet , wobei eine Frontplatte 4 mit der Strahlungsöffnung 13 den Hohlraumresonator auf der Seite der teildurchlässigen Reflektoreinheit 5 abschliesst .

Um eine maximale Leistung mit Hilfe der erfindungsgemässen Vorrichtung erhalten zu können, ist der Abstand zwischen der Reflektoreinheit 11 und der teildurchlässigen Reflektoreinheit 5 gleich der zu erzeugenden bzw. zu detektierenden Wellenlänge oder dem Mehrfachen dieser Wellenlänge einzustellen . Die Abmessung quer zur Strahlungsachse 14 entspricht ferner mindestens einem Viertel dieser Wellenlänge . So ist insbesondere auch der Betrieb der erfindungsgemässen Vorrichtung mit einer Abmessung, welche der halben Wellenlänge entspricht, denkbar . Fig. 1 zeigt einen quaderförmigen Hohlraumresonator . Selbstverständlich eignet sich ein zylinderförmiger Hohlraumresonator in gleicher Weise .

In einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung wird als Mikrowelleneinheit 9 eine so genannte Gunn-Diode verwendet . Beispielsweise kann eine Standard Gunn-Diode mit der Bezeichnung MG1005-11 der Firma MDT eingesetzt werden . Diese Gunn-Diode erzeugt ein Mikrowellensignal mit einer Frequenz von 9.35 GHz bei einer Leistung von 50 mW und besteht aus einer vergoldeten Anode, einer vergoldeten Kathode, einem Keramikhohlkörper, einem Bonddraht sowie aus einem vorzugsweise auf GaAs basierenden Chip mit einer Fläche von ca . 0.36 mm² bei einer Höhe von 0.04 mm. Während die Kathode 10 der Gunn-Diode durch das Gehäuse 3 zur Kontaktierung nach Aussen geführt ist , ist die Anode über einen Durchführungskondensator 2 nach Aussen geführt, wobei die Kathode 10 mit dem Gehäuse 3 verbunden ist, währenddem die Anode durch den Durchführungskondensator 2 vom Gehäuse 3 isoliert ist .

Wie aus Fig . 1 ersichtlich ist, befindet sich die Mikrowelleneinheit 9 ungefähr in der Mitte einer der Hälften (hier die linke Hälfte ) des Hohlraumresonators . In der zweiten, d . h . rechten Hälfte des Hohlraumresonators ist bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine aus zwei Drähten 7 bestehende Polarisationseinheit vorgesehen, die im Wesentlichen parallel zur Strahlungsachse 14 angeordnet sind und die mit einer ausserhalb des Hohlraumresonators vorgesehenen Energiequelle wirkverbunden ist . Die Drähte 7 sind beispielsweise aus Stahl gefertigt und weisen einen Durchmesser von beispielsweise 0.03 mm auf . Zur Kontaktierung der Drähte 7 ist ein weiterer Durchführungskondensator 8 vorgesehen, der eine Energieübertragung in den gasdichten Hohlraumresonator ermöglicht . Zur Positionierung der Drähte 7 im Hohlraumresonator sind zwei Drahthalterelemente 6a, 6b vorgesehen, wobei das eine Drahthalteelement 6a im Bereich der teildurchlässigen Reflektoreinheit 5 und das andere Drahthalteelement βb im mittleren Bereich des Hohlraumresonators angeordnet ist, wo sich auch der weitere Durchführungskondensator 8 befindet .

Anstelle von Drähten 7 ist eine andere Form von elektrischen Leitern zur Realisierung der

Polarisationseinheit denkbar . So sind beispielsweise auch seitlich angebrachte und gegeneinander isolierte Platten aus Metall einsetzbar . Ebenso ist es denkbar, beliebige Abschnitte parallel zur Strahlungsachse 14 mit elektrischen Leitern auszustatten .

In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Reflektoreinheit 11 - wie aus Fig . 1 ersichtlich ist - justierbar, d. h . die Reflektoreinheit 11 ist entlang der Strahlungsachse 14 verschiebbar . Hierzu besteht die Reflektoreinheit 11 in einem hier dargestellten erfindungsgemässen Versuchsaufbau aus einer Madenschraube mit einer reflektierenden Schicht, wobei das entsprechende Gegengewinde zum Gewinde der Madenschraube in einer zum Gehäuse 3 gehörenden Rückplatte 12 eingelassen ist, so dass eine Abstimmung des Hohlraumresonators von aussen vorgenommen werden kann . Eine genaue Abstimmung auf die bereits erwähnten Abmessungen kann hiermit bei einer fertig montierten erfindungsgemässen Vorrichtung auf einfache Weise mechanisch - oder bei geeigneter Modifikation auch elektrisch - geregelt werden .

Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Gehäuse 3 zwei beabstandete, verschliessbare Öffnungen 1 auf . Vorzugsweise ist die eine der Öffnungen 1 - wie in Fig . 1 dargestellt - im Bereich der Reflektoreinheit 11 und die andere im Bereich der teildurchlässigen Reflektoreinheit 5 angeordnet . Die Öffnungen 1 dienen zum Einbringen eines Edelgases (beispielsweise Argon) oder eines Gasgemisches in den Hohlraumresonator, wobei dann die eine der Öffnungen 1 als Einlass und die andere als Auslass verwendet wird . Zum Fluten des Innenraumes des Gehäuses 3 bzw . des Hohlraumresonators wird so lange das gewählte Edelgas durch den Einlass gelassen, bis am Auslass nur noch das gewählte Edelgas detektiert wird. Daraufhin werden die Öffnungen 1 verschlossen .

Bei der Ausführungsform mit der beispielsweise über eine Schraube justierbaren Reflektoreinheit 11 werden die Öffnungen 1 vorzugsweise erst dann verschlossen, wenn die Justierung, d. h . die Verschiebung der Reflektoreinheit 11 bzw. der auf dieser angebrachten reflektierenden Schicht abgeschlossen ist und der Gewindespalt verschlossen ist, was mit einem Lack erfolgen kann .

Fig . 2 zeigt eine Gunn-Diode 9 , wie sie bei der erfindungsgemässen Vorrichtung gemäss Fig . 1 eingesetzt wird. Diese Gunn-Diode 9 basiert auf einer Standard-Gunn- Diode mit der handelsüblichen Bezeichnung MDT/MG1005-11 und weist eine Kathode 21, einen die Kathode 21 mit einem Chip 24 verbindenden Bonddraht 22, den auch etwa als elektronisches Bauelement bezeichneten Chip 24 , der ein GaAs-Effekt Halbleiterchip ist , und die Anode 25 auf .

In Fig . 3A ist der in der Standard-Gunn-Diode enthaltene Chip 24 dargestellt, der eine Abstrahlungsrichtung gemäss Fig . 4A aufweist . Demgemäss strahlt die Standard-Gunn-Diode in alle Richtungen gleich ab .

In Fig . 3B ist ein Chip dargestellt, wie er bei einer modifizierten Gunn-Diode zum Einsatz kommt . Von den sechs Seiten des quaderförmigen Chips 24 sind lediglich zwei gegenüberliegende Seiten, nämlich die Seiten D und B, Strahlungs-durchlässig, so dass bereits bei dieser Gunn- Diode eine Ausrichtung der erzeugten Mikrowellen erfolgt . Entsprechend sind in Fig . 4B die Abstrahlungsrichtungen erkennbar, die im Unterschied zur Standard-Gunn-Diode nunmehr lediglich in die Richtungen B und D weisen .

In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung wird nun die modifizierte Gunn-Diode, wie sie anhand der Fig. 3B und 4B erläutert worden ist, im Hohlraumresonator eingesetzt, und zwar wird die modifizierte Gunn-Diode derart positioniert, dass die Abstrahlungsrichtungen mit der Strahlungsachse 14 übereinstimmen . Mit dieser Ausführungsvariante wird ein maximaler Wirkungsgrad erreicht, der sich bei der erfindungsgemässen Vorrichtung durch eine höhere Energieabgabe bei gleich bleibender Leistungsaufnahme zeigt .

Fig . 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der im Zusammenhang mit Fig . 1 erwähnten Mikrowelleneinheit 9. Es handelt sich hierbei um einen möglichen schematischen Aufbau eines Teils der Mikrowelleneinheit 9 anhand eines Schnittes parallel zu einer Ausbreitungsrichtung 205 der Mikrowellen . Die Mikrowelleneinheit 9 ( Fig . 1 ) weist eine Trägereinheit 200 aus einem belastbaren Material, beispielsweise Messing oder Platin, aus . Damit können gegebenenfalls hohe Kräfte aufgenommen werden . Im Innern der Trägereinheit 200 sind in kompakter Bauweise die folgenden Schichten, ausgehend von einer oberen Trägerwand, enthalten : eine erste Isolationsschicht 201 , ein Mikrowellenbauteil 202 , eine zweite Isolationsschicht 203 und ein Druckerzeugungselement 204 , das beispielsweise ein Piezoelement ist . Diverse Steuerleitungen mit entsprechenden Kontaktstellen zur Steuerung der einzelnen Schichten von einer Kontrolleinheit aus sind in Fig . 5 nicht dargestellt .

Als Mikrowellenbauteil 202 kommt eine Gunn-Diode 202 zum Einsatz , die auf dem Gunn-Effekte (John Gunn, 1963 ) beruhende Diode ist, welche in bekannter Weise zur Erzeugung von Mikrowellen eingesetzt wird. Für weitere Angaben zum Gunn-Effekt bzw. zu Gunn-Dioden wird stellvertretend auf das Standardwerk von Donald Christiansen mit dem Titel "Electronics Engineers ' Handbook" (McGraw-Hill, vierte Auflage, 1997 , Seiten 12.71 sowie 12.79 und 12.80 ) verwiesen . In dieser Druckschrift sind auch weitere Standardwerke zu diesem Thema angegeben .

Gemäss den vorstehenden Erläuterungen ist die Gunn-Diode 202 zwischen der ersten und der zweiten Isolationsschicht 201 bzw. 203 eingeklemmt . Mit Hilfe des

Druckerzeugungselementes 204 kann nun die Frequenz der von der Gunn-Diode 202 erzeugten Mikrowellen eingestellt werden . Es hat sich gezeigt, dass mit dieser Vorrichtung Frequenzen im Bereich von 8.7 bis 12 GHz eingestellt werden können . Dabei erfolgt die Frequenzverschiebung einerseits durch den Druck auf die Gunn-Diode 202 (d . h . den so genannten "Die" ) selbst, wodurch einerseits eine Materialveränderung im Innern der Gunn-Diode 202 infolge der molekularen Schwingungsänderung - ähnlich wie bei einer starken Temperaturänderung -, entsteht, anderseits durch eine Veränderung der Kapazität durch eine

Distanzveränderung der Gunn-Diode 202 zur Trägereinheit 200 - ähnlich einer Kapazitätsveränderung bei einem Kondensator, bei dem die Kondensatorplatten gegeneinander verschoben werden . Über das Druckerzeugungselement 204 ist somit die Möglichkeit gegeben, die Frequenz der mittels der Gunn-Dioden 202 erzeugten Mikrowellen exakt einzustellen . Damit unterscheidet sich die beschriebene Mikrowelleneinheit 9 von bekannten Vorrichtungen insbesondere dadurch, dass die Frequenz der erzeugten Mikrowellen auf elektronischem Weg, ohne mechanische Einstelleinrichtungen, exakt eingestellt werden kann .

Damit die einmal eingestellte Frequenz der auszusendenden Mikrowellen konstant bleibt, ist das Druckerzeugungselement 204 in einer weiteren Ausgestaltung der Mikrowelleneinheit 9 mit einer an sich bekannten, so genannten PLL- ( Phase- Locked-Loop) - oder FLL- ( Frequency-Locked-Loop) -Schaltung versehen . Eine dieser Schaltungen regelt die am Druckerzeugungselement 204 angelegte Spannung derart, dass die gewünschte Frequenz der Mikrowellen konstant bleibt .

Mit 206 ist seitlich der Gunn-Diode 202 ein Fenster für den Austritt der Mikrowellen bezeichnet . Das Fenster 206 wird vorzugsweise durch eine geeignete Dotierung mit Fremdatomen erhalten . Damit wird ein kontrolliertes Austreten von Mikrowellen aus der Gunn-Diode 202 ermöglicht . Für die Dotierung eignet sich dabei insbesondere GaAs (Galliumarsenid) . Der Durchmesser des Fensters 206 beträgt beispielsweise ca . 10 μm und die Tiefe der Dotierung beispielsweise 32 nm. Im Übrigen sind die +/- Anschlüsse in Fig . 5 eingezeichnet, wobei eine elektrische Kontaktierung am "+"-Anschluss im Fenster 206 und eine elektrische Kontaktierung am "-"-Anschluss ausserhalb des Fensters 206 erfolgt .

In Fig . 6 ist eine Ausführungsform mit einem Teil der Mikrowelleneinheit 9 gemäss Fig. 2 schematisch dargestellt . Dieser Teil der Mikrowelleneinheit kann aber auch dem Teil der Mikrowelleneinheit 9 , wie er in Fig . 7 oder 8 dargestellt ist , sowie als weitere Variante gemäss Fig . 5 entsprechen . Im Allgemeinen kann j edes bekannte Bauelement, mit dem Mikrowellen erzeugt werden kann, kann als Teil der Mikrowelleneinheit im vorstehenden Sinne eingesetzt werden . Mit 250 ist der Hohlraumresonator bezeichnet, in dem auch die anhand von Fig . 5 erläuterten Teile der

Mikrowelleneinheiten 9 enthalten sind. Fig . 6 zeigt eine zu Fig . 1 alternative Ausführungsform, die im Detail anhand von Fig . 7 beschrieben wird.

Der Hohlraumresonator 250 ist aus Metall und weist eine Austrittsöffnung 206 auf, durch den die Mikrowellen in Ausbreitungsrichtung 205 aus dem Hohlraumresonator 250 austreten . Im Hohlraumresonator 250 ist einerseits ein Keramikkörper 234 , der von oben in das Innere des Hohlraumresonators 250 ragt, anderseits ein Körper 235 , der von unten in das Innere des Hohlraumresonators 250 ragt, enthalten, wobei der obere Keramikkörper 234 und der Körper 235 aneinander ausgerichtet sind, d. h. eine gemeinsame Achse aufweisen, sich j edoch nicht berühren. Neben dem Körper 235 ist ferner ein weiterer Keramikkörper 236 angeordnet, der mit Bezug auf die Detailansicht gemäss Fig . 7 erläutert wird. Der Körper 235 besteht aus einem Metall, beispielsweise aus Messing oder Kupfer, und dient als Kathode, oder Anode, j e nach Bauform der verwendeten Gunn- Diode . Gleichzeitig kann über den Körper 235 überschüssige Wärme abgeleitet werden . Aus Fig . 7 , welche eine Detailansicht A gemäss Fig . 6 ist , ist ersichtlicht, dass der untere Körper 235 als Trägerelement für die folgenden Einheiten bzw . Schichten ist (Reihenfolge ausgehend vom Körper 235) :

- ein Druckerzeugungselement 204 ;

- eine Kontaktschicht 203 aus einem Metall, beispielsweise aus Silber oder Kupfer;

- eine Gunn-Diode 202.

Zur Steuerung des Druckerzeugungselementes 204 ist eine Steuerleitung 231 vorgesehen, die mit einer Kontaktstelle 232 auf dem weiteren Körper 236 verbunden ist . Die Kontaktstelle 232 ist über einen im weiteren Körper 236 enthaltenen elektrischen Leiter aus dem Hohlraumresonator 250 geführt, womit die Möglichkeit zur Ansteuerung des Druckerzeugungselementes 204 von ausserhalb des Hohlraumresonators 250 gegeben ist . Die oberhalb der Kontaktschicht 203 angeordnete Gunn-Diode 202 ist ferner über eine Kontaktschlaufe 230 mit dem Keramikkörper 234 verbunden, der gleichzeitig als Durchführungskondensator dient und die Kontaktierung der Gunn-Diode 202 von ausserhalb des Hohlraumresonators 250 ermöglicht .

Gemäss den vorstehenden Erläuterungen ist die Gunn-Diode 202 auf der Kontaktschicht 203 und dem Druckerzeugungselement 204 aufgebracht . Mit Hilfe des Druckerzeugungselementes 204 kann nun die Frequenz der von der Gunn-Diode 202 erzeugten Mikrowellen, wie sich in einer erfindergemässen Testvorrichtung zeigte, beispielsweise zwischen 8.7 und 12 GHz eingestellt werden . Dabei erfolgt die Frequenzverschiebung einerseits durch die kapazitive Veränderung infolge einer Abstandsänderung zwischen Gunn- Diode 202 und dem als Kathode wirkenden Körper 235 , anderseits durch die Positionsänderung gegenüber dem als Durchführungskondensator wirkenden Keramikkörper 234. Über das Druckerzeugungselement 204 ist somit die Möglichkeit gegeben, die Frequenz der mittels der Gunn-Diode 202 erzeugten Mikrowellen exakt einzustellen und zu verändern . Auch diese Ausführungsform unterscheidet sich somit von bekannten Mikrowelleneinheiten dadurch, dass die Frequenz der erzeugten Mikrowellen auf elektronischem Weg eingestellt werden kann .

Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsvariante ist die sehr kleine Bauform von beispielsweise 2 x 1 x 1 mm für die äusseren Abmessungen des Hohlraumresonators 250 , der lediglich drei Anschlüsse ausweist , nämlich V_Gnd, V_GUnn und Vpi_{ezo f} wobei V_Gnd dem gemeinsamen Erd- bzw. Massenpotential, V_Gunn der Speisespannung bzw . dem Signalabgriff der Gunn- Diode und Vpiez_o der Speisespannung des Druckerzeugungselementes und der damit verbundenen Abstimmung des Schwingkreises entspricht . Der in sich geschlossene Hohlraumresonator weist eine geringe Anfälligkeit gegenüber äusseren Einflüssen auf, da alle HF- aufweisenden Bauteile im Hohlraumresonator enthalten sind. Dieser Umstand macht ihn geradezu ideal für die Anwendung in der Mikrosensortechnik. Wie schon im Zusammenhang mit den Ausführungen zu der Ausführungsvariante gemäss Fig . 5 erwähnt worden ist, kann die eingestellte Frequenz der auszusendenden Mikrowellen mit Hilfe von so genannten PLL- ( Phase-Locked-Loop) - oder FLL- ( Frequency-Locked-Loop) - Schaltungen konstant gehalten werden, was selbstverständlich auch bei dieser Ausführungsform denkbar ist . Diesbezüglich wird auf das Standardwerk von Donald Christiansen mit dem Titel "Electronics Engineers ' s Handbook" ( Fourth Edition, McGraw- HiIl , 1996, Seite 3.40 ) verwiesen .

Fig . 8 zeigt eine gegenüber der Ausführungsform gemäss Fig . 7 mit einer zusätzlichen Induktivität und einer zusätzlichen Kapazität ergänzte Variante . Damit wird verhindert, dass hochfrequente Signalanteile bzw . Mikrowellen aus dem Hohlraumresonator an nicht erwünschten Stellen austreten können . Gleichzeitig wird ein unerwünschtes Mitschwingen des Piezoelementes oder von anderen Bewegungskörpern verhindert . Ansonsten ist die Ausführungsvariante gemäss Fig . 8 mit derj enigen gemäss Fig . 7 identisch .

Fig . 9 zeigt die Trägereinheit 200 in Seitenansicht, wobei wiederum mit 205 der Mikrowellenstrahl , der in der Gunn- Diode 202 ( Fig . 5 ) erzeugt wird, identifiziert ist . Durch Einbetten der Trägereinheit 200 mit Verschiebungselementen 207 bis 209, welche j e aus einem Piezoelement gebildet sein können, lässt sich die Trägereinheit 200 als ganzes verschieben bzw. kippen . Mit anderen Worten lässt sich die Richtung des Mikrowellenstahles 205 einstellen . Damit ein grösstmöglicher Bereich mit dem Mikrowellenstrahl abgedeckt werden kann, sind das Verschiebungselement 207 und dessen Gegenstück (in Fig . 8 wegen Abdeckung durch das Verschiebungselement 207 nicht ersichtlich) im Bereich der Austrittsöffnung des Mikrowellenstrahls angebracht . Mit diesen Verschiebungselementen 208 kann die Trägereinheit 200 entsprechend den mit 210 gekennzeichneten Pfeilen, welche senkrecht auf die Zeichnungsebene stehen, senkrecht zur Zeichnungsebene bewegt werden .

Die beiden weiteren Verschiebungselemente 208 und 209 sind am gegenüberliegenden Ende der Trägereinheit 200 angeordnet, und zwar derart, dass die Trägereinheit 200 in der Zeichnungsebene von Fig . 9 entsprechend den mit 211 gekennzeichneten Pfeilen bewegt werden kann . Mithin wirken die Verschiebungselemente 208 und 209 auf zwei der parallel verlaufenden Oberflächen der Trägereinheit 200 , während das Verschiebungselement 207 und sein Gegenstück auf die anderen zwei der parallel verlaufenden Oberflächen der quaderförmigen Trägereinheit 200 wirken.

Für eine einwandfreie Kontaktierung der Verschiebungselemente 207 bis 209 sind diese auf deren Aussenseiten vorzugsweise mit einer Silberschicht versehen . Dies ermöglicht eine einfache Kontaktierung mit Steuerleitungen 220 bis 222 mittels bekannter Bonding- Technik. Dazugehörend ist ein Referenzanschluss 223 zur Festlegung eines Referenzpotentials vorgesehen . Hierzu ist der Referenzanschluss 223 mit der Trägereinheit 200 , vorzugsweise wiederum mittels der Bonding-Technik, verbunden .

Mit der beschriebenen Positionseinstellungsvorrichtung lässt sich der Mikrowellenstrahl um zwei Achsen kippen, so dass ein Kegel von ca . 2.5 ° abgefahren werden kann . Werden weitere Verschiebungselemente eingesetzt, die auf das dritte Oberflächenpaar der Trägereinheit 200 einwirken, so kann zusätzlich eine translatorische Bewegung in einer dritten Achse erwirkt werden .

Es ist auch denkbar, die Mikrowelleneinheit mit Hilfe der MEMS- (Micro-Electro-Mechanical Systems ) -Technologie zu realisieren, womit erfindungsgemässe Vorrichtungen hergestellt werden können, die eine sehr schnelle und präzise Positionsänderung ermöglichen . Die MEMS-Technologie ermöglicht die Integration von mechanischen Elementen, Sensoren, Aktuatoren und von Elektronik auf dem gleichen Silikonsubstrat mit Hilfe von Mikrofabrikations- Technologien . Während elektronische Bausteine mit Hilfe von IC- ( Integrated Circuit ) -Herstellungsverfahren - wie beispielsweise CMOS , Bipolar oder BICMOS Prozessen - hergestellt werden, werden mikromechanische Komponenten unter Verwendung von kompatiblen mikromechanischen Verfahren hergestellt, bei denen bestimmte Teile auf einem Silikonwafer entweder weggeätzt oder bei denen neue strukturelle Schichten hinzugefügt werden, um die mechanischen und gegebenenfalls die mikromechanischen Vorrichtungen zu bilden . Fig . 10 zeigt eine Ausführungsvariante mit einer separaten Empfängerdiode 237 , welche die reflektierenden Mikrowellen 238 empfängt und aufgrund des an sich bekannten Mischeffektes in einen tieferen Frequenzbereich transferiert . Die Empfängerdiode 237 ist hierzu gegenüber der Strahlungsachse 14 ( Fig . 1 ) versetzt angeordnet, d . h . es ist darauf zu achten, dass die Empfängerdiode 237 die Strahlung nicht absorbiert bzw . in ungewünschter Weise reflektiert bzw . verändert .

Als Empfängerdiode 237 eignet sich insbesondere eine so genannte Schottky-Diode, eine so genannte Pin-Diode oder eine Tunel-Diode . Andere Bauteile, mit denen Mikrowellen empfangen werden können, können gleichfalls eingesetzt werden .

Wie bereits darauf hingewiesen worden ist, lässt sich die erfindungsgemässe Vorrichtung sowohl als Sende- als auch als Empfangseinheit verwenden. Dies ist sowohl mit einer zusätzlichen Empfängerdiode - wie anhand Fig . 10 veranschaulicht worden ist - als auch ohne Empfängerdiode möglich .

Die erfindungsgemässe Vorrichtung lässt sich beispielsweise in den folgenden Fachgebieten verwenden:

- Bestimmen von Substanzen in unterschiedlichen Aggregatzuständen anhand von charakteristischen Strukturen . - Detektieren von Molekülbewegungen unter Anwendung des Dopplereffektes .

- Medizinische Anwendung, beispielsweise als Skalpell oder für eine gezielte Entfernung von geschädigtem Herzgewebe .

- Analyseautomaten zur Bestimmung von klinischen Parametern bis hin zur DNA-Bestimmung .

- Berührungsloses Bestimmen von Verunreinigungen in Flüssigkeiten, insbesondere in Wasser .

- Echtzeit Überwachung und/oder Qualitätssicherung von Trinkwasser, Lebensmitteln, Prozessabläufen bei schwer oder nicht zugänglichen Stellen. Damit können auch hochgiftige Substanzen gefahrlos untersucht werden .

- Für j edwede mikrobiologischen Anwendung zur Ermittlung von Viren, Bakterien, etc . eignet sich die Erfindung vorzüglich, dabei ist es unerheblich, ob die zu bestimmenden Viren bzw . Bakterien in einem festen, flüssigen oder gasförmigen Medium enthalten sind.

- Überprüfung von Schweissnähten : mit dem erfindungsgemässen Verfahren können Mikrorisse mit hoher Zuverlässigkeit detektiert werden.

- Spektroskopie, Umwelt-Analytik und -Überwachung der Atmosphäre und industrieller Umgebungen .

- Nahbereichskommunikation in der Medizinaltechnik, bei der beispielsweise ein Sender im lebenden Organismus und ein Empfänger ausserhalb des Organismus positioniert werden . Zwischen dem Sender und dem Empfänger wird mittels HF- (High Frequency) Kommunikation Daten aus dem lebenden Organismus gewonnen. So ist es denkbar, dass anstelle einer Darmspiegelung (Endoskopie) eine autonome Mess- und Sendeeinheit in Pillenform verabreicht wird, die aus dem Inneren des Darms - beispielsweise durch Oberflächenabtastung - vordefinierte Daten sendet, welche die Daten an die externe Empfangsstation zur Aufzeichnung und/oder Verarbeitung sendet .

- Detektoren im Nahbereich zur Detektion von Drogen, Sprengstoffen oder anderer Gefahrengüter . Als Einsatzgebiete sind beispielsweise das Zollamt, Flugplätze, Bahnhöfe, Post, etc . denkbar, bei denen eine Personenkontrolle vorzunehmen ist .

- Intersatellitenkommunikation .

- Kommunikation, insbesondere drahtlose Datenübertragung über grossen Distanzen, via Satellit oder ATV.

Claims

Patentansprüche :

1. Vorrichtung mit einem Hohlraumresonator, bestehend aus einem Gehäuse ( 3 , 4 , 12 ) aus elektrisch leitendem Material , vorzugsweise Weissblech, dadurch gekennzeichnet , dass im Gehäuse ( 3, 4 , 12 ) eine Reflektoreinheit ( 11 ) , eine Mikrowelleneinheit ( 9 ) und eine teildurchlässige Reflektoreinheit ( 5 ) vorgesehen sind, dass das Gehäuse ( 4 ) eine Strahlungsöffnung ( 13) aufweist, dass die Reflektoreinheit ( 11) , die Mikrowelleneinheit ( 9 ) , die teildurchlässige Reflektoreinheit ( 5 ) und die Strahlungsöffnung (13 ) auf einer Strahlungsachse (14 ) liegen, wobei die Mikrowelleneinheit ( 9 ) zwischen den Reflektoreinheiten ( 5 , 11 ) angeordnet ist, dass ein Abstand zwischen der Reflektoreinheit (11) und der teildurchlässigen Reflektoreinheit (5 ) einer zu erzeugenden bzw . zu detektierenden halben Wellenlänge oder dem Mehrfachen dieser halben Wellenlänge entspricht und dass eine Abmessung quer zur Strahlungsachse ( 14 ) mindestens ein Viertel der Wellenlänge ist .

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass zumindest abschnittsweise elektrische Leiter ( 7 ) im Wesentlichen parallel zur Strahlungsachse (14 ) angeordnet sind, wobei die Leiter mit einer Energiequelle wirkverbunden sind .

3. Vorrichtung nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Leiter aus Drähten (7 ) gebildet sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektoreinheit ( 11) bzw . eine auf dieser vorhandene reflektierende Schicht entlang der Strahlungsachse ( 14 ) verschiebbar ist .

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Seiten des Gehäuses ( 3 ) , die nach Innen gerichtet sind und im Wesentlichen parallel zur Strahlungsachse ( 14 ) verlaufen, reflektierend ausgebildet sind.

6. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Energiequelle über einen Durchführungskondensator mit der Mikrowelleneinheit ( 9) wirkverbunden ist .

7. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowelleneinheit ( 9) vom Typ Gunn-Diode ist .

8. Vorrichtung nach Anspruch 7 , dadurch gekennzeichnet, dass die Gunn-Diode vorgegebene Hauptabstrahlungsrichtungen aufweist, die im Wesentlichen mit der Strahlungsachse ( 14 ) übereinstimmen .

9. Vorrichtung nach einem der vorangegangnen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein durch das Gehäuse (3) umschlossener Hohlraum mit einem Edelgas , vorzugsweise mit Argon, oder mit einem Mischgas gefüllt ist .

10. Vorrichtung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass das mikrowellenerzeugende Bauteil zwischen zwei Druckerzeugungselementen befestigt ist .

11. Vorrichtung gemäss Anspruch 5 , dadurch gekennzeichnet , dass die Reflektoreinheit ( 11) mittels mindestens einem Servomotor entlang der Strahlungsachse ( 14 ) bewegbar ist .

12. Vorrichtung gemäss Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektoreinheit ( 11 ) mittels Piezomotoren entlang der Strahlungsachse ( 14 ) bewegbar ist .

13. Vorrichtung nach einem der vorangegangnen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraumresonator mittels seitlich angebrachter Bewegungselemente in mindestens einer Achse bewegbar ist .

14. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Empfängerdiode (237 ) im Hohlraumresonator enthalten ist, wobei die Empfängerdiode (237 ) vorzugsweise vom Typ Schottky ist .

15. Verwendung der Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche in einem der folgenden Gebiete :

- Bestimmen von Substanzen in unterschiedlichen Aggregatzuständen anhand von charakteristischen Strukturen;

- Detektieren von Molekülbewegungen unter Anwendung des Dopplereffektes; - Medizinische Anwendung;

- Analyseautomaten zur Bestimmung von klinischen Parametern;

- Berührungsloses Bestimmen von Verunreinigungen in Flüssigkeiten;

- Echtzeitüberwachung und/oder Qualitätssicherung von Substanzen;

- Ermittlung von Viren und Bakterien;

- Überprüfung von Schweissnähten;

- Spektroskopie;

- Nahbereichskommunikation in der Medizinaltechnik;

- InterSatellitenkommunikation; oder

- Kommunikation, insbesondere drahtlose Datenübertragung über grossen Distanzen .