WO2009030778A1 - Abschirmvorrichtung für elektromagnetische strahlung - Google Patents

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WO2009030778A1
WO2009030778A1 PCT/EP2008/061871 EP2008061871W WO2009030778A1 WO 2009030778 A1 WO2009030778 A1 WO 2009030778A1 EP 2008061871 W EP2008061871 W EP 2008061871W WO 2009030778 A1 WO2009030778 A1 WO 2009030778A1
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filter
mode filter
mode
applicator
attenuation
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PCT/EP2008/061871
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Inventor
Dipl.-Ing. Horst Kriszio
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Becker Technologies Gmbh
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/52—Means for reducing coupling between antennas; Means for reducing coupling between an antenna and another structure
    • H01Q1/526—Electromagnetic shields
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/16—Auxiliary devices for mode selection, e.g. mode suppression or mode promotion; for mode conversion
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/64—Heating using microwaves
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/64—Heating using microwaves
    • H05B6/76—Prevention of microwave leakage, e.g. door sealings

Definitions

  • the present invention relates to a device for preventing unwanted radiation or for electromagnetic shielding in the application of products with high-frequency radiation, in particular microwaves.
  • high-frequency radiation in particular of microwaves for heating, drying, curing and / or other processing of various products
  • food industry fruit pieces are gently dried using high-frequency radiation, for example, and processed for further use.
  • treatment with high frequency radiation has proven successful.
  • curing of pulps e.g. Mineral wool
  • a introduced into the mineral wool fiber material, liquid binder is cured by the microwave caused heating by polymerization.
  • the products to be treated are introduced continuously or in discrete portions into an applicator in which the application of high-frequency radiation takes place.
  • These applicators must have corresponding product passage openings, in particular in the case of a continuous product entry via, for example, conveyor belts or the like. Both for reasons of operational safety and in terms of the most effective use of the radiant power introduced into the applicator, it is undesirable to emit the introduced high-frequency radiation through these openings, so that an electromagnetic shielding of these openings is required.
  • the openings can be configured as straight or meander-shaped shafts or pipes, the walls being designed such that they absorb the high-frequency radiation (absorber choke).
  • aborber choke An example of such a solution of electromagnetic shielding is shown in EP 0299365 A1. Since such absorber chokes also absorb the corresponding energy with the radiation and heat up, it is necessary to dissipate this energy, which usually takes place by means of water cooling.
  • the metallic shaft walls of the openings can be geometrically designed such that they act as blocking filters within the operating frequency range of the high-frequency radiation (loss-free reactance filter).
  • Such a blocking filter is e.g. in the article "Doubly Corrugated Chokes for Microwave Heating Systems” by A.L. Van Koughnett and J.G. Dünn in “Journal of Microwave Power", 8 (1), 1973.
  • This filter which is based on the geometry of a two-dimensional periodic structure, is well suited for preventing the emission of high-frequency radiation from a shaft-shaped applicator, provided that its aperture width is smaller than half the wavelength in at least one of the two extension directions (eg height) a plane wave at the highest operating frequency.
  • the properties of the dielectric that fills the filter shaft must be taken into account.
  • a device for the electromagnetic shielding of an opening of an applicator subjected to high-frequency radiation, which uses a blocking filter operating in the operating frequency range of the high-frequency radiation, wherein the device further comprises a mode filter which blocks the modes not damped by the notch filter.
  • the mode filter additionally used according to the invention preferably blocks the modes TE mn (m> 0, n> 0) and TM mn (m> 0, n> 0), while the notch filter according to its most common application blocks the modes TE m0 (m> 0 ) blocked.
  • the mode filter is designed for this purpose as a shaft of predetermined length with metallically conductive walls.
  • This shaft preferably has a rectangular cross-section, wherein at least the narrow side of the rectangular aperture of the mode filter is shorter than half the wavelength corresponding to the maximum operating frequency.
  • the tuning of the filter in this regard may change depending on the material to be treated in the applicator.
  • the walls of the duct forming the mode filter are smooth. However, the walls may also have a certain surface texture if necessary to achieve the desired blocking and / or damping of modes.
  • the mode filter is disposed between the applicator and the notch filter. Consequently, only the modes to be dampened from this are present at the entrance to the barrier filter, this damping being carried out in the manner known from the prior art and the corresponding technical literature.
  • the blocking filter can in this case be designed as a shaft of predetermined length, the metallic conductive walls preferably at least partially have a two-dimensional periodic structure in order to achieve the desired damping.
  • the notch filter in this case has a rectangular cross-section, with at least one of the wide sidewalls of the notch filter, i.
  • the ceiling surface and / or the bottom surface of the shaft on its inside at least partially a two-dimensional periodic structure up.
  • the narrow side of the rectangular aperture of the notch filter is shorter than a quarter of the wavelength corresponding to the maximum operating frequency.
  • the determination of this wavelength of a plane wave must take into account the dielectric properties of the material passing through the applicator during operation and thus in the barrier filter.
  • the barrier filter also has a rectangular cross section, but at least the two opposite wide side walls of the barrier filter, ie, for example, the ceiling surface and the bottom surface of the shaft, on its inside at least partially have a two-dimensional periodic structure.
  • the narrow side of the rectangular aperture of the notch filter is shorter than half the wavelength corresponding to the maximum operating frequency of a plane wave, which is again determined taking into account the dielectric properties of the running during the operation of the applicator material.
  • the two-dimensional periodic structure preferably extends over the entire inside of the top and / or bottom surface of the duct forming the barrier filter.
  • the two-dimensional structure hereby may e.g. consist of metallic conductive pins, which are conductively connected to the inside and form a regular grid. It would also be conceivable to have a periodic structure integrally formed in the respective side walls during manufacture.
  • cylindrical pins are used which are conductively attached in vertical alignment to the respective inner surface, e.g. be screwed on.
  • the attenuation a s of the mode filter is adapted such that it matches the attenuation of the notch filter for the lowest mode to be blocked substantially.
  • the attenuation of the mode filter a s in this case is adjusted such that the attenuation of the mode filter for the mode TE01 substantially coincides with the attenuation of the notch filter for the modes TE m0 (m> 0).
  • the attenuation of a s ⁇ damped TE mn modes in the mode filter length (m> 0, n> 0) and TM mn (m> 0, n> 0) can be used in this context, on the basis the damping of the mode TE 0 - I , which has the lowest limit frequency of all modes to be damped in the mode filter, can be estimated by the following equation:
  • ⁇ for the damping constant of the mode filter, and ⁇ ⁇ for the operating frequency corresponding wavelength of a plane wave, taking into account the dielectric properties of befindlichem in the barrier filter material.
  • ⁇ £ / h denotes the ratio of this wavelength ⁇ ⁇ to the narrow side h of the aperture of the cross section of the mode filter in the case of a rectangular shaft cross section.
  • the length of the mode filter is dimensioned according to a preferred embodiment of the invention such that the determined according to the above equation attenuation a s is approximately equal to the attenuation a f of the notch filter for the modes TE m0 (m> 0).
  • the length / of the mode filter is selected as a function of the desired attenuation a s of the mode filter, the narrow side h of the aperture of the cross section of the mode filter and the wavelength ⁇ ⁇ corresponding to the operating frequency that the relationship
  • the modes not dampened by the notch filter and consequently blocked according to the invention by the mode filter usually carry only a fraction of the power introduced into the applicator.
  • a relatively high power level of high-frequency radiation exists within the mode filter, since, for example, at least one of the modes TE m0 (m> 0) can propagate unimpaired in the mode filter.
  • the mode filter when the applicator is used with continuously introduced products, to form part of the effective range of the applicator used to act on the products with high-frequency radiation. In this way, it can be ensured that, when using a mode filter according to the invention for the effective shielding of electromagnetic radiation, the entire length of the applicator only becomes insignificantly longer.
  • the device according to the invention for the electromagnetic shielding of an opening of an applicator subjected to high-frequency radiation is adapted with respect to its geometrical dimensions dependent on the operating wavelength taking into account the dielectric properties of the material arranged in the device such that a shielding according to the invention is produced during operation of the device Applicator with high-frequency radiation in one of the ranges 2400 - 2500 MHz, 433.05 - 434.79 MHz, 890-906 MHz, 902 - 928 MHz or 5725 - 5875 MHz.
  • Fig. 2 a partially broken horizontal plan view of the embodiment of FIG. 1,.
  • FIGs 1 and 2 show the inventive device 1 for electromagnetic shielding in conjunction with an applicator 10th
  • the applicator 10 has an inlet opening 11 for receiving the product 4 to be acted upon in its interior by high-frequency radiation.
  • the product 4 to be treated in the applicator 10 is a layer of lightweight, lossy dielectric (e.g., mineral wool) in the illustrated embodiment.
  • This product 4 is intended to be heated by the power introduced by means of high-frequency radiation in terms of volume.
  • the product 4 is introduced into the applicator 10 in the direction indicated by the arrow T by means of a transport device, not shown, transported through the latter along a transport path and finally discharged at the other end of the applicator 10 via a corresponding outlet opening.
  • This outlet opening is presently also provided with a device according to the invention.
  • the applicator 10 can in this case have any dimensions and is limited by a metallic conductive shell.
  • the device 1 consists of the mode filter 2 adjoining directly to the inlet opening 11 of the applicator 10 and the blocking filter 3, which adjoins the mode filter 2 directly, ie. the mode filter 2 is arranged between the applicator 10 and the blocking filter 3.
  • the inlet opening 11 has a rectangular cross-sectional area with a height H1 of approximately 55 mm and a width B1 of approximately 550 mm.
  • the mode filter 2 in the present case consists of a shaft made of metallically conductive material whose cross-sectional area substantially coincides with that of the inlet opening 11, thus also has a rectangular shape with the width B2 and the height H2, where B2 «B1 and H2 « H1.
  • the length L2 of the mode filter 2 is approximately 660 mm in the illustrated embodiment.
  • the barrier filter 3 is also made of a metallically conductive material and also has a rectangular cross-section. While the width B3 of the barrier filter 3 substantially coincides with the width B1 of the inlet opening 11 and thus the width B2 of the mode filter 2, the barrier filter 3 has a height H3 of approximately 106 mm. The length L3 of the blocking filter 3 is approximately 460 mm in the illustrated example.
  • the blocking filter 3 has an opening 30 for the passage of the material 4, the dimension of which corresponds essentially to the width B1 and the height H1 of the inlet opening 11 of the applicator 10 or the width B2 and the height H2 of the mode filter 2.
  • metallically conductive pins 5 are screwed.
  • the pins 5 in this case each form a two-dimensional periodic structure 6 extending over the entire surface of the ceiling surface 3a or the bottom surface 3b in the form of a square grid with a mesh size M of 25.5 mm.
  • the pins 5 have a cylindrical shape with a diameter of about 15 mm and a length of about 25.5 mm and are screwed in vertical alignment on the respective inner sides of the ceiling surface 3a and the bottom surface 3b, i. they rest with their circular base on the inner surfaces.
  • the notch filter 3 is suitable for blocking the wave modes TE m0 in the vicinity of the operating frequency 2450 MHz.
  • the mode filter 2 blocks the exit of those wave modes TE mn (n> 0) and TM mn which may possibly be propagated in the applicator 10 from the applicator 10, which can not be blocked by the blocking filter 3.
  • the device 1 according to the invention can also be operated at other frequencies with appropriately adapted geometry, eg in one of the ISM bands at 434 MHz, 896 or 915 MHz or 5800 MHz.
  • Decisive for the scaling of the dimensions is the ratio of the wavelengths corresponding to the frequencies to one another.
  • an attenuation of the leakage radiation emerging from the applicator 10 can be achieved by more than 100 dB.
  • the blocked in the notch filter 3 wave modes TE m0 are substantially not attenuated in the present embodiment in the filter block 2 upstream of the notch filter 3. Consequently, the length L3 of the mode filter 3 can be almost completely included in a determination of the design of the total effective length of the applicator 10 in view of the desired power input into the product 4, ie the required length of the applicator 10 in this sense can by the length L3 of the mode filter 3 can be reduced.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektromagnetischen Abschirmung einer Öffnung eines mit hochfrequenter Strahlung beaufschlagten Applikators unter Verwendung eines im Betriebsfrequenzbereichs der hochfrequenten Strahlung wirkenden Sperrfilters. Erfindungsgemäß werden die von dem Sperrfilter nicht gedämpften Moden mittels eines Modenfilters blockiert.

Description

Abschirmvorrichtung für elektromagnetische Strahlung
I. Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Vermeidung unerwünschter Abstrahlung bzw. zur elektromagnetischen Abschirmung bei der Beaufschlagung von Produkten mit hochfrequenter Strahlung, insbesondere Mikrowellen.
II. Technischer Hintergrund
Der Einsatz von hochfrequenter Strahlung, insbesondere von Mikrowellen zum Erhitzen, zur Trocknung, zum Aushärten und/oder zur sonstigen Bearbeitung von verschiedensten Produkten ist heutzutage weit verbreitet. In der Lebensmittelin- dustrie werden unter Einsatz von hochfrequenter Strahlung beispielsweise auf schonende Weise Fruchtstückchen getrocknet und für eine weitere Verwendung aufbereitet. Auch in anderen Industriebereichen, in denen ein volumenbezogen gleichmäßiges Einbringen von Energie in Produkte erwünscht ist, hat sich die Behandlung mit hochfrequenter Strahlung als erfolgreich erwiesen. Als Beispiel kann hier die Härtung von Faserstoffen, z.B. Mineralwolle, genannt werden, bei der ein in das Mineralwollfasermaterial eingebrachtes, flüssiges Bindmittel durch die mittels Mikrowellen bewirkte Erhitzung durch Polymerisation ausgehärtet wird.
Üblicherweise werden die zu behandelnden Produkte hierbei kontinuierlich oder in diskreten Portionen in einen Applikator eingebracht, in dem die Beaufschlagung mit hochfrequenter Strahlung erfolgt. Diese Applikatoren müssen insbesondere bei einem kontinuierlichen Produkteintrag über beispielsweise Förderbänder o. ä. entsprechende Produkt- Durchtrittöffnungen aufweisen. Sowohl aus Gründen der Betriebssicherheit, als auch im Sinne einer möglichst effektiven Nutzung der in den Applikator einge- brachten Strahlungsleistung ist eine Abstrahlung der eingebrachten hochfrequenten Strahlung durch diese Öffnungen unerwünscht, so dass eine elektromagnetische Abschirmung dieser Öffnungen erforderlich ist.
Zur Vermeidung einer Abstrahlung hochfrequenter Strahlung aus entsprechenden Öffnungen von Applikatoren werden üblicherweise zwei Verfahren angewendet.
Zum einen können die Öffnungen als gerade oder mäanderförmige Schächte oder Rohre ausgestaltet sein, wobei die Wände derart beschaffen sind, dass sie die hochfrequente Strahlung absorbieren (Absorber-Choke). Ein Beispiel einer derar- tigen Lösung einer elektromagnetischen Abschirmung wird in der EP 0299365 A1 dargestellt. Da derartige Absorber-Chokes mit der Strahlung auch die entsprechende Energie aufnehmen und sich dabei erhitzen, ist es notwendig, diese E- nergie abzuführen, was üblicherweise mittels einer Wasserkühlung erfolgt.
Zum anderen können die metallischen Schachtwände der Öffnungen geometrisch so gestaltet werden, dass sie innerhalb des Betriebsfrequenzbereichs der hochfrequenten Strahlung als Sperrfilter wirken (verlustfreies Reaktanzfilter).
Ein derartiges Sperrfilter wird z.B. in dem Artikel „Doubly Corrugated Chokes for Microwave Heating Systems" von A. L. Van Koughnett und J. G. Dünn in „Journal of Microwave Power", 8(1 ), 1973, beschrieben.
Dieses auf der Geometrie einer zweidimensional periodischen Struktur aufbauende Filter ist gut geeignet, die Abstrahlung von hochfrequenter Strahlung aus ei- nem schachtförmigen Applikator zu verhindern, sofern dessen Aperturweite in mindestens einer der beiden Ausdehnungsrichtungen (z. B. Höhe) kleiner ist als die halbe Wellenlänge einer ebenen Welle bei der höchsten Betriebsfrequenz. Bei der Bestimmung der Wellenlänge müssen hierbei die Eigenschaften des den Filterschacht ausfüllenden Dielektrikums berücksichtigt werden.
Der oben zitierte Artikel von A. L. Van Koughnett und J. G. Dünn, insbesondere die darin enthaltenen Skizzen, suggerieren, dass ein derartiges Filter auch zur elektromagnetischen Abschirmung gegenüber einem Austreten hochfrequenter Strahlung aus Applikatoren beliebiger Geometrie geeignet ist, sofern nur die lichte Aperturgröße des Filters selbst die vorgenannte Bedingung erfüllt.
Der Anmelder hat hingegen festgestellt, dass ein derartiges Filter nur den Austritt von Wellen in den Moden TEm0 (m>0) verhindern kann. Andere in einem Applikator beliebiger Abmessungen ausbreitungsfähige Moden der hochfrequenten Strahlung können hingegen das entsprechende Sperrfilter unter Umständen ungedämpft passieren.
Selbst wenn ein derartiges Sperrfilter eine lichte Weite von z. B. 0,4 Wellenlängen bei der höchsten Betriebsfrequenz aufweist, d. h. die oben dargestellte Bedingung erfüllt, können sich in diesem Sperrfilter Moden TEm1 (m>0) ungedämpft ausbreiten und durch die Öffnung des Applikators nach außen austreten.
IM. Darstellung der Erfindung
a) Technische Aufgabe
Es ist daher die Aufgabe gemäß der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, bei der ein unerwünschtes Austreten hochfrequenter Strahlung durch die Öffnungen eines Applikators unabhängig von der geometrischen Form des Applikators unterbunden wird. b) Lösung der Aufgabe
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur elektromagnetischen Abschirmung einer Öffnung eines mit hochfrequenter Strahlung beaufschlagten Applikators vorgeschlagen, die ein im Betriebsfrequenzbereichs der hochfrequenten Strahlung wirkendes Sperrfilter verwendet, wobei die Vorrichtung weiterhin ein Modenfilter aufweist, das die von dem Sperrfilter nicht gedämpften Moden blockiert.
Auf diese Weise kann erreicht werden, dass nicht nur die von dem Sperrfilter gedämpften Moden der hochfrequenten Strahlung an einem Austreten aus dem Applikator gehindert werden, sondern dass zusätzlich auch eine Abstrahlung in den sonstigen in dem Applikator gegebenenfalls ausbreitungsfähigen Moden effektiv verhindert wird.
Vorzugsweise blockiert das erfindungsgemäß zusätzlich verwendete Modenfilter die Moden TEmn (m>0, n>0) und TMmn (m>0, n>0), während das Sperrfilter ent- sprechend seiner gängigsten Anwendung die Moden TEm0 (m>0) blockiert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Modenfilter hierzu als Schacht vorbestimmter Länge mit metallisch leitenden Wänden ausgeführt. Dieser Schacht weist vorzugsweise einen rechteckigen Querschnitt auf, wobei wenigstens die schmale Seite der rechteckigen Apertur des Modenfilters kürzer ist als die Hälfte der der maximalen Betriebsfrequenz entsprechenden Wellenlänge. Bei der Bestimmung dieser Wellenlänge einer ebenen Welle sind die dielektrischen Eigenschaften des im Betrieb den Applikator durchlaufenden und somit im Modenfilter befindlichen Materials entsprechend zu berücksichtigen. Folglich kann sich die diesbezügliche Abstimmung des Filters je nach dem in dem Applikator zu behandelnden Material ändern. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Wände des das Modenfilter bildenden Schachts glatt. Jedoch können die Wände auch eine bestimmte Oberflächenstruktur aufweisen, falls dies zum Erreichen der gewünschten Blockierung und/oder Dämpfung von Moden notwendig sein sollte.
Vorzugsweise ist das Modenfilter zwischen dem Applikator und dem Sperrfilter angeordnet. Folglich liegen am Eintritt in das Sperrfilter nur noch die von diesem zu dämpfenden Moden vor, wobei diese Dämpfung auf die aus dem Stand der Technik und der entsprechenden Fachliteratur bekannte Weise erfolgt.
Das Sperrfilter kann hierbei als Schacht vorbestimmter Länge ausgeführt sein, dessen metallisch leitende Wände vorzugsweise zumindest teilweise eine zweidimensional periodische Struktur aufweisen, um die erwünschte Dämpfung zu erreichen.
Besonders bevorzugt hat das Sperrfilter in diesem Fall einen rechteckigen Querschnitt, wobei wenigstens eine der breiten Seitenwände des Sperrfilters, d.h. beispielsweise die Deckenfläche und/oder die Bodenfläche des Schachts, auf ihrer Innenseite zumindest teilweise eine zweidimensional periodische Struktur auf- weist.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist hierbei die schmale Seite der rechteckigen Apertur des Sperrfilters kürzer als ein Viertel der der maximalen Betriebsfrequenz entsprechenden Wellenlänge. Auch hier sind bei der Bestim- mung dieser Wellenlänge einer ebenen Welle die dielektrischen Eigenschaften des im Betrieb den Applikator durchlaufenden und somit im Sperrfilter befindlichen Materials zu berücksichtigen.
In einer weiteren Ausführungsform weist das Sperrfilter ebenfalls einen rechtecki- gen Querschnitt auf, wobei jedoch wenigstens die beiden sich gegenüber liegenden breiten Seitenwände des Sperrfilters, d.h. beispielsweise die Deckenfläche und die Bodenfläche des Schachts, auf ihrer Innenseite zumindest teilweise eine zweidimensional periodische Struktur aufweisen.
In diesem Fall ist dann vorzugsweise die schmale Seite der rechteckigen Apertur des Sperrfilters kürzer als die Hälfte der der maximalen Betriebsfrequenz entsprechenden Wellenlänge einer ebenen Welle, wobei diese erneut unter Berücksichtigung der dielektrischen Eigenschaften des beim Betrieb den Applikator durchlaufenden Materials bestimmt wird.
In beiden vorstehend genannten Alternativen erstreckt sich die zweidimensionale periodische Struktur vorzugsweise über die gesamte Innenseite der Decken- und/oder Bodenfläche des das Sperrfilter bildenden Schachts.
Die zweidimensionale Struktur kann hierbei z.B. aus metallisch leitenden Stiften bestehen, die leitend mit der Innenseite verbunden sind und ein regelmäßiges Raster bilden. Auch wäre eine integral bei der Herstellung in die jeweiligen Seitenwände eingebrachte periodische Struktur denkbar.
Weiterhin werden bei einer Verwendung von metallisch leitenden Stiften in einer bevorzugten Ausführungsform zylindrische Stifte verwendet, die in vertikaler Ausrichtung an der jeweiligen Innenseite leitend befestigt, z.B. aufgeschraubt werden.
Vorzugsweise ist die Dämpfung as des Modenfilters derart angepasst, dass sie für den niedrigsten zu blockierenden Mode mit der Dämpfung des Sperrfilters im We- sentlichen übereinstimmt. Insbesondere wird die Dämpfung des Modenfilters as in diesem Fall derart angepasst, dass die Dämpfung des Modenfilters für den Mode TE01 mit der Dämpfung des Sperrfilters für die Moden TEm0 (m>0) im Wesentlichen übereinstimmt.
Die Dämpfung as der im Modenfilter der Länge λ gedämpften Moden TEmn (m>0, n>0) und TMmn (m>0, n>0) kann in diesem Zusammenhang unter Zugrundelegung der Dämpfung des Modes TE0-I, der von allen im Modenfilter zu dämpfenden Moden die niedrigste Grenzfrequenz besitzt, mit Hilfe folgender Gleichung abgeschätzt werden:
Figure imgf000009_0001
In dieser Gleichung steht α, für die Dämpfungskonstante des Modenfilters, und λε für die der Betriebsfrequenz entsprechende Wellenlänge einer ebenen Welle unter Berücksichtigung der dielektrischen Eigenschaften des im Sperrfilter befindli- chen Materials.
λ£/h bezeichnet das Verhältnis dieser Wellenlänge λε zur schmalen Seite h der Apertur des Querschnitts des Modenfilters im Fall eines rechteckigen Schachtquerschnitts.
Die Länge des Modenfilters wird dabei gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung derart dimensioniert, dass die nach der vorgenannten Gleichung bestimmte Dämpfung as ungefähr gleich der Dämpfung af des Sperrfilters für die Moden TEm0 (m>0) ist.
Stellt man die vorstehend genannte Gleichung entsprechend um, so bedeutet dies, dass die Länge / des Modenfilters in Abhängigkeit der erwünschten Dämpfung as des Modenfilters, der schmalen Seite h der Apertur des Querschnitts des Modenfilters und der der Betriebsfrequenz entsprechenden Wellenlänge λε derart gewählt wird, dass die Beziehung
Figure imgf000010_0001
im Wesentlichen erfüllt ist.
Hierdurch wird erreicht, dass sämtliche im Applikator ausbreitungsfähige Moden mindestens um Min(as, af) gedämpft werden.
Die vom Sperrfilter nicht gedämpften und folglich erfindungsgemäß vom Modenfilter blockierten Moden tragen üblicherweise nur einen Bruchteil der in den Appli- kator eingebrachten Leistung. Somit liegt innerhalb des Modenfilters trotz der Blockierung der jeweiligen Moden ein relativ hohes Leistungsniveau an hochfrequenter Strahlung vor, da sich beispielsweise mindestens einer der Moden TEm0 (m>0) in dem Modenfilter unbeeinträchtigt ausbreiten können.
Somit ist es erfindungsgemäß möglich, dass das Modenfilter bei einer Verwendung des Applikators mit kontinuierlich eingebrachten Produkten einen Teil des zur Beaufschlagung der Produkte mit hochfrequenter Strahlung genutzten Wirkbereichs des Applikators bildet. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass bei einer erfindungsgemäßen Verwendung eines Modenfilters zur effektiven Ab- schirmung elektromagnetischer Strahlung die gesamte Baulänge des Applikators nur unerheblich länger wird.
Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur elektromagnetischen Abschirmung einer Öffnung eines mit hochfrequenter Strahlung beaufschlagten Ap- plikators bezüglich ihrer von der Betriebswellenlänge unter Berücksichtigung der dielektrischen Eigenschaften des im Betrieb in der Vorrichtung angeordneten Materials abhängigen geometrischen Abmessungen derart angepasst, dass eine erfindungsgemäße Abschirmung bei einem Betrieb des Applikators mit einer hochfrequenten Strahlung in einem der Bereiche 2400 - 2500 MHz, 433,05 - 434,79 MHz, 890-906 MHz, 902 - 928 MHz oder 5725 - 5875 MHz gewährleistet ist.
c) Ausführungsbeispiele
Eine Ausführungsform gemäß der Erfindung ist im Folgenden anhand der Figuren beispielhaft näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 : einen vertikalen Schnitt einer Ausführungsform der erfindungsge- mäßen Vorrichtung und
Fig. 2: eine teilweise weggebrochene horizontale Aufsicht auf die Ausführungsform gemäß Fig. 1 ,.
Die Figuren 1 und 2 zeigen die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur elektromagnetischen Abschirmung in Verbindung mit einem Applikator 10.
Der Applikator 10 weist zur Aufnahme des in seinem Inneren mit hochfrequenter Strahlung zu beaufschlagenden Produkts 4 eine Eintrittsöffnung 11 auf.
Bei dem in dem Applikator 10 zu behandelnden Produkt 4 handelt es sich in der dargestellten Ausführungsform um eine Lage aus einem leichten, verlustbehafteten Dielektrikum (z.B. Mineralwolle). Dieses Produkt 4 soll durch die mittels hochfrequenter Strahlung volumenmäßig eingebrachte Leistung erwärmt werden.
Das Produkt 4 wird hierbei mittels einer nicht dargestellten Transporteinrichtung in der mit dem Pfeil T bezeichneten Richtung in den Applikator 10 eingebracht, durch diesen entlang einer Transportstrecke transportiert und schließlich am an- deren Ende des Applikators 10 über eine entsprechende Austrittsöffnung ausgetragen. Diese Austrittsöffnung ist vorliegend ebenfalls mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung versehen. Der Applikator 10 kann hierbei beliebige Abmessungen haben und wird durch eine metallisch leitende Hülle begrenzt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 setzt sich in der dargestellten Ausführungsform aus dem direkt an die Eintrittsöffnung 11 des Applikators 10 anschließenden Modenfilter 2 und dem Sperrfilter 3, das sich direkt an das Modenfilter 2 anschließt, zusammen, d.h. das Modenfilter 2 ist zwischen dem Applikator 10 und dem Sperrfilter 3 angeordnet.
Die Eintrittsöffnung 11 weist in dem dargestellten Beispiel eine rechteckige Querschnittsfläche mit einer Höhe H1 von ca. 55 mm und einer Breite B1 von ca. 550 mm auf.
Das Modenfilter 2 besteht vorliegend aus einem Schacht aus metallisch leitenden Material, dessen Querschnittsfläche im wesentlichen mit der der Eintrittsöffnung 11 übereinstimmt, also ebenfalls eine Rechteckform mit der Breite B2 und der Höhe H2 aufweist, wobei B2 « B1 und H2 « H1 sind. Die Länge L2 des Modenfilters 2 beträgt in der dargestellten Ausführungsform ca. 660 mm.
Das Sperrfilter 3 besteht ebenfalls aus einem metallisch leitenden Material und weist auch einen rechteckigen Querschnitt auf. Während die Breite B3 des Sperrfilters 3 im Wesentlichen mit der Breite B1 der Eintrittsöffnung 11 und somit der Breite B2 des Modenfilters 2 übereinstimmt, weist das Sperrfilter 3 eine Höhe H3 von ungefähr 106 mm auf. Die Länge L3 des Sperrfilters 3 beträgt in dem dargestellten Beispiel ca. 460 mm.
An seinen Enden in Längsrichtung besitzt das Sperrfilter 3 zum Durchtritt des Materials 4 jeweils eine Öffnung 30, deren Abmessung im Wesentlichen der Breite B1 und der Höhe H1 der Eintrittsöffnung 11 des Applikators 10 bzw. der Breite B2 und der Höhe H2 des Modenfilters 2 entspricht. Auf den Innenseiten der jeweils metallisch leitenden Deckenfläche 3a und Bodenfläche 3b des Sperrfilters 3 sind jeweils metallisch leitende Stifte 5 aufgeschraubt. In der horizontalen Ebene bilden die Stifte 5 vorliegend jeweils eine sich über die gesamte Fläche der Deckenfläche 3a bzw. der Bodenfläche 3b erstreckende zweidimensionale periodische Struktur 6 in Form eines quadratischen Rasters mit einer Maschenweite M von 25,5 mm.
In dem dargestellten Beispiel weisen die Stifte 5 eine zylindrische Form mit einem Durchmesser von ca. 15 mm sowie einer Länge von ca. 25,5 mm auf und sind in vertikaler Ausrichtung an den jeweiligen Innenseiten der Deckenfläche 3a bzw. der Bodenfläche 3b angeschraubt, d.h. sie liegen mit ihrer kreisförmigen Grundfläche an den Innenflächen an.
Zwischen den beiden aus den Zylinderstiften 5 gebildeten periodischen Struktu- ren 6 verbleibt somit ein lichter Abstand von ca. 55 mm entsprechend der Höhe H31 der Öffnung 30 des Sperrfilters 3, so dass das Produkt 4 zwischen den Zylinderstiften 5 geführt werden kann.
Bei einer relativen Permittivität der sich vom Applikator 10 durch das Modenfilter 2 und das Sperrfilter 3 bis in die Umgebung erstreckenden Produktschicht 4 von ε r - 1 ,1 und einer Betriebsfrequenz der benutzten hochfrequenten Strahlung von 2450 MHz, entsprechend einer Freiraumwellenlänge von ca. 122 mm, ist das Sperrfilter 3 aufgrund seiner zweidimensionalen periodischen Struktur dazu geeignet, die Wellenmoden TEm0 in der Umgebung der Betriebsfrequenz 2450 MHz zu blockieren.
Das Modenfilter 2 blockiert hierbei den Austritt jener im Applikator 10 ggf. ausbreitungsfähigen Wellenmoden TEmn (n>0) und TMmn aus dem Applikator 10, die vom Sperrfilter 3 nicht blockiert werden können.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 lässt sich mit entsprechend angepasster Geometrie selbstverständlich auch bei anderen Frequenzen betreiben, z.B. in einem der ISM-Bänder bei 434 MHz, 896 bzw. 915 MHz oder 5800 MHz. Maßgeblich für die Skalierung der Abmessungen ist das Verhältnis der den Frequenzen entsprechenden Wellenlängen zueinander.
Im vorliegenden Beispiel kann durch die erfindungsgemäße Kombination des Sperrfilters 3 mit dem Modenfilter 2 eine Dämpfung der aus dem Applikator 10 austretenden Leckstrahlung um mehr als 100 dB erreicht werden.
Die im Sperrfilter 3 blockierten Wellenmoden TEm0 werden in der vorliegenden Ausführungsform in dem dem Sperrfilter 3 vorgeschalteten Modenfilter 2 im Wesentlichen nicht gedämpft. Folglich kann die Länge L3 des Modenfilters 3 bei einer Bestimmung der Auslegung der gesamten wirksamen Länge des Applikators 10 im Hinblick auf die erwünschte Leistungseinbringung in das Produkt 4 nahezu vollständig miteinbezogen werden, d.h. die in diesem Sinne benötigte Baulänge des Applikators 10 kann um die Länge L3 des Modenfilters 3 verringert werden.
BEZUGSZEICHENLISTE
1 Vorrichtung B1 Breite von 11
2 Modenfilter H1 Höhe von 11
3 Sperrfilter B2 Breite von 2
3a Deckenfläche von 3 H2 Höhe von 2
3b Bodenfläche von 3 L2 Länge von 2
30 Öffnungen in 3 B3 Breite von 3
4 Produkt H3 Gesamthöhe von 3
5 Stifte H31 Lichte Höhe von 3
6 Periodische Struktur L3 Länge von 3
10 Applikator M Maschenweite Raster
11 Eintrittsöffnung T Transportrichtung

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Vorrichtung (1) zur elektromagnetischen Abschirmung einer Öffnung (11) eines mit hochfrequenter Strahlung beaufschlagten Applikators (10) unter Verwendung eines im Betriebsfrequenzbereichs der hochfrequenten Strahlung wirkenden Sperrfilters (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) weiterhin ein Modenfilter (2) aufweist, das die von dem Sperrfilter (3) nicht gedämpften Moden blockiert.
2. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Modenfilter (2) als Schacht vorbestimmter Länge (L2) mit metallisch leitenden Wänden ausgeführt ist.
3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Modenfilter (2) rechteckigen Querschnitt besitzt.
4. Vorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Modenfilter (2) die Moden TEmn (m>0, n>0) und TMmn (m>0, n>0) blockiert, während das Sperrfilter (3) die Moden TEm0 (m>0) blockiert.
5. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens die schmale Seite (H2) der rechteckigen Apertur des Modenfilters (2) kürzer ist als die Hälfte der der maximalen Betriebsfrequenz entsprechenden Wellenlänge einer ebenen Welle unter Berücksichtigung der dielektrischen Eigenschaften des im Modenfilter (2) befindlichen Materials (4).
6. Vorrichtung (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sperrfilter (3) als Schacht vorbestimmter Länge (L3) ausgeführt ist, dessen metallisch leitende Wände zumindest teilweise eine zweidimensional periodische Struktur (6) aufweisen.
7. Vorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Sperrfilter (3) rechteckigen Querschnitt hat, wobei wenigstens eine der breiten Seitenwände des Sperrfilters (3) zumindest teilweise eine zweidimensional periodische Struktur (6) aufweist.
8. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die schmale Seite (H3) der rechteckigen Apertur des Sperrfilters (3) kürzer ist als ein Viertel der der maximalen Betriebsfrequenz entsprechenden Wellenlänge einer ebenen Welle unter Berücksichtigung der dielektrischen Eigenschaften des im Sperrfilter (3) befindlichen Materials (4).
9. Vorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Sperrfilter (3) rechteckigen Querschnitt hat, wobei wenigstens die sich gegenüber liegenden breiten Seitenwände des Sperrfilters (3) zumindest teilweise eine zweidimensional periodische Struktur (6) aufweisen.
10. Vorrichtung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die schmale Seite (H3) der rechteckigen Apertur des Sperrfilters (3) kürzer ist als die Hälfte der der maximalen Betriebsfrequenz entsprechenden Wellenlänge einer ebenen Welle unter Berücksichtigung der dielektrischen Eigenschaften des im Sperrfilter (3) befindlichen Materials (4).
11. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die periodische Struktur (6) durch in einem regelmäßigen Raster angeordnete metallisch leitende Stifte (5) gebildet wird.
12. Vorrichtung (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Modenfilter (2) zwischen dem Applikator (10) und dem Sperrfilter (3) angeordnet ist.
13. Vorrichtung (1 ) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfung des Modenfilters (2) derart angepasst ist, dass sie für den niedrigsten zu blockierenden Mode mit der Dämpfung des Sperrfilters (3) im Wesentlichen übereinstimmt.
14. Vorrichtung (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass
Modenfilter (2) und Sperrfilter (3) rechteckigen Querschnitt besitzen und die Dämpfung des Modenfilters (2) derart angepasst ist, dass die Dämpfung des Modenfilters (2) für den Mode TEOi mit der Dämpfung des Sperrfilters (3) für die Moden TEm0 (m>0) im Wesentlichen übereinstimmt.
15. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (L2) des Modenfilters (2) in Abhängigkeit der erwünschten Dämpfung a des Modenfilters (2), der schmalen Seite (H2) der Apertur des Querschnitts des Modenfilters (2) und der der Betriebsfrequenz entsprechenden Wellenlänge λε derart gewählt ist, dass die Beziehung
Figure imgf000019_0001
im Wesentlichen erfüllt ist.
16. Vorrichtung (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Verwendung des Applikators (10) mit kontinuierlich eingebrachten Materialien (4) das Modenfilter (2) einen Teil des zur Beaufschlagung der Materialien (4) mit hochfrequenter Strahlung genutzten Wirkbereichs des Applikators (10) bildet.
17. Vorrichtung (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie bezüglich ihrer von der Betriebswellenlänge unter Berücksichtigung der dielektrischen Eigenschaften des in der Vorrichtung angeordneten Materials (4) abhängigen geometrischen Abmessungen (Η2, B2, L2, H3, B3, L3) auf eine hochfrequente Strahlung in einem der Bereiche 2400 - 2500 MHz, 433,05 - 434,79 MHz, 890-906 MHz, 902 - 928 MHz oder 5725 - 5875 MHz angepasst ist.
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