DE19528343A1 - Appliance for low reflexion absorption of microwaves - consists of cylindrical shell resonator with supply wave guide or quasi-optical transmission path arranged in specific position relative to optical beams or resonator modes - Google Patents
Appliance for low reflexion absorption of microwaves - consists of cylindrical shell resonator with supply wave guide or quasi-optical transmission path arranged in specific position relative to optical beams or resonator modesInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung von Mikrowellen- in Wärmeenergie.The invention relates to a device for converting microwave energy into thermal energy.
Die definierte Umwandlung von Mikrowellenenergie in Wärmeenergie wird zu drei Zwecken angewendet:The defined conversion of microwave energy into thermal energy is used for three purposes applied:
- - der definierten Erhitzung eines Guts (Prozeßanlage- the defined heating of a good (process plant
- - der Messung der Mikrowellenleistung (Kalorimeter- the measurement of the microwave power (calorimeter
- - der Absorption nicht benötigter Leistung (Last)- the absorption of unnecessary power (load)
Die Auslegung solcher Vorrichtungen erfolgt nach folgenden Kriterien:Such devices are designed according to the following criteria:
- - Geringe mechanische Abmessungen- Small mechanical dimensions
- - Vermeidung gefährlicher oder brennbarer Materialien- Avoidance of dangerous or flammable materials
- - Möglichst geringe Reflexion der Mikrowellenleistung zur Quelle- The smallest possible reflection of the microwave power to the source
- - Möglichst örtlich gleichmäßige Absorption in der Last oder im Gut- Wherever possible, uniform absorption in the load or in the goods
Während eine Vielzahl möglicher Lasten und Kalorimeter zur Absorption von Mikrowellen der Frequenz von 2.45 GHz und darunter bereits existieren, sind bei höheren Frequenzen und hohen Leistungen nur wenige Lasten bekannt.While a variety of possible loads and calorimeters for microwave absorption Frequency of 2.45 GHz and below already exist are at higher frequencies and high ones Services known only a few loads.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu finden mit deren Hilfe insbesondere Mikrowellen höherer Frequenz bis etwa 500 GHz absorbiert werden, die den obigen Ansprüchen gerecht wird. Im folgenden soll die Erfindung näher erläutert werden. Dazu werden in der Zeichnung drei Figuren aufgenommen.The invention has for its object to find a device with its help in particular Higher frequency microwaves are absorbed up to about 500 GHz which meet the above claims justice. The invention will be explained in more detail below. For this, in the Drawing three figures added.
Fig. 1 zeigt die Draufsicht (x-y Ebene) durch die Vorrichtung Fig. 1 shows the top view (xy plane) through the device
Fig. 2 zeigt eine isometrische Darstellung der Vorrichtung mit stark überdimensioniertem Speisewellenleiter Fig. 2 shows an isometric view of the apparatus with greatly oversized feed waveguides
Fig. 3 zeigt eine Vorderansicht der Vorrichtung mit einem nahe der Grenzfrequenz betriebenen Speisewellenleiter. Fig. 3 shows a front view of the apparatus with a driven near the cutoff frequency feed waveguide.
Zum Verständnis des Prinzips der Vorrichtung werden die Gleichungen von helixförmig propagierenden TE Moden (helixförmig propagierende TM lassen sich nach gleichem Prinzip anschreiben) im kreiszylindrischen Wellenleiter. Radius R. angeschrieben:To understand the principle of the device, the equations become helical propagating TE modes (helically propagating TM can be based on the same principle write) in the circular cylindrical waveguide. Radius R. inscribed:
wobeiin which
ist: Moden mit hohem azimuthalen Index m und niedrigem radialen Index n (Whispering Gallery Moden, WGM) zeichnen sich durch hohe Dämpfung in einem kreiszylindrischen Wellenleiter aus. Diese helixförmig propagierenden Moden lassen sich in ebene Wellen zerlegen, die unter dem Brillouin Winkel β zur Wellenleiterachse propagieren.is: modes with high azimuthal index m and low radial index n (Whispering Gallery Moden, WGM) are characterized by high attenuation in a circular cylindrical waveguide. These modes, which propagate helically, can be broken down into plane waves, which under the Propagate Brillouin angle β to the waveguide axis.
sin β=Xmn/(kR)sin β = Xmn / (kR)
Im Grenzfall der geometrischen Optik kann die Phasenfront jeder dieser ebenen Wellen durch einen geometrisch optischen (g.o.) Strahl repräsentiert werden, dessen transversale Lage dadurch festge legt wird, daß an der Wellenleiterberandung die Richtung des Strahls mit der des Realteils des kom plexen Poyntingvektors der Mode übereinstimmt. In guter Näherung ergibt das Strahlen, die beim RadiusIn the borderline case of geometric optics, the phase front of each of these plane waves can be represented by one geometrically optical (g.o.) ray are represented, the transverse position of which is thereby fixed is that the direction of the beam with that of the real part of the com plexing poynting vector of fashion matches. In a good approximation, the radiation results in the radius
Rc=R*m/XmnRc = R * m / Xmn
eine Kaustik (Position 4) bilden, siehe Fig. 1. In transversaler Richtung wird das Winkelsegmentform a caustic (position 4 ), see Fig. 1. In the transverse direction, the angular segment
2Φ=2 arc cos(m/Xmn)2Φ = 2 arc cos (m / Xmn)
genau einmal von allen Strahlen getroffen. Die in G11 definierten Moden können somit durch geometrisch optische Strahlen repräsentiert werden, die eine polygonale Helix bilden. Ist in azimuthaler Richtung längs dieser Strahlen die Strecke 2 π zurückgelegt, so ist in axialer Richtung die Streckehit by all rays exactly once. The modes defined in G11 can thus by geometrically optical rays are represented that form a polygonal helix. Is in azimuthal direction along these beams the distance 2 π, so is in the axial direction the distance
zurückgelegt. Die Richtung des geometrisch optischen Strahls läßt sich anschreiben als:traveled. The direction of the geometric optical beam can be written as:
= - sin β cos(Φ+2sΦ) + sin β sin(Φ+2sΦ) + cos β= - sin β cos (Φ + 2sΦ) + sin β sin (Φ + 2sΦ) + cos β
s hat einen ganzzahligen Wert.s has an integer value.
Aus diesen Grund kann ein Wellenleiter als eine quasioptische Übertragungsleitung zusammenhängender Spiegel, (im folgenden Segmente genannt) der Form eines Parallelogramms (Länge: L, Breite: R * 2 * Φ), betrachtet werden (siehe auch Denisov, G. G., et al., Int J. Electronics, 1992, 72, 1079-1091). Da diese Segmente von der gesamten Leistung genau einmal getroffen werden, läßt sich durch Errechnung der Verlustleistung auf diesen Segmenten die Absorption des Wellenleiters ermitteln (siehe hierzu Balanis, C. A., Advanced Engineering Electromagnetics, New York, John Wiley & Sons 1989, 213 und Möbius et al. 1994, IRMM Digest, Sendai, JSAP Catolog Number: AP 941228, Seite 339). For this reason, a waveguide can be viewed as a quasi-optical transmission line of contiguous mirrors (hereinafter referred to as segments) in the form of a parallelogram (length: L, width: R * 2 * Φ) (see also Denisov, GG, et al., Int J. Electronics, 1992, 72, 1079-1091). Since these segments are hit by the total power exactly once, the absorption of the waveguide can be determined by calculating the power loss on these segments (see Balanis, CA, Advanced Engineering Electromagnetics, New York, John Wiley & Sons 1989, 213 and Möbius et al. 1994, IRMM Digest, Sendai, JSAP Catolog Number: AP 941228, page 339).
Die vom Generator oder von einem Mikrowellenhohlleiternetzwerk kommende Leistung propagiert bei den für eine Anwendung üblichen Fällen in Form von Wellenleitermoden in einem Speisewellen leiter (SWL) (Position 1) oder in Form von Freiraummoden einer quasioptischen Übertragungsstrecke (q.o.Ü.) in die Vorrichtung. Die Auslegungskriterien der Vorrichtung sind in beiden Fällen gleich, wenn die Achse des SWL mit der optischen Achse der q.o.Ü. gleichgesetzt wird. Die Moden des SWL lassen sich ebenfalls in ebene Wellen zerlegen, die unter dem Brillouinwinkel zur Achse propagieren. Ist der SWL stark überdimensioniert (bei der q.o.Ü. entspricht das einer Strahltaillie groß gegenüber der Wellenlänge) so ist der Brillouinwinkel im SWL klein (die Divergenz des Strahls der q.o.Ü. gering).The power coming from the generator or from a microwave waveguide network propagates into the device in the cases customary for an application in the form of waveguide modes in a feed waveguide (SWL) (position 1 ) or in the form of free space modes of a quasi-optical transmission path (qoÜ.). The design criteria of the device are the same in both cases if the axis of the SWL coincides with the optical axis of the qoÜ. is equated. The modes of the SWL can also be broken down into plane waves that propagate under the Brillouin angle to the axis. If the SWL is very oversized (for the qoÜ. This corresponds to a beam waist large compared to the wavelength), the Brillouin angle in the SWL is small (the divergence of the beam of the qoÜ. Low).
Erfindungsgemäß wird nun der überdimensionierte SWL (bzw die q.o.Ü.) so am kreiszylindrischen Resonator (Position 2) angebracht, daß seine Achse (Position 5) mit der Richtung des geometrisch optischen Strahles (Position 3) übereinstimmt (siehe Fig. 1 und Fig. 2). Diese Figur zeigt den Fall eines rechteckigen SWL, die Anwendung ist jedoch nicht auf diese Geometrie beschränkt, beispiels weise ist auch ein kreiszylindrischer SWL denkbar. Die vom SWL kommende Mikrowellenleistung regt im kreiszylindrischen Wellenleiter den durch diesen g. o. Strahl repräsentierten helixförmig propagierenden Mode (bevorzugt WGM) an. Mit jeder Reflexion an der Wellenleiterberandung verringert sich die Mikrowellenleistung, und damit auch die in Wärme umgesetzte Leistung, falls das Kreiszylindermaterial konstant bleibt. Erfindungsgemäß wird dieses nun so variiert, daß giltThe oversized SWL According to the invention now (or the qoÜ.) Mounted on the circular-cylindrical resonator (position 2) so that its axis (position 5) coincides with the direction of the geometric optical beam (3 position) (see Fig. 1 and Fig. 2 ). This figure shows the case of a rectangular SWL, but the application is not restricted to this geometry, for example a circular cylindrical SWL is also conceivable. The microwave power coming from the SWL excites the helically propagating mode (preferably WGM) represented by this go beam in the circular cylindrical waveguide. With every reflection at the waveguide boundary, the microwave power and with it the power converted into heat is reduced if the circular cylinder material remains constant. According to the invention, this is now varied so that applies
wobei Pin die auf ein Segment auftreffende Leistung darstellt, die Leitfähigkeit des Materials bzw. einer Oberflächenbeschichtung ist. Ein Ausführungsbeispiel ist z. B. die Wahl von Kupfer, dann Messing, dann Edelstahl und schließlich absorbierende Keramik oder eine durch ein nichtleitendes Medium eingeschlossene Flüssigkeit. Wird der kreiszylindrische Wellenleiter mit absorbiereden Deckeln (Position 6) abgeschlossen ( aus Kostengründen werden an diesen Stellen die absorbierenden Keramiken bevorzugt angebracht), so wird nur noch ein geringer Teil der Millimeterwellenleistung in axialer Richtung reflektiert (Aus dem kreiszylindrischen Rohr wird ein kreiszylindrischer Resonator schlechter Güte). In transversaler Richtung behält der Mode jedoch seine Rotationsrichtung bei, so daß er in Richtungwhere pin represents the power hitting a segment, the conductivity of the material or a surface coating. An embodiment is e.g. B. the choice of copper, then brass, then stainless steel and finally absorbent ceramic or a liquid enclosed by a non-conductive medium. If the circular-cylindrical waveguide is closed with absorbing covers (position 6 ) (for reasons of cost, the absorbing ceramics are preferably attached at these points), only a small part of the millimeter-wave power is reflected in the axial direction (a circular-cylindrical resonator of poor quality becomes from the circular-cylindrical tube ). In the transverse direction, however, the mode maintains its direction of rotation, so that it is in the direction
= - sin β cos(Φ+2sΦ) + sin β sin(Φ+2sΦ) + cos β= - sin β cos (Φ + 2sΦ) + sin β sin (Φ + 2sΦ) + cos β
propagiert. Hat die durch den g.o. Strahl repräsentierte Leistung den Ort des SWL oder der q.o.Ü. erreicht, so stimmt dessen Richtung nicht mit deren Wellenleiterachse überein. Dies reduziert erfin dungsgemäß dramatisch die in das Netzwerk reflektierte Leistung.propagates. Did that by the g.o. Beam represented power the location of the SWL or the q.o.Ü. reached, its direction does not match their waveguide axis. This reduces inventions accordingly, the performance reflected in the network is dramatic.
Der Zylinder wird von außen mit einem Kühlmedium umströmt, bevorzugt wird Wasser gewählt. Werden die Eingangs- und Ausgangstemperatur des Kühlmediums gemessen, so kann die an den Wänden des zylindrischen Resonators absorbierte Mikrowellenleistung kalorimetrisch gemessen werden.A cooling medium flows around the cylinder from the outside; water is preferably selected. If the inlet and outlet temperatures of the cooling medium are measured, the Walls of the cylindrical resonator measured microwave power measured calorimetrically will.
Die Einkopplung des SWL oder der q.o.Ü. kann mit Hilfe der obigen Gleichungen auch so ausgelegt werden, daß eine rotierende TE11 Mode oder auch eine HE11 Mode angeregt wird (letzteres wird durch die Korrugationen des kreiszylindrischen Resonators erreicht). Diese Moden haben nur ein geringes Feld an der Wellenleiterberandung und dadurch eine relativ geringe Dämpfung, jedoch ein starkes relativ homogenes Feld im Bereich der Achse. Erfindungsgemäß kann nun in diesem Bereich ein absorbierendes Material eingebracht werden. Diese Auslegungsform ist eher als Prozeßanlage denn als Last oder als Kalorimeter zu verwenden. Das absorbierende Material dient als Gut. The coupling of the SWL or the q.o.Ü. can also be interpreted using the equations above that a rotating TE11 mode or also an HE11 mode is excited (the latter becomes achieved by the corrugations of the circular cylindrical resonator). These fashions have only one small field at the waveguide edge and therefore a relatively low attenuation, but a strong, relatively homogeneous field in the area of the axis. According to the invention can now in this area an absorbent material can be introduced. This design is more like a process plant because to use as a load or as a calorimeter. The absorbent material serves as a good.
Wird der SWL nahe der Grenzfrequenz betrieben oder hat die q.o.Ü. eine starke Divergenz so ist der kreiszylindrische Wellenleiter durch eine geeignete Wahl des Radius und des Modes mit Hilfe der obigen Gleichungen erfindungsgemäß so auszulegen, daß die durch den Brillouinwinkel des SWL bzw. den Spreizungswinkel der q.o.Ü. beschreibene Ausbreitungsrichtung ihrer propagierenden einzelnen ebenen Teilwellen gleich der Richtung der geometrisch optischen Strahlen des gewählten Modes im kreiszylindrischen Wellenleiter ist. Eine Seitenansicht ist in Fig. 3 zu sehen. Der SWL wird in der x-z Ebene bevorzugt senkrecht zum kreiszylindrischen Rohr angebracht in der x-y Ebene wird er wie im obigen Fall um Rc zur Achse versetzt angebracht. Die einzelnen g.o. Strahlen propagieren wie im in der Fig. 2 dargestellten Fall auf einer polygonalen Helix. Handelt es sich bei dem SWL um einen Rechteckhohlleiter, so wird der darin propagierende Mode durch nur zwei ebene Teilwellen dargestellt, falls einer seiner Indizes gleich null ist. Für diesen Fall ist das gezeigte Prinzip am besten anwendbar. In anderen Fällen müssen aus der Vielzahl möglicher Teilwellen zwei herausgegriffen werden, was die Effizienz der Einkopplung verschlechtert.If the SWL is operated close to the cutoff frequency or has the qoÜ. a strong divergence, the circular cylindrical waveguide is to be interpreted according to the invention by a suitable choice of the radius and the mode with the help of the above equations so that the through the Brillouin angle of the SWL or the spread angle of the qoÜ. Described direction of propagation of their propagating individual plane partial waves is equal to the direction of the geometrically optical rays of the selected mode in the circular cylindrical waveguide. A side view can be seen in FIG. 3. The SWL is preferably mounted perpendicular to the circular cylindrical tube in the xz plane. In the xy plane, as in the above case, it is offset by R c to the axis. As in the case shown in FIG. 2, the individual go rays propagate on a polygonal helix. If the SWL is a rectangular waveguide, the mode propagating in it is represented by only two flat partial waves if one of its indices is zero. In this case, the principle shown is best applicable. In other cases, two must be selected from the large number of possible partial waves, which worsens the efficiency of the coupling.
Um die für das Prinzip gefährlichen Reflexionen in einen gegensinnig rotierenden Mode stärker zu vermeiden, kann für den Fall von dem Betrieb mit WGM der kreiszylindrische Wellenleiter mit einem Innenleiter versehen werden, d. h. eine koaxiale Anordnung gewählt werden. Die Gleichung (1) ist dann so zu erweitern, daß sie für koaxiale Moden gilt. Dies ist für den Fachmann ohne weiteres durchführbar.To the reflections dangerous for the principle in a counter-rotating fashion more strongly can avoid the case of operation with WGM the circular cylindrical waveguide with a Inner conductors are provided, d. H. a coaxial arrangement can be selected. Equation (1) is then expand so that it applies to coaxial modes. This is straightforward for the skilled person feasible.
BezugszeichenlisteReference list
1 Speisewellenleiter (SWL)
2 kreiszylindrischer Resonator
3 geometrisch-optischer Strahl im kreiszylindrischen Resonator
4 Kaustik
5 Mittelachse des Speisewellenleiters (SWL)
6 Deckel des kreiszylindrischen Resonators 1 feed waveguide (SWL)
2 circular cylindrical resonator
3 geometric-optical beam in a circular cylindrical resonator
4 caustics
5 central axis of the feed waveguide (SWL)
6 Cover of the circular cylindrical resonator
Claims (6)
- - im Falle eines überdimensionierten SWL oder einer entsprechenden q.o.Ü. mit einem entsprechend schwachen Strahlspreizungswinkel , der SWL oder die q.o.Ü. bevorzugt so angebracht wird, daß seine Achse die Verlängerung des eine gewählte rotierende Mode des kreiszylindrischen Resonators repräsentierenden geometrisch optischen Strahls darstellt,
- - im Falle des nahe der Grenzfrequenz betrieben SWLs der Vorderansicht bevorzugt senkrecht zum kreiszylindrischen Resonator angebracht ist und in der x -y Ebene transversal so versetzt ist und der Durchmesser des kreiszylindrischen Resonators so gewählt wird, daß die ebenen Wellen des SWL die Verlängerung eines eine gewählte rotierende Mode des kreis zylindrischen Resonators repräsentierenden geometrisch optischen Strahlen darstellt,
- - in the case of an oversized SWL or a corresponding qoÜ. with a correspondingly weak beam spread angle, the SWL or the qoÜ. is preferably attached in such a way that its axis represents the extension of the geometrically optical beam representing a selected rotating mode of the circular cylindrical resonator,
- - In the case of the SWL operated near the cut-off frequency, the front view is preferably mounted perpendicular to the circular-cylindrical resonator and is transversely offset in the x -y plane and the diameter of the circular-cylindrical resonator is chosen such that the plane waves of the SWL are the extension of a selected one represents rotating mode of the circular cylindrical resonator representing geometrical optical beams,
- - im Zentrum des kreiszylindrischen Resonators ein absorbierendes Medium befindet und im kreiszylindrischen Resonator ein Mode mit einer hohen Feldstärke in der Resonatormitte bevorzugt TE11 oder HE11 angeregt wird.
- - An absorbing medium is located in the center of the circular cylindrical resonator and a mode with a high field strength in the center of the resonator, preferably TE11 or HE11, is excited in the circular cylindrical resonator.
- - das Material des Kreiszylinders bzw. die Oberflächenbeschichtung so variiert wird, daß das Verhältnis von lokal auftreffender Leistung zur Quadratwurzel der Leitfähigkeit konstant ist, so daß die absorbierte Leistung pro Fläche konstant bleibt.
- - The material of the circular cylinder or the surface coating is varied so that the ratio of locally incident power to the square root of the conductivity is constant, so that the absorbed power per area remains constant.
- - der kreiszylindrische Resonator von einem Kühlmedium umströmt wird, dessen Eingangs- und Ausgangstemperatur gemessen werden kann, so daß die Mikrowellenleistung gemessen werden kann.
- - The circular cylindrical resonator is surrounded by a cooling medium, the input and output temperature can be measured so that the microwave power can be measured.
- - durch Einbringen eines Innenleiters aus dem kreiszylindrischen Resonator eine koaxiale Anordnung wird.
- - By introducing an inner conductor from the circular cylindrical resonator, a coaxial arrangement.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| D2 | Grant after examination | ||
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |