DE4240104A1 - Vorrichtung zum Erwärmen/Trocknen mit Mikrowellen - Google Patents
Vorrichtung zum Erwärmen/Trocknen mit MikrowellenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erwärmen/
Trocknen mit Mikrowellen.
Neben den vielmodigen resonanten Kammern, wie z. B. dem
Mikrowellenofen, findet zur gezielten Erwärmung bzw. Trock
nung mit Strahlung im Mikrowellenbereich die Bestrahlung
mit geführten oder mittels einer Antenne abgestrahlten Wel
len Anwendung. Hierzu werden üblicherweise Hohlleiterein
kopplungen, Hornstrahler oder Schlitzstrahler wie Gruppen
strahler aus offenen Hohlleitern oder Hohlleiterschlitz
strahler eingesetzt. Derartige Vorrichtungen wurden seit
etwa dreißig Jahren für kommerzielle Anwendungen in großem
Umfang weiterentwickelt. Die Verwendung von Hohlleiterele
menten hat zwar den Vorteil, daß relativ hohe Leistungen
übertragen werden können, nachteilig wirken sich jedoch die
aufwendige Fertigung, das hohe Gewicht, die mechanischen
Abmessungen sowie die erforderliche Anpassung an verschie
dene Geometrien aus.
Daneben gibt es etwa seit den fünfziger Jahren kompakte
Mikrowellenantennen mit bis zu einigen Watt Strahlungslei
stung in der Nachrichtentechnik. In der seither vergangenen
Zeitspanne wurden ein Vielzahl von verschiedenen Konfigura
tionen in gedruckter Schaltungstechnologie realisiert, wie
z. B. die Microstrip-Patchantenne, der Microstrip-Schlitz
strahler, der Microstrip-Dipol, die Triplate-Schlitzantenne
oder auch Kombinationen aus diesen Einzelelementen. Diese
Antennen haben den Vorteil, daß sie kostengünstig und sehr
reproduzierbar durch Ätzverfahren oder selektive Beschich
tungsverfahren zusammen mit dem zugehörigen Speisenetzwerk
hergestellt werden können. Weiterhin haben diese Strukturen
i. A. ein niedriges Profil, sind leicht und können durch
Verwendung flexibler Substratmaterialien auch an gekrümmte
Oberflächen angepaßt werden. Streifenleitungsantennen fin
den bisher praktische Anwendung in der Telemetrie, der
Satelliten-Kommunikationstechnik, in militärischen Radarsy
stemen und verstärkt immer mehr in der Sensorik. Sie werden
im Frequenzbereich von wenigen 100 MHz bis über 100 GHz
eingesetzt. Eines der gebräuchlichsten Elemente ist die
sogenannte Mikrostreifen-Patchantenne (z. B. K. Karver, J.W.
Mink "Microstrip Antenna Technology", IEEE Transactions on
Antennas and Propagation, Vol. AP-29, Nr. 1, Seiten 2-24,
Jan. 1981). Diese auch als Microstrip-Patchantenne bezeich
nete Antenne besteht in ihrer einfachsten Form aus einer
strahlenden Fläche auf der einen Seite eines dielektrischen
Substrats, das auf der anderen Seite eine Massefläche auf
weist. Das leitfähige Patch (Strahlerflächenelement), nor
malerweise aus Kupfer oder Gold bestehend, kann nahezu jede
beliebige Form annehmen, es haben sich jedoch einige einfa
che Geometrien, wie Rechteck- oder Quadratform speziell im
Hinblick auf die Analyse und die Vorhersage der Strahlungs
eigenschaften durchgesetzt. Bei den meisten Anordnungen
wird ein Feld mehrerer Patchs realisiert.
Die Abstrahlung der Microstrip-Patchantenne resultiert aus
den Randfeldern zwischen den Kanten des Patches (oder der
Patchs) und der Massefläche. Betrachtet man nur die Feldva
riation über der Länge des Patches, so kann man sich das
Patch 1 (Fig. 8) auch als aus zwei Schlitzen im Abstand von
etwa λε/2 vorstellen (λε = Wellenlänge des Dielektrikums 3),
die über den Leiterstreifen L in Phase erregt werden,
und in den Halbraum oberhalb der Massefläche 2 abstrahlen.
Im Idealfall sollte das εr des Substratmaterials niedrig
sein (εr<2,5), um die Randfelder zu vergrößern, die für die
Abstrahlung verantwortlich sind. Microstrip-Patches können
sowohl koaxial als auch mittels einer Streifenleitung
gespeist werden. In der Regel ist dabei ein Anpaßnetzwerk
zwischen dem Antennenelement und der Speiseleitung erfor
derlich, da der Antennen-Eingangswiderstand von den übli
chen 50 Ω Leitungsimpedanz abweicht. Sowohl für die Strei
fenleitungs- als auch für die koaxiale Ausführung kann zur
Anpassung auch eine Offset-Speisung verwendet werden, bei
der die Einspeisung an einem nicht auf das Zentrum des Pat
ches bezogenen Punkt erfolgt. Durch geeignete Zusammen
schaltung von mehreren, meist gleichen Einzelstrahlern über
ein sogenanntes Speisenetzwerk, das für eine phasen- und
amplitudenbewertete Aufteilung bzw. Zusammenfassung der
Einzelsignale sorgt, können große Antennengruppen
(sogenannte Arrays) aufgebaut werden (z. B. R.J. Mailloux,
J.F. McIlvenna, N.P. Kernweis "Microstrip Array Techno
logy", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol.
AP-29, Nr. 1, Seiten 25-37, Jan. 1981). Das Speise- oder
Verteilnetzwerk ist dabei meist ebenfalls in Form einer
Streifenleitung aufgebaut, die sich mit den strahlenden
Elementen in einer Ebene befindet und dadurch in einem ein
zigen, gemeinsamen Ätzprozeß hergestellt werden kann.
Aufgabe einer Gruppenantenne ist dabei in der Regel die
Erzeugung einer gezielten Antennencharakteristik
(Strahlungsbündelung im Raum) im Fernfeld der Antenne.
Die Beschränkung der Leistungsübertragung durch Streifen
leitungen entsteht zum einen durch Erwärmung, hervorgerufen
durch ohmsche und dielektrische Verluste, sowie zum andern
durch dielektrischen Durchschlag. Die Temperaturerhöhung
aufgrund von Leitungs- und dielektrischen Verlusten
beschränkt dabei die mittlere übertragbare Leistung, der
Durchschlag zwischen Streifenleiter und Massefläche die
übertragbare Spitzenleistung. In den bekannten nachrichten
technischen Anwendungen sind Streifenleitungen und Strei
fenleitungsstrahler in der Vergangenheit zur Leistungsüber
tragung im Bereich von Milliwatt bis zu wenigen Watt reali
siert worden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kompakte und
kostengünstig herstellbare Vorrichtung zum effektiven
Erwärmen/Trocknen mit Mikrowellen anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs
1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteran
sprüchen gekennzeichnet.
Es wurde überraschend gefunden, daß das Prinzip der seit
langem neben den erwähnten üblichen Hohlleitereinrichtungen
bekannten Mikrostreifenleiter/Patchantennen für leistungs
mikrowellentaugliche Vorrichtungen ausgenutzt werden kann.
Um mit planaren Streifenleitungselementen hohe Mikrowellen
leistungen übertragen zu können, wurden geeignete konstruk
tive Aufbauten sowohl für das Strahlerelement als auch das
zugehörige Speisesystem gefunden, die unter Berücksichti
gung der Wechselwirkung und Verluste ausgewählt wurden, die
durch das im Nahfeld zu bestrahlende Medium verursacht wer
den.
Die Vorgaben der Flächenabstände, Form und Größe der Strah
lerflächenelemente (Patchs), der Ankoppelpunkte sowie Ein
speisungsleistungen konnten rechnerisch und nach rechneri
scher Eingrenzung durchgeführten Versuchsreihen mit unter
schiedlichen Kombinationen ermittelt werden.
Im Gegensatz zur Nachrichtentechnik, wo die Antenne übli
cherweise in den "freien Raum" abstrahlt, befindet sich
beim Trocknungs- oder Erwärmungsvorgang das zu behandelnde
Gut direkt im Nahbereich der Antenne, im Abstand von ca.
1/10 Wellenlänge bis zu wenigen Wellenlängen. Durch das zu
behandelnde Gut entsteht somit eine starke Rückwirkung auf
die Antenne.
Es wurde gefunden, daß mit einer einfachen Anordnung gemäß
Fig. 8 bei z. B. 10 mm Abstand zwischen Massenfläche 2 und
Patch 1 im Frequenzbereich bei 2,45 GHz Leistungen bis zu
etwa 80 Watt möglich sind. Durch den relativ großen Abstand
werden der Strahlungswirkungsgrad gesteigert sowie die
Strahlungsbandbreite erhöht, wodurch das Antennenelement
unempfindlicher auf Laständerungen, d. h. den frequenzver
schiebenden und rückkoppelnden Einfluß des zu behandelnden
Guts oder Mediums reagiert und dauerhaft in einem derarti
gen Leistungsbereich betrieben werden kann. Die Berechnun
gen und Versuchsreihen ergaben, daß je nach Frequenz und
gewünschter Bandbreite Abstände bzw. Dielektrikadicken zwi
schen etwa 3 und 16 mm möglich sind. Da jedoch die Auswahl
dieser Werte insbesondere frequenzabhängig und damit abhän
gig von den Einzelstrahlerabmessungen ist, kann keine all
gemein gültige Angabe gemacht werden. Die Untersuchungen
ergaben, daß bei Leistungen über 50 Watt pro Einzelstrahler
die Subtratdicke etwa mindestens 5% der kleineren Patch
kantenlänge betragen sollte.
Die Leistung des Einzelantennenelements kann weiter gestei
gert werden, wenn im Gegensatz zur herkömmlichen Auslegung
die Strahlerflächenelemente keine scharfen (rechtwinkligen)
Ecken aufweisen, sondern diese mit wenigstens einer 45°
Schräge oder mehreren Schrägen oder auch einem Rundbogen
versehen sind. Um zusätzlich auch eine Kantenrundung in
Richtung senkrecht zur Massefläche zu realisieren, wird
z. B. eine Mehrfachätzung mit leicht unterschiedlichen
Maskengeometrien angewandt.
Das Dielektrikum zwischen Strahlerebene und Massemetalli
sierung muß bei hoher Strahlungsleistung des Einzelelements
sehr verlustarm sein. Dazu werden neben Luft Substrate aus
Schaummaterialien wie Styrodur, Rohacell oder Honigwabensy
steme (Honeycomb, Hexcell) eingesetzt und das Dielektrikum
entsprechend dem Abstand zwischen Strahler- und Massenflä
che relativ dick gewählt.
Befindet sich die Speisung des Elements in der Strahler
ebene in Form einer Mikrostreifenleitung, so sollte diese
Leitung für höhere Leistungen ebenfalls keine Knicke auf
weisen, sondern ist vorzugsweise in Bögen zu führen, um
Überschläge zu, vermeiden. Der Einsatz der Mikrostreifenlei
tung eignet sich dabei zur Übertragung von wenigen hundert
Watt. Für höhere Leistungen erfolgt die Anregung des Patch
strahlers über die Rückseite durch die Massefläche mittels
einer koaxialen Durchkopplung.
Durch die erfindungsgemäße Wahl der Elementgeometrie und
des zugehörigen Dielektrikums konnten sowohl die mittlere
als auch die übertragbare Spitzenleistung des Einzelstrah
lers erheblich gesteigert werden, wobei Leistungen bis zu 1
kW pro Patch erzielt werden konnten. Jedoch sind nicht alle
oben genannten Maßnahmen stets zwingend, da Wärmebehandlun
gen auch mit Patchfeldern von jeweils nur wenigen 100 Watt
oder sogar nur um oder weniger als 100 Watt denkbar sind.
Da sich das zu erwärmende bzw. zu trocknende Material in
unmittelbarer Nähe des Strahlers befindet und dadurch eine
gegenseitige Beeinflussung auftritt, werden weiterhin in
der erfindungsgemäßen Auslegung speziell auch die Mate
rialeigenschaften des zu behandelnden Gutes berücksichtigt.
So kann man nicht generell bestimmte Abmessungen und Ausle
gungen vorgeben, sondern wird gegebenenfalls auch mit Hilfe
von zur Verfügung stehenden Rechenmodellen für das jewei
lige Medium unter Nahfeldbestrahlung die optimalen Bedin
gungen bei der gewünschten Leistung ermitteln.
Hierbei kann sich herausstellen, daß bei inhomogenen Medien
oder auch bereichsweise gezielt unterschiedlich stark zu
erwärmenden Medien einzelne Patchs und Ankoppelpunkte,
Patchabstände und Zuordnungen durchaus verschieden gewählt
werden sollten.
Obwohl bei der üblichen Anregung des Patches gemäß Fig. 8
nur zwei Patchkanten strahlen, können durch geeignete Wahl
des Speisepunkts auch alle vier Kanten des Patches zum
Strahlen angeregt werden. In der nachrichtentechnischen
Anwendung wird dieser Effekt dazu benutzt, um mit einem
Patchelement unterschiedliche Polarisationsrichtungen der
Strahlung im Fernfeld zu erhalten. Für den Einsatz im
Leistungsmikrowellenbereich erhöht sich hingegen durch
Ausnutzung aller Strahlerkanten die effektive Strahlergröße
und damit der Strahlungswirkungsgrad. Wird z. B. ein zirku
lares Feld erzeugt (ein Feld, bei dem der elektrische Feld
vektor mit der Zeit kontinuierlich die Richtung ändert),
kann eine weitere Vergleichmäßigung des Trocknungsvorgangs
insbesondere bei inhomogenen Materialien erzielt werden.
Zur Erzielung höherer Strahlungsleistungen werden vorzugs
weise mehrere der beschriebenen Einzelstrahler in einer
Strahlergruppe (Array) zusammengefaßt und mittels eines
Leistungsverteilnetzwerks gespeist. Die Anordnung der Ele
mente in der Gruppe erfolgt dabei im Gegensatz zur konven
tionellen Antennentechnik nicht bezüglich der Fernfeldopti
mierung auf ein bestimmtes Richtdiagramm sondern gezielt
unter dem Gesichtspunkt, eine vorgegebene Amplitudenvertei
lung im Nahbereich der Antenne zu gewinnen.
Hierzu ist es möglich, in an sich bekannter Weise eine
regelmäßiges Patcharray in einer Ebene auf einem Substrat
einzusetzen. Statt dessen können die Einzelpatchs jedoch
auch versetzt oder unregelmäßig angeordnet werden. Schließ
lich ist es möglich, wenn man Einzelantennen gemäß Fig. 8
kombiniert oder auf ein gemeinsames Substrat verzichtet und
die Patchs einzeln oder in Gruppen haltert, nicht ebene
Anordnungen zu realisieren. Weiterhin können die Strahler
flächenelemente auf einer gekrümmten Oberfläche angebracht
werden und damit z. B. optimal an die geometrische Form
bestimmter zu trocknender Güter angepaßt werden.
Durch Amplitudensteuerung der Einzelelemente kann die zu
bestrahlende Fläche gezielt unterschiedlich beheizt werden,
oder bei inhomogenen Materialien eine Vergleichmäßigung des
Erwärmungs/Trocknungsvorgangs erzielt werden.
Das Leistungsverteilnetzwerk der Strahlergruppe wird eben
falls für die Übertragung hoher Leistungen ausgelegt und
kann z. B. vollständig in koaxialer Leitungstechnik erfol
gen. Eine vorteilhafte Ausführung der erfindungsgemäßen
Lösung sieht jedoch die Verwendung eines Triplate-Leitungs
systems vor, um wiederum die Vorteile der planaren
Streifenleitungstechnik auf die komplette Gruppenantenne
für Leistungsanwendungen zu übertragen. Die Triplate oder
Stripline bzw. Streifenleitung ist eine zwischen zwei Mas
seflächen geführte metallische Leitung. Hierzu wird die
ursprünglich dreilagige Struktur, bestehend aus Strahler
fläche, Dielektrikum und Massefläche auf der Rückseite der
Massefläche um mehrere Lagen ergänzt, indem ein weiteres
Dielektrikum (vorzugsweise Luft), die eigentliche Leiter
struktur der Triplate-Leitung (die Stripline), nochmals
eine Luftdielektrikumsschicht und eine weitere metallische
Massegrundfläche vorgesehen werden.
Das Luftdielektrikum der Stripline wird z. B. dadurch reali
siert, daß die Stripline in Form eines Metallstreifens
durch Teflonbolzen zwischen den beiden Masseflächen
gehalten wird.
In Form eines Baukastens lassen sich modulartige Verteil
netzwerke mit den beiden Masseflächen und der Stripline für
verschiedene Antennengesamtgrößen mit Einzelstrahlerelemen
ten für unterschiedliche Anwendungsgebiete (Kontakttrock
nung, Gargutbeheizung, unterschiedliche Trocknungsgüter)
kombinieren. Die Einzelstrahler werden alle für eine
definierte Anschlußimpedanz unter Berücksichtigung der
verschiedenen Trocknungsanwendung ausgelegt und so läßt
sich auf einfache Art eine Vielzahl von Aufgaben ohne
permanente Neuentwicklung lösen.
Ferner kann eine Deckschicht im einfachsten Falle durch
Überschlagen eines nicht bedruckten Teils der Trägerfolie
für die Patchelemente vorgesehen werden, um z. B. Lebensmit
telechtheit zu garantieren.
Durch direkte Kopplung mit der leistungserzeugenden Quelle,
z. B. eines Magnetrons mit dem Flächenstrahler kann eine
kompakte Einheit ohne zusätzliche Übertragungselemente und
Leitungen realisiert werden. Die erfindungsgemäße Anordnung
gestattet generell die Anwendung der Vorteile der planaren
Streifenleitungs-Antennentechnologie, wie einfache Her
stellbarkeit, geringes Gewicht, Reproduzierbarkeit,
Anpaßbarkeit an Oberflächen, etc. im Bereich der
Leistungsmikrowellentechnik, insbesondere bei der thermi
schen Behandlung von Gütern aller Art. Dabei kann die ther
mische Behandlung einerseits durch die Auslegung der Anten
nenanordnung und andererseits durch die Amplitudensteuerung
der einzelnen Antennenelemente vorgegeben und beeinflußt
werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen
näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 2A und 2B zwei mögliche Formen zu verwendender
Patchs,
Fig. 3A bis 3C mögliche Arten der Anregung,
Fig. 4A, 4B mögliche Patchverteilungen in einer Gruppen
antenne,
Fig. 5 den prinzipiellen Aufbau eines weiteren Aus
führungsbeispiels,
Fig. 6 das Leitungsverteilnetzwerk der Streifenleitungen
dieses Ausführungsbeispiels bei Ausbildung als Gruppenan
tenne,
Fig. 7 den beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 gemesse
nen Eingangsreflexionsfaktor in Abhängigkeit von der Fre
quenz und
Fig. 8 das Prinzip einer bekannten Anordnung in perspek
tivischer Ansicht, von oben und von der Seite zur Verdeut
lichung des Strahlungsmechanismus.
Gemäß Fig. 1, der einfachsten Ausführung der erfindungsgemä
ßen Vorrichtung ist ein Patch 1 mit durch Mehrfachätzung
leicht variierender Maske mit abgesetzter Kante auf einem
Dielektrikum 3 aus festem Schaum mit 10 mm Dicke ausgebil
det. Die Massefläche 2 sowie das Patch bestehen aus Kupfer
lagen einer Dicke von etwa 17 µm. Die Dicke der Massefläche
ist jedoch weitestgehend unkritisch. Ihr Einfluß auf die
Leistung beträgt nur einige Prozent.
Mögliche Patchformen, bei denen auch bei höheren Leistungen
als etwa 80 Watt Durchschläge vermieden sind, sind in den Fig. 2A, 2B
gezeigt. Mit einer solchen Anordnung konnten bei
koaxialer Erregung über die Massefläche 2 bei 2,45 GHz Lei
stungen bis 1000 Watt erzielt werden. Für Leistungen über
100 Watt sind bei Verwendung von Streifenzuleitungen auf
der Patchseite scharfe Knicke der Leitungen zu vermeiden,
die vorzugsweise gebogen geätzt werden.
Die Fig. 3A, 3B und 3C zeigen Anregung verschiedener
Strahlungskanten über unterschiedliche Ankoppelpunkte.
In den Fig. 7A und 7B ist für eine planare Gruppenan
tenne einmal eine regelmäßige Patchverteilung und einmal
eine versetzte gezeigt. Durch lineare Bewegung des zu
trocknenden Gutes in eine Richtung im Bereich eines Elemen
tabstandes d gemäß Fig. 4B kann eine über die gesamte Fläche
gleichmäßige Strahlungsverteilung erzielt werden. Eine wei
tere Ausführungsvariante verwendet zusätzlich für die Ein
zelstrahler unterschiedliche Anregung der Strahlungskanten
gemäß Fig. 3.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 5 besteht das Dielektrikum 3
bzw. Substrat aus glasfaserverstärktem Teflon, die darun
terliegende Massefläche 2 wiederum aus Kupfer. Eine metal
lische Grundfläche 5 aus Aluminium ist mit der Massefläche
2 für das Patch 1 über Massedurchnietungen 8 verbunden, von
denen eine dargestellt ist. Die Streifenleitung 4 im Luft
raum zwischen den Masseflächen 2, 5 ist in Fig. 6 für eine
zu einer Antennengruppe erweiterte Vorrichtung von oben
gezeigt, wobei die Patchlage angedeutet ist. Die Streifen
leitung 4 ist über Teflonbolzen 6 zwischen den Masseflächen
gehaltert. Die Einkopplung der Mikrowelle von der Streifen
leitung 4 in das Patch 1 erfolgt über einen koaxialen Kop
pelstift 7. Um Ausbreitung höherer Moden zu verhindern,
werden rund um die Einkoppelstellen Massedurchnietungen
vorgenommen, wie in Fig. 6 angedeutet ist. Die Patchs sind
gemäß Fig. 1 und 2 mit abgerundeten Kanten versehen. Ein re
alisiertes Ausführungsbeispiel hatte die folgenden Daten:
eine 3dB-Bandbreite von ± 100 MHz (±4%), 12 Patche von etwa
3 cm Seitenlänge, bestehend aus einer etwa 17 µm dicken Cu-
Auflage, Substratmaterialdicke von etwa 5 mm, Substratmate
rial Teflon, Streifenleiterdicke etwa 2 mm, Streifenlei
termaterial Kupfer, Belastbarkeit (cw, 100%ED) 1000 Watt.
Es konnte auch bei anderen ähnlichen Anordnungen regelmäßig
eine Dauerstrichleistung von 500 Watt und mehr realisiert
werden. Der aus Fig. 7 entnehmbare Eingangs-Reflexionsfak
torverlauf zur Abschätzung zeigt ferner, daß die Resonanz
frequenz bei 2,5 GHz mit S11 besser 25 dB liegt.
Die gezeigte Anordnung kann als Modul aus den Elementen 2,
4, 5, 6 und 8 vorgefertigt werden, wobei unterschiedliche
Patchs 1 mit anderen Ankoppelpunkten und Einkoppelstiften 7
und unterschiedlichem Dielektrikum (Substrat 3) eingesetzt
werden, ohne daß der grundsätzliche Aufbau geändert werden
muß. Zur Anpassung an die 50 Ω Leitungsimpedanz der Leitung
4 werden Substrat 3, Patch 1 und Einkoppelstift 7 entspre
chend aufeinander abgestimmt.
Die Halterung über Massedurchnietungen und Teflonbolzen
stellt nur eine mögliche Ausführung dar. Statt dessen können
z. B. auch Aluminiumplatten auf der Unterseite mit Aus
nehmungen für das Streifenleitungsnetzwerk versehen werden,
die dann durch eine Grundmassefläche abgedeckt werden und
auf der gegenüberliegenden Seite die Substrat-Patchanord
nung tragen. Aluminiumplatten, die auf der Oberseite mit
derartigen Ausnehmungen versehen werden, könnten mit einer
Massefläche abgedeckt werden, die die Substrat-Patchanord
nung trägt.
Auch können andere verlustarme Dielektrika als Luft, gege
benenfalls auch Keramiken eingesetzt werden.
Die Ankopplung des Magnetrons oder anderer energieerzeu
gender Quellen, z. B. auch Mikrowellenhalbleiterbauelemente
oder Wanderfeldröhren, an die planare Antennenanordnung
kann über Löt- und Klemmverbindungen erfolgen, für die dem
Fachmann aus der Nachrichtentechnik eine Fülle von Beispie
len zur Auswahl steht, um reflexionsarme Übergänge zu
realisieren. Dasselbe gilt für eine direkte koaxiale
Ankopplung an die Massefläche 2 des ersten Ausführungsbei
spiels.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann, da sie kompakt,
druck- und temperaturfest ausbildbar ist, für vielfältige
Zwecke eingesetzt werden wie Abtöten von Mikroorganismen in
einem durch die Vorrichtung erwärmten Luftstrom, Einsatz
als Bodenplatte in Backöfen, gezieltes Erwärmen von Lebens
mitteln auf Bändern, Trocknen z. B. von fluidisiertem Trock
nungsgut über einem als Patchantenne ausgebildeten geloch
ten Trogboden, in den ein Luftstrom eingeleitet wird,
Direktbeheizung von Flüssigkeiten oder Bädern durch Eintau
chen der entsprechend elektrisch isolierten Vorrichtungen
usw.
Claims (13)
1. Vorrichtung zum Erwärmen/Trocknen mit Mikrowellen,
gekennzeichnet durch eine Antennenanordnung, die wie
bekannte Mikrostreifenleiter/Patch-Antennen aus der Nach
richtentechnik mindestens zwei durch eine dielektrische
Schicht voneinander getrennte, übereinander angeordnete
leitfähige Flächen (1, 2), von denen eine ein oder mehrere
Strahlerflächenelemente (Patchs) (1) umfaßt, und eine Ein
richtung zur Mikrowelleneinspeisung aufweist und deren
Dielektrika, Flächenabstände und Form und Größe des oder
der Strahlerflächenelemente (1) sowie Ankoppelpunkt(e) und
Einspeisungsleitung(en) (4) unter Berücksichtigung der
durch ein im Nahfeld mit vorgegebener Leistung zu be
strahlendes Medium auftretenden Verluste und Wechselwirkun
gen gewählt sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Abstand der die Strahlerflächenelemente (1) enthal
tenden Fläche zur hierzu beabstandeten leitenden Masseflä
che (2) und die Dicke des trennenden Dielektrikums (3) so
ausgewählt sind, daß der Strahlungswirkungsgrad und die
Bandbreite der erzeugten Mikrowellenstrahlung erhöht sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß das oder die Strahlerflächenelemente (1) abgerundete
oder durch eine mindestens Schrägkante abgeschnittene Ecken
und/oder senkrecht zur Antennenfläche abgestufte oder abge
rundete Kanten aufweist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kanten durch Mehrfachätzung abgestuft oder abgerun
det sind.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Dielektrikum aus Luft oder verlustarmen Schaummate
rialien oder Honigwabensystemen besteht.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Einspeisungsleitung wahlweise eine in der Strahler
flächenelementebene liegende Mikrostreifenleitung aufweist
oder eine Koaxialleitung zur koaxialen Speisung durch die
leitende Massefläche auf der Strahlerflächenrückseite.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Ankoppelstelle für eines oder mehrere der Strahler
flächenelemente so gewählt ist, daß alle Strahlungskanten
zur Leistungsabstrahlung angeregt werden.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch mehrere einzelne planare oder gewölbte
Antennenlemente, die zu einer ebenen oder andersförmigen
Antennengruppe zusammengefaßt sind.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Amplituden der einzelnen Strahlerflächenelemente
bzw. zusammengefaßten Antennenelemente so vorgegeben wer
den, daß lokal unterschiedliche Wärmeleistungen im zu
bestrahlenden Gut erzielt werden und hierdurch bei inhomo
genen Medien gegebenenfalls eine gleichmäßige Erwärmung
bzw. Trocknung erzielt wird.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die einzelnen Strahlerflächenelemente (1) in einer ver
setzten Gitterstruktur angeordnet sind (Fig. 4B).
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Leistungsversteilung zwischen den einzelnen
Strahlerflächen- bzw. Antennenelementen Koaxialleitungen
oder Mikrostreifen vorgesehen sind, die unter Vermeidung
von scharfen Knickstellen geführt sind.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und 7 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß zusätzlich zur das oder die Strahlerflächenelemente
(Patchs) (1) enthaltenden Fläche und der dazu beabstandet
angeordneten leitenden Massefläche (2) eine unterhalb letz
terer vorgesehene leitfähige Grundfläche (5) angeordnet ist
und daß zwischen Grundfläche (5) und Massefläche (2) ein
Streifenleitungsnetzwerk (5) zur Leistungseinspeisung
geführt ist, das mit der oder den Strahlerflächenelementen
gekoppelt ist (Fig. 5).
13. Vorrichtung nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Massefläche (2) und hiermit leitend verbundene
Grundfläche (5) und das Streifenleitungsnetzwerk (4) als
Modul zur Bestückung mit Strahlerflächenelementen verschie
dener Form und Ausdehnung sowie Ankopplung ausgelegt sind.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19924240104 DE4240104A1 (de) | 1992-11-28 | 1992-11-28 | Vorrichtung zum Erwärmen/Trocknen mit Mikrowellen |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19924240104 DE4240104A1 (de) | 1992-11-28 | 1992-11-28 | Vorrichtung zum Erwärmen/Trocknen mit Mikrowellen |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4240104A1 true DE4240104A1 (de) | 1994-06-01 |
Family
ID=6473932
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19924240104 Withdrawn DE4240104A1 (de) | 1992-11-28 | 1992-11-28 | Vorrichtung zum Erwärmen/Trocknen mit Mikrowellen |
Country Status (1)
Country | Link |
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8127 | New person/name/address of the applicant |
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