DE4240104A1 - Vorrichtung zum Erwärmen/Trocknen mit Mikrowellen - Google Patents

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 λ_ε/2 vorstellen (λ_ε = 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 ε_r 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.