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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Zuführen von Mikrowellen in einen Behandlungsraum, wobei die Vorrichtung einen Behandlungsraum und mindestens einen Wellenleiter zum Zuführen der Mikrowellen zu dem Behandlungsraum aufweist.
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Aus der Praxis sind zahlreiche verschiedene Vorrichtungen bekannt, bei denen Mikrowellen in einen Behandlungsraum eingespeist werden, um dort mit der über die Mikrowellen zugeführten Energie eine Behandlung von Objekten durchführen zu können. Die über die Mikrowellen zugeführte Energie kann beispielsweise zu einer Erwärmung oder Erhitzung von Objekten verwenden werden. Es ist ebenfalls bekannt, dass mit den Mikrowellen ein Plasma erzeugt wird und das Plasma zur Behandlung der Objekte verwendet wird, beispielsweise um ein Objekt mit einer Beschichtung zu versehen oder eine Oberfläche des Objekts zu verändern.
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Der Behandlungsraum ist dabei regelmäßig von einer elektrisch leitenden Umhüllung umgeben, um ein unerwünschtes Austreten der Mikrowellen aus dem Behandlungsraum heraus zu verhindern, die zuvor dem Behandlungsraum zugeführt wurden. Es sind verschiedene Möglichkeiten aus der Praxis bekannt, wie die Mikrowellen dem Behandlungsraum zugeführt werden können, um die vorgesehene Behandlung in dem Behandlungsraum durchführen zu können.
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Manche Behandlungsräume weisen eine Formgebung und entsprechende Abmessungen auf, die an die für die Durchführung der Behandlung vorgesehenen Mikrowellen angepasst sind, und bilden dadurch eine Resonanzkammer für die zugeführten Mikrowellen. Innerhalb der Resonanzkammer können sich dann in vorteilhafter Weise stehende Wellen und Bereiche mit einer sehr hohen Leistungsdichte innerhalb des Behandlungsraums ausbilden.
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Die Mikrowellen können bei derartigen Resonanzkammern beispielsweise über Hohlleiter, die in den Behandlungsraum bzw. in dessen Umhüllung münden, dem Behandlungsraum zugeführt werden. Es ist ebenfalls bekannt, dass ein Behandlungsraum ein oder mehrere Fenster aufweist und außerhalb des Behandlungsraums Hornstrahler angeordnet sind, über welche die Mikrowellen abgestrahlt und durch die Fenster hindurch in den Behandlungsraum eingestrahlt werden.
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Die räumliche Verteilung der Feldstärken und damit auch der Leistungsdichte der eingestrahlten Mikrowellen innerhalb des Behandlungsraums wird weitgehend unabhängig von der Zuführung der Mikrowellen zu dem Behandlungsraum durch die Resonanzbedingungen innerhalb des Behandlungsraums vorgegeben. Eine Veränderung dieser Intensitätsverteilung und eine dadurch ermöglichte Anpassung an unterschiedliche Objekte, die mit den Mikrowellen in dem Behandlungsraum behandelt werden sollen, ist bei derartigen Resonanzkammern nicht oder nur mit sehr viel Aufwand möglich.
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In
DE 10 2017 121 732 A1 und
DE 10 2017 121 731 A1 sind verschiedene Varianten einer Vorrichtung zur Behandlung eines Produkts mit Mikrowellen beschrieben, bei denen die Mikrowellen über einen Koaxialleiter einem Behandlungsraum zugeführt werden. Dabei ragt der Koaxialleiter mit einem Ende in den Behandlungsraum hinein. Die Mikrowellen werden durch eine seitliche Öffnung des Koaxialleiters in dem Behandlungsraum aus dem Koaxialleiter ausgekoppelt und abgestrahlt. Auf diese Weise können Mikrowellen innerhalb des Behandlungsraums in einer durch die Öffnung des Koaxialleiters vorgegebenen Richtung abgestrahlt und gezielt zu einer Behandlung eines in dem Behandlungsraum angeordneten Objekts verwendet werden. Die Intensitätsverteilung der Mikrowellen innerhalb des Behandlungsraums wird dabei unabhängig von der räumlichen Ausgestaltung des Behandlungsraums nicht maßgeblich durch gegebenenfalls nicht vorliegende Resonanzbedingungen innerhalb des Behandlungsraums vorgegeben, sondern überwiegend durch die gerichtete Abstrahlung der Mikrowellen aus den in den Behandlungsraum hineinragenden Koaxialleitern.
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Für zahlreiche Behandlungen wird es als vorteilhaft angesehen, dass eine möglichst hohe Mikrowellenleistung dem Behandlungsraum zugeführt werden kann. Es sind Mikrowellenerzeugungseinrichtungen bekannt, die eine ausreichend hohe Mikrowellenleistung erzeugen können, die dem Behandlungsraum zugeführt werden könnte. Die Art und Weise der Zuführung beschränkt jedoch oftmals die bei einer bestimmungsgemäßen Verwendung der Vorrichtung maximal zuführbare Mikrowellenleistung.
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Es wird deshalb als eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen, eine Vorrichtung zum Einspeisen von Mikrowellen in einen Behandlungsraum so auszugestalten, dass dem Behandlungsraum eine möglichst hohe Mikrowellenleistung zugeführt werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Wellenleiter in ein Abstrahlelement mündet, welches derart ausgestaltet ist, dass von dem Wellenleiter über das Abstrahlelement zirkular polarisierte elektromagnetische Wellen in den Behandlungsraum abgestrahlt werden. Durch eine geeignete Ausgestaltung des Abstrahlelements kann von dem Wellenleiter eine hohe Leistung in den Behandlungsraum eingespeist und zur Durchführung einer Behandlung in dem Behandlungsraum genutzt werden. Eine Rückkopplung von elektromagnetischen Wellen aus dem Behandlungsraum zurück in den Wellenleiter wird durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Abstrahlelements jedoch ganz erheblich reduziert und ist in vielen Anwendungsfällen nicht mehr relevant, da nur passend zu dem Abstrahlelement zirkular polarisierte und ausgerichtete elektromagnetische Wellen über das Abstrahlelement zurück in den Wellenleiter einkoppeln könnten, deren Anteil in dem Behandlungsraum verschwindend gering ist. Einem Fachmann sind verschiedene konstruktive Gestaltungsmöglichkeiten für ein Abstrahlelement bekannt, mit welchem überwiegend oder ausschließlich zirkular polarisierte elektromagnetische Wellen abgestrahlt werden. Eine gegebenenfalls erforderliche Anpassung von bekannten Abstrahlelementen an die Eigenschaften von Mikrowellen mit einer Vakuumwellenlänge zwischen 35 cm und 1 mm sowie an möglichst hohe mit dem Abstrahlelement abgestrahlte Leistungen kann mit dem Fachwissen eines Fachmanns durchgeführt werden.
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Die Verwendung eines geeignet ausgestalteten Abstrahlelements bietet darüber hinaus weitere Vorteile. Einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens zufolge ist vorgesehen, dass die Vorrichtung eine Mikrowellenerzeugungseinrichtung aufweist, die über den Wellenleiter ohne eine zusätzliche Schutzeinrichtung mit dem Behandlungsraum verbunden ist, mit welcher die Mikrowellenerzeugungseinrichtung von Mikrowellen geschützt würde, die sich von dem Behandlungsraum über den Wellenleiter in Richtung der Mikrowellenerzeugungseinrichtung ausbreiten. Bei herkömmlich bekannten Zuführungen von Mikrowellen über einen Wellenleiter in den Behandlungsraum muss regelmäßig damit gerechnet werden, dass ein nicht unerheblicher Anteil der von der Mikrowellenerzeugungseinrichtung erzeugten Leistung nach der Zuführung in den Behandlungsraum wieder zurück in den Wellenleiter einkoppelt und zu der Mikrowellenerzeugungseinrichtung hin übertragen wird. Um eine Beschädigung der Mikrowellenerzeugungseinrichtung auszuschließen werden deshalb regelmäßig Schutzeinrichtungen wie beispielsweise ein Isolator zwischen der Mikrowellenerzeugungseinrichtung und der Behandlungskammer angeordnet, mit denen eine unerwünschte Ausbreitung von Mikrowellen in Richtung der Mikrowellenerzeugungseinrichtung reduziert oder verhindert wird. Auf Grund des überwiegend oder nur zirkular polarisierte elektromagnetische Wellen abstrahlenden Abstrahlelements wird ein Anteil der aus dem Behandlungsraum zurück in den Wellenleiter einkoppelfähigen elektromagnetischen Wellen in dem Behandlungsraum weitgehend auf einen nicht mehr relevanten Leistungsbereich reduziert, sodass die Verwendung von einer gesonderten Schutzeinrichtung zum Schutz der Mikrowellenerzeugungseinrichtung vor rückgekoppelten Mikrowellen nicht mehr erforderlich ist.
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Dadurch können sowohl der erforderliche Bauraum als auch die Herstellungskosten für eine erfindungsgemäße Vorrichtung erheblich reduziert werden.
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Einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens zufolge ist die Mikrowellenerzeugungseinrichtung derart ausgestaltet, dass die Mikrowellenerzeugungseinrichtung eine Mikrowellenleistung von mehr als 250 Watt erzeugen kann. Es hat sich gezeigt, dass mit einem geeignet ausgestalteten Abstrahlelement ohne weiteres eine derart hohe Leistung der Behandlungskammer zugeführt werden kann. Um der Behandlungskammer eine hohe Gesamtleistung zuführen zu können sind dann nur eine Mikrowellenerzeugungseinrichtung mit einem Wellenleiter oder jedenfalls nur wenige Mikrowellenerzeugungseinrichtungen erforderlich, wodurch sich der benötigte Raumbedarf weiter im Vergleich zu herkömmlichen Vorrichtungen verringern lässt.
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Optional ist vorgesehen, dass die Mikrowellenerzeugungseinrichtung mindestens einen Festkörpermikrowellengenerator aufweist. Aus der Praxis sind bereits Festkörpermikrowellengeneratoren bekannt, die eine für viele Anwendungsbereiche Mikrowellen mit einer ausreichend hohen Leistung erzeugen und abgeben können. Ein Festkörpermikrowellengenerator bzw. ein Festkörper basiertes System zur Mikrowellenerzeugung benötigt im Vergleich zu einem Magnetron bzw. einem Magnetron basierten System zur Mikrowellenerzeugung weniger Bauraum, ist erheblich einfacher zu betreiben und lässt sich besser und über einen größeren Bereich an die für die Mikrowellenübertragung relevanten Eigenschaften einer Vorrichtung mit einem Behandlungsraum anpassen.
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Im Hinblick auf eine einfache Anpassung der zugeführten Mikrowellen an den Behandlungsraum ist optional vorgesehen, dass die Mikrowellenerzeugungseinrichtung dazu eingerichtet ist, dass die mit der Mikrowellenerzeugungseinrichtung erzeugten Mikrowellen hinsichtlich der Phase und/oder Frequenz der Mikrowellen gesteuert werden können. Festkörpermikrowellengeneratoren bieten bereits eine einfache Steuerung und Anpassung wesentlicher Eigenschaften wie beispielsweise der Frequenz oder der Phasenlage innerhalb eines vergleichsweise großen Bereichs, ohne dass zusätzliche Komponenten sind.
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Um die Mikrowellen möglichst variabel anpassbar dem Behandlungsraum zuführen zu können ist optional vorgesehen, dass mehrere Wellenleiter im Abstand zueinander angeordnet in den Behandlungsraum münden. Auf diese Weise ist es möglich, unabhängig von der räumlichen Ausgestaltung des Behandlungsraums einen Produktbehandlungsbereich über mehrere Wellenleiter mit jeweils einem Abstrahlelement gezielt mit Mikrowellen zu bestrahlen. Der Produktbehandlungsbereich ist dabei ein Bereich innerhalb des Behandlungsraums, in welchem ein Produkt für die Durchführung einer Behandlung in dem Behandlungsraum angeordnet werden kann. Der Produktbehandlungsbereich kann durch ein Podest oder durch eine Abstellfläche innerhalb des Behandlungsraums vorgegeben werden. Der Produktbehandlungsraum kann auch über ein Förderband vorgegeben werden, mit welchem ein Produkt zur Behandlung in den Behandlungsraum hineingefördert und anschließend wieder herausgefördert werden kann. Da sich die aus den mehreren Wellenleitern abgestrahlten Mikrowellen nicht nennenswert gegenseitig beeinflussen, können die mehreren Wellenleiter so angeordnet werden, wie es im Hinblick auf die Bestrahlung des Produktbehandlungsbereichs vorteilhaft erscheint, ohne dass auf andere Wellenleiter oder auf eine räumliche Vorgabe des Behandlungsraums Rücksicht genommen werden muss.
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Der Produktbehandlungsbereich kann dabei beispielsweise möglichst homogen mit Mikrowellen aus den mehreren Wellenleitern bestrahlt werden. In diesem Fall können die mehreren Wellenleiter mit einer gemeinsam genutzten Mikrowellenerzeugungseinrichtung verbunden sein. Es ist ebenfalls denkbar, dass der Produktbehandlungsbereich über mehrere Wellenleiter mit unterschiedlichen Mikrowellen oder unterschiedlichen Leistungen bestrahlt werden kann, sodass in einfacher Weise eine Anpassung an unterschiedliche Anforderungen innerhalb des Produktbehandlungsbereichs vorgenommen werden kann. Insbesondere in diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn jeder Wellenleiter mit einer nur diesem Wellenleiter zugeordneten Mikrowellenerzeugungseinrichtung verbunden ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass der Behandlungsraum von einer Umhüllung aus einem elektrisch leitfähigen Material umgeben ist und dass ein Produktbehandlungsbereich innerhalb des Behandlungsraums von der Mündung eines Wellenleiters in den Behandlungsraum einen Abstand von weniger als drei Wellenlängen und vorzugsweise von weniger als einer Wellenlänge aufweist. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass ein in dem Produktbehandlungsbereich angeordnetes Produkt unmittelbar von dem Abstrahlelement bestrahlt wird und unerwünschte Reflexionen oder Überlagerungen von Mikrowellen innerhalb des Behandlungsraums die Bestrahlung des Produkts nicht oder nur unwesentlich beeinflussen.
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Für viele Anwendungen ist es vorteilhaft, dass der Wellenleiter optional ein Hohlleiter und vorzugsweise ein Koaxialleiter ist. Über Hohlleiter bzw. Koaxialleiter können Mikrowellen abgeschirmt von der Umgebung übertragen werden. Geeignete Hohlleiter sind aus der Praxis in vielfältigen Ausgestaltungen bekannt und können in einfacher Weise beispielsweise an räumliche Vorgaben oder an eine geplante Nutzung und einen entsprechenden Betrieb der Vorrichtung angepasst werden.
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Um eine möglichst effiziente und vorteilhafte Abstrahlung von Mikrowellen aus dem Wellenleiter in den Behandlungsraum zu ermöglichen ist einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens zufolge vorgesehen, dass das Abstrahlelement eine quer zu einer Längsrichtung des Wellenleiters ausgerichtete Abstrahlebene aufweist, in welcher ein elektrisch leitfähiges Abstrahlgebilde angeordnet ist. Die Abstrahlebene ist vorzugsweise parallel und optional flächenbündig zu einem angrenzenden Bereich einer Umhüllung des Behandlungsraums angeordnet. Die Abstrahlebene kann auch senkrecht zu einer bevorzugten Wellenausbreitungsrichtung der abgestrahlten Mikrowellen in Richtung des Produktbehandlungsraums ausgerichtet sein.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass das Abstrahlelement außermittig relativ zu einer Querschnittsfläche des Wellenleiters verbunden ist. Durch die außermittige und damit unsymmetrische Verbindung des Abstrahlelements mit dem Wellenleiter wird die Abstrahlung von zirkular polarisierten elektromagnetischen Wellen bewirkt, beziehungsweise unterstützt und eine unerwünschte Rückkopplung von Mikrowellen aus dem Behandlungsraum zurück in den Wellenleiter unterdrückt. Die Abstrahlung einer zirkular polarisierten elektromagnetischen Welle weist verschiedene Vorteile gegenüber der Abstrahlung einer nicht zirkular polarisierten elektromagnetischen Welle auf. Die Strahlungscharakteristik eines außermittig angeordneten plattenförmigen Abstrahlelements unterscheidet sich von der Strahlungscharakteristik eines mittig mit dem Wellenleiter verbundenen Abstrahlelement. Die veränderte Strahlungscharakteristik des außermittig angeordneten Abstrahlelements kann in vorteilhafterweise für eine gerichtete Abstrahlung der Mikrowellenleistung innerhalb des Behandlungsraums genutzt werden.
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Es wird als eine weitere vorteilhafte Option angesehen, dass das Abstrahlelement einen plattenförmigen Abstrahlkörper mit einer quer zu der Längsrichtung des Wellenleiters ausgerichteten Oberfläche aufweist, deren Umfangsrand so vorgegeben ist, dass bevorzugt zirkular polarisierte elektromagnetische Wellen abgestrahlt werden. Aus der Praxis sind verschiedene vorteilhafte Formgebungen von üblicherweise auf einer Leiterplatte angeordneten Patch-Antennenelementen bekannt, mit denen die Eigenschaften der über dieses Patch-Antennenelement abgestrahlten elektromagnetischen Wellen beeinflusst und vorgegeben werden können. In vielen Fällen können diesbezügliche Erkenntnisse, die bei derartigen Patch-Antennenelementen gewonnen wurden, dazu verwendet werden, den Umfangsrand eines plattenförmigen Abstrahlelements in analoger Weise so vorzugeben, dass eine gewünschte Abstrahlcharakteristik bewirkt wird und insbesondere, dass überwiegend oder nahezu ausschließlich zirkular polarisierte elektromagnetische Wellen von dem plattenförmigen Abstrahlelement abgestrahlt werden.
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Es kann optional ebenso vorgesehen sein, dass das Abstrahlgebilde einen plattenförmigen Abstrahlkörper mit einer beabstandet von einem Umfangsrand angeordneten Ausnehmung aufweist, wobei in die Ausnehmung eine Abstrahlantenne ragt und ein Ausnehmungsumfangsrand so ausgebildet ist, dass bevorzugt zirkular polarisierte elektromagnetische Wellen abgestrahlt werden.
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Einer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens zufolge ist vorgesehen, dass das Abstrahlelement in ein dielektrisches Material wie beispielsweise in ein Kunststoffmaterial, in Glas oder in Keramik eingebettet ist, um die Wellenlänge der sich von dem Wellenleiter zu dem Abstrahlelement ausbreitenden elektromagnetischen Wellen zu reduzieren. Auf diese Weise ist es möglich, dass der für die Anordnung und für die Funktionsweise des Abstrahlelements notwendige Bauraum reduziert werden kann. Zudem kann insbesondere bei hohen Mikrowellenleistungen, die von dem Wellenleiter über das Abstrahlelement abgestrahlt und dem Behandlungsraum zugeführt werden, ein elektrischer Kurzschluss sowie ein elektrischer Überschlag bzw. eine unerwünschte Ionisierung und eine dadurch verursachte Beschädigung des Abstrahlelements oder des daran angrenzenden Bereichs des Wellenleiters trotz des geringen Bauraums vermieden werden. Geeignete dielektrische Materialien, die sich durch das Kunststoffmaterial ausbreitende elektromagnetische Wellen nicht oder nur zu einem sehr geringen Anteil absorbieren und gleichzeitig die Wellenlänge der sich durch das dielektrische Material ausbreitenden elektromagnetischen Wellen deutlich reduzieren, sind aus der Praxis bekannt.
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Bei der Verwendung eines Koaxialleiters als Wellenleiter kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das Abstrahlelement zum Abstrahlen der durch den Koaxialleiter zugeführten Mikrowellen in den Behandlungsraum hinein an einem dem Behandlungsraum zugewandten Ende des Koaxialleiters angeordnet ist, wobei das Abstrahlelement einen plattenförmigen Abstrahlkörper aufweist, welcher elektrisch leitend mit dem Innenleiter verbunden ist, nicht elektrisch leitend mit dem Außenleiter verbunden ist, und der vorzugsweise quer zu einer Längsrichtung des Koaxialleiters ausgerichtet ist, sodass über den Koaxialleiter zugeführte elektromagnetische Wellen von dem plattenförmigen Abstrahlkörper in den Behandlungsraum abgestrahlt werden. Es hat sich gezeigt, dass ein derartiger plattenförmiger Abstrahlkörper in vorteilhafter Weise dazu geeignet ist, eine hohe Mikrowellenleistung abzustrahlen und dadurch dem Behandlungsraum zuzuführen. Der plattenförmige Abstrahlkörper ist dabei zweckmäßigerweise an die bei einer bestimmungsgemäßen Verwendung der Vorrichtung vorgesehene maximale Mikrowellenleistung angepasst, die über den Koaxialleiter dem Behandlungsraum zugeführt werden soll. Die Abmessungen einer Oberfläche des plattenförmigen Abstrahlkörpers sind dabei in bekannter und vorteilhafter Weise an die Wellenlänge der Mikrowellen angepasst. Eine Dicke des plattenförmigen Abstrahlkörpers ist in Abhängigkeit von dem verwendeten Material des plattenförmigen Abstrahlkörpers so vorgegeben, dass der plattenförmige Abstrahlkörper der zugeführten Mikrowellenleistung standhalten kann und während des Betriebs nicht übermäßig erhitzt oder beschädigt wird. Der plattenförmige Abstrahlkörper kann beispielsweise aus Metall hergestellt sein und eine Dicke von einigen Millimetern aufweisen. Mit einem derartigen plattenförmigen Abstrahlelement können Mikrowellenleistungen von mehr als 250 Watt dem Behandlungsraum zugeführt werden. Bei einer geeigneten Ausgestaltung des Koaxialleiters und des an dessen Ende angeordneten plattenförmigen Abstrahlelements können auch Mikrowellenleistungen von mehr als 500 Watt, 750 Watt oder mehr als 1.000 Watt über ein einziges Abstrahlelement und gegebenenfalls über einen einzigen plattenförmigen Abstrahlkörper in den Behandlungsraum abgestrahlt werden. Auf diese Weise ist es möglich, dass über einen einzelnen Koaxialleiter eine hohe Mikrowellenleistung dem Behandlungsraum zugeführt werden kann.
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Insbesondere bei der Verwendung eines Koaxialleiters ist es im Hinblick auf einen geringen erforderlichen Bauraum zweckmäßig, dass das dielektrische Material zwischen einer Stirnseite eines Außenleiters des Koaxialleiters und dem Abstrahlelement angeordnet ist, welches in einem Abstand zu dieser Stirnseite des Außenleiters angeordnet ist und nicht elektrisch leitend mit dem Außenleiter verbunden ist. Das dielektrische Material kann auch um das Abstrahlelement herum und dieses weitgehend oder allseitig umhüllend angeordnet sein und im Bereich der Einstrahlöffnung eines als Koaxialleiter ausgeformten Wellenleiters befinden, sodass das Abstrahlelement nicht elektrisch leitend mit dem Koaxialleiter verbunden ist oder zumindest nicht direkt mit einem Außenleiter des Koaxialleiters, sondern beispielsweise nur über einen Innenleiter mit einem Koaxialleiter verbunden ist. Das dielektrische Material kann sich von einem Umfangsrand des plattenförmigen Abstrahlelements hin zum Außenleiter des Koaxialleiters erstrecken und so eine elektrische Isolierung zwischen dem Abstrahlelement und dem Außenleiter, bzw. einem umgebenden Gehäusebereich bilden. Auch bei der Verwendung eines Hohlleiters ist es vorteilhaft, dass das Abstrahlelement nicht elektrisch leitend mit dem Hohlleiter verbunden ist und zudem gegebenenfalls mit dem dielektrischen Material von der Umgebung zusätzlich abgeschirmt ist. Es ist ebenfalls möglich, dass das dielektrische Material auch eine dünne Beschichtung der dem Behandlungsraum zugewandten Oberfläche des Abstrahlelements bildet. Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, dünne Luftspalte in der unmittelbaren Umgebung des Abstrahlelements und insbesondere in der Umgebung des plattenförmigen Abstrahlkörpers zu vermeiden und nach Möglichkeit mit dem dielektrischen Material auszufüllen, um insbesondere bei hohen Mikrowellenleistungen, die über das plattenförmige Abstrahlelement abgestrahlt werden sollen, eine ausreichende elektrische Isolierung mit einer hohen Durchschlagsfestigkeit zu bewirken.
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In vielen Anwendungsbereichen ist es vorteilhaft oder notwendig, dass mit der dem Behandlungsraum zugeführten Mikrowellenleistung ein Plasma in dem Behandlungsraum erzeugt wird, welches für die Behandlung von Objekten verwendet werden kann. Um möglichst effizient ein Plasma erzeugen und in dem Behandlungsraum für die vorgesehene Behandlung verwenden zu können ist gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens vorgesehen, dass der Behandlungsraum von einer Umhüllung aus einem elektrisch leitfähigem Material umgeben ist, dass die Umhüllung eine Einstrahlöffnung aufweist, an oder in die der Wellenleiter mündet und an oder in der das Abstrahlelement angeordnet und nicht elektrisch leitend mit der Umhüllung verbunden ist, und dass zwischen dem Abstrahlelement und dem Behandlungsraum eine Abdeckung aus einem mikrowellentransparenten dielektrischen Festkörpermaterial angeordnet ist. Durch die Abdeckung des Abstrahlelements wird verhindert, dass ein in dem Behandlungsraum erzeugtes Plasma mit dem Abstrahlelement in Kontakt kommen kann und dadurch das Abstrahlelement beschädigt werden könnte. Die Abdeckung aus dem mikrowellentransparenten dielektrischen Festkörpermaterial erstreckt sich zweckmäßigerweise auch über die gesamte Einstrahlöffnung und über angrenzende Bereiche der Umhüllung, sodass ein Plasma, welches durch die Einstrahlung der von dem Abstrahlelement durch die Einstrahlöffnung eingestrahlten Mikrowellen in der Umgebung der Einstrahlöffnung erzeugt wird, nicht sofort mit der angrenzenden Umhüllung in Kontakt kommen kann und der Ionisierungsgrad des erzeugten Plasmas nicht übermäßig rasch durch eine Rekombination der Elektronen und Ionen des Plasmas mit der elektrisch leitenden Umhüllung reduziert wird.
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Es kann zweckmäßig sein, dass die Abdeckung aus dem mikrowellentransparenten dielektrischen Festkörpermaterial die Umhüllung vollständig bedeckt und dadurch in allen Bereichen von dem Plasma in dem Behandlungsraum abschirmt.
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Aus der Praxis sind zahlreiche für Mikrowellenanwendungen geeignete dielektrische Festkörpermaterialien wie beispielsweise Kunststoffe oder Keramiken bekannt. Als mikrowellentransparentes dielektrisches Festkörpermaterial sind insbesondere auch Quarzglas oder Aluminiumoxid oder Saphir geeignet, welche der bei einem Plasma oftmals unvermeidbaren hohen thermischen Belastung besonders gut standhalten können. Gegebenenfalls kann eine gesonderte Kühlung der Abdeckung vorgesehen sein.
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Eine Abdeckung der Einstrahlöffnung oder der gesamten Umhüllung kann auch für diejenigen Anwendungsfälle zweckmäßig und vorteilhaft sein, bei denen kein Plasma in dem Behandlungsraum erzeugt wird. In diesen Fällen kann die Abdeckung auch aus einem geeigneten dielektrischen Material hergestellt sein, welches weniger temperaturbeständig als Quarzglas ist. Die Abdeckung kann beispielsweise eine oftmals in zeitlichen Abständen erforderliche Reinigung des Behandlungsraums erleichtern oder die Umhüllung gegenüber dem Behandlungsraum abschirmen und vor einer Beeinträchtigung oder Beschädigung bewahren, die beispielsweise durch Nebenprodukte oder Begleiterscheinungen bei der Behandlung der Objekte verursacht werden könnte.
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Für viele Anwendungsbereiche ist ein zylinderförmig ausgestalteter Behandlungsraum vorteilhaft. Die Abdeckung kann dann beispielsweise eine Röhre aus Quarzglas sein, die in den zylinderförmigen Behandlungsraum eingepasst ist.
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Im Hinblick auf eine möglichst effiziente und gezielte Abstrahlung der Mikrowellen in den Behandlungsraum hinein kann einer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens zu Folge vorgesehen sein, dass die Abdeckung im Bereich der Einstrahlöffnung eine gekrümmte äußere Mantelfläche aufweist, und dass das Abstrahlelement eine an die gekrümmte äußere Mantelfläche angepasste Formgebung aufweist. Durch die gekrümmte und an die äußere Mantelfläche der Abdeckung angepasste Formgebung des Abstrahlelements kann erreicht werden, dass das Abstrahlelement mit seiner dem Behandlungsraum zugewandten Oberfläche spaltfrei an der Abdeckung im Bereich der Einstrahlöffnung anliegt. Unerwünschte Luftspalte, welche eine Ionisierung von Luft oder Gas oder einen elektrischen Überschlag in der Umgebung des plattenförmigen Abstrahlelements ermöglichen könnten und insbesondere bei hohen Mikrowellenleistungen zu einer unerwünschten Beeinträchtigung oder Beschädigung des Abstrahlelements oder dessen Umgebung führen könnten, werden dadurch vermieden. Durch eine gekrümmte Formgebung der Oberfläche des Abstrahlelements kann zudem eine vorteilhafte Strahlungscharakteristik und gegebenenfalls eine Fokussierung der von dem Abstrahlelement abgestrahlten Mikrowellen in dem Behandlungsraum vorgegeben werden.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass zwei oder mehr Abstrahlelemente beabstandet zueinander an dem Behandlungsraum angeordnet sind. Die erfindungsgemäß ausgestalteten Abstrahlelemente ermöglichen die Einkopplung einer hohen Mikrowellenleistung in den Behandlungsraum. Würden ohne ein erfindungsgemäßes Abstrahlelement angebundene Wellenleiter oder beispielsweise Wellenleiter mit herkömmlichen Abstrahlelementen ohne zirkular polarisierende Abstrahlcharakteristik für die Abstrahlung der Mikrowellen in den Behandlungsraum verwendet werden, so könnte nicht ohne Weiteres ausgeschlossen werden, dass in dem Behandlungsraum reflektierte oder von einem anderen Abstrahlelement abgestrahlte Mikrowellen mit dem betreffenden Abstrahlelement rückkoppeln und zurück in den Wellenleiter übertragen werden, in welchem sie sich von dem Behandlungsraum weg ausbreiten könnten und an einem dem Behandlungsraum entgegengesetzten Ende des Wellenleiters austreten oder dort angeordnete elektrische oder elektronische Komponenten beschädigen können. Durch die Verwendung der erfindungsgemäß ausgestalteten Abstrahlelemente wird die unerwünschte Rückkopplung von Mikrowellen aus dem Behandlungsraum zurück in den Koaxialleiter reduziert und gegebenenfalls weitestgehend verhindert. Es können deshalb zwei oder mehr Abstrahlelemente beabstandet zueinander an dem Behandlungsraum angeordnet sein und gleichzeitig zur Einspeisung von Mikrowellen in den Behandlungsraum verwendet werden.
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Insbesondere bei einer außermittigen Anordnung der Abstrahlelemente relativ zu dem jeweils zuführenden Wellenleiter kann vorgesehen sein, dass zwei Abstrahlelemente auf einander gegenüberliegenden Seiten an dem Behandlungsraum angeordnet sind. Durch die Abstrahlung von überwiegend oder ausschließlich zirkular polarisierten elektromagnetischen Wellen kann der Anteil von elektromagnetischen Wellen in dem Behandlungsraum, die über ein Abstrahlelement aufgenommen und in den daran angeschlossenen Wellenleiter zurück übertragen werden können, so weit reduziert werden, dass die Rückkopplung der elektromagnetischen Wellen aus dem Behandlungsraum in die angeschlossenen Koaxialleiter vernachlässigt werden kann und keine zusätzlichen Abschirmvorrichtungen oder Schutzmaßnahmen erforderlich sind.
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Es kann zweckmäßig sein, dass jedes Abstrahlelement individuell angesteuert und unabhängig von anderen Antennenelementen für die Einspeisung von Mikrowellen in den Behandlungsraum verwendet werden kann. Eine Intensität und Feldverteilung der in den Behandlungsraum eingestrahlten Mikrowellen kann dann individuell und sehr variabel vorgegeben werden. Durch die Anordnung von mindestens zwei Abstrahlelementen auf derselben Seite des Behandlungsraums kann die von dieser Seite des Behandlungsraums bewirkte Einstrahlung der Mikrowellen und die von dieser Seite des Behandlungsraums aus erzeugte Intensität und Feldverteilung innerhalb des Behandlungsraums in einfacher Weise sehr vielfältig variiert und vorgegeben werden.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele des Erfindungsgedankens näher erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigt:
- 1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Mikrowellenerzeugungseinrichtung, mit einem Behandlungsraum und mit einem Wellenleiter, der mit der Mikrowellenerzeugungseinrichtung verbunden ist und über ein Abstrahlelement in den Behandlungsraum mündet,
- 2 eine schematische Schnittansicht einer abweichend ausgestalteten erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Zuführen von Mikrowellen in einen Behandlungsraum, wobei der Wellenleiter als Koaxialleiter ausgebildet ist,
- 3 eine perspektivische Schnittansicht eines Koaxialleiters mit einem damit verbundenen Abstrahlelement mit einem plattenförmigen Abstrahlkörper,
- 4 eine Draufsicht auf einen plattenförmigen Abstrahlkörper,
- 5 eine schematische Schnittansicht eines Teilbereichs eines Behandlungsraums, an welchem ein erfindungsgemäßes Antennenelement angeordnet ist, das über ein Koaxialleiter mit einer Mikrowellenerzeugungseinrichtung verbunden ist,
- 6 eine perspektivische Schnittansicht einer abweichend ausgestalteten Vorrichtung,
- 7 eine Darstellung eines abweichend ausgestalteten Abstrahlelements,
- 8 eine weitere Darstellung eines wiederum abweichend ausgestalteten Abstrahlelements, und
- 9 eine weitere Darstellung eines wiederum abweichend ausgestalteten Abstrahlelements.
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In 1 ist schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Behandlung von Produkten in einem Behandlungsraum 2 dargestellt. Der Behandlungsraum 2 ist zylinderförmig ausgebildet und von einer Umhüllung 3 aus einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise aus Metall, umgeben. Die Vorrichtung weist einen Wellenleiter 4 auf, der an einem Ende 5 mit einer Mikrowellenerzeugungseinrichtung 6 verbunden ist, und dessen anderes gegenüberliegendes Ende 7 in den Behandlungsraum 2 mündet. An seinem in den Behandlungsraum 2 mündenden Ende 7 ist ein Abstrahlelement 8 angeordnet. Das Abstrahlelement 8 ist so ausgebildet, dass es überwiegend oder ausschließlich zirkular polarisierte elektromagnetische Wellen in den Behandlungsraum 2 abstrahlt. Eine unerwünschte Rückkopplung von Mikrowellen aus dem Behandlungsraum 2 zurück in den Wellenleiter 4, die dann zu der Mikrowellenerzeugungseinrichtung 6 hin weitergeleitet werden könnten und diese beschädigen könnten, wird durch die Ausgestaltung des Abstrahlelements 8 weitgehend reduziert. Es ist deshalb nicht erforderlich, dass zwischen dem Behandlungsraum 2 und der Mikrowellenerzeugungseinrichtung 6 eine Schutzeinrichtung angeordnet wird, mit welcher solche rückgekoppelten und sich in Richtung der Mikrowellenerzeugungseinrichtung 6 ausbreitende Mikrowellen unterdrückt oder von der Mikrowellenerzeugungseinrichtung 6 ferngehalten werden.
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In 2 ist schematisch eine Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäß ausgestalteten Vorrichtung 1 zum Zuführen von Mikrowellen in den Behandlungsraum 2 dargestellt. Die jeweiligen Formgebungen und Abmessungen dienen wie in allen Figuren lediglich der Veranschaulichung und sind insbesondere nicht maßstäblich dargestellt. Eine Innenseite 9 der Umhüllung 3 ist vollständig von einer Abdeckung 10 aus einem mikrowellentransparenten dielektrischen Festkörpermaterial abgedeckt. Die Abdeckung 10 kann beispielsweise ein Rohr aus Quarzglas sein. In der Umhüllung 3 sind auf einander gegenüberliegenden Seiten zwei Einstrahlöffnungen 11 ausgebildet.
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In jede Einstrahlöffnung 11 mündet ein als Koaxialleiter ausgebildeter Wellenleiter 4, über den Mikrowellen dem Behandlungsraum 2 zugeführt werden können.
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Ein in den Behandlungsraum 2 mündendes Ende 12 eines elektrisch leitenden Außenleiters 13 des Wellenleiters 4 ist elektrisch leitend mit der Umhüllung 3 verbunden. Ein elektrisch leitender Innenleiter 14 des Wellenleiters 4 ist bis an die Abdeckung 10 herangeführt und mündet in das Abstrahlelement 8. In dem Behandlungsraum 2 befindet sich ein mit einer lang gestrichelten Linie dargestellter und umrandeter Produktbehandlungsbereich 15, der einen vergleichsweise geringen Abstand von weniger als einer Wellenlänge der eingestrahlten Mikrowellen zu den jeweiligen Abstrahlelementen 8 aufweist.
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Das in 3 in einer Detailansicht vergrößert dargestellte Abstrahlelement 8 weist einen plattenförmigen Abstrahlkörper 16 auf, der quer zu einer Längsrichtung des Wellenleiters 4 im Mündungsbereich der Einstrahlöffnung 11 angeordnet ist. Der plattenförmige Abstrahlkörper 16 weist eine dem Behandlungsraum 2 zugewandte Oberfläche 17 auf. Der plattenförmige Abstrahlkörper 16 ist elektrisch leitend mit dem Innenleiter 14 verbunden, aber nicht elektrisch leitend mit dem Außenleiter 13. Über den Wellenleiter 4 können während eines Betriebs der Vorrichtung 1 Mikrowellen dem Behandlungsraum 2 zugeführt werden, die über das Abstrahlelement 8 durch die Abdeckung 10 hindurch in den Behandlungsraum 2 eingestrahlt werden. Das an einem dem Behandlungsraum 2 zugewandten Ende 12 des Wellenleiters 4 angeordnete Abstrahlelement 8 mit dem plattenförmigen Abstrahlkörper 16 bewirkt die Abstrahlung von zirkular polarisierten elektromagnetischen Wellen.
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Das in 3 in einer Detailansicht gezeigte Abstrahlelement 8 ist in einem umgebenden Gehäuse in einer geschnittenen perspektivischen Ansicht vergrößert dargestellt. Der plattenförmige Abstrahlkörper 16 ist von einem topfförmig ausgestalteten Abstrahlelementgehäuse 18 umgeben, welches zur Kontaktierung mit der Umhüllung 3 und zur Abschirmung der Umgebung aus einem elektrisch leitenden Material wie beispielsweise Metall hergestellt ist. Der Außenleiter 13 des als Koaxialleiter ausgebildeten Wellenleiters 4 mündet in das Abstrahlelementgehäuse 18, welches über einen Befestigungsflansch 19 elektrisch leitend mit der Umhüllung 3 verbunden werden kann. Der plattenförmige Abstrahlkörper 16 ist beabstandet zu einer Rückseite 20 des topfförmigen Abstrahlelementgehäuses 18 angeordnet. Zwischen der Rückseite 20 des Abstrahlelementgehäuses 18 und einer von dem Behandlungsraum 2 abgewandten Oberfläche 21 des Abstrahlkörpers 16 ist ein Abstand ausgebildet. Ein Innenraum 22 des topfförmigen Abstrahlelementgehäuses 18 ist mit einem in 3 nicht dargestellten dielektrischen Festkörpermaterial wie beispielsweise Kunststoff oder Keramik aufgefüllt.
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Die dem Behandlungsraum 2 zugewandte Oberfläche 17 des plattenförmigen Abstrahlkörpers 16 weist einen auch in 3 gezeigten überwiegend rechteckig verlaufenden Umfangsrand 23 auf, der an zwei gegenüberliegenden Ecken einen diagonal verlaufenden Abschnitt 24 aufweist. Der plattenförmige Abstrahlkörper 16 ist außermittig relativ zu dem Wellenleiter 4 angeordnet und außermittig mit dem Innenleiter 14 des Wellenleiters 4 verbunden. Auf diese Weise wird eine überwiegend bis nahezu ausschließlich zirkular polarisierte elektromagnetische Welle von dem plattenförmigen Abstrahlkörper 16 in den Behandlungsraum 2 abgestrahlt. Von elektromagnetischen Wellen, die aus dem Behandlungsraum kommend auf das Abstrahlelement 8 mit dem plattenförmigen Abstrahlkörper 16 auftreffen, kann nur ein entsprechend gegenläufig zirkular polarisierter Anteil über das Abstrahlelement 8 in den Wellenleiter 4 einkoppeln und sich anschließend in dem Wellenleiter 4 von dem Behandlungsraum 2 weg ausbreiten. Auf diese Weise wird eine unerwünschte Rückkopplung von dem Behandlungsraum 2 zugeführten Mikrowellen aus dem Behandlungsraum 2 heraus und zurück in den Wellenleiter 4 weitestgehend unterdrückt.
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In 4 ist lediglich beispielhaft eine Draufsicht auf ein identisch ausgestaltetes Abstrahlelement 8 mit einem rechteckigen topfförmigen Abstrahlelementgehäuse 18 dargestellt. In dieser Draufsicht ist zur Verdeutlichung der von dem plattenförmigen Abstrahlkörper 16 verdeckte Wellenleiter 4 mit dem Außenleiter 13 und dem Innenleiter 14 gestrichelt dargestellt. Die außermittige Anordnung des plattenförmigen Abstrahlkörpers 16 relativ zu dem als Koaxialleiter ausgebildeten Wellenleiter 4 ist deutlich erkennbar.
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In 5 ist lediglich zur Veranschaulichung ein Bereich des Behandlungsraums 2 mit einer Einstrahlöffnung 11, einem darin angeordneten Abstrahlelement 8 und einem in das Abstrahlelement 8 mündenden und als Koaxialleiter ausgebildeten Wellenleiter 4 dargestellt, wobei ein von dem Behandlungsraum 2 abgewandtes Ende des Wellenleiters 4 unmittelbar mit der Mikrowellenerzeugungseinrichtung 6 verbunden ist. Die Mikrowellenerzeugungseinrichtung 6 weist einen Festkörpermikrowellengenerator auf und ist dazu geeignet und ausgelegt, in einem dauerhaften Betrieb eine Mikrowellenleistung von mehr als 1.000 Watt zu erzeugen, die über den Wellenleiter 4 dem Behandlungsraum 2 zugeführt werden kann und von dem Abstrahlelement 8 in den Behandlungsraum 2 eingestrahlt wird. Durch den Verzicht auf zusätzliche Schutzeinrichtungen für die Mikrowellenerzeugungseinrichtung 6 vor rückgekoppelten und sich über den Wellenleiter 4 von dem Behandlungsraum 2 in Richtung der Mikrowellenerzeugungseinrichtung 6 ausbreitenden Mikrowellen ist eine sehr raumsparende und effiziente Zuführung von Mikrowellen zu dem Behandlungsraum 2 möglich.
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In 6 ist zur Veranschaulichung in einer perspektivischen geschnittenen Ansicht eine weitere erfindungsgemäß ausgestaltete Vorrichtung 1 zum Zuführen von Mikrowellen in den Behandlungsraum 2 mit nur einem Bereich des Behandlungsraumes 2 dargestellt. Im Unterschied zu der in 5 dargestellten Ausgestaltung ist der Wellenleiter 4 zum Zuführen von Mikrowellen als rechteckförmiger Hohlleiter 25 ausgeführt. Der aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehende Hohlleiter 25 ist elektrisch leitend mit der Umhüllung 3 des Behandlungsraumes 2 verbunden. Der plattenförmige Abstrahlkörper 16 des Abstrahlelements 8 ist im Unterschied zu 1 mit einem Übergangselement 26 verbunden, welches in einem Mündungsbereich in dem Hohlleiter 25 angeordnet ist. Das Übergangselement 26 unterstützt und begünstigt in vorteilhafter Weise den Übergang der Mikrowellen aus dem Hohlleiter 25 über das Abstrahlelement 8 in den Behandlungsraum 2.
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Der Abstrahlkörper 16, der in einem Abstand zur Abdeckung 10 angeordnet ist, kann ein einem Bereich 27 bei der Einstrahlöffnung 11 von einem dielektrischen Material umgeben sein, welches von dem Hohlleiter 25, der Abdeckung 10 und der Umhüllung 3 in Position gehalten wird.
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In den 7 bis 9 sind beispielhaft verschiedene Ausgestaltungen von Abstrahlelementen 8 gezeigt, die jeweils für die Abstrahlung von zirkular polarisierten elektromagnetischen Wellen vorgesehen und ausgelegt sind. Im Unterschied zu den vorangehend gezeigten Abstrahlelementen 8 weisen die in den 7 bis 9 gezeigten Abstrahlelemente 8 jeweils elektrisch leitende planare Abstrahlgebilde 28 auf, die beispielsweise auf einer Leiterplatte 29 oder auf einer Trägerplatte aus einem geeigneten dielektrischen Material aufgebracht sind. Die beiden in den 7 und 8 gezeigten Abstrahlelemente 8 weisen einen elektrisch leitfähigen Rahmen 30 mit einer Ausnehmung 31 auf, in der eine Abstrahlantenne 32 angeordnet ist, die in geeigneter Weise mit dem Wellenleiter 4 verbunden ist. Das in 9 gezeigte Ausführungsbeispiel weist ausgehend von einer mittig angeordneten elektrisch leitfähigen Kontaktierung 33 mit dem Wellenleiter 4 zwei spiralförmig radial nach außen abstehende Abstrahlarme 34 auf.
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Die in den 7 bis 9 exemplarisch gezeigten Ausführungsbeispiele für planare Abstrahlelemente 8 eignen sich insbesondere für eine Kombination mit ebenfalls planar ausgebildeten Wellenleitern 4. Derartige Abstrahlelemente 8 können mit einer geeigneten Anpassung und Dimensionieren aber auch mit als Hohlleiter oder Koaxialleiter ausgebildeten Wellenleitern 4 kombiniert werden, wobei ein geeigneter Übergang für die Mikrowellen aus dem Hohlleiter in die planaren Gebilde 28 zweckdienlich ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017121732 A1 [0007]
- DE 102017121731 A1 [0007]