DE2424778A1

DE2424778A1 - Wellenleiterfilter, insbesondere fuer mikrowellengeraete

Info

Publication number: DE2424778A1
Application number: DE2424778A
Authority: DE
Inventors: Richard Ironfield
Original assignee: Amana Refrigeration Inc
Current assignee: Goodman Co LP
Priority date: 1973-06-04
Filing date: 1974-05-22
Publication date: 1975-01-02
Also published as: AU468604B2; IT1011481B; NL7407288A; AU6827874A; JPS5021348A; SE7407250L; ZA742664B; CA960314A; CH579324A5; GB1442227A; DK295074A; SE393486B

Description

PATENTANWÄLTE .... , , _οο

DR.-PHIL. G. NICKEL-DR.-1NC J. DORNER ^MunChen» ^{άθ11 2 2} '

8M0NCHEN15 Anwaltsaktenz.: 27 - Pat.

LANDWEHRSTR. 35 · POSTFACH 104

TEL. IO8 1I) S5S7I9

Amana Refrigeration Inc., Amana, Iowa, Vereinigte Staaten von Amerika .

Wellenleiterfilter, insbesondere für Mikrowellengeräte

Die Erfindung betrifft ein Wellenleiterfilter, insbesondere für ein elektromagnetisches Energieübertragungssystem für Mikrowellengeräte mit einem Tiefpaßfilter zur Erzielung einer vorbestimmten Ausbreitungscharakteristik, um eine Übertragung von Energie bei Oberschwingungen der gewünschten Betriebsfrequenz im wesentlichen zu unterdrücken, sowie mit einem Körper, der im Abstand voneinander angeordnete, quer zur Richtung der Energieausbreitung in diesem System sich erstreckende Rippen besitzt.

Solche Energieübertragungssysteme für Mikrowellengeräte dienen zur Erwärmung von Gegenständen. Als Generator kann eine beliebige Mikrowellenquelle verwendet werden, z.B. ein Magnetron, wie es bei den Radaranlagen im zweiten Weltkrieg verwendet wurde. Die Mikrowellenenergie des Generators wird durch einen-Hohlleiter in das Innere einer Kammer geleitet. In der Kammer sind mehrere Energieschwingungszustände möglich. Die Generatoren werden mit nieder-

409881/1096

-1-

frequentem Netzwechselstrom betrieben, welcher Stromversorgungseinrichtung en speist, die hohe Gleichspannungen erzeugen. Der Wechselwirkungsbereich wird von einer zentralen Emissionskathode und einer in Umfangsrichtung angeordneten Hohlraumresonatoranode bestimmt. Die Elektronen werden in Richtung auf die Hohlraumresonatoren beschleunigt und eine speichenartig verteilte Raumladung rotiert längs einer im wesentlichen spiralartigen Bahn in dem Wechselwirkungsbereich und löst die hochfrequenten Schwingungen aus. In solchen Vorrichtungen bezeichnet man den bevorzugten TE-jQ-Schwingungszustand alsIT-Modus, und meistens verwendet man, zur Gewährleistung des richtigen Phasenzustandes der Energie, den w -Modus, wobei N die Anzahl der Hohlraumresonatoren bezeichnet.

In verschiedenen Ländern haben Behörden und Ämter Bestimmungen erlassen, welche vorschreiben, daß bei Mikrowellenofen der Austritt hochfrequenter Energie gesteuert oder unterdrückt wird. Für Mikrowellenofen sind Frequenzen von entweder 915 MHz oder 2450 MHz vorgeschrieben. Im .privaten Bereich wird vorwiegend die letztgenannte Frequenz verwendet. Der Begriff "Mikrowelle" bedeutet in der folgenden Beschreibung den Anteil des elektromagnetischen Energiespektrums, dessen Wellenlängen inder Größenordnung von. 1 m bis 1 mm liegen und dessen Frequenzen 300 MHz bis 300 GHz betragen.

Bei dem Schutz von Mikrowellenvorrichtungen bilden die länglichen Energiedichtungen um die Zugangsöffnung ein besonderes Problem. Dieses Problem resultiert daraus, daß die Generatoren außer der Betriebs-

409881/1096

-2-

frequenz von 245o MHz noch, die entsprechenden Oberschwingungen erzeugen. Außerdem liefern die Generatoren Schwingungen in angrenzenden Schwingungszuständen, z.B. im S - -1 -Modus. Es ist deshalb notwendig, Energiedichtungen vorzusehen, welche die Oberschwingungen der Grundschwingung des als Generator verwendeten Magnetrons absorbieren. Solche Sicherheitsvorrichtungen umfassen zusätzliche, längliche , energieabsorbierende Körper aus Gummi oder Kunststoff, welche Kohlenstoffderivate, Ferrite oder dergleichen enthalten; diese Körper sind neben der Ofentür vorgesehen und bilden eine zweite Energiedichtung. Diese Körper werden aber im Betrieb schnell erwärmt, wodurch ihre Lebenszeit verkürzt wird und andere Probleme hervorgerufen werden.

Bei herkömmlichen Mikrowellenofen werden rechteckige V/ellenleiter zur Übertragung der Energie von dem Generator verwendet. Solche V/ellenleiter stellen naturgemäß Hochpaßfilter mit einer Schwellwert- oder Grenzfrequenz dar, unterhalb welcher die Anregungsfelder exponentiell abnehmen. Die Grenzfrequenz hängt sowohl von der Geometrie des Wellenleiters als auch von dem besonderen·, angeregten Schwingungszustand ab. Für den normalen TE₁₀ -Schwingungszustand beträgt die Wellenlänge der Grenzfrequenz ungefähr A_c= 2a, wobei "a" die Breite des Wellenleiters ist. Es ist deshalb schwierig, in den rechteckigen Wellenleitern besondere Filter' zur Dämpfung von Wellenleiter-Schwingungszuständen höherer Ordnung der Oberschwingungen, wie die erste Oberschwingung von 4900 MHz bei einer Mikrowellenofenfrequenz von 2450 MHz vorzusehen. Dies hat dazu geführt, daß man verwandte Energie geduldet hat, welche durch Absorption im Dichtungsmaterial beeinflußt wurde, welches im Bereich der Ofentür angeordnet war.

409881/1096

-3-

Einige primäre, grundlegende Energiedichtungen, welche elektrische Drosseln bilden, sind aus den "US-Patentschriften 3 182 169 und 3 584 177 bekannt. Diese elektrischen Drosseln, sind im allgemeinen im Bereich der Öffnung des Ofens oder in der Ofentür selber vorgesehen. Solche Energiedrosseln sind jedoch im allgemeinen so ausgelegt, daß sie primär nur die entweichende Energie der Grundfrequenz beeinflussen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Y/ellenleiterf ilter für Mikrowellengeräte der eingangs erwähnten Art so auszugestalten, daß es im wesentlichen bei allen Wellenleiter-Schwingungszuständen beliebiger Oberschwingungen der Betriebsfrequenz anspricht.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß jede dieser Rippen eine Anzahl zueinander ausgerichteter Schlitze aufweist, um Übertragungsformen höherer Ordnung dieser Oberschwingungen (das sind Schwingungsarten TE₂₀, TE, usw.) im wesentlichen zu unterdrücken.

Mit Vorteil ist die Gesamtzahl der Schlitze in jeder Rippe im wesentlichen gleich der ersten Ziffer in der Bezeichnung, die die höchste der zu unterdrückenden Übertragungsformen kennzeichnet.

Die geschlitzten Rippen sind zweckmäßigerweise symmetrisch auf gegenüberliegenden Seiten des Körpers angeordnet.

409881/1096

Das Tiefpaß-V/ellenleiterfilter gemäß der Erfindung ist also für einen Energieabgabeabschnitt des Mikrowellengerätes vorgesehen. Eine Reihe von Leerlauf- und Kurzschlußleitwerten, die vorbestimmte elektrische Grenzparameter besitzen, werden von symmetrisch angeordneten Halbbereichen mit identischen Bildparametern gebildet. Die Rippen, die geschlitzt sind, bestimmen eine Reihe von Begrenzungen und Abständen, um die erforderlichen Induktanzen und Kapazitäten vorzusehen. Die Abstände zwischen den Rippen können gleichmäßig oder ungleichmäßig sein. Für Mikrowellengeräte, die eine Betriebsfrequenz von beispielsweise 2450 MHz erfordern, besitzt das Tiefpaßfilter einen Durchlässigkeits- oder Übertragungsbereich, der unter der Grenzfrequenz liegt, beispielsweise von 2800-3200 MHz. Das Unterbrechungsband oder der Zurückweisungsbereich erstreckt sich über die Ubertragungsfrequenzen hinaus, der beträgt beispielsweise 3000 - 6000 MHz, wobei in diesem Frequenzbereich praktisch keine Energieausbreitung vorhanden ist.

Benachbarte Schwingungszustände, wie der « - 1 Modus,besitzen im allgemeinen Frequenzbereiche von 3900 - 42oo MHz, Erste und höhere Oberschwingungen der Grundfrequenz liegen bei annähernd 4-900 MHz. All diese Energieühertragungskomponenten sowie Wellenleiter-Schwingungszustände höherer Ordnung dieser Frequenzen werden wirksam zurückgewiesen. Transformierende Endabschnitte sind zu einer verbesserten Anpassung des Filters an die vom Generator erzeugte Energie und an die Ofenkapazität vorgesehen.

Durch das Herausfiltern von Oberschwingungen-entfällt die' Notwendigkeit oder ist diese zumindest verringert, zu _

sätzlich zur primären Energiedichtung noch ausgedehnte

-5-409881/1096

absorbierende Körper um die Ofentür herum anzuordnen. Deshalb können anstelle der bisher verwendeten Dichtungen aus Gummi oder Kunststoff, welche Kohlenstoffderivate, Ferrite oder dergleichen enthielten, einfache Kunststoff- oder Gummimaterialien verwendet werden, welche wesentlich billiger sind.

Das Wellenleiterfilter kann aus beliebigen Leichtmetallmaterialien, wie Aluminium, hergestellt werden, · um die gerillte Anordnung mit den geschlitzten Rippen und den dazwischenliegenden Abständen hervorzubringen. Das Wellenleiterfilter ist an ödem Wellenleiterabgabeabschnitt durch beliebige, an gegenüberliegenden Wellenleiterwänden vorhandene Befestigungsmittel befestigt.

Die Erfindung ist im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels und in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Im einzelnen zeigen:

Figur 1 eine perspektivische Ansicht eines Mikrowellenofens mit einem Wellenleiterfilter, teilweise im aufgebrochenen Schnitt,

Pigur 2 einen vertikalen Schnitt durch die in Figur t gezeigte Ausführungsform,

Figur 3 eine vergrößerte, perspektivische Ansicht eines Wellenleiterfilters,

Figur 4 eine andere Ausführungsform eines Wellenleiterfilters,

Figuren Teilansichten der in Figur 4 ge-4a und 4b zeigten Ausführungsform,

409881/1096

-6-

Figur 5

eine Ansicht einer weiteren Aubführungsform,

Figur 6

einen Teil der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform in vergrößerter Dar stellung, welche einen Teil einer herkömmlichen Türabdichtung zeigt, die als Drossel ausgebildet ist,

Figur 7

eine perspektivische Ansicht eines Wellenleiterfilters gemäß der Erfindung mit geschlitzten Rippen sowie mit einem abgebrochenen Teil des Energieabgabeabschnittes,

Figuren
8a und 8b

Abbildungen der elektrischen und magnetischen Felder, der Schwingungsart,

Figuren 9a und 9b

ähnliche Abbildungen für die Schwingungsart,

Figur 10

eine Draufsicht auf eine Ausführungsform der Erfindung zum Unterdrücken der TE₂₀-, TE,_Q-Schwingungsarten der Oberschwingungen,

Figur 11

einen Querschnitt längs der Schnittlinie 11 - 11 in Figur 10 und

Figur 12

eine Seitenansicht der in den Figuren 10 und 11 dargestellten Ausführungsformen.

-7-

409881 / 1096

In den Figuren 1 und 2 ist ein Mikrowellenofen 10 dargestellt. Der Ofen umfaßt leitende Boden- und Deckenwände 12 und Seitenwände 14» welche eine Kammer 16 begrenzen, welche eine öffnung (nicht sichtbar) aufweist, die durch eine Tür 18 verschlossen ist, die seitlich oder am Boden angelenkt oder auch verschiebbar ist und mit Hilfe eines Griffes 20 betätigt werden kann. Auf einer Steuerplatte 22 neben der Tür sind Zeitschalter und 26 und Einschalt-, Ausschalt- und Lichtknöpfe 28,3o bzw. 32 angeordnet.

Die elektromagnetische Energie wird von einem Magnetron erzeugt. Solche Generatoren sind bekannt, und v/eitere Einzelheiten ergeben sich aus dem Aufsatz "Microwave Magnetrons", Radiation Laboratory Series, Vol. 6 von G.B. Collins, McGraw-Hill Book Company, Inc., 1948 und aus der US-Patentschrift 3 531 613. Solche Generatoren werden von Hochspannungs-Versorgungsschaltungen 36, die ebenfalls bekannt sind, mit Energie versorgt. Die erzeugte Energie wird über eine Sondenantenne 38» welche sich in einem dielektrischen Dom 40 befindet, an die Ofenkammer weitergegeben. Die Energie wird in einen Abgabeabschnitt 42 eines rechteckigen Wellenleiters, in welchen der Dom durch eine öffnung 44 hineinragt, abgegeben. Die Decke 12 der Ofenkammer trägt den Wellenleiterabschnitt 42. Dieser Abschnitt ist an einem Ende durch eine Abschlußwand 46 geschlossen und die Antenne 38 befindet sich in einem vorbestimmten Abstand von dieser Wand 46, damit die Mikrowellenenergie optimal abgegeben werden kann. Diese Energie wird über das innere, offene Ende 48 des Wellenleiterabschnitts an die Ofenkammer 16 abgegeben.Die Verteilung der Energie zur Entwicklung des gewünschten Erwärmungsmusters wird mit Hilfe bekannter Einrichtungen, z.B. mit Hilfe eines Flügelrades 50 er-

409881/1096

-8-

2A24778

reicht, welches mehrere Paddel 52 aufweist und von einem Motor 54 angetrieben wird, der von der Decke 12 gehalten wird. Die zu erwärmenden Gegenstände werden in der Kammer 16 auf einer dielektrischen Platte 56 getragen, welche eine Vertiefung in der Bodenwand 12 überspannt, damit die Verteilung der elektromagnetischen'. Energie auf alle Seiten der Gegenstände erleichtert wird.

Ein Wellenleiterfilter 58, welches im wesentlichen eine geriffelte Form aufweist, ist in dem Abgabebereich 42 des Wellenleiters zwischen der Antenne 38 und dem offenen Ende 48 angeordnet. Die Abstände zwischen dem Ende des Wellenleiterfilters 58 und der inneren Kante 60 des inneren Endes und zwischen dem Wellenleiterfilter 58 und der Antenne 38 sind vorzugsweise gleich groß, damit man eine effektive Anpassung zwischen den entsprechenden Teilen erhält. Das v/ellenleiterf ilter 58 ist an den schmalen Wänden 62 in einem solchen Abstand von den breiten Wänden 64 des Wellenleiters angeordnet, daß zwei im wesentlichen gleiche und identische Wege 66 und 68 für die Energiefortpflanzung begrenzt werden.

Anhand der figuren 3 und 4 wird jetzt das geriffelte Wellenleiterfilter 58 beschrieben und analysiert. In einem Aufsatz "Analysis of a Wide-Band Waveguide Filter" von Seymour B. Cohn, erschienen in Proceedings of the IRE, Juni 1949, 651-656 wird ein hohler Hochpaßfilter für einen rechteckigen Wellenleiter beschrieben und diskutiert. Solche Ausbreitungsvorrichtungen haben normalerweise eine ihnen innewohnende, charakteristische Grenzfrequenz, welche für die TE_1Q-Schwingungsart zweimal die Dimension "a" der breiten v/ellenleiterwände beträgt. Eine Energie unterhalb dieser Grenzfrequenz klingt exponentiell ab und deshalb bestand bisher, im Hinblick auf die

-9- 409881 /1096

2Z.24778

körpereigenen Ausbreitungseigenschaften, kaum ein Bedarf an weiteren Filtern. In dem oben genannten Aufsatz wird versucht, die Bandbreite solcher Filter dadurch zu erhöhen, daß eine Reihe alternierender Rippen und Abstände vorgesehen wird, welche Einschnürungen und Kammern begrenzen, die für die Energieausbreitung innerhalb ihrer Grenzen ein verlustfreies -Filter bilden..Jeder Abschnitt des gesamten Filters hat eine vorbestimmte Grenzfrequenz, und der gesamte Leitwert des Filters (der Kehrwert der Impedanz) steht in einem Verhältnis zum Kurzschluß- und Leerlaufleitwert jedes Abschnittes. Alle Leitwerte sind bezüglich der charakteristischen Leitwerte eines rechteckigen Wellenleiters mit einer Breite "a" und einer Höhe "b" normalisiert. Der charakteristische Leitwert des Leiters ist umgekehrt proportional zu "b", falls ."a" konstant gehalten wird. Der Filter kann in identische, spiegelbildliche Abschnitte unterteilt sein, und die Parameter der klassischen Filtertheorie werden in dem Aufsatz zur Bestimmung der Höhe der Rippen und zur Bestimmung der Einschnürungen zwischen diesen verwendet, um ein Unterbrechungsband oder einen Zurückweisungsbereich mit einer Hauptwellenlänge Aejco zu entwickeln.

In Figur 4 ist ein halber Bereich 70 dargestellt, Eine Reihe von Formeln und Konstruktionsüberlegungen sind aus dem Artikel "Design Relations for Wide-Band Waveguide Filter" von demselben Autor in Proceedings of the IRE, Juli 1950, 799-803 bekannt. In diesem Aufsatz bezeichnet das Symbol Z die Breite der Kammern, durch welche die Energie sich ausbreitet, und das Symbol JL bezeichnet die Begrenzungen zwischen den Kammern. Das Symbol by bezeichnet die Höhe des Snd-

-10- 409881/1096

abschnitts des Wellenleiters, durch welche die Energie hindurchgelangt. Die Hälfte eines jeden Wellenleiterabschnitts 70 ( £/n) kann zu einem in Figur 4a gezeigten, kurzgeschlossenen Abschnitt reduziert werden. In ähnlicher Weise hat der genannte Autor die Leerlaufleitwerte mit Hilfe eines in Figur 4b gezeigten Modells analysiert*·.

Bei der Mikrowellenheizung werden zugewiesene Frequenzen von 2450 MHz oder 915 MHz verwendet, und die Energie, welche innerhalb der Ofenkammer verteilt werden soll, soll möglichst dicht bei diesen Frequenzen liegen. Eine breitbandige Ausbreitung hat deshalb geringe Folgen, und die Aufmerksamkeit wird ausschließlich, auf die Unterdrückung von dem Magnetron fremden Schwingungszuständen und von Oberschwingungen der Betriebsfrequenz gerichtet. In Figur stellt der halbe Abschnitt, der durch die ausgezogene Linie 72 angedeutet wird, das Modell dar, welches der genannte Autor zur Berechnung der Bildleitwerte des gesamten Filters und der Kurzschluß- und Leerlaufleitwerte jedes Abschnitts verwendet. Die gestrichelte Linie 74 bezeichnet eine Referenzebene, welche in der genannten Analyse eine Grenze bei der Berechnung der Grenzwellenlänge für den Durchlaßbereich und für den Unterbrechungsbereich eines rechteckigen Wellenleiters bildet. In dem Ausführungsbeispiel fällt die Linie 74 mit der Längsachse eines Wellenleiterabschnitts zusammen. Aus der genannten Analyse wurde eine Gleichung zur Ableitung eines Wertes b_Q entwickelt, der gleich ^m"ta-(Xa₁/X^)*' ist. Dabei bezeichnet das Symbol A^ die Grenzwellenlänge des Filters, Agj. bezeichnet die Abstimmungswellenlänge, bei welcher die Filterimpedanz auf die Abschlußimpedanz abgestimmt ist, und bm bezeichnet die Höhe des Abschlußbereiches des Leiters. Mit Verwendung der Bildparameter wird es möglich, sowohl die Höhe der Rippen und der Endabschnitte, als auch die Dicke der dazwischenliegenden Begrenzungsabschnitte zu berechnen. Der symmetrische Aufbau wird aus dem identischen Modell entwickelt, welches durch die Grenzlinie 72' bestimmt ist.

409881/1096

-11-

2A24778

Nach einem älteren Vorschlag, auf den auch die vorliegende Erfindung zurückgreift, wurde, anstatt die Energie über eine Wellenleiterfilteranordnung zu übertragen eine feste oder dlssLpative Anordnung entwickelt. Die Energie wird längs eines Weges 66, der von einem halben Filterabschnitt 72 gebildet wird, weitergelei- _r- ' fet, und der Rest der elektromagnetischen Energie wird längs eines identischen V/eges 68 geleitet, der von dem Abschnitt 72' gebildet wird. Die äquivalenten Kapazitäten und Induktanzen werden theoretisch bestimmt und normalisiert, damit die entsprechenden Grenzleiterwellenlängen der gesamten Filteranordnung bestimmt werden und ein Unterbrechungsband oder ein Zurückweisungsbereich begrenzt wird, dessen Frequenz höher als die Grenzfrequenz des Wellenleiters ist. Solche Einrichtungen, die allgemein Tiefpaßfilter genannt werden, habe eine obere Grenze der Unterbrechungsbänder bei einem festen Wert, z.B. bei der sechsfachen Grenzfrequenz des Filters. Durch geeignete Transformation der Theorie bestimmen die Rippen die Begrenzungen, und die Räume zwischen ihnen bilden die Kammern. Die elektromagnetische Energie gelangt nicht durch die Filteranordnung hindurch, sondern sie wird stattdessen um-den Filter herumgeleitet, dessen Enden zur wirksameren Anpassung der Impedanzen des Wellenleiterfilters an den übrigen Aufbau in den transformierenden Abschnitten 76 und 78 enden.

Wie man in Figur 3 sieht, umfaßt das.Wellenleiterfilter eine Anzahl von Rippen 80 und 82 gleicher Höhe auf beiden Seiten eines Körpers 84, wodurch eine gerillte Anordnung entsteht. Die dazwischenliegenden Räume 86 werden von den Rippen gebildet und sind sowohl für das schmale Übertragungsband als auch für das breite Unterbrechungs- oder Sperrband schmaler als die Kammerbreite (£) in den oben genannten Aufsätzen.

-12- 409881/1096

Sowohl die normalisierte, charakteristische-Grenzwellenlänge Xg^ des Filters als auch die gewünschte Minimalgrenze des Sperrbandes für eine vorbestimmte Höhe b™ des Abgabeabschnitts eines rechteckigen Wellenleiters können mit einem Unterbrechungsband oder Sperrbereich bestimmt werden, welches vorzugsweise von 3000 MHz bis 6000 MHz reicht. Pur den Betrieb des Mikrowellenofens mit einer Frequenz von 2450 MHz lag die Grenzfrequenz in einem Fall zwischen 2800 und 3200 MHz. Das Unterbrechungs- oder Sperrband reichte von 3000 bis 6000 MHz und umfaßte sowohl die benachbarten Energieschwingungszustände als auch die erste Oberschwingurig der Betriebsfrequenz. Die Antenne 38 wurde zur optimalen Anpassung in einem Abstand von ungefähr 3,175 cm oder einer viertel Ϋ/ellenlänge von der Abschlußwand 46 des Abgabeabschnitts des Wellenleiters angeordnet. Das Ende des V/ellenleiterfilters 58 oder das Ende des Anpassungs- und Umwandlungsbereichs 76 befand sich in einem Abstand von ungefähr 3, 6513 cm von der Antenne 38. Das Ende des Anpassungs- und Umwandlungsabschnitts 78 des Wellenleiterfilters befand sich in einem Abstand von ungefähr 3,6513 cm von der inneren Kante 60 des offenen Endes 48 des Abgabebereichs des Wellenleiters, In dem Körper 84 sind. Löcher 88 vorgesehen, die dazu dienen, den Wellenleiter 58 mittels Metall- oder Nylonschrauben so an den Seitenwänden 62 zu befestigen, daß die Enden der Rippen 80 und 82 in einem Abstand von der Decke 64 des Wellenleiters und relativ zu diesem zentriert angeordnet werden. In Figur 3 sind die Rippen mit ungleichmäßigem Abstand voneinander dargestellt, was für einige Anwendungsfälle günstig ist, während die Rippen 90 in den Figuren 1 und 2 mit gleichmäßigem Abstand voneinander dargestellt sind, was für andere Anwendungsarten günstig ist. Der mit Rillen versehene Wellenleiter kann aus einem beliebigen leichtmetall, z.B. Aluminium, be-

40988 1/1096

-13-

stehen, und es können große Streifen solcher Strukturen sehr billig hergestellt und danach in beliebige Längen zerschnitten werden. Die Rippen weisen auf den gegenüberliegenden Seiten des Körpers die gleichen Abstände auf. Das Wellenleiterfilter kann eine beliebige Anzahl von Abschnitten aufweisen.

Es kann auch eine größere Anzahl von verschiedenen Abschnitten verwendet werden, wobei jeder Abschnitt eine schärfere, charakteristische Grenzfrequenz für verschiedene Sperrbereiche aufweist. Ein solcher Aufbau kann abgeschrägt sein, was zur Anpassung der Pilterimpedanz an die Impedanz des Abgabebereichs des rechteckigen Wellenleiters beiträgt. Die ersten Rippen 92 in Figur 5 haben eine Sperrbandfrequenz um 3500 MHz. Die weiteren Rippen 94 haben eine charakteristische Grenzfrequenz bei 4500 MHz. Die Rippen 96 haben eine Grenzfrequenz bei 5500 MHz. Es sind auch Anpassungs- * und Übertragungsabschnitte 98 vorgesehen. Diese verschiedenartige Anordnung einer Reihe von Abschnitten weist verschiedene Grenzfrequenzwerte auf, welche alle unerwünschten oder falschen Energieanteile unterdrückt, die außerhalb des gewünschten Betriebsschwingungszustandes und der gewünschten Betriebsfrequenzen liegen, wodurch der Wirkungsgrad der Erwärmung mit Mikrowellen erhöht wird.

Es wurde also ein besonderes Tiefpaßfilter für rechteckige Wellenleiterabschnitte entwickelt. Durch die Unterdrückung oder wesentliche Reduzierung unerwünschter Energieschwingungen ergeben sich bestimmte Vorteile gegenüber den bekannten Mikrowellenofen, welche periphere, längliche stark energieabsorbierende Dichtungsmaterialien verwenden, die die Zugangsöffnung umgeben,

-U- 409881/1096

■4S'

in Verbindung mit einer primären, drosselartigen Energieabdichtung, die in Figur 6 gezeigt ist. Die Tür 18 umfaßt eine Platte 100 und ringförmige Teile 102, die in herkömmlicher V/eise zu einer einstückigen Anordnung miteinander verbunden sind. Perforationen 104- in der Metallplatte 100 ermöglichen es, beim Kochvorgang in den Ofen zu schauen, während sie gleichzeitig einen Verlust der in die Kammer 16 eingestrahlten Energie verhindern. In dem ringförmigen Teil 102 wird ein äußeres Fenster 106 gehalten. Ein inneres Fenster 108 mit einem durchsichtigen Bereich schützt die Perforationen vor Beschädigung und erleichtert die Reinigung des Innenraumes des Ofens. Beide Fenster können aus einem Thermoplast hergestellt sein. Ein Bolzen 110, der an einem Rahmen 112 befestigt ist, sitzt mit Preßsitz in einer öffnung in der Platte 100. Sowohl das Fenster 106 als'auch die Türfassungen 114 in Figur 1 können mit geeigneten Klebstoffen in ihrer Lage befestigt sein.

Eine elektrische Drossel 116 erstreckt sich in Umfangrichtung um die Tür und bildet eine längliche, primäre Energieabdichtung, welche mit engem Sitz in die leicht abgeschrägten vfände 118 der leitenden Seitenwände 12 und 14 paßt. Die Drossel umfaßt einen aufrechten, peripheren Wandabschnitt 120, welcher mit der gegenüberliegenden, schräg verlaufenden leitenden Wand 118 für die elektromagnetische Energie einen Auslaßweg 122 bildet, welche sich in Umfangsrichtung um die Zugangsöffnung erstreckt. Der Ausgangspunkt der Energie ist bei dem Spalt 124 angedeutet. Das ringförmige Teil 102 ist stufenförmig ausgebildet, und es bildet sowohl eine leitende Außenwand 126, die einen Teil der Drossel darstellt, als auch ein vorderes Seitenteil 128, welches über den Umfangswänden des Ofens liegt. Das Ringteil 102 begrenzt zusammen mit der Y/and 120 einen zweiten Weg 130 von vorbestimmten Dimensionen für die

409881/1096

-15-

Ή-

elektromagnetische Energie, welche durch den.peripheren Spalt 124 eintritt. Die parallelen Wege 122 und 130 sind mit Körpern 132 aus dielektrischem Material, z.B. aus Polystyren oder Polypropylen gefüllt. Der Spalt 134 bildet sowohl den Eingang als auch den Ausgang der frequenzempfindlichen Kammer, welche von den Drosselwänden begrenzt wird, die den Weg 130 umgeben. Die beschriebene Anordnung kann als primäre Abdichtung für hochfrequente Energie bezeichnet werden, welche für beliebige andere Energie, welche bei der Betriebsfrequenz um den peripheren Spalt 124 entweicht, einen Weg des kleinsten Widerstandes bildet.

Entsprechend den Prinzipien der Energieübertragung wird eine solche Drosselanordnung primär so ausgewählt, daß sie an dem Drosseleingang eine hohe Serienreaktanz aufweist und einen Kurzschluß von der Oberfläche 136 der Abschlußwand her für die Energie reflektiert. Die Dimensionen der Drossel werden üblicherweise so ausgewählt, daß sie an dem Ursprungspunkt oder dem Spalt 124 einen Kurzschluß für die austretende Energie bewirken oder ungefähr die halbe WeI-lenlänge der Betriebsfrequenz betragen. Durch solche Energieabdichtungen wird die Betriebsfrequenz effektiv gedämpft, während jedoch die Oberschwingungen der Betriebsfrequenz von der beschriebenen Drossel nicht effektiv abgedämpft werden. Zusätzlich zu der primären Energieabdichtung weisen bekannte Mikrowellenofen längliche, stark energieabsorbierende Körper auf, welche als Dichtungen und 140 zwischen der V/and 128 und den peripheren Wänden angeordnet sind. Solche Körper aus stark absorbierendem Material können aus Gummi oder aus Kunststoff bestehen, welches Kohlenstoffabkömmlinge, Ferrite öder ähnliche Stoffe enthält; sie können mit geeigneten Klebstoffen an den metallischen Wänden befestigt sein. Diese sekundären Energiedichtungen werden bei längerem Betrieb aufgrund

ι ;

der Absorption von Energie erwärmt, und sie können sich verwerfen, verschmoren und nicht mehr ordentlich funktionieren.

409881/1096

-16-

Die vorliegende Anordnung, welche die Oberschwingungen eliminiert oder zumindest wesentlich ΓβάμζΙβΓΐ, macht die Verwendung zusätzlicher energieabsorbierender Körper neben der Zugangstür überflüssig. Statt solcher peripherer Dichtungen, die normalerweise schwarz sind, können jetzt weiße Kunststoffmaterialien oder solche mit lebhaften Farben verwendet werden, welche dem Of.en ein ansprechenderes Äußeres verleihen und außerdem -· leicht zu reinigen sind. Die bisher verwendeten, kohlenstoffhaltigen Dichtungsmaterialien sind teuer und können jetzt leicht durch andere Materialien ersetzt werden, die lediglich ein Zehntel so teuer sind. Die zusätzlichen Kosten des Tiefpaßwellenleiters, der zur Unterdrückung der ungewünschten Schwingungszustände und der Oberschwingungen dient, verursachen nur minimale Kosten, so daß insgesamt 5o# oder mehr der Kosten für das bisher verwendete Dichtungsmaterial eingespart werden können.

Figur 7 zeigt eine Anordnung gemäß der Erfindung zum weitgehenden Unterdrücken von Wellenleiter-Schwingungszu stand en höherer Ordnung., wie den in den Figuren 8a und 8b dargestellten TEg-Schwingungsarten. Die elektrische Feldverteilung längs des Wellenleiters ist in diesen Abbildungen mittels der Pfeile 150 dargestellt. Die magnetischen Kraftlinien sind in der Draufsicht nach Figur 8b mit 152 bezeichnet. Die TE,Q-Schwingungsart ist mittels der elektrischen Feldlinien 154 in Figur 9a und mittels der magnetischen Kraftlinien 156 in Figur 9b dargestellt»

Durch die erfindungsgemäße Anordnung einer Anzahl von Schlitzen 158 in den räumlich getrennten Rippen 80 und 82 erhält man eine wirksame Unterdrückung von Wellenleiter-Schwingungszuständen höherer Ordnung der Ober-

-17-

409881/1096

schwingungen der Magnetron-Betriebsfrequenz_v Bei der dargestellten Ausführungsform sind drei Schlitze in jeder Rippe vorgesehen und die Gesamtzahl stellt die erste Ziffer des zu unterdrückenden Schwingungszustandes höchster Ordnung dar, das ist hier die lE-^-Schwingungsart. Es sind daher für die TE^Q-Schwingungsart, usw. vier oder mehr Schlitze vorgesehen.

Die Figuren 1o - 12 stellen eine beispielhafte Ausführung für ein bei 2450 MHz arbeitendes Mikrowellengerät dar. Der Körper 160 ist aus einem Material wie Zink druckgegossen und besitzt querverlaufende Rippen 162, 164 und 166, die an gegenüberliegenden Seiten des Körpers 160 symmetrisch angeordnet sind. Jede dieser Rippen ist aus Bearbeitungsgründen leicht abgeschrägt. In dem Körper 160 sind Befestigungelöcher 168 und 170 vorgesehen. Jede Rippe ist derart geschlitzt, daß drei zueinander ausgerichtete Schlitze 172, 174 und 176 entstehen, die ebenfalls abgeschrägt sein können. Durch die Gesamtzahl der Schlitze werden alle Wellenleiter-Schwingungszustände höherer Ordnung, der Oberschwingungen bis zu und einschließlich der TE,₀-Schwingungaait wirksam unterdrückt.

Der Körper 160 ist auch mit rechteckigen Ausnehmungen 182 in gegenüberliegenden Oberflächen im Gebiet zwischen den Rippen versehen. Diese Ausbildung verringert spürbar die Herstellungskosten und macht die gesamte Anordnung leichter. Zusätzliche, stufenförmige Impedanz—Anpassungsglieder 178 und 180 sind an den Enden des Körpers 160 vorgesehen. Die außenliegenden oberen Kanten sämtlicher Rippen'können mit gekrümmten Oberflächen 162a, 164a und 166a bei jenen Ausführungen versehen sein, bei denen der

-18-

409881/1096

242A778

Wellenleiterabschnitt 42 des Mikrowellengerätes 10 durch einen Ziehvorgang hergestellt ist, um eine Art ¹¹ Badewannen"-Anordnung zu erzielen. Die gekrümmten Kanten verhindern echarfe Vorsprünge und gewährleisten einen geeigneten Sitz des V/ellenleiterfilters innerhalb des Abgabeabschnittes.

Im Vorstehenden ist ein wirkungsvolles Tiefpaßfilter für rechteckige Wellenleiter, insbesondere für die Verwendung in Mikrowellenofen zur Unterdrückung von Oberschwingungen der Betriebsfrequenz offenbart worden. Das beschriebene Tiefpaßfilter besitzt eine geriffelte Form. Die abwechselt aufeinander folgenden Rippen, welche die dazwischen liegenden Räume begrenzen, und die eingeschnürten Körperbereiche können in jedem Abschnitt gleichförmig oder ungleichförmig angeordnet sein. Die Rippen sind geschlitzt, um Wellenleiter-SchwingungBzustände höherer Ordnung der höheren Oberschwingungen zu unterdrücken. Es sei betont, daß die Mikrowellenöfen nur ein bevorzugtes Anwendungsgebiet des beschriebenen und beanspruchten Filters darstellen·

409881/1096

-19-

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1.J Wellenleiterfilter, insbesondere für ein elektromagnetisches Übertragungssystem für Mikrowellengeräte mit einem Tiefpaßfilter zur Erzielung einer vorbestimmten Ausbreitungscharakteristik, um eine Übertragung von Energie bei Oberschwingungen der gewünschten Betriebsfrequenz im wesentlichen zu unterdrücken, sowie mit einem Körper, der im Abstand voneinander angeordnete, quer zur Richtung der Energieausbreitung in diesem System sich erstreckende Rippen besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß jede dieser Rippen (80, 82) eine Anzahl zueinander ausgerichteter Schlitze (158) aufweist, um Übertragungsformen höherer Ordnung dieser Oberschwingungen (das sind Schwingungsarten TEp , TE, usw.) im wesentlichen zu unterdrücken.

2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtzahl der Schlitze (158) in jeder Rippe (80, 82) im wesentlichen gleich ist der ersten Ziffer in der Bezeichnung, die die höchste der zu unterdrückenden Übertragungsformen kennzeichnet.

3. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die geschlitzten Rippen (80, 82) symmetrisch auf gegenüberliegenden Seiten des Körpers (84) angeordnet sind.

-2o-

4 0 9 881 / 1096

Leerseite