CN101840840A - 由微波激发的具有介质波导管的等离子灯 - Google Patents

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Abstract

一种包括波导本体的等离子灯,该波导本体基本由至少一种固态介电材料构成。该本体与微波源耦合,从而使该本体在至少一种谐振模式下谐振。与该本体结合成一体的至少一个灯腔容纳有灯泡,该灯泡内具有填充物,当灯腔接收到从谐振本体提供的功率时,该填充物形成发光等离子。灯泡可以是自闭合的或由覆盖灯腔窗孔的窗或透镜密封的外壳。当微波源按下面条件工作时,可以使从本体反射回微波源的功率最小化:(a)微波源在一频率下工作,从而使本体在单一模式下谐振;或(b)微波源在一个频率下工作,从而使本体在等离子形成之前在相对较高次模式下谐振,微波源在另一频率下工作,从而使本体在等离子达到稳定状态之后在相对较低次模式下谐振。

Description

由微波激发的具有介质波导管的等离子灯
本申请是2005年9月30日进入中国国家阶段的PCT申请的分案申请,该PCT申请的申请日为2004年1月29日,申请号为PCT/US2004/002532。进入中国国家阶段后的国家申请号为200480009058.7,发明名称为“由微波激发的具有介质波导管的等离子灯”。
技术领域
本发明涉及一种用于产生光的设备和方法,特别是由微波辐射激发的无电极等离子灯。本发明的模式使用的波导具有一个本体,该本体基本上由至少一种介电常数大于2的介电材料制成,而没有使用具有填充了空气的谐振腔的波导。这种介电材料包括例如陶瓷等固体材料、和例如硅酮油等液体材料。该本体与波导结合为一体并且具有至少一个容纳灯泡的灯腔。
背景技术
基于美国专利申请No.09/809718(“718”)、公开号为WO02/11181A1的国际申请PCT/US01/23745公开了包括“介质波导”的“集成了介质波导的等离子”灯(DWIPL)的最佳实施例,即波导具有基本上包含至少一种介电常数大于2的介电材料的本体,且该波导的至少一侧具有至少一个延伸进该本体的“灯腔”(下称为“空腔(cavity)”)。灯腔是在波导本体中的敞开收容部,该波导本体的本体表面具有孔,该波导本体通常与暴露于环境中的波导表面是共面的。该波导通过微波探针(下称为“馈针”)与微波功率源耦合,该微波探针位于本体内并与本体无间隙接触。对该操作频率和本体形状、尺寸进行选择,从而使该本体在具有至少一个电场最大值的至少一个谐振模式下谐振(注意:“模式”的含义,即运动的振动状态,不应与下一句子中的“模式”的含义混淆,下一句子中的“模式”是本发明实施例的同义词)。本文中公开的各最佳模式基本上由单独的固态材料,即陶瓷组成,作为一个例外,还有单独的灯腔。该灯还包括置于各灯腔内的灯泡,该灯泡中容纳有填充混合物,当谐振波导本体将微波功率引导进入灯泡中时,该填充混合物会形成发光等离子。灯泡也可以是“灯泡外壳(envelope)”,即由周围外壁和覆盖腔孔并与外壁密封的窗所决定的封闭空间,或者是灯腔内的自封合的分立(discrete)的灯泡。这里使用的术语“灯泡空腔”是指灯腔和置于该灯腔内的分立灯泡的组合。灯泡空腔不必密封,因为充填混合物被限定在分立灯泡中。波导本体和灯泡可以结合为单一结构。该申请还公开了具有介质波导和第二微波探针的DWIPL,该第二微波探针耦合在波导和微波功率源之间。对该操作频率和波导本体形状、尺寸进行选择,从而使该本体在具有至少一个电场最大值的至少一个谐振模式下谐振。该灯还包括在第二探针和微波源之间耦合的反馈装置以及置于灯腔中并容纳填充混合物的灯泡,当谐振本体将微波功率引导进入空腔中时,该填充混合物可以形成发光等离子。波导本体和灯泡可以结合成单一结构。与反馈装置连接的探针探测波导以便即时对电场幅度和相位进行采样,并通过反馈装置向微波源提供该信息,该微波源动态调整工作频率以便在该波导中保持至少一种谐振模式,从而使该灯在“介电谐振振荡器”模式下工作。该申请还公开了用于制造该灯的方法,包括以下步骤:(a)将微波功率引导进入波导,该波导具有基本由固态介电材料构成的本体和具有延伸进入该本体的灯腔的外部表面,该波导本体在具有至少一个电场最大值的至少一个谐振模式下谐振;(b)将谐振功率引导进入灯泡外壳中,该外壳是由空腔和窗确定的,并容纳有填充物;(c)通过使谐振功率与填充物发生反应产生出等离子,从而实现发光;(d)对波导内的微波场的幅度和相位采样;(e)调节微波频率直到所采样的功率为最大值。
发明内容
由于上述美国申请’718的申请日为2001年3月,因此本申请用于对其进行简化和改善。这些进步包括对向填充物提供微波功率的(第一)“驱动探针”和(第二)“反馈探针”设计中的改进。这些探针分别与放大器的输出和输入端连接以形成振荡器结构。这里公开的本申请中的其他改进是使用了(第三)“启动探针”,以为三探针结构减少驱动探针、放大器和控制电路的过耦合。本申请中还公开了利用窗或透镜密封灯腔窗孔的技术,该密封可以抵抗在灯工作期间产生的很大的热机械压力和灯腔压力,本申请还涉及其他用于DWIPL组装的技术。而且本申请还公开了利用两种固态介电材料的波导本体结构,这两种材料可以比单一固态介电材料提供更好的机械和电子性能,更小的整体灯尺寸、更好的热管理、更低的工作频率以及更低的成本。
本发明提供了一种包括波导的灯,该波导具有基本由至少一种固态介电材料构成的本体。该本体具有由第一波导外表面确定的第一侧面和至少一个灯腔,该灯腔是从该侧面悬吊下来,并在波导外表面上具有窗孔,该窗孔通常与灯腔底部相对。本体和灯腔形成了整体结构。位于本体内并与该本体无间隙接触的第一微波探针将微波功率从微波源耦合进入本体内。选择工作频率和强度以及本体形状和尺寸,从而使本体在具有至少一个电场最大值的至少一个谐振模式下谐振。每个灯腔容纳一个灯泡,该灯泡内具有基本由启动气体和发光器构成的填充混合物,当接收到从谐振本体提供的微波功率时,该填充混合物形成发光等离子。第二微波探针也位于本体内。当下述情况时,本发明提供了用于使从本体反射回微波源的功率最小化的装置:(a)微波源在一频率下工作,本体在单一谐振模式下谐振;或(b)微波源在一个频率下工作以便使本体在等离子形成之前在相对较高次谐振模式下谐振,微波源在另一频率下工作以便使本体在等离子达到稳定状态之后在相对较低次谐振模式下谐振。
本发明还提供了用于将启动气体和发光器置于灯腔内的装置,以及用于将灯腔窗孔与允许光从灯腔中传输的环境密封的装置。
通过结合附图阅读最佳模式的详细说明,可以对本发明以及它的其他方面和优点有更为完整的理解。在附图和说明书中,附图标记表示出本发明的不同特征,在附图和说明书全文中,相同的附图标记都表示相同的特征。
附图说明
图1是718申请的图1,其中示出包括波导的DWIPL的截面图,该波导具有主要由固体介电材料构成的本体,并与包含发光等离子的灯泡结合成一体。
图2示意性示出具有本体的DWIPL,其中利用球状透镜将灯腔闭合和密封起来。
图3示意性示出具有本体的DWIPL,该本体的灯腔被窗或透镜闭合和密封起来,而窗或透镜与安装在支架上的光学元件成一条直线,该支架安装在从位于本体周围的散热片延伸出来的凸缘上。
图4示意性示出具有圆柱形本体的DWIPL,该圆柱形本体与圆柱形散热器连接,该圆柱形散热器具有可以紧密容纳该本体的通孔。
图5示意性示出一DWIPL,它包括封装在“蛤壳”形散热器内的圆柱形本体。
图6示意性示出具有本体的DWIPL,该本体具有螺纹孔,该孔在与具有灯腔窗孔的侧面相对的本体侧面和孔腔底部之间延伸。该孔腔中的填充物被覆盖窗孔的窗和旋入孔内的插塞密封,该填充物包括启动气体和发光器。
图7示意性示出图6的DWIPL,其中孔具有内螺纹,且具有螺纹的插塞可以压力配合进入该孔。
图7A为图7中圆圈区域“7A”的详细图,示出插塞尖端和孔腔底部。
图8示出用于图6DWIPL的第一、第二和第三插塞结构,以及用于图7DWIPL的第一、第二、第三和第四插塞结构。
图9示意性示出具有本体的DWIPL,该本体的较细圆柱形孔中插入一个玻璃或石英管,该圆柱形孔在与具有灯腔窗孔的侧面相对的本体侧面和空腔底部之间延伸。该腔中的填充物被覆盖该窗孔的窗密封,且玻璃或石英杆插入到该管中。
图10示意性示出具有本体的DWIPL,该本体的一个侧面具有被窗覆盖的灯腔窗孔。空腔中的填充物被插入玻璃或石英管的玻璃或石英杆密封,该玻璃或石英管插入到与空腔壁中的孔相通的侧面中的孔中。
图11示意性示出具有本体的DWIPL,该本体的侧面具有被凹槽环绕的灯腔窗孔,该凹槽中置有一个O形环。空腔中的填充物被窗密封,利用夹紧机构使该窗与O形环保持压力接触。
图12示意性示出具有“U”形本体的DWIPL,该本体的侧面具有被凹槽环绕的灯腔窗孔,该凹槽中置有一个O形环。空腔中的填充物被窗密封,利用螺旋盖使该窗与O形环保持压力接触。
图13示意性示出具有本体的DWIPL,该本体的侧面具有被预制密封件环绕的灯腔窗孔。空腔中的填充物被加热的窗密封,当利用热的心轴使该窗与密封剂压力接触时,该被加热的窗可以熔化密封剂。
图14示意性示出具有本体的DWIPL,该本体的侧面具有被所连接的第一金属化环和预制密封剂环绕的灯腔窗孔。当利用夹具将与该窗连接的第二金属化环和第一环压力接触,且加热熔化该预制密封剂时,可以将空腔中的填充物密封。
图15示意性示出图14的DWIPL,其中使用激光熔化预制密封剂。
图16示意性示出图14的DWIPL,其中由RF线圈的感应加热将熔化该预制密封剂。
图16A为图16 DWIPL的顶示图;
图17A示意性示出具有圆柱形本体的DWIPL,其中灯泡和驱动探针位于谐振模式的电场最大值位置。
图17B示意性示出图17A的DWIPL,其中灯泡位于图17A谐振模式的电场最大值位置,驱动探针偏离该最大值位置。图17B探针比图17A探针长,以补偿由于偏移导致的耦合损耗。
图18A示意性示出具有直角棱柱形本体的DWIPL,其中置有灯泡、驱动探针和反馈探针,该驱动探针和反馈探针被组合的放大器和控制电路连接起来。
图18B示意性示出具有圆柱形本体的DWIPL,其中置有灯泡、驱动探针和反馈探针,该驱动探针和反馈探针被组合的放大器和控制电路连接起来。
图19示意性示出使用启动探针的DWIPL的第一模式。该DWIPL具有圆柱形本体,其中置有灯泡、驱动探针、反馈探针和启动探针。反馈探针通过组合的放大器和控制电路以及分路器与驱动探针连接,并通过放大器和控制电路、分路器以及移相器与启动探针连接。
图20示意性示出使用启动探针的DWIPL的第二模式。该DWIPL具有圆柱形本体,其中置有灯泡、驱动探针、反馈探针和启动探针。反馈探针通过组合的放大器和控制电路以及循环器与驱动探针和启动探针连接。
图21A示意性示出使用启动探针的DWIPL的第三模式。该DWIPL具有圆柱形本体,其中置有灯泡、驱动探针、反馈探针和启动探针。反馈探针通过组合的放大器和控制电路以及双工器与驱动探针和启动探针连接。
图21B示意性示出图21A模式的变化结构,其中反馈探针通过双工器以及第一组合的放大器与控制电路与驱动探针连接,并通过双工器以及第二组合的放大器和控制电路与启动探针连接。
图22A示意性示出DWIPL,其中在等离子形成之前使用启动谐振模式,使用驱动谐振模式将等离子驱动到稳定状态。DWIPL具有圆柱形本体,其中置有灯泡、驱动探针和反馈探针。组合的放大器和控制电路将驱动探针和反馈探针连接起来。
图22B示意性示出图22A模式的变化结构,其中反馈探针通过第一和第二双工器以及第一和第二组合的放大器和控制器与驱动探针连接。
图23示意性示出具有本体的DWIPL,该本体具有较高的介电常数。延伸进入本体的驱动探针被具有较高击穿电压的介电材料包围。
图24示出图18A、18B、22A和22B与放大器和控制电路结合后的第一结构的方块图。
图25示出图18A、18B、22A和22B与放大器和控制电路结合后的第二结构的方块图。
图26示出图19、20、21A和21B与放大器和控制电路结合后的结构的方块图。
具体实施方式
由于可以对本发明的结构进行多种不同修改或变化,这里仅详细说明附图中所示的最佳实施例。但是应当理解本发明并不局限于所公开的特定形式。相反,本发明将覆盖落入权利要求所限定的本发明精神和范围内的所有变化、等效和替换结构。
本文中,术语“与介质波导结合成一体的等离子灯”、“DWIPL”、“具有固态介质波导的由微波激发的等离子灯”、和“灯”都具有相同的含义,术语“灯本体”和“波导本体”也具有相同含义。本文中的术语“探针”与‘718申请和公开号为No.WO02/11181A1中的“馈针”含义相同。本文中使用术语“功率”即单位时间内的能量,而不使用术语“能量”。本文中的术语“灯腔”和“孔”与‘718申请和公开号为No.WO02/11181A1中的“空腔”含义相同,并用于描述公开的DWIPL实施例的结构细节,例如密封装置和材料。本文中术语“灯腔”用于限定本体表面具有缝隙的波导本体中的插孔,即孔,其中该本体表面与暴露于环境中的波导表面共面。术语“灯泡”表示(A)包含填充混合物并位于灯腔内的自闭合的、分立结构;或(B)“灯泡外壳”,即包含有填充混合物并利用窗或透镜实现相对于环境密封的腔体。本文中,术语“填充物”与“填充混合物”含义相同。术语“自闭合灯泡”特指含义(A)。当描述微波技术相关细节,例如探针形状、耦合和谐振模时,使用术语“空腔”。这些术语上的变化都是因为从电磁角度来看,DWIPL本体是一个谐振空腔。
图1是从‘718申请和公开号为NO 02/11181A1拷贝而来,其中示出与介质波导结合成一体的等离子灯的“基准”模式,本发明所公开的模式将与它进行比较。DWIPL101包括微波辐射源115、具有基本上由固态介电材料构成的本体104的波导103、和将微波辐射源115与波导103耦合在一起的驱动探针117,该波导103的形状是由相对侧面103A、103B以及相对侧面103C、103D确定的直角棱柱形,相对侧面103A、103B以及相对侧面103C、103D互相垂直。DWIPL101还包括(A)类的灯泡107,该灯泡107的位置接近侧面103A且通常最好与探针117相对,并且该灯泡107容纳有填充气体和发光体的填充物108,该填充气体包括例如惰性气体的“启动”气体,该发光体在接收到预定操作频率和强度的微波功率时就会形成等离子并发射光。微波辐射源115通过探针117向波导103提供微波功率。该波导容纳该能量流并将其引导到灯泡107所处的封闭灯腔105内,其中该封闭灯腔105是从侧面103A悬吊下来进入本体104中。该能量流从启动气体原子中释放出自由电子,从而产生等离子。在很多情况下,发光体在室温下都是固态的。它可以包含本领域已知元素或混合物中的任何一种,例如硫、硒、包含硫和硒的混合物、或例如溴化铟的金属卤化物。该启动等离子使发光体气化,且受到微波激励的自由电子将发光电子激发到更高的能级。发光体电子的去激发将实现发光。实际上并不需要将启动气体与固态发光体结合使用,单独使用填充气体例如氙都可以引发等离子并发射光。微波辐射源115的最佳操作频率范围是从大约0.5到大约10GHz。微波辐射源115应当与灯泡107彼此热绝缘,该灯泡107在工作时温度通常会达到大约700℃到大约1000℃之间,因此这种热绝缘会避免微波辐射源由于受到加热而老化。波导本体最好是很好的热质量,从而可以有助于有效的进行热量分配和散发,并在灯泡与微波辐射源之间提供热绝缘。通过在微波辐射源115和波导103之间任意选择空间116内设置绝缘材料或真空缝隙,可以对微波辐射源实现额外的热绝缘。当包括这种空间116时,可以使用合适的微波探针将该微波辐射源与波导耦合连接。
出于对机械或例如热量、振动、老化和冲击等其他因素的考虑,如图1所示,使用正电接头(positive contact)机构121作为弹簧承载设备,最好保持探针117与波导103之间的接触。该机构通过探针在波导上施加恒定压力,从而使微波功率通过探针反射回来而不是进入波导的可能性降到最低。在提供恒定压力时,该机构可以对由于加热或机械冲击而使探针和波导中出现的微小尺寸变化进行补偿。最好通过直接在波导上与探针117接触点的位置沉淀金属材料123来实现这种接触,从而消除可能影响耦接的缝隙。
波导103的侧面103A、103B、103C和103D中,除了从侧面103A向本体104内悬吊下去而形成灯腔105的表面部分以外,都被涂覆一薄膜金属涂层119,用于反射操作频率范围内的微波。该涂层的整体反射率决定了波导内的能量级别。波导内可存储的能量越多,灯的效率也就越高。该涂层119最好还可以抑制渐消失(evanescent)的辐射泄漏,并显著削弱任何杂散微波场。灯泡107包括具有内表面110的外壁109和窗111。或者,可以将灯腔壁作为灯泡的外壁。该灯泡107的部件最好包括至少一种介电材料,例如陶瓷或蓝宝石。灯泡中的陶瓷可以与本体104中使用的材料相同。由于灯泡最好由本体104包围,且介电材料有利于微波功率与灯泡中的填充气体108有效耦合,因此灯泡107中最好使用介电材料。外壁109通过密封剂113与窗111耦接,从而确定了容纳填物的灯泡外壳。为了封闭灯泡中的填充物,密封剂113最好是真空密封剂。外壁109最好包含氧化铝,因为氧化铝具有白色、温度稳定、低孔隙度和低热膨胀系数的特点。外壁109的内表面110的轮廓最好能使通过窗111从空腔105反射出的光量最大。该窗111最好包含蓝宝石,因为蓝宝石的透光率很高且热膨胀系数与氧化铝的热膨胀系数匹配很好。窗111可以包含透镜以便收集和聚焦发射出的光线。在操作中,当灯泡107达到大约1000℃的温度时,本体104可以作为灯泡的散热器。通过在侧面103A、103C和103D上连接多个散热片,可以实现有效散热。
当波导本体104实质上由介电材料构成时,其中该介电材料通常在高温下不稳定,例如钛酸盐,通过在本体和灯泡之间插入热障,可以使波导103与灯泡107中产生的热量隔绝。或者,外壁109包括具有较低热传导率的材料,例如作为热障的NZP(NaZr2(PO4)3)陶瓷。
虽然图1示出了直角棱镜形状的波导103,但是根据’718申请和公开号为NO.WO02/11181A1中公开的发明的波导还可以是圆柱形棱镜、球形、或任何其他可以有效地将微波功率从驱动探针引导到与波导本体结合成一体的灯泡的形状,包括复杂的、不规则形状,其谐振频率最好可以利用电磁原理模拟工具确定出来。波导尺寸可以根据微波操作频率和波导本体的介电常数而改变。如果不考虑其形状和尺寸,波导本体最好基本上由至少一种固态介电材料构成,该材料具有下面的属性:(1)介电常数大约大于2.0;(2)损耗角正切值大约小于0.01;(3)由故障温度衡量的耐热骤变性大约大于200℃;(4)DC击穿临界值大约大于200千伏/英寸;(5)热膨胀系数大约小于10-5/℃;(6)介电常数的零或稍小于零负温度系数;(7)在大约-80℃到大约1000℃范围内的化学计量稳定性;和(8)导热系数大约为2W/mK(瓦特/毫绝对温度)。具有这些属性以及令人满意的电和热机属性的陶瓷包括氧化铝、氧化锆、特定钛酸盐、和这些材料的变种或组合。但是,如’718申请和公开号为NO.WO02/11181A1中所公开的那样,也可以使用介电常数大约大于2的一种或更多液体材料,例如硅酮油。
与波导103中的高Q值(Q为操作频率与谐振的频率带宽的比值)对应的波导103内的高谐振能量会导致渐渐消失的泄漏到灯腔105内的微波能量增大。这种泄漏导致外壳127内的启动气体准静态击穿,从而产生初始自由电子。该自由电子的振动能量量级为
Figure GSA00000096988500101
其中I为微波能量的循环强度,为  波长。因此,微波能量越高,自由电子的谐振能量就越大。通过使谐振能量大于气体的电离电势,电子-中性粒子碰撞将导致等离子密度有效增强。一旦形成一个等离子,就可以吸收该输入功率,波导的Q值就会由于等离子的电导率和吸收性能而降低。Q值的降低通常是由于波导阻抗中的变化而导致的。在等离子形成后,灯腔中出现等离子会使腔体能够吸收谐振能量,从而改变了阻抗。该阻抗的变化实际上是波导整体反射率的降低。通过匹配驱动探针的反射率使其接近该降低后的波导反射率,可以使净反射回能量源的能量相对较低。等离子所吸收能量中的大多数最终都表现为热量。当波导用作散热器时,波导的尺寸可能由于热膨胀而变化。如果波导膨胀,则在波导中谐振的微波频率也会改变,谐振会损失。为了能够保持谐振,波导的至少一个尺寸必须等于微波辐射源115所产生微波的半波长的整数倍。通过对本体104的介电材料进行选择,使其温度系数对应其折射率,其中该折射率大约等于其热膨胀系数但符号相反,可以补偿这种尺寸变化,从而利用折射率的变化至少部分地补偿加热产生的膨胀。
DWIPL中的灯腔是在固态介电灯本体中成形的孔。该孔由透明窗或透镜覆盖以便将填充混合物保持在孔内,该填充混合物通常为例如氩气等惰性气体或惰性气体的混合以及例如三溴化铟或三碘化铟(indium iodide)等盐或卤化物。该孔在灯本体表面处的截面称为“窗孔”,该灯本体表面是孔开始悬吊的位置。窗孔可以是园形、矩形或者任意形状。该腔体孔的三维形状可以是:正棱柱,其截面的形状与窗孔相同,例如圆柱形棱柱和圆孔;正棱柱,其截面形状与窗孔不同,因此存在与窗孔近似或任意形状的过渡区域;灯腔底部的形状使其可以作为光反射器,从而使射到该底部的光可以向窗孔反射。特别的,底部的形状可以是抛物面、椭圆形、凿刻过的棱柱体、或者具有用于特定用途而设计的一种或更多的曲率。
灯腔应当被制成可以提供具有所需特性的发射光的形状。例如,灯腔可以是圆柱形,其直径最好被选择为能够与和该灯相连接的光收集装置的尺寸相匹配。该直径的下限受到某些要求的限制,该要求是受激发电子的平均自由行程应当足够长,以便于在电子轰击灯腔壁之前发生足够多的电子-离子碰撞。否则,最终的效率就会太低。该直径的上限受到灯操作频率的限制。否则,微波能量就会通过窗孔发射。
通常对在例如投影电视机等应用中使用的灯的要求是使灯腔具有“光学范围(extent)”(或“etendue”E),它取决于窗孔面积A和f数目(“f#”),特征在于发射光的锥角,它取决于直径与灯腔深度的比率。具体说,
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通常,选择该深度以获得所需的f#,深度越高则f#和etendue越小。对于很深的灯腔,向灯腔中部或底部发射的光将撞击到灯腔壁上并被吸收,从而降低了灯的净效率。对于很浅的灯腔,可以在非常广的锥角度范围内发射光。
灯腔的形状可以是不连续的,从而提供电场集中点(参见图7A和8),当该灯关闭时,该电场集中点可以有利于填充混合物的击穿,从而更容易启动。这种不连续可以是从腔体底部或侧面开始延伸的锥形或杯形。或者,可以通过故意增加例如延伸进入灯腔的填充管端等物体来形成这种不连续。
在相同的灯本体中可以有多个灯腔。这些灯腔都处于对应所选择的波导操作模式而言电场最大值的位置。该操作模式最好被选择为可以使这些腔体的布置结构能够向多个不同光路中的每一个提供光。每个灯腔都可以包含相同的填充混合物,或者该填充混合物也可以不同。这样,从各灯腔发射的光的频谱就可能相同,也可能不同。例如,具有三个灯腔且每个灯腔具有独特的填充混合物的灯能够分别从各灯腔中发射基本的红、蓝和绿色的光线,从而从各灯腔发射的光可用于红-蓝-绿光学引擎中的各独立通道。或者,各灯腔可能包含相同的填充混合物,从而多个独立的微波辐射源可用于相关但彼此独立的多个用途。
灯本体基本上由一种以上的固态介电材料构成。例如,灯本体在灯腔周围是由氧化铝制成的较小体积,以便充分利用其良好的机械、热和化学属性,但该本体的其它部分是由具有比氧化铝更高介电常数的材料制成,但是该材料的热、机械和/或电属性不足以容纳等离子。这种灯可以比本体全部为氧化铝的灯更小,其操作频率也比相同大小的全氧化铝灯更低,同时由于它需要更少的高介电常数材料,因此其制造成本更低。
具有一种以上固态介电材料的灯本体的电磁设计是按照多个重复(interactive)步骤来执行的。首先,选择粗糙的灯形状,并对由占据本体体积最大部分材料构成的灯本体执行电磁分析和模拟。第二步,对模拟结果进行评价以确定该灯与所要求的操作频率有多接近。第三步,利用该模拟结构中包括的多种介电材料来重复该模拟。使用该分析结果,调节尺寸并重复模拟,直到该本体具有所需的操作频率、尺寸以及材料比例的组合。
具有多种材料的灯本体可以被设计为在两种材料之间包括一个用作热障的层,该层可以是例如真空空间、惰性气体、或固态材料。真空空间通过增加灯腔壁的温度,并提供一个区域,其中该区域中净灯热流量产生的温度差别比在没有真空空间时更大,有助于热管理(参见’718申请的图3A和3B)。
需要一个或更多机械元件来封闭和密封灯腔,以对抗由等离子产生的高热机械压力和冲击。参照图2,DWIPL200包括具有侧面204的本体202,具有窗孔208的灯腔206从该侧面204的表面204S悬吊下来。球形透镜210通过密封剂212安装在表面204S上。该透镜210最好由蓝宝石制成。附图标记220表示从灯腔206中发出的光的方向。
封闭和密封灯腔的窗或透镜可以与其它收集、处理和引导灯光输出的光学元件耦合。这些例子包括具有反射材料或涂层的管子和光导管。这些光学元件可以安装在整体固定在灯本体周围散热片上的支架上,从而以低成本、高集成性的方式将这些光学元件安装和固定在该灯上。参照图3,DWIPL300包括具有侧面304的本体302,具有窗孔308的灯腔306从该侧面304的表面304S悬吊下来。该本体302被“U”形散热片310封闭,该散热片310的中心部分312与彼此相对且通常平行的第一和第二部分314、316通常垂直并连接在一起,该第一和第二部分314、316分别具有耳部314E、316E,该耳部314E、316E分别与第一和第二部分314、316垂直并分别连接到相对的装有板318、320的第一和第二灯。部分314延伸出凸缘322,通常彼此相对的第一和第二支架324、326通常与该凸缘322垂直并刚性连接。安装在表面304S上并覆盖窗孔308的窗/透镜330封闭并密封该灯腔306。例如光导管等光学元件332与该支架324、326刚性连接并与窗/透镜330呈直线。附图标记334表示从元件332中输出的光的方向。
DWIPL可以由单独的集成装置构成,该装置包括:具有密封灯腔的灯本体;驱动电路和驱动电路板;将本体与驱动电路分离开来的热障;以及外部散热器。或者,可以对(a)灯本体和散热器和(b)驱动电路及其散热器使用分立包装。对于使用两个探针(参见图15A和15B以及’718申请的图6)的DWIPL,本体和驱动电路由两个RF电力电缆连接,一个用于连接驱动电路的输出到本体,另一个用于从本体到驱动电路提供反馈。使用两个分立包装可以在灯热量和灯驱动器热量分配中实现更大自由度。这样就可以在不为该灯准备风扇的情况下制造投影电视或其他设备。与现有技术相比,利用这种两个包装的结构还可以实现设计出从荧光屏到背板的临界距离(critical dimenesion)更短的电视机。
由于可以根据决定热量沿所需路径流动的特性来选择用于灯本体的固态介电材料,因此DWIPL具有排热的优点。散热片可以具有任意形状,并可以对热量和最终用途因素进行优化。用于圆柱形灯本体的散热片还可以是圆柱体,其翼片和安装细节可以被规格化以便将其安装在投影电视框架上,该散热片还具有用于将光学器件安装到灯组件上的特征。对于圆柱形灯和圆柱形散热片,有效的构造技术是加热散热片直到其膨胀,然后将其置于灯本体的周围,并使其冷却收缩以形成与该本体的无间隙机械接触。金属散热片可用于为灯本体提供导电外部涂层。该技术可以确保耐久和无间隙的连接,并同时满足该灯的热和电要求,降低整体成本。
参照图4,DWIPL400包括通常的具有顶面404的圆柱形灯本体402,该顶面404的表面404S上安装了覆盖灯腔窗孔408的窗406。本体402可以正好被收容到通常的圆柱形金属散热器412的圆柱形孔410中,该圆柱形金属散热器412的环形顶面414上具有多个安装孔416。在本体402和散热器412之间最好加入柔性的高温热界面材料418,例如油脂或硅酮垫。
其它实际的散热器结构为两片式“蛤壳”,其中两个相似或相同的片状部分与灯本体大面积无间隙接触。该片状部分通过压缩紧固件结合成一体。参照图5,DWIPL500具有通常的圆柱形本体502、具有表面504S的顶面504以及与表面504S连接并覆盖灯腔窗孔508的窗506。本体502由蛤壳类型散热片514的半圆柱部分510和512封闭。部分510和512的每一个都分别由末端510A、510B和512A、512B确定,该末端510A、510B和512A、512B分别与凸缘510C、510D和512C、512D连接。第一和第二紧固件520、522用于将对准的边缘、压缩部分510、512与本体502连接。
其它的散热器结构是为灯本体镀上导热和导电材料,例如银或镍,然后将该散热片焊接或铜焊在该镀层上。
当从驱动电路向灯本体提供微波功率时,该微波功率加热填充混合物,使盐或卤化物熔化进而汽化,从而使灯腔内压力极大增加。根据所使用的盐或卤化物,该压力可以达到400大气压,灯泡的温度可以达到1000℃。因此,使窗或透镜与灯本体连接在一起的密封剂必须非常牢固。
参照图6,DWIPL600包括一本体602,该本体602包括具有表面604S的侧面604和具有孔610H的底部610,具有窗孔608的灯腔606从表面604S悬吊下来。最好由蓝宝石制成的窗612通过密封剂614与表面604S连接。该灯本体602还包括在本体侧面618上的孔620H与灯腔底部610之间延伸的螺纹孔616,该本体侧面618通常与侧面604相对,从而使该螺纹孔616与孔610H相通。窗612是在惰性气体环境下利用本领域公知的陶瓷密封技术密封到表面604S上的,这些技术例如铜焊、熔合、或金属密封。然后将灯本体602和具有头部622的螺旋类拴塞620带入包含将在灯腔中使用的启动气体的气压室内,该气压室内的气压等于或接近灯内所需的非工作压力。然后通过螺纹孔616和孔610H将发光器置入灯腔606中。再通过孔620H将拴塞620螺旋入孔616中,该拴塞可以为容纳填充混合物提供机械以及气障,然后在头部622上沉淀金属或玻璃材料624以实现最终密封。
参照图7和7A,DWIPL700包括一本体702,该本体702包括具有表面704S的侧面704和下部710,其中具有第一窗孔708的灯腔706从表面704S悬吊下来,该下部710在颈部712成锥形,该颈部712延伸至第二窗孔714结束。最好由蓝宝石制成的窗716通过密封剂718与表面704S连接。该灯本体702还包括在本体侧面722上的孔720H与窗孔714之间延伸的锥形孔720,该本体侧面722通常与侧面704相对,从而使该锥形孔720与颈部712相通,形成唇缘(lip)713。窗716是在惰性气体环境下密封到表面704S上的。然后将灯本体702和拴塞730带入包含将在灯腔中使用的启动气体的气压室内,该拴塞730的锥度与锥形孔720的锥度匹配并具有头部732,该气压室内的气压等于或接近灯内所需的非工作压力。然后通过锥形孔720和孔714将发光器置入灯腔706中。再通过孔720H将拴塞730强行插入孔720中,从而使拴塞与唇缘713接触,有效实现机械密封,然后在头部732上沉淀金属或玻璃材料734以实现最终密封。
图8示出螺旋形拴塞620的三种结构630、640、650以及锥形拴塞730的四种结构740、750、760、770。拴塞630、640和650分别具有圆顶形尖端630T、杆状尖端640T、以及凿形尖端650T。拴塞740、750、760和770分别具有圆锥形尖端740T、杯形尖端750T、凿形尖端760T和具有凹入端722的杆形尖端770T。如果使用具有延伸尖端的拴塞,例如拴塞650或760,则尖端将延伸入灯腔706,形成可以提供电场集中点的不连续体。
参照图9,DWIPL900包括一本体902,该本体902包括具有表面904S的侧面904和具有孔910H的底部910,具有窗孔908的灯腔906从表面904S悬吊下来。最好由蓝宝石制成的窗912通过密封剂914与表面904S连接。该灯本体902还包括在本体侧面918上的孔916H与灯腔底部910之间延伸的圆柱形孔916,该本体侧面918与侧面904相对,从而使该孔与孔910H相通。在惰性气体环境下将窗912密封到表面904S上之后,通过孔916H将具有端部920E的玻璃或石英管920插入孔916中,从而使端部920E通过孔910H延伸进入灯腔906。然后利用与管920连接的真空泵将该灯腔抽真空。再通过该管将启动气体的填充混合物和发光器置入灯腔中。当填充完成时,将外径稍小于该管内径的玻璃或石英杆930插入管内,加热该管和杆并使其收缩压紧(pinch off)。这样,该管920中填充了可以实现可靠密封的介电材料。该灯腔的填充和密封处理可以在不需要真空腔的情况下完成,即在灯处于大气压力下完成。或者,将灯本体902带入包含将在灯腔中使用的启动气体的气压室内,其中灯本体902具有插入孔916中的管920,且该气压室内的气压等于或接近灯内所需的非工作压力。再通过该管将发光器置入灯腔中。当填充完成时,将杆930插入该管中,加热该管和杆并使其收缩压紧。
参照图10,DWIPL1000包括一本体1002,该本体1002包括具有表面1004S的侧面1004和底部1010,具有窗孔1008的灯腔1006从表面1004S悬吊下来。侧面1004具有一孔1004H,用于与灯腔1006中的孔1006H相通。将具有端部1020E的玻璃或石英管1020插入孔1004H和1006H,从而使端部1020E进入灯腔1006。然后利用玻璃料或密封材料1032将最好由蓝宝石制成并用于覆盖窗孔1008的窗1030连接到表面1004S上,该玻璃料或密封材料1032能在小于管子1020熔点的温度下熔化。在窗已经被密封到表面1004S上,且管子1020已经就位、孔1004H已经被密封材料堵塞以后,利用与管1020连接的真空泵将该灯腔抽真空。然后通过该管将启动气体的和发光器填充混合物置入灯腔中。当填充完成时,将外径稍小于该管1020内径的玻璃或石英杆1040插入管1020内,加热该管1020和杆1040并使其收缩压紧。
参照图11,DWIPL1100包括一本体1102,该本体1102包括具有表面1104S的侧面1104和底部1110,具有窗孔1108的灯腔1106从表面1104S悬吊下来。侧面1104具有环绕该窗孔1108的O形环槽1112。DWIPL1100还包括第一和第二夹板1120A、1120B,它们分别可以向覆盖窗孔的窗1130施加机械压力。将灯本体1102、窗1130、O形环1114、以及启动气体1140和发光器1150的填充混合物带入容纳气体1140的气压室内,该气压室的压力等于或接近该灯所需的非工作压力。然后将发光器置于灯腔1106中,将O形环1114放入环槽1112中,将窗1130置于O形环的顶部,紧固夹板1120A、1120B,从而形成临时或永久性密封。
参照图12,DWIPL1200包括一“U”形本体1202,该本体1202具有分别与彼此相对的第一和第二本体部分1206、1208连接的中央本体部分1204,该第一和第二本体部分1206、1208通常分别与本体部分1204垂直并延伸到上部部分1206U、1208U。本体部分1204包括具有表面1210S的侧面1210和底部1224,具有窗孔1222的灯腔1220从表面1210S悬吊下来。侧面1210具有环绕该窗孔1222的O形环槽1212。上部部分1206U、1208U各自的内表面1206S、1208S分别具有螺纹1230。该螺纹可以是与内表面金属连接的部件,或切成该表面。对于图11的模式,将灯本体1202、窗1240、O形环1214、以及启动气体和发光器的填充混合物带入容纳气体的气压室内,该气压室的压力等于或接近该灯所需的非工作压力。然后将发光器置于灯腔1220中,将O形环1214放入环槽1212中,将窗1240置于O形环的顶部,将螺旋型金属盖与螺纹1230拧紧结合。该金属盖1250具有作为光通道的中心孔1250H。向下拧紧金属盖时会向窗施加压力,从而压紧O形环最终形成临时或永久性密封。
参照图13,DWIPL1300包括一本体1302,该本体1302包括具有表面1304S的侧面1304和底部1310,具有窗孔1308的灯腔1306从表面1304S悬吊下来。侧面1304具有环绕该窗孔1308的零件1312,该零件1312用于紧密容纳密封预制件1320,例如铂金或玻璃环。将灯本体1302、窗1330、密封预制件1320、以及启动气体1340和发光器1350的填充混合物带入容纳气体1340的气压室内,该气压室的压力等于或接近该灯所需的非工作压力。将发光器置于灯腔1306中,将密封预制件1320放入零件1312中,将窗1330置于密封预制件的顶部。然后将灯本体1302放在或夹紧在冷却表面1360上,从而使本体和填充混合物保持足够凉,防止在密封预制件加热过程中材料汽化。再按压热的心轴1370使其与窗1330接触,加热该窗并熔化密封预制件。附图标记1370A和1370B表示熔化过程中的热传输。该密封预制件材料应当被选择为可以在窗和灯本体的热极限以下的温度熔化和流动。当将该密封预制件熔化然后冷却时,它就在窗和侧边1304之间形成密封。在密封操作期间,灯腔中的气体压力必须被选择为可以对加热过程中的膨胀进行补偿。
参照图14,DWIPL 1400包括一本体1402,该本体1402包括具有表面1404S的侧面1404和底部1410,具有窗孔1408的灯腔1406从表面1404S悬吊下来。环绕窗孔1408的第一金属化环1412通过铜焊、真空沉淀或屏蔽与侧面1404连接,并位于侧面1404的零件1404D内。在该零件1404D内,密封预制件1420例如铂金环覆盖在该环1412上。窗1430的底面1430S靠近其周边的部分,通过铜焊、真空沉淀或屏蔽与第二金属化环1432连接。将灯本体1402、窗1430、密封预制件1420、以及启动气体1440和发光器1450的填充混合物带入容纳气体1440的气压室内,该气压室的压力等于或接近该灯所需的非工作压力。将发光器置于灯腔1406中,将窗1430置于密封预制件1420的顶部,从而使该密封预制件夹在环1412和1432之间。优选地,夹具1460将该窗保持在其位置上,同时利用焊焰1470或其他热源熔化该密封预制件并形成密封。
参照图15,DWIPL 1500包括一本体1502,该本体1502包括具有表面1504S的侧面1504和底部1510,具有窗孔1508的灯腔1506从表面1504S悬吊下来。环绕窗孔1508的第一金属化环1512通过铜焊、真空沉淀或屏蔽与侧面1504连接,并位于侧面1504的零件1504D内。在该零件1504D内,例如铂金环或玻璃环等密封预制件1520覆盖在该环1512上。窗1530的底面1530S靠近其周边的部分,通过铜焊、真空沉淀或屏蔽与第二金属化环1532连接。将灯本体1502、窗1530、密封预制件1520、以及启动气体1540和发光器1550的填充混合物带入容纳气体1540的气压室内,该气压室的压力等于或接近该灯所需的非工作压力。将混合物置于灯腔1506中,将窗1530置于密封预制件1520的顶部,从而使该密封预制件夹在环1512和1532之间。优选地,夹具1560将该窗保持在其位置上,同时按照受控模式聚焦并移动激光1570使其熔化密封预制件材料,然后将其冷却。激光密封可以在大气环境下或局部压力环境下完成。
参照图16和16A,DWIPL 1600包括一本体1602,该本体1602包括具有表面1604S的侧面1604和底部1610,具有窗孔1608的灯腔1606从表面1604S悬吊下来。环绕窗孔1608的第一金属化环1612通过铜焊、真空沉淀或屏蔽与侧面1604连接,并位于侧面1604的零件1604D内。在该零件1604D内,例如铂金环或其它导体材料等密封预制件1620覆盖在该环1612上。窗1630的底面1630S靠近其周边的部分,通过铜焊、真空沉淀或屏蔽与第二金属化环1632连接。将灯本体1602、窗1630、密封预制件1620、以及启动气体1640和发光器1650的填充混合物带入容纳气体1640的气压室内,该气压室的压力等于或接近该灯所需的非工作压力。将发光器1650置于灯腔1606中,将窗1630置于密封预制件1620的顶部,从而使该密封预制件夹在环1612和1632之间。优选地,夹具1660将该窗保持在其位置上,同时移动射频(RF)线圈1670使其靠近该密封预制件。该线圈加热并熔化该密封预制件,当该熔化后的密封预制件冷却之后将在窗和侧面1604之间形成密封。RF密封可以在大气环境下或局部压力环境下完成。
从电磁学来说,DWIPL是具有至少一个驱动探针的谐振空腔,该驱动探针可以提供微波功率以激发至少一个灯泡中容纳的等离子。在说明书下面的部分中,“空腔”表示DWIPL本体。如’718申请中所述,“灯泡”可以是置于灯腔内并容纳填充混合物的分立封闭体,或者该灯腔自身就可以是灯泡。为了实现最佳的效率,该灯泡最好处于所使用的谐振空腔谐振模的电场最大值位置。但是,在允许壁和空腔消耗额外功率的情况下,也可以将该灯泡从最大电场位置移走。该驱动探针的位置并不是严格规定的,只要它不处于电场最大值处就可以,这是因为通过改变探针设计参数,特别是长度和形状,就可以实现所需的耦合效率。图17A和17B分别示意性示出了两个圆柱形灯结构130A、130B,它们都是在基本圆柱形空腔谐振模下,即通常所谓的TM0,1,0下工作,并且分别具有处于单个电场最大值处的灯泡132A、132B。虚线131A、131B分别示出空腔中的电场分布。在图17A中,驱动探针134A位于电场最大值处。在图17B中,驱动探针134B并不处于电场最大值处,但是驱动探针134B由于相对探针134A而言更长而可以提供与探针134A一样的耦合效率。虽然这里使用TM0,1,0模作为例子,但是也可以使用更高次的空腔谐振模,包括但不局限于横向电场(“TE”)和横向磁场(“TM”)模。
为了灯的正常工作,驱动探针的设计是很严格的。该探针必须能够在微波源和灯腔之间提供正确量的耦合,从而使发光效率最大化并保护该微波源。有四种主要的空腔损耗机构会降低效率:腔壁损耗、介电本体损耗、等离子损耗、和探针耦合损耗。如本文中所述,探针耦合损耗是由该驱动探针和空腔中的其他探针耦合出来的功率。探针耦合损耗是主要的设计考虑因素,因为任何探针都可以同时将功率耦合进入空腔和从空腔中耦合出来。如果微波源和空腔之间的耦合太小,即公知的“欠耦合(under-coupling)”,则微波源输出的大部分功率都不会进入空腔,而会被反射回微波源。这会降低发光效率和微波源的寿命。如果最初微波源和空腔之间的耦合太大,即公知的“过耦合”,则微波源输出的大部分功率都将进入空腔。但是,空腔损耗机构不能消耗所有这些功率,过量的部分就会被驱动探针和空腔中的其他探针耦合出来。这样,发光效率和微波源寿命同样也会降低。为了使发光效率最大化并保护微波源,驱动探针必须提供适当量的耦合,从而能够在谐振频率下使从空腔反射回微波源的功率最小。这种条件,通常称为“临界耦合”,可以通过调节驱动探针的结构和位置来实现。探针设计参数取决于空腔中的损耗,而该损耗取决于等离子的状态和灯本体的温度。随着等离子状态和/或本体温度改变,耦合和谐振频率也会改变。另外,DWIPL制造过程中不可避免的不准确度也会导致耦合和谐振频率的不确定度增加。
在灯操作过程中调节探针的物理参数是不实际的。为了在所有条件下保持尽可能地接近临界耦合,需要一种反馈结构(参见’718申请的图6),例如图18A和18B中分别示出用于直角棱镜形状的空腔和圆柱形空腔的灯结构140A、140B。第二“反馈”探针142A、142B分别插入空腔144A、144B中。反馈探针142A、142B分别与组合的放大器和控制电路(ACC)148A、148B的输入端146A、146B连接;驱动探针150A、150B分别与ACC输出端152A、152B连接。每个结构形成一个振荡器。空腔中的谐振可以提高产生等离子所需的电场强度,并增加驱动探针和灯泡之间的耦合效率。驱动探针和反馈探针都可以位于空腔中除了用于电场耦合的电场最小值位置或用于磁场耦合的磁场最小值位置附近以外的任何位置。通常反馈探针比驱动探针的耦合量要小,这是因为反馈探针采样空腔中的电场仅会导致耦合损耗最小量的增加。
从电路的角度来说,空腔可以作为损耗窄带通滤波器。该空腔可以选择从驱动探针到反馈探针可以通过的谐振频率。ACC放大该最佳频率并将其返回到空腔。如果相对于反馈探针输入端处的插入损耗,放大器增益大于在驱动探针输入端的插入损耗,即公知的S21,则将在谐振频率开始振荡。这是可以自动和连续完成的,即使当例如等离子状态和温度连续或不连续变化时也是如此。由于空腔连续“通知”放大器最佳频率,因此反馈能够使制造公差放宽,从而对于放大器设计或DWIPL制造来说不需要对最终操作频率进行精确预测。放大器需要做的就是在灯工作的通常频带范围内提供足够的增益。这种设计可以确保放大器能在所有条件下向灯泡提供最大功率。
为了使发光效率最大化,需要将驱动探针最优化,使等离子达到其稳定状态操作点。这意味着在等离子形成之前,当空腔内的损耗很低时,空腔为过耦合。因此,从微波源输出的部分功率不会进入空腔内,而是被反射回微波源。被反射的功率的量取决于等离子形成之前和之后的损耗差。如果该差别很小,则等离子形成之前的功率反射将很小,腔体近似为临界耦合。如图18A或18B所示的反馈结构将足以击穿灯泡中的气体并启动等离子形成过程。但是,在大多数情况下,等离子形成之前和之后之间的损耗差别都很大,驱动探针在等离子形成之前都是过耦合状态。由于大量功率被反射回到放大器,因此电场强度不足以使气体击穿。而且,大量的反射功率会损坏放大器或减小其寿命。
图19示出用于解决驱动探针过耦合问题的灯结构160,其中在空腔164中插入了第三“启动”探针162,该探针162被最优化以实现等离子形成之前的临界耦合。启动探针162、驱动探针166、和反馈探针168可以位于空腔中除了接近电场最小值位置以外的任何其他位置。分路器172将从ACC170输出端170B输出的功率分为两个部分:一个部分被输送到驱动探针166;另一个部分通过移相器174被输送到启动探针162。探针168与ACC170的输入端170A连接。启动和驱动探针都被设计为可以将功率耦合为相同的空腔谐振模,例如如图19所示的圆柱形空腔的TM0,1,0。对探针166与162之间的分束比和移相量进行选择以最小化向放大器的反射。利用网络分析器S参数测量和/或模拟软件,例如PA.匹兹堡的Ansoft公司出品的高频结构模拟器(HFSS),可以确定这些参数的值。总之,在等离子形成之前启动探针临界耦合,当等离子达到稳定状态时,该驱动探针被临界耦合。该分路器和移相器被设计为可以最小化向组合的放大器和控制电路反射。
图20示出用于解决驱动探针过耦合问题的第二种灯结构180。启动探针182和驱动探针184都被设计为可以将功率耦合为相同的空腔谐振模,例如空腔186等圆柱形空腔的TM0,1,0。结构180还包括与ACC190的输入端190A连接的反馈探针188。这三个探针可以位于空腔中除了接近电场最小值位置以外的任何其他位置。ACC190输出端190B输出的功率被输送到循环器192的第一端口190A,该第一端口192A将功率输送到第二端口192B,进而馈送到驱动探针184。在等离子形成之前,驱动电极会输出大量反射,这是因为驱动探针在等离子达到稳定状态之前都是过耦合的。这些反射功率被循环器192再反射送到第三端口192C,该第三端口192C将这些功率馈送到启动探针182。在等离子形成之前,启动探针为临界耦合,从而可以将大部分功率输送到空腔186中,并使启动探针反射最小化。仅有很少量的功率进入端口192C并返回到ACC输出端190B。空腔中的功率不断增加,直到填充混合物击穿并开始形成等离子。一旦等离子达到稳定状态,驱动探针184就被临界耦合,从而使驱动探针反射的功率最小化。此时,仅有少量的功率到达仍处于欠耦合状态的启动探针182。尽管启动探针现在具有很高的反射系数,由于入射功率几乎可以忽略,因此反射功率的总量也可以忽略。总的来说,启动探针在等离子形成之前为临界耦合,当等离子达到稳定状态时驱动探针为临界耦合。循环器将功率从端口192A引导到192B,从端口192B到端口192C,从端口192C到端口192A。
图21A和21B示出用于解决驱动探针过耦合问题的第三和第四灯结构240A、240B。等离子形成之前使用“启动”空腔谐振模,独立的“驱动”空腔谐振模用于将该等离子驱动到其稳定状态并保持该状态。启动探针242A、242B分别在启动空腔谐振模下工作,驱动探针244A、244B分别在驱动空腔谐振模下工作。如虚线241A和241B所示,驱动空腔谐振模最好为基本空腔谐振模,而启动空腔谐振模为更高次的空腔谐振模。这是因为通常保持稳定状态等离子输出所需的光比击穿该气体以形成等离子需要更多的能量。因此,将DWIPL设计为使高功率微波源在较低频率下工作将会更经济。对于例如空腔246A和246B等圆柱形空腔来说,启动探针242A、242B在等离子形成之前在TM0,2,0模的谐振频率下分别可以为临界耦合,而驱动探针244A、244B则在等离子达到稳定状态之后将在TM0,1,0模的谐振频率下分别可以耦合。反馈探针可以位于空腔中除了驱动空腔谐振模的场最小值位置或启动空腔谐振模的场最小值位置附近以外的任何其他位置。启动探针可以位于空腔中除了启动空腔谐振模的任何场最小值位置附近以外的任何其他位置。驱动探针可以位于启动空腔谐振模的场最小值位置或其附近,但是不能位于驱动空腔谐振模的场最小值位置附近。这就会在等离子形成前使驱动探针的偶合损失最小,以便空腔中的电场能够达到较高值,以击穿气体。双工器248A、248B分别用于分离两个谐振频率。在图21A中,输出端250B与双工器248A连接的单独ACC250用于激励两种空腔谐振模。这两个频率被双工器248A分离并馈送到启动探针242A和驱动探针244A。反馈探针252A与ACC250的输入端口250A连接。在图21B中,分别具有输出端260B、262B的两个独立放大器260、262用于独立激励两个空腔谐振模。双工器248B用于将从反馈探针252B输出的两个频率分离。总之,启动探针在一个空腔谐振模下工作,而驱动探针在不同的模下工作。反馈探针可以位于空腔中除了这两个空腔谐振模的最小场位置附近以外的任何其他位置。启动探针可以位于空腔中除了启动空腔谐振模的场最小值位置附近以外的其他任何位置。驱动探针可以位于启动空腔谐振模的最小场位置或其附近,但不能位于驱动空腔谐振模的最小场位置附近。
另一种方法是增加一个第二反馈探针,从而可以不必使用双工器。第一反馈探针位于启动空腔谐振模的最小电场位置,从而可以仅耦合出(couple out)驱动空腔谐振模。第二反馈探针位于驱动空腔谐振模的最小电场位置,从而可以仅耦合出启动空腔谐振模。
图22A和22B分别示出灯结构280A、280B,它们都不包括启动探针,但使用了两个独立的空腔谐振模。如空腔282A和282B中的曲线281A和281B分别所示,相对较高次的启动空腔谐振模用于等离子形成之前,相对较低次的驱动空腔谐振模用于将等离子激励到稳定状态并保持该状态。为了经济性和效率,最好是,驱动空腔谐振模同样是基本空腔谐振模,而启动空腔谐振模为更高次的空腔谐振模。例如,圆柱形灯腔的TM0,2,0模可用于等离子形成之前,而TM0,1,0模可用于将等离子保持在稳定状态。通过使用两种空腔谐振模,可以设计出单独的驱动探针,它可以在等离子形成之前和等离子达到稳定状态之后都处于临界耦合,从而不再需要启动探针。该反馈探针284A、284B分别可以位于空腔中除了这二个空腔谐振模的最小场位置附近以外的任何位置。驱动探针286A、286B分别可以位于启动空腔谐振模的最小场位置附近,但不能位于驱动空腔谐振模的最小场位置附近。通过将驱动探针置于启动空腔谐振模的最小场附近但并非处于该最小场位置,驱动探针可设计成提供等离子形成之前所需的较小耦合量,和等离子达到稳定状态之后所需的较大耦合量。在图22A中,分别具有输入和输出端290A、290B的单个ACC290用于激励两个空腔谐振模。在图22B中,两个独立的ACC292、294用于独立地激励这两个空腔谐振模。第一双工器296B将反馈探针284B输出的两个频率分离,第二双工器298B将这两个频率合成输入到驱动探针286B。总之,驱动探针在等离子形成之前在启动空腔谐振模谐振频率是临界耦合,而当等离子达到稳定状态时在驱动空腔谐振模谐振频率是临界耦合。反馈探针可以位于空腔中除了两个空腔谐振模的最小场位置附近以外的任何位置。驱动探针可位于启动空腔谐振模的最小场位置附近,但不能位于驱动空腔谐振模的最小场位置附近。
‘718申请和公开号为NO.WO02/11181A1公开了驱动探针构造的技术,其中金属微波探针与灯本体的高介电材料无间隙接触。该方法的缺点在于耦合量对于探针的精确尺寸非常敏感。另一个缺点是由于等离子形成之前和等离子达到稳定状态之后有很大的温度变化,因此需要例如弹簧等机械结构来保持探针和本体之间的接触。这些缺陷使制造过程变得复杂,进而增加了制造成本。
图23示出用于解决上述问题的技术。延伸进入灯本体352的金属微波探针350被具有较高击穿电压的介电材料354包围。本体352包括灯腔356。由于在有限空间内传输大量的功率,因此探针350尖端350T附近的电场强度非常高;因此需要很高击穿电压的材料。通常,材料354比形成本体352的介电材料具有更低的介电常数。材料354作为可以减小对探针尺寸的耦合依赖性的敏感程度的“缓冲”,从而简化了制造并降低了成本。
通过改变探针的位置和尺寸以及材料354的介电常数,可以调节微波源和本体之间的耦合量。通常,如果探针长度小于工作波长的四分之一,则较长的探针将比较短探针能提供更强耦合。而且,位于具有更强场位置的探针比位于具有较弱场位置的探针能提供更强耦合。该技术还可应用于启动探针或反馈探针。利用网络分析器S参数测量和/或模拟软件,例如HFSS,可以确定探针位置、形状和尺寸。
图24示出了包括放大器432和控制电路434的电路430,该电路适用于例如图18A、18B、22A和22B所示的仅具有驱动探针436和反馈探针438的DWIPL,这里灯420作为DWIPL的例子。放大器432的功能是将DC功率转换为具有适当频率和功率电平的微波功率,从而能够将足够的功率耦合进入灯本体440和灯腔442中,进而激发填充混合物和形成发光等离子。
放大器432最好包括具有20到30dBm增益的前置放大级450,具有10到20dB增益的中功率放大级452,以及具有10到18dB增益的高功率放大级454。放大级450最好使用摩托罗拉MHL21336、3G频带RF线性LDMOS放大器,放大级452使用摩托罗拉MRF21030横向N通道RF功率MOSFET;放大级454使用摩托罗拉MRF21125横向N通道RF功率MOSFET。这些设备以及用于支持和偏置这些电路的完整信息都可以从Texas州Austin的摩托罗拉半导体产品部获得。或者,放大级450、452和454也可以包含在一个单独的集成电路中。或者,放大级450和452以及控制电路434可以封装在一起,而高功率级454可以单独封装。
放大器432还包括与放大级450、452和454串连的PIN二极管衰减器460,该PIN二极管衰减器460最好与前置放大级450连接,以限制衰减器必须处理的功率量。衰减器460提供功率控制,从而可以调节施加到灯本体440而适于启动灯、操作灯以及控制灯亮度的功率量。由于由放大级450、452和454形成的放大器链具有固定增益,因此在灯工作期间改变衰减就可以改变输送到灯本体440的功率。该衰减器460最好与控制电路434和光功率检测器462结合使用,该控制电路434可以为模拟或数字的,该光功率检测器462可以监视发光强度并控制衰减器460,从而即使功率条件和/或灯发射特性随时间变化,也可以在灯工作期间保持所需的照度级。或者,可以使用与驱动探针436、放大级454和控制电路434连接的RF功率检测器464来控制衰减器460。另外,电路434可用于控制亮度,即控制灯照度级使其符合最终应用要求。电路434包括保护电路并与适当的传感电路连接,从而实现过热停机、过电流停机和过电压停机等功能。电路434还可以提供一种低功率模式,该模式可以将等离子保持在非常低的功率电平,该功率电平不足以实现光发射但足以保持填充混合物气体电离。电路434还可以通过增加衰减缓慢地将灯关闭。这个特征可以抑制重复出现对灯的热冲击,并允许填充混合物在灯腔最冷部分凝结,便于灯的启动。
或者,衰减器460可以与模拟或数字控制电路结合,从而控制输出功率在灯工作周期的早期部分期间为高电平,从而可以比在正常工作功率更快地将填充混合物汽化。或者,衰减器460可以与模拟或数字控制电路结合,该控制电路可以通过RF功率检测器监视发射和/或反射的微波功率电平并控制衰减器,从而即使由于ac电源或其他负载变化而导致输入电源电压变化,也能在灯正常工作期间保持所需的功率电平。
图25示出了另一种包括放大器542和控制电路544的电路540,该电路用于为例如图18A、18B、22A和22B所示的具有驱动探针552和反馈探针554的DWIPL550的本体546和灯腔548提供功率并控制功率。并联且可以被独立选择和开关的“启动”带通滤波器560A和“工作”带通滤波器560B与图24中的放大器链串联,并且最好如图24所示连接在该放大器链的输入侧。滤波器560A和560B滤除与本体546不需要的谐振模式相对应的频率。通过利用第一和第二PIN二极管开关562A、562B将电路选择和切换到适当的滤波带通,DWIPL550可以仅在与所选择频带对应的空腔谐振模下工作,从而将所有的放大器功率引导进入该模式。通过接通滤波器560A,开始用于启动灯的预选择的第一空腔谐振模。一旦填充混合物气体被电离且等离子开始形成,则通过切换滤波器560B开始预选择的第二空腔谐振模。在很短的时间内,这两个滤波器都向灯提供功率从而确保填充混合物保持等离子。在两个滤波器都被接通的时间期间内,两个空腔谐振模通过本体546和放大器链传播。当预定条件,例如固定时间延迟或最小功率电平满足时,滤波器560A关闭,从而仅有用于灯工作的空腔谐振模通过放大器链传播。控制电路544按照预定的操作顺序选择、取消选择、接通和关闭滤波器560A和560B。与控制电路544连接的光功率检测器564执行的功能与图24模式中的检测器462相同。
图26示出示出了包括放大器572和模拟或数字控制电路574的电路570,该电路用于为例如图19、20、21A和21B所示的具有驱动探针582、反馈探针586以及启动探针584的DWIPL580的本体576和灯腔578提供功率并控制功率。反馈探针586通过PIN二极管衰减器588和滤波器589与前置放大器450的输入端450A连接。启动探针584被设计为当灯580关闭时为临界耦合。为了启动灯,需要将少量微波功率从放大器链的前置放大级450或中功率级452引导到启动探针584。该功率经过由控制电路574控制的双极PIN二极管开关590。该开关590被控制向启动探针584发送RF微波功率,直到填充混合物被电离为止。传感器592A监视本体576中的功率使用情况,和/或传感器592B监视表示气体电离的光强度。作为控制电路574一部分的独立计时器控制电路为气体击穿分配足够的时间。一旦气体已经被电离,控制电路574就打开开关590,从而向高功率级454提供微波功率,该高功率级454进而向驱动探针582提供微波功率。在很短的时间内,启动探针584和驱动探针582都向灯提供功率从而确保填充混合物保持等离子。当预定条件,例如固定时间长度或预期的功率电平满足时,控制电路574关闭开关590,从而停止向启动探针584供应功率,此时等离子仅由驱动探针582供应功率。这样可以提供最大的效率。
为了提高启动期间DWIPL580的Q值(即,工作频率与谐振频率带宽的比),控制电路574可以将高功率级454的晶体管偏置为一个阻抗,该阻抗可以使从探针582到级454的泄漏最小化。为了实现这一目的,电路574向晶体管的栅极施加dc电压,从而控制它们达到适当的启动阻抗。
工业应用
本发明的灯相对于那些微波能量被引导进入空气空腔中的无电极灯具有明显的优点。由于需要在填充空气的空腔中建立谐振,因此该空腔通常不会小于用于驱动该灯的微波能量波长的一半。
因此,空气空腔灯对其尺寸的限制很低,它的尺寸对于例如投影电视机、高分辨率监视器、街灯和应急机动车等应用来说都太大而不能使用。在波导本体中使用固态和/或液态介电材料不仅可以制造更小的灯,而且灯泡在机械、光学和电子等性能上也比传统无电极灯中使用的灯泡更为稳定。另外,本发明的灯需要更少的能量来激发和保持等离子,同时仅需要最少量的额外结构来有效散热。

Claims (8)

1.一种无电极等离子灯,包括:
灯体,该灯体包含至少一个固态介电材料;
微波源,向所述灯体提供功率;
微波探针(134B),配置成在一频率下将功率从所述微波源耦合到所述灯体,从而使所述灯体在具有电场最大值的基本谐振模式下谐振,所述微波探针(134B)位于所述灯体中与所述电场最大值隔开的位置;以及
灯泡,定位成毗邻所述电场最大值,所述灯泡包含填充物,在从所述灯体接收功率时该填充物形成发光等离子。
2.如权利要求1所述的灯,其中所述微波探针的长度和形状使得在等离子形成之前功率过耦合到所述灯体。
3.如权利要求1所述的灯,其中所述微波探针(134B)位于所述灯体中使得在等离子形成之前功率过耦合到所述灯体。
4.如权利要求1所述的灯,其中所述微波探针(134B)被定位于所述灯体中使得在等离子形成之后稳定状态工作期间所述功率源临界耦合到所述灯体。
5.如权利要求1或2所述的灯,其中所述微波探针(134B)长于定位在电场最大值处的探针(134A)需要的长度,以便提供从微波探针(134B)至灯泡的最大耦合效率。
6.如权利要求1所述的灯,其中所述基本谐振模式是横向磁场(TM)模式。
7.如前面任一项权利要求所述的灯,其中所述灯体具有外径和高度,所述外径大于所述高度。
8.如前面任一项权利要求所述的灯,其中所述灯体具有外表面,除了在灯体与功率从灯体耦合到灯泡的区域中的源之间耦合功率的区域之外,该外表面涂覆有金属材料(119)。
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