專利名稱：由微波激發(fā)的具有介質(zhì)波導(dǎo)管的等離子燈的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于產(chǎn)生光的設(shè)備和方法，特別是由微波輻射激發(fā)的無(wú)電極等離 子燈。本發(fā)明的模式使用的波導(dǎo)具有一個(gè)本體，該本體基本上由至少一種介電常數(shù)大于2 的介電材料制成，而沒(méi)有使用具有填充了空氣的諧振腔的波導(dǎo)。這種介電材料包括例如陶 瓷等固體材料、和例如硅酮油等液體材料。該本體與波導(dǎo)結(jié)合為一體并且具有至少一個(gè)容 納燈泡的燈腔。
背景技術(shù)：
基于美國(guó)專利申請(qǐng)No. 09/809718 ( “718”)、公開號(hào)為TO02/11181A1的國(guó)際申請(qǐng) PCT/US01/23745公開了包括“介質(zhì)波導(dǎo)”的“集成了介質(zhì)波導(dǎo)的等離子”燈(DWIPL)的最佳 實(shí)施例，即波導(dǎo)具有基本上包含至少一種介電常數(shù)大于2的介電材料的本體，且該波導(dǎo)的 至少一側(cè)具有至少一個(gè)延伸進(jìn)該本體的“燈腔”(下稱為“空腔(cavity)”)。燈腔是在波導(dǎo) 本體中的敞開收容部，該波導(dǎo)本體的本體表面具有孔，該波導(dǎo)本體通常與暴露于環(huán)境中的 波導(dǎo)表面是共面的。該波導(dǎo)通過(guò)微波探針(下稱為“饋針”)與微波功率源耦合，該微波探 針位于本體內(nèi)并與本體無(wú)間隙接觸。對(duì)該操作頻率和本體形狀、尺寸進(jìn)行選擇，從而使該本 體在具有至少一個(gè)電場(chǎng)最大值的至少一個(gè)諧振模式下諧振(注意“模式”的含義，即運(yùn)動(dòng) 的振動(dòng)狀態(tài)，不應(yīng)與下一句子中的“模式”的含義混淆，下一句子中的“模式”是本發(fā)明實(shí)施 例的同義詞)。本文中公開的各最佳模式基本上由單獨(dú)的固態(tài)材料，即陶瓷組成，作為一個(gè) 例外，還有單獨(dú)的燈腔。該燈還包括置于各燈腔內(nèi)的燈泡，該燈泡中容納有填充混合物，當(dāng) 諧振波導(dǎo)本體將微波功率引導(dǎo)進(jìn)入燈泡中時(shí)，該填充混合物會(huì)形成發(fā)光等離子。燈泡也可 以是“燈泡外殼(envelope) ”，即由周圍外壁和覆蓋腔孔并與外壁密封的窗所決定的封閉空 間，或者是燈腔內(nèi)的自封合的分立(discrete)的燈泡。這里使用的術(shù)語(yǔ)“燈泡空腔”是指 燈腔和置于該燈腔內(nèi)的分立燈泡的組合。燈泡空腔不必密封，因?yàn)槌涮罨旌衔锉幌薅ㄔ诜?立燈泡中。波導(dǎo)本體和燈泡可以結(jié)合為單一結(jié)構(gòu)。該申請(qǐng)還公開了具有介質(zhì)波導(dǎo)和第二微 波探針的DWIPL，該第二微波探針耦合在波導(dǎo)和微波功率源之間。對(duì)該操作頻率和波導(dǎo)本體 形狀、尺寸進(jìn)行選擇，從而使該本體在具有至少一個(gè)電場(chǎng)最大值的至少一個(gè)諧振模式下諧 振。該燈還包括在第二探針和微波源之間耦合的反饋裝置以及置于燈腔中并容納填充混合 物的燈泡，當(dāng)諧振本體將微波功率引導(dǎo)進(jìn)入空腔中時(shí)，該填充混合物可以形成發(fā)光等離子。 波導(dǎo)本體和燈泡可以結(jié)合成單一結(jié)構(gòu)。與反饋裝置連接的探針探測(cè)波導(dǎo)以便即時(shí)對(duì)電場(chǎng)幅 度和相位進(jìn)行采樣，并通過(guò)反饋裝置向微波源提供該信息，該微波源動(dòng)態(tài)調(diào)整工作頻率以 便在該波導(dǎo)中保持至少一種諧振模式，從而使該燈在“介電諧振振蕩器”模式下工作。該申請(qǐng)還公開了用于制造該燈的方法，包括以下步驟(a)將微波功率引導(dǎo)進(jìn)入波導(dǎo)，該波導(dǎo)具有基本由固態(tài)介電材料構(gòu)成的本體和具有延伸進(jìn)入該本體的燈腔的外部表面，該波導(dǎo)本體 在具有至少一個(gè)電場(chǎng)最大值的至少一個(gè)諧振模式下諧振；(b)將諧振功率引導(dǎo)進(jìn)入燈泡外 殼中，該外殼是由空腔和窗確定的，并容納有填充物；(C)通過(guò)使諧振功率與填充物發(fā)生反 應(yīng)產(chǎn)生出等離子，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)光；(d)對(duì)波導(dǎo)內(nèi)的微波場(chǎng)的幅度和相位采樣；(e)調(diào)節(jié)微波 頻率直到所采樣的功率為最大值。

發(fā)明內(nèi)容
由于上述美國(guó)申請(qǐng)’ 718的申請(qǐng)日為2001年3月，因此本申請(qǐng)用于對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化和改善。這些進(jìn)步包括對(duì)向填充物提供微波功率的(第一)“驅(qū)動(dòng)探針”和(第二)“反饋 探針”設(shè)計(jì)中的改進(jìn)。這些探針?lè)謩e與放大器的輸出和輸入端連接以形成振蕩器結(jié)構(gòu)。這 里公開的本申請(qǐng)中的其他改進(jìn)是使用了(第三)“啟動(dòng)探針”，以為三探針結(jié)構(gòu)減少驅(qū)動(dòng)探 針、放大器和控制電路的過(guò)耦合。本申請(qǐng)中還公開了利用窗或透鏡密封燈腔窗孔的技術(shù)，該 密封可以抵抗在燈工作期間產(chǎn)生的很大的熱機(jī)械壓力和燈腔壓力，本申請(qǐng)還涉及其他用于 DWIPL組裝的技術(shù)。而且本申請(qǐng)還公開了利用兩種固態(tài)介電材料的波導(dǎo)本體結(jié)構(gòu)，這兩種材 料可以比單一固態(tài)介電材料提供更好的機(jī)械和電子性能，更小的整體燈尺寸、更好的熱管 理、更低的工作頻率以及更低的成本。本發(fā)明提供了一種包括波導(dǎo)的燈，該波導(dǎo)具有基本由至少一種固態(tài)介電材料構(gòu)成 的本體。該本體具有由第一波導(dǎo)外表面確定的第一側(cè)面和至少一個(gè)燈腔，該燈腔是從該側(cè) 面懸吊下來(lái)，并在波導(dǎo)外表面上具有窗孔，該窗孔通常與燈腔底部相對(duì)。本體和燈腔形成了 整體結(jié)構(gòu)。位于本體內(nèi)并與該本體無(wú)間隙接觸的第一微波探針將微波功率從微波源耦合進(jìn) 入本體內(nèi)。選擇工作頻率和強(qiáng)度以及本體形狀和尺寸，從而使本體在具有至少一個(gè)電場(chǎng)最 大值的至少一個(gè)諧振模式下諧振。每個(gè)燈腔容納一個(gè)燈泡，該燈泡內(nèi)具有基本由啟動(dòng)氣體 和發(fā)光器構(gòu)成的填充混合物，當(dāng)接收到從諧振本體提供的微波功率時(shí)，該填充混合物形成 發(fā)光等離子。第二微波探針也位于本體內(nèi)。當(dāng)下述情況時(shí)，本發(fā)明提供了用于使從本體反 射回微波源的功率最小化的裝置(a)微波源在一頻率下工作，本體在單一諧振模式下諧 振；或(b)微波源在一個(gè)頻率下工作以便使本體在等離子形成之前在相對(duì)較高次諧振模式 下諧振，微波源在另一頻率下工作以便使本體在等離子達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)之后在相對(duì)較低次諧 振模式下諧振。本發(fā)明還提供了用于將啟動(dòng)氣體和發(fā)光器置于燈腔內(nèi)的裝置，以及用于將燈腔窗 孔與允許光從燈腔中傳輸?shù)沫h(huán)境密封的裝置。通過(guò)結(jié)合附圖閱讀最佳模式的詳細(xì)說(shuō)明，可以對(duì)本發(fā)明以及它的其他方面和優(yōu)點(diǎn) 有更為完整的理解。在附圖和說(shuō)明書中，附圖標(biāo)記表示出本發(fā)明的不同特征，在附圖和說(shuō)明 書全文中，相同的附圖標(biāo)記都表示相同的特征。


圖1是718申請(qǐng)的圖1，其中示出包括波導(dǎo)的DWIPL的截面圖，該波導(dǎo)具有主要由 固體介電材料構(gòu)成的本體，并與包含發(fā)光等離子的燈泡結(jié)合成一體。圖2示意性示出具有本體的DWIPL，其中利用球狀透鏡將燈腔閉合和密封起來(lái)。圖3示意性示出具有本體的DWIPL，該本體的燈腔被窗或透鏡閉合和密封起來(lái)，而窗或透鏡與安裝在支架上的光學(xué)元件成一條直線，該支架安裝在從位于本體周圍的散熱片 延伸出來(lái)的凸緣上。圖4示意性示出具有圓柱形本體的DWIPL，該圓柱形本體與圓柱形散熱器連接，該 圓柱形散熱器具有可以緊密容納該本體的通孔。圖5示意性示出一 DWIPL，它包括封裝在“蛤殼”形散熱器內(nèi)的圓柱形本體。圖6示意性示出具有本體的DWIPL，該本體具有螺紋孔，該孔在與具有燈腔窗孔的 側(cè)面相對(duì)的本體側(cè)面和孔腔底部之間延伸。該孔腔中的填充物被覆蓋窗孔的窗和旋入孔內(nèi) 的插塞密封，該填充物包括啟動(dòng)氣體和發(fā)光器。圖7示意性示出圖6的DWIPL，其中孔具有內(nèi)螺紋，且具有螺紋的插塞可以壓力配 合進(jìn)入該孔。圖7A為圖7中圓圈區(qū)域“7A”的詳細(xì)圖，示出插塞尖端和孔腔底部。圖8示出用于圖6DWIPL的第一、第二和第三插塞結(jié)構(gòu)，以及用于圖7DWIPL的第
一、第二、第三和第四插塞結(jié)構(gòu)。圖9示意性示出具有本體的DWIPL，該本體的較細(xì)圓柱形孔中插入一個(gè)玻璃或石 英管，該圓柱形孔在與具有燈腔窗孔的側(cè)面相對(duì)的本體側(cè)面和空腔底部之間延伸。該腔中 的填充物被覆蓋該窗孔的窗密封，且玻璃或石英桿插入到該管中。圖10示意性示出具有本體的DWIPL，該本體的一個(gè)側(cè)面具有被窗覆蓋的燈腔窗 孔?？涨恢械奶畛湮锉徊迦氩ＡЩ蚴⒐艿牟ＡЩ蚴U密封，該玻璃或石英管插入到與 空腔壁中的孔相通的側(cè)面中的孔中。圖11示意性示出具有本體的DWIPL，該本體的側(cè)面具有被凹槽環(huán)繞的燈腔窗孔， 該凹槽中置有一個(gè)0形環(huán)?？涨恢械奶畛湮锉淮懊芊?，利用夾緊機(jī)構(gòu)使該窗與0形環(huán)保持 壓力接觸。圖12示意性示出具有“U”形本體的DWIPL，該本體的側(cè)面具有被凹槽環(huán)繞的燈腔 窗孔，該凹槽中置有一個(gè)0形環(huán)?？涨恢械奶畛湮锉淮懊芊?，利用螺旋蓋使該窗與0形環(huán)保 持壓力接觸。圖13示意性示出具有本體的DWIPL，該本體的側(cè)面具有被預(yù)制密封件環(huán)繞的燈腔 窗孔?？涨恢械奶畛湮锉患訜岬拇懊芊?，當(dāng)利用熱的心軸使該窗與密封劑壓力接觸時(shí)，該被 加熱的窗可以熔化密封劑。圖14示意性示出具有本體的DWIPL，該本體的側(cè)面具有被所連接的第一金屬化環(huán) 和預(yù)制密封劑環(huán)繞的燈腔窗孔。當(dāng)利用夾具將與該窗連接的第二金屬化環(huán)和第一環(huán)壓力接 觸，且加熱熔化該預(yù)制密封劑時(shí)，可以將空腔中的填充物密封。圖15示意性示出圖14的DWIPL，其中使用激光熔化預(yù)制密封劑。圖16示意性示出圖14的DWIPL，其中由RF線圈的感應(yīng)加熱將熔化該預(yù)制密封劑。圖16A為圖16 DffIPL的頂示圖；圖17A示意性示出具有圓柱形本體的DWIPL，其中燈泡和驅(qū)動(dòng)探針位于諧振模式 的電場(chǎng)最大值位置。圖17B示意性示出圖17A的DWIPL，其中燈泡位于圖17A諧振模式的電場(chǎng)最大值位 置，驅(qū)動(dòng)探針偏離該最大值位置。圖17B探針比圖17A探針長(zhǎng)，以補(bǔ)償由于偏移導(dǎo)致的耦合 損耗。
圖18A示意性示出具有直角棱柱形本體的DWIPL，其中置有燈泡、驅(qū)動(dòng)探針和反饋 探針，該驅(qū)動(dòng)探針和反饋探針被組合的放大器和控制電路連接起來(lái)。圖18B示意性示出具有圓柱形本體的DWIPL，其中置有燈泡、驅(qū)動(dòng)探針和反饋探 針，該驅(qū)動(dòng)探針和反饋探針被組合的放大器和控制電路連接起來(lái)。圖19示意性示出使用啟動(dòng)探針的DWIPL的第一模式。該DWIPL具有圓柱形本體， 其中置有燈泡、驅(qū)動(dòng)探針、反饋探針和啟動(dòng)探針。反饋探針通過(guò)組合的放大器和控制電路以 及分路器與驅(qū)動(dòng)探針連接，并通過(guò)放大器和控制電路、分路器以及移相器與啟動(dòng)探針連接。圖20示意性示出使用啟動(dòng)探針的DWIPL的第二模式。該DWIPL具有圓柱形本體， 其中置有燈泡、驅(qū)動(dòng)探針、反饋探針和啟動(dòng)探針。反饋探針通過(guò)組合的放大器和控制電路以 及循環(huán)器與驅(qū)動(dòng)探針和啟動(dòng)探針連接。圖21A示意性示出使用啟動(dòng)探針的DWIPL的第三模式。該DWIPL具有圓柱形本體， 其中置有燈泡、驅(qū)動(dòng)探針、反饋探針和啟動(dòng)探針。反饋探針通過(guò)組合的放大器和控制電路以 及雙工器與驅(qū)動(dòng)探針和啟動(dòng)探針連接。圖21B示意性示出圖21A模式的變化結(jié)構(gòu)，其中反饋探針通過(guò)雙工器以及第一組 合的放大器與控制電路與驅(qū)動(dòng)探針連接，并通過(guò)雙工器以及第二組合的放大器和控制電路 與啟動(dòng)探針連接。圖22A示意性示出DWIPL，其中在等離子形成之前使用啟動(dòng)諧振模式，使用驅(qū)動(dòng)諧 振模式將等離子驅(qū)動(dòng)到穩(wěn)定狀態(tài)。DWIPL具有圓柱形本體，其中置有燈泡、驅(qū)動(dòng)探針和反饋 探針。組合的放大器和控制電路將驅(qū)動(dòng)探針和反饋探針連接起來(lái)。圖22B示意性示出圖22A模式的變化結(jié)構(gòu)，其中反饋探針通過(guò)第一和第二雙工器 以及第一和第二組合的放大器和控制器與驅(qū)動(dòng)探針連接。圖23示意性示出具有本體的DWIPL，該本體具有較高的介電常數(shù)。延伸進(jìn)入本體 的驅(qū)動(dòng)探針被具有較高擊穿電壓的介電材料包圍。圖24示出圖18A、18B、22A和22B與放大器和控制電路結(jié)合后的第一結(jié)構(gòu)的方塊 圖。圖25示出圖18A、18B、22A和22B與放大器和控制電路結(jié)合后的第二結(jié)構(gòu)的方塊圖。圖26示出圖19、20、21A和21B與放大器和控制電路結(jié)合后的結(jié)構(gòu)的方塊圖。
具體實(shí)施例方式由于可以對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)進(jìn)行多種不同修改或變化，這里僅詳細(xì)說(shuō)明附圖中所示 的最佳實(shí)施例。但是應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明并不局限于所公開的特定形式。相反，本發(fā)明將覆蓋 落入權(quán)利要求所限定的本發(fā)明精神和范圍內(nèi)的所有變化、等效和替換結(jié)構(gòu)。本文中，術(shù)語(yǔ)“與介質(zhì)波導(dǎo)結(jié)合成一體的等離子燈”、“DWIPL”、“具有固態(tài)介質(zhì)波導(dǎo) 的由微波激發(fā)的等離子燈”、和“燈”都具有相同的含義，術(shù)語(yǔ)“燈本體”和“波導(dǎo)本體”也具 有相同含義。本文中的術(shù)語(yǔ)“探針”與‘718申請(qǐng)和公開號(hào)為NO.W002/11181A1中的“饋針” 含義相同。本文中使用術(shù)語(yǔ)“功率”即單位時(shí)間內(nèi)的能量，而不使用術(shù)語(yǔ)“能量”。本文中的 術(shù)語(yǔ)“燈腔”和“孔”與‘718申請(qǐng)和公開號(hào)為NO.W002/11181A1中的“空腔”含義相同，并用 于描述公開的DWIPL實(shí)施例的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，例如密封裝置和材料。本文中術(shù)語(yǔ)“燈腔”用于限定本體表面具有縫隙的波導(dǎo)本體中的插孔，即孔，其中該本體表面與暴露于環(huán)境中的波導(dǎo) 表面共面。術(shù)語(yǔ)“燈泡”表示(A)包含填充混合物并位于燈腔內(nèi)的自閉合的、分立結(jié)構(gòu)；或 (B) “燈泡外殼”，即包含有填充混合物并利用窗或透鏡實(shí)現(xiàn)相對(duì)于環(huán)境密封的腔體。本文 中，術(shù)語(yǔ)“填充物”與“填充混合物”含義相同。術(shù)語(yǔ)“自閉合燈泡”特指含義(A)。當(dāng)描述 微波技術(shù)相關(guān)細(xì)節(jié)，例如探針形狀、耦合和諧振模時(shí)，使用術(shù)語(yǔ)“空腔”。這些術(shù)語(yǔ)上的變化 都是因?yàn)閺碾姶沤嵌葋?lái)看，DffIPL本體是一個(gè)諧振空腔。圖1是從‘718申請(qǐng)和公開號(hào)為NO 02/11181A1拷貝而來(lái)，其中示出與介質(zhì)波導(dǎo)結(jié)合成一體的等離子燈的“基準(zhǔn)”模式，本發(fā)明所公開的模式將與它進(jìn)行比較。DWIPL101包括 微波輻射源115、具有基本上由固態(tài)介電材料構(gòu)成的本體104的波導(dǎo)103、和將微波輻射源 115與波導(dǎo)103耦合在一起的驅(qū)動(dòng)探針117，該波導(dǎo)103的形狀是由相對(duì)側(cè)面103A、103B以 及相對(duì)側(cè)面103C、103D確定的直角棱柱形，相對(duì)側(cè)面103A、103B以及相對(duì)側(cè)面103C、103D 互相垂直。DWIPL101還包括㈧類的燈泡107，該燈泡107的位置接近側(cè)面103A且通常最 好與探針117相對(duì)，并且該燈泡107容納有填充氣體和發(fā)光體的填充物108，該填充氣體包 括例如惰性氣體的“啟動(dòng)”氣體，該發(fā)光體在接收到預(yù)定操作頻率和強(qiáng)度的微波功率時(shí)就會(huì) 形成等離子并發(fā)射光。微波輻射源115通過(guò)探針117向波導(dǎo)103提供微波功率。該波導(dǎo)容 納該能量流并將其引導(dǎo)到燈泡107所處的封閉燈腔105內(nèi)，其中該封閉燈腔105是從側(cè)面 103A懸吊下來(lái)進(jìn)入本體104中。該能量流從啟動(dòng)氣體原子中釋放出自由電子，從而產(chǎn)生等 離子。在很多情況下，發(fā)光體在室溫下都是固態(tài)的。它可以包含本領(lǐng)域已知元素或混合物 中的任何一種，例如硫、硒、包含硫和硒的混合物、或例如溴化銦的金屬鹵化物。該啟動(dòng)等離 子使發(fā)光體氣化，且受到微波激勵(lì)的自由電子將發(fā)光電子激發(fā)到更高的能級(jí)。發(fā)光體電子 的去激發(fā)將實(shí)現(xiàn)發(fā)光。實(shí)際上并不需要將啟動(dòng)氣體與固態(tài)發(fā)光體結(jié)合使用，單獨(dú)使用填充 氣體例如氙都可以引發(fā)等離子并發(fā)射光。微波輻射源115的最佳操作頻率范圍是從大約 0. 5到大約IOGHz。微波輻射源115應(yīng)當(dāng)與燈泡107彼此熱絕緣，該燈泡107在工作時(shí)溫度 通常會(huì)達(dá)到大約700°C到大約1000°C之間，因此這種熱絕緣會(huì)避免微波輻射源由于受到加 熱而老化。波導(dǎo)本體最好是很好的熱質(zhì)量，從而可以有助于有效的進(jìn)行熱量分配和散發(fā)，并 在燈泡與微波輻射源之間提供熱絕緣。通過(guò)在微波輻射源115和波導(dǎo)103之間任意選擇空 間116內(nèi)設(shè)置絕緣材料或真空縫隙，可以對(duì)微波輻射源實(shí)現(xiàn)額外的熱絕緣。當(dāng)包括這種空 間116時(shí)，可以使用合適的微波探針將該微波輻射源與波導(dǎo)耦合連接。出于對(duì)機(jī)械或例如熱量、振動(dòng)、老化和沖擊等其他因素的考慮，如圖1所示，使用 正電接頭(positive contact)機(jī)構(gòu)121作為彈簧承載設(shè)備，最好保持探針117與波導(dǎo)103 之間的接觸。該機(jī)構(gòu)通過(guò)探針在波導(dǎo)上施加恒定壓力，從而使微波功率通過(guò)探針?lè)瓷浠貋?lái) 而不是進(jìn)入波導(dǎo)的可能性降到最低。在提供恒定壓力時(shí)，該機(jī)構(gòu)可以對(duì)由于加熱或機(jī)械沖 擊而使探針和波導(dǎo)中出現(xiàn)的微小尺寸變化進(jìn)行補(bǔ)償。最好通過(guò)直接在波導(dǎo)上與探針117接 觸點(diǎn)的位置沉淀金屬材料123來(lái)實(shí)現(xiàn)這種接觸，從而消除可能影響耦接的縫隙。波導(dǎo)103的側(cè)面103A、103B、103C和103D中，除了從側(cè)面103A向本體104內(nèi)懸吊 下去而形成燈腔105的表面部分以外，都被涂覆一薄膜金屬涂層119，用于反射操作頻率范 圍內(nèi)的微波。該涂層的整體反射率決定了波導(dǎo)內(nèi)的能量級(jí)別。波導(dǎo)內(nèi)可存儲(chǔ)的能量越多， 燈的效率也就越高。該涂層119最好還可以抑制漸消失(evanescent)的輻射泄漏，并顯著 削弱任何雜散微波場(chǎng)。燈泡107包括具有內(nèi)表面110的外壁109和窗111?；蛘?，可以將燈腔壁作為燈泡的外壁。該燈泡107的部件最好包括至少一種介電材料，例如陶瓷或藍(lán)寶石。 燈泡中的陶瓷可以與本體104中使用的材料相同。由于燈泡最好由本體104包圍，且介電 材料有利于微波功率與燈泡中的填充氣體108有效耦合，因此燈泡107中最好使用介電材 料。外壁109通過(guò)密封劑113與窗111耦接，從而確定了容納填物的燈泡外殼。為了封閉 燈泡中的填充物，密封劑113最好是真空密封劑。外壁109最好包含氧化鋁，因?yàn)檠趸X具 有白色、溫度穩(wěn)定、低孔隙度和低熱膨脹系數(shù)的特點(diǎn)。外壁109的內(nèi)表面110的輪廓最好能 使通過(guò)窗111從空腔105反射出的光量最大。該窗111最好包含藍(lán)寶石，因?yàn)樗{(lán)寶石的透 光率很高且熱膨脹系數(shù)與氧化鋁的熱膨脹系數(shù)匹配很好。窗111可以包含透鏡以便收集和 聚焦發(fā)射出的光線。在操作中，當(dāng)燈泡107達(dá)到大約1000°C的溫度時(shí)，本體104可以作為燈 泡的散熱器。通過(guò)在側(cè)面103A、103C和103D上連接多個(gè)散熱片，可以實(shí)現(xiàn)有效散熱。當(dāng)波導(dǎo)本體104實(shí)質(zhì)上由介電材料構(gòu)成時(shí)，其中該介電材料通常在高溫下不穩(wěn) 定，例如鈦酸鹽，通過(guò)在本體和燈泡之間插入熱障，可以使波導(dǎo)103與燈泡107中產(chǎn)生的熱 量隔絕?；蛘?，外壁109包括具有較低熱傳導(dǎo)率的材料，例如作為熱障的NZP(NaZr2(PO4)3) 陶瓷。雖然圖1示出了直角棱鏡形狀的波導(dǎo)103，但是根據(jù)’ 718申請(qǐng)和公開號(hào)為 NO. W002/11181A1中公開的發(fā)明的波導(dǎo)還可以是圓柱形棱鏡、球形、或任何其他可以有效地 將微波功率從驅(qū)動(dòng)探針引導(dǎo)到與波導(dǎo)本體結(jié)合成一體的燈泡的形狀，包括復(fù)雜的、不規(guī)則 形狀，其諧振頻率最好可以利用電磁原理模擬工具確定出來(lái)。波導(dǎo)尺寸可以根據(jù)微波操作 頻率和波導(dǎo)本體的介電常數(shù)而改變。如果不考慮其形狀和尺寸，波導(dǎo)本體最好基本上由至 少一種固態(tài)介電材料構(gòu)成，該材料具有下面的屬性(1)介電常數(shù)大約大于2.0 ； (2)損耗角 正切值大約小于0.01 ； (3)由故障溫度衡量的耐熱驟變性大約大于200°C ； (4) DC擊穿臨界 值大約大于200千伏/英寸；(5)熱膨脹系數(shù)大約小于10_7°C; (6)介電常數(shù)的零或稍小于 零負(fù)溫度系數(shù)；(7)在大約-80°C到大約1000°C范圍內(nèi)的化學(xué)計(jì)量穩(wěn)定性；和(8)導(dǎo)熱系數(shù) 大約為2W/mK(瓦特/毫絕對(duì)溫度)。具有這些屬性以及令人滿意的電和熱機(jī)屬性的陶瓷 包括氧化鋁、氧化鋯、特定鈦酸鹽、和這些材料的變種或組合。但是，如’ 718申請(qǐng)和公開號(hào) 為NO. W002/11181A1中所公開的那樣，也可以使用介電常數(shù)大約大于2的一種或更多液體 材料，例如硅酮油。與波導(dǎo)103中的高Q值(Q為操作頻率與諧振的頻率帶寬的比值)對(duì)應(yīng)的波導(dǎo)103 內(nèi)的高諧振能量會(huì)導(dǎo)致漸漸消失的泄漏到燈腔105內(nèi)的微波能量增大。這種泄漏導(dǎo)致外 殼127內(nèi)的啟動(dòng)氣體準(zhǔn)靜態(tài)擊穿，從而產(chǎn)生初始自由電子。該自由電子的振動(dòng)能量量級(jí)為 Ι Λ其中I為微波能量的循環(huán)強(qiáng)度，為波長(zhǎng)。因此，微波能量越高，自由電子的諧振能 量就越大。通過(guò)使諧振能量大于氣體的電離電勢(shì)，電子_中性粒子碰撞將導(dǎo)致等離子密度 有效增強(qiáng)。一旦形成一個(gè)等離子，就可以吸收該輸入功率，波導(dǎo)的Q值就會(huì)由于等離子的電 導(dǎo)率和吸收性能而降低。Q值的降低通常是由于波導(dǎo)阻抗中的變化而導(dǎo)致的。在等離子形 成后，燈腔中出現(xiàn)等離子會(huì)使腔體能夠吸收諧振能量，從而改變了阻抗。該阻抗的變化實(shí) 際上是波導(dǎo)整體反射率的降低。通過(guò)匹配驅(qū)動(dòng)探針的反射率使其接近該降低后的波導(dǎo)反射 率，可以使凈反射回能量源的能量相對(duì)較低。等離子所吸收能量中的大多數(shù)最終都表現(xiàn)為 熱量。當(dāng)波導(dǎo)用作散熱器時(shí)，波導(dǎo)的尺寸可能由于熱膨脹而變化。如果波導(dǎo)膨脹，則在波導(dǎo) 中諧振的微波頻率也會(huì)改變，諧振會(huì)損失。為了能夠保持諧振，波導(dǎo)的至少一個(gè)尺寸必須等于微波輻射源115所產(chǎn)生微波的半波長(zhǎng)的整數(shù)倍。通過(guò)對(duì)本體104的介電材料進(jìn)行選擇， 使其溫度系數(shù)對(duì)應(yīng)其折射率，其中該折射率大約等于其熱膨脹系數(shù)但符號(hào)相反，可以補(bǔ)償 這種尺寸變化，從而利用折射率的變化至少部分地補(bǔ)償加熱產(chǎn)生的膨脹。DffIPL中的燈腔是在固態(tài)介電燈本體中成形的孔。該孔由透明窗或透鏡覆蓋以便將填充混合物保持在孔內(nèi)，該填充混合物通常為例如氬氣等惰性氣體或惰性氣體的混合以 及例如三溴化銦或三碘化銦(indium iodide)等鹽或鹵化物。該孔在燈本體表面處的截面 稱為“窗孔”，該燈本體表面是孔開始懸吊的位置。窗孔可以是園形、矩形或者任意形狀。該 腔體孔的三維形狀可以是正棱柱，其截面的形狀與窗孔相同，例如圓柱形棱柱和圓孔；正 棱柱，其截面形狀與窗孔不同，因此存在與窗孔近似或任意形狀的過(guò)渡區(qū)域；燈腔底部的形 狀使其可以作為光反射器，從而使射到該底部的光可以向窗孔反射。特別的，底部的形狀 可以是拋物面、橢圓形、鑿刻過(guò)的棱柱體、或者具有用于特定用途而設(shè)計(jì)的一種或更多的曲 率。燈腔應(yīng)當(dāng)被制成可以提供具有所需特性的發(fā)射光的形狀。例如，燈腔可以是圓柱 形，其直徑最好被選擇為能夠與和該燈相連接的光收集裝置的尺寸相匹配。該直徑的下限 受到某些要求的限制，該要求是受激發(fā)電子的平均自由行程應(yīng)當(dāng)足夠長(zhǎng)，以便于在電子轟 擊燈腔壁之前發(fā)生足夠多的電子-離子碰撞。否則，最終的效率就會(huì)太低。該直徑的上限 受到燈操作頻率的限制。否則，微波能量就會(huì)通過(guò)窗孔發(fā)射。通常對(duì)在例如投影電視機(jī)等應(yīng)用中使用的燈的要求是使燈腔具有“光學(xué)范圍 (extent)”(或“etendUe”E)，它取決于窗孔面積A和f數(shù)目(“f#”)，特征在于發(fā)射光的 錐角，它取決于直徑與燈腔深度的比率。具體說(shuō)，E=5A/4(f#)2。通常，選擇該深度以獲得 所需的f#，深度越高則f#和etendue越小。對(duì)于很深的燈腔，向燈腔中部或底部發(fā)射的光 將撞擊到燈腔壁上并被吸收，從而降低了燈的凈效率。對(duì)于很淺的燈腔，可以在非常廣的錐 角度范圍內(nèi)發(fā)射光。燈腔的形狀可以是不連續(xù)的，從而提供電場(chǎng)集中點(diǎn)(參見(jiàn)圖7A和8)，當(dāng)該燈關(guān)閉 時(shí)，該電場(chǎng)集中點(diǎn)可以有利于填充混合物的擊穿，從而更容易啟動(dòng)。這種不連續(xù)可以是從腔 體底部或側(cè)面開始延伸的錐形或杯形?；蛘?，可以通過(guò)故意增加例如延伸進(jìn)入燈腔的填充 管端等物體來(lái)形成這種不連續(xù)。在相同的燈本體中可以有多個(gè)燈腔。這些燈腔都處于對(duì)應(yīng)所選擇的波導(dǎo)操作模式 而言電場(chǎng)最大值的位置。該操作模式最好被選擇為可以使這些腔體的布置結(jié)構(gòu)能夠向多個(gè) 不同光路中的每一個(gè)提供光。每個(gè)燈腔都可以包含相同的填充混合物，或者該填充混合物 也可以不同。這樣，從各燈腔發(fā)射的光的頻譜就可能相同，也可能不同。例如，具有三個(gè)燈腔 且每個(gè)燈腔具有獨(dú)特的填充混合物的燈能夠分別從各燈腔中發(fā)射基本的紅、藍(lán)和綠色的光 線，從而從各燈腔發(fā)射的光可用于紅_藍(lán)_綠光學(xué)引擎中的各獨(dú)立通道?；蛘?，各燈腔可能 包含相同的填充混合物，從而多個(gè)獨(dú)立的微波輻射源可用于相關(guān)但彼此獨(dú)立的多個(gè)用途。燈本體基本上由一種以上的固態(tài)介電材料構(gòu)成。例如，燈本體在燈腔周圍是由氧 化鋁制成的較小體積，以便充分利用其良好的機(jī)械、熱和化學(xué)屬性，但該本體的其它部分是 由具有比氧化鋁更高介電常數(shù)的材料制成，但是該材料的熱、機(jī)械和/或電屬性不足以容 納等離子。這種燈可以比本體全部為氧化鋁的燈更小，其操作頻率也比相同大小的全氧化 鋁燈更低，同時(shí)由于它需要更少的高介電常數(shù)材料，因此其制造成本更低。
具有一種以上固態(tài)介電材料的燈本體的電磁設(shè)計(jì)是按照多個(gè)重復(fù)(interactive) 步驟來(lái)執(zhí)行的。首先，選擇粗糙的燈形狀，并對(duì)由占據(jù)本體體積最大部分材料構(gòu)成的燈本體 執(zhí)行電磁分析和模擬。第二步，對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)以確定該燈與所要求的操作頻率有多 接近。第三步，利用該模擬結(jié)構(gòu)中包括的多種介電材料來(lái)重復(fù)該模擬。使用該分析結(jié)果，調(diào) 節(jié)尺寸并重復(fù)模擬，直到該本體具有所需的操作頻率、尺寸以及材料比例的組合。具有多種材料的燈本體可以被設(shè)計(jì)為在兩種材料之間包括一個(gè)用作熱障的層，該 層可以是例如真空空間、惰性氣體、或固態(tài)材料。真空空間通過(guò)增加燈腔壁的溫度，并提供 一個(gè)區(qū)域，其中該區(qū)域中凈燈熱流量產(chǎn)生的溫度差別比在沒(méi)有真空空間時(shí)更大，有助于熱 管理(參見(jiàn)’ 718申請(qǐng)的圖3A和3B)。需要一個(gè)或更多機(jī)械元件來(lái)封閉和密封燈腔，以對(duì)抗由等離子產(chǎn)生的高熱機(jī)械壓 力和沖擊。參照?qǐng)D2，DWIPL200包括具有側(cè)面204的本體202，具有窗孔208的燈腔206從 該側(cè)面204的表面204S懸吊下來(lái)。球形透鏡210通過(guò)密封劑212安裝在表面204S上。該 透鏡210最好由藍(lán)寶石制成。附圖標(biāo)記220表示從燈腔206中發(fā)出的光的方向。封閉和密封燈腔的窗或透鏡可以與其它收集、處理和引導(dǎo)燈光輸出的光學(xué)元件耦 合。這些例子包括具有反射材料或涂層的管子和光導(dǎo)管。這些光學(xué)元件可以安裝在整體固 定在燈本體周圍散熱片上的支架上，從而以低成本、高集成性的方式將這些光學(xué)元件安裝 和固定在該燈上。參照?qǐng)D3，DWIPL300包括具有側(cè)面304的本體302，具有窗孔308的燈腔 306從該側(cè)面304的表面304S懸吊下來(lái)。該本體302被“U”形散熱片310封閉，該散熱片 310的中心部分312與彼此相對(duì)且通常平行的第一和第二部分314、316通常垂直并連接在 一起，該第一和第二部分314、316分別具有耳部314E、316E，該耳部314E、316E分別與第一 和第二部分314、316垂直并分別連接到相對(duì)的裝有板318、320的第一和第二燈。部分314 延伸出凸緣322，通常彼此相對(duì)的第一和第二支架324、326通常與該凸緣322垂直并剛性連 接。安裝在表面304S上并覆蓋窗孔308的窗/透鏡330封閉并密封該燈腔306。例如光導(dǎo) 管等光學(xué)元件332與該支架324、326剛性連接并與窗/透鏡330呈直線。附圖標(biāo)記334表 示從元件332中輸出的光的方向。DWIPL可以由單獨(dú)的集成裝置構(gòu)成，該裝置包括具有密封燈腔的燈本體；驅(qū)動(dòng)電 路和驅(qū)動(dòng)電路板；將本體與驅(qū)動(dòng)電路分離開來(lái)的熱障；以及外部散熱器?；蛘撸梢詫?duì)(a) 燈本體和散熱器和(b)驅(qū)動(dòng)電路及其散熱器使用分立包裝。對(duì)于使用兩個(gè)探針(參見(jiàn)圖 15A和15B以及，718申請(qǐng)的圖6)的DWIPL，本體和驅(qū)動(dòng)電路由兩個(gè)RF電力電纜連接，一個(gè) 用于連接驅(qū)動(dòng)電路的輸出到本體，另一個(gè)用于從本體到驅(qū)動(dòng)電路提供反饋。使用兩個(gè)分立 包裝可以在燈熱量和燈驅(qū)動(dòng)器熱量分配中實(shí)現(xiàn)更大自由度。這樣就可以在不為該燈準(zhǔn)備風(fēng) 扇的情況下制造投影電視或其他設(shè)備。與現(xiàn)有技術(shù)相比，利用這種兩個(gè)包裝的結(jié)構(gòu)還可以 實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)出從熒光屏到背板的臨界距離(critical dimenesion)更短的電視機(jī)。由于可以根據(jù)決定熱量沿所需路徑流動(dòng)的特性來(lái)選擇用于燈本體的固態(tài)介電材 料，因此DWIPL具有排熱的優(yōu)點(diǎn)。散熱片可以具有任意形狀，并可以對(duì)熱量和最終用途因 素進(jìn)行優(yōu)化。用于圓柱形燈本體的散熱片還可以是圓柱體，其翼片和安裝細(xì)節(jié)可以被規(guī)格 化以便將其安裝在投影電視框架上，該散熱片還具有用于將光學(xué)器件安裝到燈組件上的特 征。對(duì)于圓柱形燈和圓柱形散熱片，有效的構(gòu)造技術(shù)是加熱散熱片直到其膨脹，然后將其置 于燈本體的周圍，并使其冷卻收縮以形成與該本體的無(wú)間隙機(jī)械接觸。金屬散熱片可用于為燈本體提供導(dǎo)電外部涂層。該技術(shù)可以確保耐久和無(wú)間隙的連接，并同時(shí)滿足該燈的熱 和電要求，降低整體成本。參照?qǐng)D4，DWIPL400包括通常的具有頂面404的圓柱形燈本體402，該頂面404的表面404S上安裝了覆蓋燈腔窗孔408的窗406。本體402可以正好被收容到通常的圓柱形 金屬散熱器412的圓柱形孔410中，該圓柱形金屬散熱器412的環(huán)形頂面414上具有多個(gè) 安裝孔416。在本體402和散熱器412之間最好加入柔性的高溫?zé)峤缑娌牧?18，例如油脂 或硅酮墊。其它實(shí)際的散熱器結(jié)構(gòu)為兩片式“蛤殼”，其中兩個(gè)相似或相同的片狀部分與燈本 體大面積無(wú)間隙接觸。該片狀部分通過(guò)壓縮緊固件結(jié)合成一體。參照?qǐng)D5，DWIPL500具有 通常的圓柱形本體502、具有表面504S的頂面504以及與表面504S連接并覆蓋燈腔窗孔 508的窗506。本體502由蛤殼類型散熱片514的半圓柱部分510和512封閉。部分510 和512的每一個(gè)都分別由末端510A、510B和512A、512B確定，該末端510A、510B和512A、 512B分別與凸緣510C、510D和512C、512D連接。第一和第二緊固件520、522用于將對(duì)準(zhǔn)的 邊緣、壓縮部分510、512與本體502連接。其它的散熱器結(jié)構(gòu)是為燈本體鍍上導(dǎo)熱和導(dǎo)電材料，例如銀或鎳，然后將該散熱 片焊接或銅焊在該鍍層上。當(dāng)從驅(qū)動(dòng)電路向燈本體提供微波功率時(shí)，該微波功率加熱填充混合物，使鹽或鹵 化物熔化進(jìn)而汽化，從而使燈腔內(nèi)壓力極大增加。根據(jù)所使用的鹽或鹵化物，該壓力可以達(dá) 至IJ 400大氣壓，燈泡的溫度可以達(dá)到1000°C。因此，使窗或透鏡與燈本體連接在一起的密封 劑必須非常牢固。參照?qǐng)D6，DWIPL600包括一本體602，該本體602包括具有表面604S的側(cè)面604和 具有孔610H的底部610，具有窗孔608的燈腔606從表面604S懸吊下來(lái)。最好由藍(lán)寶石制 成的窗612通過(guò)密封劑614與表面604S連接。該燈本體602還包括在本體側(cè)面618上的 孔620H與燈腔底部610之間延伸的螺紋孔616，該本體側(cè)面618通常與側(cè)面604相對(duì)，從而 使該螺紋孔616與孔610H相通。窗612是在惰性氣體環(huán)境下利用本領(lǐng)域公知的陶瓷密封 技術(shù)密封到表面604S上的，這些技術(shù)例如銅焊、熔合、或金屬密封。然后將燈本體602和具 有頭部622的螺旋類拴塞620帶入包含將在燈腔中使用的啟動(dòng)氣體的氣壓室內(nèi)，該氣壓室 內(nèi)的氣壓等于或接近燈內(nèi)所需的非工作壓力。然后通過(guò)螺紋孔616和孔610H將發(fā)光器置 入燈腔606中。再通過(guò)孔620H將拴塞620螺旋入孔616中，該拴塞可以為容納填充混合物 提供機(jī)械以及氣障，然后在頭部622上沉淀金屬或玻璃材料624以實(shí)現(xiàn)最終密封。參照?qǐng)D7和7A，DWIPL700包括一本體702，該本體702包括具有表面704S的側(cè)面 704和下部710，其中具有第一窗孔708的燈腔706從表面704S懸吊下來(lái)，該下部710在頸 部712成錐形，該頸部712延伸至第二窗孔714結(jié)束。最好由藍(lán)寶石制成的窗716通過(guò)密 封劑718與表面704S連接。該燈本體702還包括在本體側(cè)面722上的孔720H與窗孔714 之間延伸的錐形孔720，該本體側(cè)面722通常與側(cè)面704相對(duì)，從而使該錐形孔720與頸部 712相通，形成唇緣(lip)713。窗716是在惰性氣體環(huán)境下密封到表面704S上的。然后將 燈本體702和拴塞730帶入包含將在燈腔中使用的啟動(dòng)氣體的氣壓室內(nèi)，該拴塞730的錐 度與錐形孔720的錐度匹配并具有頭部732，該氣壓室內(nèi)的氣壓等于或接近燈內(nèi)所需的非 工作壓力。然后通過(guò)錐形孔720和孔714將發(fā)光器置入燈腔706中。再通過(guò)孔720H將拴塞730強(qiáng)行插入孔720中，從而使拴塞與唇緣713接觸，有效實(shí)現(xiàn)機(jī)械密封，然后在頭部732上沉淀金屬或玻璃材料734以實(shí)現(xiàn)最終密封。圖8示出螺旋形拴塞620的三種結(jié)構(gòu)630、640、650以及錐形拴塞730的四種結(jié)構(gòu) 740、750、760、770。拴塞630、640和650分別具有圓頂形尖端630T、桿狀尖端640T、以及鑿 形尖端650T。拴塞740、750、760和770分別具有圓錐形尖端740T、杯形尖端750T、鑿形尖 端760T和具有凹入端722的桿形尖端770T。如果使用具有延伸尖端的拴塞，例如拴塞650 或760，則尖端將延伸入燈腔706，形成可以提供電場(chǎng)集中點(diǎn)的不連續(xù)體。參照?qǐng)D9，DWIPL900包括一本體902，該本體902包括具有表面904S的側(cè)面904和 具有孔910H的底部910，具有窗孔908的燈腔906從表面904S懸吊下來(lái)。最好由藍(lán)寶石制 成的窗912通過(guò)密封劑914與表面904S連接。該燈本體902還包括在本體側(cè)面918上的 孔916H與燈腔底部910之間延伸的圓柱形孔916，該本體側(cè)面918與側(cè)面904相對(duì)，從而 使該孔與孔910H相通。在惰性氣體環(huán)境下將窗912密封到表面904S上之后，通過(guò)孔916H 將具有端部920E的玻璃或石英管920插入孔916中，從而使端部920E通過(guò)孔9IOH延伸進(jìn) 入燈腔906。然后利用與管920連接的真空泵將該燈腔抽真空。再通過(guò)該管將啟動(dòng)氣體的 填充混合物和發(fā)光器置入燈腔中。當(dāng)填充完成時(shí)，將外徑稍小于該管內(nèi)徑的玻璃或石英桿 930插入管內(nèi)，加熱該管和桿并使其收縮壓緊(pinch off)。這樣，該管920中填充了可以 實(shí)現(xiàn)可靠密封的介電材料。該燈腔的填充和密封處理可以在不需要真空腔的情況下完成， 即在燈處于大氣壓力下完成?；蛘?，將燈本體902帶入包含將在燈腔中使用的啟動(dòng)氣體的 氣壓室內(nèi)，其中燈本體902具有插入孔916中的管920，且該氣壓室內(nèi)的氣壓等于或接近燈 內(nèi)所需的非工作壓力。再通過(guò)該管將發(fā)光器置入燈腔中。當(dāng)填充完成時(shí)，將桿930插入該 管中，加熱該管和桿并使其收縮壓緊。參照?qǐng)D10，DWIPL1000包括一本體1002，該本體1002包括具有表面1004S的側(cè)面 1004和底部1010，具有窗孔1008的燈腔1006從表面1004S懸吊下來(lái)。側(cè)面1004具有一 孔1004H，用于與燈腔1006中的孔1006H相通。將具有端部1020E的玻璃或石英管1020插 入孔1004H和1006H，從而使端部1020E進(jìn)入燈腔1006。然后利用玻璃料或密封材料1032 將最好由藍(lán)寶石制成并用于覆蓋窗孔1008的窗1030連接到表面1004S上，該玻璃料或密 封材料1032能在小于管子1020熔點(diǎn)的溫度下熔化。在窗已經(jīng)被密封到表面1004S上，且 管子1020已經(jīng)就位、孔1004H已經(jīng)被密封材料堵塞以后，利用與管1020連接的真空泵將 該燈腔抽真空。然后通過(guò)該管將啟動(dòng)氣體的和發(fā)光器填充混合物置入燈腔中。當(dāng)填充完成 時(shí)，將外徑稍小于該管1020內(nèi)徑的玻璃或石英桿1040插入管1020內(nèi)，加熱該管1020和桿 1040并使其收縮壓緊。參照?qǐng)D11，DWIPL1100包括一本體1102，該本體1102包括具有表面1104S的側(cè)面 1104和底部1110，具有窗孔1108的燈腔1106從表面1104S懸吊下來(lái)。側(cè)面1104具有環(huán) 繞該窗孔1108的0形環(huán)槽1112。DWIPLl 100還包括第一和第二夾板1120A、1120B，它們分 別可以向覆蓋窗孔的窗1130施加機(jī)械壓力。將燈本體1102、窗1130、0形環(huán)1114、以及啟 動(dòng)氣體1140和發(fā)光器1150的填充混合物帶入容納氣體1140的氣壓室內(nèi)，該氣壓室的壓力 等于或接近該燈所需的非工作壓力。然后將發(fā)光器置于燈腔1106中，將0形環(huán)1114放入 環(huán)槽1112中，將窗1130置于0形環(huán)的頂部，緊固夾板1120A、1120B，從而形成臨時(shí)或永久性 密封。
參照?qǐng)D12，DWIPL1200包括一 “U”形本體1202，該本體1202具有分別與彼此相 對(duì)的第一和第二本體部分1206、1208連接的中央本體部分1204，該第一和第二本體部分 1206、1208通常分別與本體部分1204垂直并延伸到上部部分1206U、1208U。本體部分1204 包括具有表面1210S的側(cè)面1210和底部1224，具有窗孔1222的燈腔1220從表面1210S懸 吊下來(lái)。側(cè)面1210具有環(huán)繞該窗孔1222的0形環(huán)槽1212。上部部分1206U、1208U各自 的內(nèi)表面1206S、1208S分別具有螺紋1230。該螺紋可以是與內(nèi)表面金屬連接的部件，或切 成該表面。對(duì)于圖11的模式，將燈本體1202、窗1240、0形環(huán)1214、以及啟動(dòng)氣體和發(fā)光器 的填充混合物帶入容納氣體的氣壓室內(nèi)，該氣壓室的壓力等于或接近該燈所需的非工作壓 力。然后將發(fā)光器置于燈腔1220中，將0形環(huán)1214放入環(huán)槽1212中，將窗1240置于0形 環(huán)的頂部，將螺旋型金屬蓋與螺紋1230擰緊結(jié)合。該金屬蓋1250具有作為光通道的中心 孔1250H。向下擰緊金屬蓋時(shí)會(huì)向窗施加壓力，從而壓緊0形環(huán)最終形成臨時(shí)或永久性密 封。參照?qǐng)D13，DWIPL1300包括一本體1302，該本體1302包括具有表面1304S的側(cè)面1304和底部1310，具有窗孔1308的燈腔1306從表面1304S懸吊下來(lái)。側(cè)面1304具有環(huán)繞 該窗孔1308的零件1312，該零件1312用于緊密容納密封預(yù)制件1320，例如鉬金或玻璃環(huán)。 將燈本體1302、窗1330、密封預(yù)制件1320、以及啟動(dòng)氣體1340和發(fā)光器1350的填充混合物 帶入容納氣體1340的氣壓室內(nèi)，該氣壓室的壓力等于或接近該燈所需的非工作壓力。將發(fā) 光器置于燈腔1306中，將密封預(yù)制件1320放入零件1312中，將窗1330置于密封預(yù)制件的 頂部。然后將燈本體1302放在或夾緊在冷卻表面1360上，從而使本體和填充混合物保持 足夠涼，防止在密封預(yù)制件加熱過(guò)程中材料汽化。再按壓熱的心軸1370使其與窗1330接 觸，加熱該窗并熔化密封預(yù)制件。附圖標(biāo)記1370A和1370B表示熔化過(guò)程中的熱傳輸。該 密封預(yù)制件材料應(yīng)當(dāng)被選擇為可以在窗和燈本體的熱極限以下的溫度熔化和流動(dòng)。當(dāng)將該 密封預(yù)制件熔化然后冷卻時(shí)，它就在窗和側(cè)邊1304之間形成密封。在密封操作期間，燈腔 中的氣體壓力必須被選擇為可以對(duì)加熱過(guò)程中的膨脹進(jìn)行補(bǔ)償。參照?qǐng)D14，DWIPL 1400包括一本體1402，該本體1402包括具有表面1404S的側(cè)面 1404和底部1410，具有窗孔1408的燈腔1406從表面1404S懸吊下來(lái)。環(huán)繞窗孔1408的 第一金屬化環(huán)1412通過(guò)銅焊、真空沉淀或屏蔽與側(cè)面1404連接，并位于側(cè)面1404的零件 1404D內(nèi)。在該零件1404D內(nèi)，密封預(yù)制件1420例如鉬金環(huán)覆蓋在該環(huán)1412上。窗1430 的底面1430S靠近其周邊的部分，通過(guò)銅焊、真空沉淀或屏蔽與第二金屬化環(huán)1432連接。將 燈本體1402、窗1430、密封預(yù)制件1420、以及啟動(dòng)氣體1440和發(fā)光器1450的填充混合物帶 入容納氣體1440的氣壓室內(nèi)，該氣壓室的壓力等于或接近該燈所需的非工作壓力。將發(fā)光 器置于燈腔1406中，將窗1430置于密封預(yù)制件1420的頂部，從而使該密封預(yù)制件夾在環(huán) 1412和1432之間。優(yōu)選地，夾具1460將該窗保持在其位置上，同時(shí)利用焊焰1470或其他 熱源熔化該密封預(yù)制件并形成密封。參照?qǐng)D15，DffIPL 1500包括一本體1502，該本體1502包括具有表面1504S的側(cè) 面1504和底部1510，具有窗孔1508的燈腔1506從表面1504S懸吊下來(lái)。環(huán)繞窗孔1508 的第一金屬化環(huán)1512通過(guò)銅焊、真空沉淀或屏蔽與側(cè)面1504連接，并位于側(cè)面1504的零 件1504D內(nèi)。在該零件1504D內(nèi)，例如鉬金環(huán)或玻璃環(huán)等密封預(yù)制件1520覆蓋在該環(huán)1512 上。窗1530的底面1530S靠近其周邊的部分，通過(guò)銅焊、真空沉淀或屏蔽與第二金屬化環(huán)1532連接。將燈本體1502、窗1530、密封預(yù)制件1520、以及啟動(dòng)氣體1540和發(fā)光器1550 的填充混合物帶入容納氣體1540的氣壓室內(nèi)，該氣壓室的壓力等于或接近該燈所需的非 工作壓力。將混合物置于燈腔1506中，將窗1530置于密封預(yù)制件1520的頂部，從而使該 密封預(yù)制件夾在環(huán)1512和1532之間。優(yōu)選地，夾具1560將該窗保持在其位置上，同時(shí)按 照受控模式聚焦并移動(dòng)激光1570使其熔化密封預(yù)制件材料，然后將其冷卻。激光密封可以 在大氣環(huán)境下或局部壓力環(huán)境下完成。參照?qǐng)D16和16A，DWIPL 1600包括一本體1602，該本體1602包括具有表面1604S 的側(cè)面1604和底部1610，具有窗孔1608的燈腔1606從表面1604S懸吊下來(lái)。環(huán)繞窗孔 1608的第一金屬化環(huán)1612通過(guò)銅焊、真空沉淀或屏蔽與側(cè)面1604連接，并位于側(cè)面1604 的零件1604D內(nèi)。在該零件1604D內(nèi)，例如鉬金環(huán)或其它導(dǎo)體材料等密封預(yù)制件1620覆蓋 在該環(huán)1612上。窗1630的底面1630S靠近其周邊的部分，通過(guò)銅焊、真空沉淀或屏蔽與第 二金屬化環(huán)1632連接。將燈本體1602、窗1630、密封預(yù)制件1620、以及啟動(dòng)氣體1640和發(fā) 光器1650的填充混合物帶入容納氣體1640的氣壓室內(nèi)，該氣壓室的壓力等于或接近該燈 所需的非工作壓力。將發(fā)光器1650置于燈腔1606中，將窗1630置于密封預(yù)制件1620的 頂部，從而使該密封預(yù)制件夾在環(huán)1612和1632之間。優(yōu)選地，夾具1660將該窗保持在其 位置上，同時(shí)移動(dòng)射頻(RF)線圈1670使其靠近該密封預(yù)制件。該線圈加熱并熔化該密封 預(yù)制件，當(dāng)該熔化后的密封預(yù)制件冷卻之后將在窗和側(cè)面1604之間形成密封。RF密封可以 在大氣環(huán)境下或局部壓力環(huán)境下完成。從電磁學(xué)來(lái)說(shuō)，DWIPL是具有至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)探針的諧振空腔，該驅(qū)動(dòng)探針可以提供 微波功率以激發(fā)至少一個(gè)燈泡中容納的等離子。在說(shuō)明書下面的部分中，“空腔”表示DWIPL 本體。如’ 718申請(qǐng)中所述，“燈泡”可以是置于燈腔內(nèi)并容納填充混合物的分立封閉體，或 者該燈腔自身就可以是燈泡。為了實(shí)現(xiàn)最佳的效率，該燈泡最好處于所使用的諧振空腔諧 振模的電場(chǎng)最大值位置。但是，在允許壁和空腔消耗額外功率的情況下，也可以將該燈泡從 最大電場(chǎng)位置移走。該驅(qū)動(dòng)探針的位置并不是嚴(yán)格規(guī)定的，只要它不處于電場(chǎng)最大值處就 可以，這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)改變探針設(shè)計(jì)參數(shù)，特別是長(zhǎng)度和形狀，就可以實(shí)現(xiàn)所需的耦合效率。 圖17A和17B分別示意性示出了兩個(gè)圓柱形燈結(jié)構(gòu)130A、130B，它們都是在基本圓柱形空腔 諧振模下，即通常所謂的TMi^tl下工作，并且分別具有處于單個(gè)電場(chǎng)最大值處的燈泡132A、 132B。虛線131A、131B分別示出空腔中的電場(chǎng)分布。在圖17A中，驅(qū)動(dòng)探針134A位于電場(chǎng) 最大值處。在圖17B中，驅(qū)動(dòng)探針134B并不處于電場(chǎng)最大值處，但是驅(qū)動(dòng)探針134B由于相 對(duì)探針134A而言更長(zhǎng)而可以提供與探針134A —樣的耦合效率。雖然這里使用TM^tl模作 為例子，但是也可以使用更高次的空腔諧振模，包括但不局限于橫向電場(chǎng)(“TE”)和橫向磁 場(chǎng)(“TM”)模。為了燈的正常工作，驅(qū)動(dòng)探針的設(shè)計(jì)是很嚴(yán)格的。該探針必須能夠在微波源和燈 腔之間提供正確量的耦合，從而使發(fā)光效率最大化并保護(hù)該微波源。有四種主要的空腔損 耗機(jī)構(gòu)會(huì)降低效率腔壁損耗、介電本體損耗、等離子損耗、和探針耦合損耗。如本文中所 述，探針耦合損耗是由該驅(qū)動(dòng)探針和空腔中的其他探針耦合出來(lái)的功率。探針耦合損耗是 主要的設(shè)計(jì)考慮因素，因?yàn)槿魏翁结樁伎梢酝瑫r(shí)將功率耦合進(jìn)入空腔和從空腔中耦合出 來(lái)。如果微波源和空腔之間的耦合太小，即公知的“欠耦合(under-coupling) ”，則微波源 輸出的大部分功率都不會(huì)進(jìn)入空腔，而會(huì)被反射回微波源。這會(huì)降低發(fā)光效率和微波源的壽命。如果最初微波源和空腔之間的耦合太大，即公知的“過(guò)耦合”，則微波源輸出的大部分 功率都將進(jìn)入空腔。但是，空腔損耗機(jī)構(gòu)不能消耗所有這些功率，過(guò)量的部分就會(huì)被驅(qū)動(dòng)探 針和空腔中的其他探針耦合出來(lái)。這樣，發(fā)光效率和微波源壽命同樣也會(huì)降低。為了使發(fā) 光效率最大化并保護(hù)微波源，驅(qū)動(dòng)探針必須提供適當(dāng)量的耦合，從而能夠在諧振頻率下使 從空腔反射回微波源的功率最小。這種條件，通常稱為“臨界耦合”，可以通過(guò)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)探針 的結(jié)構(gòu)和位置來(lái)實(shí)現(xiàn)。探針設(shè)計(jì)參數(shù)取決于空腔中的損耗，而該損耗取決于等離子的狀態(tài) 和燈本體的溫度。隨著等離子狀態(tài)和/或本體溫度改變，耦合和諧振頻率也會(huì)改變。另外， DffIPL制造過(guò)程中不可避免的不準(zhǔn)確度也會(huì)導(dǎo)致耦合和諧振頻率的不確定度增加。在燈操作過(guò)程中調(diào)節(jié)探針的物理參數(shù)是不實(shí)際的。為了在所有條件下保持盡可能地接近臨界耦合，需要一種反饋結(jié)構(gòu)(參見(jiàn)’ 718申請(qǐng)的圖6)，例如圖18A和18B中分別 示出用于直角棱鏡形狀的空腔和圓柱形空腔的燈結(jié)構(gòu)140A、140B。第二“反饋”探針142A、 142B分別插入空腔144A、144B中。反饋探針142A、142B分別與組合的放大器和控制電路 (ACC) 148AU48B的輸入端146A、146B連接；驅(qū)動(dòng)探針150A、150B分別與ACC輸出端152A、 152B連接。每個(gè)結(jié)構(gòu)形成一個(gè)振蕩器?？涨恢械闹C振可以提高產(chǎn)生等離子所需的電場(chǎng)強(qiáng) 度，并增加驅(qū)動(dòng)探針和燈泡之間的耦合效率。驅(qū)動(dòng)探針和反饋探針都可以位于空腔中除了 用于電場(chǎng)耦合的電場(chǎng)最小值位置或用于磁場(chǎng)耦合的磁場(chǎng)最小值位置附近以外的任何位置。 通常反饋探針比驅(qū)動(dòng)探針的耦合量要小，這是因?yàn)榉答佁结槻蓸涌涨恢械碾妶?chǎng)僅會(huì)導(dǎo)致耦 合損耗最小量的增加。從電路的角度來(lái)說(shuō)，空腔可以作為損耗窄帶通濾波器。該空腔可以選擇從驅(qū)動(dòng)探 針到反饋探針可以通過(guò)的諧振頻率。ACC放大該最佳頻率并將其返回到空腔。如果相對(duì)于 反饋探針輸入端處的插入損耗，放大器增益大于在驅(qū)動(dòng)探針輸入端的插入損耗，即公知的 S21，則將在諧振頻率開始振蕩。這是可以自動(dòng)和連續(xù)完成的，即使當(dāng)例如等離子狀態(tài)和溫 度連續(xù)或不連續(xù)變化時(shí)也是如此。由于空腔連續(xù)“通知”放大器最佳頻率，因此反饋能夠使 制造公差放寬，從而對(duì)于放大器設(shè)計(jì)或DWIPL制造來(lái)說(shuō)不需要對(duì)最終操作頻率進(jìn)行精確預(yù) 測(cè)。放大器需要做的就是在燈工作的通常頻帶范圍內(nèi)提供足夠的增益。這種設(shè)計(jì)可以確保 放大器能在所有條件下向燈泡提供最大功率。為了使發(fā)光效率最大化，需要將驅(qū)動(dòng)探針最優(yōu)化，使等離子達(dá)到其穩(wěn)定狀態(tài)操作 點(diǎn)。這意味著在等離子形成之前，當(dāng)空腔內(nèi)的損耗很低時(shí)，空腔為過(guò)耦合。因此，從微波源 輸出的部分功率不會(huì)進(jìn)入空腔內(nèi)，而是被反射回微波源。被反射的功率的量取決于等離子 形成之前和之后的損耗差。如果該差別很小，則等離子形成之前的功率反射將很小，腔體近 似為臨界耦合。如圖18A或18B所示的反饋結(jié)構(gòu)將足以擊穿燈泡中的氣體并啟動(dòng)等離子形 成過(guò)程。但是，在大多數(shù)情況下，等離子形成之前和之后之間的損耗差別都很大，驅(qū)動(dòng)探針 在等離子形成之前都是過(guò)耦合狀態(tài)。由于大量功率被反射回到放大器，因此電場(chǎng)強(qiáng)度不足 以使氣體擊穿。而且，大量的反射功率會(huì)損壞放大器或減小其壽命。圖19示出用于解決驅(qū)動(dòng)探針過(guò)耦合問(wèn)題的燈結(jié)構(gòu)160，其中在空腔164中插入了 第三“啟動(dòng)”探針162，該探針162被最優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)等離子形成之前的臨界耦合。啟動(dòng)探針 162、驅(qū)動(dòng)探針166、和反饋探針168可以位于空腔中除了接近電場(chǎng)最小值位置以外的任何 其他位置。分路器172將從ACC170輸出端170B輸出的功率分為兩個(gè)部分一個(gè)部分被輸 送到驅(qū)動(dòng)探針166 ；另一個(gè)部分通過(guò)移相器174被輸送到啟動(dòng)探針162。探針168與ACC170的輸入端170A連接。啟動(dòng)和驅(qū)動(dòng)探針都被設(shè)計(jì)為可以將功率耦合為相同的空腔諧振模，例 如如圖19所示的圓柱形空腔的TMtl,u。對(duì)探針166與162之間的分束比和移相量進(jìn)行選擇 以最小化向放大器的反射。利用網(wǎng)絡(luò)分析器S參數(shù)測(cè)量和/或模擬軟件，例如PA.匹茲堡 的Ansoft公司出品的高頻結(jié)構(gòu)模擬器(HFSS)，可以確定這些參數(shù)的值?？傊?，在等離子形 成之前啟動(dòng)探針臨界耦合，當(dāng)?shù)入x子達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，該驅(qū)動(dòng)探針被臨界耦合。該分路器和 移相器被設(shè)計(jì)為可以最小化向組合的放大器和控制電路反射。圖20示出用于解決驅(qū)動(dòng)探針過(guò)耦合問(wèn)題的第二種燈結(jié)構(gòu)180。啟動(dòng)探針182和驅(qū) 動(dòng)探針184都被設(shè)計(jì)為可以將功率耦合為相同的空腔諧振模，例如空腔186等圓柱形空腔 的TM0,u。結(jié)構(gòu)180還包括與ACC190的輸入端190A連接的反饋探針188。這三個(gè)探針可 以位于空腔中除了接近電場(chǎng)最小值位置以外的任何其他位置。ACC190輸出端190B輸出的 功率被輸送到循環(huán)器192的第一端口 190A，該第一端口 192A將功率輸送到第二端口 192B， 進(jìn)而饋送到驅(qū)動(dòng)探針184。在等離子形成之前，驅(qū)動(dòng)電極會(huì)輸出大量反射，這是因?yàn)轵?qū)動(dòng)探 針在等離子達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)之前都是過(guò)耦合的。這些反射功率被循環(huán)器192再反射送到第三 端口 192C，該第三端口 192C將這些功率饋送到啟動(dòng)探針182。在等離子形成之前，啟動(dòng)探 針為臨界耦合，從而可以將大部分功率輸送到空腔186中，并使啟動(dòng)探針?lè)瓷渥钚』?。僅有 很少量的功率進(jìn)入端口 192C并返回到ACC輸出端190B?？涨恢械墓β什粩嘣黾?，直到填充 混合物擊穿并開始形成等離子。一旦等離子達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)探針184就被臨界耦合，從 而使驅(qū)動(dòng)探針?lè)瓷涞墓β首钚』４藭r(shí)，僅有少量的功率到達(dá)仍處于欠耦合狀態(tài)的啟動(dòng)探 針182。盡管啟動(dòng)探針現(xiàn)在具有很高的反射系數(shù)，由于入射功率幾乎可以忽略，因此反射功 率的總量也可以忽略?？偟膩?lái)說(shuō)，啟動(dòng)探針在等離子形成之前為臨界耦合，當(dāng)?shù)入x子達(dá)到穩(wěn) 定狀態(tài)時(shí)驅(qū)動(dòng)探針為臨界耦合。循環(huán)器將功率從端口 192A引導(dǎo)到192B，從端口 192B到端 口 192C，從端口 192C 到端口 192A。圖2IA和2IB示出用于解決驅(qū)動(dòng)探針過(guò)耦合問(wèn)題的第三和第四燈結(jié)構(gòu)240A、240B。 等離子形成之前使用“啟動(dòng)”空腔諧振模，獨(dú)立的“驅(qū)動(dòng)”空腔諧振模用于將該等離子驅(qū)動(dòng)到 其穩(wěn)定狀態(tài)并保持該狀態(tài)。啟動(dòng)探針242A、242B分別在啟動(dòng)空腔諧振模下工作，驅(qū)動(dòng)探針 244A、244B分別在驅(qū)動(dòng)空腔諧振模下工作。如虛線241A和241B所示，驅(qū)動(dòng)空腔諧振模最好 為基本空腔諧振模，而啟動(dòng)空腔諧振模為更高次的空腔諧振模。這是因?yàn)橥ǔ１３址€(wěn)定狀 態(tài)等離子輸出所需的光比擊穿該氣體以形成等離子需要更多的能量。因此，將DWIPL設(shè)計(jì) 為使高功率微波源在較低頻率下工作將會(huì)更經(jīng)濟(jì)。對(duì)于例如空腔246A和246B等圓柱形空 腔來(lái)說(shuō)，啟動(dòng)探針242A、242B在等離子形成之前在TM^tl模的諧振頻率下分別可以為臨界 耦合，而驅(qū)動(dòng)探針244A、244B則在等離子達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)之后將在TM^tl模的諧振頻率下分 別可以耦合。反饋探針可以位于空腔中除了驅(qū)動(dòng)空腔諧振模的場(chǎng)最小值位置或啟動(dòng)空腔諧 振模的場(chǎng)最小值位置附近以外的任何其他位置。啟動(dòng)探針可以位于空腔中除了啟動(dòng)空腔諧 振模的任何場(chǎng)最小值位置附近以外的任何其他位置。驅(qū)動(dòng)探針可以位于啟動(dòng)空腔諧振模的 場(chǎng)最小值位置或其附近，但是不能位于驅(qū)動(dòng)空腔諧振模的場(chǎng)最小值位置附近。這就會(huì)在等 離子形成前使驅(qū)動(dòng)探針的偶合損失最小，以便空腔中的電場(chǎng)能夠達(dá)到較高值，以擊穿氣體。 雙工器248A、248B分別用于分離兩個(gè)諧振頻率。在圖21A中，輸出端250B與雙工器248A 連接的單獨(dú)ACC250用于激勵(lì)兩種空腔諧振模。這兩個(gè)頻率被雙工器248A分離并饋送到啟 動(dòng)探針242A和驅(qū)動(dòng)探針244A。反饋探針252A與ACC250的輸入端口 250A連接。在圖21B中，分別具有輸出端260B、262B的兩個(gè)獨(dú)立放大器260、262用于獨(dú)立激勵(lì)兩個(gè)空腔諧振模。 雙工器248B用于將從反饋探針252B輸出的兩個(gè)頻率分離?？傊?，啟動(dòng)探針在一個(gè)空腔諧 振模下工作，而驅(qū)動(dòng)探針在不同的模下工作。反饋探針可以位于空腔中除了這兩個(gè)空腔諧 振模的最小場(chǎng)位置附近以外的任何其他位置。啟動(dòng)探針可以位于空腔中除了啟動(dòng)空腔諧振 模的場(chǎng)最小值位置附近以外的其他任何位置。驅(qū)動(dòng)探針可以位于啟動(dòng)空腔諧振模的最小場(chǎng) 位置或其附近，但不能位于驅(qū)動(dòng)空腔諧振模的最小場(chǎng)位置附近。另一種方法是增加一個(gè)第二反饋探針，從而可以不必使用雙工器。第一反饋探針位于啟動(dòng)空腔諧振模的最小電場(chǎng)位置，從而可以僅耦合出(couple out)驅(qū)動(dòng)空腔諧振模。 第二反饋探針位于驅(qū)動(dòng)空腔諧振模的最小電場(chǎng)位置，從而可以僅耦合出啟動(dòng)空腔諧振模。圖22A和22B分別示出燈結(jié)構(gòu)280A、280B，它們都不包括啟動(dòng)探針，但使用了兩個(gè) 獨(dú)立的空腔諧振模。如空腔282A和282B中的曲線281A和281B分別所示，相對(duì)較高次的 啟動(dòng)空腔諧振模用于等離子形成之前，相對(duì)較低次的驅(qū)動(dòng)空腔諧振模用于將等離子激勵(lì)到 穩(wěn)定狀態(tài)并保持該狀態(tài)。為了經(jīng)濟(jì)性和效率，最好是，驅(qū)動(dòng)空腔諧振模同樣是基本空腔諧振 模，而啟動(dòng)空腔諧振模為更高次的空腔諧振模。例如，圓柱形燈腔的TM^tl模可用于等離子 形成之前，而TMtl,u?？捎糜趯⒌入x子保持在穩(wěn)定狀態(tài)。通過(guò)使用兩種空腔諧振模，可以設(shè) 計(jì)出單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)探針，它可以在等離子形成之前和等離子達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)之后都處于臨界耦 合，從而不再需要啟動(dòng)探針。該反饋探針284A、284B分別可以位于空腔中除了這二個(gè)空腔 諧振模的最小場(chǎng)位置附近以外的任何位置。驅(qū)動(dòng)探針286A、286B分別可以位于啟動(dòng)空腔諧 振模的最小場(chǎng)位置附近，但不能位于驅(qū)動(dòng)空腔諧振模的最小場(chǎng)位置附近。通過(guò)將驅(qū)動(dòng)探針 置于啟動(dòng)空腔諧振模的最小場(chǎng)附近但并非處于該最小場(chǎng)位置，驅(qū)動(dòng)探針可設(shè)計(jì)成提供等離 子形成之前所需的較小耦合量，和等離子達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)之后所需的較大耦合量。在圖22A 中，分別具有輸入和輸出端290A、290B的單個(gè)ACC290用于激勵(lì)兩個(gè)空腔諧振模。在圖22B 中，兩個(gè)獨(dú)立的ACC292、294用于獨(dú)立地激勵(lì)這兩個(gè)空腔諧振模。第一雙工器296B將反饋 探針284B輸出的兩個(gè)頻率分離，第二雙工器298B將這兩個(gè)頻率合成輸入到驅(qū)動(dòng)探針286B。 總之，驅(qū)動(dòng)探針在等離子形成之前在啟動(dòng)空腔諧振模諧振頻率是臨界耦合，而當(dāng)?shù)入x子達(dá) 到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)在驅(qū)動(dòng)空腔諧振模諧振頻率是臨界耦合。反饋探針可以位于空腔中除了兩個(gè) 空腔諧振模的最小場(chǎng)位置附近以外的任何位置。驅(qū)動(dòng)探針可位于啟動(dòng)空腔諧振模的最小場(chǎng) 位置附近，但不能位于驅(qū)動(dòng)空腔諧振模的最小場(chǎng)位置附近。‘718申請(qǐng)和公開號(hào)為NO. W002/11181A1公開了驅(qū)動(dòng)探針構(gòu)造的技術(shù)，其中金屬微 波探針與燈本體的高介電材料無(wú)間隙接觸。該方法的缺點(diǎn)在于耦合量對(duì)于探針的精確尺寸 非常敏感。另一個(gè)缺點(diǎn)是由于等離子形成之前和等離子達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)之后有很大的溫度變 化，因此需要例如彈簧等機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)保持探針和本體之間的接觸。這些缺陷使制造過(guò)程變 得復(fù)雜，進(jìn)而增加了制造成本。圖23示出用于解決上述問(wèn)題的技術(shù)。延伸進(jìn)入燈本體352的金屬微波探針350 被具有較高擊穿電壓的介電材料354包圍。本體352包括燈腔356。由于在有限空間內(nèi)傳 輸大量的功率，因此探針350尖端350T附近的電場(chǎng)強(qiáng)度非常高；因此需要很高擊穿電壓的 材料。通常，材料354比形成本體352的介電材料具有更低的介電常數(shù)。材料354作為可 以減小對(duì)探針尺寸的耦合依賴性的敏感程度的“緩沖”，從而簡(jiǎn)化了制造并降低了成本。通過(guò)改變探針的位置和尺寸以及材料354的介電常數(shù)，可以調(diào)節(jié)微波源和本體之間的耦合量。通常，如果探針長(zhǎng)度小于工作波長(zhǎng)的四分之一，則較長(zhǎng)的探針將比較短探針能 提供更強(qiáng)耦合。而且，位于具有更強(qiáng)場(chǎng)位置的探針比位于具有較弱場(chǎng)位置的探針能提供更 強(qiáng)耦合。該技術(shù)還可應(yīng)用于啟動(dòng)探針或反饋探針。利用網(wǎng)絡(luò)分析器S參數(shù)測(cè)量和/或模擬 軟件，例如HFSS，可以確定探針位置、形狀和尺寸。
圖24示出了包括放大器432和控制電路434的電路430，該電路適用于例如圖 18A、18B、22A和22B所示的僅具有驅(qū)動(dòng)探針436和反饋探針438的DWIPL，這里燈420作為 DffIPL的例子。放大器432的功能是將DC功率轉(zhuǎn)換為具有適當(dāng)頻率和功率電平的微波功 率，從而能夠?qū)⒆銐虻墓β蜀詈线M(jìn)入燈本體440和燈腔442中，進(jìn)而激發(fā)填充混合物和形成 發(fā)光等離子。放大器432最好包括具有20到30dBm增益的前置放大級(jí)450，具有10到20dB增 益的中功率放大級(jí)452，以及具有10到ISdB增益的高功率放大級(jí)454。放大級(jí)450最好使 用摩托羅拉MHL21336、3G頻帶RF線性LDMOS放大器，放大級(jí)452使用摩托羅拉MRF21030橫 向N通道RF功率MOSFET ；放大級(jí)454使用摩托羅拉MRF21125橫向N通道RF功率M0SFET。 這些設(shè)備以及用于支持和偏置這些電路的完整信息都可以從Texas州Austin的摩托羅拉 半導(dǎo)體產(chǎn)品部獲得。或者，放大級(jí)450、452和454也可以包含在一個(gè)單獨(dú)的集成電路中?；?者，放大級(jí)450和452以及控制電路434可以封裝在一起，而高功率級(jí)454可以單獨(dú)封裝。放大器432還包括與放大級(jí)450、452和454串連的PIN 二極管衰減器460，該P(yáng)IN 二極管衰減器460最好與前置放大級(jí)450連接，以限制衰減器必須處理的功率量。衰減器 460提供功率控制，從而可以調(diào)節(jié)施加到燈本體440而適于啟動(dòng)燈、操作燈以及控制燈亮度 的功率量。由于由放大級(jí)450、452和454形成的放大器鏈具有固定增益，因此在燈工作期 間改變衰減就可以改變輸送到燈本體440的功率。該衰減器460最好與控制電路434和光 功率檢測(cè)器462結(jié)合使用，該控制電路434可以為模擬或數(shù)字的，該光功率檢測(cè)器462可以 監(jiān)視發(fā)光強(qiáng)度并控制衰減器460，從而即使功率條件和/或燈發(fā)射特性隨時(shí)間變化，也可以 在燈工作期間保持所需的照度級(jí)?；蛘撸梢允褂门c驅(qū)動(dòng)探針436、放大級(jí)454和控制電路 434連接的RF功率檢測(cè)器464來(lái)控制衰減器460。另外，電路434可用于控制亮度，即控制 燈照度級(jí)使其符合最終應(yīng)用要求。電路434包括保護(hù)電路并與適當(dāng)?shù)膫鞲须娐愤B接，從而 實(shí)現(xiàn)過(guò)熱停機(jī)、過(guò)電流停機(jī)和過(guò)電壓停機(jī)等功能。電路434還可以提供一種低功率模式，該 模式可以將等離子保持在非常低的功率電平，該功率電平不足以實(shí)現(xiàn)光發(fā)射但足以保持填 充混合物氣體電離。電路434還可以通過(guò)增加衰減緩慢地將燈關(guān)閉。這個(gè)特征可以抑制重 復(fù)出現(xiàn)對(duì)燈的熱沖擊，并允許填充混合物在燈腔最冷部分凝結(jié)，便于燈的啟動(dòng)。或者，衰減器460可以與模擬或數(shù)字控制電路結(jié)合，從而控制輸出功率在燈工作 周期的早期部分期間為高電平，從而可以比在正常工作功率更快地將填充混合物汽化。或 者，衰減器460可以與模擬或數(shù)字控制電路結(jié)合，該控制電路可以通過(guò)RF功率檢測(cè)器監(jiān)視 發(fā)射和/或反射的微波功率電平并控制衰減器，從而即使由于ac電源或其他負(fù)載變化而導(dǎo) 致輸入電源電壓變化，也能在燈正常工作期間保持所需的功率電平。圖25示出了另一種包括放大器542和控制電路544的電路540，該電路用于為 例如圖18A、18B、22A和22B所示的具有驅(qū)動(dòng)探針552和反饋探針554的DWIPL550的本體 546和燈腔548提供功率并控制功率。并聯(lián)且可以被獨(dú)立選擇和開關(guān)的“啟動(dòng)”帶通濾波 器560A和“工作”帶通濾波器560B與圖24中的放大器鏈串聯(lián)，并且最好如圖24所示連接在該放大器鏈的輸入側(cè)。濾波器560A和560B濾除與本體546不需要的諧振模式相對(duì)應(yīng)的 頻率。通過(guò)利用第一和第二 PIN 二極管開關(guān)562A、562B將電路選擇和切換到適當(dāng)?shù)臑V波帶 通，DWIPL550可以僅在與所選擇頻帶對(duì)應(yīng)的空腔諧振模下工作，從而將所有的放大器功率 引導(dǎo)進(jìn)入該模式。通過(guò)接通濾波器560A，開始用于啟動(dòng)燈的預(yù)選擇的第一空腔諧振模。一 旦填充混合物氣體被電離且等離子開始形成，則通過(guò)切換濾波器560B開始預(yù)選擇的第二 空腔諧振模。在很短的時(shí)間內(nèi)，這兩個(gè)濾波器都向燈提供功率從而確保填充混合物保持等 離子。在兩個(gè)濾波器都被接通的時(shí)間期間內(nèi)，兩個(gè)空腔諧振模通過(guò)本體546和放大器鏈傳 播。當(dāng)預(yù)定條件，例如固定時(shí)間延遲或最小功率電平滿足時(shí)，濾波器560A關(guān)閉，從而僅有用 于燈工作的空腔諧振模通過(guò)放大器鏈傳播?？刂齐娐?44按照預(yù)定的操作順序選擇、取消 選擇、接通和關(guān)閉濾波器560A和560B。與控制電路544連接的光功率檢測(cè)器564執(zhí)行的功 能與圖24模式中的檢測(cè)器462相同。圖26示出示出了包括放大器572和模擬或數(shù)字控制電路574的電路570，該電路用于為例如圖19、20、21A和21B所示的具有驅(qū)動(dòng)探針582、反饋探針586以及啟動(dòng)探針584 的DWIPL580的本體576和燈腔578提供功率并控制功率。反饋探針586通過(guò)PIN 二極管 衰減器588和濾波器589與前置放大器450的輸入端450A連接。啟動(dòng)探針584被設(shè)計(jì)為 當(dāng)燈580關(guān)閉時(shí)為臨界耦合。為了啟動(dòng)燈，需要將少量微波功率從放大器鏈的前置放大級(jí) 450或中功率級(jí)452引導(dǎo)到啟動(dòng)探針584。該功率經(jīng)過(guò)由控制電路574控制的雙極PIN 二 極管開關(guān)590。該開關(guān)590被控制向啟動(dòng)探針584發(fā)送RF微波功率，直到填充混合物被電 離為止。傳感器592A監(jiān)視本體576中的功率使用情況，和/或傳感器592B監(jiān)視表示氣體 電離的光強(qiáng)度。作為控制電路574—部分的獨(dú)立計(jì)時(shí)器控制電路為氣體擊穿分配足夠的時(shí) 間。一旦氣體已經(jīng)被電離，控制電路574就打開開關(guān)590，從而向高功率級(jí)454提供微波功率，該高功率級(jí)454進(jìn)而向驅(qū)動(dòng)探針582提供微波功率。在很短的時(shí)間內(nèi)，啟動(dòng)探針584和 驅(qū)動(dòng)探針582都向燈提供功率從而確保填充混合物保持等離子。當(dāng)預(yù)定條件，例如固定時(shí) 間長(zhǎng)度或預(yù)期的功率電平滿足時(shí)，控制電路574關(guān)閉開關(guān)590，從而停止向啟動(dòng)探針584供 應(yīng)功率，此時(shí)等離子僅由驅(qū)動(dòng)探針582供應(yīng)功率。這樣可以提供最大的效率。為了提高啟動(dòng)期間DWIPL580的Q值(即，工作頻率與諧振頻率帶寬的比)，控制電 路574可以將高功率級(jí)454的晶體管偏置為一個(gè)阻抗，該阻抗可以使從探針582到級(jí)454 的泄漏最小化。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，電路574向晶體管的柵極施加dc電壓，從而控制它們 達(dá)到適當(dāng)?shù)膯?dòng)阻抗。工業(yè)應(yīng)用本發(fā)明的燈相對(duì)于那些微波能量被引導(dǎo)進(jìn)入空氣空腔中的無(wú)電極燈具有明顯的 優(yōu)點(diǎn)。由于需要在填充空氣的空腔中建立諧振，因此該空腔通常不會(huì)小于用于驅(qū)動(dòng)該燈的 微波能量波長(zhǎng)的一半。因此，空氣空腔燈對(duì)其尺寸的限制很低，它的尺寸對(duì)于例如投影電視機(jī)、高分辨率 監(jiān)視器、街燈和應(yīng)急機(jī)動(dòng)車等應(yīng)用來(lái)說(shuō)都太大而不能使用。在波導(dǎo)本體中使用固態(tài)和/或 液態(tài)介電材料不僅可以制造更小的燈，而且燈泡在機(jī)械、光學(xué)和電子等性能上也比傳統(tǒng)無(wú) 電極燈中使用的燈泡更為穩(wěn)定。另外，本發(fā)明的燈需要更少的能量來(lái)激發(fā)和保持等離子，同 時(shí)僅需要最少量的額外結(jié)構(gòu)來(lái)有效散熱。
權(quán)利要求
一種無(wú)電極等離子燈，包括燈體，該燈體包含至少一個(gè)固態(tài)介電材料；微波源，向所述燈體提供功率；微波探針(134B)，配置成在一頻率下將功率從所述微波源耦合到所述燈體，從而使所述燈體在具有電場(chǎng)最大值的基本諧振模式下諧振，所述微波探針(134B)位于所述燈體中與所述電場(chǎng)最大值隔開的位置；以及燈泡，定位成毗鄰所述電場(chǎng)最大值，所述燈泡包含填充物，在從所述燈體接收功率時(shí)該填充物形成發(fā)光等離子。
2.如權(quán)利要求1所述的燈，其中所述微波探針的長(zhǎng)度和形狀使得在等離子形成之前功 率過(guò)耦合到所述燈體。
3.如權(quán)利要求1所述的燈，其中所述微波探針(134B)位于所述燈體中使得在等離子形 成之前功率過(guò)耦合到所述燈體。
4.如權(quán)利要求1所述的燈，其中所述微波探針(134B)被定位于所述燈體中使得在等離 子形成之后穩(wěn)定狀態(tài)工作期間所述功率源臨界耦合到所述燈體。
5.如權(quán)利要求1或2所述的燈，其中所述微波探針(134B)長(zhǎng)于定位在電場(chǎng)最大值處的 探針(134A)需要的長(zhǎng)度，以便提供從微波探針(134B)至燈泡的最大耦合效率。
6.如權(quán)利要求1所述的燈，其中所述基本諧振模式是橫向磁場(chǎng)(TM)模式。
7.如前面任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的燈，其中所述燈體具有外徑和高度，所述外徑大于所 述高度。
8.如前面任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的燈，其中所述燈體具有外表面，除了在燈體與功率從 燈體耦合到燈泡的區(qū)域中的源之間耦合功率的區(qū)域之外，該外表面涂覆有金屬材料(119)。
全文摘要
一種包括波導(dǎo)本體的等離子燈，該波導(dǎo)本體基本由至少一種固態(tài)介電材料構(gòu)成。該本體與微波源耦合，從而使該本體在至少一種諧振模式下諧振。與該本體結(jié)合成一體的至少一個(gè)燈腔容納有燈泡，該燈泡內(nèi)具有填充物，當(dāng)燈腔接收到從諧振本體提供的功率時(shí)，該填充物形成發(fā)光等離子。燈泡可以是自閉合的或由覆蓋燈腔窗孔的窗或透鏡密封的外殼。當(dāng)微波源按下面條件工作時(shí)，可以使從本體反射回微波源的功率最小化(a)微波源在一頻率下工作，從而使本體在單一模式下諧振；或(b)微波源在一個(gè)頻率下工作，從而使本體在等離子形成之前在相對(duì)較高次模式下諧振，微波源在另一頻率下工作，從而使本體在等離子達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)之后在相對(duì)較低次模式下諧振。
文檔編號(hào)H05B41/16GK101840840SQ20101016761
公開日2010年9月22日 申請(qǐng)日期2004年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月31日
發(fā)明者F·M·埃斯皮奧, 張易安 申請(qǐng)人:勒克西姆公司