专利名称：等离子体灯的制作方法
技术领域：
本实用新型总体上涉及照明技术。具体地，本实用新型提供了使用具有成形构造的介质波导本体(dielectric waveguide body)的等离子体照明装置的方法和设备。仅仅作为示例，本实用新型可应用于多种应用场合，包括仓库灯、体育场灯、大小建筑物中的灯以及其他应用场合。
背景技术：
很久以来，人类就已经使用了各种技术进行照明。早期的人类在黑暗的时间中依靠火来照明洞穴。火通常消耗木材来作为燃料。木材燃料很快被来源于油脂的蜡烛取代。 之后，蜡烛至少部分被灯取代。某些灯以油或其他能源为燃料。煤气灯是很普及的且对于户外活动(如露营)依然很重要。在19世纪后期，一直以来的最伟大的发明家——Thomas Edison(托马斯爱迪生)构想出了白炽灯，白炽灯在灯泡中使用与一对电极耦接的钨丝。许多传统的建筑物和住宅仍使用白炽灯，这种白炽灯通常被称为Edison(爱迪生)灯泡。尽管非常成功，但是Edison灯泡消耗很多能量且通常效率很低。在某些应用场合，荧光照明装置取代了白炽灯。荧光灯总体上由包含气体材料的灯管构成，该灯管与一对电极耦接。所述电极耦接于电子镇流器，电子镇流器帮助引发荧光照明装置的放电。传统的建筑物结构通常使用荧光照明装置，而不是白炽灯。荧光照明装置比白炽灯的效率高得多，但通常初始成本较高。Shuji Nakamura开发了作为固态灯(solid state lamp)的高效的蓝色发光二极管。蓝色发光二极管形成白色固态发光体的基础，白色固态发光体通常是将蓝色发光二极管放置在涂覆有黄色荧光材料的灯泡中。蓝光激发荧光材料以发出白光。蓝色发光二极管使得照明工业发生了变革，取代了用于住宅、建筑物和其他结构的传统照明装置。另一形式的照明装置通常被称为无电极灯(electrode-less lamp)，所述无电极灯可用来放电发出用于高强度应用的光。Matt是研发改进的无电极灯的先驱者之一。这种无电极灯依靠实心陶瓷谐振器结构，该实心陶瓷谐振器结构与封装在灯泡中的填充物耦接。灯泡经由射频馈电器(feed)与谐振器结构耦接，射频馈电器将功率传递至填充物，使得填充物放电发出高强度光。实心陶瓷谐振器结构限于大于2的介电常数。在美国专利 No. 7, 362, 056中描述了这种实心陶瓷波导的实例，该专利以引证方式结合于此。尽管在一定程度上是成功的，但无电极灯仍然有许多限制。例如，无电极灯还没有成功地推广应用。 此外，传统的灯还采用高频率且具有相对大的尺寸，这通常使得其很笨重且难以制造和使用。传统的灯的这些和其他限制在整个说明书中进行描述，且下面将更具体地描述。从上述可见，非常需要改进用于照明的技术。
实用新型内容根据本实用新型，提供了用于照明的技术。具体地，本实用新型提供了使用具有成形构造的介质波导本体的等离子体照明装置的方法和设备。仅仅作为实例，本实用新型可应用于各种应用场合，包括仓库灯、体育场灯、大小建筑物中的灯以及其他应用场合。在一具体实施方式
中，本实用新型提供了一种等离子体灯设备。该灯设备具有一本体，该本体包括至少一种介电材料且具有包括第一表面和与第一表面相对的第二表面的至少一主要部分。该设备具有穿过第一表面插入本体的主要部分中并配置成向本体提供射频能量的馈电器。在一优选实施方式中，介电材料的突出部围绕灯泡的周界。优选地，灯泡具有第一端、第二端以及位于第一端与第二端之间的空间区域，还具有一预定容积，灯泡封装气体填充物，气体填充物定位成从本体接收射频能量，使得在空间区域附近提供电场的大部分。在一具体实施方式
中，第二表面涂覆有导电材料。在一具体实施方式
中，该设备使得封装气体填充物的灯泡的至少一部分定位在本体的主要部分上方且邻近第二表面，且该设备具有一射频源，该射频源耦接至第二表面以向本体提供射频能量，使得气体填充物通过空间区域的一部分发出电磁辐射的大部分，该电磁辐射至少具有确定量的流明/瓦特。在一具体实施方式
中，灯泡由半透明的氧化铝材料或蓝宝石材料制成。在一具体实施方式
中，射频能量以约400至约500MHz循环。在另一具体实施方式
中，射频能量以约250MHz循环。在一具体实施方式
中，射频源是侧扩散MOS装置。在一具体实施方式
中，射频源由包括GaN或SiC的材料制成。在一具体实施方式
中，确定量的流明为80及更大或140及更大或170及更大。在一具体实施方式
中，封装气体填充物的灯泡的定位在本体的主要部分上方的部分为整个空间区域的三分之一或更大。在另一具体实施方式
中，封装气体填充物的灯泡的定位在本体的主要部分上方的部分为整个空间区域的一半或更大。在一具体实施方式
中，耦接至第二表面的射频源耦接至一参考电势，其中，射频能量基本上电感地耦接于所述本体的第二表面。在一具体实施方式
中，空间区域构造为圆柱形状的。在一具体实施方式
中，本体的介电材料的介电常数大于2。在一具体实施方式
中，介电材料基本上为玻璃或石英。在一具体实施方式
中，介电材料的突出部从本体的主要部分突出并邻近第二表面且围绕灯泡的至少一部分。在一具体实施方式
中，进一步包括围绕固体介电材料的突出部的散热器。在一具体实施方式
中，进一步包括适于通过馈电器以在本体内谐振的频率向本体提供射频能量的电源。在一具体实施方式
中，介电材料的突出部小于介电材料的本体的主要部分。在一具体实施方式
中，灯泡的至少一部分定位在介电本体的主要部分的中心区域上方。在一具体实施方式
中，本体形成一开口且灯泡的至少一部分定位在所述开口中。在一具体实施方式
中，本体的除了形成所述开口的表面以外的外表面基本上被涂覆以导电材料。在一具体实施方式
中，灯泡定位在包含所述第二表面的平面上方。在一具体实施方式
中，介电材料包括氧化铝。[0030]在一具体实施方式
中，进一步包括适于通过馈电器在本体内以基础模式谐振的频率向本体提供射频能量的电源。在一具体实施方式
中，进一步包括适于通过馈电器以在本体内谐振的频率向本体提供射频能量的电源，其中，本体的至少一个尺寸等于本体中的谐振能量的波长的约一半。在一具体实施方式
中，进一步包括插入本体中的第二馈电器。在一具体实施方式
中，频率在0. IGHz至30GHz的范围内。本实用新型提供了一种灯泡置于其中的介电支撑结构。灯泡通过从支撑结构的内腔体延伸并在灯泡的周界周围进行接触的突出部被支撑在所述结构中。该突出部以弯曲方式从支撑结构延伸，从而减小了该突出部处产生的电场。由于减小了电场，在灯泡中以低射频能量水平产生等离子体，从而增大了灯设备的流明/瓦特特征。当然，可以有其他的变型、修改和替换。利用本实用新型实现了优于现有技术的益处。在一具体实施方式
中，本实用新型提供了配置有输入、输出和反馈耦合元件的方法和装置，提供这些耦合元件以便电磁耦合至灯泡，该灯泡的功率传递和频率谐振特性很大程度上依赖于具有至少两种材料的波导本体。在一优选实施方式中，本实用新型提供一种具有为改进制造性和设计灵活性而提供的布局的方法和构造。其他实施方式可以包括输出耦合元件和灯泡的集成组件，该集成组件以互补的方式与现有的耦合元件构造一起发挥作用，还包括用于街道照明应用场合的相关方法。在一具体实施方式
中，本方法和由此获得的结构对于商业应用而言相对简单且制造方面成本低廉。在一优选实施方式中，本实用新型提供了一种由此获得的具有更高效率的装置和方法，在谐振器结构的一个或多个部分内采用圆形空间特征以减小电场等。根据该实施方式，可以实现这些益处中的一个或多个益处。这些和其他益处可在整个说明书中进行描述，且将在下面更具体地描述。本实用新型实现了这些益处和已知过程技术方面的其他益处。然而，通过参照本说明书后面的部分以及附图，可以进一步理解本实用新型的实质和优点。
图1示出了根据一优选实施方式的等离子体灯的截面图。图IA是根据本实用新型一具体实施方式
的包含第一材料和第二材料的波导本体的简图。图2A和图2B示出了等离子体灯的替换实施方式的截面图。图3A和图3B示出了等离子体灯的一替换实施方式的截面图，其中灯泡与介质波导热绝缘。图4A至图4D示出了矩形棱柱形状的波导内的不同谐振模式。图5A至图5C示出了采用圆柱形棱柱形状的(cylindrical prism-shaped)波导内的不同谐振模式。图6示出了利用反馈机构对微波源提供反馈以维持谐振工作模式的设备的实施方式。图7是传统灯泡和介电支撑结构的简化截面图。图8根据本实用新型一实施方式的灯泡和介电支撑结构的简化截面图，其中用来支撑灯泡的突出部以一定角度从介电支撑结构延伸。图9是支撑结构内的电场与距突出部的距离的关系的示图。
具体实施方式
根据本实用新型，提供了用于照明的技术。具体地，本实用新型提供了使用具有成形构造的介质波导本体的等离子体照明装置的方法和设备。仅仅作为示例，本实用新型可应用于各种应用场合，包括仓库灯、体育场灯、大小建筑物中的灯以及其他应用场合。根据本实用新型，提供了用于照明的技术。具体地，本实用新型提供了使用具有介电常数小于2的介质波导的等离子体照明装置的方法和设备。更具体地，本实用新型提供了具有使用介电常数小于2的陶瓷谐振器结构的等离子体照明装置的方法和设备。仅仅作为示例，本实用新型可应用于各种应用场合，包括仓库灯、体育场灯、大小建筑物中的灯以及其他应用场合。现在转向附图，图1示出了集成有介质波导的等离子体灯(DWIPL)lOl的优选实施方式。DWIPL 101优选地包括电磁辐射(优选地为微波辐射)源115、具有介电材料形成的本体的波导103、以及将辐射源115耦接至波导103的馈电器117。如这里所使用的， 术语“波导”一般表示具有至少部分地限制(confining)电磁能量的特征和目的的任何装置。DWIPL101还包括灯泡107，该灯泡优选地设置在波导103的相对侧上，且包含气体填充物(优选地包括惰性气体)和发光体，发光体在接收特定频率和强度的电磁能量时形成等离子体并发出光。在参照图IA的优选实施方式中，介质波导本体至少包含第一材料和第二材料。在一优选实施方式中，其中一种材料的介电常数为2及更小。根据该实施方式，这种材料可包括流体，比如气体、空气或混合物等。在优选实施方式中，流体是空气或者液体或者气体，比如氮气、氩气或这些气体的混合物。在一具体实施方式
中，较低的介电常数导致较低的电容和较高的谐振频率。此外，较高的谐振频率可包括IGHz及更小或500MHz及更小，但也可以是其他频率。进一步，优选地，波导本体的宽度小于约5英寸(或2英寸)且长度小于5英寸O英寸)，但也可以是其他尺寸。当然，可以有其他的变型、修改和替换。在一优选实施方式中，微波辐射源115经由馈电器117将微波能量供应给波导 103。波导包含(contain)微波能量并将微波能量从馈电器117引导至优选地位于波导103 的相对侧上的腔体105。含有气体填充物的灯泡107设置在腔体105内。优选地，微波能量被引到封闭的腔体105中，进而到达灯泡107内。通常，微波能量使电子从其正常状态释放，从而将惰性气体转换成等离子体。惰性气体的自由电子激发发光体。发光体的去激发 (deexcitation)导致发出光。如将变得显而易见的，这里公开的DWIPL的不同实施方式提供了优于现有技术中的等离子灯的明显优点，比如能够产生更明亮且光谱更稳定的光、更高的能量效率、更小的总体灯尺寸以及更长的使用寿命。图1中的微波源115作为固态电子器件示意性地示出，但是，现有技术中公知的可在0. 5-30GHZ范围内工作的其他装置也可以用作微波源，包括但不限于速调管和磁电管。对于微波源的优选范围从约IOOMHz至约20GHz。更优选地，频率范围为300MHz至小于 IGHz0当然，可以有其他的变型、修改和替换。根据微波源115的热敏感性，微波源115可以与灯泡107热绝缘，灯泡在工作期间优选地达到约700摄氏度至约1000摄氏度之间的温度。灯泡107与源115的热绝缘提供了避免源115退化的优点。可以通过现有技术中许多公知方法中的任一种来实现微波源115 的额外的热绝缘，包括但不限于，使用占据源115与波导103之间的可选空间116的绝缘材料或真空间隙。如果选择后一种方式，则使用合适的微波馈电器来将微波源115耦接至波导 103。在图1中，将微波从源115传递至波导103的馈电器117优选地包括同轴探头。 然而，可以使用现有技术中公知的若干种不同类型的微波馈电器中的任一种，比如微带线 (micro strip line)或鳍线结构。由于机械或其他考虑(比如热、振动、老化或冲击)，当将微波信号供应到介电材料中时，优选地，利用正接触机构121来保持馈电器117与波导103之间的接触。接触机构 121在馈电器117与波导103之间提供恒定压力，以最小化微波能量将会通过馈电器117反射回来而没有传递至波导103中的可能性。在提供恒定压力时，接触机构121补偿由于热冲击或机械冲击而可能发生在微波馈电器117和波导103中的小尺寸改变。接触机构可以是弹簧加载装置(比如图1中所示)、波纹管式装置或现有技术中公知的可维持用于连续且稳定地传递微波能量的恒定压力的任何其他装置。当馈电器117耦接至波导103时，优选地，通过在波导103上与馈电器117接触的点处直接沉积金属材料123来实现紧密接触。金属材料123消除了可能干扰耦接的间隙且优选地包括金、银或钼，但也可以使用其他导电材料。可以使用现有技术中公知的若干种方法中的任一种来沉积金属材料123，比如沉积液态金属材料123，随后在炉中烧结该金属材料以提供固体接触。在图1中，波导103优选地为矩形棱柱的形状，但是，波导103也可以具有圆柱形棱柱形状、球形形状或任何其他形状，包括优选地通过电磁模拟工具来确定的谐振频率的复杂不规则形状，所述波导可高效地将微波能量从馈电器117引导至灯泡107。波导的实际尺寸可根据所使用的微波能量的频率以及波导103的本体的介电常数而改变。在一个优选实施方式中，波导本体为大约3英寸或更小，介电常数为大约2及更小，且工作频率为大约400MHz。这种数值范围的使用两种介电材料的波导本体显著小于传统等离子体灯中的波导。因此，该优选实施方式中的波导表现出了优于传统灯的明显优点， 这是因为较小的尺寸允许波导在许多应用场合中使用，在这些应用场合中波导尺寸之前会限制这种使用或使这种使用完全不可行。在一优选实施方式中，本方法和结构提供下面的一个或多个益处尺寸减小、尺寸减小转化成更高的功率密度、更低的损耗，以及因而容易点亮灯。当然，可以有其他的变型、修改和替换。无论波导的形状和尺寸如何，优选地，波导103具有包括例如优选地呈现出如下性质的介电材料的本体介电常数优选地等于或小于大约2，并且损耗因数优选地小于大约0.0001。在其他实施方式中，介电常数等于或大于2。当然，可以有其他的变型、修改和替换。某些陶瓷(包括氧化铝、氧化锆、钛酸盐以及这些材料的变体或组合)以及硅油可以满足许多上述优选方式，并且由于它们的电特性和热机械特性而可以被采用。在任何情况下，应注意，这里提出的实施方式不限于呈现出所有或甚至大部分前述性质的波导。在优选实施方式中，陶瓷或电介质包括平均介电常数小于2的一个或多个空穴和/或气囊，但也
8可以是其他材料。在其他实施方式中，介电常数等于或大于2。当然，可以有其他的变型、修改和替换。在这里公开的波导的各种实施方式中，比如在上面概述的实例中，波导优选地提供一基本热质量(substaintial thermal mass)，该基本热质量有助于热量的有效分布和消散，并在灯与微波源之间提供热绝缘。图2A至图2B中描绘了 DWIPL 200、220的替换实施方式。在图2A中，灯泡207和灯泡腔体205设置在波导203的一侧上，优选地设置在与馈电器209相对的一侧上，更优选地设置在与馈电器209相同的平面中，在此处微波能量的电场为极大值。在波导203中提供不止一个电场极大值的情况下，灯泡207和灯泡腔体205可位于一个极大值处且馈电器 209位于另一个极大值处。通过将馈电器209和灯泡207放置在电场的极大值处，极大量的能量被分别传输和截止。灯泡腔体205在波导203的本体中为凹入形状。如图2B中所示的，波导223的本体可选地从波导203的本体的主要部分以凸出形状向外突出，以形成灯泡腔体225。如图2A、图2B中所示，灯泡227优选地与馈电器221相对地定位。然而，在波导203中提供不止一个电场极大值的情况下，灯泡207、227可以定位在与馈电器209、221的平面不同的平面中。回到图1，波导103的外表面(除了形成灯泡腔体105的那些表面以外)优选地涂覆有薄金属涂层119，以反射微波。涂层119的总体反射性决定波导103内所包含的能量的水平。可存储在波导103内的能量越多，灯101的总效率就越高。涂层119还优选地抑制易消散的辐射泄漏。通常，涂层119优选地显著消除任何杂散的微波场。通过使腔体105优选地显著小于用来使灯101工作的微波波长，可以显著地减弱来自灯泡腔体105的微波泄漏。例如，窗口对角线的长度优选地显著小于所使用的微波波长(在自由空间中)的一半。灯泡107设置在灯泡腔体105内，且优选地包括外壁109和窗口 111。在一个优选实施方式中，波导103的本体的腔体壁用作灯泡107的外壁。灯泡107的部件优选地包含一种或多种介电材料，比如陶瓷和蓝宝石。在一个实施方式中，灯泡中的陶瓷与波导103中所使用的材料相同。介电材料对于灯泡107是优选的，这是因为灯泡107优选地被波导103 的介电本体环绕，并且介电材料有助于确保微波能量与灯泡107中的气体填充物的有效耦
I=I O外壁109优选地利用密封物113耦接至窗口 111，从而限定包含气体填充物和发光体的灯泡外壳127，气体填充物包括等离子体形成气体。等离子体形成气体优选地为能够形成等离子体的惰性气体。发光体优选地为现有技术中目前已知的多种元素或化合物(比如硫、硒、含有硫或硒的化合物)中的任一种或者多种金属卤化物(比如三溴化铟(InBr3)) 的任一种形成的蒸气。为了帮助将气体填充物限制在灯泡107内，密封物113优选地包括真空密封。外壁109优选地包含氧化铝，因为氧化铝的白颜色、温度稳定性、低孔隙率以及热膨胀系数。 然而，还可以使用总体上提供这些性质中的一种或多种的其他材料。外壁109还优选地具有这样的轮廓其将最大量的光通过窗口 111反射出腔体105。例如，外壁109可以具有抛物面轮廓，以将灯泡107中产生的光通过窗口 111反射出去。然而，也可以使用有助于将光通过窗口 111引导出去的其他外壁轮廓或构型。
9[0069]窗口 111优选地包括用于光透射的蓝宝石，并且因为蓝宝石的热膨胀系数与氧化铝匹配良好。可以将其他具有类似光透射性和热膨胀系数的材料用于窗口 111。在一替换实施方式中，窗口 111可以包括收集所发射的光的透镜。如上面提及的，在工作过程中，灯泡107可能达到高达约1000摄氏度或稍低的温度。在这种情况下，在一个实施方式中，波导103用作灯泡107的散热器。通过减小DWIPL 101的各个部件上的热负荷和热诱发应力，DffIPL 101的使用寿命总体上增加并超过了典型的无电极灯的寿命。优选地，通过将散热鳍片125布置在波导103的外表面周围，可获得高效的散热，如图1中所示。在图2B所示的实施方式中，由于腔体225延伸远离波导223 的本体的主要部分，有利地，通过将鳍片222布置成更接近灯泡227，DWIPL 220可用来更高效地移除热量。在另一实施方式中，波导103的本体包含电介质，比如钛酸盐，这种电介质在高温下通常不稳定。在该实施方式中，优选地，通过在波导103的本体与灯泡107之间设置热屏障层，波导103屏蔽灯泡107中所产生的热量。在一个替换实施方式中，外壁109由于包含低导热性的材料(比如NZP，其作为磷酸锆钠而公知)而用作热屏障层。也可以采用其他适当的材料来作为热屏障层。图3A和图3B示出了 DWIPL 300的替换实施方式，其中，真空间隙用作热屏障层。 如图3A中所示，DWIPL 300的灯泡313设置在灯泡腔体315内，且与波导311隔开一间隙 317，优选地，间隙的厚度根据用于波导311的本体以及灯泡313的材料的微波传播特征和材料强度而变化。间隙317优选地为真空，最小化灯泡313与波导311之间的热传递。图3B示出了 DWIPL 300的灯泡313、灯泡腔体315以及真空间隙317的放大图。 真空间隙317的边界由波导311、灯泡支撑物319以及灯泡313形成。灯泡支撑物319可以密封至波导311，支撑物319在灯泡腔体315的边缘上方延伸且包含优选地具有高导热性 (诸如氧化铝)的材料，以帮助从灯泡313消散热量。通过参考下面的图7、图8和图9，可以发现本设备的更多细节。图7示出了传统的灯泡支撑组件的截面图。该支撑组件包括由介电材料制成的支撑结构。该支撑结构包括用于容纳灯泡的腔体。灯泡通过从支撑结构延伸进腔体中的突出部而保持在腔体内的适当位置处，并且沿着灯泡的周界进行接触。突出部以90度的角度延伸出支撑结构。由于突出部以90度的角度延伸，因此在支撑结构内产生了大的电场。图9 中示出了现有技术的发明中电场的这种增大与距突出部的距离之间的关系。电场的增大随之导致包括支撑组件的谐振结构的谐振频率增大。谐振频率的增大进而导致将设备驱动至谐振频率所需的射频能量的量增加。功率消耗的增加随之降低了灯设备的流明/瓦特特征，从而使灯的效率变低。图8示出了本实用新型的灯泡支撑组件的截面图。如现有技术那样，本支撑组件包括由介电材料制成的支撑结构，以及形成在支撑结构内用于容纳灯泡的腔体。灯泡通过从支撑结构延伸出的突出部而保持在腔体内并沿着灯泡的周界进行接触。该突出部与现有技术中的不同，其沿着一曲线而不是以90度角度延伸出。由于使用弯曲的突出部，支撑结构内不会产生大的电场。由于减小了通过支撑结构的电场，包括支撑结构的谐振结构的谐振频率降低。由于降低了谐振结构的谐振频率，可用较低的射频能量水平来驱动灯。较低的射频驱动能量水平进而增大了灯设备的流明/瓦特特征，随之提高了效率。[0076]支撑物319中嵌有一进出密封物(access seal) 321，用于在灯泡313安置到位时在间隙317内建立真空。优选地，灯泡313由灯泡支撑物319支撑且真空密封至该灯泡支撑物。一旦在间隙317内建立真空，则优选地，实质性地减少了灯泡313与波导311之间的热传递。至此所描述的DWIPL的实施方式优选地以0. 5-10GHz范围内的微波频率工作。工作频率优选地激发由波导的大小和形状支持的一种或多种谐振模式，从而在波导内建立一个或多个电场极大值。当用作谐振腔体时，波导的至少一个尺寸优选地为半波长的整数倍。图4A至图4C示出了以不同谐振模式工作的DWIPL 410、420、430的三个替换实施方式。图4A示出了以第一谐振模式411工作的DWIPL410，其中矩形棱柱形状的波导417 的一个轴的长度为所使用的微波能量的波长的一半。图4B示出了以谐振模式421工作的 DffIPL 420，其中矩形棱柱形状的波导427的一个轴的长度等于所使用的微波能量的一个波长。图4C示出了以谐振模式431工作的DWIPL 430，其中矩形棱柱形状的波导437的一个轴的长度为所使用的微波能量的波长的3/2。在图4A至图4C中描绘的DWIPL和对应模式中的每一个中，并且为了 DWIPL以任意更高的模式工作，优选地，灯泡腔体415、425、435以及馈电器413、423、433、434相对于波导417、427、437定位在电场处于工作极大值的位置处。但是，灯泡腔体和馈电器不必位于同一平面内。图4C示出了 DWIPL 430的另一实施方式，其中使用两个馈电器433、434对波导 437供应能量。这两个馈电器433、434可耦接于单个微波源或多个微波源(未示出)。图4D示出了另一实施方式，其中单个能量馈电器443将能量供应至具有多个灯泡腔体445、446的波导447中，每个灯泡腔体相对于波导447定位在电场处于极大值的位置处。图5A至图5C示出了具有圆柱形棱柱形状的波导517、527、537的DWIPL 510,520, 530。在图5A至图5C所示的实施方式中，圆柱的高度优选地小于其直径，直径优选地接近于可在波导517、527、537内谐振的能量的最低等级半波长的整数倍。对圆柱进行这种尺寸限制使得最低谐振模式与圆柱的高度无关。从而，圆柱的直径控制(dictate)波导517、527、 537内的能量的基础模式。因此，可针对其他要求(比如大小和散热)来优化圆柱的高度。 在图5A中，馈电器513优选地定位成与灯泡腔体515正相对，且优选地激发第零级贝塞尔模式511。在圆柱形棱柱形状的波导内也可以激发其他模式。例如，图5B示出了以一谐振模式工作的DWIPL 520，其中圆柱527的直径优选地接近所使用的微波能量的一个波长。作为另一实例，图5C示出了以一谐振模式工作的DWIPL 530，其中圆柱537的直径优选地接近所使用的微波能量的波长的3/2。另外，图5C示出了 DWIPL 530的一个实施方式，其中使用两个馈电器533、534来向圆柱形状的波导537供应能量。对于DWIPL的其他实施方式，在具有圆柱形状的波导的DWIPL中，灯泡腔体515、525、535和馈电器513、523、 533,534优选地相对于波导517、527、537定位在电场处于极大值的位置处。使用介质波导具有几个明显的优点。第一，如上所述，波导可以用来帮助消散灯泡中所产生的热量。第二，在介质波导内可以实现比目前现有技术中所使用的具有空气腔体的等离子体灯中的可能的功率密度更高的功率密度。根据用于波导的材料的介电常数，介质波导的能量密度大于空气腔体等离子体灯的能量密度。返回参考图IWDWIPL ιο ，波导103内的对应于用于波导的高Q值(其中Q是工作频率与谐振的频率宽度之比)的高谐振能量使得微波能量更易消散泄漏到灯泡腔体105 内。灯泡腔体105中的高泄漏导致外壳127内的惰性气体的准静态击穿，从而产生第一自由电子。所述自由电子的振荡能量估算(scale)为I λ2，其中I是微波能量的循环强度，且 λ是能量的波长。因此，微波能量越高，自由电子的振荡能量越大。通过使振荡能量大于气体的电离电势，电子-中子碰撞产生了高效的等离子体密度累积。一旦在DWIPL中形成等离子体且吸收带来的能量，则波导的Q值会由于等离子体的传导和吸收性质而下降。Q值的下降总体上是由于波导的阻抗的改变。在等离子体形成后，腔体中等离子体的存在使得灯泡腔体对于谐振能量是吸收性的，因此改变了波导的总体阻抗。这种阻抗的改变是波导的总体反射性的有效减小。因此，通过将馈电器的反射性匹配成接近波导所减小的反射性，甚至是在等离子体形成之后也可获得充分高的Q值，以维持等离子体。因此，可以实现返回到能量源中的相对低的净反射。被等离子体吸收的大部分能量最终表现为热量，使得灯的温度可能接近1000摄氏度或稍低的温度。当波导也用作散热器时，如前所述，波导的尺寸可以由于其热膨胀系数而改变。在这种情况下，当波导膨胀时，在波导内谐振的微波频率改变且失去谐振。为了维持谐振，优选地，波导的至少一个尺寸等于微波源所产生的微波频率的半波长的整数倍。补偿这种尺寸改变的DWIPL的一个优选实施方式采用包括这样的介电材料的波导，该介电材料对于折射率的温度系数大致等于其对于热膨胀的温度系数但符号与之相反。使用这种材料，由于热量引起的尺寸改变抵消了折射率的变化，从而使腔体的谐振模式受到干扰的可能性最小。这种材料包括钛酸盐。补偿由于热引起的尺寸改变的第二实施方式包括在物理上使波导的壁以预定方式逐渐形成锥度。在另一优选实施方式中，如图6中示意性所示，DWIPL 610可以以介电谐振振荡器模式工作。在此模式中，第一微波馈电器613和第二微波馈电器615耦接在介质波导611 与微波能量源617之间，该介质波导可以是之前描述的任何形状。能量源617优选地是宽频带的，具有高增益和高功率输出并且能够驱动发出等离子体。在其他实施方式中，第一馈电器613通常可以按照上面的描述来工作。第二馈电器615可以探测波导611，以对存在的场(包括其中所包含的振幅和相位信息)采样并将该采样作为反馈提供给能量源617或放大器的输入。在探测波导611时，第二馈电器615还优选地用来过滤掉波导611内的杂散频率，只留下谐振频率。在该实施方式中，第一馈电器613、第二馈电器615和灯泡腔体619均优选地相对于波导611定位在电场处于极大值的位置处。通过使用第二馈电器615，能量源617放大波导611内的谐振能量。从而，源617调节其输出频率以维持波导611中的一种或多种谐振模式。因此，该完整构造形成了谐振振荡器。以这种方式，可以实现对由于等离子体形成和尺寸的热改变而引起的频率移动以及介电常数的自动补偿。介电谐振振荡器模式还使得DWIPL 610能够具有在关闭后立即再启动 (re-strike)的能力。如前所述，波导611的谐振频率可能由于工作过程中所产生的热量而引起的热膨胀或介电常数的变化而改变。当DWIPL610关闭时，热量缓慢地消散，引起波导 611的谐振频率的瞬时改变。[0094]然而，如上面所指出的，在谐振振荡器模式中，能量源617自动补偿波导611的谐振频率的变化。因此，无论波导611的启动特征如何，并且假设能量源617具有要求的带宽， 则能量源617将自动补偿，以在波导611内实现谐振。能量源立即以最优的等离子体形成频率将功率提供给DWIPL。尽管已经示出并描述了本实用新型的实施方式和优点，但对本领域技术人员显而易见的是，在不背离本实用新型的原理的情况下，可以有许多改变。因此，本实用新型不受除了所附权利要求的精神以外的其他限制。
权利要求1.一种等离子体灯，其特征在于，包括本体，包括至少一种介电材料且具有包括第一表面和与所述第一表面相对的第二表面的至少一主要部分；馈电器，穿过所述第一表面插入所述本体的主要部分中，且配置成向所述本体提供射频能量；介电材料的突出部，围绕灯泡的周界，所述灯泡包括第一端、第二端以及位于所述第一端与所述第二端之间的空间区域，还包括一预定容积，所述灯泡封装气体填充物，该气体填充物定位成从所述本体接收射频能量，使得在所述空间区域附近提供电场的大部分，所述第二表面涂覆有导电材料；所述突出部的特征在于成形的或圆形的边缘；以及封装所述气体填充物的所述灯泡的至少一部分定位在所述本体的主要部分上方且邻近所述第二表面，并且一射频源耦接至第二表面以向所述本体提供射频能量，使得所述气体填充物通过所述空间区域的一部分发出电磁辐射的大部分，该电磁辐射至少具有确定量的流明/瓦特。
2.根据权利要求1所述的等离子体灯，其特征在于，所述灯泡由半透明的氧化铝材料或蓝宝石材料制成。
3.根据权利要求1所述的等离子体灯，其特征在于，所述射频能量以约400至约 500MHz 循环。
4.根据权利要求1所述的等离子体灯，其特征在于，所述射频能量以约250MHz循环。
5.根据权利要求1所述的等离子体灯，其特征在于，所述射频源是侧扩散MOS装置。
6.根据权利要求1所述的等离子体灯，其特征在于，所述射频源由包括GaN或SiC的材料制成。
7.根据权利要求1所述的等离子体灯，其特征在于，确定量的流明为80及更大或140 及更大或170及更大。
8.根据权利要求1所述的等离子体灯，其特征在于，封装所述气体填充物的所述灯泡的定位在所述本体的主要部分上方的部分为整个空间区域的三分之一或更大。
9.根据权利要求1所述的等离子体灯，其特征在于，封装所述气体填充物的所述灯泡的定位在所述本体的主要部分上方的部分为整个空间区域的一半或更大。
10.根据权利要求1所述的等离子体灯，其特征在于，耦接至第二表面的所述射频源耦接至一参考电势，其中，所述射频能量基本上电感地耦接于所述本体的第二表面。
11.根据权利要求1所述的等离子体灯，其特征在于，所述空间区域构造为圆柱形状的。
12.根据权利要求1所述的等离子体灯，其特征在于，所述本体的介电材料的介电常数大于2。
13.根据权利要求1所述的等离子体灯，其特征在于，所述介电材料基本上为玻璃或石英。
14.根据权利要求1所述的等离子体灯，其特征在于，介电材料的所述突出部从所述本体的主要部分突出并邻近所述第二表面且围绕所述灯泡的至少一部分。
15.根据权利要求1所述的等离子体灯，其特征在于，进一步包括围绕固体介电材料的所述突出部的散热器。
16.根据权利要求1所述的等离子体灯，其特征在于，进一步包括适于通过所述馈电器以在所述本体内谐振的频率向所述本体提供射频能量的电源。
17.根据权利要求2所述的等离子体灯，其特征在于，介电材料的所述突出部小于介电材料的所述本体的主要部分。
18.根据权利要求1所述的等离子体灯，其特征在于，介电材料的所述突出部小于介电材料的所述本体的主要部分。
19.根据权利要求1所述的等离子体灯，其特征在于，所述灯泡的至少一部分定位在所述介电本体的主要部分的中心区域上方。
20.根据权利要求1所述的等离子体灯，其特征在于，所述本体形成一开口且所述灯泡的至少一部分定位在所述开口中。
21.根据权利要求15所述的等离子体灯，其特征在于，所述本体的除了形成所述开口的表面以外的外表面基本上被涂覆以导电材料。
22.根据权利要求1所述的等离子体灯，其特征在于，所述灯泡定位在包含所述第二表面的平面上方。
23.根据权利要求1所述的等离子体灯，其特征在于，所述介电材料包括氧化铝。
24.根据权利要求1所述的等离子体灯，其特征在于，进一步包括适于通过所述馈电器在所述本体内以基础模式谐振的频率向所述本体提供射频能量的电源。
25.根据权利要求1所述的等离子体灯，其特征在于，进一步包括适于通过所述馈电器以在所述本体内谐振的频率向所述本体提供射频能量的电源，其中，所述本体的至少一个尺寸等于所述本体中的谐振能量的波长的约一半。
26.根据权利要求1所述的等离子体灯，其特征在于，所述本体形成一开口且所述灯泡的至少一部分定位在所述开口中。
27.根据权利要求1所述的等离子体灯，其特征在于，进一步包括插入所述本体中的第二馈电器。
28.根据权利要求1所述的等离子体灯，其特征在于，进一步包括适于通过所述馈电器以在所述本体内谐振的频率向所述本体提供射频能量的电源；还包括插入所述本体中并适于对来自所述本体的射频能量进行采样的第二馈电器。
29.根据权利要求1所述的等离子体灯，其特征在于，所述频率在0.IGHz至30GHz的范围内。
专利摘要一种等离子体灯，包括改进的灯泡支撑组件，以增加设备的流明/瓦特输出。灯泡支撑组件包括形成用于容纳灯泡的腔体的支撑结构。灯泡通过以弯曲方式从支撑结构延伸出的突出部而被支撑在腔体内。通过形成弯曲的突出部，降低了灯设备的谐振结构内的电场。降低电场使得谐振结构的谐振频率降低。由于降低了谐振频率，谐振结构被驱动成以较低的功率水平谐振，从而增加了灯设备的流明/瓦特输出。
文档编号H01J65/00GK202067774SQ20112008567
公开日2011年12月7日 申请日期2011年3月28日 优先权日2010年6月28日
发明者弗雷德里克·M·埃斯皮奥, 迈赫兰·马特路比安 申请人:托潘加科技有限公司