CN102210002A - 调整等离子体灯的谐振器组件的频率的方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种等离子体无电极灯，包括基本中空的金属体，紧密地接收两个耦合元件，第一耦合元件连接到RF放大器的输出端，且第二耦合元件连接到RF放大器的输入端。第一耦合元件在其顶表面导电连接(接地)到金属灯体，而第二耦合元件不是。该灯进一步包括竖直金属柱，该柱在柱的底表面接地而达到金属灯体。灯进一步包括介电衬套，其紧密地接收金属柱，且其进而由灯体紧密地支撑，或着可替换地或结合地由调谐短截线紧密地支撑。灯进一步包括由金属柱紧密地接收并封装气体填充物的灯泡，气体填充物在受激发时形成发光等离子体。

Description

调整等离子体灯的谐振器组件的频率的方法和系统

相关申请的交叉引用

本申请要求2008年11月24日提交的、且共同转让的美国临时专利申请No.61/117,485的优先权，该申请以引证方式结合于此。

关于联邦资助的研究或开发的发明的权利的声明

不适用

对以光盘提交的“序列表”、表格、计算机程序列表附录的引用

不适用

背景技术

本发明总体上涉及照明技术。具体地，本发明提供了使用具有多个基本配置中的一个的等离子体照明装置的方法和装置。更具体地，本发明提供了用于调整等离子体照明装置谐振器组件的频率的方法和由此产生的系统。仅作为例子，这样的配置可包括至少仓库灯、体育场灯、小型和大型建筑物内的灯、街灯、停车场灯、和其他可翻新的应用，等等。

从很早开始，人类就使用多种技术用于照明。早期人类在夜间依靠火照明洞穴。火通常要消耗木头作为燃料。木头燃料很快被从油和脂肪获得的蜡烛取代。然后，蜡烛至少部分被灯取代。某些灯是以油或其他能源作为燃料的。煤气灯曾很流行且对于诸如露营的户外活动仍然很重要。在19世纪晚期，Thomas Edison发明了可靠的白炽灯，该白炽灯在灯泡内使用钨丝，并耦接到一对电极。许多传统建筑物和住宅仍然使用白炽灯，通常称为Edison灯泡。虽然高度成功，但Edison灯泡消耗太多能量且通常效率低。

荧光照明取代白炽灯用于某些应用。荧光灯一般由包含气体材料的管构成，该管耦接到一对电极。电极耦接到电子镇流器，电子镇流器有助于引发(ignite)来自荧光照明的放电。传统建筑物结构通常使用荧光照明而非相对的白炽灯。荧光照明比白炽灯照明更高效，但通常具有更高的初始成本。

Shuji Nakamura首先提出了有效的蓝光发射二极管。蓝光发射二极管形成白色固态照明(solid state light)的基础，其通常是涂覆有黄色磷光材料的蓝光发射二极管。蓝光激发磷光材料发射白光。蓝光发射二极管使照明工业发生革命性变化，取代了传统家用、建筑物、和其他结构的照明设备。

另一形式的照明设备就是通常所谓的无电极灯，其可用来放出用于高强度应用的光。Frederick M.Espiau是开发和改进无电极灯的先驱之一。这类无电极灯仅依靠固体陶瓷谐振器结构，该固体陶瓷结构对着封在灯泡内的填充物(fill)固定。灯泡经由射频馈电器(rf feed)耦接到谐振器结构，rf馈电器将功率传递到填充物从而引起其放出高强度的照明。改进无电极灯的传统技术的另一个例子在以Marc DeVincentis和Sandeep Mudunuri的名义申请的、名为“Frequency Tunable Resonant Cavity For Use With An Electrodeless Plasma Lamp”的美国公开号No.2008/0258627A1中描述，其局限于调谐具有缺陷的固体电介质谐振器。虽然有一定的成功，但无电极灯仍具有许多限制。作为例子，无电极灯尚未大范围成功应用。

从上述内容可以看到，需要改进用于照明的技术。

发明内容

根据本发明，提供了用于照明的技术。具体地，本发明提供了使用具有多种基本配置中的一种的等离子体照明装置的方法和装置。更特别地，本发明提供了用于调整等离子体灯的谐振器组件的频率的方法和由此产生的系统，其可用于多种应用场合。调节(调谐)谐振器组件频率的能力显著提高了制造产量，通过减小谐振器尺寸的公差而简化了制造，并改进了灯性能。此外，人们可补偿由于温度波动或老化而引起的谐振器的谐振频率的任何变化。该等离子体灯可用于如下应用场合：体育场、安全设施、停车场、军事和防御设施、街道、大型和小型建筑物、交通工具前灯、飞机着陆、桥梁、仓库、uv水处理、农业、建筑照明、舞台照明、医疗照明、显微镜、投影仪和显示器、这些应用的任意组合，等等。

在一个方面中，等离子体无电极灯包括基本中空的金属体，紧密地接收两个耦合元件，第一耦合元件连接到RF放大器的输出端，且第二耦合元件连接到RF放大器的输入端。该第一耦合元件在其顶表面导电连接(如，接地)到金属灯体，而第二耦合元件不是这样。灯进一步包括竖直金属柱，该柱在其底表面接地而到达金属灯体。灯进一步包括紧密接收金属柱的介电衬套(sleeve)，且该介电衬套进而由灯体紧密地支撑。灯进一步包括灯泡，该灯泡被金属柱紧密接收并封装在受激发时形成辐射等离子体的气体填充物。电磁能量在第一耦合元件与所述柱之间，并在所述柱与第二耦合元件之间耦合；该耦合本质上是感应性的和电容性的。在某些实施方式中，除了其他因素，耦合可以取决于激发频率。在另一个方面，去除第二耦合元件，且将第一耦合元件连接到RF源的输出端，RF源可进一步包括RF振荡器和放大器。

在一特定实施方式中，本发明提供等离子体灯设备。该灯包括壳体，其具有限定在壳体内的空间体积。在特定实施方式中，空间体积具有内部区域和外部区域。在特定实施方式中，壳体可以是基本中空的金属体。在特定实施方式中，灯还包括耦接至空间体积的内部区域的支撑区域。灯具有支撑体，该支撑体具有设置在或部分设置在支撑区域内的外表面区域。在特定实施方式中，支撑体具有支撑长度、支撑第一端、和支撑第二端。第二端耦接到壳体的一个或多个部分。在特定实施方式中，支撑体可以是金属柱或其他合适的构件，包括金属和介电材料的组合。在特定实施方式中，灯具有耦接到支撑体的支撑第一端的气体填充容器。气体填充容器具有透明或半透明本体、内表面和外表面、在内表面内形成的腔体。气体填充容器填充有诸如氩气的惰性气体和发光体或荧光体(诸如汞、钠、镝、硫或金属卤化盐(如溴化铟、溴化钪、碘化铊、溴化钬、碘化铯)或其他类似材料)(或气体填充容器可同时包含多种发光体或荧光体)。在另一个实施方式中，灯具有围绕支撑体的一个或多个部分设置的石英体。在特定实施方式中，石英体配置有多个空间尺寸中的一个，以便为来自多个频率中的谐振频率提供所选的电容。灯还具有操作性地耦接到气体填充容器的rf源。在特定实施方式中，rf源配置有石英体以输出谐振频率，以用于气体填充容器中的一种或更多气体的放电。在优选实施方式中，放电是发出电磁辐射的气体放电。在一个或多个实施方式中，气体放电还包括与发光体或荧光体的相互作用。

在可替换的特定实施方式中，本发明提供了等离子体灯设备。该灯具有壳体，该壳体具有限定在壳体内的空间体积。空间体积具有内部区域和外部区域。灯还具有耦接到空间体积内部区域的支撑区域。该灯进一步具有支撑体，该支撑体具有设置在或部分设置在支撑区域内的外表面区域。在特定实施方式中，支撑体具有支撑长度、支撑第一端、支撑第二端。该灯具有耦接到支撑体的支撑第一端的气体填充容器。在优选实施方式中，气体填充容器具有透明或半透明本体、内表面和外表面、在内表面内形成的腔体。灯还具有围绕支撑体一个或多个部分设置的介电体。在优选实施方式中，介电体配置有为来自多个频率中的谐振频率提供所选的电容的空间尺寸。灯还具有操作性地耦接到气体填充容器的至少第一端的rf源。在特定实施方式中，rf源配置有介电体以输出谐振频率，以用于气体填充容器中的一种或多种气体的放电。在优选实施方式中，放电是发射电磁辐射的气体放电。在一个或多个实施方式中，气体放电还包括与发光体或荧光体的相互作用。

在可替换的特定实施方式中，本发明提供了制造等离子体灯的方法。该方法包括提供包括壳体的等离子体灯设备，壳体具有限定在壳体中的空间体积。在特定实施方式中，空间体积具有内部区域和外部区域。在特定实施方式中，等离子体灯组件还具有耦接到空间体积的内部区域的支撑区域。该方法包括将包括耦接至支撑体的气体填充容器的灯装置插入到位于或部分位于壳体空间体积的内部区域的支撑区域内的区域。该方法还包括选择石英体的空间尺寸以提供来自多个谐振频率中的一个谐振频率以及围绕支撑体设置石英体。在特定实施方式中，石英体以所述空间尺寸配置从而提供来自多个频率中的谐振频率。

而且，本发明提供无电极等离子体设备。该设备包括包括壳体的等离子体灯设备，壳体具有限定在该壳体内的空间体积。根据特定实施方式，空间体积具有内部区域和外部区域。根据特定实施方式，等离子体灯组件具有耦接到空间体积的内部区域的支撑区域。该设备还包括在壳体的外部区域内的一种或多种流体材料以及设置在或部分设置在壳体的支撑区域内的支撑体。该设备具有包括耦接到支撑体的至少一端的气体填充容器的灯装置。该设备具有设置在外部区域的一个或多个部分内的rf耦合元件。该rf耦合元件配置成供应能量给等离子体灯装置。该设备具有调谐装置，其操作性地耦接到一种或多种流体材料的一个或多个部分并配置成将谐振频率从至少第一值改变到第二值。

再进一步，本发明提供了配置等离子体灯的方法。该方法包括提供包括壳体的等离子体灯设备，壳体具有限定在壳体内的空间体积。空间体积具有内部区域和外部区域，等离子体灯组件具有耦接到空间体积的内部区域的支撑区域。根据一个或多个实施方式，外部区域包括一种或多种流体材料以形成腔体区域。该方法包括耦接设置在或部分设置在壳体的支撑区域内的支撑体以及耦接包括耦接于支撑体的至少一端的气体填充容器的灯装置。该方法包括耦接设置在外部区域的一个或多个部分内的rf耦合元件。Rf耦合元件配置成供应能量给等离子体装置。该方法还包括提供调谐装置，该调谐装置操作性地耦接到一种或多种流体材料的一个或多个部分并配置成将谐振频率从至少第一值改变到第二值。

使用本发明可实现优于现有技术的益处。在特定实施方式中，本发明提供的方法和装置具有输入耦合元件、输出耦合元件、和反馈耦合元件的配置，这些耦合元件提供对灯泡的电磁耦合，灯泡的功率传递和频率谐振特征很大程度上独立于传统电介质谐振器，但也可取决于传统设计。在优选实施方式中，本发明提供具有改进的可制造性和设计灵活性的布置的方法和配置。其他实施方式可包括以互补方式与当前的耦合元件配置一起发挥作用的输出耦合元件和灯泡的集成组件以及用于街道照明应用的相关方法。再进一步，本方法和装置提供改进的热传递特征，以及进一步简化现有的和新型街道照明装置(如灯，等)的制造和/或翻新。在特定实施方式中，本方法和由此产生的结构在为商业应用制造方面相对简单且成本低廉。在优选实施方式中，本发明的灯包括调谐装置，其允许更高效的制造、灯设置、和维护。根据该实施方式，可实现这些益处中一个或多个。这些和其他益处的说明贯穿本说明书且在下面更具体地说明。

本发明实现了这些益处和已知工艺技术背景下的其他益处。然而，对本发明本质和优点的进一步理解可通过参考说明书的后面部分和附图来实现。

附图说明

图1是根据本发明实施方式的灯的简化侧切视图(side-cut view)，其包括灯体、输入和反馈耦合元件、介电衬套、中央金属柱、和气体填充灯泡；

图2示出图1中的根据本发明实施方式的灯，灯以正反馈拓扑与RF放大器连接，以便灯/放大器系统形成振荡器，其是气体填充灯泡的RF激发的源；

图3示出图1中的根据本发明实施方式的灯，其中没有反馈耦合元件，且具有连接到输入耦合元件的RF激发源；

图4A是根据本发明实施方式的灯装置的透视图，其示出了石英体和分离的灯泡组件；

图4B是根据本发明的可替换实施方式的灯装置的透视图，其示出了空气谐振器和分离的灯泡组件；

图4C是根据本发明实施方式的灯装置的透视图，其示出了调谐短截线/驱动器和灯泡组件；

图4D是根据本发明的可替换实施方式的灯装置的透视图，其示出了调谐短截线/驱动装置和灯泡组件；

图5示出根据本发明实施方式的简化灯装置，其具有一定尺寸的石英体以实现谐振频率；

图6是根据本发明实施方式的石英体的简化示图；以及

图7是示出了根据本发明实施方式的石英体长度与谐振频率之间的关系的简化示图。

具体实施方式

根据本发明提供了用于照明的技术。具体地，本发明提供了使用等离子体照明装置的方法和装置，等离子体装置具有多个基本配置中的一种，例如紧凑空气谐振器、空气谐振器、包括介电插入物或衬套的空气谐振器。更具体地，本发明提供了用于调整等离子体灯的谐振器组件的频率的方法和由此产生的系统，其可用于多种应用场合。仅作为例子，这样的等离子体灯可用于如下应用场合：体育场、安全设施、停车场、军事和防御设施、街道、大型和小型建筑物、交通工具前灯、飞机着陆、桥梁、仓库、uv水处理、农业、建筑照明、舞台照明、医疗照明、显微镜、投影仪和显示器、这些应用的任何组合，等等。

下面提供的描述使得本领域技术人员能够实现和使用本发明，并将其结合到具体应用环境中。各种修改、以及不同应用场合中的多种使用对本领域技术人员是显而易见的，这里限定的一般性原理可应用于宽范围的实施方式。因此，本发明不旨在限于给出的实施方式，而是要与这里公开的原理和新颖特征一致的最宽泛的范畴相符。

在下面的详细说明中，阐述了大量特定细节以提供对本发明更透彻的理解。然而，对本领域技术人员显而易见的是，本发明的实施可以不限于这些特定细节。在其他情形中，公知结构和装置以方框图的形式示出，而非详细示出，以避免使本发明模糊不清。

读者的注意力被引导向与本说明书同时提交的所有文章和文献，这些文章和文献与本说明书对公众开放查阅，并且所有这类文章和文献的内容以引证方式结合于此。除非额外声明，本说明书公开的所有特征，(包括任何所附的权利要求、摘要、和附图)可被用于相同、等同或类似目的的替换特征取代。因此，除非另外明确声明，否则每个公开的特征仅是一系列通用的等同或类似特征的一个例子。

而且，没有明确表述为执行专用功能的“用于...的装置”、或执行特定功能的“用于...的步骤”的权利要求中的任何元素都不能解释为35U.S.C.第112部分第6段中规定的“装置”或“步骤”条款。具体地，在此权利要求中使用的“...的步骤”或“...的动作”不是为了援引35U.S.C.第112部分第6段的规定。

请注意，如果使用，则所用的描述词左、右、前、后、顶部、底部、前向、反向、顺时针和逆时针仅用于便利性目的，而不旨在暗示任何特定固定的方向。实际上这些词用来反映物体不同部分之间的相对位置和/或方向。

图1是灯的侧切示图，总体上由标号100表示，其采用基本中空的金属灯体600，包围未填充的空间601。金属灯体600构成电接地，如图所示。通过电磁建模和实验都已经发现整个灯操作对灯体600的外部形状，或对被包围的空间601的形状不敏感。例如，本体600可以是直线的，而中空空间601可以是圆柱形(cylindrical)的。当然，可以有其他变化、修改、和替换。

灯体600包括中空伸出特征650。中空空间601和中空伸出特征605一起接收介电衬套110。介电衬套110的示例性实施方式可以包括石英和氧化铝，但也可使用各种介电常数的其他材料。伸出特征650的高度、以及介电衬套110在伸出特征650内的高度是设计变量，其用于调谐灯的最优操作频率。输出耦合元件120被紧密地接收在介电衬套110内，该输出耦合元件是实心金属圆柱形柱、或是涂覆有高导电金属层的介电材料、或是其他适合的构件。本领域技术人员将认识到横截面可以为很多形状，但圆形横截面是优选的，因为其易于制造，同时避免可导致形成电弧的高电磁场集中(electromagnetic field concentration)，电弧会使得横截面具有不期望的尖锐特征。本发明的一个方面是输出耦合元件120在点605处通过接触接地而到达灯体600，如图1所示。本发明的又一个方面是输出耦合元件120的顶部紧密接收气体填充灯泡130并与其密切接触，气体填充灯泡在被输出耦合元件120附近的电磁场激发时形成发光等离子体丝115。对应于灯泡130的形状的轻微下陷可存在于输出耦合元件120的顶部以确定地接收灯泡；高温介电材料(如氧化铝)的薄层可配置有粘接剂以增强机械界面。在特定实施方式中，高温介电材料的薄层是非常薄的介电材料。在一个或多个实施方式中，介电材料也可用作灯泡与金属输出耦合元件之间的扩散屏障。使用实心金属柱120以及其与灯泡130的密切接触提供了至少一个或多个优点：热经由传导从灯泡130被有效地除去、远离柱的电磁场强度快速减小、EMI最小化、以及消除柱120与周围介电表面之间的电弧形成。

灯体600在底部开口接收同轴连接器610，以便连接器的外表面电接触灯体600。示例性连接器类型是SMA，但其他类型也是可能的。同轴连接器610的绝缘中心导体611连接到输入耦合元件630。本发明的关键方面是输入耦合元件630在连接器610附近与灯体600电隔离，但在点631处在相对面上与灯体600直接电接触。所谓的接地耦合元件允许对中央柱120的有效电磁耦合。根据一个或多个实施方式，输入耦合元件与输出耦合元件之间的耦合取决于输入耦合元件的长度、耦合元件之间的间隔、以及耦合元件的直径、以及可能的其他因素。同轴连接器620的绝缘中心导体621连接到反馈耦合元件635。同轴连接器620的外表面被灯体600接收并与其电接触，同时反馈耦合元件635不与灯体600DC电接触。

电磁能量从输入耦合元件630强烈耦合到输出耦合元件120，且进而耦合到灯泡130内的气体填充物。本发明的一个方面是电磁能量源与中央柱/灯泡系统(120/130)之间的阻抗匹配通过输入耦合元件630与输出耦合元件120之间的间隔来良好调节。这提供了不会施加额外制造负担的有效调整机质。电磁能量从输出耦合元件120弱耦合到反馈耦合元件635。该反馈耦合的强度通过反馈耦合元件635的长度来调节。

通过电磁模拟，并通过直接测量来寻找输入耦合元件630与输出耦合元件120之间的耦合以及输出耦合元件120与反馈耦合元件635之间的耦合，其将是高度频率选择性的。介电衬套110的存在用来减少最优耦合的频率，这是理想的总体特性。此外，最优频率可易于通过调整介电衬套110的长度和厚度来调谐，而不施加额外的制造负担。

图2示出具有图1中的正反馈、自振荡配置的灯的灯系统。输入耦合元件630使用同轴缆线与RF放大器输出端211电磁连接，而反馈耦合元件635使用同轴缆线与RF放大器输入端212电磁连接。灯的频率选择性在包括输入耦合元件630、灯100、反馈耦合元件635、和放大器210的电路中提供谐振振荡器。也就是，电路将以任何频率谐振，对此环路增益比个体(unity)大，且对此全程(round-trip)相变是2-pi的整数倍。如本领域技术人员可以理解的，全程相变可利用各种手段修改(tailor，剪裁)，比如调整灯与放大器之间的同轴缆线的长度，以及结合中性(passive)或有源RF相移器元件。如上所述，本发明的优点是通过改变介电衬套110的尺寸来调谐谐振频率的能力，以及通过输入耦合元件630与输出耦合元件120之间的间隔距离来对灯100与放大器210进行阻抗匹配的能力。

图3所示的灯系统与图2中的灯系统在RF源方面不同，该RF源不是分布式振荡器电路，而是与RF放大器210的RF放大器输入端212导电连接的独立的振荡器205。RF放大器输出端211与输入耦合元件630导电连接，其传递RF功率给灯体100。输入耦合元件630与输出耦合元件120之间的耦合的谐振特征是与RF源频率匹配和阻抗匹配的，以最优化RF功率传送。如上所述，本发明的显著优点是通过改变介电衬套110的尺寸来调谐谐振频率的能力，以及通过输入耦合元件630与输出耦合元件120之间的间隔距离来对灯100与放大器210进行阻抗匹配的能力。当然，可以有其他变化、修改、和替换。

图4A是根据本发明实施方式的灯装置400的立体图，其示出了石英体和分离的灯泡组件。该图仅是例示性的，其不应限制本文权利要求的范围。本领域技术人员将认识到其他变化、修改、和替换。如所示的，本发明提供了等离子体灯设备400。该灯具有壳体401，其具有限定在该壳体内的空间体积。该空间体积具有内部区域和外部区域。在特定实施方式中，壳体由导电或金属材料制成，但也可是其他材料。当然，可以有其他变化、修改、和替换。

在特定实施方式中，灯还具有耦接到空间体积的内部区域的支撑区域403或405。在特定实施方式中，支撑区域可以由壳体的一部分或其他独立构件形成。当然，可以有其他变化、修改、和替换。在特定实施方式中，支撑区域可以是环形、多边形、或配置成支撑体的其他形状，这将在下面说明。

如所示的，灯进一步具有支撑体(输出耦合元件)407，其具有设置在或部分设置在支撑区域内的外表面区域。在特定实施方式中，支撑体具有支撑长度、支撑第一端、和支撑第二端。在特定实施方式中，支撑体由导电金属材料、或涂覆有高导电金属层的介电材料、和其他合适材料制成。当然，可以有其他变化、修改、和替换。

在特定实施方式中，灯具有耦合到支撑体的支撑第一端的气体填充容器408。在优选实施方式中，气体填充容器具有透明或半透明本体、内表面和外表面、在内表面内形成的腔体。在特定实施方式中，气体填充容器是灯泡，该灯泡保持惰性气体(如氩气)以及发光体或荧光体(如汞、钠、镝、硫或金属卤化盐(如溴化铟、溴化钪、碘化铊、溴化钬、碘化铯)或其他类似材料)(或灯泡可同时包含多种发光体或荧光体)。

同样如所示的，灯还具有围绕支撑体一个或多个部分设置的介电体409。在优选实施方式中，介电体配置有为来自多个频率中的谐振频率提供所选的电容的空间尺寸。在特定实施方式中，介电体由石英或其他材料制成。介电体配置为环形形状或其他形状以围绕支撑构件装配。在特定实施方式中，介电体具有选择的尺寸和形状以便为谐振频率提供选择的电容。当然，可以有其他变化、修改、和替换。

如所述的，灯还具有其他元件。在特定实施方式中，灯还具有操作性地耦接到气体填充容器的至少第一端的rf源。在特定实施方式中，rf源配置有介电体以输出谐振频率，以用于气体填充容器中的一种或多种气体的放电。Rf源包括放大器或其他适合的装置。当然，可以有其他变化、修改、和替换。

图4B是根据本发明实施方式的灯装置的立体图，其示出了空气谐振器和分离的灯泡组件。该图仅是示例性的，其不应限制本文权利要求的范围。本领域技术人员可认识到其他变化、修改、和替换。本实施方式中使用相似的参考标号，这只是为了例示的目的而不限制本文权利要求的范围。如所示的，本发明提供等离子体灯设备。该灯具有壳体，壳体具有在壳体内限定的空间体积。空间体积具有内部区域和外部区域。在特定实施方式中，该壳体由导电或金属材料制成，但也可是其他材料。当然，可以有其他变化、修改、和替换。

在特定实施方式中，灯还具有耦接到空间体积的内部区域的支撑区域。在特定实施方式中，支撑区域可由壳体的一部分或其他独立构件形成。当然，可以有其他变化、修改、和替换。在特定实施方式中，支撑区域可以是环形、多边形、或配置成支撑体的其他形状，这将在下面进一步说明。

如所示的，灯进一步具有支撑体(输出耦合元件)，该支撑体具有设置在或部分设置在支撑区域内的外表面区域。在特定实施方式中，支撑体具有支撑长度、支撑第一端、和支撑第二端。在特定实施方式中，支撑体由导电金属材料、或涂覆有高导电金属层的介电材料、或其他合适材料制成。同样如所示的，支撑体一端可配置有机械螺纹或其他附接装置，以机械耦接到壳体的一个或多个部分。在优选实施方式中，机械螺纹可允许容易地制造和/或更换支撑体。此外，螺纹允许相对于所述本体和其他灯元件来调整支撑体的高度。在优选实施方式中，螺纹可经由固定螺钉或其他紧固件锁定，以防止组装完成后支撑体的运动。可替换地，支撑体可经由粘接工艺(如，粘胶)、焊接、或其他技术附接到所述本体。当然，可以有其他变化、修改、和替换。

在特定实施方式中，灯具有耦接到支撑体的支撑第一端的气体填充容器。在优选实施方式中，气体填充容器具有透明或半透明本体、内表面和外表面、在内表面内形成的腔体。在特定实施方式中，气体填充容器是灯泡，该灯泡保持惰性气体(如氩气)以及发光体或荧光体(如汞、钠、镝、硫或金属卤化盐(如溴化铟、溴化钪、碘化铊、溴化钬、碘化铯)或其他类似材料)(或灯泡可同时包含多种发光体或荧光体)。当然，可以有其他变化、修改、和替换。

还是如所示的，灯包括可以基本没有前述介电体的空气谐振器结构422。在其他实施方式中，空气谐振器结构可以与介电体或其他本体结合。在优选实施方式中，空气谐振器结构包括一定体积的一种或多种流体材料。根据一个或多个实施方式，其中，该一种或多种流体材料可以来自空气、氮气、氩气或其他惰性气体、或这些气体的任何组合。在其他类似材料中，流体也可以是气体、蒸汽、液体、或其他非固体材料中的任何一种或它们的组合。在优选实施方式中，流体基本无湿气并且是干燥的。干燥流体对防止来自(例如)微波吸收或其他影响的寄生损耗是有用的。在其他实施方式中，流体可以是稍微含湿气的。在一个或多个实施方式中，空气谐振器结构可配置成合适的形状和尺寸，以便为来自多个频率中的谐振频率提供选择的电容。在特定实施方式中，流体可配置为环形形状或其他形状，从而围绕支撑元件装配或填充，如所示的。在特定实施方式中，流体区域具有所选择的尺寸和形状，以便为谐振频率提供所选择的电容。当然，可以有其他变化、修改、和替换。

如所述的，灯还具有其他元件。在特定实施方式中，灯还具有rf源，其操作性地耦接到气体填充容器的至少第一端。在特定实施方式中，rf源配置有用以输出谐振频率的流体区域，以用于气体填充容器中的一种或多种气体的放电。rf源包括放大器或其他合适装置。当然，可以有其他变化、修改、和替换。

图4C和4D是根据本发明实施方式的灯装置的立体图，其示出了调谐短截线/驱动装置和灯泡组件。如所示的，图4D还示出耦接到调谐短截线的介电材料。该图仅是说明性的，其不应限制本文权利要求的范围。本领域技术人员将认识到其他变化、修改、和替换。本实施方式中使用相似的参考标号，这只是为了说明的目，而不限制本文权利要求的范围。如所示的，本发明提供了等离子体灯设备。灯具有壳体(如金属)，壳体具有限定在该壳体内的空间体积。空间体积具有内部区域和外部区域。在特定实施方式中，壳体由导电或金属材料组成，但也可以是其他材料。当然，可以有其他变化、修改、和替换。

在特定实施方式中，灯还具有耦接到空间体积的内部区域的支撑区域。在特定实施方式中，支撑区域可由壳体的一部分或其他独立的构件制成。当然，可以有其他变化、修改、和替换。在特定实施方式中，支撑区域可以是环形、多边形、或配置成支撑体的其他形状，这将在下面进一步说明。

如所示的，灯进一步具有支撑体(输出耦合元件)，该支撑体具有设置或部分设置在支撑区域内的外表面区。在特定实施方式中，支撑体具有支撑长度、支撑第一端、和支撑第二端。在特定实施方式中，支撑体由导电金属材料、或涂覆有高导电金属层的介电材料、或其他合适材料制成。同样如所示的，支撑体的一端可配置有机械螺纹或其他附接装置，以机械耦接到壳体的一个或多个部分。在优选实施方式中，机械螺纹可允许容易地制造和/或更换支撑体。此外，螺纹允许相对于所述本体和其他灯元件来调整支撑体的高度。在优选实施方式中，螺纹可经由固定螺钉或其他紧固件锁定以防止组装完成后支撑体的运动。可替换地，支撑体可经由粘接工艺(如粘胶)、焊接、或其他技术附接到所述本体。当然，可以有其他变化、修改、和替换。

在特定实施方式中，灯具有耦接支撑体的支撑第一端的气体填充容器。在优选实施方式中，气体填充容器具有透明或半透明本体、内表面和外表面、在内表面内形成的腔体。在特定实施方式中，气体填充容器是灯泡，其保持惰性气体(如氩气)以及发射体或荧光体(如汞、钠、镝、硫或金属卤化盐(如溴化铟、溴化钪、碘化铊、溴化钬、碘化铯)或其他类似材料)(或灯泡可同时包含多种发光体或荧光体)。当然，可以有其他变化、修改、和替换。

还是如所示的，灯包括可以基本上没有前述的介电体的空气谐振器结构。在其他实施方式中，空气谐振器结构可以与介电体或其他本体结合。在优选实施方式中，空气谐振器结构包括一定体积的一种或多种流体材料。根据一个或多个实施方式，其中，该一种或多种流体材料可以来自空气、氮气、氩气或其他惰性气体、或这些气体的任何组合。在其他类似材料中，流体也可以是气体、蒸汽、液体、或其他非固体材料中的任何一种或它们的组合。在优选实施方式中，流体基本无湿气并且是干燥的。干燥流体对防止源自(例如)微波吸收或其他影响的寄生损耗是有用的。在其他实施方式中，流体可以稍微含湿气。在一个或多个实施方式中，空气谐振器结构可配置成合适的形状和尺寸，以便为来自多个频率中的谐振频率提供选择的电容。在特定实施方式中，流体可配置为环形形状或其他形状，以围绕支撑构件装配或填充，如所示的。在特定实施方式中，流体区域具有选择的尺寸和形状，以为谐振频率提供选择的电容。当然，可以有其他变化、修改、和替换。

如所述的，灯还具有其他元件。在特定实施方式中，灯还具有rf源，其操作性地耦接到气体填充容器的至少第一端。在特定实施方式中，rf源配置有用以输出谐振频率的流体区域，以用于气体填充容器中的一种或多种气体的放电。rf源包括放大器或其他合适装置。当然，可以有其他变化、修改、和替换。

在一个或多个实施方式中，本设备还具有调谐装置423，其操作性地耦接到一种或多种流体材料的一个或多个部分。在特定实施方式中，调谐装置配置成将谐振频率从至少第一值改变到第二值。根据一个或多个实施方式，所述值的每一个可以是单个值或值的范围。如所示的，调谐装置被配置并耦接到壳体的一个或多个部分，但可配置在其他位置。

根据实施方式，调谐装置由合适材料制成并配置有一定尺寸和形状。在一个或多个实施方式中，调谐装置包括调谐短截线，该调谐短截线可插入到壳体的外部区域中以将一种或多种流体材料的体积从第一体积改变到第二体积。也就是，当调谐短截线插入体积区域时，该体积通常减少。在特定实施方式中，调谐装置包括围绕支撑体的一个或多个部分配置的石英体429。优选地，根据特定实施方式，石英体配置成用以从多个频率中提供谐振频率的空间尺寸。可替换地，调谐装置至少包括介电材料、金属材料、或半导体材料。包括短截线的装置可基本上由金属、电介质、或半导体材料制成，其可以是匀质的或合成物。在其他实施方式中，该装置可以是分层的或具有其他空间构型。

在优选实施方式中，调谐装置包括调谐短截线和耦接到该调谐短截线的驱动装置，所述调谐短截线可插入到外部区域中以将一种或多种流体材料的体积从第一体积改变到第二体积。在一个或多个实施方式中，驱动装置至少包括电机、压电材料、或MEMS、或能够使短截线空间地移动到外部区域中的其他设备/装置，或着可替换地或组合地，能够使短截线空间地移入或移出该空间区域。

在一个或多个实施方式中，该设备还包括耦接到驱动装置427的反馈处理装置425。反馈处理装置经配置成接收来自灯装置的输出的一个或多个参数的反馈。这样的输出可以是电压、电流、阻抗、反射rf、电磁辐射、温度、频率或多个频率、或其他输出、或这些输出的组合。在优选实施方式中，一个或多个参数可以包括来自输入耦合元件的反射rf功率和/或来自灯泡的电磁辐射(如，可见的)输出。反馈处理装置可包括一个或多个光电传感器，其经配置捕获电磁输出。反馈处理装置自动或半自动地使驱动装置保持，或引起短截线的移动以增加和/或减少壳体内的空间体积。作为例子，反馈处理装置使用配置为传感器的rf耦合器(如，二极管)，其由微处理器/控制器单元监查。处理器/控制器单元接收源自灯泡的反馈的信息，并输出控制信号到驱动装置。根据反馈，驱动装置配置成将短截线移入和移出空气谐振器区域以改变其体积。根据特定实施方式，体积的改变有效地导致空气谐振器结构的尺寸的变化。反馈处理装置导致有效地控制灯泡的光的输出(如，最大值、降低亮度、最小值)。调谐装置进一步的细节可在本说明书中发现，且在下面更具体说明。

更进一步，本发明的灯包括为温度补偿而配置的调谐装置。在特定实施方式中，调谐装置包括一种或多种材料，如电介质。这类材料可以是钛基材料、钽基材料、铝基材料、锌基材料(如BaZnCoNb)、钡基材料(如BaZnTa氧化物，BaZnCoNb)、它们的组合、和其他材料。在特定实施方式中，一种或多种材料配置成具有用以在一操作温度范围内提供一定范围的谐振频率的有效介电常数。当然，可以有其他变化、替换、和修改。也就是，根据一个或多个实施方式，图4A、图4B、图4C和图4D中的特征和/或元件的任何一个或多个可以组合、进一步分开、或修改。

图5示出了根据本发明实施方式的简化的灯装置500，其具有用以实现谐振频率的一定尺寸的石英体。该图仅是例示，其不应限制本为权利要求的范围。本领域技术人员将认识到其他变化、修改、和替换。在特定实施方式中，每个石英体501、503可配置有不同的尺寸，但也可以是其他尺寸。在特定实施方式中，不同尺寸主要是不同高度，但可以是直径和其他配置。当然，可以有其他变化、修改、和替换。图6中提供了石英体的其他配置，该图是根据本发明实施方式的石英体的简化示图。该图仅是例示，其不应限制本文权利要求的范围。本领域技术人员将认识到其他变化、修改、和替换。

图7是示出了根据本发明实施方式的石英体尺寸与谐振频率之间的关系的简化图700。该图仅是例示，其不应限制本文权利要求的范围。本领域技术人员将认识到其他变化、修改、和替换。如图所示，水平轴是石英的长度，竖直轴是频率，但可以有其他关系。在特定实施方式中，随着石英高度的增加(增加长度)，谐振频率降低。当然，可以有其他变化、修改、和替换。

虽然上面是特定实施方式的完整说明，但可以使用各种修改、替换结构和等同物。作为例子，调谐装置可以是具有一个或多个空间构型的介电衬套，但其可以相对于支撑构件移动。可替换地，调谐装置也可插入空气谐振器结构中，这引起空气谐振器结构的体积改变并导致谐振频率变化。在其他实施方式中，调谐装置可以是这些和其他元件的组合。因此，上面的描述和说明不应被认为是对本发明范围的限制，本发明的范围由权利要求限定。

Claims (48)

1.一种等离子体灯设备，包括：

壳体，具有限定在所述壳体内的空间体积，所述空间体积具有内部区域和外部区域；

支撑区域，耦接于所述空间体积的内部区域；

支撑体，具有设置在或部分设置在所述支撑区域内的外表面区域，所述支撑体具有支撑长度、一支撑第一端、和一支撑第二端，所述第二端耦接于所述壳体的一个或多个部分；

气体填充容器，耦接于所述支撑体的支撑第一端，所述气体填充容器具有透明或半透明本体、内表面和外表面、形成在所述内表面内的腔体；

石英体，围绕所述支撑体的一个或多个部分设置，所述石英体配置有多个空间尺寸中的一个，以便为来自多个频率中的谐振频率提供选择的电容；以及

rf源，操作性地耦接于所述气体填充容器，所述rf源配置有所述石英体以输出所述谐振频率，以用于所述气体填充容器中的一种或多种气体和发光体的放电。

2.根据权利要求1所述的灯，其中，所述支撑区域以环状方式配置。

3.根据权利要求1所述的灯，其中，所述支撑区域是连续区域。

4.根据权利要求1所述的灯，其中，所述支撑区域是一个或多个支撑结构。

5.根据权利要求1所述的灯，其中，所述谐振频率的范围从约10MHz至约10GHz。

6.根据权利要求1所述的灯，其中，所述谐振频率小于约450MHz。

7.根据权利要求1所述的灯，其中，所述谐振频率小于约250MHz。

8.根据权利要求1所述的灯，其中，所述石英体包括配置成将装配至所述支撑体的一部分的开口以及配置成将装配在所述支撑区域的一部分内的外部区域。

9.根据权利要求1所述的灯，其中，所述石英体具有约3.8的介电常数。

10.根据权利要求1所述的灯，其中，所述石英体是具有从1到N编号的不同高度的多个石英体中的一个，其中N是整数。

11.根据权利要求1所述的灯，其中，所述石英体包括外部暴露表面区域。

12.根据权利要求1所述的灯，其中，所述石英体配置为环状的环。

13.根据权利要求1所述的灯，其中，所述石英体包括一个或多个区域。

14.根据权利要求1所述的灯，进一步包括围绕所述支撑构件的一个或多个部分配置的第二介电体。

15.根据权利要求1所述的灯，其中，所述壳体是导电的。

16.根据权利要求1所述的灯，其中，所述支撑体是导电的。

17.根据权利要求1所述的灯，其中，所述支撑体包括实心金属、金属合金、或涂覆有导电层的陶瓷材料。

18.根据权利要求1所述的灯，其中，所述支撑体配置为从所述气体填充容器吸取一部分热能，以将所述气体填充容器保持在这样的温度：对于石英气体填充容器该温度低于约1200摄氏度且对于半透明氧化铝气体填充容器该温度低于约1600摄氏度，从而基本保持所述气体填充容器无变形。

19.根据权利要求1所述的灯，其中，所述支撑体包括耦接于所述气体填充容器的边界区域，所述边界区域配置成将与所述rf能量源相关联的电磁场的一部分与所述气体填充容器的至少一部分隔开。

20.根据权利要求17所述的灯，其中，所述气体填充容器的所述部分是光学暴露区域。

21.根据权利要求1所述的灯，进一步包括在围绕所述气体填充容器的一部分的附近范围内的最大电磁场区域，所述气体填充容器的所述部分是光学暴露区域。

22.一种等离子体灯设备，包括：

壳体，具有限定在所述壳体内的空间体积，所述空间体积具有内部区域和外部区域；

支撑区域，耦接于所述空间体积的内部区域；

支撑体，具有设置在或部分设置在在所述支撑区域内的外表面区域，所述支撑体具有支撑长度、一支撑第一端、和一支撑第二端，所述第二端耦接于所述壳体的一个或多个部分；

气体填充容器，耦接于所述支撑体的第一端，所述气体填充容器具有透明或半透明本体、内表面和外表面、形成在所述内表面内的腔体；

介电体，围绕所述支撑体的一个或多个部分设置，所述介电体配置有用以为来自多个频率中的谐振频率提供选择的电容的空间尺寸；以及

rf源，操作性地耦接于所述气体填充容器的至少第一端，所述rf源配置有所述介电体以输出所述谐振频率，以用于所述气体填充容器中的一种或多种气体的放电。

23.根据权利要求22所述的灯，其中，所述支撑区域以环状方式配置。

24.根据权利要求22所述的灯，其中，所述支撑区域是连续区域。

25.根据权利要求22所述的灯，其中，所述支撑区域是一个或多个支撑结构。

26.根据权利要求22所述的灯，其中，所述谐振频率的范围从约10MHz至约10GHz。

27.根据权利要求22所述的灯，其中，所述介电体是石英体，该石英体包括配置成将装配至所述支撑体的一部分的开口以及配置成将装配在所述支撑区域的一部分内的外部区域。

28.根据权利要求22所述的灯，其中，所述介电体是介电常数为约1.2以上的石英体。

29.根据权利要求22所述的灯，其中，所述介电体是具有从1到N编号的不同高度的多个介电体中的一个，其中N是整数。

30.根据权利要求22所述的灯，其中，所述介电体包括外部暴露表面区域。

31.根据权利要求22所述的灯，其中，所述介电体配置为环状的环。

32.根据权利要求22所述的灯，其中，所述介电体包括一个或多个区域。

33.根据权利要求22所述的灯，其中，所述介电体包括填充材料。

34.根据权利要求22所述的灯，其中，所述介电体基本上没有在所述介电体的外部区域上的一个或多个边缘。

35.根据权利要求22所述的灯，其中，所述介电体至少通过所述支撑构件的外表面与所述介电体的外部区域之间的一间隙隔开。

36.根据权利要求22所述的灯，其中，所述介电体配置成从所述气体填充容器吸取一部分热能，以将所述气体填充容器保持在低于一确定温度的温度处，以便基本保持所述气体填充容器无变形。

37.一种制造等离子体灯的方法，所述方法包括：

提供等离子体灯设备，所述等离子体灯设备包括壳体，所述壳体具有限定在所述壳体内的空间体积，所述空间体积具有内部区域和外部区域，所述等离子体灯组件还具有耦接于所述空间体积的内部区域的支撑区域；

将包括耦接于支撑体的气体填充容器的灯装置插入至位于或部分位于所述壳体的空间体积的内部区域的支撑区域内的区域；

选择石英体的空间尺寸以从多个谐振频率中提供谐振频率；以及

围绕所述支撑体设置所述石英体，所述石英体以所述空间尺寸配置以便从多个频率中提供所述谐振频率。

38.一种无电极等离子体灯，包括：

等离子体灯设备，包括壳体，该壳体具有限定在所述壳体内的空间体积，所述空间体积具有内部区域和外部区域，所述等离子体

灯组件具有耦接于所述空间体积的内部区域的支撑区域；

一种或多种流体材料，位于所述壳体的外部区域内；

支撑体，设置在或部分设置在所述壳体的支撑区域内；

灯装置，包括耦接于所述支撑体的至少一端的气体填充容器；

rf耦合元件，设置在所述外部区域的一个或多个部分内，所述rf耦合元件配置成供应能量给所述等离子体灯装置；以及

调谐装置，操作性地耦接于所述一种或多种流体材料的一个或多个部分，并配置成将谐振频率从至少第一值改变至第二值。

39.根据权利要求38所述的等离子体灯，其中，所述一种或多种流体材料形成空气谐振器区域。

40.根据权利要求38所述的等离子体灯，其中，所述调谐装置包括能插入所述外部区域中以将所述一种或多种流体材料的体积从第一体积改变至第二体积的调谐短截线。

41.根据权利要求38所述的等离子体灯，其中，所述调谐装置包括石英体，该石英体围绕所述支撑体的一个或多个部分配置，所述石英体以所述空间尺寸配置以便从多个频率中提供所述谐振频率。

42.根据权利要求38所述的等离子体灯，其中，所述调谐装置至少包括介电材料、金属材料、或半导体材料。

43.根据权利要求38所述的等离子体灯，其中，所述调谐装置包括能插入所述外部区域中以将所述一种或多种流体材料的体积从第一体积改变至第二体积的调谐短截线以及耦接于所述调谐短截线的驱动装置。

44.根据权利要求38所述的等离子体灯，其中，所述调谐装置包括能移动进入所述一种或多种流体材料的一个或多个部分的调谐短截线以及耦接于所述调谐短截线的驱动装置，所述驱动装置至少包括电机、压电材料、或MEMS，且所述驱动装置耦接于反馈处理装置。

45.根据权利要求38所述的等离子体灯，其中，所述一种或多种流体材料是基本干燥的空气或氮气，从而保持所述外部区域基本上至少不形成电弧。

46.根据权利要求38所述的等离子体灯，其中，所述壳体包括导电材料。

47.根据权利要求38所述的等离子体灯，其中，所述调谐装置包括一种或多种材料，所述一种或多种材料具有配置成在一操作温度范围内提供一谐振频率范围的有效介电常数。

48.一种配置等离子体灯装置的方法，所述方法包括：

提供等离子体灯设备，所述等离子体灯设备包括壳体，所述壳体具有限定在所述壳体内的空间体积，所述空间体积具有内部区域和外部区域，所述等离子灯组件具有耦接于所述空间体积的内部区域的支撑区域，所述外部区域包括一种或多种流体材料以形成腔体区域；

耦接设置或部分设置在所述壳体的支撑区域内的支撑体；

耦接包括耦接于所述支撑体的至少一端的气体填充容器的灯装置；

耦接设置在所述外部区域的一个或多个部分内的rf耦合元件，所述rf耦合元件配置成供应能量给所述等离子体灯装置；以及

提供调谐装置，该调谐装置操作性地耦接于所述一种或多种流体材料的一个或多个部分并配置成将谐振频率从至少第一值改变至第二值。

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