CN102356449A - 低频无电极等离子体灯 - Google Patents

Abstract

在各种示例性实施例中，无电极等离子体灯包含灯泡，该灯泡配置成耦合到射频（RF）功率源。灯泡含有填充物，其在该RF功率耦合到填充物时形成等离子体。导电凸屏蔽件定位为紧邻灯泡，其中该屏蔽件的凸表面位于灯泡远端。具有四分之一波长谐振模式的谐振结构包含灯主体，该灯主体具有相对介电常数大于2的介电材料，具有内部导体和外部导体。RF功率源配置成在该谐振结构的谐振频率附近提供RF功率到灯主体。

Description

低频无电极等离子体灯

相关申请

本申请主张分别于2009年1月6日和2009年8月31日提交的、名称均为“LOW FREEQUENCY ELECTRODELESS PLASMA LAMP”的序列号为61/142,844和61/238,467的美国临时专利申请的优先权利益，这两个申请全文通过引用结合于此。

技术领域

本领域涉及用于生成光的系统和方法，并且更具体地涉及无电极等离子体灯。

背景技术

无电极等离子体灯提供点状的明亮的白色光源。由于这种类型的等离子体灯不使用电极，所以无电极等离子体灯经常具有比其它灯更长的使用寿命。在无电极等离子体灯中，射频功率可以被耦合到灯泡内填充物以形成发光等离子体。

发明内容

在示例实施例中，公开了一种无电极等离子体灯。该无电极等离子体灯包含具有四分之一波长谐振模式的谐振结构。该谐振结构具有内部导体、外部导体以及内部导体和外部导体之间的固体介电材料。该无电极等离子体灯还包含射频（RF）功率源，从而在四分之一波长谐振模式的谐振频率附近提供RF功率到谐振结构。灯泡含有填充物从而在RF功率耦合到填充物时形成等离子体。该灯泡定位为紧邻固体介电材料的不导电表面。导电凸屏蔽件（shield）定位为紧邻灯泡，其中该屏蔽件的凸表面位于灯泡远端。

在另一示例实施例中，公开了一种无电极等离子体灯。该无电极等离子体灯包含具有大于2的相对介电常数的固体介电材料以及紧邻该固体介电材料的至少一种导电材料的谐振结构。射频（RF）功率源在下述频率处提供RF功率到该谐振结构，所述频率在该介电材料的相对介电常数处具有自由空间中的波长（λ）。灯泡含有填充物，该填充物在该RF功率耦合到填充物时形成等离子体。导电凸屏蔽件定位为紧邻灯泡。屏蔽件具有位于灯泡远端的屏蔽件的凸表面。跨过谐振结构的每个尺度（包含高度和宽度）小于λ/2。在谐振结构的谐振频率附近提供该RF功率。

在另一示例实施例中，公开了一种无电极等离子体灯。该无电极等离子体灯包含将耦合到射频（RF）功率源的灯泡。该灯泡含有填充物从而在RF功率耦合到填充物时形成等离子体。导电凸屏蔽件定位为紧邻灯泡，其中该屏蔽件的凸表面位于灯泡远端。该无电极等离子体灯还包含具有四分之一波长谐振模式的谐振结构。该谐振结构具有：具有大于2的相对介电常数的介电材料的灯主体，以及内部导体和外部导体。RF功率源将在谐振结构的谐振频率附近提供RF功率到灯主体。

在另一示例实施例中，公开了一种无电极等离子体灯。该无电极等离子体灯包含谐振结构，其具有固体介电材料以及紧邻该固体介电材料的至少一种导电材料。射频（RF）功率源在下述频率处提供RF功率到该谐振结构，所述频率具有在该谐振结构中的波长（λ_g）。该无电极等离子体灯还包含含有填充物的灯泡，该填充物在该RF功率耦合到填充物时形成等离子体。导电凸屏蔽件定位为紧邻灯泡，其中该屏蔽件的凸表面位于灯泡远端。跨过谐振结构的每个尺度（包含高度和宽度）小于λ_g/2，并且在谐振结构的谐振频率附近提供RF功率。

在另一示例实施例中，公开了一种无电极等离子体灯。该无电极等离子体灯包含谐振结构，该谐振结构包含固体介电材料以及紧邻该固体介电材料的至少一种导电材料。射频（RF）功率源在下述频率处提供RF功率到该谐振结构，所述频率具有在谐振结构中的波长（λg）。该无电极等离子体灯还包含含有填充物的灯泡，该填充物在该RF功率耦合到填充物时形成等离子体。导电凸屏蔽件定位为紧邻灯泡，其中该屏蔽件的凸表面位于灯泡远端。跨过谐振结构的每个尺度（包含高度和宽度）小于λg/3，并且在谐振结构的谐振频率附近提供RF功率。

在另一示例实施例中，公开了一种无电极等离子体灯。该无电极等离子体灯包含介电材料以及紧邻该固体介电材料的至少一种导电材料的谐振结构。该谐振结构将在下述频率处耦合到射频（RF）功率源，所述频率在介电材料的相对介电常数附近具有自由空间中的波长。用于编程RF功率的装置允许空闲模式功率水平，从而引起约为零的热再触发时间。该空闲模式功率水平和持续时间可配置成允许灯断开信号和放电源完全冷却之间的持续电离和快速灯预热。

附图说明

图1A为根据示例实施例的等离子体灯的截面和示意性视图；

图1B为根据示例实施例的具有圆柱形外表面的灯主体的透视截面视图；

图1C为根据示例实施例的具有集成电磁屏蔽件的灯主体的透视截面视图；

图1D为根据示例实施例的在具有集成电磁屏蔽件的外壳内的灯主体的透视截面视图；

图1E为根据另一示例实施例的在外壳和集成电磁屏蔽件内的灯主体的截面视图；

图1F为根据另一示例实施例的在具有集成电磁屏蔽件的外壳内的灯主体的截面视图，其指示了高EMI区域；

图1G为根据示例实施例的圆顶形电磁屏蔽件的正视图；

图1H为根据示例实施例的另一圆顶形电磁屏蔽件的平面图；

图1I为根据示例实施例的圆柱形电磁屏蔽件的透视图；

图2A为根据示例实施例的灯泡的侧面截面；

图2B为根据示例实施例的具有尾部的灯泡的侧面截面；

图2C说明根据示例实施例的由填充物产生的频谱；

图3A为根据示例实施例的无电极等离子体灯的驱动电路的框图；

图3B为根据示例实施例的RF功率探测器的框图；

图3C为根据可替换示例实施例的RF功率探测器的框图；

图4A至4E为根据示例实施例的用于启动无电极等离子体灯的方法的流程图；

图5为根据示例实施例的用于无电极等离子体灯的运行模式操作的方法的流程图；以及

图6A至6D示出在灯主体中使用调谐孔用于阻抗匹配和/或频率调谐的示例实施例。

具体实施方式

尽管本发明的示例实施例对于各种调整和可替换构造是开放的，但附图中示出的实施例将在此处予以详细描述。然而将理解，不打算将本发明主题限制于所公开的具体形式。相反，本发明主题打算涵盖落在所附权利要求中表述的本发明的精神和范围内的所有调整、等同方案和可替换构造。

图1A为根据示例实施例的等离子体灯100的截面和示意性视图。这仅仅是示例，并且包含微波或电感等离子体灯的其它等离子体灯可以与其它实施例一起使用。在图1A的示例中，等离子体灯100可具有由一种或多种固体介电材料形成的灯主体102和定位为毗邻灯主体102的灯泡104。在一个示例实施例中，灯主体102由具有约9.2的相对介电常数的固体氧化铝形成。灯泡含有能够形成发光等离子体的填充物。灯驱动电路106将射频功率耦合到灯主体102内，该射频功率进而耦合到灯泡104中的填充物（未明确示出）内以形成发光等离子体。在示例实施例中，灯主体102形成谐振结构，该谐振结构含有射频功率并且将其提供到灯泡104内的填充物。

在示例实施例中，灯主体102比较高并且涂敷有导电材料。凹部118形成于灯主体102内部。在灯主体102的外部上的外涂层108o形成外部导体。在凹部118内部的内涂层108i形成内部导体。外部导体和内部导体通过跨过灯主体102的底部的导电涂层而一起被接地。外部导体在灯主体102之上继续并且在灯泡104顶部附近围绕灯泡104（尽管一部分灯泡104延伸超出外部导体）。内部导体也延伸朝向灯泡104并且在底部附近围绕灯泡104（尽管一部分灯泡104延伸超出内部导体进入凹部118）。灯主体102的未被涂敷的表面114（或表面）未涂敷有导电材料（外部导体和内部导体形成紧邻灯泡104的开路）。当内部导体的长度H3为射频功率在这种波导结构中的波长（λ_g）的约四分之一时，该结构近似为四分之一波长同轴谐振器。四分之一波长谐振器的短路端部发现是沿着灯主体102的底部，外涂层108o和内涂层108i在那里通过导电涂层被一起接地。四分之一波长谐振器的开路端部是在未被涂敷的表面114处。这与更宽和更短的配置形成对比，该配置近似为半波长谐振腔而不是四分之一波长同轴谐振器。

在图1A的示例实施例中，开口110延伸穿过灯主体102的薄区域112。在开口110中灯主体102的未被涂敷的表面114未被涂敷，并且至少灯泡104的部分可以定位于开口110内从而从灯主体102接收功率。在示例实施例中，薄区域112的厚度H2可以在从1mm至15mm的范围内或者其中包含的任何范围内，并且可以小于灯泡104的外部长度和/或内部长度。灯泡104的一个或两个端部可以从开口110突出并且延伸超出灯主体102的外表面上的导电涂层。这助于避免毗邻该功率从灯主体102耦合之处的区域形成的高强度等离子体损伤灯泡104（或者多个灯泡，未示出）的端部。

在紧邻灯泡104的灯主体102的薄区域112中，所述内部和外部导体提供高电场强度的电容性区域。这在灯泡104中形成电场，该电场沿着灯泡104的中心轴基本上对齐，该中心轴基本上平行于灯泡104的圆柱形壁。然而，由于灯泡104的端部延伸超出内部和外部导体，电场和等离子体主要被约束在灯泡104的中间区域，而不是冲击灯泡104的端部（这会潜在地损伤灯泡）。介电材料的薄区域112由内部和外部导体的形状界定，并且控制应用到灯泡104的电场。

在一些实施例中，由于由薄区域112提供的电容的原因，高度H1小于λ_g/4。激励灯主体102中特定谐振模式需要的频率也大体上与灯主体102的相对介电常数（也称为介电常数）的平方根成反比。结果，更高的相对介电常数导致在给定频率的功率处特定谐振模式所需的更小灯主体（或者对于给定尺寸的灯主体，更低的频率）。另外，与谐振腔体灯对比，灯主体102可具有小于RF功率在波导中的半波长（小于λ_g/2）的尺度。在示例实施例中，灯的高度和直径（或宽度）二者均小于谐振结构的λ_g/2。在示例实施例中，灯的高度H1和直径D1（或者矩形和其它形状的宽度）二者可以小于用于灯主体102的介电材料的相对介电常数的自由空间中的λ/2。在一些实施例中，内部导体和外部导体可以不平行并且可以相对于彼此倾斜或者具有不规则形状。在其它实施例中，外部导体和/或内部导体可以是矩形或其它形状。

高频模拟软件可用于帮助选择灯主体102和导电涂层的材料和形状，从而实现灯主体102中的期望谐振频率和场强度分布。该期望属性于是可以根据经验精细调谐。

等离子体灯100具有驱动探头120，其插入灯主体102内以提供射频功率到灯主体102。包含电源（诸如放大器124）的灯驱动电路106可耦合到驱动探头120以提供射频功率。放大器124通过匹配网络（诸如低通滤波器126）可耦合到驱动探头120以提供阻抗匹配。在示例实施例中，灯驱动电路106匹配到（由灯主体102、灯泡104和等离子体形成的）负载以得到灯的稳态操作条件。灯驱动电路106利用低通滤波器126匹配到驱动探头120处的负载。

在示例实施例中，可以在处于由灯主体102以及内部和外部导体形成的谐振结构内谐振的频率处或其附近提供射频功率。在示例实施例中，可以在约50MHz和约10GHz之间的范围或者其中包含的任何范围内的频率处提供射频功率。射频功率可在灯主体102的谐振频率处或其附近被提供到驱动探头120。该频率可以基于灯主体102的尺度、形状和相对介电常数以及内部和外部导体的长度来选择以提供谐振。在示例实施例中，针对谐振结构的四分之一波长谐振模式选择该频率。在示例实施例中，可以在谐振频率处或者在比谐振频率更高或更低从0%至10%的范围或者其中包含的任何范围内应用RF功率。在一些实施例中，可以在比谐振频率更高或更低从0%至5%的范围内应用RF功率。在一些实施例中，可以在比谐振频率更高或更低从约0至50MHz的范围或者其中包含的任何范围内的一个或多个频率处提供功率。在另一示例中，可以在至少一种谐振模式的谐振带宽内的一个或多个频率处提供功率。该谐振带宽为在谐振频率任一侧（在谐振腔的频率与功率的图表上）的最大功率一半处的全频率宽度。

在示例实施例中，射频功率造成灯泡104内的发光等离子体放电。在示例实施例中，通过RF波耦合提供功率。在示例实施例中，RF功率在一频率处被耦合，其在特定谐振结构的灯主体102内近似形成驻波（standing）四分之一波形。

在图1C的示例实施例中（该图示出具有集成电磁屏蔽件的灯主体的透视截面视图），等离子体灯集成有电磁屏蔽件以减小或消除所辐射的电磁干扰（EMI）。屏蔽件包含锥体101和网格（mesh）102，不过其它实施例可以专有地使用或者锥体101或者网格102。灯从每一部件得到一定数量的屏蔽，并且在某些实施例中它可以不需要这两个部件。

在许多应用中，高度的屏蔽将来自网格102，该网格为导线的基体（matrix）。由于网格102妨碍光学路径，所以要考虑到所需要的屏蔽数量来设计该网格。具有小的导线到导线间距的致密网格将以衰减可以透射穿过网格102的光的数量为代价而提供更多屏蔽。具有大的导线到导线间距的稀疏网格将透射更多的光，但是将不提供那么多的屏蔽。导线可以布置在矩形、六角形、或者辐射式网状物、或者具有均匀或不均匀间距的任何其它几何或非几何图案上。通过使用或者辐射式网格或者不均匀间隔的网格，可以仅仅在具有相对较强电场的区域中增大网格密度且因此增大屏蔽，而且不会不必要地妨碍具有相对较弱电场的区域中的光学路径。

锥体101典型地起到用作光反射器和EMI屏蔽件的双重目的。锥体101为例如用于电场和磁场的金属外壳，其具有远小于一个波长的出口直径。锥体101的纵横比控制屏蔽有效性，并且在示例实施例中，3:1的纵横比（出口孔径直径与高度）典型地足以对于小于400W的灯没有网格102而实现法规遵循。许多实际反射器设计会要求更接近1:1的更小纵横比，这是网格经常被用于提供附加屏蔽的原因。在此实施例中，锥体101是真正地几何锥体，不过在其它实施例中它可以具有圆柱形、喇叭形锥体、抛物线、椭圆或者反射器光学设计所要求的任何其它形状。灯、网格102和锥体101可以在部件之间任何界面处由导电EMI密封件103、104或密封垫密封。导电EMI密封件103、104可以典型地由小的金属弹簧制成，或者另外由海绵状金属填充的弹性体（诸如镍-石墨填充的硅树脂橡胶）制成。导电EMI密封件103、104的一个目的是提供毗邻部件之间的低接触电阻，以及进一步减轻诸如由金属表面的电流腐蚀引起的长期退化。

在示例实施例中，网格102可集成有玻璃窗以为网格102提供结构支持。在这种实施例中，网格102可以成型在玻璃内，或者通过其它手段定位在玻璃内部。在一些这种实施例中，网格102可以层压、印刷或者以其它方式沉积在玻璃的一个或两个表面上。在一些实施例中，网格102可以借助外部夹具机械地保持抵住玻璃或者借助例如粘合剂化学地固定。

在图1D的示例实施例中（该图示出在具有集成电磁屏蔽件的外壳内的灯主体的透视截面视图），灯封装在导电外壳201或壳体内。锥体202和网格203用于相同或相似的功能，但是EMI密封件204、205、206定位成不同于图1C所示的实施例。EMI密封件205形成于导电外壳201和锥体202之间，而EMI密封件204制作在导电外壳201和圆盘（puck）之间。另一EMI密封件206被提供在网格203处。

现在参考图1E，该图示出了在外壳和集成电磁屏蔽件内的灯主体的截面视图。灯140示为包含导电外壳、壳体或圆盘散热装置149。在此实施例中，集成电磁屏蔽件包含圆顶形网格141和环形法兰143A。尽管未直接示出以便保持清楚，但圆顶形网格141包含许多导线（例如，见网格102、203），从而有效地减小任何EMI辐射。导线的各种示例布置在下文中予以详细描述。

环形法兰143A可对圆顶形网格141增加强度，从而防止或减小在处理或安装集成电磁屏蔽件时圆顶形网格141的变形。环形法兰143A的最底部可作为EMI密封垫，因而减小或最小化从灯140发射的辐射。

圆顶形网格141可以被挤压或以其它方式形成，从而用作EMI屏蔽件。在示例实施例中，圆顶形网格141借助夹紧、支撑、焊接、熔接或其它合适手段而耦合到环形法兰143A。附加地或者替代地，环形法兰143A可以通过诸如导热粘合剂的化学手段或者通过诸如机械压入配合的机械手段而固定到圆顶形网格141。

灯泡147安装在圆盘145内。灯泡147和圆盘145可以类似于此处描述的灯泡和圆盘的任何其它实施例。圆盘145置于圆盘散热装置149内。圆盘散热装置149用于驱散由圆盘145和灯泡147生成的任何热量。附加地，在此实施例中，环形槽143B形成于圆盘散热装置149的最顶部内。环形槽143B提供环形法兰143A的最底部的配对表面。在特定实施例中，环形法兰143A可以压入配合到环形槽内以促进容易移除集成的电磁屏蔽件从而可以使用灯泡147。

尽管圆盘145的最顶表面在图1E中示为与圆盘散热装置149的最顶表面基本上共平面，但这种布置可以容易地修改。例如，圆盘145的最顶表面可以制造成使得从圆盘145的上表面的外径到圆盘散热装置149的上表面的内径测量的角度150（见图1E的插图）是在正或负15º之内。如果附加EMI屏蔽是期望的，取决于例如有关等离子体灯的发射特性的地方法规，圆盘145的上表面可以低于圆盘散热装置149的上表面。这种布置可提供附加屏蔽，同时限制从灯泡147损失有用的可见光。

再次参考圆顶形网格141并且通过示例方式如上所述，具有大的导线到导线间距的稀疏网格将透射更多的光，但是将不提供那么多的屏蔽。导线可以布置在矩形、六角形、或者辐射式网状物、或者具有均匀或不均匀间距的任何其它几何或非几何图案上。通过使用或者辐射式网格或者不均匀间隔的网格，可以仅仅在具有相对较强电场的区域中增大网格密度且因此增大屏蔽，而且不会不必要地妨碍具有相对较弱电场的区域中的可见光路径。在特定示例实施例中，网格的开放区域可以高达90%。大体上，从70%至90%的开放区域的范围可限制从灯泡损失的可见光数量，同时仍有效地减小EMI发射。

导线本身可以由任何非氧化性金属或者其它导电材料制造，只要在制造时使用的该材料可以耐受由灯泡147生成的温度。例如，灯泡147可以在850℃操作并且在距灯泡147距离25mm处生成从大约100℃至150℃的温度。因而，将形成导线的材料应被选择为耐受这些温度。可以采用诸如经处理钢材（包含例如各种级别的不锈钢）的材料。附加地，诸如CuSil^®或者在本领域中独立地已知的其它类型镀敷材料的镀敷导线也是合适的材料。

导线本身可具有一系列的尺寸和间距。例如，导线粗度可以在直径为从1mil至20mil的范围，其中各导线之间的间距具有从大约1mm至5mm的中心到中心距离。另外，除了圆导线，也可以使用其它截面的导线，诸如扁平、矩形或管状。附加地，由于EMI发射随距离而驱散，所以此处描述的圆顶形网格141或者任何其它设计可以制造成随着距灯泡147的距离增大而具有更大的开放区域。这种布置允许在灯泡147的同轴方向上对可见光的更大的透射，同时仍有效地减小EMI辐射。通过下述示例详细地讨论结合了这种技术的各种布置。

现在参考图1F，该图示出在具有集成电磁屏蔽件的外壳中的灯主体的截面视图，其中指示了高EMI区域。圆顶形网格141（见图1E）示为附连到圆盘散热装置149。除了高EMI区域153之外，还指示了许多电场线151。（本领域技术人员将意识到高EMI区域153实际上位于围绕灯泡147的环状（toroidal-like）区域内，并且不是仅仅位于所指示的两个位置）。如上所讨论，圆顶形网格141和环形法兰143A可以至少部分地将电场能量抑制（contain）在圆顶形网格141内靠近灯泡147，并且防止或减小电场能量向外辐射离开灯泡147和圆盘145。即使在组装在圆盘散热装置149上时采用圆顶形网格141和环形法兰143A组合之间的简单机械压入配合，接触电阻可以充分低，使得网格组件和散热装置形成连续的电接地。因此，圆顶形网格141可以保持从灯泡147发射的EMI基本上被抑制，同时允许来自灯泡的可见光透射通过圆顶形网格141。因而，如上所述的圆顶形网格141内导线粗度和导线到导线间距的组合控制EMI抑制和可见光透射之间的折衷。另外如上所述，更大的开放区域增大可见光透射，同时EMI抑制减小。因此，对于各种应用可以考虑各种配置的EMI网格。

例如，图1G的圆顶形电磁屏蔽件的正视图示为包含具有基本上均匀的导线阵列的圆顶网格171。然而，如参考图1F在上文所述，高EMI区域153定位得更靠近灯泡（未示于图1G中）。因而，图1H的另一圆顶形电磁屏蔽件的平面图示出具有没有任何导线的中心区域的修改的圆顶形网格173。该修改的圆顶形网格173因此可以有效地将从灯泡发射的EMI基本上抑制在高EMI区域153中（见图1F），而同时不提供对在灯泡的接近正向或同轴方向上指向的可见光的衰减。除了上述圆顶形EMI屏蔽件之外，也可以容易地采用其它形状。例如，图1I示出圆柱形电磁屏蔽件的透视图。示例实施例包含圆柱形EMI屏蔽件175。基于此处包含的讨论，本领域技术人员将意识到还可以容易地采用诸如网格立方形、半抛物面、网格矩形（未示出，但是基于此处讨论可以容易设想到）的各种其它形状或者各种其它结构。这种结构通常被认为是凸电磁屏蔽件；参考屏蔽件的外表面来考虑凸表面。附加地，每个所描述的结构可以制造成具有各种导线直径、导线到导线间距或者其它导线形状，并且均匀地或不均匀地布置成辐射式网状物阵列或者如所述的其它几何构造。此外，这些EMI网格设计的各种组合可以与各种锥体、玻璃窗以及如上所述的其它设计中的各种相耦合。

在示例实施例中，根据示例实施例的无电极等离子体灯可以用于街道和区域照明、娱乐照明或者建筑照明或其它照明应用。在具体示例中，灯被用于高架街道照明器材、可移动头的娱乐器材、固定点器材、建筑照明器材或者事件照明器材。

图2A示出灯泡的侧面截面。在一些示例中，灯泡可以是石英、蓝宝石、陶瓷或其它期望灯泡材料，并且可以是圆柱形、丸状、球形或其它期望形状。在示例实施例中，灯泡在中心是圆柱形并且在每个端部形成半球。在一个示例中，外部长度F（从末梢到末梢）为约15mm并且外径A（在中心处）为约5mm。在此示例中，灯泡的内部（其含有该填充物）的内部长度E为约9mm并且内径C（在中心处）为约2.2mm。沿着圆柱形部分侧面的壁厚度B为约1.4mm。在前端部的壁厚度D为约2.25mm。在其它端部的壁厚度为约3.75mm。在此示例中，内部灯泡体积为约31.42mm³。在其中在稳态操作期间提供约150-200瓦特之间（或者其中包含的任何范围）的功率的示例实施例中，这导致在约4.77瓦特每mm³至6.37瓦特每mm³（4770至6370瓦特每cm³）的范围或者其中包含的任何范围内的功率密度。在此示例实施例中，灯泡的内部表面积为约62.2mm²（0.622cm²）并且壁负载（内部表面积上的功率）是在约2.41瓦特每mm²至3.22瓦特每mm²（241至322瓦特每cm²）的范围或者其中包含的任何范围内。

在另一示例实施例中，灯泡的内部（其含有填充物）的内部长度E为约9mm并且内径C（在中心处）为约2mm。沿着圆柱形部分的侧面的壁厚度B为约1.5mm。在前端部（光透射通过其离开灯）的壁厚度D为约2.25mm。在此示例实施例中，内部灯泡体积为约26.18mm³。在其它端部的壁厚度为约3.75mm。在其中在稳态操作期间提供约150-200瓦特之间（或者其中包含的任何范围）的功率的示例实施例中，这导致在约5.73瓦特每mm³至7.64瓦特每mm³（5730至7640瓦特每cm³）的范围或者其中包含的任何范围内的功率密度。在此示例实施例中，灯泡的内部表面积为约56.5mm²（0.565cm²），并且壁负载（内部表面积上的功率）是在约2.65瓦特每mm²至3.54瓦特每mm²（265至354瓦特每cm²）的范围或者其中包含的任何范围内。

在图2B所示另一示例实施例中，灯泡可具有从灯泡的一个端部延伸的尾部。在一些实施例中，尾部的长度（图2G中在H处指示）可以在约2mm和25mm之间或者其中包含的任何范围。在一些示例实施例中，可以使用更长或更短的尾部。在一个示例实施例，尾部的长度H为约9.5mm。在此示例实施例中，灯泡的外部长度（不包含尾部）为约15mm并且外径A（在中心处）为约5mm。在此示例实施例中，灯泡的内部（其含有填充物）的内部长度E为约9mm并且内径C（在中心处）为约2.2mm。沿着圆柱形部分的侧面的壁厚度B为约1.4mm。在前端部的壁厚度D为约2.25mm。半径R为约1.1mm。在此示例实施例中，内部灯泡体积为约31.42mm³。尾部可以通过使用石英管形成从而形成灯泡。管在形成灯泡的前端部的一个端部处被密封。灯泡通过管的开放端部被填充并且被密封。密封的管随后置于液氮浴中并且使用火焰（torch）使管在灯的另一端部崩溃，这密封灯泡并且形成尾部。崩溃的管随后被切割得到期望尾部长度。

在如图2B所示的另一示例实施例中，灯泡内部形状可以是标称圆柱体，其中在端部具有半径与圆柱体部分大致相同的两个半球。在此示例中，内部长度E为约14mm，内径C为约4mm（其中内半径为约2mm），外径A为约8mm（其中外半径为约4mm），并且灯泡的长度（不包含尾部）为约20mm。在此示例中，尾部的长度H为约10mm。

在一些示例实施例中，尾部可用作光导管以感测灯泡内的光水平。这可用于确定点火、峰值亮度或者关于灯的其它状态信息。通过尾部探测的光也可以由灯驱动电路106（见图1A）用于调光和其它控制功能。光电二极管（未示出）可以感测通过尾部来自灯泡的光。光水平于是可以被灯驱动电路106用于控制灯。灯的背部可以被覆盖件封装以避免来自周围环境的外部光的干扰。这隔离了光被光电二极管探测的区域，并且帮助避免当从灯前方探测到光时可能存在的干扰。

在一些示例实施例中，尾部可用于对齐灯泡并且将其安装在适当位置。例如，凹部118（见图1A）可以用氧化铝粉末装填。板或水泥或其它材料可用于覆盖凹部118的背部并且将粉末保持在适当位置。这层形成刚性结构，灯泡尾部可安装到该刚性结构并且相对于灯主体固定在适当位置。例如，水泥层可以置于跨过粉末的背表面并且灯泡的尾部可以在水泥固化之前置于该水泥内。固化的水泥将灯泡保持在适当位置并且形成相对于灯主体在位置上固定的刚性层。在一些示例实施例中，尾部也可以提供附加散热装置到灯泡的背部端部。在剂量数量在灯操作期间导致金属卤化物冷凝池的程度上，尾部帮助在灯泡背部的更冷区域处形成池，而不是在光通过其透射离开灯的灯泡前方。

在其它示例实施例中，灯泡可具有：在约2和30mm之间的范围或者其中包含的任何范围内的内部宽度或直径，在约0.5和4mm之间的范围或者其中包含的任何范围内的壁厚度，以及约2和30mm之间或者其中包含的任何范围的内部长度。在示例实施例中，内部灯泡体积的范围可以为从10mm³至750mm³或者其中包含的任何范围。在一些实施例中，灯泡体积小于约100mm³。在其中在稳态操作期间提供约150-200瓦特之间的功率的示例实施例中，这导致在约1.5瓦特每mm³至2瓦特每mm³（1500至2000瓦特每cm³）的范围或者其中包含的任何范围内的功率密度。在此示例实施例中，灯泡的内部表面积为约55.3mm²（0.553cm²）并且壁负载（内部表面积上的功率）是在约2.71瓦特每mm²至3.62瓦特每mm²（271至362瓦特每cm²）的范围或者其中包含的任何范围内。在一些实施例中，壁负载（内部表面积上的功率）可以为1瓦特每mm²（100瓦特每cm²）或更大。这些尺度仅仅是示例并且其它实施例可使用具有不同尺度的灯泡。例如，取决于目标应用，一些实施例可使用在稳态操作期间400-500瓦特或更大的功率水平。

在示例实施例中，灯泡104（见图1A）含有填充物，该填充物在射频功率从灯主体102被接收时形成发光等离子体。填充物可包含惰性气体和金属卤化物。也可以使用诸如汞的添加剂。也可以使用点火增强剂。诸如Kr₈₅的少量惰性放射性发射物可用于这种目的。一些示例实施例可使用金属卤化物的组合以产生期望频谱和寿命特性。在一些示例实施例中，第一金属卤化物与第二金属卤化物结合使用。在一些示例实施例中，第一金属卤化物为卤化铝、卤化镓、卤化铟、卤化铊和卤化铯，并且第二金属卤化物为镧系金属的卤化物。在示例实施例中，第一金属卤化物的剂量数量是在从大约1至50微克每立方毫米灯泡体积的范围或者其中包含的任何范围内，并且第二金属卤化物的剂量数量是在从大约1至50微克每立方毫米灯泡体积的范围或者其中包含的任何范围内。在一些实施例中，第一金属卤化物的剂量和第二金属卤化物的剂量每个都是在从约10至10000微克的范围或者其中包含的任何范围内。在示例实施例中，这些剂量数量导致在灯操作期间金属卤化物的冷凝池。也可以使用惰性气体和诸如汞的添加剂。在示例实施例中，汞的剂量数量是在10至100微克汞每mm³灯泡体积的范围或者其中包含的任何范围内。在一些实施例中，汞的剂量可以在从约0.5至5毫克的范围或者其中包含的任何范围内。也可以使用点火增强剂。诸如Kr₈₅的少量惰性放射性发射物可用于这种目的。在一些示例实施例中，可以在约5毫微居里至1微居里的范围或者其中包含的任何范围内提供Kr₈₅。

在具体示例实施例中，该填充物包含在约0.05mg至0.3mg的范围或者其中包含的任何范围内的比如碘化物或溴化物的第一金属卤化物，并且包含在约0.05mg至0.3mg的范围或者其中包含的任何范围内的比如碘化物或溴化物的第二金属卤化物。在一些实施例中也可以使用氯化物。在一些示例实施例中，第一金属卤化物和第二金属卤化物按相等数量被提供。在其它实施例中，第一金属卤化物与第二金属卤化物的比例可以为10:90、20:80、30:70、40:60、60:40、70:30、80:20或者90:10。

在一些示例实施例中，第一金属卤化物为卤化铝、卤化镓、卤化铟或卤化铊（或者卤化铝、卤化镓、卤化铟和/或卤化铊的组合）。在一些示例实施例中，第一金属卤化物可以是卤化铯（或者卤化铯与卤化铝、卤化镓、卤化铟和/或卤化铊的组合）。在其它示例实施例中，该剂量不包含任何碱金属。在一些示例实施例中，第二金属卤化物为卤化钬、卤化铒或卤化铥（或者一种或多种这些金属卤化物的组合）。在这些示例实施例中，可以以约0.3mg/cc至3mg/cc的范围或者其中包含的任何范围内的剂量数量提供第一金属卤化物，以及可以以约0.15mg/cc至1.5mg/cc的范围或者其中包含的任何范围内的剂量数量提供第二金属卤化物。在一些示例实施例中，可以以约0.9mg/cc至1.5mg/cc的范围或者其中包含的任何范围内的剂量数量提供第一金属卤化物，以及可以以约0.3mg/cc至1mg/cc的范围或者其中包含的任何范围内的剂量数量提供第二金属卤化物。在一些示例实施例中，以比第二金属卤化物更大的剂量数量提供第一金属卤化物。在一些示例中，第一金属卤化物为溴化铝或溴化铟，以及第二金属卤化物为溴化钬。在一些示例实施例中，填充物还包含压强在约50至760Torr的范围或者其中包含的任何范围内的氩气或另一惰性气体。在一些示例实施例中，压强为100Torr或更大，或者为150Torr或更大，或者如下所述可以在更高压强。在一个示例中，可以使用在150Torr的氩气。汞和诸如Kr₈₅的惰性放射性发射物也可以包含在填充物内。在一些示例实施例中，100瓦特或更大的功率可被提供到灯。在一些示例实施例中，功率是在约150至200瓦特的范围内，其中在具体示例中使用170瓦特。壁负载可以为1瓦特每mm²（100瓦特每cm²）或更大。诸如氧化铝粉末的导热材料可以接触灯泡，从而如下所述允许使用高的壁负载。在一些示例实施例中，如下文所进一步描述，当以150至200瓦特（或者其中包含的任何范围）操作时，这些填充物可用于提供15000至20000流明（或者其中包含的任何范围）。在一些实施例中，这可以提供100流明每瓦特或更大的发光效率。利用使得能够在27mm²球面度内收集4500至5500流明（或者其中包含的任何范围）的灯泡几何形状，示例实施例也可以在以150至200瓦特（或者其中包含的任何范围）操作时，提供4000ºK至10000ºK（或者其中包含的任何范围）的相关色温。在一些示例实施例中，填充物可被选择为提供在6000ºK至9000ºK范围内的相关色温。

在其它示例实施例也可以使用包含铟、铝、镓、铊、钬、镝、铈、铯、铒、铥、镥和钆的溴化物、碘化物和氯化物的其它金属卤化物。在其它实施例中也可以使用包含钠、钙、锶、钇、锡、锑、钍以及任何镧系元素的溴化物、碘化物和氯化物的其它金属卤化物。

一些示例实施例可使用金属卤化物的组合以产生期望频谱。在一些示例中，在蓝色范围具有强发射的一种或多种金属卤化物（诸如铝、铯、镓、铟和/或钪的卤化物）可以与一种或多种金属卤化物（诸如钠、钙、锶、钆、镝、钬、铒和/或铥的卤化物）组合从而增强在红色范围的发射。在具体示例实施例中，填充物可包含（1）卤化铝和卤化钬；（2）卤化铝和卤化铒；（3）卤化镓和卤化钬；（4）卤化镓和卤化铒；（5）还包含卤化铟的这些填充物中的任一个；（6）还包含诸如卤化钠或卤化铯的碱金属卤化物的这些填充物中的任一个（不过其它示例会特别地不包含所有碱金属）；以及（7）还包含卤化铈的这些填充物中的任一个。

在示例实施例中，可以在约0.01mg至10mg的范围或者其中包含的任何范围内提供（一种或多种）金属卤化物，以及可以在约0.01至10mg的范围或者其中包含的任何范围内提供汞。在示例实施例中，该填充物包含1至100微克每mm³灯泡体积或者其中包含的任何范围的金属卤化物，1至100微克每mm³灯泡体积或者其中包含的任何范围的汞，以及5毫微居里至1微居里或者其中包含的任何范围的放射性点火增强剂。在其它示例中，填充物可包含在约1至100微克金属卤化物每mm³灯泡体积的范围内的剂量的一种或多种金属卤化物，该填充物不含汞。在使用多于一种金属卤化物的一些实施例中，总剂量可以在任一上述范围内，并且每种金属卤化物的百分比的范围可以为从5%至95%的总剂量或者其中包含的任何范围。

这些剂量仅仅是示例并且其它实施例可使用不同剂量和/或不同填充材料。在其它实施例中，也可以使用诸如硫、硒或碲的不同填充物。在一些示例中，可以添加诸如溴化铯的金属卤化物从而稳定硫、硒或碲的放电。金属卤化物也可以添加到硫、硒或碲的填充物以改变放电频谱。

在一些示例实施例中，高压填充物用于增大气体的电阻。这可用于减小达到全亮度稳态操作所需的总启动时间。在一个示例中，在200Torr至3000Torr之间或者其中包含的任何范围的高压强提供诸如氦气、氖气、氩气、氪气或氙气的惰性气体，或者诸如氮气的另一基本上非反应性气体，或者这些气体的组合。在一些实施例中，会期望小于或等于760Torr的压强，以促进在大气压或低于大气压填充灯泡。在具体实施例中，使用400Torr和600Torr之间的压强来增强启动。示例高压强填充物还可包含在室温具有相对低蒸气压的金属卤化物（或者如上所述的金属卤化物的组合）和汞。示例金属卤化物和汞填充物包含但不限于在下面表1种描述的填充物。在示例实施例中，结合图2A或图2B描述的灯泡可以与这些填充物一起使用。在一个示例中，如上所述灯泡体积为约31.42mm³。

表1

填充物	InBr	DyI3	CeI3	HoBr3	AlBr3	ErBr3	GdI3	HoI3	Hg
										#1	0.1mg	0.1mg	0	0	0	0	0	0	2.7mg
#2	0.1mg	0	0.1mg	0	0	0	0	0	2.7mg
										#3	0	0	0	0.05mg	0.05mg	0	0	0	1.35mg
#4	0.1mg	0	0	0	0.1mg	0	0	0	2.7mg
										#5	0.1mg	0	0	0	0	0	0.1mg	0	2.7mg
#6	0.1mg	0	0	0	0	0	0	0.1mg	2.7mg
										#7	0.1mg	0	0	0	0	0	0	0	1.6mg
#8	0	0	0	0	0.05mg	0.05mg	0	0	1.35mg
										#9	0.03mg	0	0	0.01mg	0	0	0	0	1.4mg
#10	0.03mg	0	0	0.03mg	0	0	0	0	1.4mg
										#11	0.05mg	0	0	0.01mg	0	0	0	0	1.4mg
#12	0.05mg	0	0	0.03mg	0	0	0	0	1.4mg

在示例实施例中，这些剂量数量在灯操作期间导致金属卤化物的冷凝池。在一些实施例中，也可以使用没有汞的这些填充物。在这些示例中，取决于期望启动特性，以约50Torr至760Torr范围内的压强提供氩气或氪气。一些实施例可使用更高的压强。在更高的压强下，惰性气体的初始击穿是更困难的，但是填充物基本上蒸发并且达到峰值亮度所需的总预热时间减小。上述填充物可以在具有或不具有点火增强剂的情况下使用。在一些实施例中，这些填充物包含在约5毫微居里至1微居里的范围或者其中包含的任何范围内的Kr₈₅。更高的水平的点火增强剂可用于提供几乎瞬时的点火。上述压强是在22℃（例如，大约室温）测量。应理解，在等离子体形成之后的操作温度下实现高得多的压强。例如，灯在操作期间在高压强（例如，在示例实施例中大于2大气压以及10至100大气压或更大或者其中包含的任何范围）下可提供高强度放电。这些压强和填充物仅仅是示例并且在其它实施例中可以使用其它压强和填充物。

在具体示例实施例中，该填充物包含约0.5µliter的Hg，约0.1mg的InBr和约0.01mg的HoBr3。在此示例中，参考图2B，灯泡内部形状可以是标称的圆柱体，其在端部具有两个半球，半球的半径大约与圆柱体部分的半径相同，内部长度E为约14mm，内径C为约4mm（其中内半径为约2mm），外径A为约8mm（外半径为约4mm），并且灯泡的长度（不包含尾部）为约20mm。在此示例中，尾部H的长度为约10mm。

在另一示例中，灯泡体积为约31.42立方毫米并且填充物包含0.01毫克的InBr和0.005mg的HoBr3。在另一示例实施例中，灯泡体积为约31.42立方毫米并且填充物包含0.01毫克的InBr和0.005mg的ErBr3。这些填充物还可包含1.4mg的汞或者在一些示例实施例中可以是无汞的。填充物还可包含在如上所述剂量范围内的Kr₈₅作为点火增强剂。在此示例实施例中，取决于期望启动特性，以约100Torr至200Torr的范围内的压强提供氩气或氪气。一些实施例可使用更高或更低的压强。在更高的压强下，惰性气体的初始击穿是更困难的，但是填充物基本上蒸发并且达到峰值亮度所需的总预热时间减小。

图2H示出对于含有示例InBr/HoBr3填充物的图1A所示类型的灯，在约140W的提供到灯的操作功率下，在27mm²球面度内收集的单位为微瓦特每纳米的，由具有频谱功率分布202的填充物产生的频谱的示例实施例。溴化铟填充物的频谱功率分布204被示出供比较。如图2H所示，铟/钬填充物提供更亮且更平衡的频谱。例如，介于约300nm至1000nm的，在约140W的提供到灯的操作功率下，在27mm²球面度内收集的总辐射功率为约20.2瓦特，相比之下单独溴化铟的总辐射功率为17.2瓦特。在320nm至400nm的范围（近紫外频谱的一部分，其对于荧光激励会是有用的），所收集的辐射功率对于In/Ho填充物为约1.8瓦特以及对于仅仅In为1.02瓦特。在400nm至700nm的范围（对于可见照明），所收集的辐射功率对于In/Ho填充物为约15.9瓦特以及对于仅仅In为12.7瓦特。上述的每一个可以表达为从300至1000nm在27mm²球面度内的总收集辐射功率的百分比，并且也可以表达为灯输入功率（在这种情况下为约140瓦特）的百分比。此外，与仅仅铟填充物的显色的85%至89%相比，铟/钬填充物的显色大于95%（在一些实施例中约97%）。在示例实施例中，对于在30mm²球面度或更少中收集的光，获得上述特性。

在示例实施例中产生的等离子体电弧是稳定的，具有低噪声。功率从灯主体对称地耦合到灯泡的中心区域内并且不受灯泡中的电极（或者这些电极的退化）干扰。

同时参考图1A和图3A，现在将描述示例灯的驱动电路和操作。灯驱动电路106包含电压控制振荡器（VCO）130、RF调制器135、衰减器137、放大器124、低通滤波器126、电流传感器136、微处理器132或其它控制器、以及射频功率探测器134。VCO 130用于在微处理器132控制之下在期望频率提供射频功率到灯。射频功率被放大器124放大并且通过低通滤波器126提供到灯主体102。电流传感器136和射频功率探测器134可用于探测电流和反射功率的水平以确定灯的操作状态。在灯的启动和操作期间（包含启动、稳态操作和调光以及其它控制功能），微处理器132使用来自电流传感器136和射频功率探测器134的信息来控制VCO 130、RF调制器135和衰减器137。在一些实施例中，微处理器132也可控制放大器124的增益。

到灯主体102的功率可以由灯驱动电路106控制，从而提供期望启动序列用于使等离子体点火。在启动过程期间当等离子体点火和加热时，灯的阻抗和操作条件改变。为了在灯的稳态操作期间提供高效功率耦合，在等离子体点火并且达到稳态操作条件之后，灯驱动电路106阻抗匹配到灯主体102、灯泡104和等离子体的稳态负载。这允许在稳态操作期间功率被临界地从灯驱动电路106耦合到灯主体102和等离子体。然而，在示例实施例中，在等离子体的点火时和预热期间，来自灯驱动电路106的功率被过耦合到灯主体102。

如参考图3A所描述，VCO 130在期望频率提供RF功率到放大器124（例如，多级放大器）。在此示例中，放大器124示为包含由微处理器132控制的预驱动器124a、驱动器124b和增益级124c。在一些实施例中，增益级124c可包含两个并联增益级（电路迹线可以分割成并联地将功率馈给到两个放大器增益级中的并联线，并且来自两个放大器级的输出可以在放大器的输出端上重新组合）。放大的RF功率通过低通滤波器126被提供到插入灯主体102内的驱动探头120。电流传感器136采样灯驱动电路106内的电流并且提供有关电流的信息到微处理器132。射频功率探测器134（其示为包含耦合器134a和RF探测器134b）感测来自灯主体102的反射或反向功率并且提供此信息到微处理器132。微处理器132使用这些输入来控制RF调制器135和衰减器137。微处理器也使用此信息来控制VCO 130的频率。微处理器132和VCO 130之间的扩展频谱电路331可用于调节到VCO 130的信号，从而如下所述在一范围之上扩展频率以减小EMI。

图3B示出在一些实施例中可以用于射频功率探测器134的RF功率探测器的框图。该框图示为包含：耦合到放大器输出的RF输入端口301、耦合到灯主体102的RF输出端口302、用于探测正向功率的DC输出端口303以及用于探测反射功率的DC输出端口304。该示例电路还包含具有长度的50欧姆微波传输带305从而载送正向和反射功率。如下文所使用，λ_m是指在50欧姆微波传输带305中的信号波长。在示例实施例中，此长度不应在约λ_m/20直到λ_m/2的任何倍数内从而适当操作示例电路。在示例实施例中，此长度为λ_m/4的奇数倍，不过中间长度是有可能的并且对于最小化短路的大小是期望的。该电路还具有载送正向和反射功率二者的小样本的相应长度的50欧姆微波传输带306。在示例实施例中，50欧姆微波传输带306的总电学长度应为大约∠306=∠305+50欧姆微波传输带306的λ_m/2。在此示例实施例中，50欧姆微波传输带305、306在RF频率彼此隔离，典型地隔离远超过40dB。

该示例电路还示为包含位于50欧姆微波传输带305、306之间的接地铜迹线307以提供所需的隔离，但是仍然允许紧凑的布局。可替换方案是使50欧姆微波传输带305、306相隔甚远，典型地相隔50欧姆线宽度（从50欧姆微波传输带305的边缘测量到50欧姆微波传输带306的最近边缘）的至少5倍。该电路还包含采样电容器308、309，其从50欧姆微波传输带305拾取RF功率并且将少量的所述功率传送到50欧姆微波传输带306。采样电容器308、309的典型值是在从0.1pF至1.0pF的范围。在一些实施例中，每个采样电容器308、309可以分割为串联布置的两个或更多个电容器从而不超过部件的击穿电压额定值。该电路还包含具有50欧姆输入和输出阻抗和典型的10dB衰减的衰减器310、311。这些可以是标准“pi”或“tee”电阻衰减器。“pi”配置示于该示例电路。探测器电路312、313将采样的RF功率转换为DC电压。这些可以是标准单个二极管探测器，如该示例电路所示，其具有用于视频接地的输入电感器、串联二极管、用于RF接地的输出电容器以及输出负载电阻器。

图3C示出RF功率探测器的可替换实施例的框图。在此实施例中，部件与参考图3B所述部件相同或类似，除了50欧姆微波传输带306包括第一微波传输带迹线314、第二微波传输带迹线315和低通LC网络316。总电学长度306仍然为∠306=∠305+λ_m/2。然而，与物理长度和低通LC网络316相同的微波传输带迹线相比，该低通LC网络316具有大幅增强的相位长度。这允许50欧姆微波传输带306在物理上非常短，同时仍满足相位长度条件。典型地，尽管50欧姆微波传输带306有额外的λ_m/2电学长度，但50欧姆微波传输带305、306将具有大约相同的物理长度。

在此示例实施例中，低通LC网络316使用集总低通网络的“慢波”效应从而在小空间内实现大的相移。L和C的值被选择为满足50欧姆微波传输带306的相位要求，并且也给出在操作频率的50欧姆输入和输出阻抗。

现在将描述示例功率探测器电路的操作。该示例电路基于信号的相长和相消干扰（这取决于这些信号在端口301至304之间取哪条路径）来工作。对于此示例，使用∠305=λ_m/4作为最佳值。考虑来自放大器的在RF输入端口301进入电路的正向功率，并且确定由于该功率在DC输出端口303处发生什么情况。正向功率的第一样本通过采样电容器308到达DC输出端口303，其中相移为∠308。正向功率的第二样本通过从50欧姆微波传输带305到采样电容器309到50欧姆微波传输带306的路径到达DC输出端口303，其中相移为∠305+∠309+∠306。由于∠308=∠309（电容器是相同的），所以在DC输出端口303的两个样本的相对相位是零相对于∠305+∠306。由于该示例电路的相位要求，相对相位变为∠0相对于3λ_m/4。因而，由于在RF输入端口301的输入的原因，在DC输出端口303存在一些相长干扰。

现在考虑来自放大器的在RF输入端口301进入示例电路的正向功率，并且确定由于该功率在DC输出端口304处发生什么情况。正向功率的第一样本通过采样电容器308和50欧姆微波传输带306之间的路径到达DC输出端口304，其中相移为∠308+∠306。正向功率的第二样本通过从50欧姆微波传输带305和采样电容器309的路径到达DC输出端口304，其中相移为∠305+∠309。由于∠308=∠309（电容器是相同的），所以在DC输出端口304的两个样本的相对相位是∠305相对于∠306。由于该示例电路的相位要求，相对相位变为∠0相对于λ_g/2。因此，由于在RF输入端口301的输入的原因，在DC输出端口304存在总的相消干扰。

由于该示例电路是对称的，所以以同样的方式可以示出，来自灯主体102的反射功率（其在RF输出端口302进入电路）在DC输出端口304稍微同相地结合，并且在DC输出端口303完全异相地结合。因此，DC输出端口303为正向功率输出，并且DC输出端口304为反射功率输出。

在此示例实施例中，作为λ/4的奇数倍的50欧姆微波传输带305的最佳电学长度使得在RF输入端口301或RF输出端口302处电路的输入阻抗在工作频率时看上去为50欧姆。任何其它选择使得输入阻抗略微不同于50欧姆，但是只要采样电容器308、309为小电容器，该差异是小的。在450MHz的典型值为例如0.5pF。

参考图3A和3B描述的耦合器电路可以提供超过某些其它耦合器电路的优点。在发现谐振负载的频率时，负载阻抗会随着频率而显著变化，从而使耦合器性能退化。特别地，当尝试从利用非谐振频率激励的谐振负载测量反射功率时，通常称为指向性的耦合器参数品质降低。不良指向性意味着正向功率“泄露”到反射功率探测器内，破坏了测量。参考图3B和3C描述的耦合器电路避免这个问题。

此外，由于对50欧姆微波传输带305、306的相位长度的最小约束，并且也由于50欧姆微波传输带306可以通过使用低通LC网络316而在物理上缩短而同时维持所需的电学长度，参考图3B和3C描述的耦合器电路可以制成非常小，即使是在低频率（大λ_g）。尽管此耦合器的示例实施例不会提供某些耦合器应用所要求的精确度，但它们可以用于对于灯的示例实施例足够精确地并且低成本地判定负载谐振还是非谐振。

现在将描述在点火、预热和运行模式期间用于灯的整体示例驱动电路的操作。在点火期间，微处理器132使VCO 130倾斜通过一系列频率，直至通过从射频功率探测器134探测到反射功率突然下降而探测到点火为止。微处理器132还基于电流传感器136来调节RF调制器135和衰减器137，从而维持电路中期望的电流水平。一旦指示点火的反射功率水平的预定下降被探测到，微处理器132就进入预热状态。在预热期间，微处理器132使VCO 130的频率倾斜通过预定范围并且跟踪记录在每个频率的来自探测器的反射功率。微处理器132接着将频率调节到被确定为具有最低反射功率的水平。一旦探测器感测到反射功率低于阈值水平（指示预热完成），微处理器132就进入运行状态。在运行状态中，微处理器132以小的增量上下调节频率，从而确定频率是否应被调节以实现具有最小电流的目标反射功率水平。

在一些实施例中，替代或者除了反射功率，在灯驱动电路106中可以探测纹波电流。当VCO 130的频率被调制（例如当扩展频谱电路331被使用时）并且电路偏离谐振频率时，在一些示例实施例中形成纹波电流。当频率移动离开谐振频率时，基于频率的电流的变化增大。当频率被扩展频谱电路331扩展时，这造成纹波。如上所述，VCO 130可以被递增通过各范围从而发现导致最低纹波电流的频率并且将该纹波电流与指示点火、预热和运行状态的阈值比较。在示例实施例中，替代（或者除了）RF功率水平和/或光电探测器，纹波电流可用于确定和调节灯的操作条件。在一些情形中，纹波电流可以与灯驱动电路106要探测的某些灯操作条件较好地关联，并且反向功率可以与灯驱动电路106要探测的其它灯操作条件较好地关联。这种情况下，纹波电流和反射功率每个都可以在恰当时候被探测和使用以确定灯操作条件从而调节灯的操作。灯驱动电路106要探测的灯操作条件（并且其可以导致微处理器132调节灯驱动电路106的操作）可包含例如点火、预热和运行模式，故障模式（例如，其中在点火之后灯熄灭，灯未被断开），以及亮度调节。

在一些实施例中，反向功率和/或纹波电流可用于控制灯驱动电路106，而不使用探测来自灯的光输出的光电探测器。这种方法可以促进将灯部署成其中灯主体102和灯驱动电路106彼此远离的配置。例如，同轴电缆或其它传输线可用于将功率从灯驱动电路106传输到驱动探头120和灯主体102。在诸如街道和区域照明的一些配置中，灯驱动电路106和其它电子部件可以部署在与灯主体102和/或保持灯主体102的器材分隔开的壳体内。电缆可以接着将RF功率馈给到驱动探头120和灯主体102。在某些这些实施例中，会难以将从灯的输出探测到的光往回引导至灯驱动电路106。使用纹波电流和/或反射功率来控制灯驱动电路106避免了这个问题。

在一些实施例中，灯可以被调光到小于10%、5%或1%的峰值亮度的低光水平，或者在一些实施例中甚至更小。在一些实施例中，在收到调光命令时，微处理器132可以调节衰减器137（在一些实施例中，和/或放大器增益）从而对灯调光。微处理器132也继续进行小的频率调节从而最优化期望操作条件的新目标反射功率水平的频率。

在替代实施例中，可以使用脉冲宽度调制对灯调光。功率可以在高频以不同占空比脉冲地接通和断开从而实现调光。例如，在一些实施例中，可以以1kHz至1000kHz或者其中包含的任何范围的频率进行脉冲宽度调制。在一个示例中，可以使用约10kHz的脉冲频率。这提供约0.1毫秒（100微秒）的周期。在另一示例中，可以使用约500kHz的脉冲频率。这提供约2微秒的周期。在其它示例中，该周期的范围可以为从约1毫秒（在1kHz）至1微秒（在1000kHz）或者其中包含的任何范围。然而，等离子体响应时间更慢，因此脉冲宽度调制不断开灯。相反，根据占空比在该周期的一部分期间断开该功率，可以减小到灯的平均功率。例如，微处理器132可以在该周期的一部分期间断开VCO 130以降低被提供到灯的平均功率。可替换地，可以在VCO 130和放大器124之间使用衰减器以断开功率。在其它实施例中，微处理器132可以打开和关闭放大器124的低功率增益级的其中之一，诸如预驱动器124a。例如，如果占空比为50%，则在一半的时间功率将被断开并且到灯的平均功率将减半（导致对灯的调光）。

与在一些实施例中通过调节放大器的增益的调光相比，这种类型的调光会是有利的，因为在应用功率时，放大器124可以保持在更有效的操作范围内。例如，当在该占空比期间功率接通时，放大器124仍更靠近峰值功率和/或饱和，而不是在更低增益和效率操作放大器124以用于调光。在示例实施例中，占空比的范围可以为从1%至99%或者其中包含的任何范围。在一些实施例中，当期望完全调光（例如，无光输出）时，利用脉冲变化可以将灯调光到低水平（例如在一些实施例中1%至5%的全亮度或更小），并且机械光闸（未示出）可用于阻挡光。在此示例中，灯仍被点火，因此它可以快速地带回到全亮度（在诸如娱乐照明的各种应用中，这会是期望的）。在一些实施例中，稳态功率（即使当灯不被调光时）也可以使用根据占空比的脉冲变化。放大器124的峰值功率可以高于期望的稳态操作条件并且脉冲变化可用于将平均功率减小到期望水平同时维持放大器效率。

在一些示例中，可以使用到放大器的功率水平，其造成放大器以70%至95%的效率或者其中包含的任何范围操作。特别地，在示例实施例中，放大器124的（一个或多个）高增益级（诸如输出级124d）可以以70%至95%的效率或者其中包含的任何范围操作。在示例实施例中，放大器124（或（一个或多个）高增益级）的效率可以在其峰值效率的约70%至100%的范围或者其中包含的任何范围内。在一些示例中，功率水平可造成放大器124（和/或一个或多个高增益级）在饱和处或其附近操作。在一些实施例中，功率水平可以在饱和所要求的功率水平的约70%至100%或者更大的范围或者其中包含的任何范围内。通过使功率以这些水平脉冲变化，可以在调光（或者在一些实施例中稳态操作）期间维持放大器124的期望效率和操作条件，即使在如果功率水平下降到没有脉冲变化的相同平均功率，而无法获得该效率和操作条件时。在一些实施例中，通过将放大器124（或放大器的（一个或多个）高增益级）保持在高效范围以及使功率脉冲变化，灯的整体效率可以提高。

参考图4A至4E并且继续参考图1A和3A，现在将描述在启动期间示例灯和灯驱动电路106的操作。图4A至4E为根据示例实施例的用于启动无电极等离子体灯的方法的流程图。在灯被测试和配置时，可以预先根据经验确定微处理器132用来控制灯的各种启动值和阈值。这些值可以提前被编程到微处理器132和存储器中并且如下所述来使用。

在下文并且在图4A至4E（以及图5，如下所述）中描述的示例使用反射或反向功率来确定灯操作条件。在可替换实施例中，可以使用从光电探测器探测的纹波电流或光，或者可以使用灯或灯驱动电路106中的其它探测条件（例如，正向功率或净功率或其它条件）。在一些实施例中，可以使用探测器的组合（例如，可以使用诸如探测的光水平、纹波电流或者反射功率的不同技术确定在启动或运行模式期间的不同阈值）。

在图4A至4E所示的示例中，对于点火模式，微处理器132在存储器（未示出）中设置内部标志以指示灯未启动。它接着将VCO 130上的控制电压设置为用于启动的期望水平并且接通VCO。如图4A中所示，微处理器132接着将“电流控制”设置为接通，这防止灯驱动电路106超过最大电流（如电流传感器136所确定）。微处理器132接着测量反射功率并且确定该值是否下降低于阈值（指示灯的点火）。在点火时，微处理器132设置存储器中的点火标志，从而指示灯泡104内的填充物已经点火。

如参考图4B中所示，微处理器132接着在频率范围上使VCO 130递增。在一个示例实施例，VCO 130在约50MHz的范围上以约60kHz的步长递增（通过以约3mV的步长调节VCO 130上的控制电压）。在其它实施例中，频率扫描可以以10kHz至1MHz或者其中包含的任何范围步长，覆盖约10MHz至100MHz的范围或者其中包含的任何范围。这些仅仅是示例并且其它实施例可使用其它范围。这一直继续，直至VCO 130逐步经过该频率范围并且灯已经点火（如已由点火标志所指示）为止。

现在参考图4C，灯接着进入预热阶段。微处理器132接着将调节灯驱动电路106中的电流（如由电流传感器136感测）设置为所期望的预定水平以便预热。VCO 130被设置到其启动值并且作为VCOlast被微处理器132存储在存储器中。微处理器132也读取反向功率并且将该值保存为V_last。

微处理器132接着使VCO 130在频率范围上递增（按照类似上文参考图4B所述的方式）。微处理器132在每次递增之后读取反向功率。如果读数低于先前值（V_last），则微处理器132将功率探测器读取的值保存为V_last并且将VCO 130的水平保存为VCOlast。这一直继续，直至VCO 130已经递增通过整个预热频率范围并且达到该范围的上限为止。

参考图4D，VCO 130接着被设置为VCOlast并且反向功率被读取和保存为V_last。微处理器132接着以小的增量调节VCO以观察它是否减小反射功率。这一直继续，直至反向功率下降低于运行模式所要求的阈值，如参考图4E中所示。微处理器132接着调节电流到运行模式所期望的水平。

参考图5且同时参考图1A和3A，现在将描述在运行模式中的灯的操作。图5为根据示例实施例的用于无电极等离子体灯的运行模式操作的方法的流程图。在运行模式期间，微处理器132检查若干条件以观察灯的模式是否存在变化。例如，微处理器132可以检查反射功率水平是否低于运行模式所要求的阈值水平（这可以指示故障条件）。微处理器132还可以检查停止命令以关闭灯。微处理器132也可以检查改变亮度的命令。微处理器132也可以检查灯是否以低亮度条件（例如，小于20%亮度）操作，并且在一些实施例中，可以在低亮度模式中基于反向功率而不进一步调节VCO 130来最优化。

在初步状态检查之后，微处理器132可以以小的增量改变VCO 130的频率来进行最优化。如参考图5中所示，反射功率的水平是用于最优化的主要测量。如果反射功率由于VCO 130变化而增加，则VCO 130的该变化被弃置并且循环重复（初步状态检查，其之后可以是VCO 130的另一变化以检查最优化），除了下一次遍历该循环时，将在相反方向上进行VCO 130的变化。如果反射功率由于VCO 130变化而减小，则VCO变化被维持并且循环重复（并且下一个VCO变化将在相同方向上进行，因为它减小了反射功率）。如果反射功率与先前值相同，则检查电流水平。如果电流水平低于先前水平，则维持VCO 130的变化并且VCO 130继续在相同方向上调节。如果电流水平没有更低，则VCO变化被弃置并且下一次遍历循环时在相反方向上调节VCO 130。

在一些实施例中并且继续参考图1A和3A，灯驱动电路106可包含扩展频谱模式以减小EMI。由扩展频谱控制器333接通扩展频谱。当扩展频谱接通时，到VCO 130的信号被调制从而在更大的带宽上扩展由灯驱动电路106提供的功率。这可以减小在任何一个频率的EMI并且由此帮助遵守例如美国联邦通信委员会（FCC，美国机构）或者其它监管机构关于EMI的条例。在示例实施例中，频谱扩展程度可以为从5%至30%或者其中包含的任何范围。在示例实施例中，可以在下述水平处提供VCO 130的调制，所述水平对于减小EMI是有效的但是对灯泡104中的等离子体没有任何显著影响。

在一些示例实施例中，在灯的不同操作模式期间，放大器124也可以在不同偏置条件操作。放大器124的偏置条件对DC-RF效率有着大的影响。例如，被偏置从而在C类模式操作的放大器效率高于被偏置从而在B类模式操作的放大器，其进而效率高于被偏置从而在A/B类模式操作的放大器。然而，被偏置从而在A/B类模式操作的放大器动态范围更优于被偏置从而在B类模式操作的放大器，其动态范围进而更优于被偏置从而在C类模式操作的放大器。

在一个示例中，当灯首先接通时，放大器124偏置在A/B类模式。A/B类模式提供更佳的动态范围和更大的增益，从而允许放大器124点火等离子体以及在启动期间遵循如其所调节的灯的谐振频率。一旦等离子体达到其稳态操作条件（运行模式），放大器124上的偏置被移除，这使放大器124进入C类模式。这提供了提高的效率。然而，当灯的亮度被调制低于某一水平时（例如，小于全亮度的70%），C类模式中的动态范围可能不足。当亮度降低低于阈值时，放大器124可以被改变回到A/B类模式。可替换地，在一些实施例中可以使用B类模式。

在一些示例实施例中，空闲模式可用于允许放电源的零热再触发时间。当微处理器132接收到断开状态命令时，微处理器132可以调节衰减器137和/或放大器124的增益以实现灯泡（例如，参考图2B描述的灯泡）的稀有气体填充物的低功率空闲状态。这种空闲状态维持稀有气体填充物的电离，使得后续灯泡接通命令可以将源带回接通到全亮度而不延长灯的冷却时间。含有电极的金属卤化物放电源通常需要这种冷却时间。由于临界电极操作温度不是关于操作功率水平的限制，所以如此处描述的无电极等离子体源可以在大幅减小的功率水平（诸如标称功率的百分之几）操作。基于电极的灯无法在不加速电极材料的溅射以及早期灯泡故障的情况下在此处描述的这种低功率空闲水平操作。

在一个方面，灯泡置于如参考图1A所述具有RF驱动探头馈给的谐振RF波导腔体内部。微波能量造成灯泡104的稀有气体填充物中的电离雪崩，导致持续的等离子体放电。对灯泡填充物的另外欧姆加热增大添加剂的蒸气压，从而形成原子和分子能量跃迁。形成诸如参考图2C描述的频谱放电辐射，其取决于添加剂组成和摩尔比。通过微处理器132控制灯驱动电路106，将灯泡104设为全功率。

在一些示例中，灯泡104在次大气压下启动并且在此预热阶段获得许多个大气压。类似地，在断开灯泡104之后，蒸气压返回到明显更低的水平。蒸气压减小的速率取决于外部冷却环境，但是在灯可以重新点火之前典型地为若干分钟。当灯泡（例如电弧管）仍然温暖时对于再触发尤为有害的是在金属卤化物灯仍在冷却时金属卤化物灯中的卤素（溴、碘等）的延迟的蒸气压

MI+e→（MI^–）*→M+I^–+动能

其导致形成结合能为3.2eV的稳定负离子（例如见John Waymouth，Electric Discharge Lamps，MIT Press (1971), p. 254）。在上述描述中，Br（溴）可以用I（碘）取代。净效应为更少的自由电子参与Townsend雪崩过程，从而需要更高的击穿电压，直至卤素冷凝到电弧管壁为止。在本发明主题的情形下，当操作员断开到灯的电源时，功率单元进入一种在最大功率的百分之几的点火电极空闲状态。由于放电保持在完全电离状态，即使在非常低功率下，所以不需要放电重新电离以将灯带回完全或中间功率水平。对于有电极灯，另一方面，该单元在非常低功率下将熄灭，并且由于卤素压强（以及引起的电极附连）仍然为高，所以必须应用高电压点火脉冲（20kV至30kV）。在任何情形中，在不将电极末梢冷却到它们将不会热离子操作的点的情况下，有电极灯无法在小于大约50%额定功率下被激化，并且将把钨溅射到壁，从而造成显著的壁变黑以及电极退化。至少由于上述原因，通过维持这种低功率空闲状态可以减轻标准金属卤化物灯的热再触发问题。

此处所述本发明主题描述的空闲状态是针对灯泡温度以及随后卤素蒸气压减小至其中灯泡接着可以熄灭且立即重新点火的水平所需的时间。空闲时的功率水平可以被恰当地调节和定时以保证灯泡卤素化学物质的充分冷却，从而允许零热再触发时间。

图6A至6D示出在灯主体中使用调谐孔用于阻抗匹配和/或频率调谐的示例实施例。在一些示例实施例中，一个或多个调谐孔可形成于灯主体内以提高在运行状态期间探头的阻抗与灯主体及等离子体的匹配，并且由此减小来自灯主体的反射功率和/或调节或者调谐灯主体的谐振频率。在一些示例中，孔可以被金属化或涂敷有导电材料（或者导电材料可以以期望长度插入调谐孔）。在其它实施例中，调谐孔不被金属化并且未被涂敷。参考图6A至6D所示的示例示出与图1A的灯主体102不一样高的灯主体内的调谐孔。在示例实施例中，这些灯可以在谐振腔模式中操作，而不是在四分之一波长同轴谐振器模式中操作。然而，类似调谐孔可以用于参考图1A描述的实施例或者在四分之一波长同轴谐振器模式中操作的其它示例实施例。

参考图6A至6C，下文描述调谐孔可以如何用于阻抗匹配。在一些示例实施例中，驱动探头的深度确定驱动探头与灯主体的电容性耦合，其规定了在运行状态期间到灯泡的功率传递。可存在最佳的驱动探头深度，该深度提供了到灯泡的最大功率耦合。在一些实施例中，驱动探头的深度会受到例如探头形成电弧到灯主体的顶部金属化的故障模式约束。在示例实施例中为了实现耦合而不形成电弧，调谐孔可以用于在运行状态期间使探头的阻抗匹配到灯主体和等离子体。图6B的尺度S（距灯主体的顶部金属化表面的距离）、D（驱动探头和调谐孔之间的距离）和H（调谐孔的高度/深度）可以被选择为使得，相对于没有调谐孔并且没有从探头到顶部金属化表面形成电弧的反射功率的数量，来自灯主体的反射功率减小。在此示例中，调谐孔可以被金属化。调谐孔提供用于探头到圆盘的顶表面的电容性耦合的附加路径。在一些实施例中，这允许评估更宽范围的探头深度，以用于提高流明每瓦特（LPW）耦合效率而不影响阻抗匹配。在示例实施例中，调谐孔还避免探头形成电弧。

现在参考图6C，模拟示出探头和调谐孔之间的强E场。在一个示例中，灯的启动频率为937MHz，净功率为180W，并且调谐孔尺度S为3mm，H为10mm以及D为3mm。在此示例中，反射功率为约15W。在另一示例中，H为13mm并且反射功率下降到约0.3W（并且启动频率为约925MHz）。

参考图6D，下文描述调谐孔可以如何用于频率调谐。由于灯泡附近的灯主体的薄区域（示于图1A的薄区域112）为高场或等效高电容性区域，在示例实施例中，修改或添加靠近此区域的金属杆可以改变场并因此改变圆盘的频率。在一些实施例中，这可用于将圆盘调谐到关注的频率范围。在一些示例实施例中，金属化该调谐柱会减小频率，以及留下该调谐杆未被金属化以及将它移动得更靠近薄区域112或移动到薄区域112内会增大频率。在一个示例中，没有调谐孔的灯的启动频率为约944MHz。当包含H尺度为约5mm的金属化调谐孔时（再次参考图6D），启动频率为约924MHz。

再次参考图1A和1B，现在将描述根据示例实施例的无电极等离子体灯的附加方面。在示例实施例中，灯主体102具有比空气更大的相对介电常数。谐振频率通常与灯主体102的相对介电常数（也称为介电常数）的平方根成反比。灯主体102的形状和尺度也影响谐振频率。在示例实施例中，灯主体102由相对介电常数为约9.2的固体氧化铝形成。在一些实施例中，介电材料可具有在从2至100的范围或者其中包含的任何范围内的相对介电常数，或者具有甚至更高的相对介电常数。在一些实施例中，灯主体102可包含多于一种这样的介电材料，得到在任何上述范围内的灯主体102的有效相对介电常数。灯主体102可以是矩形、圆柱形或者如此处描述的其它形状。

在示例实施例中，灯主体102的外表面可涂敷有导电涂层，诸如电镀层或银涂料或者可以烧制到灯主体外表面上的其它金属涂料。该导电材料可以接地并且形成如此处描述的同轴谐振结构的外部导体和内部导体二者。导电涂层也帮助将射频功率抑制在灯主体102内。灯主体102的多个区域可保持未被涂敷，从而允许功率传递到灯主体102或从灯主体102传递。例如，灯泡104可以定位为毗邻灯主体102的未涂敷的部分以从灯主体102接收射频功率。此外，涂层中可存在小的间隙，驱动探头120在那里插入灯主体102。诸如玻璃粉层的高击穿电压材料可以涂敷在导电涂层的外部（包含通过灯主体102的未被涂敷的表面114彼此分开几毫米的导电材料边缘），从而防止形成电弧。

在参考图1A描述的示例实施例中，开口110延伸穿过灯主体102的薄区域112。灯主体102在开口110中的未被涂敷的表面114未被涂敷并且至少部分的灯泡104可置于开口110内从而从灯主体102接收功率。在示例实施例中，薄区域112的厚度H2可以在1mm至15mm的范围或者其中包含的任何范围内，并且可以小于灯泡104的外部长度和/或内部长度。灯泡104的一个或两个端部可以从开口110突出并且延伸超出灯主体102的外表面上的导电涂层。这帮助避免与功率从灯主体102被耦合之处的区域毗邻地形成的高强度等离子体损伤灯泡104的端部。在其它实施例中，所有或部分的灯泡104可置于从灯主体102的外表面上的开口延伸并且终止于灯主体102中的腔体内。在其它实施例中，灯泡104可以定位为毗邻灯主体102的未被涂敷的外表面或者定位于在灯主体102（例如波导主体）的外表面上形成的浅凹部内。

材料116的层可以置于灯泡104和灯主体102的介电材料之间。在示例实施例中，这层材料116可具有比灯主体102更低的热导率并且可用于最优化灯泡104和灯主体102之间的热导率。在示例实施例中，材料116可具有在约0.5至10瓦特/米-开尔文（W/mK）的范围或者其中包含的任何范围内的热导率。例如，可以使用填充密度为55%（即，45%分数孔隙度）并且热导率在约1至2瓦特/米-开尔文（W/mK）的范围内的氧化铝粉末。在一些实施例中，离心作用可用于高密度填充氧化铝粉末。在示例实施例中，使用厚度D5（见图1A）在约1/8mm至1mm的范围或者其中包含的任何范围内的氧化铝粉末的层。可替换地，可以使用基于陶瓷的粘合剂或这种粘合剂的混合物的薄层。取决于配方，可以得到宽范围的热导率。实践中，一旦选择具有接近期望值的热导率的层成份，则可以通过改变层厚度实现精细调谐。一些示例实施例会不包含围绕灯泡104的分离的材料层并且可提供到灯主体102的直接传导路径。可替换地，灯泡104可以通过空气间隙（或其它气体填充的间隙）或真空间隙与灯主体102分离。

在一些示例实施例中，氧化铝粉末或其它材料也可以填充在形成于灯泡104下方的凹部118中。在参考图1A描述的示例中，凹部118中的氧化铝粉末是由灯主体102表面上导电材料形成的波导的边界的外部。凹部118内的材料提供结构支持，反射来自灯泡104的光并且提供热传导。也可以围绕灯主体102的侧面和/或沿着灯主体102的底表面使用一个或多个散热装置（未示于图1A）从而管理温度。热建模可用于帮助选择这样的灯配置，其提供导致高亮度的高峰值等离子体温度，同时维持低于灯泡材料的工作温度。示例热建模软件包含从马萨诸塞州哈佛的Harvard Thermal, Inc.商业上可获得的TAS软件包。

在示例实施例中，驱动探头120可以是使用银涂料胶粘到灯主体102内的黄铜棒。在其它实施例中，陶瓷或其它材料的护套或外套（未示出）可以用在驱动探头120周围，其可以改变与灯主体102的耦合。在示例实施例中，印刷电路板（pcb，未示出）可以定位为横向于灯主体102以用于灯驱动电路106或其它电子电路。驱动探头120可以焊接到pcb并且延伸离开pcb的边缘进入灯主体102（例如，平行于pcb并且垂直灯主体102）。在其它实施例中，驱动探头120可以垂直pcb或者可以通过SMA连接器或其它连接器连接到灯驱动电路106。在可替换实施例中，驱动探头120可以由pcb迹线提供，并且部分的含有迹线的pcb板可延伸到灯主体102内。在其它实施例中可以使用其它射频馈给（未示出），诸如微波传输带线或者鳍线天线。在其它实施例中，一个或多个探头可以通过同轴电缆或其它传输线连接到灯驱动电路106。

在示例实施例中，与围绕灯主体102外周的外涂层108o的导电材料相比，驱动探头120定位为更靠近灯主体102中心的灯泡104。驱动探头120的这种定位可用于提高灯泡104中功率到等离子体的耦合。

高频模拟软件可用于帮助选择灯主体102以及一个或多个导电涂层的材料和形状从而实现灯主体102内期望的谐振频率和场强度分布。可以使用诸如从宾夕法尼亚州匹兹堡的Ansoft, Inc.可获得的HFSS、从马萨诸塞州伯灵顿的COMSOL, Inc.可获得的Multiphysics或者从Computer Simulation Technology AG可获得的Microwave Studio的软件工具执行模拟，以确定灯主体102的期望形状、谐振频率和场强度分布。于是可以根据经验或通过实验精细调谐期望属性。

尽管可以使用各种材料、形状和频率，但是在一些示例实施例中，灯的纵横比（长度H1除以宽度或直径D1）约为1。在一些实施例中，长度H1大于宽度D1，或者大于宽度D1的75%至100%或者其中包含的任何范围。在一些示例中，灯被设计成以小于约500MHz（或者在一些示例中小于200MHz或更低）的频率谐振。在一些实施例中，灯配置成在频率介于约50至500MHz之间或者其中包含的任何范围的基模中谐振。在以这些频率进行操作的示例实施例中，长度H1大于40mm。在一些示例中，长度H1大于灯泡长度的3倍。在一些示例中，凹部的长度（以及内部导体的长度）大于30mm或35mm或40mm或45mm（并且在一些这些示例实施例中，探头可具有大于30mm或35mm或40mm或45mm的长度并且基本上平行于凹部和灯泡的长度）。在一些示例中，由凹部形成的内部导体的长度（H3）大于凹部直径D2的3倍并且大于灯泡长度的3倍。在一些示例中，长度H1大于直径D1（或者矩形或其它形状的灯主体的宽度）。在一些实施例中，沿着长度H1的外部导电涂层以及沿着凹部的导电涂层形成内部和外部同轴导电元件。这提供基本上垂直灯泡长度的同轴电容。相比之下，薄区域112（见图1A）提供搁板，该搁板提供基本上平行于灯泡104长度的电容，该电容提供沿着灯泡104长度的电场。薄区域112对电场定形并且改变其相对于在内部和外部电极之间沿着灯主体102长度形成的电场的取向。在一些实施例中，沿着H1的表面和沿着凹部118的表面之间的长的同轴电容性区域配置成提供大约四分之一波长谐振结构。在该薄区域112中提供的附加电容也可以影响谐振频率，相对于没有这种区域的同轴结构。

在设计成在约450MHz操作的一个实施例中，长度H1（其为外部导体的沿着灯侧面的长度）为约45.5mm并且直径D1为约50mm。距离H1（其为凹部118中的内部导体的长度）为约41mm。在此示例中，距离D2为约14mm且D3为约2.5mm（在此示例中，灯泡104的孔的直径为约9mm的直径）。薄区域112在凹部118上方形成搁板。距离H2为约5mm（更通常为2mm至10mm或者其中包含的任何范围）。这导致灯主体102的这个区域中更高的电容以及更高的电场强度。在此示例中，驱动探头120长度为约41.5mm。在此示例中，灯主体102为氧化铝且相对介电常数为约9。

在一些实施例中，相对介电常数是在约9至15的范围或者其中包含的任何范围内，RF功率的频率小于约500MHz，并且灯主体102的体积是在约10cm³至75cm³的范围或者其中包含的任何范围内。在一些这些示例中，RF功率在谐振结构内以四分之一波长模式谐振，并且灯主体102的外部尺度都小于RF功率在谐振结构中的一个半波长。

上述尺度、形状、材料和操作参数仅仅是示例，并且其它实施例可使用不同尺度、形状、材料和操作参数。

Claims (22)

1. 一种无电极等离子体灯，包括：

具有四分之一波长谐振模式的谐振结构，该谐振结构包含：

内部导体；

外部导体；以及

内部导体和外部导体之间的固体介电材料；

射频（RF）功率源，配置成在四分之一波长谐振模式的谐振频率附近提供RF功率到谐振结构；

含有填充物的灯泡，该填充物在该RF功率耦合到填充物时形成等离子体，该灯泡定位为紧邻固体介电材料的不导电表面；以及

被定位为紧邻灯泡的导电凸屏蔽件，该屏蔽件的凸表面位于灯泡远端。

2. 权利要求1的无电极等离子体灯，其中至少部分的外部导体定位为紧邻不导电表面的紧邻灯泡的第一侧面，并且至少部分的内部导体定位为紧邻不导电表面的紧邻灯泡的第二侧面。

3. 权利要求2或3的无电极等离子体灯，其中谐振结构形成紧邻灯泡的外部导体和内部导体之间的开路。

4. 根据前述权利要求中任意一项的无电极等离子体灯，其中内部导体和外部导体在与紧邻灯泡的所述谐振结构的端部相对的该结构的区域内形成短路。

5. 根据前述权利要求中任意一项的无电极等离子体灯，其中灯泡是拉长的并且部分的外部导体紧邻灯泡的第一端部以及部分的内部导体紧邻灯泡的第二端部，并且该谐振结构配置成在第一端部和第二端部之间在灯泡内形成基本上平行于灯泡的中心轴的电场。

6. 根据前述权利要求中任意一项的无电极等离子体灯，其中灯泡的至少一个端部突出到谐振结构的外部。

7. 根据前述权利要求中任意一项的无电极等离子体灯，其中灯泡是拉长的并且灯泡的两个端部突出到谐振结构的外部，延伸超出由外部导体在灯泡的第一端部形成的边界并且延伸超出由内部导体在灯泡的第二端部形成的边界。

8. 一种无电极等离子体灯，包括：

谐振结构，包括固体介电材料以及紧邻该固体介电材料的至少一种导电材料；

射频（RF）功率源，配置成在下述频率处提供RF功率到该谐振结构，所述频率具有在谐振结构中的波长（λ_g）；

含有填充物的灯泡，该填充物在该RF功率耦合到填充物时形成等离子体；以及

定位为紧邻灯泡的导电凸屏蔽件，该屏蔽件的凸表面位于灯泡远端；

其中跨过该谐振结构的每个尺度（包含高度和宽度）小于λ_g/2；以及

其中在谐振结构的谐振频率附近提供该RF功率。

9. 一种无电极等离子体灯，包括：

谐振结构，包括固体介电材料以及紧邻该固体介电材料的至少一种导电材料；

射频（RF）功率源，配置成在下述频率处提供RF功率到该谐振结构，所述频率具有在谐振结构中的波长（λ_g）；

含有填充物的灯泡，该填充物在该RF功率耦合到填充物时形成等离子体；以及

定位为紧邻灯泡的导电凸屏蔽件，该屏蔽件的凸表面位于灯泡远端；

其中跨过该谐振结构的每个尺度（包含高度和宽度）小于λ_g/3；以及

其中在该谐振结构的谐振频率附近提供该RF功率。

10. 一种无电极等离子体灯，包括：

谐振结构，包括具有大于2的相对介电常数的固体介电材料以及紧邻该固体介电材料的至少一种导电材料；

射频（RF）功率源，配置成在下述频率处提供RF功率到该谐振结构，所述频率在该介电材料的相对介电常数处具有自由空间中的波长（λ）；

含有填充物的灯泡，该填充物在该RF功率耦合到填充物时形成等离子体；

定位为紧邻灯泡的导电凸屏蔽件，该屏蔽件的凸表面位于灯泡远端；

其中跨过该谐振结构的每个尺度（包含高度和宽度）小于λ/2；以及

其中在该谐振结构的谐振频率附近提供该RF功率。

11. 根据前述权利要求中任意一项的无电极等离子体灯，其中介电材料的体积大于灯泡的体积。

12. 根据前述权利要求中任意一项的无电极等离子体灯，其中介电材料的体积大于灯泡的体积的5倍。

13. 根据前述权利要求中任意一项的无电极等离子体灯，其中介电材料的体积小于75cm³并且该RF功率的频率小于500MHz。

14. 根据前述权利要求中任意一项的无电极等离子体灯，其中介电材料的体积小于50cm³并且该RF功率的频率小于500MHz。

15. 一种无电极等离子体灯，包括：

谐振结构，包括介电材料以及紧邻该固体介电材料的至少一种导电材料，该谐振结构配置成在下述频率处耦合到射频（RF）功率源，所述频率在介电材料的相对介电常数附近具有自由空间中的波长；以及

用于编程RF功率以允许引起约为零的热再触发时间的空闲模式功率水平的装置，该空闲模式功率水平和持续时间可配置成允许在灯断开信号和放电源的完全冷却之间的持续电离和快速灯预热。

16. 权利要求15的无电极等离子体灯，还包括导电屏蔽件。

17. 权利要求16的无电极等离子体灯，其中该屏蔽件为导线网格。

18. 权利要求16的无电极等离子体灯，其中该屏蔽件为具有一个开放端部以透射光的金属外壳。

19. 权利要求16的无电极等离子体灯，其中该屏蔽件为金属外壳和覆盖其开放端部以透射光的导线网格的组合。

20. 权利要求16的无电极等离子体灯，其中该屏蔽件将发射光的至少一部分反射到预定空间分布内。

21. 权利要求16的无电极等离子体灯，其中灯和屏蔽件包括照明灯具或照明器的至少一部分。

22. 一种无电极等离子体灯，包括：

灯泡，配置成耦合到射频（RF）功率源，该灯泡含有填充物从而在RF功率耦合到填充物时形成等离子体；

定位为紧邻灯泡的导电凸屏蔽件，该屏蔽件的凸表面位于灯泡远端；

具有四分之一波长谐振模式的谐振结构，该谐振结构包含：包括具有大于2的相对介电常数的介电材料的灯主体、内部导体和外部导体；以及

RF功率源，配置成在该谐振结构的谐振频率附近提供RF功率到该灯主体。

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