CN103457011A - 同轴微波谐振腔和照明设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同轴微波谐振腔和照明设备。其中，该同轴微波谐振腔包括：阶梯式的空心金属圆柱外壳、环形顶盖和环形底盖；外壳内设置有阶梯式金属杆，金属杆与外壳同轴；金属杆和外壳之间填充有散热材料；环形顶盖的开口和环形底盖的开口分别对应金属杆的顶部和底部，金属杆的顶部设置有连接灯泡的底座；金属杆的底部设置有连接微波连接器的触点。本发明腔体的尺寸较小，解决了现有谐振器体积较大的问题，提高了设备的应用范围，增加了设备的照明角度，并且容易与灯具配套使用。

Description

同轴微波谐振腔和照明设备

技术领域

本发明涉及无线电频率（射频）等离子照明领域，具体而言，涉及同轴微波谐振腔和照明设备。

背景技术

谐振器是在微波电路中的一个常用组件。它实质上是一个空腔（也称为谐振腔），允许很窄频带的电磁波存在。它有效地将微波信号转换成包含各种应用的电磁波。它在本质上是一节，通常是半波长长度的导波结构。目前，常见的有三种基本类型的金属外壳谐振器腔体，如图1-图3所示，分别为图1所示的矩形腔、图2所示的圆柱形腔和图3所示的同轴形腔；其中，这些腔内可以是空心的，也可以填充材料，各个腔中均设置有金属盖。在实际应用中，腔体开设有放置负载的开口，用于电信号的传输。而电信号的传输特性很大程度上依赖于在空腔开口位置的电场强度。

几十年来，微波放电等离子体作为激发源及照明已有许多医疗和科学上的应用。这种放电源有许多吸引人的特性：（1）它产生了高度的电离和大量分子离解，不需要过分加热腔内气体；（2）不需要内部电极，它可以使构造更为简单，更不受污染，减少对人体的伤害；（3）其产生的电气干扰少；（4）不存在危险的高电压，可以很容易地接触。

然而，上述谐振器无论哪种类型的腔体，通常传播的波长比自由空间的波长大，并且其横截面的最大长度接近于半个波长，该问题导致腔体的体积相对较大，影响其推广应用。

针对上述谐振器体积较大的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种同轴微波谐振腔和照明设备，用以解决上述谐振器体积较大的问题。

根据本发明实施例的一方面，提供了一种同轴微波谐振腔，包括：阶梯式的空心金属圆柱外壳、环形顶盖和环形底盖；外壳内设置有阶梯式金属杆，金属杆与外壳同轴；金属杆和外壳之间填充有散热材料；环形顶盖的开口和环形底盖的开口分别对应金属杆的顶部和底部，金属杆的顶部设置有连接灯泡的底座；金属杆的底部设置有连接微波连接器的触点。

优选地，上述外壳和金属杆分上下两部分，外壳和金属杆上下两部分的尺寸包括横向的直径长度和纵向的竖直长度。

优选地，上述金属杆顶部的大小与灯泡的大小匹配。

优选地，上述散热材料为石英管。

优选地，上述金属杆的底部与触点之间设置有防短路部件，用于避免金属杆与微波连接器的地线接触。

根据本发明实施例的另一方面，提供了一种照明设备，包括上述同轴微波谐振腔，以及设置在同轴微波谐振腔的金属杆的底座上的灯泡和金属杆的触点处的微波连接器。

本发明的同轴微波谐振腔和照明设备通过采用同轴阶梯式的外壳和金属杆，腔体的尺寸较小，解决了现有谐振器体积较大的问题，提高了设备的应用范围。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是现有技术中的矩形金属外壳谐振器腔体的结构示意图；

图2是现有技术中的圆柱形金属外壳谐振器腔体的结构示意图；

图3是现有技术中的同轴形金属外壳谐振器腔体的结构示意图；

图4（a）和（b）是本发明实施例提供的同轴微波谐振腔的剖视图；

图5（a）和（b）是本发明实施例提供的照明设备的剖视图；

图6是本发明实施例提供的谐振腔的近似等效传输线电路实示意图；

图7是本发明实施例提供的外壳的侧视图；

图8是本发明实施例提供的内杆的横截面示意图；

图9是本发明实施例提供的环形盖的示意图。

具体实施方式

下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明实施例采用将射频功率转换为光能的微波谐振腔（也可以称为启动器）实现照明。其中，微波谐振腔的负载是一个填充有惰性气体和某些金属卤化物灯泡。微波谐振腔的目的是促使在灯泡的位置产生强电场，使灯泡内的气体电离，产生类似太阳的光源。下面通过实施例进行描述。

本实施例提供了一种同轴微波谐振腔，如图4（a）所示的同轴微波谐振腔的剖视图，其包括：阶梯式的空心金属圆柱外壳42、环形顶盖422和环形底盖424；外壳42内设置有阶梯式金属杆44，金属杆44与外壳42同轴；金属杆44和外壳42之间填充有散热材料（图中为示意出）；环形顶盖422的开口和环形底盖424的开口分别对应金属杆44的顶部和底部，金属杆44的顶部设置有连接灯泡的底座442；金属杆44的底部设置有连接微波连接器的触点444。

本实施例的同轴微波谐振腔通过采用同轴阶梯式的外壳和金属杆，能够在不影响照明亮度的前提下，缩小腔体的尺寸，解决了现有谐振器体积较大的问题，提高了设备的应用范围，增加了设备的照明角度，并且容易与灯具配套使用。

因为上述外壳为阶梯状，因此外壳和金属杆均分上下两部分，在具体实现时，可以根据应用的需求，设计外壳和金属杆的横向直径长度和纵向的竖直长度；例如：采用上部外壳的直径大于下部外壳的直径；上部外壳内的金属杆的直径小于下部外壳内的金属杆的直径的设计方式，这种方式可以充分地缩小谐振腔的尺寸。

为了使谐振腔尽可能地密闭，上述金属杆顶部的大小与灯泡的大小匹配。即在实际应用中，可以根据灯泡大小设计金属杆顶部的大小。

上述散热材料可以为石英管，当然也可以为陶瓷管等其它散热材料。

优选地，如图4（b）所示的同轴微波谐振腔的剖视图，与图4（a）不同之处在于，上述金属杆44的底部与触点444之间设置有防短路部件446，用于避免金属杆44与微波连接器的地线接触。

上述同轴微波谐振腔在开口处电场被多倍放大，无电极的灯泡被放置在该开口处。

对应于上述同轴微波谐振腔，本实施例还提供了一种照明设备，如图5（a）所示的照明设备的剖视图，该照明设备除了包括上述图4（a）所示的同轴微波谐振腔之外，还包括设置在同轴微波谐振腔的金属杆44的底座442上的灯泡52和金属杆44的触点444处的微波连接器54。

本实施例的照明设备采用带有同轴阶梯式的外壳和金属杆的同轴微波谐振腔，腔体的尺寸较小，解决了现有谐振器体积较大的问题，提高了设备的应用范围。

另外，本实施例图5（b）还提供了与图4（b）对应的照明设备的剖视图，与图5（a）的不同之处在于，金属杆44的底部与触点444之间设置有防短路部件446。由上述同轴微波谐振腔的设计可知，本实施例提供的是一个小型化的微波谐振腔，其用于商业照明，可以产生60-200流明每瓦或者3000到20000流明每瓦的亮度。其中，无电极的灯泡将座位于金属杆（也称内杆）的顶部。内杆的底部在外壳的开口处稍突出，便于电连接器（即上述微波连接器）插入。微波谐振腔的外壳是一个小的金属壁厚，为了散热，可以将石英管填充在内杆与壳体之间。上述实施例主要是基于微波传输理论，通过将底部的输入电压转换为在顶部灯泡位置的强电场，进而实现照明目的。

气体放电过程可以分为两个阶段：第一阶段是在点燃过程中，灯泡内的惰性气体是冷的，而且谐振腔基本上是没有电负载。在这个阶段的设计目的是确保有足够大的电场感应使灯泡的惰性气体点燃。如果暂时忽略上面的顶部开口、中间结点和底部开口的边缘电场的效应，上述谐振腔的近似等效传输线电路如图6所示，其中，射频电源电压(V_s)，底部连接器的输入处的电压(V_in)，顶棒（灯泡的位置）的电压(V_out)（灯泡无电负载时的开路电压，即图中虚线所示），以及源阻抗是50Ω（设计的电源)。顶部和底部的同轴线部分的特性阻抗分别为Z_t和Z_b。该同轴线的顶部和底部的部分的长度分别是l_t和l_b。在给定同轴线长度，要得到最大的顶棒电压(V_out)的条件是：1）底部的连接器应该看作开路（开路电压V_in）；2）在设计频率时，顶部和底部的同轴线路部分各有四分之一波长；3）阻抗的比率（Z_t/Z_b）可以足够大。第三个条件基于两个同轴线部分是四分之一波长时，如下数学公式：

$V_{\mathrm{out}}=\frac{Z_t}{Z_b}{V}_{\mathrm{in}}---\left(1\right)$

$Z_t=\frac{60}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}\ln \left(\frac{b_t}{a_t}\right)$ 和 $Z_b=\frac{60}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}\ln \left(\frac{b_b}{a_b}\right)---\left(2\right)$

其中，b_t和b_b分别是外壳的顶部（也称上部外壳）和底部部分（也称下部外壳）的内径。a_t和a_b分别是内杆顶部和底部的部分的直径。ε_r是填充腔体内部的散热材料的介电常数。

第二阶段的设计是气体在灯泡内被完全等离子化。在这个阶段，空腔需要足够的输入功率被传递到电负载(灯泡)（Z_L）。Z_t和Z_b取决于灯泡形状和成分，具体可以依据上述公式（1）及（2）设计组合。

因上述外壳和金属杆为阶梯状，在具体实现时，上述散热材料也分为两部分，以石英管为例，可以采用两根石英管填充在外壳和金属杆之间。为了更清楚地了解外壳的结构，如图7所示的外壳的侧视图。其中，b_t和b_b分别是上部外壳和下部外壳的内径。外壳的壁厚可以根据实际需要设计，例如为一毫米到几毫米宽。图7所示的外壳，上部外壳半径较大。下部外壳底部的开口是用来让连接器拧入。上部外壳的壳顶是开放的。该外壳可以配置环形顶盖和环形底盖。上部外壳和下部外壳的长度（分别是上述l_t和l_b）是接近但小于四分之一波长的长度，可以根据实际情况优化，以获得最符合实际使用灯泡的亮度。

图8为内杆（即上述金属杆）的横截面示意图，本实施例中，它由五节圆柱组成，分别为图中的第一节（即上述底座）81、第二节82、第三节83、第四节84、第五节85，每节都有不同的半径。其中，第一节81的半径选择是根据所用的灯泡决定，半径稍大于灯泡的外半径，在其中间钻一个孔（即成灯泡的底座），让灯泡可以坐在上面。第二节82和第三节83的半径分别为上述a_t和a_b，可以根据外壳半径来分别选择，基于上述公式（2）得到适当的同轴电缆的阻抗。第四节84是一个小尖头，用来阻止内杆与连接器的地线接地，以避免短路。第四节84的高度可以小到制造公差的范围内。第五节85是一个小的尖端（即上述触点），用于插入到连接器，为连接器的电源和灯泡的顶部之间提供直接的电接触。

图9所示为环形盖的示意图，可以是上述环形顶盖422和环形底盖424，它是用来密封外壳，但它的内孔可以使内杆略微伸出到外壳来。以作为环形顶盖使用为例，其开设的圆孔与内杆顶部上面的开口部对齐，以帮助减少能量泄漏。

上述实施例可以采用两个石英管填充在内杆与壳体之间，为了得到适当的气体放电，该石英管是必要的。首先，假若内杆和外壳机仅由小的底部连接器机械地连接在一起，使用上不妥当。通过使用石英管紧密填充，内杆（如设置灯头的部分）维持固定，不会摇晃。其次，在气体被完全等离子化时，灯泡壳温度迅速上升到摄氏几百度。如果没有其他适当的散热路径，热量会通过连接器烧坏整个电子电路系统。石英材料在高温下具有良好的热导率和电稳定性能。石英管让热量迅速传导到外壳，可以将热量容易地消散掉。第三，外壳的长度（整体的谐振腔长度）与同轴传输线的波长成正比。使用石英管可以将波长降低一半（其介电常数约为4），从而进一步降低了腔体的整体尺寸。具体地，上节石英管的外径与上部外壳的直径相同，而其内径与内杆的直径相同。同理，下节石英管的外径与下部外壳的直径相同，下节石英管内径与内杆的直径相匹配。

上述实施例的阶梯式同轴圆筒形金属腔体的构造可以采取不同形状和尺寸设计，以满足特定的设计要求，达到最大射频功率输出到等离子灯。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种同轴微波谐振腔，其特征在于，包括：

阶梯式的空心金属圆柱外壳、环形顶盖和环形底盖；

所述外壳内设置有阶梯式金属杆，所述金属杆与所述外壳同轴；

所述金属杆和所述外壳之间填充有散热材料；

所述环形顶盖的开口和所述环形底盖的开口分别对应所述金属杆的顶部和底部，所述金属杆的顶部设置有连接灯泡的底座；所述金属杆的底部设置有连接微波连接器的触点。

2.根据权利要求1所述的同轴微波谐振腔，其特征在于，所述外壳和所述金属杆分上下两部分，所述外壳和所述金属杆上下两部分的尺寸包括横向的直径长度和纵向的竖直长度。

3.根据权利要求1所述的同轴微波谐振腔，其特征在于，所述金属杆顶部的大小与所述灯泡的大小匹配。

4.根据权利要求1所述的同轴微波谐振腔，其特征在于，所述散热材料为石英管。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的同轴微波谐振腔，其特征在于，所述金属杆的底部与所述触点之间设置有防短路部件，用于避免所述金属杆与所述微波连接器的地线接触。

6.一种照明设备，其特征在于，包括权利要求1至5中任一项所述的同轴微波谐振腔，以及设置在所述同轴微波谐振腔的金属杆的底座上的灯泡和所述金属杆的触点处的微波连接器。

Images