CN107039234B - 微波等离子体光源及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微波等离子体光源，包括：可编程频率源：用于生成RF信号并输入到微波幅度/相位调整装置，连接于所述的微波幅度/相位调整装置；微波幅度/相位调整装置：用于链路中射频信号的幅度和相位调整，连接射频功率放大器；射频功率放大器：用于系统中射频信号放大，连接发光单元及嵌入式控制单元；发光单元：包括灯珠和谐振腔体，连接嵌入式控制单元。该微波等离子体光源可广泛应用于不同的应用场景，光源系统功率大、效率高、稳定可靠、寿命长。

Description

微波等离子体光源及其实现方法

技术领域

本发明涉及一种离子体光源领域，尤其涉及一种微波等离子体光源及其实现方法。

背景技术

等离子体是物质继固态、液态和气态之后的第四态物质；等离子体是一种高温、可导电、电离了的气体。太阳及其他恒星均为等离子体光源；所以,等离子体光源是现存的最古老的照明形态，其基本原理为等离子体在高温和具有高能时从基本粒子中激发出的光辐射。

等离子体光源具有很高的显色指数，光色好，光效高；具有广泛的应用前景，和半导体光源LED一起被誉为第四代光源。近年来，业界利用微波感生等离子体(MIP---Microwave induce plasma)技术进行光源的研究并涌现出了一些产品和应用；但是，相关的产品存在结构复杂、成本高、运行不稳定等问题。

发明内容

有鉴于此，有必要针对上述几个问题，提供一种微波等离子体光源及其实现方法，可广泛应用于不同的应用场景。

本发明一方面提供一种微波等离子体光源，包括：

可编程频率源：用于生成RF信号并输入到微波幅度/相位调整装置，连接于所述的微波幅度/相位调整装置；

微波幅度/相位调整装置：用于链路中射频信号的幅度和相位调整，连接射频功率放大器；

射频功率放大器：用于系统中射频信号放大，连接发光单元及嵌入式控制单元；

发光单元：包括灯珠和谐振腔体，连接嵌入式控制单元；

嵌入式控制单元（MCU）：通过检测电源、射频功率放大器单元中的相关物理量，根据一定的算法自适应的调整可编程频率源、幅度/相位调整单元的频率及幅度和相位参量使光源系统快速起辉、并能稳定运行，同时能检测系统故障并实施保护，分别控制链接可编程频率源、微波幅度/相位调整装置及射频功率放大器；及用于供电的电源，电源分别与所述的射频功率放大器和所述的嵌入式控制单元连接。

本发明另一方面提供一种微波等离子体光源的实现方法，包括以下步骤：

S1，开启电源后初始化，系统进行自检，进行频率（F）、幅度（A）、相位（Φ）初始数值的设定；

S2，嵌入式控制单元通过检测来自链路中的驻波和工作电流并在一定的频率范围内进行变化以达到使驻波和工作电流最优，确定在该信号状态下的工作频率；

S3，控制微波幅度/相位调整装置的幅度并使输入到发光单元的RF功率逐步增加到额定输出功率，发光单元应启辉并点亮，当驻波、工作电流及工作频率为最优时，进行工作温度的检测，如果驻波、工作电流及工作频率非最优时，重复S2；

S4，当工作温度正常时进行其他标准模块调用，如果温度非正常，跳转至S2。

有益效果：

所述的等离子体光源具有广谱丰富、光色和显色特性优越；亮度和功率等参数可在一定范围内平滑无极调整；选用固态微波功率放大器实现RF大功率信号的产生和放大，无源谐振腔聚能；发光单元具有无极和点光源的特点；因此，光源系统功率大、效率高、稳定可靠、寿命长。

附图说明

图1 微波等离子光源系统；

图2 矩形谐振腔工作机理；

图3 工作流程控制框图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的微波等离子体光源及其实现方法做详细说明。

一种微波等离子体光源，包括，可编程频率源、微波幅度/相位调整装置、射频功率放大器、发光单元、嵌入式控制单元和电源。

如图1所示，一种微波等离子体光源，包括可编程频率源1、微波幅度/相位调整装置2、射频功率放大器3、发光单元4、嵌入式控制单元（MCU）5和电源6。电源6分别连接所述的射频功率放大器3和嵌入式控制单元5；嵌入式控制单元（MCU）5分别控制连接所述的可编程频率源1、微波幅度/相位调整装置2及及射频功率放大器。所述的可编程频率源1、微波幅度/相位调整装置2、射频功率放大器3、发光单元4、嵌入式控制单元5依次连接。

可编程频率源1：是系统的信源，生成RF信号并输入到微波幅度/相位调整装置；光源的信源频率应该选用ISM（Industrial scientific medical band)频段中的合适的频率，频率源必须具备一定的精度和可调整(控制)范围（50MHz）以满足因为不同因素（温度变化、加工精度、介质纯净度、...)造成的谐振频率的变化时，嵌入式控制单元可以自适应调整以保证系统正常工作。

微波幅度/相位调整装置2：是链路中射频信号的幅度和相位调整装置，幅度调整应具有≥40dB的动态范围，步长≤0.5dB；相位调整应具备≥90℃的动态范围，步长≤1℃。幅度/相位调整装置和嵌入式控制单元一起完成控制到达发光单元的射频能量的功率和相位，保证发光单元中等离子体重复电离、发光。

射频功率放大器(RFPA)3：是系统中射频信号放大单元，一般由两级或三级放大器构成，根据系统需要的频率和输出功率决定相关器件的选型。移动通信系统的发展和普及极大的推动了LDMOS、GaN器件技术的发展，这些产品和技术可以更好的应用于微波等离子体光源系统中，RFPA是光源系统中地关键部件，其工作效率在很大程度上决定了系统的电光转换效率。

发光单元4：发光单元由灯珠和谐振腔体构成；灯珠是由石英材料构成的直径约为20mm左右密封的空腔，腔内填充有氩、氪和金属卤化物。灯珠腔内为负压并能承受较高的温度，腔内的填充物地配比可以根据应用场景的不同进行调整，如应用于植物照明、场馆照明和广场照明等等。选用陶瓷材料作为介质、对陶瓷材料表面进行金属化后即形成谐振腔体.谐振腔体的形状可以为多种形式,本发明采用矩形谐振腔体；如图2，灯珠安装在谐振腔体的中心部位以利于射频能量的最大利用。

射频功率放大器（RFPA）与谐振腔之间使用同轴电缆连接，采用探针耦合的方式传递射频能量，可以通过调整探针的长度方便的调整耦合度。

嵌入式控制单元5：嵌入式控制单元通过检测电源、RFPA单元中的相关物理量，根据一定的算法自适应的调整可编程频率源（1）、幅度/相位调整单元的频率（F）及幅度（A）和相位（Φ）参量使光源系统快速起辉、并能稳定运行，同时能检测系统故障并实施保护。

电源6：供电单元。

本实施例可实现200W的微波等离子体光源。

一种微波等离子体光源的实现方法，具体的工作流程控制可参考附图3，包括以下步骤，：

S1，开启电源后初始化，系统进行自检，进行频率（F）、幅度（A）、相位（Φ）初始数值的设定；

S2，嵌入式控制单元通过检测来自链路中的驻波和工作电流并在一定的频率范围内进行变化以达到使驻波和工作电流最优，确定在该信号状态下的工作频率；

S3，控制微波幅度/相位调整装置的幅度并使输入到发光单元的RF功率逐步增加到额定输出功率，发光单元应启辉并点亮，当驻波、工作电流及工作频率为最优时，进行工作温度的检测，如果驻波、工作电流及工作频率非最优时，重复S2；

S4，当工作温度正常时进行其他标准模块调用，如果温度非正常，跳转至S2。

本装置的具体工作过程为:

开启电源后,可编程频率源1产生的射频信号经微波幅度/相位调整装置2进行初始的调整后输入到射频功率放大器3；此时，可编程频率源1产生的射频信号为射频链路的中心频率f0或为经过大批量生产验证后的经验值；微波幅度/相位调整装置2的输出应控制信号使得幅度最小，相位居中的状态。

嵌入式控制单元5通过检测来自链路中的驻波（VSWR）和工作电流并在一定的频率范围内进行变化以达到使驻波（VSWR）和工作电流最小，确定在该信号状态下的工作频率，既为发光单元4在小信号下得的谐振频率。

控制微波幅度/相位调整装置2的幅度并使输入到发光单元4的RF功率逐步增加到额定输出功率，此时，发光单元4应启辉并点亮。

在相对较小的频率范围内改变可编程频率源1的输出信号频率并调整微波幅度/相位调整装置2相位控制信号（设定一定的步长），并通过嵌入式控制单元5的检测以使驻波（VSWR）和工作电流最小，这是一个全程的自适应控制过程。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种微波等离子体光源， 其特征在于，包括：

可编程频率源：

用于生成RF信号并输入到微波幅度/相位调整装置，连接于所述的微波幅度/相位调整装置；

微波幅度/相位调整装置：

用于链路中射频信号的幅度和相位调整，连接射频功率放大器；

射频功率放大器：

用于系统中射频信号放大，连接发光单元及嵌入式控制单元；

发光单元：

包括灯珠和谐振腔体，连接嵌入式控制单元；

嵌入式控制单元：

通过检测电源、射频功率放大器单元中的相关物理量，根据一定的算法自适应的调整可编程频率源、幅度/相位调整单元的频率及幅度和相位参量使光源系统快速起辉、并能稳定运行，同时能检测系统故障并实施保护，分别控制链接可编程频率源、微波幅度/相位调整装置及射频功率放大器；及用于供电的电源，电源分别与所述的射频功率放大器和所述的嵌入式控制单元连接。

2.根据权利要求1所述的微波等离子体光源，其特征在于，所述的微波幅度/相位调整装置幅度调整应具有≥40dB的动态范围，步长≤0.5dB；相位调整应具备≥90℃的动态范围，步长≤1℃。

3.根据权利要求1所述的微波等离子体光源，其特征在于，所述的射频功率放大器由两级或三级放大器构成。

4.根据权利要求1所述的微波等离子体光源，其特征在于，所述的灯珠由石英材料构成的密封空腔,腔内填充物包含有氩、氪和金属卤化物。

5.根据权利要求1所述的微波等离子体光源，其特征在于，所述的谐振腔体以陶瓷材料作为介质、对陶瓷材料表面进行金属化后即形成谐振腔体。

6.根据权利要求5所述的微波等离子体光源，其特征在于，所述的谐振腔体为矩形谐振腔体。

7.根据权利要求1所述的微波等离子体光源，其特征在于，所述的灯珠设置于谐振腔体的中心部位。

8.根据权利要求1所述的微波等离子体光源，其特征在于，所述的射频功率放大器与谐振腔之间使用同轴电缆连接，采用探针耦合的方式传递射频能量，可以通过调整探针的长度方便的调整耦合度。

9.一种微波等离子体光源的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，开启电源后初始化，系统进行自检，进行频率（F）、幅度（A）、相位（Φ）初始数值的设定；

S2，嵌入式控制单元通过检测来自链路中的驻波和工作电流并在一定的频率范围内进行变化以达到使微波幅度/相位调整装置的驻波和工作电流最优，确定在最优驻波和工作电流信号状态下的工作频率；

S3，控制微波幅度/相位调整装置的幅度并使输入到发光单元的RF功率逐步增加到额定输出功率，发光单元应启辉并点亮，当驻波、工作电流及工作频率为最优时，进行工作温度的检测，如果驻波、工作电流及工作频率非最优时，重复S2；

S4，当工作温度正常时进行其他标准模块调用，如果温度非正常，跳转至S2。