CN209859912U - 一种低成本的微波等离子体光源谐振器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种低成本的微波等离子体光源谐振器，耦合探针与输入同轴线的内导体连接并插入所述的空气耦合腔内，陶瓷谐振器的顶面、底面、前侧面和后侧面均采用金属化处理并接地，在陶瓷谐振器的右侧面上设置有上、下侧金属带，上侧金属带的上端与陶瓷谐振器顶面的金属面连接并接地，下侧金属带的下端与陶瓷谐振器底面的金属面连接并接地，在陶瓷谐振器的左侧面开有半圆柱形沟槽，在沟槽内设有上下两段不连接的金属化处理部分，在上侧金属带和上侧金属化处理部分之间以及下侧金属带与下侧金属化处理部分之间分别开有深过孔。本实用新型减少陶瓷块烧结时的炸裂现象，烧成后尺寸不易变形，精度高，提高了产品的成品率，大幅度地降低成本。

Description

一种低成本的微波等离子体光源谐振器

技术领域

本实用新型涉及高效等离子体光源和微波技术的交叉技术领域，尤其涉及一种低成本的微波等离子体光源谐振器。

背景技术

微波等离子体光源是一种利用微波能量激励气体放电的无电极光源，与目前的高强度气体放电光源相比，它在电弧管内部不存在金属电极，避免了金属电极与玻璃密封容易漏气的风险，以及灯泡高温工作时，避免了电极在真空电弧管内的蒸发而污染发光元素，从而减少了光衰减引起的光通量降低，提高了光源的寿命。此外，等离子体光源允许灯珠工作在高温状态，有利于发光元素的放电光谱展宽，可发出从紫外线到红外线的全光谱点光源，是真正类似太阳光谱的优秀光源。等离子体光源具有无电极、寿命长、光效高和节能环保等优点，应用前景广泛。

微波源驱动等离子发光主要有四部分组成，包括直流电源、射频/微波驱动功率源、微波谐振器和灯泡。其中，能量在微波谐振器表面灯泡处形成较强的电场强度，激发灯泡内气体放电，形成高亮度的光源。目前，现有等离子体光源技术一般采用陶瓷谐振器和金属同轴腔谐振器。其中陶瓷谐振器技术比较成熟，应用最广，在200W的微波功率下能发出20000流明以上的光通量，全光谱最高光效可达150lm/W。但较高的成本限制了等离子光源在市场上的进一步推广，尤其是现有技术采用的陶瓷谐振器，由于厚度和体积较大，烧结工艺困难，烧结过程中很容易发生瓷块炸裂和尺寸变形等问题，成品率低，影响生产效率和产能。另外，现有技术需要在陶瓷表面采用烧银工艺实现大面积金属化，从而形成微波谐振器。而银为贵金属，大量使用的银浆和烧银工艺也造成了成本的上升。综上，由于陶瓷烧结和金属化等工艺问题，导致陶瓷谐振器的成本居高不下，价格贵，严重影响市场推广。

为了降低成本，从生产工艺上采用各种技术来提高陶瓷烧结的成品率，比如CN204792692 U专利公布的陶瓷上打孔技术，或者改变陶瓷块形状。但由于谐振器设计的原因，体积和厚度过大带来的工艺困难并未解决，而且，银浆的使用并未减少，不能从根本上解决成本和价格较高的问题。而且在设计上，一旦谐振器的结构改变，无论尺寸和材料等微小改变，均会引起等离子体光源谐振器谐振频率的变化，导致不能发光或者光效降低。因此，由于可能存在的风险，现有技术中，业内市场上LEP光源中的谐振器结构一直没有变化。

实用新型内容

本实用新型目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种低成本的微波等离子体光源谐振器。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种低成本的微波等离子体光源谐振器，包括有输入同轴线、耦合探针、空气耦合腔和陶瓷谐振器，所述的耦合探针为细长金属棒，耦合探针与输入同轴线的内导体连接并插入所述的空气耦合腔内，所述的陶瓷谐振器为长条形长方体瓷块，陶瓷谐振器的顶面、底面、前侧面和后侧面均采用金属化处理并接地，在陶瓷谐振器的右侧面上设置有上、下侧金属带，上侧金属带的上端与陶瓷谐振器顶面的金属面连接并接地，下侧金属带的下端与陶瓷谐振器底面的金属面连接并接地，在陶瓷谐振器的左侧面开有半圆柱形沟槽，在沟槽内设有上下两段不连接的金属化处理部分，在上侧金属带和上侧金属化处理部分之间以及下侧金属带与下侧金属化处理部分之间分别开有深过孔，在两个深过孔的内壁均作导电金属化处理，所述的陶瓷谐振器的右侧面与空气耦合腔的左侧面接触并固定连接。

所述的上、下侧金属带的宽度均小于陶瓷谐振器右侧面宽度的60%。

在所述的耦合探针插入空气耦合腔的内壁输入口套有绝缘介质环以提高电场耐压。

工作原理为：微波能量通过同轴线输入，同轴线内导体和耦合探针连接，金属探针插入空气耦合腔，在耦合腔内形成电场分布，陶瓷谐振器右侧面的两条金属带与空气腔内电场耦合产生电流，然后在陶瓷谐振器内射频能量产生共振，通过两个深过孔传输到陶瓷块左侧面沟槽内的两个金属化区域之间，在两个金属化区域之间产生强电场，击穿灯珠内气体，并将能量送入灯珠激励产生辉光和弧光放电，产生高亮度的光源。

耦合探针插入空气腔的内壁输入端套有一绝缘介质环以提高电场耐压。本实用新型采用的空气耦合腔，与现有技术的陶瓷块耦合相比，由于空气介质损耗远远低于陶瓷，因而减少了介质损耗，同时减少了陶瓷材料的使用，降低了成本。但使用空气耦合带来的问题是，耐压会降低，大功率传输时会影响微波的传输。为解决这个问题，采用绝缘介质环放置在探针插入耦合腔内的输入口，并套在内导体上，因为此输入口处容易形成电场集中产生击穿。介质环可以直接采用和输入同轴线一体的聚四氟乙烯环，也可以单独增加陶瓷环。

本实用新型的另一个特点是，采用长条形长方体瓷块，大大减少了陶瓷的厚度和体积，和现有技术相比，厚度减少了三分之二左右。然而厚度减少的带来的问题是，由于陶瓷谐振器工作在微波频段，任何结构和尺寸的微小改变，无论陶瓷块厚度、长度、耦合腔材料或者沟槽内金属化的形状和尺寸，均会导致谐振器的谐振频率发生变化，将直接导致等离子体光源无法点亮或者降低光效，因此，必须重新设计谐振器的参数，才能满足LEP工作频率的要求，这需要利用微波领域的知识才能完成，而光源领域常规知识一般并未涉及。本实用新型通过优化和调整长方形陶瓷谐振器瓷块的长度、厚度、顶部平面沟槽内的金属化区域形状和面积，尤其是需要优化计算底部金属带的宽度和孔距，以满足谐振器的频率和常用频段一致，同时既要避免金属带和探针在空气腔内产生电场击穿，也要满足足够的电流承受能力，以及与等离子体良好的耦合能力。

长方体陶瓷块中，半圆柱形沟槽中两部分区域、两个过孔内壁、瓷块周围四个侧面，和右侧面的两个矩形金属带，均做金属化处理，两个深过孔内壁金属分别与右侧面的两个金属带相连，以便形成谐振腔器。金属化方法可以采用烧结钼锰、烧银、或者电镀铜等技术来实现。由于瓷块厚度减小，为了避免金属带和侧面接地层间打火，金属带宽度需小于陶瓷谐振器的底面宽度，而且和现有技术比，宽度需要减小，同时为了满足电流承受能力，金属带的宽度一般为陶瓷右侧面宽度的25%至60%之间。同时，为避免沟槽内的两部分金属化区域在左侧面与地之间击穿，陶瓷左侧面的平面不做金属化，沟槽内两个金属化区域之间保持足够的间隙。

陶瓷谐振器稳定工作的频段需位于无线发射电许可的范围内，其中，优选430MHz-440MHz之间。

实际使用中，采用完全封闭的石英玻璃灯珠或者陶瓷泡壳灯珠，放置在长方体陶瓷块半圆柱形沟槽中，且位于沟槽中两部分金属化区域之间。

本实用新型的优点是：本实用新型减小了等离子体光源LEP用陶瓷谐振器的厚度和体积，同时仅采用一个瓷块，并利用空气介质取代部分陶瓷，使烧结谐振器时陶瓷粉原材料的用量减少了83%，谐振器烧银时四周表面的银浆用量减少了70%左右；而且，在不影响等离子体光源性能的前提下，由于体积和厚度的变小，减少陶瓷块烧结时的炸裂现象，烧成后尺寸不易变形，精度高，提高了产品的成品率，从而可大幅度地降低陶瓷谐振器的成本。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图。

图2为本实用新型一个实施例计算得到的回波损耗图。

图3为本实用新型一个实施例计算得到的电场分布图。

具体实施方式

如图1所示，一种低成本的微波等离子体光源谐振器，包括有输入同轴线1、耦合探针2、空气耦合腔3和陶瓷谐振器4，所述的耦合探针2为细长金属棒，所述的耦合探针2与输入同轴线1的内导体连接并插入所述的空气耦合腔3内，所述的陶瓷谐振器4为长条形长方体瓷块，陶瓷谐振器4的顶面、底面、前侧面和后侧面均采用金属化处理并接地，在陶瓷谐振器4的右侧面上设置有上、下侧金属带5，上侧金属带的上端与陶瓷谐振器4顶面的金属面连接并接地，下侧金属带的下端与陶瓷谐振器4底面的金属面连接并接地，在陶瓷谐振器4的左侧面开有半圆柱形沟槽6，在沟槽6内设有上下两段不连接的金属化处理部分7，在上侧金属带和上侧金属化处理部分之间、以及下侧金属带与下侧金属化处理部分之间分别开有深过孔8，在两个深过孔8的内壁均作导电金属化处理，所述的陶瓷谐振器4的右侧面与空气耦合腔3的左侧面接触并固定连接。

所述的上、下侧金属带5的宽度均小于陶瓷谐振器4右侧面宽度的60%。

在所述的耦合探针2插入空气耦合腔的内壁输入口套有绝缘介质环9以提高电场耐压。

以上所述为本实用新型的内部主体结构，实际使用中，空气耦合腔3和陶瓷谐振器4的上、下、前后侧面等四周和右侧面均有金属外壳包围，实际使用中常用铝或者铝合金材料，利用陶瓷谐振器的安装位置，在铝壳体中直接形成空气腔，避免了现有技术中的陶瓷块耦合，从而减少了材料的成本和陶瓷零件。

实际使用中，采用完全封闭的石英玻璃灯珠或者陶瓷泡壳灯珠，放置在长方体陶瓷块半圆柱形沟槽中，且位于沟槽中两部分金属化区域7之间。

在长方形陶瓷块4上打孔，可进一步增加瓷块的排气通道，避免陶瓷烧结中排石蜡炸裂现象，进一步提高成品率。

由于底部空气腔的存在，为了在金属外壳中固定陶瓷谐振器的位置，可通过在陶瓷块的侧面上设计数个盲孔10，通过螺钉固定并穿透金属外壳插入瓷块盲孔，从而将陶瓷谐振器固定牢固。

图2为本实用新型低成本微波等离子体光源谐振器一个实施例的回波损耗计算结果，可见，谐振频率为453MHz，和目前现有技术频段一致，证明了本实用新型的可行性。利用此谐振器激发灯珠达到完全额定状态工作后，频率将位于正常范围内，图3为其计算的电场分布图。

本实用新型一个实施例已经完成加工，并经微波测试和等离子体光源实验证实，测试结果和理论计算一致，证明了本实用新型的可行性和效果。

Claims (3)

1.一种低成本的微波等离子体光源谐振器，其特征在于：包括有输入同轴线、耦合探针、空气耦合腔和陶瓷谐振器，所述的耦合探针与输入同轴线的内导体连接并插入所述的空气耦合腔内，所述的陶瓷谐振器为长条形长方体瓷块，陶瓷谐振器的顶面、底面、前侧面和后侧面均采用金属化处理并接地，在陶瓷谐振器的右侧面上设置有上、下侧金属带，上侧金属带的上端与陶瓷谐振器顶面的金属面连接并接地，下侧金属带的下端与陶瓷谐振器底面的金属面连接并接地，在陶瓷谐振器的左侧面开有半圆柱形沟槽，在沟槽内设有上下两段不连接的金属化处理部分，在上侧金属带和上侧金属化处理部分之间以及下侧金属带与下侧金属化处理部分之间分别开有深过孔，在两个深过孔的内壁均作导电金属化处理，所述的陶瓷谐振器的右侧面与空气耦合腔的左侧面接触并固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种低成本的微波等离子体光源谐振器，其特征在于：所述的上、下侧金属带的宽度均小于陶瓷谐振器右侧面宽度的60%。

3.根据权利要求1所述的一种低成本的微波等离子体光源谐振器，其特征在于：在所述的耦合探针插入空气耦合腔的内壁输入口套有绝缘介质环。