DE4229894B4

DE4229894B4 - Koppelvorrichtung für die Speisung von Mikrowellenenergie zur Erregung elektrodenloser Lampen

Info

Publication number: DE4229894B4
Application number: DE4229894A
Authority: DE
Inventors: Walter P. Marlborough Lapatovich; Scott J. N. Oxford Butler; Jason R. Springfield Bochinski
Original assignee: GTE Products Corp
Current assignee: Osram Sylvania Inc
Priority date: 1991-09-11
Filing date: 1992-09-11
Publication date: 2004-02-05
Anticipated expiration: 2012-09-12
Also published as: JPH05266988A; CA2076815A1; CA2076815C; DE4229894A1; US5130612A

Abstract

Koppelvorrichtung für die Speisung von Mikrowellenenergie zur Erregung elektrodenloser Lampen, die aus zwei Drahtwindungen besteht, die an den Enden von Speisungspunkten einer Übertragungsleitung angeschlossen und einander zugewandt sind, so daß sie einen Zwischenraum zwischen den Drahtwindungen bilden, in dem die jeweilige Lampe angeordnet ist,dadurch gekennzeichnet, daß die Drahtwindungen Schleifenzuführungen sind,
mit einer ersten Schleifenzuführung, die eine erste Teilbiegung mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende und eine zweite Teilbiegung mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende aufweist, wobei die erste Biegung und die zweite Biegung Ebenen bilden, die parallel zueinander und in Abstand voneinander angeordnet sind, sowie eine dritte Teilbiegung, die eine Ebene bildet, die orthogonal zu den parallelen Ebenen der ersten und der zweiten Teilbiegung angeordnet ist und in welcher die dritte Teilbiegung mit einem Ende an dem zweiten Ende der ersten Teilbiegung und mit einem zweiten Ende an dem zweiten Ende der zweiten Teilbiegung anschließt; und
einer zweiten Schleifenzuführung mit einer ersten Teilbiegung, die ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist, und mit einer zweiten Teilbiegung, die ein erstes Ende und ein zweites Ende auf weist, wobei die erste Biegung und die zweite Biegung Ebenen bilden, die parallel zueinander und in Abstand voneinander angeordnet sind, wobei eine dritte Teilbiegung eine Ebene bildet, die orthogonal zu den parallelen Ebenen der ersten und der zweiten Teilbiegung angeordnet ist und in welcher die dritte Teilbiegung mit einem ersten Ende an dem zweiten Ende der ersten Teilbiegung und mit einem zweiten Ende an dem zweiten Ende der zweiten Teilbiegung anschließt;
wobei ferner die erste und die zweite Schleifenzuführung derart angeordnet sind, daß sie einander zugewandt sind und einen Abstand bilden; mit
einer planaren Übertragungsleitung mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende, wobei das erste Ende der Übertragungsleitung an dem ersten Ende der ersten Teilbiegung der ersten Schleifenzuführung und am ersten Ende der zweiten Teilbiegung der ersten Schleifenzuführung angeschlossen ist, während das zweite Ende der Übertragungsleitung an dem ersten Ende der ersten Teilbiegung der zweiten Schleifenzuführung und dem ersten Ende der zweiten Teilbiegung der zweiten Schleifenzuführung angeschlossen ist, wobei schließlich die Übertragungsleitung einen Balun bildet, so daß eine Spannung an der ersten Schleifenzuführung an der zweiten Schleifenzuführung um 180° phasenverschoben ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Koppelvorrichtung für die Speisung von Mikrowellenenergie zur Erregung elektrodenloser Lampen, die aus zwei Drahtwindungen besteht, die an den Enden von Speisungspunkten einer Übertragungsleitung angeschlossen und einander zugewandt sind, sodass sie einen Zwischenraum zwischen den Drahtwindungen bilden, in dem die jeweilige Lampe angeordnet ist.
Aus der EP 0 358 462 A2 ist eine Koppelvorrichtung dieser Bauart bekannt, bei der die beiden Drahtwindungen aus einer ersten und einer zweiten elektromagnetartig ausgebildeten Wicklung bestehen, deren beide Achsen kongruent und die kegelstumpfartig ausgebildet sind, wobei ihre jeweils verjüngten Abschnitte einander zugewandt sind und den Zwischenraum zwischen sich bilden, in dem die elektrodenlose Lampe angeordnet ist. Die Speisungspunkte befinden sich an den dem Wischenraum zugeordneten Enden der Windungen, die an ihren jeweils anderen Enden miteinander in Verbindung stehen.
Da die Drahtwindungen aus kegelstumpfförmigen Wicklungen bestehen, beanspruchen sie bereits für sich genommen einen erheblichen Raum beiderseits der Lampe und eine erhebliche Drahtmenge, ferner schatten sie die Lampe nachteiligerweise ab.
Becherähnliche Endbefestigungen für die Erregung von elektrodenlosen Lampen werden von McNeill im US 4 041 352 beschrieben, das eine einendige Erregung zeigt, sowie im US 4 266 162 , das eine doppelendige Erregung offenbart. Das näherliegende Patent ist das letztgenannte, in welchem sich McNeill mit langgestreckten Quellen befaßt und in dem er die Vorzüge einer doppelendigen Erregung darlegt (siehe Spalte 7, Zeilen 54 bis 68).
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Koppelvorrichtung für die Erregung elektrodenloser Entladungslampen zu schaffen, die die Nachteile der bekannten Bauarten behebt. Diese Aufgabe wird durch eine Koppelvorrichtung mit den Merkmalen des Anpruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt.
Insbesondere wird eine bevorzugte Ausführungsform geschaffen, bei welcher die planare Übertragungsleitung einen solchen Balun bildet, dass die Haarnadel-Zuführungen um 180° zueinander phasenverschoben sind.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
In den Zeichnungen zeigen:
1 die "Haarnadel"-Zuführung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine Seitenansicht der Haarnadel-Zuführung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer zwischen die Zuführungen plazierten elektrodenlosen Lampe;
3 eine Draufsicht auf die Haarnadel-Zuführungen einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer zwischen den Zuführungen plazierten elektrodenlosen Lampe.
Es wird eine Koppelvorrichtung für die Speisung von Mikrowellenenergie zur Erregung elektrodenloser Lampen beschrieben. Dieselbe ist aus zwei Drahtschleifen gebildet, die an den Enden von phasengesteuerten Speisungspunkten einer planaren Transmissionsleitung befestigt sind und einander gegenüberliegen, sodass sie einen Zwischenraum zwischen den Schleifen bilden. Die Gestalt der Schleife erzeugt ein elektromagnetisches Feld in der Nachbarschaft der Schleife und in dem Zwischenraum zwischen einander gegenüberliegenden Schleifen. Eine derartige Feldkonfiguration ist für die Erregung einer elektrodenlosen Entladung in einer Kapsel zu wünschen, die innerhalb des von den einander gegenüberliegenden Schleifen gebildeten Zwischenraums angeordnet ist.
Eine guasi-TEM (transverse electromagnetic)-Welle, die sich der Mikrostreifenleitung entlang fortpflanzt, trifft auf eine Diskontinuität dort, wo die Planare Leitung endet. In Abwesenheit einer Schleife würde der Reflexionskoeffizient sich Unendlich nähern und die Spannung an der Diskontinuität würde anwachsen. Die Diskontinuität verhält sich in der Ebene des dielektrischen Substrats wie ein magnetischer Dipol, wie es von Schafer et al. diskutiert wird (M. Schafer, U. Bochtler, R. Bitzer und F. Landstorfer, Microwave Journal, Oct. 1989 p. 139–143). Die Schleife (auch "Haarnadel" genannt) ist derart geformt, daß sich aus der Umgebung der Diskontinuität ein Strompfad fortsetzen lässt, um die Diskontinuität zu unterstützen, nämlich konkret den magnetischen Dipol. Dies erlaubt es dem Feld, "auszulaufen" oder sich lokal in einer gedämpften Welle in den Zwischenraum zwischen den Schleifen fortzupflanzen, in dem die zu erregende Lampenkapsel sitzt. Der Durchmesser der Schleifen, der Abstimmspalt (das ist die Annäherung der Bodenwindung des Drahts an die Nullebene) und der Drahtdurchmesser tragen dazu bei, den Schaltkreis an die Impedanz einer bestimmten Lampe anzupassen. Die Lampen wurden im Bogenentladungsmodus betrieben, und zwar mit einer Leistung, die derjenigen von Lampen mit schraubenförmigen Kopplern bei 915 MHz oder auch 2,45 GHz ähnlich ist, die diese Technik benutzen.
Die weitere Beschreibung der Erfindung erfolgt unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen. 1 zeigt die wesentlichen Merkmale einer "Haarnadel"- oder Schleifenzuführung 10. Die Schleifenzuführung 10 ist am Ende der Mikrostreifenleitung 11 mittels einer Lötverbindung 12 oder anderer geeigneter Mittel angebracht. Nicht gezeigt ist die zweite Schleifenzuführung, die dann mit der ersten einen Zwischenraum 15 bildet, in dem die Lampe positioniert ist. Die Nullebene 18 ist parallel zu der Mikrostreifenleitung angeordnet und von dieser durch das Substrat 19 getrennt.
Die 2 und 3 zeigen die innerhalb des von den einander zugewandten "Haarnadel"-Schleifen 10 gebildeten Zwischenraums angeordnete Lampenkapsel. Die Lampenkapsel 20 befindet sich an keinem Punkt in Kontakt mit den Schleifen 10. Die einzelnen Haarnadeln 10 werden durch drei Teilwindungen gebildet. Zwei Windungen befinden sich in parallelen Ebenen senkrecht zu der Ebene des dielektrischen Substrats 19 und voneinander durch einen Abstand getrennt, der ein wenig größer ist als der Lampendurchmesser. Der Abstand zwischen dem Draht und der Lampe sollte sich zwischen 0,1 und 10 mm bewegen, mit einem bevorzugten Abstand von etwa 0,5 mm für eine Lampe, die für eine Belastung mit 25 W ausgelegt ist. Die dritte Teilbiegung befindet sich in einer zu der ersten und zweiten Teilbiegung senkrechten Ebene, was einen zweiflächigen Winkel 25 mit der Nullebene 18 der Leiterplatte ausmacht. Dieser zweiflächige Winkel 25 ist zwischen 0 und 135° groß, einstellbar und bildet einen Teil der Abstimmung der Haarnadel-Zuführungen auf die Lampenimpedanz. Ebenfalls in 2 gezeigt sind Lampenverlängerungen 26 und Lampensupporte 27, die dazu verwendet werden, die Lampe 20 sicher zwischen den Haarnadeln 10 gemäß vorliegender Erfindung zu halten. Jedes geeignete Mittel läßt sich benutzen, um die Lampe 20 sicher zwischen den Haarnadeln 10 zu positionieren.
Der offene Charakter der "Haarnadel"-Schleifen 10 erlaubt ein einfaches Positionieren der Lampe 20 innerhalb des Zwischenraums 15. Die Lampe wird im wesentlichen nicht von Metall umgeben, entweder in der Form einer massiven Oberfläche (wie bei den Endbechern) oder als eine straff gewundene Helix. Dies nennt sich Minimalkopplung und ist ein neues und wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung. weil der Aufbau nur minimal opak ist, läßt sich mehr Licht von der Quelle an eine Optik, wie z.B. einen Reflektor, koppeln. Zusätzlich verringert die Reduzierung der Flächengröße Strahlungsverluste der elektromagnetischen Energie und streut weniger von der optischen Energie, was für weniger Blendung im Falle einer mit einer Optik gepaarten Quelle sorgt. Schließlich fängt die Minimalkopplung eine minimale Menge Wärmestrahlung von der heißen Bogenentladungsröhre auf, die längs der Schleifen zu den Lötverbindungen zurückgeführt wird. Eine an eine Übertragungsleitung 32 gekoppelte Mikrowellenquelle 31 liefert Mikrowellenleistung an die Haarnadel-Schleifen 10.
Die gemäß vorliegender Offenbarung benutzten Lampenkapseln waren aus wasserfreiem Quarz hergestellt und besaßen einen äußeren Durchmesser von 3 mm und einen inneren Durchmesser von 2 mm. Die innere Länge der Kapseln betrug etwa 10 mm. Jedoch lassen sich auch Lampen anderer Dimensionierung durch die Zuführungen gemäß vorliegender Erfindung leicht speisen.
Die Lampenkapsel 20 schließt eine Lampenfüllung 21 ein, die verschiedene zusätzliche Dotierungsstoffe aufweisen kann, wie sie Stand der Technik sind. Die Komposition der Lampenfüllung 21 ist derart gewählt, daß sie zumindest ein verdampfbares Material aufweist und durch Radiofrequenzenergie erregbar ist. Die bei der vorliegenden Erfindung zweckmäßigen Lampenfüllkompositionen sind diejenigen, die in Bogenentladungsröhren geläufig sind. Das bevorzugte Gas ist eine Penning-Mischung von hauptsächlich Neon mit einem kleinen Betrag (1 %) Argon, obgleich auch Xenon, Krypton, Argon oder reines Neon verwendet werden können. Die Lampenfüllung schließt vorzugsweise eine metallische Verbindung ein, wie z.B. ein metallisches Salz. Scandiumjodid ist ein solches Salz.
Die in der Lampenkapsel verwendete Lampenfüllung besteht aus etwa 0,3 mg Quecksilber, 0,1 mg Natrium-Scandium-Jodid mit einer Penning-Gasmischung bei etwa 2700 Pascal. Die Penning-Gasmischung bestand aus etwa 0,005 % Argon in. Neon.
Das Drahtmaterial, das die ersten und zweiten Schleifenzuführungen bildet, kann aus der aus Kupfer, Nickel und Wolfram bestehenden Gruppe ausgewählt werden.
Während die hier gezeigte Schleife aus Draht hergestellt ist, dürfte es für den Fachmann naheliegend sein, daß auch eine Schleife aus einem dünnen, flachen Leiter benutzt werden könnte.
Ferner können die erste und die zweite Schleifenzuführung aus einer Wolfram-Gold-Legierung oder einer Hochtemperatur-Supraleiter-Keramik hergestellt sein. Unter dem Begriff "Haarnadel" soll allgemein ein Drahtstück verstanden werden, das in einer komplizierten Kurvenform gebogen ist.

Claims

Koppelvorrichtung für die Speisung von Mikrowellenenergie zur Erregung elektrodenloser Lampen, die aus zwei Drahtwindungen besteht, die an den Enden von Speisungspunkten einer Übertragungsleitung angeschlossen und einander zugewandt sind, so daß sie einen Zwischenraum zwischen den Drahtwindungen bilden, in dem die jeweilige Lampe angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Drahtwindungen Schleifenzuführungen sind, mit einer ersten Schleifenzuführung, die eine erste Teilbiegung mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende und eine zweite Teilbiegung mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende aufweist, wobei die erste Biegung und die zweite Biegung Ebenen bilden, die parallel zueinander und in Abstand voneinander angeordnet sind, sowie eine dritte Teilbiegung, die eine Ebene bildet, die orthogonal zu den parallelen Ebenen der ersten und der zweiten Teilbiegung angeordnet ist und in welcher die dritte Teilbiegung mit einem Ende an dem zweiten Ende der ersten Teilbiegung und mit einem zweiten Ende an dem zweiten Ende der zweiten Teilbiegung anschließt; und einer zweiten Schleifenzuführung mit einer ersten Teilbiegung, die ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist, und mit einer zweiten Teilbiegung, die ein erstes Ende und ein zweites Ende auf weist, wobei die erste Biegung und die zweite Biegung Ebenen bilden, die parallel zueinander und in Abstand voneinander angeordnet sind, wobei eine dritte Teilbiegung eine Ebene bildet, die orthogonal zu den parallelen Ebenen der ersten und der zweiten Teilbiegung angeordnet ist und in welcher die dritte Teilbiegung mit einem ersten Ende an dem zweiten Ende der ersten Teilbiegung und mit einem zweiten Ende an dem zweiten Ende der zweiten Teilbiegung anschließt; wobei ferner die erste und die zweite Schleifenzuführung derart angeordnet sind, daß sie einander zugewandt sind und einen Abstand bilden; mit einer planaren Übertragungsleitung mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende, wobei das erste Ende der Übertragungsleitung an dem ersten Ende der ersten Teilbiegung der ersten Schleifenzuführung und am ersten Ende der zweiten Teilbiegung der ersten Schleifenzuführung angeschlossen ist, während das zweite Ende der Übertragungsleitung an dem ersten Ende der ersten Teilbiegung der zweiten Schleifenzuführung und dem ersten Ende der zweiten Teilbiegung der zweiten Schleifenzuführung angeschlossen ist, wobei schließlich die Übertragungsleitung einen Balun bildet, so daß eine Spannung an der ersten Schleifenzuführung an der zweiten Schleifenzuführung um 180° phasenverschoben ist.
Koppelvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die erste und die zweite Schleifenzuführung jeweils aus einem einzelnen Drahtstück geformt sind.
Koppelvorrichtung nach Anspruch 2, bei welcher der Draht aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Kupfer, Nickel und Wolfram besteht.
Koppelvorrichtung nach Anspruch 2, bei welcher die erste und die zweite Schleifenzuführung aus einer Wolfram-Gold-Legierung hergestellt sind.
Koppelvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die erste und die zweite Schleifenzuführung aus einer Hochtemperatur-Supraleiter-Keramik hergestellt sind.
Koppelvorrichtung nach Anspruch 1, die zusätzlich eine Nullebene aufweist, die parallel zu den ersten und den zweiten Enden der planaren Übertragungsleitung angeordnet ist, wobei die von der dritten Teilbiegung der ersten Schleifenzuführung gebildete Ebene einen zweiflächigen Winkel zwischen 0 und 135° mit der Nullebene bildet und die von der dritten Teilbiegung der zweiten Schleifenzuführung gebildete Ebene einen zweiflächigen Winkel zwischen 0 und 135° mit der Nullebene bildet.