DE4327328A1

DE4327328A1 - Vorrichtung für die Zufuhr von Energie zu elektrodenlosen Gasentladungs-Lampen

Info

Publication number: DE4327328A1
Application number: DE4327328A
Authority: DE
Inventors: Walter P Lapatovich; Scott J Butler
Original assignee: GTE Products Corp
Current assignee: Osram Sylvania Inc
Priority date: 1992-08-14
Filing date: 1993-08-13
Publication date: 1994-03-31
Also published as: US5280217A; JP3461537B2; JPH07307105A; CA2104093C; CA2104093A1

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft elektrodenlose Lampenbefestigungen und insbesondere eine Baugruppe für die Zufuhr von Energie zu einer elektrodenlosen Lampe.

Erfindungshintergrund

Bei herkömmlichen, elektrodenlosen Lampenmontagen wird Energie von zwei feldbildenden Einrichtungen bzw. Zuführungen in den Lampenaufbau hineinprojiziert, die einander gegenüberliegend derart ausgerichtet sind, daß sie zwischen sich einen Zwischenraum bilden, der die Lampe aufnimmt. Die Zuführungen bzw. Anschlüsse etablieren ein ausreichendes elektromagnetisches Feld in der Nachbarschaft der Lampe, um eine Entladung in der Lampe zu initiieren und aufrechtzuerhalten. Die Anschlüsse sind jeweils an gephasten Speisepunkten befestigt, die den jeweiligen Enden einer planaren Übertragungsleitung entsprechen.

Laufende Bemühungen zur Verbesserung der vorgenannten Lampenmontagen haben danach getrachtet, Feldanschlüsse bzw. -zuführungen zu entwickeln, die für eine optimale und effiziente Einspeisung von Energie in die Lampen sorgen. Eine den Stand der Technik illustrierende Lampe ist in der U.S. Patentschrift Nr. 5,070,277 beschrieben, die durch Bezugnahme in die vorliegende Beschreibung eingeschlossen wird. Diese Baugruppe benutzt Slow Wave-Anschlüsse aus Schraubenwendeln, welche die elektromagnetische Wellenlänge innerhalb der Helix komprimieren. Weitere Beispiele von Anschlußstrukturen für die Projektion von Energie in die Lampe sind in der U.S. Patentschrift Nr. 4,041,352 (einendige Erregung), in der U.S. Patentschrift Nr. 4,266,162 (zweiendige Erregung) und U.S. Patentschrift Nr. 5,130,612 (Schleifenzuführung) zu finden.

Bei jeder der obigen Baugruppen nach dem Stand der Technik sind die Anschlüsse bzw. Zuführungen elektrisch miteinander durch planare Übertragungsleitungen gekoppelt, die durch Biegungen und andere Diskontinuitäten charakterisiert sind, die die Fortpflanzung des Signals beeinflussen. Insbesondere sind die Diskontinuitäten an den beiden gephasten Speisepunkten nicht identisch, wo die Energie durch die Zuführungen bzw. Anschlüsse in die Lampenstruktur eingekoppelt wird. Dementsprechend zeigen die Lampenbaugruppen nach dem Stand der Technik eine Unausgewogenheit bezüglich der den Anschlüssen zugeführten Leistung, und demnach eine Unausgewogenheit bezüglich der in die Lampe verbrachten Energie. Nachteiligerweise kann diese leistungsmäßige Unausgewogenheit das Betriebsverhalten der Lampe und die Temperaturverteilung innerhalb der Lampe beeinträchtigen.

Aufgaben der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben genannten und weitere Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Leistungsteilung und Verteilung in planaren Übertragungsleitungen zu gewährleisten.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine ausgewogene Leistungszufuhr zu einer elektrodenlosen Lampe zu gewährleisten.

Es ist schließlich eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine planare Übertragungsleitung zu schaffen, welche eine Anpassung an die Lampenimpedanz erleichtert.

Zusammenfassung der Erfindung

Vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ankoppeln von Energie an erste und zweite Feldzuführungen, bei welcher diese Zuführungen koaxial orientiert sind, um einen Zwischenraum zu bilden, der eine Lichtquelle aufnimmt. Die Vorrichtung umfaßt eine Leistungsteilereinrichtung, die auf ein Eingangssignal anspricht, um ein erstes und ein zweites Leistungssignal zu erzeugen, die für das Eingangssignal repräsentativ sind, ein erstes Übertragungsmedium, daß mit der Leistungsteilereinrichtung verbunden ist, um das erste Leistungssignal an der ersten Zuführung anzukoppeln, und ein zweites, mit der Leistungsteilereinrichtung verbundenes Übertragungsmedium, um das zweite Leistungssignal an der zweiten Zuführung anzukoppeln.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine den Stand der Technik darstellende Lampenbaugruppe;

Fig. 2 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Lampenbaugruppe nach der vorliegenden Erfindung.

Einzelbeschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Fig. 1 zeigt eine Lampenbaugruppe nach dem Stand der Technik, wie sie in der bereits oben eingeführten U.S. Patent Nr. 5,070,277 offenbart ist. Mittels zweier Feldzuführungen bzw. -anschlüsse 18, 44, die durch einen Abstand 46 getrennt sind, der die Lampe aufnimmt, wird Energie in die Kapsel 70 hinein gekoppelt bzw. übertragen. Die Zuführungen sind zueinander koaxial positioniert und richten Leistung aufeinander zu. Sie sind vorzugsweise Slow- Wave- bzw. Mikrowellen-Koppler.

Eine Leistungsquelle 12 liefert Mikrowellenenergie an einen Streifenleiter-Ankopplungstrichter, der die Energie an die Zuführungen 18, 44 koppelt, die an den jeweiligen Enden der Kapsel 20 angeordnet sind. Insbesondere koppelt der Streifenleiter- Ankopplungstrichter Leistung von der Quelle 12 zu der Feldzuführung 18 über einen leitenden Streifen 36 einer Streifenleitung, und koppelt ferner Leistung zur Feldzuführung 44 durch die Mikrostreifenleitungsverlängerung 38. Die Mikrostreifenleitung 36 und die Verlängerung 38 bilden eine planare Übertragungsleitung und steuern das Phasenverhältnis zwischen den jeweils an den Punkten (ª) und (b) zwischen den an den Feldzuführungen 18, 44 angelegten Signalen. In einer Übertragungsleitung befindet sich eine Diskontinuität, sobald ein nicht angepaßter Übergang zwischen verbreitenden Medien auftritt. Bei der Baugruppe nach Fig. 1 würde beispielsweise eine Diskontinuität am Übergang von der planaren Übertragungsleitung zur Lampenkapsel 12 existieren. Für Vergleichszwecke kann eine Diskontinuität quantitativ charakterisiert werden durch ihren Reflexionskoeffizient.

Ein Nachteil des in Fig. 1 dargestellten Aufbaus der Übertragungsleitung besteht darin, daß die von dem an die Zuführung 18 angekoppelten Signal angetroffenen Diskontinuitäten nicht identisch sind mit den von dem an die Zuführung 44 angekoppelten Signal angetroffenen Diskontinuitäten. Insbesondere trifft die sich die Mikrostreifenleitung 36 entlang fortpflanzende Quasi-TEM-Welle eine Diskontinuität, wo die planare Leitung am Punkt (ª) abbiegt, um eine rechtwinklige Biegung zu bilden. An diesem Punkt wird die Leistung teilweise an die erste Feldzuführung 18 angekoppelt und fährt teilweise fort, über den Punkt (ª) hinaus zum Punkt (b) zu fließen. Hingegen trifft die sich die Mikrostreifenleitungsverlängerung 38 entlang fortpflanzende Welle eine unterschiedliche Diskontinuität, wo die Verlängerung am Punkt (b) in einer offene Übertragungsleitung endet. Ein Maß für die Unterschiedlichkeiten in den Diskontinuitäten würde sich in einem Vergleich zwischen den Reflexionskoeffizienten an den Punkten (ª) und (b) widerspiegeln.

Die vorliegende Erfindung ist auf ein verbessertes Leistungsverteilungssystem für die Ankopplung von Mikrowellenenergie an den Zuführungen gerichtet. Die Fig. 2 illustriert schematisch in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein solches System.

Das Leistungsverteilungssystem besitzt einen Leistungsteiler 20 oder ein symmetrisches "T" mit einem Eingangszweig und zwei Ausgangszweigen, die an einen gemeinsamen Knotenpunkt (c) angeschlossen sind. Der Eingangszweig ist durch eine Eingangspforte 21 an eine Hochfrequenz-Leistungsquelle 27 angeschlossen, die vorzugsweise im Mikrowellenbereich arbeitet. Das "T" befindet sich in der Ebene des Substrats oder der Schaltungsplatte. Der Kürze halber werden der Leistungsteiler 20 und zugehörige Komponenten für die Zuführung von Engerie zum Teiler im folgenden als eine Leistungsschaltung bezeichnet. Der Teiler 20 besitzt 2 Ausgangspforten, von denen jede vom gemeinsamen Knotenpunkt (c) an einen entsprechenden Teil der planaren Übertragungsleitung angeschlossen ist. Genauer gesagt, ein erster Steg 22 der Übertragungsleitung koppelt die erste Ausganspforte des Teilers 20 an den Zuführungspunkt (ª) an, während ein zweiter Steg 23 der Übertragungsleitung die zweite Ausgangspforte des Teilers 20 an den Zuführungspunkt (b) ankoppelt. Die zwei Leistungssignale vom Teiler 20, die sich längs entsprechender Stege der Übertragungsleitung fortpflanzen, sind jeweils von den Speisungspunkten (ª) und (b) in die Zuführungen 24 und 25 eingekoppelt.

Wie in Fig. 2 gezeigt, wird die Leistung an einem Punkt (c) geteilt, der von der elektrischen Befestigung der Feldzuführungen, nämlich den Punkten (ª) und (b), entfernt ist, während bei der Baugruppe nach dem Stand der Technik gemäß Fig. 1 die Leistung an einem Punkt (ª) geteilt wird, der einer der Zuführungen benachbart ist. Das Entfernt sein dieser Leistungsteilung ist ein Vorteil, weil die sich längs der ersten und zweiten Stege der Übertragungsleitung fortpflanzenden Signale im wesentlichen gleiche Diskontinuitäten antreffen werden, sobald die Signale ihre jeweiligen Zuführungspunkte in der Übertragungsleitung erreichen und in die Zuführungen gekoppelt werden.

Insbesondere werden längs der beiden Stege der Übertragungsleitung Signale gleicher Leistungsstärke übertragen und in Diskontinuitäten eingespeist, die offenen Übertragungsleitungen entsprechen, wo die Feldzuführungen befestigt sind. Diese Diskontinuitäten am Übergang von einer offenen Leitung zu den Zuführungen 24 und 25 sind im wesentlichen identisch, wie durch einen Vergleich der Reflexionskoeffizienten an diesen Übergängen gezeigt werden kann.

Als ein weiterer Vorteil ist anzuführen, daß die entfernte Lokalisierung des Punkts (c) den Leistungsteiler effektiv von den Diskontinuitäten entkoppelt und dabei die Anpassung der Leistungsschaltung an die Lampenimpedanz erleichtert. Insbesondere ist die Transformation der Impedanz von der Übertragungsleitung zu den Zuführungen einfach modifizierbar, um die Anpassung der Leistungsschaltungs-Impedanz (typisch 50 Ohm) an die effektive Impedanz der Lampe 26 und der Zuführungen 24 und 25 zu ermöglichen. Demzufolge schafft die vorliegende Erfindung eine ausbalanciertere Leistungszufuhr zur Lampe als beim Stand der Technik.

Der erste Steg 22 führt eine willkürliche Phasenverzögerung von Φ in das Leistungssignal ein, wenn es sich vom Punkt (c) zum Punkt (ª) fortpflanzt. Vorzugsweise besteht der zweite Steg 23 aus einer Halbwellenlängen-Symmetrierleitung (elektrische Länge einer halben Leiterwellenlänge) zuzüglich der Leiterlänge, die erforderlich ist, um die gleiche willkürliche Phase Φ wie der erste Steg einzuführen. Somit sind die Signale an den Punkten (ª) um 180° außer Phase, derart, daß die Spannungsgröße über die Lampe 26 maximiert ist, da die in die Lampe eingekoppelten Signale konstruktiv addiert werden.

Allgemein kann die Phasenverzögerung jedes Stegs gewählt werden, um gewünschte Strom-Spannungs-Werte für die Signale zu produzieren, die an den Zuführungspunkten ª und b erscheinen. Beispielsweise kann Φ einfach derart justiert werden, daß es ein ungerades Vielfaches von 90° wird, um jedwede Spannungsvervielfachung oder Impedanzumwandlung zu erzielen, die an den Diskontinuitäten auftreten können, und zwar wegen des speziellen Wertes von Φ. Die Impedanztransformation erlaubt im wesentlichen ausbalancierte Leistungszuführungen zu den Speisungspunkten (ª) und (b) der Zuführungen bzw. Anschlüsse.

In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wurde eine auf Fig. 2 basierende Baugruppe konstruiert, um einer von einer elektrodenlosen Lampe gebildeten Lichtquelle Energie zuzuführen, die eine NaSc-Jodid-Füllung mit Hg und einem Argon-Puffergas aufweist. Die Feldzuführungen waren schraubenförmige Strukturen aus reinem Nickeldraht. Die Baugruppe umfaßte ein Substrat aus PTFE/Glas mit einer Dicke von 1,524 mm (0,060 Zoll) mit einer nickelplattierten Kupfermikroleitung. Obgleich die bevorzugte Kontur der Übertragungsleitungsabschnitte abgeschrägte Ecken aufwies, kann die vorliegende Erfindung mit jeder Art von Kontur, einschließlich abgerundeter Ecken, ausgeführt werden. Die Baugruppe war schließlich mit 915 MHz betreibbar; die bevorzugte Phasenverzögerung betrug 90°.

Wie dem Fachmann ohne weiteres deutlich sein wird, ist die Baugruppe nach der vorliegenden Erfindung tragfähig für einen weiten Bereich von Betriebsfrequenzen, Lichtquellen und Übertragungsleitungen. Beispielsweise läßt sich die vorliegende Erfindung bei 2,45 GHz, 915 MHz und anderen Frequenzen betreiben, obgleich zu bevorzugen ist, innerhalb des genehmigten ISM-Bands zu arbeiten. Die Übertragungsmedien können von Mikrostreifen, Streifenleitung, Schlitzleitung, Schichtleitung (slabline), Koaxialleitung, Hohlleitung oder Zwillingsleitung verkörpert werden; ferner können die Übertragungsmedien metallisch, plattiert, metallische Legierungen, oder Hochtemperatur- Supraleitungs-Keramiken sein, wie Y-Ba-Cu-O. Schließlich können jedwede Arten von Feldzuführungen benutzt werden, einschließlich Wendeln, Endkappen und Schleifen.

Claims

1. Vorrichtung zur Kopplung von Energie an erste und zweite Feldzuführungen, wobei die Zuführungen derart angeordnet sind, daß sie zwischen sich einen Zwischenraum bilden, der eine Lichtquelle aufnimmt, mit:
einem Leistungsteiler, der auf ein Eingangssignal reagiert, um ein erstes und ein zweites Leistungssignal zu erzeugen, die für das Eingangssignal repräsentativ sind;
einem ersten Übertragungsmedium, das mit dem Leistungsteiler verbunden ist, um das erste Leistungssignal an die erste Zuführung anzukoppeln; und
einem zweiten Übertragungsmedium, das mit dem Leistungsteiler verbunden ist, um das zweite Leistungssignal an die zweite Zuführung anzukoppeln.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher
das erste Übertragungsmedium eine willkürliche Phase Φ in das erste Leistungssignal einführt; und
das zweite Übertragungsmedium eine Phase in das zweite Leistungssignal einführt, das gleich (λ_g/2 +Φ) ist, wobei λ_g eine sich fortpflanzende Wellenlänge des zweiten Übertragungsmediums ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei welcher eine Betriebsfrequenz der Vorrichtung 915 MHz, 2,45GHz und Frequenzen innerhalb eines 15M-Bandes besitzen kann.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei welcher die willkürliche Phase einem ungeraden Vielfachen von 90° für das erste Übertragungsmedium gleich ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die ersten und zweiten Feldzuführungen schraubenförmige, Endkappen- oder Schleifen strukturen einschließen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die ersten und zweiten Übertragungsmedien Übertragungsleitungen wie Mikrostreifen, Streifenleitung, Schlitzleitung, Schichtleitung, koaxiale Leitungen, Hohlleitungen oder Zwillingsleitungen umfassen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die ersten und zweiten Übertragungsmedien aus metallischen, plattierten, metallisch legierten oder supraleitenden keramischen Materialien hergestellt sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher eine Kontur des ersten Übertragungsmediums und des zweiten Übertragungsmediums abgeschrägte Ecken aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher eine Kontur des ersten Übertragungsmediums und des zweiten Übertragungsmediums abgerundete Ecken einschließt.

10. Vorrichtung zur Kopplung von Energie an erste und zweite Feldzuführungen, mit einer Übertragungsleitung, die die Feldzuführungen elektrisch verbindet, bei welcher die Verbesserung umfaßt:
einen an der Übertragungsleitung an einem entfernt von den Zuführungen angeordneten Punkt angekoppelten Leistungsteiler, wobei der Leistungsteiler auf ein Eingangssignal mit einer Erzeugung eines ersten und eines zweiten Leistungssignals reagiert, die jeweils an ersten und zweiten Stegen einer Übertragungsleitung angekoppelt sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei welcher
der erste Steg der Übertragungsleitung eine willkürliche Phase Φ in das erste Leistungssignal einführt; und
der zweite Steg der Übertragungsleitung eine Phase in das zweite Leistungssignal einführt, die (λ_g/2+Φ) entspricht, wobei λ_g eine sich fortpflanzende Wellenlänge des zweiten Stegs darstellt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine an dem Leistungsteiler zur Erzeugung des Eingangssignals angeschlossene Energiequelle.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, bei welcher die willkürliche Phase Φ einem ungeraden Vielfachen von 90° für den ersten Steg der Übertragungsleitung gleich ist.

14. Schaltung für die Speisung eines Übertragungsmediums, das eine erste und eine zweite Feldzuführung miteinander verbindet, mit Energie, die eine an das Übertragungsmedium angeschlossene Einrichtung für die Zufuhr von Energie zur ersten Zuführung längs eines ersten Stegs des Übertragungsmediums, und für die Zufuhr von Energie zu einer zweiten Zuführung längs eines zweiten Stegs des Übertragungsmediums umfaßt.

15. Schaltung nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch eine Mikrowellen-Leistungsquelle, die ein Mikrowellensignal erzeugt, und einen von dem Mikrowellensignal abhängigen Leistungsteiler zur Erzeugung eines ersten und eines zweiten Leistungssignals, das jeweils an die ersten und zweiten Stege des Übertragungsmediums angekoppelt ist.

16. Schaltung nach Anspruch 15, bei welcher der erste Steg des Übertragungsmediums eine willkürliche Phase Φ in das erste Leistungssignal einführt und der zweite Steg des Übertragungsmediums eine Phase in das zweite Leistungssignal einführt, die (λ_g/2+Φ) gleich ist, wobei λ_g eine sich fortplanzende Wellenlänge des zweiten Stegs darstellt.

17. Schaltung für das Koppeln von Energie an erste und zweite Zuführungen, die Energie in eine Lichtquelle hinein projizieren, die koaxial zwischen den Zuführungen angeordnet ist,
gekennzeichnet durch
eine Quelle zur Erzeugung eines Eingangssignals,
einen von dem Eingangssignal abhängigen Signalteiler zur Erzeugung eines ersten und eines zweiten Leistungssignals, die für das Eingangssignal repräsentativ sind, und
ein Verbreitungsmedium mit einer ersten Übertragungsleitung für den Transport des ersten Leistungssignals zur ersten Zuführung,
und mit einer zweiten Übertragungsleitung für den Transport des zweiten Leistungssignals zur zweiten Zuführung.

18. Schaltung nach Anspruch 17, bei welcher
die erste Übertragungsleitung eine willkürliche Phase Φ in das erste Leistungssignal einführt, und
die zweite Übertragungsleitung eine Phase in das zweite Leistungssignal einführt, die (λ_g/2+Φ) gleich ist, wobei λ_g eine sich ausbreitende Wellenlänge der zweiten Übertragungsleitung ist.