JP2001504634A

JP2001504634A - Ｒｆ干渉を減少させた無電極ランプへ電力供給する方法及び装置

Info

Publication number: JP2001504634A
Application number: JP52378998A
Authority: JP
Inventors: シンプソン，ジェームズ
Original assignee: フュージョンライティング，インコーポレイテッド
Priority date: 1996-11-22
Filing date: 1997-11-18
Publication date: 2001-04-03
Also published as: US5910710A; WO1998023133A1; AU5260898A; EP0940062A4; EP0940062A1; TW377452B

Abstract

(57)【要約】無電極ランプ導波路構成体（２０）が偶発的なＲＦ信号に対する同調された吸収体（１０２，２００）を有している。一体的な周波数選択性減衰を有するランプ導波路（２４）が偶発的な帯域からずれたＲＦエネルギを吸収するために導波路（２４）内に位置決めされている共振吸収体（１０２，２００）を有している。吸収体（１０２，２００）はランプにおけるプラズマを励起するために使用される選択した周波数におけるエネルギに関し無視可能な影響を有している。第一実施例においては、１つ又はそれ以上の損失性磁気物質からなる薄いスラブ（８０，８２）が導波路の端壁から偶発的な信号の約４分１波長において導波路（２４）の側壁（８６，８８）へ固定されている。損失性物質の位置決めは偶発的信号からのパワーの吸収を最適化させる。第二実施例においては、１つ又はそれ以上の損失性磁気物質からなる薄いスラブ（８０，８２）が帯域拒否導波路フィルタ要素（１００，１０８）に関連して使用される。第三実施例においては、１つ又はそれ以上のマイクロストリップフィルタ要素（２００，２０２）が偶発的な信号の周波数に同調されおり且つ偶発的な信号のエネルギに結合し且つ吸収するために導波路（２４）内に位置決めされている。３つの実施例の全てが選択した周波数において無視可能なエネルギを吸収し、従ってランプのエネルギ効率を著しく減少させることはない。

Description

【発明の詳細な説明】ＲＦ干渉を減少させた無電極ランプへ電力供給する方法及び装置発明の詳細な説明発明の背景技術分野本発明は、ＲＦ干渉（ＲＦＩ）を減少させた無電極ランプ電力を供給する方法及び装置における改良に関するものである。本発明は、これに制限するものではないが、米国特許第５，５０４，３９１号（Ｔｕｒｎｅｒｅｔａｌ．）、第５，４４８，１３５号（Ｓｉｍｐｓｏｎ）、第５，４０４，０７６号（Ｄｏｌａｎｅｔａｌ．）、第４，８９４，５９２号（Ｅｒｖｉｎｅｔａｌ．）、第４，８９５，９０６号（Ｕｒｙｅｔａｌ．）、第４，３５９，６６８号（Ｕｒｙ）に開示されているタイプのランプにおいて特に有用性を有するものであり、これらの特許の開示内容は引用によって本明細書に取込む。従来技術の説明本発明が関連するタイプの無電極ランプは、充填物として知られているプラズマ形成用媒体を収容する光透過性のエンビロープ即ち被包体を有している。マイクロ波又は無線周波数（ＲＦ）エネルギ供給源は、その出力エネルギを導波路を介して被包体へ結合させ、該充填物においてプラズマを励起させ、その結果被包体から光を放出させる。図１は本発明が関連するタイプの無電極ランプに対する多くの可能な形態のうちの１つを模式的に示している。ランプモジュール２０は、マグネトロン２２又は何等からのその他のＲＦ又はマイクロ波電磁エネルギの供給源を有している。マグネトロン２２からのエネルギは結合用アンテナ２８を介して導波路２４内へ結合され且つスクリーン空胴３０内へ結合され、そこにはバルブ３２が配設されている。バルブ３２は概略球状の放電被包体３４を有している。バルブ３２は例えば、上述したＤｏｌａｎｅｔａｌ．特許に記載されている物質のような放電被包体３４内に収容されている高圧充填物質を有している。バルブ被包体３４は石英又はその他の適宜の透明物質から構成されている。スクリーン空胴３０はＲＦ又はマイクロ波照射に対しては不透明であるが光照射に対しては透明な導電性のメッシュ又はスクリーン物質から構成されている。動作について説明すると、導波路２４はマグネトロン２２によって発生された電磁エネルギをスクリーン空胴３０内へ指向させ、初期的には室温にあるバルブ３２内の稀ガス（例えば、キセノン、アルゴン、クリプトン等）の充填原子を励起させ、電子を放出させる。放出された電子はその他の充填原子と衝突し、更なる電子を放出させ、それによって自由電子の全体的な数を増加させる。自由電子の増加された数は、衝突を増加させ且つ温度を増加させ、且つ例えば硫黄、水銀等のその他の固体又は液体充填物質からなる原子が蒸発され且つ所望の光照射を発生する。小型のランプ形態とするために、同軸共振器２６が外側導体としてのスクリーン３０と、好適には冷却用の空気を担持するために中空である中心導体３６と、バルブ３２と、高いエネルギ密度で無電極ランプバルブを励起する高電圧を供給するために使用される結合用ループ４０とを有している。パワー即ち電力が導波路から結合用ループ４０によって共振器へ結合され、その場合に水平のＲＦ磁界が導体３６後ろ側のノッチ３８へ入り、中心導体３６の基部内に電流を誘起させる。小型のランプ形態及び小型で高度に共振性のＲＦ回路を有するその他のランプにおいてマグネトンの動作に関して困難性が発生している。これらの困難性は、ランプＲＦ回路の設計において注意深くインピーダンス整合をするにも拘らず発生する。この文脈において、インピーダンス整合は、最大の動作温度におけるバルブのインピーダンスと導波路２４のインピーダンスとをマッチング即ち整合させることであり、その場合に、アンテナ２８におけるインピーダンスはマグトロン製造業者によって特定されるＲＦ回路に対する特性インピーダンスに等しい。インピーダンスにおける不整合は、反射ＲＦエネルギを発生させ、それは不整合の区域から逆に伝搬し且つ整合されているＲＦ回路よりも一層大きな電圧定在波比（ＶＳＷＲ）を発生する。従って、ＶＳＷＲはインピーダンス整合の目安として使用される。記号について説明すると、ランプＲＦ回路は結合用アンテナ２８と、導波路２４と、励起すべきＲＦ負荷であるバルブ３２を収容するスクリーン空胴３０を具備する共振器２６とを有している。小型のランプに対するプロトタイプを評価する場合に、小型のＲＦ回路形態の場合には、マグネトロンの製造業者によって与えられる仕様に従ってマグネトロンに対する選択した動作周波数においてＶＳＷＲは許容限界内にあることが判明した。それにも拘らず、マグネトロンは短い導波路及び共振器２６によって悪影響を受け且つ予測しなかった挙動を示す。単一の選択した周波数の代わりに、複数個の偶発的な周波数がマグネトロン出力スペクトルにおいて観察される。その結果、ランプ性能は２つの態様で悪影響を受け、即ち、ランプの光は許容不可能な態様でちらつき且つ発生される偶発的な周波数はＲＦスペクトル管理のために政府のガイドラインの下で割り当てられている２４００ＭＨｚ乃至２５００ＭＨｚのＩＳＭバンドの外側にある。割り当てられたバンドの上及び下の偶発的な信号が同時的に観察された。発生された周波数はマグネトロンとランプバルブとの間の導波路の長さと共に変化する。かなりの研究が行われたが、この予測されなかった問題をどのようにして緩和することが可能であるかという指針を与えるものではなかった。選択した動作周波数において良好なインピーダンス整合が存在している場合にマグネトロン動作周波数から著しく異なる周波数においての高い反射現象に関しマグネトロンの製造業者からの情報は存在しない。実際に、１つのマグネトロンの製造業者は、選択した周波数において適切に整合されたインピーダンスを有するＲＦ回路に対し広く離隔した周波数において振動条件を発生させることが可能であることを否定する。通常のＲＦ回路設計プラクティスにおいては、製造業者は与えられたマグネトロンに対する選択した動作周波数においての整合された特性インピーダンスを有するＲＦ回路に基づいて設計指針を提供する。マグネトロンは与えられた範囲の動作周波数を有するものとして特定され、理論的には、設計者は選択された周波数における振動のためにマグネトロンを単純に選択する。現状においては、選択した動作周波数において良好に整合された負荷が存在している場合であっても、マグネトロン（ランプＲＦ回路と共に）は、広く離れた周波数において２０：１又はそれ以上のＶＳＷＲが存在する場合には、選択した周波数のいずれかの側において第二又は第三の広く離れた周波数、３０ＭＨｚ乃至１００ＭＨｚにおいて振動する場合がある。従って、従来技術の方法を使用して、より短く且つより小型の導波路形態を具備する無電極ランプにおいて偶発的な無線周波数干渉（ＲＦＩ）を防止することは可能なものではない。ＲＦＩの発生を防止する方法が見つけられない限り、より小型で且つより望ましい無電極照明器具を製造することは不可能である。発明の目的及び要約従って、小型の形態及び改良した短い導波路を具備する無電極ランプを提供することによってＲＦＩの放射を最小とすることが本発明の目的である。本発明の別の目的とするところは、マグネトロン周波数プリング（ｐｕｌｌｉｎｇ）に伴う問題を除去するために改良した小型の導波路を提供することである。本発明の更に別の目的とするところは、選択した周波数においてＲＦ供給源によって発生されたエネルギの実質的に全てを通過させながら、バンドを外れた周波数のみにおけるエネルギを吸収するための小型の導波路構成体を提供することである。本発明の一部として、動作周波数の選択したバンドの外側の周波数における高い反射（及び高いＶＳＷＲ）によってマグネトロン周波数のプリング（即ち、ｐｕｌｌｉｎｇ）からＲＦＩ問題が発生することが判明した。一体的な周波数選択性減衰を伴うランプ導波路が開発され、この導波路はバンドを外れた偶発的なＲＦエネルギを吸収するために導波路内に位置されている共振吸収体を有している。該吸収体はランプ内のプラズマを励起するために使用される選択した周波数においてエネルギに関して無視可能な影響を有している。本発明の第一実施例においては、損失性エネルギ吸収用物質からなる１つ又はそれ以上の薄いスラブが導波路の端壁から約４分１波長の距離において導波路の側壁に取付けられており、各スラブの位置は偶発的信号の案内波長の関数として選択される。損失性物質の位置決めは偶発的な信号からのパワー即ち電力の吸収を最適化させ、そうでない場合には、偶発的な信号は導波路内において定在波のように挙動する。本発明の第二実施例においては、導波路を部分的に終端させるのに充分な量の損失性吸収体物質が選択された動作周波数に同調されているバンド拒否導波路フィルタに関連して使用されている。第三実施例においては、１つ又はそれ以上の同調されているマイクロストリップエネルギ受取吸収体が同調され且つ偶発的な信号エネルギを吸収するために導波路内において効果的な位置に位置決めされている。これら３つの実施例の全ては選択した周波数において無視可能なエネルギを吸収し従ってランプのエネルギ効率を著しく減少させるものではない。３つの実施例について開示するが、各々において、エネルギ吸収体は導波路内に配設される。第一実施例においては、導波路内の吸収体の位置によってブロードバンド損失性吸収体を共振性即ち周波数選択性のものとしている。第二実施例においては、バンド拒否フィルタを使用して、偶発的なエネルギのみが（そうでなければブロードバンドの）吸収体に到達することを選択的に可能とするために使用し、従って吸収体はバンド拒否フィルタと関連して使用することによって共振性即ち周波数選択性である。第三実施例においては、周波数選択性マイクロストリップ吸収体が導波路内に配設される。従って、これら３つの実施例の各々において、吸収体は偶発的信号の周波数においてエネルギを吸収するために同調されており、従って、記号の説明のために、これら３つの実施例の各々は共振性の吸収体を有するものと考えられる。本発明の前述した且つ付加的な目的、特徴及び利点は、種々の図面における同一の参照番号は同一の構成要素を表わす添付の図面と共に考慮することにより好適実施例の以下の詳細な説明から当業者にとって明らかなものとなる。図面の簡単な説明図１は本発明が使用されるタイプの無電極ランプの１例の断面図を模式的に示している。図２は共振周波数において導波路に対して整合された理想的な共振体を有する共振性ＲＦ回路のインピーダンスを示したスミスチャート線図である。図３は図２においてチャートで示した共振性ＲＦ回路に対する導波路の１つの波長長さのセクションを付加した効果を示した２番目のスミスチャート線図である。図４は固定した磁界及びアノード電流に対する負荷コンダクタンス（且つサスセプタンス）の関数としての観察されたマグネトロン出力パワー及び周波数を示したリーケ線図である。図５は導波路内に磁気的に吸収性の物質からなるスラブを具備する本発明のランプの概略斜視図である。図６は導波路内にバンドストップフィルタ要素を具備する本発明のランプの第二実施例の概略斜視図である。図７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ，７ｅ，７ｆ，７ｇ，７ｈは本発明の導波路内において使用するバンドストップフィルタ要素の概略断面図である。図８は導波路内に設けた同調させた共振マイクロストップフィルタ要素を有する本発明のランプの第三実施例の概略斜視図である。図９ａ，９ｂ，９ｃは本発明の導波路の第三実施例において使用するマイクロストリップフィルタ要素の概略平面図である。好適実施例の説明マグネトロン周波数のプリング（ｐｕｌｌｉｎｇ）を発生する偶発的なエミッションの問題は導波路内の不所望の反射によって悪化されることが判明している。偶発的なエミッションはマグネトロンの選択周波数から周波数において広く離れており且つ導波路内において反射される。この偶発的エミッションが除去されると、マグネトロンは選択周波数において動作する。不所望の周波数のプリングが発生するメカニズムは、図２に示したように極座標インピーダンス線図（即ちスミスチャート）上において示される共振回路のインピーダンスを観察することによって理解することが可能である。スミスチャートは、一般的には、伝送線（即ち、導波路）のインピーダンスをグラフ的に表わしたものである。導波路内の与えられた基準位置に対して、インピーダンスを標準値（例えば、５０Ω）に対して正規化させ且つ１つの点としてプロットすることが可能である。スミスチャートは、基準位置が発生器（即ち、マグネトロン２２）に向かって又は負荷（即ち、バルブ３２）に向かって移動する場合にどのようにインピーダンスが変化するかをモデル化する場合に有用である。スミスチャートは、又、周波数の関数として導波路内の与えられた基準位置に対するインピーダンス変化をプロットするのに有用であり、これが図２及び３の目的である。次に、図２に移ると、ループ結合用共振器２６に位置した基準面において、共振回路インピーダンスがゼロインピーダンスにおけるチャート６２の端部において正接している円６０として表われることが示されている。安定したマグネトロン動作のためには、マグネトロンを共振器へ接続する伝送線の長さはマグネトロンの性能特性の「シンク」フェーズ内にゼロインピーダンス点６２を配置せねばならない。このフェーズの場合には周波数オフセットの負のフィードバックが得られる。何故ならば、図４において点線の周波数差分線によって表わされるマグネトロンプリング即ち引っ張り特性が動作周波数を中央の値へ向かって強制させるからである。例えば、図１に示したような作業システムを構築するためには、マグネトロン２２とレゾネータ即ち共振器２６の結合点との間にある長さの伝送線（即ち導波路）が存在せねばならない。この伝送線長さは、又、アンテナ２８とアノード共振器（即ち、振動周波数が決定されるマグネトロン内部の点）との間のマグネトロン２２内部の部分を包含している。負荷（即ち、バルブ３２）からの反射はこの伝送線長さにおいてフェーズシフトを経験し、そのフェーズシフトは周波数の関数として増加する。それまでチャートの端部において正接点６２において接触していた低及び高周波数軌跡は今やオーバーラップし且つループを形成する。図２は±２５ＭＨｚのロードさせた帯域幅で点６４において示した共振周波数ｆ₀において入力伝送線即ち導波路に対してマッチング即ち整合させた理想的な共振器のインピーダンスプロットを示している。 ±２５ＭＨｚの倍数におけるオフセット周波数に対するインピーダンスが示されている（及び、点６６及び６８における±１２．５ＭＨｚに対しても示されており、±１２．５ＭＨｚはこのような共振器に対するロードされていない帯域幅である）。次に、図３を参照すると、ここにおいては共振周波数ｆ₀であると仮定する２４５０ＭＨｚにおける完全な１つの波長の長さを持ったＷＲ−３４０導波路のセクションを付加した効果が示されている。ｆ₀より低い周波数は反時計方向へシフトされており、一方ｆ₀より高い周波数は時計方向へシフトされており、両方の場合ともチャート７０の中心線と交差している。次に、図４を参照すると、リーケ線図（即ち、ロード（負荷）線図）が示されている。リーケ線図は、アンテナ２８に対応する基準面においての負荷インピーダンスの関数としてのマグネトロン２２の出力パワー及び周波数における変化を示すチャートである。方向矢印７１はロード即ち負荷に向かっての移動を表わしている。同心円７２ａ，７２ｂ，７２ｃはＶＳＷＲが一定の線であり且つ直径が増加するに従って増加し、線７２ａはＶＳＷＲが５．０に対応しており、線７２ｂはＶＳＷＲが４．０に対応しており、線７２ｃはＶＳＷＲが３．０に対応しており、以下同様である。該チャートの中心はＶＳＷＲが１．０に対応しており、それはインピーダンスが完全に一致している場合である。半径が増加する曲線７３ａ，７３ｂ，７３ｃは出力パワーが一定の線であり且つ半径が増加するに従って減少し、線７３ａは９００ワットのパワーに対応しており、線７３ｂは８５０ワットのパワーに対応しており、線７３ｃは８００ワットのパワーに対応しており、以下同様である。より高いパワーの領域７５はシンク領域と呼ばれ且つマグネトロンに対して最も大きな結合及び最も高い効率を表わす。然しながら、シンク領域においての動作は、典型的に、周波数の安定性を減少させる。より低いパワー領域７６は、マグネトロンが軽度にロードされる即ち負荷がかかる領域であり、そこにおいては振動の状態はより安定であると予測される。このランプにおいて使用されるタイプのマグネトロンの場合には、データはＶＳＷＲ値が５：１乃至１０：１に対してのみ供給される。より高いＶＳＷＲ値（それはより高い振幅反射を表わす）、特に高度にロードされたシンクフェーズにおいては、設計者によって回避されるべき禁止領域として記載されている（製造業者によって提供される文献において）。中心７６の軽度にロードされた側における周波数のプリング即ち引っ張り輪郭及びパワー輪郭は極座標インピーダンス線図（即ちスミスチャート）のリアクタンス輪郭及び抵抗輪郭に類似している。この類似性はリーケ線図のシンク側上で継続することが可能であり、少なくともＶＳＷＲが２０：１よりも大きな端部近くにおいて可能である。そうである場合には、チャート端部近く及びシンク領域の中央において非常に高いプリング即ち引っ張り係数の領域が存在している。一般的に、プリング即ち引っ張りは、チャート７７の中心の左側における周波数を上昇させ且つ右側７８における周波数を低下させる。リーケ線図の高度にロードされた区域７５におけるプリング即ち引っ張り周波数点及びロード（負荷）インピーダンス値（中心軸が交差した図３におけるインピーダンス軌跡の部分から）が与えられた周波数において一致する場合には、不所望の振動が発生する。周波数の不安定性を発生するメカニズムがどのようなものであろうとも、非常に小型のバルブを有する共振性無電極ランプの研究室においての観察では、選択した動作周波数ｆ₀の両側において３０乃至１００ＭＨｚの範囲内の周波数において偶発的に信号が存在することが判明した。殆どの場合において、これらの偶発的な信号は強いものであり且つ選択した周波数から等しく配置されているものではなく、従って、選択した周波数ｆ₀の振幅又は周波数変調によって発生されたものである蓋然性はない。スペクトルプロットを観察し且つ共振器２１（図１）が同調されていると、高い側及び低い側の周波数信号成分の両方が同一の方向に変化することが観察された（即ち、周波数において両方とも一層高いか又は両方とも一層低い）。狭い帯域幅の共振ランプに関する研究室でのテスト結果は、上に概説した解析に一致するものと思われる観測値を与えている。偶発的信号周波数（ｆ₀の３０乃至１００ＭＨｚ上及び下）において、周波数インピーダンスループのオーバーラップがマグネトロンのプリング即ち引っ張り特性を発生させるものと思われる。ソース（供給源）とロード（負荷）との間の距離を短絡させるとインピーダンス線図を反時計方向に回転させ、低側及び高側の両方の偶発的信号の周波数を上昇させ、従って周波数不安定性に関する問題を悪化させる。より大型のランプにおいては（バルブへのパワーの結合を与えるために同軸共振器２６を包含することは必ずしも必要ではない）、動作帯域幅は一層広いものである。より低い相対的な振幅のものであるが、バンド即ち帯域幅から外れた信号もより大型のランプの場合に見られる。偶発的なＲＦＩ信号の発生メカニズムは同様のものである可能性がある。何故ならば、波長が変化されると不所望の信号は周波数を変化させるからである。より大型のランプにおいてのＲＦＩの発生に貢献する別のファクタは、マグネトロンを駆動するためにフィルタしていない高電圧直流（ＤＣ）電源を使用することである。狭い共振帯域幅を有する小型のランプはバルブの結合を最大とさせるためにより高度にフィルタしたＤＣ電源を必要とする傾向がある。より大型のランプはフィルタしていない動作によって発生される周波数変調（数十ＭＨｚ）にも拘らずに高効率を与えることが可能である。低又は迅速に変化するマグネトロン供給電流の期間中に不所望及びバンド外の偶発的な信号が発生される場合がある。従って、無電極ランプにおいて不所望の偶発的な信号を発生させる多数のメカニズムについて同定した。大型のブロードバンド及び小型の狭いバンドの両方のランプが影響を受ける。本発明方法においては、ＲＦ回路を組立て且つテストする。次いで、各偶発的信号の振幅及び周波数を決定する。本発明の好適実施例によれば、小さな量の減衰を導波路２４内へ導入し、それにより偶発的な信号に対する導波路のＶＳＷＲを減少させる。減衰が充分であると、不所望の振動は低い振幅へ減少され（又は、好適には、完全に除去され）、その理由は、図３におけるインピーダンス輪郭が中央へ向かって収縮し且つ不安定領域内の周波数プリング（引っ張り）特性上の点と最早一致しないからである。導波路内において減衰を使用することはそうでなければランプバルブ３２を駆動するために使用される有用な（前方）パワー即ち電力の少なくとも幾等かを犠牲にする。経験的に決定されたことであるが、本発明の第一実施例のプロトタイプの場合には、この前方パワーにおける減少は５％の範囲内であり、従って無視可能なものである。その他の実施例においては、この減衰はシステム効率に関する減衰の影響を減少させるために周波数選択性のものとさせる。全ての場合において、選択した動作周波数においてのローディング即ちロスを最小としながらバンド外の即ち帯域以外の周波数においてのローディングを最大とすることが望ましい。次に図５を参照すると、特に小型バルブと共に使用すべく適合された本発明の第一の好適実施例が示されており、この実施例においては、導波路２４内においてブロードバンド減衰器が使用されている。１個又はそれ以上の減衰用インサート８０，８２が電界又は磁界における予測された高強度位置に対応する選択した位置８６，８８において導波路２４の壁上に配置されている。このような１つの位置８６は図５に示したように側壁上である。導波路９０の端壁は電気的には短絡回路と同じである。何故ならば、ループの共振回路インピーダンスは不所望の周波数においてほぼ短絡回路であるからである。従って、電界（Ｅ）は垂直であり且つ導波路の中心９２において最大である。磁界（Ｈ）は水平であり且つ側壁８６，８８に対して正接した部分において最大である。これら両方の最大値は端壁９０から４分の１案内波長離れた点で発生する（これは選択した周波数波長ではなく偶発的な信号波長の関数である）。定在波からのＥ及びＨフィールドの両方共４分の１波長箇所８６，８８においてほぼ２倍の強度を有している。従って、偶発的信号に対するパワーの吸収はほぼ整合した中心周波数信号の前方向の波の吸収と比較して、偶発的信号の４分の１波長位置８６，８８においてほぼ４倍となる。電界減衰要素（即ち、Ｅフィールドパワーの損失性吸収体）は、好適には、Ｅフィールド即ち電界へ結合させるために厚いものであることが望ましい。何故ならば、それは上部及び底部導波路表面に対して垂直だからである。然しながら、磁界損失要素８０は非常に薄いものとすることが可能である。この厚さ及び磁気的吸収体８０が熱伝導性の壁８６へ取付けられているという事実は、Ｈフィールド即ち磁界からマウント用の壁８６へ吸収されるエネルギの伝熱を改善する。好適には、損失性磁気物質からなる２つの薄いスラブ８０，８２（即ち、Ｈフィールドパワーの損失性吸収体）が熱伝導性の接着剤を使用して導波路２４の両側の側壁８６，８８へ接着させる。損失性の物質内において発生される熱は導波路の壁へ伝導される。該吸収体物質はゴムのベース内に損失性の鉄化合物が一様に分散されている。ゴムは熱膨脹応力がインサートを金属導波路壁から分離させることを防止する。偶発的な信号のエネルギを吸収する上で、シリコンカーバイドのブロック、即ち電界吸収体も効果的であった。シリコンカーバイド物質の場合にはより高い動作温度に耐えることが可能である。然しながら、ゴムをベースとしたものにおける損失性の鉄化合物が好適である。何故ならば、シリコンカーバイド物質よりも鉄の方がパワー吸収特性をより細かく制御することが可能だからである。適切な磁気吸収体は例えばシリコンゴム等のエラストマー物質内に鉄粉を浮遊させたものである。１．３７５インチ（３．４９２５ｃｍ）平方×０．１５インチ（０．３８１ｃｍ）厚さのサンプルはＷＲ−３４０導波路の側壁に据え付けた場合に、偶発的な定在波が存在するか否かに拘らずに２４５０ＭＨｚにおける全方向パワーの約２％を吸収する。偶発的な信号を抑圧する場合に周波数選択性要素を使用することも可能である。周波数選択の２つの方法について説明する。これらは本発明の第二及び第三実施例である。第二実施例においては、選択したランプ動作周波数における共振が前方パワーが減衰器即ち吸収体へ到達することを防止する。第三実施例においては、偶発的信号周波数における共振が偶発的信号パワーの吸収を向上させる。第二実施例を図６に示してある。狭い帯域のバンドストップ（即ち帯域拒否）フィルタ１００がマグネトロン結合用アンテナ２８と損失性吸収体即ち減衰器１０２との間に配置されている。マグネトロン２２からランプ共振器２６への直接的な伝送が維持される。バンドストップフィルタ１００はマグネトロンアンテナ２８とランプ１０４と対向する導波路の端壁との間の導波路の中間に懸下されているワイヤループの形態をとることが可能である。大型の吸収体１０２の形態におけるマイクロ波負荷がこの端壁１０４上に装着されている。ループ１００はマグネトロン中心周波数において共振性であり且つフィルタ面１０８における導波路内の短絡回路として実効的に機能する。ループ１０８の面は図５に示したように変更前の導波路１０９の後ろ側の壁と同一のマグネトロン結合用アンテナ２８からの距離に位置されている。図５の導波路においては、後ろ側の壁１０９は電気的には短絡回路である。同様に、帯域拒否フィルタ１００を面１０８内に位置させた場合には、導波路のこの端部は選択した周波数における信号に対して電気的短絡回路を与える。高度に共振性の電流がループフィルタ１００内を流れ、選択した周波数においてある損失を発生する。然しながら、バンド外即ち帯域を外れた周波数における偶発的な信号が帯域拒否フィルタ１００を介して通過し且つ吸収体１０２に到達し且つ好適にはシリコンカーバイドのブロックである吸収体１０２によって少なくとも部分的に吸収される。従って、偶発的な信号の反射は、不所望の周波数においてのマグネトロンの振動を防止し、従ってマグネトロンのプリング即ち引っ張りを防止するのに充分なだけ減少される。図６の第二実施例の場合には、ランプ効率における損失又は前方パワーにおける損失が約２％へ減少され、それは図５の第一実施例に対する効率と比較して著しい改善である。図７ａ−７ｈに示したように、その他の形態のバンドストップ（帯域拒否）フィルタを使用することも可能である。図７ａに示したフィルタはＷＲ−３４０導波路へ適合すべく３．４インチの長さである。その高さは０．７５インチであり且つその厚さは０．１２０インチである。ループは楕円の内側において２．２３２インチである。平行な棒体は、好適には、０．５インチのギャップを横断してのアークの発生を防止するために断面が丸められている。０．２５インチのギャップを有する初期のものではアークが発生する蓋然性があった。図７ｆに示したフィルタの場合には、導波路２４の側壁８８近くに配設した垂直のロッド１３２がその長さ１４０によって決定される共振周波数を有しており且つ導波路の壁８８からのずれ１４２によって結合が決定される。図７ｄに示したように、非対称的な先端部１４８を具備する側壁８８へ取付けられている水平のロッド１４６もバンドストップフィルタとして作用することが可能である。ロッド要素を具備するフィルタを同調するために中心がずれたネジ（不図示）又は小さな傾斜又は屈曲（不図示）を使用することが可能である。図７ｅは同調用のフォーク１５２に類似した半分に切断したループ型の共振器を示している。図７ｇは上部又は底部導波路壁へ接合されたワイヤループを示している。図７ａ，７ｂ，７ｃに示したように、フィルタの形状は規則的なもの、楕円形状のもの、卵型のものとすることが可能である。これらの変形例のいずれかは、導波路内でのアークの発生を防止するために誘電体物質内に閉じ込めることも可能である。図６に示したように、導波路端１０４はフィルタのフィールドから吸収体１０２を離隔させるために延長されねばならない。該フィルタは、主に、導波路を伝搬するＴＥ₁₀モードを阻止する。選択した周波数における近フィールドエネルギが、図７ｃに示したような中心位置決めした卵型ループのようなその他のものよりも図７ｆの垂直ロッドのような図７ａ−７ｈに示した実施例の幾つかを介して通過する場合がある。このことは、図６に示したように吸収体１０２とフィルタ１００との間の距離１６０を延長させることが必要な場合がある。帯域距離フィルタ実施例はバンド即ち帯域から外れた偶発的な信号の発生を停止させるが、それは、又、ランプの共振同調を修正し、設計に対して付加的な複雑性を付け加え且つ、多分、製造上の困難性を増加させる。図８に示した第三実施例においては、偶発的な帯域からずれた周波数に同調されている１つ又はそれ以上の部分的に結合されている損失性の共振回路２００が上述したようにこれらの帯域からずれた周波数に対して高いフィールド強度位置において導波路内において配置されている。損失性共振回路２００は制御された（即ち、同調された）内部的損失を有しており、それは偶発的周波数において最大のパワーを吸収する。同調されている吸収体２００の帯域幅が狭ければ狭いほど、マグネトロンの選択された周波数において有用性の少ないパワーが吸収される。何故ならば、その周波数においては殆ど電流が存在しないからである。この実施例は、基本的には、１００ＭＨｚを越えるスペクトル分離（選択した周波数と偶発的周波数との間の分離）が発生する蓋然性のある広帯域マグネトロンを具備するランプ組立体に対して有用である。図８の実施例においては、共振回路２００は誘電体基板２０４上にエッチング形成されているマイクロストリップ伝送線上部導体２０２を有している。共振回路２００の裏側は完全に金属で被覆されており且つ導波路の壁に接触するように取付けられている。このことは、予測可能な共振周波数を確保する。後ろ側のホイルを省略することが可能であるが、誘電体と金属壁との間に何等かの空隙が存在すると共振周波数を上昇させることとなる。マイクロストリップ共振体２００は、電流及び電界を上部導体２０２によって境界が決められる誘電体基板区域内に閉じ込める伝送線である。上部導体２０２が両端において接地面へ短絡されていると、共振用の長さは誘電体基板２０４における波長の半分に等しい。好適には、端部は短絡されておらず且つ各端部において周辺フィールド容量が存在しており、実効長を延長している。従って、共振長さは、ほぼ波長の半分−誘電体基板２０４の厚さの２倍である。マイクロストリップが受信用のアンテナとして使用される場合には、導体２０２の外側表面が共振器を外部フィールドから遮蔽する。アンテナは端部におけるギャップがあたかもフィールド内部へ入れさせるスロットであるかのように機能する。従って、外部的結合は誘電体基板２０４の厚さと上部導体２０２の幅との積である。該共振体の共振帯域幅は金属表面上及び誘電体内の損失＋外部フィールドへの結合によって決定される。通常の使用状態においては、マイクロストリップ受信用アンテナはその表面上におけるマイクロストリップ導体によって又は基板及び接地面を介してリードワイヤによって受信器へ接続される。外部負荷のインピーダンスがマイクロストリップアンテナの性能を決定する。マイクロストリップアンテナの損失はアンテナの効率を減少させるに過ぎない。然しながら、本使用状態においては、このような受信器への外部接続が存在しないので、マイクロストリップ共振体２００内の損失は負荷であり且つインピーダンス及び帯域幅を決定する。不所望の信号を最大に吸収するために、共振性マィクロストリップ回路２００が共振周波数における電流が強く且つ上部導体２０２の長さと平行に走行する導波路の壁に取付ける。公知のマイクロストリップアンテナ使用例によれば、より薄い誘電体基板及びより幅狭の上部導体を使用することによってカップリング即ち結合を減少させることが可能であり、それらは各々回路長さを変更することを必要とする。更に、特定のボードの結合を、上部導体を導波路表面電流に垂直な方向へ向かって回転させることによって減少させることが可能である。共振性マイクロストリップ吸収体をホトリソグラフィ及びエッチングによって図９ａに示したように構築した。基板物質はＦＲ−４であり、それは中程度のマイクロ波損失を有する一般的な回路ボード物質である。このボードは１．５４インチ×１インチであり且つ０．０６インチの厚さであった。導通パターンは装着用ネジのための０．１３０インチの孔を有する１．３８８インチ×０．７８８インチであった。ＷＲ−３４０導波路側壁上のボードでのテストは該回路が２０７９ＭＨｚにおいて共振性であることを示し、共振状態において反射係数が０．１４である不足結合共振を有するものであった。装荷帯域幅は５５ＭＨｚであり且つ非装荷Ｑは６５であった。入力パワーの少なくとも半分が２０５２乃至２１０６ＭＨｚにわたってフィルタによって吸収された。図８の第三実施例の場合には、ランプ効率における損失即ち前方パワーにおける損失は約１％へ減少され、図５の第一実施例又は図６の第二実施例に対する効率と比較して更なる改善である。狭い帯域幅のフィルタは、例えばテフロングラスファイバ組成物等のＦＲ−４よりもより低い誘電損失基板物質を必要とする。与えられた回路ボード物質で得られるものよりもより大きな偶発的信号損失が必要とされる場合には、エキストラな損失を共振器へ付加することが可能である。カーボンをコーティングしたカードの小片をその中心近くの上部導体２００の上に配置させることが可能であり、導体２０２の下側上の電流の幾等が抵抗性の表面へ拡がり損失を増加させるように端部をオーバーハングすべく配置させることが可能である。更により大きな損失の場合には、抵抗カード下側の導体内にギャップを設けることが可能である。導体２０２の高電流中心において端部に隣接して磁気損失物質を同様に配置させることが可能である。導体２０２と接地面との間の基板厚さの幾等かの代わりに磁気損失物質を使用した場合には最大の効果が得られる。次に、図９ａ，９ｂ，９ｃを参照すると、マイクロストリップ共振回路の幾つかの変形例が示されている。図９ａは一定幅のストリップを示している。基板の全ての端部から金属をエッチバックして周辺フィールドが誘電体内に閉じ込められることを可能とする。ストリップの角部を丸めて四角の角部において発生する場合のあるピーク電界を減少させ、従って高パワー信号が共振周波数において発生する場合にアーク発生の蓋然性を減少させる。共振器を導波路壁へ取付けるために締着具用の孔を中心に設けてある。周波数は金属ストリップの長さによって決定され、パッチ又はマイクロ波アンテナ技術において公知の如く、その先端部において周辺フィールドによって増強される。吸収されるべき特定の周波数に対して必要とされるストリップの長さは図９ｂに示したように、それを砂時計形状とすることによって減少させることが可能である。ストリップの端部２１０，２１２は容量性であり、一方中心部２１４は誘導性である。幅狭の中心部２１４はより多くのインダクタンスを有しており、従って、共振周波数及び結合が減少される。共振吸収体２００は大量生産に向いた高度の再現性特性を得るために通常のホトエッチング方法によって製造する。ランプが幾つかの周波数を抑圧することを必要とする場合には、単一の誘電体基板２０４上に複数個のストリップ２１６，２１８をエッチング形成することが可能であり（図９ｃに示した如く）、それによって導波路内に据え付けることが簡単なマルチ周波数共振吸収体が提供される。本明細書において記載した共振フィルタはそれらの小型の寸法及び製造上の容易性のために選択されている。その他の形態のフィルタは文献において公知である。これらの幾つかは干渉を減少させるために組込むことも可能であるが、ランプシステムの寸法が増加する場合がある。例えば、導波路の断面と同等の寸法を有する矩形状のキャビティ即ち空胴を、適宜のスロットを介して導波路の幅狭又は幅広のいずれかの壁へ結合させることが可能である。本明細書においては３つの実施例についてこれら３つの各々に関する変形例と共に開示している。各々において、エネルギ吸収体が導波路内に配設されている。第一実施例においては、ブロードバンド損失性吸収体８０が導波路内の吸収体の位置によって共振性即ち周波数選択性のものとされている。第二実施例においては、帯域拒否フィルタを使用して偶発的エネルギのみが（そうでなければブロードバンドの）吸収体１０２へ選択的に到達することを可能とするために使用しており、従って吸収体１０２はフィルタ１００と関連して使用することによって共振性即ち周波数選択性である。最後に、第三実施例においては、周波数選択性マイクロストリップ吸収体２００が導波路内に配設されている。各場合において、吸収体８０，１０２，２００が偶発的な信号の周波数におけるエネルギを吸収すべく同調されており、従って、記号の説明のためには、これらの３つの実施例の各々が共振吸収体を有している。本発明の構成及び方法は、特に、小型の無電極ランプＲＦ回路における上述した問題を解決するために適したものであるが、無電極ランプと共に使用することに制限されるものではない。高度に共振性のＲＦ回路を有する小型の導波路構成体は、例えば電子レンジ又は小型マイクロ波送信器等の多数の適用例においてマグネトロンに関連して使用することが可能である。本発明の共振吸収体は、このような導波路において使用することが可能であり、３つの公的実施例のうちのいずれもがマグネトロン周波数プリング（引っ張り）及び上述したようなＲＦＩに関連する問題を解消するために使用することが可能である。以上多数の可能な変形例と共に本発明の好適実施例について説明している。当業者が理解するように、上述した実施例の変形例を本発明の精神及び範囲を逸脱することなしに構成することが可能である。従って、本発明は上述した実施例に制限されるべきものではなく添付の請求の範囲において定義される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ【要約の続き】に同調されおり且つ偶発的な信号のエネルギに結合し且つ吸収するために導波路（２４）内に位置決めされている。３つの実施例の全てが選択した周波数において無視可能なエネルギを吸収し、従ってランプのエネルギ効率を著しく減少させることはない。

Claims

【特許請求の範囲】１．無電極ランプにおいて、選択した周波数においての高周波数電磁エネルギの供給源、光透過性被包体、前記被包体は前記選択した周波数において高周波数電磁エネルギによって励起された場合に光を発生する物質で充填されており、壁を具備する導波路、前記導波路は前記供給源からの電磁エネルギを前記被包体へ送信すべく配設されており、前記導波路内に配設されている吸収体、前記吸収体は前記選択した周波数からずれている第二周波数において電磁エネルギを吸収するように位置されている、を有する無電極ランプ。２．請求項１において、前記吸収体が前記導波路の前記壁から選択した距離において前記導波路内に配設されている損失性物質であり、前記選択した距離が前記第二周波数に対する４分の１波長に対応している無電極ランプ。３．請求項２において、前記損失性吸収体が電界吸収体を有している無電極ランプ。４．請求項３において、前記電界吸収体がシリコンカーバイドを有している無電極ランプ。５．請求項２において、前記損失性吸収体が磁界吸収体を有している無電極ランプ。６．請求項５において、前記磁界吸収体がエラストマーベース内に分散させた鉄化合物を有している無電極ランプ。７．請求項６において、前記エラストマーベースがゴムである無電極ランプ。８．請求項１において、更に、前記導波路内に配設されており且つ前記選択した周波数においてそれを介して透過することを防止すべく同調されている帯域拒否フィルタを有しており、前記吸収体が前記高周波数電磁エネルギの供給源から前記帯域拒否フィルタの反対側に配設されている無電極ランプ。９．請求項８において、前記帯域拒否フィルタが誘電性物質内に閉じ込められている無電極ランプ。１０．請求項８において、前記帯域拒否フィルタが前記導波路内に懸下されているワイヤループを有している無電極ランプ。１１．請求項８において、前記帯域拒否フィルタが先端と基端とを具備する導電性ロッドを有しており、前記ロッドが前記基端において前記導波路内に懸下されている無電極ランプ。１２．請求項１１において、前記帯域拒否フィルタ導電性ロッドが、更に、前記ロッドの前記先端において非対称的先端部を有している無電極ランプ。１３．請求項８において、前記帯域拒否フィルタが前記導波路内に懸下されている導電性の卵型を有している無電極ランプ。１４．請求項８において、前記帯域拒否フィルタが前記導波路内に懸下されているフォークを有している無電極ランプ。１５．請求項１において、前記吸収体が前記第二周波数においてパワーを吸収すべく同調されているマイクロストリップ共振回路である無電極ランプ。１６．請求項１５において、前記マイクロストリップ共振回路が第一の幅狭の誘導性セクションと第二の幅広の容量性セクションとを具備するマイクロストリップ上部導体を有している無電極ランプ。１７．請求項１５において、前記マイクロストリップ共振回路が前記第二周波数に同調されている第一マイクロストリップ上部導体及び第三周波数に同調されている第二マイクロストリップ上部導体を有している無電極ランプ。１８．請求項１５において、前記マイクロストリップ共振回路が前記第二周波数に同調されているマイクロストリップ上部導体を有しており、前記上部導体が損失性吸収体を介して接地へ短絡されている無電極ランプ。１９．無電極ランプにおいて、選択した周波数においての高周波数電磁エネルギの供給源が設けられており、前記選択した周波数において高周波数電磁エネルギによって励起された場合に光を発生する物質が充填されている光透過性被包体が設けられており、前記供給源から前記被包体へ電磁エネルギを送給するための導波路が設けられており、共振吸収体が第二周波数において電磁エネルギを吸収すべく位置されて前記導波路内に配設されており、前記共振吸収体が前記第二周波数においてパワーを吸収すべく同調されているマイクロストリップ共振回路であり、前記マイクロストリップ共振回路が第一の幅狭で且つ誘導性のセクションと第二の幅広で容量性のセクションとを具備するマイクロストリップ上部導体を有している、無電極ランプ。２０．選択した周波数で動作するＲＦエネルギ供給源及び導波路を介してＲＦエネルギを受取るバルブを有している無電極ランプ組立体における導波路内の偶発的な信号を減衰させる方法において、前記導波路内に共振吸収体を配設させる、上記ステップを有する方法。２１．請求項２０において、前記配設するステップが、前記偶発的信号の周波数及び偶発的信号のＥフィールド最大値及び偶発的信号のＨフィールド最大値のうちの選択した１つを測定し、前記Ｅフィールド最大値及び前記Ｈフィールド最大値のうちの選択した１つに対して前記導波路内の位置を決定し、前記最大値のうちの前記選択した１つに近接して損失性吸収体を位置させる、ことを包含している方法。２２．請求項２０において、前記配設するステップが、前記導波路内に帯域拒否フィルタを位置決めし、前記帯域拒否フィルタは前記第二周波数に対して同調されており、前記ＲＦ供給源から前記帯域拒否フィルタに反対側において前記導波路内に吸収体を位置決めする、ことを包含している方法。２３．請求項２０において、前記配設するステップが、前記偶発的信号の周波数を測定し、前記偶発的信号周波数に同調されているマイクロストリップ共振吸収体を前記導波路内に配設する、ことを包含している方法。２４．小型ＲＦ回路において、選択した周波数における高周波数電磁エネルギのマグネトロン供給源、前記選択した周波数において高周波数電磁エネルギによって励起される負荷、壁を具備する導波路、前記導波路は前記マグネトロンから前記負荷へ電磁エネルギを送給すべく配設されており、前記導波路内に配設されている共振吸収体、前記吸収体は前記選択した周波数からずれた第二周波数において電磁エネルギを吸収する位置に設けられている、を有する小型ＲＦ回路。２５．請求項２４において、前記共振吸収体が前記導波路の前記壁から選択した距離だけ前記導波路内に配設されている損失性物質であり、前記選択した距離が前記第二周波数に対する４分の１波長に対応している小型ＲＦ回路。２６．請求項２５において、前記損失性吸収体が電界吸収体を有している小型ＲＦ回路。２７．請求項２６において、前記電界吸収体がシリコンカーバイドを有している小型ＲＦ回路。２８．請求項２５において、前記損失性吸収体が磁界吸収体を有している小型ＲＦ回路。２９．請求項２８において、前記磁界吸収体がゴムベース内に分散させた鉄化合物を有している小型ＲＦ回路。３０．請求項２４において、更に、前記導波路内に配設されており前記選択した周波数においてそれを貫通して透過することを防止すべく同調されている帯域拒否フィルタを有しており、前記共振吸収体が前記高周波数電磁エネルギの供給源から前記帯域拒否フィルタ反対側に配設されている小型ＲＦ回路。３１．請求項３０において、前記帯域拒否フィルタが誘電性物質内に閉じ込められている小型ＲＦ回路。３２．請求項３０において、前記帯域拒否フィルタが前記導波路内に懸下されているワイヤループを有している小型ＲＦ回路。３３．請求項３０において、前記帯域拒否フィルタが基端と先端とを具備する導電性ロッドを有しており、前記ロッドが前記基端において前記導波路内に懸下されている小型ＲＦ回路。３４．請求項２４において、前記共振吸収体が前記第二周波数においてパワーを吸収すべく同調されているマイクロストリップ共振回路である小型ＲＦ回路。