KR20010064582A - 도파관과 어플리케이터의 결합 구조 및 이를 이용한무전극 램프 - Google Patents

도파관과 어플리케이터의 결합 구조 및 이를 이용한무전극 램프 Download PDF

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Abstract

본 발명은 도파관과 어플리케이터의 결합 구조 및 이를 이용한 무전극 램프에 관한 것으로, 전자파 발생수단과, 상기 전자파 발생수단으로부터 발생된 전자파를 전송하는 도파관과, 상기 도파관으로부터 전송되는 전자파를 전구에 전달되도록 하는 어플리케이터로 구성되며, 상기 도파관과 상기 어플리케이터의 벽면의 일부 또는 전부가 서로 공유되고, 상기 공유되는 벽면에는 슬롯이 형성되어 있으며, 상기 도파관의 길이는 도파관내 전송되는 전자파 파장의 2분의 1의 정수배인 도파관과 어플리케이터의 결합 구조를 제공한다. 상기 슬롯은 상기 도파관과 상기 어플리케이터의 공유되는 벽면에 일정 간격으로 두 개 이상이 형성되어 어플리케이터로부터 반사되는 전자파가 도파관으로 되돌아 올 때 상기 전자파 발생수단 쪽으로 되돌아 가지 않도록 한다. 또한 본 발명은 상기 도파관과 어플리케이터의 결합 구조가 적용된 무전극 램프를 제공한다. 본 발명에 의하면 도파관 정합기 또는 서큘레이터 등의 고가의 장치 없이도 부하의 변동이 전자파 발생수단에 미치는 영향을 없앨 수 있다. 또한 부하의 상태 변동에 따른 시스템의 정합 상태의 변경 없이도 종류나 특성이 다른 부하를 사용할 수 있다.

Description

도파관과 어플리케이터의 결합 구조 및 이를 이용한 무전극 램프{COUPLING STRUCTURE OF WAVEGUIDE AND APPLICATOR, AND ITS APPLICATION TO ELECTRODELESS LAMP}
본 발명은 도파관과 어플리케이터의 결합 구조에 관한 것으로, 특히 전자파 발생수단에서 발생되어 어플리케이터로 전송되는 전자파의 진행을 일방향으로 제어하고 부하의 상태가 변동함에 따라 안정된 동작을 유지할 수 있는 도파관과 어플리케이터의 결합 구조에 관련된다.
마그네트론 등의 전자파 발생수단(generator)에서 발생된 전자파가 도파관을 통하여 어플리케이터 내의 부하에 전달되는 시스템은 전자레인지, 무전극 램프, 가열장치 등 다방면으로 응용되고 있다.
일반적으로 어플리케이터의 형태는 도파관형 또는 캐비티(Cavity)형이 있다. 캐비티형 어플리케이터의 경우 다시 공진형(Resonant Type) 또는 비공진형(Non-Resonant Type)으로 나뉘어진다. 도파관형 어플리케이터의 경우는 그 단면의 형상에 따라 원통형(Cylindrical)과 사각형(Rectangular) 등으로 구분되며, 다시 도파관 내부의 전자계 분포 형태(Mode)에 따라 TEmn, TMmn등으로 구분된다. 여기서 m과 n 은 0 을 포함한 자연수로서, 사용되는 전자파의 주파수 또는 파장과 도파관 단면의 크기에 따라 도파관 내에 존재할 수 있는 가장 낮은 주파수 모드(Mode)를 기본 모드라고 하며, 원통형 도파관의 경우는 TE11, 사각형 도파관의 경우는 TE10이다. 공진형 캐비티는 다시 캐비티 내부의 전자계 분포 형태에 따라 TEmnp, TMnmp등과 같이 분류되며, 캐비티 내에 동시에 여러 개의 Mode를 가질 수 있는 경우를 특히 다중모드캐비티(Multi-mode Cavity)라고 한다. 이것의 대표적인 예가 전자레인지의 캐비티이다.
어플리케이터 내부의 부하는 보통 고체 또는 액체 상태인 경우가 대부분이지만, 플라즈마 발생기 등에서는 기체가 될 수도 있다. 또한 부하는 다양한 형태를 가질 수 있으며, 고정된 부하 뿐만 아니라 이동하는 부하도 가능하다.
종래에는 어플리케이터 내부의 부하의 상태에 따른 안정된 동작 상태를 유지하는 일이 어려웠다. 무전극램프를 예로들면, 전구를 점등하는 것과 점등 후 안정된 발광 상태를 유지하는 것을 동시에 만족시키기가 힘들다. 전구 또는 전구를 포함하는 공진기의 임피던스는 전구의 상태에 따라 크게 달라진다. 즉, 전구가 발광을 하지 않고 차가운 상태와, 기동 직후 전구 내부에 방전이 개시될 무렵의 상태와, 전구가 안정된 발광을 유지하는 상태의 임피던스가 모두 크게 차이가 나기 때문에, 어느 특정한 상태에 대해 정합(matching)시킬 경우 다른 상태에서의 정합이 현저하게 어긋나게 된다. 이로 인해 전구가 점등되어 초기 방전이 일어나도 안정 상태로 넘어가다가 전구가 꺼지는 일이 생기기도 하고, 또 전구가 안정 상태에 이르러도 전자파의 임피던스 정합이 불량하여 시스템 전체의 효율이 크게 저하되기도 한다. 따라서, 보통 전구가 안정되게 발광하는 상태에 시스템의 임피던스 정합을 취하게 되는데, 이 경우 전구의 초기 방전 상태의 정합이 어긋나기 때문에 공진기에 가해지는 전자파의 대부분이 반사되어 마그네트론 쪽으로 되돌아 가게 되고, 이로 인해 공진기 내에 전구를 기동하기에 충분한 전계의 강도가 얻어지지 않으므로 전구의 점등이 어렵게 된다. 또, 반사된 전자파로 인해 마그네트론의 동작이 불안정하게 되거나 이상발진하게 되기도 하고, 마그네트론의 온도가 상승하여 마그네트론의 수명이 크게 단축되기도 한다. 따라서 전구의 점등을 위해 공진기의 형상을 복잡하게 하거나 공진기 내에 전구의 점등을 돕는 장치를 추가하는 등의 방법을 사용하는데, 이 경우 비용이 증가하고 구조가 복잡해지는 단점이 있다. 또, 이러한 방법을 사용해도 마그네트론의 이상 동작이나 수명 단축 등의 문제를 해결하지는 못한다.
한편, 전자파에 대해서 부하가 가지는 특성 저항 즉, 부하 임피던스(Load Impedance)와 도파관 전송 선로와 어플리케이터의 특성임피던스가 맞지 않을 때 어플리케이터로부터 전자파가 다시 반사된다. 이 경우 반사된 에너지가 전자파 발생수단으로 되돌아 가게 되면 전자파 발생수단에 영향을 미쳐서 안정된 동작을 방해하거나, 전자파 발생수단에 열로 흡수되어 전자파 발생수단의 수명을 단축시키거나 이를 파괴하는 일이 생긴다. 그러므로, 부하와의 정합을 위해 정합기(Tuner)를 사용하거나 서큘레이터(Circulator) 등을 사용하여 전자파 발생수단을 보호해 왔다.
도 1에 종래의 도파관 구조를 개략적으로 나타내었다. 정합기는 도파관 전송선로의 특성 임피던스를 조절하는 장치로서, 이의 형태는 여러 가지가 있다. 도 1 의 방향성 결합기(Directional Coupler)(4)는 도파관 내에서 부하(6)쪽으로 진행하거나 또는 부하로부터 반사되어 되돌아오는 전자파의 일부를 정해진 비율 즉, 결합도로 추출하는 장치이다. 전송 선로 내의 정합 상태가 양호하도록 방향성 결합기에 전력계(3)를 연결하여 반사파가 최소가 되도록 정합기(2)를 조정한다.
종래 기술에서는 부하의 상태에 따라 정합기를 조정하여 정합이 양호하게 유지되도록 해야 한다. 특히, 동작 상태에서 부하의 특성이 변할 경우 정합기를 계속적으로 조절할 필요가 있다. 같은 부하도 부하의 주변 조건 즉, 온도나 압력 등이 바뀌면 그에 따라 임피던스도 따라 변하기 때문에 이것은 매우 불편한 일이다. 더욱이, 만일 부하의 임피던스가 불규칙적으로 변하거나 급격히 변하는 경우는 양호한 정합 상태를 유지하기가 매우 어렵다.
또한, 정합기와 방향성 결합기, 전력계 또는 서큘레이터 등을 사용할 경우 이들 장치의 가격이 비싸고, 시스템 전체의 크기가 증가하고 복잡해지는 등의 단점이 있다. 따라서, 이들 단점을 극복할 수 있는 쉽고 저렴한 도파관 구조가 필요하다.
따라서, 본 발명은 도파관을 이용하여 전자파 발생 수단로부터 전자파를 어플리케이터로 전송하는 시스템에서, 부하 특성의 변동으로 인해 반사된 에너지가 전자파 발생 수단으로 되돌아가서 전자파 발생수단의 특성을 저하 또는 열화시키는 문제를 해결하는데 그 목적이 있다. 또한, 부하의 특성이 수시로 변화하는 경우 도파관 구조 내에 정합기를 설치하여 이를 수시로 조절하여야 하는 불편함을 제거하는데 그 목적이 있다.
도 1은 종래의 도파관 구조를 나타낸 개략도이다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 도파관 구조의 일실시예를 나타낸 것으로, 도 2a는 정단면도이고, 도 2b는 측단면도이다.
도 3은 일반적인 도파관 방향성 결합기를 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예를 나타내는 단면도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예로서, 무전극 램프에 적용된 도파관 구조를 나타내며, 도 5a는 측단면도이고, 도 5b는 정단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예로서, 가열 시스템에 적용된 도파관 구조를 나타내는 단면도이다.
도 7은 이중 공진의 원리를 설명하는 단면도로서, 전구 기동시의 전계강도를 나타낸다.
도 8은 이중 공진의 원리를 설명하는 단면도로서, 전구 기동 후의 전계강도를 나타낸다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 다른 실시예로서, 무전극 램프에 적용된 도파관구조를 나타내며, 도 9a는 측단면도이고, 도 9b는 정단면도이다.
도 10a 내지 도 10c는 도파관의 일반적인 형태를 설명하기 위한 도면으로, 도 10a는 단면이 사각형인 도파관의 단면도이고, 도10b는 E면에 대한 원통형 도파관 구조를 나타내는 사시도이며, 도 10c는 H면에 대한 원통형 도파관 구조를 나타내는 사시도이다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 또 다른 실시예로서, 무전극 램프에 적용된 도파관 구조를 나타내며, 도 11a는 측단면도이고, 도 11b는 정단면도이다.
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 또 다른 실시예로서, 무전극 램프에 적용된 도파관 구조를 나타내며, 도 12a는 측단면도이고, 도 12b는 정단면도이다.
*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***
1:마그네트론 2:정합기
3:전력계 4:방향성 결합기
5:어플리케이터 6:부하
11:방향성 결합슬롯 12:도파관
13:흡수수단 14:결합슬롯
본 발명은 전자파 발생수단과, 상기 전자파 발생수단으로부터 발생된 전자파를 전송하는 도파관과, 상기 도파관으로부터 전송되는 전자파를 전구에 전달되도록 하는 어플리케이터로 구성되며, 상기 도파관과 상기 어플리케이터의 벽면의 일부 또는 전부가 서로 공유되고, 상기 공유되는 벽면에는 슬롯이 형성되어 있으며, 상기 도파관의 길이는 도파관내 전송되는 전자파 파장의 2분의 1의 정수배인 도파관과 어플리케이터의 결합 구조를 제공한다.
상기 슬롯은 상기 도파관과 상기 어플리케이터의 공유되는 벽면에 일정 간격으로 두 개 이상이 형성되어 어플리케이터로부터 반사되는 전자파가 도파관으로 되돌아 올 때 상기 전자파 발생수단 쪽으로 되돌아 가지 않도록 한다. 상기 슬롯 사이의 중심 간격은 도파관내 전송되는 전자파 파장의 약 4분의 1이며, 상기 슬롯의 폭은 슬롯이 설치되는 벽면 두께의 3배 이상이 바람직하다.
또한, 상기 도파관은 공진기의 축을 중심으로 원형으로 말려 있어서 도파관내의 전자파 진행 형태가 공진기의 단면과 동심원 또는 동심원호를 이루도록 한다.
또한, 상기 도파관의 전자파 진행 방향의 종단에는 전자파 흡수수단을 추가로 구비시킴으로써 도파관에서 어플리케이터로 결합되지 않고 도파관 내부를 계속 진행하는 전자파와 어플리케이터에서 반사되어 도파관으로 되돌아와 원래의 방향(전자파 발생수단의 반대방향)으로 진행하는 전자파가 도파관의 종단에서 흡수되도록 한다. 상기 흡수수단으로는 탄소나 흑연, 물 등 여러가지가 사용될 수 있다.
상기 어플리케이터의 단면 형상은 원형 또는 타원형이 적당하고, 상기 도파관의 형태는 반원형, 원형 또는 타원형이 적당하다.
또한 본 발명은 전자파 발생수단과, 상기 전자파 발생수단으로부터 발생된 전자파를 전송하는 도파관과, 상기 도파관으로부터 전송되는 전자파를 전구에 전달되도록 하는 공진기 및, 상기 공진기 내의 무전극 전구로 구성되며, 상기 도파관과 상기 공진기의 벽면의 일부 또는 전부가 서로 공유되고, 상기 공유되는 벽면에는 슬롯이 형성되어 있어 공진기로부터 반사되는 전자파가 도파관으로 되돌아 올 때 상기전자파 발생수단 쪽으로 되돌아 가지 않도록 하며, 상기 도파관의 길이는 도파관내 전송되는 전자파 파장의 2분의 1의 정수배인 무전극 램프를 제공한다.
본 발명의 상세한 내용을 도면을 참조하며 실시예를 통하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 첫 번째 특징은 방향성 결합 구조의 슬롯을 형성시킨다는 점이다.
도 2a 및 도 2b에 본 발명의 개념을 명확히 하기 위하여 도파관과 어플리케이터의 결합 구조의 일실시예를 나타내었다. 도 2a에 도시된 구조의 단면을 보면, 마이크로웨이브 전자파를 발생시키는 전자파 발생수단으로부터 전자파를 전송하는 도파관(12)과, 전송된 전자파를 부하에 가해 주기 위한 어플리케이터(5), 도파관(12)을 통해 진행하는 전자파를 어플리케이터(5)에 전달하도록 이들을 결합하는 방향성 결합 구조의 슬롯(11)과 도파관의 전자파 진행방향의 종단에 설치된 흡수수단(13)으로 구성되어 있는 도파관 구조가 나타나 있다. 원통형 어플리케이터(5)의 한 쪽 벽면과 반원형 도파관(12)의 한 쪽 벽면이 서로 공유되고 있으며 그 벽면의 일부에 두 개의 슬롯(11)이 간격을 두고 형성되어 있다. 도 2b는 본 발명의 도파관 구조의 측면도이다. 전자파 발생수단에서 발생된 전자파는 도파관(12)을 따라 도파관 종단의 흡수수단(13) 쪽으로 진행하며, 도중에 설치된 결합 슬롯(11)을 통해 어플리케이터(5) 내부에 있는 부하에 전달된다.
본 발명에서 발향성 결합 구조는 전자파 발생수단에서 발생되어 전송되는 전자파가 어플리케이터(5) 내부의 부하에 모두 흡수되지 못하고 반사되어 전자파 발생수단 쪽으로 되돌아 가는 것을 방지하는 중요한 역할을 한다.
이해를 돕기 위해 참고로 도 3에 일반적인 도파관 방향성 결합기(Waveguide Directional Coupler)를 보였다. 도파관 A를 통해 한쪽 방향으로 진행하는 전자파는 약 4 분의 1파장 간격으로 배치된 두개의 결합 슬롯(또는 구멍)을 통해 그 일부가 도파관 B에 전달되며, 이때 두 결합 슬롯의 상호 작용에 의해 도파관 B 내에서도 역시 한쪽으로만 진행하게 된다. 즉, 두 슬롯을 통과한 전자파는 전자파 진행 방향으로는 보강 간섭이 일어나고 그 반대 방향으로는 상쇄 간섭이 일어나서 결과적으로는 도파관 B에서도 도파관 A에서의 진행 방향으로만 전자파가 진행하게 된다. 또한, 도파관 B에서 진행하는 전자파도 도파관 A에 결합될 때 역시 한쪽 방향으로만 진행된다.
본 발명의 도파관과 어플리케이터의 결합 구조가 일반적인 도파관 방향성 결합기와 다른 점은 전송되는 전자파의 일부만 결합시키는 것이 아니라 전송되는 대부분의 전자파가 결합된다는 것이다. 이것은 도파관에 형성시킨 슬롯의 길이와 폭, 상대적인 위치 등을 적절히 선택함으로써 구현할 수 있다.
도 4는 본 발명의 동작 원리를 보여주는 또 다른 실시예를 도시하고 있다. 도파관(12)에 입사되는 마이크로웨이브 전자파(21)는 도파관(12)을 따라 진행하면서 대부분의 전자파(23)가 도파관(12)과 어플리케이터(5)가 공유하는 벽면 상에 형성된 슬롯을 통해 어플리케이터(5)내로 전달되며, 이렇게 전달된 전자파(24)는 어플리케이터 내부에 있는 부하에 전달되어 흡수된다. 이때 어플리케이터와 그 내부의 부하에 의해서 결정되는 임피던스(Impedance)가 전자파의 임피던스와 일치하지 않을 경우 전자파의 일부는 흡수되지 않고 반사되며, 이 반사파(27)는 다시 슬롯을 통해 도파관(12)에 전달된다. 이렇게 도파관으로 전달된 반사파(28)와 도파관에 입사된 전자파 중에서 어플리케이터로 결합되지 않고 계속 진행하는 전자파(26)는 도파관을 따라 흡수수단(13)에 전달되어 흡수된다. 이 결과, 전자파 발생수단으로부터 도파관(12)에 전달된 전자파는 어플리케이터(5) 내의 부하에 의해 또는 도파관(12) 종단의 흡수수단(13)에 의해 모두 흡수되어 버리고 전자파 발생수단 쪽으로 되돌아가지 않게 된다.
본 발명의 목적상 바람직한 어플리케이터의 형상은 단면이 원형 또는 타원형인 도파관이나 캐비티(Cavity)형이다. 부하의 상태(state)에 따라 또는 부하의 움직임에 따라 적절한 형태의 어플리케이터를 사용할 수 있다. 도 4의 실시예에서는 도파관(12)의 벽면과 어플리케이터의 벽면이 각각 따로 존재하고 오직 슬롯 부분만을 공유하고 있으나, 사용 목적에 따라 도파관과 어플리케이터가 벽면의 일부 또는 전부를 공유할 수 있다.
본 발명의 도파관 구조는 도파관의 진행(길이)방향을 따라 다수의 슬롯 또는 구멍 형태의 개구(開口)가 형성되어 있다. 슬롯의 수는 2개가 기본이지만, 사용 목적에 따라 더 많은 수의 슬롯을 형성시킬 수도 있다. 또한, 슬롯의 수가 짝수일 필요는 없으며, 홀수로 형성시킬 수도 있다. 슬롯들 사이의 간격은 일반적인 도파관형 방향성 결합기의 경우와 같이 도파관내 파장의 약 4분의 1을 기본으로 할 수 있으나, 고정된 것은 아니다. 실제는 사용하는 도파관과 어플리케이터의 구조 즉 크기와 형태, 동작 방식 등에 따라 변경될 수 있다. 또한, 슬롯들 사이의 간격이 모두 동일할 필요도 없으며, 여러 개의 슬롯을 몇 개의 군으로 나누어 적당히 배치할 수도 있다. 슬롯의 형태는 직사각형, 원형, 타원형 등 다양하게 취할 수 있으며, 각각의 슬롯의 형태나 크기 즉, 폭과 길이가 동일할 필요도 없다. 다시 정리하면, 본 발명의 도파관 구조는 사용되는 도파관과 어플리케이터에 따라 적당한 수의 슬롯을 도파관 내에 배열시킨 것이며, 이 구조의 특성은 사용되는 슬롯의 수, 형태, 배열 간격 등에 의해 최적화된다.
도 5a 및 5b는 본 발명의 다른 실시예로서, 마이크로파에 의해 여기되는 무전극 램프에 적용된 도파관 구조를 나타낸다. 마그네트론(1)에서 발생된 전자파는 도파관(12)을 통해 진행하다가 슬롯(11)을 통해 어플리케이터(5)로 전달되며 어플리케이터내 전구(6)의 충전물질을 여기시켜 가시광선 또는 자외선 등의 빛을 발생시킨다. 도파관(12)은 두 개의 원통으로 구성되고, 도 5b에 도시된 정면도를 보면 도파관(12)과 어플리케이터(5)는 같은 중심을 갖는 동심원 상에 있고, 도파관(12)의 내측 벽면 전체가 어플리케이터(5) 벽면의 일부로 공유된다. 도파관(12)의 실제 유효 길이는 도파관 내부에 설치된 벽(9)의 한쪽 면으로부터 시작되어 원주 방향을 따라 벽의 반대쪽 면에 의해 제한된다. 도파관 내에 마그네트론안테나(7)의 반대쪽에는 흡수수단(13)이 설치되어 있다. 슬롯(11)은 도파관의 내측 벽에 모두 4개가 배열되어 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예로, 액체 형태의 유동성이 있는 부하를 가열하는 장치에 적용된 경우이다. 마그네트론(1)에서 발생한 전자파가 어플리케이터(5)로 전달되어 그 내부의 액상 부하를 가열한다. 도파관 구조는 2개의 슬롯으로 구성되고, 어플리케이터는 TE11Mode를 사용하는 원통형 도파관 구조이다.어플리케이터 내부에는 테플론 등의 유전 손실이 적고 열에 강한 부도체로 만들어진 파이프가 경사지게 설치되어 있으며, 이 내부를 가열하고자 하는 액체가 통과한다. 부하의 유전율 또는 전자파 흡수도는 액체의 종류, 온도, 밀도 등의 조건에 따라 변화하므로 부하에 흡수되지 않고 반사되는 전자파의 양 또한 동작 조건에 따라 변하며, 이것은 모두 도파관 종단에 설치된 흡수수단(미도시)에 의해 흡수된다.
본 발명의 또 다른 특징은 도파관이 공진기로서 작용한다는 점이다.
도파관의 길이는 마그네트론 안테나 후방의 벽면으로부터 전자파의 진행 방향을 따라 그 반대쪽 끝의 벽면 까지로 정의할 수 있다. 도파관의 길이를 도파관의 관내 파장의 2분의 1의 정수배(즉 nλ/2, n은 정수)로 하게 되면 도파관 자체가 공진기로도 작동하게 된다. 도파관을 구성하는 두 마주하는 면이 원통형으로 굽어 있는 경우, 즉 도파관 내의 전자파의 진행 방향이 직선이 아닌 곡선이면 도파관의 전기적 길이는 전자기 이론에 의한 수식에 의해 계산되어야 하며, 실제로는 두 굽은 면의 중간을 따라서 계산된 평균 거리로 충분히 정확하게 근사된다.
도파관내의 전자파의 진행방향과 공진기의 단면은 축을 공유하는 동심원을 이루는 구조로 되어 있고, 공진기를 구성하는 벽면의 일부는 도파관을 구성하는 벽면과 공유한다. 도파관 내에서 전자파는 원호를 그리면서 진행하다가 도파관과 공진기의 공유되는 벽면에 설치된 결합 슬롯을 통해 공진기로 전달되어 그 내부의 부하에 가해지게 된다.
도파관이 공진기(이하, 제1공진기)로서도 작용함으로써 어플리케이터 내부의 부하의 상태에 따른 안정된 동작 상태를 유지하도록 한다. 무전극램프를 예로 들면, 램프 기동시에 전구를 포함한 공진기(이하, 제2공진기) 내의 전계 강도를 충분히 높게 유지하여 전구의 점등을 용이하게 하는 것이다. 즉, 전구의 기동시, 전구가 완전히 켜지기 전에는 도파관 즉 제1공진기 내에 정재파(Standing Wave)가 생기고, 이 정재파로 제2공진기를 여기시킨다. 이러한 이중 공진의 원리가 도 7에 설명되어 있다. 먼저 전기적 길이가 관내 파장과 같은 도파관의 양쪽 끝을 막아서 공진기를 형성한다. 이것은 단면이 사각형인 도파관의 경우 TE102Mode, 단면이 원형인 도파관의 경우 TE112Mode로 동작하는 공진기에 해당한다. 이러한 공진기 내부의 전자파는 정재파를 형성하며 그 전계 강도(16)의 분포가 도 7의 공진기 내에 점선으로 표시되었다. 이 때, 공진기의 중간 지점의 전계 강도는 0이 되며, 이 지점을 도체 벽(9)으로 막아도 경계 조건의 변화가 없으므로 전계의 분포가 그대로 유지되고, 설치된 벽에 의해 구분되는 두 공간은 각각 하나의 독립된 공진기(12, 5)를 형성하게 된다. 이 벽에 결합 슬롯(14)을 설치하면 두 공진기 즉 제1공진기(12)와 제2공진기(5)는 서로 연결되며, 여전히 원래의 전계 분포를 유지한다. 이 때 제2공진기의 중심, 즉 전계가 가장 센 곳에 전구를 설치하게 되면, 기동시의 전구는 전자파를 거의 흡수하지 않으므로 제1공진기(도파관)(12)를 통해 제2공진기(5)에 가해진 전자파는 대부분 반사되어 제1공진기(12)로 되돌아 오게 된다. 이것은 다시 제1공진기 내부에 정재파를 형성하여 공진되고, 이렇게 공진된 제1공진기 내부의 전자파는 항상 같은 위상으로 제2공진기에 다시 전달되므로 전자파의 보강 간섭에 의해 제2공진기 내의 정재파 패턴을 유지하여 항상 강한 전계가 전구에 가해지게 한다.
만일, 도파관 영역이 공진기로 작용하지 않으면 도파관내에 생성되는 정재파의 위상은 제2공진기 내의 정재파의 위상과 어긋나게 되므로 제2공진기 내의 공진(정재파) 패턴이 바뀌게 되고, 따라서 전구의 점등이 어려워지게 된다. 전구가 점등된 후에는 전구에 가해지는 전자파의 대부분이 전구에서 흡수되므로 제2공진기에서 반사되는 제1공진기로 되돌아오는 전자파는 거의 없다. 이경우 제1공진기는 더 이상 공진기로 동작하지 않고 보통의 도파관으로만 동작한다. 이 때의 전계 강도(16)를 도 8에 점선으로 나타내었다. 이 때 도파관(12) 내에는 정재파가 없으므로 도파관 내의 전계 강도(16)는 균일하게 된다.
결합 슬롯은 도파관 내의 전자파가 제2공진기에 효율적으로 결합될 수 있도록 설계되며, 도파관과 제2공진기 사이의 벽면에 전자파의 진행 방향을 따라 설치된다. 슬롯의 위치와 길이, 폭 등은 전구가 발광하는 상태에서 도파관과 제2공진기의 결합 상태, 즉 전자파의 정합 상태가 양호하도록 정하는 것이 바람직하다. 슬롯의 형상은 직사각형이 기본이나 필요에 따라 양 끝단을 둥글게 하는 등 설계 목적상 변형이 가능하며, 또 슬롯의 개수 또한 하나가 기본이지만 그 보다 많을 수도 있다. 본 발명의 경우, 종래 기술에 비해 공진기의 원주 방향으로 슬롯이 설치되므로 복수개의 슬롯을 배열하기에 대단히 유리하다.
특히, 결합 슬롯으로 앞서 기술되었던 방향성 결합슬롯을 사용하는 것이 바람직하다. 이 경우 제2공진기와의 정합 특성을 개선하는 것이 유리하고, 또 제2공진기 내에 회전하는 편파 특성을 갖는 전자파를 공급할 수 있는 장점이 있다. 회전편파로 제2공진기를 여기하는 경우에는 공진기의 횡단면에서 볼 때 전계의 방향이 공진기의축을 중심으로 회전하므로 전구의 원주 방향을 따라 전계가 균일하게 가해져서 전구 표면의 국부 가열로 인한 전구의 파손을 방지할 수 있고, 따라서 전구를 회전시킬 필요가 없게되는 장점이 있다.
도 9a 및 9b는 본 발명의 다른 실시예로, 가시광선 발생용 마이크로웨이브 무전극 램프이다. 도파관은 TE10Mode로 동작하고 단면이 사각형이며, E면에 대해서 원통형으로 말려 있다. 일반적으로 단면이 사각형인 도파관은 단면의 가로와 세로의 비율이 2:1 정도로 제조된다. 이 경우, 도 10a에 도시된 바와 같이, 통상 폭이 넓은 면을 E면, 폭이 좁은 면을 H면이라고 한다. 도 10b 및 10c에는 각각 E면에 대한 원통형 구조와 H면에 대한 원통형 구조를 이해를 돕기 위해 나타내었다. 상기 도 9a 및 9b의 실시예에서 도파관 내부 영역인 제1공진기는 TE104Mode로 동작한다. 제2공진기는 원통형이며 TE111Mode로 동작하고, 도파관과 제2공진기는 도파관의 H면의 일부를 공유한다. 도파관과 공유되지 않는 제2공진기의 나머지 벽면은 대부분 메쉬스크린(Mesh Screen)으로 이루어져서 전구에서 발생되는 빛에 대해서 거의 투명하다. 도파관과 제2공진기 사이의 결합은 이 둘 사이의 공유면, 즉 도파관의 H면에 설치된 방향성 결합 슬롯에 의해 이루어진다. 이 방향성 결합 슬롯은 모두 4개의 슬롯의 배열로 구성되어 있으며, 각각 한쌍의 슬롯이 한 조로 동작하는 2조의 결합 구조의 연속 배열 형태이다. 각각의 슬롯 사이의 중심 간격은 관내 파장의 약 4분의 1로, 이 경우 각 슬롯 사이의 위상차가 약 90도이므로 제2공진기 내부에 회전하는 편파 특성을 가진 공진 Mode 즉 전자계 분포를 생성한다. 따라서, 전구의 기동이 쉬워지고 전구를 회전시켜야 하는 필요성이 줄어들게 된다.
도 9a 및 9b에서 결합 슬롯은 도파관의 H면, 즉 폭이 넓은 면 위에 설치되었지만, 이것은 제2공진기가 도파관의 H면을 공유하고 있기 때문이고, 만일 제2공진기가 도파관의 E면, 즉 폭이 좁은 면의 일부를 공유하고 있다면 결합 슬롯 또한 도파관의 E면 위에 설치될 수도 있다. 더욱이, 도 9a 및 9b에서는 도파관이 E면의 진행 방향에 대해서 원통형으로 말려 있지만, 이 또한 도파관의 H면의 진행 방향에 대해서 원통을 말아 가는 구조도 가능하며, 이 경우 공히 슬롯은 E면과 H면에 설치하는 것이 모두 가능하다.
도 11a 및 11b는 본 발명의 다른 실시예로, 2.45GHz로 발진하는 마그네트론을 사용한 마이크로웨이브 무전극 램프를 나타내고 있다. TE10Mode로 동작하는 단면이 사각형인 도파관을 사용하였으며, E면에 대해서 원통형으로 말려 있다. 도파관의 단면의 폭과 높이는 각각 약 80mm와 40mm이고, 도파관의 내부영역인 제1공진기는 TE103Mode로 동작한다. 제2공진기는 약 75mm의 직경을 가진 원통형으로 TE111Mode로 동작하고, 원통을 구성하는 옆면과 앞쪽 면은 Mesh Screen으로 이루어져 있으며, 뒷 면은 도파관의 E면을 공유한다. 이 실시예에서는 도파관과 제2공진기 사이의 결합이 도파관의 E면에 설치된 진행파 결합 슬롯에 의해 이루어진다. 슬롯의 폭은 슬롯이 설치되는 벽면 두께의 3배 이상이 되도록 하는 것이 바람직하다. 슬롯의 폭이 좁으면 공진기의 무부하시의 Q를 높게 유지할 수 있어서 전구의 기동에 유리하지만, 전구가 완전히 켜진 후에는 공진기의 Q가 낮아지게 되어 양호한 정합을 유지하기가 어려워지므로, 적당한 선에서 슬롯의 폭을 결정한다. 본 실시예의 경우 슬롯의 폭은 약 12mm이고, 슬롯의 위치는 전구가 완전히 켜진 후 정합이 가장 양호하게 되는 지점으로 결정한다. 본 실시예의 경우 매우 양호한 점등 성능과 효율적이고 안정된 동작을 동시에 이루었다.
도 12a 및 12b는 본 발명의 또 다른 실시예이다. 본 실시예의 특징은 단면이 사각형인 도파관을 H면에 대해서 원통형으로 말아 놓은 구조로 되었다는 것이다. 이 경우 원통형의 제2공진기는 도파관의 H면의 일부를 공유하며, 도파관과 제2공진기 사이의 결합이 공유된 면, 즉 도파관의 H면에 설치된 결합 슬롯에 의해 이루어진다. 결합 슬롯은 2개의 슬롯으로 구성된 방향성 결합 구조로 동작하는데, 정합 특성을 개선하기 위해 두번째 슬롯의 길이가 첫번째 슬롯의 길이보다 짧게 하였다. 본 실시예의 경우 전구의 축을 기준으로 볼 때 전체 장치가 도파관의 외경 이내에 들어오도록 할 수 있으므로 원통형의 외관을 가지는 전등 시스템을 설계할 때 유리하다.
본 발명에 의하면 도파관 정합기 또는 서큘레이터 등의 고가의 장치 없이도 부하의 변동이 전자파 발생수단에 미치는 영향을 없앨 수 있다. 따라서, 시스템의 구성 또는 제작 비용이 절감되고, 전자파 발생수단의 수명이 증가하며, 전체 시스템이 항상 안정되게 동작하는 장점이 있다. 또한, 전자파 발생수단의 교체 등으로 인한 시스템의 정지 시간을 줄일 수 있다. 본 발명의 또 다른 장점으로는 부하의 상태 변동에 따른 시스템의 정합 상태 조정이 필요없다는 점이다. 정합기를 사용할 경우에는 부하 상태의 변동에 따라 정합 상태를 조정해 주어야 하는 불편이 있어나, 본 발명은 시스템의 변경 없이도 종류나 특성이 다른 부하를 사용할 수 있다. 시스템의 정합 상태가 항상 양호하게 유지되므로 마그네트론 등의 전자파 발생수단의 수명이 연장되고, 시스템이 항상 안정적으로 동작하며, 시스템의 효율을 높게 유지할 수 있다. 또한, 공진기로도 작용하는 도파관을 이용함으로써 부하의 상태에 따른 안정된 동작 상태를 유지할 수 있다. 예를 들어, 무전극램프에 있어서는 전구가 점등되기 전과 점등된 후의 모드를 각각 도파관과 공진기가 서포트(Support) 점등이 용이하도록 하고 모드의 전환 도중 전구가 꺼지는 현상을 방지할 수 있다. 전구의 점등이 용이해지므로 전구의 점등을 돕기 위한 별도의 장치가 필요하지 않아서 시스템을 간단하게 할 수 있으며 시스템의 제작 비용이 절감된다. 또한, 도파관과 공진기를 방향성 결합슬롯을 사용하여 연결함으로써 반사파가 마그네트론으로 되돌아 가는 것을 방지할 뿐만 아니라 공진기에 회전편파를 여기시킬 수 있다. 따라서, 공진기 내부의 전자계 분포의 균일도가 향상되므로 전구 내부의 플라즈마가 안정되게 발광하게 하고, 전구를 회전시킬 필요성이 줄어들어 전구의 파손을 예방할 수 있다.

Claims (23)

  1. 전자파 발생수단과,
    상기 전자파 발생수단으로부터 발생된 전자파를 전송하는 도파관 및,
    상기 도파관으로부터 전송되는 전자파를 부하에 전달되도록 하는 어플리케이터로 구성되며,
    상기 도파관과 상기 어플리케이터의 벽면의 일부 또는 전부가 서로 공유되고, 상기 공유되는 벽면에는 두 개 이상의 슬롯(slot)이 형성되어 있어 어플리케이터로부터 반사되는 전자파가 도파관으로 되돌아 올 때 상기 전자파 발생수단 쪽으로 되돌아 가지 않도록 하는 도파관과 어플리케이터의 결합 구조.
  2. 제1항에 있어서, 상기 도파관의 길이는 도파관내 전송되는 전자파 파장의 2분의 1의 정수배인 도파관과 어플리케이터의 결합 구조.
  3. 제1항에 있어서, 상기 슬롯 사이의 중심 간격은 도파관내 전송되는 전자파 파장의 약 4분의 1인 도파관과 어플리케이터의 결합 구조.
  4. 제1항에 있어서, 상기 슬롯의 폭은 슬롯이 설치되는 벽면 두께의 3배 이상인 도파관과 어플리케이터의 결합 구조.
  5. 제1항에 있어서, 상기 도파관의 전자파 진행 방향의 종단에 전자파 흡수수단을 추가로 구비하는 도파관과 어플리케이터의 결합 구조.
  6. 제1항에 있어서, 상기 어플리케이터의 단면 형태는 원형 또는 타원형인 도파관과 어플리케이터의 결합 구조.
  7. 제1항에 있어서, 상기 도파관의 형태는 반원형, 원형 또는 타원형인 도파관과 어플리케이터의 결합 구조.
  8. 전자파 발생수단과,
    상기 전자파 발생수단으로부터 발생된 전자파를 전송하는 도파관 및,
    상기 도파관으로부터 전송되는 전자파를 부하에 전달되도록 하는 어플리케이터로 구성되며,
    상기 도파관과 상기 어플리케이터의 벽면의 일부 또는 전부가 서로 공유되고, 상기 공유되는 벽면에는 슬롯이 형성되어 있으며,
    상기 도파관의 길이는 도파관내 전송되는 전자파 파장의 2분의 1의 정수배인 도파관과 어플리케이터의 결합 구조.
  9. 제8항에 있어서, 상기 슬롯은 상기 도파관과 상기 어플리케이터의 공유되는 벽면에 일정 간격으로 두 개 이상이 형성되어 있는 도파관과 어플리케이터의 결합구조.
  10. 제9항에 있어서, 상기 슬롯 사이의 중심 간격은 도파관내 전송되는 전자파 파장의 약 4분의 1인 도파관과 어플리케이터의 결합 구조.
  11. 제8항에 있어서, 상기 슬롯의 폭은 슬롯이 설치되는 벽면 두께의 3배 이상인 도파관과 어플리케이터의 결합 구조.
  12. 제8항에 있어서, 상기 도파관은 어플리케이터의 축을 중심으로 원형으로 말려 있어서 도파관내의 전자파 진행 형태가 어플리케이터의 단면과 동심원 또는 동심원호를 이루는 도파관과 어플리케이터의 결합 구조.
  13. 제8항에 있어서, 상기 도파관의 전자파 진행 방향의 종단에 전자파 흡수수단을 추가로 구비하는 도파관과 어플리케이터의 결합 구조.
  14. 제8항에 있어서, 상기 어플리케이터의 단면 형태는 원형 또는 타원형인 도파관과 어플리케이터의 결합 구조.
  15. 제8항에 있어서, 상기 도파관의 형태는 반원형, 원형 또는 타원형인 도파관과 어플리케이터의 결합 구조.
  16. 전자파 발생수단과,
    상기 전자파 발생수단으로부터 발생된 전자파를 전송하는 도파관과,
    상기 도파관으로부터 전송되는 전자파를 전구에 전달되도록 하는 공진기 및,
    상기 공진기 내의 무전극 전구로 구성되며,
    상기 도파관과 상기 공진기의 벽면의 일부 또는 전부가 서로 공유되고, 상기 공유되는 벽면에는 슬롯이 형성되어 있어 공진기로부터 반사되는 전자파가 도파관으로 되돌아 올 때 상기 전자파 발생수단 쪽으로 되돌아 가지 않도록 하며,
    상기 도파관의 길이는 도파관내 전송되는 전자파 파장의 2분의 1의 정수배인 도파관과 어플리케이터의 결합 구조를 이용한 무전극 램프.
  17. 제16항에 있어서, 상기 슬롯은 상기 도파관과 상기 공진기의 공유되는 벽면에 일정 간격으로 두 개 이상이 형성되어 있는 도파관과 어플리케이터의 결합 구조를 이용한 무전극 램프.
  18. 제17항에 있어서, 상기 슬롯 사이의 중심 간격은 도파관내 전송되는 전자파 파장의 약 4분의 1인 도파관과 어플리케이터의 결합 구조를 이용한 무전극 램프.
  19. 제16항에 있어서, 상기 슬롯의 폭은 슬롯이 설치되는 벽면 두께의 3배 이상인 도파관과 어플리케이터의 결합 구조를 이용한 무전극 램프.
  20. 제16항에 있어서, 상기 도파관은 공진기의 축을 중심으로 원형으로 말려 있어서 도파관내의 전자파 진행 형태가 공진기의 단면과 동심원 또는 동심원호를 이루는 도파관과 어플리케이터의 결합 구조를 이용한 무전극 램프.
  21. 제16항에 있어서, 상기 도파관의 전자파 진행 방향의 종단에 전자파 흡수수단을 추가로 구비하는 도파관과 어플리케이터의 결합 구조를 이용한 무전극 램프.
  22. 제16항에 있어서, 상기 공진기의 단면 형태는 원형 또는 타원형인 도파관과 어플리케이터의 결합 구조를 이용한 무전극 램프.
  23. 제16항에 있어서, 상기 도파관의 형태는 반원형, 원형 또는 타원형인 도파관과 어플리케이터의 결합 구조를 이용한 무전극 램프.
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