RU2236062C1 - Сверхвысокочастотный (свч) возбудитель безэлектродной газоразрядной лампы - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области техники сверхвысоких частот (СВЧ) и светотехники. В конкретном идеологическом и конструктивном построении заявляемый объект относится к осветительным устройствам, использующим в качестве источника света безэлектродную СВЧ-газоразрядную лампу, располагаемую в электромагнитном поле светопрозрачного СВЧ-резонатора, возбуждаемого СВЧ-энергией накачки от СВЧ-генератора. При использовании изобретения в составе осветительного устройства обеспечиваются следующие технические результаты: высокие безотказность и долговечность собственно светильника, определяемые только безэлектродной лампой; низкий уровень СВЧ-потерь при передаче СВЧ-энергии накачки к безэлектродной лампе по длинному СВЧ-тракту; возможность и удобство обслуживания блоков СВЧ-генератора накачки и источника вторичного питания без демонтажа собственно светильника и СВЧ-тракта. В СВЧ-возбудителе, содержащем тороидальную безэлектродную СВЧ-газоразрядную лампу, размещенную в зоне пучности электромагнитного поля в светопрозрачном осесимметричном СВЧ-резонаторе с рабочим видом колебаний TE_01p, где р=1, 2, 3..., и СВЧ-тракт, электродинамически связанный щелевым излучателем с СВЧ-резонатором, СВЧ-тракт выполнен в виде опорной мачты-колонны с круглым волноводом, который имеет рабочий тип волны ТЕ₀₁, размещен вдоль общей оси симметрии с СВЧ-резонатором и связан с ним посредством, по меньшей мере, одной радиальной сквозной щели в торце резонатора. Предусмотрено, что опорная мачта-колонна с круглым волноводом выполнена в виде последовательности телескопически сопряженных и соосных секций, по меньшей мере, одна из которых установлена с возможностью продольного и/или азимутального перемещения относительно оси круглого волновода.1 з.п. ф-лы,6 ил.

Description

Изобретение относится к области техники сверхвысоких частот (СВЧ) и светотехники. В более узком приложении заявляемый объект относится к осветительным устройствам, используемым для создания потоков направленного и несфокусированного оптического излучения. В конкретном идеологическом и конструктивном построении заявляемый объект относится к осветительным устройствам, использующим в качестве источника света безэлектродную СВЧ-газоразрядную лампу, располагаемую в электромагнитном поле светопрозрачного СВЧ-резонатора, возбуждаемого СВЧ-энергией накачки от СВЧ-генератора.

Примером наиболее распространенного построения таких осветительных устройств является комплексное устройство, включающее в себя следующие основные компоненты:

- источник вторичного питания (ИВП), преобразующий напряжение питающей сети (обычно 220 В, 50 Гц) в напряжения (постоянные и переменные), подаваемые на СВЧ-генератор и др. элементы устройства;

- СВЧ-генератор (магнетрон) накачки;

- СВЧ-адаптер, связывающий магнетрон с СВЧ-трактом;

- СВЧ-тракт, электродинамически связанный с СВЧ-резонатором посредством излучателя (например, в виде щели, окна или их группы);

- светопрозрачный СВЧ-резонатор (в большинстве известных устройств - цилиндрический с рабочим видом колебаний ТЕ₁₁₁);

- безэлектродную СВЧ-газоразрядную лампу-горелку, расположенную в резонаторе в зоне пучности электрического СВЧ-поля (в большинстве известных устройств горелка - сферическая, например, серная лампа на консольном кварцевом стержне-держателе);

- устройство стыковки внешнего оптического формирователя светового потока (рефлектора);

- устройство принудительного охлаждения СВЧ-генератора (турбина или вентилятор, воздушный фильтр) и элементов собственно источника вторичного питания;

- устройство вращения лампы-горелки (в ряде случаев от того же двигателя, что вращает вентилятор);

- устройства считывания информации, выработки управляющих команд, аварийного отключения.

Совокупность перечисленных компонентов, не включающая в себя ни собственно формирователь светового потока (внешний рефлектор), ни источник вторичного питания (если он выполнен в виде отдельного невстроенного блока), принято называть "СВЧ-ламповый модуль". Частная же совокупность таких компонентов, как участок СВЧ-тракта, связанный излучателем с СВЧ-резонатором, безэлектродная лампа с элементами ее крепления в резонаторе составляет "СВЧ-возбудитель безэлектродной лампы". Стремление сделать и СВЧ-возбудитель безэлектродной лампы, и СВЧ-ламповый модуль в целом максимально компактным и универсально пригодным для работы с различными внешними формирователями светового потока на современном этапе определило господствующую тенденцию - построение СВЧ-лампового модуля в виде моноблока со встроенным источником вторичного питания. Это делает возможным использование такого моноблока:

- в качестве автономного светильника или прожектора (что не исключает группового размещения множества "автономных" светильников или прожекторов на единой несущей конструкции);

- в составе осветительной системы, сочетающей автономный светильник с оптической системой полых световодов.

Современный уровень техники как в части наличия достаточной элементной базы, так и в части имеющихся схемотехнических наработок иллюстрируется появлением на светотехническом рынке компактной и относительно легкой моноблочной конструкции, известной под названием Light Drive 1000™, следом за двухблочной Solar 1000™ (Шлифер Э.Д. Безэлектродные СВЧ-газоразрядные лампы. В Сб. Энергосбережение в освещении. - М.: Знак, 1999, с. 169-192 - [1]).

Известен пример применения такой моноблочной конструкции в качестве автономного светильника, подвешенного под потолком в высоком зале торгового центра в Вуосаари (Финляндия). При этом использовались и неконтактирующие с моноблоком асимметричные отражатели (Билунд Л. Новая осветительная техника с микроволновыми серными плазменными лампами. //Светотехника, №3, 1998, с. 13-17 - [2]).

Известно и применение такого моноблока (с пристыкованным глубоким параболическим отражателем) в качестве источника засветки световодной линейки, также подвешенной на значительной высоте (Гутцайт Э.М. Распределение уровней сверхвысокочастотных излучений осветительных установок с большим числом безэлектродных ламп. Светотехника, №3, 2002, с. 22-25 - [3]). Наконец, такие же моноблоки в сочетании с пирамидальным рефлектором установлены на опорных мачтах-колоннах в аэропорту в Сундсвале (Швеция) для освещения самолетных стоянок.

Все сказанное в целом свидетельствует о том, что осветительные устройства на базе безэлектродных ламп с СВЧ-накачкой (далее "осветительные устройства") продолжают совершенствоваться и завоевывают расширяющиеся области применения. При этом наряду с прочими достоинствами наиболее привлекательными чертами таких устройств являются:

- высокая долговечность безэлектродных ламп (оцениваемая несколькими десятками тысяч часов), что избавляет от необходимости частой замены ламп при эксплуатации. Это - особо важное обстоятельство, когда осветительное устройство установлено в труднодоступном для обслуживания месте;

- высокая световая отдача, что определяет энергоэкономичность осветительных устройств или систем.

Однако противоречивость и даже парадоксальность ситуации, имеющей место при построении и эксплуатации описанных выше известных осветительных устройств (в том числе и моноблочных, использующих передовую элементную базу) заключается в следующем. Действительно, безэлектродная лампа, если она эксплуатируется в оптимальном режиме (по уровню мощности СВЧ-накачки, по теплораспределению, по скорости вращения, по "составу" и температуре окружающей среды), может считаться "вечным" элементом. Но в составе осветительного устройства и, в частности, в СВЧ-ламповом модуле имеется, как отмечалось выше, еще множество элементов, причем с относительно низкими показателями надежности.

Среди этих элементов обычно выделяется СВЧ-генератор накачки - печной магнетрон. В бытовых микроволновых печах такие магнетроны служат до 5 тыс. часов. С использованием специального адаптера (Патент РФ №2161841, МКИ H 01 J 23/26, Н 01 Р 5/02. Автор Шлифер Э.Д. Опубл. бюлл. №1, 10.01.2001 - [4]) и щадящего режима магнетрона (включая и режим интенсивного обдува) можно обеспечить наработку магнетрона ~15 тыс. часов. Это означает, что за время жизни безэлектродной лампы надо 3 раза заменять магнетрон.

Однако магнетрон отнюдь не самое "слабое звено". Значительно меньшую наработку на отказ имеет двигатель вращения воздушной турбинки (или вентилятора) и безэлектродной лампы (2-3 тыс. часов). Невелика и, главное, наперед непредсказуема надежность контактных соединений, что приводит к их подгораниям, искрениям и возникновениям сетевых и эфирных радиопомех, а в худшем случае - к выходу из строя элементов источника вторичного питания.

Все это делает осветительное устройство объектом немалых эксплуатационных забот, которые можно считать не особо обременительными, если СВЧ-ламповый модуль, да и источник вторичного питания находятся в доступной зоне и не требуются специальные подъемные, подвесные и т.п. механизмы для обслуживания осветительного устройства. В случаях же размещения осветительного устройства, например, на высокой мачтовой опоре (как в упомянутом шведском аэропорту) или на стреле строительного крана, на потолочной подвесной конструкции и т.п., замена любых элементов СВЧ-лампового модуля становится проблемой, заметно обесценивающей комплексное осветительное устройство на безэлектродной СВЧ-газоразрядной лампе.

В идеальном случае такой проблемы не возникнет, если предположить, что собственно светильник не содержит элементов, требующих замен. Такой "необслуживаемый светильник" мог бы содержать только светопрозрачный СВЧ-резонатор, неподвижную безэлектродную лампу без обдува и, возможно, другие неподвижные или не приводимые в движение электродвигателем элементы. При таком построении непосредственно к этому "необслуживаемому светильнику" с невращаемой, необдуваемой безэлектродной лампой необходимо подводить только СВЧ-энергию накачки (по соответствующей линии передачи) от относительно далеко дистанцированного СВЧ-генератора.

В этом случае проектировщиком должны быть найдены решения следующих трех основных вопросов.

Первый из них - оптимальное конструктивное и схемотехническое построение (в т.ч. компоновка и размещение) комплексного блока, содержащего легко заменяемые или обслуживаемые элементы и устройства: СВЧ-генератор накачки, источник вторичного питания, системы управления, охлаждения, контроля, защиты, сигнализации.

Второй - создание СВЧ-возбудителя безэлектродной лампы, не требующего вращения и принудительного обдува последней и обеспечивающего возможность электродинамического согласования конфигурации безэлектродной лампы с топографией СВЧ-поля в светопрозрачном резонаторе, с одной стороны, и оптического согласования формы светящего тела с внешним рефлектором - с другой.

Третий вопрос - выбор и реализация СВЧ-тракта, оптимизированного с позиций обеспечения: а) требуемой топографии СВЧ-поля в электродинамически связанном с трактом СВЧ-резонаторе; б) малых СВЧ-потерь в тракте и СВЧ-излучений в окружающее пространство (в частности, на контактных стыках участков тракта, если он выполнен в виде последовательности секций определенной длины); в) размещения и монтажа тракта (например, в составе мачты, колонны, опоры, на которой предусмотрена установка "необслуживаемого светильника") с учетом климатических и прочностных требований.

Оценим степень готовности современной техники к решению перечисленных вопросов.

Первый из этих вопросов, относящийся к комплексному блоку источника СВЧ-энергии накачки, имеет ряд уже реализованных технических решений, опирающихся на апробированную идеологию и достаточную (в части качества, доступности и номенклатуры) элементную базу. Известны и выпускаются миллионными тиражами магнетроны непрерывного действия с воздушным принудительным охлаждением, применяемые главным образом в бытовых микроволновых печах ("печные" магнетроны). Эти магнетроны мощностью 0,8-1 кВт, работающие при выпрямленном напряжении около 4 кВ, используются и в качестве СВЧ-генераторов накачки безэлектродных ламп - источников оптического излучения [1]. Современные промышленно изготавливаемые источники вторичного питания (ИВП), обеспечивающие заданную (в том числе регулируемую) величину рабочего тока магнетрона, соответственно мощности СВЧ-накачки, реализуют передовую идеологию, связанную с использованием преобразования частоты и широтно-импульсной модуляции, обладают, пожалуй, наилучшим сочетанием электрических, тепловых, массогабаритных характеристик. В таких ИВП известные схемотехнические и конструктивно-монтажные построения, включая цепи управления, контроля и др., позволяют при необходимости заменять отказавшие элементы, причем не один раз за время жизни магнетрона и, тем более, за время жизни безэлектродной лампы.

Все это свидетельствует о наличии идеологической и технической основы для оптимального построения малогабаритного устройства СВЧ-накачки безэлектродной лампы, которое надлежит разместить в доступном для обслуживания и стыковки с СВЧ-трактом месте, например в основании опорной мачты-колонны, на верхнем конце которой предусмотрено закрепление "необслуживаемого светильника".

Второй вопрос, относящийся к СВЧ-возбудителю безэлектродной лампы, становится разрешимым с появлением новых устройств, представленных в публикации: Шлифер Э.Д. Безэлектродные СВЧ-разрядные источники света. Перспективы просматриваются. Электроника, наука, технология, бизнес. М.: РНЦ "Техносфера", - №3, 2002, с. 52-55 - [5]; в Патенте РФ №2185004, кл. H 01 J 65/04, Н 01 Р 7/06, опубл. 10.07.2002, бюл. 19 - [6]; и в Патенте РФ №2191443, кл. H 01 J 65/04, Н 05 В 41/16, опубл. 20.10.2002 - [7].

Устройства [5], [6], [7] имеют общие признаки с заявляемым объектом и могут быть отнесены к числу его аналогов. Согласно рис.1а,б из [5] в СВЧ-возбудителе безэлектродной лампы использован светопрозрачный СВЧ-резонатор с рабочим видом колебаний TE₀₁₁ в отличие от упомянутого ранее традиционного ТЕ₁₁₁-вида колебаний. Также в отличие от традиционной сферической безэлектродной лампы, вращаемой электродвигателем, в [5], [6], [7] использована тороидальная лампа, конфигурация которой согласуется с топографией СВЧ-поля ТЕ₀₁₁ вида колебаний. Лампа согласно [5], [6], [7] закреплена в СВЧ-резонаторе и не нуждается ни во вращении, ни в обдуве (хотя в [6] предусмотрены и эти возможности). Это означает, что собственно светильник не требует введения в его состав электродвигателя, цепей питания, коммутации, контроля и элементов их крепления и юстировки. Если допустить, что СВЧ-возбудитель указанной безэлектродной лампы выполнен конструктивно автономным - не скомпонованным с магнетроном в единый модуль, как это показано на рис.1а,б из [5] и на фигурах в [6] и [7], то можно считать, что устройства-аналоги [5], [6], [7] иллюстрируют наличие базы для решения сформулированного выше второго вопроса. При этом в [5] (как и в [7]) предусмотрено оптическое согласование формы светящего тела с внешними рефлекторами, формирующими различные радиально расходящиеся световые потоки. Эта особенность аналогов [5], [7] является их достоинством, особенно ощутимым при размещении светильника на мачтовой опоре. Однако третий вопрос, относящийся к оптимизации СВЧ-тракта, в аналогах [5], [7] не ставится. На рис.16 [5]; фиг.1, 10, 15 [6]; фиг.1, 2, 4 [7] показан прямоугольный волновод, электродинамически связанный с СВЧ-резонатором посредством щелевого излучателя. Это обеспечивает возбуждение СВЧ-резонатора на рабочем виде колебаний TE₀₁₁ при распространении в прямоугольном волноводе волны типа ТЕ₁₀. Такое техническое решение является предпочтительным, если построение осветительного устройства в целом ориентировано на использование малогабаритного моноблочного СВЧ-лампового модуля, включающего в себя и магнетрон. В этом случае отрезок СВЧ-тракта между магнетроном и СВЧ-резонатором желательно (и возможно) выполнить весьма коротким. Это означает, что проблема минимизации СВЧ-потерь и числа стыков СВЧ-тракта для такого устройства не актуальна. Если же осветительное устройство ориентировано на использование необслуживаемого СВЧ-лампового модуля, значительно удаленного от СВЧ-генератора накачки (в частности, для "необслуживаемого светильника", размещаемого на высокой мачтовой опоре), то длина тракта и его секций, тип распространяющейся волны, погонные (и суммарные) СВЧ-потери становятся важными характеристиками, требующими компромиссной увязки. В устройствах-аналогах [5], [6], [7] для оптимизации этих характеристик никаких технических средств не предложено. Применение же прямоугольного волновода с волной ТЕ₁₀ для формирования длинного СВЧ-тракта - хотя и простое, но не лучшее решение. Так, на ТЕ₁₀-волне СВЧ-потери отнюдь не минимальны, а сочленения волноводных элементов (в т.ч. секций, составляющих длинный волновод) требуют осуществления надежного гальванического контакта или применения дроссельных сочленений (фланцев). Для иллюстрации роли СВЧ-потерь положим, что погонные потери в реальном прямоугольном волноводе на волне ТЕ₁₀ составляют 0,1 дБ/м, а высота опорной мачты (длина волновода) - 30 м. Это означает, что суммарные СВЧ-потери по длине СВЧ-тракта составят 3 дБ, т.е. до СВЧ-резонатора на конце мачты дойдет только 50% мощности СВЧ-генератора накачки. Поэтому для устойчивой работы безэлектродной лампы в ее номинальном режиме понадобится более мощный (с запасом) магнетрон или форсирование режима менее мощного магнетрона. И то, и другое увеличивает энергопотребление от первичной сети, снижает кпд. При этом форсирование режима магнетрона снижает его долговечность и в любом из этих вариантов требуется более интенсивное охлаждение магнетрона, а значит, и более мощный вентилятор, что опять-таки снижает общий кпд осветительного устройства.

Из сказанного ясно, что для создания и эксплуатации осветительного устройства со значительно дистанцированными друг от друга блоками светильника и источника СВЧ-накачки выбор прямоугольного волновода с волной ТЕ₁₀ в качестве СВЧ-тракта накачки, как это сделано в устройствах-аналогах [5], [6], [7], не оптимален уже из-за высокого уровня СВЧ-потерь. Ситуация, однако, не безнадежна, ибо в технике СВЧ известны СВЧ линии передачи с малыми потерями. Известен и пример использования волноводного тракта с малыми потерями в технике возбуждения безэлектродной СВЧ-газоразрядной лампы как источника оптического излучения. Так, в описании Патента РФ №2173561, кл. A 61 L 2/08, 2/12, автор Шлифер Э.Д., опубл. бюл. №26 20.09.2001 - [8], представлено устройство для комбинированной бактерицидной обработки, которое по части признаков также может быть отнесено к числу аналогов заявляемого объекта.

В состав устройства по [8] входят СВЧ-генератор накачки, СВЧ-линия передачи с излучателем энергии СВЧ и невращаемая безэлектродная лампа ультрафиолетового (УФ) диапазона. В свете задачи выбора СВЧ-тракта важным признаком устройства (собственно и делающим последнее аналогом заявляемого объекта) является то, что линия передачи выполнена в виде волновода круглого сечения с рабочим типом волны TE₀₁. Этому типу волны, как известно, присущ наиболее низкий уровень погонных СВЧ-потерь, что позволяет выстраивать достаточно протяженные (в том числе - многосекционные) "линейки", предусмотренные в [8]. Топография электромагнитного поля TE₀₁-волны характеризуется азимутальной однородностью. Силовые линии СВЧ электрического поля имеют чисто кольцевую форму. Соответственно СВЧ-токи в стенке круглого волновода также чисто кольцевые и расположены в плоскостях, перпендикулярных продольной оси волновода. Это снимает проблему контактов на торцевых стенках секций круглого волновода, причем непосредственный гальванический или "дроссельный" контакты не требуются в силу того, что СВЧ-токи не пересекают стыка. Соответственно и СВЧ-излучений на стыках не происходит. Все это важные достоинства аналога [8], однако в нем круглый волновод содержит СВЧ-излучающие продольные (пересекаемые кольцевыми СВЧ-токами) щели, возбуждающие безэлектродный разряд в "нанизанной" на волновод лампе, но не являющиеся элементами связи с СВЧ-резонатором, который в отличие от аналогов [5], [6], [7] в [8] вообще отсутствует. Для устройства [8], использующего комбинированное СВЧ- и бактерицидное УФ-излучение аргонно-ртутного безэлектродного разряда низкого давления, в СВЧ-резонаторе нет необходимости. Для инициирования и поддержания разряда в такой лампе вполне достаточны амплитуды напряженности электрической составляющей СВЧ-поля излучения упомянутых щелей. Для светильника с безэлектродной лампой, использующей светоизлучающий СВЧ-разряд высокого давления (например, в парах серы) необходимы значительно большие амплитуды электрической составляющей СВЧ-поля, поэтому светопрозрачный, но СВЧ-непрозрачный СВЧ-резонатор с высокой добротностью - необходимый элемент. Таким образом, недостатком аналога [8] является отсутствие указанного СВЧ-резонатора и неприспособленность конструкции к сопряжению с таким резонатором, если его и попытаться ввести в устройство [8].

Из приведенных аналогов наиболее близким к заявляемому объекту является устройство [7], которое и следует признать прототипом. В силу этого более детально рассмотрим еще не отмеченные конструктивные и функциональные особенности прототипа [7].

Светопрозрачный СВЧ-резонатор, используемый в СВЧ-возбудителе тороидальной лампы, согласно [7], может быть выполнен как цилиндрическим, так и коаксиальным, но в любом из этих исполнений рабочим видом колебаний является ТЕ₀₁₁. Цилиндрическая светопрозрачная стенка резонатора может быть выполнена так же, как в [6] в виде ряда кольцевых проводников, разделенных "светоизлучающими" зазорами, непересекаемыми СВЧ-токами, и в силу этого - СВЧ-непрозрачными. В зоне максимальной плотности кольцевых силовых линий электрической составляющей СВЧ-поля, присущего ТЕ₀₁₁-виду колебаний (а в общем случае TE_01p-виду, где р=1, 2, 3...), закреплена на радиальных диэлектрических стержнях-держателях тороидальная безэлектродная лампа. В варианте фиг.1, 2, 4 из [7], наиболее близком к заявляемому объекту, прямоугольный волновод посредством щели в торцевой светопрозрачной стенке СВЧ-резонатора электродинамически связан с ним. Указанная щель по отношению к прямоугольному волноводу параллельна его широким стенкам, а по отношению к СВЧ-резонатору расположена вдоль радиуса. Это означает, что волна ТЕ₁₀ прямоугольного волновода "навязывает" СВЧ-резонатору топографию поля ТЕ₀₁₁ вида колебаний. К торцевой же стенке примыкает участок цилиндрической несущей конструкции (позиция 17 на фиг.1 из [7]), поскольку сам прямоугольный волновод функцию опоры светильника не выполняет.

В прототипе [7] не показано, каким образом волновод монтируется внутри цилиндрической несущей опоры, и не просматривается возможность осуществления фланцевых соединений секций волновода применительно к созданию достаточно длинного СВЧ-тракта. Это в свете рассматриваемой проблемы дистанцирования "необслуживаемого светильника" относительно блока СВЧ-накачки в сборе с ИВП - существенный недостаток прототипа [7]. Заметим, что и в [6] вопрос дистанцирования указанных блоков находится вне рамок заявленных там устройств.

Таким образом, современный уровень техники в рассматриваемой области в принципиальном плане позволяет найти частное решение каждого из трех сформулированных в начале описания вопросов. Наличие отдельных технических решений, содержащихся в аналоге [8] и прототипе [7], подтверждают указанный вывод. Тем не менее, частные решения не могут быть просто "просуммированы" для придания устройству в целом нового качества.

Поэтому задача настоящего изобретения заключается в создании СВЧ-возбудителя безэлектродной газоразрядной лампы, сохраняющего достоинства прототипа в части использования долговечной невращаемой лампы в светопрозрачном СВЧ-резонаторе с приданием устройству такого нового качества, как пространственное дистанцирование собственно светильника (не имеющего в своем составе элементов, требующих периодической замены) относительно блока СВЧ-накачки (в составе которого содержатся узлы и компоненты, требующие регламентного обслуживания или аварийной замены в ходе эксплуатации).

В целом решение этой задачи позволит создавать различные модификации осветительных устройств и прежде всего мачтовые, напольные, выдвижные и т.п. фиксированной и регулируемой высоты. Технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемого устройства, отвечающего указанной задаче, состоит в следующем.

Во-первых, реализуются высокие безотказность и долговечность собственно светильника, определяемые только безэлектродной лампой.

Во-вторых, обеспечивается низкий уровень СВЧ-потерь при передаче СВЧ-энергии накачки к безэлектродной лампе по длинному СВЧ-тракту.

В-третьих, обеспечиваются возможность и удобство обслуживания (в т.ч. аварийного) блоков СВЧ-генератора накачки и ИВП без демонтажа собственно светильника и СВЧ-тракта.

Решение вышеназванной задачи и соответствующий технический результат достигаются тем, что в предлагаемом СВЧ-возбудителе, содержащем тороидальную безэлектродную СВЧ-газоразрядную лампу, размещенную в зоне пучности электромагнитного поля в светопрозрачном осесимметричном СВЧ-резонаторе с рабочим видом колебаний TE_01p, где р=1, 2, 3..., и СВЧ-тракт, электродинамически связанный щелевым излучателем с СВЧ-резонатором, СВЧ-тракт выполнен в виде опорной мачты-колонны с круглым волноводом, который имеет рабочий тип волны TE₀₁, размещен вдоль общей оси симметрии с СВЧ-резонатором и связан с ним посредством, по меньшей мере, одной радиальной сквозной щели в торце резонатора.

Предусмотрено, что опорная мачта-колонна с круглым волноводом выполнена в виде последовательности телескопически сопряженных и соосных секций, по меньшей мере, одна из которых установлена с возможностью продольного и/или азимутального перемещения относительно оси круглого волновода.

Дополнительными достоинствами предлагаемого устройства являются следующие:

- Обеспечивается возможность осуществления бесконтактных сочленений СВЧ-тракта с СВЧ-резонатором и отдельных секций тракта между собой при непревышении допустимых (нормируемых) уровней СВЧ-излучений в окружающее пространство.

- Открывается техническая возможность осуществления выдвижного осветительного устройства и/или устройства с различным (в т.ч. регулируемым) расстоянием от блока питания и СВЧ-генератора до светильника.

Сопоставительный анализ предлагаемой конструкции СВЧ-возбудителя безэлектродной газоразрядной лампы с уровнем техники и отсутствие описания аналогичного технического решения в известных источниках информации позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого устройства критерию "новизна". Заявленное устройство характеризуется совокупностью признаков, проявляющих новые качества, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "изобретательский уровень".

На фиг.1 схематично показан продольный разрез СВЧ-возбудителя безэлектродной газоразрядной лампы.

На фиг.2 схематично показаны фрагмент сочленения СВЧ-тракта с СВЧ-резонатором и структуры СВЧ-полей и токов.

На фиг.3 показан вид торцевой стенки СВЧ-резонатора и щелей связи в плане по А-А.

На фиг.4, 5 схематично показаны некоторые варианты форм плафонов.

На фиг.6 показана схема предлагаемого устройства с телескопическим сопряжением секций СВЧ-тракта.

На фиг.1 представлена упрощенно конструкция предлагаемого СВЧ-возбудителя, которая без конкретизации исполнения блоков, узлов и элементов, не являющихся предметом изобретения, достаточно полно отражает сущность изобретения и общую концептуальную основу построения на базе заявленного объекта осветительного устройства с пространственно дистанцированными друг от друга собственно светильником и источником СВЧ-накачки.

Так, на фиг.1 "необслуживаемый светильник" 1 жестко и герметично закреплен на верхнем (выходном) конце 2 опорной мачты-колонны 3, являющейся несущей конструкцией. Нижний (входной) конец 4 мачты-колонны 3 снабжен крепежным фланцем 5, посредством которого мачта-колонна 3 жестко и герметично через прокладку 6 закреплена на базовой плате 7. Мачта-колонна 3 выполнена полой на всей длине h. Цилиндрическая полость 8 внутри колонны 3 имеет внутренний диаметр D_вн, о выборе которого будет сказано ниже. Здесь же отметим главную идею: полость 8, ограниченная проводящей цилиндрической поверхностью 9, образует круглый волновод, допускающий распространение волны TE₀₁ с малыми СВЧ-потерями и только кольцевыми СВЧ-токами в стенке 9.

На фиг.1 мачта-колонна 3 показана в виде единой трубы длиной (высотой) h. Однако возможно выполнение колонны 3 в виде последовательности соосных секций. При этом отсутствие в стенке 9 продольных СВЧ-токов позволяет стыковать секции без гальванического контакта, не утрачивая "СВЧ-герметичности" волновода. Это же позволяет устанавливать на стыках секций герметизирующие прокладки, подобные позиции 6.

"Необслуживаемый светильник" 1, установленный на верхнем конце 2 мачты-колонны 3, т.е. на выходном конце круглого волновода (полости 8, ограниченной стенкой 9), содержит светопрозрачный осесимметричный СВЧ-резонатор 10 с рабочим видом колебаний ТЕ₀₁₁ (в общем случае с TE_01p-видом, где р=1, 2, 3...), независимо от того, какой выбран резонатор 10 - коаксиальный или цилиндрический [5], [6], [7]. От этого выбора зависит, в частности, диаметр D_p светопрозрачной цилиндрической стенки 11. При этом круглый волновод 8 и резонатор 10 размещены на общей оси.

На фиг.1 показан коаксиальный СВЧ-резонатор 10, содержащий центральный проводник 12, обеспечивающий механическую прочность и формоустойчивость конструкции светильника 1. В резонаторе 10 закреплена в зоне пучности электрической составляющей электромагнитного поля безэлектродная тороидальная лампа 13, "охватывающая" центральный проводник 12. Торцевые стенки 14, 15 СВЧ-резонатора 10 жестко соединены с центральным проводником 12 и цилиндрической светопрозрачной стенкой 11, а также жестко и герметично - с внешними светоотражателями 16, 17 (рефлекторами). Эти рефлекторы 16 и 17 выполнены в виде козырьков, конкретная форма которых оптически согласована с кольцевой формой светящего плазменного тела безэлектродной лампы 13 применительно к требуемой направленности светового потока. Поскольку форма отражателей 16, 17 не является предметом настоящего изобретения, на фиг.1 эти отражатели 16, 17 показаны условно лишь для иллюстрации их наличия и необязательности идентичности формы (см. также фиг.2) в светильнике 1. Торцевая стенка 14 СВЧ-резонатора 10 принадлежит одновременно и выходному (верхнему) концу 2 волновода 8. Эта стенка 14 снабжена радиальными щелями связи 18, обеспечивающими возбуждение ТЕ₀₁₁ вида колебаний в СВЧ-резонаторе 10, когда в круглом волноводе 8 рабочим типом волны является TE₀₁.

На фиг.2 сочленение СВЧ-тракта круглого волновода 8 с СВЧ-резонатором 10 показано схематично в увеличенном размере в сравнении с фиг.1. На этой же фиг.2 показана топография СВЧ-полей и токов в СВЧ-резонаторе 10 и в примыкающем к нему верхнем (выходном) конце 2 круглого волновода 8. На фиг.3 торцевая стенка 14 СВЧ-резонатора 10 показана в плане (по АА из фиг.2). Число радиально направленных щелей связи 18 в торцевой стенке 14 может быть выбрано четным или нечетным. В предельном случае это может быть минимум 1 щель. Вопрос выбора числа и размеров щелей связи 18 в обеспечение необходимой нагруженной добротности Q_н резонатора 10 на рабочем виде колебаний ТЕ₀₁₁ (TE_01р) находится вне рамок настоящего изобретения. Однако заметим, что требуемая величина Q_н может быть достигнута как в варианте "много узких щелей", так и в варианте "мало широких щелей". Предпочтительным вариантом следует признать первый, т.к. в этом случае щели 18 в стенке 14 вносят относительно малые азимутальные неоднородности в поле ТЕ₀₁₁-вида колебаний СВЧ-резонатора 10 и в поле отраженной от стенки 14 волны TE₀₁ в круглом волноводе 8. Так на фиг.3 для определенности показано пять щелей 18, размещенных в стенке 14 равномерно по азимуту. На фиг.1 и фиг.2 показан светопрозрачный плафон 19, закрепленный в светильнике 1 герметично и соосно со стенкой 11 СВЧ-резонатора 10. Этот плафон 19 служит герметизирующим и антивандальным элементом светильника и может быть выполнен по усмотрению проектировщика различной формы и цвета (в том числе разного по азимуту). Более того, плафон 19 может быть установлен и в отсутствие одного или обоих внешних отражателей 16, 17. Это фрагментарно показано на фиг.4, 5. Не ревизуя сущности настоящего изобретения, в светильнике 1 могут быть использованы конфигурации центрального проводника 12 из [7], а также дихроичные рефлекторы, предложенные в [7].

Возвращаясь к фиг.1, отметим, что нижний конец 4 мачты-колонны 3, закрепленный через прокладку 6 на базовой плате 7, служит входным концом круглого волновода 8, в который на TE₀₁-волне поступает энергия СВЧ-накачки Р_СВЧ от СВЧ-генератора 20 с выхода СВЧ-адаптера 21. Этот генератор 20 и СВЧ-адаптер 21 показаны без конструктивной детализации в виде некоего блока. Его устройство, включающее непоказанные традиционные и специальные компоненты (магнетрон, вентилятор, адаптер, и др.), не является предметом настоящего изобретения.

Также условно показан блок источника вторичного питания 22. Позиции 20, 21, 22 могут быть скомпонованы в виде единого модуля, который в зависимости от назначения устройства в целом и от возможности доступа к обслуживанию позиций 20, 22 может быть помещен как на верхней поверхности базовой платы 7 (на полу, на палубе, на панели и т.п.), так и под платой 7 в соответствующем отсеке. Это - вопрос, относящийся к компетенции проектировщика. Выбор же некоторых элементов (позиций) осветительного устройства требует еще нескольких пояснений и замечаний.

Так на фиг.1 круглый волновод 8 имеет постоянный внутренний диаметр D_вн на всей высоте (длине) h мачты-колонны 3: D_вн=const. He запретно выполнение волновода 8 с переменным по длине диаметром: D_вн=var. Обязательное условие, которое следует выполнить для того, чтобы волновод 8 не оказался запредельным для TE₀₁-волны:

где λ_раб - рабочая длина волны генератора СВЧ-накачки 20. Если, например, типичная рабочая частота генератора накачки f_paб=2450 МГц, то λ_paб=12,25 см. Следовательно, ни на каком участке волновода 8 его внутренний диаметр не должен быть меньшим, чем D_вн.мин=14,94 см. Однако для того, чтобы СВЧ-потери в круглом волноводе на TE₀₁ волне были бы невелики, как это общепринято в СВЧ-технике, необходимо выбирать D_вн так, чтобы критическая длина волны TE₀₁ была в 1,3-1,5 раза больше рабочей.

Таким образом, минимальный "рабочий" внутренний диаметр круглого волновода 8 следует определить как D_вн.раб=(1,58-1,83)λ_раб, что в приведенном примере дает D_вн.раб=19,4-22,4 см.

На фиг.6 показан схематично фрагмент СВЧ-возбудителя и осветительного устройства в целом, в котором мачта-колонна 3 выполнена в виде последовательности секций 23, 24, 25. Внутренний диаметр D_вн волновода 8 выполнен ступенчато меняющимся от секции к секции: D_вн1<D_вн2<D_вн3< ...D_вн.i Секции 23, 24, 25 сопряжены телескопически с возможностью продольного перемещения, а при необходимости и азимутального вращения относительно оси волновода. Такое построение обеспечивает возможность регулировки высоты (h=var) расположения светильника 1 на мачте-колонне 3 (для этого, например, достаточно выполнить подвижной только секцию 23). Важное качество осветительного устройства, показанного на фиг.6, состоит в том, что оно представляет раздвижную или выдвижную (в том числе из подводного положения) модификацию (последняя подобна перископу подводной лодки). При этом на фиг.6 мы преднамеренно не детализируем и не показываем устройств перемещения и фиксации секций 23, 24, не являющихся предметом настоящего изобретения. Отметим лишь, что телескопические соединения выполнены герметично, например, посредством сальников 26, 27, что позволяет работать осветительному устройству в подводном (погружном) положении и на открытых (например, аэродромных) площадках в условиях атмосферных осадков. Все эти возможные исполнения, включая многосекционное выдвижное, обусловлены применением круглого волновода с рабочим типом волны TE₀₁. Структура полей и токов этой волны показана на фиг.2. Именно то, что СВЧ-токи в стенках 9 волновода 8 имеют кольцевую форму, любые стыки волновода 8, включая торцевые и телескопические через герметизирующие прокладки 5 и сальники 26, 27, не требуют гальванического контакта.

Последнее замечание относится к выбору наружного диаметра D_нap (фиг.1) мачты-колонны 3, содержащей внутри волновод 8. Уже из приведенного выше примера для рабочей частоты накачки f_paб=2450 МГц (традиционная разрешенная частота) видно, что внутренний диаметр мачты-колонны 3 имеет величину D_вн=190 мм. Это позволяет рассчитать из условий прочности наружный диаметр D_нар мачты-колонны 3 и тем самым стенка круглого волновода 8 может быть использована как несущая (силовая) конструкция. При этом, как показано на фиг.1, D_нар вдоль высоты h мачты-колонны 3 может быть переменным, в частности, у верхнего конца 2 меньшим, чем у нижнего 4, что приемлемо и для построения выдвижного устройства по фиг.6 с телескопической мачтой-колонной 3.

Осветительное устройство на базе предложенного СВЧ-возбудителя работает следующим образом. При включении в первичную сеть источника вторичного питания 22 на блок СВЧ-генератора 20 подаются в необходимой последовательности все рабочие напряжения. С выходного волноводного участка 21 СВЧ-генераторного блока 20 на входной участок 4 круглого волновода 8 СВЧ-энергия накачки Р_СВЧ поступает на волне TE₀₁. При этом в проводящей стенке 9 волновода 8 протекают только кольцевые СВЧ-токи. Соответственно, на неконтактном стыке волновода 8 с выходным участком 21 через прокладку 6 излучений СВЧ в окружающее пространство не происходит. Волна TE₀₁ на рабочей частоте с малыми потерями канализируется по круглому волноводу 8 к верхнему участку 2 и через радиальные щели 18, пересекаемые кольцевыми СВЧ-токами, в торцевой стенке 14 возбуждает коаксиальный СВЧ-резонатор 10 на ТЕ₀₁₁ (TE_01p) виде колебаний. В безэлектродной тороидальной СВЧ-газоразрядной лампе 13, закрепленной в пучности электрического СВЧ-поля, возникает светоизлучающий кольцевой СВЧ-разряд. Сквозь светопрозрачную цилиндрическую стенку 11 СВЧ-резонатора 10 световой поток направляется через плафон 19 наружу и в результате отражений от внешних рефлекторов 16, 17 приобретает в зависимости от выбранной формы рефлекторов 16, 17 требуемую направленность. Поскольку все элементы светильника 1 и устройство в целом загерметизированы, то описанная работа устройства может происходить и в подводном, и в надводном состоянии, причем к светильнику 1 никакие провода питания не подводятся, никакие окна (люки) для замены или обслуживания элементов светильника не предусматриваются, ибо единственный элемент, определяющий долговечность и безотказность работы собственно светильника - это безэлектродная лампа 13. Именно она является наиболее долговечным из электротехнических компонентов устройства (оценочно - несколько десятков тысяч часов). Если при работе осветительного устройства произойдет выход из строя каких либо менее надежных элементов в блоках 20 и 22, то их остановка и оперативный ремонт (в том числе - с заменой отказавшего элемента) осуществляется в доступном пространственно дистанцированном от светильника отсеке (бункере), что упорщает обслуживание устройства при эксплуатации.

Работа выдвижного варианта устройства с телескопическим построением мачты-колонны (фиг.6) в основном не отличается от уже описанной. Особенности состоят в следующем:

1) регулировка высоты расположения (h=var) светильника 1 может осуществляться без отключения СВЧ-генератора накачки, т.е. без погасания лампы 13 (т.е. “на ходу”);

2) если плафон 19 выполнен разноцветным по азимуту, то также без гашения лампы 13 вращением верхней секции 23 или всей колонны 3 могут быть осуществлены эффекты "маяка" и "мигалки", сигнализации, а одновременным вращением и варьированием длины телескопической колонны - различные режимы игры света (в том числе в фонтанах аквапарков и иных объектах). При этом уже отмеченная особенность TE₀₁ волны (только кольцевые СВЧ-токи) позволяет осуществить и герметичные скользящие уплотнители 26, 27 без гальванического контакта.

Таким образом, применение предложенного СВЧ-возбудителя в осветительном устройстве в полной мере решает все три частные вопроса, сформулированные в начале описания, и общую задачу, поставленную при создании заявляемого объекта.

Claims (2)

1. Сверхвысокочастотный (СВЧ) возбудитель безэлектродной газоразрядной лампы, содержащий тороидальную безэлектродную СВЧ-газоразрядную лампу, размещенную в зоне пучности электромагнитного поля в светопрозрачном осесимметричном СВЧ-резонаторе с рабочим видом колебаний TE_01p, где р=1,2,3..., и СВЧ-тракт, электродинамически связанный щелевым излучателем с СВЧ-резонатором, отличающийся тем, что СВЧ-тракт выполнен в виде опорной мачты-колонны с круглым волноводом, который имеет рабочий тип волны ТЕ₀₁, размещен вдоль общей оси симметрии с СВЧ-резонатором и связан с ним посредством, по меньшей мере, одной радиальной сквозной щели в торце резонатора.

2. СВЧ-возбудитель по п.1, отличающийся тем, что опорная мачта-колонна с круглым волноводом выполнена в виде последовательности телескопически сопряженных и соосных секций, по меньшей мере, одна из которых установлена с возможностью продольного и/или азимутального перемещения относительно оси круглого волновода.

Images