固態(tài)微波源驅(qū)動無電極等離子燈的研究進展

袁家德 陳和平 林國慶 張文雄

摘 要：微波等離子燈（MW-LEP）是一種具有高顯色指數(shù)的無極電光源。介紹了固態(tài)微波源驅(qū)動等離子燈的發(fā)展概況及組成結(jié)構(gòu)，重點講述該類燈目前出現(xiàn)的三種燈體結(jié)構(gòu)及其微波諧振原理，指出固態(tài)微波源驅(qū)動等離子燈的獨特優(yōu)點、局限性及應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：微波等離子燈；固態(tài)微波源；諧振腔

引言

微波等離子燈是利用微波能激發(fā)等離子體發(fā)光的無極放電光源，具有顯色指數(shù)高、光色好、長壽命，低光衰等一系列優(yōu)點，被認為是21世紀最有前景的第四代新型光源之一[1-4]。目前，微波能的發(fā)光效率可達到150lm/w以上[5]，未來充分利用微波能發(fā)光原理將有很強的競爭力，具有更加廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。

1993年美國Fusion公司開發(fā)了第一代微波等離子燈樣品--微波硫燈，此后，不斷有微波硫燈新產(chǎn)品投放市場，其功率一般在千瓦級以上，特別適合大范圍照明。微波硫燈主要由五部分組成，包括電源控件、磁控管、傳輸波導(dǎo)、金屬網(wǎng)罩（諧振腔）及玻璃泡，其中所用微波源是中心頻率2.45 GHz的磁控管，該技術(shù)目前已較為成熟，具有較高的電源-微波轉(zhuǎn)換效率。但微波硫燈也存在明顯的缺點，如玻璃泡需要高速電機帶動旋轉(zhuǎn)，難以實現(xiàn)小功率常規(guī)照明等，限制了該燈的廣泛應(yīng)用。

為了充分利用微波能驅(qū)動等離子體的優(yōu)異發(fā)光性能，克服微波硫燈的缺點，研發(fā)工程師們開始用固態(tài)微波源來取代微波硫燈中的磁控管，實現(xiàn)小功率，長壽命的照明。固態(tài)微波源驅(qū)動等離子燈主要有四部分組成，包括電源、射頻功率源、微波諧振腔和燈泡。由于工作頻率越低，射頻功率源把電能轉(zhuǎn)化成微波能的效率就越高，微波能在傳輸線和諧振腔內(nèi)的損耗就越小，微波輻射的防護就越容易。因此，目前美國Luxim公司和Topanga公司固態(tài)微波源驅(qū)動等離子燈工作頻率均為433MHz附近[6-9]。

根據(jù)微波諧振腔理論可知，工作頻率的降低對應(yīng)于諧振腔體尺寸的變大，如433MHz頻率對應(yīng)于正方體空氣諧振腔的邊長將大于400 mm，如此大尺寸不僅將增加材料成本，也限制了該類燈的廣泛應(yīng)用，因此，固態(tài)微波源驅(qū)動等離子燈的燈體結(jié)構(gòu)設(shè)計是其關(guān)鍵技術(shù)之一。目前，致力于研究固態(tài)微波源驅(qū)動等離子燈的單位有美國Luxim公司、Topanga公司及日本靜岡大學(xué)等，本文重點從燈體結(jié)構(gòu)小型化設(shè)計的角度出發(fā)，介紹固態(tài)微波源驅(qū)動等離子燈的技術(shù)進展，分析固態(tài)微波源驅(qū)動等離子燈的優(yōu)勢、局限性及發(fā)展前景。

1 Luxim 等離子燈

美國Luxim公司最新研制的STA-41系列固態(tài)微波源驅(qū)動等離子燈已面向市場。長方體燈體尺寸約為56mm×52mm×55mm，顯色指數(shù)高達95，其公布的光效約為82.1 流明/瓦。圖1為該等離子燈的外型圖，燈體是由一石英玻璃泡嵌在陶瓷諧振腔中，燈體用同軸探針饋電。

該型號等離子燈采用了兩方面的措施來縮減燈體尺寸。一方面在腔體內(nèi)填充低損耗、高介電常數(shù)的微波材料。腔體內(nèi)填充的介質(zhì)為Al2O3和TiO2的混合物，其中TiO2的比例約為1%，目的是平緩溫度的升高對材料介電常數(shù)的影響，復(fù)合材料的相對介電常數(shù)約為9.2。另一方面是燈體內(nèi)諧振結(jié)構(gòu)的設(shè)計，如圖2所示，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由兩對稱的L形金屬薄板ABC和A'B'C'（圖2為剖面圖）及饋電探針DE組成，其中A點和A'點短接腔體外殼，電流較大，AB和A'B'段附近磁場較強，可等效為電感；導(dǎo)體板BC和B'C'間電場較強，等效為電容，從而形成一等效的諧振結(jié)構(gòu)，該諧振結(jié)構(gòu)的諧振頻率遠低于諧振腔的基模振蕩頻率。影響諧振頻率的因素包括AB（A'B'）的長度，BC與B'C'間距及L形金屬薄板寬度等。這些因素因影響內(nèi)部諧振結(jié)構(gòu)等效電容和電感的大小，從而影響其諧振頻率，例如，BC與B'C'金屬板越長、越寬、BC與B'C'間距離越小，則諧振頻率越低。

Luxim公司設(shè)計的微波等離子燈結(jié)構(gòu)緊湊，具有長壽命、高顯色指數(shù)等特點，適合應(yīng)用于建筑物照明、街道和公園照明等。

2 Topanga 等離子燈

美國Topanga公司研制的新產(chǎn)品采用同軸腔激蕩原理的新技術(shù)，實現(xiàn)了燈體的小型化和微波能量向燈泡的高效耦合。圖3為Topanga燈實物圖，工作頻率在433 MHz附近，該圓柱形燈體的內(nèi)直徑約為57mm，高度約為75mm。圖4是Topanga微波等離子燈內(nèi)部諧振結(jié)構(gòu)示意圖[8，9]。

圖4中，AB是饋電探針，其中A端與腔體外殼短接，B點是同軸饋電端口，即微波能量從B點輸入燈體內(nèi)。圓柱腔體中心的導(dǎo)體圓柱CD是能量輸出耦合單元，把微波能量輸出并耦合進入燈泡，其中D點與腔體外殼底部短接（相當(dāng)于短路，電位為0），在D點將產(chǎn)生較強的電流，在其周圍有較強磁場，可等效為電感；輸出耦合單元C點處開路，電位很高，其較高的電位與腔體外殼之間將產(chǎn)生很強的電場，具有電容效應(yīng)。圖4中內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計能形成新的電磁振蕩，其諧振頻率遠小于空心圓柱諧振腔的工作頻率，從而可實現(xiàn)微波等離子燈體的小型化。同時該設(shè)計把燈泡設(shè)置于燈體外面，燈泡發(fā)光可最大限度照射向周圍空間，有等于提高整燈的光效。

與Luxim STA-41-01系列微波等離子燈相比，Topanga公司設(shè)計的燈體內(nèi)無需填充微波介質(zhì)材料，降低了加工和材料成本，減小了腔體內(nèi)的微波損耗，具有較高的發(fā)光效率。該燈適合應(yīng)用于街道和公園的路燈、車燈和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等照明。

3 AEMD等離子燈

日本靜岡大學(xué)的科學(xué)家們研究了一款A(yù)EMD燈（Antenna Excited Microwave Discharge），該燈致力于點光源的研究。由于等離子體光源的光色好，目前該光源已被部分應(yīng)用于日本FUTEC公司的投影設(shè)備上。

AEMD燈用2.45GHz固態(tài)微波源驅(qū)動，對稱的偶極子天線插入燈泡內(nèi)，但金屬天線沒有裸露在燈泡內(nèi)，而是嵌在石英內(nèi)，因此AEMD仍屬于無極燈，如圖5所示。通過調(diào)節(jié)圖中L的大小，使天線處于最佳諧振狀態(tài)，兩天線之間的電場最強，激發(fā)燈泡內(nèi)的填充物質(zhì)，產(chǎn)生等離子體而發(fā)光[10]。

ADMD燈耦合天線直接把微波能量饋入燈體中心，可減小燈泡的受熱，避免燈泡可能因受熱不均而損壞。由于該燈的工作頻率在2.45GHz附近，通過控制天線間隙，很容易制成高質(zhì)量的點光源，缺點是該燈工作頻率高，電能轉(zhuǎn)化成微波能的效率較低，系統(tǒng)光效比上述兩種微波等離子燈要低得多，適合應(yīng)用于對點光源和光色有特殊要求的照明設(shè)備。

4 結(jié)束語

固態(tài)微波源驅(qū)動等離子燈具有很多優(yōu)點，如發(fā)光體體積較小、光色好、光衰和壽命指標突出、可實現(xiàn)小功率等。但也存在一定的局限性，比如目前燈發(fā)光仍不夠完全穩(wěn)定，電源-微波轉(zhuǎn)換效率還不夠理想，該燈的系統(tǒng)光效仍然不夠高，與目前的無極燈和LED燈相比，仍不具備明顯的競爭優(yōu)勢等。但由于微波能轉(zhuǎn)化成光能產(chǎn)生的光效非常高，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，微波離子燈將逐步體現(xiàn)其潛在的價值和用途。

參考文獻

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[9]Frederick M. Espiau， Timothy J. Brockett and Mehran Matloubian. Electrodeless lamps with coaxial type resonators/waveguides and grounded coupling elements. U.S. Patent US2012/0242223 A1， Sep. 3， 2012.

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