CN1310858A - 高频感应灯和功率振荡器 - Google Patents

Abstract

一种高频感应耦合无电极灯,包括激励线圈,其有效电学程度小于施加于其的驱动频率的二分之一波长,最好更小些。驱动频率可以大于100MHz,最好高达915MHz。较佳地,激励线圈配置成非螺旋形,半圆柱形的导电表面,在一般的戒指形状中不足一圈。在高频下,线圈中的电流形成两个回路,它们在空间上分开且彼此相互平行。经适当地配置,线圈接近于亥姆霍兹构造。灯最好利用包装在预先形成有穿过限定孔径的反射陶瓷盖中的灯泡。陶瓷盖可以包括结构特征,以帮助对准和/或凸缘面,有助于热管理。灯头较佳地是一体化的灯头,包括环绕绝缘陶瓷的金属矩阵复合物,激励线圈一体化地形成在陶瓷上。新颖的固态振荡器较佳地给灯提供射频功率。振荡器是能够以大于70%效率提供大于70瓦功率的单个有源元件。可以采用各种控制电路来对振荡器的驱动频率与灯的多个调谐状态相匹配。

Description

高频感应灯和功率振荡器

这里所描述的特定发明是在美国能源部签署的DE-FG01-95EE23796和/或DE-FG01-97EE23776合同的政府支持下作出的，美国政府对这些发明享有一定的权利。

相关申请的交叉参考

本申请涉及1998年1月13日提交的09/006,171；60/071,192；60/071,284；60/071,285；1998年4月28日提交的60/083,093；1998年7月7日提交的60/091,920；1998年9月4日提交的60/099,288；1998年10月2日提交的60/102,968；1998年11月23日提交的60/109,591，每项申请在此引作参考。

1．背景

技术领域

本发明一般涉及放电灯。本发明尤其涉及电感耦合无电极灯。本发明还涉及新颖的灯构造、耦合电路、灯泡、孔径结构、启动帮助和电感耦合无电极灯的激励线圈。本发明还涉及改进的无电极孔径灯以及制造无电极孔径灯的改进方法。本发明通常还涉及新颖的大功率、高频固态振荡器。

背景技术

通常，本发明涉及美国专利5,404,076以及美国专利申请08/865,516(PCT公布97/45858)中所揭示的灯类型，每项专利在此引作参考。

无电极灯是本领域所公知的。对这种灯的表征可以按照它们产生的放电类型。无电极放电可以分类为或是E放电、微波放电、行波放电或是H放电。本发明涉及H放电占优势的这些放电。

图1是产生E放电的传统无电极灯的示意图。电源1将功率提供给电容器2。充气容器3置于电容器2的两个极板之间。无电极灯中E放电类似于有电极灯中的电弧放电，所不同的是E放电中电流通常小得多。一旦实现气体到其电离或等离子体状态的击穿，电流流过电容器2的两极板之间的容器壁的电容，由此产生等离子体的放电电流。

图2是产生微波放电的传统无电极灯的示意图。微波电源11将波导12传送的微波能量提供给封装充气灯泡13的微波腔体14。微波能量激励灯泡13内的填充物，产生等离子体放电。在微波放电中，电磁场的波长与激励结构的尺寸相当，放电是受电磁场的E和H分量激励的。

图3是产生行波放电的传统无电极灯的示意图。电源21将功率提供给发射装置22。充气容器23设置在发射装置22中。发射装置22的电极之间的间隙提供电场，它产生表面波放电。容器23中的等离子体是沿其传播波的结构。

图4是产生H放电的传统无电极灯的示意图。产生H放电的无电极灯也可以称为电感耦合灯。电感耦合灯的首次描述在100多年前。在题为“没有电极的通过排气管的放电”(printed in the London,Edinburgh,and DublinPhilosophical Magazine and Journal Of Science,Fifth Series,Vol.32,No.197,Oct.1891)描述了J.J.Thomson的实验。最近，D.O.Wharmby博士观察了无电极灯的状态，文章题目为“发光的无电极灯：概述”IEEE Proceedings-AVol.140,No.6,Nov.1993,pp465-473。

电感耦合灯的操作的一些方面已经得到很好理解并分析了特征，例如，在R.B.Piejack、V.A.Godyak和B.M.Alexandrovich的题目为“感应射频放电的简单分析”(Plasma Sources Sci.Technol.1,1992,ppl79-186)和“射频感应荧光灯的电学和光特性”(Journal of the Illuminating Engineering Society,Winter 1994,pp40-44)的文章中。

在题目为“产生电致发光的方法”的美国专利843534中描述了具有各种灯泡和线圈结构的电感耦合灯。最近，在美国专利4812702、4894591和5039903(以下为“903专利”)中描述了具有新颖激励线圈的电感耦合灯。

正如图4所示，传统的电感耦合灯的一个例子包括一低频电源31，将功率提供给环绕充气容器33的线圈32。线圈32上的交流引起变化的磁场，它感应一电场，驱动等离子体中的电流。实际上，能够将等离子体分析为线圈32的一个单匝次级线圈，见以上参考的Piejack。H放电由封闭电场表征，其中许多例子形成可见的环形等离子体放电。

已经揭示了电感耦合灯的其它几何结构。例如，Wharmby文章的图1设定例子(a)-(e)，包括绕在铁氧体环形内部(或者任选地外部)上至灯泡的高电感线圈。见Wharmby p.471。

正如这里采用的，相对于电感耦合灯，“低频”定义为小于或等于约100MHz的频率。例如，传统电感耦合灯的典型工作频率为13.56 MHz。例如，903专利讨论了1至30 MHz工作频率范围，示例的工作频率为13.56 MHz。如果不是全部，绝大多数涉及已知电感耦合灯的发展商提供在低频(即小于或等于约100MHz)下工作的灯。

再参考图4，其电感耦合灯的启动工作期间，电场使充气容器33内的填充物电离，放电开始是E放电特征。然而，一旦出现击穿，出现突然且可见的至H放电的跃迁。其电感耦合灯的工作期间，存在E和H两种放电分量，但是，施加的H放电分量比施加的E放电分量向等离子体提供更大的功率(通常大得多)。

正如这里采用的，相对于无电极灯，“高频”定义为大大高压100MHz的频率。现有技术描述了在高频下工作的无电极灯，包括呈现线圈结构的灯。然而，现有技术中没有一个“高频”无电极灯实际上是电感耦合灯。

例如，美国专利4206387描述了一种“终端固定”无电极灯，包括环绕灯泡的螺旋形线圈。“终端固定”灯是作为在100 MHz至300 MHz的范围上工作，较佳地在915 MHz上工作而描述的。正如Wharmby所述，“终端固定”灯具有尺寸-波长关系，以致于它们产生微波放电，不是电感耦合放电。

美国专利4908492(以下称为492专利)描述了一种微波等离子体产生装置，它包括螺旋形线圈部件。该装置描述为在1GHz或更高频率下工作，较佳地在2.45GHz下工作。然而，正如所揭示的，线圈不需要被端接和更大的直径，最好是多圈线圈，以产生大直径等离子体。在这种结构中，激励结构的尺寸与微波频率功率的波长相当，放电表现为行波放电、微波放电或其组合。在任何情况中，产生的结构显然并不由电感耦合工作。

美国专利5070277描述一种无电极灯，它包括螺旋形耦合器。灯被描述为在10 MHz至300 MHz的范围内工作，较佳工作频率为915 MHz。螺旋形耦合器通过在灯中产生电弧放电的渐消波传递能量。电弧放电被描述为非常直和窄的，与白炽灯丝相当。因此，这种灯显然并不通过电感耦合工作的。

美国专利5072157描述一种无电极灯，它包括沿放电管延伸的螺旋形线圈。灯的工作范围描述为1 MHz至1 GHz。由灯产生的放电是行波放电。螺旋形线圈的作用是作为增强光输出和提供一些射频屏蔽而讨论的。

日本专利公布8-148127描述一种微波放电光源装置，它包括位于微波腔内的谐振器，腔体为有间隙的圆柱环形状。谐振器描述为启动帮助和微波场集光镜。

许多参数可以表征非常有用的光源的特征。这些参数包括光谱、效率、亮度、经济性、耐用性(工作寿命)及其它。例如，高效、长工作寿命、低瓦数的光源，尤其是高亮度的光源代表工作特性的理想组合。无电极灯具有比有电极灯提供长得多的寿命的潜力。然而，低瓦数的无电极灯仅用在有限的商业应用中。

2．发明概要

本发明提供一种高频电感耦合无电极灯。具体地，本发明提供一种有效的高频电感耦合无电极灯。

本发明一个方面的目的是提供一种非常亮的低瓦数无电极灯，它具有许多商业实际应用。具体地说，本发明一个方面的目的是描述一种无电极孔径灯，它由数十至数百瓦范围内的固态射频源供电。本发明的灯代表照明产品新家族的第一次革命。具有光谱亮度、光谱稳定性和长寿命时间，本发明为诸如投影显示、汽车前灯和一般照明等各种应用提供一种优良的光源。

图6是根据本发明的高亮度无电极灯的概念示意图。正如图6所示，无电极灯的灯泡4被反射覆盖物5覆盖，反射覆盖5限定一孔径6。电感耦合回路7由固态射频源8驱动，给灯供电。

本发明的灯对微波供电硫灯技术方面所做的早期工作作了改善。功耗已经从几千瓦下降到数十至数百瓦。磁控管射频发生器已经被固态电子电路所替代。简单的电感耦合结构替代了用于把射频功率传送到无电极灯泡的腔体结构。灯泡的尺寸可以缩小到直径不足7mm。灯的亮度可以通过直接制造在灯中的光学元件而增强，以提供接近理想的两维光源。

较佳地，根据本发明的灯在尺寸上极为紧凑。灯可以有利且方便地封装在各种结构中。例如，灯泡、射频源和直流电源可以封装在一起或者这些组件中的每一个可以分别封装和定位。图7是根据本发明的灯的透视图，这里，灯泡、射频源和直流电源位于单个外壳16内。图8是根据本发明的灯的透视图，这里，灯泡位于第一外壳17内，射频源和直流电源位于第二外壳18内。灯泡通过合适的传输装置(例如同轴电缆)接收射频能量。

本发明的灯提供几个独特的***级优点。例如，在特定的应用中，从光源发射的所有光子可能不是有用的。采用传统的光源，无用波长或偏振的光线必须被简单地处理为废弃光。然而，正如图9所示，采用本发明灯的光学***可以包括使废弃光25返回被孔径灯泡26“重新捕获”的光学元件24。这些返回的光子中有一些与等离子体相互作用，在重新发射前被转换为有用光27，提高了灯的总效率。在美国专利5773918和PCT公布WO 97/45858(共同转让给本发明的受让人)中详细地描述了这种光的重新捕获，在此将两项专利引作参考。

长寿命是无电极灯的一个基本特征。消除灯泡中的所有金属元件，如灯丝和电极，以及消除至金属封焊的伴随玻璃可去除传统灯寿命的主要决定因子。选择特定的灯泡填充物使等离子体与灯泡封壳之间的化学作用减至最小，在有些情况中甚至消除。这种相互作用会明显地影响传统高强度放电灯的寿命时间和颜色稳定性。此外，本发明的灯通过利用全固态电子电路更加可靠。

传统放电灯的颜色稳定性是灯泡填充物与电极相互化学作用、灯泡填充物与灯泡封壳之间相互作用以及灯泡填充物各组分彼此之间相互作用的函数。本发明的灯可以有利地配置成具有最少反应性单一元素灯泡填充物且没有电极，保证输出光谱在灯的寿命时间内是稳定的。

应用

诸如本发明的灯的长寿命高亮度无电极灯的应用是很多的，且对采用光源的专业技术人员而言是显然的。通常，本发明的灯可以配置成在需要人造光的任何应用中的有效光源。概述利用这种光源独特特性的一些应用是有益的。

本发明灯的最重要的应用之一是投影显示。目前正在采用各种成象技术来调制光束，产生静止或移动图象。诸如得克萨斯仪器公司的DMD装置以及反射式或透射式LCD的技术需要会聚准直的光束。本发明灯的独特特征是长寿命、高亮度、光学效率、颜色稳定性以及RGB比，这使本发明的灯成为这一应用的优良光源。

对于采用光纤的应用，也需要同样的特征。光在光纤中发射前必须在光纤轴临界角内进入光纤的端部。不在临界角内进入光纤端部的光被丢失。在很大程度上，光纤照明***的总效率是由光进入光纤束端部中的耦合效率决定的。本发明的两维灯显著地增强了这一耦合效率。事实上，由本发明灯提供的两维光源允许直接耦合到大的芯或光束光纤。在包括医学设备、汽车照明和一般照明的各种应用中可以有利地采用光纤照明。

图10是锥形光管(TLP)所采用的本发明的灯的透视图。图11是复合抛物集光镜(CPC)所采用的本发明的灯的透视图。图12是球形透镜所采用的本发明的灯的透视图。图13是直接耦合到大芯光纤的本发明的灯的透视图。图14是具有光纤分布的汽车照明***所采用的本发明的灯的透视图。图15是投影显示所采用的本发明的灯的透视图。

本发明能够与成象和非成象光学***一起使用，产生点和泛光型照明以及一般照明产品。

本发明能够与诸如3M公司的光学照明薄膜(OLF)的各种光学薄膜相配对，产生诸如光管***的照明方案和替换传统荧光固定器的光盒。

以下所描述的本发明的灯的大多数例子可以在功率上缩放以适合于小屏幕显示、医学仪器、车辆前灯或者需要1至3千流明输出的亮光源的其它应用。然而，本发明的灯可以在功率和尺寸上缩放，以提供能够辐射数万流明的亮光源。诸如剧院投影机、大屏幕显示电视机、剧院点光源和灯塔的各种应用进一步可采用本发明的灯。

利用灯使粘合剂固化

许多粘合剂可以用强的可见光进行固化。由于小的光点尺寸和高流明强度，本发明的灯是粘合剂固化的优良光源。在有些处理过程中，选择性固化比“泛光”型固化更好。从能量的角度考虑它也是更经济有效的，仅使粘合剂暴露于光。如果仅仅是所选工作区需要被照射，也使光屏蔽简化。正如以下在4.2.2节中所指出的，可以使孔径的形状与照明的所需区域和/或形状相匹配。

本发明灯的一些应用的部分清单包括以下：

投影应用-光纤

建筑重点照明-光纤分布

-自动照明(门/光闸)-滑动投影机-显示投影机-架空投影机	-在投射光束的光源与透镜之间有反射镜的塑料菲涅耳透镜-点/冲洗照明
		汽车-前灯-内部灯-光纤分布	剧院照明-胶片/电视-舞台/播音室-菲涅耳透镜(可变光束聚光灯)
有害照明-本发明的稳定特性-频闪观测器/暖光	标记-氖标记替换
		个人头灯-外科医生的灯-矿工的灯	街道光-全截止
交通灯-光纤分布	LCD背照-日光可读显示
		着陆灯-铁路-机场	检验光-闪光
一般照明-向上光-向下光-点光源-泛光源	住宅照明-安全性-间接照明-墙壁冲洗-户外控制的泛光(无泄漏)-风景照明
		光束投影机-搜索光	水下照明-水池
材料处理-固化照明-强度和近紫外-翻印照明	灯塔
		冷存储照明	船上照明
仪器照明	园艺

                              表1

以下为标题表

1背景

2发明概要

3附图简述

4描述

  4.1高频感应灯

    4.1.1第一耦合电路

    4.1.2新颖戒指形状激励线圈

    4.1.3第二耦合电路

    4.1.4场集中导电表面

    4.1.5冷却激励线圈的陶瓷热沉

    4.1.6具有改善热特性的灯

    4.1.7新颖Ω形激励线圈

    4.1.8一体化灯头

      4.1.8.1Ω线圈

      4.1.8.2灯头的预形成线圈连接

      4.1.8.3可调高压电容器

    4.1.9示例的填充物

  4.2灯泡和孔径结构

    4.2.1吹模灯泡

    4.2.2孔径结构

    4.2.3填充孔径杯的示例过程

      4.2.3.1掌握充填浆料

      4.2.3.2致密浇铸

      4.2.3.3采用离心力塞满杯子

    4.2.4示例的性能数据

    4.2.5光谱分布

    4.2.6球形透镜

    4.2.7陶瓷-石英灯

    4.2.8孔径杯对准的设计特征

    4.2.9凸缘孔径杯

    4.2.10启动帮助

  4.3大功率振荡器

  4.4灯和振荡器

    4.4.1悬臂振荡器板

    4.4.2单独的灯头外壳

    4.4.3示例的灯头焊接过程

    4.4.4改进的可焊性***体

    4.4.5单独的射频源

    4.4.6振荡器控制电路

5权利要求书

6摘要

3．附图简述

参考附图将能更好地理解本发明，其中：

图1-4是产生各种类型放电的传统无电极灯***的示意图。

图5是Q与频率的曲线图。

图6-9是本发明的灯的概念表示。

图10-15表示本发明的灯的各种应用。

图16-32涉及根据本发明的新颖耦合电路和采用它们的各种灯结构。

图33-37涉及垫圈形状的激励线圈。

图38-57是根据本发明的新颖激励线圈和一些不同示例结构的各种示意图、截面图和透视图。

图58-62是示意图，表明适合于在无电极灯中采用根据本发明新颖激励线圈的不同电路安排。

图63-78是利用本发明新颖激励线圈的示例无电极灯的各种透视图、示意图和截面图。

图79-82涉及本发明的新颖激励线圈的不同结构，与大写希腊字母(Ω)相似。

图83-106涉及根据本发明的一体化灯头和采用它的各种无电极灯。

图107-120涉及根据本发明的高压电容器安排。

图121-132涉及根据本发明的吹模灯泡。

图133-154涉及根据本发明的不同孔径结构。

图154-159涉及根据本发明无电极灯的一个例子的各个性能方面。

图160-171涉及一种不同的灯泡/孔径结构和制造它的方法。

图172-175涉及具有径向和轴向对准特征的根据本发明的孔径杯。

图176-180涉及具有凸缘表面的孔径杯，用于热管理。

图181-186涉及灯泡的陶瓷覆盖，具有嵌入导线，改善灯的启动。

图187-209涉及根据本发明的较佳固态大功率振荡器，给灯提供高频能量。

图210-222涉及装在单个组件中的灯和振荡器。

图223-255涉及一个单独灯组件。

图256-265涉及一个单独射频源组件。

描述

4.1高频感应灯

本发明的实施例能够提供高效率、低功率、长工作寿命的光源，尤其是高亮度的光源，它代表工作特性的高度理想的组合。正如这里相对于光源所采用的，低功率定义为小于约400瓦(W)。正如这里采用的，亮度定义为单位光源面积的单位立体角光量。本发明提供无电极灯，它具有可提供比有电极灯长得多工作寿命的潜力。传统的低功率无电极灯此前仅找到有限的商业应用。

本发明提供一种有效、低功率无电极灯，具有强的亮度、能够用在许多商业实际应用中。

尽管高频电源和电感耦合灯是公知的，现有技术并没有明显地教人们将高频电源与为电感耦合而配置的灯组合起来。本发明同时解决了一直阻碍有用组合的实际和技术障碍。

在电容耦合的灯***(即E放电灯)中，耦合电路的阻抗与频率成反比。因此，在高频下，阻抗降低，灯可以在更高电流下工作，因此效率更高。更低的阻抗和更高的效率为本领域的专业技术人员提供了发展高频电容耦合灯的动机。

在电感耦合灯***(即H放电灯)中，电路的阻抗预计与频率直接成正比地变化。因此，若是如此，则在足够高的频率下，阻抗增大以致于电感耦合灯不能以任何合理的效率而工作。

通过说明，线圈的质量因子Q是线圈工作效率的指示，即把能量传递给装置(例如与其耦合的)二次线圈的效率。Q可以由以下方程式表示： $Q=\frac{\mathrm{\ωL}}{R}$ 方程式(1)

式中L是线圈的电感，R是线圈的电阻，ω是弧度或角频率(ω=2π×f，这里f是工作频率)。图5示出给定线圈的Q与频率的典型曲线。从该曲线可以看出，在一点前，Q与频率的平方根成正比增大，超过该点，Q下降。Q从其峰值下降或“滚降”的一个原因是，在较高频率下，存在“寄生”或不适当的因子，通过增大线圈损耗(即线圈阻抗)影响线圈性能。在这些较高频率下，线圈损耗的增大比频率的增大更大，由此引起Q滚降。

例如，“邻近效应”是一种已知现象，它描述当线圈的各圈紧靠在一起时Q如何因匝间电容造成过早地滚降。诸如趋肤深度和涡流效应的其它因素可能也对增大线圈在更高频率下的有效电阻产生贡献。增大电路的有效电阻(即方程式1中的R)会引起滚降加速。因此，在更高频率下，使线圈性能劣化的邻近效应(匝间电容)和其它寄生效应变得明显阻碍线圈有效工作。

电感耦合灯在高频下工作的另一技术障碍是，在耦合电路中也存在寄生效应，如影响线圈性能的这些效应，即电路可操作地将电源连接于灯。这种效应预计会使耦合电路的电路设计复杂化。例如，在高频下，即使笔直的导线也具有电感特性；在一条直导线与另一条直导线之间会出现互感。此外，还存在线圈的特定部件与耦合电路的其它部件的杂散电容。

因此，鉴于实际和技术两方面障碍，本领域专业技术人员显然此前没有把以上配置的无电极灯作为在高频下工作的与电源连接的电感耦合灯。例如，与线圈Q因素和高频耦合电路有关的考虑依据表明，甚高频(例如高于1GHz)电感耦合灯如果是完全可操作的则是非常无效的。

根据本发明的装置通过灯和电路元件的设计，即通过激励结构的尺寸和电路元件的物理尺寸，可克服现有技术中存在的一个或多个问题。因为较大的电路元件对以上讨论的寄生性更敏感，本发明的装置通过使电路元件足够小(例如实际上尽可能地小)而克服这一不足，允许有效操作。

较佳地，线圈的有效电学长度小于所施加的驱动频率的波长的一半。线圈的有效电学长度小于约四分之一波长则更好。线圈的有效电学长度小于约八分之一波长则最好。驱动频率最好大于100 MHz，可以大于300 MHz、500 MHz、700 MHz或900 MHz。

本发明的装置任选地与线圈一起工作，线圈的匝数最好小于2匝，在特定的例子中，小于1匝。在高频下，越少的匝数可以使匝间电容减至最小和/或有效地消除。此外，在高频下，本发明的装置采用较少匝数的线圈，以使由线圈的相位滞后造成的能量传送损耗减至最小。于是，本发明包括匝数小于1匝的线圈到匝数达到约6匝的线圈。任选地，例如在小于约150 MHz的工作频率下，采用大于2匝。在逐步升高的频率下，约为2匝或更少是尤其是好的。

通常，对于给定直径的灯泡和给定直径的线圈，较佳的匝数取决于频率，对于在更高频率下工作的灯，较少匝数或小于1匝是较佳的。

4.1.1第一耦合电路

高频电感耦合灯的第一个例子

正如这里使用的，第一个例子通常指根据本发明的电感耦合无电极灯，其中，耦合电路包括“俯冲板”结构(正如以下描述的)和螺旋形激励线圈。

将参考图16-18描述本发明第一个例子，这里相似的元件由相似的标号表示。图16是根据本发明的无电极灯的第一个例子的透视图。图17是根据本发明的无电极灯的第一个例子的俯视示意图。图18是根据本发明的无电极灯的第一个例子的部分截面图，沿图17中线18-18截取。

如图所示，电感耦合无电极灯40包括封装螺旋形线圈42的外壳46，灯泡43设置在线圈42的中心。灯泡43由支承47定位在线圈42中(正如在图18中能够看清的)。支承47较佳地由能够处理灯泡表面高温，而不从灯泡向外传导太多的能量的材料制成(例如，支承47应当不是太导热的，尽管有些导热可能是需要的，正如下文所述)。例如，支承47的合适材料是石英。线圈42、灯泡43和支承47设置在电介质管45中。电介质管45可以由任何合适的电介质材料制成，例如包括石英和氧化铝。

经输入连接器41将功率提供给灯40。输入连接器41例如可以是N型同轴电缆连接器，具有一个中心导体，用于接收高频信号，和一个接地的外层导体，接地的外层导体与外壳46电气连接。第一导电元件，以下称为“俯冲板”48被连接在输入连接器41的接地外层导体的一端。第二导电元件，以下称为馈电49被连接在输入连接器41的中心导体的一端。正如图16-18所示，俯冲板48和馈电49在它们各自另一端，靠近电介质管45彼此相互连接。线圈42的一端位于俯冲板49的相对一侧，线圈42的另一端接地到外壳46上。

正如在图18中看清的，第一电容器形成在线圈42的一部分42a与俯冲板48的一部分48a之间，电介质管45提供第一电容器的电介质材料。第二电容器形成在线圈42的一部分42b与馈电49的一部分49b之间，电介质管45与管45和馈电49之间的空间中的空气二者提供第二电容器的电介质材料。

在图中，线圈42示出约有2圈，但是可以有更多或更少匝数，与灯泡直径、工作频率等有关，正如以上讨论的。

构造并采用外径灯泡尺寸在约1英寸(25mm)至约0.2英寸(5mm)范围的灯，典型灯泡壁厚约0.02英寸(0.5mm)，包括直径5、6和7mm的灯泡。当然，在本发明的无电极灯中可以采用更大或更小尺寸的灯泡，根据频率、线圈尺寸和电路设计作相应调节。

例如，如果内侧线圈直径与外侧灯泡直径紧密匹配，通常可改善效率。电感耦合灯的功率传递比率由David Wharmby博士(1994年在Gaithersburg的气体电子学会议上提出)在以下方程式中作定量化： $P_a/P_u=k^2{Q}_u\left\{\frac{Q_a}{(1+Q_a^2)}\right\}$ 方程式(2)式中，脚标a指等离子体，脚标u指线圈，P是功率，Q是质量因子，k是耦合系数。系数k是联系耦合线圈与灯泡内电流回路的磁通量线的一种量度。将线圈放置在更靠近灯泡处，可增大耦合系数，由此增大功率传递比率。

按照上述情况，构造具有以下尺寸的示例高频、电感耦合灯。外壳46构造成金属盒，高约25mm(1英寸)、宽38mm(1.5英寸)、长50mm(2英寸)，顶部(即38×50mm壁中的一个)被揭开。传统的N型连接器41通过外壳46一端(即25×38mm壁面之一)的开口安装。馈电49是一个薄的带状导体，厚约0.33mm(0.013英寸)，宽约4mm(0.16英寸)。馈电49的轨迹为曲线路径，从输入连接器41的中心导体开始，在约6.5mm(0.25英寸)长度的延伸范围内向下弯曲至底部，以约1.25mm(0.05英寸)内径反向弯曲并延伸至俯冲板48，从底部到俯冲板48的距离约15.25mm(0.6英寸)。馈电49的弯曲形状和长度提供相对于线圈42相对较高的电感和分布电容。

俯冲板48是直的带状导体，厚约0.65mm(0.025英寸)，宽约8mm(0.32英寸)，总长度约26mm(1.02英寸)。俯冲板48的一端连接至N型连接器41的外侧导体。俯冲板48具有一直角弯曲的部分48a，从连接器41末端起约21.5mm(0.85英寸)，形成高约4.25mm(0.17英寸)的板。馈电49在弯曲处连接(如焊接)至俯冲板48。俯冲板48的直线部分适合于提供低电感和低电容。俯冲板48的弯曲部分48a提供串联谐振电容器的一个电极。

电介质管45是直立圆柱外壳石英，高约28.75mm(1.13英寸)，内径约10mm(0.4英寸)，壁厚约2mm(0.08英寸)。电介质管45坐落在外壳46的底部上，与俯冲板48的弯曲部分48a邻接。

串联谐振线圈42螺旋缠绕2圈半，外径约10mm(0.4英寸)，内径约8mm(0.32英寸)，节距约5mm(0.2英寸)。线圈42的最顶部位于俯冲板48的弯曲部分48a的相对位置上，形成串联谐振电容器的另一个电极。线圈42的另一端接地(例如焊接到外壳46的底部)。

灯泡43由石英制成，外径约8mm(0.32英寸)，内径约7mm(0.28英寸)。灯泡43充有约4至6mg硒和氙缓冲气体，至300至1000乇压力。灯泡搁在直立圆柱石英支承47上，后者的内径约6mm(0.24英寸)，外径约8mm(0.32英寸)，高约6mm(0.24英寸)。

图19是使这里所描述灯工作和对其评价的***的示意图。高频信号源52连接至放大器53。放大器53的输出连接至循环器54，后者通过介质耦合器55连接至灯40。循环器54将反射功率分路至负载56。介质耦合器55提供多个可以连接至测量装置57的抽头。

以上描述的装置在例如915MHz频率下由放大器提供30至100瓦功率而工作的，放大器由Communication Power公司制造，型号5M-915-1,5E2 OPT 001，由同轴电缆连接至Hewlett-Packard公司网络分析仪(Model 8505A)。循环器和电介质耦合器采用商业可提供的元件。电介质耦合器的输出经同轴电缆连接至输入连接器41。电感耦合灯产生高达每瓦约80流明(即100瓦功率约8000流明)。

上述装置是通过在高频下能够提供合适功率电平的任何合适电源供电的。例如，可以采用磁控管作为电源。较佳地，来自磁控管的微波功率则通过阻抗匹配装置耦合到同轴电缆中，将功率提供给装置。

图20是本发明的无电极灯的第一个例子的示意图。将输入功率耦合至灯泡的电路是串联谐振电路。串联谐振电路包括例如串联的电感器(例如线圈)和电容器，在工作期间在电路中具有交流振铃。开始，将功率提供给电路，对电容器充电，然后，电容器放电，将能量储存在电感器中。当电流在电感中达到峰值时，它以相反极性给电容器重新充电，此过程重复进行。振铃是永久的，除非电路中存在不可避免的损耗。提供给电路的功率对损耗作补充，以维持电路在其谐振频率下振铃。由于大量电流保存在电容器与电感器之间，需要替换一小部分存储能量，以保持电路以相对较高电流振铃，由此允许电路比较有效地工作。

正如图20所示，串联谐振电容器C0和串联谐振线圈L0形成串联谐振电路的主要元件。高频电源51通过馈送电感L1提供馈电电流。L1连接至串联谐振电容器C0。串联谐振电容器C0与串联谐振线圈L0串联连接，后者通过电阻器R1接地。将一小的电感L2连接在地与L1和C0的结点之间。分布电容C1以连接L0和L1的中点的虚线示出。

相对于图16-18所示的第一个例子，串联谐振线圈L0对应于线圈42。串联谐振电容器C0分别对应于线圈42和俯冲板48的部分42a和48a。馈电电感L1对应于馈电49，小的电感L2对应于俯冲板48。分布电容C1主要对应于线圈42与馈电49的部分42b与49b之间形成的第二电容，但是，也包括馈电电感L1表面与线圈L0表面之间形成的许多小电容(即线圈42表面的每个部分具有相对于馈电49表面的每个部分的一些电容)。

在工作期间，能量一开始存储在串联谐振电容C0中，然后后者放电，电流流过串联谐振线圈L0，向下接地。然后，电流反过来通过小的电感L2(即俯冲板48)，它最好是低电感器件。因此，串联谐振电路主要包括C0和L0，小的电感是由L2产生的。馈电电感L1将少量能量耦合到串联谐振电路中，对于每一次振铃，它弥补损耗(由R1表示)。R1代表例如两个损耗元件。一个是被反向反射到主电路(例如L2、C0、L0)中的等离子体电阻。另一个是任何超导电路的固有电阻。可以通过改变L2的位置调节分布电容C1(L1与L0之间)，使输入阻抗匹配。

再参考图16-18，能量经N型连接器41通过馈电49被输入，与串联谐振电路相比，它是一个比较低电流携载元件，由于能量通过线圈42和其它元件消耗在电路中(有些能量在操作中被大多数是电阻性的电路损耗，极少量的是由射频辐射损耗造成的)，它将能量馈送到串联谐振电路中。对比馈电49，俯冲板48是直接接地的大电流携载元件，是串联谐振电路的一部分。振铃电流通过俯冲板48，通过电介质管45，通过线圈42，向下接地，再循环。

在工作期间，在俯冲板48与线圈42之间产生大的电压，在1000至10000伏的量级上。电介质管45有助于防止由这一高压造成的灯电路的击穿。电介质管45还可以有利地封闭光学反射粉末，如高纯度氧化铝或硅石。

分布电容C1是比较小的，其作用是改善耦合(即阻抗匹配)。例如，在灯泡工作期间可以调节馈电49的部分49b相对于线圈的部分42b的位置(例如，弯得更靠近，更远，更高或更低)，从而与电源的输入阻抗更实际紧密匹配(例如，尽管其它输入阻抗是可以的，但额定是50欧姆)。当然，在生产中，可以将电路配置成提供所需的阻抗匹配，生产之后无需作任何调节。

根据本发明，示意的电路元件事实上是由导电元件自身的物理结构形成的。这一电路结构提供许多好处，包括降低成本和复杂性，提高可靠性。例如，这一电路结构克服了离散电路元件在高频下击穿的问题。

图21是在灯泡中出现的H放电的截面示意图。H放电的简化描述如下。灯泡(例如由石英制成的容器)内含有等离子体(例如电离气体)。串联谐振电路通过线圈驱动交流电，产生随时间变化的磁场。变化的磁场在灯泡内感应出电流。电流通过等离子体并激励而产生光。等离子体的作用分析为变压器的有损耗单匝次级线圈。

尽管在这里所描述的大多数例子中所示的灯泡一般以球形示出的，但是，对于本发明的电感耦合灯，可以采用其它的灯泡形状。图22-26示出合适于容纳H放电的另外的示例灯泡形状。图22示出一般圆柱形灯泡的透视图。图23-26示出一般圆盘形灯泡，也称为药丸盒形灯泡。图23是透视图。图24-26是通过灯泡中心的截面图，这里灯泡是绕通过中点的垂直轴旋转对称的。图24示出圆角的药丸盒形灯泡。图25所示的灯泡包括底部的一个凹角。所示的灯泡形状仅仅是为了说明，而非限制。其它的灯泡形状也是可以的。

所采用的填充材料可以是基于硫、硒的，但是可以包括任何适合于无电极灯使用的其它填充物。较佳地，处于其电离状态的填充物提供适中的低阻抗。合适的填充物的例子有金属卤化物(例如，InBr、NaI、CaI、SnCl)。也可以采用基于汞的填充物。

图27-29是第一导电元件(即俯冲板)和第二导电元件(即馈电)的其它示例结构的透视图，这些导电元件适合于本发明无电极灯的第一个例子使用。

馈电是较低电流携载元件，因为馈电仅需携载馈电电流，它随输入功率而变化。馈电可以具有任何合理的形状，较佳地被弯曲以提供比俯冲板更长的长度(因此更高的电感)。

另一方面，俯冲板较佳地是高电流携载、低电感的导电元件。俯冲板携载振铃串联谐振电路的所有的电流，因为电流通过电容器、通过俯冲板接地，反过来向上通过线圈。在有些例子(例如图28)中，示出的俯冲板较厚，但是，俯冲板仅需厚度足以容纳振铃电流的趋肤深度。趋肤深度随材料而变化。虽然俯冲板最好是直的，但是它可以具有小的弯度。在图27中，馈电59是以直角弯曲并与俯冲板58连接的相对较厚(例如约12号线)的导线，通过俯冲板58的中心一短距离(即从弯曲向内隔开)。在图28中，馈电79是相对较厚的弯曲的导线。在图28中，俯冲板78是带有与金属板78a连接(例如焊接)的锥形端的厚的带状导体。在图29中，俯冲板88具有向上弯而不是向下弯的部分88a。

尽管已经说明的第一电容器电极具有特定的形状和/或位置，但是可以另外采用其它的形状和/或位置。例如，通过说明而非限制性地，电容器电极可以是正方、长方、八边形、圆形、半圆形或其它形状。电极可以位于相对于俯冲板末端的上方、下方、中心、或者其它偏移位置上。本领域的专业人员将明白，可以另外采用馈电、俯冲板和电容器板的其它设计选择。

图30-32示出本发明的无电极灯的第一个例子的另一种结构。这一不同结构与图16-18所示的例子主要区别在于，电感耦合无电极灯80采用图29中所示的俯冲板88/馈电89组合(部分88a向上弯而不是向下弯)，采用笔直的电介质85，而不是电介质管45，线圈82包括金属板82a，作为电容器的第二电极。这种不同结构的操作与针对图16-18所示的灯40的操作所描述的基本上相同。

高频电感耦合灯的第二个例子

正如这里所采用的，第二个例子通常指根据本发明的电感耦合无电极灯，它采用与“垫片”形状的激励线圈耦合的俯冲板结构(正如以下描述的)。

包括上述第一个例子的装置(即具有俯冲板结构和约

圈螺旋线圈的电感耦合灯)以下与几个其它例子相比较，这几个例子包括具有俯冲板结构和(1)不规则四边形截面形状(903专利中所揭示的)的线圈和(2)平的垫片形状的线圈(接近于903专利的线圈形状)的装置。

图33-35分别示出本发明无电极灯的第二个例子的线圈92的示意图、截面图和透视图。线圈92为平的有一个槽子93的一般垫片形状结构。对具有以下尺寸(mm)的垫片形状线圈进行比较。

内径	外径	槽宽	轴向高度
				9.59.59.59.59.59.5	15.919.722.922.915.915.9	3.53.53.53.53.53.5	1.63.31.00.11.00.3

表2

为这些比较，将金属板焊接在线圈的侧面，与槽相邻，形成串联谐振电容器(见图32)的一个电极。此外，为这些比较，在线圈的外侧增加铜管，提供水冷。图36-37分别示出本发明无电极灯的第二个例子中所使用的水冷却、垫片形状线圈122的示意图和截面图。线圈122的周边与铜管124热接触。

基于第一和第二个例子的比较，发现垫片形状的线圈比上述

圈螺旋线圈灯的效率低。此外，具有较小外径的垫片形状的线圈比具有较大外径的垫片形状的线圈效率高。正如903专利中建议的，垫片形状的线圈提供光阻挡少的有效形状。通常，垫片形状的线圈还显然地提供良好的热处理特征。

4.1.2新颖戒指形状激励线圈

高频电感耦合灯的第三个例子

正如这里采用的，第三个例子通常指本发明的电感耦合无电极灯，它采用俯冲板结构和新颖的“戒指”(或***的戒指)形状的激励线圈(正如以下描述的)。

新颖的激励线圈

图38-40分别示出本发明的新颖激励线圈的示意图、截面图和透视图。根据本发明，线圈132具有一般“戒指”形状的具有一个槽子133的结构。构造了具有以下尺寸(mm)的几个戒指形线圈：

内径	径向厚度	轴向高度
			9.59.59.59.59.59.59.59.59.59.59.59.59.5	1.31.31.31.30.60.60.60.60.60.60.60.60.6	1.31.92.53.21.31.82.32.83.33.84.35.16.4

表3

在每个上述例子中，槽的宽度约在1.8至3.5mm之间。

正如这里采用的，“戒指”形状线圈一般指径向较薄而轴向较高的导电表面，较佳地不足一圈，较佳地显然不是螺旋形结构。换句话说，戒指形线圈具有小的径向厚度(即外径与内径之差)和至少大于径向厚度的轴向高度。

戒指形线圈在与基本相同的俯冲板结构耦合时呈现比螺旋形线圈或垫片形状线圈高得多的有效操作。

图41是图38-40所示在高频下很好耦合的工作灯的激励线圈中电流分布的曲线图。在图41中，线139与线圈142表面分开的距离代表在线圈142面积内流动的电流量。电流向线圈142的外侧边缘分布。正如从图41看出的，在线圈142的中部区，很少有电流流过。因此，在线圈142中流动的电流基本上在线圈142的相对的外侧边缘形成两个电流回路。

在工作期间，具有两个电流回路的灯具有更高工作效率。在两个环中电流流动的一半在每个回路中仅引起四分之一损耗。每个回路中损耗之和的总损耗导致工作灯的整个损耗的一半。因此，效率大大提高。

通常，更多的电流分布在面向灯泡的侧面(如果线圈与灯泡紧密耦合)。有效地，线圈电流和等离子体电流被引到一起，以实现能量的最低化。两个电流之间的耦合越近，驱动两个电流的的力越大，彼此尽可能靠近。

在高频下，基本上所有的电流在线圈材料的趋肤深度内。正如本领域专业人员所熟知的，趋肤深度与材料和工作频率有关。例如，铜在室温下的趋肤深度(英寸)约为2.61除以频率的平方根。因此，在约1GHz频率下，铜的趋肤深度约为0.0001英寸(十分之一密耳)。较佳地，根据本发明的戒指形线圈的径向厚度至少为几个趋肤深度，径向厚度大于约10个趋肤深度则更好。

较佳的例子有径向厚度小于约0.8mm(0.03英寸)。例如，轴向高度在约4.0与5.0mm(0.15与0.2英寸)之间的装置构造成径向厚度在约0.18与0.54mm(0.007与0.021英寸)之间，在径向厚度的范围内维持可比拟的效率。对于非常薄的线圈，线圈材料另外直接淀积在绝缘表面上。

根据本发明的戒指形线圈的较佳轴向高度至少大于径向厚度和高达到线圈内径的约2/3，在线圈内径的1/3与2/3之间可提供更好的效率。

例如，当线圈的轴向高度约等于线圈的内径时，戒指形线圈的操作接近于亥姆霍兹线圈结构，即一对平的圆线圈，具有相同匝数和相等直径，排列在一公共轴上且串联连接。亥姆霍兹线圈的最佳排列是当两个线圈之间的间隔等于半径时。已知亥姆霍兹线圈产生均匀的磁场，沿公共轴在两个线圈之间的中点，是接近均匀的场强的点。在电感耦合灯中，场的均匀性通常不被认为是一个关键的工作参数。然而，戒指/亥姆霍兹线圈结构中功率密度的体积积分也处于最佳，由此提供与线圈之间体积的最佳电感耦合。

因此，采用适当的轴向高度，采用本发明戒指形线圈的工作灯提供两个空间分开的电流回路，距离等于线圈的内径。每个电流回路大约对应于亥姆霍兹线圈结构中的一个线圈。然而，对于可以接受的效率，不需要精密的亥姆霍兹安排。当线圈高度接近于亥姆霍兹安排时，损耗变小，但是渐进减小。因此，线圈的轴向高度可以略大约或小于线圈的内径，对效率仅有较小影响。于是，戒指/亥姆霍兹结构提供一种对其它灯参数允许较宽设计范围的健全***。

图42-57分别是根据本发明的新颖激励线圈的不同例子的透视图和示意图。图38-40示出轴向高度约等于内径的较佳戒指形线圈。

正如图41所示，很少的电流在戒指形线圈的中部区流动。于是，可以去除很少影响线圈效率的中部区。“***的戒指”形线圈指至少去除戒指中部区的一部分的一般戒指形线圈。当具有两个或多个平行环的***戒指形线圈与戒指形线圈进行效率比较时，在效率上没有明显区别。

图42-43示出***戒指形线圈的较佳结构，除一小部分以外，戒指形线圈中部三分之一全部被去除。图44-45示出另一种结构，占戒指形线圈的约二分之一，其中部的三分之一被去除。

图46-47示出另一种结构，这里仅保留每个***戒指的薄长条。更好地，***戒指制成比较厚，以降低线圈材料中的电流密度，由此降低功率损耗(例如在较低的程度上使线圈加热)，以及使灯更有效。

图48-49示出不需要矩形截面，可以使边缘呈圆形。其它的边缘形状也是可以的。较佳地，线圈截面形状允许电流向外散布。通常，电流越向外散布，效率越高，因为降低了局部功率损耗。使线圈的径向厚度太薄(尽管使涡流损耗减至最低)，会增大电流密度和相应的功率损耗。

图51-52分别是根据本发明的新颖激励线圈的进一步例子的透视图和示意图。在这个例子中，至线圈的引线并不延伸到线圈外径之外，所以线圈可以位于环形灯泡内侧。图51示出环形灯泡的透视图。在图51的情况中，线圈42可以位于灯泡的内侧或是灯泡外侧，与应用有关。

图52-57示出戒指和***戒指线圈的例子，具有连接至其余灯电路的一体化引线。注意，正如图56-57所示，顶部和底部线圈区不需要物理连接，只要通过这两个部分的电流在相位上接近同相在幅度上相等。

图58-62是示意图，表明采用本发明不同***戒指形线圈排列的灯。在图58-61的每个图中，电路是这样配置的，即每个***戒指中的电流在相位上接近同相而在幅度上相等。在图58中，单个电源驱动两个戒指。在图59中，两个电源分别驱动两个戒指。在图60中，两个电源分别给两个环供电，两个环的引线位于相反方向上。在图61中，三个电源分别给三个环供电，一个环位于中心，其它两个环相对中心对称地分开。

图62的电路不同于以上讨论的***戒指结构，因为它并不提供相位上严格相同的两个电流回路。而是，图62的电路示出***戒指线圈的两个环串联连接，形成两圈带状线圈。带状线圈通常具有更高的Q，在低频下提供优点。采用电流回路的适当间隔，图62的电路则接近于亥姆霍兹线圈结构，在相对较低频率下可以提供良好的效率。然而，在相对较高频率下，亲近效应和其它寄生性则在比图58所示电路更大的程度上对图62所示电路的效率产生不利影响。

虽然参考特定的形状和结构以上已描述了新颖的“戒指”形激励线圈，但是，这些例子应当被看作是说明性的而非限制性的。例如，只是说明而非限制性，可以另外采用椭圆、正方、长方、腰形以及任意截面形状的线圈来替代以上例举的圆形截面。此外，虽然以上描述了新颖的“戒指”形激励线圈与俯冲板结构相耦合，但是，可以采用其它电路设计的本发明的新颖激励线圈。例如，根据工作频率，可以从分立的元件(例如成品电容器)制造合适的灯。此外，虽然已经相对于在高频和/或超高频(例如高于约900MHz)下工作的高效率灯，描述了新颖的“戒指”形线圈，但是，这一结构的利用并不局限于这些高频或超高频应用。例如，本发明的新颖激励线圈适合于在约13.56MHz、2MHz、1MHz或更低频率下工作的灯，在这些低工作频率下可提供上述优点。

4.1.3第二耦合电路

高频电感耦合灯的第四个例子

正如这里采用的，第四个例子通常指根据本发明的电感耦合无电极灯，它将“刀片”结构(正如下文定义的)耦合至戒指(***的戒指)形激励线圈。

参考图63-67对本发明第四个例子作一般描述，这里，相似的元件由相似的标号表示。图63是根据本发明的无电极灯的第四个例子的透视图，采用图38-40所示的戒指形激励线圈。图64是第四个例子的俯视示意图。图65是本发明的无电极灯的第四个例子所采用的示例电容器结构的部分截面图，沿图64中线65-65截取。图66是沿图64中线66-66截取的第四个例子的截面图。图67是沿图64中线67-67截取的第四个例子的截面图。

如图所示，电感耦合无电极灯140包括包围戒指形线圈142的外壳146，灯泡143设置在线圈142的中心。灯泡143可以通过例如第一个例子中所描述的支承位于线圈142中。线圈142的槽口的一侧连接(例如焊接)至第一平板142a，它向下延伸并连接至底座148，底座接地至外壳146。第一平板142a将线圈142定位在外壳146中。线圈142的槽口的另一侧连接至第二平板142b，它不接地。

功率经输入连接器141提供给灯140。输入连接器141可以是例如同轴电缆连接器，具有一个中心导体和一个接地的外层导体。中心导体载有高频信号(即功率)，接地的外层导体与外壳146电气连接。

以下称为刀片149的导电元件一端连接至输入连接器141的中心导体。刀片149的另一端的一部分在平板142a与142b之间延伸，这里它夹在第一电介质145a与第二电介质145b之间。

正如从图63和65能够很好地看出的，电容器形成在刀片149的端部与平板142a和142b之间。第一电容器形成在平板142a与刀片149的端部之间，电介质145a提供第一电容器的电介质材料。第二电容器形成的平板142b与刀片149的端部之间，电介质145b提供第二电容器的电介质材料。

图68是本发明的无电极灯的第四个例子的示意图。串联谐振电路包括彼此串联连接并与串联谐振线圈L0串联连接的两个电容器C1和C2。电源151通过小的电感L1将高频信号提供给C1和C2的结点。C1的另一侧接地。串联谐振线圈L0通过小电阻R1也接地，后者代表集总电路电阻。

在工作期间，电路作为串联谐振电路工作，其中L0是串联谐振电感器，C1和C2二者一起工作是串联谐振电容器。换句话说，串联连接在一起的两个电容器C1和C2有效地提供一串联谐振电容C0。电容器C0和电感器L0一起形成串联谐振电路，在工作期间它具有振铃电流。功率以高频交流形式提供给串联谐振电路。当功率继续提供时，能量以交替方式在电容器C1和C2以及线圈L0之间移动。在电路中存在不可避免的损耗，在图68中由R1表示。提供给串联谐振电路的能量(功率)对损耗作补充，串联谐振电路继续循环。

考虑灯在施加的输入功率频率下工作。换句话说，***在电源频率下工作，假设电源频率与实际串联谐振电路频率足够接近。在工作期间，灯泡的等离子体将一定量的电阻返回到电路中，存在一定的固有的电阻(由R1综合表示)。串联谐振电路的实际谐振频率不需要与电源频率严格匹配。考虑到有负载(即有工作灯泡)电路中的电路的Q，谐振频率最好与电源频率大致一样。根据电路的Q，有效工作频率的范围可以相对较宽。换句话说，电路可以偏离实际谐振而工作，仍然能有效地工作(即很好匹配以及很好地工作)。

回过来参考图63，在本发明第四个例子的工作期间，高频功率通过连接器141而输入，通过刀片149提供给串联谐振电路。与电路的其它部分相比，刀片149是一个相对较低的载流元件，具有较小的电感(即与连接器引线一起包含在L1中)。当能量通过线圈142(即L0)以及电路中其它损耗元件耗散时，刀片149将能量馈送到串联谐振电路中。例如，一些能量在工作中被损耗，最主要被电阻(即R1)损耗。少量的能量会通过辐射而损耗。振铃电流通过线圈142以及通过第一电容器(由平板142a、电介质145a和刀片149端部形成)和第二电容器(由刀片149端部、电介质145b和平板142b形成)。较佳地，第一电容器(即C1)提供低电压和高电容，第二电容器(即C2)提供高电压和低电容。

因此，在第四个例子中，串联谐振电路在空间上被限制为恰好绕线圈142和通过两个电容器。较佳地，两个电容器形成在线圈142的槽口之间，从而使电路元件保持尽可能小。两个电容器执行(1)调谐谐振频率和(2)提供对输入电源的阻抗匹配的双重功能。

输入电源的阻抗与耦合电路(包含刀片)的阻抗匹配。阻抗额定为50欧姆，因为许多商售的电源是50欧姆。然而，电路可以具有与其它输入电源阻抗匹配的阻抗，包括例如10欧姆。阻抗匹配依赖于电容器C1和C2的比值和L1。典型地，在选择电容器的值上不存在问题，它既提供良好的阻抗匹配，又提供串联谐振电路的合适谐振频率。谐振频率由以下方程式确定： $f=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{C0\×L0}}$ 方程式(3)式中 $C0=\frac{1}{1/C1+1/C2}$

方程式(4)

相对于串联谐振电路，C1和C2可以具有任何比值，只要倒数之和的倒数等于所需的C0。较佳地，正如以上讨论的，C1和C2是***的，以致于C1提供高电压和低电容，而C2提供低电压和高电容。因此，1/C2与1/C1相比是一个较小值，因此，C2仅对谐振频率产生较小的影响或可忽略不计。

相对于阻抗匹配，C1和C2的比值是重要因素，因此，选择C1和C2的适当值，既提供所需的谐振频率又提供适当的阻抗，可以采用以下过程：

1)确定具体灯结构的L0的值；

2)选择C0的值，它提供与电源频率紧密匹配的串联谐振频率(可以接着对其作少许调节以考虑有负载的工作电路的Q)；

3)选择L1(最好小些)和C1与C2的比值，以提供信号源的阻抗匹配(例如50欧姆)；

4)选择C1的值接近于C0的值(通常在皮法拉量级上的小电容)；以及

5)选择C2的值，使之满足阻抗匹配的比值(通常在比C1大50至100倍的量级上的很大电容)。

确定具体尺寸(即，线圈做多少圈数、在一侧上刀片与电极之间的间隔，在另一侧上刀片与电极之间的间隔)与电介质材料(即介电常数)、工作频率和电路的谐振频率(它取决于线圈的电感)的函数关系。电容取决于电极尺寸的面积以及电介质材料及其厚度。对于特定的灯结构，本领域专业技术人员可以容易地作出对电容器材料和尺寸的选择。选择的材料最好是具有合理介电常数的低损耗正切材料。较佳的电介质材料包括例如氧化铝和石英。

与俯冲板耦合电路相比，刀片耦合电路在空间上很受限定。虽然两种结构都包括一串联谐振电路，在俯冲板耦合结构，大电流通过外壳和俯冲板自身。这一电流路径产生比刀片耦合电路的更大的串联谐振电路，因此低效率。通过减少电流路径，能够使刀片耦合结构的效率约为俯冲板耦合结构的大1.3至2倍，这取决于特定的灯结构。

4.1.4场集中导电表面

高频电感耦合灯的第五个例子

正如这里采用的，第五个例子通常指根据本发明的电感耦合无电极灯，它采用刀片结构、戒指(或***戒指)形激励线圈和“炉管”(正如以下定义的)。

灯外壳对于提供射频屏蔽是重要的。灯外壳可以具有将灯电路封闭在法拉第笼中的任何合理形状。通常，通过电磁辐射或通过功率塞绳的传导会出现辐射损耗。法拉第笼可阻止电磁辐射从外壳逃逸。可以采用其它的传统方法来屏蔽通过功率塞绳的辐射。

此外，外壳的选择可以改善灯的效率。例如，缺少外壳(例如有底部，但是没有侧面或顶部)，灯工作的效率比具有合适尺寸外壳(含有侧面)的效率低。

另外，当外壳的尺寸变化时，灯的相对效率也变化。戒指形线圈在接地平面上方的位置、以及线圈与外壳壁之间的距离也同样影响灯的效率。

图69是本发明无电极灯的第五例子的所选元件的透视图。正如图69所示，电感耦合无电极灯150包括导电表面(以下称为炉管151)。灯150在其它方面与以上参考图63-38所描述的灯140相似。如图69所示，炉管151是半圆柱形导电表面，它连接(例如焊接)至灯150的安装底座，由此使炉管151接地。

炉管151较佳地绕线圈对称定位。然而，炉管151可以相对于线圈非对称地定位，对效率影响很小。如果灯外壳包括顶部，线圈最好中心定位在顶部或底部。然而，在外壳不包括顶部的地方，将线圈移动到靠近外壳的底部，以改善效率，较佳的间隔从底部起约为一个线圈直径。从线圈到炉管壁的距离也影响效率，对于最佳效率，较佳的距离也是半个至一个线圈直径。

例如，采用外径约为7.62mm(0.3英寸)的戒指形线圈，炉管151的高度和直径最好为22.86mm(0.9英寸)。在具有顶部开口的外壳中，如果将戒指形线圈置于接地平面上方约一个线圈直径(即7.62mm)处，灯是最有效的。

根据本发明的炉管可以具有任何合理的形状。例如，图70是本发明第五个例子所采用的炉管的另一种示例结构的透视图。在图70中，灯160包括炉管161，它为一般盒子形状。

电场将不穿透炉管。在炉管上包括反射镜电流。灯的效率可以提高，因为炉管上的反射镜电流能够起将磁场和电场集中在灯泡内区域的作用。这影响线圈的电学参数以及可能会影响谐振频率。

4.1.5冷却激励线圈的陶瓷热沉

高频电感耦合灯的第六个例子

正如这里采用的，第六个例子通常指根据本发明的电感耦合无电极灯，它采用刀片结构、戒指(或***戒指)形激励线圈和热沉(正如以下描述的)。

在工作期间，线圈中的电阻导致线圈功率损耗以及引起线圈温度升高。升高的温度增大线圈电阻，由此相当大地降低效率。因此，需要用热沉来冷却线圈。冷却传统线圈的传统热沉方法包括水冷、热管、或使线圈很大(例如903专利的线圈)。然而，这些传统方法中的每一种需要使线圈的半径厚度更大。正如以上讨论的，最好使线圈半径上相对较薄。

图71是本发明无电极灯的第六个例子的所选部件的透视图。如图71所示，电感耦合无电极灯170包括热沉171。热沉171较佳地与线圈保持紧密热接触。与线圈接触的热沉的表面应当是平滑的，以便良好的热接触。

较佳地，热沉171由高热导率、但是很少或无电导率的材料制成。例如，热沉171的较佳材料包括高热导率的陶瓷，如氧化铍(BeO)。其它的材料也是合适的。例如，氮化硼(BN)具有良好的热特性且具有一附加优点，在这一应用中，因为BN横向(即在径向方向)导热。因此，采用BN允许更精确地控制热流。氮化铝(AlN)也是合适的。然而，正如以下详细讨论的，由AlN制成的热沉在高频上使灯的性能退化。

例如，增加BeO热沉导致在稳定性和工作范围上改善灯的操作。

虽然图71所示的热沉171是一般圆柱形的，其它的形状是可以的。例如，图72示出本发明无电极灯的第六个例子所采用的热沉的另一种示例结构的透视图。在图72中，灯180包括盒子形状的热沉181。这些例子应当被看作是说明性的而非限制性的。

热沉的材料和结构的选择对灯的操作具有显著影响。在高频下，线圈周围的相位差导致不均匀的磁场。采用被电介质材料(即陶瓷)环绕的线圈，线圈的电学长增大，这与材料的介电常数有关。当线圈的电学长度接近于大部分电源的波长时，相位滑动的影响变为更加明显。

例如，美国专利5498937(以下称为“937专利”)揭示一种无电极灯，它采用AlN作为传统螺旋形线圈的支承材料。937专利中所揭示的灯在13.56MHz(即低频)下工作。然而，AlN的相对较高的介电常数使它不适合于高频工作。

例如，AlN的介电常数约为9，使线圈电学长度拉长3倍。另一方面，其热特性与AlN相似的BeO的介电常数仅为6，因此，使线圈电学长度拉长比AlN小。BN的介电常数约为4，尽管BN的热特性比AlN或是BeO都差。

高频电感耦合灯的第七个例子

正如这里采用的，第七个例子通常指根据本发明的电感耦合无电极灯，它采用刀片结构、戒指(或***戒指)形激励线圈、热沉和炉管。

图73是本发明的无电极灯的第七个例子的透视图。图74是本发明无电极灯的第七个例子的另一种结构的透视图。正如从图73和74看出，可以将以上所述的不同例子的各个方面组合起来，以提供高效率的电感耦合无电极灯。

将热沉置于线圈与炉管之间的空间中的作用在于可以极大地降低线圈与热沉之间的热阻。通常，炉管可以由诸如铜或铝的为良热导体的金属制备。线圈与热沉之间以及热沉与炉管之间的大面积接触，与通过热沉的相对短的距离相结合，提供热沉与线圈之间更好的热接触。因此，线圈温度降低，伴随增加的线圈电阻减少、总效率增大。

4.1.6具有改善热特性的灯

高频电感耦合灯的第八个例子

在一些应用中，对于线圈的整个周边，热沉不需要与线圈一起共同扩展。为了降低相位滑移并保持线圈的电学长度尽可能小，较佳的热沉排列包括与线圈馈电相对定位的电介质材料的单个厚板。线圈的热沉效应通过采用实质性输入和/或输出接触而进一步增强，它们较佳地由例如铜的金属制成。

图75是本发明无电极灯的第八个例子的透视图。图76是本发明第八个例子的俯视示意图。图77是沿图76中线77-77截取的第八个例子的截面图。图78是沿图76中线78-78截取的第八个例子的截面图。

参考图75-78，其中相似的元件由相似的标号表示，电感耦合无电极灯190包括环绕戒指形线圈192的外壳196。灯泡193设置在线圈192的中心并由电介质195支承。功率通过与刀片199连接的细导线191送入灯190中。另一方面，同轴连接器可以固定到外壳196上，将功率带入中心导体上。单个电介质194在与通过引线191将功率带入的地方相对的位置上与一部分线圈192紧密热接触。引线191与外壳196内刀片199连接。刀片199在电介质199a与199b之间延伸，由此形成以上详细描述的串联谐振电路的电容器。

为了改善线圈192的热导率，使线圈的径向厚度尽可能厚，而不明显地降低效率。例如，对于内径5mm、轴向高度4至6mm的线圈，线圈的径向厚度应当为0.25mm至0.75mm。为了改善线圈192的热沉效应，接地接触是实质性的，与外壳的正面、顶部和底部连接。灯190的热导通过使线圈192至外壳196的间隔减至最小也得到改善，与以上针对炉管所描述的有效操作相一致。例如，对于内径5mm的线圈，外壳196应当是直立圆柱，线圈位于其中心。外壳的外径应当为20-30mm，高约20mm。

较佳地，电介质194和195是诸如BeO、BN或AlN的热传导陶瓷。如果相位畸变被减至最小，BN是一种较佳材料。灯泡尺寸和线圈直径可以减小，以缩短线圈的电学长度。此外，可以降低工作频率，以降低相位滑移的影响。

在第八个例子中，灯泡193被反射外套198包住，在以下的4.2.2节和PCT公布WO 97/45858中描述了其例子。反射外套198形成一个孔径，让光从其出射。这一孔径灯结构提供一种高亮度光源。灯190可以与或者不与同孔径配准的光导一起使用。

4.1.7新颖Ω形激励线圈

高频电感耦合灯的第九个例子

图79-80分别是本发明的新颖激励线圈的另一种结构的示意图和透视图，它被本发明无电极灯的第九个例子所采用。图81是本发明第九个例子的俯视示意图。图82是沿图81中线82-82截取的截面图。

正如图79-80所示，新颖的激励线圈220的截面形状通常对应于大写希腊字母Ω。“Ω”线圈220具有一般戒指形激励部分，但是引线220a和220b向激励部分切向弯曲并彼此平行。正如从图79看出的，Ω线圈220可以包括彼此不对称的引线220a和220b。

图81-82示出安装在印刷电路板221上的Ω线圈220。印刷电路板221是双面电路板，其上设置有电介质层222和导电区224和226a-226c。这些印刷电路板的制造是众所周知的。导电区226c覆盖印刷电路板221的整个一面，作为接地平面。导电区226a和226b与接地平面226c电气连接(例如通过电镀通孔或其它类型的电气连接)。导电区224形成一个微波带状线阻抗匹配电路，部分224a基本上对应于以上例子中所描述的刀片结构。

正如最好从图82看出的，第一电容器由引线220a、电介质230和刀片部分224a形成。第二电容器形成在刀片部分224a、印刷电路板221的电介质222以及接地平面226c之间。印刷电路板221安装在金属板232上。接地平面226c与金属板232电气接触。金属板232给组件增加强度，给同轴电缆连接器228提供安装位置。同轴电缆连接器228具有中心导体，它连接(例如焊接)至微波带状线224。同轴电缆连接器228的外壳接地至金属板232。

与以上的例子相比，Ω线圈220简化了制造过程。例如，Ω线圈220以类似于表面安装元件的方式直接安装在印刷电路板上。此外，Ω线圈220利用了印刷电路板221的电介质层222，因此在组装期间仅需要单个附加电介质230。电介质230能够利用传统的自动组装技术组装在印刷电路板221上。

4.1.8一体化灯头

高频电感耦合灯的第十个例子

图83是本发明无电极灯的第十个例子的一体化灯头的透视图。图84-85分别是第十个例子的侧视图和俯视图。图86是沿图85的线86-86截取的第十个例子的截面图。

如图83所示，一体化灯头200包括包住陶瓷***件204的外壳206。灯头200的整个尺寸约为40mm宽×50mm长×15mm深。正如最好从图86看出的，外壳206包括铝(Al)206a和碳化硅铝(AlSiC)206b。一体化灯头200是单片结构，它包括存放电绝缘陶瓷的金属矩阵复合物。一体化灯头200可以利用以下美国专利中所描述的方法制造，5,570,502(题目为“制备含有电绝缘体的金属矩阵复合物”)、5,259,436(题目为“通过真空铸模制备金属矩阵复合物”)、5,047,182(题目为“通过低压成形和升华干燥的复合物陶瓷和金属形状”)、5,047,181(题目为“形成复合物高性能陶瓷和金属形状”)、4,904,411(题目为“粒子材料的高负载、可灌入悬浮物”)、4,882,304(题目为“高负载复合物的***的液化”)、以及4,816,182(题目为“高负载粒子悬浮物的液化”)，每项专利在此引作参考。

一般说，一体化灯头200是按照以下过程制备的。将碳化硅(SiC)预制件与氮化硼(BN)***件204适当地定位在模具腔体中。迫使液相铝(或铝合金)进入模具腔体中(例如通过真空压力)，这里，铝渗透到多孔SiC预制件中并填充模具腔体中任何其它敞开空间。使液相铝固化，由此形成压铸结构，具有环绕和通过多孔SiC预制件和BN***件204的金属矩阵复合物。铝固化在BN***件204与AlSiC 206b之间的间隙中，由此形成以上针对第五个例子所描述的炉管206c。

然后对压铸结构进行加工，形成灯头200。例如，将BN***物204形成具有一个通道204a，对应于戒指形激励线圈202的外径和轴向高度。其制备过程期间，将铝填充到BN***物204的通道和中心。接着，用直径对应于线圈202内径的钻头在BN***物204的中心进行钻孔，由此形成戒指形线圈202。模具腔体可以包括一个销，它在渗透过程期间占据BN***物的大部分中心，从而限制后来被钻出的铝的量。

同样，在压铸结构中对槽进行加工，形成至线圈202的引线。加工后槽的宽度给接着待***的刀片和相关电介质提供合适的空间，以形成串联谐振电路。按照特定应用的需要，可以进行其它的加工。例如，灯头200包括孔209，对其进行加工以接收安装硬件207。

正如图84-86所示，灯泡203被包在反射外套208中，后者形成一个孔径208a。灯泡203相对于线圈202在轴向和径向上中心对准。灯泡203和外套208可以按照以下在4.2节中所描述的制造。通常，反射外套208是通过将灯泡203定位在灯头200中以及在灯泡203周围浇入微和毫微颗粒氧化铝和硅石的液体溶液而形成的。当溶液干燥时硬化，通过去除一些硬化的反射材料接着形成孔径。另外，可以用反射外套208单独包住灯泡203，接着***灯头200中，作为一个单元。

在较佳例子中，去除外壳206的底部206d(例如通过研磨或其它方式加工压铸结构)。BN***物204与AlSiC 206b形成肩204b，在渗透过程期间AlSiC206b垂直配准BN***物204，如果去除底部206d可固定BN***物204。

一体化灯头200提供许多优点。例如，灯头200提供一种机械坚固的物理结构，以确定并保护灯泡。灯头200提供一种很适合于附着外部光学元件的封装。一体化灯头200还提供热管理上的优点。灯头200提供线圈202与热沉(例如BN***物204)之间以及热沉与灯体(例如外壳206)之间的紧密热接触。较佳地，使线圈、热沉和灯体的膨胀系数匹配，从而在热循环期间(例如灯打开、稳定状态工作和灯关闭)维持紧密热接触。较佳地，热沉材料也提供适合于灯在所需温度下工作的热导系数。在第九个例子中，BN***物204的膨胀系数适合于与外壳206的AlSiC 206a部分的膨胀系数匹配。采用这些材料，灯头200将热从灯泡有效地传导到外部，还将热从电感耦合传导到外部，以维持耦合的高射频效率。

一体化灯头200进一步有利地提供环绕灯泡和耦合电路的传导屏蔽，降低对外部环境的射频能量的辐射。此外，灯头200在一体化封装中提供上述优点，可以大批量经济有效地制造。

图87-88分别是采用本发明第九个例子的灯组件的俯视图和侧视图。灯头外壳206安装在底座210上。将支架212与底座210的一端连接，支承同轴电缆连接器214。同轴电缆连接器214的中心导体与在线圈202引线之间延伸的刀片216电连接。正如以上针对第四个例子描述的，将薄的电介质定位在刀片216与线圈202接地引线之间，将较厚的电介质定位在刀片216与线圈202另一引线之间。

底座210包括可容纳启动器导线的通道218。对于难以启动的灯泡，可以通过通道218传送一绝缘线，使得导线的暴露端位于灯泡底部附近。在线圈与启动器导线之间可以施加高电位，以产生足够的电场强度，使灯泡内的气体电离，由此开始击穿过程。虽然在底座210中设置了启动器的通道，对于大多数灯结构，不需要采用启动器导线。

一体化灯头采用内径在7mm至8.5mm范围、径向厚度在0.15mm至0.8mm范围(较佳的径向厚度约为0.5mm)、轴向高度在3mm至5mm范围(较佳轴向高度约为内径的1/2)的线圈制造。灯泡与外径(O.D.)约7 mm和内径(I.D.)约6mm的一体化灯头一起使用。灯泡通常为球形，尽管有些可以任选地具有平的顶部，有些可以任选地为药丸盒形。

虽然这里所描述的一体化灯头的例子一般涉及电感耦合灯，但是根据本发明的一体化灯头可以适合于提供电容耦合灯、行波发射器、甚至微波灯。在绝缘陶瓷的内表面上可以一体化地形成其它激励结构，以提供不同构造的灯。例如，可以形成相对的电极，提供电容耦合灯。其它的改进对于本领域专业技术人员而言是显然的。

4.1.8.1Ω线圈

高频电感耦合灯的第十一个例子

图89是根据本发明的无电极灯的第十一个例子的一体化灯头的透视图。图90-91分别是第十一个例子的正视图和俯视图。图92是图91中圆圈圈出区的局部放大图。图93是沿图91中线93-93截取的第十一个例子的截面图。图94是沿图91中线94-94截取的第十一个例子的截面图。

第十一个例子采用Ω线圈242，但是其它的在结构上与第十个例子相似。一体化灯头240包括包住陶瓷***物244的外壳246。槽244b将Ω线圈242的引线242a与242b分开。灯头240的总尺寸约为31mm宽×47mm长×18mm深。从陶瓷***物244的中心，外壳246基本上为半圆形，半径约为23.5mm。外壳246的主体约为11mm深，任意凸起的脊246c深约7mm。脊246c主要是为应用界面目的提供的。正如以上针对第十个例子讨论的，以及正如从图93和94中最好看出的，外壳246包括铝(Al)246a和碳化硅铝(AlSiC)246b，包住BN***物244。

Ω线圈242是根据以下过程形成的。BN***物244预先形成有肩244a，对应于Ω线圈242的外径和底部范围。BN***物244进一步包括一个开口244c，沿BN***物244的平表面中心定位。在制备过程中，铝填充BN***物244的中心和开口244c。接着，用直径对应于Ω线圈242内径的钻头钻BN***物244的中心。然后用直径略大于Ω线圈242外径的钻头对BN***物244进行扩孔，深度对应于Ω线圈242的所需高度。正如从图93能很好看出的，加工后槽244b的宽度小于开口244c的宽度，而加工后槽244b的高度高于开口244c的高度。因此，在压铸结构中加工槽244b在戒指形线圈中形成槽以及形成从引线242a和242b至线圈242的连接。

图92示出本发明的一个特征，称为锁定销250。BN***物244形成一个凹口，用铝填充它，在制备过程期间使之固化。在凹口中固化的铝形成一个锁定销250，它有助于防止引线242a与BN***物244分离。

较佳地，一体化灯头240与包在反射外套中的灯泡以及以上针对第十个例子所描述的灯泡填充物一起使用。

4.1.8.2灯头的预形成线圈连接

在上述第十一个例子中，在铝渗透并接着冷却后，通过BN***体研磨槽244b使得在戒指形线圈的每一侧形成刀片形连接以及使高压板与接地板隔离而实现线圈连接。这留下BN***体的相对较薄部分256(见图92)。

根据本发明的这个方面，通过在BN***体中预形成线圈连接以避免接下来的研磨，使BN***体在线圈连接的区域中相对较强。例如，可以采用与线圈的栓型连接而不是刀片型连接。图95是灯头的局部放大图。图96是具有预形成的线圈连接的BN***体的示意图。图97是沿图96中线97-97截取的BN***体的截面图。图98是BN***体的示意图，表明用于形成至线圈的栓型连接的预钻孔的位置。图999沿图98中线99-99截取的截面图。正如图95-99所示，在用铝金属渗透前，在BN***体中钻四个孔258。一旦完成浇铸过程，部分地通过区域260中BN***体钻一个孔使戒指形线圈分离(见图95)。因此，消除相对较薄的区域，使BN***体相对较厚。这一方法还改善制造能力，因为在完成浇铸过程后很少需要加工。

正如在4.1.2节中结合***线圈例子所表明的，利用两个栓代替单个刀片，并不明显地影响电路性能，因为大多数电流扩散到导电元件之外。

图100和101是灯头的局部放大图，表明栓的另外排列。正如图100和101所示，也可以采用有角度的栓作一个或两个连接。利用有角度的栓允许灯头的高压板与灯头的各种电气接地表面分得更开，进一步降低它们之间电弧放电的可能性。此外，虽然说明的例子采用圆形栓，但是可以采用任何合适形状(例如正方、矩形、椭圆)。

此外，BN***体另一方面可以与刀片型连接预形成，正如图102-106所示。由于可避免后面的研磨步骤，与图89-94所示的例子相比，BN***体仍然较强。

4.1.8.3可调高压电容器

图107和108是灯头/馈电组件的示意图。灯头325安装在馈电组件327上。电容器组件329位于灯头325的高压板与馈电组件327的馈电衬垫之间。图109是图107中区域109的局部放大图，表明电容器组件329相对于灯头325和馈电组件327的相对定位。

有关灯头325、馈电组件327和灯321的更详细情况在以上的4.1.8.1和4.1.8.3节以及以下的4.4.3节中讨论。

图110和111是电容器组件329的相对两侧的示意图。导电衬垫331和333设置在电介质材料335的相对两侧。例如，电容器组件329可以包括由Teflon_复合物制成的电介质材料的印刷电路板和用覆铜导电衬垫的包层。选择电介质材料335的厚度以及导电衬垫331、333的尺寸，以提供所需的电容值。

本发明的这个方面是针对电容器组件的各种改进。

灯321是射频供电的电感耦合无电极灯，它采用迭式组件电容器作为串联谐振电路的一部分，将射频功率耦合至灯填充物。在灯工作期间电容器承受高压，最好将其设计成使电弧放电减至最小。

图110和111所示的电容器组件329的一个问题是，电容值是固定的，不易于调节。有时需要调谐最终的灯组件，以与较佳工作频率相匹配。

本发明这个方面的目的是提供一种可调节的高压电容器。本发明的进一步的目的是提供一种可设计成使电弧放电减至最小的可调高压电容器。

可调高压电容器的第一个例子

图112和113是本发明电容器组件的第一个例子的相对两侧的示意图。组件的一侧设置一导电衬垫341，具有多个凸起指状物343。组件的电容值可以通过从指状物343去除一些导电材料而调节。例如，可以采用剃刀从电介质材料刮去导电材料。去除导电材料可降低电容值。

可调高压电容器的第二个例子

图114和115是本发明电容器组件的第二个例子的相对两侧的示意图。组件的一侧设置一导电衬垫351，具有多个凸起指状物353和靠近指状物353附近的多个隔离的导电区355。图116是图115中区域116的局部放大图。通过在指状物353与隔离区355之间增加导电材料可以调节组件的电容值。例如，在指状物353与隔离区355之间的小间隙上可以形成焊剂桥。同样，在附加的隔离区355之间可以增加导电材料，以调节电容值。增加导电材料可增大电容值。与第一个例子相比，第二个例子改善与切割技术有关的从金属片的电弧放电。

可调高压电容器的第三个例子

图117和118是本发明电容器组件的第三个例子的相对两侧的示意图。组件的一侧设置一导电衬垫361，它限定导电衬垫361中的多个空隙363。空隙363通过导电衬垫361延伸到电介质材料的表面。组件的电容值可以通过增加覆盖空隙363的导电材料或电介质材料而调节。例如，可以将导电板焊剂在一个或多个空隙363上。导电板可以是例如圆盘形。另外，可以将导电薄膜或电介质材料粘合在一个或多个空隙363上。

与第一个例子相比，导电衬垫361在一端具有平滑的圆角，在另一端为半球形。通过维持简单的周边形状(例如省略凸起的导电区)，第三个例子降低了由第一和第二个例子的较复杂的周边形状引起的电压应力。第三个例子在比第一或第二个例子更大的程度上有利地抑制电弧放电。

图119和120是第三个例子的电容器组件的另一个结构的示意图。这种较佳结构包括导电衬垫371，它基本上为矩形，具有平滑的圆角。导电衬垫371限定多个空隙373。

虽然针对具体的例子已经描述了本发明，但是本领域专业技术人员将会作出各种变化。例如，根据所需的调节量，可以增加或减少指状物、隔离区和/或空隙的数目。此外，导电衬垫可以包括指状物、隔离区和/或空隙的组合。可以配置导电衬垫、指状物、隔离区和/或空隙的尺寸和形状，以适合于特定的应用。

4.1.9示例的填充物

灯泡填充物通常是无汞的，包括金属卤化物和惰性气体。合适的金属卤化物包括溴化铟(InBr)、溴化铯(CsBr)、三溴化镨(PrBr₃)和三氯化镨(PrCl₃)。7mmO.D.×6mmI.D.球形灯泡的示例填充物有如下：

填充物1	填充物2	填充物3
			0.08 mg InBr0.02 mg CsBr50乇Kr	0.02 mg PrCl30.04 mg InBr500乇Xe	0.02 mg Se0.02 mg CsBr50乇Kr

另一方面，可以将少量的汞(或卤化汞)增加到填充物。例如，对于7mm O.D×6mm I.D.球形灯泡，可以增加约0.1至0.5 mg的碘化汞(HgI)。

4.2灯泡和孔径结构

4.2.1吹模灯泡

本发明的这个方面是指封壳的改进和制造该封壳的方法，封壳供无电极灯使用的含有填充物，在这里所揭示类型的灯中具有应用。

制造封壳毛坯的现有技术方法是使熔融石英的玻璃坯聚集在石英管的端部上，以及通过手工改变管石英内的内部压力并将火焰加在石英管和玻璃坯的外部，使石英管和玻璃坯的端部形成内部体积与石英管相通的薄壁球体。

由现有技术方法产生的薄壁球体的形状不能改变，难以可重复地、一致地将柔性石英的玻璃坯膨胀成任何所需形状(包括球形)。另外，难以利用制造无电极灯等的自动制造机械对产生的管子和球体结构进行处理。

无电极灯孔径灯泡是套装或封装在具有小开孔或孔径的高度漫反射材料内的灯泡，光通过该开孔或孔径而出射。灯泡可以适当地表征为具有多个内部反射路径。对于有效地发挥作用的孔径灯泡，光子一旦产生必须从灯泡出射，或是直接出射或是在若干次内反射后出射，可能在多次吸收和重复辐射后。硫、硒、或类似硫的填充物材料中的较冷区，其中已经产生等离子体，以较冷区温度的温度特性重新辐射所吸收的辐射能量。较冷区中的吸收和辐射降低灯的功效，因为眼睛对这些波长是不敏感的。在具有硫填充物等的无电极灯中，较低的辐射功效与灯泡或封壳内所含有的较冷区的体积有关。过去，药丸盒形灯泡或封壳一直与感应操作高强度放电灯(反射外套等中没有孔径)一起使用。现有技术的例子包括美国专利4,783,615(Dakin等人)、美国专利5,367,226(Ukegawa等人)和美国专利4,705,987(Johnson)。然而，现有技术的药丸盒形灯泡中没有一个与硫和硒填充物一起使用，作为被有孔径的外套环绕的无电极灯的一部分。

在产生无电极孔径灯中碰到了许多问题，具体地，一些传统灯泡形状不能很好地适合于利用已经缠绕在圆柱线圈架等上的传统螺旋缠绕射频线圈的激励。对于线圈高度短于灯泡直径的由圆柱射频激励线圈驱动的球形灯泡，被填充物材料占据的球体内部体积不能被线圈均匀地激励，因为球形灯泡的顶部和底部沿线圈柱轴延伸并超出线圈的高度。

在大批量生产球形封壳的孔径灯中所碰到的另一个问题是，没有提供光学反射外套而留下均匀尺寸孔径的实用自动方法。也没有将光导构件准确地定位并附着于现有封壳的球形表面的实用自动方法。通常，具有通过将芯***反射材料浆料中而形成的孔径的外套必须与维持在位置上的孔径限定芯一起烧结。在反射材料固化或烧结以及假设固态一致后，去除芯，留下截面形状与芯相同的孔径。与处理芯和去除芯有关的问题包括毁坏灯封壳或芯周围外套的反射材料的风险。在外套铸模过程前后必须对封壳进行处理，在给模具填充反射材料前后难以对模具腔体内的封壳定位和处理。于是，在试图发展自动高速制备大量孔径无电极灯的实用方法中碰到几个问题。

本发明的目的是克服与现有技术有关的一个或多个上述问题。

本发明的另一个目的是提供一种适合于圆柱射频线圈或类似物品使用的无电极灯灯泡或封壳。

本发明的另一个目的是提供一种封壳，具有非常适合于接收附加的光提取管或孔径限定件的表面特征。

本发明的另一个目的是提供一种利用高速自动设备制造无电极孔径灯的方法。

本发明的再一个目的是提供一种药丸盒形封壳，通过取消或者大大减小封壳较冷区的体积而克服现有技术的灯泡中所观察到的较低功效。

上述目的可以单独实现以及组合实现，不希望将本发明理解为需要将两个或更多个目的组合，除非这里所附的权利要求书表示需要。

令人惊奇的是，现已发现，硫等离子体在短的光波长上呈现极大的光吸收。在多次反射灯泡结构(即孔径灯泡)中观察到大的光吸收，结果，观察到较低的功效。然而，本发明的药丸盒形无电极灯灯泡在封壳内具有较少较冷区，观察到填充物在更高温度下重新辐射所吸收的能量，由此导致更有效的灯。通过取消或者减小等离子体在封壳体积中的较冷区，观察到硫孔径灯泡呈现更高的功效。

吹模灯泡的例子

正如图121-125所示，灯泡毛坯410(见图125)是由长的石英管412，较佳地是由长度约为150mm的一段3×5mm熔融石英管(例如GE 214)制造的。石英管412具有火焰抛光端部414，最小开孔直径2.5mm。在本发明方法的第一步骤中，如图121所示，用火焰对所选这段纵向管子416加热，通过表面张力和液体石英在火焰中的工作引起横向收缩和闭合。如图122所示，由此产生长度为1.5mm和外径1.5mm的闭合或闭塞段418，较佳地位于离管子底端约15mm的位置上(当管子412垂直方向放置时)。管子416被闭塞段418闭合并使冷却后，对上部的管子419(高于闭塞部分418)加热直至达到塑性状态，如图123所示，具有腔体424的模具422在受热的上部管子419上闭合，腔体424具有所选的基本上为球形的内部形状，包括平面部分426。在图123和124所示的具体例子中，除平面部分426以外的腔体部分通常为球形。经开口管子上端414施加气体压力，使内部加压。压力增大到高于大气压的压力，大约在上部管子419的中点使塑性石英管壁段428变形和膨胀。施加压力直至塑料石英材料在模具腔体424内向外或横向上已经膨胀为止，已经开始与模具内表面430接触并变为形状相匹配，如图124所示。在管子毛坯具有假设的模具内部腔体形状后立即去除模具422。由此将管子毛坯铸模成灯泡毛坯410，具有平面界面区433和恰好位于灯泡毛坯的扩展部分上的上部灯泡开口432。上部开口432是内径在0.5至1mm、长度在1mm的短限定管子部分。

然后将灯泡毛坯410冷却到足够低的温度，以允许与硫或硒和气体混合填充物材料(和其它材料，以上引用的美国专利5404076中所讨论的)相接触(在接下来填充过程中)。其填充过程中，填充物材料经顶端414并通过上部灯泡开口432注入，在此之后利用火炬火焰使上部开口432闭合，形成灯泡434的尖端，如图126所示。在形成灯泡的尖端434时采用长15mm的下方管子残端436支承和定位灯泡。在填充后，由下方残端436支承的灯泡运送到自动反射外套形成机器。然后，利用热熔聚合物或其它焊剂，将具有孔径外轮廓的孔径形成工具或孔径限定件440与形成在灯泡界面区433上的平窗口胶接，如图127所示。一旦孔径限定件440被固定，在闭塞部分418处对下方残端436作记号并去除之。作记号是用锋利的刀进行的，然后折断残端436，产生如图128所示的灯泡形状。然后采用工具440通过反射外套形成操作和接下来停止，处理灯泡。在反射外套(未示出)的高温固化或烧结期间，热熔聚合物热分解，灯泡从孔径限定件或工具440上脱开。

现在参考图129，图中示出灯泡毛坯442的另一个例子，它是在去除模具(未示出)后出现的。灯泡毛坯442具有药丸盒形灯泡部分444，具有方向向下、圆形的平面界面区或平坦部分446，直径为4.5mm。灯泡毛坯442还包括恰好在新形成的灯泡444的肩448上产生的上方灯泡开口447(内径在0.5至1mm之间，长度1mm)。从平坦部分444的外侧到上方开口447的底部测得灯泡高度为4mm，灯泡外侧宽度(即横跨管子轴向的范围)为7mm。灯泡444的壁厚为0.5mm(具有正或负0.1mm的容差)，所以，内侧灯泡高度为3.5mm。如上所述，灯泡毛坯442是由长的石英管，较佳地是长约150mm、上端448火焰抛光，具有直径2.5mm最小开口的3×5熔融石英管(例如GE214)制造的。

按照本发明的另一个方面，提供图130、131和132所示的药丸盒或凹入灯泡形状，以克服由大量较冷气体区引起的较低的功效。

图130的药丸盒形灯泡450外径或宽(即较长的水平尺寸)约8mm，高6mm(即较短的垂直尺寸)，具有0.5至1mm的壁厚454的封壳452。封壳452封住内部体积456，内有约0.05mg硒，500乇氙气(在室温下)和少量的溴化铯(通常小于1mg)，提供作为等离子体形成媒质。灯泡450与填充物内激励环形等离子体458的圆环射频线圈电感耦合。环形等离子体458由具有中心孔460的环形环近似，内部体积456内被等离子体占据的这些区域相对“较热”，而位于等离子体圆环458外侧的这些部分相对“较冷”。药丸盒形灯泡450的轮廓与等离子体圆环458紧密匹配，显现改善的亮度；相信这是由灯泡内具有较少较冷区的封壳形状造成的，结果，观察到更大的亮度和光输出(即功效)。药丸盒形灯泡450消除了较冷内部体积区，填充物在较高温度下重新辐射所吸收的能量，导致更有效的灯。通过消除或减少封壳体积内等离子体的较冷部分，可观察到硫孔径灯泡显现更高功效。

药丸盒形灯泡450的截面基本上为圆形，形状象一个直径大于圆柱高度的短的圆柱，此尺寸接近于灯泡填充物中圆环形等离子体458。药丸盒形灯泡450包括向外投影的固体石英光导474，固定在基本透明的圆形壁面的中心上。在图131所示的另一个例子中，药丸盒形灯泡464的另一个例子具有一个凹进去的凹面，凹痕466面向下，与圆环等离子体458的中心孔粗略对准。灯泡454还包括一个向外凸出的固体石英光导474，固定在基本透明的圆形壁面的中心上。在图132的又一个例子中，药丸盒形灯泡包括反射外套472中的相对较高壁面孔径470，作为替代图131和132的例子中固体石英光导474的另一方案。

4.2.2孔径结构

本发明所涉及类型的无电极灯由透光灯泡组成，封壳内含有等离子体形成媒体。灯泡可以被反射材料部分地或全部地覆盖或套住，任选地可以包括向上凸出光导构件。微波或射频能量源的输出能量经耦合配置被耦合至封壳，以激励等离子体，导致光放电。封壳嵌入在或者除允许光通过的较少面积外的整个封壳表面上的反射材料外套环绕。

在生产无电极孔径灯中碰到了许多问题，具体地说，通过将芯***反射材料浆料中而形成的具有孔径的外套必须与维持在位的芯一起烧结。反射材料烧结并假设整体一致性后，去除芯，留下截面形状与芯一样的孔径。与处理芯和去除芯有关的问题包括毁坏孔径、灯封壳、或反射材料外套表面的风险。另一个问题是，难以准确地将封壳或灯泡定位在从浆料铸造反射材料外套所采用的腔体中。最后，采用模具和现有技术的方法，对每一种所需孔径(和芯)截面形状必须制备一个不同的模具，因为芯必须严格地装在模具中，以防止反射材料浆料在芯周围流动或漏泄。

本发明的这个方面的目的是克服与现有技术相关的一个或多个上述问题。

本发明的另一个目的是在接收封壳和可流动反射材料浆料的在模具中制成的无电极灯中能够采用具有所需截面结构的孔径。

本发明的再一个目的是将封壳适当地定位在模具腔体中，允许可流动的反射材料浆料适当填充模具。

上述目的可以单独实现和组合实现，不希望将本发明理解为需要将两个或多个目的组合，除非所附的权利要求书需要表示的。

孔径结构的例子

根据本发明的第一个例子，如图133和134所示，无电极灯510包括细长孔径限定件或模具***物512。孔径限定件512包括纵向限定的孔径或光通过的限定孔514。孔径限定件512是由具有高的光反射和足够的机械强度的陶瓷或另一种材料制成，以承受自动组装机械处理。孔径限定件材料能够承受宽的温度范围，例如在一个极端条件下的冬季环境温度和在另一个极端条件下的几百华氏度的高工作温度。孔径限定件512与透光封壳516相接或接合，其外表面518包括基本平坦或平面的封壳界面区520。接合材料最好是选择在接下来烧结步骤中所用的温度下分解的有机材料。封壳516可以是球形或药丸盒形，封住内部体积517，包括内含硫、硒或另一种物质或在受到微波或射频能量时产生光的化合物的填充物材料。

正如图133所示，封壳516设置在可分开的两个部分的反射材料模具522之间，第一模具部分524与第二模具部分526可分地拼合，限定具有内部表面529的模具内部腔体528。模具部分524、526较佳地由碳制成。正如图133和135所示，第一模具部分524包括模具开口530，提供从模具内部腔体528到底部外部模具表面532的进入。

孔径限定件512设置在模具开口530中，包括从孔中心轴横向凸出的基本为平面的径向延伸凸缘534。现在参考图135的仰视图，图中示出，模块开口530和孔径限定件孔514基本上轴向对准，允许光通过透明封壳界面区到达模具外部。在图135中，孔514表示为圆形截面，然而，可以采用任何孔径截面，例如图136所示的另一个例子的星形孔径截面。星形孔径544是在孔径限定件能够被限定的许多奇怪或任意的孔径形状的示例，因此允许单个模具容纳许多孔径形状。

如图137所示，孔径限定件512包括管形体536，具有中心轴以及与近端横向凸缘534相对的远端538。孔514是通过孔径限定件512从管形体536的近端延伸到远端538的透光通道。在图137的例子中，横向凸缘534包括诸如削角540的指引特征。在图138所示的另一个例子中，孔径限定件横向凸缘是圆的，不包括指引特征。

在本发明的方法中，反射材料模具522被分为两个(或多个)部分，允许进入限定在其中的模具腔体528。孔径限定件512位于模具内部腔体528中并通过模具体开口530从模具内部腔体528向外凸起。孔径限定件512包括近端的径向延伸凸缘534，它在横穿孔中心轴的平面内凸起。封壳516搁在凸缘534上，后者具有为维持封壳外表面518与模具腔体内表面529之间所需间隔而选择的凸缘厚度548(见图137)。使模具522闭合，通过模具注入开口550注入或灌入反射材料的可流动浆料，填充封壳外表面518与模具内部腔体表面529之间的空间。然后使反射浆料材料干燥、烧结或燃烧，提供坚固或硬化的反射外套556，如图134所示。用于将孔径限定件512粘合到封壳外表面518的粘合剂材料分解，由此允许封壳516与孔径限定件512之间热膨胀系数的明显不同。

如上所述，孔径限定件的外周可以包括凸起关键特征(例如一个削角)，因此标示孔径限定件在具有互补接收特征(例如具有削角的接收插座)的模具体开口中的位置(或控制取向)。孔径限定件512中的孔514可以具有任何所需截面形状，而孔径限定件体的外周是标准化形状(例如管形体536)，由此允许在具有许多不同孔径截面形状的铸模孔径灯中采用公用模具构件，以所选位置和取向对孔径限定件加标记，不管孔的形状如何。

现在参考图139和141，孔径限定件560的另一个例子的标记形状包括台阶式凸缘结构，具有削角标记特征564的近端外缘部分562和横向范围缩小的并具有径向对准削角标记特征568的中间台阶式凸缘部分566。如图141所示，接收孔径限定件560的模具570包括台阶式接收插座572，仅在一个旋转取向上适合于接收中间台阶式凸缘部分566，由于插座的削角标记特征在范围上对应于中间台阶式凸缘部分566的削角标记特征568。在制造无电极灯***中，标记特征568也可以用在对准、定位灯的后续组装步骤中。

图141所示例子的反射外套576延伸并覆盖一部分外缘部分562，后者超过中间凸缘部分566径向凸起，所以提供一层薄的环形外套材料层，为孔径限定件固定于灯泡提供附加保持结构。图140示出另一个例子，包括位于模具腔体中的孔径限定件580，具有径向上横向凸起的凸缘582。反射外套584延伸并覆盖径向凸起的凸缘582，所以提供薄的环形外套材料层，提供将孔径限定件580固定于灯泡的附加保持结构。

如图142所示，采用孔径限定件512的外部部分586作为光学元件，如投射无电极灯510中所产生的光的镀膜光学反射器588的支承。

本发明的模具522无需去除，如果需要的话可以装入外壳内的灯中。如图143所示，模具522可以是用于把射频激励功率提供给无电极灯510的射频激励线圈500的射频能量耦合电路或热沉的一个集成部分。因此，模具522无需是仅用于确定铸模成封壳的反射外套部件的外侧形状的一个可重复使用的工具。孔径限定件512限定任何所需截面形状的孔径，将封壳516定位在反射外套中，提供孔径参考或者标记，以及取消灯泡形状和外套形状的精密工具的制造要求。

反射材料模具无需是两部分的模具。例如，如图144所示，可以采用一块反射材料模具590。反射材料模具590包括模具开口591(类似于图133中所示的模具开口530)，提供从模具内部腔体592到底部外部模具表面593的进入。孔径限定件512设置在模具开口591中，如上所述。

反射材料模具590进一步包括顶部外部模具表面595中的模具开口594。模具开口594是足够大的，以允许透光封壳516通过并进入模具内部腔体592中。例如，如图144所示，模具内部腔体592可以是这样的形状，即模具开口594的宽度接近于与模具内部腔体592的最宽部分相同，模具内部腔体表面596基本上是向着模具内部腔体592的顶部的圆柱体。一旦透光封壳516定位在模具内部腔体592中，将反射材料554的可流动浆料灌入模具开口594中，填充封壳外表面518与模具内部腔体表面596之间的模具腔体592的空间。位于反射材料模具590顶部的宽的模具开口594消除了需要两个单独模具部分。

通常，封壳的界面区可以具有允许与透光封壳充分粘合的任何形状，无需是平坦或平面。例如，如图145和146所示，封壳501可以为球形(例如基本上球形或椭球形)外部表面，具有圆的封壳界面区502。可以使封壳501与或是非共形或是共形的孔径限定件粘合。例如，如图145的截面图所示，非共形孔径限定件503具有平的上表面505的凸缘504。孔径限定件503在边缘506处与封壳501的圆的封壳截面区502接触，边缘506形成在平的上表面505与孔径限定件孔507的接合处。因此，平的上表面505并不与封壳界面区502的圆形共形，封壳501沿边缘506处窄环形带与孔径限定件503粘合。

根据图146所示的另一个例子，孔径限定件508与封壳界面区502的形状共形。具体地说，凸缘511的上表面509是杯形的，具有对应于圆的封壳界面区502的曲率。孔径限定件508示于图147的透视图中。孔径限定件508的共形形状提供了较大表面区，在其上封壳501的圆形封壳界面区502能够粘合于孔径限定件508。

使用中，无电极灯(例如灯510，如图134、142或143所示)与微波或射频源电耦合并接收能量，由此在包含在封壳内部517中的填充物材料中产生发光的等离子体。由此而产生的光从外套556被内部反射并穿过孔514的孔径向外传播。

制造无电极灯510的方法包括以下步骤：提供具有外表面518和含有填充物材料的内部体积517的封壳516；提供具有外部表面532、内部腔体528、第一部分524和第二部分526的模具522，这里模具第一部分524具有模具开口530，提供从模具内部腔体528到模具外部表面532的进入：将孔径限定件512***模具开口530中，这里孔径限定***件512包括***孔514，当***件512被***模具中时后者提供从模具内部腔体到所述模具外部表面的内反射光通道或孔径；将封壳516置于模具内部腔体中，靠近凸缘534上的孔径限定***件512；用可流动的反射材料554填充模具内部腔体528；然后使可流动的反射材料固化，形成固体反射外套556，它包住或环绕封壳516，但不是均匀地粘合或涂覆封壳516。任选地，从模具522去除孔径限定件512固化反射材料外套556固定于其上的封壳516。另一方面，不是去除封壳或者除了去除封壳外，将外部反射器588(或者一些其它光学附件)固定于孔径限定件512的内部部分586。将孔径限定***件***到模具开口中的步骤包括：通过使***件512的标记特征540与模具开口的相应标记特征对准而给孔径限定***件作标记或定向，当***件512以所选取向被***到模具中时模具开口的相应标记特征与***件512的标记特征540相配合；将有标记的孔径限定***件512***到模具开口530中。将封壳置于模具内部腔体中并靠近孔径限定***件的步骤包括：将封壳516的基本上为平面的部分520置于延伸到模具内部腔体528中的***件512的支承凸缘534上，由此支承该封壳并提供封壳外部表面518与模具腔体的内部表面529之间的间隔。用可流动的反射材料554填充模具内部腔体528的步骤包括将反射材料浆料灌入到模具内部腔体中。

产生的无电极灯的孔径灯泡510因此包括具有第一分区和第二分区的外部表面518的透光封壳516，这里封壳包住内部体积517，内含填充物材料。灯泡510还包括固定于封壳外表面的第一分区(即界面区520)的孔径限定件512。孔径限定件512具有远端表面538和通过管体536的孔514；孔514提供透光流明或从封壳516到孔径限定件远端538的通道。灯泡510还包括覆盖封壳外表面的第二分区(例如保持区)的反光外套556。外套556较佳地具有等于或大于0.5mm的厚度，是烧结固体。孔径限定件较佳地是陶瓷或者具有等效的光反射、热和结构特性的材料。

如上所述，无电极灯孔径灯泡510可以包括具有内部腔体、外部表面和提供从模具内部腔体到模具外部的接入的模具开口530的集成永久固定模具，这里封壳设置在提供如图142所示单个组件的所述模具内部腔体中。另一方面，单个组件集成模具包括设置在模具内部腔体528附近的射频激励线圈100，如图143所示。

由于本发明可以详细地作出各种改进和变化，因此以上对较佳例子的描述仅仅是示例性的而非限制性的。相信本领域的专业技术人员在看到这里给出的教导将能够提出其它的改进、变动和变化。因此，应当明白，所有这些变动、改进和变化相信是落在所附权利要求书中限定的本发明的范围内。

图148是供本发明的灯用的较佳灯泡毛坯的示意图。图149是沿图148中线149-149截取的较佳灯泡毛坯的截面图。灯泡是绕纵轴旋转对称的。灯泡具有一般酒杯形状，具有一个基本平坦的面。通过茎中的开口将合适的填充物材料淀积在灯泡中。给惰性启动气体(例如氙、氩、氪)施加适当压力。然后在收缩部分对茎加热，以密封灯泡，将填充物材料和启动气体封在灯泡内。

图150是根据本发明的较佳孔径杯的分解示意图。图151是该孔径杯的示意图，表明孔径的详细情况。图152是沿图151中线152-152截取的截面图。正如图150-152所示，灯泡***在反射陶瓷杯中并相对于孔径大致对称地定位。然后用反射材料填充杯，反射材料硬化包住灯泡并将灯泡固定在位置中。灯泡和孔径形成过程的其它详细情况如上所述，以及以下的4.2.4节和PCT公布WO 97/45858中所述。较佳地，反射杯和反射材料是低介电/高(相对)热导材料，有助于灯的热处理。

根据本发明的另一个方面，将孔径的形状配置成使光学效率达到最佳。例如，当与光纤的圆端头耦合时采用圆的孔径。当与LCD显示机耦合时采用纵横比为3∶4或9∶16的矩形光具。当产生汽车前灯的光束时采用更复杂的形状。对于任何实际应用，可以设计最佳形状的孔径。具有两个或多个孔径的灯也是可能的。图153示出几个例子，其中具有平坦面的灯泡被包在具有各种孔径形状的反射杯中。

4.2.3填充孔径杯的示例过程

根据本发明的较佳孔径灯泡示于图152。所需的孔径形状是在陶瓷杯的底座中预先形成的。具有高脚玻璃杯形状的石英灯泡相对于孔径以及与孔径邻接的灯泡的平坦面大致对称地定位。杯体未被灯泡占据的体积填充有反射陶瓷材料。以下将描述构造图示灯泡的示例过程。

4.2.3.1掌握填充浆料(Hand gupping)

制备含60％Nichia(Nichia America公司的零件号码999-42)和40％甲醇的浆料或gup。浆料应当是可流动的，以致于能够将它吸入到5-10cc注射器中。将杯放在甲醇中，使之湿润，在填充浆料前填充杯中的孔。将少量(约1cc)浆料放入靠近孔径的杯中，使灯泡滑动到孔径上，通过孔径并环绕灯泡转移一些浆料。然后用浆料使杯填满一半，在平坦表面上轻轻地敲，以塞满材料(例如去除空气泡或空隙)。在空气干燥几分钟后，用一根小棒或类似物品进一步塞满材料。以几个增量施加附加的浆料，直至杯子被填满为止，正如刚才所描述，对每一次施加进行敲、干燥和塞满。然后，从孔径区去除浆料，在约100℃温度下使组件在炉子中干燥10分钟，然后在约900℃温度下烘烤30分钟。

4.2.3.2致密浇铸

制备包含约70％Nichia、27％DI水和3％Darvan 821-A的浆料。使浆料翻滚几个小时，使Nichia完全分散。从孔径区域中的外侧将灯泡胶接于杯，将乳胶管置于杯的开口端，使得杯能够被多填充约6mm。将杯放在DI水中约10-20秒，用水使孔饱和。去除杯，用压缩的空气或氮从杯的内侧吹掉过剩的水。将浆料吸入到注射器中，缓慢地分散在杯中，小心进行以避免气泡。将橡胶盖放在乳胶管上，使浆料在空气中干燥2-3小时。然后去除橡胶盖和乳胶管，用小刀或剃刀从盖的端部修整过剩材料。在10℃/分钟的速率对杯加热，最高达到900℃，然后维持在900℃约30至60分钟。

4.2.3.3采用离心力塞满杯子

较佳地，产生的反射陶瓷材料是密实的，没有空气包。在上述的过程中，在良好流动特性与产生的密度之间存在折衷。此外，这是耗费时间的，利用上述过程难以避免空气包。根据本发明的这个方面，利用离心力用浆料塞满杯子。例如，利用离心力用浆料塞满杯子便于将重要的力施加在能够引起浆料流动到小裂缝中并迫使空气包排出的浆料上。离心力的过长时间能够使液体与固体分离，因此改变浇铸的固体成分。可以采用受控结构来构造具有可变或梯度密度的陶瓷部件。根据本发明，离心力过程增大产生的反射陶瓷材料的密度，对良好流动特性的要求很少。

示例的离心力过程如下。制备包含约5％ Nichia和95％水或甲醇的浆料。在充填浆前使浆料碾磨至少约1小时。灯泡关于孔径定中心，从杯的外侧胶结。配置一个离心力固定器，维持杯子，使得杯子的孔径端在自旋期间径向向上。陶瓷杯是相对多孔的，水/甲醇在足够的离心力下通过孔径杯的表面渗出。可以将固定器配置成维持一定量的浆料超过杯子的体积，从而减少处理步骤的次数。然后用浆料填充固定器和/或杯子，在每分钟约3900转的速率下旋转约5分钟或者直至从不再观察到从固定器漏出水/甲醇为止。重复进行填充和旋转直至填满杯子为止。然后从固定器卸下杯子，在约80-90℃温度下在炉子中干燥30分钟，在900℃下烘烤30分钟。

另一种过程是采用5％ Nichia/95％水的第一混合物和50％ Nichia/50％水的第二混合物。采用5/95混合物至少到灯泡基本上被塞满陶瓷材料覆盖为止。而后，采用50/50混合物加速处理。

4.2.4示例的性能数据

本发明的灯的示例性能参数如下：

直流功率

孔径

亮度

2D流明

CCT

CRT

情况#1	120 W	9 mm2	53 cd/mm2	1500	6800 K	＞90
							情况#2	120 W	18 mm2	45 cd/mm2	2000	7500 K	＞90

                            表5

这里，在每种情况中灯泡填充物是约1.8mg/cc InBr，灯泡是酒杯形灯泡，外径尺寸为7mm，内径6mm(灯泡内部体积约0.1cc)。

由本发明的灯和孔径结构提供的优点是光的接近朗伯角度分布。图154是本发明的灯的测量的光角度分布与光的朗伯分布比较的曲线图。光的接近余弦分布允许有效产生光的高度准直轴。可以使成象或非成象的光学元件与孔径匹配，以实现所需的光束角度。

孔径灯拓扑术拥有其它重要优点。通过调节孔径尺寸相对于灯泡的尺寸，本发明的灯能够用流明功效换取光源亮度。较小的孔径口产生较低流明功效，但较高的光源亮度。相反，较大的孔径增大流明通量但是降低光源的亮度。例如，通过打开孔径，以便与灯泡直径匹配或接近匹配，可实现对一般照明而言优良的有效光源。在这种结构中，本发明的灯适合于抬高或降低灯具，为办公环境、学校、工厂、商店、家庭、以及需要人工照明或从中得益的任何地方提供有效照明。

灯泡的形状同样可以变化，以便与射频场和光学孔径最佳耦合。例如，形状象酒杯的顶部上有平坦面的灯泡作为具有单个孔径的灯工作很好。当需要两个相对设置的孔径时，为了更好的光学耦合，可以选择形状象曲棍球的灯泡。灯泡的尺寸也可以改变。通常，灯泡的尺寸是功率电平和所需光源亮度的函数。通常，对于较高的功率电平，需要较大的灯泡。在给定的功率电平下，具有较小孔径的小灯泡将产生更亮的光源。灯泡可以由各种材料构造，玻璃、石英、氧化铝等。灯泡封壳并不需要是透明的，仅仅是半透明的即可。能够采用半透明的，能够承受需要的工作温度的，对所选填充物是化学惰性的以及并不过多地干涉射频波的任何材料。

传统的光源发射三维的光。通常采用反射镜对光重新定向和聚焦在所需物体或平面上。对于大面积的照明，这些尝试和真实的技术工作很好。然而，当需要窄的高度准直的光束时，传统的光源是相当失效的。此外，许多传统的灯仅提供一个局部亮点，绝大部分光源流明从不同的明显不亮的放电部分出射。

与传统光源相反，从本发明的灯出射的光仅在两维尺度上定向。换句话说，亮点是均匀的，在两维面积上的峰值与平均亮度之间几乎没有偏差。图155是本发明的灯对于近场分布的示例强度图。图156是本发明的灯的示例近场分布的三维图。

低幅度(etendue)是必需的但是对光有效地耦合到诸如光纤或小对角线LCD的小光学***而言不是充分的特征。使耦合达到最大的其它必需特征是源与目标之间的偏斜分布的匹配。除非源与目标的偏斜分布是很好匹配的，很难维持低幅度和高收集效率。通常，三维光源并不提供与诸如光纤或LCD的平目标的偏斜分布的良好匹配。例如，众所周知，从具有轴向对称光具的球形光源传递光会引起幅度或收集效率的损失或二者兼之。

本发明的灯有利地既提供低的幅度又提供平面目标的良好偏斜匹配。由本发明的灯提供的两维光源使光学***的收集效率达到最大，其中还必需维持低的幅度。

有关低幅度、偏斜匹配和角度分布的上述优点能够被反射、折射、成象和非成象光具有效地用于产生又亮又有效的光学***。例如，本发明的灯的角度分布非常适合于所有各种类型的收集工具，如反射或折射化合物抛物聚能器(CPC)和光管，以及各种成象光学方案。

虽然本发明的灯采用电感射频耦合结构，但是当与其它耦合结构一起使用时孔径灯技术的好处可以广泛应用。

4.2.5光谱分布

这里所描述的孔径灯泡技术，与所选灯泡填充物耦合，在高CRI和色温下发出全光谱的光，对于许多应用而言这是很好的。通过选择灯泡填充物化学性质和剂量能够修整色温和光谱平衡。本发明的灯也能够采用填充物和/或滤光片产生特定色带的光。在本发明的灯中可以采用从传统的汞和金属卤化物到硫和硒的灯泡填充物材料的整个范围。图157是如上所述仅有溴化铟填充物的光谱功率分布图。图158是含有溴化铟和溴化铯(0.8mg/cc InBr,0.2mg/cc CsBr,50乇Kr)的填充物的光谱功率分布图。同大多数其它放电灯不同，本发明的灯的光输出可以是黯淡的。图159是在不同射频功率电平下仅有溴化铟的填充物的光谱功率分布图。

4.2.6球形透镜

可以将本发明灯的角度分布配置成接近于朗伯分布。换句话说，光从在180度角度上或者在90度半角的圆锥上分布的孔径出射。在特定的应用中，需要将尽可能多的出射光聚焦在另一个表面上，而提供最大集中度。

采用传统的光源，通常，难以捕获180度分布的光。然而，正如图12所示，可以采用球形透镜与本发明的灯相结合，基本上捕获从孔径出射的所有的光。球形透镜可以采取截头的球形或椭圆形的形式。在这种情况中，光进入球形透镜的第一表面(平面侧)，它与孔径相接触或接近接触，从球形透镜的第二表面(球形侧)出射。从孔径出射的光进入球形透镜，从低折射率的区域(空气)到高折射率的区域(球形透镜)。光由此发生折射，从而分布在比180度小得多的锥角中。

即使从空气到诸如石英玻璃的具有相对较低折射率的光学材料时，锥角小于90度。球形透镜具有第二凸面，光从其出射，而不返回到180度的角度分布。适当选择中心厚度和半径，第二表面可使锥角减小到明显低于90度。

以减小的分布角度退出球形透镜后，传统透镜设计能够处理光。基本上所有的退出孔径的光被光学***所利用。

另一方面，球形透镜可以采取完全球形或椭圆形或其它立体弓形的形式。利用完全球形透镜可以实现可供使用光的完全利用。此外，球形透镜的第一表面可以是非球形的。即使是球形的第二表面，可以将球形透镜设计成消球差的。

对于没有截头表面的球形透镜，圆形孔径形状是较佳的。

4.2.7陶瓷-石英灯

本发明所涉及这种类型的无电极灯由透光灯泡组成，封壳内含有等离子体形成媒体。微波或射频能量源将其输出能量经耦合配置耦合至封壳，以激励等离子体，导致光放电。封壳被嵌入在或者除称之为孔径的允许光通过它的小面积外几乎在整个封壳表面上被反射材料外套环绕。

以上的4.2.2节讨论了制造无电极孔径灯的方法，它具有胜过现有技术的特定的优点。在4.2.2节的孔径结构中，提供一模具腔体，孔径形成构件***在其中，灯封壳置于孔径形成构件附近，模具腔体内部填充可流动的反射材料，硬化后形成环绕灯封壳的外套。

本发明的这个方面涉及制造无电极孔径灯的方法，它具有胜过现有技术的优点。

对于制造无电极灯的特定方法，易于通过大批量生产而实现，从而能够便于填入大的生产份额是重要的。产生的灯是耐用的，从而增加其长寿命也是重要的。本发明的无电极灯在高温下工作，尤其是在延长周期的工作期间变为非常热。因此从由石英制成的灯泡中去除热量是重要的，否则灯泡将熔化。为了实现这一点，将热量从灯泡传送到热沉，这里可耗散热量，迫切需要将大量的热量从灯泡传送到热沉。

本发明一个方面的目的是提供一种制造无电极孔径灯的方法，该方法易于实施，本身具有大批量生产的经济性。

本发明一个方面的另一个目的是提供一种耐用的无电极孔径灯。

本发明的再一个目的是提供一种具有高的热传送特性的无电极孔径灯。

应当理解，上述目的可以单独实现以及可以彼此组合实现，所以，本发明不应当解释为需要将两个或多个目的组合在一起。

陶瓷-石英孔径结构的第一个例子

图160示出根据本发明第一个例子的灯泡。图中示出的灯封壳602通常由石英制成并充有在受激时发光的放电形成媒体。采用非穷举举例，可能的填充物是基于硫或硒的物质，正如上述美国专利5404076中所揭示的。此外，封壳可以由以上4.2.1节中所讨论的方法制成。

封壳位于容器610中，后者具有封闭端611和侧壁609，后者敞开到嘴613中。侧壁具有内表面615和外表面617，安排与灯封壳邻接的至少一部分内表面615是反射的。在较佳例子中，容器610由反射陶瓷材料制成，为杯形。

在灯封壳602与容器端部611之间是反射填充材料612，如图所示填充容器端部与灯封壳之间的区域。在较佳例子中，这一材料是密度低于制备容器610的陶瓷的反射陶瓷。例如，填充物材料612可以是硬化浆料和粉末。

面向容器嘴613的灯泡表面604有一垫片606，至少其内表面是反射的，例如用粘合材料的环608将其固定。垫片包括孔径形成构件，它形成孔径607，在较佳例子中由反射陶瓷材料制成。灯泡表面604较佳地是平的，易于垫片606的附着，尽管垫片也可以被固定在圆形表面部分601上。

容器侧壁的内表面615是圆锥形，向容器端部缩小。在较佳例子中，它具有圆形截面，在向容器端部的方向上直径逐步减小。灯封壳602具有侧壁619，在较佳例子中它也是圆锥形。它与容器侧壁的内表面615一致，并邻接这个内表面。容器壁的外表面617也是圆锥形，在较佳例子中，从内表面起为相反方向上的锥形。

图161示出装入图160的孔径灯泡的灯。激励线圈621(它可以为金属带的形式)绕容器610而设置，而热沉614(它可以由氮化硼陶瓷材料制成)环绕灯泡和激励线圈。由弹簧618偏置的附着于支承620的插头616可防止关灯时或由于冷却发生物理收缩时灯的移动。注意，激励线圈621的内表面622是锥形，从而与容器壁的外表面617的锥形相配对。

图160所示的灯泡和图161所示的灯拥有许多优点，以下将作详细描述。

图162至165示出本发明的方法的例子。参考图162，垫片606(可以由反射陶瓷制成)用粘合剂623首先粘合到灯封壳602，粘合剂623较佳地是有机材料，选择为在本发明中在干燥、固化或烧结反射材料所采用的温度下可分解。

陶瓷垫片可以由氧化铝/硅石组合，例如90％氧化铝和10％具有所需多孔性的硅石制成。正如本领域专业技术人员所知的，可以用陶瓷技术，当它们在输送带上输送时通过模具压陶瓷体易于大批量生产这种垫片。为了实现垫片606与灯泡封壳的粘合，将灯封壳602置于形状与灯泡相似的固定器624中，固定器624具有中心定位的开孔625，灯泡尖端626可以***到其中，在粘合步骤期间有效地保持灯封壳602的稳定。

正如图163所示，提供容器610，它可以是杯形。容器610可以由相对较高密度的陶瓷材料，例如与垫片相同的材料制成。容器610可以在模具中制成，易于用已知的陶瓷技术大批量生产。如上所述，容器的侧壁具有锥形的内表面和外表面，内表面向容器底部缩小，而外表面向容器顶部缩小。

方法的下一个步骤是例如用喷嘴627用反射浆料或粉末612填充容器610至预定水平，由浆料或粉末源馈给喷嘴。浆料或粉末较佳地由相对较低密度的陶瓷制成，例如基本上纯净的氧化铝与水和少量有机添加剂相混合，以防止沉淀。

图164示出下一个步骤，将灯泡封壳/陶瓷垫片组合***容器610中。可以采用真空夹具器629维持或降低封壳到合适位置，如图160所示。灯封壳位于正确位置后，如图165所示，施加陶瓷粘合材料的环608，将陶瓷垫片606固定于容器的侧壁上。陶瓷粘合剂具有糊状稠度，通常由氧化铝和与有机物组合的硅石粉末的组合制成。

通过干燥让浆料硬化，本方法的下一个步骤是在炉子中使灯泡固化，以便使浆料和陶瓷粘合剂固化。浆料的固化可以是至少500℃的温度下，可以进行15至20分钟的周期，而陶瓷粘合剂的固化可以在约50℃下，花1至2小时完成。如果采用粉末，可以使粉末加热和/或部分烧结。

现在可以明白，以上所描述的本发明的方法提供一种制造孔径灯的简易方法，它可以通过大批量生产方便地实现。另外，从该方法可知，产生的灯是相当耐用的。

再参考图160，可以看出，灯封壳602的圆锥侧壁619与容器侧壁609的内表面615邻接。配对的锥形表面提供固定接触，它便于热量从灯封壳传递到外部，保证灯在足够低的温度下工作。

参考图161，可以看出，激励线圈621的内表面622是锥形的，从而与容器侧壁的外表面617配对。环形热沉614的内表面同样是锥形。配对的锥形表面提供二者之间的固定接触，导致高的热传递。在较佳的例子中，容器侧壁的内表面和外表面二者的锥度在0.5°与2.0°之间。

再参考图160，可以看出，垫片606形成孔径607，光通过它而从灯泡出射。采用平的垫片作为孔径形成构件是本发明的改进之一，因为这一部分是标准化的，易于制造和安装。在有些灯应用中，可以采用如图所示的垫片，而在其它应用中，诸如光纤的附加的光提取构件则与垫片相关，用于根据需要控制光。

陶瓷-石英孔径结构的第二个例子

参考图166，图中示出根据本发明的孔径灯灯泡的第二个例子。在这个例子中，容器内侧壁与灯封壳之间的整个区域充有反射填充材料642。

参考图167的孔径灯，注意陶瓷垫片638比第一个例子的宽，并用陶瓷粘合剂646与热沉644接合。由过大尺寸垫片638提供的凸缘便于热传递到灯泡之外。图166和167所示的其它部件与图160和161的相应部件相似。

图168至171示出了制造图166和167所示例子的方法。参考图168，第一步骤是用粘合剂656将技术陶瓷垫片650粘合到灯封壳630的顶部平表面上，正如结合前一个例子所说明的。技术垫片650中有一圆形通道654，它引导到孔口652。

参考图169，提供一容器641，它可以是杯子形状，由反射陶瓷制成。还提供一贮器658，可以通过入口/出口661向其供水和排水。

容器641插在贮器658中，直至其侧壁与贮器中壁架664邻接。然后使水660流入贮器658中，如图所示。然后，通过孔口662向容器641填充反射的可流动的材料，如陶瓷浆料达到预定程度。水的作用是对陶瓷容器641施加压力和密封其孔。这可以阻止液体漏泄，引起浆料干掉。

然后，参考图170，从贮器658抽出水660，将灯封壳/技术垫片组合件***容器641中。这使得一部分浆料642流入到技术垫片650的通道654中。必须用浆料过分填入容器641，因为在热固化步骤中，浆料将会收缩。

在浆料干燥后，将图170所示的整个组件放在隧道式炉子664中，如图171所示，进行热固化。支承668位于炉子内部，用于支承图170所示的组件。固化后，用国外材料清洁灯泡表面。

在产生的灯泡中，硬化的浆料642形成覆盖封壳630表面的外套，但是它不是均匀地粘合于或涂覆封壳。参考图167，陶瓷热沉644(可以是氮化硼)为圆环形截面，与容器641和线圈643接合。热沉中靠近顶部附近有一圆环形通道，如图167所示，将垫片638与热沉644接合的陶瓷粘合剂646位于这个通道中。大尺寸的垫片和连接至热沉的陶瓷粘合剂促使从灯泡的热传递。

4.2.8孔径杯对准的设计特征

图150-152示出较佳的孔径杯/灯泡组件。这一组件在灯头中轴向、径向和旋转对准，如图213和215所示。根据本发明的这个方面，孔径杯设置有辅助组件对准的结构特征。

图172是根据本发明的孔径杯671的示意图。图173是沿图172中线173-173截取的截面图。孔径杯671包括几个辅助对准特征，包括凸起672、凹口673a和673b、以及平直部分674a和674b。这些特征可以单独采用或者组合采用，如图所示。

例如，可以使凸起672的尺寸与图95所示的钻孔区260配合，提供组件的旋转对准。正如图173所示，孔径杯671进一步包括边缘672a，当组件以所需轴向对准置于灯头中时它起止动器(例如与激励线圈邻接)作用。

图174是根据本发明的另一种孔径杯675的示意图。图175是沿图174中线175-175截取的截面图。孔径杯675包括环绕孔径区的升高部分676。升高部分676包括外缘677a-d，它们形成一个多边形。在图所示的例子中，多边形是非等角的六角形。升高部分676可以被自动部件组装设备抓住和对准。例如，采用匹配V形抓手(它们可以在径向相反方向上同步移动)的固定器适合于在可重复旋转方向上捕获孔径杯675。自动部件组装设备能够适合于将捕获的孔径杯在轴向和径向上定位在灯头中。面677a、677b和677c、677d的角度取向可容纳一定量的尺寸偏差，同时仍然便于准确旋转对准。

4.2.9凸缘孔径杯

图176是根据本发明的另一种较佳孔径杯678的示意图。图177是沿图176中线177-177截取的截面图。图178是孔径杯678的的透视图。孔径杯678包括从杯678端部延伸的凸缘部分679。杯678可以由陶瓷材料制成，例如完全密实的氧化铝。较佳地，凸缘杯678包括约90％氧化铝、10％硅石，具有约17％至20％的多孔性。如图所示，凸缘679是半圆形，沿其周边有一平直部分680。凸缘杯的较佳灯泡是外径6.5mm、内径5.5mm的球形灯泡，填充有0.16mgInBr和30乇Kr。

可以采用凸缘杯678在图179所示的一体化灯头。较佳地，对BN***物扩孔，与凸缘部分679匹配，提供杯的轴向、径向和旋转对准，促使热传递到灯泡之外。在凸缘杯678与环绕凸缘679外周的BN***物之间施加热油灰(例如T油灰502)。图180是另一种凸缘孔径杯的透视图，位于杯的端部的凸缘与孔径端部相反。

4.2.10启动帮助

无电极孔径灯可以由在方位角方向绕灯泡延伸的导电激励构件，如线圈或类似构件电感激励。然而，由激励线圈耦合同时足以维持放电的场可能不够局部集中以开始放电。如果填充物包括一种或多种高压惰性缓冲气体尤其如此。此外，陶瓷外套的存在可以改进穿透填充物的场。因此，有时需要一个启动帮助构件，产生足够集中以触发点燃的场。

许多不同类型的灯启动帮助配置是本领域人员所熟知的。然而，现有技术配置可能是过分复杂，特定的部件可能会阻断和/或引入可感觉的附加尺寸。例如，这种配置包括可移入或移出启动帮助位置的线圈、以及可位于长的石英外壳(附着于灯泡上)中的气体电极。

因此，本发明一个方面的目的提供一种简单、易于制造和可靠的电感耦合孔径灯用的灯启动配置。

根据本发明的一个方面，提供一无电极孔径灯，包括含有放电形成填充物的灯泡、包住除孔径外灯泡的陶瓷反射外套、将激励功率电感耦合至在方位角方向绕灯泡和陶瓷外套延伸的填充物的导电激励构件、以及嵌入在陶瓷反射外套中的用于将启动电场耦合至填充物的至少一个导电启动元件。

根据本发明的另一个方面，嵌入在陶瓷反射外套中的启动元件不与电功率源连接，但是与由元件上电压引起的启动电场耦合，这是由导电激励构件产生的电场感应的。

启动配置的例子

参考图181，图中示出本发明的第一个例子。灯泡686被非粘合的陶瓷外套687环绕。光经孔径688和光纤689出射。灯泡686内的填充物被导电激励构件690感应激励，在图示的例子中，导电激励构件是螺旋形线圈，它在方位角方向绕灯泡686延伸。线圈690与电源691连接，后者是射频(RF)上的随时间变化的电能量。

激励线圈中的交流电流产生随时间变化的磁场(H场)，它在填充物中感应出电场(E场)。其稳定状态工作期间，施加的H场和施加的E场分量二者均存在。H场分量通常要大得多。虽然开始放电的是施加的E场，由激励线圈产生的E场本身可能不够集中，以使填充物电离并启动灯。当填充物包括一种或多种高压缓冲气体(存在这些气体，以增大效率)时尤其如此。

根据本发明的一个方面，启动元件692(它可以为导线形式)嵌入在陶瓷外套中。陶瓷外套给启动元件提供合适的支承手段，以致于不需要额外元件，如辅助支承封壳。元件可以在烧结过程的早期阶段期间装在陶瓷外套中，从而使烧结后的固体绕元件而形成，将其牢固地嵌入在固体中。最好是这样安装的，即一端靠近待点燃的灯泡。

在图181至183所述的例子中，启动元件以非方位角方向设置，即它仅具有轴向和/或径向元件。这使激励线圈与启动元件之间的“串扰”减至最小，这可以减小在稳定状态期间耦合至填充物的功率。正如这里所采用的，由图182中符号q表示的术语“方位角方向”是指绕灯泡的任何圆线的方向。“轴向方向”(Z)是指垂直于由圆线环绕面积的平面的直线方向，“径向方向”(R)是指圆线的任何半径的方向。

根据本发明的另一个方面，启动元件不与单独的电功率源连接，而是耦合由元件上电压引起的启动场，这是由激励线圈产生的电场感应的。螺旋线圈在轴向方向(图181中线圈的顶到底)具有一尺寸。发明人已经认识到，虽然由线圈感应的主场为环形形状，但由于这轴向尺寸，在线圈的顶部与底部之间存在一电势差，因此在轴向上产生一电场。正是这一电场与图181例子中的启动元件耦合。由于元件具有一突然终止端(图181中导线692的末端)，它将电场集中在灯泡附近，有助于其中气体的电离和灯的点燃。

图182至184是本发明另一个例子的截面图，这几幅图中未示出线圈。在图182和183中，不是采用单个导线，而是采用多个启动导线。在图182中，启动导线693a和693b位于轴向方向上。在图183中，导线694a、694b、694c和694d位于轴向方向上。导线的数目和位置可以实验确定，给特定的灯提供最佳启动配置。

除了具有轴向上的电场外，激励线圈还可以具有径向(R)上的电场，尽管通常这没有轴向电场那么大。在图184中，示出位于径向上启动导线695a和695b。当然，位于轴向和径向的启动元件可以具有方向分量，尽管为了利用螺旋线圈在轴向上的相对较大电场，启动元件主要具有轴向上的方向分量是较佳的。

图181至184中陶瓷外套687的形状通常是长的圆柱。外套相对较厚，这允许适当***和保持启动线圈而不会折断。外套的厚度最好在0.25-2mm范围内。在以上讨论的孔径结构(包括4.2.2、4.2.7和4.2.9节)中，这里所揭示的启动元件在陶瓷硬化前位于陶瓷中。

虽然图181所示的导电激励构件690是螺旋缠绕线圈，其它结构也是可以的。例如，图185示出一个导电激励构件696，除一个间隙外，它为戒指形状。图186示出根据本发明的启动帮助配置的另一个例子，它供戒指或类似形状激励构件使用，如图185所示。在这种情况中，与图181至184的例子不同，启动元件最好位于方位角方向中。参考图186，可以看出，方位上弯曲的启动导线698a和698b嵌入在反射陶瓷外套697中并位于方位方向。戒指构件696的间隙是高电场区，启动导线698a和698b位于陶瓷697中，与戒指结构中间隙相对。

更具体地说，启动元件位于与戒指结构的顶部或底部相同的高度上是有利的，元件的里端延伸到陶瓷中与间隙直接相对的区域中一点点，如图186所示。启动元件可以具有与戒指结构相同的方位曲率，从而相一致。

戒指结构的间隙中高场将包括两个启动导线之间“间隙”中高电场，因此便于灯的点燃。

本发明可以应用于具有各种特定填充物的灯，非穷举的例子包括基于硫、硒和碲的填充物，如美国专利5404076和5661365所描述的，或各种金属卤化物填充物。如果需要启动特定的灯，启动元件可以与单独的交流源或更高频率功率连接。

因此已经描述了一种启动帮助配置，它特别适合用于具有陶瓷外套的电感耦合无电极孔径灯。本发明具有许多优点，并提供一种简单又有效的启动手段。

4.3大功率振荡器

微波固态振荡器在各种书籍中作了描述，包括I.Bahi和P.Bhartia写的“微波固态电路设计”(Wiley-Interscience Publication,1988，第3和9章)以及George D.Vendelin、Anthony M.Pavio和Ulrich L.Rohde写的“利用线性和非线性技术的微波电路设计”(Wiley-Interscience Publication,1990，第6章)。有关这种振荡器的文章包括K.Kurokawa写的“微波固态振荡器电路”(Microwave Devices,Wiley,1976)和J.L.Martin和F.J.Gonzales写的“准确的线性振荡器分析和设计”(Microwave Journal,1996年6月pp.22-37)。

利用固态元件和微波带状传输线的微波振荡器在美国专利Re32527、4736454和5339047中作了描述。具有各种反馈结构的固态微波振荡器在美国专利4775845、4906946、4949053和5483206中作了描述。

传统的固态微波振荡器产生相对较低的功率输出，例如在几百毫瓦(mW)最高至几瓦(W)的范围。此外，传统的固态微波振荡器是相对低效的，通常小于40％。

对于需要高频信号的更高功率应用，通常将振荡器信号提供给放大器，以增大输出功率。例如，图187是提供大功率、高频信号的传统***的示意图。振荡器702将低功率、高频信号提供给放大器704，后者增大功率电平，输出大功率、高频信号。

射频(FR)供电无电极光源是可以利用大功率、高频信号源的应用的一个例子。例如，美国专利4070603揭示一种由固态微波电源供电的无电极光源。这里所描述的微波电源具有图187所示的一般结构。即，相对较低功率的振荡器的输出提供给功率放大器，以声称50％直流(DC)至射频效率提供40W、915MHz信号。

根据本发明的新颖大功率振荡器的概要

可用若干个参数表征高频高度有用的功率源的特征。这些参数包括功率输出、振荡频率、直流至射频效率、可靠性、平均无故障间隔时间(MTBF)、经济性、耐用能力(工作寿命)和其它。例如，高效率、长工作寿命、大功率输出的电源，尤其是具有长MTBF的电源，代表工作特性的高度理想组合。大功率，正如这里采用的，定义为大于约10瓦(W)。固态微波电源具有比例如磁控管提供长得多工作寿命的潜力。然而，部分地由于相对较低的功率输出和/或相对较低的效率，传统的固态微波电源只在有限的商业应用中，通常在低功率应用中得到应用。

本发明提供高频振荡器***中一个或多个以下有利的工作特性：

-有源元件的电压保护

-高效率

-高输出功率

-低的振荡频率漂移

-低的谐波电平

-宽的负载失配容限

-来自直流漏极电压的输出功率的线性依赖性

-输出功率的脉宽调制

-单个有源元件(较低成本，较高可靠性)

-高耐用性，长工作寿命

-小的物理尺寸

-轻的重量

电压保护

用传统电路实现大功率、高频振荡器的一个障碍在于，可以反馈的电压的高电平超过装置的击穿极限，由此引起装置失误。本发明可克服这一问题。

根据本发明的一个方面，大功率振荡器包括具有为开始并维持振荡条件而配置的正反馈回路的放大器。反馈回路包括阻抗变换电路，它将放大器输出的高反射电压变换为放大器输入的正比较低电压，以保护放大器免于在其输入上出现过压条件。输入端上的电压限制为小于放大器输入的击穿电压。

根据本发明，反馈电路微波带状传输线和残端限制提供给反馈电路的输出方的最大反射电压为放大器输出端上电压两倍的最大值。采用如此限制为固定最大值的反馈电路输出方的电压，然后配置反馈电路，将反馈给放大器输入方的电压降低为输出电压的一定百分比，这在放大器的安全工作极限之内。例如，可以采用集总电容器电路元件与输出相耦合，降低提供给反馈电路的电压。正如这里所采用的，“集总”元件是指分立的电子元件。

负载容限

在有些应用中，受振荡器驱动的负载在操作期间是很不同的。例如，无电极灯在灯泡不放电时呈现高阻抗负载，而在灯点亮时呈现低阻抗负载。因此，在灯点燃期间，或者如果灯熄灭，负载急剧地变化。这些负载变化引起高压反射，如果反馈给放大器输入，它们可能是毁灭性的。包括反馈电路中集总元件的传统振荡器电路通常包括集总电感元件，它们具有高的品质因素(Q)，因此对来自这种电压反射的反馈毁灭性高压是很敏感的。

根据本发明，振荡器电路在从开路到短路的所有相位角和所有幅度下工作，没有毁坏放大器元件。较佳地，反馈电路仅包括传输线和非电感集总元件。

根据本发明的另一方面，反馈电路包括两个反馈环路中的阻抗变换电路，在每个回路中具有降低的反馈电压。例如，采用两个较小的集总电容器元件(每个回路一个)来降低输出与输入之间的耦合，由此降低每个回路中的电压。由于改善了电压保护，这改善了负载容限。较佳地，两个反馈回路是对称的，从而提供给每个反馈回路的电压是相同的。对称双反馈回路还可改善效率。

根据本发明另一个方面，将微波带状传输线的四路结点(例如微波交叉)连接至放大器输出，提供电流分布，使放大器输出处的电感减至最小。

负载灵敏度

根据本发明的另一个方面，振荡器包括与放大器输出连接的输出阻抗匹配电路，反馈电路与输出阻抗匹配电路的高阻抗端耦合，以降低对负载阻抗的灵敏度。

电路尺寸

根据本发明的另一个方面，在反馈电路中采用集总电容器元件通过增大对反馈电路的相位漂移来减小电路尺寸，没有长的传输线。通过选择合适的电介质材料以减小传输线的物理长度和/或宽度同时维持适当的电学长度，可进一步减小电路尺寸。

脉宽调制

以下描述的振荡器的例子可以由施加于有源元件的栅极的栅控脉冲而配置，在一部分循环周期中关闭振荡器，由此降低提供给负载的输出功率。这种形式的脉宽调制允许灯从全亮度降为全亮度的约30％。

因此，本发明提供的电源适合于许多商业实际应用，包括诸如无电极照明的大功率应用。当然，根据具体应用，可能不需要上述特征中的一个或多个。上述特征可以单独实现和组合实现，不希望将本发明理解为需要两个或多个特征，除非所附权利要求书表示需要。

以下将针对七个特定电路的例子描述本发明。第一至第七个例子中每一个的示例部件编号如下：

例子	Q1	C1	C2	C3	C4	C5	C6	C7	C8	C9	C10	L1	R1	R2	R3	R4	D1
																		第一	1	9	4	7	8	4	12	14	-	-	-	15	16	20	20	16	23
第二	1	5	5	8	8	5	13	9	-	-	-	15	22	18	-	-	-
																		第三	1	4	6	4	8	4	8	10	14	13	9	15	16	17	21	-	24
第四	1	4	4	8	8	10	13	14	9	-	-	15	16	17	21	-	24
																		第五	2	5	5	8	8	10	11	14	9	-	-	15	16	17	21	-	24
第六	1	5	5	8	8	10	11	14	9	-	-	15	16	17	21	-	24

第七

3

5

5

8

8

5

10

11

14

9

-

15

22

19

19

17

25

表6

这里

1-Motorola_MRF1842-Erison_E10044-E95843-Motorola_MRF184S4-0.7至2.6pF表面安装可变电容器5-0.6至2.5pF表面安装可变电容器6-1.5至9pF表面安装可变电容器7-2.5至8pF表面安装可变电容器8-22pF表面安装电容器9-130 pF表面安装电容器10-470 pF表面安装电容器11-100 nF表面安装电容器12-130 nF表面安装电容器13-150 nF表面安装电容器

14-4.7μF表面安装电容器15-0.4μH绕线电感器16-0至5.1K欧姆表面安装可变电阻器17-2.1K欧姆表面安装电阻器18-2.2K欧姆表面安装电阻器19-5K欧姆表面安装电阻器20-10K欧姆引线电阻器21-15K欧姆表面安装电阻器22-100K欧姆表面安装电阻器23-变容二极管24-齐纳二极管25-表面安装齐纳二极管

                      表7

第一至第七个例子中每一个的示例性能特征如下：

	30W			40W			50W			60W			70W
																	V	％	f	V	％	f	V	％	f	V	％	f	V	％	f
1	21.4	60	864.0	23.2	62	866.0	25.1	63	867.0	27.2	61	868.0	-	-	-
																2	14.0	71	749.5	16.0	71	750.4	18.0	71	751.0	19.9	69	751.4	21.9	67	751.6
3	18.0	67	879.7	20.7	67	880.6	23.2	66	881.1	25.6	65	881.6	-	-	-
																4	-	-	-	17.2	70	763.4	19.2	71	764.7	21.2	71	765.8	23.2	71	765.9
5	16.7	70	771.5	19.6	68	773.0	22.6	65	774.0	26.2	62	775.0	-	-	-
																6	17.8	67	746.4	20.2	68	748.9	22.8	68	750.0	25.0	68	751.0	27.0	68	752.0
7	13.9	73	748.5	16.0	74	749.5	17.9	74	750.3	19.8	73	750.7	21.5	72	751.0

                               表8这里，第一列对应于例子编号以及

V-DC电压

％-DC至RF效率

f-振荡频率(MHz)

大功率振荡器的例子

图188是根据本发明的产生大功率、高频信号的振荡器***的方框图。电源电路(未示出)提供直流电压给振荡器707和偏置电路703。偏置电路703提供合适的直流电压给振荡器707，以偏置振荡器707的有源元件。例如，偏置电路703给有源元件提供足够的偏置，在其线性区内开始工作，具有足够的增益以支持振荡。振荡器707在设计频率下振荡，频率由调谐电路705调谐。振荡器707提供大功率、高频信号给输出阻抗匹配电路709，它可以与一合适的负载连接。

单个阻抗变换网络反馈电路

图189是根据本发明的利用反馈电路中阻抗变换网络的振荡器707的方框图。根据本发明，放大器711的输出通过阻抗变换网络713反馈给放大器711的输入。

阻抗变换网络713配置成提供合适的正反馈，以启动并维持振荡条件。根据本发明，阻抗变换网络713进一步配置成在大输出功率工作期间保护放大器输入免于出现过压条件，否则将毁坏装置。例如，电压保护是通过受控电压反射防止在输出处电压升高以及将放大器711输出端的高压变换为放大器711输入端的低压而实现的，后者保证不超过放大器的最大电压击穿额定值。

根据本发明，阻抗变换网络713较佳地进一步配置成在放大器输入阻抗与反馈电路之间创建匹配条件，以改善效率。放大器711较佳地被偏置在截止频率附近，从而使电路有效地工作。

图190是根据本发明的装入图189的振荡器的振荡器***的方框图。在图190中，阻抗变换网络713与漏极不直接耦合，而是与输出阻抗匹配网络709耦合。较佳地，在连接点与漏极输出之间存在相对较高的阻抗(例如大于约100欧姆的电抗)。通过在高阻抗点上耦合至输出阻抗匹配电路709，反馈回路对漏极输出的影响很小，振荡器***对负载阻抗不敏感。

大功率振荡器的第一个例子

图191是根据本发明的振荡器***的电路图。晶体管Q1具有接地的源极端S。来自漏极端D的输出连接至输出阻抗匹配电路，包括传输线TL1(具有特征阻抗Z1)，一端连接至漏极D，另一端不连接；输线TL2(具有特征阻抗Z2)，一端连接至漏极D，另一端连接至反馈电路；以及输线TL3(具有特征阻抗Z3)，一端连接至TL1和TL2的结点，另一端与电容器C1的第一引线连接，C1的另一引线提供输出，它可以与负载连接。

反馈电路连接在传输线TL2的一端与栅极端G处的晶体管Q1的输入之间，包括串联连接的电容器C2、传输线TL4(具有特征阻抗Z4)、电容器C3、传输线TL5(具有特征阻抗Z5)、电容器C4和传输线TL6(具有特征阻抗Z6)。

直流电压Vdc通过射频滤波器电路、调谐电路和晶体管Q1的偏置电路将功率提供给振荡器***。射频滤波器电路包括电感L1和滤波器电容C6，将直流工作电压提供给晶体管Q1的漏极D。

调谐电路包括可变电阻R1，它是一个三端器件，这里第一和第二端被分别连接至可变分压器的相对两端，第三端连接在分压器的结点处。在图191中，第一端连接至Vdc，第二端接地，第三端连接至电阻R2的一端。电阻R2的另一端连接至变容二极管D1的阴极端与电容C5的结点。二极管D1的另一端接地。电容C5的另一端连接至传输线TL5。电阻R1和R2、变容二极管D1和电容C5提供振荡器***的调谐功能。

偏置电路包括可变电阻R3，其第一端连接至Vdc，第二端接地。R3的第三端连接至电阻R4的一端，电阻R4的另一端连接至传输线TL6。偏置电路提供直流偏压给晶体管Q1的栅极G。

图192是适合于供实施第一个例子电路用的印刷电路板。整个电路板的尺寸约为102mm(4英寸)×76mm(3英寸)。电介质材料的厚度约为1.27mm(0.05英寸)，介电常数约为9.2。图193是沿图192中线193-193截取的印刷电路板的截面图。正如从图193看到的，印刷电路板715包括导电轨迹层725、电介质层727、和接地平面层729。较佳地，印刷电路板715进一步被安装在金属板731上，后者与接地平面层729电连接。在第一个例子中，印刷电路板715进一步包括割掉部分721，其尺寸大小可容纳振荡器电路的有源元件。

印刷电路板715具有设置在其上的导电轨迹TL1-TL6，它们是分别对应于各种特征阻抗Z1-Z6的传输线。在顶层725上还设置接地区717，通过电镀通孔或其它传统方法与接地平面729电连接。导电区719与接地区717隔离，提供直流电压Vdc的连接区。另一个导电区723提供调谐电路的连接区。每个传输线的近似的特征阻抗和电学长度如下：

传输线	特征阻抗	电学长度
			TL1TL2TL3TL4TL5TL6	Z1=25欧姆Z2=25欧姆Z3=50欧姆Z4=40欧姆Z5=40至25欧姆Z6=25欧姆	0.154λg0.154λg不可应用0.115λg0.23λg0.016λg

                       表9

*TL5传输线从40欧姆到25欧姆使TL4的40欧姆与TL6的25欧姆匹配。

图194是用实施第一个例子的振荡器***的合适电子器件和其它部件填入图192的印刷电路板的组装图。图194中的参考指示对应于图191中相似的电路元件。Q1较佳地是功率场效应晶体管(FET)，例如，用横向扩散MOS(LDMOS)技术制备的金属-氧化物-半导体MOS场效应晶体管(MOSFET)。正如图194所表示的，Q1的源极端提供安装孔，通过它将安装Q1的螺丝或螺栓***到金属板731，使Q1的源极端与地电连接。晶体管Q1的源极端S较佳地也焊接于金属板731，从而使Q1很好地接地(即射频电流在波结构的宽区域上流过)。金属板731还提供Q1的热沉，称为热扩散器。Q1的栅极G和漏极D以及其余电子元件通过焊接或其它传统手段机械和电学固定于印刷电路板715。

电路的一般操作如下。直流电压Vdc提供给电路。电压Vdc通过射频滤波器电路提供给晶体管Q1的漏极D。漏极电压可以在约20V至28V之间变化。电压Vdc通过分压器电路还提供给晶体管Q1的栅极G，分压器电路被配置成，在开始使晶体管Q1恰好在其线性区内的工作点上的截止区附近，将栅极偏置电压提供给晶体管。例如，对于以上规定的Motorola_MRF184，栅极电压设定为4V。电压Vdc通过分压器电路还提供给变容二极管D1。改变提供给D1的电压调谐振荡频率。

一旦电压Vdc提供给电路，晶体管Q1导通。一定量的随机噪声是电路中固有的。出现在漏极D上的噪声通过反馈回路而反馈并放大。这一过程启动振荡。一旦被启动，振荡变为维持在射频频率上。为了维持在设计频率上的振荡，反馈回路和晶体管Q1中的延时(即相位漂移)应当约等于1/(2×f_osc)，这里f_osc是设计频率。

传输线TL1和TL2是这样配置的残端，即漏极D与TL1、TL2残端结点之间传输线的长度以及残端TL1、TL2的长度导致漏极阻抗与传输线TL3(例如特征阻抗Z3约为50欧姆)阻抗的阻抗匹配。TL1的传输线安排的特征在于，在TL1上的任何点处看到的最大反射电压最大是从共轭匹配源提供给TL1的电压的两倍。因此，在残端TL1的开路(高阻抗)端(即TL1远漏极的端)上的电压限制为最大是放大器输出处的电压(即漏极射频电压)的两倍。这一电压通过反馈电路逐步减小，以致于在有源器件(即栅极)的输入端上的电压明显小于漏极上电压的两倍。然而，反馈给栅极G的射频电压是足够高的，在晶体管Q1中产生大电流。

此外，为了实现在所有负载条件下的所需电压保护，反馈电路是这样配置的，即使栅极电压瞬时翻倍(例如，由于TL1处的电压翻倍)，翻倍了的栅极电压也在器件的安全工作极限内。例如，对于以上规定的Motorola_MRF184，栅极-源极击穿电压约为20V。工作期间，电路被配置成以约8V加4V直流偏压的栅极电压工作，总的栅极-源极电压约为12V。如果工作电压瞬时翻倍，栅极电压则是约16V加4V直流偏压，总电压为20V，在器件的安全工作极限范围内。

双阻抗变换网络反馈电路

通过根据本发明的利用两个反馈电路的振荡器可实现输出功率、效率和工作寿命的进一步提高。图195是根据本发明的在各个反馈电路中利用双阻抗变换网络的振荡器的方框图。根据本发明，放大器733的输出通过第一阻抗变换网络735和第二阻抗变换网络737反馈给放大器733的输入。

图196是根据本发明的装有图195振荡器的振荡器***的方框图。在图196中，阻抗变换网络735和737不与漏极直接耦合，而是与输出阻抗匹配电路709耦合，以提高负载阻抗灵敏度，正如以上针对图190所讨论的。

根据本发明，双阻抗变换网络735、737配置成为启动并维持振荡条件而提供合适的正反馈。正如在第一个例子中一样，双阻抗变换网络进一步配置成在大输出功率工作期间保护放大器输入免于过压条件，否则将毁坏器件。双阻抗变换反馈网络与单个反馈电路相比有利地提供更高的正反馈给放大器输入，同时改善电压保护和提高效率。通过利用双反馈回路，给栅极的反馈电流保持较高，而每条反馈线中的反馈电压被平分。由于器件的毁坏在很大程度上是由过压条件引起的，所以极大地改善电压保护。在以下的一些例子中，可以实现完全电压摆动和/或C类操作。

大功率振荡器的第二个例子

图197是根据本发明的振荡器***的第二个例子的电路图。晶体管Q1具有接地的源极端S。晶体管Q1的输出从漏极端D取出并与输出阻抗匹配电路连接，后者包括传输线TL0(具有特征阻抗Z0)，一端连接至漏极D，另一端连接在两个传输线TL1和TL2(分别具有特征阻抗Z1和Z2)之间。TL1的另一端连接至第一反馈电路。TL2的另一端连接至第二反馈电路。输出阻抗匹配电路进一步包括传输线TL10(具有特征阻抗Z10)，其一端连接至TL0、TL1和TL2的结点，另一端连接至传输线TL11(具有特征阻抗Z11)的一端。TL11的另一端连接至传输线TL12、TL13和TL14(分别具有特征阻抗Z12、Z13和Z14)的结点。TL12和TL13是匹配残端，它们各自的另一端是不连接的。传输线TL14的另一端与电容C7串联连接。电容C7的输出可以提供给负载。

第一反馈电路连接在残端TL1(它远离漏极D)的端部与晶体管Q1在栅极端G的输入之间。第一反馈电路包括串联的电容C1、传输线TL3、电容C3和传输线TL5。第二反馈电路连接在残端TL2(它远离漏极D)的端部与栅极G之间，包括串联连接的电容C2、传输线TL4、电容C4和传输线TL6。

直流电压Vdss通过射频滤波器电路提供工作电压给晶体管Q1的漏极D，射频滤波器包括电感L1和电容C6。在图197中，电感L1的一端连接至Vdss，电感L1的另一端连接在C1和TL1的结点。电容C6的一端连接至Vdss，电容C6的另一端接地。

直流电压Vgs通过偏置电路提供偏置电压给晶体管Q1的栅极G，偏置电路包括电阻R1和R2。在图197中，电阻R1的一端连接至Vgs，电阻R1的另一端与传输线TL7串联连接，后者连接至栅极G。电阻R2的一端连接至Vgs，电阻R2的另一端接地。

图197所示的振荡器***进一步包括调谐电路，它包括传输线TL8(具有特征阻抗Z8)，其一端不连接，另一端与传输线TL9(具有特征阻抗Z9)和微调电容C5(它被射频接地)串联连接。传输线TL8和传输线TL9的结点连接至电阻R1和传输线TL7的结点。

图198是适合于供实现第二个例子的电路使用的印刷电路板布图。电路板的尺寸约为102mm(4英寸)×64mm(2.5英寸)。电介质材料的厚度约为1.27mm(0.05英寸)，介电常数约为9.2。印刷电路板具有设置在其上的导电轨迹TL0-TL14，它们是传输线，分别对应于各种特征阻抗Z0-Z14。每个传输线的大致特征阻抗和电学长度如下：

传输线	特征阻抗	电学长度
			TL0TL1TL2TL3TL4TL5TL6TL7TL8TL9TL10TL11TL12TL13TL14	Z0=10欧姆Z1=10欧姆Z2=10欧姆Z3=2×Z1Z4=2×Z1Z5=15｜Zin｜Z6=15｜Zin｜Z7=22欧姆Z8=28欧姆Z9=28欧姆Z10=10欧姆Z11=50欧姆Z12=50欧姆Z13=50欧姆Z14=50欧姆	***λg/8λg/80.075_0.075λg0.045λg0.12λg0.12λg≥0.07λg******不可应用

                                  表10这里

*TL0、TL1和TL2的各自电学长度是由Smith图算出的，晶体管的输出阻抗Zout与10欧姆阻抗匹配；

**TL11、TL12和TL13的各自电学长度是由Smith图算出的，50欧姆阻抗与10欧姆阻抗匹配；

λg是振荡频率的波长；

Zin是栅极G的输入阻抗；

Zout是漏极D的输出阻抗。

对于良好的射频接地实践，接地区741也设置在印刷电路板的上侧，通过电镀通孔或其它传统方法电连接至印刷电路板另一侧上的接地平面。导电区743与接地区741隔离，提供直流电压Vdds的连接区。另一个导电区745提供直流电压Vgs的连接区。

附着于漏极D的传输线TL0的短长度补偿漏极的电容。短截线TL1和TL2被配置成与漏极D的输出阻抗匹配。C1和C2用作微调电容器，改变反馈水平，使输出功率和效率达到最佳。较佳地，C1和C2各具有相对较高的阻抗，XC1=XC2，在150与250欧姆之间。C1和C2的相对较高阻抗限制传递给反馈电路并在短截线TL1和TL2的远离漏极的端上创建基本上开路电路条件的射频电压。如上讨论的，在这一条件下，在短截线TL1和TL2的远离漏极的端上的射频电压被限制为不大于漏极射频电压的两倍。双反馈配置增大了反馈电路的正反馈(例如β)，观察到振荡器的增大的效率。

正如这里采用的，“残端”指从传输线上的分支，通常形成与传输线的“T”结点。微波传输线“残端”通过残端的传输线长度通过对在残端端部上看到的阻抗的变换在导波结构的分支点上产生导抗效应。选择残端的长度，具有在分支点上产生所需导抗的特定特征阻抗。

在图197-199所示的电路中，通过提供低特征阻抗的传输线TL5(Z5)和TL6(Z6)，将反馈阻抗变换为栅极阻抗的复共轭，可改善高压对晶体管Q1的损伤。TL5和TL6是通过在栅极G上产生额外分流电容效应以及通过降低栅极G上出现的峰值电压防止在反馈电路上高压瞬变的线。

传输线TL3和TL4分别提供来自C1和C2的信号的反馈线。电容C3和C4提供反馈线TL3和TL4与保护残端TL5和TL6之间的耦合。C3和C4的阻抗设置成X_C3=X_C4，在振荡频率λg下在8与10欧姆之间。

传输线TL7和调谐残端TL8和TL9降低栅极G的输入阻抗并提供从反馈信号上电压瞬变对栅极G的附加保护。调谐残端TL8可以作微调(例如切去)，以调节输入阻抗。较佳地，线TL7和TL8的长度的和与线TL7和TL9的长度的和各自等于振荡频率的第三谐波的二分之一波长(即L_TL7+L_TL8=L_TL7+L_TL9=λg/6)。维持这一长度关系可增大栅极电压的第三谐波信号以及增大效率。

电容C5是可以调节的可变电容器，以调谐振荡频率。振荡频率可以由以下方程式确定： $2\mathrm{\π}(\frac{L_1}{{\mathrm{\λ}}_{g1}}+\frac{L_3}{{\mathrm{\λ}}_{g3}}+\frac{L_5}{{\mathrm{\λ}}_{g5}})+\arctan \left(\frac{{\mathrm{\ωC}}_{\mathrm{in}}{Z}_5}{2}\right)+\mathrm{\φQ}1-\arctan \left(\frac{1}{{\mathrm{\ωC}}_1(Z_1+Z_3)}\right)-\arctan \left(\frac{1}{{\mathrm{\ωC}}_3(Z_3+Z_5)}\right)=\mathrm{\π}$ (方程式5)

L₁是传输线TL1的长度；

L₃是传输线TL3的长度；

L₅是传输线TL5的长度；

λ_gi是在传输线TLi的振荡频率下的适当波长；

ω是振荡频率；

Z₁是传输线TL1的特征阻抗；

Z₃是传输线TL3的特征阻抗；

Z₅是传输线TL5的特征阻抗；

φ_Q1是晶体管Q1内的延迟相位角度；

C_in是晶体管栅极电容、传输线TL7、TL8和TL9的电容以及电容器C5引起的电容。

图199是用实现第二个例子的振荡器***的合适电子器件和其它部件***的图198印刷电路板的组装示意图。晶体管Q1安装在金属板上，后者与地电连接，正如以上针对第一个例子所描述的。晶体管的其它端和电子元件通过焊接或其它传统手段与微波带状线和/或印刷电路板机械和电气连接。在印刷电路板上设置一同轴电缆连接器747，其中心导体连接至电容器C7的输出，其外侧导体连接至地。C7称为“阻断”电容器，因为它的作用是阻断来自直流偏置的输出。

电路的一般操作与以上针对第一个例子所描述的相同。可以从14V至28V调节漏极电压，栅极偏置电压约为4伏。第二个例子的实际工作范围为在680MHz至915HMz的频率范围上输出功率为10W至100W。在频率范围的低频端通常可获得更高的效率。本领域的专业技术人员将会明白，所获得的输出功率的大小受有源元件的最大工作特性限制，根据本发明的利用具有相应较高工作特性的有源元件的振荡器***可以提供更高的输出功率。此外，本领域的专业技术人员将会明白，通过适当缩放印刷电路板和其上的传输线的大小以及适当地选择分立元件的值可以调节有效频率范围和振荡频率。

图200是晶体管的Ⅰ-Ⅴ特性曲线和晶体管漏极的输出信号的组合图。正如图200所示，漏极上的信号706从随机噪声开始并以越来越大的幅度振荡直至晶体管Q1变为饱和为止。然后，电路在满足以下条件的频率下振荡：

        β×A≥1    方程式(6)和

        ∑_φi=2π    方程式(7)式中

β是反馈传递系数；

A是放大器元件在线性工作模式下的放大系数；

φ是反馈回路中每个元件的相位漂移。

图201是第二个例子中振荡器***的输出功率和效率与直流漏极电压的函数关系的组合图。正如从图201看出的，输出功率随直流漏极电压线性增大，从约14V Vdss时的30W增大到22V Vdss时的70W。在直流漏极电压的整个范围上，振荡器***的DC-RF效率超过67％，峰值在15 V Vdss处效率为71％。

图202是振荡频率与输出功率的函数关系图。正如从图202看出的，振荡频率随输出功率从约30W增大到70W仅略有增大(例如增大约0.27％)。频率的改变是在不同直流电压下漏极电容对不同输出功率的改变的结果。

图203是在约50W下工作的漏极电压约为18V的振荡器***的振荡频率与时间的关系曲线。正如从图203看出的，振荡器***在约100小时的相对恒温条件下工作振荡频率呈现低的漂移。

因此，本发明的第二个例子提供工作特性的高度理想的组合。即，高效率、高输出功率的振荡器***具有低的振荡频率漂移。第二个例子还呈现输出功率对直流漏极电压的线性依赖关系。本发明的这些以及其它的特征可以有利地在仅有单个有源元件的振荡器***中实现，这与现有技术的大功率射频发生器***相比提供更低的成本和更高的可靠性，后者为了实现高的输出功率需要低功率振荡器和外部放大器二者(即至少两个有源元件)。根据本发明的振荡器***还有利地提供小的物理尺寸和轻的重量，因此***适合于许多实际应用。

大功率振荡器的第三个例子

图204是放置了实现本发明振荡器***的第三个例子的合适电子器件和其它部件的印刷电路板的组装示意图。第三个例子与第二个例子的不同之处在于在其中第三个例子中的双反馈电路是非对称的。

第三个例子的印刷电路板的尺寸约为102mm(4英寸)×64mm(2.5英寸)。电介质材料的厚度约为1.25mm(50密耳)，介电常数约为9.2。

第三个例子的振荡器***在约790至920MHz的频率范围内工作，输出功率范围为约30W至70W(对应于18V至28V的直流漏极电压范围)。电路的DC-RF效率约在56％至68％之间，频率稳定性为+/-0.5MHz。

大功率振荡器的第四个例子

图205是放置了实现本发明振荡器***的第四个例子的合适电子器件和其它部件的印刷电路板的组装示意图。第四个例子中的双反馈电路基本上是对称的。第四个例子与第二个例子的不同之处在于，第四个例子采用了通过射频滤波器电路(L1、C8、C9)连接至漏极和通过偏置电路(R1、R2、R3、D1)连接至栅极的单个直流电源。与第二个例子相比，第四个例子显示更好的负载匹配和更高的效率。

印刷电路板的尺寸约为102mm(4英寸)×64mm(2.5英寸)。电介质材料的厚度约为1.25mm(50密耳)，介电常数约为9.2。

大功率振荡器的第五个例子

图206是放置了实现本发明振荡器***的第五个例子的合适电子器件和其它部件的印刷电路板的组装示意图。第五个例子中的双反馈电路基本上是对称的。第五个例子是第四个例子的改型，改进为对不同功率晶体管的阻抗特性的匹配。

印刷电路板的尺寸约为102mm(4英寸)×64mm(2.5英寸)。电介质材料的厚度约为1.25mm(50密耳)，介电常数约为9.2。

大功率振荡器的第六个例子

图207是放置了实现本发明振荡器***的第六个例子的合适电子器件和其它部件的印刷电路板的组装示意图。第六个例子中的双反馈电路基本上是对称的。第六个例子是对第四个例子的改型，对不同的介电常数和印刷电路板厚度作了改变。用带角度的拐角改造输出阻抗匹配电路，以提供具有基本相同尺寸的印刷电路板的合适电学长度。

印刷电路板的尺寸约为102mm(4英寸)×64mm(2.5英寸)。电介质材料(RF-4)的厚度约为0.8mm(31密耳)，介电常数约为4。

大功率振荡器的第七个例子

图208是适合于供实现本发明振荡器***的第七个例子使用的印刷电路板布图。图209是放置了实现本发明振荡器***的第七个例子的合适电子器件(包括表面安装型Molorola_晶体管)和其它部件的图208所示印刷电路板的组装示意图。正如图209所示，晶体管Q1是漏极调节的。第七个例子的双反馈电路基本上是对称的。第七个例子是第六个例子针对不同电介质材料和缩小的印刷电路板尺寸作改进的改型。与以上的例子相比，第七个例子提供最高的效率的最小的物理尺寸。

印刷电路板的尺寸约为64mm(2.5英寸)×38mm(1.5英寸)。电介质材料的厚度约为0.6mm(25密耳)，介电常数约为10.2。

虽然相对于特定的例子描述了本发明，但是本发明并不局限于此。基于附图，详细描述以及这里所教导的，本领域的专业技术人员将会产生许多其它例子。例如，本领域一名专业技术人员将会理解，可以利用其它电路和结构提供这里所述各个例子的调谐和偏置电压。此外，这些例子包括在生产中用固定值的元件代替可变的电阻器和/或电容器。因此，以上的例子仅仅作为说明性的，本发明的范围和精神由所附权利要求书限定。

4.4灯和振荡器

通常，本发明的这个方面是指由4.3节中所述的射频功率振荡器供电的4.1.8节中所述的一体化灯头以及各种改进和/或变化。

根据本发明的灯代表照明技术的真正革命。正象真空管被晶体管替代一样，首先是在较少的应用中，然后是在所有的应用中，固态无电极灯将进入照明技术的各个方面。射频源的核心是已经给我们晶体管和计算机的相同硅技术。通过利用无电极灯泡与固态技术的新颖组合，产生的灯是可靠的、长寿命的、以及在大批量生产时是高度经济有效的。虽然本发明的灯较佳地采用4.3节中所描述的大功率振荡器，但是，另一方面可以采用其它电路拓扑术来产生所需的射频能量。灯已经成功地与采用低瓦数振荡器跟随一级或多级放大的常用电路一起工作。与大多数射频应用不同，线性度不是极为重要的，可以采用任何类型的放大器，包括E类和F类。

如上所述，射频源较佳地采用商售的硅射频晶体管，它可以满足一定的成本和性能目标。晶体管技术的其它的合适选择包括锗、碳化钾硅，但是不局限于这些。推动计算机从箱体到板块最后到单片集成电路的力同样也推动本发明的灯。本发明的灯企图产生将电源、功率射频振荡器、耦合电路和灯泡集成为单个器件的产品结构。对于特定的应用，集成可以延伸到灯以外。例如，可以将光学调制器与灯器件相集成，提供一个显示机。

根据本发明的另一个方面，灯头直接安装在与射频振荡器电路相同的印刷电路板上。在一些例子中，印刷电路板与金属板(也称为扩展板)机械和电连接，在印刷电路板的灯头区下有一个开口，以便让印刷电路板响应于热作用力而弯曲。

根据本发明的另一个方面，提供一控制电路，在多个不同的频率下使灯的工作特性与振荡器的工作频率相匹配。

E类放大器

E类射频源具有效率大于80％的潜力，一直是最高约为13MHz频率下很大开发工作的主题。利用GaAs MESFET晶体管在最高约为5GHz的频率下已经进行一些开发工作。

重要的是，可以利用范围极宽的射频频率范围给本发明的灯供电。已经实验演示了从几KHz到几GHz甚至以上的操作。此外，本发明的灯可以在宽的灯功率范围上工作。对施加于灯的功率量的唯一重要实际限制是经济有效的射频能量源的提供能力以及保持灯泡温度在合适的工作窗口内的一些考虑依据。

灯和振荡器***的例子

图210是根据本发明的高亮度灯的第一个例子的分解透视图。灯头820安装在振荡器板822上。合适的电介质材料824定位在灯头802的高压板与振荡器板822的垫片之间。振荡器板822与金属板826(以下称为扩展板826)机械和电连接。灯头820的接地板与振荡器板822上的接地垫片机械和电连接。灯头820的周边部分也与扩展板826机械和电连接。灯头820和振荡器板822被第一热沉828和第二热沉830密封。功率从绝缘销832和接地销834提供给振荡器板822。

灯头820按照4.1.8.1节中针对图89-94的详细描述构造。正如图210所示，灯头820省略了任选的凸缘。振荡器板822按照4.3节中针对图208-209的详细描述构造，不同的是增加了连接灯头820的接地垫片和功率馈电垫片。

图211是第一个例子的分解示意图，说明各个组件的详细情况。振荡器板822通过紧固件836(例如螺栓或螺丝)固定于热沉830。热沉828通过射频密封粘合剂838和夹具840与热沉830固定。电源线842连接至电源销832和834。可以采用任选的夹具844提供电源线842的应力缓解。

图212是第一个例子的分解示意图，说明端板846的组件详细情况。用射频密封粘合剂将端板846固定于热沉828和830。图213和214是第一个例子的完成组装的示意图。图215是沿图213中线215-215截取的截面图。通常，本发明的灯构造成包含其中产生的射频场。对功率线进行滤波，采用具有开口的金属外壳，限制以下的截止，在表面之间采用衬垫。衬垫涉及胶、可压缩绳子、电阻薄膜和限制射频电流流动和相关辐射/耦合的相关机械设计。

图216是振荡器板822和扩展板826的示意图。图217是沿图216中线217-217截取的截面图。在扩展板826上形成槽848，限制热从灯头820传递到振荡器电路。振荡器板822包括割去部分850，扩展板826包括相应的凹陷852，这里振荡器的有源元件直接与扩展板826接地连接。图218是安装在振荡器板822和扩展板826上的灯头820的示意图，振荡器板822上放置了合适的电子元件，如4.3节中针对图208-209所描述的这些元件。

4.4.1悬臂振荡器板

图219是扩展板826的另一种结构的示意图。图220是安装在另一种扩展板上的振荡器板822的示意图。图221是沿图220中线221-221截取的截面图。正如图219-221所示，扩展板设置有开口862，用悬臂在开口862上的一部分板使振荡器板822固定于扩展板。灯头(包括电容器迭堆)在悬臂部分连接于振荡器板。正如图221所示，振荡器板在灯头连接的区域中可以弯曲。

正如4.1.8.1节和4.1.8.3节中所描述的，介电和导电板的电容器迭堆位于灯头与PCB之间。这里所采用的不同材料可以具有不同的热膨胀系数。例如，介电材料可以是坚固的(象玻璃或陶瓷一样)或是柔软的(象塑料一样)。从迭堆到其它元件的连接通常是由锡铅焊剂完成的，在灯工作温度下，它可以表示为塑料材料的特征。

灯头被加热时，它会以比电容器迭堆更大的速率膨胀。此外，如果电容器迭堆在组装中被预负载压缩，在坚固材料内会产生高的应力，而在塑料材料中产生畸变(它可以缓解一些预负载)。其灯的热循环期间，迭堆组件可能经受张应力，通过迭堆的分层这会导致退化或故障。

根据本发明的这个方面，灯组件是这样构造的，在灯头的区域中，PCB可以弯曲，从而能够允许由不同热膨胀率产生的少量移动，不会引起装置出故障。

图222是振荡器板822的另一较佳印刷电路板布图的示意图。在较佳布图中，振荡器板上的接地垫片被取消，灯头的接地板直接连接于扩展板。

4.4.2单独的灯头外壳

图223是灯头的外壳的透视图。外壳包括热沉864和866，与热沉828和830相比相对较短。射频功率经同轴电缆868从任何合适的射频能量源提供给灯头。灯头组件较小，可以远离射频源定位是有利的。图224-226是单独灯头外壳的各个组件详细情况的示意图。

图227是灯头/馈电组件的分解示意图。灯头870安装在馈电组件872上。电容器组件874位于灯头870的高压板与馈电组件872的高压衬垫876之间。图228-230是灯头/馈电组件的各个组件详细情况的示意图。

图231是馈电组件872的分解示意图。馈电印刷电路板878与扩展板880作电和机械连接。扩展板880形成有槽882，以接收同轴电缆886的接地外侧导体884以及将同轴电缆的中心导体888适当定位在馈电印刷电路板878的高压衬垫876上。托架889经紧固器890(例如螺栓或螺丝)将同轴电缆886固定于扩展板880。图232-234是馈电组件872的各种组件详细情况的示意图。

图110和111是示例电容器组件874的相对两侧的示意图。正如4.1.8节中所描述的，电容器组件874由合适的电介质材料和厚度制成，以提供所需的电容。如图110-111所示，电容器组件874与导电衬垫层叠，设置有与馈电组件872对准的孔。

根据本发明的电容器迭堆的另一个较佳结构示于图235-239。馈电组件包括单面印刷电路板871，馈电衬垫873在一面上，将该板焊接到扩展板880上的焊剂粘合剂871a在另一面上。高压电容器组件包括单面电路板875，一面上有以上在4.1.8节中相对于图120所描述的导电衬垫371，另一面上有将电容器组件焊接到馈电组件上的粘合剂焊接875a。这个另一种较佳构造取消了电容器迭堆中的许多焊剂层。与以上的构造相比，这个较佳构造利用最少的得到很好控制的焊剂位置改善了电弧放电。图238-239示出单面印刷电路板877的另一较佳安排，一面上有馈电衬垫879。

图240是灯头的分解示意图。孔径杯892(密封灯泡)插在灯头870的开口中。图241-242是从相反两侧看的灯头的示意图。图243是沿图242中线243-243截取的截面图。图244是安装到馈电组件872的灯头一面的示意图。如图240-244所示，孔径杯892位于灯头中，灯泡与戒指形线圈对准。孔径杯892固定在这个位置中，在灯头870的外侧有高温粘合剂894。从灯头870的外侧固定孔径杯892有助于灯的热管理。灯头870有一高压板896和接地板898，它们分别与馈电组件872的高压衬垫876和扩展板880电连接。

4.4.3示例的灯头焊接过程

可以利用多种技术中的任何一种来影响灯头与印刷电路板(PCB)/扩展板组件之间的电连接。较佳地，灯头具有施加于高压衬垫和接地衬垫的巴氏金属涂层，有助于与PCB组件的焊接和机械附着。灯头连接衬垫较佳地在喷涂巴氏金属前作喷砂处理。

根据本发明的方法将焊剂置于所需连接的区域中，然后用加热板对灯头和PCB组件加热至例如200℃。然后手工将灯头置于合适的位置上，部件一起冷却，形成焊接。

在灯头与PCB组件之间区电连接的另一个示例方法如下。将焊剂预先施加于灯头和/或PCB组件上。将灯头置于PCB组件上，在灯头连接的区域内让大安培的电流通过灯头和PCB组件。在接触区中产生高热量，引起预先施加的焊剂熔化。然后去掉电流，当部件冷却时便形成焊接。例如，采用夹持固定器，它将灯头和PCB组件夹在一起。夹持固定器包括相反设置的碳电极，通过它们通过大安培的电流。电流使碳电极加热，它们又使灯头和PCB组件加热。这种方法具有仅使一部分PCB组件加热的优点，由此避免焊剂在PCB组件的其它部件上回流。这种方法也更快，因为仅仅一部分PCB组件需要加热。

4.4.4改进的可焊性***体

根据本发明的这个方面，灯头包括高压衬垫和/或接地衬垫的区域中的导电***体，与一体化铝衬垫相比，改善了可焊性。较佳地，***体选自在存在熔化的铝时将不熔化的材料。更好地，所选的材料将形成***体与灯头的铝部分之间的冶金焊接。此外，所选的材料较佳地显示对PCB组件上铜区域连接的改进可焊性。例如，合适的材料包括镍、镀有铂的镍、以及与少量(例如小于约25％)的铁合金的镍。

图245是根据本发明的灯头950的俯视图。图246是灯头950的正视图。灯头950包括在灯头950的高压衬垫的区域中的***体951和在灯头950的接地衬垫的各个区域中的***体952a、952b和952c。

如上所述，灯头950通过真空注模过程一体化地形成。模具、BN***体和/或碳化硅预制件适合于在注模过程期间保持衬垫***体在位置中。图247是在铝渗透前位于模具954中的***体951的部分放大截面图。***体951由BN***体956进一步定位。对于高压衬垫***体951，***体951的一端将与栓958电连接，后者连接至激励线圈。可以沿例如线960-960对灯头950进行加工，暴露一部分内部衬垫材料。

图248是在铝渗透前位于模具954中的***体952a的部分放大截面图。***体952a由碳化硅预制件962保持其适当位置。

***体951和952a-c可以是任何适当的形状，且可以有均匀的纵向截面。另一方面，***体可以具有不均匀的纵向截面，有助于在注模过程期间和/或在完成的一体化灯头中的保持力。图249-251分别是具有缩短腿部分964的***体的示意图和透视图。图252-254分别是具有通孔966的***体的示意图和透视图。图255是具有凹口968的***体的透视图。

4.4.5单独的射频源

图256是以上结合图223-255所描述的单独灯头的较佳射频源900的透视图。射频电源封装在外壳902中，后者通过紧固器906固定于热沉904。同轴电缆连接器908也安装于热沉904。

图257是射频源900的分解示意图。正如257所示，射频源900包括控制电路910、振荡器组件912、和循环器914，按照以下所述连接。图258是射频源900的功率连接的示意图。功率通过滤波器组件916提供给射频源900，滤波器组件的一个引线与热沉904接地连接，另一个引线提供直流功率。

图259是功率滤波器组件916的部分截面图。电容器918、瞬态电压抑制器920和电阻器922并联连接在直流电压与地之间。例如，电容器918的电容值为1000μF，额定电压50V，电压抑制器920为Motorola P6KE27A，电阻器的阻值为6.6K欧姆，额定功率约为1/4瓦。

4.4.6振荡器控制电路

图260-262是给本发明灯供电的各种射频电路的方框图。在本发明的灯中，尤其是在仅采用卤化铟填充物时，被点燃的灯的冷状态与灯的被点燃的热状态相比具有明显不同的电学条件(例如阻抗)。为了改善灯的启动和工作，因此较佳地提供多个对应于各种灯参数的调谐状态。这些参数包括例如光输出水平、射频功率反射和光的颜色。

4.3节中所描述的振荡器的一个特征在于，振荡的频率可以通过调节电容器的值而调谐。根据本发明的这个方面，提供一个控制电路，切换电容器的值，从而提供所需的振荡频率。

电容器的值可以例如通过提供一个与调谐电容器串联的变容二极管、提供两个彼此串联的调谐电容器(它们与正-本-负二极管开路和短路切换)或者两个彼此并联的调谐电容器(一个被正-本-负二极管驱动)而切换。

控制电路可以包括例如基于所观测灯工作特性的定时器电路、直流输入电流监视器、光水平输出监视器和射频反射功率监视器。

图260是射频电路图，包括将控制信号提供给振荡器926的控制电路924。振荡器926的输出通过循环器928给射频供电的灯930。在控制电路924中，提供控制信号独立于来自其余电路的任何反馈。例如，控制电路924包括当灯被打开时基于限时间隔提供适当控制信号而配置的定时器电路。限时的间隔基于例如对灯运行的经验观察。

图261是射频电路图，包括将控制信号提供给振荡器926的控制电路932。振荡器926的输出通过循环器928给射频供电灯930。在控制电路932中，基于从循环器接收的反馈而提供控制信号。例如，控制电路监视器监测反射的射频功率并调节振荡器的频率，以获得最低量的反射射频功率。

图262是射频电路图，包括将控制信号提供给振荡器926的控制电路934。振荡器926的输出通过循环器928给射频供电灯930。在控制电路934中，基于从灯接收的反馈而提供控制信号。例如，放置一个光学传感器936(例如光电检测器)，监测光输出或者光，以感应光的颜色。控制电路监测测量数量并相应地调节振荡器的频率。

图263是根据本发明的较佳射频电路的示意图。定时器电路942提供控制信号，调节振荡器944的频率。振荡器944的输出提供给循环器946。循环器946的输出连接至同轴电缆连接器948的中心导体。

循环器是非可逆器件，它降低灯负载及其变化阻抗对振荡器的功率、频率、电压和电流的影响。循环器改善了执行振荡器调谐的能力。

基于经验观察，本发明的灯工作很好，有两个调谐状态。振荡器板按照结合图208-209所描述的构造，所不同的是，变容二极管D2与调谐电容器C14串联连接。与变容二极管导通时振荡器的频率(对应于第二调谐状态)相比，变容二极管截止时将振荡器的频率调节为低一些(对应于第一调谐状态)。第一调谐状态在灯正在点燃和稳定状态工作期间是较佳的。第二调谐状态在灯已经点燃后，但是在灯达到全额输出前(也称为上升期)是较佳的。

将定时电流配置为当灯被打开时开始第一计时。开始时，变容二极管截止，灯在第一调谐状态工作。在灯点燃后经过一定的时间周期(基于经验观察)后，第一计时期满，定时电路切换变容二极管，将振荡器切换到第二调谐状态。定时电路开始第二计时，它允许一定的时间周期进行上升。在第二计时期满后，变容二极管被截止，灯在第一调谐状态下工作在稳定状态。

图263是结合图263所描述的振荡器板的示例印刷电路板布图的示意图。图265是根据本发明的定时电路的示意图。集成电路U1是2个输入无栅极的逻辑器件。定时间隔由各种电容元件的电荷减少所确定。

另一方面，每个控制电路924、932、934可以包括提供控制信号，调节振荡器频率而编程的基于微处理器电路或者微控制器。例如，定时电路已经利用微控制器实现。上述的循环器反馈和/或传感器反馈可以作为信息提供给微控制器。微控制器可以在算法(例如频率颤动技术)中采用该信息，以确定是否需要调节频率。例如，微控制器能够周期性地对频率作小量调节并根据反馈信息确定对灯性能的影响。这种技术提供振荡器频率的自动实时调谐。也可以采用其它类型的反馈(例如双向耦合器)。

虽然已经针对特定的例子描述了本发明，但是，本发明并不局限于此。基于附图，详细描述以及这里给出的教导，本领域的专业技术人员将能作出许多其它例子。以上的例子应当认为仅仅是说明性的，本发明的范围和精神由以下的权利要求书限定。

Claims (81)

1．一种感应耦合无电极灯，包括：

封闭填充物的封壳，所述填充物在受激时形成等离子体放电；

位于所述封壳附近的激励线圈，所述线圈的有效电学长度小于向其施加驱动频率的一半波长；及

与所述激励线圈连接的高频电源，所述高频电源配置成以驱动频率向激励线圈提供功率，所述驱动频率大于100MHz，

其特征在于：所述激励线圈配置成与受激的等离子体感应耦合。

2．如权利要求1所述的感应耦合无电极灯，其特征在于：激励线圈的有效电学长度小于四分之一波长。

3．如权利要求1所述的感应耦合无电极灯，其特征在于：激励线圈的有效电学长度小于八分之一波长。

4．如权利要求1所述的感应耦合无电极灯，其特征在于：所述驱动频率大于约300MHz。

5．如权利要求1所述的感应耦合无电极灯，其特征在于：所述驱动频率大于约500MHz。

6．如权利要求1所述的感应耦合无电极灯，其特征在于：所述驱动频率大于约700MHz。

7．如权利要求1所述的感应耦合无电极灯，其特征在于：所述驱动频率大于约900MHz。

8．如权利要求1所述的感应耦合无电极灯，其特征在于：所述高频电源包括固态高频电源。

9．如权利要求1所述的感应耦合无电极灯，其特征在于进一步包括使高频电源与激励线圈耦合的串联谐振耦合电路。

10．如权利要求9所述的感应耦合无电极灯，其特征在于：串联谐振耦合电路包括激励线圈、串联谐振电容器、为从高频电源接收功率并将功率提供给串联谐振电容器而连接的低感应功率馈送、以及连接在串联谐振电容器与地之间的相对于功率馈送的较低电感导电表面。

11．如权利要求10所述的感应耦合无电极灯，其特征在于：较低电感导电表面包括俯冲板结构。

12．如权利要求11所述的感应耦合无电极灯，其特征在于：串联谐振电容器形成在一部分俯冲板与一部分激励线圈之间，这里，这部分俯冲板提供串联谐振电容器的第一电极，这部分激励线圈提供串联谐振电容器的第二电极，这里，在第一电极与第二电极之间设置一电介质。

13．如权利要求9所述的感应耦合无电极灯，其特征在于：串联谐振耦合电路包括为从高频电源接收功率而连接的导电低电感表面。

14．如权利要求13所述的感应耦合无电极灯，其特征在于：导电低电感表面包括刀片结构。

15．如权利要求14所述的感应耦合无电极灯，其特征在于：串联谐振电路包括形成在第一部分刀片与第一部分激励线圈之间的第一电容器和形成在第二部分刀片与第二部分激励线圈之间的第二电容器，这里，在第一部分刀片与第一部分激励线圈之间设置第一电介质，在第二部分刀片与第二部分激励线圈之间设置第二电介质。

16．如权利要求1所述的感应耦合无电极灯，其特征在于：激励线圈包括基本上非螺旋形、半圆柱的不足一圈的导电表面。

17．如权利要求16所述的感应耦合无电极灯，其特征在于：导电表面包括戒指形状。

18．如权利要求1所述的感应耦合无电极灯，其特征在于进一步包括从空间上分开且径向环绕激励线圈至少180度的接地导电表面。

19．如权利要求18所述的感应耦合无电极灯，其特征在于：接地导电表面包括烟囱管。

20．如权利要求18所述的感应耦合无电极灯，其特征在于：接地导电表面与激励线圈在空间上分开的距离在激励线圈半个直径与一个直径之间，这里，接地导电表面分别轴向延伸到激励线圈以上和以下，其距离在激励线圈的半个直径与一个直径之间。

21．如权利要求1所述的感应耦合无电极灯，其特征在于进一步包括基本上在整个激励线圈的外表面上与激励线圈热接触的热沉。

22．如权利要求21所述的感应耦合无电极灯，其特征在于：热沉包括具有相对较低介电常数的导热陶瓷。

23．如权利要求22所述的感应耦合无电极灯，其特征在于：导热陶瓷包括氮化硼。

24．如权利要求1所述的感应耦合无电极灯，其特征在于进一步包括由包住绝缘陶瓷的金属矩阵复合体形成的一体化灯头，这里，绝缘陶瓷包括一内表面，激励线圈一体化地形成在绝缘陶瓷的内表面上。

25．如权利要求1所述的感应耦合无电极灯，其特征在于：填充物包括硫、硒、以及硫与硒的混合物之一。

26．如权利要求1所述的感应耦合无电极灯，其特征在于：填充物主要由硒、铯的卤化物和惰性气体组成。

27．如权利要求1所述的感应耦合无电极灯，其特征在于：填充物主要由铟的卤化物、铯的卤化物和惰性气体组成。

28．如权利要求1所述的感应耦合无电极灯，其特征在于：填充物主要由镨的卤化物、铟的卤化物和惰性气体组成。

29．如权利要求1所述的感应耦合无电极灯，其特征在于：填充物主要由铟的卤化物和惰性气体组成。

30．一种感应耦合无电极灯用的激励线圈，其特征在于：所述激励前线包括基本上非螺旋形、半圆柱的不足一圈的导电表面。

31．如权利要求30所述的激励线圈，其特征在于：所述导电表面包括戒指形状。

32．如权利要求30所述的激励线圈，其特征在于：所述导电表面具有相对较薄的径向厚度和至少大于该径向厚度的轴向高度。

33．如权利要求32所述的激励线圈，其特征在于：轴向高度在导电表面直径的三分之一与三分之二之间。

34．一种感应耦合无电极灯用的激励线圈，其特征在于：激励线圈包括一导电表面，它具有戒指形的激励部分和与该激励部分切向弯曲且彼此平行的第一和第二引线，导电表面具有通常对应于大写希腊字母Ω的截面形状。

35．一种感应耦合无电极灯用的激励线圈，其特征在于：激励线圈包括为提供至少两个电流回路而配置的一个或多个导电表面，这里，至少两个电流回路在空间上分开且彼此基本上相互平行和同相。

36．如权利要求35所述的激励线圈，其特征在于：一个或多个导电表面是为提供两个半圆形电流回路而配置的，两个半圆形电流回路彼此基本上相互平行且具有基本相同的轴和直径，这里，两个电流回路在空间上分开，其高度约为两个半圆形电流回路直径的40％至60％。

37．如权利要求35所述的激励线圈，其特征在于：一个或多个导电表面包括单个非螺旋形、半圆柱形的不足一圈的表面。

38．如权利要求35所述的激励线圈，其特征在于：一个或多个导电表面包括两个非螺旋形、半圆柱形的表面，每个不足一圈。

39．如权利要求38所述的激励线圈，其特征在于：两个非螺旋形、半圆柱形表面并联连接。

40．一种感应耦合无电极灯用的激励结构，其特征在于：激励结构包括两个并联连接的，在空间上分开的且彼此基本相互平行的激励线圈。

41．如权利要求40所述的激励结构，其特征在于：两个激励线圈在空间上彼此分开，其距离约为亥姆霍兹构造。

42．一种感应耦合无电极灯用的一体化灯头，其特征在于所述一体化灯头包括：

金属矩阵复合物外壳；

被金属矩阵外壳包住的绝缘陶瓷，绝缘陶瓷具有一内表面；及

一体化地形成在绝缘陶瓷内表面上的激励结构。

43．如权利要求42所述的一体化灯头，其特征在于：一体化形成的激励结构包括激励线圈。

44．如权利要求42所述的一体化灯头，其特征在于：一体化形成的激励结构包括戒指形状的激励线圈。

45．如权利要求42所述的一体化灯头，其特征在于：一体化形成的激励结构包括截面形状通常对应于大写希腊字母Ω。

46．如权利要求42所述的一体化灯头，其特征在于：一体化形成的激励结构包括从一体化灯头的外部到激励结构的预先形成的连接。

47．一种振荡器，包括：

具有输入和输出的放大器；

连接在放大器的输入与放大器的输出之间的阻抗变换网络，

其特征在于：阻抗变换网络配置成将适当的正反馈从放大器的输出提供给放大器的输入，以开始并维持振荡条件，

这里，阻抗变换网络配置成保护放大器的输入免于毁坏性的反馈信号。

48．如权利要求47所述的振荡器，其特征在于：将一负载连接于放大器的输出，这里，当负载从低阻抗变为高阻抗时，阻抗变换网络配置成保护放大器的输入免于毁坏性反馈信号。

49．如权利要求48所述的振荡器，其特征在于：当负载从短路变为开路时，阻抗变换网络配置成保护放大器的输入免于毁坏性反馈信号。

50．如权利要求47所述的振荡器，其特征在于：阻抗变换网络仅包括微波带状传输线、短截线和非电感性元件。

51．如权利要求47所述的振荡器，其特征在于：阻抗变换网络仅包括微波带状传输线、短截线和电容器元件。

52．如权利要求51所述的振荡器，其特征在于进一步包括一调谐电路，它具有连接于放大器输入的微波带状传输线，这里，放大器的输出产生射频输出电压，具有其第三谐波的振荡频率，这里，调谐电路传输线的长度之和约为振荡频率的第三谐波的二分之一波长。

53．如权利要求47所述的振荡器，其特征在于：毁坏性反馈信号包括高压，这里，阻抗变换网络配置成防止高压在放大器的输出处建立。

54．如权利要求53所述的振荡器，其特征在于：阻抗变换网络进一步配置成将放大器输出方的高电压变换为放大器输入方的大电流。

55．如权利要求47所述的振荡器，其特征在于：阻抗变换网络包括双反馈回路。

56．如权利要求55所述的振荡器，其特征在于：双反馈回路基本上对称。

57．如权利要求56所述的振荡器，其特征在于：双反馈回路与放大器输入处的匹配短截线耦合。

58．如权利要求47所述的振荡器，其特征在于：放大器包括提供输出功率超过10瓦的输出信号的单个有源元件。

59．如权利要求58所述的振荡器，其特征在于：振荡器的效率大于50％。

60．如权利要求47所述的振荡器，其特征在于进一步包括输出阻抗匹配电路，具有与放大器的输出连接的第一端和与阻抗变换网络耦合的高阻抗端。

61．如权利要求60所述的振荡器，其特征在于：放大器的输出产生射频输出电压，这里，输出阻抗匹配电路包括将高阻抗端的反射电压限制为从放大器输出的射频输出电压的几乎两倍而配置的短截线。

62．一种套式灯泡封壳，其特征在于它包括：

陶瓷盖，具有一个敞开端和一部分封闭端，部分封闭端限定一孔径；

位于陶瓷盖内与孔径邻接的灯泡；及

至少部分地覆盖一部分灯泡但与孔径不邻接的反射陶瓷材料。

63．如权利要求62所述的套式灯泡封壳，其特征在于：反射陶瓷材料基本上填充不被灯泡占据的陶瓷盖的内部体积。

64．如权利要求62所述的套式灯泡封壳，其特征在于：陶瓷盖包括有助于套式灯泡封壳对准在灯中的结构特征。

65．如权利要求64所述的套式灯泡封壳，其特征在于：结构特征包括适合于与灯中相应的槽配对的凸块。

66．如权利要求64所述的套式灯泡封壳，其特征在于：结构特征包括适合于与灯中相应特征配对的分度。

67．如权利要求64所述的套式灯泡封壳，其特征在于：结构特征包括适合于与灯中相应的肩配对的边缘。

68．如权利要求64所述的套式灯泡封壳，其特征在于：结构特征包括在孔径的区域内在陶瓷盖外部上的升高部分，升高部分适合于被抓住对陶瓷盖定位。

69．如权利要求62所述的套式灯泡封壳，其特征在于：陶瓷盖包括绕其周边的外缘。

70．如权利要求69所述的套式灯泡封壳，其特征在于：凸缘位于陶瓷盖的敞开端附近。

71．如权利要求69所述的套式灯泡封壳，其特征在于：凸缘位于陶瓷盖的部分封闭端附近。

72．如权利要求62所述的套式灯泡封壳，其特征在于：陶瓷盖包括至少一个陶瓷盖中的部分嵌入导电元件位置，以帮助启动灯。

73．一种套式灯泡封壳，其特征在于它包括：

具有一个敞开端和一封闭端的陶瓷盖；

覆盖陶瓷盖敞开端的陶瓷垫片，所述垫片限定通过的孔径；

位于陶瓷盖内与孔径邻接的灯泡；及

填充陶瓷盖的未被灯泡占据的内部体积的反射陶瓷材料。

74．一种装填包含灯泡置于其中的陶瓷盖型的套式灯泡封壳的方法，其特征在于所述方法包括步骤：

用可流动的反射材料浆填充陶瓷盖；及

给陶瓷盖施加离心力，将反射材料装填在其中。

75．一种灯设备，包括：

放电灯；

与放电灯连接的射频电源，以驱动频率提供射频功率；及

控制射频电源的驱动频率的控制电路。

76．如权利要求75所述的灯设备，其特征在于：控制电路配置成按照放电灯的多个可调谐状态设定驱动频率。

77．如权利要求75所述的灯设备，其特征在于：放电灯在灯点燃期间以第一调谐状态工作而在灯工作期间以第二调谐状态工作，这里，控制电路包括一定时电路，对于预定的时间周期，它按照第一调谐状态设定驱动频率，而后，按照第二调谐状态设定驱动频率。

78．如权利要求75所述的灯设备，其特征在于进一步包括检测灯工作参数的检测器，这里，检测器配置成按照所检测的参数给控制电路提供信号。

79．如权利要求78所述的灯设备，其特征在于：灯的工作参数包括光输出水平、射频功率反射和光的颜色中的一个。

80．如权利要求78所述的灯设备，其特征在于：检测器包括位于接收放电灯的光位置上的光电检测器，这里，灯工作参数包括光输出水平和光的颜色中的一个。

81．如权利要求78所述的灯设备，其特征在于：检测器包括连接在射频电源与放电灯之间的循环器，这里，灯工作参数对应于射频功率反射。

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